DE112016002038T5

DE112016002038T5 - System und Verfahren zur Bestimmung einer Klopfgrenze für Mehrfachzylindermotoren

Info

Publication number: DE112016002038T5
Application number: DE112016002038.4T
Authority: DE
Inventors: Scott K. Mann; Jared J. Wentz; Jeffrey Jacob Bizub
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Al Alpine Us Bidco Inc Wilmington Us
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2018-03-15
Also published as: WO2016179200A1; US9784231B2; US20160327010A1

Abstract

Ein Verfahren enthält das Empfangen eines Signals, das beschreibend ist für eine Veränderung in einem Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für ein Gemisch von Luft und Brennstoff, das in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt, Vorverlegen eines Zündzeitpunktes der ersten Brennkammer, Empfangen eines Klopfsignals von einem Klopfsensor, das angibt, dass der Verbrennungsmotor zu klopfen begonnen hat, Bestimmen einer Klopfgrenze der ersten Brennkammer basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt und Speichern der Klopfgrenze verknüpft mit dem Klopfzeitpunkt und dem AFR.

Description

HINTERGRUND
Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich auf Klopfsensoren und genauer auf die Verwendung von Klopfsensoren, die in großen Mehrfachzylinderkolbeneinrichtungen (z.B. Verbrennungsmotor, Kompressoren, usw.) montiert sind in Verbindung mit Standardqualitätssteuertechniken, um die Klopfgrenzendetektion und die Effizienz der Zündzeitsteuerung der Kolbeneinrichtungen zu verbessern.
Verbrennungsmotoren verbrennen typischerweise einen kohlenstoffhaltigen Brennstoff, wie etwa Erdgas, Benzin, Diesel und dergleichen und verwenden die entsprechende Expansion von Hochtemperatur- und Druckgasen, um eine Kraft auf bestimmte Komponenten des Motors auszuüben, z.B. den Kolben, der in einem Zylinder angeordnet ist, um die Komponenten über eine Distanz zu bewegen. Jeder Zylinder kann einen oder mehrere Ventile aufweisen, die mit der Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs korreliert öffnen und schließen. Zum Beispiel kann ein Einlassventil einen Oxidanten, wie etwa Luft, in den Zylinder leiten, der dann mit dem Brennstoff gemischt und verbrannt wird. Verbrennungsfluide, z.B. heiße Gase, können dann geleitet werden, um den Zylinder mittels eines Auslassventils zu verlassen. Dementsprechend wird der kohlenstoffhaltige Brennstoff in eine mechanische Bewegung umgewandelt, die zum Antreiben einer Last verwendbar ist. Zum Beispiel kann die Last ein Generator sein, der elektrische Leistung erzeugt. Während des Verwendens können Verbrennungsmotoren Geräuschen, mechanischen Fehlern oder Veränderungen in Zuständen unterworfen sein, die schwierig zu detektieren und/oder vorherzusagen sein können.
KURZE BESCHREIBUNG
Bestimmte Ausführungsbeispiele, die dem Schutzbereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechend, sind nachfolgend zusammengefasst. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu beschränken, sondern diese Ausführungsbeispiele sind vielmehr dazu bestimmt, nur eine kurze Zusammenfassung von möglichen Formen der Erfindung bereitzustellen. Tatsächlich kann die Erfindung eine Vielfalt von Formen umfassen, die gleich oder verschieden sein können von den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen.
In Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren das Empfangen eines Signals, das beschreibend ist für eine Veränderung in einem Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für ein Gemisch aus Luft und Brennstoff, das in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt, Vorverlegen eines Zündzeitpunkts für die erste Brennkammer, Empfangen eines Klopfsignals von einem Klopfsensor, das angibt, dass der Verbrennungsmotor begonnen hat zu klopfen, Bestimmen einer Klopfgrenze für die erste Brennkammer basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt und Speichern der Klopfgrenze verknüpft mit dem Klopfzeitpunkt und dem AFR.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren das Empfangen eines Signals, das für ein Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für einen Brennstoff beschreibend ist, der in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt, Vorverlegen eines Zündzeitpunkts einer ersten Brennkammer mit einer ersten Vorverlegungsänderungsrate von einem Betriebszeitpunkt zu einem sicheren Zeitpunkt, Vorverlegen des Zündzeitpunkts der ersten Brennkammer mit einer zweiten Vorverlegungsrate von dem sicheren Zeitpunkt, wobei die zweite Vorverlegungsrate langsamer ist als die erste Vorverlegungsrate, Empfangen eines Klopfsignals von einem Klopfsensor, das anzeigt, dass der Verbrennungsmotor begonnen hat zu klopfen, Bestimmen einer Klopfgrenze der ersten Brennkammer basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt, Speichern der Klopfgrenze verknüpft mit dem Klopfzeitpunkt und dem AFR.
In Übereinstimmung mit einem dritten Ausführungsbeispiel enthält ein System eine Steuereinrichtung, die programmiert, um ein Signal zu empfangen, das beschreibend ist für eine Änderung im Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für ein Gemisch von Luft und Brennstoff, das in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt, Vorverlegen eines Zündzeitpunkts der ersten Brennkammer, Empfangen eines Klopfsignals von einem Klopfsensor, das angibt, dass der Verbrennungsmotor begonnen hat zu klopfen, Bestimmen einer Klopfgrenze der ersten Brennkammer basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt und Speichern der Klopfgrenze als eine Beziehung zwischen dem Klopfzeitpunkt und dem AFR.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden werden, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen darstellen, wobei:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Abschnitts eines motorangetriebenen Leistungserzeugungssystems in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kolbenanordnung innerhalb eines Zylinders des in 1 gezeigten Kolbenmotors in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist;
1 ein Flussdiagramm ist, das ein Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Anpassen des Betriebs eines Motors basierend auf einer Änderung im Luft-Brennstoff-Verhältnis des eingehenden Brennstoffs veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. In dem Bemühen eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele bereitzustellen, können nicht alle Merkmale einer aktuellen Implementierung in der Beschreibung erläutert werden. Es sollte verstanden werden, dass bei der Entwicklung irgendeiner solchen aktuellen Implementierung, wie in jedem Ingenieur- oder Designprojekt, viele implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers zu erreichen, wie etwa das Füllen von systembezogenen und geschäftsbezogenen Bedingungen, die von einer Implementierung zur anderen variieren können. Außerdem sollte es verstanden werden, dass eine Entwicklungsanstrengung komplex und zeitraubend sein kann, aber nichtsdestotrotz eine Routineunternehmung des Designs, der Fabrikation und Herstellung für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet wäre, die den Nutzen dieser Offenbarung haben.
Wenn Elemente von verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sind die Artikel „ein/eine/einer“, „der/die/das“ und „dieser/diese/dieses“ dazu bestimmt zu bedeuten, dass ein oder mehrere von diesen Elementen vorhanden sind. Die Begriffe „aufweisend“, „enthalten“ und „mit“ sind dazu bestimmt inklusiv zu sein und bedeuten, dass zusätzliche andere Elemente als die aufgelisteten Elemente vorhanden sein können.
Während der Verwendung arbeiten Verbrennungsmotoren (oder andere Kolbeneinrichtungen wie Kolbenkompressoren) mit einem Zündzeitpunkt, wobei die Kolbenkomponenten des Motors einen Zyklus in einer vorgegebenen Zeit vollständig durchlaufen. Der Zündzeitpunkt kann durch eine Anzahl von Bedingungen innerhalb des Motors beeinträchtigt werden und der Zündzeitpunkt kann wiederum die Leistungsabgabe des Motors beeinträchtigen. Allgemein sind Kolbenmotoren in der Lage ein höheres Drehmoment und daher mehr Leistung zu erzeugen, wenn die Drehzahl höher ist. Daher ist ein früherer Zündzeitpunkt allgemein wünschenswert. Unglücklicherweise kann ein früher Zündzeitpunkt zu Motorzuständen führen, die unerwünscht sind. Zum Beispiel kann ein früher Zündzeitpunkt zu einem Motorklopfen führen, was zu Verschleiß des Motors und/oder zur Verringerung der Effizienz des Motors führen kann. Zündzeitpunkte können gewählt werden, um ein Motorklopfen zu verhindern, jedoch können verschiedene Faktoren zu einem spezifischen Zündzeitpunkt beitragen, bei dem Klopfen auftreten wird. Wie es nachfolgend weiter im Detail beschrieben wird, werden Systeme und Verfahren zur Bestimmung einer Klopfgrenze bereitgestellt, wann immer eine Veränderung im Luft-Brennstoff-Verhältnis ein Potential für eine Änderung im Zündzeitpunkt erzeugt, das Motorklopfen verursachen kann.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Teils eines motorangetriebenen Leistungserzeugungssystems 8. Wie es im Detail nachfolgend beschrieben ist enthält das System 8 einen Motor 10 (z.B. einen internen Kolbenverbrennungsmotor) mit einer oder mehreren Brennkammern 12 (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 oder mehr Brennkammern 12). Eine Luftzufuhr 14 ist dazu eingerichtet, einen unter Druck stehenden Oxidanten 16, wie etwa Luft, Sauerstoff, sauerstoffangereicherte Luft, sauerstoffreduzierte Luft oder irgendeine Kombination davon, für jede Brennkammer 12 bereitzustellen. Die Brennkammer 12 ist auch dazu eingerichtet, einen Brennstoff 18 (z.B. einen flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoff) von einer Brennstoffzufuhr 19 zu erhalten, und ein Luft-Brennstoff-Gemisch zündet und verbrennt innerhalb jeder Brennkammer 12. Das Luft-Brennstoff-Gemisch mischt sich mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR), das abhängen kann von der Zusammensetzung des Brennstoffs und/oder anderen Umgebungszuständen. Das AFR ist das Masseverhältnis von Luft zu Brennstoff. Zum Beispiel kann ein Brennstoff von eines ersten Typs mit einer unter Druck stehenden Oxidanten 16 bei einem ersten AFR gemischt werden, weil er eine erste Temperatur, Zusammensetzung, Viskosität, Oktanzahl, usw. aufweist. Auf der anderen Seite kann ein zweiter Brennstofftyp bei einem anderen AFR gemischt werden, weil er eine unterschiedliche Temperatur, Zusammensetzung, Viskosität, Oktanzahl, usw. hat. Das Luft-Brennstoff-Gemisch verbrennt innerhalb der Brennkammer 12 und die heißen, unter Druck stehenden Verbrennungsgase veranlassen einen zu jeder Brennkammer 12 benachbarten Kolben 20 sich linear innerhalb eines Zylinders 26 zu bewegen und den durch die Gase ausgeübten Druck in eine Rotationsbewegung umzuwandeln, was eine Welle 22 veranlasst zu rotieren. Außerdem kann die Welle 22 mit einer Last 24 verbunden sein, die mittels der Rotation der Welle 22 angetrieben sein kann. Zum Beispiel kann die Last 24 irgendeine geeignete Einrichtung sein, die Leistung mittels der Rotationsausgangsgröße des Systems 10 erzeugt, wie etwa ein elektrischer Generator. Zusätzlich, obwohl die nachfolgende Erläuterung sich auf Luft als Oxidanten 16 bezieht, kann irgendein geeigneter Oxidant mit den offenbarten Ausführungsbeispielen verwendet werden. Gleichermaßen kann der Brennstoff 18 irgendein geeigneter gasförmiger Brennstoff, wie etwa z.B. Erdgas, Erdölbegleitgas, Propan, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Flözgas sein.
Das hierin offenbarte System 8 kann zur Verwendung in stationären Anwendungen (z.B. in industriellen Leistungserzeugungsmotoren) oder in mobilen Anwendungen (z.B. in Fahrzeugen oder Flugzeugen) angepasst werden. Der Motor 10 kann ein Zweitaktmotor, Dreitaktmotor, Viertaktmotor, Fünftaktmotor oder Sechstaktmotor sein. Der Motor 10 kann auch für irgendeine Anzahl von Brennkammern 12, Kolben 20 und zugehörigen Zylindern (z.B. 1–24) aufweisen. Zum Beispiel kann das System 8 bei bestimmten Ausführungsbeispielen einen großdimensionierten industriellen Kolbenmotor mit 4, 6, 8, 10, 16, 24 oder mehr Kolben 20 aufweisen, die sich in Zylindern hin- und herbewegen. Bei einigen anderen Fällen können die Zylinder und/oder die Kolben 20 einen Durchmesser von zwischen ungefähr 13,5–34 Zentimetern (cm) aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Zylinder und/oder die Kolben 20 einen Durchmesser von zwischen ungefähr 10–40 cm, 15–25 cm oder ungefähr 15 cm aufweisen. Das System 10 kann Leistung im Bereich von 10 kW bis 10 MW erzeugen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 10 mit weniger als ungefähr 1800 Umdrehungen pro Minute (U/min) betrieben werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 10 bei weniger als ungefähr 2000 U/min, 1900 U/min, 1700 U/min, 1600 U/min, 1500 U/min, 1400 U/min, 1300 U/min, 1200 U/min, 1000 U/min, 900 U/min oder 750 U/min arbeiten. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 10 zwischen ungefähr 750–2000 U/min, 900–1800 U/min oder 1000–1600 U/min arbeiten. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Motor 10 bei ungefähr 1800 U/min, 1500 U/min, 1200 U/min, 1000 U/min oder 900 U/min arbeiten. Beispielhafte Motoren 10 können z.B. Jenbacher-Motoren der General Electric Company (z.B. Jenbacher Typ 2, Typ 3, Typ 4, Typ 6 oder J920 FleXtra) oder Waukesha-Motoren (z.B. Waukesha VGF, FHP, APG, 275GL) aufweisen.
Das motorangetriebene Leistungserzeugungssystem 8 kann einen oder mehrere Klopfsensoren 23 aufweisen, die geeignet sind, um ein „Klopfen“ des Motors zu detektieren. Der Klopfsensor 23 kann Vibrationen sensieren, die durch den Motor verursacht werden, wie etwa Vibrationen aufgrund einer Detonation, Frühzündung und/oder Klingeln. Außerdem kann das motorangetriebene Leistungserzeugungssystem andere Sensoren 27 enthalten (z.B. einen oder mehrere Temperaturwandler) um andere Betriebszustände (z.B. Temperatur (z.B. globale Temperatur und/oder Temperaturgradienten) eines Mediums (z.B. Gusseisen), mit dem der eine oder die mehreren Klopfsensoren 23 verbunden sind) detektieren. Der Klopfsensor 23 ist in Kommunikationsverbindung mit einer Motorsteuereinheit (ECU) 25 gezeigt. Während des Betreibens werden Signale von dem Klopfsensor 23 an die ECU 25 kommuniziert, um zu bestimmen, ob Klopfsituationen (z.B. Klingeln) vorliegt. Die ECU 25 kann dann bestimmte Parameter des Motors 10 anpassen, um die Klopfzustände zu bessern oder zu eliminieren. Zum Beispiel kann die ECU den Zündzeitpunkt anpassen und/oder den Ladedruck anpassen, um das Klopfen zu eliminieren. Wie es weiter hierin beschrieben ist, kann die ECU 25 Signale von der Luftzufuhr 14 und/oder der Brennstoffzufuhr 19 erhalten, die beschreibend sind für ein AFR oder ein Äquivalenzverhältnis oder Lambda (λ) (d.h. das Verhältnis des aktuellen AFR zum stöchiometrischen AFR). Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können Sensoren innerhalb des Zylinders 26 unmittelbar eine Menge von Luft 16 und/oder Brennstoff 18 detektieren, der in den Raum 30 des Zylinders 26 eingespritzt wird, um das AFR/λ zu bestimmen. Die ECU 25 kann das AFR oder λ in Kombination mit Signalen von dem Klopfsensor 23 verwenden, um eine Klopfgrenze zu bestimmen, bei der der Motor 10 ohne Klopfen arbeiten kann. Obwohl die nachfolgenden Techniken in Bezug auf einen Verbrennungsmotor erläutert werden, können dieselben Techniken auf andere Kolbeneinrichtungen, wie etwa Kompressoren, angewandt werden.
2 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kolbenanordnung 25 mit einem Kolben 20, der innerhalb eines Zylinders 26 (z.B. eines Motorzylinders) eines Kolbenmotors 10 angeordnet ist. Der Zylinder 26 hat eine Innenringwand 28, die einen Zylinderraum 30 (z.B. Bohrung) bildet. Der Kolben 20 kann durch eine axiale Achse oder Axialrichtung 34, eine radiale Achse oder Radialrichtung 36 und eine Umfangsachse oder Umfangsrichtung 38 definiert sein. Der Kolben 20 weist einen oberen Abschnitt 40 (z.B. einen Feuersteg) auf. Der obere Abschnitt 40 blockiert allgemein den Brennstoff 18 und die Luft 16 oder ein Luft-Brennstoff-Gemisch 32 gegen das Entweichen aus der Brennkammer 12 während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 20.
Wie veranschaulicht, ist der Kolben 20 mittels einer Pleuelstange 56 und einem Stift 58 mit einer Kurbelwelle verbunden. Die Kurbelwelle 54 übersetzt die hin- und hergehende lineare Bewegung des Kolbens 24 in eine Rotationsbewegung während sich der Kolben 20 bewegt, rotiert die Kurbelwelle 54, um die Last 24 (in 1 gezeigt) anzutreiben, wie es vorstehend erläutert wurde. Wie veranschaulicht ist die Brennkammer 12 benachbart zu dem Feuersteg 40 des Kolbens 24 angeordnet. Ein Brennstoffinjektor 60 stellt den Brennstoff 18 für die Brennkammer 12 bereit und ein Einlassventil 62 steuert die Abgabe von Luft 16 in die Brennkammer 12. Ein Auslassventil 24 steuert die Abgabe von Abgas aus dem Motor 10. Jedoch sollte es verstanden werden, dass irgendwelche geeigneten Elemente und/oder Techniken zum Bereitstellen von Brennstoff 18 und Luft 16 für die Brennkammer 12 und/oder zum Abgeben von Abgas verwendet werden können und bei einigen Ausführungsbeispielen keine Brennstoffeinspritzung verwendet wird. Beim Betrieb veranlasst die Verbrennung des Brennstoffs 18 mit der Luft 16 in der Brennkammer 12 den Kolben 20 sich in einer hin- und hergehenden Weise (z.B. zurück und vor) in der Axialrichtung 34 innerhalb des Raums 30 des Zylinders 26 zu bewegen.
Während des Betriebs, wenn der Kolben 20 an seinem höchsten Punkt in dem Zylinder 26 ist, ist er in einer Position die als oberer Umkehrpunkt (TDC) bezeichnet wird. Wenn der Kolben 20 an seinem niedrigsten Punkt in dem Zylinder 26 ist, ist er in einer Position, die unterer Umkehrpunkt (BDC) genannt wird. Während sich der Kolben 20 von oben nach unten oder von unten nach oben bewegt, rotiert die Kurbelwelle 54 um eine halbe Umdrehung. Jede Bewegung des Kolbens 20 von oben nach unten oder von unten nach oben wird als Takt bezeichnet und Ausführungsbeispielen des Motors 10 können Zweitaktmotoren, Dreitaktmotoren, Viertaktmotoren, Fünftaktmotoren, Sechstaktmotoren oder mehr umfassen.
Während des Betriebs des Motors 10 tritt typischerweise eine Abfolge aufweisend ein Einlassverfahren, Kompressionsverfahren, ein Leistungsentfaltungsverfahren und ein Ausstoßverfahren auf. Das Einlassverfahren erlaubt es einem brennbaren Gemisch, wie etwa Brennstoff und Luft, in den Zylinder 26 gesaugt zu werden, sodass das Einlassventil 22 offen ist und das Auslassventil 64 geschlossen ist. Das Kompressionsverfahren komprimiert das brennbare Gemisch in einen kleineren Raum, daher ist sowohl das Einlassventil 62 als auch das Auslassventil 64 geschlossen. Das Leistungsentfaltungsverfahren zündet das komprimierte Luft-Brennstoff-Gemisch, was eine Zündung durch einen Zündfunken mittels eines Zündkerzensystems und/oder eine Kompressionszündung durch Kompressionswärme umfassen kann. Der resultierende Druck aus der Verbrennung drängt den Kolben 20 dann in den BDC. Das Ausstoßverfahren bewegt den Kolben 20 typischerweise zurück in den TDC, während das Auslassventil 64 offen gehalten wird. Unter bestimmten Umständen, kann das Luft-Brennstoff-Gemisch 32 vorzeitig verbrennen, bevor der Kolben 20 zum TDC zurückkehrt oder nachdem der Kolben 20 den TDC durchlaufen hat. Diese Zustände können als „Klopfen“ oder „Klingeln“ bezeichnet werden und können durch den Klopfsensor 23 detektiert werden. Das Klopfen kann durch viele Zustände einschließlich Umgebungszustände, Motorgesundheit, Last des Motors 10, Luftströmung, Brennstoffströmung oder Zusammensetzung des Brennstoffs beeinträchtigt werden. Als ein besonderes Beispiel kann ein Wechsel von einer Brennstoffquelle zu einer anderen Brennstoffquelle eine Veränderung in der Brennstoffzusammensetzung und eine begleitete Veränderung im AFR des Luft-Brennstoff-Gemischs 32 beinhalten. Nach der Verbrennung wird das Ausstoßverfahren durch das Ausstoßen des verbrauchten Luft-Brennstoff-Gemischs durch das Auslassventil 64 abgeschlossen. Es ist zu beachten, dass mehr als ein Einlassventil 62 und Auslassventil 64 pro Zylinder 26 verwendet werden kann.
Der veranschaulichte Motor weist auch einen Kurbelwellensensor 66, den Klopfsensor 23 und die ECU 25 auf, die einen Prozessor 72 und einen Speicher 74 enthält. Der Prozessor 72 kann einen oder mehrere „Allzweck-Mikroprozessoren“, einen oder mehrere Mikroprozessoren für besondere Zwecke und/oder einen oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICS), Ein-Chip-System-Einrichtungen (SoC) oder einige andere Prozessorkonfigurationen aufweisen. Zum Beispiel kann der Prozessor 72 einen oder mehrere Prozessoren mit reduziertem Befehlssatz (RISC) oder Prozessoren mit komplexen Befehlssatz (CISC) aufweisen. Der Prozessor 72 kann Befehle ausführen, um den Betrieb des Motors 10 durchzuführen. Die Befehle können in Programmen codiert sein oder der Code kann in einem physischen, nicht transitorischen, computerlesbaren Medium (z.B. einer optischen Disc, einer Festkörpereinrichtung, einem Chip, einer Firmware, etc.), wie etwa dem Speicher 74 gespeichert sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann der Speicher 74 insgesamt oder teilweise von der ECU 25 entfernbar sein. Der Speicher 74 kann eine Anzahl von Betriebsparametern speichern, die durch die ECU 25 verwendet werden können, um den Betrieb des Motors 10 anzupassen. Der Kurbelwinkelsensor 66 sensiert die Position und/oder die Drehzahl der Kurbelwelle 54. Dementsprechend kann eine Kurbelwinkel- oder Kurbelzeitpunktinformation abgeleitet werden. Das heißt, wenn Verbrennungsmotoren überwacht werden, ist der Zeitpunkt häufig in Form des Kurbelwellenwinkels der Kurbelwelle 54 ausgedrückt. Zum Beispiel kann ein voller Zyklus eines Viertaktmotors 10 als ein 720°-Zyklus gemessen werden. Die ECU 25 ist daher in der Lage den Zeitpunkt der Verbrennungsereignisse innerhalb des Zylinders 26 nachzuverfolgen, um insbesondere zu bestimmen, wann Klopfen auftritt. Der Klopfsensor 23 kann ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser, ein Mikroelektromechanischer Systemsensor (MEMS), ein Hall-Sensor, ein magnetorestriktiver Sensor und/oder irgendein anderer Sensor sein, der dazu ausgebildet ist, Vibrationen, Beschleunigungen, Geräusche und/oder Bewegungen zu sensieren. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Sensor 23 kein Klopfsensor sein, sondern irgendein Sensor, der Vibrationen, Druck, Beschleunigung, Ablenkung oder Bewegung sensieren kann.
Wegen der Erschütterungscharakteristik des Motors 10, kann der Klopfsensor 23 in der Lage sein, Signaturen zu delektieren, sogar wenn er am Äußeren des Zylinders 26 montiert ist. Jedoch kann der Klopfsensor 23 an verschiedenen Stellen in oder um den Zylinder 26 angeordnet sein. Zusätzlich kann ein einziger Klopfsensor 23 bei einigen Ausführungsbeispielen gemeinsam verwendet werden z.B. für einen oder mehrere benachbarte Zylinder 26. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann jeder Zylinder 26 einen oder mehrere Klopfsensoren 23 aufweisen (z.B. eine oder mehrere Anordnungen von Klopfsensoren 23, die entlang einer oder mehreren Ebenen durch den Motor 10 angeordnet sind). Der Kurbelwellensensor 66 und der Klopfsensor 23 sind als in elektrischer Kommunikation mit der Motorsteuereinheit (ECU) 25 verbunden gezeigt.
Ein Sensor 70 (z.B. AFR-Sensor) ist auch mit der ECU 25 verbunden. Der Sensor 70 kann bei bestimmten Ausführungsbeispielen Sensoren innerhalb des Zylinders 26 aufweisen, die unmittelbar eine Menge von Luft 16 und/oder Brennstoff 18 detektieren, die in den Raum 30 des Zylinders 26 eingespritzt wird. Allgemeiner können die AFR-Sensoren 70 Sensoren enthalten, die Zustände detektieren, die verwendet werden können, um das AFR oder λ zu schätzen. Zum Beispiel können die Sensoren 70 die Temperatur und den Druck der Luft 16 am Einlass detektieren oder die Strömungsraten der Luft und des Brennstoffs separat messen, um das AFR oder λ zu schätzen ohne das spezifische AFR oder λ innerhalb des Raums 30 zu messen. Außerdem können Sensoren 70 im Abgas des Motors z.B. Sauerstoff messen, was eine akkurate Schätzung des AFR oder λ des Luft-Brennstoff-Gemischs 32 angeben kann. Um die Signale von den Sensoren 23, 66, 70 zu empfangen und zu verarbeiten enthält die ECU 25 den Prozessor 72 und den Speicher 74 (z.B. ein maschinenlesbares Medium). Der Speicher 74 kann nichttransitorischen Code oder Computerbefehle speichern, die durch den Prozessor 72 ausgeführt werden können. Die ECU 25 überwacht und steuert den Betrieb des Motors 10 z.B. durch einstellen des Verbrennungszeitpunkts, der Ventile 62, 64, der Zeitsteuerung, durch einstellen der Abgabe des Brennstoffs und des Oxidanten (z.B. Luft), usw.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 76 zur Bestimmung und zur Speicherung einer Klopfgrenze für den Motor 10 veranschaulicht. Das Verfahren 76 kann verwendet werden, während der Motor 10 betrieben wird und beginnt, wenn die ECU 25 ein Signal empfängt 78, das beschreibend ist für eine Änderung in dem AFR oder λ. Wie vorstehend erwähnt, kann das Signal von den AFR-Sensoren 70 gesendet werden. Das Signal kann durch das detektieren des Luft-Brennstoff-Gemischs ausgelöst werden oder kann durch das Detektieren einer Änderung in einer Temperatur der Luft, einem Druck der Luft, einer Strömung der Luft, einer Strömung des Brennstoffs, einem Sauerstoffniveau eines Abgases oder irgendeiner Kombination davon ausgelöst werden. Außerdem kann das Signal durch eine Bedienereingabe ausgelöst werden, z.B. wenn ein Bediener weiß, dass die Brennstoffquelle von einer Quelle zu einer anderen mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung wechselt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die ECU 25 abgespeicherte Klopfgrenzen als eine Beziehung von AFR oder λ enthalten. Daher, wenn eine Änderung in dem AFR oder λ empfangen wird, kann die ECU 25 bestimmen, ob eine Klopfgrenze vorher für dieses AFR oder λ ermittelt wurde (Block 80). Wenn die AFR- oder λ-Klopfgrenze gespeichert wurde, kann die ECU 25 eine Benutzereingabe anfordern, ob bei der abgespeicherten Klopfgrenze gearbeitet oder eine neue Klopfgrenze ermittelt werden soll (Block 82). Wenn ein Benutzer angibt, dass der Motor 10 bei der gespeicherten Klopfgrenze laufen soll, arbeitet der Motor 10 bei der neuen Klopfgrenze (Block 84). Alternativ, kann die ECU 25 bei bestimmten Ausführungsbeispielen nicht abfragen, ob bei der gespeicherten Klopfgrenze gearbeitet werden soll oder nicht, sondern, wenn eine gespeicherte Klopfgrenze für das detektierte AFR oder λ vorhanden ist, dann kann der Motor unter dieser Klopfgrenze arbeiten.
Um eine neue Klopfgrenze für das detektierte AFR oder λ zu bestimmen, kann die ECU 25 den Zündzeitpunkt des Motors 10 vorverlegen (Block 86). Das Vorverlegen des Zündzeitpunktes kann in der Geschwindigkeit variieren. Das heißt, der Zündzeitpunkt kann zunächst schnell vorverlegt werden, bis ein vorherbestimmter Zündzeitpunkt erreicht ist und das Vorverlegen kann sich dann verlangsamen. Der vorherbestimmte Zündzeitpunkt kann z.B. auf einem früheren sicheren Zeitpunkt für das vorhergehende AFR oder λ basieren. Der Zündzeitpunkt wird vorverlegt, bis der Klopfsensor 23 detektiert, dass der Motor klopft und ein Signal an die ECU 25 sendet (Block 88). Der Klopfsensor 23 detektiert auch einen Schweregrad des Klopfens und überträgt dies an die ECU 25. Die ECU 25 bestimmt dann eine Klopfgrenze basierend auf dem Zündzeitpunkt zudem das Klopfen aufzutreten beginnt und den Schweregrad, bei dem das Klopfen auftritt (Block 90). Wenn zum Beispiel das Klopfen zu einem bestimmten Zeitpunkt auftritt, aber sofort einem schweren Klopfen unterworfen ist, wäre die Antwort anders, als wenn das Klopfen nur geringfügig war, als das Klopfen begann. Sobald die Klopfgrenze ermittelt ist, kann der Motor 10 bei der neuen Klopfgrenze betrieben werden (Block 84). Das Betreiben bei der neuen Klopfgrenze enthält das Betreiben zu einem Zündzeitpunkt, der kein Klopfen innerhalb des Motors 10 verursacht.
Technische Effekte der veranschaulichten Ausführungsbeispiele enthalten einen Kolbenmotor 10 oder andere Kolbeneinrichtungen (z.B. Kolbenkompressoren), der bzw. die unter der Steuerung einer Motorsteuereinheit (z.B. ECU 25) arbeiten. Die ECU 25 empfängt Signale von Klopfsensoren 23, Kurbelwellensensoren 66 und AFR-Sensoren 70, um den Motor 10 zu überwachen und zu steuern durch Änderungen in der Klopfgrenze, die durch verändern des AFR oder λ verursacht werden. Zum Beispiel, wenn eine Brennstoffquelle verändert wird, kann sich das AFR oder λ ändern und die Klopfgrenze beeinträchtigen. Die ECU 25 ist dazu eingerichtet, auf diese Änderungen zu antworten, sodass der Motor 10 bei oder nahe am frühstmöglichen Zündzeitpunkt arbeitet ohne Motorklopfen unterworfen zu sein.
Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels, und auch um irgendeinen Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und des Verwendens von irgendwelcher Einrichtungen oder Systeme und des Ausführens von irgendwelcher beinhalteter Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die den Fachleuten auf dem Gebiet offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche zu sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht vom Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substantiellen Unterschieden vom Wortlaut der Ansprüche aufweisen.

Claims

Verfahren aufweisend: Empfangen eines Signals an einer Steuereinrichtung, dass beschreibend ist für eine Änderung in einem Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für ein Gemisch von Luft und Brennstoff, das in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt; Vorverlegen des Zündzeitpunkts der ersten Brennkammer mittels der Steuereinrichtung; Empfangen eines Klopfsignals von einem Klopfsensor an der Steuereinrichtung, das angibt, dass der Verbrennungsmotor begonnen hat zu klopfen; Bestimmen einer ersten Klopfgrenze der ersten Brennkammer mittels der Steuereinrichtung basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt; und Speichern der ersten Klopfgrenze verknüpft mit dem Klopfzeitpunkt und dem AFR.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das das AFR beschreibende Signal durch eine Bedienereingabe, eine Temperatur der Luft, einen Druck der Luft, eine Strömung der Luft, eine Strömung des Brennstoffs, einen Sauerstoffgehalt eines Abgases oder irgendeiner Kombination davon ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Vorverlegen eines Zündzeitpunkts einer zweiten Brennkammer mittels der Steuereinrichtung bis der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt, um eine zweite Klopfgrenze der zweiten Brennkammer zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Vorverlegen des Zündzeitpunkts der ersten Brennkammer verschieden ist von der zweiten Brennkammer.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Vergleichen der ersten Klopfgrenze mit der vorher gespeicherten Klopfgrenze und Ermitteln eines Betriebsparameters basierend auf dem Unterschied zwischen der ersten Klopfgrenze und der vorher gespeicherten Klopfgrenze.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln des Betriebsparameters das Ermitteln eines Verschleißfaktors einer Komponente des Verbrennungsmotors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der ersten Klopfgrenze der ersten Brennkammer auf einen Schweregrad des Klopfsignals basiert.
Verfahren, aufweisend: Empfangen eines ersten Signals an einer Steuereinrichtung, das beschreibend ist für ein Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für einen Brennstoff, der in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt; Vorverlegen des Zündzeitpunkts einer ersten Brennkammer mit einer ersten Vorverlegungsrate von einem Betriebszeitpunkt zu einem vorher bestimmten sicheren Zeitpunkt an der Steuereinrichtung; Vorverlegen eines Zündzeitpunkts der ersten Brennkammer mit einer zweiten Vorverlegungsrate vom vorherbestimmten sicheren Zeitpunkt an der Steuereinrichtung, wobei die zweite Vorverlegungsrate langsamer ist als die erste Vorverlegungsrate; Empfangen eines ersten Klopfsignals von einem Klopfsensor an der Steuereinrichtung, das angibt, dass der Verbrennungsmotor begonnen hat zu klopfen; Ermitteln einer ersten Klopfgrenze der ersten Brennkammer an der Steuereinrichtung basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt; Speichern der ersten Klopfgrenze verknüpft mit dem Klopfzeitpunkt und dem AFR.
Verfahren nach Anspruch 8, aufweisend das Empfangen eines zweiten Signals von einer zweiten Änderung in dem AFR an der Steuereinrichtung und Ermitteln einer zweiten Klopfgrenze für die erste Brennkammer.
Verfahren nach Anspruch 9, aufweisend das Ermitteln, ob das AFR vorher gespeichert wurde, wenn das erste Klopfsignal empfangen wurde, und: wenn das AFR vorher gespeichert wurde, Arbeiten unter der dem vorher gespeicherten AFR zugeordneten Klopfgrenze, oder wenn das AFR nicht gespeichert wurde, Ermitteln der zweiten Klopfgrenze.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Benutzerrückmeldung angefordert wird, ob bei der gespeicherten AFR-Klopfgrenze betrieben werden soll, wenn das AFR gespeichert wurde.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Betreiben bei der mit dem gespeicherten AFR verknüpften Klopfgrenze erfolgt, wenn das AFR innerhalb der letzten Woche gespeichert wurde, und wenn das AFR länger als eine Woche gespeichert wurde, Anfordern einer Benutzerrückmeldung, ob der Verbrennungsmotor bei der mit dem gespeicherten AFR verknüpften Klopfgrenze betrieben werden soll.
Verfahren nach Anspruch 10, aufweisend das Vergleichen der ersten Klopfgrenze mit der vorher gespeicherten Klopfgrenze und Bestimmen eines Betriebsparameters basierend auf der Differenz zwischen der ersten Klopfgrenze und der vorher gespeicherten Klopfgrenze.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen des Betriebsparameters das Bestimmen eines Verschleißfaktors einer Komponente des Verbrennungsmotors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bestimmen der ersten Klopfgrenze der ersten Brennkammer auf dem Schweregrad des Klopfsignals basiert.
System, aufweisend: eine Steuereinrichtung, die programmiert ist, um ein Signal zu empfangen, das beschreibend ist für eine Veränderung in einem Luft-Brennstoff-Verhältnis (AFR) für das Gemisch von Luft und Brennstoff, das in eine erste Brennkammer eines Verbrennungsmotors gelangt, Vorverlegen des Zündzeitpunktes der ersten Brennkammer, Empfangen eines Klopfsignals von einem Klopfsensor, das anzeigt, dass der Verbrennungsmotor zu klopfen begonnen hat, Bestimmen einer Klopfgrenze der ersten Brennkammer basierend darauf, wann der Verbrennungsmotor zu klopfen beginnt, und Speichern der Klopfgrenze als ein Verhältnis zwischen dem Zündzeitpunkt und dem AFR.
System nach Anspruch 16, aufweisend einen Kurbelwellensensor, der dazu eingerichtet ist, ein Signal zu senden, das beschreibend ist für einen Kurbelwinkel zur Bestimmung des akkuraten Zündzeitpunkts für die erste Brennkammer.
System nach Anspruch 16, aufweisend AFR-Sensoren, die dazu eingerichtet sind, eine Temperatur der Luft, einen Druck der Luft, eine Strömung der Luft, eine Strömung des Brennstoffs, ein Sauerstoffniveau eines Abgases oder irgendeine Kombination davon zu detektieren.
System nach Anspruch 16, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, Klopfgrenzen verknüpft mit Zündzeitpunkten und dem detektieren AFR zu speichern.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist abzuspeichern, wie lange die gespeicherte Klopfgrenze gespeichert wurde.