DE102018106999A1

DE102018106999A1 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine sowie eine fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018106999A1
Application number: DE102018106999.5A
Authority: DE
Inventors: Fabian Titus
Original assignee: Mot GmbH
Current assignee: Mot GmbH
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-09-26

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, welche Brennkraftmaschine wenigstens einen Zylinder , wenigstens eine dem Zylinder zugeordnete Zündeinrichtung und wenigstens eine mit dem Zylinder zusammenwirkende Kurbelwelle aufweist, bei dem die Brennkraftmaschine in wenigstens einem Betriebsmodus betrieben wird, in welchem Betriebsmodus ein Zündzeitpunkt, an dem durch die Zündeinrichtung ein in dem Zylinder enthaltenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, gegenüber einem Referenzzündzeitpunkt (19) modifiziert wird, indem der Zündzeitpunkt in einem Verfahrensschritt a) zunächst für wenigstens einen Verbrennungszyklus vorverstellt (161, 171, 181) wird, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung bei einer ersten Winkelstellung der Kurbelwelle gezündet wird, welche vor einer Winkelstellung der Kurbelwelle am Referenzzündzeitpunkt (19) liegt, und anschließend in einem Verfahrensschritt b) für wenigstens einen Folgeverbrennungszyklus nachverstellt (162, 172, 182) wird, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung (4) bei einer zweiten Winkelstellung der Kurbelwelle (5) gezündet wird, welche nach der Winkelstellung der Kurbelwelle (5) am Referenzzündzeitpunkt (19) liegt. Außerdem wird eine entsprechend arbeitende fremdgezündete Brennkraftmaschine vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, bei der eine gesonderte Zündeinrichtung, wie beispielsweise eine Zündkerze, für die Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs sorgt, weist verschiedene Betriebsmodi auf, bei denen ihr mechanischer Wirkungsgrad bewusst reduziert wird. Die Verschlechterung des mechanischen Wirkungsgrads kann dabei beispielsweise durch eine Verstellung eines Zündzeitpunkts, an dem das in einem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündeinrichtung gezündet wird, auf einen Zeitpunkt erfolgen, der zeitlich hinter einem Referenzzündzeitpunkt liegt (sog. Nachverstellung). Bei dem Referenzzündzeitpunkt handelt es sich um den Zeitpunkt, an dem die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einem für den jeweiligen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine optimalen Zündergebnis führt, welches einen Kompromiss zwischen optimalem Drehmoment, Kraftstoffverbrauch und Emissionsbildung darstellt. Aufgrund dieser Nachverstellung läuft die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, welches sich in dem Brennraum befindet, zu einem späteren Zeitpunkt im Vergleich zum Referenzzündzeitpunkt ab. Durch diese spätere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wird ein Großteil der gebildeten Verbrennungsenergie in Form von Wärme durch ein oder mehrere Auslassventile bzw. einen oder mehrere als Schlitz ausgebildete Auslässe des Zylinders in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine abgeführt. Hierdurch kann beispielsweise in einem Betriebsmodus, in welchem ein Fahrzeugkatalysator noch nicht eine gewünschte Betriebstemperatur aufweist, Verbrennungswärme an den Katalysator abgegeben werden. Somit kann die Temperatur des Katalysators über eine sogenannte Light-Off-Temperatur gebracht werden, um eine effiziente Abgasnachbehandlung zu erreichen.
Eine solche Nachverstellung des Zündzeitpunkts führt jedoch gleichzeitig zur Reduktion eines Zylinderinnendrucks. Weiterhin wird weniger thermische Energie den Brennraumwänden des Zylinders zugeführt. Da die Bildung von partikelförmigen Emissionen in Form von Rußpartikeln stark von der Temperatur der Brennraumwände beeinflusst wird, kann es daher zu Rußablagerung an den Brennraumwänden, der Zündeinrichtung, den Ein- und Auslassventilen sowie weiteren Komponenten des Zylinders, wie beispielsweise einem Kraftstoffinjektor kommen. Dies führt zu einem verfrühten Verschleiß bis hin zum Ausfall der betreffenden Komponenten.
Alternativ zu einer Nachverstellung des Zündzeitpunkts kann der Zündzeitpunkt auch zeitlich vor den Referenzzündzeitpunkt verlegt, d.h. vorverstellt werden (sog. Vorverstellung), wodurch ebenfalls der mechanische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verringert wird. Durch eine Vorverstellung des Zündzeitpunkts läuft die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einem im Verhältnis zum Referenzzündzeitpunkt früheren Zeitpunkt ab, sodass mehr thermische Energie an die Brennraumwände und andere dem Zylinder zugeordnete Komponenten abgegeben wird. Hierdurch kann eine Ansammlung von Rußpartikeln im Zylinder und damit die Verrußung der dem Zylinder zugeordneten Komponenten, wie beispielsweise dem Kraftstoffinjektor, verhindert werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass im Fall einer Vorverstellung des Zündzeitpunkts weniger thermische Energie in den Abgastrakt abgeführt wird, sodass es wesentlich länger dauert, bis beispielsweise der Fahrzeugkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht. Daher findet eine Umwandlung von Verbrennungsschadstoffen, wie beispielsweise Stickoxide, in ungiftige Stoffe nur unvollständig oder gar nicht statt, sodass deutlich mehr Verbrennungsschadstoffe an die Umwelt abgegeben werden.
Beispielsweise geht aus der WO 2006/105562 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine hervor, bei dem ein Zündzeitpunkt zur Erhöhung der thermischen Energie im Brennraum vorverstellt wird, wodurch ein Rußabbrand an der Zündeinrichtung erreicht werden soll.
Die WO 2011/042402 A2 beschreibt ein Verfahren, bei dem der Zündzeitpunkt zur Erhöhung der thermischen Energie im Brennraum während eines Betriebsmodus zwischen der Katalysatorheizphase und einer Lastphase vorverstellt wird, um die Bildung von Ruß im Brennraum sowie ein Ausstoß von Emissionspartikeln zu verringern.
Wie bereits zuvor erwähnt, besteht der Nachteil des vorstehend genannten Standes der Technik darin, dass nicht genügend thermische Energie in den Abgastrakt abgeführt wird und nachfolgende Komponenten nur langsam ihre gewünschte Betriebstemperatur erreichen. Somit kommt es zu einem erhöhten Ausstoß an unerwünschten, giftigen Verbrennungsstoffen in die Umwelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine sowie eine fremdgezündete Brennkraftmaschine anzugeben, welche sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine verringerte Partikel- und Schadstoffemission bei gleichzeitig verringertem Verschleiß der dem Zylinder zugeordneten Komponenten auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8 bzw. 10 bis 15.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, welche Brennkraftmaschine wenigstens einen Zylinder, wenigstens eine dem Zylinder zugeordnete Zündeinrichtung und wenigstens eine mit dem Zylinder zusammenwirkende Kurbelwelle aufweist, umfasst die folgenden Schritte:
Die Brennkraftmaschine wird in wenigstens einem Betriebsmodus betrieben, in welchem Betriebsmodus ein Zündzeitpunkt, an dem durch die Zündeinrichtung ein in dem Zylinder enthaltenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, gegenüber einem Referenzzündzeitpunkt modifiziert wird, indem der Zündzeitpunkt zunächst in einem Verfahrensschritt a) für wenigstens einen Verbrennungszyklus vorverstellt wird, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung bei einer ersten Winkelstellung der Kurbelwelle gezündet wird, welche vor einer Winkelstellung der Kurbelwelle am Referenzzündzeitpunkt liegt. Anschließend wird der Zündzeitpunkt in einem Verfahrensschritt b) für wenigstens einen Folgeverbrennungszyklus nachverstellt, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung bei einer zweiten Winkelstellung der Kurbelwelle gezündet wird, welche nach der Winkelstellung der Kurbelwelle am Referenzzündzeitpunkt liegt.
Der Begriff „Referenzzündzeitpunkt“ bezieht sich dabei auf den Zündzeitpunkt, an dem die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einem für den jeweiligen Betriebsmodus, in dem sich die Brennkraftmaschine befindet, optimalen Ergebnis führt. Das optimale Ergebnis stellt für jeden Betriebsmodus einen entsprechenden Kompromiss zwischen Drehmoment, Kraftstoffverbrauch und Emissionsbildung dar. Beide Begriffe „Zündzeitpunkt“ sowie „Referenzzündzeitpunkt“ beziehen sich dabei auf die Winkelstellung der Kurbelwelle, bei der ein Zündfunke, ein Zündplasma, eine Laserzündung oder eine Oberflächenzündung an der Zündvorrichtung ausgelöst wird. Der Zündzeitpunkt sowie der Referenzzündzeitpunkt können als Kurbelwellenwinkel in Grad vor dem oberen Totpunkt oder nach dem oberen Totpunkt, welcher sich auf die höchste Stellung des Kolbens im Zylinder bezieht, angegeben werden.
Der Begriff „Verbrennungszyklus“ bezieht sich auf einen Kreisprozess-Umlauf der Brennkraftmaschine. Im Fall eines Viertaktmotors umfasst der Kreisprozess-Umlauf hierbei die folgenden Arbeitsschritte: (A1.) Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemischs, (B1.) Verdichten und Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemischs, (C1.) Verrichtung von durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erzeugter mechanischer Arbeit und (D1.) Ausstoßen von Verbrennungsreststoffen. Bei einem Zweitaktmotor durchläuft der Kreisprozess-Umlauf die folgenden Arbeitsschritte: (A2.) Ansaugen, Verdichten und Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemischs sowie (B2.) Verrichtung von durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erzeugter mechanischer Arbeit und Ausleiten von Verbrennungsreststoffen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht eine fremdgezündete Brennkraftmaschine vor, welche wenigstens einen Zylinder, wenigstens einen dem Zylinder zugeordnete Zündeinrichtung, wenigstens eine mit dem Zylinder zusammenwirkende Kurbelwelle sowie wenigstens eine Steuereinheit aufweist. Es ist hierbei wesentlich, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Zündzeitpunkt, bei dem durch die Zündeinrichtung ein in dem Zylinder enthaltenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, in wenigstens einem Betriebsmodus, in welchem die Brennkraftmaschine betrieben wird, zu modifizieren, wobei der Zündzeitpunkt zunächst für wenigstens einen Verbrennungszyklus vorverstellt ist, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung bei einer ersten Winkelstellung der Kurbelwelle gezündet wird, welche vor einer Winkelstellung der Kurbelwelle am Referenzzündzeitpunkt liegt. Anschließend ist der Zündzeitpunkt für wenigstens einen Folgeverbrennungszyklus nachverstellt, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung bei einer zweiten Winkelstellung der Kurbelwelle gezündet wird, welche nach der Winkelstellung der Kurbelwelle am Referenzzündzeitpunkt liegt.
Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige fremdgezündete Brennkraftmaschinen haben gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. Brennkraftmaschinen den Vorteil, dass die Vorteile beider Zündzeitpunktverstellungen solcherart kombiniert werden, dass zunächst aufgrund der Vorverstellung mehr Verbrennungsenergie im Brennraum zurückbehalten wird, wodurch Partikelemissionen sowie gasförmige Emissionen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid gesenkt, aber auch Rußablagerungen an beispielsweise den Ventilen bzw. Auslässen und/oder der Zündeinrichtung und/oder einem Kraftstoffinjektor verringert werden können. Durch eine Nachverstellung oder Spätverstellung des Zündzeitpunkts in dem wenigstens einen Folgeverbrennungszyklus wird mehr Verbrennungsenergie in Form von Wärme durch die Auslassventile der Brennkraftmaschine ins Abgas abgegeben, sodass Nachfolgebauteile wie beispielsweise der Fahrzeugkatalysator, auf ihre optimale Betriebstemperatur gebracht werden. Somit führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem optimierten Betrieb der Brennkraftmaschine. Eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine zeichnet sich vorzugsweise durch einen geringeren Verschleiß der dem Zylinder zugeordneten Komponenten aus.
Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass das Verfahren für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, bei welcher der Kraftstoff unmittelbar in einen Brennraum eingespritzt wird, oder für eine Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung, bei der der Kraftstoff indirekt hinter einer Drosselklappe der Kraftstoff-Luft-Zuführleitung in den Brennraum eingespritzt wird, angewendet werden kann. Das Verfahren ist grundsätzlich nicht auf einen bestimmten Typ von Brennkraftmaschinen beschränkt. Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, dass eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, welche nach diesem Verfahren betrieben wird, für Kraftfahrzeuge, motorbetriebene Handgeräte, wie beispielsweise eine Sägemaschine, Stationärmotoren, wie beispielsweise ein Blockheizkraftwerk, oder dergleichen verwendet werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein Anteil v_AV an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt an einer Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen des Betriebsmodus v_AV = 0,001 bis 1 beträgt, bevorzugt v_AV = 0,10 bis 0,99, besonders bevorzugt v_AV = 0,50 bis 0,95. Der Anteil v_AV an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt kann dabei individuell an den Betriebsmodus angepasst werden, um einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten sowie einen frühzeitigen Verschleiß der Komponenten des Zylinders zu vermeiden. Hierbei sei angemerkt, dass der Anteil v_AV an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt an einer Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen des Betriebsmodus vorzugsweise kleiner 1 ist und vom jeweiligen Betriebsmodus, in dem sich die fremdgezündete Brennkraftmaschine befindet, abhängt.

Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass die Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen hauptsächlich Verbrennungszyklen mit nach- bzw. spätverstellten Zündzeitpunkten und nur einzelne Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt aufweist. Alternativ kann es je nach vorliegendem Betriebsmodus auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an Verbrennungszyklen einen vorverstellten Zündzeitpunkt aufweisen. Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass der Anteil v_AV an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt an der Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebsmodus der fremdgezündeten Brennkraftmaschine gewählt werden sollte. In der nachfolgenden Tabelle ist der jeweilige, bevorzugter Anteil v_AV,1 an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt an einer Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen für die Betriebsmodi Motornachstartphase, Katalysatorheizbetriebsphase, Leerlaufphase, Teillastphase sowie Momentenreservephase angegeben, Es liegt hierbei jedoch auch im Rahmen der Erfindung, dass dieser Anteil im jeweiligen Betriebsmodus bei v_AV,2, besonders bevorzugt bei v_AV,3 liegen kann.

Betriebsmodus	V_AV,1	V_AV,2	V_AV,3
Motornachstartphase	0,1 - 1	0,5 - 1	0,9 - 1
Katalysatorheizbetriebsphase	0,01 - 0,5	0,05 - 0,3	0,1 - 0,2
Leerlaufphase	0,01 - 1	0,1 - 0,9	0,3 - 0,7
Teillastphase	0,01 - 1	0,05 - 0,9	0,2 - 0,6
Momentenreservephase	0,01 - 1	0,05 - 0,9	0,2 - 0,6

Durch diese spezifische Anpassung des Anteils v_AV an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt an der Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen wird eine Brennraumtemperatur für jeden Betriebsmodus optimiert, wodurch es zu einer Reduktion der Emissionsbildung sowie einem Rußabbrand an den Komponenten des Zylinders kommt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Zündzeitpunkt zwischen 90 Grad Kurbelwellenwinkel vor einem oberen Totpunkt der Kurbelwelle und 20 Grad nach dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle verstellt, bevorzugt zwischen 55 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle und 10 Grad nach dem oberen Totpunkt, besonders bevorzugt zwischen 30 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle und 0 Grad nach dem oberen Totpunkt. Hierbei kann der Zündzeitpunkt an die Erfordernisse des jeweiligen Betriebsmodus angepasst werden, um die Partikel- und Schadstoffemission bestmöglichst zu reduzieren sowie den Verschleiß der dem Zylinder zugeordneten Komponenten zu minimieren.
Eine Auswahl der jeweiligen Winkelpaare an vor- und nachverstelltem Zündzeitpunkt wird vorzugsweise für jeden Betriebsmodus separat getroffen, wodurch eine Anpassung an eine jeweilige Lastanforderung des Betriebsmodus erfolgen kann. Beispielsweise kann in der Katalysatorheizbetriebsphase die Winkelpaarung an vor- und nachverstelltem Zündzeitpunkt »90 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und 20 Grad nach dem oberen Totpunkt« eine zielführende Lösung sein.
[Weitere Beispiele]

Betriebsmodus	Spätverstellung/ Frühverstellung Offset zu Referenzzündzeitpunkt (Beispiel)
Motornachstartphase	15/30
Katalysatorheizbetriebsphase	30/80
Leerlaufphase	10/20
Teillastphase	5/10
Momentenreservephase	10/20

Da der (absolute) Zündzeitpunkt nicht nur von dem Betriebsmodus, sondern auch sehr stark von der Drehzahl abhängig ist, sind vorstehend Beispiele angegeben, die sich als Offset auf den Referenzzündzeitpunkt verstehen
Um ein gleichmäßiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren vor, dass solcherart zwischen dem vorverstellten Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt a) und dem nachverstellten Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt b) gewechselt wird, dass ein effektives Drehmoment der Brennkraftmaschine beim Wechseln des Zündzeitpunkts im Wesentlichen konstant bleibt. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein Fahrer eines Fahrzeugs, welches eine Brennkraftmaschine aufweist, die nach einem derartigen Verfahren betrieben wird, das veränderte Betriebsverhalten nicht als störend wahrnimmt. Hierdurch wird der Fahrkomfort für den Fahrer optimiert. Findet eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, welche mittels dieses Verfahrens betrieben wird, in einer Sägemaschine Anwendung, würde ein Benutzer der Sägemaschine das veränderte Betriebsverhalten ebenfalls nicht als störend wahrnehmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt a) anhand eines ersten, von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine in dem Betriebsmodus aufgespannten Kennfelds vorverstellt.
Bei einer entsprechenden Weiterbildung der Brennkraftmaschine weist die Steuereinheit zumindest ein von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine in dem Betriebsmodus aufgespanntes Kennfeld auf, welches Kennfeld zur Festlegung des Zündzeitpunkts dient.
Es ist allgemein bekannt, dass Kennfelder, welche in einer Steuereinheit gespeichert sind, zur Steuerung oder Regelung von Betriebsgrößen in den Betriebsmodi einer Brennkraftmaschine dienen können. Hierbei ist es lediglich notwendig zwei Betriebsgrößen, wie beispielsweise eine Drehzahl der Kurbelwelle, eine Stellung einer Drosselklappe, ein Luftdruck in einem Saugrohr der Kraftstoff-Luft-Zufuhr oder eine Luftmasse, welche durch dieses Saugrohr gesaugt wird, zu messen. Anhand dieser Messwerte lassen sich aus dem Kennfeld weitere Betriebsgrößen in einfacher Weise durch die Steuereinheit entnehmen bzw. ableiten. Das Kennfeld kann als zweidimensionale Darstellung aller möglichen Betriebspunkte einer Brennkraftmaschine aufgespannt werden, wobei ein Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch ihre Drehzahl und ihr Drehmoment definiert ist. Das Drehmoment der Brennkraftmaschine korreliert mit den zuvor genannten Messwerten, d.h. mit der Stellung der Drosselklappe, dem Luftdruck in dem Saugrohr der Kraftstoff-Luft-Zufuhr sowie der Luftmasse, welche durch dieses Saugrohr gesaugt wird. In einer dreidimensionalen, matrixartigen Darstellung können jedem Betriebspunkt zusätzlich Werte für steuerbare Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine wie beispielsweise Zündzeitpunkt und Einspritzzeitpunkt des Kraftstoff-Luft-Gemischs hinterlegt werden, ohne dass diese während des Betriebs der Brennkraftmaschine gemessen werden müssen. Hierdurch kann beispielsweise der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Drehzahl und einem gewünschten Zieldrehmoment festgelegt und gesteuert werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass zur Vorverstellung des Zündzeitpunkts in Verfahrensschritt a) ein Kennfeld verwendet wird, durch welches der Zündzeitpunkt anhand der in dem Betriebsmodus vorliegenden Drehzahl und dem gewünschten Zieldrehmoment der Brennkraftmaschine festgelegt ist. Alternativ besteht jedoch zusätzlich die Möglichkeit, dass neben den Werten für die Drehzahl und das Drehmoment auch weitere Parameter des Fahrzeugs bzw. des motorgesteuerten Geräts, die sich aufgrund von wechselnden Betriebs- und/oder Umweltbedingungen ergeben, ausgelesen und verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine oder einzelner Komponenten als weiterer Parameter zur Festlegung des Zündzeitpunkts herangezogen werden. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass die positiven Auswirkungen einer auf den vorverstellten Zündzeitpunkt folgenden Nachverstellung bzw. Spätverstellung des Zündzeitpunkts weiter optimiert werden können, wenn der Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt b) nicht nur in einem Folgeverbrennungszyklus nachverstellt wird, sondern in einer Mehrzahl an Folgeverbrennungszyklen. Daher sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass der Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt b) in einer Mehrzahl p, p >= 1, an Folgeverbrennungszyklen nachverstellt wird, insbesondere in p = 20 Folgeverbrennungszyklen, bevorzugt in p = 8 Folgeverbrennungszyklen, besonders bevorzugt in p = 4 Folgeverbrennungszyklen. Das bedeutet, dass der Zündzeitpunkt zunächst in einem ersten Verbrennungszyklus vorverstellt und daraufhin in einer Mehrzahl p, p >= 1, von Folgeverbrennungszyklen nachverstellt wird. Diese Kombination an Vor- und Nachverstellung des Zündzeitpunkts kann je nach Anforderung des Betriebsmodus beliebig oft wiederholt werden, bevor der Zündzeitpunkt wieder an den Referenzzündzeitpunkt angeglichen wird. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass nur eine einmalige Kombination von Vor- und Nachverstellung des Zündzeitpunkts durchgeführt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, dass in beiden Verfahrensschritten a) und b) weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine an den Betriebsmodus und/oder den modifizierten Zündzeitpunkt angepasst werden können. Beispielsweise können sowohl der Einspritzzeitpunkt, eine Kraftstoffmenge des einzubringenden Kraftstoff-Luft-Gemischs sowie ein Ladungswechsel des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder separat und variabel gesteuert werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass eine Einspritzstrategie und/oder die Menge an einzuspritzendem Kraftstoff an den Betriebsmodus und/oder den modifizierten Zündzeitpunkt angepasst werden können. Hierdurch ist gewährleistet, dass insbesondere in den Folgeverbrennungszyklen keine Unregelmäßigkeiten im Verbrennungszyklus auftreten, wodurch ein Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine möglicherweise negativ beeinflusst wäre.
Bei einer entsprechenden Weiterbildung der fremdgezündeten Brennkraftmaschine ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den Zündzeitpunkt in einer Mehrzahl p, p >= 1, von Folgeverbrennungszyklen nachzuverstellen, insbesondere in p = 20 Folgeverbrennungszyklen, bevorzugt in p = 8 Folgeverbrennungszyklen, besonders bevorzugt in p = 4 Folgeverbrennungszyklen. Hierdurch werden ebenfalls die zuvor genannten Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen erreicht.
Um ein tatsächliches Drehverhalten der Kurbelwelle an ein vorgegebenes bzw. gewünschtes Drehverhalten der Kurbelwelle schrittweise anzugleichen, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens der Zündzeitpunkt in den Folgeverbrennungszyklen schrittweise nachverstellt. Beispielsweise kann ein Zündzeitpunkt zunächst auf 90 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt und danach in einem ersten Folgeverbrennungszyklus auf 16 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt verstellt werden. In einem zweiten Folgeverbrennungszyklus wird der Kurbelwellenwinkel auf 18 Grad nach dem oberen Totpunkt verstellt, bis er in einem dritten Folgeverbrennungszyklus auf einen Zielwert von 20 Grad nach dem oberen Totpunkt verstellt wird. Eine solche schrittweise Nachverstellung wirkt sich positiv auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine aus und führt daher zu einer weiteren Verbesserung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs bzw. das Betriebsverhalten weiterer motorbetriebener Geräte, welche mit einer auf Grundlage dieses Verfahrens betriebenen Brennkraftmaschine ausgestattet ist.
Um das Drehverhalten der Kurbelwelle zu überwachen, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die Winkelstellung der Kurbelwelle sowie vorzugsweise ein Zylinderinnendruck des Zylinders bestimmt. Daraufhin wird das tatsächliche Drehverhalten in Verfahrensschritt b) mit einem vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle verglichen, welches vorgegebene Drehverhalten in einem zweiten, von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine im Betriebsmodus aufgespannten Kennfeld hinterlegt ist. Bei einer Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens von dem vorgegebenen Drehverhalten wird der Zündzeitpunkt anhand eines dritten Kennfelds in den Folgeverbrennungszyklen unter Nutzung eines Überwachungsergebnisses solcherart geregelt, dass das tatsächliche Drehverhalten an das vorgegebene Drehverhalten angeglichen wird. Eine derartige Regelung des Zündzeitpunkts gewährleistet ein optimales Drehverhalten der Kurbelwelle und somit ein gleichmäßiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine. Die Angleichung des tatsächlichen Drehverhaltens an das vorgegebene Drehverhalten der Kurbelwelle wirkt sich zudem positiv auf die Emissionsbildung, den Verschleiß der Zylinderkomponenten sowie weiterer Komponenten des Antriebsstrangs wie beispielsweise Kurbelwelle, Kupplung, Antriebswelle, Differenzial, Kardanwelle und Reifen aus. Im weiteren Sinne wirkt sich die Angleichung des tatsächlichen Drehverhaltens sogar auch positiv auf einen Abrieb eines Bodenbelags einer Straße aus, auf dem ein Fahrzeug fährt, welches eine fremdgezündete Brennkraftmaschine aufweist, die nach dem beschriebenem Verfahren betrieben wird.
Zur Bestimmung der Winkelstellung der Kurbelwelle weist die fremdgezündete Brennkraftmaschine in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einen Kurbelwellensensor auf. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass der Kurbelwellensensor als Induktionsgeber ausgebildet ist, welcher im Bereich der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Da die Kurbelwelle bevorzugt aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Stahl ausgebildet ist, führt eine Drehung der Kurbelwelle zu einer Veränderung des Magnetfelds im Kurbelwellensensor, wodurch eine Wechselspannung in einer magnetischen Spule des Kurbelwellensensors induziert wird. Die Frequenz dieser Wechselspannung ist ein Maß für die Drehzahl und kann in der Steuereinheit als Drehzahlwert ausgewertet werden. Anhand einer von der Winkelstellung abhängigen Drehzahl der Kurbelwelle kann das tatsächliche Drehverhalten der Kurbelwelle bestimmt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Induktionsgeber als Kurbelwellensensor beschränkt. Es kann beispielsweise auch ein Hall-Sensor verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Brennkraftmaschine weist die Steuereinheit ein erstes Kennfeld auf, anhand welchem der Zündzeitpunkt vorverstellbar ist, sowie ein zweites Kennfeld für den Folgeverbrennungszyklus, anhand welchem der Zündzeitpunkt für ein vorgegebenes Drehverhalten der Kurbelwelle nachverstellbar ist. Indem die Steuereinheit für sowohl die Vorverstellung als auch die Nachverstellung des Zündzeitpunkts ein separates Kennfeld aufweist, kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine weiter optimiert werden. Grund hierfür ist, dass eine Vor- bzw. Nachverstellung des Zündzeitpunkts zu einem unterschiedlichen Drehverhalten der Kurbelwelle und daher zu einem unterschiedlichen Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine führt. Ein individuelles Kennfeld für jede Art der Modifikation des Zündzeitpunkts verhindert daher eine ungleichmäßiges Drehverhalten der Kurbelwelle sowie ein ungleichmäßiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine. Dies wirkt sich nicht nur positiv auf den Fahrkomfort eines Fahrzeugs, sondern auch auf die Bildung von Emissionen sowie den Kraftstoffverbrauch aus.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Brennkraftmaschine sieht vor, dass die Steuereinheit ein drittes Kennfeld aufweist, anhand welchem der Zündzeitpunkt bei einer Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens der Kurbelwelle von dem vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle für den Folgeverbrennungszyklus modifizierbar ist, um das tatsächliche Drehverhalten an das vorgegebene Drehverhalten schrittweise im Wesentlichen anzugleichen. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein vom Kurbelwellensensor ermitteltes, tatsächliches Drehverhalten der Kurbelwelle an ein vorgegebenes Drehverhalten angepasst werden kann, wodurch u.a. ein höherer Zylinderinnendruck und somit ein höherer mechanischer Wirkungsgrad erzielt werden kann, bei gleichzeitiger Reduktion der Emissionsbildung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Brennkraftmaschine handelt es sich bei dem Betriebsmodus um eine Motornachstartphase, eine Katalysatorheizbetriebsphase, eine Leerlaufphase, eine Teillastphase oder eine Momentenreservephase. Hierbei handelt es sich um Betriebsmodi, welche sich von einem stationären Betriebsmodus der betriebswarmen Brennkraftmaschine dahingehend unterscheiden, dass sie sich beispielsweise durch einen unterschiedlichen Kraftstoffbedarf, eine abweichende Emissionsbildung und/oder abweichende Temperaturen der einzelnen Komponenten der Brennkraftmaschine auszeichnen, sodass eine Anpassung einzelner Betriebsgrößen, wie beispielsweise des Zündzeitpunkts, erforderlich sind, um ein gleichmäßiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu gewährleisten, einen vorzeitigen Verschleiß beteiligter Komponenten zu verhindern sowie die Emissionsbildung zu verringern.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fremdgezündeten Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung;
2 zeigt ein erstes Diagramm, in dem das Drehmoment der erfindungsgemäßen fremdgezündeten Brennkraftmaschine als Funktion des Zündzeitpunkts dargestellt ist;
3 zeigt ein zweites Diagramm, in dem ein Zylinderinnendruck der erfindungsgemäßen fremdgezündeten Brennkraftmaschine als Funktion eines Kurbelwellenwinkels einer Kurbelwelle für verschiedene Zündzeitpunkte dargestellt ist; und
4 zeigt ein drittes Diagramm, in dem ein zeitlicher Verlauf des Drehmoments, einer Drehzahl sowie einer Partikelemission der erfindungsgemäßen fremdgezündeten Brennkraftmaschine ab einem Zeitpunkt t = 0 Sekunden, an dem die Brennkraftmaschine gestartet wurde, dargestellt ist.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1. Die fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinder 2 sowie eine Steuereinheit 3 auf.
Der Zylinder 2 weist eine dem Zylinder 2 zugeordnete Zündvorrichtung 4, eine mit dem Zylinder 2 zusammenwirkende Kurbelwelle 5 sowie ein Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 auf.
Die Kurbelwelle 5 ist mittels einer Pleuelstange 7 mit einem Kolben 8 verbunden. Der Kolben 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel scheibenförmig ausgebildet und taucht in einen vom Zylinder 2 umgebenen Brennraum 9 senkrecht zu einer Längsachse des Brennraums 9 ein. Eine jeweilige Eindringtiefe des Kolbens 8 in den Brennraum 9 bestimmt dabei das Volumen des Brennraums 9 während eines Zündvorgangs durch die Zündvorrichtung 4. Eine Bewegung des Kolbens 8 wird über die Pleuelstange 7 an die Kurbelwelle 5 übertragen. Hierbei setzt die Pleuelstange 7 eine lineare Bewegung des Kolbens 8 in eine kreisförmige Bewegung der Kurbelwelle 5 um. Während eines Verbrennungsvorgangs im Zylinder 2 steigert sich der Druck im Brennraum 9. Durch diesen Druckanstieg wirkt eine Kraft auf den Kolben 8, welche über die Pleuelstange 7 an die Kurbelwelle 5 weitergeleitet wird. Die Kurbelwelle 5 hat dabei die Aufgabe diese Kraft in ein Drehmoment umzuwandeln und dieses Drehmoment über eine Kupplung an ein Fahrzeuggetriebe weiterzuleiten (Kupplung sowie Fahrzeuggetriebe sind der Abbildung nicht abgebildet).
Die Zündvorrichtung 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zündkerze ausgebildet, welche in jedem Verbrennungszyklus einen für eine Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderlichen Zündfunken zwischen ihren Elektroden 41, 42 erzeugt. Hierfür ist die Zündvorrichtung 4 solcherart am Zylinder 2 angeordnet, dass sich die Elektroden 41, 42 im Brennraum 9 befinden.
Die Kurbelwelle 5 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel weiterhin ein kreisförmiges Schwungrad 51 mit einem das Schwungrad 51 umfänglich umgebenden, ferromagnetischen Zahnkranz 52 auf. Eine Bewegung der Kurbelwelle 5 führt zu einer Drehung des Schwungrads 51 sowie des Zahnkranzes 52.
Die fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ausgebildet. Hierfür weist der Zylinder 2 an seiner Oberseite neben der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 eine Einlassöffnung 10 zur separaten Zufuhr von Luft in den Brennraum 9 auf, welche mit einem Einlassventil 101 verschlossen ist. Das Einlassventil 101 ist dabei mit einem Ansaugtrakt der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 fluidleitend verbunden (in der Abbildung nicht dargestellt). Anhand der Menge an zugeführter Luft durch die Einlassöffnung 10 vorbei an dem Einlassventil 101 sowie der Menge an zugeführtem Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 ist die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 9 einstellbar.
Weiterhin weist der Zylinder 2 an seiner Oberseite eine Auslassöffnung 11 zur Abfuhr von gasförmigen und partikelförmigen Verbrennungsreststoffen in einen dem Zylinder 2 nachgeordneten Abgastrakt auf, welche mit einem Auslassventil 111 verschlossen ist (Abgastrakt in der Abbildung nicht dargestellt). Bei einem Ladungswechsel eines Arbeitsmediums im Brennraum 9 während des Verbrennungszyklusses, d.h. beim Austausch der Verbrennungsreststoffe gegen frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch nach einem Verbrennungsvorgang, wird der Kraftstoff über die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 und die Luft über das Einlassventil 101 dem Brennraum 9 in einem gewünschten Verhältnis zugeführt, während die gasförmigen und partikelförmigen Verbrennungsreststoffe über das Auslassventil 111 in den Abgastrakt abgeführt werden.
Die Steuereinheit 3 dient zur Steuerung sowie Regelung verschiedener Funktionen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1. Hierfür weist die Steuereinheit 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine erste Untereinheit 12 zur Steuerung von Zündvorgängen, eine zweite Untereinheit 13 zur Steuerung des Ladungswechsels sowie eine dritte Untereinheit 14 zur Steuerung der Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemischs auf.
Die erste Untereinheit 12 wirkt mit der Zündeinrichtung 4 sowie mit einem Kurbelwellensensor 15 zusammen. Der Kurbelwellensensor 15 ist im Bereich der Kurbelwelle 5 angeordnet ist und dient dazu, die Drehzahl sowie die Position der Kurbelwelle 5 zu bestimmen. Der Kurbelwellensensor 15 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Induktionsgeber ausgebildet ist. Eine Drehung des Schwungrads 51 der Kurbelwelle 5 führt zu einer Drehung des ferromagnetischen Zahnkranzes 52, wodurch es zu einer Veränderung des Magnetfelds in dem Kurbelwellensensor 15 kommt. Hierdurch wird eine Wechselspannung in einer magnetischen Spule des Kurbelwellensensors 15 induziert (nicht abgebildet). Die Frequenz dieser Wechselspannung ist ein Maß für die Drehzahl und kann in der ersten Untereinheit 12 als Drehzahlwert ausgewertet werden.
Wie aus 1 ersichtlich ist, fehlt dem Zahnkranz 52 des Schwungrads 51 ein Zahn. Hierdurch kommt es zu einer Abweichung der im Kurbelwellensensor 15 erzeugten Wechselspannung, wodurch die Untereinheit 12 eine Winkelstellung der Kurbelwelle 5 ermitteln kann. Anhand der von dem Kurbelwellensensor 15 gemessenen Daten kann die Untereinheit 12 ein tatsächliches Drehverhalten der Kurbelwelle 5 ermitteln.
Die erste Untereinheit 12 weist fünf Kennfelder 121, 122, 123, 124, 125 auf. Ein erstes Kennfeld 121 dient dazu, den Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung 4 auf den Referenzzeitpunkt für den jeweiligen Betriebsmodus einzustellen. Hierfür ist das Kennfeld 121 als mathematische Darstellung mit dreidimensionaler, matrixartiger Struktur ausgebildet, welche einer Mehrzahl an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 in einem Betriebsmodus einen mit dem Referenzzündzeitpunkt des jeweiligen Betriebsmodus identischen Zündzeitpunkt zuordnet. Hierdurch wird die Brennkraftmaschine 1 ohne eine Reduktion des mechanischen Wirkungsgrads betrieben.
Die Untereinheit 12 greift zur Nachverstellung bzw. Spätverstellung des Zündzeitpunkts gegenüber einem Referenzzeitpunkt auf ein zweites Kennfelds 122 zu. Dieses weist eine zum ersten Kennfeld 121 vergleichbare Struktur auf. Ein Unterschied liegt jedoch darin, dass in dem zweiten Kennfeld 122 jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 ein gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt nachverstellter Zündzeitpunkt zugeordnet ist. Führt die Steuereinheit 3 eine solche Nachverstellung des Zündzeitpunkts durch, indem die Untereinheit 12 der Steuereinheit 3 auf das zweite Kennfeld 122 zugreift, dann läuft die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, welches sich im Brennraum 9 befindet, zu einem späteren Zeitpunkt im Vergleich zum Referenzzündzeitpunkt ab. Durch diese spätere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs wird ein Großteil der gebildeten Verbrennungsenergie in Form von Wärme durch das Auslassventil 111 des Zylinders 2 in einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine 1 abgeführt. Diese abgeführte Verbrennungsenergie führt zum Aufheizen von Komponenten der Brennkraftmaschine 1, welche dem Zylinder 2 nachgeordnet sind (nicht abgebildet).
Ein drittes Kennfeld 123 dient dazu, den Zündzeitpunkt der Zündvorrichtung 4 auf einen gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt für den jeweiligen Betriebsmodus früheren Zündzeitpunkt in einem Verbrennungszyklus vorzuverstellen. Greift die erste Untereinheit 12 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 auf das dritte Kennfeld 123 zu, um den Zündzeitpunkt zu modifizieren, dann läuft die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einem im Verhältnis zum Referenzzündzeitpunkt früheren Zeitpunkt ab. Hierdurch wird mehr thermische Energie an den Zylinder 2, die Zündeinrichtung 4, den Injektor 6, den Kolben 8, das Einlassventil 101 sowie das Auslassventil 111 abgegeben, wodurch die Bildung von Emissionspartikeln reduziert und damit die Verrußung dieser Komponenten verhindert wird. Jeder Betriebspunkt in diesem Kennfeld 123 ist einer Drehzahl sowie einem (Ziel-)Drehmoment der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 zugeordnet.
Ein viertes Kennfeld 124 dient dazu, den Zündzeitpunkt der Zündeinrichtung 4 für die auf eine vorverstellte Verbrennung folgenden (Folge-)Verbrennungszyklen schrittweise nachzuverstellen, bis sich das tatsächliche Drehverhalten einem vorgegebenen Drehverhalten angleicht. Das vierte Kennfeld 124 weist eine vergleichbare Struktur zum ersten Kennfeld 121 auf. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass das vierte Kennfeld 124 einer Mehrzahl an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 in einem Betriebsmodus einen gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt nachverstellten Zündzeitpunkt für die schrittweise Nachverstellung im Falle einer Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens vom vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle 5 zuordnet.
Die Untereinheit 12 ist weiterhin dazu ausgebildet, eine Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens von einem vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle 5 in einem Folgeverbrennungszyklus zu bestimmen. Zur Ermittlung der Abweichung vergleicht die Untereinheit 12 das in einem fünften Kennfeld 125 hinterlegte, für den Betriebsmodus vorgegebene Drehverhalten mit dem tatsächlichen Drehverhalten der Kurbelwelle 5, welches anhand der von dem Kurbelwellensensor 15 gemessenen Daten bestimmt wurde.
Liegt eine solche durch Messung des tatsächlichen Drehverhaltens der Kurbelwelle 5 bestimmte Abweichung vor, dann greift die Untereinheit 12 auf ein fünftes Kennfeld 125 zu, welches mit dem vierten Kennfeld 124 zusammenwirkt, und dazu ausgebildet ist, die schrittweise Nachverstellung des Zündzeitpunkts zur Angleichung eines tatsächlichen Drehverhaltens an ein vorgegebenes Drehverhalten anhand dem vierten Kennfeld 124 in den Folgeverbrennungszyklen zu korrigieren, bis die Angleichung des tatsächlichen Drehverhaltens an das vorgegebene Drehverhalten korrekt abläuft. Diese Korrektur führt weiterhin zu einem Lerneffekt der Untereinheit 12, welche anhand der notwendigen Korrekturen das vierte Kennfeld 124 dahingehend ändert, dass eine zusätzliche Korrektur der schrittweisen Nachverstellung zukünftig unnötig wird. Eine solche Adaption der schrittweisen Nachverstellung trägt zu einer weiteren Optimierung des Betriebs der Brennkraftmaschine bei. Gemäß der Ausgestaltung in 1 wirkt des fünfte Kennfeld zudem auch als Offset auf das dritte Kennfeld 123.
Das fünfte Kennfeld 125 weist eine vergleichbare Struktur zum ersten Kennfeld 121 auf. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass das fünfte Kennfeld 125 einer Mehrzahl an Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 in einem Betriebsmodus einen gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt nachverstellten Zündzeitpunkt für die schrittweise Nachverstellung im Falle einer gemessenen Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens vom vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle 5 zuordnet.
Die zweite Untereinheit 13 der Steuereinheit 3 ist dazu ausgebildet, den Ladungswechsel im Zylinder 2 zu steuern, und wirkt hierfür mit dem Einlassventil 101 und dem Auslassventil 111 des Zylinders 2 zusammen. Die Steuereinheit 3 weist hierfür vier Kennfelder 131, 132, 133, 134 auf, welche ebenfalls als mathematische Darstellung mit dreidimensionaler, matrixartiger Struktur ausgebildet sind.
Das erste Kennfeld 131 enthält Werte für die Steuerung des Ladungswechsels am Referenzzündzeitpunkt. Das zweite Kennfeld 132 enthält Werte für die Steuerung des Ladungswechsels bei einer Nachverstellung des Zündzeitpunkts. Das dritte Kennfeld 133 enthält Werte für die Steuerung des Ladungswechsels bei einem vorverstellten Zündzeitpunkt.. Das vierte Kennfeld 134 enthält Werte für die Steuerung des Ladungswechsels bei einer schrittweisen Nachverstellung des Zündzeitpunkts in den Folgeverbrennungszyklen. Hierdurch wird erreicht, dass der Ladungswechsel im Brennraum 9 in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt gesteuert werden kann. Eine Anpassung des Ladungswechsels an den Zündzeitpunkt verhindert eine Beeinträchtigung des tatsächlichen Drehverhaltens der Kurbelwelle 5 und führt so zu einem gleichmäßigen Betriebsverhalten der fremdgezündeten Brennkraftmaschine. Dies wirkt sich positiv auf den Fahrkomfort des mit dieser Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Fahrzeugs aus.
Die dritte Untereinheit 14 der Steuereinheit 3 ist dazu ausgebildet, eine Einspritzstrategie festzulegen sowie einen Einspritzzeitpunkt und eine Einspritzmenge des Kraftstoffes in den Brennraum 9 zu steuern, und wirkt hierfür mit der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 6 zusammen.
Die dritte Untereinheit 14 weist hierfür zunächst drei Kennfelder 141, 142, 143, 144 auf, anhand derer die Einspritzstrategie festgelegt sowie der Einspritzzeitpunkt in den Brennraum 9 gesteuert wird. Diese Kennfelder 141, 142, 143, 144 sind ebenfalls als mathematische Darstellung mit dreidimensionaler, matrixartiger Struktur ausgebildet sind. Das erste Kennfeld 141 enthält Werte für die Festlegung der Einspritzstrategie sowie die Steuerung des Einspritzzeitpunkts am Referenzzündzeitpunkt. Das zweite Kennfeld 142 enthält für die Festlegung der Einspritzstrategie sowie die Steuerung des Einspritzzeitpunkts bei einer Nachverstellung des Zündzeitpunkts. Das dritte Kennfeld 143 enthält Werte für die Festlegung der Einspritzstrategie sowie die Steuerung des Einspritzzeitpunkts bei einem vorverstellten Zündzeitpunkt. Das vierte Kennfeld 144 enthält Werte für die Festlegung der Einspritzstrategie sowie die Steuerung des Einspritzzeitpunkts bei einer schrittweisen Nachverstellung des Zündzeitpunkts in den Folgeverbrennungszyklen. Eine Anpassung der Einspritzstrategie sowie des Einspritzzeitpunkts an den jeweiligen Zündzeitpunkt verhindert ebenfalls eine Beeinträchtigung des tatsächlichen Drehverhaltens der Kurbelwelle 5 und führt so zu einem gleichmäßigen Betriebsverhalten der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1. Dies wirkt sich positiv auf den Fahrkomfort des mit dieser Brennkraftmaschine 1 ausgestatteten Fahrzeugs aus.
Weiterhin weist die dritte Untereinheit 14 drei weitere Kennfelder 145, 146, 147, 148 auf, anhand derer die Einspritzmenge an Kraftstoff in den Brennraum bestimmt wird. Das fünfte Kennfeld 145 enthält Werte für die Steuerung der Einspritzmenge am Referenzzündzeitpunkt. Das sechste Kennfeld 146 enthält für die Steuerung der Einspritzmenge bei einer Nachverstellung des Zündzeitpunkts. Das siebte Kennfeld 147 enthält Werte für die Steuerung der Einspritzmenge bei einem vorverstellten Zündzeitpunkt. Das achte Kennfeld 148 enthält Werte für die Steuerung der Einspritzmenge bei einer schrittweisen Nachverstellung des Zündzeitpunkts in den Folgeverbrennungszyklen. Indem die Einspritzmenge an Kraftstoff in den Brennraum 9 an den gewählten Zündzeitpunkt angepasst wird, wird ein gleichmäßiges Betriebsverhalten der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 gewährleistet.
2 zeigt das ein erstes Diagramm, in dem das Drehmoment M_d (welches mit einem indizierten Mitteldruck pmi korreliert ist) der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 als Funktion des Zündzeitpunkts t dargestellt ist. t = 0 gibt den Referenzzündzeitpunkt an, welcher einem Kurbelwellenwinkel von 10 Grad vor dem oberen Totpunkt entspricht. Diejenigen Datenpunkte, welche in dem Diagramm bei vergleichbaren Drehmoment M_d unterschiedliche Werte für den Zündzeitpunkt aufweisen, sind mit einem Kreis markiert und stellen jeweils einen gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt vorverstellten Zündzeitpunkt 161, 171, 181 sowie einen gegenüber dem Referenzzündzeitpunt nachverstellten Zündzeitpunkt 162, 172, 182 dar. Das Maximum 19 einer in dem Diagramm durch Verbindung der Datenpunkte gebildete Kurve fällt mit dem Referenzzündzeitpunkt t = 0 in diesem Betriebsmodus zusammen. Das Diagramm zeigt Datenpunkte der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 gemäß 1 in einer Katalysatorheizbetriebsphase. Das in 2 gezeigte Diagramm veranschaulicht, dass eine Vorverstellung des Zündzeitpunkts in einem Verbrennungszyklus gefolgt von einer Nachverstellung des Zündzeitpunkts in einem Folgeverbrennungszyklus gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung solcherart durchgeführt werden kann, dass im Wesentlichen keine Veränderung des Drehmoments M_d auftritt. Somit kommt es zu keiner für den Fahrer spürbaren Veränderung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine 1.
3 zeigt das ein zweites Diagramm, in dem der Zylinderinnendruck p_i der fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1 als Funktion eines Kurbelwellenwinkels α der Kurbelwelle 5 für einen gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt vorverstellten Zündzeitpunkt in einem Verbrennungszyklus (n = 0) sowie mehrere gegenüber dem Referenzzündzeitpunkt nachverstellten Zündzeitpunkte in fünf Folgeverbrennungszyklen (n = 1 bis 5) dargestellt ist. Der Zylinderinnendruck p_i wird im Brennraum 9 gemessen. Die jeweiligen Zündzeitpunkte sind in 3 durch Pfeile (Blitze) im Diagramm gekennzeichnet. Wie aus der 3 ersichtlich ist, ist der Zylinderinnendruck p_i in dem Verbrennungszyklus (n = 0) mit vorverstelltem Zündzeitpunkt gegenüber dem Zylinderinnendruck p_i in den Folgeverbrennungszyklen (n = 1 bis 5) mit nachverstelltem Zündzeitpunkt bei kleiner Werten von α deutlich erhöht, während für n = 1 bis 5 ein zusätzliches lokales Maximum für p_i bei größeren α-Werten existiert. Der Kurvenverlauf in den Folgeverbrennungszyklen (n = 1 bis 5) weist für jeden dargestellten Folgeverbrennungszyklus Unterschiede auf, welche eine Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens der Kurbelwelle 5 von dem in dem Betriebsmodus vorgegebenen oder gewünschten Drehverhalten verdeutlichen. An 3 wird daher der Vorteil einer schrittweisen Nachverstellung des Zündzeitpunkts in den Folgeverbrennungszyklen, wie zuvor beschrieben, deutlich, um ein gleichmäßiges Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine 1 zu gewährleisten. Wenn jeder der Zündzeitpunkte in den Folgeverbrennungszyklen (n = 1 bis 5) nur um wenige Grad schrittweise an einen Zielwert angenähert wird, dann nähert sich das tatsächliche Betriebsverhalten einem gewünschten oder vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle 5, wie es im Folgeverbrennungszyklus n = 5 gezeigt ist, ebenfalls schrittweise an.
4 zeigt ein drittes Diagramm, in dem das Drehmoment M_d , eine Drehzahl n sowie eine Partikelemission N der fremdgezündeten Brennkraftmaschine ab einem Zeitpunkt t = 0 Sekunden, an dem die Brennkraftmaschine gestartet wurde, dargestellt sind. Das Diagramm zeigt sehr deutlich, dass eine Brennkraftmaschine, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird (durchgezogene Linie in dem Diagramm), deutlich niedrigere Partikelemissionen aufweist, im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen (gestrichelte Linie in dem Diagramm). Im Gegensatz zu der deutlichen und gewünschten Reduktion der Partikelemission, zeigen die Kurvenverläufe des Drehmoments M_d und der Drehzahl n keine Abweichung im Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, wodurch sich die jeweiligen Kurvenverläufe überlagern, weswegen in 4 für das Drehmoment M_d und die Drehzahl n nur jeweils ein Kurvenverlauf sichtbar ist. Wie bereits in 2 erläutert, liegt dies daran, dass eine Vorverstellung des Zündzeitpunkts in einem Verbrennungszyklus gefolgt von einer Nachverstellung des Zündzeitpunkts in einem Folgeverbrennungszyklus gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung solcherart durchgeführt werden kann, dass im Wesentlichen keine Veränderung des Drehmoments M_d als auch der Drehzahl n auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/105562 A1 [0005]
WO 2011/042402 A2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (1), welche Brennkraftmaschine (1) wenigstens einen Zylinder (2), wenigstens eine dem Zylinder (2) zugeordnete Zündeinrichtung (4) und wenigstens eine mit dem Zylinder (2) zusammenwirkende Kurbelwelle (5) aufweist, bei dem die Brennkraftmaschine (1) in wenigstens einem Betriebsmodus betrieben wird, in welchem Betriebsmodus ein Zündzeitpunkt, an dem durch die Zündeinrichtung (4) ein in dem Zylinder (2) enthaltenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, gegenüber einem Referenzzündzeitpunkt modifiziert wird, indem der Zündzeitpunkt a) zunächst für wenigstens einen Verbrennungszyklus vorverstellt wird, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung (4) bei einer ersten Winkelstellung der Kurbelwelle (5) gezündet wird, welche vor einer Winkelstellung der Kurbelwelle (5) am Referenzzündzeitpunkt liegt, b) und anschließend für wenigstens einen Folgeverbrennungszyklus nachverstellt wird, indem das in dem Zylinder enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung (4) bei einer zweiten Winkelstellung der Kurbelwelle (5) gezündet wird, welche nach der Winkelstellung der Kurbelwelle (5) am Referenzzündzeitpunkt liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Anteil an Verbrennungszyklen mit vorverstelltem Zündzeitpunkt an einer Gesamtanzahl an Verbrennungszyklen des Betriebsmodus v_AV = 0,05 bis 1 beträgt, bevorzugt v_AV = 0,10 bis 0,99, besonders bevorzugt v_AV = 0,50 bis 0,95.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Zündzeitpunkt zwischen 90 Grad Kurbelwellenwinkel vor einem oberen Totpunkt der Kurbelwelle (5) vorverstellt und 20 Grad nach dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle (5) nachverstellt wird, bevorzugt zwischen 55 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle (5) und 10 Grad nach dem oberen Totpunkt, besonders bevorzugt zwischen 30 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle (5) und 0 Grad nach dem oberen Totpunkt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem solcherart zwischen dem vorverstellten Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt a) und dem nachverstellten Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt b) gewechselt wird, dass ein effektives Drehmoment der Brennkraftmaschine (1) beim Wechseln des Zündzeitpunkts im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt a) anhand eines ersten, von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine in dem Betriebsmodus aufgespannten Kennfelds vorverstellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Zündzeitpunkt in Verfahrensschritt b) in einer Mehrzahl p, p >= 1, an Folgeverbrennungszyklen nachverstellt wird, insbesondere in p = 20 Folgeverbrennungszyklen, bevorzugt in p = 8 Folgeverbrennungszyklen, besonders bevorzugt in p = 4 Folgeverbrennungszyklen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Zündzeitpunkt in den Folgeverbrennungszyklen solcherart schrittweise nachverstellt wird, dass ein tatsächliches Drehverhalten der Kurbelwelle (5) an ein vorgegebenes Drehverhalten der Kurbelwelle (5) schrittweise angeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Winkelstellung der Kurbelwelle (5) und ein Zylinderinnendruck des Zylinders bestimmt werden, um das Drehverhalten der Kurbelwelle (5) in dem Betriebsmodus zu überwachen, wobei das tatsächliche Drehverhalten in Verfahrensschritt b) mit einem vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle (5) verglichen wird, welches vorgegebene Drehverhalten in einem zweiten, von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (1) im Betriebsmodus aufgespannten Kennfeld hinterlegt ist, wobei der Zündzeitpunkt bei einer Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens von dem vorgegebenen Drehverhalten anhand eines dritten Kennfelds in den Folgeverbrennungszyklen unter Nutzung eines Überwachungsergebnisses solcherart geregelt wird, dass das tatsächliche Drehverhalten an das vorgegebene Drehverhalten angeglichen wird.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Zylinder (2), wenigstens einer dem Zylinder (2) zugeordneten Zündeinrichtung (4), wenigstens einer mit dem Zylinder (2) zusammenwirkenden Kurbelwelle (5) sowie wenigstens einer Steuereinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Zündzeitpunkt, bei dem durch die Zündeinrichtung (4) ein in dem Zylinder (2) enthaltenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, in wenigstens einem Betriebsmodus, in welchem die Brennkraftmaschine (1) betrieben wird, zu modifizieren, insbesondere gemäß einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Zündzeitpunkt a) zunächst für wenigstens einen Verbrennungszyklus vorverstellt ist, indem das in dem Zylinder (2) enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung bei einer ersten Winkelstellung der Kurbelwelle (5) gezündet wird, welche vor einer Winkelstellung der Kurbelwelle (5) am Referenzzündzeitpunkt liegt, b) und anschließend für wenigstens einen Folgeverbrennungszyklus nachverstellt ist, indem das in dem Zylinder (2) enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Zündvorrichtung (4) bei einer zweiten Winkelstellung der Kurbelwelle (5) gezündet wird, welche nach der Winkelstellung der Kurbelwelle (5) am Referenzzündzeitpunkt liegt.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 9, bei der die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, den Zündzeitpunkt in einer Mehrzahl p, p >= 1, von Folgeverbrennungszyklen nachzuverstellen, insbesondere in p = 20 Folgeverbrennungszyklen, bevorzugt in p = 8 Folgeverbrennungszyklen, besonders bevorzugt in p = 4 Folgeverbrennungszyklen.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) nach zumindest einem der Ansprüche 9 oder 10, welche weiterhin zumindest einen Kurbelwellensensor (15) zur Bestimmung der Winkelstellung der Kurbelwelle (5) aufweist, wodurch ein tatsächliches Drehverhalten der Kurbelwelle (5) bestimmbar ist.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Steuereinheit (3) zumindest ein von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine in dem Betriebsmodus aufgespanntes Kennfeld (121, 122, 123, 124) aufweist, welches Kennfeld (121, 122, 123, 124) zur Festlegung des Zündzeitpunkts dient.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, bei der die Steuereinheit (3) ein erstes Kennfeld (121) aufweist, anhand welchem der Zündzeitpunkt vorverstellbar ist, sowie ein zweites Kennfeld (122) für den Folgeverbrennungszyklus, anhand welchem der Zündzeitpunkt für ein vorgegebenes Drehverhalten der Kurbelwelle (5) nachverstellbar ist.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, bei der die Steuereinheit ein drittes Kennfeld (123) aufweist, anhand welchem der Zündzeitpunkt bei einer Abweichung des tatsächlichen Drehverhaltens der Kurbelwelle (5) von dem vorgegebenen Drehverhalten der Kurbelwelle (5) für den Folgeverbrennungszyklus modifizierbar ist, um das tatsächliche Drehverhalten an das vorgegebene Drehverhalten im Wesentlichen schrittweise anzugleichen.
Fremdgezündete Brennkraftmaschine (1) nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der es sich bei dem Betriebsmodus um eine Motornachstartphase, eine Katalysatorheizbetriebsphase, eine Leerlaufphase, eine Teillastphase oder eine Momentenreservephase handelt.