DE102015219133A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug und System für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug und System für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Empfangen von Messsignalen eines Zylinderdrucksensors (10) und ein Ermitteln von Zylinderdruckschwankungen (ZDS) in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors (10). Das Verfahren umfasst weiter ein Erhöhen einer Abgasrückführungsrate (AGR) der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der ermittelten Zylinderdruckschwankungen (ZDS), bis ein vorgegebener Grenzwert (GW_ZDS) der Zylinderdruckschwankungen (ZDS) erreicht ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Istwertes der Abgasrückführungsrate (AGR), wenn der vorgegebene Grenzwert (GW_ZDS) der Zylinderdruckschwankungen (ZDS) erreicht ist, und ein Speichern des ermittelten Istwertes als Sollwert (S_AGR) für die Abgasrückführungsrate (AGR) der Brennkraftmaschine.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug und ein System für eine Brennkraftmaschine.
  • Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen in Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, die Schadstoffemissionen bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine so gering wie möglich zu halten. Hierdurch ist unter anderem erforderlich, die Brennkraftmaschine nutzbringend anzusteuern, um einen Verbrauch von Kraftstoff und einen Ausstoß von Schadstoffkomponenten gering zu halten.
  • Ein wichtiger Parameter, der sich auf einen Verbrennungsprozess von Brennkraftmaschinen auswirkt, ist die Abgasrückführungsrate, die angibt, wie groß der Anteil des Abgases ist, der der Brennkraftmaschine für einen nachfolgenden Verbrennungsprozess wieder zugeführt wird. Um den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine nutzbringend zu beeinflussen, ist eine genaue Bestimmung der Abgasrückführungsrate erforderlich.
  • Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug und ein System für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die dazu geeignet sind, einen Verbrauch von Kraftstoff und einen Ausstoß von Schadstoffemissionen gering zu halten. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug ein Empfangen von Messsignalen eines Zylinderdrucksensors, die repräsentativ für einen Druck in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs sind. Das Verfahren umfasst weiter ein Ermitteln von Zylinderdruckschwankungen in dem Zylinder in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors. Das Verfahren umfasst weiter ein Erhöhen einer Abgasrückführungsrate der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der ermittelten Zylinderdruckschwankungen, bis ein vorgegebener Grenzwert der Zylinderdruckschwankungen erreicht ist. Außerdem umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Istwertes der Abgasrückführungsrate, wenn der vorgegebene Grenzwert der Zylinderdruckschwankungen erreicht ist und Speichern des Istwertes als Sollwert für die Abgasrückführungsrate der Brennkraftmaschine.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, die Abgasrückführungsrate einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zuverlässig zu ermitteln und gezielt anzupassen, um einen Verbrauch von Kraftstoff und Ausstoß von Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine gering zu halten. Zu diesem Zweck werden die Messsignale des Zylinderdrucksensors ausgewertet, um einen Verbrennungszyklus oder Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine zu steuern.
  • Beispielsweise ist in einem Datenspeicher einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs ein vorgegebener Wert für die Abgasrückführungsrate hinterlegt, welcher an einem Motorprüfstand für unterschiedliche Betriebspunkte der Brennkraftmaschine ermittelt wurde. Ein solcher vorgespeicherter Wert für die Abgasrückführungsrate ist zum Beispiel in Abhängigkeit einer Drehzahl, einer anliegenden Last und einer Motortemperatur ermittelt worden und dient als Sollwertvorgabe für einen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs. Dabei ist die Sollwertvorgabe für die Abgasrückführungsrate beispielsweise unter Berücksichtigung eines minimalen Verbrauchs von Kraftstoff mit tolerierbaren Zylinderdruckschwankungen in einer Hochdruckphase der Brennkraftmaschine bestimmt worden. Eine solche Sollwertvorgabe kann allerdings in einem tatsächlichen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs von einem optimalen Wert für die Abgasrückführungsrate abweichen, um einen möglichst geringen Verbrauch von Kraftstoff und Ausstoß von Schadstoffemissionen zu erzielen.
  • Mittels des beschriebenen Verfahrens wird die Abgasrückführungsrate anhand der empfangen Messsignale des Zylinderdrucksensors und der ermittelten Zylinderdruckschwankungen überwacht, sodass eine nutzbringende Anpassung einer zuvor hinterlegten Sollwertvorgabe möglich ist, die sich vorteilhaft auf einen Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine auswirken kann. Die Zylinderdruckschwankungen repräsentieren zyklische Mitteldruckschwankungen, die in einem Betrieb in einem Zylinder der Brennkraftmaschine auftreten, und ermöglichen es, Rückschlüsse auf den Verbrennungsprozess zu ziehen.
  • Die erhöhte Rückführung von Abgas gemäß dem Erhöhen der Abgasrückführungsrate wirkt sich verbrauchsparend auf den benötigten Kraftstoff für die Brennkraftmaschine aus. Dabei ist es allerdings erforderlich, die Zylinderdruckschwankungen zu überwachen, indem zum Beispiel fortlaufend Messsignale des Zylinderdrucksensors kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen erfasst werden. Mit dem Erhöhen der Abgasrückführungsrate steigen ab einem gewissen Wert die Zylinderdruckschwankungen deutlich an, was beispielsweise durch zu geringe Beimischung von Frischluft begründet ist. Um einen kontrollierten Verbrennungsprozess zu gewährleisten, ist es somit erforderlich, dass die Zylinderdruckschwankungen diesen Wert, welcher den vorgegebenen Grenzwert repräsentiert, nicht übersteigen. Der vorgegebene Grenzwert repräsentiert demzufolge die für einen zuverlässigen Verbrennungsprozess maximal tolerierbaren Zylinderdruckschwankungen und maximal zulässige Abgasrückführungsrate.
  • Ein Ermitteln der Abgasrückführungsrate ist somit unter Einsatz des Zylinderdrucksensors möglich, welcher standardmäßig in Brennkraftmaschinen eingebaut ist. Somit wird eine bereits vorhandene Ressource genutzt und es werden keine zusätzlich einzubauenden Sensoren benötigt. Auf diese Weise kann mit dem beschriebenen Verfahren eine kostengünstige und zuverlässige Bestimmung der Abgasrückführungsrate realisiert werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Empfangen von Messsignalen des Zylinderdrucksensors, die repräsentativ für einen Saugdruck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine sind. In Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors wird eine in dem Saugrohr angesaugte Luftmasse ermittelt und in Abhängigkeit der ermittelten Luftmasse wird Abgasrückführungsrate der Brennkraftmaschine gesteuert.
  • Das beschriebene Verfahren wird dahingehend erweitert, dass bei einem Ermitteln des Istwerts der Abgasrückführungsrate die Messsignale des Zylinderdrucksensors auch dahingehend ausgewertet werden, dass eine Luftmasse in dem Saugrohr bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Saugrohrdrucksensor in der Brennkraftmaschine angeordnet sein, welcher ein Ermitteln einer angesaugten Luftmasse, zum Beispiel während einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine, ermöglicht. Allerdings kann anhand der Messsignale des Zylinderdrucksensors sowohl die angesaugte Luftmasse als auch der darin befindliche Anteil an Frischluft und Abgas in dem Zylinder bestimmt werden. Das Ermitteln des Istwertes der Abgasrückführungsrate kann somit allein mittels des Zylinderdrucksensors durchgeführt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Ermitteln einer Klopfintensität in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors. Alternativ oder zusätzlich können Messsignale eines Klopfsensors empfangen werden, die repräsentativ für ein Klopfen des Verbrennungsprozesses sind, und die Klopfintensität kann in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Klopfsensors ermittelt werden. In Abhängigkeit der ermittelten Klopfintensität wird ein Zündwinkel einer Kurbelwelle, die mit einem Kolben des Zylinders gekoppelt ist, angepasst. Infolgedessen wird der Sollwert der Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit der ermittelten Klopfintensität beziehungsweise in Abhängigkeit des Anpassens des Zündwinkels angepasst.
  • Die Klopfintensität repräsentiert in diesem Zusammenhang ein unkontrolliertes Verbrennungsverhalten von Restluftkraftstoffgemischen, welche während eines Verbrennungsprozess noch nicht erfasst sind und welche als hochfrequente Druckschwankungen zu einem akustisch wahrnehmbaren Klopfen führen können. Solche hochfrequente Druckschwankungen sind zum Beispiel als Ausschläge den zyklischen Mitteldruckschwankungen beziehungsweise den Zylinderdruckschwankungen überlagert und können auch mittels des Zylinderdrucksensors detektiert werden.
  • Ein solches Klopfen gibt Auskunft über den Verbrennungsprozess und einen Verbrennungsschwerpunkt und kann das Anpassen der Abgasrückführungsrate beeinflussen. Dabei bezeichnet das Anpassen der Abgasrückführungsrate oder das Anpassen des Sollwertes der Abgasrückführungsrate ein weiteres Erhöhen oder Senken in Abhängigkeit der ermittelten Klopfintensität. Der zuvor ermittelte Istwert an der Grenze der Zylinderdruckschwankungen, welcher als Sollwert für die Abgasrückführungsrate gespeichert wurde, wird gegebenenfalls korrigiert und als neuer Sollwert für die Abgasrückführungsrate gespeichert.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Verbrennungsschwerpunkts in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors und ein Anpassen des Sollwertes der Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit des ermittelten Verbrennungsschwerpunkts.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Ermitteln einer Verbrennungsdauer in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors und ein Anpassen des Sollwertes der Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit der ermittelten Verbrennungsdauer.
  • Der Verbrennungsschwerpunkt und die Verbrennungsdauer sind weitere Parameter, die sich auf einen Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine auswirken und ein Anpassen der Abgasrückführungsrate beeinflussen können. Sie sind anhand der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors ermittelbar und können sich auf eine optimale oder maximal tolerierbare Abgasrückführungsrate auswirken, die einen kontrollierten Verbrennungsprozess mit geringem Verbrauch von Kraftstoff ermöglichen. Dabei bezeichnet Verbrennungsschwerpunkt einen Zeitpunkt, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Die Verbrennungsdauer ist eine Zeitspanne, in der ein vorgegebener Anteil des Kraftstoffs verbraucht ist, und bezieht sich zum Beispiel auf eine Winkeldifferenz zweier Winkelpositionen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, die mit einem Kolben gekoppelt ist, welcher in dem Zylinder axial beweglich angeordnet ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Anpassen des Sollwertes der Abgasrückführungsrate mittels Steuern eines Zündwinkels einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, die mit einem Kolben des Zylinders gekoppelt ist.
  • Ein Steuern des Zündwinkels bezeichnet in diesem Zusammenhang ein kontrolliertes Ändern des Zündwinkels und der zugehörigen Winkelposition der Kurbelwelle abweichend von einem vorgegebenen Basiszündwinkel. Der Basiszündwinkel und auch der Verbrennungsschwerpunkt sind zum Beispiel als vorgegebene Referenzwerte, wie die Sollwertvorgabe für die Abgasrückführungsrate, für einen jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine an einem Motorprüfstand bestimmt und in einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs hinterlegt worden. Ein Ändern des Zündwinkels abweichend von dem Basiszündwinkel wirkt sich auf den Verbrennungsprozess aus und kann genutzt werden, um eine die Abgasrückführungsrate gezielt zu beeinflussen und im Zusammenhang mit den ermittelten Zylinderdruckschwankungen nutzbringend einzustellen. Der Basiszündwinkel gibt dabei die zylinderspezifische frühestzulässige Winkelposition der Kurbelwelle an, bis zu welcher keine klopfende Verbrennung in der Brennkraftmaschine stattfindet. Anders formuliert repräsentiert der Basiszündwinkel den Zündwinkel, bei dem der Verbrennungsschwerpunkt optimal ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Empfangen von Messsignalen eines Klopfsensors, die repräsentativ für eine Klopfintensität eines Zylinders sind und ein Anpassen der Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Klopfsensors.
  • Diese Weiterbildung des Verfahrens ermöglicht ein Ermitteln von Zylinderdruckschwankungen und Anpassen der Abgasrückführungsrate, auch wenn nicht jeder Zylinder einen Zylinderdrucksensor aufweist oder nur ein Zylinderdrucksensor in der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Vorteilhaft ist der Zylinderdrucksensor in dem Zylinder der Brennkraftmaschine angeordnet, der die größte Sensitivität für Zylinderdruckschwankungen aufweist. Mittels des Klopfsensors wird eine Klopfneigung zumindest in den Zylindern überwacht, denen kein Zylinderdrucksensor zugeordnet ist. Außerdem wird eine Segmentzeit der jeweiligen Zylinder gemessen, die gegebenenfalls korrigiert und bereinigt von Sensor- beziehungsweise Geber-Rad-Fehlern ist, und mit der des Zylinders verglichen, der einen Zylinderdrucksensor aufweist. Auf diese Weise kann die Segmentzeit eines jeweiligen Zylinders in zylinderindividuelle Zylinderdruckschwankungen umgerechnet werden. Im weiteren Verlauf kann die Abgasrückführungsrate in Abhängigkeit der so bestimmten Zylinderdruckschwankungen erhöht und/oder der Sollwert für die Abgasrückführungsrate angepasst werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein System für eine Brennkraftmaschine eine Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchzuführen, und einen Zylinderdrucksensor, der in der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und dessen Messsignale repräsentativ für einen Druck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine sind.
  • Ein solches System beschreibt eine Durchführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren im Zusammenwirken mit dem Zylinderdrucksensor. Beispielsweise sind in einem Datenspeicher einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs ausführbare Anweisungen hinterlegt, die ein Durchführen eines der beschriebenen Verfahren ermöglicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Einspritzsystems,
  • 2A ein qualitativer Verlauf eines Verbrauchs von Kraftstoff einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit einer Abgasrückführungsrate,
  • 2B ein qualitativer Verlauf von Zylinderdruckschwankungen in einem Zylinder der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Abgasrückführungsrate,
  • 2C ein qualitativer Verlauf einer Winkelposition einer Schwerpunktlage der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Abgasrückführungsrate, und
  • 3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Systems 1, das im Wesentlichen einen Teil einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs repräsentiert. Das System 1 dient zum Einspritzen beziehungsweise Einblasen von Kraftstoff 16 in einen Brennraum 4 eines Zylinders 3 der Brennkraftmaschine. In der 1 ist lediglich ein Brennraum 4 dargestellt, gewöhnlich weist die Brennkraftmaschine jedoch eine Mehrzahl von Brennräumen 4 auf. Diese sind korrespondierend zu dem in der 1 dargestellten Brennraum 4 ausgebildet.
  • Ein Saugrohr 11 ist mit dem Brennraum 4 gekoppelt zum Zuführen von Luft in den Brennraum 4. Ein Abgasrohr 13 ist mit dem Brennraum 4 gekoppelt zum Abführen von Abgasen. Am Saugrohr 11 ist ein Einlassventil 12 angeordnet. Das Einlassventil 12 dient zur Steuerung der Menge beziehungsweise Masse an Luft, die durch das Saugrohr 11 in den Brennraum 4 gelangt. Bei geöffnetem Einlassventil 12 kann Luft von dem Saugrohr 11 in den Brennraum 4 gelangen. Bei geschlossenem Einlassventil 12 ist ein Einströmen von Luft aus dem Saugrohr 11 in den Brennraum 4 möglichst verhindert. Ein Auslassventil 14 ist am Abgasrohr 13 angeordnet, um ein Auslassen des Abgases zu steuern.
  • Außerdem ist eine Rückführung 18 schematisch dargestellt, die einen vorgegebenen Anteil der Abgase in dem Abgasrohr 13 wieder dem Saugrohr 11 für einen weiteren Verbrennungszyklus beziehungsweise Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine zuführt. Mittels der Rückführung 18 ist eine Abgasrückführungsrate AGR kontrollierbar, die sich vorteilhaft auf den Verbrennungsprozess auswirken kann, um einen Verbrauch V von Kraftstoff 16 und einen Ausstoß von Schadstoffemissionen gering zu halten. Die Rückführung 18 ist in diesem Zusammenhang als eine Komponente der Brennkraftmaschine anzusehen.
  • Ein Einspritzventil 15 ist angeordnet, um den Kraftstoff 16 in den Brennraum 4 einzuspritzen. Insbesondere ist es mit dem Einspritzventil 15 möglich, eine vorgegebene Menge an Kraftstoff 16 einzuspritzen, die beispielsweise von einer Vorrichtung vorgegeben wird. Die Vorrichtung ist beispielsweise Teil einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine.
  • In dem Brennraum 4 ist ein Kolben 5 angeordnet. Der Kolben 5 ist in dem Brennraum 4 des Zylinders 3 bewegbar angeordnet und treibt in einem Betrieb des Kraftfahrzeugs eine Kurbelwelle 7 der Brennkraftmaschine an, die mittels einer Pleuelstange 9 mit dem Kolben 5 gekoppelt ist. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 5 werden Frischluft und Abgase über einen Ansaugtrakt mit dem Saugrohr 11 in den Brennraum 4 des Zylinders 3 angesaugt. In einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine wird ein Gemisch aus Frischluft, Abgasen und Kraftstoff 16 in dem Brennraum 4 gezündet und eine kontrollierte Explosion eingeleitet. Infolge der Explosion wird der Kolben 5 wieder nach unten getrieben. Dabei wird ein Drehmoment auf die Kurbelwelle 7 der Brennkraftmaschine übertragen.
  • An einem axialen Ende des Zylinders 3 ist ein Zylinderdrucksensor 10 angeordnet, mittels dessen ein Druck in dem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine überwacht werden kann. Die Messsignale des Zylinderdrucksensors 10 können in einem Verfahren gemäß dem in 3 dargestellten Ablaufdiagramm ausgewertet werden und ermöglichen ein Ermitteln und Anpassen eines Sollwertes S_AGR für die Abgasrückführungsrate AGR, um einen nutzbringenden Verbrennungsprozess zu ermöglichen. Dabei bestehen Zusammenhänge zwischen der Abgasrückführungsrate AGR und weiterer Parameter, die den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine beeinflussen. Qualitative Abhängigkeiten solcher Zusammenhänge sind in den nachfolgenden 2A–2C dargestellt.
  • 2A zeigt einen beispielhaften qualitativen Verbrauch V von Kraftstoff 16 der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit der Abgasrückführungsrate AGR. Dargestellt sind zwei Verläufe V_L1 und V_L2 für verschiedene Betriebspunkte der Brennkraftmaschine, die zum Beispiel den Verbrauch V für unterschiedliche Drehzahlen, anliegende Lasten und/oder Motortemperaturen repräsentieren. Anhand der beiden Verläufe V_L1 und V_L2 ist zu erkennen, dass der Verbrauch V von Kraftstoff 16 bei einem Erhöhen der Abgasrückführungsrate AGR sinkt.
  • Außerdem sind in 2A ein Verbrennungsschwerpunkt VSP und ein Sollwert S_AGR der Abgasrückführungsrate an unterschiedlichen Positionen der Achse der Abgasrückführungsrate AGR eingezeichnet, die sich nutzbringend auf den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine auswirken können. Beispielsweise sind der Verbrennungsschwerpunkt VSP und eine Sollwertvorgabe für die Abgasrückführungsrate AGR als Sollwert S_AGR an einem Motorprüfstand ermittelt und in einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs hinterlegt worden.
  • 2B zeigt einen beispielhaften qualitativen Verlauf von Zylinderdruckschwankungen ZDS in einem Betrieb der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Abgasrückführungsrate AGR. Die Zylinderdruckschwankungen ZDS sind zum Beispiel im Rahmen eines Verfahrens gemäß 3 in Abhängigkeit der Messsignale des Zylinderdrucksensors ermittelt worden. Die dargestellten Verläufe beziehen sich analog zu denen in 2A dargestellten Verläufen V_L1 und V_L2 auf unterschiedliche Betriebspunkte der Brennkraftmaschine.
  • Es ist zu erkennen, dass die Zylinderdruckschwankungen ZDS bei steigenden Abgasrückführungsraten AGR anfänglich im Wesentlichen konstant bleiben oder sogar geringfügig abnehmen. Wird die Abgasrückführungsrate AGR weiter erhöht steigen die Zylinderdruckschwankungen ZDS allerdings deutlich an und wirken sich nachteilig auf den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine aus. Dieser deutliche Anstieg der Zylinderdruckschwankungen ZDS repräsentiert einen Grenzwert der noch tolerierbaren Zylinderdruckschwankungen ZDS und der größtmöglichen Abgasrückführungsrate AGR, die noch einen stabilen und zuverlässigen Verbrennungsprozess ermöglicht.
  • In der 2B ist dieser Grenzwert mit GW_ZDS bezeichnet und wird zum Beispiel bei einer Abgasrückführungsrate von 26 % überschritten. An einem Motorprüfstand wurde beispielsweise eine Werkseinstellung für die Abgasrückführungsrate AGR von 23 % als Sollwertvorgabe in einem Datenspeicher einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs hinterlegt. Anhand der ermittelten Zylinderdruckschwankungen ZDS gemäß 2B ist zu erkennen, dass es nutzbringend ist einen Sollwert S_AGR der Abgasrückführungsrate AGR zum Beispiel mit 25 % abzuspeichern, um einen Verbrauch V von Kraftstoff 16 zu reduzieren und einen gewissen Sicherheitsabstand zu dem Grenzwert GW_ZDS der Zylinderdruckschwankungen ZDS und der zugehörigen maximal akzeptablen Abgasrückführungsrate AGR von 26 % einzustellen. Auf diese Weise kann mittels eines Verfahrens zum Betreiben des Kraftfahrzeugs, das beispielhaft anhand der nachfolgenden 3 erläutert wird, die Abgasrückführungsrate AGR in Abhängigkeit der Messsignale des Zylinderdrucksensors 10 und der daraus ermittelten Zylinderdruckschwankungen ZDS ermittelt und gezielt angepasst werden, um den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine kontrolliert zu beeinflussen und hinsichtlich reduziertem Verbrauch V von Kraftstoff 16 und verringerter Schadstoffemissionen zu verbessern.
  • 2C zeigt einen beispielhaften qualitativen Verlauf einer Winkelposition WP einer Schwerpunktlage der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der Abgasrückführungsrate AGR. In der 2C ist auch eine Winkelposition WP_SL für eine optimale Schwerpunktlage an der Achse der Winkelposition WP eingezeichnet, welche zum Beispiel eine nutzbringende Position oder einen vorteilhaften Zeitpunkt des Zündens in dem Zylinder 3 angibt. Diesem Zusammenhang ist zu entnehmen, dass sich auch die Position eines Zündwinkels in Bezug auf die Winkelposition WP der Kurbelwelle 7 auf die Abgasrückführungsrate AGR auswirken kann. Mittels Ändern des Zündwinkels und der Winkelposition WP_SL der Schwerpunktlage kann die Abgasrückführungsrate AGR in gewissem Maße gesteuert werden. Weitere Parameter, die die Abgasrückführungsrate AGR und den maximal zulässigen Sollwert S_AGR für die Abgasrückführungsrate beeinflussen können, sind eine Klopfintensität, eine Verbrennungsdauer und der Verbrennungsschwerpunkt VSP der Brennkraftmaschine, sodass auch in Abhängigkeit von diesen und gegebenenfalls weiteren Parametern die Abgasrückführungsrate AGR ermittelt und vorteilhaft angepasst werden kann.
  • 3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des Kraftfahrzeugs, mittels dessen die Abgasrückführungsrate AGR zuverlässig ermittelt und eine Sollwertvorgabe gezielt angepasst werden kann, um einen Verbrauch V von Kraftstoff 16 und einen Ausstoß von Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine gering zu halten.
  • Zu diesem Zweck werden in einem Schritt S1 Messsignale des Zylinderdrucksensors 10 empfangen, die repräsentativ für einen Druck in einem jeweiligen Zylinder 3 der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs sind.
  • In einem weiteren Schritt S3 werden Zylinderdruckschwankungen ZDS in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors 10 bestimmt und es wird beispielsweise der in 2B dargestellte Verlauf ermittelt.
  • In einem weiteren Schritt S5 wird die Abgasrückführungsrate AGR erhöht bis der vorgegebene Grenzwert GW_ZDS der Zylinderdruckschwankungen ZDS erreicht ist. Die Zylinderdruckschwankungen ZDS werden bei dem Erhöhen der Abgasrückführungsrate AGR zum Beispiel fortlaufend ermittelt und überwacht, um ein sicheres und kontrolliertes Erhöhen der Abgasrückführungsrate AGR zu gewährleisten.
  • Wenn der vorgegebene Grenzwert GW_ZDS der Zylinderdruckschwankungen ZDS erreicht ist, wird in einem weiteren Schritt S7 ein Istwert der Abgasrückführungsrate AGR ermittelt.
  • Der ermittelte Istwert wird als Sollwert S_AGR der Abgasrückführungsrate AGR gespeichert und beispielsweise in einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs hinterlegt. Der gespeicherte Sollwert S_AGR kann für nachfolgende Verbrennungsprozesse zum Betreiben der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine zuvor hinterlegte Sollwertvorgabe kontrolliert und gegebenenfalls angepasst werden, um den Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine weiter zu verbessern.
  • In einem weiteren Schritt S9 werden zum Beispiel weitere Parameter ausgewertet, die die Abgasrückführungsrate AGR beeinflussen können. Beispielsweise werden in das Ermitteln und Anpassen der Abgasrückführungsrate AGR Messsignale eines Saugrohrdrucksensors 19 mit einbezogen, der in der Rückführung 18 oder dem Saugrohr 11 angeordnet ist (1). Mittels des Saugrohrdrucksensors 19 kann eine Luftmasse ermittelt werden, die in dem Saugrohr 11 angesaugt wird. Ein Ermitteln der angesaugten Luftmasse kann aber auch anhand der Messsignale des Zylinderdrucksensors 10 durchgeführt werden, welcher in einer Ansaugphase der Brennkraftmaschine wie ein Saugrohrdrucksensor fungiert. Zudem kann mittels des Zylinderdrucksensors 10 der Anteil an Frischluft und Abgas in der angesaugten Luftmasse und somit der Istwert der Abgasrückführungsrate AGR ermittelt werden. Die Abgasrückführungsrate AGR kann in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors 10 und des Saugrohrdrucksensors 19 ermittelt, angepasst oder gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich werden eine Klopfintensität, eine Verbrennungsdauer und der Verbrennungsschwerpunkt VSP ermittelt und in das Ermitteln und Anpassen der Abgasrückführungsrate AGR mit einbezogen. Ein zuvor ermittelter und abgespeicherter Sollwert S_AGR der Abgasrückführungsrate AGR kann auf diese Weise korrigiert und weiter angepasst werden, um einen zuverlässigen und nutzbringenden Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine zu realisieren.
  • Beispielsweise kann das Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine und des Kraftfahrzeugs auch wie folgt durchgeführt werden, um die Abgasrückführungsrate zuverlässig zu bestimmen und kontrolliert anzupassen:
    In einem beispielhaften Fall einer hohen anliegenden Last der Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, die Abgasrückführungsrate AGR zu erhöhen, um den Verbrauch V von Kraftstoff 16 zu verringern, bis ein optimaler Verbrauchsschwerpunkt VSP erreicht ist, welcher beispielsweise bei einem Zündwinkel von 8° der Kurbelwelle 7 nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 5 ist. Dabei ist darauf zu achten, dass die Zylinderdruckschwankungen ZDS den maximal erlaubten Grenzwert GW_ZDS nicht überschreiten.
  • Im weiteren Verlauf werden die Zylinderdruckschwankungen ZDS, die Klopfintensität, der Verbrennungsschwerpunkt VSP und/oder die Verbrennungsdauer mittels des Zylinderdrucksensors 10 bestimmt. Wenn beispielsweise die Klopfintensität an einem jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird über eine Klopfregelung der Zündwinkel angepasst, indem dieser beispielsweise für den jeweiligen Zylinder 3 spätgezogen wird.
  • Ein „Spätziehen“ des Zündwinkels oder der Winkelposition WP der Kurbelwelle 7 bezeichnet in diesem Zusammenhang ein Verschieben einer vorgegebenen Winkelposition WP des Zündpunktes des Verbrennungsprozesses. Ist beispielsweise der Zündpunkt oder Zündwinkel mit einer Winkelposition von 10° vor der Winkelposition WP des oberen Totpunktes angegeben, würde ein Verschieben der Winkelposition WP des Zündpunktes auf zum Beispiel 5° vor dem oberen Totpunkt ein „Spätziehen“ des Zündwinkels realisieren. Entsprechend wäre ein Verschieben der Winkelposition WP des Zündpunktes auf zum Beispiel 15° vor dem oberen Totpunkt durch den Begriff „Frühziehen“ des Zündwinkels beschrieben.
  • Durch Spätziehen des Zündwinkels wird der Verbrennungsschwerpunkt VSP ebenfalls spätgezogen, was zu einer Verbrauchserhöhung führt. Nun wird die Abgasrückführungsrate AGR schrittweise erhöht und dadurch die Klopfintensität gesenkt. Dabei werden die Zylinderdruckschwankungen ZDS fortlaufend ermittelt und überwacht. Gleichzeitig wird über die Klopfregelung der Zündwinkel wieder frühgezogen, bis der applizierte Basiszündwinkel beziehungsweise der optimale Verbrennungsschwerpunkt VSP wieder angenommen werden. Wenn vor dem Erreichen des optimalen Verbrennungsschwerpunkts VSP oder des Basiszündwinkels die Zylinderdruckschwankungen ZDS eines jeweiligen Zylinders 3 den jeweiligen maximal erlaubten Grenzwert GW_ZDS erreichen, wird die Erhöhung der Abgasrückführungsrate AGR gestoppt und der momentane Wert der Abgasrückführungsrate AGR als Istwert ermittelt. Im weiteren Prozess wird dieser Istwert als Sollwert S_AGR für den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingesetzt und dadurch ein Verbrauch V von Kraftstoff 16 und ein Ausstoß von Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine optimiert.
  • Falls in einem Betriebs der Kraftfahrzeugs die Zylinderdruckschwankungen ZDS an einem jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine den vorgegebenen Grenzwert GW_ZDS wieder überschreiten, zum Beispiel aufgrund einer erhöhten Feuchtigkeit, wird die Abgasrückführungsrate AGR wieder gesenkt, bis die Zylinderdruckschwankungen ZDS wieder den Grenzwert GW_ZDS unterschreiten.
  • Falls die Zylinderdruckschwankungen ZDS den erlaubten Grenzwert GW_ZDS deutlich unterschreiten oder sich die Klopfintensität des Verbrennungsprozesses erhöht, zum Beispiel aufgrund einer Reduktion von Feuchtigkeit, wird die Abgasrückführungsrate AGR wieder erhöht, bis der Grenzwert GW_ZDS der Zylinderdruckschwankungen ZDS erreicht ist.
  • Auf diese Weise wird mittels des beschriebenen Verfahrens der Verbrauch V von Kraftstoff 16 der Brennkraftmaschine und der Ausstoß von Schadstoffemissionen fortlaufend angepasst und optimiert und realisiert ein nutzbringendes Ansteuern des Kraftfahrzeugs.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    System
    3
    Zylinder
    4
    Brennraum
    5
    Kolben
    7
    Kurbelwelle
    9
    Pleuelstange
    10
    Zylinderdrucksensor
    11
    Saugrohr für Luft
    12
    Einlassventil
    13
    Abgasrohr für Abgase
    14
    Auslassventil
    15
    Einspritzventil
    16
    Kraftstoff
    18
    Rückführung
    19
    Saugrohrdrucksensor
    AGR
    Abgasrückführungsrate
    GW_ZDS
    Grenzwert für Zylinderdruckschwankungen
    S_AGR
    Sollwert für Abgasrückführungsrate
    V
    Verbrauch
    V_L1
    Verlauf Last 1
    V_L2
    Verlauf Last 2
    VSP
    Verbrauchsschwerpunkt
    WP
    Winkelposition einer Kurbelwelle eines Zylinders
    WP_SL
    Winkelposition der Schwerpunktlage
    ZDS
    Zylinderdruckschwankungen

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, umfassend – Empfangen von Messsignalen eines Zylinderdrucksensors (10), die repräsentativ für einen Druck in einem Zylinder (3) der Brennkraftmaschine sind, – Ermitteln von Zylinderdruckschwankungen (ZDS) in dem Zylinder (3) der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors (10), – Erhöhen einer Abgasrückführungsrate (AGR) der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der ermittelten Zylinderdruckschwankungen (ZDS) bis ein vorgegebener Grenzwert (GW_ZDS) der Zylinderdruckschwankungen (ZDS) erreicht ist, und – Ermitteln eines Istwertes der Abgasrückführungsrate (AGR), wenn der vorgegebene Grenzwert (GW_ZDS) der Zylinderdruckschwankungen (ZDS) erreicht ist, und Speichern des ermittelten Istwertes als Sollwert (S_AGR) für die Abgasrückführungsrate (AGR) der Brennkraftmaschine.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend – Empfangen von Messsignalen des Zylinderdrucksensors (10), die repräsentativ für einen Saugdruck in einem Saugrohr (11) der Brennkraftmaschine sind, – Ermitteln einer in dem Saugrohr (11) angesaugten Luftmasse in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors (10), und – Steuern der Abgasrückführungsrate (AGR) der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit der ermittelten Luftmasse.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend – Ermitteln einer Klopfintensität in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors (10) oder in Abhängigkeit von Messsignalen eines Klopfsensors, – Anpassen eines Zündwinkels einer Kurbelwelle (7) der Brennkraftmaschine, die mit einem Kolben (5) in dem Zylinder (3) gekoppelt ist, in Abhängigkeit der ermittelten Klopfintensität, und – Anpassen des Sollwertes (S_AGR) der Abgasrückführungsrate (AGR) in Abhängigkeit des Anpassens des Zündwinkels.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend – Ermitteln eines Verbrennungsschwerpunkts (VSP) in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors (10), und – Anpassen des Sollwertes (S_AGR) der Abgasrückführungsrate (AGR) in Abhängigkeit des ermittelten Verbrennungsschwerpunkts (VSP).
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend – Ermitteln einer Verbrennungsdauer in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Zylinderdrucksensors (10), und – Anpassen des Sollwertes (S_AGR) der Abgasrückführungsrate (AGR) in Abhängigkeit der ermittelten Verbrennungsdauer.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend Anpassen des Sollwertes (S_AGR) der Abgasrückführungsrate (AGR) mittels Steuern eines Zündwinkels einer Kurbelwelle (7) der Brennkraftmaschine, die mit einem Kolben (5) in dem Zylinder (3) gekoppelt ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend – Empfangen von Messsignalen eines Klopfsensors, die repräsentativ für eine Klopfintensität eines jeweiligen Zylinders (3) sind, und – Anpassen des Sollwertes (S_AGR) der Abgasrückführungsrate (AGR) in Abhängigkeit der empfangenen Messsignale des Klopfsensors.
  8. System (1) für eine Brennkraftmaschine, umfassend – eine Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, und – einen Zylinderdrucksensor (10), der in der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und dessen Messsignale repräsentativ für einen Druck in dem Zylinder (3) der Brennkraftmaschine sind.
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