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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Parameters für klopfende Verbrennung beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Unter „Klopfender Verbrennung” sind Verbrennungserscheinungen bekannt, bei denen durch ein Selbstentzünden des Kraftstoff-Luftgemisches an heißen Stellen des Brennraumes eine örtlich gesteigerte Verbrennungsgeschwindigkeit auftritt. Es treten lokal höhere Druck- und Temperaturwerte auf, die unerwünschte Druckwellen zur Folge haben. Klopfende Verbrennung wirkt sich durch die Druck- und Temperaturspitzen negativ auf die Lebensdauer des Motors aus. Die Klopfneigung eines Verbrennungsmotors wird durch viele Parameter, beispielsweise Zündwinkel, Motortemperatur, Brennraumgestaltung, Motorlast, Verdichtungsverhältnis, Kraftstoffqualität usw., beeinflusst. Es kann aus Gesichtspunkten eines wirkungsgradoptimalen Betriebes des Verbrennungsmotors gewünscht sein, den Motor möglichst dicht an der Klopfgrenze zu betreiben. Dies ist vorteilhaft, wenn z. B. der Zündwinkel für optimalen Wirkungsgrad „hinter” der Klopfgrenze liegt. Allgemein vorbekannt sind dafür Klopfregelungen, die beim Erkennen „Klopfender Verbrennung” durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung Spätzündung der klopfenden Verbrennung entgegenwirken. Die Erkennung klopfender Verbrennung muss demzufolge schnell, während weniger Arbeitsspiele des Motors erfolgen, wobei eine sichere Erkennung gewährleistet werden muss, um mechanische Beschädigungen des Motors zu verhindern. Es ist somit ein echtzeitfähiges, stabiles Kriterium zur Erkennung klopfender Verbrennung gewünscht, da diese in einem geringen Maß toleriert werden kann, um einen wirkungsgradoptimalen Betrieb des Motors an der Klopfgrenze zu gewährleisten. Ein stufenloses Kriterium klopfender Verbrennung, das insbesondere an der Klopfgrenze des Motors aussagekräftige Werte liefert, um die Stärke des Klopfens in diesem Bereich beurteilen zu können, ist für diese Regelungs- bzw. Applikationsaufgabe besonders geeignet. Die Anwendung für die Applikation von Motoren am Prüfstand ist insbesondere notwendig, wenn z. B. durch ein gleitendes Verstellen des Zündwinkels eine optimale Abstimmung des Zündwinkelkennfeldes erfolgt, wobei der Zündwinkels bis zur Klopfgrenze des Motors verstellt wird und eine weitere Verstellung Richtung Frühzündung an diesem Punkt jedoch nicht mehr zulässig ist. Eine mit dem Verstellen des Zündwinkels schritthaltende, stufenlose Bewertung des Klopfens ist insbesondere für eine automatische Applikation wünschenswert.
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Vorbekannt ist aus der Schrift
DE 37 44 738 C2 eine Vorrichtung zum Ermitteln des Klopfens aus im Brennraum aufgenommenen Drucksignalen. Es werden dazu die hochfrequenten Anteile des Drucksignals eines Verbrennungsvorganges gefiltert, und die Anzahl der Druckspitzen pro Verbrennungsvorgang wird als Parameter zum Erkennen von Klopfereignissen genutzt. Es wird dabei das Drucksignal einer einzelnen Verbrennung isoliert bewertet.
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Vorbekannt ist aus der Schrift
DE 39 17 907 A1 ein Klopfsignal-Erfassungs- und Auswerteverfahren zum Betreiben eines Otto-Motors dicht unterhalb der Klopfgrenze. Unter Verwendung eines im Verbrennungsraum angeordneten Drucksensors wird ein Druckverlauf der Verbrennung ermittelt und zum Trennen des den Klopfvorgang betreffenden hochfrequenten Klopfsignals hochpassgefiltert. Das Klopfsignal wird nur innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwinkelfensters ausgewertet und einer Spitzendruck-Auswertung unterzogen. Die so ermittelten Werte für Spitzendruck, Mittelwert und Streuung werden zur Beschreibung des Klopfvorgangs verwendet, um auf thermische und mechanische Belastung der betreffenden Motorteile zu schließen und den Motorbetriebspunkt zu korrigieren.
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Vorbekannt ist aus der Schrift
US 4,261,313 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zündzeitpunktsteuerung, wobei der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit aufgetretener Klopfereignisse gesteuert wird. Die Klopfereignisse werden am Motor durch Schwingungsaufnehmer detektiert und über einen vorbestimmten Zeitraum aufsummiert. Anhand eines vorgegebenen Schwellwertes, einer Anzahl zugelassener Klopfereignisse für eine vordefinierte Anzahl von Verbrennungsvorgängen, wird klopfende Verbrennung erkannt. Eine Regeleinrichtung stellt den Zündzeitpunkt entsprechend der Klopfereignisse, wobei entsprechend der Häufigkeit der aufgetretenen Klopfereignisse der Zündzeitpunkt geregelt wird. Es erfolgt eine vorhergehende Erkennung der Klopfereignisse aus den Signalen des Schwingungsaufnehmers. Die Betrachtung gemäß der Häufigkeit der aufgetretenen Klopfereignisse ist aufgrund deren stochastischer Verteilung unsicher, und es bedarf einer großen Anzahl von Verbrennungsvorgängen, um ein stabiles, aussagekräftiges Kriterium zu bilden. Einzelereignisse werden dabei in großem Maße bewertet, wobei eine Betrachtung des Gesamtniveaus nicht erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln eines Parameters für klopfende Verbrennung beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, wobei der Parameter zur Beurteilung der Verbrennung hinsichtlich der Klopfintensität einfach zu berechnen ist und innerhalb einer geringen Anzahl von Arbeitsspielen des Motors eine stufenlose Bewertung der Verbrennung hinsichtlich klopfender Verbrennung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bewertet die Drucksscheitelwerte einer vordefinierten Anzahl von Verbrennungsvorgängen durch Ermitteln des Druckscheitelwertes, unter dem 85% aller aufeinanderfolgend gemessenen Druckscheitelwerte liegen. Mit diesem Wert steht ein aussagekräftiger Parameter zur Bewertung der Verbrennung hinsichtlich einer festzulegenden Klopfgrenze zur Verfügung. Die Klopfgrenze ist, bezüglich des erfindungsgemäßen Parameters, nur von der Drehzahl des Motors abhängig. Klopfende Verbrennung kann gemessen an der drehzahlabhängigen Klopfgrenze in jedem Betriebsbereich des Motors erkannt werden. Eine schritthaltende Berechnung ist durch den einfachen Algorithmus zum Ermitteln des Parameters, z. B. durch Sortieren der Druckscheitelwerte möglich. Es erfolgt keine rechenzeitintensive Auswertung des Drucksignals. Der erfindungsgemäße Parameter steht bereits nach einer geringen Anzahl von Arbeitsspielen als stabiler Wert zur Verfügung und weist an der Klopfgrenze einen raschen Anstieg auf, weshalb er insbesondere für die Applikation von Motoren am Prüfstand geeignet ist. Die Klopfgrenze kann, z. B. bei einer gleitenden Verstellung des Zündwinkels, sicher erkannt und festgelegt werden, was insbesondere für die automatisierte Applikation vorteilhaft ist.
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Die stochastisch auftretenden Klopfereignisse werden durch das erfindungsgemäße Verfahren in einem kontinuierlichen Druckparameter abgebildet.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Bewertung über die jeweils letzten Verbrennungsvorgänge, wobei die ältesten Messwerte jeweils durch die neu hinzugekommenen ersetzt werden. Es findet somit eine Bewertung nur der aktuellsten Verbrennungsvorgänge statt.
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Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Beschreibung der Klopfgrenze als drehzahlabhängiger Parameter entsprechend der die Verbrennung hinsichtlich der Klopferscheinungen bewertet wird.
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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 die erfindungsgemäße Ermittelung des Parameters anhand zweier Diagramme,
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2 die Entwicklung des Parameters mit steigendem Zündwinkel,
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3 die Entwicklung des Parameters über die Anzahl der ausgewerteten Arbeitsspiele,
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4 einen möglichen Verlauf der Klopfgrenze,
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5 einen Ablaufplan des Verfahrens,
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6 die Ermittelung des Druckscheitelwertes.
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1 zeigt zwei Diagramme, in denen die Druckscheitelwerte pi des während der Verbrennung im Brennraum gemessenen Drucks über 3.000 Verbrennungsvorgänge – Arbeitsspiele – des Motors aufgetragen sind. Der Druckscheitelwert pi ist die maximale Amplitude des hochpaß-gefilterten Zylinderdrucksignals. Anhand dieser Diagramme wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines Parameters P für klopfende Verbrennung erläutert. Im oberen Diagramm sind die Druckscheitelwerte pi des Verbrennungsdrucks über 3.000 aufeinanderfolgende Verbrennungsvorgänge beim Betrieb des Motors mit konstanter Drehzahl und Last nacheinander aufgetragen. Die Druckscheitelwerte pi schwanken stark zwischen den einzelnen Verbrennungsvorgängen und erreichen Werte von über 3 bar, wobei sehr hohe Druckscheitelwerte pi stochastisch verteilt auftreten. Im unteren Diagramm sind die Druckscheitelwerte pi ihrer Größe nach geordnet, und der erfindungsgemäße Parameter P kann durch einfaches Ablesen des Druckwertes pn (n = 85%), den 85 Prozent aller aufgenommenen Druckscheitelwerte pi unterschreiten, ermittelt werden. Im vorliegenden Diagramm wird der Druckwert pn an Position 2.550 der nach ihrem Spitzenwert des Druckscheitelwertes pi sortierten Verbrennungsvorgänge abgelesen. Der Parameter P wird im vorliegenden Beispiel mit p85 = 0,55 bar ermittelt. Die dargestellten Zahlenwerte stellen hierbei nur eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Bildung des Parameters pn dar. Zum Ermitteln des Parameters P wird, wie nachfolgend gezeigt, eine wesentlich geringere Anzahl an Arbeitsspielen benötigt. Der Grenzwert n, der mit 85% angenommen wurde, ist gleichfalls keine dogmatische Grenze. Der Grenzwert n sollte in einem Bereich liegen, in dem der Parameter P aussagekräftige Werte für die Bewertung der Verbrennungsvorgänge liefert.
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So sind Druckwerte pn mit n von 78–92%, d. h. Druckwerte pn die von 78–92% aller gemessene Verbrennungsvorgänge unterschritten bzw. erreicht werden, ebenfalls denkbar. Ein weiteres verschieben dieser Grenzwerte ist ebenfalls möglich weist jedoch dann erhebliche Nachteile auf. Wird die Grenze n weiter nach unten verschoben, so sinkt der ermittelte Druckwert pn in den Bereich des Grundrauschens der Messung und die Genauigkeit des Druckwertes pn sinkt. Wird n weit erhöht, nimmt die Anzahl der Grenzwertüberschreitungen stark ab, so dass eine größere Anzahl an Arbeitsspielen ausgewertet werden muss. Ein weiter Einstellbereich von n ist damit zwar denkbar aber den angeführten Nachteilen unterworfen. Der Parameter pn mit n = 85% hat sich in der praktischen Umsetzung als besonders aussagekräftig erwiesen und ist im Bereich zwischen 78 und 92% mit geringen Einschränkungen variabel.
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2 zeigt die Entwicklung des Parameters p85 bei einer Variation des Zündwinkels, unter ansonsten konstanten Betriebsbedingungen des Motors im Bereich zwischen 24,7 und 31,5°KW vor OT. Die Zündwinkel sind so gewählt, dass die Klopfgrenze unter- (durchgehende Linien) und überschritten (strichlierte Linien) wird. Im linken Diagramm sind die nach der Größe ihres Spitzenwertes sortierten Druckscheitelwerte pi (entsprechend 1 unteres Diagramm) aufgezeichnet. Mit zunehmender Verstellung des Zündwinkels in Richtung „Früh” ist ein Ansteigen der Druckscheitelwerte pi zu erkennen. Im rechten Diagramm ist der aus den Druckscheitelwerten pi ermittelte Parameter P = p85 über dem jeweiligen Zündwinkel aufgetragen. Die Klopfgrenze ist im Diagramm bei p = 0,75 bar, als Klopfgrenze-p85, eingetragen. Es ist zu erkennen, dass der Parameter P bei annähernd gleicher Schrittweite des Zündwinkels zwischen 29,2 und 30,7°KW vor OT sich mit einem raschen Anstieg entwickelt. Dieser Bereich entspricht der Klopfgrenze für diese Drehzahl.
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3 zeigt die Entwicklung des Parameters P = p85 über die Anzahl der ausgewerteten Arbeitsspiele bei konstanter Drehzahl und Last des Motors. Es ist zu erkennen, dass nach bereits 250 Verbrennungsvorgängen ein stabiler Parameter gewonnen werden kann. Der dargestellte Wert von 250 Arbeitsspielen ist eine für das Beispiel als günstig ermittelte Anzahl. Der Wert kann zwischen verschiedenen Motoren und Messsystemen und Genauigkeitsanforderungen variieren. Es kann insbesondere für die Online-Auswertung im Fahrzeug eine geringere Anzahl von Verbrennungsvorgängen vorgesehen sein.
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4 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Klopfgrenze für den Parameter P. Die Klopfgrenze ist nur drehzahlabhängig. Sie ist in ausgewählten Drehzahlschritten mit der zugehörigen Klopfgrenze in bar beschriftet. Die Klopfgrenze kann mit Hilfe eines Polynoms n-ten Grades beschrieben werden. Im Diagramm ist eine Approximation mit einem Polynom 5-ten Grades angegeben.
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5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsvariante für das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Parameters P in einem Ablaufplan. In einem ersten Schritt S1 wird der für einen Zylinder im Brennraum gemessene Druck eingelesen, Hochpass-gefiltert und aus der maximalen Amplitude des gefilterten Drucksignals der Druckscheitelwertes pi ermittelt. In einem zweiten Schritt S2 wird ermittelt, ob bereits eine genügende Anzahl Druckscheitelwerte pi eingelesen wurde. Ist eine vordefinierte Anzahl von Werten eingelesen worden, so wird der älteste eingelesene Druckscheitelwert in einem Schritt S3 von dem aktuellsten überschrieben. Ist die Anzahl der eingelesenen Werte kleiner als eine vorgegebene Anzahl, wird zum Schritt S1 zurück verzweigt. In einem Schritt S4 werden die Druckscheitelwerte pi der Größe nach sortiert und der Druckscheitelwert p85, den 85 Prozent aller eingelesenen Druckscheitelwerte pi unterschreiten, wird als Parameter P im Schritt S5 ausgegeben. Das Verfahren beginnt dann wieder mit dem Einlesen eines neuen Druckscheitelwertes pi beim Schritt S1.
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6 zeigt anhand von drei Diagrammen die Ermittlung des Druckscheitelwertes pi. Im Diagramm a ist der Druckverlauf im Zylinder bei nichtklopfender Verbrennung über dem Kurbelwinkel dargestellt. Das Signal zeigt einen kontinuierlichen Verlauf. Im Diagramm b ist der Druckverlauf bei klopfender Verbrennung dargestellt. Im Bereich der abfallenden Druckkurve ab 380° Kurbelwinkel schwankt das Signal stark. Dem Drucksignal sind hochfrequente Anteile die aus der klopfenden Verbrennung herrühren überlagert. Im Diagramm c ist das Drucksignal nach einer Hochpass-Filterung dargestellt. Durch die Filterung sind nur die hochfrequenten Anteile des Signals verblieben. Der Maximalwert der Amplituden des hochfrequenten Anteils entspricht dem Druckscheitelwert pi.
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Die beschriebene Erfindung sollte nicht auf die vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden, sondern kann in viele andere Richtungen, insbesondere in der Variation vorgegebener Grenzwerte in sinnvollen Bereichen modifiziert werden, ohne das vom Geist der Erfindung abgewichen wird. Anstelle des Spitzendruckwertes des Verbrennungsdruckes können äquivalent alle den Verbrennungsvorgang nach seinem Druckniveau beschreibenden Größen, wie z. B. der Integralwert, genutzt werden.
