Zur Einhaltung immer streng werdender Abgasvorschriften werden neuentwickelte selbstzündende Brennkraftmaschinen mit einer homogenen Ladung (HCCI-Motoren) betrieben, wobei HCCI als Abkürzung für Homogenous Charge Compression Ignition steht. Bei solchen HCCI-Brennkraftmaschinen entstehen durch die Verwendung homogener, magerer Gemische wenig Stickoxide, und es werden hohe thermische Wirkungsgrade bei geringer Partikelbildung erzielt. Es können sowohl Diesel-als auch Otto-Kraftstoffe verwendet werden, wobei bei der Verwendung von Otto-Kraftstoffen in hohen Lastbereichen das Gemisch fremdgezündet wird.

Aus der DE 10122775 AI ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der mittels einer Kompressionszündung eine homogene Ladung gezündet wird. Die DE 10122775 A1 sieht eine lastabhängige Selbst-bzw. Fremdzündung vor. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass mittels einer Vorrichtung zwei Nockenwellen variabel gesteuert werden, um einen Wechsel zwischen einem Kompressionszündungsbetrieb und einem Fremdzündungsbetrieb zu ermöglichen.

Ein Verfahren zum Betrieb einer HCCI-Brennkraftmaschine ist aus der DE 19952096 C2 bekannt, bei der mittels verschiedener Stellgrößen die Verbrennung gesteuert wird. Darin werden variabel ansteuerbare Einlass-und Auslassventile sowie eine Einspritzanlage durch eine Regeleinrichtung derart angesteuert, dass in Abhängigkeit eines Zeitpunkts der 50%- igen Umsetzung der eingespritzten Brennstoffmasse während eines Zyklus als Stellgrößen ein bestimmtes Luftverhältnis, eine bestimmte effektive Verdichtung, ein bestimmter Einspritzdruck, ein bestimmter Einspritzzeitpunkt und eine bestimmte Einspritzmenge zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung der Zylinderladung oder der Lage des 50%- Massenumsatzpukts für den jeweils nächsten Zyklus festgelegt werden.

Die Wärmefreisetzung, insbesondere deren Beginn und Verlauf, sowie deren Steuerung sind bei der Verwendung eines HCCI- Brennverfahrens für den Betrieb der Brennkraftmaschine von besonderer Bedeutung. Um die Vorteile eines HCCI- Brennverfahrens in weiten Kennfeldbereichen auszunutzen, bedarf es einer kontinuierlichen, schnellen sowie kostengünstigen Steuerung der Verbrennungsabläufe während eines gefahrenen Betriebspunkts insbesondere zur Vermeidung einer unerwünscht frühen Verbrennungslage, welche zu hohen Drücken im Brennraum führt, d. h. eine Beeinflussung der Wärmefreisetzung soll im Betrieb einer HCCI- Brennkraftmaschine möglichst schnell stattfinden, da anderenfalls die Erzielung einer optimalen Verbrennung nicht realisiert werden kann. Die o. g. Dokumente sehen eine solche Regelung nicht vor.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem ein verbessertes Brennverhalten der Brennkraftmaschine ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, die Zufuhr von Verbrennungsluft in einen Brennraum über mindestens ein Einlassventil gesteuert wird, wobei die Abfuhr von Abgas aus dem Brennraum über mindestens ein Auslassventil gesteuert wird. Mittels einer im Brennraum angeordneten Ionenstromsonde wird ein Ionenstromsignal erfasst, mit dem eine Lage des 50%-Massenumsatzpunkts in einem Betriebspunkt ermittelt wird, wobei die ermittelte Lage des 50%- Massenumsatzpunkts durch einen in einer Motorsteuerung abgespeicherten und betriebspunktabhängigen Korrekturwert verändert wird, so dass eine durch die Position der Ionenstromsonde im Brennraum verursachte Verzerrung bzw.

Abweichung der ermittelten Lage des 50%-Massenumsatzpunkts ausgeglichen wird.

Erfindungsgemäß wird aus dem erfassten Ionenstromsignal die Lage eines 50%-Massenumsatzpunkts der aktuellen Verbrennung ermittelt, d. h., der Zeitpunkt, bei dem 50% der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmasse während eines Verbrennungszyklus oder Arbeitsspiels umgesetzt ist. Mit Hilfe der ermittelten Lage des 50%-Massenumsatzpunkts der aktuellen Verbrennung wird der aktuell ermittelte Wert mit einem in einem Steuergerät gespeicherten Wert verglichen. Bei einem darauffolgenden Zyklus wird der Ablauf der Verbrennung mittels einer Anpassung von Betriebsparametern so verändert, dass optimales Brennverhalten stattfindet.

In Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung der Lage des 50%-Massenumsatzpunkts ein Massenumsatzpunkt eines unmittelbar vorangegangenen Verbrennungszyklus herangezogen.

Dies ermöglicht eine sehr schnelle Regelung.

Durch die Lage der Ionenstromsonde im Brennraum kann eine Verzerrung der ermittelten Werte bei einer nicht vollständigen Homogenisierung auftreten, da die Ionenstromsonde nur eine kleine Teilmenge des im Brennraum vorhandenen Gemisches erfasst. Daher findet eine lastabhängige Korrektur der ermittelten Lage des 50%- Massenumsatzpunkts statt, um die vom tatsächlichen Wert abweichende Verzerrung auszugleichen. Solche Korrekturwerte sind in einer Motorsteuerung hinterlegt und werden bei der Anpassung der Betriebsparameter berücksichtigt.

Die tatsächlichen Zeitpunkte eines 50%-Massenumsatzpunkts der Verbrennung in einem bestimmten Betriebspunkt werden für die Brennkraftmaschine anhand einer thermodynamischen Verbrennungsanalyse beispielsweise mit Hilfe einer s. g. Vibe- Funktion am Prüfstand ermittelt. Gleichzeitig werden mittels einer Ionenstromsonde die Zeitpunkte des 50%- Massenumsatzpunkts ermittelt. Aus der Differenz werden dann die Korrekturwerte ermittelt. Somit wird für jeden Betriebspunkt die Lage des 50%-Massenumsatzpunkts ermittelt, bei der ein optimales Verbrennungsverhalten stattfindet, und weiterhin ein Korrekturwert festgelegt, der die anhand einer Ionenstromsonde ermittelten Daten korrigiert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden zur Ermittlung der Lage des 50%-Massenumsatzpunkts die Massenumsatzpunkte mehrerer vorangegangenen Verbrennungszyklen herangezogen. Dadurch ergibt sich eine sehr genaue Regelung, da oft bei den Brennkraftmaschinen im gleichen Betriebspunkt zyklische Schwankungen auftreten.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung findet bei der Ermittlung der Lage des 50%-Massenumsatzpunkts aus mehreren vorangegangen Verbrennungszyklen eine gleitende Mittelung statt. Somit stellt das erfindungemäße Verfahren eine kostengünstige Alternative zur Steuerung einer HCCI- Brennkraftmaschine dar.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird erfindungsgemäß zuerst mit dem gemessenen Ionenstromsignal eine Lage bzw. ein Zeitpunkt des 50%-Massenumsatzpunkts für einen aktuellen Verbrennungszyklus ermittelt. Da dieser Zeitpunkt von einem tatsächlichen Zeitpunkt aufgrund der Sondenposition abweicht, wird er durch den betriebspunktsabhängigen Korrekturwert korrigiert. Somit ergibt sich näherungsweise der tatsächliche Zeitpunkt des 50%-Massenumsatzpunkts. Dieser wiederum wird mit einem optimalen Zeitpunkt des 50%-Massenumsatzpunkts verglichen, bei dem die Brennkraftmaschine im jeweiligen Betriebspunkt optimales Verbrennungsverhalten aufweist. Die Brennkraftmaschine wird dann anschließend derart gesteuert, dass die Verbrennung in einem darauffolgenden Zyklus optimal verläuft.

Bevorzugt für die Verbrennungssteuerung werden Betriebsparameter wie Ventilsteuerzeiten und/oder die Kraftstoffeinspritzung benutzt, über die ein im Brennraum gebildetes Gemisch veränderbar ist, welches aus Kraftstoff, Luft und gegebenenfalls zurückgehaltenem Abgas besteht. Es können Gemischkenngrößen wie Restgasanteil, Luftverhältnis und/oder die Gemischtemperatur variiert werden. Weiterhin kann eine Variation des Verdichtungsverhältnisses vorgenommen werden.

Erfindungsgemäß findet eine Anpassung der Verbrennungsgrößen im darauffolgenden Verbrennungszyklus beispielsweise durch Veränderung der im Brennraum zurückgehaltenen Abgasmenge statt. Dies erfolgt wahlweise mittels einer Verstellung der Einlass-und Auslassventilsteuerzeiten. Somit werden Verbrennungsparameter wie Beginn der Wärmefreisetzung, auch als Verbrennungsbeginn bezeichnet, und Verlauf der Wärmefreisetzung gesteuert.

Die Variation der Ventilsteuerzeiten wird bevorzugt durch Nockenwellenversteller vorgenommen, wobei alternativ die Variation der Ventilsteuerzeiten durch eine elektromagnetische Ventilsteuerung oder jede andere variable Ventilsteuervorrichtung erfolgen kann. Eine Anpassung der Verbrennungsgrößen kann auch mittels einer Einspritzstrategie durch Veränderung der Einspritzparameter vorgenommen werden, wobei beispielsweise der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, die Dauer der Einspritzung, die eingespritzte Kraftstoffmenge bzw. die Einspritzdrücke und gegebenenfalls eine vorgenommene Taktung der Einspritzung modifiziert werden können. Denkbar ist ebenfalls eine Kombination aus einer Veränderung der Ventilsteuerzeiten, die beispielsweise eine Änderung der im Brennraum zurückgehaltenen Abgasmenge ermöglicht, und einer angepassten Kraftstoffeinspritzstrategie, um bei einem darauffolgenden Zyklus den Ablauf der Verbrennung zu beeinflussen, und somit mittels der Modifikation ein optimales Brennverhalten zu erreichen. Dabei kann sich die Anpassung der Verbrennungseinstellgrößen gemäß der Erfindung über mehrere Verbrennungszyklen erstrecken.

In einer besonders vorteilhaften Gestaltung wird das HCCI- Brennverfahren in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung verwendet. Ein HCCI-Betrieb erfolgt im unteren und mittleren Lastbereich, wobei im hohen Last-und Volllastbereich eine Fremdzündung stattfindet. Die Elektroden der Zündkerze dienen im HCCI- Betrieb neben ihrer Zündungsfunktion im ottomotorischen Betrieb als Sensor zur Erfassung eines Ionisationsgrades im Brennraum.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das HCCI- Brennverfahren in einem Dieselmotor verwendet, wobei je nach Lastpunkt entweder eine konventionelle Dieselverbrennung oder ein HCCI-Betrieb erfolgt. Eine im Brennraum angeordnete Glühkerze dient im HCCI-Betrieb dann als Ionenstromsonde zur Erfassung eines Ionenstromsignals.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung, die Ausführungsbei- spiele der Erfindung zeigt, in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hubkolbenbrenn- kraftmaschine mit einem Steuergerät, einer Einspritzvorrichtung sowie mit Mitteln zur Verstellung der Ventilsteuerzeiten, Fig. 2 ein Diagramm mit einem gemessenen Ionenstromsignal und dessen Integral sowie anderen thermodynamischen Kenngrößen der Verbrennung, und Fig. 3 ein Diagramm zur Gegenüberstellung des 50%- Massenumsatzpunkts berechnet aus einem Ionenstromintegral und des 50%-Massenumsatzpunkts berechnet aus dem Heizverlauf bzw. aus der Vibe- Funktion.

In Fig. 1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. Sie umfasst vier Zylinder 2, in denen nicht gezeigte Kolben geführt sind und die durch einen nicht dargestellten Zylinderkopf verschlossen sind. Zylinder 2, Kolben und Zylinderkopf umschließen einen Brennraum 3, in dem die Verbrennung eines in den Brennraum durch einen Kraftstoffinjektor 4 eingespritzten Kraftstoffs stattfindet.

Im Zylinderkopf sind pro Brennraum 3 mindestens ein Kraftstoffinjektor 4, ein Einlassventil 5, ein Auslassventil 6 und eine Zündkerze 10 angeordnet. Der Kraftstoffinjektor 4 wird von einer Einspritzvorrichtung 7 angesteuert. Die Kraftstoffeinspritzzeitpunkte und gegebenenfalls eine lastanhängige Taktung werden durch Signale aus einem Steuergerät 9 mittels der Einspritzvorrichtung 7 gesteuert.

Eine variable Ventilsteuervorrichtung 8 umfasst eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung für die Einlass-sowie Auslassventile 5,6, die zur Variation der Ventilsteuerzeiten dient. Dabei kann es sich um einen mechanischen, hydraulischen oder elektrischen Nockenwellenversteller handeln, wobei alternativ eine elektromagnetische Ventilsteuereinheit oder jede andere variable Ventilsteuereinheit zum Einsatz kommen kann. Je nach verwendetem System gehören dazu eine oder mehrere Nockenwellen mit Phasenstellern, oder schaltbaren Tassenstößeln mit variabler Ventilhubbegrenzung oder Rollenschlepphebeln mit variablem Anlenkpunkt sowie unterschiedlichen Nocken mit Umschaltsystemen ähnlich dem sogenannten VTEC-System und mindestens eine Abgasdrosselklappe.

Beim ottomotorischen Betrieb erfolgt die Zündung des Gemisches durch die Zündkerze 10, wobei eine dem Brennraum 3 zugeführte Luftmenge durch eine nicht dargestellte Einlassdrosselklappe gesteuert wird. Im HCCI-Betrieb wird das aus zurückgehaltenem Abgas, Kraftstoff und Luft bestehende Gemisch verdichtet, wobei die Verbrennung mittels einer Kompressionszündung eingeleitet wird.

Das Steuergerät 9 dient zur Steuerung der Brennkraftmaschine 1, d. h. es steuert die Zündkerze, den Öffnungs-und Schließvorgang des Kraftstoffinjektors 4 und der Ein-und Auslassventile 5,6 mittels der variablen Ventilsteuer- vorrichtung 8. Im Betreib der Brennkraftmaschine 1 wird das Gemisch ionisiert, wobei ein Ionisationsgrad von den Gemischbestandteilen sowie von der Temperatur abhängig ist.

Durch den Ionisationsgrad ist eine Ionenleitung messbar.

Die im Brennraum 3 angeordnete Zündkerze 10 dient im HCCI- Betrieb durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektroden der Zündkerze 10 zur Erfassung eines Ionenstromsignals, welches dem Steuergerät 9 zugeführt und für die Ermittlung des Schwerpunkts der Verbrennung zugrunde gelegt wird. Alternativ kann die Messung des Ionenstromsignals durch eine zusätzliche Ionenstromsonde im Brennraum 3 stattfinden. Die dem Steuergerät 9 zugeführten Echtzeitsignale geben Aufschluss über die Lage und den Verlauf der Verbrennung. Das Steuergerät 9 vergleicht die ermittelten Werte wie die Lage des 50%-Massenumsatzpunkts der aktuellen Verbrennung mit in einem Kennfeld gespeicherten Werten, und bewirkt bei Bedarf unter Berücksichtigung der aktuellen Werte, die Steuerung des Kraftstoffinjektors 4 und der variablen Ventilsteuervorrichtung 8, um den Ablauf der Verbrennung bei einem darauffolgenden Verbrennungszyklus anzupassen. Das Steuergerät 9 steuert z. B. bei einem nicht optimalen Verbrennungsablauf die Nockenwellenversteller derart an, dass die im Brennraum 3 zurückgehaltene Abgasmenge verändert wird, so dass eine andere Gemischtemperatur eingestellt wird, wodurch die Verbrennungslage optimiert wird.

Das oben genannte Verfahren ermöglicht es, mit Hilfe der als Ionenstromsonde verwendeten Zündkerze 10 die Lage des 50%- Massenumsatzpunkts der Verbrennung anhand eines Integrals des Ionenstromsignalverlaufs zu ermitteln. Die Lage des 50%- Massenumsatzpunkts ändert sich bezüglich des Kurbelwinkels bei Änderung des Verbrennungsverlaufs, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Ist 50% der zugeführten Energie, z. B. als berechneter Heizverlauf, umgesetzt, so liegt dort der 50%- Massenumsatzpunkt. Fig. 2 veranschaulicht den Verlauf eines Ionenstromsignals X im Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 und einen aus einem gemessenen Zylinderdruckverlauf berechneten Heizverlauf Y aufgetragen über den Kurbelwinkel K der Brennkraftmaschine 1. Die dargestellten Verläufe lassen erkennen, dass das Integral des lokal gemessenen Ionenstroms sehr gut mit den Heizverläufen korreliert, insbesondere bei 50% der zugeführten Energie, in Fig. 2 als Massenumsatz M bezeichnet. Weiterhin ist der Massenumsatz M berechnet mittels einer Vibe-Funktion F als ein weiterer Vergleich dargestellt.

Bei der Brennkraftmaschine 1 weist das im Brennraum 1 gemessene Ionenstromsignal X einen charakteristischen Verlauf auf, welches mit dem Brennverlauf, d. h. der Wärmefreisetzung der Brennkraftmaschine 1 unmittelbar korreliert. Dieses erfasste Signal wird zur Ermittlung einer Lage des 50%- Massenumsatzpunkts der aktuellen Verbrennung direkt verwen- det, was im Hinblick auf die Regelung eines darauffolgenden Zyklus zu einer sehr kurzen Reaktionszeit führt, um eine möglichst schnelle Anpassung der Betriebsparameter zu erzielen. Es findet eine Integration des Ionenstromsignals X statt. Der Ionenstromsignalverlauf wird aufsummiert bzw. integriert, wobei das Integralmaximum bzw. die Gesamtsumme einer 100%-igen Umsetzung der Kraftstoffmasse entspricht, die im jeweiligen Zyklus an der Verbrennung teilgenommen hat. Die Verarbeitung des Signals in einem Steuergerät findet innerhalb sehr kurzer Zeit statt, wodurch die Brennkraftmaschine 1 stets in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden kann. Dies führt dazu, dass eine aufwendige Regeleinheit nicht benötigt wird.

Gemäß Fig. 2 weist der Verlauf des Ionenstromintegrals Xi beim Zeitpunkt des 50%-Massenumsatzpunkts im Vergleich zum berechneten Heizverlauf Y eine Abweichung A auf. Diese Abweichung ist auf die Position der Ionenstromsonde 10 im Brennraum 3 zurückzuführen. Um die tatsächliche Lage des 50%- Massenumsatzpunkts zu ermitteln, wird der durch die Ionenstromsonde 10 ermittelte Zeitpunkt durch einen Korrekturwert korrigiert, welcher der Abweichung A entspricht. Daraus ergibt sich die tatsächliche Lage des 50%- Massenumsatzpunkts, die zur Regelung der Verbrennung hinsichtlich Verbrennungsbeginn und Wärmefreisetzung herangezogen werden kann. Die Brennkraftmaschine 1 wird innerhalb kurzer Dauer bei Bedarf derart gesteuert, dass sie im jeweiligen Betriebspunkt optimal betrieben werden kann.

Bei der Ermittlung der Lage des 50%-Massenumsatzpunkts eines bestimmten Verbrennungszyklus werden Messwerte eines unmittelbar vorangegangenen Verbrennungszyklus herangezogen.

Dadurch wird eine sehr schnelle Regelung erzielt. Um eine genauere Regelung zu erzielen werden alternativ bei der Ermittlung der Lage des 50%-Massenumsatzpunkts mehrere vorangegangene Verbrennungszyklen, vorzugsweise 5 bis 20 oder 10 bis 30 Zyklen herangezogen. In dem Fall, d. h. bei der Heranziehung mehrerer vorangegangen Verbrennungszyklen, findet eine gleitende Mittelung statt, bei der ein Mittelwert aus den vorangegangenen Zyklen gebildet wird.

Fig. 3 zeigt die Korrelation von detektierten 50%- Massenumsatzpunkten Kf, die mit Hilfe einer Vibe-Funktion berechnet sind, und solche 50% Massenumsatzpunkte Kx, die aus dem Ionenstromsignal ermittelt sind. Die Korrelation zeigt, dass aus dem Ionenstromsignal die Wärmefreisetzung der Brennkraftmaschine 1 ermittelt werden kann. Somit wird eine Regelung der Verbrennungsabläufe hinsichtlich Verbrennungsbeginn, Wärmefreisetzung und Lage des 50%- Massenumsatzpunkts ermöglicht. Als weitere Regelgrößen können z. B. Last, Drehzahl, Brennraumwandtemperatur, Ansauglufttemperatur, und/oder Ansaugluftdruck dienen.