DE102010030404A1

DE102010030404A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010030404A1
Application number: DE102010030404A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Flik; Christian Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29
Also published as: US20110315115A1; CN102297744A; US9222841B2; CN102297744B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Dabei wird mindestens eine Zusammensetzung eines Gasgemischs in mindestens einem Brennraum (224) der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Mindestens ein Brennraumdruck im Inneren des Brennraums (224) und mindestens eine lokale Brennraumtemperatur im Inneren des Brennraums (224) werden erfasst. Aus dem Brennraumdruck und der Brennraumtemperatur wird auf die Zusammensetzung geschlossen.

Description

Stand der Technik
Zukünftige Entwicklungen für Verbrennungsmotoren werden durch zahlreiche gesetzliche Auflagen zur Verringerung von Schadstoffemissionen und gleichzeitig des Kraftstoffverbrauchs bestimmt. Ein Ansatz hierzu findet sich in den in jüngerer Zeit ausführlich untersuchten so genannten homogenen Brennverfahren (Homogeneous Charge Compression Ignition, homogene Kompressionszündung, HCCI). Derartige homogene Brennverfahren verwirklichen allgemein Konzepte, bei welchen die Verbrennung eines homogenen Luft/Kraftstoff-Gemischs gleichzeitig im gesamten Brennraum beginnt. Derartige Konzepte existieren sowohl für Ottomotoren (Controlled Auto Ignition, kontrollierte Selbstzündung, CAI) als auch für Dieselmotoren (Homogenous Charge Late Ignition, homogene späte Selbstzündung, HCLI). Kennzeichnend für derartige Verfahren sowie auch für andere schadstoffarme Verbrennungsverfahren ist jedoch, dass Merkmale der Verbrennung als Regelgrößen benutzt werden, also dass eine Verbrennungsregelung durchgeführt wird. Die Realisierung derartiger Verfahren erfordert somit die Verwendung von einem oder mehreren Brennraumsensoren. Als Stand der Technik ist hier der Brennraumdrucksensor, bzw. Zylinderdrucksensor anzusehen.
Derartige Zylinderdrucksensoren sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So beschreibt beispielsweise DE 10 2004 047 143 A1 einen piezoelektrischen Brennraum-Drucksensor mit einem Druckübertragungsstift. Dabei wird ein Sensorelement aus einem einkristallinen, piezoelektrischen Material zum Messen des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Druckübertragungsstift vorgeschlagen, wobei als Druckübertragungsstift ein in den Brennraum hineinragender, verschiebbar gelagerter Glühstift vorgesehen ist. Aus DE 10 2006 049 079 A1 ist eine Druckmesseinrichtung zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine bekannt, welche ein Gehäuse, ein Kraftübertragungselement und einen Drucksensor aufweist.
Grundsätzlich ist der Zylinderdruck oder allgemein Brennraumdruck eine nützliche Größe, da die Rechnung einer Heizverlaufanalyse möglich wird und damit Kenngrößen der Verbrennung, beispielsweise der Beginn der Verbrennung, die Lage der Verbrennung oder ähnliche Kenngrößen, für eine Regelung zugänglich sind. Diese dienen zumeist als Grundlage, insbesondere als Regelgrößen, der genannten Anwendungen für Otto- und Dieselmotoren. Die Stellgröße der Verbrennungsregelung sind üblicherweise die Abgasrückführrate (AGR), ein Einspritzzeitpunkt und eine Einspritzmenge. Die Abgasrückführrate ist eine Kenngröße bei der Abgasrückführung, welche zur Minderung von Stickoxiden in Ottomotoren, Dieselmotoren oder auch in anderen Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird. Durch eine Abgasrückführung werden Temperaturspitzen abgesenkt. Bei den genannten Stellgrößen spielt die Abgasrückführrate jedoch in der Regel eine Sonderrolle, weil sich deren Veränderung aufgrund der Vermischung im Ansaugbereich des Motors nicht unmittelbar auf die Verbrennung auswirkt. Insbesondere kann im dynamischen Motorbetrieb eine effektive Abgasrückführrate nicht angegeben werden. Zylinderdrucksensoren sind jedoch auch für konventionelle Brennverfahren im Zusammenhang von zylinderspezifischen Diagnosefunktionen interessant. Wünschenswert wären allgemein Vorrichtungen und Verfahren, welche sowohl in Ottomotoren als auch in Dieselmotoren zum Einsatz kommen können und welche zuverlässig und effektiv einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine ermöglichen, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Direkteinspritzung und einer Abgasrückführung. Insbesondere sollten die Vorrichtungen und Verfahren einen Indikator für eine effektive Abgasrückführrate oder einen alternativen Indikator für eine Abgasrückführung zugänglich machen.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung der oben beschriebenen Problematik wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen sowie ein Kombinationssensor zur Erfassung eines Brennraumdrucks und einer Brennraumtemperatur. Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur gleichzeitigen Messung von Druck und einer lokalen Temperatur im Brennraum anzugeben und damit einen Indikator für eine massenbezogene Gaszusammensetzung zu erschließen. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Überlegung, dass moderne, zukünftige Motoren sowohl im Bereich von Otto- als auch von Dieselmotoren in der Regel über eine Direkteinspritzung und eine Abgasrückführung verfügen werden. Dies bedeutet jedoch, dass eine Kompression des angesaugten Gases ohne Zusatz von Kraftstoff vor der eigentlichen Einbringung des Kraftstoffs erfolgt. Die Erfindung beruht weiterhin auf der Erkenntnis, dass die massenbezogene Zusammensetzung von Gasen im Bereich von Volumen der Verbrennungskraftmaschine eine entscheidende Kenngröße ist. Diese massenbezogene Zusammensetzung β kann mittels des Verhältnisses
beschrieben werden. Die massenbezogene Zusammensetzung β beschreibt darin das massenbezogene Verhältnis von verbrannter Luft (m^verb) und Frischluft (m^Luft) in einem betrachteten Volumen. Verbrannte Luft ist dabei das Produkt einer stöchiometrischen Verbrennung von Frischluft und Kraftstoff. Verbrannte Luft und Frischluft sind also bezüglich der Zusammensetzung als konstant anzusehen, sofern die variable Luftfeuchte vernachlässigt wird. Die Kompressionsphase kann mittels folgender physikalischer Gleichungen beschrieben werden:
Dabei beschreibt κ den Isentropenkoeffizienten (auch als Isentropenexponent bezeichnet) des Gasgemischs, also das Verhältnis aus der spezifischen Wärmekapazität c_p bei konstantem Druck und der spezifischen Wärmekapazität c_V bei konstantem Volumen. Dieser Isentropenkoeffizient κ ist eine Funktion der massenbezogenen Zusammensetzung β und der Temperatur T. Mit den Größen p und V sind der Druck und das Volumen bezeichnet, und mit den korrespondierenden Größen p₀ und V₀ der Druck bzw. das Volumen bei Normalbedingungen.
Ein grundlegender Gedanke des vorliegenden Verfahrens besteht also darin, den Brennraumdruck und die Temperatur im Inneren des Brennraums zu erfassen. Der Brennraumdruck kann beispielsweise mittels mindestens eines Brennraumdrucksensors erfasst werden, insbesondere als globale Größe. Dies ist dadurch bedingt, dass sich der Druck im Brennraum praktisch mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet, so dass der Druck als globale Größe im Brennraum betrachtet werden kann. Aus der Messung des Drucks kann dann mittels Gleichung (3) der Isentropenkoeffizient κ bestimmt werden. Aufgrund der Messung einer lokalen Brennraumtemperatur T kann darauf aufbauend mittels Gleichung (2) der zunächst lokale Wert von β bestimmt werden. Nimmt man weiterhin an, dass durch den Ansaugvorgang eine vollständige Durchmischung von zurückgeführtem Abgas und Frischluft für die Füllung eines Zylinders bzw. Brennraums stattfindet und weiterhin für den Bereich eines Abgaskrümmers ähnliche Überlegungen gelten, dann ergibt sich, dass das so bestimmte β sogar eine globale Größe ist. Insgesamt lässt sich auf diese Weise vorzugsweise die Gaszusammensetzung im gesamten Brennraum bestimmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine wird dementsprechend mindestens eine Zusammensetzung eines Gasgemischs in mindestens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Dabei werden mindestens ein Brennraumdruck p im Inneren des Brennraums und mindestens eine lokale Brennraumtemperatur im Inneren des Brennraums erfasst, wobei aus dem Brennraumdruck und der Brennraumtemperatur auf die Zusammensetzung geschlossen wird. Wie oben dargestellt, können der Brennraumdruck und die Brennraumtemperatur insbesondere im Wesentlichen gleichzeitig erfasst werden. Unter einer im Wesentlichen gleichzeitigen Erfassung ist dabei eine Erfassung auf einer Zeitskala zu verstehen, welche Abweichungen von einer Gleichzeitigkeit erlaubt, die klein sind im Vergleich zu einer Zyklusdauer. Beispielsweise können Abweichungen toleriert werden, welche kleiner sind als ein Zehntel, vorzugsweise kleiner als ein Hundertstel, einer Zyklusdauer eines Verbrennungszyklus. Der Brennraumdruck p und die Brennraumtemperatur T können insbesondere in einer Kompressionsphase der Verbrennungskraftmaschine erfasst werden, vorzugsweise vor Beginn einer Verbrennung.
Für die Zusammensetzung kann grundsätzlich eine beliebige Kennzahl verwendet werden, welche die Zusammensetzung des Gasgemischs in dem Brennraum charakterisiert. Insbesondere können dabei verschiedene Komponenten und deren Anteile in dem Gasgemisch zueinander ins Verhältnis gesetzt werden oder zum gesamten Gasgemisch ins Verhältnis gesetzt werden. Dabei können Massen, Volumina, Partialdrücke, Konzentrationen, Prozentanteile oder ähnliche Anteile eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Zusammensetzung, wie oben ausgeführt, ein massenbezogenes Verhältnis β von verbrannter Luft und Frischluft umfasst, entsprechend Gleichung (1) oben. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Kenngrößen zur Charakterisierung der Zusammensetzung ermittelt werden.
Wie oben dargestellt, ist es besonders bevorzugt, wenn aus dem erfassten Brennraumdruck, beispielsweise unter Heranziehung des bekannten Volumens V, ein Isentropenkoeffizient κ des Gasgemischs bestimmt wird. Dies kann beispielsweise nach Gleichung (3) oben geschehen, indem diese Gleichung (3) nach κ aufgelöst wird. Insbesondere kann aus einem bekannten Zusammenhang zwischen dem Isentropenkoeffizienten, dem Brennraumdruck und der Brennraumtemperatur auf die Zusammensetzung geschlossen werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Gleichung (2) oben nach der Zusammensetzung β oder einer anderen, die Zusammensetzung charakterisierenden Größe aufgelöst wird. Dieser Vorgang kann analytisch, empirisch oder auch semiempirisch erfolgen. Beispielsweise können auch bekannte Zusammenhänge zwischen der Brennraumtemperatur, dem Brennraumdruck und dem Isentropenkoeffizienten und der Zusammensetzung herangezogen werden, beispielsweise indem derartige Zusammenhänge, beispielsweise in Form von Kurven, Kurvenscharen, analytischen Gleichungen oder Tabellen (beispielsweise elektronischen Tabellen, Lookup-Tables) bekannt sind. Derartige Zusammenhänge können beispielsweise in einem Speicherelement und/oder in einer Datenverarbeitungsvorrichtung gespeichert sein.
Wie oben ausgeführt, kann die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise eine mittels eines homogenen Brennverfahrens (beispielsweise CAI, HCLI oder eines ähnlichen homogenen Brennverfahrens) betriebene Verbrennungskraftmaschine sein. Insbesondere kann es sich um eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Direkteinspritzung und vorzugsweise einer Abgasrückführung handeln. Beispielsweise kann es sich, wie oben ausgeführt, um eine HCCI-Verbrennungskraftmaschine handeln, beispielsweise eine CAI-Verbrennungskraftmaschine oder eine HCLI-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Überlegungen, d. h. unter verschiedenen Annahmen (beispielsweise der Annahme einer vollständigen Durchmischung von zurückgeführtem Abgas und Frischluft und der Annahme, dass β eine globale Größe ist) und/oder unter anderen ähnlichen Annahmen, ermöglicht die Erfindung insbesondere die Bestimmung einer chemischen Zusammensetzung des Luft/Abgas-Gemischs im Brennraum vor Beginn der Verbrennung. Unter Verwendung üblicher mathematischer Modelle zur Bestimmung der Gasmasse im Brennraum nach Schließen eines Einlassventils kann die für die Verbrennung relevante Gaszusammensetzung im Brennraum bestimmt werden. Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass, insbesondere im Fall homogen betriebener Ottomotoren (CAI) und/oder Dieselmotoren (HCLI), das massenbezogene Verhältnis β von verbrannter Luft und Frischluft als eine Regelgröße (optional als eine von mehreren Regelgrößen) verwendet wird, um die Verbrennungskraftmaschine zu regeln. Dies kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Steuergeräts erfolgen und einer entsprechenden Funktion des Steuergeräts. Insbesondere kann auch die bislang verwendete Regelgröße der Abgasrückführrate vollständig oder teilweise durch das massenbezogene Verhältnis β ersetzt werden. Dies erlaubt allgemein die Einführung einer Arbeitsspiel-bezogenen Stellgröße, vergleichbar einem Einspritzzeitpunkt und einer Einspritzmenge. Weiterhin kann, insbesondere für konventionell betriebene Verbrennungsmotoren (d. h. nicht-homogen betriebene Verbrennungsmotoren), die Zusammensetzung des Gasgemischs in den Brennräumen vor der Verbrennung bestimmt werden.
Weiterhin lässt sich das massenbezogene Verhältnis β von verbrannter Luft und Frischluft auch nutzen, um eine oder mehrere weitere Kenngrößen zu bestimmen. So kann das Verfahren beispielsweise allgemein derart durchgeführt werden, dass zusätzlich mindestens eine Luftzahl und/oder optional mindestens eine Feuchtigkeit einer angesaugten Luft der Verbrennungskraftmaschine bestimmt werden. Das Verfahren kann dann derart durchgeführt werden, dass, insbesondere für stationäre Betriebszustände, aus der Zusammensetzung des Gasgemischs bei gleichzeitiger Messung der Luftzahl λ, die Abgasrückführrate bestimmt wird. Die Bestimmung der Abgasrückführrate lässt sich zusätzlich verbessern bei gleichzeitiger Messung der Luftzahl λ und der Feuchte der angesaugten Frischluft. Das Verfahren lässt sich allgemein also derart durchführen, dass die Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung betrieben wird, wobei aus der Zusammensetzung und der Luftzahl sowie optional der Feuchtigkeit auf eine Abgasrückführrate geschlossen wird, insbesondere in einem stationären Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine.
Weiterhin kann die Verbrennungskraftmaschine mehrere Brennräume aufweisen, wobei Zusammensetzungen in mehreren Brennräumen gleichzeitig oder zeitversetzt bestimmt werden können. Mittels des oben vorgeschlagenen Verfahrens ist es insbesondere möglich, die unter Umständen ungleiche Verteilung von zurückgeführtem Abgas in die Brennräume, beispielsweise die Zylinder, direkt zu quantifizieren und zylinderspezifische Gegenmaßnahmen durch Veränderung der Einspritzzeitpunkte und Einspritzmengen durchzuführen. Dementsprechend wird optional vorgeschlagen, das Verfahren derart zu betreiben, dass eine Homogenität der Zusammensetzungen in den Brennräumen erfasst wird, wobei eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine optional durch die erfasste Homogenität beeinflusst wird, insbesondere indem eine Abgasrückführung beeinflusst wird, beispielsweise durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Abgasrückführung. Weiterhin kann aus dem Verlauf der Brennraumtemperatur, beispielsweise der Zylindertemperatur, während eines Arbeitsspiels auf Merkmale der Verlaufskurve des Brennraumdrucks, beispielsweise des Zylinderdrucks, geschlossen werden. Der Abgleich einer Vorhersage mit einem tatsächlich gemessenen Verlauf erlaubt eine Diagnose des Brennraumdrucksensors bzw. der Kombination der beiden Sensoren.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kombinationssensor zur Erfassung eines Brennraumdrucks und einer Brennraumtemperatur im Inneren eines Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Zylinder, vorgeschlagen. Der Kombinationssensor ist besonders geeignet, um in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt zu werden. Grundsätzlich lässt sich der Kombinationssensor jedoch auch für andere Einsatzzwecke verwenden. Der Kombinationssensor ist in einer Wand des Brennraums, insbesondere in einem Zylinderkopf, fixierbar. Diese Fixierung kann beispielsweise lösbar erfolgen, beispielsweise durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Fixierung, jedoch grundsätzlich auch durch andere Fixierungsarten wie beispielsweise formschlüssige Fixierungen. Insbesondere kann eine Schraubfixierung vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann der Kombinationssensor beispielsweise mindestens ein Gewinde umfassen, beispielsweise ein Außengewinde, mittels dessen der Kombinationssensor in eine Bohrung mit einem Innengewinde in einer Brennraumwand einschraubbar ist. Auch andere Fixierungen sind jedoch alternativ oder zusätzlich grundsätzlich einsetzbar.
Der Kombinationssensor weist mindestens einen Brennraumdrucksensor auf. Der Brennraumdrucksensor umfasst mindestens einen mechanisch-elektrischen Wandler. Unter einem mechanisch-elektrischen Wandler ist dabei allgemein ein Wandlerelement zu verstehen, welches mechanische Einwirkungen, beispielsweise Drücke und/oder Kräfte, in elektrische Signale, beispielsweise Ladungen und/oder Spannungen und/oder Ströme, umwandeln kann. Insbesondere kann es sich bei diesem mechanisch-elektrischen Wandler um ein Piezoelement und/oder eine Piezokeramik handeln. Auch andere mechanisch-elektrische Wandler sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Der Brennraumdrucksensor umfasst weiterhin mindestens ein Kraftübertragungselement zur Übertragung des Brennraumdrucks auf den mechanisch-elektrischen Wandler. Dieses Kraftübertragungselement kann grundsätzlich einen oder mehrere beliebige starre Körper umfassen, welche eingerichtet sind, um beispielsweise an einem Ende eine durch den Brennraumdruck bedingte Kraft oder den Brennraumdruck selbst direkt oder indirekt aufzunehmen und diese Kraft bzw. diesen Druck auf den mechanisch-elektrischen Wandler zu übertragen. Das Kraftübertragungselement kann beispielsweise zylinderförmig ausgestaltet sein, beispielsweise in Form einer Stange und/oder Zylinderhülse. Insbesondere kann das Kraftübertragungselement isolierende Eigenschaften aufweisen, beispielsweise indem dieses ganz oder teilweise als Isolationskörper ausgestaltet wird, beispielsweise als Isolationskörper aus einem keramischen Material.
Der Kombinationssensor weist weiterhin mindestens einen Temperaturfühler auf. Bei diesem Temperaturfühler kann es sich allgemein um mindestens ein Element handeln, welches eingerichtet ist, um ein Signal entsprechend der Temperatur des Brennraums zu erfassen. Dabei kommen allgemein beliebige Temperaturfühler in Betracht, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Insbesondere können hierbei Temperaturwiderstände wie PTCs und/oder NTCs eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn, alternativ oder zusätzlich, der Temperaturfühler mindestens ein Thermoelement umfasst oder als Thermoelement ausgestaltet ist, also als Element, welches auf Grundlage des Seebeck-Effekts Temperaturen erfassen kann. Dabei wird allgemein vorgeschlagen, den Temperaturfühler durch den Brennraumdrucksensor hindurch in den Brennraum zu führen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Temperaturfühler zentral durch ein Drucksensormodul des Brennraumdrucksensors hindurchgeführt ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich, beispielsweise nicht-koaxiale Ausgestaltungen. Der Temperaturfühler kann insbesondere gegenüber dem Brennraumdrucksensor abgedichtet sein, um ein Eindringen von Gasen in den Brennraumdrucksensor, beispielsweise das Drucksensormodul, zu verhindern.
Der Brennraumdrucksensor kann allgemein ein Drucksensormodul umfassen. Unter einem Drucksensormodul ist dabei eine in sich im Wesentlichen abgeschlossene Einheit zu verstehen, welche die Funktionen des Brennraumdrucksensors wahrnimmt. Zusätzlich zu dem Drucksensormodul können jedoch noch weitere Elemente in dem Brennraumdrucksensor vorgesehen sein, beispielsweise, wie oben ausgeführt, ein oder mehrere Kraftübertragungselemente. Der mechanisch-elektrische Wandler ist in dem Drucksensormodul aufgenommen. Das Drucksensormodul kann beispielsweise ein eigenes Modulgehäuse aufweisen, welches vollständig oder teilweise geschlossen sein kann. Zusätzlich zu dem mechanisch-elektrischen Wandler können in dem Drucksensormodul weitere Elemente aufgenommen sein. Beispielsweise kann auf der dem Brennraum zuweisenden Seite mindestens ein Kraftübertragungselement, beispielsweise ein keramischer Isolatorkörper und/oder eine andere Art von Kraftübertragungselement, aufgenommen sein. Auf der gegenüberliegenden Seite des mechanisch-elektrischen Wandlerelements kann beispielsweise ein Gegenlager aufgenommen sein, beispielsweise ebenfalls ein Isolationskörper. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, das Gegenlager ein metallisches Gegenlager umfassen, beispielsweise eine Stahlplatte. Auf der dem Brennraum zuweisenden Seite kann das Drucksensormodul insbesondere durch mindestens eine Membran abgeschlossen sein. Unter einer Membran ist dabei ein unter Druck verformbares flächiges Gebilde zu verstehen, beispielsweise eine Folie und/oder eine dünne Platte. Insbesondere kann die Membran eine Stahlmembran umfassen. Mittels der mindestens einen Membran kann das Drucksensormodul gegenüber dem Brennraum abgedichtet sein.
Wie oben ausgeführt, kann der Temperaturfühler insbesondere koaxial durch den Brennraumdrucksensor, insbesondere durch das Drucksensormodul, geführt sein. So kann beispielsweise auf einer dem Brennraum abweisenden Seite des Drucksensormoduls der Temperaturfühler einen Anschluss aufweisen, welcher von außen zugänglich ist. Auf der dem Brennraum zuweisenden Seite kann der Temperaturfühler über das Drucksensormodul hinausragen und insbesondere über die Wand des Brennraums hinaus in den Brennraum hineinragen. Vorzugsweise weist der Kombinationssensor einen im Wesentlichen axialsymmetrischen Aufbau auf. Der Temperaturfühler kann insbesondere durch die Membran hindurchgeführt sein. Diese Durchführung kann insbesondere abgedichtet erfolgen. Beispielsweise kann der Temperaturfühler mit der Membran verschweißt sein oder auf andere Weise stoffschlüssig mit der Membran verbunden sein, so dass beispielsweise keine Gase aus dem Brennraum ins Innere des Drucksensormoduls gelangen können. Der Temperaturfühler kann zwischen dem Brennraumdrucksensor, beispielsweise dem Drucksensormodul, und dem Brennraum in mindestens einer Führung geführt sein. Diese Führung kann insbesondere mindestens einen Hohlzylinder umfassen, beispielsweise einen Hohlzylinder aus Stahl. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Wie oben dargestellt, ist der Kombinationssensor in einer Wand des Brennraums fixierbar. Diese Fixierung kann insbesondere abgedichtet erfolgen. Insbesondere kann der Kombinationssensor einen gestuften Aufbau aufweisen, beispielsweise einen axialsymmetrischen gestuften Aufbau, wobei mindestens ein dem Brennraum zuweisendes Ende einen geringeren Durchmesser aufweisen kann als ein dem Brennraum abgewandtes Ende. Insbesondere kann der gestufte Aufbau mindestens eine Dichtschulter aufweisen, also einen Übergang zwischen einem zylindrischen Abschnitt größeren Durchmessers zu einem zylindrischen Abschnitt geringeren Durchmessers. An dieser Dichtschulter kann eine Abdichtung gegenüber der Wand des Brennraums erzeugbar sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch eine Verschraubung oder eine andere Art von Fixierung die Dichtschulter gegen eine entsprechende Schulter in einer Bohrung in der Wand des Brennraums gepresst wird. Allgemein kann der Kombinationssensor beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass der Brennraumdrucksensor innerhalb der Wand des Brennraums angeordnet ist, beispielsweise indem das Drucksensormodul in diesem Bereich angeordnet ist, wobei Kräfte und/oder Drücke aus dem Brennraum durch das mindestens eine Kraftübertragungselement zu dem mechanisch-elektrischen Wandler übertragen werden. Der Temperaturfühler seinerseits kann in den Brennraum hineinragen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
2 und 3 verschiedene Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kombinationssensors in perspektivischer Schnittdarstellung.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein schematischer Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt (Bezugsziffer 110 in 1) werden der Brennraumdruck p und die Temperatur T erfasst. In einem zweiten Verfahrensschritt (Bezugsziffer 112) wird aus dem Brennraumdruck der Isentropenkoeffizient κ, auch als Isentropenexponent bezeichnet, bestimmt, beispielsweise unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichung (3). In einem weiteren Verfahrensschritt (Bezugsziffer 114) wird aus einem bekannten Zusammenhang zwischen dem Isentropenkoeffizienten, der Brennraumtemperatur T und der Zusammensetzung β, insbesondere einem massenbezogenen Verhältnis β gemäß Gleichung (1) oben, auf die Größe β geschlossen. Die Zusammensetzung β sowie optional weitere Regelgrößen können dann in einem Verfahrensschritt 116 für eine Motorsteuerung herangezogen werden, was auch eine Regelung umfassen kann, beispielsweise zum Zweck einer Bestimmung und/oder Regelung einer Abgasrückführrate.
Für das in 1 dargestellte Verfahren sowie weitere erfindungsgemäße Verfahren ist die Kenntnis des Brennraumdrucks p und der Brennraumtemperatur erforderlich. Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich Brennraumdrucksensoren bekannt, beispielsweise aus DE 10 2004 047 143 A1 oder aus DE 10 2006 049 079 A1 . Beispielsweise beschreibt DE 10 2004 047 143 A1 einen Brennraumdrucksensor mit integrierter Glühstiftkerze, unter Verwendung eines Druckübertragungsstifts. Bei der dargestellten Messmethode, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung des Brennraumdrucks verwendet werden kann, handelt es sich um eine indirekte Druckmessung, da die Messgröße des Brennraumdrucks mittels eines Übertragungselements, beispielsweise einer Stahlmembran, in eine brennraumdruckabhängige Kraft gewandelt und auf eine Kraftmesszelle geleitet wird. Die Kraftmesszelle kann beispielsweise zylindrisch ausgelegt sein, so dass eine Stromzuführung zum Glühkörper zentral durchgeführt werden kann.
In den 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kombinationssensors 210 dargestellt. Dabei zeigt 2 eine perspektivische Schnittdarstellung des Kombinationssensors 210, wohingegen 3 den in 2 mit A bezeichneten Ausschnitt vergrößert darstellt. Eine Grundidee des gezeigten Ausführungsbeispiels besteht darin, eine kombinierte Messung aus Brennraumdruck und Brennraumtemperatur vorzunehmen. Ausgehend von den oben beschriebenen, bekannten Brennraumdrucksensoren wurde beispielsweise erkannt, dass, wenn eine Glühfunktion bei den bekannten Sensorelementen beispielsweise für Ottomotoren nicht benötigt wird, anstelle des Glühkörpers weitere sensorische Funktionen integriert werden können, beispielsweise ein Temperaturfühler (beispielsweise ein Thermoelement), ein Ionenstromsensor oder auch ein Gassensor. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Temperaturfühler 212 integriert.
Der Kombinationssensor 210 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel neben dem Temperaturfühler 212 einen Brennraumdrucksensor 214 auf. Dieser umfasst ein Drucksensormodul 216 mit einem Modulgehäuse 218, beispielsweise einer dünnwandigen Stahlhülse. Dieses Modulgehäuse 218 ist an seinem vom Brennraum 224 abweisenden Ende mit einer Stahlplatte 220 abgeschlossen, welche auch als Gegenlager 222 dient. An seinem dem Brennraum 224 zuweisenden Ende ist das Modulgehäuse 218 durch eine Membran 226, beispielsweise eine Stahlmembran, verschlossen. In dem Modulgehäuse 218 aufgenommen ist ein mechanisch-elektrischer Wandler 228. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Piezoelement und/oder ein Quartzelement mit Elektroden für eine Signalwandlung von einem Kraftsignal in ein Ladungssignal handeln. Auf der zum Brennraum 224 zuweisenden Seite schließt sich an den mechanisch-elektrischen Wandler 228 ein Isolationskörper 230 an, beispielsweise ein keramischer Isolationskörper. Dieser dient gleichzeitig als Kraftübertragungselement 232 oder als Teil eines derartigen Kraftübertragungselements 232. Auch auf der gegenüberliegenden Seite des mechanisch-elektrischen Wandlers 228, zwischen dem Gegenlager 222 und dem mechanisch-elektrischen Wandler 228, kann ein weiterer Isolationskörper 234 vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines weiteren keramischen Isolationskörpers.
Durch den Brennraumdrucksensor 214 hindurchgeführt ist das Thermoelement 212, so dass insgesamt in diesem Ausführungsbeispiel ein axialsymmetrischer, koaxialer Aufbau entsteht. Der Temperaturfühler 212 ragt sowohl auf der dem Brennraum 224 abgewandten Seite als auch auf der dem Brennraum 224 zugewandten Seite über das Drucksensormodul 216 hinaus. Auf diese Weise entsteht auf der dem Brennraum 224 abgewandten Seite ein Anschlusskontakt 236, und auf der dem Brennraum 224 zuweisenden Seite ragt der Temperaturfühler 212 optional in den Brennraum 224 hinein. Der Temperaturfühler 212 kann beispielsweise an seiner Durchführung durch die Membran 226 mit der Membran stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise mit der Stahlmembran verschweißt sein. Der Kombinationssensor 210 kann weiterhin ein äußeres Sensorgehäuse 238 aufweisen. Das Modulgehäuse 218 kann beispielsweise in das äußere Sensorgehäuse 238 eingebracht und optional mit diesem verbunden sein, beispielsweise wiederum durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung. Die Membran 226 kann mit dem Modulgehäuse 280 insbesondere stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch eine Verschweißung.
Der Kombinationssensor 210 kann in eine Bohrung 240 in einer Wand 242 des Brennraums 224, beispielsweise in einem Zylinderkopf, aufgenommen sein. Die Bohrung kann insbesondere, wie in 2 erkennbar, gestuft ausgestaltet sein, und auch der Kombinationssensor 210 kann eine gestufte Ausgestaltung aufweisen, mit mindestens einer Dichtschulter 244. An dieser Dichtschulter 244 und/oder an anderen Punkten kann mindestens eine Dichtstelle 246 zwischen dem Kombinationssensor 210 und der Wand 242 vorgesehen sein, beispielsweise eine Dichtstelle zwischen dem äußeren Sensorgehäuse 238 und einem Zylinderkopf. Das äußere Sensorgehäuse 238 kann beispielsweise ein Einschubgewinde 248 zur Verschraubung in der Wand 242 aufweisen. Mittels dieses Gewindes und/oder einer anderen Fixierung kann die Dichtschulter 244 gegen die Wand 242 gepresst werden, um auf diese Weise die Dichtwirkung zu erzielen. Das äußere Sensorgehäuse 238 kann den Kombinationssensor 210 vollständig oder teilweise umgeben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich eine teilweise Umschließung vorgesehen. Im Bereich zwischen dem Drucksensormodul 216 und dem Brennraum 224 ist zusätzlich eine Führung 250 vorgesehen, innerhalb dessen der Temperaturfühler 212 geführt wird. Die Führung 250 kann beispielsweise einen Hohlzylinder aus Stahl umfassen. Die Führung 250 kann optional auch Teil des Kraftübertragungselements 232 sein, um den Druck im Brennraum 224 auf die Membran 226 zu übertragen. Alternativ ist jedoch auch eine Ausgestaltung möglich, bei welcher die Membran 226 unmittelbar dem Druck im Brennraum 224 ausgesetzt ist. Der Temperaturfühler 212 kann beispielsweise ein Mantelthermoelement umfassen. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind möglich.
Das Drucksensormodul 216 in den 2 und 3 bildet eine zylindrisch ausgeführte Kraftmesszelle mit einer geraden Durchführung des Temperaturfühlers 212, beispielsweise des Mantelthermoelements. Alternativ kann anstelle eines zylinderförmig aufgebauten Kraftmesselements auch ein stab- oder quaderförmiges Kraftmesselement als mechanisch-elektrischer Wandler 228 eingesetzt werden. Die Führung des Temperaturfühlers 212 erfolgt dann vorzugsweise seitlich an diesem Kraftmesselement bzw. Wandler 228 vorbei. Der Kraftpfad von der Membran 226 zum Wandler 228 sollte dabei jedoch nicht gestört werden, beispielsweise durch eine Reibung. Der in den 2 und 3 dargestellte Kombinationssensor 210 kann über die genannten beiden Sensorfunktionen der Erfassung eines Brennraumdrucks und einer Brennraumtemperatur hinaus weitere Funktionen aufweisen. So kann beispielsweise für den Einsatz in Dieselmotoren in diesem sowie auch in anderen Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Kombinationssensoren 210 zusätzlich mindestens eine Glühkörperfunktion vorgesehen sein. So ist es für den Einsatz in Dieselmotoren beispielsweise besonders vorteilhaft, sowohl Glühkörper als auch Thermoelement in den Brennraumdrucksensor zu integrieren und die Zuleitungen für beide Zusatzfunktionen beispielsweise im Inneren eines zylinderförmigen Kraftmesselements, beispielsweise eines Drucksensormoduls 216 und/oder eines mechanisch-elektrischen Wandlers 228, zu führen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004047143 A1 [0002, 0024]
DE 102006049079 A1 [0002, 0024]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, wobei mindestens eine Zusammensetzung eines Gasgemischs in mindestens einem Brennraum (224) der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird, wobei mindestens ein Brennraumdruck im Inneren des Brennraums (224) und mindestens eine lokale Brennraumtemperatur im Inneren des Brennraums (224) erfasst werden, wobei aus dem Brennraumdruck und der Brennraumtemperatur auf die Zusammensetzung geschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Brennraumdruck und die Brennraumtemperatur im Wesentlichen gleichzeitig erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennraumdruck und die Brennraumtemperatur in einer Kompressionsphase der Verbrennungskraftmaschine erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zusammensetzung ein massenbezogenes Verhältnis β von verbrannter Luft und Frischluft umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung des massenbezogenen Verhältnisses β geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus dem Brennraumdruck ein Isentropenkoeffizient κ des Gasgemischs bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus einem bekannten Zusammenhang zwischen dem Isentropenkoeffizienten, dem Brennraumdruck und der Brennraumtemperatur auf die Zusammensetzung geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin mindestens eine Luftzahl λ und optional eine Feuchtigkeit einer angesaugten Luft der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung betrieben wird, wobei aus der Zusammensetzung und der Luftzahl sowie optional der Feuchtigkeit auf eine Abgasrückführrate geschlossen wird, insbesondere in einem stationären Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbrennungskraftmaschine mehrere Brennräume (224) aufweist, wobei Zusammensetzungen in mehreren Brennräumen (224) bestimmt werden und wobei eine Homogenität der Zusammensetzungen in den Brennräumen (224) erfasst wird, wobei eine Steuerung der Verbrennungskraftmaschine optional durch die erfasste Homogenität beeinflusst wird, insbesondere eine Abgasrückführung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Regelung der Verbrennungskraftmaschine erfolgt, wobei die Regelung unter Verwendung der Zusammensetzung als Regelgröße erfolgt.
Kombinationssensor (210) zur Erfassung eines Brennraumdrucks und einer Brennraumtemperatur im Inneren eines Brennraums (224) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kombinationssensor (210) in einer Wand (242) des Brennraums (224) fixierbar ist, wobei der Kombinationssensor (210) mindestens einen Brennraumdrucksensor (214) mit mindestens einem mechanisch-elektrischen Wandler (228) aufweist, wobei der Brennraumdrucksensor (214) weiterhin mindestens ein Kraftübertragungselement (232) zur Übertragung des Brennraumdrucks auf den mechanisch-elektrischen Wandler (228) aufweist, wobei der Kombinationssensor (210) weiterhin mindestens einen Temperaturfühler (212) aufweist, insbesondere ein Thermoelement, wobei der Temperaturfühler (212) durch den Brennraumdrucksensor (214) hindurch in den Brennraum (224) geführt ist.
Kombinationssensor (210) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Brennraumdrucksensor (214) ein Drucksensormodul (216) umfasst, wobei der mechanisch-elektrische Wandler (228) in dem Drucksensormodul (216) aufgenommen ist, wobei das Drucksensormodul (216) zum Brennraum (224) durch mindestens eine Membran (226) abgedichtet ist.
Kombinationssensor (210) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperaturfühler (212) zwischen dem Brennraumdrucksensor (214) und dem Brennraum (224) in mindestens einer Führung (250) geführt ist.