DE102006021192A1

DE102006021192A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Mittelgastemperatur

Info

Publication number: DE102006021192A1
Application number: DE102006021192A
Authority: DE
Inventors: Antonio Lentini
Original assignee: Deutz AG
Current assignee: Deutz AG
Priority date: 2006-05-06
Filing date: 2006-05-06
Publication date: 2007-11-08
Also published as: DE102006044104A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verbrennungstemperatur einer Brennkraftmaschine mit Zündung einer homogenen Ladung (HCCI), wobei sich bei der Verbrennung in dem Brennraum ein Zylinderdruck und eine Verbrennungstemperatur einstellen, sowie ein Verfahren zur Regelung der Dauer einer Zündung einer entsprechenden Brennkraftmaschine unter Einflussnahme auf die Verbrennungstemperatur. Erfindungsgemäß wird die Verbrennungstemperatur der einem Brennraum zugeführten Ladung bei einem HCCI-Brennverfahren zuverlässig bestimmt und durch Veränderung der Verbrennungstemperatur wird die Zündung der Ladung geregelt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Verbrennungstemperatur als Mittelgastemperatur in Abhängigkeit vom Zylinderdruck, vom Volumen des Brennraums und der Masse der Ladung bestimmt wird und die Regelung insbesondere der Dauer der Zündung erfolgt dadurch, dass die Verbrennungstemperatur durch eine Einflussnahme auf die Mittelgastemperatur in dem Brennraum geregelt wird, indem die Mittelgastemperatur durch Veränderung einer Abgasrückführrate und des Drucks der zugeführten Brennluft korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verbrennungstemperatur einer Brennkraftmaschine mit Zündung einer homogenen Ladung (HCCI), wobei die Brennkraftmaschine ein Kurbelgehäuse aufweist, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein einen Kolben tragendes Pleuel angelenkt ist, wobei der Kolben in einem von einem Zylinderkopf unter Bildung eines Brennraums abgedeckten Zylinder bewegbar ist und dem Brennraum über in den Zylinderkopf eingelassene Gaswechseleinrichtungen Brennluft zuführbar ist, die in dem Brennraum zusammen mit zugeführtem Kraftstoff die bei der Zündung verbrennende Ladung bildet und wobei die sich bei der Verbrennung in dem Brennraum ein Zylinderdruck und eine Verbrennungstemperatur einstellen sowie ein Verfahren zur Regelung der Dauer einer Zündung einer entsprechenden Brennkraftmaschine unter Einflussnahme auf die Verbrennungstemperatur.
Bei bekannten Brennkraftmaschinen mit Kompressionszündung einer homogenen Ladung (HCCI) werden durch die homogene Gemischbildung sowohl die Bereiche eines lokalen Luftmangels, die die Ursache für eine Rußentstehung sind, als auch die Bereiche hoher Verbrennungstemperaturen, die eine Stickoxydbildung verursachen, vermieden.
Ein Nachteil ist die Schwierigkeit, einen solchen HCCI-Verbrennungsprozess exakt zu steuern, sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine oder die zugeführte Ladung, bestehend aus Kraftstoff und Brennluft, variiert. Wird ein zu fettes Gemisch eingesetzt, erfolgt eine zu rasche Verbrennung und es kommt zur Klopfproblematik. Ist das Gemisch zu mager, erfolgt eine nur unvollständige Verbrennung oder es kommt zu Fehlzündungen. Daher ist eine genaue Kenntnis der Gemischaufbereitung notwendig.
Ein weiteres Problem ist das Timing des Verbrennungsbeginns, der von der Temperatur und dem Druck im Brennraum abhängig ist und nicht so genau gesteuert werden kann, wie beispielsweise bei ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschinen. Ist die Temperatur im Brennraum hoch genug, zündet die Ladung an vielen Orten im Brennraum gleichzeitig. Beginnt die Verbrennung zu früh, so hat das heiße Brenngas zu lange Kontakt mit den Zylinderwänden des Brennraums und es geht viel Wärme verloren. Beginnt die Verbrennung zu spät, wird weniger Arbeit auf den Kolben übertragen.
Eine entsprechende Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2005 017 530 A1 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine bestimmt ein Steuergerät, ob sich das Verhältnis von Brennluft und Kraftstoff auf so eine Weise ändert oder nicht, dass eine Möglichkeit besteht, dass Klopfen oder Fehlzündungen auftreten. Wenn diese Möglichkeit besteht, dann steuert das Steuergerät ein Einlasslufttemperatur-Einstellelement so, dass die Einlasstemperatur auf Grundlage eines Kennfeldes eingestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbrennungstemperatur der einem Brennraum zugeführten Ladung bei einem HCCI-Brennverfahren zuverlässig zu bestimmen und durch Veränderung der Verbrennungstemperatur die Zündung der Ladung zu regeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Verbrennungstemperatur als Mittelgastemperatur in Abhängigkeit vom Zylinderdruck, vom Volumen des Brennraums und der Masse der Ladung bestimmt wird und die Regelung insbesondere der Dauer der Zündung erfolgt dadurch, dass die Verbrennungstemperatur durch eine Einflussnahme auf die Mittelgastemperatur in dem Brennraum geregelt wird, indem die Mittelgastemperatur durch Veränderung einer Abgasrückführrate und des Drucks der zugeführten Brennluft korrigiert wird. Der vorliegenden Erfindung liegen zunächst einmal folgende Erkenntnisse zugrunde: Grundsätzlich ist die Erfindung bei allen Arten von Brennkraftmaschinen, also Diesel-, Gas- und Otto- Brennkraftmaschinen verwendbar. Die Verbrennung der Ladung im Brennraum einer Brennkraftmaschine ist primär reaktionskinetisch kontrolliert. Dies bedeutet, dass die chemische Energieumsetzung im Vergleich zu den simultan ablaufenden Mischungsvorgängen langsam verläuft. In Abhängigkeit von den lokalen Gegebenheiten im Zylinder kommt es bei der Zündung, insbesondere bei einer Kompressionszündung einer homogenen Ladung (HCCI) meist an mehreren Stellen kurz hintereinander zur Selbstzündung. Die ersten Zündherde begünstigen über lokale und globale Temperaturerhöhungen sowie durch die Erhöhung des Zylinderdrucks den Selbstzündungsprozess an anderen Stellen im Brennraum, ohne dass eine zusammenhängende Flammenfront entsteht. Dies führt zu einer mehrphasigen Niedertemperaturentflammung mit einem ausgeprägten kalten Flammenanteil.
Die Selbstzündung findet in Bereichen mit einem lokalen Luftverhältnis 0,5 < λ < 0,9 statt. Der Reaktionsweg ist stark von der Temperatur abhängig und kann in die drei nachfolgend beschriebenen Temperaturbereiche eingeteilt werden:
Niedertemperaturbereich: T < 900 K
Der Zündprozess erfolgt in diesem Bereich über mehrere Phasen. Der Selbstzündungsprozess im Dieselmotor fällt aufgrund der durch die Kompression erzeugten Drücke und Temperaturen in den Bereich der mehrphasigen Niedertemperaturentflammung:
Mitteltemperaturbereich: 900 K < T < 1100 K
Die Zündung in diesem Übergangsbereich wird stark vom Druck und der Brennstoffkonzentration im Gemisch der Ladung beeinflusst. Der Zündverzug sinkt mit steigendem Druck und höherem Kraftstoffanteil im Gemisch.
Hochtemperaturbereich: T > 1100 K
Die Entflammung in diesem Temperaturbereich fängt endotherm an. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe werden durch Pyrolyse von den Brennstoffmolekülen abgespalten. Diese zerfallen und bilden dabei unter anderem Radikale. In diesem Temperaturbereich dominiert der Kettenverzweigungsschritt zur Bildung der Radikale: H2O2 + M → OH + OH + M.
Obwohl die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls von H2O2 in OH-Radikale unter 900 K gering ist, können die Reaktionen im Niedertemperaturbereich den Zerfall von H202 im Hochtemperaturbereich (und zwar den Beginn der Hauptenergiefreisetzung) beeinflussen.
Da die Bildung und der Zerfall von H2O2 von der Temperatur abhängig sind, kann z. B. ein vordefinierter Anstieg der Temperatur als Merkmal des Brennbeginns angesehen werden.
Eine gezielte Kontrolle der Kompressionszündung einer homogenen Ladung (HCCI) ist mit einer kombinierten Restgasstrategie – (der Abgasrückführungsrate und des Ladeluftdrucks) und Einspritzstrategie möglich.
Eine gekühlte externe AGR bietet insbesondere die Möglichkeit, die Temperatur und die Verbrennungsgeschwindigkeit in dem Verdichtungstakt zu kontrollieren.
Erfindungsgemäß werden die Abgasrückführungsrate und der Druck der zugeführten Brennluft (Ladeluftdruck) als Stellgrößen verwendet, um das Timing (Verbrennungsbeginn und Verbrennungsende, Verbrennungsgeschwindigkeit, Temperaturgradient) der Niedertemperaturreaktionen zu kontrollieren und deren Dauer zu optimieren.
Die innere Mittelgastemperatur bezeichnet die Auswirkung der Stellgrößen auf die Verbrennung. Die innere Mitteltemperatur kann grundsätzlich direkt mittels Temperatursensoren gemessen werden oder aber indirekt unter anderem unter Verwendung von Zylinderdruckmesswerten (wobei die erforderlichen Zylinderdruckmessungen beispielsweise unter Einsatz von Zylinderdrucksensoren, Ion-Stromsensoren, Klopfsensoren erfolgen) gewonnen werden. Algorithmen zur Bestimmung des Zylinderdrucks anhand von anderen (vorhandenen) Signalen, die beispielsweise von einem Drehzahlsensor, einem Kühlmitteltemperatursensor, einem Ladedrucksensor oder einem Lambdasensor abgegeben werden, bieten eine Möglichkeit, die Sensoren zu Zylinderdruckmessungen zu ersetzen.
Wenn der Zylinderdruck p, der eine Funktion des Kurbelwinkels α ist, bekannt ist, kann man die Mittelgastemperatur im Brennraum beispielsweise anhand der folgenden Gleichung bestimmen:
wo k ein kalibrierbarer Offset, a ein kalibrierbarer Faktor, V(α) das Volumen des Brennraums als Funktion des Kurbelwinkels α, m die gesamte Masse der Ladung, also die Summe der Kraftstoffmasse, der Frischluftmasse und der zurückgeführten Abgasmasse ist. R ist eine Konstante (für ein ideales Gas ist R die universale Gaskonstante = 287 J·kg^-1·K^-1).
Eine alternative Gleichung zur (1) ist:
wobei m_egr die zurückgeführte Abgasmasse, m_fuel die Kraftstoffmasse und m_air die Frischluftmasse sind. a_egr, a_fuel und a_air sind jeweils zugeordnete kalibrierbarere Faktoren.
k, a, a_egr, a_fuel und a_air können entweder Parameter oder aber Werte sein, die aus Interpolationskennfeldern ausgelesen werden.
Die Gleichungen (1) und (2) ermöglichen die Bestimmung des Temperaturgradienten z. B. durch die folgenden Differentiationsgleichungen:
Werden die Temperaturen und deren Gradienten, die dem Brennbeginn und dem Ende des Niedertemperaturbereichs und Mitteltemperaturbereichs entsprechen, zu früh oder zu spät erreicht, werden Korrekturen der Abgasrückführrate und des Ladedrucks eingeleitet, damit durch ein korrigiertes Timing des Niedertemperaturbereichs und des Mitteltemperaturbereichs die Rußbildung und die Stickoxidbildung vermieden werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Verbrennungstemperatur einer Brennkraftmaschine mit Zündung einer homogenen Ladung (HCCI), wobei die Brennkraftmaschine ein Kurbelgehäuse aufweist, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein einen Kolben tragendes Pleuel angelenkt ist, wobei der Kolben in einem von einem Zylinderkopf unter Bildung eines Brennraums abgedeckten Zylinder bewegbar ist und dem Brennraum über in den Zylinderkopf eingelassene Gaswechseleinrichtungen Brennluft zuführbar ist, die in dem Brennraum zusammen mit zugeführtem Kraftstoff die bei der Zündung verbrennende Ladung bildet und wobei die sich bei der Verbrennung in dem Brennraum ein Zylinderdruck und eine Verbrennungstemperatur einstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungstemperatur als Mittelgastemperatur in Abhängigkeit vom Zylinderdruck, vom Volumen des Brennraums und der Masse der Ladung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderdruck als Messsignal oder anhand von Modellen und Algorithmen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelgastemperatur algorithmisch bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelgastemperatur nach der Gleichung
bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient der Mittelgastemperatur als Funktion des Zylinderdrucks und dessen Gradienten, des Volumens des Brennraumes und dessen Gradienten, der Kraftstoffmenge, des Ladeluftdruckes und/oder der Frischluftmasse und der Abgasrückführungsmasse bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtbereich der auftretenden Mittelgastemperatur in drei Temperaturbereiche aufgeteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbereiche ein Niedertemperaturbereich, ein Mitteltemperaturbereich und ein Hochtemperaturbereich sind.
Verfahren zur Regelung einer Selbstzündung einer Brennkraftmaschine mit Kommpressionszündung einer homogenen Ladung (HCCI), wobei die Brennkraftmaschine ein Kurbelgehäuse aufweist, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein einen Kolben tragendes Pleuel angelenkt ist, wobei der Kolben in einem von einem Zylinderkopf unter Bildung eines Brennraums abgedeckten Zylinder bewegbar ist und dem Brennraum über in den Zylinderkopf eingelassene Gaswechseleinrichtungen Brennluft zuführbar ist, die in dem Brennraum zusammen mit zugeführtem Kraftstoff die bei der Kommpressionszündung verbrennende Ladung bildet und wobei sich bei der Verbrennung in dem Brennraum eine Verbrennungstemperatur einstellt, die Mittelgastemperatur nach der Glei dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungstemperatur als Mittelgastemperatur durch eine Einflussnahme auf die Mittelgastemperatur in dem Brennraum geregelt wird, indem die Mittelgastemperatur durch Veränderung einer Abgasrückführrate und des Drucks der zugeführten Brennluft (Ladeluftdruck) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtbereich der auftretenden Mittelgastemperatur in drei Temperaturbereiche aufgeteilt ist und dass der Beginn der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich durch Korrekturen der Abgasrückführungsrate und des Drucks der zugeführten Brennluft kontrolliert wird, wobei diese Korrekturwerte auf der Basis der Abweichung zwischen einem vorgegebenen optimalen und dem aktuellen gerechneten Beginn der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich zu bestimmen ist.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle gerechnete Beginn der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich bestimmt wird, wenn die gerechnete oder gemessene Mittelgastemperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hysterese zu dem Temperaturschwellwert, der die Bestimmung des Beginns der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich bewirkt, vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich durch Korrekturen der Abgasrückführungsrate und des Drucks der zugeführten Brennluft kontrolliert wird, wobei diese Korrekturwerte auf der Basis der Abweichung zwischen einem vorgegebenen optimalen und dem aktuellen gerechneten Ende der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich zu bestimmen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle gerechnete Ende der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich bestimmt wird, wenn die gerechnete oder gemessene innere Mittelgastemperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hysterese zu dem Temperaturschwellwert, der die Bestimmung des Endes der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich bewirkt, vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradient der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mittlertemperaturbereich durch Korrekturen der Abgasrückführungsrate und des Drucks der zugeführten Brennluft kontrolliert wird, wobei diese Korrekturwerte auf der Basis der Abweichung zwischen einem vorgegebenen optimalen und dem aktuellen gerechneten Gradient der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich zu bestimmen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung zwischen einem vorgegebenen optimalen und dem aktuellen gerechneten Gradient der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich einen vorgegebenen Temperaturschwellwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hysterese zu dem Abweichungsschwellwert zwischen dem vorgegebenen optimalen und dem aktuellen gerechneten Temperaturgradient implementiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle gerechnete Beginn der Reaktionen im Hochtemperaturbereich bestimmt wird, wenn die gerechnete oder gemessene Mittelgastemperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellwert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn der Reaktionen im Hochtemperaturbereich durch Korrekturen der Abgasrückführungsrate und des Drucks der zugeführten Brennluft kontrolliert wird, wobei diese Korrekturwerte auf der Basis der Abweichung zwischen einem vorgegebenen optimalen und dem aktuellen gerechneten Ende der Reaktionen im Niedertemperaturbereich und im Mitteltemperaturbereich bestimmt wird.