AT501937B1 - Verfahren zur erkennung und vermeidung von verfrühten verbrennungsereignissen - Google Patents

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AT501937B1 AT0141306A AT14132006A AT501937B1 AT 501937 B1 AT501937 B1 AT 501937B1 AT 0141306 A AT0141306 A AT 0141306A AT 14132006 A AT14132006 A AT 14132006A AT 501937 B1 AT501937 B1 AT 501937B1
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Description

österreichisches Patentamt AT501 937 B1 2009-11-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von verfrühten Verbrennungsereignissen bei ein Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten: [0002] - Bereitstellen zumindest eines Sensors und/oder einer elektronischen Auswerteschal tung zur unmittelbaren Erkennung von verfrühter Verbrennung; [0003] - Durchführen von zumindest einer Maßnahme zur Vermeidung von verfrühter
Verbrennung, wenn eine verfrühte Verbrennung erkannt wurde.
[0004] Bei bekannten Anwendungen von Klopfregelsystemen werden Brennkraftmaschinen permanent mit zylinderindividuellen variablen Zündwinkeln betrieben, wobei aus dem klopffreien Betrieb der Zündwinkel in Richtung "früh" so lange verstellt wird, bis Klopfen erkannt wird. Danach erfolgt eine Rücknahme des Zündzeitpunktes in Richtung "spät", was zur Vermeidung von Klopfen in Folge der damit verbundenen Temperaturabsenkung im Brennraum führt. Nach Spätverstellung der Zündung in den sicheren klopffreien Betrieb wird diese nach einer Aufregelstrategie wieder schrittweise in Richtung "früh", also in Richtung der verstärkten Klopfneigung, verstellt.
[0005] Durch Zuhilfenahme eines Klopfsensors zur Klopferkennung und der dazugehörigen optimierten Regelstrategie wird die Brennkraftmaschine so nah wie möglich an der Klopfgrenze betrieben. Beispielsweise durch zu schnelles nach früh Stellen des Zündwinkels an die Klopfgrenze nach einem Klopfereignis kann es aber zu einer Zunahme der thermischen Belastung im Brennraum aufgrund der verkürzten Abkühlzeit kommen. Diese auf Minimierung der Wirkungsgradverluste ausgelegte Regelstrategie kann nach einer gewissen Zeit eine verfrühte Verbrennung auslösen. Verfrühte Verbrennungen treten darüber hinaus auch speziell bei aufgeladenen Hochleistungs-Otto-Brennkraftmaschinen beispielsweise durch Ablagerungen, bzw. durch unverbrannten Kraftstoff oder Öl im Brennraum auf.
[0006] Diese verfrühten Verbrennungen verursachen keine typischen Klopfmerkmale und werden darum von den bisher eingesetzten Klopfsensoren und deren Signalverarbeitungssystemen nicht erfasst. Da eine verfrühte Verbrennung jedoch mit einem starken Druckanstieg in der Kompressionsphase und mit stark überhöhten Verbrennungstemperaturen verbunden ist, führen solche anormalen Verbrennungsabläufe nach kurzer Zeit zu einem Motorschaden.
[0007] Es ist aus der DE 100 43 700 A1 und der DE 199 08 729 A1 bekannt, Klopfen, also anormale Verbrennungsvorgänge, durch klopfreduzierende Maßnahmen, wie Verschieben des Zündzeitpunktes nach spät oder Durchführen einer mehrfachen Einspritzung, zu reduzieren. Diese Maßnahmen beeinflussen aber nur anormale Verbrennungsvorgänge, die durch den Zündfunken ausgelöst werden, und nicht die für die Brennkraftmaschine gefährlicheren verfrühten Verbrennungen, die nicht durch den Zündfunken ausgelöst werden. Verfrühte Verbrennungen lassen sich nicht durch Spätstellen der Zündung beeinflussen.
[0008] Es ist weiters bekannt, das Klopfen durch verstärkte Abgasrückführung zu reduzieren, siehe JP 58-025559 A.
[0009] Die JP 62-251450 A beschreibt eine Einrichtung zur Verminderung des Klopfens, wobei im Hochlastbereich und bei Beschleunigung im Teillastbereich unterschiedliche Klopfverhinderungsmaßnahmen ergriffen werden. Im Volllastbereich wird die Menge der Ansaugluft reduziert, im Teillastbereich eine Verschiebung des Zündzeitpunktes nach spät durchgeführt.
[0010] Aus der AT 501.636 A1 ist ein Verfahren zum Vermeiden von verfrühten Verbrennungsereignissen bei einer Brennkraftmaschine bekannt, welches vorsieht, dass bei Auftreten eines über einen Klopfsensor erkannten Klopfereignisses im Brennraum zumindest ein Prüfungsschritt zur Unterscheidung zwischen Zündfunken induzierter normalen Klopfereignissen und verfrühter Verbrennung durchgeführt wird. Wenn das Klopfereignis als verfrühte Verbrennung identifiziert wird, wird zumindest eine Maßnahme zur Vermeidung von verfrühter Verbrennung durchgeführt. Ein ähnliches Verfahren ist aus der JP 11-241641 A bekannt. Beide Verfahren österreichisches Patentamt AT501 937 B1 2009-11-15 haben gemeinsam, dass erst sehr spät eine verfrühte Verbrennung erkannt werden kann.
[0011] Die Veröffentlichungen DE 100 64 088 A1, DE 100 41 777 A1, DE 40 34 523 A1 und DE 197 55 256 A1 handeln allesamt über Verfahren zum Erkennen bzw. Unterdrücken von klopfender Verbrennung. Klopfende Verbrennung unterscheide sich ganz wesentlich von verfrühter Verbrennung, weshalb Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von klopfender Verbrennung für verfrühte Verbrennung nicht anwendbar sind.
[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Brennkraftmaschine eine sichere und einfache Erkennung von verfrühter Verbrennung durchzuführen und in weiterer Folge verfrühte Verbrennung zu vermeiden.
[0013] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die verfrühte Verbrennung unmittelbar erkannt wird, wobei das Erkennen von verfrühter Verbrennung völlig unabhängig vom Erkennen einer klopfenden Verbrennung erfolgt.
[0014] Dabei kann vorgesehen sein, dass die Auswertung des Sensorsignals mittels eines Integralverfahrens und/oder eines Maximalauswerteverfahrens erfolgt.
[0015] Vorzugsweise erfolgt die sofortige und unmittelbare Erkennung durch Beobachten zumindest eines unmittelbar durch die verfrühte Verbrennung beeinflussten Motorparameters, vorzugsweise des Druckverlaufes im Zylinder. Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zunutze, dass eine verfrühte Verbrennung mit einem starken Druckanstieg in der Kompressionsphase verbunden ist. Durch das Auftreten dieses charakteristischen starken Druckanstieges in der Kompressionsphase kann eindeutig auf eine verfrühte Verbrennung geschlossen werden. Für das Erkennen der verfrühten Verbrennung ist es dabei unwesentlich, ob die verfrühte Verbrennung mit oder ohne Klopfen abläuft.
[0016] Wenn als Sensorsignal ein Beschleunigungssensorsignal oder ein Klopfsensorsignal verwendet wird, erfolgt die Auswertung des Sensorsignals vorzugsweise durch ein Maximal-auswerteverfahren.
[0017] Wenn als Sensorsignal ein Drehzahlsignal verwendet wird, erfolgt die Erkennung von verfrühter Verbrennung aufgrund von aus dem Drehzahlsensorsignal abgeleiteten Winkelbeschleunigungswerten. Verfrühte Verbrennung führt zu einem Zylinderdruckanstieg deutlich vor OT. Durch diesen deutlich zu frühen Zylinderdruckanstieg ändert sich die auf die Kurbelwelle über das Pleuel wirkende Kraft. Das durch diesen einen Zylinder erzeugte Drehmoment sinkt oder steigt je nach Ausgangslage der Verbrennung relativ zum Optimum. Die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle ändert sich, das heißt, die Winkelbeschleunigung der Kurbelwelle als Reaktion auf die verfrühte Verbrennung in einem Zylinder sinkt oder steigt. Es kann eine Bandbreite der zulässigen Drehungleichförmigkeit definiert werden außerhalb derer irreguläre Verbrennung diagnostiziert werden kann. Die Detektion der irregulären Verbrennung über Drehungleichförmigkeit kann zusammen mit anderen Maßnahmen der Detektion irregulärer Verbrennung oder verspäteter Verbrennung (Aussetzererkennung) eingesetzt werden.
[0018] Eine wirksame Maßnahme zur Verhinderung der verfrühten Verbrennung besteht darin, dass die Motorlast zumindest des betreffenden Zylinders reduziert wird, wobei vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass die Reduzierung der Motorlast zumindest teilweise durch Abmagern oder Anfetten zumindest des betreffenden Zylinders durchgeführt wird.
[0019] Alternativ dazu oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Reduzierung der Motorlast zumindest teilweise durch Absenken des Saugrohrdruckes erfolgt.
[0020] Überschreiten die verfrühten Verbrennungen eine bestimmte Häufigkeit, so muss eine Reduzierung der Motorlast erfolgen, um die Brennkraftmaschine nicht zu gefährden.
[0021] In der AT 501 636 A1 wurde vorgeschlagen, erst bei Auftreten eines Klopfereignisses zumindest einen Prüfungsschritt zur Unterscheidung zwischen einem zündfunkeninduzierten normalen Klopfereignisses und einer verfrühten Verbrennung durchzuführen.
[0022] Dabei wurde geprüft, ob die Amplitude des Klopfereignisses über einer ersten Klopf- 2/7 österreichisches Patentamt AT501 937B1 2009-11-15 schwelle für normales Klopfen liegt. Weiters wurde geprüft, ob die Amplitude des Klopfereignisses über einer definierten zweiten Klopfschwelle für verfrühte Verbrennung liegt. Erst bei Überschreiten der zweiten Klopfschwelle wurde das Klopfereignis als verfrühte Verbrennung identifiziert. Durch die Bereitstellung eines Klopfsensors, jedoch durch die gemeinsame Verwendung der Auswerteschaltung, Verstärkerstufen sind gewisse Einschränkungen zur Erkennung von verfrühter Verbrennung gegeben, was im ungünstigstem Fall zu einer nicht Erkennung von verfrühter Verbrennung führt.
[0023] Die Durchführung derartiger Prüfschritte ist beim gegenständlichen Verfahren nicht erforderlich, da das Erkennen der verfrühten Verbrennung direkt durch den Druckanstieg während der Kompressionsphase bzw. durch den lonenstromverlauf nach dem Funkenende, und nicht durch Vergleich der Amplituden mit definierten Klopfschwellen erfolgt. Dies ermöglicht es, besonders rasch verfrühte Verbrennung zu erkennen und sofort entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Somit können Schäden zu Folge verfrühter Verbrennung besonders wirksam vermieden werden.
[0024] Weiters sinkt durch diese Methode der sofortigen Erkennung der verfrühten Verbrennung die Gefahr von Fehlerkennungen (Einleitung von Maßnahmen ohne Auftreten von verfrühter Verbrennung).
[0025] Das Erkennen von verfrühter Verbrennung erfolgt völlig unabhängig vom Erkennen einer klopfenden Verbrennung. Deshalb kann verfrühte Verbrennung auch dann oder auch nur dann erfolgen, wenn kein Klopfereignis stattfindet.
[0026] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
[0027] Es zeigen Fig. 1 den Druckverlauf bei einer zündfunkeninduzierter Verbrennung mit Klopfen, Fig. 2 den Druckverlauf bei einer verfrühten Verbrennung mit Klopfen, Fig. 3 den Druckverlauf während einer verfrühten Verbrennung ohne Klopfen, Fig. 4a Zylinderdrucksignale für reguläre und irreguläre Verbrennungen Fig. 4b lonenstromsignale für reguläre und irreguläre Verbrennungsabläufe.
[0028] In den Fig. 1 bis 4a ist der Zylinderdruck p über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen.
[0029] Wie aus Fig. 1 deutlich hervorgeht, tritt bei klopfender Verbrennung 2 ein Druckanstieg erst nach dem Zündzeitpunkt ZZP auf. Dieser Druckanstieg nach dem Zündzeitpunkt ZZP ist somit ein charakteristisches Merkmal der klopfenden Verbrennung. Mit 1 sind die Referenzdruckverläufe mit regulärer Verbrennung bezeichnet.
[0030] Der Druckverlauf bei verfrühter Verbrennung 3, 4 unterscheidet sich davon wesentlich, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
[0031] Die Fig. 2 zeigt eine verfrühte Verbrennung 3 mit Klopfen. Merkmal dieser verfrühten Verbrennung ist, dass der Druckanstieg noch vor dem Zündzeitpunkt ZZP erfolgt. Ein zu starker Druckanstieg vor dem Zündzeitpunkt ZZP hat zur Folge, dass ein stark überlagertes Klopfen ausgelöst wird, wenn zum Zeitpunkt der Überschreitung der Klopfgrenze unverbranntes Gemisch im Brennraum ist.
[0032] Die Fig. 3 zeigt eine verfrühte Verbrennung 4 ohne Klopfen. Auch hier erfolgt der Druckanstieg deutlich vor dem Zündzeitpunk ZZP. Da in dieser ersten Phase der Verbrennung das zündfähige Gemisch zur Gänze verbrannt ist, entsteht kein überlagertes Klopfen.
[0033] Da eine verfrühte Verbrennung - ohne oder mit Klopfen - mit einem starken Druckanstieg in der Kompressionsphase verbunden ist, kann durch Beobachten des Druckverlaufs in der Kompressionsphase eine eindeutige Erkennung von verfrühter Verbrennung mit und ohne Klopfen sehr frühzeitig, nämlich in Echtzeit, erfolgen.
[0034] Alternativ oder zusätzlich zur Auswertung des Zylinderdruckes kann die Erkennung der verfrühten Verbrennung auch auf Grund eines lonenstromsignals i an der Zündkerze erfolgen, wie Fig. 4a und Fig. 4b zeigen. Dabei sind die Zylinderdrucksignale p und die lonenstromsignale i über dem Kurbelwinkel KW für reguläre Verbrennung 1 und verfrühte Verbrennungen 3, 4 3/7

Claims (7)

  1. österreichisches Patentamt AT501 937 B1 2009-11-15 dargestellt. [0035] Aus dem Verlauf des lonenstromsignals i nach dem Ende EZ des Zündfunkens kann auf eine verfrühte Verbrennung geschlossen werden. Bei einer normalen Verbrennung 1 weist das lonenstromsignal i einen charakteristischen Verlauf auf, wobei nach dem Ende EZ des Zündfunkens das lonenstromsignal i schlagartig absinkt. Dem Absinken des lonenstromsignals i folgt ein der chemischen Ionisation zuordbarer erster Maximalwert 1a. Weiters folgt in Abstand a zum Funkenende EZ ein der thermischen Ionisation zuordbarer höherer zweiter Maximalwert 1b, dessen Auftreten mit dem Verbrennungsspitzendruck zusammenfällt. [0036] Tritt eine verfrühte Verbrennung 3, 4 auf, so sind diese beiden Maximalwerte 1a, 1b nicht ausgeprägt. [0037] Tritt verfrühte Verbrennung 3 in Kombination mit Klopfen auf, so ist ein Maximalwert 3a im lonenstromsignal i zu Folge thermischer Ionisation festzustellen, welcher aber wesentlich früher als bei normaler Verbrennung 1 auftritt. Der Betrag des Maximalwertes 3a ist wesentlich größer die Maximalwerte 1a und 1b bei regulärer Verbrennung. Eine verfrühte Verbrennung 3 mit Klopfereignissen kann erkannt werden, wenn ein der thermischen Ionisation zuordbarer Maximalwert 3a des lonenstromsignal i über einem definierten Schwellwert liegt und/oder innerhalb einer definierten Zeitdauer a nach dem Funkenende EZ auftritt. Der Schwellwert kann beispielsweise durch den höchsten bei regulärer Verbrennung nach dem Funkenende EZ auftretenden Maximalwert 1b des lonenstromsignals gebildet sein. [0038] Tritt extrem verfrühte Verbrennung 4 ohne Klopfen auf, weist die lonenstromsignalkurve i nach dem Funkenende EZ einen im Wesentlichen stetig fallenden Verlauf - ohne Extremwerte -auf. Eine verfrühte Verbrennung ohne Klopfereignisse kann somit dadurch erkannt werden, dass das lonenstromsignal i nach dem Funkenende EZ zumindest innerhalb des gewählten Messfensters a stetig abfällt, ohne dass Maximalwerte auftreten. [0039] Durch Erkennen der Lage der Verbrennung mit lonenstrommessung bzw. aus der Erkennung der zeitlichen Differenz zwischen dem Zündfunken und der Spitzendrucklage kann zuverlässig zwischen normaler Verbrennung 1 und verfrühter Verbrennung 3, 4 unterschieden werden. Patentansprüche 1. Verfahren zur Erkennung von verfrühten Verbrennungsereignissen bei einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten: - Bereitstellen zumindest eines Sensors aus der Gruppe Zylinderdrucksensor, Beschleunigungssensor, Klopfsensor und Drehzahlsensor zum Bilden eines mit dem Zylinderdruck zusammenhängenden Sensorsignals; dadurch gekennzeichnet, dass das durch ein Zylinderdrucksensorsignal, ein Beschleunigungssensorsignal, ein Klopfsensorsignal und/oder ein Drehzahlsensorsignal gebildete Sensorsignal innerhalb eines definierten Messfensters permanent überwacht wird und die verfrühte Verbrennung unmittelbar durch Auswerten des Sensorsignals durch eine elektronische Auswerteschaltung zur Erkennung von verfrühter Verbrennung erkannt wird, wenn das vor dem Zündzeitpunkt erfasste Sensorsignal und/oder der Anstieg des Sensorsignals vor dem Zündzeitpunkt einen definierten Schwellwert überschreitet, wobei das Erkennen von verfrühter Verbrennung völlig unabhängig vom Erkennen einer klopfenden Verbrennung erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Sensorsignals mittels eines Integralverfahrens und/oder eines Maximalauswerteverfahrens erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von verfrühter Verbrennung aufgrund von aus dem Drehzahlsensorsignal abgeleiteten Winkelbeschleunigungswerten erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer verfrühten Verbrennung eine Reduzierung der Motorlast zumindest des betref- 4/7 österreichisches Patentamt AT501 937B1 2009-11-15 fenden Zylinders durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer verfrühten Verbrennung eine Reduzierung der Luftzahl zumindest des betreffenden Zylinders durchgeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer verfrühten Verbrennung eine Anhebung der Luftzahl zumindest des betreffenden Zylinders durchgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer verfrühten Verbrennung eine Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zumindest des betreffenden Zylinders durchgeführt wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7
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