DE102009001289B4

DE102009001289B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Beurteilung der Verbrennungsgüte

Info

Publication number: DE102009001289B4
Application number: DE102009001289.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Arndt; Charles Tumelaire; Katie Vantine
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2023-08-31
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: DE102009001289A1

Abstract

Verfahren zur Beurteilung der Verbrennungsgüte in einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort des Maximums des mittels eines Klopfsensors für einen bestimmten Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals (2), nämlich der Kurbelwellenwinkel, bei dem das Maximum auftritt, mit dem Ort des Maximums des mittels des oder eines Klopfsensors für einen anderen Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der Verbrennungsgüte in einem Verbrennungsmotor, insbesondere zur Anpassung von Verbrennungsparametern an geänderte Betriebsbedingungen.
Konventionelle Kraftstoffeinspritzregelsysteme arbeiten grundsätzlich mit offenem Regelkreis, d. h. der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzpulsbreite werden mittels fest vorgegebener Tabellenspeicher ermittelt, die in der Motorsteuereinheit gespeichert sind. Derartige Systeme ermöglichen zwar eine sehr schnelle Regelung, sind aber nicht sehr robust gegen Änderungen von Motorkenngrößen, da die angewandte Regelung im Falle von möglichen Störungen nicht korrigiert werden kann. Ein einfaches Beispiel ist der Fall, dass sich die Strömungseigenschaften von Einspritzdüsen eines Dieselmotors infolge von Verschleiß ändern. In einem derartigen Falle versorgt die benutzte Einspritzpulsbreite den Motor nicht mit der gewünschten Kraftstoffmenge. Eine Folge davon können erhöhte Motoremissionen, erhöhter Kraftstoffverbrauch und erhöhte Geräuschbildung sein. Ein anderes Beispiel ist die Änderung der Kraftstoffsorte selbst: In manchen Ländern gibt es große Schwankungen der Kraftstoffgüte (Oktan- oder Cetanzahl), und die Vielfalt der Kraftstoffsorten wird durch länderabhängig vorgeschriebene und sich oft ändernde Beimischungen von Biokraftstoff zu dem aus Mineralöl gewonnenen Kraftstoff noch vergrößert.
Die DE 10 2004 031 239 A1 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem der Zeitpunkt und damit der Kurbelwellenwinkel der maximalen Intensität des Verbrennungsgeräusches bestimmt und daraus der Verbrennungsschwerpunkt ermittelt wird, um eine zylinderindividuelle Regelung des Verbrennungsschwerpunktes durch Verstellung des Ansteuerstartwinkels des Einspritzventils zu ermöglichen. Damit wird eine Verbrennungsregelung mit geschlossenem Regelkreis bereitgestellt, um irgendwelche ungünstigen Auswirkungen aufgrund von Verschleiß von Motorkomponenten, schwankender Kraftstoffqualität od. dgl. zu kompensieren, ohne z. B. Zylinderinnendruckmessungen mittels aufwändiger Zylinderinnendrucksensoren durchführen zu müssen.
Die im Rahmen der Erfindung mögliche, an sich bekannte Nutzung von Klopfsensoren ist zu unterscheiden von einer konventionellen Klopfregelung in einem Verbrennungsmotor, bei der nur die Größe des Maximums des Klopfsensorsignals berücksichtigt wird. Klopfsensoren sind Körperschallsensoren, deren Signal auf die für das Klopfen typischen hochfrequenten Schwingungsanteile untersucht wird. Klopfsensoren nehmen Motorschwingungen bzw. Vibrationen von Verbrennungsmotoren auf und senden diese als Eingangssignale in Form von elektrischer Spannung an das Motorsteuergerät, das diese mit vorgegebenen Werten vergleicht. Registriert der Klopfsensor ein Klopfen des Motors, wird der Zündzeitpunkt automatisch nach spät verstellt, bis keinerlei Klopfgeräusche mehr festgestellt werden. Danach wird der Zündzeitpunkt wieder schrittweise nach früh verstellt, bis wieder Klopfen registriert wird. Der Motor wird durch diese Regelung permanent in der Nähe der so genannten Klopfgrenze gehalten. So werden eine möglichst hohe Leistungsausbeute und damit eine optimale Betriebsweise des Motors bezüglich des Wirkungsgrades erreicht. Bis zu einem gewissen Grade können auf diese Weise auch Schwankungen in der Kraftstoffqualität ausgeglichen werden.
Aus der EP 0 273 601 B1 ist es bekannt, einen Klopfcharakteristikwert als Steigung (Änderungsmaß) des Klopfsensorsignals zu bestimmen. Der Ort des Maximums des Klopfsensorsignals spielt hier keine Rolle.
Aus der DE 601 14 713 T2 ist eine Selbstzündungs-Verbrennungsregelung bekannt, bei der eine Untergrenze für den Verbrennungszeitpunkt in Abhängigkeit vom Klopfniveau erhöht wird.
Der Ort des maximalen Verbrennungsgeräusches, d. h. der Ort des Maximums des mittels eines Klopfsensors für einen bestimmten Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals, ändert sich zwar in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors, doch existiert für jeden Arbeitspunkt ein optimaler Ort des Maximums des Klopfsignals, der von den jeweiligen Betriebsbedingungen unabhängig ist und auch bei geänderten Betriebsbedingungen eingehalten werden sollte.
Es kann ermittelt werden, ob sich die Verbrennung verändert hat, indem der Ort des Maximums des mittels eines Klopfsensors für einen bestimmten Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals mit einem gespeicherten optimalen Ort des Maximums verglichen wird.
Vorzugsweise wird der Ort des Maximums des Klopfsignals für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors und für eine Vielzahl von Arbeitspunkten, die der Verbrennungsmotor im Betrieb durchläuft, mehrfach ermittelt, und es wird jeweils ein Mittelwert gebildet, der mit dem für den jeweiligen Arbeitspunkt gespeicherten optimalen Ort des Maximums verglichen wird. So kann der Ort des maximalen Verbrennungsgeräusches z. B. mit der Drehzahl und der Last des Motors korreliert sein. Aber es können durchaus auch andere und weitere Abhängigkeiten einfließen.
Der Ort des Maximums des Klopfsignals kann in Bezug auf den auf konventionelle Art und Weise festgelegten Einspritzbeginn ermittelt werden, da dies irgendwelche Geräusche aus anderen Quellen als der Verbrennung wie z. B. dem Schließen der Einspritzdüsen eliminiert.
Wenn irgendeine Abweichung des gemessenen vom gespeicherten Ort des Maximums des Klopfsignals - z. B. aufgrund von Verschleiß oder einer anderen Kraftstoffsorte - festgestellt wird, kann der Einspritzbeginn neu justiert werden, so dass die Abweichung minimal wird. Dies kann für jeden Zylinder individuell durchgeführt werden.
Die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die in Klopfsensorsignalen enthaltenen Informationen noch besser auszunutzen.
Gemäß der Erfindung wird alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Prozeduren der Ort des Maximums des mittels eines Klopfsensors für einen bestimmten Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals mit dem mittels des oder eines Klopfsensors für einen anderen Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignal verglichen, und auf Basis dieser Vergleiche können die in verschiedenen Zylindern stattfindenden Verbrennungsprozesse aneinander angeglichen werden.
Das Verfahren kann mit einem einzigen Klopfsensor durchgeführt werden, da die Klopfsignale für die einzelnen Zylinder voneinander unterschieden werden können. Alternativ kann man mehrere Klopfsensoren vorsehen, z. B. für jeden Zylinder einen.
Der Motor kann über seine Lebensdauer robuster gegenüber geänderten Betriebsbedingungen gemacht werden, da die Rückkoppelungsgröße eine geeignete Nachjustierung von Verbrennungsparametern ermöglicht. Die Robustheit resultiert insbesondere auch daraus, dass Klopfsensoren praktisch verschleißfrei sind, so dass sich ihre Meßcharakteristika auch im Langzeitgebrauch nicht ändern. Außerdem sind Klopfsensoren kostengünstig und in der Regel bereits vorhanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine geringe Komplexität aus, weshalb die Rechenbelastung der elektronischen Steuereinheit des Motors gering ist. Da eine zusätzliche adaptive Regelung nicht nur keine zusätzliche Hardware, sondern auch keine aufwendige Software-Neuerstellung erfordert, kann diese besonders leicht implementiert werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine prinzipiell bekannte Technik, die in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz kommen kann, wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 Graphen des Klopfsensorsignals für drei verschiedene Motordrehzahlen bei konstanter Last;
2 Graphen des Klopfsensorsignals für drei verschiedene Motorlasten bei konstanter Motordrehzahl und die damit verknüpften Verschiebungen des Einspritzbeginns;
3 ein dreidimensionales Diagramm der Differenz zwischen dem Zeitpunkt des optimalem Klopfsensorsignals und dem Einspritzbeginn; und
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für eine automatische Anpassung des Einspritzbeginns an geänderte Betriebsbedingungen.

1 zeigt die Amplituden des an einem Dreizylindermotor gemessenen Klopfsensorsignals für drei verschiedene Motordrehzahlen über die Nummern der aufgezeichneten Abtastwerte. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung für verschiedenste Motortypen mit unterschiedlichen Zylinderzahlen implementierbar. Die Abtastwerte werden für feste Kurbelwellenpositionen aufgezeichnet (z. B. alle x Grad des Kurbelwellenwinkels). Der Auslöser für den Start dieser Klopfsignale ist eine feste Position der Kurbelwelle. Die resultierenden Amplituden des Klopfsignals zeigen das Einspritzgeräusch als ersten Peak, während der jeweils zweite Peak vom Verbrennungsgeräusch herrührt.
Für jede Motordrehzahl gibt es drei Klopfsignale, die von drei verschiedenen Zylindern herrühren. Für jeden Zylinder wird das Klopfsignal als Mittelwert über 32 Verbrennungszyklen erzeugt. Da die Auslösepunkte für den Start der Klopfsignale an festen Positionen der Kurbelwelle liegen (für jeden Zylinder verschoben), können die resultierenden Messwerte in Bezug auf den Start der Klopfsignale als Bezugsgröße aufgetragen werden.
Dies ermöglicht es, den Einspritz- und Verbrennungsprozess für jeden Zylinder zu untersuchen, und erlaubt es, Unterschiede in der Verbrennung jedes einzelnen Zylinders zu detektieren.
Die in 1 erkennbare Ähnlichkeit der Klopfsignale für drei verschiedene Zylinder bei gleicher Drehzahl (z. B. die geringe Abweichung dieser Klopfsignale voneinander) zeigt ein fast identisches Verhalten der drei Zylinder. Daher kann man diese Daten verwenden, um Zylinder, die unterschiedliches Verbrennungsverhalten zeigen, aneinander anzugleichen und/oder um Schwankungen der Kraftstoffgüte festzustellen, die den Verbrennungsprozess und daher das mit dem Klopfsensor gemessene Geräusch verändern.
Wie man aus 1 erkennt, verschiebt sich das Maximum des Klopfsignals nach hinten, wenn die Drehzahl größer wird.
Dies ist auch das Ergebnis von Versuchsplanung und einer Regressionsanalyse, welche benutzt wird, um die Transferfunktion von bekannten Eingangsgrößen zu dem erwarteten Ort des Maximums des Klopfsignals (d. h. des Maximums seiner Amplitude) zu erzeugen.

2 zeigt das Klopfsignal für drei verschiedene Motorlasten (niedrig, mittel und hoch) und die damit verknüpften Verschiebungen des Einspritzbeginns (SOI, Start of Injection) über den Kurbelwellenwinkel [°]. Die Signale in 2 sind Mittelwerte der Klopfsensoramplituden, gebildet über 32 Verbrennungszyklen und drei Zylinder.

Die Maxima liegen bei:	niedr. Last 7°	mitt. Last 5,9°	hohe Last 6°
Der den Messungen zugrunde liegende Einspritzbeginn ist:	Min. = -3,75°	Mitt. = -4,95°	Max. = -5,25°
Die Differenz ist:	Min. = 10,75°	Mitt. = 10,85°	Max. = 11,25°

Der Unterschied in der Last und dem resultierenden Einspritzbeginn führt zu unterschiedlichen Maxima und zu Unterschieden in der Distanz zwischen dem Ort der Maxima und dem Einspritzbeginn.
Dem Fachmann ist klar, wie man eine explizite Berechnung durchführt, um die Transferfunktion von Last zu Unterschied zwischen dem Einspritzbeginn und dem Ort des Maximums der Amplitude des Klopfsensorsignals zu ermitteln.
Der Ort des maximalen Verbrennungsgeräusches kann dann mit bestimmten Arbeitspunktkenngrößen des Motors korreliert und zum Beispiel in Form einer Karte oder Funktion in der Motorsteuereinheit (ECU) gespeichert und nachfolgend zur Online-Korrektur benutzt werden.
Als Beispiel hierfür zeigt 3 ein dreidimensionales Diagramm, in dem der Ort des maximalen Verbrennungsgeräusches mit der Drehzahl und der Last korreliert ist. Man kann eine solche Korrelation aber auch in Bezug auf andere Arbeitspunktkenngrößen des Motors durchführen.
Insbesondere zeigt 3 die mittels der Regressionsanalyse berechnete Differenz zwischen dem Einspritzbeginn und dem Zeitpunkt des optimalem Klopfsensorsignals, welche die Transferfunktion von Drehzahl und Last zu der resultierenden Differenz zwischen dem Einspritzbeginn und dem Zeitpunkt des Maximums der Amplitude des Klopfsensorsignals darstellt.
Weiterhin kann ein einzelner Arbeitspunkt als Bezugsgröße verwendet werden. Es können auch mehrere Arbeitspunkte als Bezugsgrößen verwendet werden, wodurch die Möglichkeiten erweitert werden, die Verbrennung bewerten zu können. Um das Verhältnis von Signal zu Rauschen zu verbessern, kann man auch intrusive Aktionen anwenden, wie z. B. das Abschalten der Abgasrückführung oder eine Verminderung der Zahl der Einspritzungen.
Ein Beispiel für eine Realisierung mit Drehzahl und Kraftstoffmenge als Bezugsgrö-ßen ist in 4 gezeigt. In dem in 4 gezeigten Flussdiagramm eines Prozesses zur automatischen Anpassung des Einspritzbeginns an geänderte Betriebsbedingungen wird in einem Block 1 anhand der Messgrößen Einspritzbeginn (SOI), Drehzahl (Upm), Kurbelwellenwinkel und Kraftstoffmenge das Zeitfenster für das Klopfsensorsignal in jedem Zylinder ermittelt. In einem Block 2 wird dann der Ort des Maximums des Verbrennungsgeräusches ermittelt. In einem Block 3 wird der den genannten Messgrößen als Arbeitspunktkenngrößen entsprechende optimale Ort des Maximums des Verbrennungsgeräusches, der z. B. in Form einer Karte oder Funktion ähnlich wie in 3 in einem Speicher der elektronischen Steuereinheit des Motors gespeichert ist, ausgelesen und von dem im Block 2 ermittelten realen (gemessenen) Ort des Maximums des Verbrennungsgeräusches subtrahiert. Das Subtraktionsergebnis wird in einem Block 4 verwendet, um den Einspritzbeginn für jeden Zylinder individuell anzupassen.

Claims

Verfahren zur Beurteilung der Verbrennungsgüte in einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort des Maximums des mittels eines Klopfsensors für einen bestimmten Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals (2), nämlich der Kurbelwellenwinkel, bei dem das Maximum auftritt, mit dem Ort des Maximums des mittels des oder eines Klopfsensors für einen anderen Zylinder des Verbrennungsmotors gemessenen Klopfsignals verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort des Maximums des Klopfsignals (2) auch mit einem gespeicherten optimalen Ort des Maximums des Klopfsignals (3) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort des Maximums des Klopfsignals für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors und für eine Vielzahl von Arbeitspunkten, die der Verbrennungsmotor im Betrieb durchläuft, mehrfach ermittelt wird und dass daraus jeweils ein Mittelwert gebildet wird, der mit dem für den jeweiligen Arbeitspunkt gespeicherten optimalen Ort des Maximums verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Regelkreis vorgesehen ist, der einen Verbrennungsparameter verändert, wenn es irgendeine Abweichung des gemessenen vom gespeicherten Ort des Maximums des Klopfsignals gibt, bis die Abweichung möglichst klein ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort des maximalen Verbrennungsgeräusches mit der Drehzahl und der Last des Motors korreliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Verbrennungsmotor mit Kraftstoffeinspritzung ist und dass die Verschiebung des Maximums des Klopfsignals vom Einspritzbeginn an ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Regelkreis (1, 2, 3, 4) vorgesehen ist, der den Einspritzbeginn verändert, wenn es eine Abweichung des gemessenen vom gespeicherten Ort des Maximums des Klopfsignals gibt, bis die Abweichung möglichst klein ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung ist.
Vorrichtung zur Beurteilung der Verbrennungsgüte in einem Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass diese dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.