DE102013210966A1

DE102013210966A1 - Verbrennungsmotor, sowie Verfahren zum Steuern des Betriebseines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013210966A1
Application number: DE102013210966.0A
Authority: DE
Inventors: Yasser Mohammed Sayed Yacoub
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2014-12-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors. Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor weist eine Brennkammer (2) und eine Vorkammer (7) auf, wobei die Vorkammer (7) an die Brennkammer (2) über eine Anschlussleitung (8) angeschlossen ist. Die Vorkammer (7) ist als Messkammer ausgelegt, welche eine Mehrzahl von Sensoren (9) zur Messung unterschiedlicher Gaseigenschaften eines in der Vorkammer (7) befindlichen Gases aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors.
Im Betrieb eines Verbrennungsmotors findet typischerweise eine Messung der Eigenschaften des Ansauggases im Ansaugkrümmer statt. Hierbei werden vor allem die Temperatur und der (Lade-)Druck der Ansaugluft ermittelt. Ergänzend hierzu erfolgt i.d.R. auch eine Abschätzung des Restgasanteils im Ansaugdruck (Ladedruck) auf Basis der Abgasrückführungsrate oder auch eine direkte Messung unter Verwendung eines Sauerstoffsensors im Ansaugkrümmer. Darüber hinaus ist auch eine Messung der relativen Luftfeuchtigkeit in der angesaugten Frischluft erforderlich, da diese für die Zusammensetzung des Restgases in der Zylinderladung (verbrannter Massenanteil und Wasserdampfgehalt) von Bedeutung ist.
Wenngleich bei der Messung von Gasdruck und Sauerstoffgehalt mit heutzutage verfügbaren Technologien Sensorsignale in verhältnismäßig kurzer Zeit erhalten werden können, ist die Geschwindigkeit der Temperaturmessung typischerweise dadurch begrenzt bzw. beeinträchtigt, dass bei der Fahrzeugherstellung der Einsatz von Sensortechnologien mit möglichst großer Robustheit gefordert ist. Darüber hinaus ist die Modellierungsgenauigkeit bei der Bestimmung der Zylinderladung vom volumetrischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors abhängig (d.h. dem Verhältnis zwischen effektivem bzw. tatsächlichem zum theoretischen Volumenstrom), welcher sich über die Lebensdauer des Verbrennungsmotors ändert.
Aus EP 1 830 059 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei u.a. ein Ventilmechanismus zur Änderung der Ventilöffnungscharakteristik eines ansaugseitigen Ventils und eines abgasseitigen Ventils und ein Zylinderdrucksensor zur Messung eines Zylinderdruckes in der Brennkammer vorgesehen sind, wobei eine Berechnung der in die Brennkammer eingesaugten Luftmenge basierend auf dem Ansaugluftdruck während einer Ventilüberschneidung zwischen dem ansaugseitigen Ventil und dem abgasseitigen Ventil erfolgt. Des Weiteren wird der Abgasdruck während dieser Ventilüberschneidung basierend auf dem mittels des Zylinderdrucksensors gemessenen Zylinderdruck sowie basierend auf der Last des Verbrennungsmotors abgeschätzt.
Aus JP 2009203952 A ist u.a. ein Verbrennungsmotor mit einer Subkammer bekannt, wobei der Gasinnendruck in dieser Subkammer mittels eines SubkammerDrucksensors gemessen wird und wobei eine Subkammer-Gaszufuhrregelung vorgesehen ist, um den Öffnungsgrad eines Gasdruckregelventils oder eines Gasströmungsregelventils auf Basis des Gasinnendruckes in der Subkammer zu regeln. Dabei ermittelt die Subkammer-Gaszufuhrregelung den Spitzenwert des Gasinnendruckes während des Verdichtungstaktes und ändert gegebenenfalls den Öffnungsgrad des Gasdruckregelventils oder des Gasströmungsregelventils, wenn dieser Spitzenwert außerhalb eines erlaubten Bereiches liegt. Im Ergebnis sollen so Schwankungen im Verbrennungsvorgang vermieden werden.
Aus EP 0 588 593 A2 ist u.a. ein Verbrennungsmotor mit einer Hauptkammer und einer Vorkammer bekannt, wobei eine über ein Steuerventil verschließbare Durchlassöffnung zwischen Hauptkammer und Vorkammer vorgesehen ist. Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Steuerventils vorgesehen, welche das Steuerventil während eines Auslassschrittes und eines Einlassschrittes schließt und das Steuerventil während der letzten Phase des Verdichtungsschrittes öffnet. Ferner ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Kraftstoffeinspritzdüse für die Einspritzung von Kraftstoff in die Vorkammer bei geschlossenem Steuerventil bzw. während des Auslassschrittes vorgesehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche eine zuverlässige Ermittlung von Gaseigenschaften während des Verbrennungsprozesses und einen hierauf basierenden Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 bzw. das Verfahren gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor weist eine Brennkammer und eine Vorkammer auf, wobei die Vorkammer an die Brennkammer über eine Anschlussleitung angeschlossen ist.
Der Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer als Messkammer ausgelegt ist, welche eine Mehrzahl von Sensoren zur Messung unterschiedlicher Gaseigenschaften eines in der Vorkammer befindlichen Gases aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, im Betrieb eines Verbrennungsmotors die Gaseigenschaften direkt während des Verbrennungsprozesses zu messen. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Vorkammer vorgesehen, welche als Messkammer mit einer Mehrzahl von Sensoren ausgestattet ist und über eine Anschlussleitung mit der eigentlichen Brennkammer in Verbindung steht. Nach dem Schließen der Anschlussleitung, insbesondere während des Verbrennungsprozesses, können so in der Vorkammer bzw. Messkammer die relevanten Gaseigenschaften (z. B. Druck, Temperatur, Sauerstoffgehalt und ggf. Restgaszusammensetzung) unter Verwendung der in der Vorkammer befindlichen Sensorelemente bestimmt werden. Diese Gaseigenschaften können dann z. B. mit einer Verzögerung von einem Verbrennungsereignis bzw. während eines nachfolgenden Betriebszyklus z. B. dazu verwendet werden, die optimalen Einstellungen für Luftpfad- und/oder Kraftstoffpfad-Aktuatoren im Verbrennungsmotor zu ermitteln und entsprechend festzulegen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor derart konfiguriert, dass die durch die Anschlussleitung hergestellte Verbindung zwischen Vorkammer und Brennkammer in der Anfangsphase eines Verdichtungstaktes im Betrieb des Verbrennungsmotors geöffnet ist. Des Weiteren ist der Verbrennungsmotor vorzugsweise derart konfiguriert, dass die durch die Anschlussleitung hergestellte Verbindung zwischen Vorkammer und Brennkammer vor Beginn eines Verbrennungsereignisses in der Brennkammer unterbrochen wird. Diese Unterbrechung kann insbesondere mit zunehmender Kompression des in der Brennkammer befindlichen Gases selbsttätig erfolgen.
Während des Verdichtungstaktes ist die durch die Anschlussleitung hergestellte Verbindung zwischen Vorkammer bzw. Messkammer und Brennkammer also zunächst geöffnet mit der Folge, dass die Gaseigenschaften in der Vorkammer bzw. Messkammer einerseits mit den Eigenschaften des in den Zylinder eingeströmten Gases andererseits übereinstimmen. Wenn der Druck innerhalb der Brennkammer aufgrund der Kompression des Gases weiter ansteigt, wird die Anschlussleitung zwischen der Vorkammer bzw. Messkammer und der Brennkammer gesperrt bzw. unterbrochen, noch bevor das Verbrennungsereignis in der Brennkammer stattfindet, woraufhin die vorstehend genannten Gaseigenschaften des in der Vorkammer bzw. Messkammer befindlichen Gases, welche den Gaseigenschaften in der Brennkammer unmittelbar vor dem Schließen der Anschlussleitung entsprechen, mittels der Sensorelemente in der Messkammer gemessen werden können.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor eine Brennkammer und eine Vorkammer aufweist, wobei die Vorkammer an die Brennkammer über eine Anschlussleitung angeschlossen ist. Hierbei wird die Vorkammer als Messkammer verwendet, in welcher während eines in der Brennkammer stattfindenden Verbrennungsereignisses unterschiedliche Gaseigenschaften eines in der Vorkammer befindlichen Gases gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird auf Basis der ermittelten Gaseigenschaften die Einstellung wenigstens eines Luftpfad-Aktuators und/oder wenigstens eines Kraftstoffpfad-Aktuators während eines nachfolgenden Betriebszyklus des Verbrennungsmotors festgelegt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors während eines Verdichtungstaktes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung des Verbrennungsmotors aus 1 während eines Expansionstaktes.
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1 und 2 näher erläutert, wobei 1 den Betriebszustand während eines Verdichtungstaktes zeigt, und wobei 2 den Betriebszustand während eines Expansionstaktes zeigt.
Gemäß 1 bezieht ein Verbrennungsmotor 1 in Form eines Hubkolbenmotors auf seiner Ansaugseite vorverdichtete Luft vom Verdichter 5 eines Turboladers 4, wobei dem Verdichter 5 Frischluft über einen (nicht dargestellten) Luftfilter zugeführt wird. Dabei wird in bekannter Weise der Verdichter 5 des Turboladers 4 durch dessen abgasseitige Turbine 6 über eine gemeinsame Welle angetrieben.
Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Brennkammer 2 mit darin beweglichem Kolben 3 auf, wobei der Zustand gemäß 1 dem Verdichtungstakt und der Zustand gemäß 2 dem Expansionstakt (Arbeitshub) entspricht.
Wie ebenfalls in 1 und 2 schematisch dargestellt, ist an die Brennkammer 2 des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 eine Vorkammer 7 über eine Anschlussleitung 8 angeschlossen. Die Vorkammer 7 weist geeignete Sensorelemente zur Messung der relevanten Gaseigenschaften des in der Vorkammer 7 befindlichen Gases auf, wobei im Ausführungsbeispiel jeweils ein Sensorelement zur Messung von Druck, Temperatur und Sauerstoffgehalt vorgesehen ist.
Gemäß 1 ist während des Verdichtungstaktes die Anschlussleitung 8 zwischen Brennkammer 2 und Vorkammer 7 zunächst geöffnet, was zur Folge hat, dass die vorstehend genannten Zustandsparameter des Gases in Brennkammer 2 und Vorkammer 7 in ihren Werten jeweils übereinstimmen.
Mit zunehmender Kompression des Gases in der Brennkammer 2 und dem damit einhergehenden Druckanstieg in der Brennkammer 2 erfolgt sodann ein Schließen der Anschlussleitung 8 bzw. Unterbrechen der Verbindung zwischen Vorkammer 7 und Brennkammer 2, noch bevor die Zündung und das Verbrennungsereignis in der Brennkammer 2 stattfinden.
Während des auf die Zündung folgenden Expansionstaktes bzw. Arbeitshubs ist gemäß 2 die Vorkammer 7 infolge der geschlossenen Anschlussleitung 8 von der Brennkammer 2 getrennt, so dass die vorstehend genannten Zustandsparameter des in der Vorkammer 7 befindlichen Gases, welche den Zustandsparametern des Gases in der Brennkammer 2 unmittelbar vor dem Schließen der Anschlussleitung 8 entsprechen, mittels der Sensorelemente 9 gemessen werden können. Die so erhaltenen Werte für diese Zustandsparameter (z.B. Druck, Temperatur, Sauerstoffgehalt) können während des nächsten Betriebszyklus (d.h. um ein Verbrennungsereignis verzögert) dazu genutzt werden, die optimalen Einstellungen für die Luftpfad- sowie Kraftstoffpfadaktuatoren festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1830059 A1 [0004]
JP 2009203952 A [0005]
EP 0588593 A2 [0006]

Claims

Verbrennungsmotor, mit einer Brennkammer (2) und einer Vorkammer (7), wobei die Vorkammer (7) an die Brennkammer (2) über eine Anschlussleitung (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (7) als Messkammer ausgelegt ist, welche eine Mehrzahl von Sensoren (9) zur Messung unterschiedlicher Gaseigenschaften eines in der Vorkammer (7) befindlichen Gases aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derart konfiguriert ist, dass die durch die Anschlussleitung (8) hergestellte Verbindung zwischen Vorkammer (7) und Brennkammer (2) in der Anfangsphase eines Verdichtungstaktes im Betrieb des Verbrennungsmotors (1) geöffnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derart konfiguriert ist, dass die durch die Anschlussleitung (8) hergestellte Verbindung zwischen Vorkammer (7) und Brennkammer (2) vor Beginn eines Verbrennungsereignisses in der Brennkammer (2) unterbrochen wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterbrechen dieser Verbindung mit zunehmender Kompression des in der Brennkammer (2) befindlichen Gases selbsttätig erfolgt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer dieser Sensoren (9) ein Temperatursensor ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer dieser Sensoren (9) ein Sauerstoffsensor ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer dieser Sensoren (9) ein Drucksensor ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derart konfiguriert ist, dass auf Basis der ermittelten Gaseigenschaften die Einstellung wenigstens eines Luftpfad-Aktuators und/oder wenigstens eines Kraftstoffpfad-Aktuators während eines nachfolgenden Betriebszyklus erfolgt.
Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor eine Brennkammer (2) und eine Vorkammer (7) aufweist, wobei die Vorkammer (7) an die Brennkammer (2) über eine Anschlussleitung (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (7) als Messkammer verwendet wird, in welcher während eines in der Brennkammer (2) stattfindenden Verbrennungsereignisses unterschiedliche Gaseigenschaften eines in der Vorkammer (7) befindlichen Gases gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der ermittelten Gaseigenschaften die Einstellung wenigstens eines Luftpfad-Aktuators und/oder wenigstens eines Kraftstoffpfad-Aktuators während eines nachfolgenden Betriebszyklus des Verbrennungsmotors festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das der Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestaltet ist.