DE102008038102B4

DE102008038102B4 - Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE102008038102B4
Application number: DE200810038102
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr.-Ing. Zwahr; Michael Günther; Olaf Dr.-Ing. Magnor; Helmut Sperling
Original assignee: Volkswagen AG; IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: Volkswagen AG; IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2008-08-18
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-08-19
Also published as: DE102008038102A1

Abstract

Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis bzw. mit Aufladung, bei dem für den jeweiligen aktuellen Arbeitszyklus anhand des erfassten Winkelgeschwindigkeitsverlaufs der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein zugehöriger Zylinderinnendruck und daraus eine Verbrennungsschwerpunktlage des jeweiligen Zylinders ermittelt wird, aus der für den nachfolgenden Arbeitszyklus die zu erwartende Vorentflammungsneigung errechnet und bei Ermittlung einer Überschreitung einer applizierbaren Winkelschwelle der Verbrennungsscherpunktlage für diesen vorhergehenden Arbeitszyklus in der aktuellen Arbeitsphase eine zusätzliche Kraftstoffmehrmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis bzw. mit Aufladung.
Unter Vorentflammung versteht man den Vorgang, der zu einer unkontrollierten und vorzeitigen Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gegen Ende der Kompressionsphase in Ottomotoren führt, ohne dass bis dahin von dem Zündsystem ein Zündfunke erzeugt wurde. Insbesondere bei aufgeladenen hochverdichtenden Ottomotoren tritt dieses Problem auf. Die durch die Vorentflammung bedingten Anstiege der Temperatur und des Druckes werden durch die noch nicht abgeschlossene Verdichtung in dem Brennraum verstärkt. Extreme Temperatur- und Druckwerte im Brennraum sind die Folge, die letztendlich zur Zerstörung von Motorbauteilen führen können.
Die WO 00/37796 A1 beschreibt eine Vorentflammungs-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Vorentflammung und eine Einstelleinrichtung zur Unterdrückung einer erfassten Vorentlammung durch Verstellung der Motorparameter. Die Erfassung der Vorentlammung kann über Ionenstromerfassung, durch Druckerfassung im Brennraum, durch Auswertung von Licht- und/oder Temperatursignalen im Brennraum erfolgen. Zur Verhinderung der Vorentflammung wird der Zündzeitpunkt und/oder das Kraftstoff-/Luft-Mischungsverhältnis verändert.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Vorentlammung erst bei einem tatsächlich eintretenden Ereignis detektiert werden kann, so dass die Vorentlammung nur in den darauf folgenden Arbeitszyklen verhindert werden kann. Eine Zerstörung des Motors kann dadurch nicht sicher verhindert werden und bleibende Motorschäden durch die schon eingetretene Vorentflammung können nicht ausgeschlossen werden.
Die DE 10 2006 015 662 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung von Schädigungen einer Brennkraftmaschine durch Extremklopfer oder Vorentflammungen. Die ses erfolgt dadurch, dass eine Extremwertüberwachung aktiviert wird, wenn eine Lasterfassungsgröße, z. B. ein Luftmassenstrom, einen festgelegten Grenzwert übersteigt. Die aktivierte Extremwertüberwachung löst eine Zylinderabschaltung aus, wenn die aktuellen zylinderindividuellen Signale des Zylinders vorgebbare Bedingungen für einen Extremwert erfüllen.
Nachteilig ist, dass auch bei diesen Verfahren nur auf die nachfolgenden Verbrennungszyklen reagiert werden kann. Außerdem entsteht durch die plötzliche Abschaltung einzelner Zylinder bei dem Fahrer ein Fahrverhaltenseindruck, der das Gefühl eines Motor-Elektrikdefekts vermittelt.
Die EP 0747590 B1 beinhaltet ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsablaufes bei einem Otto-Verbrennungsmotor, bei dem die Stellgrößen der Verbrennung für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom erfassten Verbrennungsverlauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus festgelegt werden. Dabei wird die Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszyklus mit Hilfe von in einem vorangegangenen Arbeitszyklus erfassten Werten zugehöriger Einflussfaktoren im Voraus berechnet, die Ist-Durchbrennfunktion des jeweiligen Arbeitszyklus in Echtzeit ermittelt und die Soll- mit der Ist-Durchbrennfunktion verglichen um daraus aktualisierte Werte für die Durchbrennfunktion-Einflussfaktoren zu gewinnen, um diese der Bestimmung der Stellgrößenwerte für einen nachfolgenden Arbeitszyklus zugrunde zu legen. Als Stellgrößen werden der Zündzeitpunkt, der Drosselklappenwinkel, der Einspritzbeginn und das Einspritzende verändert.
Eine Regelung des Brennverfahrens hinsichtlich der Verhinderung einer Vorentflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinderraum ist aus dieser Schrift nicht zu entnehmen.
In dem Artikel „Brennraumdruckbasierte Extremwertregelung der Verbrennungsschwerpunktlage von Benzin-direkteinspritzenden Ottomotoren” in: Tagungsband zur AUTOREG 2008, VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, Baden-Baden, 12.02.2008 wird eine brennraumdruckbasierte Extremwertregelung der Verbrennungsschwerpunktlage von Benzin-direkteinspritzenden Ottomotoren beschrieben. Diese erfolgt mittels einer Online-Optimierung des indizierten Mitteldrucks, wobei zur Optimierung eine Parameterschätzung auf der Basis einer drehmomentneutralen Vertrimmung der einzelnen Zylinder eingesetzt wird. Dadurch kann die optimale Verbrennungsschwerpunktlage bzw. der optimale Zündwinkel bei einem maximal indizierten Mitteldruck geschätzt werden. Über die Brennraumdruckwerte erfolgt die Regelung der Verbrennung. Eine Ermittlung der Vorentflammung wird in diesem Artikel nicht beschrieben.
In den Schriften DE 10 2004 0044 690 B4 und JP 2002339780 A werden Möglichkeiten zur Vorentflammungserkennung durch Extremwertüberwachung oder Ionenstromerfassung und deren Maßnahmen zur Verhinderung der Vorentflammung beschrieben. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass die Vorentflammung erst bei einem tatsächlich eintretenden Ereignis detektiert werden kann, so dass die Vorentflammung nur in den darauf folgenden Arbeitszyklen verhindert werden kann, oder dass die Grenzwerte für eine mögliche Vorentflammung so niedrig angesetzt werden, dass die zu erzielenden Vorteile eines aufgeladen hochverdichtenden Ottomotors wieder aufgehoben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis zu schaffen, mit der eine Vorentflammung bereits vor dem Entstehen weitestgehend verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen und mit hohem Verdichtungsverhältnis arbeitenden Brennkraftmaschine wird für die jeweiligen Arbeitszylinder der aktuelle Zylinderinnendruck gemessen oder ermittelt. Dabei wird der Zylinderinnendruck anhand des erfassten Winkelgeschwindigkeitsverlaufes der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder mittels Drucksensoren ermittelt. Aus dem im aktuellen Arbeitszyklus ermittelten Zylinderinnendruck wird die Verbrennungsschwerpunktlage des jeweiligen Zylinders ermittelt, aus der für den nachfolgenden Arbeitszyklus die zu erwartende Vorentflammungsneigung errechnet wird. Die zu erwartende Vorentflammungsneigung ist direkt abhängig von der im Zylinder eingeschlossenen Ladungstemperatur, die wiederum von der Temperatur des Restgases des vorausgegangenen Zyklus beeinflusst wird. Dabei wird bei einer Ermittlung einer Überschreitung einer applizierten Winkelschwelle für die Verbrennungsschwerpunktlage im aktuellen Arbeitszyklus von einer signifikanten Temperaturerhöhung ausgegangen. Dieses bedingt, dass für die nachfolgende aktuelle Arbeitsphase eine zusätzliche Kraftstoffmehrmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Infolge der höheren Kraftstoffzufuhr steigt die Verdampfungsenthalpie, wodurch das im Brennraum eingeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch sich abgekühlt und die Brennraumtemperatur zum Zeitpunkt „Einlass schließt” gesenkt wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine Vorentflammung bereits vor dem Entstehen ermittelt und erkannt werden kann und somit rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung der Vorentflammung eingeleitet werden können. Damit ist es möglich, Vorentflammungen weitestgehend zu verhindern und Motorschäden aufgrund der unkontrollierten Verbrennung zu vermeiden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass durch die Erkennung und Unterdrückung bzw. Verhinderung von Vorentflammungen der Aufladegrad der ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine wesentlich erhöht werden kann. Die Erhöhung der Aufladung ermöglicht gleichzeitig eine weitere Nutzung der Kraftstoffeinsparpotentiale. Durch die erfindungsgemäße Lösung sind auch keine zusätzlichen Messsysteme zur Erfassung der Vorentflammung notwendig.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher beschrieben.
Es wurde festgestellt, dass der jeweilige einer Vorentflammung vorhergehende Verbrennungszyklus auffällige, messtechnisch verwertbare Eigenschaften aufweist. Die Basis für Vorentflammungen sind dabei zyklisch hohe Temperaturen der Zylinderladung, die durch verschleppte Verbrennungen des vorhergehenden Zyklus entstehen können. Durch verspätete Verbrennungslagen kommt es zu hohen Abgastemperaturen, was zu einer Prozesstemperaturerhöhung im Folgezyklus führt. Beim Überschreiten einer Grenztemperatur kommt es gegen Ende der Kompression zur Vorentflammung. Die singulär späte Verbrennungsschwerpunktlage eines einzelnen Zylinders dient als Merkmal für die Erkennung einer Vorentflammung. Sie erzeugt eine Abweichung vom ottomotorisch typischen Winkelgeschwindigkeits-Zeit-Verlauf der Kurbelwelle. Die Winkelgeschwindigkeit wird in den heutigen Motorregelungskonzepten bereits mittels des Kurbelwellengeberrades bestimmt. Lediglich die Auswertung erfolgt in dem hier vorgestellten Verfahren mit höherer Auflösung, so dass je Kurbelwellenumdrehung 36 oder mehr Zeitinformationen vorliegen.
Aus dem für den jeweiligen aktuellen Arbeitszyklus erfassten Winkelgeschwindigkeitsverlauf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine wird ein zugehöriger Zylinderinnendruck ermittelt. Die Ermittlung des Zylinderinnendrucks anhand des erfassten Winkelgeschwindigkeitsverlaufs der Kurbelwelle erfolgt dabei vorzugsweise gemäß dem in der DE 10 2006 053 255 B3 beschriebenen Verfahren. Es ist auch denkbar, den Zylinderinnendruck durch andere bekannte Verfahren zu ermitteln oder durch Drucksensoren zu messen. Für den jeweiligen aktuellen Arbeitszyklus wird anhand des ermittelten Zylinderinnendrucks die jeweilige Verbrennungsschwerpunktlage für jeden Zylinder ermittelt. Aus der aktuellen Verbrennungsschwerpunktlage wird für den nachfolgenden Arbeitszyklus die zu erwartende Vorentflammungsneigung ermittelt. Bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Winkelschwelle der Verbrennungsschwerpunktlage im aktuellen Arbeitszyklus wird über das Motorsteuergerät des Fahrzeuges das Kraftstoff-Luft-Gemisch so eingestellt, dass bei der nachfolgen den Arbeitsphase eine Vorentflammung vermieden wird. Dieses wird dadurch erreicht, dass in der dann aktuellen Arbeitsphase eine zusätzliche Kraftstoffmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Dabei wird die Kraftstoffmenge derart erhöht, dass die Brennraumtemperatur gesenkt und die Winkelschwelle der Verbrennungsschwerpunktlage unterhalb der vorgegebenen Grenze liegt. Die vorgegebenen Grenzwerte und die jeweilige zusätzliche Kraftstoffmenge, die bei einer Überschreitung des Grenzwertes dem Brennraum zugeführt wird, sind dabei in Abhängigkeit von dem jeweiligen Überschreitungsgrad als applizierte Werte im Motorsteuergerät hinterlegt.
Wenn nach erfolgter zusätzlicher Kraftstoffzuführung in den Brennraum zur Vermeidung einer Vorentflammung für den nächsten Arbeitszyklus eine weitere Überschreitung des Grenzwertes der Winkelschwelle der Verbrennungsschwerpunktlage ermittelt wird, wird nochmals in der aktuellen Arbeitsphase eine zusätzliche Kraftstoffmenge dem Brennraum zugeführt. Wenn im nachfolgenden Arbeitszyklus keine Überschreitung des Grenzwertes der Winkelschwelle ermittelt wird, erfolgt eine Kraftstoff-Luftzuführung entsprechend den Leistungsanforderungen an den Motor mittels der im Motorsteuergerät abgelegten Kennwerte.

Claims

Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis bzw. mit Aufladung, bei dem für den jeweiligen aktuellen Arbeitszyklus anhand des erfassten Winkelgeschwindigkeitsverlaufs der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein zugehöriger Zylinderinnendruck und daraus eine Verbrennungsschwerpunktlage des jeweiligen Zylinders ermittelt wird, aus der für den nachfolgenden Arbeitszyklus die zu erwartende Vorentflammungsneigung errechnet und bei Ermittlung einer Überschreitung einer applizierbaren Winkelschwelle der Verbrennungsscherpunktlage für diesen vorhergehenden Arbeitszyklus in der aktuellen Arbeitsphase eine zusätzliche Kraftstoffmehrmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderinnendruck durch Drucksensoren ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Menge der Kraftstoffzufuhr mittels eines im Motorsteuergerät applizierten Anfettungsfaktors entsprechend der vorbestimmten Überschreitung der Winkelschwelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Winkelgeschwindigkeitsverlaufes 36 oder mehr Zeitinformationen pro Kurbelwellenumdrehung zugrunde gelegt werden.