DE19911019A1 - Verfahren zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem wenigstens zwei voneinander beabstandete Zündkerzen aufweisenden Brennraum einer Brennkraftmaschine. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird wenigstens während eines Teils der aufeinanderfolgenden Arbeitsspiele eine Ionenstrommessung durchgeführt, bei der eine erste Zündkerze als Ionenstromsonde ohne Zündenergiefreisetzung betrieben wird und durch die der Ankunftszeitpunkt der an einer zweiten, zündenergiefreisetzenden Zündkerze zum Zündzeitpunkt gebildeten Flammenfront an der ersten Zündkerze erfaßt wird. Aus dem erfaßten Ankunftszeitpunkt der Flammenfront, dem Zündzeitpunkt und dem Zündkerzenabstand wird die Flammgeschwindigkeit ermittelt und daraus in Abhängigkeit von Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt. DOLLAR A Verwendung beispielsweise für Otto-Motoren von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem wenigstens zwei voneinan­ der beabstandete zündkerzenaufweisenden Brennraum einer Brenn­ kraftmaschine, wie sie z. B. für Kraftfahrzeuge verwendet wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 25 54 988 A1 ist die Anordnung einer Ionenstromsonde im Abgassystem hinter den Auslaßventilen eines Brennraums einer Brennkraftmaschine bekannt. Mit Hilfe der so positionierten Ionenstromsonde wird eine Messung des Ionen­ stroms der Verbrennungsprodukte vorgenommen und eine Regelgröße für eine Gemischbildungs- und eine Zündvorrichtung generiert. Die Gemischbildung und Zündeinstellung wird dann in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine geregelt.
Aus der Patentschrift DE 42 39 803 C2 ist ein Ionisationsstrom­ detektor für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Zünd­ kerze in einem Brennraum der Brennkraftmaschine sowohl zur Zün­ dung der Verbrennung als auch zur Detektion einer vollständigen Verbrennung der Brennraumfüllung und somit zur Detektion von Fehlzündungen genutzt wird.
Aus der Patentschrift DE 196 14 388 C1 ist ein Verfahren zur Be­ stimmung der Qualität eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird an eine Zündkerze, die zunächst zur Erzeugung eines üblichen Zündimpul­ ses genutzt wird, nach der Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches ein Prüfimpuls angelegt. Der Prüfimpuls besteht aus einem über eine längere Zeitdauer während der zu untersuchenden Verbren­ nungsphase konstanten Spannungsimpuls, der über einen Meßwider­ stand an die Zündkerze angelegt wird. An dem Meßwiderstand ist ein sich mit dem Ionenstrom an der Zündkerze ändernder Span­ nungsabfall meßbar, dessen Integral als Maß für die Gemischzu­ sammensetzung im Brennraum verwendet wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 29 39 690 A1 ist ein Verfahren zur Zündzeitpunktregelung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Ionenstromsonde in einem Abstand von einer Entzün­ dungsstelle in einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Mit Hilfe der Ionenstromsonde wird die Entflammung der Brennraumfüllung überwacht, wobei das Ende einer anfänglichen Entflammungsphase der Brennraumfüllung in einer bestimmten Rela­ tion zum oberen Totpunkt gehalten wird. Zur Durchführung des Verfahrens sind eine oder zwei Ionenstromsonden um die Zündelek­ troden der Zündkerze herum angeordnet, wobei die Ionenstromson­ den mit der Zündkerze kombiniert sind.
Aus der Patentschrift DE 34 45 539 C2 ist eine Ionisationssonde zur Steuerung des Verbrennungsablaufes in einer Brennkammer ei­ ner Brennkraftmaschine bekannt. Die Ionisationssonde ist in ei­ nem Abstand von der Entzündungsstelle in der Brennkammer ange­ ordnet, so daß sie die Ankunft einer Flammenfront detektieren kann, wobei aus der Zeitdauer zwischen einer Zündung des Luft/Kraft­ stoff-Gemischs in der Brennkammer und der Ankunft der Flammen­ front an der Sonde die Qualität des stattfindenden Verbrennungs­ ablaufes bestimmt wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 29 35 725 A1 ist eine Vorrichtung zur Einstellung des Zündzeitpunktes bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt. Sie umfaßt einen ersten Ionisations­ sensor in weiterer Entfernung von einer Zündkerze sowie optional einen zweiten Ionisationssensor in der Nähe der Zündkerze. Ins­ besondere wird mit dem zweiten Ionisationssensor der Beginn der Verbrennung und mit dem ersten Ionisationssensor das Ende der Verbrennung detektiert. In Abhängigkeit von den erfaßten Signa­ len wird der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine verstellt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 29 32 193 A1 ist eine Vorrichtung zum Feststellen von Klopferscheinungen in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit geregelter Zündung bekannt. Sie umfaßt zwei Ionisationssonden, die im Brennraum möglichst weit entfernt von einer Zündkerze zur Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemischs in einem Bereich angeordnet sind, in dem Klopferscheinungen möglich sind. Die beiden Ionisationssonden sind relativ zueinander in Richtung des Fortschreitens der Flammenfront im Brennraum ange­ ordnet und dienen zur Bestimmung der Flammengeschwindigkeit, aus der wiederum Rückschlüsse auf Klopferscheinungen gezogen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einem Verfahren der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise und möglichst zuver­ lässig das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des angegebenen Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei wird zwischen zwei in einem gemeinsamen Brennraum der Brennkraftma­ schine angeordneten Zündkerzen eine Messung der Flammgeschwin­ digkeit des in dem Brennraum vorliegenden Luft/Kraftstoff-Gemi­ sches vorgenommen. Durch eine erste Zündkerze, die als Ionen­ stromsonde betrieben wird, wird der Ankunftszeitpunkt der Flam­ menfront an dieser Zündkerze festgestellt, während eine zweite Zündkerze zur Zündenergiefreisetzung und zur Feststellung des Zündzeitpunktes dient. Aus der Flammgeschwindigkeit wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter Berücksichtigung des Betriebs­ punktes der Brennkraftmaschine ermittelt. Vorzugsweise werden die Zündkerzen abwechselnd zur Zündenergiefreisetzung und als Ionenstromsonde verwendet. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann in jedem Brennraum der Brennkraftmaschine individuell das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt werden, so daß die Kraft­ stoffzumessung brennraumindividuell vorgenommen und auf eine Lambdasonde im Abgasstrang verzichtet werden kann.
In Ausgestaltung der Erfindung wird in einem Arbeitsspiel mit Ionenstrommessung der Zündzeitpunkt der zweiten Zündkerze gegen­ über Arbeitsspielen mit einer Zündenergiefreisetzung an beiden Zündkerzen und damit ohne Ionenstrommessung in Richtung früh verstellt. Dabei ist eine Zündenergiefreisetzung an beiden Zünd­ kerzen insbesondere im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine und eine Zündenergiefreisetzung an nur einer Zündkerze vorzugsweise im Teillastbetrieb vorgesehen. Durch eine Vorverlagerung des Zündzeitpunktes wird einer anfänglich möglicherweise langsamer ablaufenden Verbrennung in dem Brennraum Rechnung getragen und eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes nach hinten ver­ mieden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt im Teillastbe­ reich der Brennkraftmaschine in jedem Arbeitsspiel eine Ionen­ strommessung, wobei die Zündkerzen alternierend als Ionenstrom­ sonde betrieben werden. Jede Zündkerze fungiert demnach in einem Arbeitsspiel als Ionenstromsonde ohne Zündenergiefreisetzung und in dem darauf folgenden Arbeitsspiel als Zündkerze mit Zündener­ giefreisetzung. Damit wird eine Bildung von Ablagerungen, wie sie an einer ausschließlich als Ionenstromsonde genutzten Elek­ trode stattfinden kann, vermieden. Ferner kann eine Vergleichmä­ ßigung der Beanspruchung der Brennraumwände erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt im Teillastbe­ reich der Brennkraftmaschine nur in einem Teil der Arbeitsspiele eine Ionenstrommessung. Dabei kann immer dieselbe Zündkerze als Ionenstromsonde betrieben werden, so daß eine vereinfachte Aus­ wertung möglich ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Hier­ zu zeigen:
Fig. 1 in einem Ionenstrom-Zeit-Diagramm ein Ionenstromsignal an einer Zündkerze mit Zündenergiefreisetzung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 in einem Ionenstrom-Zeit-Diagramm ein Ionenstromsignal an einer von der Zündkerze mit Zündenergiefreisetzung beab­ standeten Zündkerze ohne Zündenergiefreisetzung und
Fig. 3 in einem Funktionsschaubild die Abhängigkeit der Flammge­ schwindigkeit vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum der Brennkraftmaschine.
Das veranschaulichte Verfahren eignet sich für eine Brennkraft­ maschine beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, die wenigstens einen Brennraum mit zwei darin voneinander beabstandet angeord­ neten Zündkerzen aufweist, von denen wenigstens eine zu einer Zündenergiefreisetzung aktivierbar und wenigstens eine als Ionenstromsonde betreibbar ist.
In einem Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine sind beide Zünd­ kerzen zur Zündenergiefreisetzung aktivierbar, während in einem Teillastbetrieb in jedem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine ei­ ne Zündkerze zur Zündenergiefreisetzung und eine als Ionenstrom­ sonde ohne Zündenergiefreisetzung nutzbar ist.
Der Brennkraftmaschine ist ein Motorsteuergerät zugeordnet, in welchem Informationssignale zur Last und Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine abrufbar sind. Das Motorsteuergerät bestimmt den Zündzeitpunkt jedes Brennraums der Brennkraftmaschine und steuert die Zündkerzen entsprechend an. Ferner bestimmt das Motorsteuer­ gerät die in jeden einzelnen Brennraum einzuspritzende Kraft­ stoffmenge und die einzubringende Luftmasse, wodurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den jeweiligen Brennraum festleg­ bar ist.
Der Brennkraftmaschine ist ferner ein Abgaskatalysator, insbe­ sondere ein Drei-Wege-Katalysator zugeordnet, aufgrund dessen ein Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem bestimmten, steuer­ baren Luft/Kraftstoff-Verhältnis, z. B. einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis von λ = 1, zweckmäßig ist. Auch aus an­ deren Gründen, beispielsweise aufgrund einer internen Schad­ stoffreduzierung oder aufgrund einer gezielten Qualitätsregelung der Brennkraftmaschine, kann eine möglichst genaue Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in den Brennräumen der Brennkraft­ maschine wünschenswert sein.
Die Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses λ wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt durchgeführt. Während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine wird von einer ersten, als Ionenstromsonde betriebenen Zündkerze eine Ionenstrommessung durchgeführt, durch die die Ankunft der Flammenfront des während des betreffenden Arbeitsspiels ablaufenden Verbrennungsprozesses an dieser ersten Zündkerze detektiert wird. Diese erste Zündker­ ze ist in einem definierten Abstand von einer zweiten, die Zünd­ energie zur Initialisierung des betreffenden Verbrennungsprozes­ ses freisetzenden Zündkerze angeordnet. Der zweiten Zündkerze ist somit ein Signal zu entnehmen, das den Zündzeitpunkt des im Brennraum ablaufenden Verbrennungsprozesses beschreibt, so daß aus der Differenz zwischen dem Ankunftszeitpunkt der Flammen­ front an der ersten Zündkerze und dem Zündzeitpunkt unter Be­ rücksichtigung des Zündkerzenabstandes die Flammgeschwindigkeit ermittelt werden kann. Optional kann auch an der zweiten, zünd­ energiefreisetzenden Zündkerze eine Ionenstrommessung erfolgen.
In den Fig. 1 und 2 sind in schematischen Diagrammen typische Ionenstromsignale Iz und Iu der beiden Zündkerzen dargestellt, wobei in Fig. 1 das Ionenstromsignal Iz der zweiten, zündenergie­ freisetzenden Zündkerze und in Fig. 2 das Ionenstromsignal Iu der ersten Zündkerze jeweils über die Zeitdauer t des Verbrennungs­ prozesses in dem Brennraum veranschaulicht ist. Zum Zeitpunkt t0 setzt die zweite Zündkerze die Zündenergie für den Verbrennungs­ prozeß in Form eines Zündfunkens frei, woraufhin eine für die Initialisierung des Verbrennungsprozesses kennzeichnende starke Erhöhung des Ionenstromsignals Iz an der zweiten Zündkerze regi­ strierbar ist. Nachfolgend bildet sich im Brennraum eine Flam­ menfront mit turbulenter Strömung aus, die sich durch den Brenn­ raum fortpflanzt. Dabei ändert sich die Flammgeschwindigkeit in der Anfangsphase der Verbrennung sehr stark, wobei die Verbren­ nung von laminarer zu turbulenter Strömung übergeht. Dieser Übergang verläuft relativ rasch und ist in einigem Abstand von der zweiten Zündkerze vernachlässigbar. Demnach erfaßt die er­ ste, als Ionenstromsonde dienende Zündkerze, die ohne Zündener­ giefreisetzung betrieben wird, die Ankunft der turbulenten Flam­ menfront als einen Spitzenwert P in ihrem Ionenstromsignal Iu zum Zeitpunkt t1. Die Zeitdifferenz t1-t0 zwischen dem Zündzeitpunkt t0 und dem erfaßten Ankunftszeitpunkt t1 der Flammenfront an der ersten Zündkerze stellt die Zeitdauer dar, die die Flammenfront zum Zurücklegen des Abstandes zwischen den beiden Zündkerzen be­ nötigt, so daß daraus die Flammgeschwindigkeit ermittelt werden kann.
In Fig. 3 ist der Zusammenhang v(λ) zwischen der Flammgeschwin­ digkeit v und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ der Brennraumfül­ lung für einen bestimmten Betriebspunkt um den stöchiometrischen Wert von λ1 = 1 dargestellt. Für andere Betriebspunkte der Brenn­ kraftmaschine ergeben sich veränderte, aber ähnliche Zusammen­ hänge zwischen der turbulenten Flammgeschwindigkeit v und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ, so daß ein insbesondere von der Drehzahl und der Last bzw. dem Brennraummitteldruck abhängiges Kennfeld für den Zusammenhang zwischen der turbulenten Flammge­ schwindigkeit v und dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ herstellbar ist, aus dem dann jeweils nach ermittelter Flammgeschwindigkeit das zugehörige Luft/Kraftstoff-Verhältnis entnehmbar ist.
Bei einem normalen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine er­ folgt in regelmäßigen Abständen, beispielsweise jedes zehnte Ar­ beitsspiel, ein Betrieb der ersten Zündkerze als Ionenstromson­ de, wobei mit der Zündung an dieser Zündkerze ausgesetzt wird. Alternativ kann auch in jedem Arbeitsspiel eine Zündkerze als Ionenstromsonde betrieben werden, wobei dies vorzugsweise an beiden Zündkerzen abwechselnd erfolgt. Gegenüber einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einer Entzündung des Verbrennungspro­ zesses durch beide Zündkerzen wird bei einem Arbeitsspiel, in dem unter Aussetzung der Zündenergiefreisetzung einer Zündkerze eine Ionenstrommessung durchgeführt wird, der Zündzeitpunkt in Richtung früh verstellt, so daß eine Verschiebung des Verbren­ nungsschwerpunktes und damit eine Leistungsreduzierung oder Kraftstoffverbrauchserhöhung vermieden wird.
Im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine wird eine Aussetzung der Zündenergiefreisetzung durch die erste Zündkerze beim Be­ trieb derselben als Ionenstromsonde nur noch vorgenommen, wenn und soweit trotzdem noch die gewünschte Leistung der Brennkraft­ maschine erzielt wird.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel wird auch im Teil­ lastbetrieb nur in einem Teil der Arbeitsspiele der Brennkraft­ maschine eine Ionenstrommessung durchgeführt, wobei vorzugsweise ein und dieselbe Zündkerze als Ionenstromsonde betrieben wird. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Gestaltung der Meß­ anordnung, wobei durch den intermittierenden Betrieb der ersten Zündkerze eine dauerhafte Verschmutzung derselben vermieden wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine für jeden Brenn­ raum der Brennkraftmaschine individuelle Bestimmung und Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses möglich, die dadurch besonders genau ist, daß sie für jedes Arbeitsspiel einzeln durchführbar ist. Eine Lambdasonde im Abgasstrang, die besonders in einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine nur eingeschränkt funkti­ onsfähig ist und ggf. beheizt werden muß, kann entfallen. Durch das vorgeschlagene Verfahren kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einem Brennraum ohne ein Vorheizen ab dem ersten Arbeitsspiel zuverlässig erfaßt werden. Das Verfahren eignet sich nicht für Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, bei denen die Zündenergie von Zündfunken geliefert wird, sondern auch für solche mit Selbst­ zündung, bei denen die zündenergieliefernde Zündkerze im Sinne der vorliegenden Anmeldung von einer Glühkerze gebildet wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem wenigstens zwei voneinander beabstandete Zündkerzen aufweisenden Brennraum einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - wenigstens während eines Teils der aufeinanderfolgenden Ar­ beitsspiele eine Ionenstrommessung durchgeführt wird, bei der eine erste Zündkerze als Ionenstromsonde ohne Zündenergiefrei­ setzung betrieben wird und durch die der Ankunftszeitpunkt (t1) der an einer zweiten, zündenergiefreisetzenden Zündkerze zum Zündzeitpunkt (t0) gebildeten Flammenfront an der ersten Zündker­ ze erfaßt wird und
  • - aus dem erfaßten Ankunftszeitpunkt (t1) der Flammenfront, dem Zündzeitpunkt (t0) und dem Zündkerzenabstand die Flammge­ schwindigkeit ermittelt und daraus in Abhängigkeit von Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine das Luft/Kraftstoff- Verhältnis bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem jeweiligen Arbeitsspiel mit Ionenstrommessung der Zünd­ zeitpunkt der zweiten Zündkerze gegenüber Arbeitsspielen mit ei­ ner Zündenergiefreisetzung an beiden Zündkerzen in Richtung früh verstellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbereich der Brennkraftmaschine in jedem Arbeitsspiel eine Ionenstrommessung erfolgt, wobei die Zündkerzen alternie­ rend als Ionenstromsonde betrieben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbereich der Brennkraftmaschine nur in einem Teil der Arbeitsspiele eine Ionenstrommessung erfolgt.
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