DE102006001271B4

DE102006001271B4 - System zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006001271B4
Application number: DE102006001271A
Authority: DE
Inventors: Gianluca Dr. Caretta; Rainer Dr. Hirn; Antonio Lentini
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: US7438049B2; FR2897431B1; US20070186905A1; FR2897431A1; DE102006001271A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns (CRK_BEGINN) eines Gemisches in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten:
(a) Messung eines Druckverlaufs (p_C(CRK)) in dem Brennraum,
(b) Ermittlung des Druckverhältnisses (α) zwischen dem gemessenen Druckverlauf (p_C(CRK)) und einem entsprechenden, gespeicherten Druckverlauf ohne eine Verbrennung (p_m(CRK)) in dem Brennraum bei demselben Betriebspunkt der Brennkraftmaschine,
(c) Ermittlung des Verbrennungsbeginns (CRK_BEGINN), wenn das Druckverhältnis (α) einen vorgegebenen Grenzwert (1 + e) überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Motorsteuerung und eine Verwendung einer Motorsteuerung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.
Brennkraftmaschinen mit Hubkolben, die sich in Zylindern bewegen und so einen Brennraum bilden, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Zur besseren Verbrennung des in den Brennraum eingebrachten Gemisches wurden in den letzten Jahren zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren vorgeschlagen, um den Verbrennungsablauf besser zu steuern, so dass eine umweltverträglichere Verbrennung des Gemisches ermöglicht wird. Dabei ist es bekannt, den Druck in dem Zylinder zu messen. Unter Heranziehung des sich mit der Zeit verändernden Volumens des Brennraums, das aus den geometrischen Beziehungen der Brennkraftmaschine und dem Kurbelwellendrehwinkel ermittelt werden kann, kann beispielsweise die bei einem Verbrennungsprozess freiwerdende Energie ermittelt werden, um in Abhängigkeit dieser Größe und anderer Größen die Verbrennung zu verbessern.
Bei der Ermittlung der Parameter des Verbrennungsprozesses wird herkömmlich davon ausgegangen, dass ein Gemisch in dem Brennraum nach Eintreten bestimmter physikalischer Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) oder nach Zünden durch eine Zündkerze beginnt, chemisch zu reagieren, das heißt zu verbrennen. Ausgehend von dem so geschätzten Verbrennungsbeginn wird anhand weiterer ermittelter Größen auf den weiteren Verlauf der Verbrennung geschlossen. Problematisch an diesem Verfahren ist, dass bei einer fehlerhaften Annahme des Verbrennungsbeginns weitere Berechnungen ebenfalls fehlerbehaftet sind.
Aus der DE 10 2004 001 119 A1 und der DE 10 2004 033 072 A1 sind Verfahren bekannt, um den Verbrennungsbeginn aus dem Heizverlauf bzw. dem Summenheizverlauf unter Zuhilfenahme des Zylinderdruckverlaufs, kalorischer Daten von Brenngas und Kraftstoff und bestimmter Modellannahmen zu ermitteln.
Aus der US 2001/0017127 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Verbrennungsbeginn in Abhängigkeit von einem gemessenen Brennraumdruck ermittelt wird.
Aus dem Buch „Ottomotor-Management", 2. Auflage, Vieweg Verlag ISBN 3-528-13877-7 ist ein p-V-Diagramm bekannt.
In der DE 199 00 738 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Brennraumdruckverlaufs in einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem der Messwert eines Drucksensors mittels eines Schätzverfahrens um einen Sensoroffset korrigiert wird.
In der DE 197 49 815 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem aus dem Zylinderdruckverlauf und dem Kurbelwinkel die indizierte Arbeit und daraus wiederum die eingespritzte Kraftstoffmenge berechnet wird.
Die EP 1 607 604 A1 beschreibt ein Software-Modell zur Modellierung der Wärmedissipation in Diesel-Common-Rail-Systemen, das ein neuronales Netz einsetzt.
Aus der EP 0 851 107 A2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses anhand des Verhältnisses von Zylinderdrücken bekannt. Die Zylinderdrücke werden zu einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und zu dem entsprechenden Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt gemessen.
Aus dem Artikel „Cylinder-Pressure-Based Engine Control Using Pressure-Ratio-Management and Low-Cost Non-Intrusive Cylinder Pressure Sensors" von Sellnau et. al., SAE technical paper series 2000-01-0932, SAE World Congress Detroit, Michigan, 6.–9. März 2000, ab Seite 3 ist bekannt, bei fremdgezündeten Motoren den Zylinderdruck mit einem Druck ins Verhältnis zu setzen, der ohne verbrennenden Kraftstoff im Zylinder herrschen würde, um eine optimale Abgasrückführung zu erreichen.
In der Promotionsarbeit von Herrn Jens Jeschke, "Konzeption und Erprobung eines zylinderdruckbasierten Motormanagements für PKW-Dieselmotoren", Dissertation, Fakultät für Maschinenbau der Otto-von-Guericke-Universität-Magdeburg, Nov. 2002, Kap. 5.3.1, 19, wird die Differenz aus Schleppdruckverlauf und Verbrennungsdruckverlauf analysiert und damit der Verbrennungsbeginn ausgewertet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit dem der Verbrennungsprozess in einer Brennkraftmaschine besser überwacht werden kann.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Motorsteuerung und der Verwendung einer Motorsteuerung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass nach einer Messung des Drucks in dem Brennraum der Verbrennungsbeginn in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck ermittelt werden kann, da sich der Druck bei Beginn der Verbrennung deutlich ändert. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch eine genaue Ermittlung des Verbrennungsbeginns der Verbrennungsprozess besser analysiert werden kann. Der Druck in dem Zylinder kann beispielsweise mit einem in dem Glühkerzenstecker angeordneten Drucksensor ermittelt werden. Das Signal des Drucksensors wird an eine Motorsteuerung übermittelt, welche aus dem gemessenen Druck den Verbrennungsbeginn ermittelt.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird davon ausgegangen, dass grundsätzlich alle zeitlich veränderlichen Größen auch in Abhängigkeit des Kurbelwellendrehwinkels angegeben bzw. ermittelt werden können, wobei dies den Vorteil bietet, dass die Berechnung sich vereinfacht.
Die erfindungsgemäße Lehre, um den Verbrennungsbeginn zu berechnen, ist, das Druckverhältnis zwischen dem gemessenen Druckverlauf in dem Brennraum und einem entsprechenden gespeicherten Druckverlauf bei 10 demselben Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ohne eine Verbrennung zu überwachen.
Dabei ist der zeitliche oder Kurbelwellendrehwinkel-bezogene Verlauf des Drucks in dem Brennraum ohne eine Verbrennung ein gespeicherter Druckverlauf, der beispielsweise in der Motorsteuerung gespeichert werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass der Druckverlauf nur einmal exakt ermittelt werden muss, wobei er anschließend während des Betriebs mit dem Offsetwert korrigiert werden kann.
Alternativ kann der zeitliche Verlauf des Drucks in dem Brennraum ohne eine Verbrennung während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelt werden, wobei dies den Vorteil bietet, dass der Verlauf besser veränderten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
Vorteilhafterweise ist während eines Betriebs ohne Verbrennung dieses Druckverhältnis 1 oder innerhalb eines Toleranz-bereiche um 1, vorzugsweise 0,95 bis 1,05, besonders bevorzugt 0,98 bis 1,02. Sobald eine Verbrennung beginnt, wird das Druckverhältnis größer als 1 oder verlässt den Toleranzbereich nach oben, so dass dann ein Verbrennungsbeginn angenommen werden kann. Daher kann der Toleranzbereich auch nur in 20 eine Richtung definiert sein, bevorzugt 1,05 und besonders bevorzugt 1,02.
Vorteilhafterweise wird der gemessene Druck um einen Offsetwert korrigiert. Bei der Druckmessung durch den Drucksensor 25 oder durch andere Einflüsse kann der gemessene Druck fehlerbehaftet sein oder es kann sich die gesamte Betriebssituation der Brennkraftmaschine im Laufe ihrer Lebensdauer ändern, so dass es sinnvoll ist, einen Offsetwert einzuführen, welcher den gemessenen Druck korrigiert, so dass er in einem Betriebspunkt ohne eine Verbrennung mit einem entsprechenden abgespeicherten Druck bei demselben Betriebspunkt ohne eine Verbrennung übereinstimmt.
Vorzugsweise wird der Offsetwert vor oder bei einem Einspritzbeginn als Differenz zwischen dem Druck ohne eine Verbrennung und dem gemessenen Druck berechnet. Dies bietet den Vorteil, dass der Offsetwert kurz vor dem Verbrennungsbe ginn ermittelt wird, so dass die anschließende Überwachung des Verbrennungsbeginns exakter ist. Der Toleranzbereich für das Druckverhältnis kann dementsprechend bei einem ermittelten Offsetwert kleiner ausfallen.
Besondere Vorteile bieten die dargestellten Merkmale, wenn sie in Kombination angewendet werden, wobei sich bei einer Kombination der unterschiedlichen Berechnungsmöglichkeiten des Verbrennungsbeginns aus dem Druck der Vorteil bietet, dass die, Bestimmung des Verbrennungsbeginns fehlerfreier wird, wenn ein Verbrennungsbeginn beispielsweise dann angenommen wird, wenn die Freisetzungsgeschwindigkeit und die berechnete freigesetzte Wärme zusammen überwacht werden, da hierbei aufgrund der Fehlerkorrektur von geringeren Toleranzgrenzen ausgegangen werden kann. Weiterhin ist vorstellbar, dass die beiden Verfahren mit dem Verfahren des Druckverhältnisses kombiniert werden, um die Überwachung zu verbessern.
Vorteilhafterweise wird im Rahmen der Erfindung die Menge eines zurückgeführten Abgases in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsbeginn beeinflusst. Dies bietet den Vorteil, dass die Verbrennung bei Abgasrückführung effizient und umweltverträglich gestaltet werden kann.
Vorzugsweise wird der Verbrennungsbeginn noch während einer stattfinden Verbrennung ermittelt. Dabei ist es möglich und vorteilhaft, dass eine Abgasrückführung oder eine Nacheinspritzung noch für den aktuellen Takt in Abhängigkeit von dem Verbrennungsbeginn ausgeführt werden.
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen wird der Einspritzbeginn oder die Einspritzdauer einer Voreinspritzung, einer Haupteinspritzung oder einer Nacheinspritzung in dem Brennraum in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsbeginn beeinflusst, um die Verbrennung zu verbessern.
Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist eine Motorsteuerung, die konfiguriert oder programmiert ist, so dass mit ihr ein Verfahren mit den oben dargestellten vorteilhaften Merkmalen ausführbar ist. Die Motorsteuerung ist dazu mit einem Drucksensor oder einem Drehwinkelgeber der Kurbelwelle verbunden, wie dies weiter oben beschrieben ist.
Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Motorsteuerung zur Durchführung eines Verfahrens mit einer Kombination der oben dargestellten vorteilhaften Merkmale.
Anzumerken ist, dass die Erfindung vorzugsweise bei Brennkraftmaschinen mit mehr als einem Zylinder eingesetzt wird.
Es ist möglich, das Verfahren mit einem der im Folgenden beschriebenen Verfahren zu kombinieren.
Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung das zeitlich veränderliche Volumen des Brennraums ermittelt, wobei vorteilhafterweise das Volumen in Abhängigkeit von dem Kurbelwellendrehwinkel angegeben wird. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird davon ausgegangen, dass grundsätzlich alle zeitlich veränderlichen Größen auch in Abhängigkeit des Kurbelwellendrehwinkels angegeben bzw. ermittelt werden können, wobei dies den Vorteil bietet, dass die Berechnung sich vereinfacht. Das Volumen lässt sich durch die bekannten geometrischen Beziehungen der Brennkraftmaschine aus dem Kurbelwellendrehwinkel berechnen, da mit dem Kurbelwellendrehwinkel auch die Stellung des Kolbens in dem Zylinder und damit das Volumen des Brennraums bekannt sind. Dies bietet den Vorteil, dass bei Berech nung des Verbrennungsbeginns der gemessene Druck und das ermittelte Volumen berücksichtigt werden können, so dass der Verbrennungsbeginn exakt angegeben werden kann. Die Motorsteuerung kann das Volumen vorteilhafterweise dadurch ermitteln, dass sie aus einem mit der Kurbelwelle verbundenen Drehwinkelgeber den Drehwinkel der Kurbelwelle ermittelt und aus diesem Wert das Volumen berechnet.
Vorteilhafterweise wird aus dem ermittelten Volumen und dem gemessenen Druck die in dem Brennraum freigesetzte Wärme und/oder die in dem Brennraum freigesetzte Energie ermittelt. Ein differentielles Element der in dem Brennraum freigesetzten Wärme Q kann nach der folgenden Formel ermittelt werden: dQ = (γ/(γ – 1))pC dV + (1/(γ – 1)) V dpC mit γ = cp/cV wobei p_C der in dem Brennraum herrschende Druck im Verlauf eines Taktes mit Verbrennung (combustion, C), V das Volumen des Brennraums, c_p die spezifische Wärmekapazität des Gemisches bei konstantem Druck und c_V die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen sind. Die Größen Q, p_C und V sind vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Kurbelwellendrehwinkel CRK angegeben oder in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben sein, wobei sich die Differenziale dQ, dp_C und dV dann nach der jeweiligen Größe dCRK oder dt bestimmen. In dieser Anmeldung bezeichnet der Ausdruck freigesetzte Wärme die Freisetzungsgeschwindigkeit der Wärme dQ oder das Integral der freigesetzten Wärme Q. Der Verhältniswert γ ist keine konstante Größe, sondern kann von der Temperatur und dem Druck abhängen. Vorteilhafterweise ist in der Motorsteuerung eine Tabelle mit verschiedenen Werten für γ bei verschiedenen Bedingungen abgespeichert. Alternativ kann γ auch als konstant (bspw. 1,3) angenommen werden, wobei übliche Werte zwi schen 1,1 und 1,4 liegen. Die Ermittlung des Verbrennungsbeginns in Abhängigkeit von der berechneten freigesetzten Wärme bietet den Vorteil, dass der Verbrennungsbeginn exakt angegeben werden kann, da bei einem Verbrennungsbeginn eine deutlich feststellbare Wärmemenge freigesetzt wird.
Die Berechnung erfolgt vorzugsweise numerisch, wobei für die numerische Berechnung der Größe dp_C drei unterschiedliche Ansätze bevorzugt werden: (a) das aktuelle dp_C wird aus dem aktuellen Messwert und dem letzten Messwert berechnet, (b) das aktuelle dp_C wird aus dem aktuellen Messwert und dem nächsten Messwert berechnet und (c) dp_C wird aus dem letzten und dem nächsten Messwert berechnet. Besonders bevorzugt wird das Verfahren (c), da es am genauesten arbeitet. Die Berechnung von dV erfolgt analog, wobei hier keine Messwerte sondern wie oben beschrieben aus der Geometrie berechnete Werte bevorzugt werden.
Vorzugsweise wird das Integral der freigesetzten Wärme über die Zeit oder über den Kurbelwellendrehwinkel nach der folgenden Formel berechnet: Q = ∫ dQ dCRKoder Q = ∫ dQ dt
Der Verbrennungsbeginn wird dann vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Integral der freigesetzten Wärme berechnet. Dies bietet den Vorteil, dass über die Integration kurzzeitige Ungenauigkeiten bei der Messung des Drucks oder der Ermittlung des Volumens in der Rechnung vernachlässigbar bleiben.
Vorzugsweise wird das Integral der freigesetzten Wärme zwischen dem Einspritzbeginn und dem Verbrennungsende berechnet.
Dies bietet den Vorteil, dass lediglich während des interessierenden Zeitraums Rechenleistung der diese Berechnung ausführenden Motorsteuerung benötigt wird.
Vorteilhafterweise wird ein im Wesentlichen stationärer Anfangswert des Integrals der freigesetzten Wärme und ein im Wesentlichen stationärer Endwert des Integrals der freigesetzten Wärme ermittelt. Vor und nach der Verbrennung bleibt das Integral der freigesetzten Wärme abgesehen von geringeren Schwankungen konstant, da in dem Brennraum keine oder fast keine chemische Energie in Wärme umgesetzt wird.
Demzufolge kann der Verbrennungsbeginn angenommen werden, wenn das Integral der freigesetzten Wärme einen vorgegebenen Grenzwert, der über dem Anfangswert aber unter dem Endwert liegt, überschreitet. Der Grenzwert kann in der diese Berechnung ausführenden Motorsteuerung als konstanter Wert gespeichert sein oder in einer Tabelle in Abhängigkeit von anderen Parametern des Betriebs der Brennkraftmaschine, beispielsweise dem zugeführten Massenstrom des Kraftstoffs oder der Drehzahl, gespeichert sein. Eine gespeicherte Tabelle ist besonders vorteilhaft, da sie die Genauigkeit der Ermittlung erhöht.
Vorteilhafterweise wird der im Wesentlichen stationäre Anfangswert als Mittelwert mehrerer anfänglicher Werte des Integrals der freigesetzten Wärme berechnet. Alternativ ist es auch möglich, den Anfangswert des Integrals bei Berechnungsbeginn zu Null zu setzen.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist, dass der Grenzwert einstellbar ist, beispielsweise durch einen Datenaustauschzugriff auf die Motorsteuerung während einer routinemäßigen Inspektion.
Vorzugsweise wird der Grenzwert in Abhängigkeit des Anfangswertes und eines Endwertes vorgegeben. Beispielsweise ist es möglich, aus einem vorhergehenden Verbrennungsprozess in einem anderen Brennraum der Brennkraftmaschine oder demselben Brennraum der Brennkraftmaschine einen Endwert zu prognostizieren oder zu schätzen. Falls der Verbrennungsbeginn nach abgeschlossener Verbrennung bestimmt wird, ist der stationäre Endwert aus der Messung bekannt. Der Anfangswert kann, wie oben beschrieben, aus den Messdaten ermittelt werden oder ebenfalls geschätzt werden. Der Grenzwert wird dann beispielsweise so festgelegt, dass er um 5% der Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Endwert über dem Anfangswert liegt. Weitere vorteilhafte Grenzwerte sind beispielsweise 2% oder 10%, wobei der Grenzwert auch in Abhängigkeit der Betriebssituation der Brennkraftmaschine variabel zwischen 5 und 10% betragen kann oder entsprechend durch die Motorsteuerung vorgegeben werden kann. Die genannten Berechnungen werden durch die Motorsteuerung durchgeführt, wobei die Art der Festlegung des Grenzwertes einstellbar ausgeführt sein kann und die Grenzwerte in einer Tabelle in der Motorsteuerung gespeichert sein können.
Vorzugsweise wird der Verbrennungsbeginn in Abhängigkeit von der berechneten Freisetzungsgeschwindigkeit dQ der Wärme (siehe Formel oben) berechnet. Besonders bevorzugt wird, dass die Freisetzungsgeschwindigkeit dQ in Abhängigkeit von dem Kurbelwellendrehwinkel CRK angegeben wird, wobei die Geschwindigkeit dann als eine Kurbelwellendrehwinkel-bezogene Größe zu verstehen ist. Auf diese Weise wird eine besonders exakte Berechnung des Verbrennungsbeginns ermöglicht.
Vorteilhafterweise wird angenommen, dass die Verbrennung beginnt, wenn die berechnete Freisetzungsgeschwindigkeit einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert kann fest vorgegeben sein oder einstellbar sein, wobei er auch in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine festgelegt werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit der Drehzahl oder des Massenstroms des zugeführten Gemisches oder weiterer Größen. Die von den Betriebsgrößen der Brennkraftma schine abhängigen Grenzwerte können in der Motorsteuerung abgespeichert sein.
Vorzugsweise wird ein Toleranzbereich der Freisetzungsgeschwindigkeit mit einer oberen und einer unteren Schranke ermittelt, wobei der Toleranzbereich den Bereich angibt, in dem die Freisetzungsgeschwindigkeit wahrscheinlich liegt, wenn keine Verbrennung stattfindet. Der Toleranzbereich kann wiederum wie der Grenzwert auf verschiedene Arten festgelegt werden, wobei hierzu auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Der Grenzwert wird dann als die obere Schranke des Toleranzbereichs festgelegt, wobei wiederum angenommen wird, dass die Verbrennung beginnt, wenn die Freisetzungsgeschwindigkeit höher ist als der Grenzwert.
Vorzugsweise wird der Toleranzbereich aus der Schwankung der Freisetzungsgeschwindigkeit während eines Zeitraums ohne Verbrennung ermittelt. Dieser Zeitraum liegt vorzugsweise vor dem Einspritzbeginn. Beispielsweise kann von einer bestimmten Winkellage vor dem Einspritzbeginn an, beispielsweise 5° oder 10°, die Freisetzungsgeschwindigkeit ermittelt werden, um den Toleranzbereich mit einer Sicherheitsreserve festzulegen. Ab dem Einspritzbeginn wird dann überwacht, ob die berechnete Freisetzungsgeschwindigkeit nach oben aus dem Toleranzbereich ausbricht, um einen Verbrennungsbeginn zu erfassen. Alle hier dargestellten Berechnungen und Analysen können in der Motorsteuereinheit durchgeführt werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns zur Kombination mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.
2 zeigt Diagramme, die beim Verfahren der 1 verwendet werden.
3 zeigt ein weiteres nicht zur Erfindung gehörendes Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns zur Kombination mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.
4 zeigt Diagramme, die im Verfahren der 3 verwendet werden.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns.
6 zeigt Diagramme, die im Verfahren der 5 verwendet werden.
In der 1, die im Folgenden zusammen mit der 2 beschrieben wird, ist schematisch der Ablauf eines Verfahrens zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns eines Gemisches in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine gezeigt. Das Verfahren wird von einer Motorsteuerung durchgeführt, die mit verschiedenen Sensoren verbunden ist. Im Einzelnen ist die Motorsteuerung mit einem Drucksensor verbunden, der den Druck p_C im Brennraum misst, und erhält Signale eines Drehwinkelgebers, der den Drehwinkel der Kurbelwelle CRK erfasst. Die Motorsteuerung kann aus dem ermittelten Drehwinkel der Kurbelwelle CRK jederzeit das Volumen V des Brennraums, in dem das Gemisch verbrennt, bestimmen. Die Motorsteuerung steuert weiterhin die Injektion des Gemisches in den Brennraum und verfügt daher auch über Informationen, welche die Einspritzung betreffen.
Das Verfahren beginnt damit, dass abgewartet wird, bis eine Einspritzung beginnt (start of injection, SOI). Ab dem Zeitpunkt, bei dem die Einspritzung beginnt, wird fortlaufend der Druck p_C(CRK) im Brennraum erfasst. Gleichzeitig wird aus dem Kurbelwellendrehwinkel CRK das Volumen V(CRK) des Brenn raums ermittelt. Aus dem gemessenen Druck p_C(CRK) und dem Volumen V(CRK) wird fortlaufend ein Differenzial dQ(CRK) der in dem Brennraum freigesetzten Wärme berechnet. Die Differenziale dQ(CRK) werden zu einer gesamten freigesetzten Wärme Q(CRK) aufintegriert. Solange des Integral der freigesetzten Wärme Q(CRK) steigt, bedeutet dies, dass die Verbrennung noch stattfindet. Sobald das Integral der freigesetzten Wärme Q(CRK) einen stationären Wert erreicht oder einen im Wesentlichen stationären Wert erreicht, d.h. sich nur noch geringfügig ändert, wird davon ausgegangen, dass der Verbrennungsprozess abgeschlossen ist.
In der 2 sind Funktionsverläufe dargestellt, welche den im Brennraum gemessenen Druck p_C(CRK) (gemessener Druck mit stattfindendem Verbrennungsprozess in Abhängigkeit von dem Kurbelwellendrehwinkel) und einen gespeicherten idealisierten Druckverlauf ohne Verbrennung p_m(CRK) (motored pressure, m) zeigen. Diese beiden Druckverläufe zeigen bereits vor einer Verbrennung eine Abweichung, die aus Fehlern bei der Messung oder daher stammen kann, dass die physikalischen Verhältnisse in dem Brennraum nicht denen entsprechen, die dem idealisierten Druckverlauf ohne Verbrennung p_m(CRK) zugrunde liegen. Diese Abweichung wird als Offset bezeichnet. die Motorsteuerung bestimmt diesen Offset während eines Betriebs ohne Verbrennung (vor dem Einspritzbeginn) und berücksichtigt im Folgenden diesen Offset bei der Auswertung.
In dem unteren Diagramm der 2 ist das Integral der freigesetzten Wärme Q(CRK) dargestellt. Das untere Diagramm ist wie das obere Diagramm über den Kurbelwellendrehwinkel CRK angetragen, wobei der Kurbelwellendrehwinkel CRK und die Zeit t bei konstanter Drehzahl direkt proportional voneinander abhängig sind. In dem zeitlichen Ablauf (bzw. CRK) der beiden Diagramme sind mit senkrechten strichlierten Linien zwei Zeitpunkte gekennzeichnet, der Einspritzbeginn (SOI) und der Verbrennungsbeginn (start of combustion, SOC). Ab dem Verbrennungsbeginn weicht der gemessene Druck p_C(CRK) deut lich von dem Idealverlauf des Drucks ohne Verbrennung p_m(CRK) ab. Diese Abweichung ist durch die einsetzende Verbrennung bedingt. Ebenso steigt ab diesem Zeitpunkt deutlich das Integral der freigesetzten Wärme Q(CRK) an.
In dem in der 1 dargestellten Verfahren wird der stationäre Anfangswert der freigesetzten Wärme Q_START und der nach Abschluss der Verbrennung stationäre Wert des Integrals Q_ENDE dazu verwendet, um einen Grenzwert Q_GRENZ zu berechnen. Der Grenzwert Q_GRENZ liegt 5% der Differenz zwischen dem Startwert Q_START und dem Endwert Q_ENDE über dem Startwert Q_START, wie dies in 2 dargestellt ist. Sodann wird im Verfahren angenommen, dass der Verbrennungsbeginn zu dem Zeitpunkt zu setzen ist, an dem das Integral der freigesetzten Wärme Q(CRK) den Grenzwert Q_GRENZ überschreitet. Als Verbrennungsbeginn wird dann der Kurbelwellendrehwinkel CRK ausgegeben, bei dem das Integral Q(CRK) den Grenzwert Q_GRENZ überschreitet. Das Verfahren ist damit abgeschlossen und kann beispielsweise im nächsten Takt der Brennkraftmaschine wiederholt werden. Die Ergebnisse können dazu verwendet werden, einen nachfolgenden Einspritzvorgang dahingehend zu verändern, dass eine verbesserte Verbrennung erfolgt.
Im Folgenden werden die 3 und 4 zusammen beschrieben, wobei auf die Bezeichnungen im Zusammenhang mit den Figurenbeschreibungen 1 und 2 Bezug genommen wird, wobei diese Größen nicht nochmals vollständig beschrieben werden.
In der 3 ist der Ablauf eines Verfahrens schematisch dargestellt, bei dem direkt aus der Freisetzungsgeschwindigkeit der freigesetzten Wärme auf einen Verbrennungsbeginn geschlossen wird. Die Freisetzungsgeschwindigkeit wird dabei durch das Differenzial dQ(CRK) bezeichnet. Diese Freisetzungsgeschwindigkeit wird wieder wie in der 1 und in der zugehörigen Beschreibung beschrieben berechnet. Falls dQ(CRK) größer als ein vorher festgelegter Grenzwert dQ_GRENZ ist, wird angenommen, dass die Verbrennung beginnt. Der Grenzwert dQ_GRENZ kann beispielsweise in Abhängigkeit der Schwankungen von dQ(CRK) vor der Verbrennung festgelegt werden oder kann als feste Größe in der Motorsteuerung gespeichert sein.
In den 5 und 6 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns gezeigt. Das Verfahren nutzt die Erkenntnis, dass bei Verbrennungsbeginn der Druck p_C(CRK) sich wesentlich von dem Druckverlauf p_C(CRK) unterscheidet, der den Druckverlauf wiedergibt, falls keine Verbrennung stattfindet. Zur Bezeichnung der Größen wird wiederum auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen zu den 1 bis 4 verwiesen.
Bei dem in der 5 gezeigten Verfahren wird zunächst der Offset ermittelt, der angibt, um wie viel der gemessene Druck p_C(CRK) von dem gespeicherten Druckverlauf p_m(CRK) abweicht. Der Offset wird vor dem Einspritzbeginn ermittelt, da davon ausgegangen werden kann, dass zu diesem Zeitpunkt der gemessene Druckverlauf p_C(CRK) mit einem idealen Druckverlauf übereinstimmt. Der Druckverlauf p_m(CRK) ist in der Motorsteuerung in Abhängigkeit verschiedener relevanter Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine abgespeichert und spezifisch für die Brennkraftmaschine.
Nach Ermitteln des Offsets wartet das Verfahren, bis die Einspritzung beginnt. Anschließend wird wiederum der Druck p_C(CRK) im Brennraum gemessen und anschließend das Verhältnis des um den Offset korrigierten gemessenen Drucks zu dem gespeicherten Druck berechnet. Dieses Verhältnis wird nach der Formel a = (p_C(CRK) – Offset)/p_m(CRK) berechnet. Anschließend wird überprüft, ob das Verhältnis a ungefähr gleich 1 ist, wobei insbesondere überprüft wird, ob a größer als 1 + e ist. e ist ein Schrankenwert, der beispielsweise 0,05 oder 0,1 sein kann und zuvor festgelegt und in der Motorsteuerung abgespeichert wurde. Falls a größer ist als 1 + e, wird angenommen, dass die Verbrennung beginnt und der Verbrennungsbe ginn CRK_BEGINN (angegeben als Kurbelwellendrehwinkel) wird auf den aktuellen Kurbelwellendrehwinkel CRK gesetzt.
Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Verfahren können auch in beliebiger Kombination eingesetzt werden, wobei sich die Verfahren gegenseitig überprüfen können, so dass die Sicherheit der Bestimmung des Verbrennungsbeginns erhöht werden kann.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsbeginns (CRK_BEGINN) eines Gemisches in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit den folgenden Schritten: (a) Messung eines Druckverlaufs (p_C(CRK)) in dem Brennraum, (b) Ermittlung des Druckverhältnisses (α) zwischen dem gemessenen Druckverlauf (p_C(CRK)) und einem entsprechenden, gespeicherten Druckverlauf ohne eine Verbrennung (p_m(CRK)) in dem Brennraum bei demselben Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, (c) Ermittlung des Verbrennungsbeginns (CRK_BEGINN), wenn das Druckverhältnis (α) einen vorgegebenen Grenzwert (1 + e) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Druckverlauf (p_C(CRK)) um einen Offset-Wert korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset-Wert bei einem Einspritzbeginn als Differenz zwischen dem Druckverlauf ohne eine Verbrennung (p_m(CRK)) und dem gemessenen Druckverlauf (p_C(CRK)) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckverlauf ohne eine Verbrennung (p_m(CRK)) in dem Brennraum während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsbeginn (CRK_BEGINN) während der noch stattfindenden Verbrennung oder vor dem nächsten Einspritzbeginn ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge eines zurückgeführten Abgases in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsbeginn (CRK_BEGINN) beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzbeginn und/oder die Einspritzdauer einer Voreinspritzung, einer Haupteinspritzung und/oder einer Nacheinspritzung in den Brennraum in Abhängigkeit von dem ermittelten Verbrennungsbeginn (CRK_BEGINN) beeinflusst wird.
Motorsteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass sie konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Verwendung einer Motorsteuerung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.