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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine und ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß den Patentansprüchen.
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Wie allgemein bekannt, ist es beim Betrieb einer Brennkraftmaschine wesentlich, dass die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches auch tatsächlich mit einem bestimmten, d. h. gewünschten Verbrennungsluftverhältnis erfolgt. Das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn auf Grundlage des Verbrennungsluftverhältnisses weitere für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevante Kenngrößen bestimmt werden. Zum Beispiel gemäß der
DE 102 60 012 B4 erfolgt in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine die Ermittlung einer Klopfneigung. Stimmt nun beispielsweise ein mittels einer Lambdasonde ermitteltes Verbrennungsluftverhältnis nicht mit dem tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnis überein, kann folglich auch die Klopfneigung gemäß der
DE 102 60 012 B4 nicht korrekt bestimmt werden. Das ist insbesondere dann problematisch, wenn die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder aufweist, da ein Teil der Zylinder mit einem unter- und der andere Teil mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden kann, ohne dass das mittels einer Lambdasonde zuverlässig erkannt wird.
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Aus der
DE 10 2012 219 725 A1 ist es bekannt, in einem Prüfbetrieb die Zusammensetzung des Gemisches in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine um einen bestimmten Lambdawert zu variieren und aus der Stärke einer zyklischen Schwankung der Laufunruhe auf eine Vertrimmung der Zusammensetzung des Gemisches in diesem Zylinder zu schließen.
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Wie beispielsweise in der
WO 92/ 011 522 A1 beschrieben, besteht das Problem, dass nicht in allen Betriebsbereichen einer Brennkraftmaschine die Laufunruhe zuverlässig bestimmt werden kann, da die Laufunruhe insbesondere durch Schwingungseinflüsse in seiner Aussage unsicher ist.
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Gemäß der
EP 0 400 172 A1 ist ein Verfahren Stand der Technik, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Verbrennungsmotors ausgehend von einer Klopfregelung angepasst wird. Dabei wird die Klopfgrenze und der Zündwinkel herangezogen.
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Gemäß der
DE 601 14 932 T2 ist ein Verfahren zur Mehrfacheinspritzung für eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung beschrieben. Dabei wird die Klopfintensität in Abhängigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses herangezogen. Die Klopfintensität wird mit einem maximalen Klopfintensitätsgrenzwert verglichen, um einen Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu definieren, in dem eine stabile Verbrennung möglich ist.
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Gemäß der
DE 10 2008 000 521 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Klopfinformation bekannt. Dabei wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis basierend auf einem Signal eines lonenstromsensors optimiert. Der lonenstromsensor liefert Informationen zum Klopfverhalten des Motors. Aus dem Maximum des lonenstromsensors wird das optimale Luft-Kraftstoff-Verhältnis gewählt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu verbessern und vielseitiger anwendbar zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
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Demnach wird erfindungsgemäß in einem ersten Schritt eine Variation des Verbrennungsluftverhältnisses durchgeführt und dabei ein Klopfpegel erfasst/ermittelt/bestimmt. In einem weiteren Schritt wird das Verbrennungsluftverhältnis ermittelt/erfasst/bestimmt, bei dem der Klopfpegel maximal ist. In einem noch weiteren Schritt wird das Verbrennungsluftverhältnis, bei dem der Klopfpegel maximal ist, einem Referenzwert gegenübergestellt. Weiterhin erfolgt in Abhängigkeit einer Abweichung des zuvor bestimmten Verbrennungsluftverhältnisses von dem Referenzwert eine Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses.
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Mit anderen Worten wurde erkannt, dass ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Verbrennungsverhältnis und dem Klopfpegel bei einer Verbrennung besteht, welcher dazu verwendet werden kann, das tatsächlich in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine bei einer Verbrennung vorherrschende Verbrennungsluftverhältnis zu bestimmen und in Abhängigkeit davon Korrekturen, Anpassungen, Einstellungen und/oder Modellierungen vorzunehmen.
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Zunächst ist es von Vorteil, dass erfindungsgemäß sehr genau das tatsächlich in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine bei einer Verbrennung vorherrschende Verbrennungsluftverhältnis bestimmt werden kann. Folglich können auf Grundlage des so ermittelten Verbrennungsluftverhältnisses weitere für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevante Kenngrößen präzise bestimmt werden.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren unempfindlich ist gegen äußere Schwingungseinflüsse, wie etwas Fahrbahnunebenheiten. Derartigen Einflüssen ist eine Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug gewöhnlich ständig ausgesetzt.
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Besonders günstig ist es, dass keines der erfindungsgemäß verarbeiteten Signale die Summe einer Abfolge von Einzelereignissen repräsentiert, so wie es bei der Verarbeitung eines Drehzahlsignals zu einem Laufunruhewert der Fall ist, wo sich Einzelereignisse bzw. Drehmomentbeiträge überlagern und gegenseitig beeinflussen und zudem noch weitere Einflussgrößen, wie Drehschwingungen des Kurbeltriebs, das auszuwertende Signal verfälschen.
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Erfindungsgemäß erfolgt demgegenüber die Auswertung des Signals eines (Körperschall-)Sensors in einem eindeutig einem Zylinder und einem Verbrennungsvorgang zugeordneten Intervall bzw. Messfenster. Unmittelbar vorher und nachher erfolgende Verbrennungsvorgänge oder vergleichbare Signalquellen im selben oder in weiteren Zylindern haben praktisch keinen Einfluss auf das verbrennungsindividuelle Klopfpegelsignal.
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Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem weiten Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine angewendet werden, insbesondere da moderne Brennkraftmaschinen regelmäßig hoch verdichtet sind, können klopfende Verbrennungen auch in Betriebspunkten mit vergleichsweise geringer Last auftreten und zur Verarbeitung herangezogen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind der folgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
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Eine Brennkraftmaschine weist zumindest einen Zylinder auf. Insbesondere weist die Brennkraftmaschine mehrere in Reihe, in Stern-, V-, oder W-Form bzw. gegenüberliegend angeordnete Zylinder auf. Der bzw. die Zylinder werden von einem Zylinderblock aufgenommen. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich insbesondere um eine Otto-Brennkraftmaschine mit einer Fremdzündung. Kraftstoff wird mittels Injektoren bevorzugt unmittelbar dem jeweiligen Zylinder bzw. Brennraum zugeführt. Wie bekannt wird dem jeweiligen Zylinder außerdem Verbrennungsluft über einen Einlass zugeführt und Abgas von dem Zylinder über einen Auslass abgeführt. An dem Zylinderblock ist ein allgemein bekannter Klopfsensor angeordnet, also ein Körperschallsensor. Dieser Sensor dient zur Erfassung eines Klopfpegels bzw. als Grundlage zur Bestimmung bzw. Ermittlung eines Klopfpegels in dem zumindest einen Zylinder. Der Klopfpegel kann auch mittels eines Brennraumdrucksensors oder eines lonenstromsensors oder eines sonstigen geeigneten Sensors erfasst werden, so wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist. Das Verbrennungsluftverhältnis (Lambda) wird bevorzugt mittels einer Lambdasonde ermittelt, die mit dem Abgas im Kontakt steht.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Brennkraftmaschine derart betrieben, dass klopfende Verbrennungen auftreten, in dem zumindest einen Zylinder bzw. in den Zylindern. Bevorzugt wird die Brennkraftmaschine dazu in einem spezifischen Betriebsbereich betrieben, insbesondere in einem Betriebsbereich mit hoher Belastung bzw. maximaler Belastung. Denkbar ist jedoch alternativ oder in Kombination dazu auch eine Erhöhung der Verdichtung, ob nun geometrisch oder durch eine Änderung der Zylinderfüllung (z. B. durch Änderung der Steuerzeiten von Ladungswechselorganen, Anhebung des Aufladegrades etc.). Wiederum alternativ oder in Kombination mit einer Erhöhung der Verdichtung kann auch eine Erhöhung des Temperaturniveaus innerhalb der Brennkammer der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderblocks erfolgen, beispielsweise durch die Verminderung einer Ladeluftkühlung und/oder ein Anheben der Temperatur eines Kühlmittels und/oder die Anhebung der Kolbentemperatur durch Absenkung/Deaktivierung der Kolbenbodenkühlung.
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Zunächst wird nur ein Zylinder betrachtet. Sollte die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder aufweisen, dann können die Schritte des im folgenden beschriebenen Verfahrens entsprechend der Zündfolge der Brennkraftmaschine sequentiell erfolgen. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Einstellung, Gleichstellung bzw. Korrektur des Verbrennungsluftverhältnisses in den einzelnen Zylinder das Ziel ist. Jedenfalls wird die Brennkraftmaschine, insbesondere für die Dauer der Durchführung des im Folgenden beschriebenen Verfahrens, gleichbleibend in einem Betriebspunkt betrieben, in dem klopfende Verbrennungen auftreten und es wird betreffend den betrachteten Zylinder eine Variation des Verbrennungsluftverhältnisses durchgeführt. D. h. das Kraftstoff-LuftGemisch wird in seiner Zusammensetzung variiert. Diese Variation erfolgt beispielsweise durch eine Änderung der Ansteuerdauer des zumindest einen Injektors, der dem Zylinder zugeordnet ist. Insbesondere wird das Verbrennungsluftverhältnis in einem Intervall von Lambda = 0,8 bis Lambda = 1,2 variiert. Die Ermittlung des Verbrennungsluftverhältnisses während dieser Variation erfolgt bevorzugt mittels der Lambdasonde, die mit dem Abgas im Kontakt steht. Zum Beispiel werden 100 Verbrennungsvorgänge in einer Abfolge dieser Variation zu Grunde gelegt, wobei in einem ersten Schritt ein Verbrennungsvorgang erfolgt oder mehrere aufeinanderfolgende Verbrennungsvorgänge bei einem Verbrennungsluftverhältnis von Lambda = 0,8 erfolgen und die zugehörigen Klopfintensitäten erfasst und anschließend beispielsweise durch ein statistisches Verfahren zu einem Klopfpegel zusammengeführt werden. Vorteilhaft sind dabei insbesondere das arithmetische Mittel bzw. geeignete Quantile. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Verbrennungsvorgang oder es erfolgen mehrere aufeinanderfolgende Verbrennungsvorgänge bei einem Verbrennungsluftverhältnis von Lambda = 0,85, wobei wiederum der betreffende Klopfpegel ermittelt wird, beispielsweise durch ein statistisches Verfahren wie beschrieben oder einfach anhand des Signals eines Körperschallsensors. In dieser Schrittweite von Lambda = 0,05 kann dann weiter verfahren werden, bis das Verbrennungsluftverhältnis von Lambda = 1,25 erreicht wird und der Bereich von Lambda = 0,8 und Lambda = 1,2 vollständig abgedeckt ist. D. h. bei einer Variation des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgt erfindungsgemäß eine Ermittlung des Verlaufes des Klopfpegels in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses. Praktisch werden dabei Paarungen/Wertepaare aus Verbrennungsluftverhältnis und Klopfpegel erfasst und gespeichert, so dass sich der in 1 gezeigte Verlauf des Klopfpegels über dem Verbrennungsluftverhältnis ergibt bzw. für eine weitere Verarbeitung bereitsteht. Die Ermittlung/Speicherung der Wertepaare kann auch ohne gezielte Variation des Verbrennungsluftverhältnisses und somit während des Normalbetriebes der Brennkraftmaschine erfolgen. Dabei wird/werden ein oder mehrere Wertepaar/e gleichen Verbrennungsluftverhältnisses erfasst und abgelegt. Somit ergibt sich ebenfalls ein Verlauf des Klopfpegels über dem Verbrennungsluftverhältnis. Dieses Verfahren dauert deutlich länger, als die gezielte Variation. Es hat jedoch den Vorteil, dass keinerlei Eingriffe in das abgas- und verbrauchsrelevante Verbrennungsluftverhältnis vorgenommen werden.
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Für die Ermittlung/Bereitstellung des Klopfpegels wird insbesondere die (zyklische) Klopfintensität in Abhängigkeit des Signals des Körperschallsensors bestimmt, so wie allgemein bekannt, also insbesondere durch eine Verstärkung/Filterung dieses Signals und eine Gleichrichtung der relevanten Signalanteile sowie ein Aufsummieren dieser Signalanteile innerhalb eines bestimmten Intervalls/Mess- bzw. Zeitfensters, so dass ein Wert (Klopfintensität, Klopfintegral) bereitsteht, der beispielsweise einem statistischen Verfahren der Klopfpegelbildung zur Verfügung steht oder dem Klopfpegel entspricht bzw. sich proportional dazu verhält. Denkbar ist jedoch auch eine Bestimmung des Klopfpegels in Abhängigkeit des Signals des Körperschallsensors, wobei ein Maximalwert des Signals innerhalb eines Intervalls/Mess- bzw. Zeitfensters verwertet wird.
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Hier zeigt sich ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern. So erfolgt bei dem Verfahren gemäß der
DE 10 2012 219 725 A1 eine Betrachtung von Schwankungen der Laufunruhe, wobei die Laufunruhe in Abhängigkeit von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle bestimmt wird und jeder Zylinder einen Beitrag zur Drehung der Kurbelwelle liefert, so dass quasi eine Betrachtung eines Signals erfolgt, welches die Summe einer Abfolge von Einzelereignissen repräsentiert und sich diese Einzelereignisse gegenseitig beeinflussen. Jedenfalls ist eine Isolierung der Einzelereignisse aus einem solchen Signal regelmäßig schwierig bzw. aufwendig oder nur in einem unbefriedigenden Maß möglich. Die Drehbewegung der Kurbelwelle ist dabei zudem von Drehungleichförmigkeiten überlagert, die nicht durch unterschiedliche Drehmomentbeiträge der einzelnen Zylinder, beispielsweise infolge unterschiedlicher Verbrennungsluftverhältnisse in den Zylindern, bedingt sind, sondern ihre Ursache in der Elastizität der Kurbelwelle und geometrische Eigenschaften des Kurbeltriebs oder in äußeren Schwingungsereignissen (z. B. Drehschwingungsdämpfer, Getriebekupplung, Fahrbahnunebenheiten) haben. Dem hingegen erfolgt erfindungsgemäß durch die Auswertung des Signals eines (Körperschall-)Sensors in einem eindeutig einem Zylinder und einem Verbrennungsvorgang zugeordneten Intervall bzw. Messfenster eine von den unmittelbar vorher und nachher erfolgenden Verbrennungsvorgängen in weiteren Zylindern unabhängige Bestimmung des Verbrennungsluftverhältnisses im jeweiligen Zylinder, so wie es im weiteren Verlauf im Detail beschrieben wird. Auch spielen hier die oben genannten Quereinflüsse keine Rolle.
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Anhand des in 1 gezeigten Verlaufes des Klopfpegels über dem Verbrennungsluftverhältnis erfolgt erfindungsgemäß eine weitere Bearbeitung. D. h. in einem weiteren Schritt wird anhand des in 1 gezeigten Verlaufes des Klopfpegels über dem Verbrennungsluftverhältnis das Verbrennungsluftverhältnis ermittelt, bei dem der Klopfpegel maximal ist. Das erfolgt, wie dem Fachmann bekannt, anhand gängiger mathematischer Verfahren/Algorithmen bzw. einer entsprechenden Programmierung. Somit ist jetzt klar, bei welchem Verbrennungsluftverhältnis der Klopfpegel im betrachteten Zylinder maximal ist. Beispielsweise ist der Klopfpegel bei einem Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere einem gemessenen Gesamt-Verbrennungsluftverhältnis, von Lambda = 1,15 maximal. Erfindungsgemäß wird dieses Verbrennungsluftverhältnis, bei dem der Klopfpegel maximal ist, einem Referenzwert gegenübergestellt. D. h. es erfolgt ein Vergleich mit einem Referenzwert, der insbesondere in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine, gegebenenfalls in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, abgelegt ist, wobei dieser Referenzwert in der Entwicklungsphase der Brennkraftmaschine, beispielsweise in Verbindung mit hochpräziser Messtechnik, insbesondere für jeden Zylinder separat bestimmt wird. Der Referenzwert beträgt beispielsweise Lambda = 1,05. Jedenfalls liegt der Referenzwert insbesondere in einem Bereich von Lambda = 0,98 und Lambda = 1,1.
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Wie in 2 gezeigt, ergibt diese Gegenüberstellung, dass das Verbrennungsluftverhältnis, bei dem der Klopfpegel maximal ist (durchgezogene Linie), von dem Referenzwert (gestrichelte Linie) abweicht. Diese Abweichung (Doppelpfeil) beträgt gemäß dem vorliegenden Beispiel Lambda = 0,1.
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In einem weiteren Schritt erfolgt in Abhängigkeit dieser Abweichung (Lambda = 0,1) des Verbrennungsluftverhältnisses, bei dem der Klopfpegel maximal ist (Lambda = 1,15), von dem Referenzwert (Lambda = 1,05) eine Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses im betrachteten Zylinder. Diese Einstellung bzw. Korrektur des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgt insbesondere dadurch, dass eine Änderung der Ansteuerdauer des zumindest einen Injektors erfolgt, der dem jeweiligen Zylinder zugeordnet ist. Im konkreten Fall liegt eine Abweichung des tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnisses von Lambda = 0,1 vor. Folglich wird das Verbrennungsluftverhältnis dadurch eingestellt bzw. korrigiert, dass insbesondere die Ansteuerdauer des zumindest einen Injektors verändert wird, so dass die Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses, bei dem der Klopfpegel maximal ist, von dem Referenzwert eliminiert bzw. auf ein Minimum reduziert wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Änderung der Luftmenge und/oder eine Änderung einer rückgeführten Abgasmenge erfolgen, die dem zumindest einen Zylinder jeweils zugeführt wird, um diese Abweichung zu beeinflussen. Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß und insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine nur einen Zylinder aufweist, ein Abgleich des Verbrennungsluftverhältnisses, das mittels der mit dem Abgas in Kontakt stehenden Lambdasonde ermittelt wird und dem Verbrennungsluftverhältnis, das erfindungsgemäß in Abhängigkeit des Klopfpegels ermittelt wird. In Abhängigkeit der Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses, bei dem der Klopfpegel maximal ist, von dem Referenzwert kann eine Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses insbesondere dadurch erfolgen, dass diese Abweichung als Offset/Faktor in der Vorsteuerung der Kraftstoffzufuhr und/oder der Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses auf Grundlage des Signals der mit dem Abgas in Kontakt stehenden Lambdasonde verarbeitet wird, so dass diese Abweichung (dauerhaft) eliminiert/minimiert wird.
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Im Ergebnis kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern eine Gleichstellung des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgen, sondern es ist auch sichergestellt, dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches tatsächlich mit einem bestimmten Verbrennungsluftverhältnis erfolgt. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn auf Grundlage des Verbrennungsluftverhältnisses eine chemische Abgasnachbehandlung erfolgt, die eine konkrete relative Zusammensetzung des Abgases aus bestimmten chemischen Komponenten erfordert (3-Wege-Kat) sowie weitere für den Betrieb der Brennkraftmaschine relevante Kenngrößen bestimmt werden. Erfolgt zum Beispiel gemäß der
DE 102 60 012 B4 in Abhängigkeit des Verbrennungsluftverhältnisses einer Brennkraftmaschine die Ermittlung einer Klopfneigung, dann kann diese infolge des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer bestimmt werden. Somit wird erfindungsgemäß das Problem überwunden, dass beispielsweise ein mittels einer Lambdasonde ermitteltes Verbrennungsluftverhältnis nicht mit dem tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnis übereinstimmt und es kann die Klopfneigung gemäß der
DE 102 60 012 B4 korrekt bestimmt werden. Von Vorteil ist es auch, dass gegenüber dem Einsatz einer mit dem Abgas mehrerer Zylinder in Kontakt stehenden Lambdasonde dann, wenn die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder aufweist und ein Teil der Zylinder mit einem unter- und der andere Teil mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, dieser Zustand mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zuverlässig erkannt wird und abgestellt werden kann.
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Wie zum Beispiel in der
DE 11 2012 007 121 A5 beschrieben, kann anhand des Klopfpegels eine Einstellung des Zündzeitpunktes, insbesondere in Verbindung mit einer Klopfregelung erfolgen. Dieser Klopfpegel kann dabei gemäß dem Verfahren nach der
DE 102 60 012 B4 bestimmt bzw. modelliert werden. Ein solches Verfahren zur Einstellung des Zündzeitpunktes profitiert erheblich von dem neuen erfindungsgemäßen Ansatz, da eine Modellierung des Klopfpegels in Abhängigkeit des somit der Realität entsprechenden Verbrennungsluftverhältnisses viel präziser den tatsächlichen im Zylinder vorliegenden Klopfpegel beschreibt.
