EP3303807A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

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EP3303807A1
EP3303807A1 EP16722772.7A EP16722772A EP3303807A1 EP 3303807 A1 EP3303807 A1 EP 3303807A1 EP 16722772 A EP16722772 A EP 16722772A EP 3303807 A1 EP3303807 A1 EP 3303807A1
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EP
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piston
internal combustion
combustion engine
cylinder units
cylinder
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Withdrawn
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EP16722772.7A
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English (en)
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Jochen Fuchs
Christoph Weigl
Michael Roll
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • a method for cylinder equalization in which maximum cylinder pressures in a single cylinder are determined by means of ion current measurement and average values of the maximum pressures are formed, wherein at least one cylinder is identified in dependence of a comparison between cylinder groups its operating behavior is to influence.
  • the internal combustion engine has, for example, one or more of the following measures until at least one abort criterion, i. in practice only for a short time to be set:
  • the routine starts with the nominal settings of a normal operating mode of the internal combustion engine, preferably at full engine speed, since there the ignition pressure is highest and the internal combustion engine is running close to the knock limit.
  • a normal operating mode of the internal combustion engine preferably at full engine speed, since there the ignition pressure is highest and the internal combustion engine is running close to the knock limit.
  • start routine 20 bar with p me as medium pressure (break mean effective pressure, BMEP)
  • the combustion air ratio lambda is set to 0, 01 steps reduced. Reducing the combustion air ratio lambda means enrichment of the mixture.
  • a specific cumulative ignition timing adjustment has been achieved. So be For example, with three piston-cylinder units, the ignition timing adjusted by 4 ° KW, this results in a cumulative ignition timing of 12 ° KW.
  • This abort criterion can be combined, for example, in combination with a reduction of the lambda value by a certain amount, for example 0.05.
  • the method is limited to one selection, i.
  • the detection mode could initially be performed only for a part of the piston-cylinder units or even only a piston-cylinder unit and after completion of the routine another detection mode or detection modes for start the remaining piston-cylinder units.
  • FIG. 3 shows a diagram of cylinder tip pressures of an internal combustion engine according to FIG.
  • the ignition timing of a piston-cylinder unit 2 can be determined by a corresponding control of the ignition device 5 by the control / regulating device 4.
  • the piston-cylinder units 2 also have a sensor device 3, via which knocking of the relevant piston-cylinder unit 2 can be detected.
  • the sensor device 3 may be formed, for example, as a structure-borne sound sensor. The signals detected by the sensor device 3 can be reported to the control / regulating device 4.
  • the termination criterion can be, for example, whether a certain number of piston-cylinder units 2 are already knocking.
  • the illustrated flowchart shows an embodiment of the inventive method.
  • it is not permitted that several piston-cylinder units 2 knock at the same time, but the ignition timing of the relevant piston-cylinder unit 2 is retarded immediately after the detection of knocking.
  • the routine it may nevertheless be provided that it is noted which piston-cylinder unit 2 was knocking and for which the ignition point has already been adjusted.
  • FIG. 3 shows a graph of the cylinder tip pressures of individual piston-cylinder units 2 of an internal combustion engine 1 in percent over time. In this illustration, the values are averaged over a number of combustion cycles.
  • the right side of the diagram shows the situation after carrying out the method according to the invention on the internal combustion engine.
  • the effective mean pressure P me is in this example, even after passing through the method for Klopfredumie unchanged at 20 bar.
  • the mean value of the ignition times is now 19.7 ° CA before top dead center, ie a little later than before going through the process.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (2), bevorzugt einer Vielzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten (2), wobei in einem Detektionsmodus der Brennkraftmaschine (1) eine oder mehrere klopffördernde Maßnahmen gesetzt wird bzw. werden bis sich Klopfen in wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (2) einstellt und die Maßnahme bzw. Maßnahmen weiter intensiviert werden, bis ein Abbruchkriterium erreicht wird, wobei detektiert wird, bei welcher bzw. welchen der Kolben-Zylinder-Einheiten (2) sich Klopfen eingestellt hat und wobei bei als klopfend detektierten Kolben-Zylinder-Einheiten (2) der Zündzeitpunkt für einen Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine (1) retardiert wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
Aus dem Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl von Kolben-Zylinder- Einheiten (kurz: Zylinder) ist es bekannt, dass durch verschiedene Einflussfaktoren die Zünddrücke bzw. die Mittelwerte der Zünddrücke der einzelnen Kolben-Zylinder- Einheiten voneinander abweichen. Einflussfaktoren, die zu einer solchen Variation der Zünddrücke führen, sind beispielsweise Öl- und Treibgasablagerungen im Brennraum, unterschiedliche Strömungsverhältnisse des Zylinderkopfdralls,
Zündkerzenverunreinigung, unterschiedliche Einlasstemperaturen bei einzelnen Zylindern, Fertigungstoleranzen, welche das Kompressionsverhältnis beeinflussen, Ventilspiel und Ventilspieländerungen, Unterschiede im Luftverhältnis bei einzelnen Zylindern, Druckschwingungen im Ansaugsystem, Kurbelwellenschwingungen, Nockenwellenschwingung usw.
Diese Spreizung der Zünddrücke (ausgedrückt als Zylinderspitzendruck, engl, peak firing pressure, PFP) ist unerwünscht, da sich der fahrbare Betriebspunkt des Motors im Motorkennfeld (z.B. Aussetzergrenze, Klopfgrenze, Limit durch die begrenzte Abgasturboladermaximaldrehzahl und Turbineneintrittsmaximaltemperatur) stark verschiebt. Gleichzeitig gibt es das Bestreben, eine Brennkraftmaschine möglichst nahe an einer Klopfgrenze der Kolben-Zylinder-Einheiten zu betreiben, da dies der Betriebspunkt mit dem höchsten Wirkungsgrad ist bzw. den Betriebspunkt sehr nahe an die Aussetzergrenze zu legen, um die Stickoxidemissionen zu reduzieren. Zylinder mit einem hohen Zylinderspitzendruck laufen bereits näher an der Klopfgrenze als Zylinder mit geringerem Zylinderspitzendruck, sodass eine Spreizung der Zünddrücke auch hinsichtlich des erreichbaren Wirkungsgrades unerwünscht ist.
Eine Gleichstellung der Kolben-Zylinder-Einheiten hinsichtlich ihres Spitzendrucks geschieht im Stand der Technik üblicherweise über Zylinderdrucksensoren oder alternative Sensoren, die ein für den Spitzendruck charakteristisches Signal liefern können. Beispiele dafür sind etwa Sensoren zur Messung der Brennraumtemperatur oder lonenstromsensoren.
Aus der DE 10 2004 041230 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Zylindergleichstellung bekannt, bei dem maximale Zylinderdrücke in einem einzelnen Zylinder mittels lonenstrommessung ermittelt werden und Mittelwerte der maximalen Drücke gebildet werden, wobei in Abhängigkeit eines Vergleiches zwischen Zylindergruppen mindestens ein Zylinder identifiziert wird, der in seinem Betriebsverhalten zu beeinflussen ist.
Aus der DE 19605803 A1 ist bekannt, ein lonenstromsignal dazu zu verwenden, um das Klopfen des Verbrennungsmotors zu detektieren und über eine Steuerung des Zündzeitpunkts eine entsprechende Klopfregelung darzustellen.
Aus der US 7,383,816 B2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem durch ein Vorverlegen eines Zündzeitpunktes einer ersten Untermenge von Kolben-Zylinder-Einheiten von einem Betriebszündzeitpunkt erfolgt, bis ein Klopfereignis detektiert wird, bei gleichzeitigem Betreiben der verbleibenden Kolben-Zylinder-Einheiten am Betriebszündzeitpunkt. Damit wird eine erste Klopfgrenze der ersten Untermenge von Kolben-Zylinder-Einheiten in Bezug auf eine Differenz zwischen dem Betriebszündzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt zur Zeit des Klopfereignisses festgestellt. Durch Vorverlegung der Zündfolge in einer zweiten Untermenge von Kolben-Zylinder-Einheiten von einem Betriebszündzeitpunkt bei gleichzeitigem Betreiben der verbleibenden Kolben-Zylinder-Einheiten am Betriebszündzeitpunkt wird eine zweite Klopfgrenze der zweiten Untermenge von Kolben-Zylinder-Einheiten in Bezug auf eine Differenz zwischen dem Betriebszündzeitpunkts und dem Zündzeitpunkt zur Zeit des Klopfereignisses festgestellt. Dies dient zum Zwecke der Bestimmung einer Kenngröße eines Treibstoffes, welcher den Kolben-Zylinder-Einheiten in Bezug auf die erste und zweite Klopfgrenze zugeführt wird. Durch dieses Verfahren kann die Klopffestigkeit eines der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffes bestimmt werden. Der Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine kann dann an die Klopffestigkeit des Kraftstoffs angepasst werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Verfahrens zur Zylindergleichstellung bzw. einer verbesserten Brennkraftmaschine. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Indem also in einem Detektionsmodus - vorzugsweise ausgehend von einem klopffreien Betriebszustand - der Brennkraftmaschine zum Beispiel eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen bis zum Vorliegen wenigstens eines Abbruchkriteriums, d.h. in der Praxis nur für kurze Zeit, gesetzt werden:
- Steigern einer Leistung der Brennkraftmaschine
- Vorverlegen von Zündzeitpunkten der Kolben-Zylinder-Einheiten
- Erhöhen der Temperatur eines den Kolben-Zylinder-Einheiten zugeführten Gas- Luft-Gemisches
- Erhöhen des Gasanteils eines den Kolben-Zylinder-Einheiten zugeführten Gas-
Luft-Gemisches bis sich Klopfen in wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit einstellt und die Maßnahme bzw. Maßnahmen weiter intensiviert wird bzw. werden, bis ein Abbruchkriterium erreicht wird, wobei detektiert wird, bei welchen der Kolben-Zylinder- Einheiten sich Klopfen eingestellt hat und wobei bei jenen Kolben-Zylinder-Einheiten, bei welchen Klopfen detektiert wird, der Zündzeitpunkt in einem Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine retardiert wird,
wird die mechanische Spannung auf die Brenn kraftmaschine und das damit verbundene Risiko einer Schädigung und einer Abschaltung reduziert.
Ein weiterer Vorteil sind die verlängerten Wartungsinterwalle durch geringeren Verschleiß an den Kolben-Zylinder-Einheiten.
Unter„Maßnahmen weiter intensiviert" ist zu verstehen, dass die jeweilige Maßnahme in eine das Klopfen fördernde Richtung weiter verstärkt wird. Als Beispiel dafür sei ein Verstellen eines Zündzeitpunktes zu noch früheren Zeiten genannt.
In anderen Worten wird die Brennkraftmaschine also gezielt ins Klopfen geführt. Da wie eingangs beschrieben, die einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten unterschiedlich weit entfernt von ihren individuellen Klopfgrenzen betrieben werden, führt die Maßnahme bzw. die Maßnahmen nicht zu einem plötzlichen Einsetzen von Klopfen an allen Kolben-Zylinder-Einheiten, sondern es beginnen durch Fortsetzen bzw. Weiterintensivieren der Maßnahme(n) immer weitere Kolben-Zylinder-Einheiten zu klopfen. Klopfen tritt zuerst bei jenen Kolben-Zylinder-Einheiten ein, die bei den Einstellungen vor Setzen der Maßnahme bereits näher an der Klopfgrenze lagen.
Anders gesagt beruht die Erfindung darauf, dass eine eindeutige Abhängigkeit von Klopfen und Zylinderspitzendruck gegeben ist. D.h.: Zylinder die zum Klopfen neigen haben einen höheren Zünddruck (Zylinderspitzendruck) als Zylinder, die nicht zum Klopfen neigen.
Wird als Maßnahme des Detektionsmodus ein Vorverlegen von Zündzeitpunkten der Kolben-Zylinder-Einheiten gewählt, so kann dies beispielsweise in 4° KW (Kurbelwinkel) Schritten erfolgen. Der Zündzeitpunkt (ZZP) kennzeichnet die Kurbelwellenstellung einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der der Zündfunke an der Zündkerze ausgelöst wird. Der Zündzeitpunkt wird in Grad Kurbelwinkel vor OT (oberer Totpunkt = höchste Stellung des Kolbens im Zylinder) angegeben. Es ist bekannt, dass ein Vorverlegen des ZZP (also zu einem früheren Zeitpunkt, ausgedrückt als größerer Kurbelwinkelbetrag vor OT) zu erhöhter Klopfneigung führt.
Um ein numerisches Beispiel zu nennen, kann der globale Zündzeitpunkt von ZZP 20° KW (Kurbelwinkel) auf früher, beispielsweise 24 ° KW und weiter auf 28° KW gestellt werden. Zu einer Brenn kraftmasch ine besteht meist ein frühester ZZP, vor welchen der ZZP nicht verlegt werden darf.
Nach jeder Änderung des globalen ZZP wird eine bestimmte Zeit gewartet und mit dem neu eingestellten ZZP gefahren, bis sich ein stabiler Betrieb der Brenn kraftmasch ine eingestellt hat. Diese Intervalldauer kann beispielsweise 3 Minuten betragen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Abbruchkriterium für das Setzen der Maßnahmen, das Erreichen oder das Überschreiten einer vorgegebenen Schadstoffemissionsgrenze verwendet wird. Dies kann beispielsweise die von der Brennkraftmaschine emittierte NOX-Konzentration sein.
Bei jenen Kolben-Zylinder-Einheiten, die beim Eintreten des Abbruchkriteriums Klopfen aufweisen, wird der Zündzeitpunkt in einem Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine retardiert, also zu späteren Zeiten verschoben. Durch eine Verschiebung des Zündzeitpunktes zu späteren Zeiten wird bekanntermaßen der Zünddruck gegenüber einem früheren Zündzeitpunkt verringert. Da jene Kolben- Zylinder-Einheiten, die bereits vor Ausführen des Detektionsmodus einen hohen Zünddruck aufgewiesen haben, beginnen diese Kolben-Zylinder-Einheiten beim Setzen der Maßnahmen des Detektionsmodus früher zu klopfen als Kolben-Zylinder-Einheiten mit einem geringeren Zünddruck. Somit werden durch den Detektionsmodus jene Kolben-Zylinder-Einheiten detektiert, die einen hohen Zünddruck aufweisen.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass als Abbruchkriterium das Detektieren von Klopfen von mehr als 50 % der Kolben-Zylinder-Einheiten verwendet wird.
Ein Abbruchkriterium eines Detektierens von Klopfen von mehr als 50 % der Kolben- Zylinder-Einheiten heißt nicht, dass tatsächlich mehr als 50 % Kolben-Zylinder- Einheiten im Klopfen betrieben werden. Es ist vielmehr so, dass eine ohnehin implementierte Klopfregelung bei Erkennen von Klopfen einer Kolben-Zylinder-Einheit dem Klopfen unmittelbar durch ein Spätstellen des ZZP der betreffenden Kolben- Zylinder-Einheit begegnet.
Das Abbruchkriterium ist also so zu verstehen, dass bei mehr als 50 % der Kolben- Zylinder-Einheiten beim Durchlaufen des Detektionsmodus Klopfen erkannt wurde. Es ist dies also die kumulative Anzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten der Brennkraftmaschine in %, bei denen beim Durchlaufen des Detektionsmodus Klopfen erkannt wurde. Für einen 24-Zylinder-Motor wären dies mehr als 12 Zylinder, bei denen beim Durchlaufen des Detektionsmodus Klopfen erkannt wurde. Vorzugsweise wird der Detektionsmodus nach einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden der Brennkraftmaschine entweder manuell oder automatisch wiederholt. Das Durchlaufen des Detektionsmodus erzeugt ein Zündzeitpunkt-Profil für jede individuelle Kolben-Zylinder-Einheit. Mit Zündzeitpunkt-Profil ist gemeint, dass die einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten neue Zündzeitpunkte zugewiesen bekommen.
Eine Retardierung der Zündzeitpunkte für jene Kolben-Zylinder-Einheiten, bei denen im Detektionsmodus Klopfen erkannt wurde, kann um einen fixen Betrag, beispielsweise um -3 ° KW erfolgen, oder um einen individuellen, sich aus der Klopfregelung ergebenden Wert, also aus dem eben beschrieben Zündzeitpunktprofil. Durch das Verfahren können Kolben-Zylinder-Einheiten mit einem hohen Zünddruck wirkungsvoll identifiziert und durch Retardierung des Zündzeitpunktes jener Kolben- Zylinder-Einheiten, bei denen in Detektionsmodus Klopfen detektiert wurde, deren Zünddruck für den Normalbetriebsmodus wirkungsvoll gesenkt werden. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht unter anderem in dem Verzicht auf kostspielige Sensorik, wie beispielsweise Zylinderdrucksensoren. Eine „closed loop" Regelung auf Basis der Ausgangssignale einer solchen Sensorik kann entfallen. Schutz wird auch begehrt für eine Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von Kolben- Zylinder-Einheiten, einer Sensoreinrichtung zur zylinderindividuellen Detektion von Klopfen und einer Steuer-/Regeleinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen. Beispiel:
Die Routine startet mit den Nenneinstellungen eines Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine, bevorzugt bei Motorvollast, da dort der Zünddruck am höchsten ist und die Brennkraftmaschine nahe an der Klopfgrenze läuft. Bei dem als Beispiel gewählten Motorenmodell sind dies:
- Pme,startroutine = 20 bar mit pme als Mitteldruck (engl, break mean effective pressure, BMEP)
- NOx < 500 mg/Nm3 @ 5%O2 trocken als NOx-Emission in mg/Nm3, (NOx kurz für Stickoxidemissionen)
- ZZPnenn = 20 °KW, globaler Nenn-ZZP für alle Zylinder im Normalbetriebsmodus vor Detektionsmodus
- T2'nenn = 50 °C, Gemischeinlasstemperatur oder Ladelufttemperatur in ° Celsius
- Verstellen des globalen Zündzeitpunktes in 4 ° KW -Schritten zu früheren Zündzeitpunkten, 20 ° KW -> 24 ° KW -> 28 ° KW bis der frühestmögliche Zündzeitpunkt erreicht ist. Beim vorliegenden Motorenmodell sind dies 27 ° KW.
- Warten für drei Minuten mit geänderten Parametern, bis sich ein stationärer Betriebszustand eingeregelt hat. Sollte das Vorverlegen des Zündzeitpunktes im Rahmen des für die gewählte Brennkraftmaschine zulässigen Zündzeitpunktlimits nicht zum Klopfen so vieler Kolben- Zylinder-Einheiten führen, dass das Abbruchkriterium von mehr als 50 % klopfender Kolben-Zylinder-Einheiten erreicht wird, wird das Verbrennungsluftverhältnis Lambda in 0,01 -Schritten verringert. Ein Verringern des Verbrennungsluftverhältnisses Lambda bedeutet eine Anfettung des Gemisches.
Hier geht man von Magergasmotoren aus, die bei Motorvollast in einem Lambdabereich (Kraftstoff-Luft-Verhältnis) von 1 ,6...2,2 arbeiten, bei Lambda-Eins-Motoren (stöchiometrisch) würde ein Anfetten (Lambda < 1 ,0) zu Zündaussetzern führen.
Auch nach einer Änderung von Lambda wird für eine gewisse Zeit, beispielsweise drei Minuten gewartet, bis sich ein stabiler Betriebszustand eingeregelt hat. Das Anfetten des Gemisches bewirkt, wie ein Frühverstellen der Zündzeitpunkte, ein Annähern der Brennkraftmaschine bzw. der Kolben-Zylinder-Einheiten an die Klopfgrenze. Als Abbruchkriterien für die Routine wird beispielsweise festgelegt, dass der Detektionsmodus beendet wird, wenn bei 50 % der Kolben-Zylinder-Einheiten Klopfen erkannt wurde. Sobald die Klopfregelung Klopfen einer Kolben-Zylinder-Einheit erkennt, wird der Zündzeitpunkt der jeweiligen Kolben-Zylinder-Einheit um einen bestimmten Wert, wie z.B minus 3 ° KW verstellt, also auf später gesetzt, wodurch die betreffende Kolben-Zylindereinheit nicht mehr klopft. Bei einem 24-Zylinder-Motor bedeutet das, dass 12 Zylinder einen späteren Zündzeitpunkt (die aber unter einander verschieden sein können) erhalten haben.
Ein alternatives oder zusätzliches Abbruchkriterium kann darin bestehen, dass der Zündzeitpunkt einer Kolben-Zylinder-Einheit um größer als 4 °KW von dem aktuell vorgesehenen Nennzündzeitpunkt (globaler Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine) abweicht, bevor Klopfen erreicht wird. In anderen Worten, ein Zylinder klopft sehr stark im Vergleich zu den anderen Zylindern und der Zündzeitpunkt müsste für diesen um einen großen Betrag nach spät gestellt werden. Dieses Abbruchkriterium sieht den Abbruch der Routine durch eine einzige Kolben-Zylinder-Einheit vor, die so massiv klopft, dass sie den Betrieb der gesamten Brennkraftmaschine beeinträchtigt.
Als weiteres alternatives oder zusätzliches Abbruchkriterium kann vorgesehen sein, dass eine bestimmte kumulative Zündzeitpunktverstellung erreicht wurde. Werden also beispielsweise bei drei Kolben-Zylinder-Einheiten die Zündzeitpunkte um 4 °KW verstellt, ergibt das eine kumulative Zündzeitpunktverstellung von 12 °KW. Dieses Abbruchkriterium kann beispielsweise in Kombination mit einer Verringerung des Lambda-Wertes um einen bestimmten Betrag, beispielsweise 0,05, kombiniert werden.
Alternativ kann die Routine so durchlaufen werden, dass der globale Zündzeitpunkt zum Beginn des Detektionsmodus ein um minus 0,2 °KW gegenüber dem globalen Zündzeitpunkt im Normalbetriebsmodus verstellter Zündzeitpunkt ist. Reduziert die Brennkraftmaschine im Nennbetriebspunkt bereits den Zündzeitpunkt (ZZP), so ist dies ein Indiz dafür, dass die Brennkraftmaschine gealtert ist. Je stärker der gemittelte ZZP vom Nenn-ZZP abweicht desto stärker klopft die Brennkraftmaschine im Nennbetriebspunkt und der Detektionsmodus braucht eventuell nicht mehr ausgeführt werden.
Wieder kann als Abbruchkriterium der Routine gewählt werden, dass der Detektionsmodus beendet wird, wenn 50 % der Kolben-Zylinder-Einheiten aufgrund detektierten Klopfens einen retardierten Zündzeitpunkt erhalten haben. Ein alternatives Abbruchkriterium kann darin bestehen, dass ein Zylinder um mehr als z.B. 5° KW (d.h. um einen relativ großen Wert) vom aktuell eingestellten globalen Zündzeitpunkt des Detektionsmodus abweicht. Ein Zahlenbeispiel wäre das Erreichen von 27° KW als globaler Zündzeitpunkt, wobei eine Kolben-Zylinder-Einheit 21 ° KW erreicht.
Wie oben ausgeführt, kann als weiteres Abbruchkriterium auch eine kumulative Zündzeitpunktverstellung gewählt werden. So kann eine kumulative Verstellung von drei Kolben-Zylinder-Einheiten um 4 °KW entsprechend einer kumulativen Zündzeitpunktverstellung um 12 °KW als Abbruchkriterium definiert werden. Das Abbruchkriterium der kumulativen Zündzeitpunktverstellung kann insbesondere in Kombination mit einer Erhöhung des Lambda-Wertes, beispielsweise um 0,02, während des Detektionsmodus kombiniert werden. Generell soll in der Routine eine Zündzeitpunktabweichung einzelner Kolben-Zylinder- Einheiten von der globalen Zündzeitpunktvorgabe limitiert werden. Das Zündzeitpunktprofil (Vorgabe der Zündzeitpunkte auf Basis der im Detektionsmodus vorgenommenen Zündzeitpunktanpassungen der ins Klopfen geratenen Kolben- Zylinder-Einheiten) darf nach der Routine um maximal minus 3 °KW vom Nennzündzeitpunkt abweichen. Während der Routine selbst kann diese Begrenzung freilich aufgehoben sein.
Eine Anpassung eines allenfalls vorgesehenen Emissionsreglers an die veränderten Zündzeitpunkte kann während der Routine angeschaltet - also aktiv - bleiben.
Nach Beendigung der Routine beendet die Steuerung den Detektionsmodus und kehrt auf einen Normalbetriebsmodus mit einem neuen Zündzeitpunktprofil zurück, mit den aus dem Detektionsmodus resultierenden Zündzeitpunkten.
Auch ist vorstellbar, das Verfahren nur auf eine Auswahl, d.h. eine Untergruppe von Kolben-Zylinder-Einheiten anzuwenden: dazu könnte beispielsweise der Detektionsmodus zunächst nur für einen Teil der Kolben-Zylinder-Einheiten oder sogar nur eine Kolben-Zylinder-Einheit durchgeführt werden und nach Beendigung der Routine ein weiterer Detektionsmodus bzw. weitere Detektionsmodi für die verbleibenden Kolben-Zylinder-Einheiten starten.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der Brennkraftmaschine um einen im Magerbetrieb betriebenen Otto-Gasmotor handelt, insbesondere um eine mit einem Generator zu einem Genset gekoppelte Brennkraftmaschine handelt.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine,
Fig. 2 ein Ablaufschema zu einem erfindungsgemäßen Verfahren und
Fig. 3 Diagramm von Zylinderspitzendrücken einer Brennkraftmaschine nach
Stand der Technik im Vergleich zur Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1 mit einer Vielzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten 2. Die Kolben-Zylinder-Einheiten 2 sind jeweils (der Übersichtlichkeit halber nur an einer gezeigt) mit einer Zündvorrichtung 5 ausgestattet, die mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 4 in Signalverbindung steht.
Der Zündzeitpunkt eine Kolben-Zylinder-Einheit 2 ist durch eine entsprechende Ansteuerung der Zündvorrichtung 5 durch die Steuer-/Regeleinrichtung 4 bestimmbar. Die Kolben-Zylinder-Einheiten 2 weisen auch eine Sensoreinrichtung 3 auf, über welche Klopfen der betreffenden Kolben-Zylinder-Einheit 2 detektierbar ist. Die Sensoreinrichtung 3 kann beispielsweise als Körperschallsensor ausgebildet sein. Die von der Sensoreinrichtung 3 detektierten Signale können an die Steuer- /Regeleinrichtung 4 gemeldet werden.
Weiters gezeigt ist eine Einlassleitung 6, über welche der Brennkraftmaschine 1 Kraftstoff bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführbar ist.
In der Einlassleitung 6 kann ein Ladeluftkühler 8 angeordnet sein. Stromaufwärts eines Verdichters kann ein Gasmischer 7 vorhanden sein, über welchen ein Kraftstoff-Luft- Verhältnis einstellbar ist.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufschema zu den Detektionsmodus im erfindungsgemäßen Verfahren.
Zu Beginn der Routine wird abgefragt, ob das Abbruchkriterium bereits erreicht ist. Das Abbruchkriterium kann beispielsweise sein, ob bereits eine bestimmte Anzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten 2 klopfen.
Trifft dies nicht zu, also„Nein", werden das Klopfen verstärkende Maßnahme(n) an der Brennkraftmaschine 1 gesetzt, bis sich Klopfen in wenigstens einer Kolben-Zylinder- Einheit 2 einstellt. Dabei ist freilich nicht ausgeschlossen, dass bereits eine oder mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten 2 klopfen. Wir bei einer weiteren Kolben-Zylinder- Einheit 2 Klopfen detektiert, wird dies registriert und beispielsweise in einer Liste (rechts in der Figur angedeutet) abgespeichert. In einer Liste kann zum Beispiel vermerkt werden, welche Kolben-Zylinder-Einheiten 2 und in welcher Reihenfolge diese ins Klopfen gekommen sind.
Wird kein Klopfen detektiert, wird bzw. werden die das Klopfen verstärkende Maßnahme(n) fortgesetzt bzw. verstärkt bis das Abbruchkriterium erreicht wird.
Ist das Abbruchkriterium erreicht, wird bei als klopfend detektierten Kolben-Zylinder- Einheiten 2 der Zündzeitpunkt für einen Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine 1 retardiert. Durch das Retardieren (später stellen) des Zündzeitpunkts einer Kolben- Zylinder-Einheit 2 wird diese von der Klopfgrenze wegbewegt.
Das dargestellte Ablaufdiagramm zeigt eine Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens. In einer Variante wird nicht zugelassen, dass mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten 2 gleichzeitig klopfen, sondern wird unmittelbar nach Detektieren von Klopfen der Zündzeitpunkt der betreffenden Kolben-Zylinder-Einheit 2 retardiert. In der Routine kann es dennoch vorgesehen sein, dass vermerkt wird, welche Kolben-Zylinder-Einheit 2 ins Klopfen geraten war und für welche bereits der Zündzeitpunkt verstellt wurde.
Es kann die Verstellung des Zündzeitpunktes (ZZP) also nach folgenden Optionen erfolgen:
I ) durchlaufen der Routine solange, bis eine Vielzahl von klopfenden Kolben-Zylinder- Einheiten 2 erhalten wird
a) kollektives Verstellen der ZZP nach spät um unterschiedliche Beträge oder b) kollektives Verstellen der ZZP nach spät um denselben Betrag und
Wiederholen der Routine oder bevorzugt: II) unmittelbar nach Detektion des Klopfens einer Kolben-Zylinder-Einheit 2 Verstellen des ZZP des betroffenen Kolben-Zylindereinheit 2 und Fortsetzen der Routine.
In den Varianten zu Punkt I werden also Klopfen für mehrere Kolben-Zylindereinheiten abgewartet und dann reagiert, während bei Variante II sofort reagiert wird. Natürlich ist auch eine Mischform der Varianten I und II vorstellbar, wonach Klopfen einer Untergruppe von Kolben-Zylinder-Einheiten 2 abgewartet wird und dann für diese Untergruppe der ZZP verstellt wird.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Zylinderspitzendrücke einzelner Kolben-Zylinder- Einheiten 2 einer Brennkraftmaschine 1 in Prozent über der Zeit aufgetragen. Es handelt sich in dieser Darstellung um über etliche Verbrennungszyklen gemittelte Werte.
Auf der linken Seite des Diagramms (gekennzeichnet als„Nominalbetriebspunkt" sind typische Werte für den Zylinderspitzendruck eingetragen, wie sie beim Betrieb einer Brennkraftmaschine im Stand der Technik auftreten.
Ein Mitteldruck Pme betrage beispielsweise 20 bar, der globale Zündzeitpunkt sei bei 20° KW.
Im vorliegenden Beispiel weist also die Kolben-Zylinder-Einheit mit dem Zähler 1 („Zylinder 1 ") einen mittleren Spitzendruck von 90% auf. Die Angabe in Prozent kann sich beispielsweise auf eine mechanische Auslegung der Kolben-Zylinder-Einheiten beziehen. Die Kolben-Zylinder-Einheit mit dem Zähler i („Zylinder i") hingegen weist einen mittleren Spitzendruck von 120% auf.
Die Spreizung des Zylinderspitzendruckes, das heißt die Differenz des Spitzendruckes der am stärksten belasteten Kolben-Zylinder-Einheit zum Spitzendruckes der am geringsten belasteten Kolben-Zylinder-Einheit ist mit Δρχ gekennzeichnet. Im Nominalbetriebspunkt beträgt die Spreizung Δρχ ca. 120 - 90 = 30 %.
Ebenfalls hervorgehoben sind die Kolben-Zylinder-Einheiten mit hohen gemittelten Spitzendrücken. Diese neigen zum Klopfen.
Die rechte Seite des Diagramms zeigt die Situation nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an der Brennkraftmaschine. Der effektive Mitteldruck Pme liegt in diesem Beispiel auch nach Durchlaufen des Verfahrens zur Klopfreduktion unverändert bei 20 bar.
Der Mittelwert der Zündzeitpunkte liegt nun bei 19,7°KW vor dem oberen Totpunkt, also etwas später als vor Durchlaufen des Verfahrens.
Man erkennt deutlich, dass die Spreizung Apy, d. h. die Differenz von höchstem mittleren Spitzendruck zu kleinstem mittleren Spitzendruck deutlich gegenüber der Spreizung Δρχ vor Durchlaufen des Verfahrens verringert wurde.
Ebenfalls deutlich gesenkt wurden die absoluten Werte des Spitzendruckes jener Zylinder, die zuvor einen übermäßig hohen mittleren Spitzendruck aufwiesen. Liste der verwendeten Bezugszeichen:
1 Brennkraftmaschine
2 Kolben-Zylinder-Einheit
3 Sensoreinrichtung
4 Steuer-/Regeleinrichtung
5 Zündeinrichtung
6 Einlassleitung
7 Gasmischer
8 Ladeluftkühler
KW Kurbelwinkel
Δρχ Spreizung der Zylinderspitzendrücke vor Durchlaufen des
Verfahrens
Apy Spreizung der Zylinderspitzendrücke nach Durchlaufen des
Verfahrens
Pme effektiver Mitteldruck (engl, mean effective pressure)

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1 ) mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (2), bevorzugt einer Vielzahl von Kolben-Zylinder- Einheiten (2), wobei in einem Detektionsmodus der Brennkraftmaschine (1 ) eine oder mehrere klopffördernde Maßnahmen gesetzt wird bzw. werden bis sich Klopfen in wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (2) einstellt und die Maßnahme bzw. Maßnahmen weiter intensiviert werden, bis ein Abbruchkriterium erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass detektiert wird, bei welcher bzw. welchen der Kolben-Zylinder-Einheiten (2) sich Klopfen eingestellt hat und wobei bei als klopfend detektierten Kolben-Zylinder-Einheiten (2) der Zündzeitpunkt für einen Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine (1 ) retardiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Detektionsmodus von einem klopffreien Betriebszustand ausgeht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die klopffördernden Maßnahmen eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen umfassen:
- Steigern einer Leistung der Brennkraftmaschine (1 )
- Vorverlegen von Zündzeitpunkten der Kolben-Zylinder-Einheiten (2)
- Erhöhen der Temperatur eines den Kolben-Zylinder-Einheiten (2) zugeführten Gas-Luft-Gemisches
- Erhöhen des Gasanteils eines den Kolben-Zylinder-Einheiten zugeführten Gas-Luft-Gemisches
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Abbruchkriterium das Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Schadstoffemissionsgrenze verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei als Abbruchkriterium das Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen NOx-Emission verwendet wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Abbruchkriterium das Detektieren von Klopfen von mehr als 50 % der Kolben- Zylinder-Einheiten verwendet wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Detektionsmodus nach einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden der Brennkraftmaschine (1 ) wiederholt wird.
8. Brennkraftmaschine (1 ) mit einer Vielzahl von Kolben-Zylinder-Einheiten, einer Sensoreinrichtung (3) zur zylinderindividuellen Detektion von Klopfen und einer Steuer-/Regeleinrichtung (4), die dazu ausgebildet ist, eine oder mehrere klopffördernde Maßnahmen zu setzen bis sich Klopfen in wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (2) einstellt und die Maßnahme bzw. Maßnahmen weiter zu intensivieren, bis ein Abbruchkriterium erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regeleinrichtung (4) detektiert, bei welcher bzw. welchen der Kolben-Zylinder-Einheiten (2) sich Klopfen eingestellt hat und wobei die Steuer- /Regeleinrichtung (4) bei als klopfend detektierten Kolben-Zylinder-Einheiten (2) den Zündzeitpunkt für einen Normalbetriebsmodus der Brennkraftmaschine (1 ) retardiert.
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