DE102004053493A1

DE102004053493A1 - Verfahren zum Steuern oder/und Regeln der Laserzündung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004053493A1
Application number: DE200410053493
Authority: DE
Inventors: Hong Dr. Zhang; Frédéric Dr. Galtier
Original assignee: Siemens AG; Siemens VDO Automotive SAS
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-11-06
Also published as: DE102004053493B4

Abstract

Bei diesem Verfahren wird der Brennpunkt des Laserstrahls im Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem oder mehreren die Gemischverteilung im Brennraum beeinflussenden Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gesteuert oder/und geregelt, um den Brennpunkt des Laserstrahls im Bereich optimaler Zündfähigkeit des Gemischs zu positionieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder/und Regeln der Zündung eines zündfähigen Gemischs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, die eine Laserzündvorrichtung aufweist.
Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass die so genannte Laserzündung (beispielsweise auf der Grundlage einer Laserdiodentechnik) die herkömmliche Zündkerze ersetzen kann, und zwar sowohl für benzinbetriebene wie auch mit gasbetriebene Brennkraftmaschinen. Die Laserzündung, welche die Flexibilität des Zündsystems erhöht und ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf die Gemischzündung zeigt, hat gegenüber herkömmlichen Zündsystemen zahlreiche Vorteile. Bei der Laserzündung erzeugt der fokussierte Laserstrahl bzw. Laserimpuls eine Plasmakugel, deren Lage im Brennraum – im Gegensatz zum Zündort einer Zündkerze – frei wählbar ist und durch Einstellen des Brennpunktes des Laserstrahls auf bestimmte Bereiche des Brennraums gerichtet werden kann. Dies ermöglicht eine Optimierung des Verbrennungsvorgangs und macht überdies eine Mehrpunktzündung im Brennraum möglich. Im Vergleich zu herkömmlichen Zündsystemen führt dies zu einer vollständigeren Verbrennung des Gemischs selbst bei vergleichsweise mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen, was eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Schadstoffemissionen mit sich bringt. Es muss nicht betont werden, dass dies sowohl für die Fahrzeughersteller wie auch -zulieferer von größtem Interesse ist.
Die Laserzündung ist besonders vorteilhaft einsetzbar bei Brennkraftmaschinen, die im Magerbetrieb oder Schichtbetrieb betrieben werden. In diesen Fällen befindet sich der größte Teil des zündfähigen Luft-Kraftstoff-Gemischs in Form einer kleinen Gemischwolke in einem besonderen Bereich der Brennkammer. Es wäre dann wünschenswert, den Zündpunkt in diesen Bereichen vorzusehen, um eine optimale Zündung sicherzustellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern oder/und Regeln einer Laserzündung eines zündfähigen Gemischs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine anzugeben, durch das eine optimale Zündung des Gemischs sichergestellt wird.

Das diese Aufgabe lösende Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Brennpunkt des Laserstrahls im Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von mindestens einem die Gemischverteilung im Brennraum beeinflussenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gesteuert oder/und geregelt.

Wenngleich das erfindungsgemäße Verfahren für jede Art von Brennkraftmaschine mit Fremdzündung einschließlich gasbetriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann, ist es mit besonderem Vorteil bei Brennkraftmaschinen verwendbar, die im Schicht- oder Magerbetrieb betrieben werden und bei denen somit eine zündfähige Gemischwolke im Brennraum gebildet wird. In diesem Fall wird der Brennpunkt des Laserstrahls in Abhängigkeit von mindestens einem die Lage der Gemischwolke im Brennraum beeinflussenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gesteuert oder/und geregelt.

Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Gemischverteilung im Brennraum und insbesondere die Lage einer zündfähigen Gemischwolke nicht nur von der Brennkammergeometrie, sondern auch von bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängt. Bei Änderung dieser (wenigen) Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ändert sich dann auch die Gemischverteilung im Brennraum und insbesondere die Lage der zündfähigen Gemischwolke. Die vorliegende Erfindung stellt nun sicher, dass der Brennpunkt des Laserstrahls und damit die das Gemisch zündende Plasmakugel im Betrieb der Brennkraftmaschine ständig den für die jeweilige Gemischverteilung optimalen Zündort einnimmt.

Durch die Erfindung wird somit eine optimale Zündung des Gemischs und damit ein optimaler Verbrennungsvorgang sichergestellt. Dies ermöglicht eine entsprechende Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und eine Minderung der Schadstoffemissionen wie z.B. CO₂, usw.

Zur Steuerung des Brennpunktes des Laserstrahls kommen insbesondere die folgenden Betriebsparameter in Frage: Kraftstoffeinspritzdruck (FUP), Luftmassenstrom oder -druck im Ansaugtrakt (MAF oder MAP), Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine, Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung.

Die Steuerung des Brennpunktes des Laserstrahls kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren dieser Betriebsparameter erfolgen.

Zusätzlich zu dieser Steuerung kann der Brennpunkt des Laserstrahls in Abhängigkeit von mindestens einem für die Verbrennungsqualität charakteristischen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in einem geschlossenen Regelkreis geregelt werden. In Frage kommen hier die Laufruhe der Brennkraftmaschine oder/und das Klopfverhalten des Verbrennungsprozesses, die von dem elektronischen Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine ohnehin überwacht werden.

Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren bei jeder Art von Brennkraftmaschine mit Fremdzündung einschließlich bei mit benzinbetriebene oder gasbetriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Auch lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne weiteres eine Mehrpunktzündung realisieren, bei der mehrere Zündorte im Brennraum vorgesehen sind. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren global für die gesamte Brennkraftmaschine oder zylinderspezifisch für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine durchgeführt werden.

Anhand der einzigen Figur, die einen schematischen Schnitt durch den Brennraumbereich eines Zylinders einer Brennkraftmaschine zeigt, werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
1 zeigt einen Teil einer Otto-Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder 1, einem Kolben 2, einem Brennraum 3, einem Ansaugtrakt 4, einem Einlassventil 5, einem Abgastrakt 6, einem Auslassventil 7 und einer Laserzündvorrichtung 8.
Die Laserzündvorrichtung 8 weist einen dem Brennraum 3 zugeordneten Laser 9 in Form beispielsweise eines Mikrolasers in Laserdiodentechnik auf, dessen ins Innere des Brennraumes 3 gerichteter Laserstrahl bzw. Laserimpuls mittels verstellbarer Fokussiermittel (nicht gezeigt) auf unterschiedliche Stellen im Brennraum 3 fokussiert werden kann, wie noch genauer erläutert wird.
Der Brennkraftmaschine ist in üblicher Weise ein elektronisches Betriebssteuergerät 10 zugeordnet, das über Signalleitungen 11 verschiedene Sensorsignale empfängt und über Signalleitungen 12 Stellsignale zum Betätigen verschiedener Aktoren abgibt. Das Betriebssteuergerät 10 ist insbesondere über eine der Signalleitungen 12 mit der Laserzündvorrichtung 8 verbunden, um den Brennpunkt 13 des Laserstrahls verstellen zu können. Da derartige Laserzündvorrichtungen und insbesondere verstellbare Fokussiermittel bekannt sind, wird hierauf nicht näher eingegangen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet die Brennkraftmaschine im Mager- oder Schichtbetrieb, bei dem das zündfähi ge Luft-Kraftstoff-Gemisch in Form einer Gemischwolke 14 vorliegt. Die Lage der Gemischwolke 14 hängt einerseits von der Geometrie des Brennraumes 3 und andererseits von bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ab. Wie durch gestrichelte Linien sehr schematisch angedeutet ist, ändert sich somit die Lage der Gemischwolke 14 während des Betriebs der Brennkraftmaschine.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass der Brennpunkt 13 des Laserstrahls bzw. Laserimpulses und damit die Lage der die Zündung bewirkenden Plasmakugel während des gesamten Betriebs der Brennkraftmaschine ständig im Bereich der Gemischwolke 14 liegt.
Zu diesem Zweck wird der Brennpunkt 13 des Laserstrahls im Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Betriebsparameter gesteuert: Kraftstoffeinspritzdruck (FUP = Fuel Pressure), Luftmassenstrom oder -druck (MAF = Mass Air Flow, MAP = Mass Air Pressure), Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine, Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung.
Der Kraftstoffdruck (FUP) während des Einspritzvorganges beeinflusst die Eindringtiefe des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffes. Je höher der Einspritzdruck ist, umso weiter dringt der Kraftstoffstrahl in den Brennraum ein.
Der Luftmassenstrom bzw. -druck (MAF bzw. MAP), der bei geöffnetem Einlassventil 5 in den Zylinder 3 gelangt, beeinflusst die Wirbelbildung im Brennraum. Je höher der Luftmassenstrom bzw. -druck ist, umso stärkere Wirbel bilden sich im Brennraum 3 aus.
Die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist unmittelbar mit der Geschwindigkeit der Hubbewegung des Kolbens 2 wie auch der Geschwindigkeit der Stellbewegungen der Gaswechselventile verknüpft. Dies wiederum hat einen entsprechenden Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit und damit – gemeinsam mit der Wirbelbildung – auf die Gemischaufbereitung.
Der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung hat naturgemäß einen Einfluss auf den Zeitpunkt der Bildung der Gemischwolke 14 und damit auch auf die Lage der Gemischwolke in Abhängigkeit von der Zeit.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Steuerung des Brennpunktes 13 des Laserstrahls in Abhängigkeit von allen dieser Betriebsparameter. Eine Verbesserung des Zündverhaltens und damit des Verbrennungsvorganges ergibt sich jedoch auch bereits bei Steuerung des Brennpunktes des Laserstrahls in Abhängigkeit von nur einem oder zwei oder drei dieser Betriebsparameter.
Vorteilhafterweise wird als Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung der Endpunkt der Einspritzdauer (EOI) als Steuerungsparameter verwendet. Statt nur diesen Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zu verwenden, kann als weitere Verfeinerung des Steuerungsverfahrens die Differenz zwischen dem Soll-Einspritzzeitpunkt und dem Soll-Zündzeitpunkt verwendet werden.
Die Steuerung des Brennpunktes 13 des Laserstrahls in Abhängigkeit von den oben angegebenen Betriebsparametern erfolgt zweckmäßigerweise in einer offenen Steuerkette (Open Loop Control). Die Beziehung zwischen dem Brennpunkt 13 des Laserstrahls und den betreffenden Betriebsparametern kann in einem oder mehreren Kennfeldern abgelegt sein oder in Form einer bestimmten mathematischen Beziehung in das elektronische Betriebssteuergerät 10 eingegeben sein. Derartige mathematische Beziehungen, beispielsweise eine proportionale oder indirekt proportionale Abhängigkeit, usw., lassen sich je nach Anwendungsfall ohne weiteres ermitteln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich zu der beschriebenen Steuerung eine Regelung des Brennpunktes des Laserstrahls in Abhängigkeit von mindestens einem für die Verbrennungsqualität charakteristischen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine vorgesehen. Hierbei ist insbesondere an die Laufruhe der Brennkraftmaschine zu denken, die unmittelbar mit der Qualität des Verbrennungsvorganges verknüpft ist und in modernen elektronischen Betriebssteuergeräten ohnehin überwacht wird. Als weiterer Betriebsparameter käme beispielsweise auch das Klopfverhalten in Frage, das üblicherweise mittels Klopfsensoren überwacht wird.
Der Brennpunkt 13 des Laserstrahls wird somit in Abhängigkeit von der Qualität des Verbrennungsvorganges in einem geschlossenen Regelkreis (Closed Loop Control) geregelt, wodurch der Zündvorgang und damit der Verbrennungsvorgang weiter verbessert werden können.
Wie bereits erwähnt, können sowohl die beschriebene Steuerung wie auch die beschriebene Regelung des Brennpunktes 13 des Laserstrahls global für die gesamte Brennkraftmaschine oder zylinderspezifisch für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die beschriebene Steuerung des Brennpunktes global für die gesamte Brennkraftmaschine und die beschriebene Regelung des Brennpunktes zylinderspezifisch für jeden Zylinder durchgeführt. Auf diese Weise wird während des gesamten Betriebs der Brennkraftmaschine ein optimaler Zündort im Brennraum sichergestellt, wodurch der Zünd- und Verbrennungsvorgang optimiert werden, was zu einer entsprechenden Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen führt.

Claims

Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der Zündung eines zündfähigen Gemischs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, die eine Laserzündvorrichtung (8) zum Erzeugen mindestens eines Laserstrahles sowie verstellbare Fokussiermittel zum Fokussieren des Laserstrahls auf einen variablen Zündort im Brennraum (3) aufweist, bei welchem Verfahren der Brennpunkt (13) des Laserstrahles im Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von mindestens einem die Gemischverteilung im Brennraum (3) beeinflussenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gesteuert oder/und geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 für eine Brennkraftmaschine, bei der im Brennraum (3) eine zündfähige Gemischwolke gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt (13) des Laserstrahls in Abhängigkeit von mindestens einem die Lage der Gemischwolke im Brennraum (3) beeinflussenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gesteuert oder/und geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt (13) des Laserstrahls in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gesteuert wird: Kraftstoffeinspritzdruck (FUP), Luftmassenstrom oder -druck im Ansaugtrakt (MAF oder MAP), Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine, Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung der Endpunkt (EOI) der Einspritzdauer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zu steuernder Betriebsparameter die Differenz zwischen Einspritz- und Zündzeitpunkt verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennpunkt (13) des Laserstrahls in Abhängigkeit von mindestens einem für die Verbrennungsqualität charakteristischen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in einem geschlossenen Regelkreis geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als für die Verbrennungsqualität charakteristischen Betriebsparameter die Laufruhe der Brennkraftmaschine oder/und das Klopfverhalten der Verbrennung verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es global für die gesamte Brennkraftmaschine oder/und zylinderspezifisch für jeden Zylinder (1) der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Brennpunktes des Laserstrahls in Abhängigkeit von dem mindestens einen die Gemischverteilung beeinflussenden Betriebsparameter global für die gesamte Brennkraftmaschine und die Regelung des Brennpunktes des Laserstrahls in Abhängigkeit von dem mindestens einen für die Verbrennungsqualität charakteristischen Betriebsparameter zylinderspezifisch für jeden Zylinder (1) durchgeführt wird.