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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bewertung der Verbrennung bei geschichteter Ladung in Otto-Motoren,
vorzugsweise mit Direkteinspritzung, entsprechend dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Die Homogenität der in den Zylinder eingebrachten
Ladung beeinflusst entscheidend die Verbrennung, d. h. Abgaswerte,
Verbrauch, Motorleistung etc. sind von diesem Parameter abhängig. Dies ist
insbesondere bei Motoren mit direkter Einspritzung des Kraftstoffes
in den Zylinder, hervorgerufen durch die kurzen Gemischbildungszeiten,
von Bedeutung. Eine Beurteilung der Ladungsverteilung, insbesondere
deren Homogenität
und eine verbrennungsgünstige
Verteilung der Ladungsschichten innerhalb des Zylinders sind für eine optimale
Gestaltung des Verbrennungsvorganges notwendig.
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Vorbekannt ist aus der Schrift
DE 35 05 063 A1 ein
Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung der Verbrennungen in
Brennräumen
einer Brennkraftmaschine, wobei anhand von Lichterscheinungen im
Brennraum eine auf verbesserte Laufruhe gerichtete Verbrennungsregelung
erfolgt. Hierzu werden Momentanwerte der im Brennraum gemessenen Strahlungsintensität jeweils
mit einem Mittelwert aus mehreren nacheinander erfolgten Intensitätsmessungen
verglichen und daraus wird verschleppter, für die Laufruhe der Brennkraftmaschine
ungünstiger,
in den aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen unterschiedlicher Verbrennungsablauf
erkannt. Die Schrift offenbart keine Angaben über den Spektralbereich des
zur Messung verwandten Lichtes.
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Vorbekannt ist aus der Schrift
US 5,113,828 ein gattungsgemäßes Verfahren
und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, wobei
für die
Steuerung verwendete Parameter der Verbrennung aus direkt im Brennraum
gemessenen optischen Messgrößen gewonnen
werden. Lichterscheinungen der Verbrennung werden von einem in den
Brennraum mündenden
Sensor aufgenommen und mittels eines Lichtleiters zu einem Photodetektor übertragen.
Vor diesem befinden sich optische Filter, welche nur bestimmte Spektralanteile
der Verbrennungsstrahlung auf den Photodetektor gelangen lassen.
Der Detektor bildet ein zur Lichtintensität äquivalentes Signal, das von
einer Recheneinheit weiterverarbeitet wird. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
infrarotes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 850 – 1000 nm
zur Beurteilung des Verbrennungsvorganges genutzt.
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Aus der Form des Lichtintensitätssignals werden
Parameter zur Beurteilung der Verbrennung gebildet, die von der
Gesamtintensität
unabhängig sind.
Es wird die Lage des Spitzenwertes der Lichtintensität über dem
Kurbelwinkel, bzw. die Lage des 5%-Wertes bezogen auf das Maximum
(Spitzen- o. Integralwert) der Lichtintensität bestimmt. Die Signale werden
zum Erkennen klopfender Verbrennung und des Verbrennungsbeginnes
genutzt. Unvollständige
Verbrennung wird anhand einer späten
Lage des Minimalwertes der Ableitung der Lichtintensität in Bezug
zum Kurbelwinkel erkannt.
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Das Verfahren nutzt die Intensität der H2O-Strahlung zur Beurteilung des Brennverfahrens. Bei
inhomogener Ladungsschichtung, insbesondere bei direkteinspritzenden
Otto-Motoren erfolgt während
der Verbrennung eine stärkere
Rußbildung
als bei homogener Ladung. Das hat zur Folge, dass die H2O-Strahlung
im angegebenen Spektralbereich nicht detektierbar ist, da sie von
der Rußstrahlung überdeckt
wird.
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Vorbekannt ist aus der Schrift
EP 0 632 864 A1 eine
Einrichtung zur Erfassung von Motorparametern zur λ- und Zündzeitpunktregelung
für Verbrennungskraftmaschinen,
die vorzugsweise mit gasförmigem
Kraftstoff betrieben werden, zur Vermeidung klopfender Verbrennung
bzw. zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern. Mittels eines optischen Aufnehmers
werden Verbrennungslichterscheinungen im Brennraum detektiert und über einen
Photodetektor in elektrische Signale gewandelt. Eine Auswerteeinrichtung
ermittelt aus den Maximalwerten der Absolutmesswerte oder deren
Integralwerte Parameter der Verbrennung. Genutzt wird ein breitbandiger
Spektralbereich der Verbrennungsstrahlung im Bereich zwischen 180
nm <= λ <= 600 nm Wellenlänge. Die
Nutzung von Maximalwerten macht ein Kalibrieren der Messkette erforderlich.
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Aus der
DE 198 27 533 ist ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur quantitativen Durchführung von Temperatur- und Konzentrationsmessungen,
die auch zur Untersuchung von Verbrennungsprozessen genutzt werden
kann, bekannt, wobei die Raman-Spektroskopie
als Nachweisverfahren eingesetzt wird. Eine Lichtquelle, vorzugsweise
eine Laserlichtquelle, bestrahlt ein Messvolumen, wobei die rückgestreute
Strahlung durch Photodetektoren aufgenommen und anschließend in
verschiedene Polarisationsebenen zerlegt wird. Es erfolgt eine getrennte
Auswertung der einzelnen Polarisationsebenen, um Störeinflüsse, die
unpolarisiert auftreten, durch den Vergleich der Messwerte in den
einzelnen Polarisationsebenen herausrechnen zu können. Weiterhin kann durch
die Wahl einer geeigneten Anregungsfrequenz zwischen 308 und 400
nm die Stärke der
Störsignale
reduziert werden. In diesem Verfahren erfolgt eine Differenzbildung
des von einem Messvolumen rückgestrahlten
Lichtes bezüglich
verschiedener Polarisationsebenen.
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Der Quotient aus verschiedenen Spektren des
in bei einer Verbrennung auftretenden Verbrennungslichtes wird nicht
gebildet.
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Aus der
DE 34 10 067 C2 ist ein
Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der
Verlauf des Intensitätssignals
des bei der Verbrennung auftretenden Lichtes zur Erkennung ungleichmäßiger, klopfender
Verbrennung genutzt wird. Es werden dazu die Extremwerte des Lichtintensitätssignals
ausgewertet. Eine Auswertung von verschiedenen Spektralbereichen
des im Brennraum emittierten Lichtes mit anschließender Quotientenbildung
zur Ermittelung eines Kennwertes zur Bewertung der Verbrennung findet
nicht statt.
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Aus der Schrift
US 5,076,237 ist ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Messung und Steuerung des Motors bezüglich seiner
Abgasemissionen bekannt, bei der die Lichtintensität der im
Brennraum des Motors detektierten Verbrennungsstrahlung ausgewertet
wird. Es wird dabei ein ausgewählter
Spektralbereich zwischen 300 und 1000 nm genutzt, in welchem die
Rußstrahlung
durchgängig
detektiert werden kann. Erfindungsgemäß ist zur Erfassung der Rußstrahlung
keine Auswahl bestimmter Spektralbereiche notwendig, da diese über den
gesamten genannten Spektralbereich ermittelt werden kann. Demgemäss erfolgt
keine Auswertung verschiedener, aus dem Gesamtspektrum ausgefilterter
Spektralbereiche des Verbrennungslichtes.
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Aus der Schrift
DE 196 16 744 C2 ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung klopfender Verbrennung
mittels einer optischen Brennraumsonde vorbekannt. Es wird angestrebt,
eine von der Verschmutzung der Brennraumsonde unabhängige Auswertung
klopfender Verbrennung zu ermöglichen.
Hierbei wird das Intensitätssignal
des im Brennraum aufgenommenen Verbrennungslichtes während eines
Verbrennungsvorgangs integriert und auf den Messwert maximaler,
während
der Verbrennung aufgetretener Lichtintensität normiert. Die Auswertung
eines für
klopfende Verbrennung signifikanten Lichtintensitätsspektrums
ist dabei vorteilhaft. Eine Auswertung und Analyse verschiedener
Spektralbereiche des Verbrennungslichtes findet nicht statt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus
im Brennraum aufgenommenen optischen Messgrößen Parameter zu bilden, die
ein Ermitteln von Einspritzkenngrößen, wie Einspritzzeitpunkt
und Einspritzende, zur günstigen
Ausbildung einer Schichtladung im Brennraum für optimalen Verbrennungsablauf
ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die Intensität der Verbrennungsstrahlung
im Spektralbereich der Rußstrahlung
ausgewertet und die Lage des Maximums oder des Schwerpunktes des
Lichtintensitätssignals in
Bezug zum Kurbelwinkel als Parameter ermittelt.
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Eine frühe Maximum- bzw. Schwerpunktlage des
Messsignals der Rußstrahlungsintensität in Bezug
zum Kurbelwinkel kennzeichnet eine günstige Ausbildung der Schichtladung.
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Eine ungünstige, späte Rusbildung bzw. zu später Abbrand
in örtlich
fetten Bereichen innerhalb der Ladung ist durch eine späte Lage
des Intensitätsmaximums
bzw. der Schwerpunktlage der Intensitätskurve erkennbar.
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Eine frühe Lage des Maximums der Rußstrahlung
wird durch eine hohe Durchbrenngeschwindigkeit der Ladung hervorgerufen
und ist somit kennzeichnend für
eine günstig
ausbalancierte Ladungsschichtung.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft wird die Schwerpunktlage
des Kurvenverlaufes des Lichtintensitätssigr als in Bezug zum Kurbelwinkel
als Lage des Rußstrahlungsmaximums
definiert. Damit kann eine höhere
Bewertungssicherheit erzielt werden, da anstelle eines Einzelwertes
(Maximalwert) die Gesamtkurve bewertet wird.
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Eine einfache Berechnung der Schwerpunktlage
des Rußstrahlungsmaximums
wird durch Bilden eines normierten Integralwertes, Lage des 50%-Wertes
des Integrals der Lichtintensität
zum Gesamtintegral mit Bezug zum Kurbelwinkel, erreicht. Die Bildung
von Integralgrößen ermöglicht eine
Bewertung der Schwerpunktlage auch bei niedrigen Signalwerten.
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Auf ein Kalibrieren der Messkette
kann verzichtet werden, weil die erfindungsgemäß gebildeten Maximal- bzw.
Schwerpunktwerte des Lichtintensitätssignals in Bezug zum Kurbelwinkel
betrachtet werden und somit vom Absolutwert des Signals unabhängig sind.
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Weiterhin hat sich gezeigt, dass
die erfindungsgemäß gebildeten
Parameter bei geschichtetem Betrieb des Motors unabhängig von
der Lage des Betriebspunktes und des Zündzeitpunktes den für die Verbrennung
optimalen Zeitpunkt für
das Einspritzende anzeigen.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft werden die aufgabengemäß gebildeten
Parameter zur Einstellung optimaler Einspritzkenngrößen benutzt.
Dies kann sowohl für
die Applikation des Einspritzkennfeldes am Prüfstand als auch innerhalb einer
geschlossenen Regelschleife beim Ablauf der Algorithmen im Motorsteuergerät des im
Fahrzeug betriebenen Motors erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des
Verfahrens werden einzelne Lichtintensitätswerte im Spektralbereich
von Ruß-
und der OH-Strahlung aufgenommen, und aus dem Quotienten (Intensität Ruß-/Intensität OH-Strahlung)
wird ein Parameter zur quantitativen Bewertung des Verbrennungsverfahrens
gebildet. Kleine Werte dieses Quotienten kennzeichnen dabei eine
geringe Rußbildung
und ermöglichen
damit die Beurteilung der Ladungsschichtung bezüglich deren Auswirkung auf
den Rußausstoß. Der erfindungsgemäß gebildete
Parameter korreliert mit der Schwärzungszahl, reagiert jedoch
im Vergleich empfindlicher und gewährleistet eine bessere Auflösung.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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Hierbei zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung der Messvorrichtung,
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2 einen
Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechend Anspruch 1 in einem Blockschaltbild,
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3 einen
Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechend Anspruch 6 in einem Blockschaltbild.
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In 1 ist
der prinzipielle Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Einer Brennraumsonde 1, die aus dem Brennraum 2 einer
Verbrennungskraftmaschine 3 Strahlung aufnimmt, ist ein
Lichtleiter 4 angeschlossen, der über mindestens einen optischen
Filter 5 die Strahlung zu mindestens einem Photodetektor 6 leitet.
Die Brennraumsonde 1 kann dabei eine, wie im Ausführungsbeispiel
gezeigte, übliche
Brennraumsonde 1 oder ein in die Zündkerze 9 integrierter
Messaufnehmer – nicht
dargestellt – sein.
Dem Photodetektor 6 angeschlossen ist eine Auswerteeinheit 7,
in welcher Parameter zur Beurteilung des Verbrennungsablaufes aus
der vom Photodetektor 6 in elektrische Signale gewandelten
Verbrennungsstrahlung gebildet werden. Eine detaillierte Beschreibung
erfolgt anhand der 2 u. 3. Weiterhin liegt der Auswerteeinheit 7 das
Signal eines Kurbelwellengebers 11 an. Die in der Auswerteeinheit 7 gebildeten
Parameter können
sowohl zur Applikation z. B. des Einspritzkennfeldes am Prüfstand als
auch eingebunden in einen geschlossenen Regelkreis der Motorsteuerung
im Fahrzeug verwendet werden. Die Auswerteeinheit 7 ist
dazu an ein Motorsteuergerät 8 angeschlossen
oder in dieses integriert, welches Zündzeitpunkt und Einspritzung
steuert. Diesem sind dazu eine Zündeinrichtung,
Zündkerze 9 und
eine Einspritzvorrichtung 10 angeschlossen. Die erfindungsgemäß gebildeten
Verbrennungsparameter werden vorzugsweise zur Bestimmung optimaler
Einspritzkenngrößen genutzt.
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In 2 ist
eine mögliche
Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechend dem Patentanspruch 1 in einem Blockschaltbild dargestellt.
Der Verfahrensablauf wird nachfolgend anhand der Figur beschrieben.
Die im Brennraum emittierte Verbrennungsstrahlung wird durch eine
Brennraumsonde 1 aufgenommen, und ein über diese in einen Lichtleiter
eingekoppelter Lichtstrom Q wird zu einem optischen Filter 5 geleitet.
Dieser wirkt als Bandpass, wodurch spektrale Anteile der Rußstrahlung
bei einer Wellenlänge
von λ =
660 nm QRuß zu
einem Photodetektor 6 gelangen. Der Photodetektor 6 wandelt
das Lichtsignal QRuß in ein zu dessen Intensität äquivalentes,
elektrisches Lichtintensitätssignal
IRuß,
das der Auswerteeinheit 7 eingangsseitig anliegt.
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Der im Ausführungsbeispiel genutzte Spektralbereich
der Rußstrahlung
von λ =
660 nm ist lediglich exemplarisch ausgewählt. Die Rußstrahlung ist ihrer Natur
nach eine Festkörperstrahlung,
die kontinuierlich über
weite Spektralbereiche detektierbar ist.
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Das elektrisch gewandelte Lichtintensitätssignal
IRuß wird
in einem Integrator 1 über
den gesamten Verbrennungsablauf schrittweise integriert, wobei die
Zwischenwerte der Integration ΣIi mit Bezug zum Kurbelwinkel in einer Speichereinheit 74 abgelegt werden.
Die so über
den gesamten Verbrennungszyklus gebildete Wertefolge ΣIi(1...ges) wird in einer Recheneinheit 75 durch
ihren Endwert ΣIges (Integral über die gesamte Lichtintensitätskurve)
dividiert. Damit erhält
man eine normierte Folge von Integralwerten ΣIinorm(1...ges).
Nachfolgend wird der Kurbelwinkelwert KWpos ermittelt,
dessen zugehöriger
normierter Integralwert ΣIinorm gleich 0,5 ist. Die so ermittelte Lage
der Kurbelwelle (Kurbelwinkelwert KWpos )
ist ein erfindungsgemäß gebildeter
Parameter für
den Verbrennungsablauf. Die Einspritzung muss zeitlich so ausgelöst werden,
dass dieser Kurbelwinkelwert KWpos möglichst
früh erreicht
wird.
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Versuche mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren
haben gezeigt, dass bei Variation des Einspritzendes sich anhand
eines möglichst
frühen Wertes
für den
Kurbelwinkelwert KWpos ein Optimum für das Einspritzende
finden lässt,
an dem sich die Verbrauchs- und Abgasparameter der Verbrennung besonders
günstig
gestalten.
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3 zeigt
eine mögliche
Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
entsprechend Anspruch 6. Die im Brennraum 2 emittierte
Strahlung wird, wie zu 2 beschrieben,
von einer Brennraumsonde 1 aufgenommen und über einen
Lichtleiter übertragen.
Im Unterschied zum Verfahren entsprechend 1 werden aus dem von der Messsonde 1 eingekoppelten
Lichtstrom Q jedoch zwei Spektralbereiche QOH und
QRuß über optische
Filter 51, 52 herausgefiltert.
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Im Ausführungsbeispiel lässt ein
optischer Filter 51 einen Spektralanteil der OH-Strahlung – Wellenlänge λ = 310 nm
QOH – passieren.
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Die OH-Strahlung ist zwischen 300
nm <= λ <= 330 nm detektierbar,
wobei innerhalb dieses Spektralbereiches emittierte Strahlung zur
erfindungsgemäßen Auswertung
genutzt werden kann.
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An einem zweiten optischen Filter 52 wird Strahlung
der Wellenlänge λ = 660 nm
QRuß ausgefiltert,
die überwiegend
von der Rußstrahlung
stammt, welche als Festkörperstrahlung über weite
Spektralbereiche detektierbar ist. (siehe Beschreibung zu 2) Die durch die optischen
Filter 51, 52 gelangte Strahlung aus dem OH- bzw.
Rußstrahlungsspektrum
wird in jeweils einem Photodetektor 61, 62 in elektrische,
zur Strahlungsintensität äquivalente Lichtintensitätssignale
IOH; IRuß gewandelt,
die einer Auswerteeinheit 7 angeschlossen sind. In der
Auswerteeinheit 7 wird für jeweils einen Verbrennungsablauf
in einer Einheit zur Maximalwertbildung 71, 72 das
Maximum der Intensität
der ausgewählten
Wellenlänge
Imax_OH, Imax_Ruß für den jeweiligen
Verbrennungsablauf bestimmt. In einer Recheneinheit 73 wird
der Quotient der Maximalwerte der Intensitäten zueinander Imax_Ruß/Imax_OH gebildet.
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Kleine Werte dieses Verhältnisses
sind kennzeichnend für
geringe Rußbildung.
Das Verhältnis korreliert
mit der Schwärzungszahl,
wobei sich der Rußausstoß quantitativ
bestimmen lässt.
Die Verwendung der Maximalwerte zeigt exemplarisch lediglich eine
mögliche
Ausführungsform
des Verfahrens auf, wobei die Verwendung z. B. eines Integralwertes der
Ruß- und
OH-Intensität
ebenso möglich
ist. Die Verwendung des Quotienten der Maximalwerte hat sich als
günstig
erwiesen, es sind jedoch auch andere geeignete Verknüpfungen,
zusätzliche
Wichtungen etc. denkbar. Der erfindungsgemäß gebildete Parameter kann
zur Einstellung optimaler Einspritzkenngrößen benutzt werden. Dies kann
sowohl für die
Applikation des Einspritzkennfeldes am Prüfstand als auch innerhalb einer
geschlossenen Regelschleife beim Ablauf der Algorithmen im Motorsteuergerät des im
Fahrzeug betriebenen Motors erfolgen. Die Einstellung der Einspritzkenngrößen muss
dabei so erfolgen, dass der Wert des Parameters keine Überhöhungen zeigt.
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Die dargestellten Verfahren können als
Programmabläufe
einer Softwarelösung
ausgeführt
in einem Computer ablaufen oder in Hardwareschaltungen umgesetzt
werden.
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- 1
- Brennraumsonde
- 2
- Brennraum
- 3
- Motor
- 4
- Lichtleiter
- 5
- optischer
Filter
- 51
- optischer
Filter
- 52
- optischer
Filter
- 6
- Photodetektor
- 61
- Photodetektor
- 62
- Photodetektor
- 7
- Auswerteeinheit
- 71
- Recheneinheit
zur Maximalwertbildung
- 72
- Recheneinheit
zur Maximalwertbildung
- 73
- Recheneinheit
Division ImaxRuß/ImaxOH
- 74
- Speichereinheit
- 75
- Recheneinheit
Division
- 76
- Recheneinheit
Bestimmung KWpos bei der ΣIinorm = 0,5
- 8
- Motorsteuergerät
- 9
- Zündkerze
- 10
- Brennraumsonde
- 11
- Kurbelwellengeber
- 1
- Integrator
- Q
- Lichtstrom
(Anteil der im Brennraum aufgenommenen und in den
-
- Lichtleiter
eingekoppelten Verbrennungsstrahlung)
- QRuß
- Lichtstrom
bei λ =
660 nm (Rußstrahlung)
- QOH
- Lichtstrom
bei λ =
310 nm (OH-Strahlung)
- IRuß
- Lichtintensitätssignal
(elektrisch gewandeltes Intensitätssignal
-
- des
Lichtstroms bei λ =
660nm)
- IOH
- Lichtintensitätssignal
(elektrisch gewandeltes Intensitätssignal
-
- des
Lichtstroms bei λ =
310nm)
- Imax_Ruß
- Maximalwert
von IRuß in
einem Verbrennungszyklus
- Imax_OH
- Maximalwert
von IOH in einem Verbrennungszyklus
- ΣIges
- Integral
der Lichtintensität über einen Verbrennungszyklus
- ΣIi
- Integral
der Lichtintensität über einen Abschnitt
des
-
- Verbrennungszyklusses
- ΣIi(1...ges)
- Wertefolge
der einzelnen Integralwerte über
einen
-
- Verbrennungszyklus
- ΣIinorm
- normiertes
Integral der Lichtintensität über einen
Abschnitt des
-
- Verbrennungszyklusses
- ΣIinorm(1...ges)
- Wertefolge
der normierten Integralwerte über
einen
-
- Verbrennungszyklus
- KWpos
- Kurbelwinkelwert
(Kurbelstellung bei ΣIinorm = 0,5)