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Die Erfindung betrifft irreguläre Verbrennung in einem Verbrennungsmotor, insbesondere ein Verfahren zur Vermeidung der Gefahr einer zukünftigen irregulären Verbrennung.
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Unter einer irregulären Verbrennung wird im Sinne der Anmeldung Superklopfen (auch als Extremklopfen bezeichnet) oder eine Glühzündung verstanden. Das in der Anmeldung beschriebene Verfahren kann zur Vermeidung von Superklopfen, Glühzündungen oder alternativ beidem verwendet werden.
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Bei Ottomotoren, insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren unter hoher Last oder Volllast, kommt es vereinzelt zu Klopfereignissen mit sehr hohen Druckamplituden aufgrund spontaner Vorentflammung. Diese speziellen, bisher sehr sporadisch auftretenden Klopfphänomene werden typischerweise auch als „Superklopfer“ oder „Extremklopfer“ bezeichnet. Superklopfer führen schnell zu Motorschäden. Zur Vermeidung von normalem Klopfen (d. h. nicht Superklopfen) wird typischerweise eine elektronische Anti-Klopf-Regelung verwendet, die bei Detektion von normalem Klopfen den Zündzeitpunkt in Richtung spät verschiebt, um die Klopfintensität zu verringern. Zur maximalen Ausnutzung der Verbrennungsenergie bei gleichzeitiger Vermeidung des normalen Klopfens wird der Motor vom Zündzeitpunkt her direkt an der Klopfgrenze betrieben. Bei Betrieb an der Klopfgrenze ist eine erhöhte Gefahr für Superklopfer gegeben. Deshalb ist eine Erkennung von Superklopfern und eine Reaktion durch die Motorsteuerung im Fall der Erkennung von Superklopfern sinnvoll.
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Das Phänomen Superklopfen oder Extremklopfen ist in dem Lehrbuch „Ottomotoren mit Direkteinspritzung“, R. van Bassuysen, 1. Auflage auf Seite 87 beschrieben. Die dort enthaltenen Aussagen zu Superklopfen oder Extremklopfen werden hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung aufgenommen.
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Eine weitere Möglichkeit für irreguläre Verbrennungsprozesse ist das Phänomen der sogenannten Glühzündung. Glühzündung verursacht im Allgemeinen keine typischen Klopfmerkmale. Die Verbrennung erfolgt hier unabhängig vom eigentlichen Zündimpuls und setzt hier bereits vor dem regulären Zündzeitpunkt ein. Glühzündungen führen zu sehr hohen Spitzendrucken, wodurch es nach kurzer Zeit bereits zu einem Motorschaden kommen kann. Das Phänomen der Glühzündung ist in dem Artikel „Das Phänomen Glühzündung - Ursachen, Entstehung und Vermeidung“, MTZ, Nov. 2002, Seiten 916-924 beschrieben. Die dort enthaltenen Aussagen zur Glühzündung werden hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt der Anmeldung aufgenommen.
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Die Phänomene Superklopfen und Glühzündung werden zunehmend kritischer, da die Anforderungen hinsichtlich Effizienz und Kraftstoffverbrauch steigen, wodurch Wirkungsgradverbesserungen unter anderem durch höhere Verdichtungsverhältnisse erforderlich sind. Mit den Effizienzsteigerungen nimmt das Risiko bzw. die Häufigkeit für irreguläre Verbrennungsereignisse, insbesondere Superklopfen, zu. Außerdem müssen neue Märkte mit neuen Kraftstoffen berücksichtigt werden. Hocheffiziente Motoren müssen weltweit ohne Nachteile und Einschränkungen einsetzbar sein. Superklopfen und Glühzündungen müssen also über verschiedene Kraftstoffzusammensetzungen hinweg verhindert werden.
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Werden irreguläre Verbrennungsprozesse, insbesondere Superklopfen, im Betrieb erkannt, beispielsweise durch Auswertung eines Klopfsensorsignals im Fall von Superklopfen, sollte zügig die Last reduziert werden, um Bauteilschäden zu verhindern. Bisher erfolgt für Motoren mit Kraftstoffeinspritzung bei Superklopfen die Lastrücknahme über eine Ausblendung der Einspritzung des betroffenen Zylinders für mehrere Arbeitsspiele. Da der Motor für kurze Zeit in dem betroffenen Zylinder kein Drehmoment erzeugt, ist die Einspritzausblendung insbesondere in Betriebszuständen mit höherer Lastanforderung (beispielsweise beim Beschleunigen oder bei Bergfahrt), in denen Superklopfen typischerweise auftritt, deutlich negativ im Fahrverhalten spürbar.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 015 662 A1 ist ein derartiges Verfahren zur Vermeidung von Schäden durch Superklopfen oder Glühzündung beschrieben. Bei Detektion mehrerer Superklopfer oder Glühzündungen erfolgt hier eine kurzfristige Abschaltung des betroffenen Zylinders, indem die Einspritzung für einen bestimmten Zeitraum ausgeblendet wird. Wenn weitere irreguläre Verbrennungsereignisse für diesen Zylinder detektiert werden, wird der betroffene Zylinder dauerhaft für den gesamten Fahrzyklus abgeschaltet.
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Aus der
DE 10 2004 044 690 B4 ist ein Verfahren zum Verhindern einer Frühzündung in einem Motor bekannt, umfassend die Schritte, dass zumindest eine Motorbedingung, die mit einer Selbstzündung in dem Motor in Beziehung steht, identifiziert wird; eine Zündverstellung in dem Motor nach spät durchgeführt wird, wenn die Motorbedingung einen Schwellenwert überschreitet; detektiert wird, ob eine Selbstzündung in dem Motor auf Grund der Zündverstellung nach spät auftritt; und die Motorbedingung korrigiert wird durch zumindest eines von: Verringern einer Drosselklappenöffnung, Trennen der Kraftstoffzufuhr zu einem Zylinder, Einstellen einer Nockenwellenverstellung, und Speichern eines Diagnosecodes, wenn eine Selbstzündung detektiert wird.
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Aus der
DE 10 2009 008 246 B3 und der
DE 10 2008 038102 A1 ist jeweils ein Verfahren zur Detektierung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-LuftGemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis bzw. mit Aufladung bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Vermeidung von Schäden durch irreguläre Verbrennungsprozesse anzugeben, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile ausräumt.
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Jeder der unabhängigen Ansprüche bestimmt mit seinen Merkmalen einen Gegenstand, der diese Aufgabe löst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Gefahr zukünftiger irregulären Verbrennungsereignisse, nämlich Superklopfen oder Glühzündung, in einem Verbrennungsmotor. Gemäß dem Verfahren werden - vor dem etwaigen Auftreten derartiger irregulärer Verbrennungsereignisse - ein oder mehrere Einflussfaktoren überwacht, von dem bzw. denen die Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens irregulärer Verbrennung abhängig ist. Die Faktoren haben also Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit für zukünftige Superklopfer oder Glühzündungen. Insbesondere werden ein oder mehrere Einflussfaktoren überwacht, die für die Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens von irregulären Verbrennungsereignissen maßgeblich sind. Wenn es angesichts der Überwachung geboten erscheint, werden ein oder mehrere präventive Maßnahmen zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens irregulärer Verbrennungsereignisse durchgeführt. Aufgrund der Überwachung des einen oder der mehreren Einflussfaktoren kann auch eine oder mehrere durchgeführte Maßnahme wieder zurückgenommen werden (wenn das Risiko für irreguläre Verbrennungen wieder gesunken ist).
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Die Erfindung ermöglicht es, durch das Überwachen von für das Auftreten von irregulärer Verbrennung maßgeblichen Einflussfaktoren bereits vor Auftreten etwaiger irregulärer Verbrennungsprozesse präventive Maßnahmen zur Vermeidung irregulärer Verbrennung zu ergreifen. Im Unterschied zu Verfahren aus dem Stand der Technik, bei denen erst bei Auftreten irregulärer Verbrennung Maßnahmen ergriffen werden, werden bei der Erfindung bereits präventiv Maßnahmen ergriffen.
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Mehrere Einflussfaktoren können separat überwacht werden. Alternativ kann anhand mehrerer Einflussfaktoren auch ein gemeinsamer Risikofaktor bestimmt werden, welcher das Risiko zukünftiger irregulärer Verbrennungsereignisse angibt. In diesem Fall werden die mehreren Einflussfaktoren gemeinsam durch Überwachung des Risikofaktors überwacht. Beispielsweise kann ein Risikofaktor mit einem Wertebereich zwischen 0 und +1 verwendet werden, wobei der Wert 0 das geringste Risiko und der Wert +1 das maximale Risiko angeben.
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Es werden vorzugsweise ein oder mehrere präventive Maßnahmen durchgeführt, wenn das anhand des Risikofaktors angegebene Risiko einen bestimmten Wert erreicht oder überschreitet (wenn der Risikofaktor beispielsweise größer als 0,8 ist).
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Als Einflussfaktor wird das Ablagerungsverhalten im Verbrennungsmotor, insbesondere im Brennraum, auf Kolben Ventilen, an der Zündkerze und/oder an den Einspritzventilen überwacht. Das Auftreten von Superklopfen und Glühzündungen wird nämlich durch Brennraumablagerungen gefördert, insbesondere dann, wenn sich angesammelte Ablagerungen lösen.
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Durch das Überwachen des Ablagerungsverhaltens kann so auf eine etwaig erhöhte Gefahr für das Auftreten von irregulären Verbrennungsereignissen geschlossen werden. In diesem Fall können entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
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Vorzugsweise wird das Ablagerungsverhalten mittels eines Ablagerungsmodells modelliert (beispielsweise wird dann eine Ausgabegröße eines Ablagerungsmodells überwacht). Das Ablagerungsmodel modelliert hierbei den Ablagerungsaufbau. Vorzugsweise wird neben dem Ablagerungsaufbau zusätzlich auch der Ablagerungsabbau modelliert.
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In das Ablagerungsmodell können eine oder mehrere der folgenden Faktoren, insbesondere deren zeitlicher Verlauf, eingehen:
- a) die Kraftstoffqualität Hier können die aktuelle und optional auch eine oder mehrere vergangene Tankungen berücksichtigt werden. Eine hohe Oktanzahl des Kraftstoffs bedeutet dabei eine geringe Ablagerungsneigung als im Fall einer niedrigen Oktanzahl.
- b) Betriebspunkte des Motors Die Betriebspunkte des Motors können in Form eines Drehzahl-Profils und/oder eines Last-Profils berücksichtigt werden. Hierbei gilt, dass sich Ablagerungen insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und Lasten vermehrt bilden.
- c) ein oder mehrere Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors Unter die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors können fallen:
- - das Vorliegen von gedrosseltem oder ungedrosselten Betrieb,
- - Motortemperatur (beispielsweise bewirkt ein Kaltbetrieb mehr Ablagerungen)
- - der Grad der Ventilüberschneidung,
- - die Abgasrückführrate,
- - ein oder mehrere Einspritzparameter (beispielsweise die Anzahl der Einspritzungen und die Einspritzmengenaufteilung),
- - ein oder mehrere Adaptionswerte, oder
- - ein oder mehrere Zündungsparameter (z. B. Energie und Funkenanzahl).
Die Betriebsbedingungen werden vorzugsweise statistisch ermittelt. Statistisch meint in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass nicht nur die Werte der Betriebsbedingungen ermittelt werden, sondern auch ermittelt wird, wie lange und/oder wo im Kennfeld diese Werte angelegen haben und/oder wie groß deren Anteil an der Gesamtbetriebsdauer ist (zum Beispiel w% gedrosselter Betrieb; x% ungedrosselter Betrieb; y% Volllastbetrieb, z% Leerlauf).
Die vorstehend genannten Adaptionswerte gleichen vor allem Bauteiltoleranzen und Alterungseffekte aus. Sie können aber auch ausgewertet werden, um beispielsweise auf die Kraftstoffzusammensetzung zu schließen (z.B. Ethanolgehalt). Dazu werden Adaptionswerte (und auch deren zeitl. Verlauf) in Verbindung mit weiteren Informationen (z. B. Betankungsvorgang) ausgewertet.
- d) eine oder mehrere Umgebungsbedingungen (z. B. Druck und/oder Temperatur)
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Vorzugsweise geht der Ausgabewert des Ablagerungsmodells in den vorstehend genannten Risikofaktor ein.
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Neben oder alternativ zum Ablagerungsverhalten können ein oder mehrere weitere Einflussfaktoren im Rahmen des Verfahrens überwacht werden. Diese weiteren Einflussfaktoren können insbesondere in die Bildung des Risikofaktors eingehen. Derartige weitere Einflussfaktoren, die Einfluss auf das Risiko einer zukünftigen irregulären Verbrennung haben, sind beispielsweise:
- - die Kraftstoffqualität, insbesondere der aktuellen Tankfüllung;
- - ein oder mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, insbesondere der Drehzahlverlauf, der Lastverlauf, oder der Temperaturverlauf der Umgebung und/oder des Verbrennungsmotors;
- - Fehlerspeichereinträge, beispielsweise hinsichtlich Gemischabweichung, Aussetzern, Zündkerzenproblemen;
- - die Motorlaufzeit;
- - das Motoralter; oder
- - die Zeitdauer seit dem letzten Service.
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Vorstehend wurden nur Einflussfaktoren genannt, die nicht angeben, ob bereits ein oder mehrere irreguläre Verbrennungsereignisse erfolgt sind, insbesondere wie viele irreguläre Verbrennungsereignisse erfolgt sind. Es ist jedoch auch möglich als Einflussfaktor zu berücksichtigen, ob bereits ein oder mehrere irreguläre Verbrennungsereignisse erfolgt sind, insbesondere wie viele irreguläre Verbrennungsereignisse erfolgt sind.
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Wie vorstehend bereits diskutiert, werden eine oder mehrere präventive Maßnahmen durchgeführt, wenn dies angesichts der Überwachung geboten erscheint. Mögliche präventive Maßnahmen sind:
- a) Ablagerungsreinigung Eine mögliche präventive Maßnahme ist die Anforderung einer Ablagerungsreinigung, insbesondere des Brennraums. Die Reinigung erfolgt vorzugsweise durch gezielte Stimulation von bauteilunkritischen Klopfereignissen.
- b) Einstellen der Motorbetriebsparameter zur Verhinderung weiteren Ablagerungaufbaus und/oder zum Abbau von Ablagerungen
Eine andere mögliche präventive Maßnahme ist es, ein oder mehrere Motorparameter so zu wählen, dass der weitere Aufbau von Ablagerungen verringert wird (d.h. Verringerung der Ablagerungszunahme pro Zeiteinheit) oder ganz vermieden wird und/oder vorhandene Ablagerungen (z. B. an der Oberseite der Ventile) sogar abgebaut werden.
Dies kann durch Änderung der Ventilüberschneidung, insbesondere durch Reduktion der Ventilüberschneidung, und/oder Änderung der Abgasrückführung erfolgen. Bei einer geringen Ventilüberschneidung sind beispielsweise weniger zusätzliche Ablagerungen zu erwarten. Alternativ oder zusätzlich können dafür auch ein oder mehrere Einspritzparameter geändert werden, insbesondere das Einspritztiming und die Anzahl der Einspritzungen. Alternativ oder zusätzlich kann dies durch Wechsel vom gedrosselten in den ungedrosselten Betrieb oder umgekehrt erfolgen.
Als weitere Möglichkeit können ein oder mehrere Zündungsparameter, wie beispielsweise die Zündenergie oder die Funkenanzahl, geändert werden. So kann zum Abbau von Ablagerungen beispielsweise neben dem normalen Zündfunken ein oder mehrere Folgefunken verwendet werden. Durch eine Erhöhung der Zündenergie können ebenfalls Ablagerungen an der Zündkerze entfernt werden.
Es kann auch die Motortemperatur geändert werden, die einen Einfluss auf das Ablagerungsverhalten hat.
Insbesondere bei einem kombinierten Saugrohr- und Direkteinspritzsystem (duales Einspritzsystem) kann als präventive Maßnahme zur Beeinflussung des Ablagerungsverhaltens vorgesehen sein, die Betriebsstrategie des kombinierten Systems zu verändern, d. h. das Verhältnis zwischen Saugrohr- und Direkteinspritzung zu verändern. Beispielsweise kann als präventive Maßnahme der Anteil der Saugrohreinspritzung vergrößert werden.
- c) Motorbetriebsparameter „superklopfunempfindlich“ einstellen
Als dritte Möglichkeit zur Reduzierung der Auftretens-Wahrscheinlichkeit irregulärer Verbrennung kann vorgesehen werden, ein oder mehrere Motorbetriebsparameter so einzustellen, dass der Verbrennungsmotor grundsätzlich in geringerem Maße zu irregulärer Verbrennung, insbesondere zu Superklopfen, neigt.
Dies kann durch Änderung des Wärmemanagements erfolgen, beispielsweise durch Absenken der Temperatur des Motors, wodurch der Motor weniger zu Superklopfen neigt. Die Motortemperatur kann verringert werden durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Wasserpumpe, des Kennfeldthermostats, und/oder des elektrischen Lüfters. Im Rahmen des Wärmemanagements können diese Stellglieder in optimaler Kombination miteinander gesteuert und untereinander koordiniert werden.
Ferner kann die dynamische Zündwinkelsteuerung geändert werden. Bei einem Lastsprung wird der Zündwinkel im Stand der Technik Richtung spät verschoben (Zündwinkelrückzug). Nach einer gewissen Zeit nach dem Lastsprung wird der Zündwinkel dann wieder zurück in Richtung früh verschoben. Zur Vermeidung irregulärer Verbrennung kann als präventive Maßnahme vorgesehen werden, den Zündwinkelrückzug größer und/ oder für eine längere Zeitdauer auszuführen.
Außerdem kann eine Änderung in der Gangwahl oder eines oder mehrerer Schaltpunkte bei einem Automatikgetriebe erfolgen. Die Gangwahl betrifft typischerweise die Konstantfahrt oder das Anfahren in bestimmten Gang (dieser Gang wird dann geändert). Der Schaltpunkt gibt an, wann hoch und/oder runter geschaltet wird (beispielsweise lassen sich hohe Lasten bei geringen Drehzahlen durch späteres hochschalten vermeiden)
Eine weitere Möglichkeit, die Motorbetriebsparameter „superklopfunempfindlich“ einzustellen, stellt eine Änderung des Drehmomentenverlaufs dar. Beispielsweise könnte vorgesehen werden, den Last- und damit Drehmomentaufbau stärker zu dämpfen. Alternativ oder zusätzlich könnte auch das maximale Drehmoment in einzelnen Drehzahlbereichen oder auch Gängen abgesenkt werden.
Ferner kann vorgesehen sein, die Einstellung des Ladedrucks zu ändern, beispielsweise kann der Ladedruckaufbau gedämpft werden.
Außerdem kann die Gemischvorsteuerung geändert werden. Beispielsweise kann das Luftverhältnis λ, insbesondere bei einem Lastsprung, von typischerweise λ = 1 auf λ < 1 reduziert werden, um die Prozesstemperatur abzusenken.
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Sämtliche vorstehend beschriebenen Maßnahmen können einzeln oder in beliebiger Kombination durchgeführt werden. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen können im Bedarfsfall dazu führen, dass temporär vom verbrauchs- oder emissionsoptimalen Betrieb abgewichen wird. Ferner kann vorgesehen werden, dass bereits erfolgte oder gerade vorliegende irregulärer Verbrennungsereignisse ebenfalls zu einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Maßnahmen führen, d. h. die Maßnahmen können nicht nur präventiv, sondern auch situativ eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können Betriebszustände, die die Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens irregulärer Verbrennung erhöhen (beispielsweise Motorbetriebszustände, die Ablagerungen fördern, insbesondere ein ablagerungsförderndes Fahrprofil), in der Motorsteuerung fortlaufend erfasst und optional gespeichert werden. Die Speicherung kann auch indirekt erfolgen, beispielsweise im Risikofaktor. Außerdem können Hinweise aus der Kraftstoffqualitätserkennung (beispielsweise über die Auswertung des Klopfverhaltens) verwendet werden. Ebenso können Zustände, die die Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens irregulärer Verbrennung verringern (beispielsweise Motorbetriebszustände, die den Abbau von Ablagerungen fördern, insbesondere Volllastbeschleunigungen) (welche maximale Temperaturen und Drücke aufweisen), fortlaufend erfasst und optional gespeichert werden. Darauf folgend können bedarfsgerechte Maßnahmen zur Änderung des Motorbetriebs ergriffen bzw. zurückgenommen werden.
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Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für das erfindungsgemäße Motorsteuergerät nach dem zweiten Aspekt der Erfindung, welches zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
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Die Erfindung ist nicht nur darauf gerichtet, präventiv Maßnahmen zur Verhinderung von irregulärer Verbrennung im Motorbetrieb zu ergreifen. Alternativ oder zusätzlich können auch situativ Maßnahmen bei Erkennung irregulärer Verbrennung ergriffen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, eine Überwachung (Monitoring) auf tatsächlich erfolgende irreguläre Verbrennung durchzuführen. Hierzu ist vorzugsweise eine Detektionsmöglichkeit zur Erkennung tatsächlich erfolgter irregulärer Verbrennung vorgesehen. Die Detektion kann anschlagen, wenn ein irreguläres Verbrennungsereignis stattfindet, oder alternativ auch dann anschlagen, wenn mehrere irreguläre Verbrennungsereignisse (z. B. 3 Ereignisse) stattfinden. Es kann auch vorgesehen sein, dass bei Erkennen einer bestimmten Anzahl von Verbrennungsereignissen eine erste Maßnahme durchgeführt wird und bei anschließendem Erkennen eines oder weiterer Verbrennungsereignisse eine zweite Maßnahme stattfindet.
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Für Superklopfen kann dies mittels eines entsprechenden Klopfsensors erfolgen, der Klopfer mit hoher Druckamplitude als Superklopfer erkennt. Ein Beispiel hierfür ist in der Druckschrift
DE 10 2006 015 662 A1 beschrieben.
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Glühzündungen können beispielsweise mittels des Detektionsverfahrens, welches in der deutschen Patentanmeldung
10 2009 021 932.3 (Anmeldungstag: 19. Mai 2009) mit dem Titel „Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Glühzündungen einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern“ beschrieben ist, erkannt werden.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass bei der Überwachung auf tatsächlich auftretende Ereignisse irregulärer Verbrennung detaillierte Informationen über die Ereignisse erfasst und optional auch festgehalten werden, beispielsweise der jeweilige Betriebszustand (z. B. Drehzahl, Last), die Häufigkeit der Ereignisse, das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignissen, und/oder die jeweiligen Umgebungsbedingungen (z. B. Umgebungstemperatur, Kraftstoffqualität, oder gefahrener Zündwinkel).
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Wenn eine Detektionsmöglichkeit zur Erkennung irregulärer Verbrennung vorgesehen ist, können im Fall der Detektion irregulärer Verbrennung ein oder mehrere Maßnahmen zur Vermeidung der irregulären Verbrennung ergriffen werden, beispielsweise eine oder mehrere der vorstehend beschriebenen Maßnahmen. Die Maßnahmen können eingeleitet werden, wenn ein irreguläres Verbrennungsereignisse erkannt wurde oder alternativ eine Mehrzahl von irregulären Verbrennungsereignissen erkannt wurde.
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Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Maßnahmen kann beim tatsächlichen Auftreten irregulärer Verbrennung eine optimierte Reaktion erfolgen, die gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten eher „digitalen“ Maßnahmen (nämlich kurzzeitige Einspritzausblendung, dann - falls dies nicht ausreicht - dauerhafte Zylinderabschaltung) optimiert ist. Die Reaktion auf erkannte irreguläre Verbrennung sollte vorzugsweise nicht mehr „digital“ wie bisher ausgeführt werden. Stattdessen wird vorgeschlagen, als direkte Reaktion auf Superklopfen (oder Glühzündungen) eine bedarfsgerechte, schnelle Drehmomentreduktion durchzuführen, insbesondere stufenweise zunächst über Zündwinkelrücknahme und - falls dies nicht ausreicht - anschließend über Einspritzausblendung. Außerdem kann eine „Regelung“ der Lastrücknahme über längere Zeiträume, insbesondere in Kombination mit den oben genannten Maßnahmen, durchgeführt werden. Dies ermöglicht den kontinuierlichen Motorbetrieb am Systemoptimum (ähnlich zu der konventionellen Vorgehensweise bei der regulären Klopfregelung). Bei dieser „Regelung“ der Lastrücknahme wird eine zur Vermeidung irregulärer Verbrennung zunächst vorgenommene Drehmomentbegrenzung später angehoben oder ganz aufgehoben, falls die Drehmomentbegrenzung nicht mehr nötig ist. Hierdurch kann der Motor am Systemoptimum arbeiten. Dies wird später anhand eines Beispiels genauer verdeutlicht.
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Eine, mehrere oder sämtliche zuvor beschriebenen Maßnahmen können im gesamten Drehmoment/Drehzahl-Motorkennfeld oder auch in einem oder mehreren einzelnen Bereichen oder Sektoren des Motorkennfelds ergriffen werden. Damit ist es möglich, durch Anwendung der Maßnahmen gezielt die Gefahr irregulärer Verbrennung in einem bestimmten Bereich des Motorkennfelds zu vermeiden, in dem andere Motoreigenschaften (z. B. Akustik, Verbrauch, Emissionen) durch die Maßnahmen nur minimal beeinträchtigt werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf ein Motorsteuerungsgerät gerichtet, welches zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die Bemerkungen zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der bevorzugten Ausführungsformen gelten in analoger Weise auch für das Motorsteuergerät nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiel beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 den Signalfluss eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermeidung irregulärer Verbrennung, insbesondere Superklopfen, in einem Ottomotor, insbesondere in einem Ottomotor mit Aufladung; und
- 2 eine Motorkennlinie und einen ausgenommenen Bereich.
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Die Klopfneigung des Ottomotors wird maßgeblich durch das Verdichtungsverhältnis bestimmt. Irregulärer Verbrennungsprozesse, insbesondere Superklopfen, werden zusätzlich gefördert durch Brennraumablagerungen. Brennraumablagerungen wiederum werden gefördert durch: die Kraftstoffqualität (auch Zusätze im Kraftstoff), Brennverfahren (z. B. gedrosselter/ungedrosselter Betrieb; Ladungsschichtung), Brennraumgestaltung, Betriebsverfahren des Motors (beispielsweise die Einspritzstrategie, das Zündsystem, die Abgasrückführung, die Ventilüberschneidung), und den Motorbetrieb (beispielsweise das Fahrprofil oder Umweltbedingungen).
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Bei dem nachfolgend vorgestellten Verfahren wird fortlaufend das Ablagerungsverhalten hinsichtlich Ablagerungen im Verbrennungsmotor, insbesondere im Brennraum, überwacht (s. Block 1 in 1). Hierfür wird ein Ablagerungsmodell verwendet, welches Ablagerungsaufbau und optional auch Ablagerungsabbau modelliert. Eingangsgrößen 2 des Ablagerungsmodels können beispielsweise sein: die Kraftstoffqualität; eine oder mehrere Umgebungsbedingungen; und/oder ein oder mehrere Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (z. B. Drehzahl, Last, Grad der Ventilüberschneidung, Einspritzparameter, Zündungsparameter).
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Das Ablagerungsmodell ermittelt in Abhängigkeit eines oder mehrerer Eingangsgrößen 2 fortlaufend den Wert einer Ablagerungskenngröße 3 für den momentanen Grad an Ablagerungen, beispielsweise eine Kenngröße mit Werten zwischen 0 (keine Ablagerungen) und 1 (maximaler Grad an Ablagerungen). Der aktuelle Wert der Ablagerungskenngröße wird vorzugsweise in Abhängigkeit des vorherigen Werts der Ablagerungskenngröße berechnet.
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Basierend auf der aktuellen Ablagerungskenngröße 3 wird fortlaufend ein Risikofaktor 5 ermittelt und aktualisiert (s. Block 4). Der Risikofaktor 5 gibt das Risiko des zukünftigen Auftretens irregulärer Verbrennung an. Alternativ oder neben der Ablagerungskenngröße 3 können weitere Einflussfaktoren 6 bei der Ermittlung des Risikofaktors 5 berücksichtigt werden: beispielsweise die Kraftstoffqualität der aktuellen Tankfüllung, das Drehzahlprofil, das Lastprofil, die Anzahl bereits erfolgter irreguläre Verbrennungen, und/oder die Motorlaufzeit.
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Der aktuelle Risikofaktor 5 wird fortlaufend mit einem Schwellwert verglichen (s. Block 7). Bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellwerts 7 werden ein oder mehrere präventive Maßnahmen durchgeführt (s. Block 8). Beispielsweise kann dann der Brennraum von Ablagerungen durch gezielte Stimulation von bauteilunkritischem Klopfen gereinigt werden. Alternativ oder zusätzlich können Motorbetriebsparameter derart eingestellt werden, dass der weiterer Ablagerungsaufbau reduziert oder vermieden wird oder ein Abbau von Ablagerungen erfolgt. Alternativ oder zusätzlich können auch die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass der Verbrennungsmotor in geringerem Maße zu irregulärer Verbrennung neigt.
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Neben dem präventiven Verfahrensaspekt kann auch ein Verfahrensaspekt vorgesehen sein, der bei Erkennen von tatsächlich stattfindender irregulärer Verbrennung Maßnahmen einleitet. In Block 9 wird detektiert, ob irreguläre Verbrennung stattfindet. Im Fall der Detektion irregulärer Verbrennung (beispielsweise bei Feststellen einer bestimmten Anzahl von Superklopfern), werden eine oder mehrere Maßnahmen zur Vermeidung irregulärer Verbrennung durchgeführt (s. Block 10).
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Vorzugsweise kann außerdem vorgesehen sein, dass bei tatsächlich auftretenden Ereignissen irregulärer Verbrennung detaillierte Informationen über die Ereignisse erfasst und optional auch festgehalten werden, beispielsweise der jeweilige Betriebszustand (z. B. Drehzahl, Last), die Häufigkeit der Ereignisse, das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignissen, oder die jeweiligen Umgebungsbedingungen (z. B. Umgebungstemperatur, Kraftstoffqualität, oder gefahrener Zündwinkel).
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Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Maßnahmen kann beim tatsächlichen Auftreten irregulärer Verbrennung in Block 10 eine optimierte Reaktion erfolgen, die gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten eher „digitalen“ Maßnahmen (kurzzeitige Einspritzausblendung, dann -falls dies nicht ausreicht - dauerhafte Zylinderabschaltung) optimiert ist. Es wird vorgeschlagen, als direkte Reaktion auf Superklopfen eine bedarfsgerechte, schnelle Drehmomentreduktion durchzuführen, insbesondere stufenweise zunächst über Zündwinkelrücknahme und - falls dies nicht ausreicht - anschließend über Einspritzausblendung. Außerdem kann eine „Regelung“ der Lastrücknahme über längere Zeiträume erfolgen. Dies ermöglicht den kontinuierlichen Motorbetrieb am Systemoptimum (ähnlich zu der konventionellen Vorgehensweise bei der regulären Klopfregelung).
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Mit Hilfe von 2 wird ein beispielhaftes Vorgehen zur Regelung am Systemoptimum im Gegensatz zur aktuellen, „digitalen“ Vorgehensweise erläutert. Zunächst werden in einem ersten Schritt ein oder mehrere irreguläre Verbrennungsereignisse detektiert (siehe das in 2 dargestellte Ereignis 21 bei einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Drehmoment unterhalb der Volllastkurve 20). Die erste Reaktion hierauf ist ein Zündwinkelrückzug (vorzugsweise stärker als bei der regulären Klopfregelung). Damit ergibt sich zwar ein deutlich geringeres Drehmoment, aber kein Vollaussetzer (wie bei einer Einspritzausblendung).Wenn dann ein oder mehrere weitere irreguläre Verbrennungsereignisse auftreten, wird in einem zweiten Schritt eine Einspritzausblendung für ein oder mehrere Verbrennungszyklen durchgeführt. Wenn nach der Reaktivierung der Einspritzung erneut ein oder mehrere irreguläre Verbrennungsereignisse auftreten, erfolgt eine Drehmomentbegrenzung; vorzugweise werden dabei in drehzahlabhängig Drehmomentwerte in einem bestimmten Bereich zunächst ausgeschlossen. In 2 wird beispielsweise der schraffierte Bereich ausgeschlossen. Anschließend wird über der Zeit und/oder in Verbindung mit dem Risikofaktor sukzessive wieder der ausgeschlossene Bereich freigegeben. Wenn dann wieder ein oder mehrere irreguläre Verbrennungsereignisse auftreten, geht das Verfahren zum ersten Schritt zurück, andernfalls liegt das temporäre Verbrennungsproblem offensichtlich aktuell nicht mehr vor. Diese Regelung am Systemoptimum ist vergleichbar mit einer konventionellen Klopfregelung. Die vorliegende Anmeldung zielt darauf ab, Maßnahmen zur Verhinderung von Superklopfen im Motorbetrieb präventiv und/oder situativ zu ergreifen sowie die Reaktionsmöglichkeiten beim Auftreten von Superklopfen zu optimieren.
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Hierfür kann - wie vorstehend beschrieben - eine Modellierung des Ablagerungsauf und -abbaus in Kombination mit einem Monitoring tatsächlich vorliegender Ereignisse irregulärer Verbrennung (z. B. Superklopfereignisse) verwendet werden. Aus dieser Funktionalität können geeignete Maßnahmen zur Minderung bzw. Verhinderung von irregulärer Verbrennung, insbesondere Superklopfen, ergriffen werden.
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Die beschriebenen Maßnahmen ermöglichen einen optimalen Fahrbetrieb für den Nutzer des Kraftfahrzeugs bei gleichzeitiger Ausweitung der Potentiale aus wirkungsgradsteigernden Maßnahmen am Ottomotor. Durch die beschriebenen Maßnahmen kann der Wirkungsgrad bei Ottomotoren verbessert werden, ohne negative Rückwirkungen auf die Bauteilhaltbarkeit und das Fahrverhalten in Kauf nehmen zu müssen.
