-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es sind bereits Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Brennkraftmaschine bekannt, die entweder eine Vorkammerzündkerze oder eine Hakenzündkerzen aufweisen. Die Ansteuerung derartiger Brennkraftmaschine erfolgt jeweils angepasst an die Vorkammerzündkerze oder die Hakenzündkerze.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben jeweils den Vorteil, dass ein optimierter Betrieb der Brennkraftmaschine in unterschiedlichen Betriebsbereichen erfolgt. Dabei wird abhängig von den Betriebsbereichen die Verbrennung entweder durch die Vorkammerzündkerze oder durch die Hakenzündkerzen ausgelöst. Es erfolgt so für jeden Betriebsbereich ein optimierter Betrieb der Brennkraftmaschine, wodurch Verbrauchsvorteile, eine verbesserte Leistung oder ein verringertes Abgas realisiert werden.
-
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Die Auslösung der Verbrennung erfolgt durch die Hakenzündkerzen durch einen entsprechenden Zündfunken zwischen Elektroden der Hakenzündkerzen. Die Auslösung der Verbrennung erfolgte durch die Vorkammerzündkerze durch mindestens einen Zündstrahl, der sich in einen Brennraum der Brennkraftmaschine erstreckt. Je nach Betriebsbereich der Brennkraftmaschine erfolgt eine Auslösung der Verbrennung durch die Vorkammerzündkerze, nach dem, mit einem Zeitversatz nach dem Zündstrahl, ein Zündfunken an der Hakenzündkerzen erfolgt. Wenn die Auslösung der Verbrennung durch den Zündfunken an der Hakenzündkerzen erfolgt, so folgt, mit einem Zeitversatz, ein Zündstrahl in den Brennraum. Durch diese Maßnahme kann ein Auftreten von Ruß an der Vorkammerzündkerze oder Hakenzündkerze verringert werden und die Verbrennung kann darüber hinaus verbessert werden. Als erster Betriebsbereich, in dem die Auslösung der Verbrennung durch den Zündstrahl erfolgt, ist insbesondere durch eine hohe Last der Brennkraftmaschine und einen klopfgefährdeten Betrieb gekennzeichnet. Durch die Auslösung der Verbrennung durch den Zündstrahl wird, im Vergleich zu Auslösung durch einen Zündfunken, die Klopfneigung verringert, wodurch die Brennkraftmaschine optimiert mit Verbrauchsvorteilen oder einer erhöhten Leistung betrieben werden kann. Alternativ kann als erster Betriebsbereich, in dem die Auslösung der Verbrennung durch den Zündstrahl der Vorkammerzündkerze erfolgt, jeder Bereich definiert werden, in dem einer Verbrennung im Brennraum zuverlässig durch die Vorkammerzündkerze ausgelöst werden kann. Entsprechend wird als zweiter Betriebsbereich, in dem die Auslösung der Verbrennung durch die Hakenzündkerzen erfolgt, der Betriebsbereich definiert werden, in dem eine Auslösung der Verbrennung nicht zuverlässig durch die Vorkammerzündkerze erfolgen kann. Dieser zweite Betriebsbereich ist insbesondere durch eine geringe Last oder ein Betrieb zum Heizen eines Abgassystems der Brennkraftmaschine gekennzeichnet.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündkerze und einer Hakenzündkerzen, und
- 2 verschiedene Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine nach 1.
-
Beschreibung
-
In der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Brennraum 2 gezeigt. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinder 11 auf, in dem ein Kolben 12 angeordnet ist. Der freibleibende Bereich oberhalb des Kolbens 12 des Zylinders 11 definierte den Brennraum 2. Durch eine Luftzuführung 13 kann dem Brennraum 2 Luft für eine Verbrennung zugeführt werden und durch eine Abgasleitung 14 wird verbranntes Abgas aus dem Brennraum 2 entfernt. Entsprechende Ventile zur Steuerung der Zuführung von Luft oder der Wegführung von Abgas sind aus Gründen der Vereinfachung in der Zeichnung nicht dargestellt. Weiterhin wird in den Brennraum 2 Kraftstoff eingebracht, der zusammen mit der zugeführten Luft ein brennbares Gemisch bildet. Die Zuführung von Kraftstoff in den Brennraum 2 erfolgt durch eine Einspritzung von Kraftstoff entweder in die Luftzuführung 13 oder direkt in den Brennraum 2. Entsprechende Einspritzventil sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Durch eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 2 erfolgt eine Druckerhöhung im Brennraum 2, die den Kolben 12 in einer Auf- und Ab-Bewegung versetzt. Es handelt sich somit um eine übliche Otto-Brennkraftmaschine.
-
Die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 erfolgt durch eine Zündkerze. Im Brennraum 2 der 1 sind zwei unterschiedliche Zündkerzen, eine Hakenzündkerzen 4 und eine Vorkammerzündkerze 3, vorgesehen.
-
Die Hakenzündkerzen 4 weist zwei (oder mehrere) Elektroden 5 auf, die in den Brennraum 2 ragen. Zwischen den beiden Elektroden 5 der Hakenzündkerzen 4 kann ein Zündfunken ausgelöst werden, der in unmittelbaren Kontakt mit dem brennbaren Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 ist und so eine Verbrennung in dem Brennraum 2 auslöst. Da eine der Elektroden 5 als Haken ausgebildet ist, werden derartige Zündkerzen, mit einem Zündfunken im direkten Kontakt mit dem brennfähigen Gemisch im Brennraum, als Hakenzündkerzen bezeichnet. Es sind aber auch alternative Ausgestaltungen der Elektroden 5 vorstellbar, die von dieser hakenförmigen Elektrodengestaltung abweichen. Im Folgenden werden daher unter dem Begriff Hakenzündkerzen alle Zündkerzen verstanden, bei denen ein Zündfunken im unmittelbaren Kontakt zum brennfähigen Gemisch im Brennraum 2 steht.
-
Die Vorkammerzündkerze 3 weist ebenfalls Elektroden auf, zwischen denen ein Zündfunken auslösbar ist. Dieser Zündfunken steht jedoch nicht im unmittelbaren Kontakt mit dem brennfähigen Gemisch im Brennraum 2, sondern diese Elektroden sind von einer Kappe 7 umgeben. Die Kappe 7 weist Öffnungen auf, durch die brennfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Innenraum der Kappe 7 gelangt, welches durch einen Zündfunken zwischen den Elektroden der Vorkammerzündkerze 3 entzündet wird. Eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Innenraum der Kappe 7 bewirkt dann einen erhöhten Druck im Innenraum der Kappe 7, so dass sich aus der Kappe 7 heraus mindestens ein Zündstrahl 6 in den Brennraum 2 erstreckt. Der Zündstrahl 6 besteht aus einem brennenden Kraftstoff-Luft-Gemisch, durch den eine Entflammung d.h. ein Start der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 bewirkt wird.
-
In der 1 wird eine Vorkammerzündkerze gezeigt, die 3 Zündstrahlen aufweist. Es ist aber auch jede andere Anzahl an Zündstrahlen denkbar. Zwischen der dem Zündfunken im Inneren der Kappe 7 und dem mindestens einen Zündstrahl gibt es einen zeitlichen Versatz. Dieser muss bei der Ansteuerung der Vorkammerzündkerze 3 entsprechend berücksichtigt werden. Durch diesen mindestens einen Zündstrahl 6 wird dann die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 ausgelöst. Diese Verbrennung wird dabei an vielen Stellen des Brennraums 2 gleichzeitig ausgelöst und nicht punktförmig, wie bei einer Hakenkerze. Derartige Verbrennungen, die an mehreren Stellen des Brennraums 2 ausgelöst werden, bewirken eine verbesserte Umsetzung der Verbrennungsenergie in mechanische Leistung, das heißt die Verbrennung erfolgt effizienter als bei einer lokalen Auslösung der Verbrennung durch eine Hakenzündkerzen. Durch die Verwendung von Vorkammerzündkerzen lässt sich somit ein vorteilhafter Betrieb der Brennkraftmaschine 1 realisieren. Es ist daher vorteilhaft die Verbrennung im Brennraum 2 vorzugsweise durch die Vorkammerzündkerze 3 auszulösen. Weiterhin sind derartige Verbrennungen, die an mehreren Stellen im Brennraum gleichzeitig ausgelöst werden, deutlich wirksamer gegen klopfende Verbrennungen. Wenn es doch zu einem Klopfen kommt, so können auch bei einer Vorkammerzündkerze die üblichen Vorgehensweisen zur Reduzierung der Klopfhäufigkeit verwendet werden. Insbesondere kann der Zeitpunkt der Auslösung der Verbrennung entsprechend zu späteren Zeitpunkten verschoben werden, um ein Auftreten von Klopfen zu vermeiden.
-
In der 1 wird eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt die 2 Zündkerzen, eine Hakenzündkerze 4 und eine Vorkammerzündkerze 3 aufweist. In Abhängigkeit von Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 1 können die beiden Zündkerzen unterschiedlich eingesetzt werden. In der 2 werden dazu Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine schematisch dargestellt.
-
In der 2 werden Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine 1 gegenüber den Betriebsparameter Drehzahl (n) und Last (L) der Brennkraftmaschine dargestellt. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ist hinsichtlich der Drehzahl dahingehend begrenzt, dass unterhalb einer Drehzahl n0 und oberhalb einer Drehzahl n1 kein Betrieb der Brennkraftmaschine möglich ist.
-
Hinsichtlich der Last wird durch die dargestellte Kurve 21 eine Volllastkurve gezeigt. In Abhängigkeit von der Drehzahl stellte diese Volllastkurve 21 die jeweils maximal möglichen Lastzuständen der Brennkraftmaschine dar.
-
Weiterhin wird eine Klopfkurve 22 gezeigt. Der Betriebsbereich zwischen der Volllastkurve 21 und der Klopfkurve 22 ist der klopfgefährdete Betriebsbereich, in dem in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 Klopfen auftreten kann. Die Festlegung dieser Klopfkurve 22 ist eine Auslegungsfrage, die sich danach richtet, welcher Prozentsatz von klopfenden Verbrennungen (Klopfereignisse) zulässig ist. Entsprechend wird die Klopfkurve 22 verschoben, wenn beispielsweise ein Klopfereignis pro 100.000 Verbrennungen oder ein Klopfereignis pro 1.000.000 Verbrennungen als Kriterium herangezogen wird. In diesem klopfgefährdeten Betriebsbereich erfolgt die Auslösung der Verbrennung durch die Zündstrahlen 6 der Vorkammerzündkerze 4, da so ein besonders effektiver Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird. Weiterhin wird durch die Auslösung der Verbrennung durch die Vorkammerzündkerze 4 generell die Klopfneigung verringert, was in diesem Betriebsbereich ebenfalls vorteilhaft ist. Falls es doch zu einem Auftreten von Klopfen kommt, kann durch eine zeitliche Verzögerung der Zündstrahlen 6 die Klopfneigung weiter verringert werden. Zusätzlich zur Auslösung der Verbrennung durch einen Zündstrahl 6 kann auch ein Zündfunken an der Hakenzündkerzen 4 ausgelöst werden. Diese erfolgt aber mit einer kleinen zeitlichen Verzögerung, um eine Zündung durch die Vorkammerzündkerze 3 sicherzustellen. Dabei muss der zeitliche Versatz zwischen der Zündung in der Kammer 7 der Vorkammerzündkerze 3 und dem Auftreten des Zündstrahls 6 entsprechend berücksichtigt werden. Durch diesen zusätzlichen Zündfunken an der Hakenzündkerzen wird eine Ablagerung von Rußpartikeln an dieser Hakenzündkerzen 3 verhindert. Weiterhin wird generell die Verbrennung durch eine Vielzahl von Zündquellen begünstigt, so dass durch den zusätzlichen Zündfunken an der Hakenzündkerzen 3 eine weitere kleinere Verbesserung der Verbrennung erreicht werden kann.
-
In der 2 wird als weitere Kurve die Zündkurve 23 gezeigt, durch die ein Bereich, in dem keine zuverlässige Zündung durch die Vorkammerzündkerze 4 sichergestellt werden kann, abgegrenzt wird. Insbesondere bei einer geringen Last sind die eingespritzten Kraftstoffmengen so gering, dass in der Kammer 7 der Vorkammerzündkerze 4 kein ausreichend zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt oder die Füllung in der Vorkammerzündkerze so gering ist, dass die resultierenden Zündstrahlen zu klein sind um den Hauptbrennraum zu entflammen. In einem Lastbereich unterhalb der Zündkurve 23 werden daher zu viele Verbrennungsvorgänge nicht allein durch die Vorkammerzündkerze 4 ausgelöst, sondern es kommt zu Fehlzündungen. Die genaue Definition dieser Zündkurve 23 ist eine Auslegungsfrage, die sich danach richtet, welcher Prozentsatz an nicht erfolgreichen Verbrennungen (Fehlzündung) durch eine Auslösung durch eine Vorkammerzündkerze 4 zulässig ist. Entsprechend wird die Kurve 23 verschoben, wenn beispielsweise eine Fehlzündung von 1000 Verbrennungen oder eine Fehlzündung von 100.000 Verbrennungen als Kriterium herangezogen wird. In dem Betriebsbereich unterhalb der Zündkurve 23 erfolgt somit ein Betrieb mit der Hakenzündkerzen 3, d.h. die Verbrennung wird durch die Hakenzündkerzen 3 ausgelöst. Zusätzlich kann aber auch noch ein Zündstrahl 6 von der Vorkammerzündkerze 3 erfolgen, um eine Ablagerung von Ruß an der Vorkammerzündkerze 3 zu verringern oder die Qualität der Verbrennung zu verbessern. Dieser zusätzliche Zündstrahl 6 soll dabei einen geringeren Zeitversatz zur Auslösung der Verbrennung durch den Zündfunken aufweisen, sodass die eigentliche Definition des Startpunktes der Verbrennung durch die Hakenzündkerzen 3 erfolgt. Auch hier muss der Zeitversatz zwischen Zündzeitpunkt innerhalb der Vorkammerzündkerze und dem Austritt des Zündstrahls berücksichtig werden.
-
In dem Betriebsbereich zwischen der Klopfkurve 22 und Zündkurve 23 kann die Verbrennung sowohl durch die Hakenzündkerzen 3 wie auch durch die Vorkammerzündkerze 4 ausgelöst werden. Da aber durch die Auslösung der Verbrennung durch die Vorkammerzündkerze 4 in der Regel eine effizientere Verbrennung realisiert wird, wird auch für diesen Betriebsbereich eine Auslösung der Verbrennung durch die Vorkammerzündkerze 4 bevorzugt. In Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine kann aber auch eine differenziertere Betriebsstrategie für diesen Bereich vorgesehen werden.
-
Ein weiterer Betriebsbereich ist durch ein Heizen eines Abgassystems der Brennkraftmaschine 1 definiert. Ein derartiger Betrieb zum Heizen des Abgassystems verwendet vorzugsweise sehr späte Zündwinkel. Durch diese späten Zündwinkel wird die Temperatur des Abgases erhöht und eine effektive Erwärmung des Abgassystems erreicht. Bei einem solchen Betrieb ist eine Zündung durch die Hakenzündkerzen 3 vorteilhaft, da mit einem Zündfunken eine spätere Auslösung der Verbrennungen realisiert werden kann, als durch einen Zündstrahl der Vorkammerzündkerze. Weiterhin ist dieser Betriebsbereich bewusst nicht effektiv, um eine stärkere Erwärmung des Abgassystems zu erreichen. In diesem Betrieb zum Heizen erfolgt daher die Auslösung der Verbrennung durch die Hakenzündkerzen 3.
-
Hier wird der optimale Zündzeitpunkt durch die Auslösung der Hackenzündkerze bestimmt. Der Zündzeitpunkt der Vorkammerzündkerze wird mit einem Offset bedatet, der so gewählt wird, dass die Laufruhe der Brennkraftmaschine verbessert wird. Der Zündzeitpunkt der Hakenkerze und der Offset zur Vorkammerzündkerze wird in Abhängigkeit motorischer Parameter (Drehzahl, Last, Füllung, Temperatur etc.) bedatet. Die Vorkammerzündkerze wird aus verkokungsgründen vorzugsweise immer „mit“ gezündet auch wenn sich kein Vorteil hinsichtlich Verbrennungsstabilität ergeben sollte, dies ist spezifisch für jeden Motor zu untersuchen und zu bedaten.
-
Ein weiterer besonderer Betriebszustand einer Brennkraftmaschine 1 stellte der Start der Brennkraftmaschine 1 dar. Bei einem Start erfolgt die Auslösung der Verbrennung gleichzeitig durch einen Zündstrahl 6 und einen Zündfunken. Es soll so ein sicherer Start der Brennkraftmaschine sichergestellt werden. Erst danach werden die unterschiedlichen Betriebsstrategien realisiert, in denen wahlweise eine Zündung durch die Hakenzündkerzen 4 oder die Vorkammerzündkerze 3 erfolgt.
