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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Auftretens einer Vorentflammung in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, eine entsprechende Vorrichtung und ein Fahrzeug mit der Vorrichtung.
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Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung und innerer Gemischbildung, beispielsweise Ottomotoren, kann insbesondere in Verbindung mit einer Hochaufladung, beispielsweise mithilfe eines Kompressors oder eines Turboladers, eine verstärkte Neigung zu Vorentflammungen auftreten. Als Vorentflammung wird in diesem Zusammenhang eine irreguläre nicht gewünschte Verbrennung bezeichnet, bei welcher bereits vor Einleitung einer Zündung über eine Zündkerze Teile des Luft-Kraftstoff-Gemischs gezündet und verbrannt werden. Diese Vorentflammungen treten somit vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt, gegebenenfalls sogar bereits in der Kompressionsphase, auf. Ursachen für Vorentflammungen sind beispielsweise Selbstentzündungen an heißen exponierten Stellen im Brennraum, Ladungsinhomogenitäten und ein gesteigertes Temperaturniveau im Brennraum. Vorentflammungen können zu einem unrunden Lauf und einem erhöhten Verschleiß der Brennkraftmaschine führen. Insbesondere bei hohen Aufladungsgraden bei einem Turbomotor oder Bi-Turbomotor werden insbesondere bei niedrigen Drehzahlen späte Zündwinkel gewählt, um eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Dies kann das Auftreten von Vorentflammungen weiter begünstigen.
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In diesem Zusammenhang ist aus der Druckschrift
DE 10 2009 008 247 B3 ein Verfahren zur Erkennung von Vorentflammungen bei einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Bei dem Verfahren wird auf der Grundlage der Signale der Abtastung eines Geberrades eine Folge von Winkelwerten der Kurbel- oder Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine bestimmt und auf der Grundlage eines Vergleichs aufeinanderfolgender Winkelwerte erfolgt eine Erkennung von Vorentflammungen. Dabei ist es vorgesehen, Werte für die Änderung der Drehgeschwindigkeit der Kurbel- oder Nockenwelle zwischen vorangegangenen und nachfolgenden Abtast- bzw. Winkelwerten des Geberrades zu bilden und den jeweils maximalen Wert für die Änderung der Drehgeschwindigkeit der Kurbel- oder Nockenwelle zu bestimmen. Weiterhin wird über die maximalen Werte für die Änderung der Drehgeschwindigkeit der Kurbel- oder Nockenwelle für vorangegangene Bereiche des Arbeitsspiels, d.h. insbesondere für die entsprechenden Segmente in vorangegangenen Arbeitsspielen, eine statistische Größe, wie z.B. ein gleitender Median, ermittelt und eine Gegenüberstellung eines maximalen Werts für die Änderung der Drehgeschwindigkeit der Kurbel- oder Nockenwelle eines Bereichs eines aktuellen Arbeitsspiels mit dem gleitenden Median durchgeführt. Wenn der maximale Wert für die Änderung der Drehgeschwindigkeit der Kurbel- oder Nockenwelle des Bereichs des aktuellen Arbeitsspiels einen bestimmten Abstand zu dem gleitenden Median überschreitet, wird eine Vorentflammung erkannt. Daher ist das Verfahren nach der Druckschrift
DE 10 2009 008 247 B3 verhältnismäßig rechenintensiv und erfordert somit eine verhältnismäßig aufwändige Verarbeitungseinheit.
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Weiterhin ist in dem Stand der Technik bekannt, eine Vorentflammung mithilfe einer lonenstromerfassung zu erkennen. Die lonenstromerfassung bedingt jedoch einen nicht unerheblichen zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges und kostengünstig realisierbares Verfahren zur Erkennung von Vorentflammungen in einem Brennraum eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Auftretens einer Vorentflammung in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ist gekennzeichnet durch die Schritte:
- - Bestimmen einer aktuellen Zeitdauer für eine Bewegung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich innerhalb eines Arbeitsspiels, und
- - Bestimmen, ob in dem Arbeitsspiel im Brennraum eines Zylinders in Abhängigkeit von der aktuellen Zeitdauer und einem vorbestimmten Zeitschwellenwert eine Vorentflammung aufgetreten ist, wobei der vorbestimmte Zeitschwellenwert in Abhängigkeit von einem Kennfeld und Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und/oder bei einem vorhergehenden Arbeitsspiel des gleichen Zylinders oder anderer Zylinder bestimmt wird, und
- - Bestimmen der aktuellen Zeitdauer für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich vor einem oberen Totpunkt des Zylinders innerhalb eines Arbeitsspiels und Vorbestimmen eines Zeitschwellenwertes, und
- - Bestimmen der aktuellen Zeitdauer für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich nach einem oberen Totpunkt des Zylinders und Vorbestimmen eines Zeitschwellenwertes, und
- - Bestimmen einer Zeitdifferenz zwischen der aktuellen Zeitdauer und der aktuellen Zeitdauer, und
- - Bestimmen, basierend auf einem Vergleich der Zeitdifferenz mit einem vorbestimmten Zeitdifferenzschwellenwert, ob in dem Arbeitsspiel in dem Brennraum des Zylinders eine Vorentflammung aufgetreten ist.
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Zudem wird eine Vorrichtung beansprucht, die zur Bestimmung eines Auftretens einer Vorentflammung in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung einen Eingang zum Koppeln der Vorrichtung mit einem Kurbelwellensensor der Brennkraftmaschine umfasst, welcher ein Signal zur Bestimmung einer Winkelposition einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bereitstellt, und die eine Verarbeitungseinheit aufweist, welche ausgestaltet ist, das Auftreten einer Vorentflammung zu erkennen, durch
- - einen Eingang zum Koppeln der Vorrichtung mit einem Kurbelwellensensor der Brennkraftmaschine, welcher ein Signal zur Bestimmung einer Winkelposition einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bereitstellt, und
- - eine Verarbeitungseinheit, welche ausgestaltet ist, das Auftreten einer Vorentflammung zu erkennen, durch
- - Bestimmen einer aktuellen Zeitdauer durch die Verarbeitungseinheit für eine Bewegung einer Kurbelwelle mittels des Kurbelwellensensors der Brennkraftmaschine über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich innerhalb eines Arbeitsspiels mittels des Kurbelwellensensors, und
- - Bestimmen, ob in dem Arbeitsspiel im Brennraum eines Zylinders in Abhängigkeit von der aktuellen Zeitdauer und einem in der Verarbeitungseinheit vorbestimmten Zeitschwellenwert eine Vorentflammung aufgetreten ist, wobei der vorbestimmte Zeitschwellenwert in der Verarbeitungseinheit in Abhängigkeit von einem Kennfeld und Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und/oder bei einem vorhergehenden Arbeitsspiel des gleichen Zylinders oder anderer Zylinder bestimmt wird, und
- - Bestimmen der aktuellen Zeitdauer durch die Verarbeitungseinheit für eine Bewegung der Kurbelwelle mittels des Kurbelwellensensors über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich vor einem oberen Totpunkt des Zylinders innerhalb eines Arbeitsspiels und Vorbestimmen eines Zeitschwellenwertes in der Verarbeitungseinheit, und
- - Bestimmen der aktuellen Zeitdauer durch die Verarbeitungseinheit für eine Bewegung der Kurbelwelle mittels des Kurbelwellensensors über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich nach einem oberen Totpunkt des Zylinders und Vorbestimmen eines Zeitschwellenwertes in der Verarbeitungseinheit, und
- - Bestimmen einer Zeitdifferenz zwischen der aktuellen Zeitdauer und der aktuellen Zeitdauer, und
- - Bestimmen, basierend auf einem Vergleich der Zeitdifferenz mit einem vorbestimmten Zeitdifferenzschwellenwert durch die Verarbeitungseinheit, ob in dem Arbeitsspiel in dem Brennraum des Zylinders eine Vorentflammung aufgetreten ist.
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Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen eines Auftretens einer Vorentflammung in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bereit. Bei dem Verfahren wird eine Zeitdauer für eine Bewegung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich bei einem aktuellen Arbeitsspiel bestimmt und in Abhängigkeit von der Zeitdauer und einem vorbestimmten Zeitschwellenwert bestimmt, ob in dem Zylinder in dem Arbeitsspiel eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht.
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Durch eine geeignete Wahl des vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereichs kann allein anhand der Zeitdauer, welche die Kurbelwelle zum Überschreiten des vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereichs benötigt, bestimmt werden, ob eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht. Das Bestimmen der Zeitdauer für die Bewegung der Kurbelwelle über den vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich kann beispielsweise mithilfe eines hochauflösenden Kurbelwellensensors erfolgen, welcher üblicherweise an modernen Brennkraftmaschinen ohnehin vorhanden ist. Da nur eine Zeitdauer zu bestimmen ist und diese mit einem vorbestimmten Zeitschwellenwert zu vergleichen ist, benötigt das Verfahren eine verhältnismäßig geringe Rechenleistung und kann daher kostengünstig realisiert werden.
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Es wird die Zeitdauer tv für eine Bewegung der Kurbelwelle über den vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich wv vor einem oberen Totpunkt des Zylinders bei dem Arbeitsspiel bestimmt und in Abhängigkeit von der Zeitdauer tv und einem vorbestimmten Zeitschwellenwert sv bestimmt, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist.
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Der vorbestimmte Kurbelwellenwinkelbereich wv kann beispielsweise einen Kurbelwellenwinkelbereich von 30° vor dem oberen Totpunkt des Zylinders bis zum oberen Totpunkt des Zylinders bei einem Kompressionstakt des Zylinders umfassen. Wenn eine Vorentflammung bereits im Kompressionstakt des Zylinders auftritt, wird der Kompressionstakt durch die Vorentflammung zeitlich verlängert, da neben den Kompressionskräften nun zusätzlich auch eine Kraft aufgrund der Vorentflammung auf einen Kolben des Zylinders wirkt und dadurch abbremst, wodurch der vorbestimmte Winkelbereich wv langsamer überschritten wird. Somit kann eine Vorentflammung im Kompressionstakt des Zylinders zuverlässig und auf einfache Art und Weise erkannt werden.
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Dabei wird als Zeitdauer die Zeitdauer tn für eine Bewegung der Kurbelwelle über den vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt des Zylinders bei dem Arbeitsspiel bestimmt und in Abhängigkeit von der Zeitdauer tn und dem vorbestimmten Zeitschwellenwert sn bestimmt, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist.
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Der vorbestimmte Kurbelwellenwinkelbereich wn kann beispielsweise einen Winkelbereich vom oberen Totpunkt des Zylinders bis zum Zündwinkel des Zylinders umfassen. Wenn in dem Kurbelwellenwinkelbereich wn eine Vorentflammung auftritt, wird ein Kolben in dem Zylinder bereits vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt durch Kräfte der Vorentflammung beschleunigt und somit der vorbestimmte Kurbelwellenwinkelbereich in einer kürzeren Zeitdauer als erwartet überschritten. Somit ist eine Bestimmung einer Vorentflammung in dem Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt des Zylinders auf einfache Art und Weise zuverlässig bestimmbar.
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Zudem wird eine Zeitdauer tv für eine Bewegung der Kurbelwelle über dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich wv vor einem oberen Totpunkt des Zylinders bei einem Arbeitsspiel bestimmt und zusätzlich eine Zeitdauer tn für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt des Zylinders bei dem Arbeitsspiel bestimmt. In Abhängigkeit von der Zeitdauer tv und dem vorbestimmten Zeitschwellenwert sv sowie in Abhängigkeit von der Zeitdauer tn und dem vorbestimmten Zeitschwellenwert sn wird bestimmt, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist. Basierend auf dem Vergleich der Zeitdauer tv mit dem vorbestimmten Zeitschwellenwert sv wird dabei eine Vorentflammung vor dem oberen Totpunkt und basierend auf dem Vergleich der Zeitdauer tn mit dem vorbestimmten Zeitschwellenwert sn eine Vorentflammung nach dem oberen Totpunkt angezeigt.
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Somit werden Vorentflammungen sowohl vor dem oberen Totpunkt als auch nach dem oberen Totpunkt zuverlässig erkannt.
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Die Erfindung ist mit einfachen Mitteln, insbesondere mit einem zumeist ohnehin vorhandenen hochauflösenden Kurbelwellensensor und einer Motorelektronik realisiert, ohne dass in der Motorelektronik eine erhebliche zusätzliche Rechenleistung benötigt wird.
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Es wird die Zeitdauer tv für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich wv vor einem oberen Totpunkt des Zylinders der Brennkraftmaschine bei einem Arbeitsspiel bestimmt und die Zeitdauer tn für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt des Zylinders bei dem Arbeitsspiel bestimmt.
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Weiterhin wird eine Zeitdifferenz td zwischen der Zeitdauer tv und der Zeitdauer tn bestimmt und in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz td und einen vorbestimmten Zeitschwellenwert sd bestimmt, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist.
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Wenn vor dem oberen Totpunkt eine Vorentflammung auftritt, vergrößert sich, wie zuvor beschrieben, die Zeitdauer tv und somit die Zeitdifferenz td.
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Wenn eine Vorentflammung nach dem oberen Totpunkt auftritt, verkürzt sich, wie zuvor beschrieben, die Zeitdauer tn und somit vergrößert sich die Zeitdifferenz td.
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Eine Vergrößerung der Zeitdifferenz td zeigt daher zuverlässig eine Vorentflammung vor oder nach dem oberen Totpunkt an und kann daher beispielsweise durch Vergleichen mit dem vorbestimmten Zeitschwellenwert sd für eine zuverlässige und einfache Bestimmung eines Auftretens einer Vorentflammung verwendet werden.
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Der Zeitschwellenwert, also beispielsweise der Zeitschwellenwert sv, der Zeitschwellenwert sn oder der Zeitdifferenzschwellenwert sd, kann in Abhängigkeit von einer Zeitdauer für eine Bewegung der Kurbelwelle über den entsprechenden vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich, beispielsweise den Kurbelwellenwinkelbereich wv oder wn, desselben Zylinders der Brennkraftmaschine bei einem vorhergehenden Arbeitsspiel bestimmt werden.
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Beispielsweise kann ein gleitender Mittelwert über entsprechende Zeitdauern in vorhergehenden Arbeitsspielen bestimmt werden und als vorbestimmter Zeitschwellenwert zur Beurteilung des aktuellen Arbeitsspiels verwendet werden.
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Insbesondere bei gleichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kann eine Beurteilung, ob in dem aktuellen Arbeitsspiel eine Vorentflammung aufgetreten ist, indem ein Vergleich der Zeitdauer des aktuellen Arbeitsspiels mit dem vorbestimmten Zeitschwellenwert auf der Grundlage vorhergehender Arbeitsspiele durchgeführt wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird der vorbestimmte Zeitschwellenwert in Abhängigkeit einer Zeitdauer für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen Kurbelwellenwinkelbereich bestimmt, welcher bezogen auf den oberen Totpunkt eines anderen Zylinders der Brennkraftmaschine dem Kurbelwellenwinkelbereich entspricht.
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Anders ausgedrückt werden die Zeitschwellenwerte sv, sn oder der vorbestimmte Zeitdifferenzschwellenwert sd aus entsprechenden Zeitdauern tv, tn bzw. td der anderen Zylinder der Brennkraftmaschine vorbestimmt.
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Die vorbestimmten Zeitschwellenwerte und somit der vorbestimmte Zeitdifferenzschwellenwert können beispielsweise als Mittelwert der entsprechenden Zeitdauern der anderen Zylinder der Brennkraftmaschine gebildet werden.
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Somit werden die Zeitdauern für die Bewegung der Kurbelwelle über die entsprechenden vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich der mehreren Zylinder untereinander in Bezug gesetzt, um das Auftreten der Vorentflammung zu bestimmen. Dadurch ist das Verfahren auch bei wechselnden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zuverlässig verwendbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der vorbestimmte Zeitschwellenwert in Abhängigkeit von einem Kennfeld und Betriebsdaten der Brennkraftmaschine bestimmt. Darüber hinaus kann das Kennfeld in Abhängigkeit von der Bestimmung, ob in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht, adaptiert werden.
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Durch die Verwendung des Kennfelds und der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine kann die Vorentflammung in unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zuverlässig erkannt werden. Durch das Adaptieren des Kennfelds kann das Kennfeld an Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine angepasst werden, welche beispielsweise nicht über Sensoren erfasst werden, wie zum Beispiel eine Kraftstoffqualität oder ein gesteigertes Temperaturniveau an exponierten Stellen im Brennraum.
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Der Kurbelwellenwinkelbereich, insbesondere der Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt, kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Zündwinkel des Zylinders, einem Brennverzug einer Zündung in dem Zylinder und/oder einem Trägheitsmoment der Brennkraftmaschine eingestellt werden. Beispielsweise kann der Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt einen Endwinkel aufweisen, welcher den Zündwinkel des Zylinders plus einem Winkel aufgrund eines Brennverzugs einer Zündung in dem Zylinder plus einem Winkel aufgrund eines Trägheitsmoments der Brennkraftmaschine aufweisen. Dadurch deckt der Kurbelwellenwinkelbereich einen Wirkbereich einer Vorentflammung bis zum Einsetzen einer Wirkung der über die Zündung eingeleiteten Verbrennung ab. Ein Startwinkel des Kurbelwellenwinkelbereichs wn nach dem oberen Totpunkt kann beispielsweise im Wesentlichen dem oberen Totpunkt des Zylinders entsprechen. Vorzugsweise befindet sich der Kurbelwellenwinkelbereich nach dem oberen Totpunkt in dem Arbeitstakt des Zylinders. Der Kurbelwellenwinkelbereich wv befindet sich vorzugsweise in einem Verdichtungstakt des Zylinders und beginnt beispielsweise 30° vor dem oberen Totpunkt und endet im Wesentlichen beim oberen Totpunkt. Dadurch decken der Kurbelwellenwinkelbereich wv vor dem oberen Totpunkt und der Kurbelwellenwinkelbereich wn nach dem oberen Totpunkt den gesamten kritischen Bereich für eine Vorentflammung ab, wodurch eine Vorentflammung zuverlässig erkannt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in Abhängigkeit davon, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht, für ein nachfolgendes Arbeitsspiel ein Zündwinkel des Zylinders, eine Kraftstoffeinspritzmenge in den Zylinder oder ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt oder mehrere Kraftstoffeinspritzzeitpunkte für den Zylinder angepasst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zum Bestimmen eines Auftretens einer Vorentflammung in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bereitgestellt.
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Die Vorrichtung umfasst einen Eingang zum Koppeln der Vorrichtung mit einem Kurbelwellensensor der Brennkraftmaschine und eine Verarbeitungseinheit.
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Der Kurbelwellensensor stellt ein Signal zur Bestimmung einer Winkelposition einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bereit. Die Verarbeitungseinheit ist ausgestaltet, die Zeitdauer für eine Bewegung der Kurbelwelle über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich bei einem Arbeitsspiel zu bestimmen und in Abhängigkeit von der Zeitdauer und dem vorbestimmten Zeitschwellenwert zu bestimmen, ob in dem Zylinder in dem Arbeitsspiel eine Vorentflammung aufgetreten ist.
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Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise Teil einer Motorelektronik sein. Aufgrund der einfachen Art der Bestimmung, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht, benötigt die Verarbeitungseinheit nur eine geringe Rechenleistung und kann daher kostengünstig realisiert werden.
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Der Kurbelwellensensor zur Bestimmung der Winkelposition der Kurbelwelle ist bei modernen Brennkraftmaschinen üblicherweise vorgesehen, so dass zur Bestimmung der Winkelposition keine zusätzlichen gerätetechnischen Aufwände entstehen.
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Die Vorrichtung ist zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahren ausgestaltet und umfasst daher auch die Vorteile der zuvor beschriebenen Verfahren.
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Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelwellensensor und die zuvor beschriebene Vorrichtung umfasst.
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In der obigen Zusammenfassung der Erfindung werden Kurbelwellenwinkelbereiche verwendet, welche beispielsweise mit einem Kurbelwellensensor erfasst werden können. Alternativ können die Kurbelwellenwinkelbereiche auch mit einem entsprechenden Sensor an einer Nockenwelle oder einer weiteren sich drehenden Einheit der Brennkraftmaschine erfasst werden, welche sich in Abhängigkeit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine dreht.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
- 1 zeigt Zylinderdruckverläufe bei Verbrennungen mit und ohne Vorentflammung.
- 2 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt drei Zylinderdruckverläufe 1-3 in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, In der in 1 gewählten Darstellung wird ein oberer Totpunkt eines in dem Zylinder angeordneten Kolbens bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° erreicht.
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Der Zylinderdruckverlauf 1 zeigt einen Verlauf des Drucks im Zylinder ohne Vorentflammung, d.h. bei einer regulären Verbrennung, welche beispielsweise mit Hilfe einer Zündkerze bei einem vorgegebenen Zündwinkel 4 eingeleitet wird.
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In einem Kompressionstakt, welcher im Kurbelwellenwinkelbereich von -90° bis 0° verläuft, steigt der Druck im Zylinder bis zum oberen Totpunkt bei einem Kurbelwellenwinkel von 0° an.
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Danach bewegt sich der Kolben wieder nach unten, so dass der Druck absinkt. Bei dem in 1 gezeigten Zündwinkel 4 von beispielsweise näherungsweise 12° wird ein zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder entzündet.
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Nach einer kurzen Verzögerung steigt der Druck im Zylinder im Kurbelwellenwinkelbereich von näherungsweise 20°-35° aufgrund der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem Zylinder stark an.
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Die Verzögerung zwischen dem Zündwinkel 4 und dem Winkel, ab welchem der Druck in dem Zylinder rasch ansteigt, entsteht durch einen Brennverzug der Zündung in dem Zylinder.
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Aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens in dem Zylinder vergrößert sich das Volumen in dem Zylinder, wodurch der Druck im weiteren Verlauf des Arbeitstakts absinkt, wie in 1 ab dem Kurbelwellenwinkel von ca. 35° gezeigt ist.
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1 zeigt weiterhin einen Zylinderdruckverlauf 2, welcher aufgrund einer Vorentflammung 5 vor dem oberen Totpunkt in dem Zylinder auftritt. Bis zum Vorentflammpunkt 5 entspricht der Druckverlauf 2 dem zuvor beschriebenen Druckverlauf 1.
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Durch die Vorentflammung am Vorentflammpunkt 5 steigt der Druck in dem Zylinder bereits vor dem oberen Totpunkt stark an. Auch unmittelbar nach dem oberen Totpunkt herrscht in dem Zylinder verglichen mit dem Zylinderdruckverlauf 1 ein erheblich höherer Druck. Da die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erheblich früher eingesetzt hat, herrscht in dem Zylinder nach dem oberen Totpunkt und auch zum Zeitpunkt des Zündwinkels 4 ein erheblich höherer Druck als beim regulären Druckverlauf 1. Dieser geänderte Druckverlauf hat einen erheblichen Einfluss auf die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder und somit auf die Zeiten, die benötigt werden, damit die Kurbelwelle die in 1 markierten Kurbelwellenwinkelbereiche wv und wn überschreitet.
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Durch den starken Druckanstieg vor dem oberen Totpunkt wird der Kolben zwischen dem Vorentflammpunkt 5 und dem oberen Totpunkt erheblich stärker als bei der regulären Verbrennung gemäß Zylinderdruckverlauf 1 abgebremst. Dadurch wird die Zeit, welche die Kurbelwelle benötigt, um den Kurbelwellenwinkelbereich wv zu überschreiten, erheblich verlängert.
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Umgekehrt wird nach dem oberen Totpunkt durch den hohen Druck im Zylinder (Zylinderdruckverlauf 2) der Kolben stark beschleunigt, so dass die Kurbelwelle den Kurbelwellenwinkelbereich wn erheblich schneller überschreitet als bei einer regulären Verbrennung gemäß Druckverlauf 1.
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Somit wird eine Zeit tv zum Überschreiten des Kurbelwellenwinkelbereichs wv durch die Vorentflammung 5 verlängert und eine Zeit tn zum Überschreiten des Kurbelwellenwinkelbereichs wn durch die Vorentflammung 5 verglichen mit der regulären Verbrennung verkürzt.
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Auf der Basis eines Vergleichs der Zeitdauern tv und tn mit entsprechenden vorbestimmten Zeitschwellenwerten, welche beispielsweise aus einem Kennfeld oder aus vorhergehenden Verbrennungen desselben Zylinders oder anderer Zylinder bestimmt werden, kann somit die Vorentflammung 5 erkannt werden.
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Beispielsweise kann die Vorentflammung erkannt werden, wenn die Zeit tv um einen vorbestimmten Betrag oder um ein vorbestimmtes Verhältnis größer als eine vorhergehende Zeitdauer tv ist.
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Ebenso kann eine Vorentflammung zum Vorentflammpunkt 5 festgestellt werden, wenn die Zeitdauer tn um einen vorbestimmten Betrag oder um einen vorbestimmten Faktor kleiner als eine entsprechende Zeitdauer tn bei einem vorherigen Arbeitsspiel ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann einen Zeitdifferenz td aus den Zeitdauern tv und tn zu td = tv-tn bestimmt werden. Diese Zeitdifferenz td kann wiederum mit einem entsprechenden vorbestimmten Zeitdifferenzschwellenwert sd verglichen werden, um zu bestimmen, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht.
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Da tv bei der Vorentflammung 5 größer wird und tn bei der Vorentflammung 5 kleiner wird, wird die Zeitdifferenz td bei der Vorentflammung 5 insgesamt größer, so dass eine Vorentflammung erkannt werden kann, wenn die Zeitdifferenz td den vorbestimmten Zeitdifferenzschwellenwert sd überschreitet.
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Der vorbestimmte Zeitdifferenzschwellenwert sd kann beispielsweise aus einem Kennfeld oder vorhergehenden Zeitdifferenzen desselben oder der anderen Zylinder der Brennkraftmaschine bestimmt werden.
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1 zeigt weiterhin einen Zylinderdruckverlauf 3, welcher eintritt, wenn eine Vorentflammung zum Vorentflammpunkt 6 in dem Zylinder auftritt, wobei der Vorentflammpunkt 6 nach dem oberen Totpunkt eintritt.
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Der Druck im Zylinder bis zum Vorentflammpunkt 6 entspricht dem Druck im Zylinder bei der regulären Verbrennung, welche in 1 durch den Zylinderdruckverlauf 1 dargestellt ist. Durch die Vorentflammung 6 steigt der Druck im Zylinder jedoch deutlich früher als bei der regulären Verbrennung an. Dadurch wird der Kolben in dem Zylinder im Arbeitstakt stärker beschleunigt, so dass der Winkelbereich wn verglichen mit der regulären Verbrennung erheblich schneller überschritten wird.
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Eine Zeitdauer tn zum Überschreiten des Winkelbereichs wn ist damit im Fall der Vorentflammung 6 kürzer als bei der regulären Verbrennung.
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Die Zeitdauer tv zum Überschreiten des Winkelbereichs wv ist hingegen im Wesentlichen gleich der Zeit tv bei der regulären Verbrennung.
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Auf der Basis eines Vergleichs der Zeit tn mit einem vorbestimmten Zeitschwellenwert sn, wie es zuvor im Zusammenhang mit dem Zylinderdruckverlauf 2 beschrieben wurde, kann eine Vorentflammung 6 nach dem oberen Totpunkt erkannt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Zeitdifferenz td aus den Zeitdauern tv und tn bestimmt werden und daraus, wie es zuvor im Zusammenhang mit dem Zylinderdruckverlauf 2 beschrieben wurde, diese Vorentflammung 6 nach dem oberen Totpunkt erkannt werden.
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Eine Erfassung der aktuellen Position der Kurbelwelle kann beispielsweise mithilfe eines Geberrades an der Kurbelwelle und einem Kurbelwellensensor erfolgen. Das Geberrad kann beispielsweise ein so genanntes 60-2-Geberrad sein, an dessen Umfang Zähne im Abstand von 6° angeordnet sind und von einer vorbestimmten Stelle eine Zahnlücke zur Bestimmung der absoluten Position des Geberrads vorgesehen ist. Somit ist eine Auflösung der Bestimmung der Winkelposition der Kurbelwelle von 6° möglich. In Verbindung mit einer Zeitbasis können die Zeiten tn bzw. tv aus der Winkelposition der Kurbelwelle im Betrieb der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Der Kurbelwellenwinkelbereich wv kann beispielsweise einen Bereich von -30° bis 0° Kurbelwellenwinkel umfassen, d.h. der Kurbelwellenwinkelbereich wn beginnt bei einem Referenzzahn 7 und endet beispielsweise fünf Zähne später bei einem Referenzzahn 8 beim oberen Totpunkt des Zylinders. Der Kurbelwellenwinkelbereich wn kann beispielsweise beim Referenzzahn 8 beginnen und beispielsweise drei Zähne später beim Referenzzahn 9 bei einem Kurbelwellenwinkel von +18° enden. Der Referenzzahn 9 kann darüber hinaus in Abhängigkeit von dem Zündwinkel 4 bestimmt werden. Beispielsweise kann der Referenzzahn 9 derart gewählt werden, dass er zumindest nach dem Zündwinkel 4 plus einer Zündverzögerung liegt.
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Das Bestimmen der Zeitdauern tv und tn ist somit mithilfe der Zeitbasis und dem Kurbelwellensensor auf einfache Art und Weise möglich. Da nur zwei Zeitfenster tn und tv bestimmt werden müssen, wird nur eine sehr geringe Rechenleistung benötigt. Auch die Auswertung der Zeitdauern tv und tn ist, wie zuvor beschrieben wurde, verhältnismäßig einfach zu realisieren und kann daher kostengünstig in eine bestehende Motorelektronik integriert werden. Durch den verhältnismäßig großen Abstand zwischen den auszuwertenden Referenzzähnen 7-9 ist die Auswertung fehlertolerant gegenüber kleineren Zahnfehlern oder Erfassungsfehlern des Kurbelwellensensors.
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Wie zuvor beschrieben, können die vorbestimmten Zeitschwellenwerte, mit denen die Zeitdauern tn und tv bzw. die Zeitdifferenz td verglichen werden, aus vorhergehenden Arbeitszyklen des gleichen Zylinders oder aus Arbeitszyklen anderer Zylinder der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Darüber hinaus können die vorbestimmten Zeitschwellenwerten mithilfe eines Kennfelds bestimmt werden, welches beispielsweise mithilfe eines Referenzmotors erstellt wird und welches im Betrieb der Brennkraftmaschine an die Brennkraftmaschine adaptiert wird. In das Kennfeld können verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine eingehen, beispielsweise ein Saugrohrdruck beim Schließen der Einlassventile, eine Zylindergasfüllung, ein Luftverhältnis (Ä), ein Restgas, eine Abgasrückführungseinstellung, eine Drehzahl oder eine Last der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus können die vorbestimmten Zeitschwellenwerte auch mithilfe einer Dynamikkorrektur adaptiert werden, welche die vorbestimmten Zeitschwellenwerte in Abhängigkeit eines Drehzahlgradienten der Brennkraftmaschine korrigiert.
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In Abhängigkeit davon, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist oder nicht, können Parameter der Brennkraftmaschine verändert werden, um gegebenenfalls eine Vorentflammung in nachfolgenden Arbeitsspielen zu verhindern. Beispielsweise können ein Zündwinkel 4 oder eine Abgasrückführungsrate verändert werden.
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2 zeigt ein Fahrzeug 10 mit einer Brennkraftmaschine 11 und einer Vorrichtung 12. Die Brennkraftmaschine 11 umfasst vier Zylinder 13, welche auf einer gemeinsamen Kurbelwelle 14 arbeiten. An der Kurbelwelle 14 ist ein Geberrad angebracht, welches zusammen mit einem Drehwinkelsensor 15 ein hoch aufgelöstes Kurbelwellensignal für die Vorrichtung 12 bereitstellt. Die Vorrichtung 12 ist über einen Eingang 16 mit dem Kurbelwellenwinkelsensor 15 gekoppelt. Die Vorrichtung 12 kann beispielsweise ein Teil einer Motorelektronik der Brennkraftmaschine 11 oder eine gesonderte Vorrichtung sein. Die Vorrichtung 12 kann eine elektronische Steuerung, beispielsweise einen Mikroprozessor, umfassen. Weiterhin kann die Vorrichtung 12 die zuvor beschriebene Zeitbasis umfassen. Die Vorrichtung 12 ist zur Durchführung des im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen eines Auftretens einer Vorentflammung in einem Brennraum der Zylinder 13 ausgestaltet. Dazu bestimmt die Vorrichtung 12 eine Zeitdauer für eine Bewegung der Kurbelwelle 14 über einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich bei einem Arbeitsspiel und bestimmt in Abhängigkeit von der Zeitdauer und einem vorbestimmten Zeitschwellenwert, ob in dem Arbeitsspiel in dem Zylinder eine Vorentflammung aufgetreten ist.
