DE102006008802A1 - Verfahren zur Ermittlung des Entstehungsortes klopfender Verbrennung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Entstehungsortes klopfender Verbrennung in Verbrennungsmaschinen mit einem Brennraum. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennraum (1) mindestens drei Drucksensoren (D1, D2, D3) umfasst, wobei die Drucksensoren (D1, D2, D3) an unterschiedlichen Orten im Brennraum (1) angeordnet sind. Mittels einer Zeitdifferenzmessung, die auf dem Eintreffen der von dem Klopfen erzeugten Schallwelle beruht, wird durch ein mathematisches Näherungsverfahren die geometrische Position des Klopfortes (K) berechnet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Entstehungsortes klopfender Verbrennung in Verbrennungsmaschinen mit einem Brennraum.
  • Stand der Technik
  • Die DE 100 41 666 C2 zeigt eine optoelektronische Messeinrichtung zur Erfassung von Verbrennungsvorgängen im Brennraum einer im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum zugeordneten Sensoren, die jeweils einen Lichtleiter mit mindestens einer Lichtfaser aufweisen, welche mit einer Auswerteeinheit in Verbindung stehen, wobei die brennraumseitigen Sensorenden annähernd einer Ebene angeordnet sind und die Sensoren so ausgerichtet sind, dass die Akzeptanzwinkelbereiche der einzelnen Sensoren zumindest einen vordefinierten Messsektor des Brennraums möglichst gleichmäßig erfassen.
  • Die optischen Sensoren sind in einem annähernd zylindrischen, in den Brennraum mündenden Bauteil angeordnet, wobei die Lichtleiter der Sensoren parallel zur Längsachse des Bauteils verlaufen, die Sensorenden radial am Mantel des Bauteils angeordnet sind. Eine Umlenkeinrichtung ermöglicht das Umlenken der radial eintreffenden Lichtstrahlen auf die Lichtleiter der Sensoren.
  • Die optische Messeinrichtung kann in Kombination mit einem Drucksensor eingesetzt werden. Aus dem Laufzeitunterschied zwischen der Schallwelle und der Lichtwelle kann der Abstand des Klopfortes vom Drucksensor und somit in Kombination mit der optischen Messung der Entstehungsort der Klopferscheinung genau lokalisiert werden.
  • In der vom Vieweg Verlag herausgegebenen MTZ (Motortechnische Zeitschrift) 9/2001, Seite 644 bis 651 ist die oben genannte Messeinrichtung ebenfalls beschrieben.
    •
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Klopfort im Brennraum einfach und kostengünstig zu lokalisieren.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass mit wenigen im Brennraum angeordneten Messaufnehmern der Klopfort, d. h. die räumliche Position im Brennraum, an der das Klopfen auftritt, annähernd exakt lokalisierbar ist. Um den Klopfort zweidimensional zu lokalisieren, genügen drei Drucksensoren, die an unterschiedlichen Positionen im Brennraum angeordnet sind. Für eine dreidimensionale Bestimmung des Klopfortes bedarf es hierzu mindestens vier Drucksensoren. Voraussetzung für die Ermittlung des Klopfortes ist die Kenntnis des Zeitversatzes des Eintreffens des entsprechenden Signals bei klopfender Verbrennung an den Drucksensoren.
  • Die Berechnung des Klopfortes erfolgt mit Hilfe eines exakten physikalischen Ansatzes (Weg-Zeit-Beziehung), bei dem die Koordinaten der einzelnen Drucksensoren bekannt sind. Das bei Anwendung dieses Ansatzes entstehende Gleichungssystem wird durch ein mathematisches Näherungsverfahren (beispielsweise Newton) gelöst.
  • Die zeitliche Differenz des Erkennens des Klopfereignisses zwischen den einzelnen Drucksensoren ist mit Methoden der Klopfzeitpunktdetektion, beispielsweise nach Spicher, U., Worret, R.: Entwicklung eines Kriteriums zur Vorausberechnung der Klopfgrenze, FW-Abschlußbericht, Nr. 700, 2002; Spicher, U., u. a.: Methoden zur Erkennung und Analyse klopfender Verbrennung, Tagung „Klopfregelung für Ottomotoren", Haus der Technik Fachbuch, Band 31, S. 22ff. 2003, ermittelbar. Bei der Ermittlung des Klopfbeginns nach Spicher liegt der Vorteil, den Heizverlauf als Grundlage für die Bestimmung des Klopfbeginns einzusetzen, in seinem deutlich verbesserten Signal-Rauschabstand. Dies führt zu einer eindeutigeren und exakteren Bestimmung des Klopfbeginns auch bei schwach klopfenden Zyklen.
  • 5a, 5b zeigt den Unterschied des Heizverlaufes bei einem klopfenden bzw. nicht klopfenden Zyklus.
  • Durch den zunehmend stärker werdenden Einfluss der Ableitung des Druckes dp/dα nach ZOT (Zündung beim oberen Totpunkt) werden die Grundschwingungen auf dem Drucksignal in OT-Nähe gedämpft und zum Klopfzeitpunkt (nach OT) verstärkt.
  • Damit steigt im klopfrelevanten Kurbelwinkelbereich das Amplitudenverhältnis zwischen Grundrauschen und hochfrequentem Anteil infolge des Klopfeinsatzes.
  • Das eigentliche Verfahren zur Ermittlung des Klopfbeginns beruht auf dem Hochpass-(HP)-gefilterten Heizverlauf. Der erste Schritt in dem Algorithmus ist die Bestimmung der maximalen positiven Amplitude des HP-gefilterten Heizverlaufes. Ausgehend von dieser Lage wird entgegen der Zeitachse der früheste Schwellenwertübertritt gesucht. Der Schwellenwert berechnet sich mit folgender Gleichung (1.1): SW1 = Q·SWFaktor (1.1)
  • Der SWFaktor wird dabei in der Literatur auf 0,65 festgelegt.
  • Der Nulldurchgang vor diesem Schwellenwertübertritt definiert einen vorläufigen Klopfbeginn. Fällt die Lage dieses Nulldurchganges in das Analysefenster (6), wird eine Klopfintensität (KI) nach Gleichung (1.2) berechnet.
  • Figure 00030001
  • Darunter wird ausgehend vom Klopfbeginn die Aufsummation (Integration) der Signalquadrate über einen festen Kurbelwinkelbereich von 7°KW verstanden. Sollte Klgemessen größer als eine betriebspunktunabhängige Schwellenwertintensität sein, welche in der Literatur auf SW-KI = 0,00015J2 festgelegt wurde, wird eine Halbierung des SWFator vorgenommen. Dies ermöglicht für Arbeitsspiele mit hohen Amplituden eine weitere Suche nach Schwellenwertüberschritten (SW2) entgegen der Zeitachse. Ein SWFaktor von 0,65 reicht nach der Literatur bei stärker klopfenden Arbeitsspielen nicht aus, um den tatsächlichen KBG zu detektieren. Diese Maßnahme wird jedoch nur einmalig durchgeführt. Der neue Schwellenwertfaktor ergibt sich somit aus Gleichung (1.3):
    Figure 00040001
  • In einer neueren Veröffentlichung wird die Untersuchung der Schwellenwertintensität zur Halbierung des Schwellenwertfaktors nicht mehr vorgenommen. Statt dessen wird grundsätzlich eine Halbierung des Faktors durchgeführt.
  • Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Sensorik kostengünstig und das Auswertungsverfahren einfach.
  • Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit großvolumigen Brennräumen, beispielsweise Gasmotoren für Elektrizitätswerke, bei denen ein Klopfen im Vergleich zu kleinvolumigen Verbrennungsmotoren erheblich größere Auswirkungen hat, ist eine Klopfortbestimmung im dreidimensionalen Raum durch mindestens vier Drucksensoren vorteilhaft.
  • Da es sich beim Klopfen um ein statistisches Problem handelt, d. h. der Klopfort stochastischen Schwankungen unterworfen ist, muss zur Klopfortermittlung eine Vielzahl von Arbeitsspielen herangezogen werden. Daher setzt vorteilhafterweise die Anwendbarkeit des Verfahrens eine entsprechende Software zur Auswertung und Visualisierung voraus.
  • Vorteilhafterweise kann die Bewertung der statistischen Sicherheit (Streuung des Klopfortes) anhand einer objektiven Kenngröße vorgenommen werden. Beispielsweise könnte diese aus Parametern der zweidimensionalen Dichtefunktion oder aus anderen das Streu-Ellipsoid charakterisierenden Kenngrößen gebildet werden.
    •
  • Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1: eine prinzipielle Darstellung der Positionen von drei Drucksensoren sowie des Klopfortes in einer zweidimensionalen Ebene eines Brennraumes,
  • 2: eine Tabelle, in der Berechnungsvorschriften und Iterationen eines Newton-Näherungsverfahrens zur Bestimmung der Position des Klopfortes enthalten sind,
  • 3: ein Diagramm des Konvergenzverhaltens des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 4: eine prinzipielle Darstellung der Positionen von vier Drucksensoren sowie des Klopfortes in einem dreidimensionalen Raum eines Brennraumes
  • 5a, 5b: einen Heizverlauf einer klopfenden und nichtklopfenden Verbrennung,
  • 6: eine Schwellenwertermittlung.
  • 1 zeigt eine zweidimensionale Ansicht eines Brennraums 1 einer Verbrennungsmaschine mit drei Drucksensoren D1, D2 und D3. Die Position eines Klopfortes K ist mit den Koordinaten xk, yk dargestellt. Die durch das Klopfen zum Zeitpunkt t0 erzeugte Schallwelle breitet sich mit mittlerer Geschwindigkeit v in alle Richtungen (hier in x- und y-Richtung dargestellt) gleichmäßig aus. Je nach Klopfort K bzw. Position der Drucksensoren D1, D2 und D3 trifft die Schallwelle nach einer bestimmten Zeit t1, t2 und t3 an den jeweiligen Drucksensoren D1, D2 und D3 ein.
  • Die Gleichungen für die Zeit des Eintreffens der Schallwelle lauten für jeden der drei Drucksensoren D1, D2 und D3:
    Figure 00050001
  • Die Strecken s1, s2, s3 stellen die Entfernungen der Drucksensoren D1, D2 und D3 zum Klopfort K dar.
  • Die Entfernung zwischen den Drucksensoren D1, D2 und D3 und dem Klopfort K kann mit Hilfe der Differenzen der x- und y-Koordinaten und des Satzes nach Pythagoras ausgedrückt werden:
    Figure 00050002
    Figure 00060001
  • Das aus 3 Gleichungen bestehende System (1b) bis (3b) enthält die unbekannten Koordinaten xk und yk sowie die unbekannte Startzeit t0
  • Zur Lösung wird im nächsten Schritt die Zeit t0 substituiert und das System auf die 2 Gleichungen (5.1) und (5.2) zurückgeführt.
  • Mit
    Figure 00060002
    ergibt sich folgendes Gleichungssystem:
    Figure 00060003
  • Das System nichtlinearer, transzendenter Gleichungen ist nicht geschlossen lösbar und erfordert ein schrittweises Näherungsverfahren.
  • Zur Lösung des Gleichungssystems wird das Newtonsche Näherungsverfahren vorgeschlagen.
  • Dazu sind zunächst die Gleichungen (5.1) und (5.2) in folgende Form zu überführen:
    Figure 00060004
    für xk und yk zu ermitteln, bis dann in weiteren Schritten von diesem iterativen Verfahren aktualisierte, verbesserte Werte geliefert werden.
  • Neben den Funktionswerten sind noch die partiellen Ableitungen der Funktionen nach den beiden zu ermittelnden Größen xk und yk zu bilden und die Werte für δf/δxk bzw. δf/δyk unter Einbeziehung der gewählten Startwerte zu berechnen:
    Figure 00070001
  • Mit Hilfe der Funktionswerte und der partiellen Ableitungen werden Korrekturwerte für die vorher verwendeten Werte für xk und yk gebildet. Die Korrekturwerte ΔxS und ΔyS werden mit Hilfe der Funktionswerte und der partiellen Ableitungen unter Anwendung des folgenden Gleichungssystems ermittelt:
    Figure 00070002
  • Die Korrektur d. h. die Berechnung der neuen, verbesserten Werte für die Lösung erfolgt nun durch Subtraktion der Korrekturwerte von den vorher verwendeten Werten: xkn+1 = xkn – Δxk (9.1) ykn+1 = ykn – Δyk (9.2)
  • Die Iteration erfolgt solange, bis die Beträge der Änderungen der Werte xk und yk eine vorgegebene Grenze unterschreiten. Bei Instabilitäten (Oszillieren, Divergenz) müssen ggf. die Beträge der Korrekturwerte Δxk und Δyk mit einem geeigneten Faktor verkleinert werden.
  • In 2 ist ein Berechnungsbeispiel für die in 1 dargestellten drei, im Brennraum einer Verbrennungsmaschine angeordneten Drucksensoren D1, D2 und D3 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass trotz grob gewählter Startwerte, die erheblich von der Lage des zu ermittelnden Punktes abweichen, die Bestimmung der Koordinaten des Klopfortes mit guter Genauigkeit erfolgt. Nach Abschluss der Iteration werden für die x-Koordinate xk 0.04289 mm (korrekter Wert 0.0435 mm) und die y-Koordinate yk –0.02592 mm (korrekter Wert –0.0265 mm) berechnet.
  • In 3 ist das Konvergenzverhalten des in 2 durchgeführten Berechnungsverfahrens dargestellt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass bereits nach 30 Iterationsschritten ein verwertbares Ergebnis für den Klopfort vorliegt.
  • In 4 ist der Brennraum einer Verbrennungsmaschine mit vier Drucksensoren D1, D2, D3 und D4 dreidimensional dargestellt. Die Position des Klopfortes K ist mit xk, yk, zk, des Drucksensors D1 mit x1, y1, z1, des Drucksensors D2 mit x2, y2, z2, des Drucksensors D3 mit x3, y3, z3 und des Drucksensors D4 mit x4, y4, z4 angegeben.
  • Die durch das Klopfen zum Zeitpunkt t0 erzeugte Schallwelle breitet sich mit mittlerer Geschwindigkeit v in alle Richtungen (hier in x-, y- und z-Richtung dargestellt) gleichmäßig aus. Je nach Klopfort K bzw. Position der Drucksensoren D1, D2, D3 und D4 trifft die Schallwelle nach einer bestimmten Zeit t1, t2, t3 und t4 an den jeweiligen Drucksensoren D1, D2, D3 und D4 ein.
  • Die Gleichungen für die Zeit des Eintreffens der Schallwelle lauten für jeden der vier Drucksensoren D1, D2, D3 und D4:
    Figure 00080001
    Figure 00090001
  • Die Strecken s1, s2, s3, s4 stellen die Entfernungen der Drucksensoren D1, D2, D3 und D4 zum Klopfort K dar.
  • Mit
    Figure 00090002
    ergibt sich folgendes Gleichungssystem:
    Figure 00090003
    • XSi, ySi, zSi
    ...x-, y-, z-Koordinate des Drucksensors Di (i = 1...4)
    XK, YK, zK
    ...x-, y-, z-Koordinate des Klopfortes
    cSchall
    ...Schallgeschwindigkeit
  • Das aus 4 Gleichungen bestehende System (3.1) bis (3.4) enthält die unbekannten Koordinaten des Klopfortes xK, yK und zK sowie die unbekannte Startzeit t0.
  • Zur Lösung wird im nächsten Schritt die Zeit t0 substituiert und das System auf die 3 Gleichungen (5.1) bis (5.3) zurückgeführt.
  • Mit
    Figure 00100001
    ergibt sich folgendes Gleichungssystem:
    Figure 00100002
  • Das System nichtlinearer, transzendenter Gleichungen ist nicht geschlossen lösbar und erfordert ein schrittweises Näherungsverfahren.
  • Zur Lösung des Gleichungssystems wird das Newtonsche Näherungsverfahren vorgeschlagen.
  • Dazu sind zunächst die Gleichungen (5.1) bis (5.3) in folgende Form zu überführen:
    Figure 00100003
  • Die Funktionswerte f1, f2 und f3 sind im ersten Schritt auf der Basis von geeigneten Startwerten für xK, yK und zK zu ermitteln, bis dann in weiteren Schritten von dem iterativen Verfahren aktualisierte, verbesserte Werte geliefert werden.
  • Startwerte können beispielsweise willkürlich innerhalb des durch die Messstellen gebildeten Gebietes oder unter Anwendung des Sattelpunktverfahrens festgelegt werden.
  • Außer den Funktionswerten f1, f2 und f3 sind noch die partiellen Ableitungen der Funktionen f1 ... f3 nach den zu ermittelnden Größen xS, yS und zS zu bilden und entsprechend die Werte für δfi/δxK, δfi/δyK und δfi/δzK (i = 1...3) unter Einbeziehung der gewählten Startwerte zu berechnen.
  • Mit Hilfe der Funktionswerte f1, f2 und f3 und der partiellen Ableitungen werden Korrekturwerte für die vorher verwendeten Werte für xS, yS und zS gebildet. Die Korrekturwerte ΔxS, ΔyS und ΔzS werden mit Hilfe der Funktionswerte und der partiellen Ableitungen unter Anwendung des folgenden Gleichungssystems berechnet:
    Figure 00110001
  • Die Korrektur d. h. die Berechnung der neuen, verbesserten Werfe für die Lösung erfolgt nun durch Subtraktion der Korrekturwerte von den vorher verwendeten Werten: xKj+1 = xKj – ΔxK (8.1) yKj+1 – YKj – ΔyK (8.2) zKj+1 = zKj – ΔzK (8.3)
  • Die Iteration erfolgt solange, bis die Beträge der Änderungen der Werte xK, yK und zK eine vorgegebene Grenze unterschreiten. Bei Instabilitäten (Oszillieren, Divergenz) müssen ggf. die Beträge der Korrekturwerte ΔxS, ΔyS und ΔzS mit einem geeigneten Faktor verkleinert werden.
  • Als Drucksensoren können je nach vorliegenden Platzverhältnissen sowohl gekühlte als auch ungekühlte Drucksensoren eingesetzt werden.
    • s1
    Strecke zwischen Klopfort und erstem Drucksensor
    s2
    Strecke zwischen Klopfort und zweitem Drucksensor
    s3
    Strecke zwischen Klopfort und drittem Drucksensor
    s4
    Strecke zwischen Klopfort und viertem Drucksensor
    • 1
    Brennraum
    D1
    erster Drucksensor
    D2
    zweiter Drucksensor
    D3
    dritter Drucksensor
    D4
    vierter Drucksensor
    K
    Klopfort
    s1
    Strecke zwischen Klopfort und erstem Drucksensor
    s2
    Strecke zwischen Klopfort und zweitem Drucksensor
    s3
    Strecke zwischen Klopfort und drittem Drucksensor
    s4
    Strecke zwischen Klopfort und viertem Drucksensor

Claims (4)

  1. Verfahren zur Ermittlung des Entstehungsortes klopfender Verbrennung in Verbrennungsmaschinen mit einem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass – der Brennraum (1) mindestens drei Drucksensoren (D1, D2, D3, D4) umfasst, wobei die Drucksensoren (D1, D2, D3, D4) an unterschiedlichen Orten im Brennraum (1) angeordnet sind; – mittels einer Zeitdifferenzmessung des Eintreffens der von dem Klopfen erzeugten Schallwelle die geometrische Position des Klopfortes (K) mittels eines mathematischen Näherungsverfahrens berechnet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Näherungsverfahren von Newton ist.
  3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von klopfenden Arbeitsspielen einbeziehbar ist.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße zur Bewertung der statistischen Eigenschaften des ermittelten Klopfortes (K) bildbar und bewertbar ist.
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