DE10220596B3 - Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis. Hierbei wird das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Klopferkennungsinformation in einer geschlossenen Regelschleife so geregelt, dass Klopfen gerade vermieden wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis.
  • Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmaschinen, mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis sind seit längerer Zeit bekannt; verwiesen sei beispielsweise auf die US 4,469,055 , WO 86/01562 A1 und WO 96/27079 A1 . Änderungen des Verdichtungsverhältnisses, bei dem es sich um das Verhältnis zwischen den Volumina des Brennraumes im oberen und unteren Totpunkt des Kolbens handelt, lassen sich z.B. durch Änderungen des Kolbenhubes erzielen. Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird das Verdichtungsverhältnis kontinuierlich geändert, um es an Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anzupassen. Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine beeinflusst bekanntlich den Verlauf des Verbrennungsdrucks über seine Auswirkung auf die Gemischentflammung (Zündverzögerung und Brenngeschwindigkeit). Auch der Druck im Brennraum vor der Verbrennung wird naturgemäß durch das Verdichtungsverhältnis beeinflusst. Da das Klopfverhalten einer Brennkraftmaschine unmittelbar mit dem Druck im Brennraum verknüpft ist, hat eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses auch einen Einfluss auf das Klopfverhalten.
  • Andererseits gibt es für jeden Wert des Verdichtungsverhältnisses einen (von weiteren Betriebsparametern abhängigen) optimalen Zündzeitpunkt für eine bestmögliche Gemischverbrennung. Allerdings liegt dieser optimale Zündzeitpunkt (Zündwinkel) meist im potentiellen Klopfbereich, so dass es im allgemeinen nicht möglich ist, die Brennkraftmaschine mit optimalem Zündwinkel zu betreiben. Der Zündzeitpunkt muss daher in Richtung auf eine spätere Zündung zu der sogenannten Klopfgrenze verschoben werden, um die Brennkraftmaschine gegen eine klopfende Verbrennung zu schützen.
  • Die Klopfgrenze wiederum hängt von dem Betriebspunkt und dem Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine ab: Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto besser ist das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, umso größer ist aber auch die Gefahr des Klopfens. Je niedriger das Verdichtungsverhältnis ist, desto geringer ist die Gefahr des Klopfens, umso schlechter ist jedoch auch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.
  • Bei Brennkraftmaschinen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis wird das Verdichtungsverhältnis normalerweise für alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine im Hinblick auf einen möglichst guten Wirkungsgrad und einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gewählt. Grundsätzlich wird hierbei so vorgegangen, dass bei niedriger Last der Brennkraftmaschine (bei der der volumetrische Wirkungsgrad gering und die Klopfgrenze vom optimalen Zündzeitpunkt weit entfernt ist) ein vergleichsweise hoher Wert für das Verdichtungsverhältnis gewählt wird, um den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei hoher Last dagegen (bei der der volumetrische Wirkungsgrad von Hause aus groß ist und die Klopfgrenze nahe am optimalen Zündzeitpunkt oder sogar dahinter liegt) wird ein vergleichsweise niedriger Wert des Verdichtungsverhältnisses gewählt, um die Brennkraftmaschine gegen Klopfen zu schützen.
  • Wie aus den vorstehenden Überlegungen deutlich wird, haben sowohl das Verdichtungsverhältnis wie auch der Zündzeitpunkt einen Einfluss auf den Wirkungsgrad wie auch das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine. Wünschenswert wäre, die Brennkraftmaschine mit einem möglichst hohen Verdichtungsverhältnis und einem optimalen Zündwinkel zu betreiben. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass es zu einem Klopfen der Brennkraftmaschine kommt, was den Wirkungsgrad der Verbrennung verringert und insbesondere die Brennkraftmaschine schädigen kann. Ein Kompromiß bei der Wahl des Verdichtungsverhältnisses und des Zündzeitpunktes ist daher unvermeidlich.
  • Bei der klassischen Klopfregelung erfolgt eine Klopfkorrektur mittels einer Zündwinkelkorrektur. Genauer gesagt, werden mit Hilfe von Klopfsensoren Klopferkennungssignale erzeugt, mit denen dann der Zündwinkel so verstellt wird, dass Klopfen gerade vermieden wird. Der Zündwinkel wird somit gewissermassen an die Klopfgrenze verlegt (siehe z. B. US 4 884 206 , US 6 317 681 B2 , EP 10 92 087 B1 ). Wie bereits erwähnt, führt dies jedoch meist zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Gemischverbrennung und somit des erzielbaren Drehmomentes. Um dennoch das erforderliche Drehmoment zu erzeugen, ist es daher manchmal erforderlich, die Menge des eingespritzten Kraftstoffes zu erhöhen, was sich ungünstig auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen auswirkt. Außerdem ist es manchmal bei starken Klopferscheinungen und somit sehr großen Zündwinkelverstellungen notwendig, das Kraftstoffgemisch anzufetten, um zu hohe Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine bzw. Abgastemperaturen zu vermeiden. Die herkömmliche Klopfregelung ist daher zum Vermeiden von Klopfen äußerst wirksam, hat jedoch einige Nachteile im Hinblick auf das Betriebsverhalten und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
  • Ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 199 50 682 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels eines Klopfsensors ein zu hohes Verdichtungsverhältnis ermittelt, um daraufhin das Verdichtungsverhältnis unter die Klopfgrenze zu verringern und anschließend wieder zu erhöhen. Hierbei wird so vorgegangen, dass das Verdichtungsverhältnis bei Überschreiten oder Erreichen der Klopfgrenze um einen von dem Betriebszustand abhängigen vorgebbaren ersten Betrag über einen vorgebbaren ersten Zeitraum verringert wird und anschließend das Verdichtungsverhältnis um einen vorgebbaren zweiten Betrag über einen vorgebbaren zweiten Zeitraum bis zum Erreichen oder Überschreiten der Klopfgrenze erhöht wird. Hierbei werden der erste und zweite Betrag sowie der erste und zweite Zeitraum vorzugsweise in Abhängigkeit von der Lastanforderung der Brennkraftmaschine bestimmt.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis anzugeben, bei dem sich trotz sicherer Vermeidung einer klopfenden Verbrennung ein verbessertes Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine mit möglichst gutem Wirkungsgrad der Gemischverbrennung und möglichst geringem Kraftstoffverbrauch ergibt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass wegen der engen Verknüpfung zwischen dem Verdichtungsverhältnis und dem Klopfverhalten einer Brennkraftmaschine die Klopferkennungsinformation ein geeignetes Mittel für eine optimale Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist. Die Klopferkennungsinformation wird von bei modernen Brennkraftmaschinen ohnehin vorhandenen Klopfsensoren geliefert. Wenn Klopfen auftritt, bedeutet dies, dass das Verdichtungsverhältnis zu groß ist, und wenn kein Klopfen vorhanden ist, kann das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, um das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, die Brennkraftmaschine mit dem bestmöglichen Zündwinkel (Zündzeitpunkt) zu betreiben, ohne dass der Zündwinkel zur Klopfgrenze hin verschoben werden muss, da die Klopfgrenze ihrerseits durch eine entsprechende Änderung des Verdichtungsverhältnisses in einen Bereich verschoben werden kann, in dem bei optimalem Zündwinkel kein Klopfen auftritt.
  • Die Erfindung bietet insbesondere die Möglichkeit, den Zündwinkel während der Regelung des Verdichtungsverhältnisses auf einem vorgegebenen Wert zu halten, zweckmäßigerweise auf einem hinsichtlich des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine optimalen Wert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Regelung des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Klopferkennungsinformation eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine im Hinblick auf eine gute Verbrennung, einen hohen Gesamtwirkungsgrad sowie eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen erlaubt.
  • Bei der praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so vorgegangen, dass beim Kalibrieren der Brennkraftmaschine Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ermittelt und in einem Kennfeld abgelegt werden und dass zur Regelung des Verdichtungsverhältnisses die Vorsteuerwerte jeweils mittels einer Adaptionsfunktion in Abhängigkeit von der Klopferkennungsinformation korrigiert werden. Hierbei wird so vorgegangen, dass Klopfen gerade vermieden wird.
  • Die in den Kennfeldern abgelegten Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses können auf ein vorgegebenes Ziel für den Betrieb der Brennkraftmaschine wie z. B. einen hohen Wirkungsgrad, einen guten Schutz der Brennkraftmaschine gegen Klopfen oder irgendeine andere wünschenswerte Betriebseigenschaft der Brennkraftmaschine abgestimmt werden. Die Vorsteuerwerte sind in den Kennfeldern beispielsweise über Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine aufgetragen.
  • Als Adaptionsfunktion zum Korrigieren der Vorsteuerwerte lassen sich grundsätzlich Adaptionsfunktionen verwenden, wie sie bei der herkömmlichen Klopfregelung mittels Zündwinkelkorrek tur eingesetzt werden. In Frage kommen beispielsweise festgelegte Korrekturfunktionen, durch die die Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses jeweils in vorgegebener Weise in Abhängigkeit von der Klopferkennungsinformation erhöht und verringert werden. Die Adaptionsfunktion kann auch eine adaptive Lernfunktion sein, durch die die Vorsteuerwerte in Abhängigkeit von der Klopfintensität und/oder Klopffrequenz erhöht und verringert werden. Da derartige Adaptionsfunktionen aus der herkömmlichen Klopfregelung mittels Zündwinkelverstellung bekannt sind, werden sie hier nicht weiter beschrieben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dient somit die Klopferkennungsinformation als einer von mehreren Eingabeparametern für die Abstimmung und/oder Anpassung und/oder Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur ständigen Regelung des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs der Brennkraftmaschine zur Erhöhung ihres Wirkungsgrades verwendet werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass es beim Kalibrieren der Brennkraftmaschine zum Ermitteln der Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses verwendet wird. Hierdurch wird das Auffinden der Vorsteuerwerte bzw. Einstellpunkte für das Verdichtungsverhältnis erleichtert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit gewissermaßen eine Selbstkalibrierung des optimalen Verdichtungsverhältnisses, was eine Verringerung der für die Kalibrierung der Brennkraftmaschine erforderlichen Zeit erlaubt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses ständig an alterungsbedingte Änderungen einer Brennkraftmaschine und/oder herstellungsbedingte Unterschiede zwischen verschiedenen Brennkraftmaschinen angepasst. Außerdem erfolgt eine Anpassung der Vorsteuerwerte an äußere Bedingungen wie unterschiedliche Kraftstoffarten, klimatische oder sonstige Umweltbedingungen usw.
    •
  • Anhand der Zeichnungen werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere einige hierbei verwendete Parameter erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Diagramm, in dem ein Klopferkennungssignal K über dem Kurbelwellenwinkel °CRK aufgetragen ist;
  • 2 ein Diagramm, in dem der Brennraumdruck während der Verbrennung über dem Kurbelwellenwinkel °CRK aufgetragen ist;
  • 3 ein Diagramm, in dem das Verdichtungsverhältnis ρ über der Zeit t aufgetragen ist.
  • In dem Diagramm der 1 ist ein Klopferkennungssignal K über dem Kurbelwellenwinkel °CRK aufgetragen. Das Klopferkennungssignal K wird in bekannter Weise von einem dem Brennraum zugeordneten Klopfsensor (nicht gezeigt) erzeugt. Derartige Klopferkennungssignale dienen als Klopferkennungsinformation für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Wie aus 1 ersichtlich, kommt es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb eines Zeitfensters F zu einer klopfenden Verbrennung, was an der großen Amplitude a des Signals zu erkennen ist. Außerhalb des Zeitfensters F tritt kein Klopfen auf, wie sich aus der relativ kleinen Amplitude des Signals ergibt.
  • Das Diagramm der 1 stellt das Klopfverhalten der betreffenden Brennkraftmaschine für ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis ρ dar. Wird nun das Verdichtungsverhältnis beispielsweise erhöht, so wirkt sich dies auf das Klopfverhalten bzw. das Klopferkennungssignal wie folgt aus: Klopffrequenz und Klopfintensität (Amplitude) erhöhen sich, und das Zeitfenster F verschiebt sich im Diagramm nach links, d. h. in Richtung auf einen früheren Zeitpunkt.
  • 2 veranschaulicht den Einfluss einer Änderung des Verdichtungsverhältnisses ρ auf den Brennraumdruck während der Verbrennung. Die Kurve ρ1 zeigt den Verlauf des Drucks über dem Kurbelwellenwinkel °CRK bei einem Verdichtunsverhältnis ρ1. Wird nun das Verdichtungsverhältnis ρ1 um einen bestimmten Wert auf ρ2 erhöht, so verschiebt sich die Kurve ρ1 zu der Kurve ρ2, sofern der Zündzeitpunkt (Zündwinkel) unverändert beibehalten wird. Aufgrund der Erhöhung des Spitzendrucks ergibt sich dann ein besserer Wirkungsgrad der Gemischverbrennung. Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses führt somit zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftmaschine, vorausgesetzt, die Klopfgrenze wird nicht überschritten.
  • Das Diagramm der 3, in dem das Verdichtungsverhältnis ρ über der Zeit t aufgetragen ist, veranschaulicht ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Klopferkennungsinformation, die aus dem Klopferkennungssignal der 1 gewonnen wird. Die strichpunktierte Linie stellt einen Vorsteuerwert ρN für das Verdichtungsverhältnis dar, der beim Kalibrieren der Brennkraftmaschine ermittelt wurde und in einem Kennfeld (nicht gezeigt) abgelegt ist.
  • Es sei angenommen, dass die Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt t0 mit einem Verdichtungsverhältnis entsprechend dem Vorsteuerwert ρN betrieben wird. Der Zündwinkel wird während des gesamten Regelverfahrens auf einem optimalen Wert gehalten. Zum Zeitpunkt t1 zeigt die Klopferkennungsinformation an, dass ein Klopfen mit relativ geringer Klopfintensität aufgetreten ist. Das Verdichtungsverhältnis ρ wird nun, wie durch die Kurve angedeutet, relativ langsam verringert, solange Klopfen auftritt. Es sei angenommen, dass sich die Klopfintensität zum Zeitpunkt t2 erhöht. Das Verdichtungsverhältnis ρ wird dann mit Hilfe der entsprechend ausgebildeten Adaptionsfunktion schneller verringert. Sobald kein Klopfen mehr auftritt (zum Zeitpunkt t3), wird das Verdichtungsverhältnis nicht mehr verändert. Wenn längere Zeit kein Klopfen mehr auftritt, kann das Verdichtungsverhältnis ρ wieder erhöht werden (t4). Die Änderungsrate der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses wird durch die Adaptionsfunktion bestimmt. Das Verdichtungsverhältnis wird, solange kein Klopfen auftritt, bis zum Vorsteuerwert ρN erhöht (t5). Wenn jedoch zu einem früheren Zeitpunkt wieder Klopfen auftritt, wird das Verdichtungsverhältnis erneut verringert.
  • Mit dieser Regelstrategie kann die Brennkraftmaschine jederzeit mit seinem optimalen Zündwinkel und einem hinsichtlich eines bestimmten Betriebsparameters ständig optimierten Verdichtungsverhältnis betrieben werden.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Klopferkennungsinformation in einer geschlossenen Regelschleife so geregelt wird, dass die Brennkraftmaschine nahe der Klopfgrenze betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kalibrieren der Brennkraftmaschine Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ermittelt und in einem Kennfeld abgelegt werden und dass zur Regelung des Verdichtungsverhältnisses die Vorsteuerwerte jeweils mittels einer Adaptionsfunktion in Abhängigkeit von der Klopferkennungsinformation korrigiert werden, um Klopfen gerade zu vermeiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel während der Regelung des Verdichtungsverhältnisses auf einem vorgegebenen optimalen Wert gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebener Wert des Zündwinkels ein hinsichtlich des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine optimaler Wert verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionsfunktion eine festgelegte Korrekturfunktion ist, durch die die Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses jeweils in Abhängigkeit von der Klopferkennungsinformation erhöht und verringert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptionsfunktion eine adaptive Lernfunktion ist, durch die die Vorsteuerwerte des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der Klopfintensität und/oder Klopffrequenz erhöht und verringert werden.
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