DE10220597B3 - Verfahren zum Anpassen einer Klopfregelung an das veränderliche Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zum Anpassen der wesentlichen Parameter einer Klopfregelung an das veränderliche Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine. Bei diesem Verfahren werden sowohl die wesentlichen Parameter für die Klopferkennung wie auch die wesentlichen Parameter für die Klopfkorrektur anhand von in Kennfeldern abgelegten Nennwerten mittels vorgegebener Korrekturfunktionen an das aktuelle Verdichtungsverhältnis angepasst.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen einer Klopfregelung an das Verdichtungsverhältnis 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. Hierdurch wird eine Optimierung des Betriebes der Brennkraftmaschine über dem gesamten Betriebsbereich angestrebt. - Sogenannte Klopfregelungen von Brennkraftmaschinen sind ebenfalls seit langem bekannt. Bei einer Klopfregelung werden zunächst die für eine klopfende Verbrennung charakteristischen Schwingungen mittels eines oder mehrerer Klopfsensoren detektiert (Klopferkennung). Anhand der hierbei gewonnenen Klopfsignale werden dann bestimmte Betriebsparameter (im allgemeinen der Zündwinkel) der Brennkraftmaschine so verstellt, dass ein Klopfen gerade vermieden wird (Klopfkorrektur). Verwiesen sei z. B. auf
US 4 884 206 ,US 6 317 681 B2 ,EP 1 092 087 A2 undDE 199 45 369 A1 . - Aus der
DE 40 08 170 A1 ist ein Verfahren zur adaptiven Klopfregelung einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten bekannt:
– Spätverstellung des Zündwinkels beim Klopfen eines Zylinders,
– Rückführung des Zündwinkels durch Verstellung in Richtung „früh" (Frühverstellung),
– Speichern von aktuellen Zündwinkel-Spätverstellungswerten in einem Adaptions-Kennfeld, das in Abhängigkeit von der Größe von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine unterteilte Bereiche aufweist, wobei stets ein Wert einer Zündwinkelspätverstellung, der während des Betriebs im zugehörigen Bereich ermittelt wurde beim Verlassen dieses Bereichs gespeichert wird,
– Einstellung des für einen bestimmten Bereich gespeicherten Wertes der Zündwinkelspätverstellung beim Wechsel in diesem Bereich. Für eine vergrößerte Dynamik wird vorgeschlagen, dass beim Wechsel des Bereichs die Rückführung des Zündwinkels solange mit vergrößerter Frühverstell-Geschwindigkeit erfolgt, bis es in diesem Bereich zum Klopfen kommt oder ein Vorgabewert des Zündwinkels erreicht wird. - In der
DE 199 50 682 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer zumindest einen Arbeitskolben aufweisenden Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis beschrieben, wobei das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine veränderbar ist und mittels eines Klopfsensors ein zu hohes Verdichtungsverhältnis ermittelt wird, um daraufhin das Verdichtungsverhältnis unter die Klopfgrenze zu verringern. Das Verdichtungsverhältnis kann anschließend wieder erhöht werden. Es ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis bei Überschreiten oder Erreichen der Klopfgrenze um einen von dem Betriebszustand abhängigen vorgebbaren ersten Betrag über eine vorgebbaren ersten Zeitraum verringert wird und dass anschließend das Verdichtungsverhältnis um einen vorgebbaren zweiten Betrag über einen vorgebbaren zweiten Zeitraum bis zum Erreichen oder Überschreiten der Klopfgrenze erhöht wird. - Die Klopferkennung macht sich die Tatsache zunutze, dass die klopfende Verbrennung als Schwingungsphänomen in einem Hohlraum (d. h. in der Brennkammer) aufgefasst werden kann. Die Resonanzfrequenzen eines derartigen Schwingungsvorganges können hierbei wie folgt beschrieben werden: worin c die Schallgeschwindigkeit im Hohlraum, L die Länge des Hohlraums und k die Ordnung der betreffenden harmonischen Schwingungen sind.
- Das vom Klopfsensor erzeugte elektrische Rohsignal muss zunächst aufbereitet werden, ehe es für die Klopfkorrektur verwendet werden kann. Diese Signalaufbereitung erfolgt üblicherweise in drei Hauptschritten:
- 1. Erfassen des Rohsignals nur innerhalb eines mit dem Kurbelwellenwinkel verknüpften Zeitfensters, innerhalb welchem Klopfen auftreten kann;
- 2. Bandpassfilterung dieses Rohsignals bei einer für das Klopfen repräsentativen Frequenz (gemäß der obigen Formel mit einer Wahl von k für die stärkste Schwingung);
- 3. Berechnen der Leistung dieses gefilterten Signals (üblicherweise das Integral über dem Quadrat dieses gefilterten Signals).
- Die vorstehenden Schritte 2 und 3 entsprechen der Berechnung der Spektralleistung des Signals innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs. Dieser Frequenzbereich umschließt die vorgegebene zentrale Frequenz der Bandpassfilterung.
- Die auf diese Weise aufbereiteten Klopfsignale können dann zur Klopfkorrektur verwendet werden. Um das Klopfen verschwinden zu lassen, müssen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine verändert werden. Die Hauptparameter, die hierzu in Frage kommen, sind eine Änderung des Zündwinkels in Richtung eines späteren Zündzeitpunktes, eine Vergrößerung der einge spritzten Kraftstoffmenge und eine Änderung der Drosselklappenstellung in Richtung Schließstellung.
- Die am häufigsten eingesetzte Klopfkorrektur ist eine Zündwinkelverstellung. Bei einer Änderung des Zündwinkels ändert sich der Druckverlauf in der Brennkammer, und dies kann zur Vermeidung einer Selbstentflammung des Brenngasgemisches und somit einer klopfenden Verbrennung ausgenutzt werden. Die Verstellung des Zündwinkels zur Klopfkorrektur hat den Vorteil einer sehr kurzen Ansprechzeit, einer relativ geringen Auswirkung auf Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch und einer guten Anpassungsmöglichkeit. Ein Eingriff in die Stellung der Drosselklappe ist für den Fahrer im allgemeinen nicht akzeptabel. Eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge sollte wegen des erhöhten Kraftstoffverbrauchs vermieden werden (abgesehen von bestimmten Betriebsbedingungen wie Vollast).
- 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 hierdurch beeinflusst. Da das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine unmittelbar mit dem Druck im Brennraum verknüpft ist, hat eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses auch einen Einfluss auf das Klopfverhalten und somit auf die wesentlichen Parameter der Klopferkennung und Klopfkorrektur.
- Von dieser Erkenntnis ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich die wesentlichen Parameter der Klopferkennung und der Klopfkorrektur an Änderungen des Verdichtungsverhältnisses anpassen lassen.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einer Klopfregelung mit a) einer Klopferkennung mittels vorgegebener Er kennungsparameter und b) einer Klopfkorrektur mittels vorgegebener Korrekturparameter. Zur Lösung der obigen Aufgabe ist vorgesehen, dass
- a) bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Auslegungspunkt mit einem Nennverdichtungsverhältnis Nennerkennungsparameter für die Klopferkennung und Nennkorrekturparameter für die Klopfkorrektur beim Kalibrieren gewonnenen Kennfeldern entnommen werden und
- b) bei einem vom Auslegungspunkt abweichenden Betrieb der Brennkraftmaschine korrigierte Erkennungsparameter und korrigierte Korrekturparameter aus den Nennerkennungsparametern und den Nennkorrekturparametern mittels vorgegebener Korrekturfunktionen in Abhängigkeit vom aktuellen Verdichtungsverhältnis gewonnen werden.
- Durch diese Massnahmen wird sichergestellt, dass die wesentlichen Parameter der Klopferkennung und Klopfkorrektur ständig an das veränderliche Verdichtungsverhältnis angepasst werden, so dass die Klopfregelstrategie insgesamt im Sinne eines optimalen Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine bei sicherer Vermeidung einer klopfenden Verbrennung ständig adaptiert wird. Auch bei Änderungen des Verdichtungsverhältnisses bleibt somit bei der Klopferkennung die beste Auflösung und der maximale Wirkungsgrad für eine wirksame Klopfvermeidung zwischen normalen Verbrennungszyklen erhalten. Außerdem wird sichergestellt, dass bei Änderungen des Verdichtungsverhältnisses auch die Klopfkorrektur dahingehend optimiert wird, dass ein bereits aufgetretenes Klopfen mit einem Wert entsprechend der Klopfintensität korrigiert werden kann, die von der betreffenden Änderung des Verdichtungsverhältnisses herrührt.
- Das beschriebene Verfahren zur Anpassung der Erkennungs- und Korrekturparameter wird in erster Linie bei stationären Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit konstantem Verdich tungsverhältnis angewendet. Bei Übergangsphasen mit sich änderndem Verdichtungsverhältnis, insbesondere bei langsamer Änderung des Verdichtungsverhältnisses, kann dasselbe Anpassungsverfahren verwendet werden. Eine andere Möglichkeit, die insbesondere für schnelle Änderungen des Verdichtungsverhältnisses geeignet ist, besteht darin, dass eine Klopfreserve für die Korrekturparameter zum Einhalten eines Sicherheitsabstandes von einer Klopfgrenze bestimmt wird und aus den Nennkorrekturparametern oder den korrigierten Korrekturparametern mit Hilfe der Klopfreserve Korrekturparameter für die Übergangsphase gewonnen werden.
- Hinsichtlich der anzupassenden Erkennungsparameter für die Klopferkennung kommen zum einen bestimmte Grundparameter in Frage, die bei der oben beschriebenen Aufbereitung des Rohsignals der Klopfsensoren eine wesentliche Rolle spielen. Zu nennen sind hier insbesondere das Zeitfenster, in dem die Klopferkennung durchgeführt wird, die repräsentative Klopffrequenz, bei der das Rohsignal einer Bandpassfilterung unterzogen wird, und der Verstärkungsfaktor für das Rohsignal. Zum anderen handelt es sich zweckmäßigerweise um den vorgegebenen normalen Geräuschpegel der Brennkraftmaschine bei klopffreiem Betrieb und dem Schwellenwert für die Klopfintensität.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die betreffenden Nennparameter den beim Kalibrieren gewonnenen Kennfeldern entnommen. Als Auslegungspunkt kann hierbei z. B. das gebräuchlichste und/oder günstigste Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine gewählt werden. Die Kennfelder definieren die betreffenden Parameter in Abhängigkeit von bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl und Last. Bei Betrieb der Brennkraftmaschine im Auslegungspunkt können dann die betreffenden Parameter unmittelbar den Kennfeldern entnommen werden.
- Bei einem vom Auslegungspunkt abweichenden Betrieb der Brennkraftmaschine werden dann die betreffenden Nennparameter mittels der vorgegebenen Korrekturfunktionen an das aktuelle Verdichtungsverhältnis angepasst. Hierbei können irgendwelche Korrekturfunktionen verwendet werden, wie sie zum Korrigieren und Anpassen anderer Betriebsparameter von Brennkraftmaschinen grundsätzlich bekannt sind. So kann als Korrekturfunktion beispielsweise ein additiver oder multiplikativer Korrekturwert für die Nennparameter verwendet werden, wobei dieser Korrekturwert von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis oder dem Verhältnis des aktuellen Verdichtungsverhältnisses zu dem Nennverdichtungsverhältnis abhängt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als Korrekturfunktion eine Interpolation zweier beim Kalibrieren gewonnener Kennfelder mittels eines vom Verdichtungsverhältnis abhängigen Korrekturfaktors durchzuführen. Da derartige Korrekturfunktionen im Zusammenhang mit der Berechnung anderer Betriebsparameter bekannt sind, werden sie hier nicht weiter erläutert.
- Diese Methode wird zum Anpassen nicht nur der Parameter für die Klopferkennung, sondern auch der Parameter für die Klopfkorrektur verwendet. Es versteht sich, dass sich hiermit jede Art von Klopfkorrektur an Änderungen des Verdichtungsverhältnisses anpassen lässt. Da jedoch die Klopfkorrektur üblicherweise aus einer Zündwinkelkorrektur (einer Änderung des Zündzeitpunktes) besteht, umfassen die Parameter für die Klopfkorrektur in erster Linie den Zündwinkel, wobei auch die Größe des Korrekturwertes für den Zündwinkel an das Verdichtungsverhältnis angepasst werden kann.
- Für Übergangsphasen mit sich änderndem Verdichtungsverhältnis kann, wie bereits oben erwähnt, dasselbe Anpassungsverfahren wie für stationäre Betriebsphasen verwendet werden. Diese Möglichkeit bietet sich insbesondere für Übergangsphasen mit sich langsam änderndem Verdichtungsverhältnis an. In Übergangsphasen mit sich rasch änderndem Verdichtungsverhältnis lässt sich allerdings im allgemeinen keine genaue Klopfgrenze ermitteln. Gemäß der oben erwähnten zweiten Möglichkeit wird daher eine Klopfreserve bestimmt, um einen Sicherheitsabstand zu der Klopfgrenze einzuhalten und somit eine klopfende Verbrennung mit Sicherheit zu vermeiden.
- Die Klopfreserve kann beispielsweise aus einer Zündwinkelreserve bestehen, mit der der Zündwinkel unmittelbar modifiziert wird. Hierbei kann die Zündwinkelreserve aus einem konstanten oder von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis abhängigen additiven Korrekturwert bestehen. Im einfachsten Fall wird der Zündwinkel um einen entsprechenden Reservewert in Richtung eines späteren Zündzeitpunktes verschoben.
- Bei Brennkraftmaschinen, deren Betrieb in einer geschlossenen Regelschleife mittels eines elektronischen Betriebssteuergerätes auf Drehmomentenbasis geregelt wird, kann bei der Ermittlung des Drehmomentes eine Drehmomentenreserve in Abhängigkeit von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis berücksichtigt werden, die dann im geschlossenen Regelkreis eine entsprechende Zündwinkelreserve induziert. In diesem Fall ergibt sich somit eine Zündwinkelreserve, die von dem (sich ändernden) aktuellen Verdichtungsverhältnis abhängt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit eine ständige Verstellung der wesentlichen Parameter der Klopfregelstrategie (Klopferkennung und -korrektur) in Abhängigkeit von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine mit dem Ziel einer wirksamen Klopferkennung (Klopferkennungsparameter) und einem wirksamen Schutz der Brennkraftmaschine (Klopfkorrekturparameter).
- Anhand der schematischen Darstellung der einzigen Figur wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Anpassen eines Klopferkennungsparameters an das veränderliche Verdichtungsverhältnis einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine näher erläutert.
- Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur sind in Kennfeldern 5 und 6 jeweils ein Nennerkennungsparameter in Form eines Verstärkungsfaktors IP_KNK_GAIN_VGR1 und IP_KNK_GAIN_VCR2 in Abhängigkeit von der Last
2 und der Drehzahl 4 der Brennkraftmaschine für ein spezielles Nennverdichtungsverhältnis VCR1 bzw. VCR2 abgelegt. In einer Umschalteinrichtung7 wird einer der beiden Verstärkungsfaktoren für die Weiterverwendung ausgewählt. Die Auswahl erfolgt mit Hilfe einer Vergleichsstufe8 , in der geprüft wird, ob das aktuelle Verdichtungsverhältnis |VCR|3 größer oder kleiner als eine Schwelle LT ist. - Der von der Umschalteinrichtung
7 ausgewählte Verstärkungsfaktor stellt den Nennverstärkungsfaktor dar, mit dem das Rohsignal des Klopfsensors (nicht gezeigt) multipliziert wird, wenn die Brennkraftmaschine im Auslegungspunkt mit dem entsprechenden Nennverdichtungsverhältnis arbeitet. - Bei einem vom Auslegungspunkt abweichenden Betrieb der Brennkraftmaschine wird der von der Umschalteinrichtung
7 abgegebene Verstärkungsfaktor IP_KNK_GAIN_VCR1 oder IP_KNK_GAIN_VCR2 mittels einer Korrekturfunktion korrigiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Korrekturfunktion aus einem multiplikativen Korrekturwert IP_FAC_KNK_GAIN_VCR, mit dem der Nennverstärkungsfaktor in einem Schritt 9 multipliziert wird. Der multiplikative Korrekturwert wird aus einem Kennfeld10 gewonnen, in dem der Korrekturwert über der Last2 und dem aktuellen Verdichtungsverhältnis VCR aufgetragen ist. Der im Schritt 9 gewonnene korrigierte Verstärkungsfaktor KNK_GAIN steht dann am Ausgang1 zwecks weiterer Verwendung zur Verfügung. - Es versteht sich, dass andere Klopferkennungsparameter wie z. B. das Zeitfenster oder auch die repräsentative Klopffrequenz in der gleichen Weise an das veränderliche Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine angepasst werden können. Dies gilt sinngemäß auch für die zur Klopfkorrektur verwendeten Korrekturparameter wie z. B. der Zündwinkel und die Größe des Korrekturwertes für den Zündwinkel.
Claims (11)
- Verfahren zum Anpassen einer Klopfregelung an das Verdichtungsverhältnis einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis, bei dem als Klopfregelung eine Klopferkennung mittels vorgegebener Erkennungsparameter und eine Klopfkorrektur mittels vorgegebener Korrekturparameter durchgeführt werden, wobei a) bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Auslegungspunkt mit einem Nennverdichtungsverhältnis Nennerkennungsparameter für die Klopferkennung und Nennkorrekturparameter für die Klopfkorrektur beim Kalibrieren gewonnenen Kennfeldern entnommen werden und b) bei einem vom Auslegungspunkt abweichenden Betrieb der Brennkraftmaschine korrigierte Erkennungsparameter und korrigierte Korrekturparameter aus den Nennerkennungsparametern und den Nennkorrekturparametern mittels vorgegebener Korrekturfunktionen in Abhängigkeit vom aktuellen Verdichtungsverhältnis gewonnen werden.
- verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowohl für stationäre Betriebsphasen der Brennkraftmaschine mit konstantem Verdichtungsverhältnis wie auch in Übergangsphasen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß Anspruch 1 nur für stationäre Betriebsphasen mit konstantem Verdichtungsverhältnis verwendet wird und für Übergangsphasen mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis eine Klopfreserve für die Korrekturparameter zum Einhalten eines Sicherheitsabstandes von einer Klopfgrenze bestimmt wird und aus den Nennkorrekturparametern oder den korrigierten Korrekturparametern mit Hilfe der Klopfreserve Korrekturparameter für die Übergangsphasen gewonnen werden.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsparameter für die Klopferkennung ein Zeitfenster, in dem die Klopferkennung durchgeführt wird, und/oder eine repräsentative Klopffrequenz, bei der ein Rohsignal der Klopferkennung einer Bandpassfilterung unterzogen wird, und/oder einen Verstärkungsfaktor für das Rohsignal umfassen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsparameter für die Klopferkennung einen vorgegebenen normalen Geräuschpegel der Brennkraftmaschine bei klopffreiem Betrieb und/oder einen Schwellwert für die Klopfintensität umfassen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfkorrektur aus einer Zündwinkelkorrektur besteht und die Korrekturparameter den Zündwinkel und/oder die Größe des Korrekturwertes für den Zündwinkel umfassen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Korrekturfunktionen jeweils aus einem mit dem betreffenden Parameter additiv oder multiplikativ zu verknüpfenden Korrekturwert bestehen, der von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis oder dem Verhältnis des aktuellen Verdichtungsverhältnisses zu dem Nennverdichtungsverhältnis abhängt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Korrekturfunktionen jeweils aus einer Interpolation zweier beim Kalibrieren gewonnener Kennfelder mittels eines vom aktuellen Verdichtungsverhältnis abhängigen Korrekturfaktors bestehen.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Klopfreserve der betreffenden Korrekturparameter unmittelbar modifiziert wird.
- Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfreserve aus einem vorgegebenen konstanten oder von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis abhängigen additiven Korrekturwert für den betreffenden Parameter besteht.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 2, bei dem der Betrieb der Brennkraftmaschine in einem geschlossenen Regelkreis mittels eines elektronischen Betriebssteuergerätes auf Drehmomentenbasis geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Drehmomentes eine Drehmomentreserve in Abhängigkeit von dem aktuellen Verdichtungsverhälnis berücksichtigt wird, die im geschlossenen Regelkreis eine entsprechende Klopfreserve in dem betreffenden Parameter induziert.
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