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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Vorentflammungen von einem Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Ottomotors.
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Vorentflammungen sind Selbstzündungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die vor der geplanten Fremdzündung auftreten. Diese unerwünschten Selbstzündungen, die vor dem vorgesehenen Zündzeitpunkt liegen, führen zu stark erhöhten Spitzendrücken und hohen Gasdruckschwankungen, die wiederum den Ottomotor schädigen können.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Ottomotors bereitzustellen, bei dem die Häufigkeit der Vorentflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum reduziert wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion von Vorentflammungen von einem Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Ottomotors, mit den folgenden Schritten:
- a) Ermitteln der Vorentflammungsneigung eines aus dem Kraftstoff und dem Ottomotor zusammengesetzten Systems,
- b) Vergleichen der Vorentflammungsneigung mit einem Grenzwert, und
- c) Regeln von wenigstens einem Betriebsparameter des Ottomotors, falls die Vorentflammungsneigung den Grenzwert übersteigt.
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Dabei können sämtliche Schritte durch die Motorsteuerung des Ottomotors durchgeführt werden. Der Grenzwert kann vorbestimmt sein oder in Abhängigkeit von anderen Parametern angepasst werden. Die Vorentflammungsneigung beschreibt die Tendenz eines Ottomotors, eines Kraftstoffes oder eines Betriebszustandes zu Vorentflammungen zu führen. Die Vorentflammungsneigung eines Kraftstoffes, also des mit diesem Kraftstoff erzeugten Kraftstoff-Luft-Gemisches, kann beispielsweise durch den Aromatengehalt des Kraftstoffes beschrieben und durch chemische Analyse gemessen werden. Bei einem Ottomotor kann die Vorentflammungsneigung zum Beispiel durch dessen Vorentflammungshäufigkeit dargestellt werden.
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Die Vorentflammungshäufigkeit ist ein statistisches Maß. Sie gibt den Anteil der Vorentflammungen an einer bestimmten Anzahl an Verbrennungszyklen eines Verbrennungsmotors wieder. Sie wird berechnet, indem die Anzahl an Verbrennungszyklen mit Vorentflammungen durch die Anzahl der gesamten Verbrennungszyklen eines bestimmten Zeitintervalls geteilt wird. Das Zeitintervall sind typischerweise 10.000 Arbeitsspiele.
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Dadurch, dass die Vorentflammungsneigung des Systems aus Kraftstoff und Ottomotor ermittelt wird, kann, falls notwendig, gezielt Einfluss auf die Betriebsparameter des Motors genommen werden. Die Werte der Betriebsparameter werden dann aufgrund von in der Motorsteuerung hinterlegten, empirischen Daten zu solchen Werten hin verschoben, bei denen Vorentflammungen seltener auftreten.
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Außerdem kann der wenigstens eine Betriebsparameter für den gesamten Ottomotor, das heißt für alle Zylinder gleichzeitig verändert werden. Diese Maßnahme der Änderung eines Betriebsparameters für den gesamten Motor wird auch eine gesamtmotorische Maßnahme genannt.
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Vorzugsweise wird, nachdem der wenigstens eine Betriebsparameter geändert wurde, die Vorentflammungshäufigkeit ermittelt und nochmals wenigstens ein Betriebsparameter des Ottomotors geändert, wenn die Vorentflammungshäufigkeit oberhalb einer Zielhäufigkeit liegt. Auf diese Weise kann zuverlässig überprüft werden, ob die Änderungen der Betriebsparameter Wirkung gezeigt haben oder ob weitere Eingriffe in die Betriebsparameter des Ottomotors notwendig sind. Dabei kann der Betriebsparameter, der gegebenenfalls nach der Ermittlung der Vorentflammungshäufigkeit geändert wird, ein anderer oder der gleiche Betriebsparameter sein, der bereits aufgrund einer erhöhten Vorentflammungsneigung geändert wurde. Die Zielhäufigkeit kann vorbestimmt sein oder in Abhängigkeit von anderen Parametern angepasst werden.
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Beispielsweise wird bei der Ermittlung der Vorentflammungshäufigkeit die Anzahl der Vorentflammungen in allen Zylindern berücksichtigt, sodass schnell auf auftretende Vorentflammungen reagiert werden kann.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Vorentflammungsneigung und/oder die Vorentflammungshäufigkeit während des Betriebes des Ottomotors ermittelt, wodurch keine zusätzlichen Messungen durchgeführt oder Informationen an die Motorsteuerung übergeben werden müssen.
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Zur Ermittlung der Vorentflammungsneigung des Kraftstoffes kann die Vorentflammungshäufigkeit bestimmt werden. Dabei kann die Vorentflammungshäufigkeit in erster Näherung gleich der Vorentflammungsneigung angesehen werden. Auf diese Weise ist eine einfache und zuverlässige Bestimmung der Vorentflammungsneigung des Kraftstoffes möglich.
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Beispielsweise ist der Grenzwert gleich der Zielhäufigkeit, sodass nur ein einziger Schwellwert bestimmt und kontrolliert werden muss.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung entspricht die Vorentflammungshäufigkeit der Anzahl der Vorentflammungen in einem bestimmten Referenzintervall. Zum Beispiel ist das Referenzintervall 10.000 Zylinderarbeitsspiele lang. Somit kann auf einfache Weise ein vergleichbarer Wert für die Vorentflammungshäufigkeit bestimmt werden.
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Beispielsweise liegt die Zielhäufigkeit bei unter 1 Vorentflammungen pro 10.000 Zylinderarbeitsspielen, wodurch eine mögliche Beschädigung des Ottomotors durch Vorentflammungen effektiv minimiert wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Adaptionswert bestimmt, der von der Vorentflammungshäufigkeit abhängt, wobei der Adaptionswert bei einer erkannten Vorentflammung um einen Inkrementwert erhöht und pro durchlaufenem Zylinderarbeitsspiel um einen Dekrementwert verringert wird, wobei der wenigstens eine Betriebsparameter des Ottomotors geändert wird, wenn der Adaptionswert oberhalb eines Adaptionsschwellwertes liegt. Dadurch, dass bei jeder Vorentflammung der Adaptionswert erhöht wird, kann schnell auf auftretende Vorentflammungen reagiert werden.
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Vorzugsweise sind der Inkrementwert und der Dekrementwert von der Zielhäufigkeit abhängig. Zum Beispiel kann der Inkrementwert gleich dem Dekrementwert geteilt durch die Zielhäufigkeit sein, sodass der Adaptionswert im Mittel konstant ist, wenn die Vorentflammungshäufigkeit der Zielhäufigkeit entspricht. In diesem Fall fällt oder steigt der Adaptionswert im Mittel, wenn die Vorentflammungshäufigkeit kleiner bzw. größer als die Zielhäufigkeit ist.
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Der Dekrementwert kann in Abhängigkeit der verstrichenen Zeit seit der letzten Vorentflammung gewählt werden. Dadurch kann schneller auf eine Stabilisierung des Systems aus Kraftstoff und Ottomotor reagieren werden, beispielsweise nachdem das Fahrzeug mit anderem Kraftstoff betankt wurde.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine Betriebsparameter die Kraftstofftemperatur, die Öltemperatur, die Kühlwassertemperatur, das Verbrennungsluftverhältnis, das Drehmoment, der Ladedruck, die Kolbenbodenkühlung, die Einspritzstrategie, der Zündzeitpunkt, die Ladungsbewegung, der Spülgrad, die Spreizung und/oder der Ventilhub des Ottomotors. Es hat sich herausgestellt, dass diese Parameter Einfluss auf die Vorentflammungshäufigkeit haben, sodass eine Änderung einer oder mehrerer dieser Betriebsparameter zuverlässig zur Reduktion von Vorentflammungen führt.
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Vorzugsweise wird wenigstens einer der Betriebsparameter des Ottomotors in Abhängigkeit, insbesondere in linearer Abhängigkeit der Vorentflammungsneigung, der Vorentflammungshäufigkeit und/oder des Adaptionswertes geändert, wodurch die Betriebsparameter situationsbezogen optimal angepasst werden können.
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In einer Ausführungsvariante wird zunächst ein erster der Betriebsparameter bis auf einen vorbestimmten Wert reduziert oder vergrößert, anschließend wird ein zweiter der Betriebsparameter bis auf einen vorbestimmten Wert angepasst, und daran anschließend wird der erste der Betriebsparameter weiter reduziert oder vergrößert. Dabei kann eine Änderung der Betriebsparameter proportional zur Vorentflammungshäufigkeit erfolgen.
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Jeder dieser drei Maßnahmen, die nur Beispiele sind, kann ein Adaptionsschwellwert zugeordnet sein, wobei die jeweilige Maßnahme nach Überschreiten des zugeordneten Adaptionsschwellwertes vorgenommen wird.
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Beispielsweise wird einer der Betriebsparameter erst dann geändert, wenn der vorbestimmte Wert des anderen Betriebsparameters erreicht ist. Während der Verringerung einer der Betriebsparameter wird der andere Betriebsparameter konstant gehalten. Auf diese Weise kann gezielt eine optimale Reihenfolge von Maßnahmen ergriffen werden.
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Auch können Betriebsparameter gleichzeitig oder überlagernd geändert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- - 2 einen Verlauf des Adaptionswert bei erreichter Zielhäufigkeit des Verfahrens nach 1, und
- - 3 den Verlauf des Adaptionswertes während das Verfahren nach 1 durchgeführt wird.
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Durch das in 1 gezeigte Verfahren werden die Betriebsparameter eines Ottomotors mit mehreren Zylindern und Brennräumen durch eine Motorsteuerung für den gesamten Ottomotor angepasst. Die Anpassung dient der Reduktion der Häufigkeit von Vorentflammungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum.
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In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird zunächst die Vorentflammungsneigung des Systems aus Kraftstoff und dem Ottomotor ermittelt. Dies ist hilfreich, da derselbe Kraftstoff in verschiedenen Ottomotoren zu unterschiedlichen Vorentflammungsneigungen des Systems aus Kraftstoff und Ottomotor führen kann.
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Dabei kann die Vorentflammungsneigung dadurch ermittelt werden, dass die Häufigkeit der Vorentflammungen bestimmt wird. Dies kann zum Beispiel durch die Motorsteuerung des Ottomotors geschehen.
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Denkbar ist jedoch auch, dass die Vorentflammungsneigung auf andere Weise bestimmt oder außerhalb des Fahrzeugs ermittelt und an die Motorsteuerung übergeben wird, zum Beispiel durch eine chemische Analyse des Kraftstoffes.
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Anschließend wird in Schritt S2 die Vorentflammungsneigung mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen und, sofern die Vorentflammungsneigung oberhalb des vorbestimmten Grenzwertes liegt, in Schritt S3 wenigstens ein Betriebsparameter des Ottomotors geändert.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform ist der wenigstens eine Betriebsparameter die Kraftstofftemperatur T oder der Ladedruck P des Ottomotors. Denkbar ist selbstverständlich, dass auch noch andere Betriebsparameter des Ottomotors geändert werden, die Einfluss auf die Vorentflammung haben, zum Beispiel die Öltemperatur, die Kühlwassertemperatur, das Verbrennungsluftverhältnis, das Drehmoment, die Kolbenbodenkühlung, die Einspritzstrategie, der Zündzeitpunkt, die Ladungsbewegung, der Spülgrad, die Spreizung des Ottomotors und/oder der Ventilhub.
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Der Betriebsparameter wird im Schritt S3 durch die Motorsteuerung für den gesamten Ottomotor, das heißt für jeden Zylinder des Ottomotors geändert, sodass es sich hierbei um eine gesamtmotorische Maßnahme handelt.
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Nachdem der Betriebsparameter in Schritt S3 geändert wurde oder wenn in Schritt S2 festgestellt wurde, dass die Vorentflammungsneigung des Kraftstoffes unterhalb des vorbestimmten Grenzwertes liegt, wird in Schritt S4 die Vorentflammungshäufigkeit VH (Figs. 2 und 3) ermittelt.
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Die Vorentflammungshäufigkeit VH wird dabei von der Motorsteuerung des Ottomotors während des Betriebs des Ottomotors ermittelt.
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Bei der Ermittlung der Vorentflammungshäufigkeit VH wird die Anzahl der Vorentflammungen in allen Zylindern des Ottomotors berücksichtigt, wobei nur die Vorentflammungen berücksichtigt werden können, die von der Steuereinheit als solche erkannt werden.
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Zur Erkennung von Vorentflammungen sind beispielsweise bekannte Klopfsensoren vorgesehen, die mit der Motorsteuerung informationstechnisch verbunden sind.
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Die Vorentflammungshäufigkeit VH entspricht dabei der Anzahl der Vorentflammungen in allen Zylindern des Ottomotors in einem bestimmten Referenzintervall. Das Referenzintervall ist zum Beispiel 10.000 Zylinderarbeitsspiele Z lang.
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Die Zielhäufigkeit Vz liegt in der beschriebenen Ausführungsform unter einem Wert von einer Vorentflammung pro 10.000 Zylinderarbeitsspielen.
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Wenn die Vorentflammungshäufigkeit VH bestimmt ist, wird im nächsten Schritt S5 die Vorentflammungshäufigkeit VH mit einer Zielhäufigkeit Vz verglichen.
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In Schritt S6 wird, wenn die Vorentflammungshäufigkeit VH die Zielhäufigkeit Vz überschreitet, nochmals wenigstens ein Betriebsparameter des Ottomotors geändert.
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Der Betriebsparameter, der in Schritt S6 geändert wird, kann dabei der gleiche Betriebsparameter sein, der in Schritt S3 geändert wurde. Jedoch kann auch ein anderer Betriebsparameter in Schritt S6 geändert werden.
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Anschließend wird wieder in Schritt S4 die Vorentflammungshäufigkeit VH ermittelt, um den Erfolg der Änderung des Betriebsparametes zu überprüfen.
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Zu Schritt S4 wird auch zurückgekehrt, wenn die Vorentflammungshäufigkeit VH unterhalb der Zielhäufigkeit Vz liegt, um ständig auf Veränderungen der Betriebsbedingungen reagieren zu können.
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In den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen des Verfahrens wird ein Adaptionswert A bestimmt, der von der Vorentflammungshäufigkeit VH abhängig ist, sodass durch die Bestimmung des Adaptionswertes A auch die Vorentflammungshäufigkeit VH ermittelt wird.
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Außerdem wird in diesen Beispielen angenommen, dass die Vorentflammungsneigung des Kraftstoffes der Vorentflammungshäufigkeit VH entspricht. Dies ist eine gute und einfache Näherung. Somit wird auch für den Grenzwert der Vorentflammungsneigung die Zielhäufigkeit Vz der Vorentflammungshäufigkeit VH verwendet.
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Die 2 und 3 zeigen den Verlauf des Adaptionswertes A in verschiedenen Situationen. Die verwendete Zeitskala ist in den Graphen die Anzahl an durchlaufenen Zylinderarbeitsspielen Z.
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Der Adaptionswert A wird von der Motorsteuerung bestimmt und bei einer erkannten Vorentflammung in einem der Zylinder um einen Inkrementwert I erhöht. Gleichzeitig verringert die Motorsteuerung den Adaptionswert A pro durchlaufenem Zylinderarbeitsspiel um einen Dekrementwert D.
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Dabei sind der Inkrementwert I und der Dekrementwert D derart gewählt, dass der Adaptionswert A bei einer Vorentflammungshäufigkeit V
H, die der Zielhäufigkeit V
z entspricht, im Mittel konstant ist. Um dies zu erreichen, können der Inkrementwert I und der Dekrementwert D wie folgt gewählt sein:
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Liegt die Vorentflammungshäufigkeit VH über der Zielhäufigkeit Vz, steigt der Adaptionswert A im Mittel an, liegt die Vorentflammungshäufigkeit VH unterhalb der Zielhäufigkeit Vz, fällt der Adaptionswert A im Mittel ab.
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Somit spiegelt sich die Vorentflammungshäufigkeit VH im Adaptionswert A als Steigung nieder, wobei die Zielhäufigkeit Vz als Nullsteigung des Adaptionswertes A angesehen werden kann.
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In der in 2 dargestellten Situation ist der Adaptionswert A im Mittel konstant und die Vorentflammungshäufigkeit VH entspricht der Zielhäufigkeit Vz , die beide als horizontale, strichpunktierte Geraden angedeutet sind.
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Der Inkrementwert I und der Dekrementwert D sind in 2 ebenfalls angedeutet, wobei der Dekrementwert D in Wirklichkeit wesentlich kleiner ist.
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In 3 ist der Verlauf des Adaptionswertes A in einer Situation dargestellt, bei der plötzlich vermehrt Vorentflammungen auftreten, beispielsweise weil das Fahrzeug mit Kraftstoff mit hoher Vorentflammungsneigung betankt und so die Vorentflammungsneigung des Systems aus Kraftstoff und Ottomotor erhöht wurde. 3 weicht zur Vereinfachung insofern von der Realität ab, als dass die erkannten Vorentflammungen sehr regelmäßig auftreten. In der Realität treten die Vorentflammungen selbstverständlich unregelmäßiger auf.
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In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Wertebereich des Adaptionswertes A in vier Intervalle I1 bis I4 eingeteilt, die jeweils durch einen Adaptionsschwellwert S1, S2, S3, S4 getrennt sind.
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In Abhängigkeit des Intervalls I1 bis I4, in dem der Adaptionswert A liegt, werden von der Motorsteuerung unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, um die Vorentflammungshäufigkeit VH zu reduzieren.
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Die genannten Maßnahmen sind in 3 rechts neben dem Diagramm angedeutet und lediglich als Beispiele zu verstehen. Ebenfalls könnte als Maßnahme die Öltemperatur, die Kühlwassertemperatur, das Verbrennungsluftverhältnis, das Drehmoment, die Kolbenbodenkühlung, die Einspritzstrategie, der Zündzeitpunkt, die Ladungsbewegung, der Spülgrad, die Spreizung des Ottomotors, die Drehzahl, die relativen Füllung und/oder der Ventilhub geändert werden.
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In der gezeigten Ausführungsform werden unterschiedliche Betriebsparameter des Ottomotors geändert, nämlich die Kraftstofftemperatur T des dem Ottomotor zugeführten Kraftstoffes und der Ladedruck P.
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Sowohl die Änderung der Kraftstofftemperatur T als auch die Verringerung des Ladedruckes P werden im Bezug auf Werte bei Volllast vorgenommen und für andere Lastsituationen entsprechend angepasst.
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Das erste Intervall I1 erstreckt sich von unten bis zu einem Wert des Adaptionswertes A von S1. Innerhalb dieses Intervalls I1 werden keine Betriebsparameter des Motors geändert. Der Ottomotor läuft im Normalbetrieb.
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Im zweiten Intervall I2, das sich zwischen Adaptionswerten A von S1 und S2 erstreckt, wird der Ladedruck P des Ottomotors reduziert.
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Die Größe der Reduzierung des Ladedrucks P ist dabei linear abhängig vom Adaptionswert A, wobei bei einem Adaptionswert A von S1 keine Reduzierung vorgenommen wird und bei einem Adaptionswert A von S2 der Ladedruck P des Ottomotors auf beispielsweise 90% des normalen Ladedrucks P reduziert wird.
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Im dritten Intervall I3, das sich zwischen Adaptionswerten A von S2 bis S3 erstreckt, wird der Ladedruck P konstant bei 90% gehalten, und die Kraftstofftemperatur T wird angepasst.
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Auch im dritten Intervall I3 kann die Änderung der Kraftstofftemperatur T linear abhängig vom, d.h. proportional zum Adaptionswert A sein.
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In der gezeigten Ausführungsform liegt die Kraftstofftemperatur T zu Beginn des Intervalls I3, also A = S2, bei T1 und wird mit Ansteigen des Adaptionswerts A bis A = S3 linear auf T2 angepasst.
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Im vierten Intervall I4, das sich von S3 bis S4 erstreckt, wird wiederum der Ladedruck P weiter verringert.
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Im vierten Intervall I4 wird die Kraftstofftemperatur T bei T2 gehalten.
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Auch im vierten Intervall I4 kann die Verringerung des Ladedruckes P linear in Abhängigkeit des Adaptionswertes A erfolgen, wobei bei einem Adaptionswert von S3 der Ladedruck P auf beispielsweise 90% des maximalen Ladedrucks P reduziert ist und bis zum Adaptionswert von S4 weiter bis auf beispielsweise 75% des maximalen Ladedrucks P verringert wird.
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In dem in 3 gezeigten Szenario liegt der Adaptionswert A zu Beginn zunächst unter S1, das heißt im ersten Intervall I1. Somit findet keine Änderung eines Betriebsparameters statt.
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Kurz darauf treten Vorentflammungen auf, und der Adaptionswert A steigt über den ersten Adaptionsschwellwert S1 bei A = S1 in das zweite Intervall I2 an, sodass die Motorsteuerung eine Reduzierung des Ladedrucks P des Ottomotors veranlasst. Der Ladedruck P ist damit der erste der Betriebsparameter, der geändert wird. Im gezeigten Szenario liegt der Adaptionswert A zu diesem Zeitpunkt nahe am Wert S2, sodass eine Reduktion des Ladedrucks P auf fast 90% des maximalen Ladedrucks P des Ottomotors stattfindet.
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Diese Maßnahme reicht jedoch nicht aus, um die Vorentflammungshäufigkeit VH (als strichpunktierte Linie angedeutet) unter die Zielhäufigkeit Vz (eine gedachte horizontale Gerade) zu senken, sondern es treten weiter Vorentflammungen auf, und der Adaptionswert A steigt weiter an.
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Der Adaptionswert A passiert den zweiten Adaptionsschwellwert S2 bei A = S2 und erreicht somit das dritte Intervall I3, woraufhin die Motorsteuerung die Kraftstofftemperatur T anpasst. Die Kraftstofftemperatur T ist somit der zweite der Betriebsparameter, der geändert wird.
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Dies führt zwar zu einer leichten Verringerung der Vorentflammungshäufigkeit VH, das heißt zu einer leichten Verringerung des Anstiegs des Adaptionswertes A, jedoch steigt der Adaptionswert A weiter über den dritten Adaptionsschwellwert S3 bei A = S3 bis in das vierte Intervall I4.
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Die Motorsteuerung reduziert daraufhin den Ladedruck P des Ottomotors weiter bis schließlich der gewünschte Erfolg eintritt und die Vorentflammungshäufigkeit VH bis auf die Zielhäufigkeit Vz reduziert wurde. Der Adaptionswert A bleibt anschließend im Mittel konstant und verläuft permanent im vierten Intervall I4.
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Somit wurden die Betriebsparameter erfolgreich angepasst, sodass nun die Häufigkeit der Vorentflammungen gleich oder kleiner der Zielhäufigkeit ist.
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In der gezeigten Ausführungsform wurde eine Anpassung des Ladedrucks P und der Kraftstofftemperatur T unabhängig von anderen Betriebsparametern wie der Öltemperatur, der Kühlwassertemperatur, dem Verbrennungsluftverhältnis, dem Drehmoment, der Kolbenbodenkühlung, der Einspritzstrategie, dem Zündzeitpunkt, der Ladungsbewegung, dem Spülgrad, der Spreizung des Ottomotors, der Drehzahl, der relativen Füllung und/oder dem Ventilhub beschrieben. Dies diente lediglich zur Veranschaulichung. Selbstverständlich kann die Anpassung des Ladedrucks P und/oder der Kraftstofftemperatur T auch abhängig von den genannten anderen Betriebsparametern gewählt werden.
