DE102014111889A1

DE102014111889A1 - Verfahren zur Vermeidung von Vorentflammungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102014111889A1
Application number: DE102014111889.8A
Authority: DE
Inventors: Ruben Emiel Bergh
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2016-02-25
Also published as: US20160053703A1; US9745912B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Vermeidung von Vorentflammungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei ein Geräuschpegel des Verbrennungsvorgangs mittels eines Beschleunigungsaufnehmers gemessen wird, wobei zur Erkennung von Vorentflammungen die Amplitude des gemessenen Geräuschpegels analysiert wird und wobei ein Sicherheitsbetriebsmodus des Verbrennungsmotors zur Reduktion der effektiven Verdichtung im Brennraum des Verbrennungsmotors dauerhaft aktiviert wird, wenn bei der Analyse der gemessene Geräuschpegel (10) eines Verbrennungszyklus einen Grenzwert n-fach überschreitet und wobei der der Sicherheitsbetriebsmodus (5) aktiviert bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Vorentflammungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, dass sogenannte Vorentflammungen bei Verbrennungsmotoren zu hohen Verbrennungsdrücken führen, welche in der Regel stark klopfende Verbrennungen und infolge dessen Motorschädigungen herbeiführen.
Aus dem Stand der Technik beispielsweise der DE 100 43 498 A1 ist bekannt, die Klopfintensität bei der Verbrennung über einen Beschleunigungsaufnehmer zu messen und zu überwachen. Wenn ein verstärktes Klopfen des Verbrennungsmotors detektiert wird, werden von der Motorsteuerung automatisch kurzfristig Maßnahmen eingeleitet, welche das Klopfen des Motors reduzieren.
Nachteilig an dieser Verfahrensweise ist, dass der Neigung des Verbrennungsmotors zu Vorentflammungen erst dann durch geeignete Maßnahmen entgegen gewirkt wird, wenn ein Klopfen des Verbrennungsmotors bereits aufgetreten ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur dauerhaften Vermeidung von Vorentflammungen zur Verfügung zu stellen, bei welchem für die Einleitung von Gegenmaßnahmen gegen Vorentflammungen nicht jedes Mal das erneute Auftreten von Vorentflammungen und damit klopfenden Verbrennungen notwendig ist.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst mit einem Verfahren zur Vermeidung von Vorentflammungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei ein Geräuschpegel des Verbrennungsvorgangs mittels eines Beschleunigungsaufnehmers gemessen wird und wobei zur Erkennung von Vorentflammungen die Amplitude des gemessenen Geräuschpegels analysiert wird und wobei ferner ein Sicherheitsbetriebsmodus des Verbrennungsmotors zur Reduktion der effektiven Verdichtung im Brennraum des Verbrennungsmotors dauerhaft aktiviert wird, wenn bei der Analyse des gemessenen Geräuschpegels eine n-fache Überschreitung eines Amplitudengrenzwertes durch den gemessenen Geräuschpegel detektiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass bei Detektion von Vorentflammungen dauerhafte Maßnahmen zur Vermeidung von Vorentflammungen eingeleitet werden. In nachfolgenden Verbrennungszyklen wird somit das Auftreten von Vorentflammungen unterdrückt, auch dann wenn keine erneuten Vorentflammungen mehr auftreten oder detektierbar sind. Vorzugsweise ist die Aktivierung des Sicherheitsbetriebsmodus zur dauerhaften Vermeidung von Vorentflammungen parallel zu kurzfristig einleitbaren Maßnahmen zur Reduktion von Motorklopfen möglich. Denkbar ist, dass bei niedrigen Amplituden des Geräuschpegels die üblichen kurzfristigen Maßnahmen zur Vermeidung des Klopfens eingeleitet werden und dass der Sicherheitsbetriebsmodus erst dann aktiviert, wenn der gemessene Geräuschpegel einen höheren Amplitudengrenzwert überschreitet oder der höhere Amplitudengrenzwert wenigstens n-mal überschritten wird (mit n > 1). Als dauerhafte Reaktion auf auftretende Vorentflammungen wird die effektive Verdichtung im Brennraum reduziert. Es werden also die Verbrennungsenddrücke sowie die Verbrennungsendtemperatur abgesenkt, wobei gleichzeitig das maximale Motordrehmoment weitgehend beibehalten wird. Durch das Absenken der Verbrennungsenddrücke und der Verbrennungsendtemperatur können Vorentflammungen auch bei der Verwendung von Kraftstoffen minderen Qualität wirksam vermiedenen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sicherheitsbetriebsmodus aktiviert bleibt, auch wenn in folgenden Verbrennungszyklen des Verbrennungsmotors keine Überschreitung des Amplitudengrenzwertes detektiert wird. Der Sicherheitsbetriebsmodus bleibt somit auch bei nachfolgenden Verbrennungszyklen aktiviert, vorzugsweise auch wenn zwischendurch der Motor abgeschaltet wurde, so dass das Auftreten von Vorentflammungen dauerhaft vermieden wird. Auf diese Weise kann die mechanische Beanspruchung des Verbrennungsmotors vorteilhafterweise verringert und die Motorlaufzeit erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zur Reduktion der effektiven Verdichtung im Sicherheitsbetriebsmodus die Einlasssteuerzeit eines Einlassventils des Verbrennungsmotors modifiziert wird. Insbesondere wird im Sicherheitsbetriebsmodus das Einlassventil derart modifiziert, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils nach hinten verschoben wird. Durch eine Spätstellung der Einlasssteuerzeiten der Einlassventile kann die effektive Verdichtung des Motors abgesenkt werden, ohne dass hierfür die geometrische Verdichtung über geänderte Motorbauteile verändert werden müsste. Die Reduktion der effektiven Verdichtung führt zu einer Vermeidung von Vorentflammungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im Sicherheitsbetriebsmodus ferner die Auslasssteuerzeit eines Auslassventils des Verbrennungsmotors modifiziert wird. Insbesondere wird im Sicherheitsbetriebsmodus die Auslasssteuerzeit derart modifiziert wird, dass der Schließzeitpunkt des Auslassventils nach hinten verschoben wird. Durch eine maximale Spätstellung der Auslasssteuerzeiten des Auslassventils wird eine Vergrößerung der Überschneidung der Ventilsteuerzeiten erzielt, d. h. die Einlass- und Auslassventile sind gleichzeitig geöffnet, wodurch eine erhöhte Spülrate im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors insbesondere trotz der Spätstellung der Einlasssteuerzeiten aufrecht erhalten erzielt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im Sicherheitsbetriebsmodus dauerhaft eine Anreicherung des Verbrennungsgemischs herbeigeführt wird. Vorteilhafterweise kann der chemische Zustand des Verbrennungsgemischs im Verbrennungsraum durch eine dauerhafte Anreichung des Gemischs positiv beeinflusst werden und damit die Vorentflammungsempfindlichkeit stark reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im Sicherheitsbetriebsmodus eine Druckbegrenzung im Saugrohr durchgeführt wird. Vorzugsweise wird durch die Begrenzung des Saugrohrdrucks eine Begrenzung des Verdichtungsendrucks zu, wodurch das Auftreten von Vorentflammungen unterdrückt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im Sicherheitsbetriebsmodus die Einspritzcharakteristik, insbesondere hinsichtlich Einfach- und Mehrfacheinspritzung, derart modifiziert wird, dass die Gefahr von Vorentflammungen gesenkt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sicherheitsbetriebsmodus dauerhaft aktiviert wird, wenn in einem einzigen Verbrennungszyklus n zwischen 1 und 20, vorzugsweise zwischen 1 und 10 und besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 liegt. Die dauerhafte Reduktion der effektiven Verdichtung wird somit erst dann eingeleitet, wenn mehrfach ein starkes Klopfen bei der Verbrennung auftritt. Die Schwelle ist vorzugsweise frei justierbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Sicherheitsbetriebsmodus nach Ablauf einer vorgegebenen Laufleistung und/oder Laufzeit des Fahrzeugs wieder deaktiviert wird. Die dauerhafte Reduktion der effektiven Verdichtung wird nach Ablauf der vorgegebenen Laufleistung und/oder der Laufzeit automatisch wieder abgeschaltet. Falls es anschließend wieder zur mehrfachen Vorentflammungen kommt, wird der Sicherheitsbetriebsmodus automatisch wieder aktiviert.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der in den Figuren dargestelltem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht der Verfahrensschritte im Überblick,
2 den Signalverlauf des Zylinderinnendruckes während einer Verbrennung und
3 den erfassten Geräuschpegel über den Kurbelwellenwinkel während der Verbrennung.
Die 1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vermeidung von Vorentflammungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors. Hier wird zunächst wird im Rahmen eines ersten Verfahrensschrittes 1 der Geräuschpegel 10 eines Verbrennungsmotors gemessen und analysiert. Der Geräuschpegel 10 wird dabei mittels zumindest eines am Verbrennungsmotor angeordneten Signalaufnehmers ermittelt.
In einem zweiten Verfahrensschritt 2 wird überprüft, ob die Amplitude 11 des gemessenen Geräuschpegels 10 einen ersten Amplitudengrenzwert S1 überschreitet. Wenn der erste Amplitudengrenzwert S1 nicht überschritten wird, wird der Geräuschpegel 10 weiter überwacht.
Wenn eine Überschreitung des ersten Amplitudengrenzwertes S1 festgestellt wird, wird in einem dritten Verfahrensschritt 3 überprüft, ob der gemessene Geräuschpegel 10 auch einen zweiten Amplitudengrenzwert S2 überschreitet.
Wenn der zweite Amplitudengrenzwert S2 nicht überschritten wird, werden kurzfristige Einmalmaßnahmen 4 eingeleitet, um das Klopfen des Verbrennungsmotors zu unterdrücken. Es wird beispielsweise der Nutzen des Scavenging-Effektes abgeworfen um die Anreicherung kurzzeitig zu erhöhen. Nachdem diese kurzzeitige Einmalmaßnahme 4 ausgeführt wurde, kehrt der Verbrennungsmotor wieder in seinen ”normalen” Betriebszustand zurück und der Geräuschpegel 10 wird weiter überwacht.
Wenn der zweite Amplitudengrenzwert S2 einmal oder mehrfach überschritten wird, wird ein Sicherheitsbetriebsmodus 5 dauerhaft aktiviert. Im Unterschied zu den kurzfristigen Einmalmaßnahmen 4 werden bei dem dauerhaft aktiviertem Sicherheitsbetriebsmodus 5 Maßnahmen gegen Vorentflammungen eingeleitet, welche den Verbrennungsmotor permanent vor Vorentflammungen schützen und somit auch bei künftigen Verbrennungszyklen, die selbst keine Vorentflammungen aufweisen, greifen. Denkbar ist, dass der Sicherheitsbetriebsmodus 5 auch bei einem zwischenzeitlichen Abschalten des Verbrennungsmotors aktiviert bleibt. Der Sicherheitsbetriebsmodus 5 schaltet sich nach einer vorgegebenen Laufleistung oder Laufzeit des Verbrennungsmotors automatisch ab. Wenn es anschließend zu einem erneuten Überschreiten des zweiten Amplitudengrenzwertes S2 kommt, schaltet sich der Sicherheitsbetriebsmodus 5 gemäß den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten 1 bis 3 automatisch wieder ein.
Die Vorentflammungshäufigkeit ist hauptsächlich geprägt durch den Verbrennungsdruck, die Verbrennungsendtemperatur, die lokale chemischen Zustände des Brennstoffgemischs sowie der verfügbaren Zeit. Im Sicherheitsbetriebsmodus 5 wird eine dauerhafte Reduktion der effektiven Verdichtung im Brennraum des Verbrennungsmotors herbeigeführt, wodurch der Verbrennungsdruck und die Verbrennungstemperatur gesenkt werden, auch beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff von niedriger Qualität. Die Vorentflammungshäufigkeit wird somit erheblich reduziert.
Die effektive Verdichtung wird im Sicherheitsbetriebsmodus 5 reduziert, indem die Einlasssteuerzeiten der Einlassventile des Verbrennungsmotors nach hinten zu einer maximalen Spätstellung verschoben werden. Eine hierdurch hervorgerufene geringere Durchspülrate wird dadurch kompensiert, dass die Auslasssteuerzeiten der Auslassventile des Verbrennungsmotors ebenfalls nach hinten zu einer maximalen Spätstellung verschoben werden, wodurch eine große Überschneidung der Ventilsteuerzeiten zwischen Einlass- und Auslassventilen beibehalten werden kann. Zusätzlich wird im Sicherheitsbetriebsmodus 5 eine Druckbegrenzung im Saugrohr auf einen maximalen Verdichtungsenddruck eingestellt. Denkbar ist, dass ferner dauerhaft eine Anreicherung des Verbrennungsgemischs sowie eine geänderte Einspritzstrategie bezüglich Einfach- oder Mehrfacheinspritzung herbeigeführt werden, um die Vorentflammungshäufigkeit weiter zu reduzieren.
Generell ist es so, dass beim Überschreiten des ersten Amplitudengrenzwertes S1 kurzfristige Einmalmaßnahmen 4 eingeleitete werden, während beim Überschreiten des zweiten Amplitudengrenzwert S2 zusätzlich der Sicherheitsbetriebsmodus 5 aktiviert wird.
In 2 ist der Verlauf des Zylinderinnendruckes 20 in Abhängigkeit des Kurbelwinkels dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass mit Bewegung des Kolbens in Richtung oberer Totpunkt (0) der Druck stetig zunimmt und sich zum Zeitpunkt sehr hoher Verdichtung unregelmäßige Verbrennungen die sogenannten Vorentflammungen ausbreiten.
In der 3 ist der erfasste Geräuschpegel 10 ebenfalls über den Kurbelwellenwinkel dargestellt. In das Diagramm sind sowohl der erste Amplitudengrenzwert S1 als auch der zweite Amplitudengrenzwert S2 eingezeichnet. Es ist zu sehen, dass die maximalen Amplituden 11 des Geräuschpegels 10 beim Klopfen des Verbrennungsmotors den ersten Amplitudengrenzwert S1 sowie den zweiten Amplitudengrenzwert S2 überschreiten. Der zweite Amplitudengrenzwert S2 liegt beispielsweise beim doppelten Wert des ersten Amplitudengrenzwertes S1.
Es ist festzuhalten, dass die Klopfintensität die jeweilige Klopfschwelle beeinflusst, da bei der Klopferkennung der aktuelle Geräuschpegel immer mit eingerechnet wird. Diese Klopfschwelle bestimmt den Faktor zur Auswahl und Festlegung der Amplitudengrenzwerte die die Bestimmung ob kurzfristige oder langfristige Maßnahmen zu ergreifen sind, festlegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10043498 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Vermeidung von Vorentflammungen beim Betrieb eines Verbrennungsmotors, wobei ein Geräuschpegel (10) des Verbrennungsvorgangs mittels eines Beschleunigungsaufnehmers gemessen wird und wobei zur Erkennung von Vorentflammungen die Amplitude (11) des gemessenen Geräuschpegels (10) analysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherheitsbetriebsmodus (5) des Verbrennungsmotors zur Reduktion der effektiven Verdichtung im Brennraum des Verbrennungsmotors dauerhaft aktiviert wird, wenn bei der Analyse der gemessene Geräuschpegel (10) eines Verbrennungszyklus einen Grenzwert n-fach überschreitet und wobei der der Sicherheitsbetriebsmodus (5) aktiviert bleibt, wenn auch in den folgenden Verbrennungszyklen des Verbrennungsmotors eine Überschreitung des Amplitudengrenzwertes (S2) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Reduktion der effektiven Verdichtung im Sicherheitsbetriebsmodus (5) die Einlasssteuerzeit eines Einlassventils des Verbrennungsmotors modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sicherheitsbetriebsmodus (5) das Einlassventil derart modifiziert wird, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils nach hinten verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sicherheitsbetriebsmodus (5) ferner die Auslasssteuerzeit eines Auslassventils des Verbrennungsmotors modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sicherheitsbetriebsmodus (5) die Auslasssteuerzeit derart modifiziert wird, dass der Schließzeitpunkt des Auslassventils nach hinten verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sicherheitsbetriebsmodus (5) dauerhaft eine Anreicherung des Verbrennungsgemischs herbeigeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sicherheitsbetriebsmodus (5) eine Druckbegrenzung im Saugrohr durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sicherheitsbetriebsmodus (5) die Einspritzcharakteristik modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sicherheitsbetriebsmodus (5) dauerhaft aktiviert wird, wenn mehrere Verbrennungszyklen mit hohem Geräuschpegel vorliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sicherheitsbetriebsmodus (5) nach Ablauf einer vorgegebenen Laufleistung und/oder Laufzeit des Fahrzeugs wieder deaktiviert wird.