EP3143267A2 - Motorüberwachung mittels zylinderindividueller drucksensoren vorzüglich bei magergasmotoren mit gespülter vorkammer - Google Patents

Motorüberwachung mittels zylinderindividueller drucksensoren vorzüglich bei magergasmotoren mit gespülter vorkammer

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EP3143267A2
EP3143267A2 EP15725990.4A EP15725990A EP3143267A2 EP 3143267 A2 EP3143267 A2 EP 3143267A2 EP 15725990 A EP15725990 A EP 15725990A EP 3143267 A2 EP3143267 A2 EP 3143267A2
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EP
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chamber
pressure
engine
cylinder
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15725990.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Kunkel
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Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine having at least one cylinder, in particular for operating a gas engine, preferably a lean gas engine.
  • the mixture is enriched in an antechamber.
  • additional fuel gas is introduced into the prechamber via a gas injection valve.
  • a stable ignition of the prechamber charge is guaranteed.
  • conventional technology e.g. open candle or by means of unsprayed
  • Prechamber candle can not inflame such air conditions.
  • the volume of purged atria is in the range of 0.5 to 4% of the compression volume. Thanks to this technology, the engine can be relieved thermally, except for the area in the prechamber, due to the high combustion air ratio and the efficiency-optimal burn-through. Furthermore, due to the high removability, very low nitrogen oxide emissions as well as an extension of the knock limits can be represented.
  • Main combustion chamber Thus lean mixtures can be safely ignited even in large combustion chambers.
  • the prechamber is usually purged during the charge exchange with fuel gas.
  • fresh gas also enters the antechamber so that at the time of ignition there is a near-stoichiometric mixture which can be ignited even more reliably and which leads to a more intensive pre-combustion of the combustion chamber with ignition jets penetrating deeper into the main combustion chamber.
  • the object can be achieved in a method for operating an internal combustion engine having at least one cylinder, in particular a gas engine, preferably a lean-burn gas engine, by providing an antechamber for igniting a mixture in a main chamber, the pressure profile being from a pressure sensor in the main chamber is determined depending on a desired power and / or a desired torque and / or a desired speed of the internal combustion engine, the supplied amount of fuel in the pre-chamber and / or in the main chamber preferably cylinder-individually using the pressure sensor or controlled ,
  • load changes can be using a sensor that detects the pressure curve in the cylinder as a function of the crank angle of the combustion process and thus the power output of the individual cylinder are computationally detected. For example, increases the separately measured speed, the fuel gas supply can be reduced in the intake of the cylinder, so as to keep the speed constant.
  • the cylinders can use a so-called
  • Cylinder pressure indexing which is used to detect the internal pressure prevailing in the cylinder as a function of crankshaft angle or the time, the cylinders are compared with each other, for example, to detect errors or adjust the fuel supply cylinder individually so that the combustion process is operated in each cylinder in the optimum range. For this purpose, calculated from the cylinder pressure variables such as the focus of combustion and / or the
  • Pre-chamber gas valves possible.
  • Pre-chamber gas valves may have other manufacturing tolerances or Eindüsmasse, since these are corrected. This results
  • Equal precombustion combustion ensures that each cylinder has a similar to the same combustion and thus the overall engine is operated efficiency-optimal.
  • equality can take place via the valve-individual gas pressure; in the case of electrically actuated valves, equality can preferably take place via actuation duration and the gas pressure.
  • the antechamber is rinsed at each cycle and for igniting a fuel, preferably gas, in the antechamber via a Prechamber valve is introduced.
  • a fuel preferably gas
  • the reliable ignition of the charge in the antechamber can also be monitored safely by means of cylinder pressure indication.
  • the ignition in the antechamber is recognizable by a peak in the ascending branch of the pressure curve, but in particular also of the heating or combustion process.
  • This pressure profile is linked via known formulas with the amount of heat released by the combustion.
  • the amount of fuel injected via the prechamber valve can be used for so-called equalization of the cylinders.
  • an indexing quartz, a pressure sensor with strain gauge technology or an optical sensor be used as the pressure sensor
  • Pressure sensor is used, which with optical measuring methods (for example by means of
  • Laser interference works.
  • other parameters such as the exhaust gas temperature at the cylinder outlet or by evaluating and comparing the rotational irregularity with a setpoint, it can be determined whether the combustion in a cylinder actually deviates from the remaining cylinders. It can thereby also be recognized, for example, whether the cylinder pressure sensor of the relevant cylinder is defective.
  • the pressure curve preferably the combustion or heating course, on appearance of a leveling peak in the rising branch of the pressure curve, preferably the firing or
  • Heat history is evaluated, this is an indication that the pre-chamber ignition is done.
  • the pre-chamber ignition is done.
  • this signal can advantageously be used for a known methane number to determine the distance from a knock threshold and / or for a prediction serve a knock behavior. This information can then be processed by the controller so that such operating conditions are avoided.
  • an adaptive feedforward control and / or a regulation of an air ratio can also advantageously take place in such a way that no knocking occurs. Especially when increasing the load, this value can be used with a defined
  • quartz defect in particular in the case of piezoresistive sensors, if an integration of the pressure signal takes place. If the slope at the end of the integrated signal is not horizontal or zero, this can be an indication of a defect in the sensor or the engine or corresponding measurement technology does not work properly.
  • Methane number of the fuel gas can be determined as needed and used to control, for example, the maximum enrichment for transient processes for improved pre-control of the transient process. In applications where the methane number can suddenly change, such as mobile stationary power generation or
  • Methane number determination carried out as soon as possible after engine start. It is also possible, with knowledge of this methane number, to determine a knocking distance as a temperature difference in the unburnt state without having to start up motor knocking. A check of the fuel-compatible engine operation, ie compliance with the minimum methane number, can thus be determined.
  • transient engine operation which is optimized by Gemischanfettung in the main combustion chamber, can be controlled very quickly to this knock limit if necessary. With some safety distance, without the engine must be driven directly into the knock and the knock control must intervene. Thus, the engine damaging knocking can be minimized.
  • the emission values of the internal combustion engine can be reduced, or maximize the efficiency of the entire engine, if equalization of multiple cylinders by adjusting or equalizing an air ratio on the Vorschgasventil in the pre-chamber.
  • the method provides in a further embodiment, that a self-test of the engine and / or the pressure crystals by comparing a SumAb360 course or
  • an indicated mean pressure is determined from the pressure curve and, taking into account a predetermined friction power, an effective power of the internal combustion engine is calculated and a control, preferably for the implementation of protective measures, is provided.
  • the effective power of the engine can be determined in a very good approximation. With additional measurement or derivation of the effective engine power, this value can also be used to assess the mechanical or tribological state of the engine and, if necessary.
  • Countermeasures or protective measures are taken by the control unit.
  • Figure 2 is a schematic view of the cylinder head according to viewing direction II-II in
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 3 shows a typical heating curve of a cylinder pressure indexing
  • Figure 4 shows the course of the integrated heating process
  • FIG. 5 shows the typical course of a temperature measurement in the unburned over the
  • Figure 1 is an example of a vertical section through a cylinder of a
  • Figure 2 shows a schematic view of
  • the air-gas mixture 3 of a gas engine is burned in a main chamber 4.
  • the outer lower boundary of the main chamber 4 forms the cylinder 1, the side walls are formed by the cylinder sleeve 23 enclosing the cylinder and the cylinder head 24 (FIG. 2) closes the main chamber upwards.
  • the cylinder head 24 (FIG. 2) closes the main chamber upwards.
  • the main chamber 4 flows a mixture of air and gas through the intake pipes 25 under control of intake valves 27. After ignition and combustion, the exhaust gas, controlled by the exhaust valves 28, then leaves the combustion chamber 4 through the exhaust pipes 26 (FIG. 2).
  • the ignition device 29 shown in Figure 1 with its pre-chamber 5 is injected into the prechamber 5 for igniting by injecting a 30 as a pre-chamber valve 10 for igniting regularly.
  • the introduction of the gas into the pre-chamber is preferably carried out at a gas pressure level of up to 10 bar in the charge cycle UT. Also a high pressure gas injection in the
  • ignition jets 31 leave the ignition openings 32 of the antechamber 5.
  • the ignition jets ignite in the main chamber 4 then the compressed mixture 3 located there.
  • a pressure sensor 7 for monitoring the main chamber 4, which measures the pressure profile 6 as a function of the crank angle 8 is arranged in the cylinder head.
  • Pressure sensor 7 is an indexing quartz 1 1 is used, which measures the pressure profile 6 shown in Figure 3 as a function of the crank angle KW and as a signal to
  • FIG. 3 shows such a typified heating process or heat release process 6, which is obtained from the pressure curve by means of a heat history analysis. Clearly visible in the ascending branch 13 of the heating curve 6, a leveling tip 12 can be seen, which is due to the ignition in the antechamber. From the position of the level peak 12 to the maximum pressure 33 can be on the dynamics of the
  • the heating curve 6 corresponds to the amount of heat dQ resulting from the combustion.
  • the graph shown in FIG. 4 represents the integral of the heating curve shown in FIG. 3 with the crank angle.
  • FIG. 5 shows the temperature profile in the unburned from the two-zone model.
  • the temperature of the unburned Tu By a horizontal line 36, the temperature of the knock threshold is indicated.
  • the maximum of the measured temperature 37 keeps this knock threshold 36 at a distance 14. From this, the control can close to the inherent reserves of the combustion process and / or avoid knocking conditions.
  • the control unit determines the knock distance as
  • Temperature difference or takes a value from a previous determination, which is determined by a targeted start of the knock limit or a value corresponding to one of the control set methane number.
  • the controller then causes the enrichment of the mixture to the knock limit. This corresponds to the maximum permissible temperature in unburned. In this way, the best response of the Achieve engine on load jump requirements.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer über wenigstens einen Zylinder verfügenden Brennkraftmaschine, insbesondere ein Gasmotor, vorzugsweise ein Magergasmotor. Zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses wird vorgeschlagen, dass zur Zündung eines Gemisches in einer Hauptkammer eine Vorkammer vorgesehen ist, wobei Druckverlauf von einem Drucksensor in der Hauptkammer in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels ermittelt wird und wobei in Abhängigkeit einer gewünschten Leistung und/oder eines gewünschten Drehmoments und/oder einer gewünschten Drehzahl der Brennkraftmaschine die zugeführte Menge an Brennstoff zylinderindividuell mithilfe einer Brennstoffdosiereinrichtung und des Drucksensors gesteuert oder geregelt wird.

Description

BESCHREIBUNG Motorüberwachung mittels zylinderindividueller Drucksensoren vorzüglich bei Magergasmotoren mit gespülter Vorkammer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer über wenigstens einen Zylinder verfügenden Brennkraftmaschine, insbesondere zum Betreiben eines Gasmotors, vorzugsweise eines Magergasmotors.
Im Markt befindliche Motoren mit Bohrungsdurchmessern von mehr als etwa 250 mm werden in erster Linie wegen der weiten Flammwege mit einer so genannten gespülten Vorkammer betrieben, um das homogene Gemisch möglichst schnell und somit
wirkungsgradoptimal zu entflammen. Auch bei kleineren Bohrungsdurchmessern setzt sich diese Technologie zunehmend durch. Zur Verbesserung der Entflammungsbedingungen an der Zündkerze wird das Gemisch in einer Vorkammer angefettet. Dazu wird über ein Gaseinblaseventil zusätzliches Brenngas in die Vorkammer eingebracht. Somit ist eine stabile Entflammung der Vorkammerladung gewährleistet. Die aus der Vorkammer austretenden Fackelstrahlen ermöglichen eine sichere Entflammung der
Hauptbrennraumladung bis hin zu Verbrennungsluftverhältnissen von etwa 2,7, wobei der typische Betriebsbereich bei einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa 2 liegt. Mit konventioneller Technologie, wie z.B. offene Kerze oder mittels ungespülter
Vorkammerkerze lassen sich solche Luftverhältnisse nicht entflammen. Das Volumen von gespülten Vorkammern liegt im Bereich von 0,5 bis 4 % des Kompressions volumens. Durch diese Technologie kann auf Grund des hohen Verbrennungsluftverhältnisses und des wirkungsgradoptimalen Durchbrands der Motor, bis auf den Bereich in der Vorkammer, thermisch entlastet werden. Weiter lassen sich durch die starke Abmagerbarkeit sehr niedrige Stickoxidemissionen, sowie eine Erweiterung der Klopfgrenzen darstellen.
Durch die Verwendung geteilter Brennräume erfolgt eine Entkopplung der lokalen
Strömungsverhältnisse um die Zündkerze von der turbulenten Ladungsbewegung im
Hauptbrennraum. Damit können magere Gemische auch in großen Brennräumen sicher gezündet werden. Man unterscheidet zwischen ungespülten und gespülten Vorkammern. Hierbei wird die Vorkammer in der Regel während des Ladungswechsels mit Brenngas gespült. Während des Kompressionstakts gelangt zusätzlich Frischgas in die Vorkammer, sodass zum Zündzeitpunkt ein nahstöchiometrisches Gemisch vorliegt, das noch sicherer gezündet werden kann und das zu einer intensiveren Vorkammerverbrennung mit tiefer in den Hauptbrennraum eindringenden Zündstrahlen führt.
Aufgrund der hohen Temperaturen bei der stöchiometrischen Verbrennung tritt in der Vorkammer eine erhöhte Stickoxidbildung auf. Dies wird jedoch durch die
Magerverbrennung im Hauptbrennraum und die damit verbundene geringe NOx-Bildung kompensiert. Global betrachtet sind bei gut abgestimmten Kammergeometrien bzw. - volumina geringere Stickoxid- Werte möglich als bei Motoren mit ungeteiltem Brennraum. Eine noch stärkere Abmagerung der Hauptladung wäre durch eine weitere Vergrößerung des Vorkammervolumens möglich. Allerdings wird dann der Emissionsvorteil der
Magerverbrennung durch die erhöhte Stickoxidbildung in der Vorkammer wieder reduziert.
Es besteht auch weiterhin ein dringendes Bedürfnis, die Emissionen von
Brennkraftmaschinen zu senken und eine schnelle und präzise Anpassung der abgegebenen Leistung an die Lastanforderungen zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zum Betreiben einer über wenigstens einen Zylinder verfügenden Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Gasmotor, vorzugsweise einem Magergasmotor, dadurch, dass zur Zündung eines Gemisches in einer Hauptkammer eine Vorkammer vorgesehen ist, wobei Druckverlauf von einem Drucksensor in der Hauptkammer in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels ermittelt wird und wobei in Abhängigkeit einer gewünschten Leistung und/oder eines gewünschten Drehmoments und/oder einer gewünschten Drehzahl der Brennkraftmaschine die zugeführte Menge an Brennstoff in die Vorkammer und/oder in die Hauptkammer bevorzugt zylinderindividuell mithilfe des Drucksensors gesteuert oder geregelt wird. Bei Laständerungen kann mithilfe einer Sensorik, die den Druckverlauf im Zylinder erfasst in Abhängigkeit der Kurbelwinkels der Verbrennungsverlauf und damit auch die Leistungsabgabe des einzelnen Zylinders rechnerisch erfasst werden. Steigt beispielsweise die getrennt gemessene Drehzahl kann die Brenngaszufuhr in die Ansaugleitung des Zylinders vermindert werden, um so die Drehzahl konstant zu halten.
Bei mehr als einem Zylinder können die Zylinder mithilfe einer sogenannten
Zylinderdruckindizierung, die zur Erfassung des im Zylinder herrschenden Innendrucks in Abhängigkeit von Kurbelwellenwinkel oder der Zeit dient, die Zylinder miteinander verglichen werden, um beispielsweise Fehler zu erkennen oder die Brennstoffzufuhr zylinderindividuell so einzustellen, dass der Verbrennungsprozess in jedem Zylinder im optimalen Bereich betrieben wird. Dazu können rechnerisch aus dem Zylinderdruck ermittelte Größen wie beispielsweise der Verbrennungsschwerpunkt und/oder der
Mitteldruck verwendet werden.
Mit Vorteil läßt sich eine Gleichstellung der Verbrennung in der Vorkammer durch
Auswertung eines Umsatzpeaks, welcher durch die Vorkammerverbrennung im
Hauptbrennraum entsteht, erreichen. Zudem ist eine Überwachung der
Vorkammergasventile möglich. Vorkammergasventile können andere Fertigungstoleranzen bzw. Eindüsmasse aufweisen, da diese ausgeregelt werden. Dadurch ergeben sich
Kostenvorteile in der Fertigung. Bei gleichgestellter Vorkammerverbrennung wird gewährleistet, dass jeder Zylinder eine ähnliche bis gleiche Verbrennung aufweist und somit der Gesamtmotor wirkungsgradoptimal betrieben wird. Bei mechanischen Ventilen kann die Gleichstellung über den Ventilindividuellen Gasdruck erfolgen, bei elektrisch angesteuerten Ventilen kann die Gleichstellung vorzugsweise über Ansteuerdauer und den Gasdruck erfolgen.
Durch die Regelung des Vorkammergasventiles kann die Gleichstellung über die Messung des durch die Vorkammervebrennung entstehenden Umsatzpeaks und seiner Einstellung auf einen Sollpeak erfolgen.
In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Vorkammer bei jedem Zyklus gespült wird und zum Zünden ein Brennstoff, vorzugsweise Gas, in die Vorkammer über ein Vorkammerventil eingebracht wird. Auch die sichere Zündung der Ladung in der Vorkammer kann mithilfe der Zylinderdruckindizierung sicher überwacht werden. Die Zündung in der Vorkammer ist durch eine Spitze im aufsteigenden Ast des Druckverlaufs, insbesondere aber auch des Heiz- bzw. Brennverlaufes erkennbar. Dieser Druckverlauf ist über bekannte Formeln mit der durch die Verbrennung freigesetzten Wärmemenge verknüpft. Die Menge des über das Vorkammerventil injizierten Brennstoffs kann zur sogenannten Gleichstellung der Zylinder herangezogen werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass als Drucksensor ein Indizierquarz, ein Drucksensor mit Dehnmessstreifentechnologie oder ein optischer
Drucksensor verwendet wird, welcher mit optischen Messmethoden (z.B. mittels
Laserinterferenz) arbeitet. Insbesondere in Verbindung mit weiteren Messgrößen, wie beispielsweise die Abgastemperatur beim Zylinderauslass oder mittels Auswertung und Vergleich der Drehungleichförmigkeit mit einem Sollwert, kann ermittelt werden, ob die Verbrennung in einem Zylinder tatsächlich von den restlichen Zylindern abweicht. Es kann dadurch auch beispielsweise erkannt werden, ob der Zylinderdrucksensor des betreffenden Zylinders defekt ist.
Wenn der Druckverlauf, vorzugsweise der Brenn- bzw. Heizverlauf, auf Erscheinen einer Verlaufsspitze im ansteigenden Ast des Druckverlaufs , vorzugsweise der Brenn- bzw.
Heizverlauf, ausgewertet wird, ist dies ein Hinweis darauf, dass die Vorkammerzündung erfolgt ist. Darüber hinaus können mithilfe einer Zylinderdruckindizierung die
Überwachung verbrennungstechnischer, zyklusbasierter Grenzen wie etwa Klopfen oder ein Aussetzerbetrieb sowie die Optimierung über mehrere Zyklen und die Überwachung und Reaktion auf schwankende Gasqualität ermöglicht werden. Diese Informationen werden auch zur Gleichstellung der Zylinder herangezogen.
Dadurch, dass die Temperatur im Unverbrannten Bereich eines bekannten und häufig verwendeten Zwei-Zonen-Modells mittels vorzugsweise einer Druckverlaufsanalyse rechnerisch ermittelt wird, kann dieses Signal bei bekannter Methanzahl mit Vorteil zu einer Bestimmung des Abstandes von einer Klopfschwelle genutzt werden und/oder zu einer Voraussage eines Klopfverhaltens dienen. Diese Information kann dann von der Steuerung so weiterverarbeitet werden, dass derartige Betriebszustände vermieden werden. So können auch mit Vorteil eine adaptiven Vorsteuerung und/oder eine Regelung eines Luftverhältnisses in der Weise erfolgen, dass kein Klopfen auftritt. Insbesondere bei Erhöhung der Last kann dieser Wert dazu genutzt werden, mit einem definierten
Klopfabstand den Brennraum soweit anzufetten, dass sich maximale Lastaufschaltung ohne klopfenden Betrieb bzw. ohne Eingriff der Klopfregelung ergibt.
Alternativ oder ergänzend kann auch adaptiv eine Steuerung oder Regelung eines
Zündzeitpunktes erfolgen. Dasselbe gilt für die Ausgestaltung des Verfahrens, dass eine adaptive Vorsteuerung und/oder eine Regelung eines eingebrachten Volumens des Vorkammergasventils erfolgen.
Mit Vorteil lässt sich auch ein Quarzdefekt, insbesondere bei piezoresitiven Sensoren detektieren, wenn eine Integration des Drucksignals erfolgt. Ist die Steigung am Ende des integrierten Signals nicht horizontal bzw. null, kann dies ein Hinweis auf einen Defekt des Sensors sein oder der Motor bzw. entsprechende Messtechnik funktionieren nicht ordnungsgemäß.
Durch eine Teilung des Brennraumes für die Druckverlaufsanalyse in zwei Zonen, nämlich der verbrannten und der unverbrannten Zone und die Temperatur, die in der unverbrannten Zone errechnet wird, lassen sich weitere Zustandsgrößen ermitteln. Beispielsweise ist es möglich, die Methanzahl, welche sich in der Regel nur sehr langsam im Betrieb ändert, des Brenngases zu bestimmen, indem die Klopfgrenze angefahren wird und diese mit einem hinterlegten Kennfeld verglichen wird. So kann ergänzend zum Vorgenannten die
Methanzahl des Brenngases nach Bedarf bestimmt werden und zur Regelung beispielsweise der maximalen Anfettung für Transient Vorgänge für eine verbesserte Vorsteuerung des Transientprozesses genutzt werden. Bei Anwendungen, bei denen sich schlagartig die Methanzahl ändern kann, beispielsweise mobile stationäre Stromerzeugung oder
Anwendungen, bei denen Tankvorgänge stattfinden, wird besonders bevorzugt eine
Methanzahlbestimmung möglichst direkt nach Motorstart durchgeführt. Weiter ist es möglich, mit Kenntnis dieser Methanzahl einen Klopfabstand als Temperaturdifferenz im Unverbrannten zu ermitteln ohne motorisches Klopfen anfahren zu müssen. Auch eine Überprüfung des betriebsstoffkonformen Motorbetriebs, d.h. Einhaltung der minimalen Methanzahl, kann somit ermittelt werden. Im transienten Motorbetrieb, welcher durch Gemischanfettung im Hauptbrennraum optimiert wird, kann sehr schnell auf diese Klopfgrenze ggfs. mit etwas Sicherheitsabstand geregelt werden, ohne dass der Motor direkt ins Klopfen gefahren werden muss und die Klopfregelung eingreifen muss. Damit kann der motorschädigende Klopfbetrieb minimiert werden.
Die Emissionswerte der Brennkraftmaschine lassen sich verringern, bzw. der Wirkungsgrad des Gesamtmotors maximieren, wenn eine Gleichstellung von mehreren Zylindern durch ein Einstellen bzw. Gleichstellen eines Luftverhältnisses über das Vorkammergasventil in der Vorkammer erfolgt.
Mit Vorteil sieht das Verfahren in weiterer Ausgestaltung vor, dass eine Selbstprüfung des Motors und/oder der Druckquarze durch Vergleich eines Summenheiz Verlaufs bzw.
Summenbrennverlaufes mit einem vorgegebenen Wert erfolgt. Somit können Abweichungen zwischen einzelnen Zylindern detektiert werden. Insbesondere bezüglich Luftaufwand und korrekt funktionierendem Ventiltrieb bzw. Zylinderkopf können, im Brennverlauf gleichgestelle Zylinder, bezüglich Ihrer Füllung verglichen werden, da Unterschiede in der umgesetzten Kraftstoffmasse, dies entspricht der Endsumme im Summenbrennverlauf, auch auf Unterschiede im Luftaufwand hindeuten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass aus dem Druckverlauf ein indizierter Mitteldruck ermittelt wird und unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Reibleistung eine effektive Leistung der Brennkraftmaschine errechnet wird und einer Steuerung, vorzugsweise zur Vornahme von Schutzmaßnahmen, zur Verfügung gestellt wird. Mithilfe des indizierten Mitteldruckes und Kenntnis der bei mechanisch bzw.
tribologisch korrekt funktionierendem Motor bekannten Reibleistung, kann die effektive Leistung des Motors in sehr guter Näherung ermittelt werden. Bei zusätzlicher Messung bzw. Herleitung der effektiven Motorleistung, kann dieser Wert auch zur Beurteilung des mechanischen bzw. tribologischen Zustandes des Motors verwendet werden und ggfs.
Gegenmaßnahmen oder Schutzmaßnahmen seitens des Steuergerätes vorgenommen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft an Hand einer Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen: Figur 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Zylinder,
Figur 2 eine schematische Ansicht des Zylinderkopfes gemäß Blickrichtung II-II in
Figur 1,
Figur 3 einen typisierten Heizverlauf einer Zylinderdruckindizierung,
Figur 4 den Verlauf des integrierten Heizverlaufes und
Figur 5 den typisierten Verlauf einer Temperaturmessung im Unverbrannten über den
Kurbelwinkel aufgetragen. In Figur 1 ist exemplarisch ein Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer
Brennkraftmaschine dargestellt. Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht des
Zylinderkopfes gemäß Blickrichtung II-II in Figur 1.
Das Luft-Gasgemisch 3 eines Gasmotors wird in einer Hauptkammer 4 verbrannt. Die äußere untere Begrenzung der Hauptkammer 4 bildet der Zylinder 1, die Seitenwände werden durch die den Zylinder umschließe Zylinderbuchse 23 gebildet und der Zylinderkopf 24 (Figur 2) schließt die Hauptkammer nach oben hin ab. In diesen Brennraum der
Hauptkammer 4 strömt gesteuert von Einlassventilen 27 ein Gemisch aus Luft und Gas durch die Einlassrohre 25. Nach der Zündung und Verbrennung verlässt das Abgas gesteuert durch die Auslassventile 28 den Brennraum 4 dann durch die Auslassrohre 26 (Figur 2).
Zur Zündung des Gemisches dient die in Figur 1 dargestellte Zündeinrichtung 29 mit ihrer Vorkammer 5, in die durch ein Eindüseventil 30 als Vorkammerventil 10 zum Zünden regelmäßig ein Injektionsvolumen in die Vorkammer 5 zum Zünden injiziert wird. Die Einbringung des Gases in die Vorkammer erfolgt bevorzugt bei einem Gasdruckniveau von bis zu 10 bar im Ladungswechsel-UT. Auch eine Hochdruckgaseindüsung im
Verdichtungstakt mit Drücken bis zu 300bar ist möglich.
Sobald das Gasgemisch in der Vorkammer 5 gezündet hat verlassen Zündstrahlen 31 die Zündöffnungen 32 der Vorkammer 5. Die Zündstrahlen zünden In der Hauptkammer 4 dann das dort befindliche und komprimierte Gemisch 3.
Im Zylinderkopf ist zusätzlich ein Drucksensor 7 zur Überwachung der Hauptkammer 4 angeordnet, der den Druckverlauf 6 in Abhängigkeit des Kurbelwinkels 8 misst. Als Drucksensor 7 kommt ein Indizierquarz 1 1 zum Einsatz, der den in Figur 3 dargestellten Druckverlauf 6 in Abhängigkeit des Kurbelwinkels KW misst und als Signal zur
Auswertung einer nicht dargestellten Steuerung zugeleitet. In Figur 3 ist ein solcher typisierter Heizverlauf oder auch Wärmefreisetzungsverlauf 6 dargestellt, welcher mittels Heizverlaufsanalyse aus dem Druckverlauf gewonnen wird. Deutlich erkennbar ist in dem aufsteigenden Ast 13 des Heizverlaufes 6 eine Verlaufsspitze 12 erkennbar, die auf die Zündung in der Vorkammer zurückzuführen ist. Aus der Lage der Verlaufsspitze 12 zum Druckmaximum 33 lässt sich auf die Dynamik des
Verbrennungsvorganges in der Hauptkammer 4 zurückschließen. Der Heizverlauf 6 entspricht der durch die Verbrennung entstehende Wärmemenge dQ.
Der in Figur 4 gezeigte Graf stellt das Integral des in Figur 3 dargestellten Heizverlaufes über den Kurbelwinkel dar. Es entspricht somit der insgesamt abgegebenen bzw.
entstandenen Wärmemenge einer einzelnen Zündung. Der Verbrennungsverlauf ist abgeschlossen, sobald der Summenbrenn verlauf 34 horizontal ausläuft. Erreicht der
Summenbrenn verlauf 34 am Ende keine horizontalen Auslauf sondern die in unterbrochener Linienführung dargestellten Verläufe 35, so ist daraus zu schließen, dass der Drucksensor 7 bzw. das Indizierquarz 11 defekt ist bzw. ein andere Mangel am Motor vorliegt. Diese Artefakte 35 sind in unterbrochener Linienführung Figur 4 gezeichnet.
Figur 5 zeigt den Temperaturverlauf im Unverbrannten aus dem Zwei-Zonen-Modell. Die Temperatur des Unverbrannten Tu. Durch eine horizontale Linie 36 ist die Temperatur der Klopfschwelle angedeutet. Das Maximum der gemessenen Temperatur 37 hält zu dieser Klopfschwelle 36 einen Abstand 14. Daraus kann die Steuerung auf die inhärenten Reserven des Verbrennungsprozesses schließen und/oder Klopfzustände vermeiden.
Sobald vom Betreiber oder vom Generator eine Lastsprunganforderung an den Motor oder an das Steuergerät gemeldet wird, ermittelt das Steuergerät den Klopfabstand als
Temperaturdifferenz, bzw. nimmt einen Wert aus einer vorangegangenen Ermittelung, welche über ein gezieltes Anfahren der Klopfgrenze ermittelt wird oder einen Wert, der einer der Steuerung vorgegeben Methanzahl entspricht. Die Steuerung veranlasst dann die Anfettung des Gemisches bis an die Klopfgrenze. Dies entspricht der maximal zulässigen Temperatur im Unverbrannten. Auf diese Weise lässt sich das Beste Ansprechverhalten des Motors auf Lastsprunganforderungen erzielen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer über wenigstens einen Zylinder verfügenden
Brennkraftmaschine, insbesondere ein Gasmotor, vorzugsweise ein Magergasmotor, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Zündung eines Gemisches in einer Hauptkammer eine Vorkammer vorgesehen ist, wobei Druckverlauf von einem Drucksensor in der Hauptkammer in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels ermittelt wird und wobei in Abhängigkeit einer gewünschten Leistung und/oder eines gewünschten Drehmoments und/oder einer gewünschten Drehzahl der Brennkraftmaschine die zugeführte Menge an Brennstoff in die Vorkammer und/oder in die Hauptkammer bevorzugt zylinderindividuell mithilfe des Drucksensors gesteuert oder geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer bei jedem Zyklus gespült wird und zum Zünden ein Brennstoff, vorzugsweise Gas, in die Vorkammer über ein Vorkammerventil eingebracht wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Drucksensor ein Indizierquarz, ein Sensor mit Dehnmessstreifentechnologie oder ein optischer Sensor verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckverlauf, vorzugsweise des Heiz- bzw.
Brennverlaufes, auf Erscheinen einer Verlaufsspitze im ansteigenden Ast des
Druckverlaufs, vorzugsweise des Heiz- bzw. Brennverlaufes, ausgewertet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur im Unverbrannten Bereich eines Zwei- Zobnen-Modells ermittelt wird zu einer Bestimmung eines Abstandes von einer
Klopfschwelle und/oder einer Voraussage eines Klopfverhaltens.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptiven Vorsteuerung und/oder einer Regelung eines Luftverhältnisses erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptiven Vorsteuerung und/oder einer Regelung eines Zündzeitpunktes erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptiven Vorsteuerung und/oder einer Regelung eines eingebrachten Volumens des Vorkammergasventils.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Integration des Drucksignals zur Erkennung eines Quarzdefektes, insbesondere bei piezoresistiven Sensoren, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass für eine Druckverlaufsanalyse eine Teilung des
Brennraumes in zwei Zonen, nämlich in eine unverbrannte und eine verbrannte Zone, erfolgt und die Temperatur in der unverbrannten Zone zur Herleitung des in dem
Betriebspunkt zyklusaktuellen Klopfabstandes verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichstellung von mehreren Zylindern durch ein Einstellen eines Luftverhältnisses über das Vorkammergasventil in der Vorkammer erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Selbstprüfung des Motors und/oder der Druckquarze erfolgt durch Vergleich eines Summenheizverlaufs mit einem vorgegebenen Wert. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Druckverlauf ein indizierter Mitteldruck ermittelt wird und unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Reibleistung eine effektive Leistung der Brennkraftmaschine errechnet wird und einer Steuerung, vorzugsweise zur Vornahme von Schutzmaßnahmen, zur Verfügung gestellt wird.
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