DE102008061788A1

DE102008061788A1 - Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine zur Diagnose eines Verbrennungsparameters

Info

Publication number: DE102008061788A1
Application number: DE200810061788
Authority: DE
Inventors: Andreas Rodewald; Timo Averbeck; Florian Dr. Preuss; Stefan Rüth; Martin Dr. Schenk; Marc Fessler; Josef Holzmann; Franz Zellinger; Martin Ludwig Dr. Zitzmann; Markus Maerkl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist und die Zünddauer beliebig einstellbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Diagnose eines die Verbrennung beeinflussenden Verbrennungsparameters eine elektrische Messgröße des Corona-Zündsystems ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist und die Zünddauer beliebig einstellbar ist.
Derzeit gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei Teillast bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen. Entdrosselte ottomotorische Schichtbrennverfahren zeigen dabei ein großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung. Dabei wird im Schichtbrennverfahren bzw. Magerbetrieb die Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder erst kurz vor dem Zündzeitpunkt vorgenommen, so dass sich zum Zeitpunkt der Zündung trotz einer sehr geringen Menge an eingespritztem Kraftstoff ein zündfähiges Verbrennungsgemisch um die Zündkerze bildet. Da bei einer Entzündung des Verbrennungsgemisches mittels eines konventionellen Zündkerzen-Zündsystems die Entzündung durch einen Zündfunken, der sich zwischen der Elektrode und der Masse der Zündkerze ausbreitet, eingeleitet wird, muss die Zündkerze bei sehr kraftstoffarmen Verbrennungsgemischen zum richtigen Zeitpunkt und ggf. mit einer längeren Zünddauer gezündet werden. Die Zünddauer bei Zündkerzen-Zündsystemen ist jedoch aufgrund der notwendigen Energie zum Erzeugen des Zündfunken nur in engen Grenzen beeinflussbar. Somit kann es unter Umständen zu sog. Zündaussetzern kommen.
Neben den herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen werden derzeit neuartige Zündsysteme – sog. Corona-Zündsysteme entwickelt, bei denen das Verbrennungsgemisch nicht über einen Zündfunken, sondern durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas entflammt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündsystemen wir kein leitfähiger Ionenkanal von der Elektrode bis zur Masse erzeugt, man spricht auch von einem sogenannten unvollständigen Funkendurchbruch. Bei derartigen Corona-Zündsystemen wird bspw. über eine Tesla-Spule, die über eine Hochfrequenz-Wechselspannung in Resonanz versetzt wird, an der Elektrode im Brennraum eine sehr hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer Feldstärke werden an mehreren Stellen Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert. Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht wird. Aufgrund des erzeugten sogenannten nicht-thermischen Plasmas, welches weit in den Brennraum hineinragt, lässt sich die Brenndauer deutlich verkürzen. Dieser Verbrennungsprozess ist thermodynamisch dem einer herkömmlichen Zündkerzen-Verbrennung deutlich überlegen. Ein Beispiel eines solchen Corona-Zündsystems ist aus der DE 10 2006 005 792 A1 bekannt.
Vor dem Hintergrund eines stabilen Brennverlaufs, einer notwendigen Emissionsreduzierung und einer guten Akustik bei der Verbrennung ist eine Diag nose der Verbrennung notwendig. Insbesondere ist dabei eine Diagnose hinsichtlich des Starts der Verbrennung, von Zündaussetzern, der Entflammungs- bzw. Verbrennungsgeschwindigkeit, der Verbrennungs-Schwerpunktlage oder anderer den Verbrennungsablauf beeinflussender Parameter (z. B. Zylinderinnendruck, Lambda) notwendig, um einen einwandfreien Betrieb der Brennkraftmaschine sicherstellen zu können.
Bei herkömmlichen Systemen wird die Qualität der Verbrennung über den Brennspannungsverlauf und/oder die Funkenbrenndauer bestimmt. Zur Diagnose von Zündaussetzern werden spezielle Sensoren (z. B. Kurbelwellensensoren) herangezogen, die die Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors auswerten. Zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das als Verbrennungsparameter einen wesentlichen Einfluss auf die Verbrennung hat, werden ebenfalls Sensoren verwendet. Eine Diagnose der Verbrennungsgeschwindigkeit ist bei herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen nicht möglich.
Hinsichtlich der Diagnosefähigkeit vom Verbrennungsmotoren mit Corona-Zündsystemen ist aus der DE 102 39 411 B4 bekannt, zur Diagnose der Flammengröße eine vom Plasma im Verbrennungsgemisch abhängige physikalische Größe auszuwerten und gleichzeitig eine Einstellbarkeit der Flammengröße zu ermöglichen. Eine detaillierte Vorgehensweise hinsichtlich der Diagnose mittels der physikalischen Größen wird nicht beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Diagnose des Verbrennungsverlaufs einer Otto-Brennkraftmaschine beim Einsatz eines Corona-Zündsystems, insbesondere zur Diagnose eines die Verbrennung beeinflussenden Verbrennungsparameters anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für eine Otto-Brennkraftmaschine, insbesondere für eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der Kraftstoff direkt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird. Um das Verbrennungsgemisch entzünden zu können, muss ein Zündsystem vorgesehen sein, welches in Abhängigkeit vom ermittelten optimalen Zündzeitpunkt die Zündung des Verbrennungsgemisches veranlasst. Da herkömmliche Zündkerzen-Zündsystemen nur einen sehr kleinen Bereich entflammen können und somit die Verbrennung relativ langsam erfolgt, ist das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet. Dabei wird zum Entflammen des Verbrennungsgemisches am Ignitor bzw. an der Elektrode im Brennraum aufgrund einer Hochfrequenz-Wechselspannung eine derart hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum hervorruft. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer Feldstärke werden Elektronen aus den Molekülen herausgeschleudert, d. h. es wird ein unvollständiger Funkendurchbruch (Corona) erzeugt, in welchem Elektronen aus den Atom- bzw. Molekülrümpfen herausgerissen oder -gestoßen werden. Hierdurch wird jedoch kein vollständiger, leitfähiger Ionenkanal von der Hochfrequenz-/-Hochspannungselektrode bis auf die Masse erzeugt. Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht wird. Bei geeigneter Wahl der Frequenz ist der Verbrennungsprozess thermodynamisch deutlich besser als bei einer herkömmlichen Zündkerze.
Grundgedanke der Erfindung ist es, bei der Verwendung eines Zündsystems auf Basis einer Corona-Entladung durch Messen und Analysieren der physikalisch-elektrischen Effekte bzw. von elektrischen Messgrößen oder Stellgrößen des Corona-Zündsystems den Zustand und die Qualität der Verbren nung zu diagnostizieren. Die Auswertung der elektrischen Messgrößen, insbesondere unter Berücksichtigung eines charakteristischen Verlaufs der Messgröße liefert Erkenntnisse über den Zustand und/oder die Qualität der Verbrennung. Mittels einer vordefinierten Regelstrategie wird anschließend unter Berücksichtigung der Diagnoseergebnisse das Corona-Zündsystem auf eine optimale Corona-Ausbildung zu einem optimalen Zündzeitpunkt geregelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer derart ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine mit einem Corona-Zündsystem zeichnet sich dadurch aus, dass zur Diagnose eines die Verbrennung beeinflussenden Verbrennungsparameters, der unabhängig von der Ansteuerung des Corona-Zündsystems einstellt bzw. ausgebildet wird, eine elektrische Messgröße (punktuell oder zeitlicher Verlauf) und/oder Stellgröße des Corona-Zündsystems, insbesondere ein den Verbrennungsverlauf darstellender Zündparameter des Corona-Zündsystems ausgewertet wird. Dieses Verfahren bzw. diese Funktion ist notwendig, um eine effektive Brennverfahren-Steuerung gewährleisten zu können. Zusätzlich können speziell dafür vorgesehene Sensoren zum Detektieren der Verbrennungsparameter entfallen.
Vorteilhafterweise werden bei der Diagnose des die Verbrennung beeinflussenden Verbrennungsparameters als elektrische Messgröße des Corona-Zündsystems die an der Primärseite des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung und/oder die an der Sekundärseite des Corona-Zündsystems anliegende Sekundärspannung und/oder der Strom an der Primärseite und/oder Sekundärseite des Corona-Zündsystems und/oder der Widerstand und/oder die Frequenz jeweils auf Primär- und Sekundärseite berücksichtigt, da jeder dieser elektrischen Messgrößen in Abhängigkeit des Verbrennungsverlaufs einen charakteristischen Verlauf hat.
Vorteilhafterweise kann als Verbrennungsparameter der Zylinderinnendruck bzw. die Dichte im Brennraum und/oder das Luft-Kraftstoffverhältnis (auch Lambda genannt) des Verbrennungsgemisches diagnostiziert werden. Insbesondere kann zur Diagnose des Zylinderinnendrucks als elektrische Messgröße des Corona-Zündsystems die an der Primärseite des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung derart berücksichtigt und ausgewertet werden, dass der Zylinderinnendruck in Abhängigkeit einer während des Zündvorgangs eingestellten oder erreichten Maximalspannung, insbesondere in Abhängigkeit der vor dem Verbrennungsstart erreichten Maximalspannung diagnostiziert wird, da der Zylinderinnendruck umso größer ist, je höher die Maximalspannung (vor dem Verbrennungsstart) ist und umgekehrt.
Analog zur Diagnose des Zylinderinnendrucks bzw. der Dichte im Brennraum kann zur Diagnose des Luft-Kraftstoffverhältnisses die an der Primärseite des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung derart ausgewertet werden, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis ebenfalls in Abhängigkeit einer während des Zündvorgangs eingestellten oder erreichten Maximalspannung, insbesondere in Abhängigkeit der vor dem Verbrennungsstart erreichten Maximalspannung diagnostiziert wird, da die Maximalspannung ein Maß für das Luft-Kraftstoffverhältnis darstellt. Auch hier gilt, dass ein hoher Lambdawert zu einem anderen Spannungsmaximum bzw. zu einer anderen Maximalspannung führt, als ein niedriges Lambda.
Neben der Diagnose des Zylinderinnendrucks und/oder des Luft-Kraftstoffverhältnisses kann eine der elektrischen Messgrößen des Corona-Zündsystems auch zur Diagnose der Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder zur Diagnose der Schwerpunktlage der Verbrennung und/oder zur Diagnose des Verbrennungsstarts ausgewertet werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die
1 verschiedene charakteristische Primärspannungsverläufe U1, U2 und U3 eines Corona-Zündsystems während einer Zündung bei verschiedenen Lastpunkten, und
2 verschiedene Primärspannungsverläufe Uch und Uza eines Corona-Zündsystems bei normaler Entflammung des Verbrennungsgemisches und bei einem Zündaussetzer.
In der 1 sind drei verschiedene an der Primärseite eines Corona-Zündsystems anliegende charakteristische Primärspannungsverläufe U1, U2 und U3 dargestellt, die sich aufgrund der physikalisch-elektrischen Effekte bei einer Verbrennung des Verbrennungsgemisches einstellen. Zum ersten Verbrennungsvorgang gehört der charakteristische Primärspannungsverlauf U1 vom Zeitpunkt 0a bis zum Zeitpunkt 4a. Analog dazu gehört zum zweiten Verbrennungsvorgang der charakteristische Primärspannungsverlauf U2 vom Zeitpunkt 0b bis zum Zeitpunkt 4b, und zum dritten Verbrennungsvorgang der charakteristische Primärspannungsverlauf U3 vom Zeitpunkt 0c bis zum Zeitpunkt 4c. Zu den Zeitpunkten 0a, 0b und 0c wird die jeweilige Primärspannung U1, U2 bzw. U3 zum Einleiten eines Zündvorgangs erhöht, wobei zu den Zeitpunkten 4a, 4b, und 4c das Ende des Zündvorgangs erreicht ist, und die jeweilige Primärspannung U1, U2 bzw. U3 (auf Null) reduziert wird.
Die verschiedenen charakteristischen Spannungsverläufe U1, U2 und U3 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Höhe der erzeugten bzw. erreichten Maximalspannung VL, TL und LL, die zum Einleiten eines Verbrennungsvorgangs durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas um die Hochspannungselektrode notwendig ist. Diese unterschiedlichen Maximalspannungen VL, TL und LL ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Lastbereiche, in denen die Brennkraftmaschine betrieben wird. So ist beim Leerlauf eine relativ kleine Maximalspannung LL zum Erzeugen des nicht-thermischen Plasmas für das Entzünden des Verbrennungsgemisches notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Maximalspannung bei Teillast bereits etwas größer zu wählen (siehe TL), und bei Volllast am höchsten, siehe VL.
Anhand der 2 wird am Beispiel des dargestellten Primärspannungsverlaufs Uch der charakteristische Verlauf einer Primärspannung des Corona-Zündsystems im Detail erläutert. Zu Beginn wird im Zeitpunkt 0 die Primärspannung Uch bis zur sog. Corona-Einsatzspannung Umax erhöht (Zeitpunkt 1), bei der sich um den Bereich des Ignitors (Hochspannungs- bzw. Hochfrequenz-Elektrode) ein nicht-thermisches Plasma bzw. eine Corona ausbildet. Beim Ausbilden der gewünschten Corona-Größe wird die Primärspannung Uch auf dem hohen Spannungsniveau Umax stabilisiert. Durch die Ausbildung der Corona nimmt der Strom zu, bis die Verbrennung des Verbrennungsgemisches zum Zeitpunkt 2 startet. Beim Start der Verbrennung steigt der Strom, der über die Corona fließt, nochmals an, und führt zu einem Abfall der Primärspannung Uch (Zeitpunkt 2). Dieser Abfall der Primärspannung Uch kann nun zur Diagnose des Verbrennungsstarts herangezogen werden. Zum Beenden des Zündvorgangs wird die Primärspannung Uch im Zeitpunkt 4 auf Null reduziert.
Im Gegensatz zum charakteristischen Verlauf der Primärspannung Uch findet bei dem ebenfalls in 2 dargestellten Primärspannungsverlauf Uza kein (spontaner) Spannungsabfall von der Maximalspannung Umax statt. Vielmehr wird erst zum Zeitpunkt 4' zum Beenden des versuchten Zündvorgangs die Primärspannung aktiv auf Null reduziert. Aufgrund des Fehlens des aufgrund des Verbrennungsstarts verursachten Spannungsabfalls um einen vorgegebenen Betrag von der Maximalspannung Umax, kann darauf geschlossen werden, dass das Verbrennungsgemisch nicht entzündet wurde. Es liegt somit ein Zündaussetzer vor.
Die Primärspannung Uch fällt beim Start der Verbrennung mit einem Spannungsabfallgradienten g um einen Betrag d ab (Zeitpunkte 3). Der Span nungsabfallgradient g und der absolute Spannungsabfall d lassen ebenfalls Rückschlusse auf den Verbrennungsablauf zu, insbesondere liefert der Spannungsabfallgradient g eine Aussage über die Verbrennungsgeschwindigkeit und kann somit zur Diagnose der Verbrennungsgeschwindigkeit herangezogen und ausgewertet werden. Die Auswertung des erreichten Spannungsmaximums Umax (Startzeitpunkt 2) und des Spannungsabfallgradienten g bzw. des absoluten Spannungsabfalls d vom hohen Spannungsniveau Umax liefert eine Aussage über die Schwerpunktlage der Verbrennung.
Schließlich kann in Abhängigkeit von der Maximalspannung Umax der Zylinderinnendruck bzw. die Dichte im Brennraum bestimmt werden und somit eine Diagnose des Zylinderinnendrucks erfolgen. Je größer die Maximalspannung Umax ist, umso höher ist der Zylinderinnendruck bzw. die Dichte im Brennraum und umgekehrt. Ebenso verhält es sich mit dem das Luft-Kraftstoffverhältnis kennzeichnenden Lambdawert, so dass zur Diagnose von Lambda ebenfalls die Primärspannung Uch, insbesondere die Maximalspannung Umax ausgewertet werden kann, da ein hoher Lambdawert zu einem anderen Spannungsmaximum Umax als ein niedriger Lambdawert führt. Hier nicht dargestellt, aber ebenfalls möglich ist eine Bestimmung des Lambdawerts über die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit.
Anstelle der Auswertung der Primärspannung können auch andere elektrische Messgrößen bzw. andere den Verbrennungsverlauf darstellende Zündparameter des Corona-Zündsystems analysiert und ausgewertet werden. Alle dargestellten Diagnosemöglichkeiten sind Grundvoraussetzung für die Eignung eines Corona-Zündsystems als Zündsystem bei stationär und instationär betriebenen Verbrennungsmotoren, da durch die Diagnosemöglichkeiten eine effektive Verbrennungseinleitung und eine schnelle Steuerung und Beeinflussung bzw. Korrektur des Verbrennungsverlaufs sichergestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006005792 A1 [0003]
- DE 10239411 B4 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird, wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist und die Zünddauer beliebig einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose eines die Verbrennung beeinflussenden Verbrennungsparameters eine elektrische Messgröße (U1, U2, U3, Uch, Uza) oder Stellgröße des Corona-Zündsystems ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Messgröße (U1, U2, U3, Uch, Uza) des Corona-Zündsystems ein den Verbrennungsverlauf darstellender Zündparameter (U1, U2, U3, Uch, Uza) des Corona-Zündsystems ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Messgröße des Corona-Zündsystems die an der Primärseite des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung (U1, U2, U3, Uch, Uza) und/oder die an der Sekundärseite des Corona-Zündsystems anliegende Sekundärspannung und/oder der Strom an der Primärseite und/oder Sekundärseite des Corona-Zündsystems und/oder der Wider stand an der Primärseite und/oder Sekundärseite des Corona-Zündsystems und/oder die Frequenz an der Primärseite und/oder Sekundärseite des Corona-Zündsystems ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das als ein die Verbrennung beeinflussender Verbrennungsparameter der Zylinderinnendruck und/oder ein das Luft-Kraftstoffverhältnis des Verbrennungsgemisches diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose des Zylinderinnendrucks als Verbrennungsparameters die an der Primärseite des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung (U1, U2, U3, Uch, Uza) derart ausgewertet wird, dass der Zylinderinnendruck in Abhängigkeit einer während des Zündvorgangs eingestellten oder erreichten Maximalspannung (Umax), insbesondere in Abhängigkeit der vor dem Verbrennungsstart erreichten Maximalspannung (Umax) diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Diagnose des Luft-Kraftstoffverhältnis als Verbrennungsparameters die an der Primärseite des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung (U1, U2, U3, Uch, Uza) derart ausgewertet wird, dass das Luft-Kraftstoffverhältnis in Abhängigkeit einer während des Zündvorgangs eingestellten oder erreichten Maximalspannung (Umax), insbesondere in Abhängigkeit der vor dem Verbrennungsstart erreichten Maximalspannung (Umax) diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Messgröße (U1, U2, U3, Uch, Uza) des Corona-Zündsystems auch zur Diagnose der Verbrennungsstarts und/oder zur Diagnose der Verbrennungsgeschwindigkeit und/oder zur Diagnose der Schwerpunktlage der Verbrennung ausgewertet wird.