EP3714149A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mit wenigstens einem brennraum und brennkraftmaschine zur durchführung eines solchen verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mit wenigstens einem brennraum und brennkraftmaschine zur durchführung eines solchen verfahrens

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Publication number
EP3714149A1
EP3714149A1 EP18807915.6A EP18807915A EP3714149A1 EP 3714149 A1 EP3714149 A1 EP 3714149A1 EP 18807915 A EP18807915 A EP 18807915A EP 3714149 A1 EP3714149 A1 EP 3714149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound signal
signal
borne sound
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18807915.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Frank
Thorsten Konrad
Aron Toth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Friedrichshafen GmbH filed Critical MTU Friedrichshafen GmbH
Publication of EP3714149A1 publication Critical patent/EP3714149A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/15—Digital data processing
    • F02P5/152—Digital data processing dependent on pinking
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/027—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using knock sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/22—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines
    • G01L23/221—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine and to an internal combustion engine which is set up to operate with such a method.
  • an internal combustion engine in which combustion chambers of the internal combustion engine are monitored for knock events, with an injection start and thus a time of ignition for a cylinder for which a knock event is detected, is gradually retarded until no more knocking occurs in the cylinder. It is also known in principle to determine such knock events from structure-borne sound signals, which can be detected in particular with knock sensors. However, during operation of an internal combustion engine, interference signals in the form of structure-borne sound vibrations which do not originate in knocking events arise. For example, in the upper ignition dead center of an internal combustion engine designed as a reciprocating engine, system changes of the individual pistons occur if, on the one hand, they are acted upon by the load change in the connecting rod piston connection and, on the other hand, by the combustion chamber pressure. Such plant changes lead to
  • Structure-borne sound vibrations and, as a consequence, structure-borne sound signals which can be detected, in particular, by structure-borne noise sensors, such as knock sensors, which lie within a temporal measurement window of the knock control.
  • structure-borne noise sensors such as knock sensors
  • These interference signals can therefore not be separated from knocking events with respect to their temporal occurrence.
  • the noise can contain the same frequency components as generated by knocking events
  • the invention is based on the object, a method for operating a
  • the object is achieved in particular by a method for operating a
  • Internal combustion engine which has at least one combustion chamber, wherein for the at least one combustion chamber during operation of the internal combustion engine, a structure-borne sound signal is detected time-dependent.
  • a structure-borne sound signal is detected time-dependent.
  • a predetermined - in particular temporal - measuring window is at least one evaluation variable - in particular no signal amplitude of
  • Structure-borne sound signal is - determined from the detected structure-borne sound signal, in particular calculated, wherein the at least one evaluation variable with at least one predetermined
  • Comparison size is compared, from which at least one comparison result is obtained.
  • the structure-borne noise signal is assigned either a knock event in the combustion chamber or an interference signal.
  • This procedure is based on the finding that, for example, interference signals generated in the measurement window by system change can be separated from knock events by importing a metric which is applied to a determination variable determined from the structure-borne sound signal. By comparing the evaluation variable with the comparison variable, a metric is created which makes it possible to distinguish knock events from interference signals.
  • the structure-borne sound signal is detected as a function of time implies that this is recorded explicitly as a function of time. Additionally or alternatively, it is also possible that the structure-borne noise signal in dependence on a crankshaft angle, ie in degrees
  • crankshaft angle (° CA) is detected. It is also possible that the structure-borne sound signal initially with explicit time dependence - in particular with a certain resolution - recorded, and then, speed-dependent, in a dependent on the crankshaft angle
  • Structure-borne noise signal is converted or transformed. There is a clear relationship between the time on the one hand and the crankshaft angle on the other hand about the instantaneous speed.
  • the structure-borne sound signal is detected only in the predetermined measurement window. But it is also possible that the structure-borne noise signal continuously detected, and only within the predetermined measurement window - at least with regard to a possible knock event - is evaluated.
  • the predetermined measurement window is preferably defined by a specific one
  • Crankshaft angle range which preferably includes the upper ignition dead center (ignition TDC).
  • ignition TDC ignition dead center
  • the predetermined measuring window - expressed in degrees crankshaft angle - from 25 ° CA before the ignition TDC to 55 ° CA after the ignition TDC, ie from -25 ° CA to +55 ° CA extends when the Ignition OT is set by convention at 0 ° CA, wherein the predetermined measurement window preferably from -20 ° CA to +50 ° CA,
  • the at least one evaluation variable is only detected from the at least one evaluation variable
  • Structure-borne noise signal determined when it exceeds a predetermined limit amplitude maximum, ie a predetermined level, with a maximum within the predetermined measurement window.
  • This limit amplitude maximum is preferably chosen so that a knocking event can be excluded, at least with great certainty, if the limit amplitude maximum is not exceeded. It then requires no further evaluation of the structure-borne sound signal, so that the associated computation time and thus the
  • the structure-borne sound signal within the predetermined measurement window exceeds the predetermined limit amplitude value, wherein the further method steps are only performed if this is actually the case. It has also been shown that the predetermined limit amplitude value as such is insufficient to reliably separate knock events from interference signals. It is possible for a plurality of evaluation variables to be determined from the recorded structure-borne sound signal. The different evaluation variables are then preferably used to distinguish between knock events and interference signals, with a predetermined comparison variable being particularly preferably provided for each evaluation variable, each one being provided
  • Evaluation size is compared with their respective assigned predetermined comparison variable. There will then be obtained as many comparison results as evaluation sizes are used.
  • the decision as to whether a knock event or an interference signal is present is then preferably made in the sense of a majority decision. A knocking event is therefore recognized when the majority of the comparison results suggest it, the
  • Knock prevention measure is performed when the structure-borne sound signal
  • Tapping event is assigned. Conversely, no knock prevention measure is preferably performed if the structure-borne sound signal is assigned an interference signal. In this way, the unnecessary and harmful to the efficiency of the internal combustion engine initiating a knock prevention measure is suppressed when the structure-borne sound signal is assigned an interference signal.
  • Knlopverhi the degree of the efficiency of the internal combustion engine initiating a knock prevention measure is suppressed when the structure-borne sound signal is assigned an interference signal.
  • Ignition timing in particular an injection timing and / or an ignition timing, for the at least one combustion chamber late, so closer to the upper ignition dead center, adjusted. In this way, a knock in the at least one combustion chamber can be reduced, whereby the internal combustion engine is spared.
  • the time of ignition can be re-adjusted early if knock events no longer occur.
  • the structure-borne noise signal is detected by means of a knock sensor.
  • Knock sensors have proven to be extremely rugged and durable, as well as cost effective. It is possible that each combustion chamber of the
  • Internal combustion engine has only one knock sensor for all combustion chambers, or that the internal combustion engine has separate knock sensors for different combustion chamber groups, for example, a knock sensor for each cylinder bank.
  • the structure-borne sound signal is detected by means of a combustion chamber pressure sensor.
  • a combustion chamber pressure sensor In particular, if the internal combustion engine anyway
  • Combustion chamber pressure sensor has, for example, for a pressure indication in the at least one combustion chamber, this can be used advantageously for detecting the structure-borne noise signal.
  • an energy quantity of the structure-borne sound signal in the predetermined measurement window is determined as the evaluation variable.
  • An energy quantity is understood to mean a quantity that is characteristic of the energy contained in the structure-borne sound signal within the predetermined measurement window.
  • a temporal length of a signal curve profile of the structure-borne sound signal in the predetermined measurement window is preferably determined as the evaluation variable. Under a waveform curve of the structure-borne sound signal is thereby the course of a certain starting value to a certain end value within the predetermined
  • Measurement window understood, wherein the specific start value and the determined end value are selected so that a peak or a peak of the structure-borne sound signal in the interval between the determined start value and the determined end value.
  • the signal curve profile is considered in particular on the basis of a first signal threshold value of the structure-borne sound signal up to a second signal threshold, the time length between a time index value assigned to the first signal threshold value and a time index value assigned to the second signal threshold value being calculated.
  • Noise signal is detected when the time length is shorter than this predetermined length value. In this way, the proportion of false-positive detected knock signals can be significantly reduced starting from a comparison state without performing the method.
  • a signal form variable of the structure-borne sound signal in the predetermined measurement window is determined as the evaluation variable.
  • the waveform size is in particular characteristic of a Lorm of the waveform curve of the
  • At least two of the evaluation variables for example the
  • a knocking event is particularly preferably recognized when the comparison results associated with the two evaluation variables speak for a knock event, wherein an interference signal is detected if only one of the two comparison results is detected or no comparison result for a knocking event speaks / speak. It is also possible to use all the evaluation quantities cumulatively. The accuracy of the method can be further increased by linking the evaluation variables.
  • a threshold value is used as a comparison variable, wherein a knock event in the combustion chamber is assigned to the structure-borne sound signal if the evaluation variable is greater than the threshold value and an acoustic signal is assigned to the structure-borne sound signal if the evaluation variable is smaller than the threshold value.
  • Structure-borne noise signal are provided. As previously stated, it is preferred to use various metrics that are used cumulatively to discriminate knock events on the one hand and noise signals on the other hand.
  • the comparative size is preferably determined in test bench tests. It is in
  • Test bench tests make it possible to differentiate a knocking combustion from an interference signal in various ways, so that it is possible to create frequency distributions, in particular in the form of histograms, of knock events on the one hand and interference signals on the other hand for evaluation variables, in which case the frequency distributions of interference signals on the one hand and knocking events on the other hand
  • a suitable benchmark on the scale of the evaluation size can be set to ensure the safest possible distinction.
  • the energy quantity is determined by the structure-borne noise signal - possibly only in the predetermined measurement window - is squared, wherein the squared structure-borne sound signal is integrated over the predetermined measurement window. In this way, a measurement number is obtained, which is in any case characteristic of the energy contained in the structure-borne sound signal.
  • the temporal length of the signal curve profile is preferably determined in the following manner:
  • the structure-borne sound signal is - possibly only within the measurement window - squared, wherein the squared structure-borne sound signal with a maximum (peak value) of the squared
  • Structure-borne noise signal is normalized within the predetermined measurement window. This happens in particular in that the maximum of the squared structure-borne sound signal is determined within the predetermined measurement window, and that thereafter the squared structure-borne sound signal in total, ie at each point of the signal curve, is divided by the determined maximum of the squared structure-borne sound signal. Thus, all squared structure-borne noise signals are normalized to a maximum value of 1.
  • a first time-index value is determined in the measurement window at a first signal threshold value, a second-temporally later-time-index value being determined at a second signal threshold value.
  • the first signal threshold and the second signal threshold are preferably defined as percentage thresholds from the maximum of the squared signal waveform. It is possible for the first signal threshold and the second signal threshold to be set equal. However, it is also possible that different values for the first signal threshold on the one hand and the second signal threshold on the other hand are used.
  • the first time-index value used is the time or the crankshaft angle at which the first signal threshold is reached for the first time-before passing through the maximum-where the second time-index value is the time or crankshaft angle at which the second signal threshold-after passing through of
  • the temporal length is the difference between the second time-index value and the first time-index value.
  • the time length is preferably calculated in ° KW. If the time index values are recorded as times, because the structure-borne sound signal is also explicitly detected as a function of time, the time length is preferably calculated by multiplying the difference of the time index values by the temporal resolution of the detection of the structure-borne sound signal in ° CA - in particular depending on a current speed of the internal combustion engine ,
  • the signal form size is preferably determined as follows:
  • the structure-borne sound signal is squared, possibly only in the predetermined measurement window. The squared
  • Structure-borne sound signal is normalized with the maximum (peak value) of the squared structure-borne sound signal within the predetermined measurement window.
  • the normalization takes place as explained for the determination of the time length.
  • the normalized, squared structure-borne sound signal is integrated over the predetermined measurement window.
  • the waveform size is obtained as a measure that is characteristic of the waveform.
  • the signal form size is formed analogously to the energy quantity except for normalization.
  • the structure-borne sound signal is filtered before squaring, in particular both when determining the energy quantity and when determining the time length of the signal curve profile and also when determining the signal shape size.
  • the internal combustion engine has, in particular, a control unit which is set up to carry out the method. It is possible that a separate control unit for
  • the method is particularly preferably implemented in a central control unit, in particular an engine control unit of the internal combustion engine (ECU).
  • ECU internal combustion engine
  • the control unit are preferably predetermined comparison variables as
  • Threshold values are stored, which have been determined in particular in test bench tests.
  • the internal combustion engine preferably has at least one knock sensor, which is set up to detect structure-borne sound signals, wherein the knock sensor is also operatively connected to the control unit for transmitting structure-borne sound signals detected by the knock sensor to the control unit.
  • the internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. It is possible that the internal combustion engine is arranged to drive a passenger car, a truck or a commercial vehicle. In a preferred embodiment, the internal combustion engine is the drive in particular heavy land or water vehicles, such as mine vehicles, trains, the internal combustion engine in a
  • Locomotive or a railcar is used, or by ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank.
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, for stationary power supply in emergency operation, Permanent load operation or peak load operation used, the internal combustion engine in this case preferably drives a generator. Also a stationary application of
  • Internal combustion engine for driving auxiliary equipment, such as fire pumps on oil rigs is possible. Furthermore, an application of the internal combustion engine in the field of promoting fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas, possible. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator.
  • the internal combustion engine is preferably as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or other suitable gas, or as a dual-fuel engine, in particular as a dual-fuel engine, in particular for use with gasoline and diesel and / or gas and diesel, trained.
  • the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is for use in one
  • Cogeneration plant suitable for stationary power generation.
  • the invention also includes a computer program product which has instructions on the basis of which a method or a method according to the invention is carried out according to one of the embodiments described above, when the computer program product runs on a computing device, in particular a control unit of an internal combustion engine.
  • the invention also includes a data carrier, which is such
  • Computer program product has, or on the one such
  • Embodiment of the method is preferably characterized by at least one step, which is due to at least one feature of a fiction, contemporary or preferred embodiment of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is preferably characterized by at least one feature, which is due to at least one step of an inventive or preferred embodiment of the method.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to the drawing.
  • the single FIGURE shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine, which is adapted to carry out an embodiment of a method for operating the same.
  • the internal combustion engine 1 which is adapted to carry out a method described in more detail below for the operation thereof.
  • the internal combustion engine 1 has at least one combustion chamber 3, which can be repeated here on the one hand by a cylinder wall 5 and on the other hand within the cylinder wall 5 and relative to the cylinder wall 5
  • the internal combustion engine 1 is thus preferred as
  • combustion chambers 3 it preferably has a plurality of combustion chambers 3.
  • the internal combustion engine it is possible for the internal combustion engine to have four, six, eight, ten, twelve, fourteen, sixteen, eighteen or twenty combustion chambers 3. But there are also other and / or larger combustion chamber numbers possible.
  • the combustion chamber 3 here is assigned a knock sensor 9, which is set up to detect structure-borne sound signals. It is possible that each combustion chamber 3 of the internal combustion engine 1 is assigned in each case such a knock sensor 9. But it is also possible that the internal combustion engine
  • I has less knock sensors 9 as combustion chambers 3, in particular, they can only one
  • knock sensor 9 or different knock sensors 9, which are each assigned to different combustion chamber groups, for example, per cylinder bank of the internal combustion engine 1, a knock sensor. 9
  • the knock sensor 9 is operatively connected to a control unit 11 so that structure-borne noise signals detected by the knock sensor 9 can be processed in the control unit 11.
  • the control unit 11 The control unit
  • I I is in turn here with a firing device 13 operatively connected, so that a
  • Ignition point that is, the beginning of a chemical combustion reaction in the combustion chamber 3, mediated by the controller 11 can be specified via the ignition device 13.
  • the ignition device 13 may be a
  • Fuel injector in particular an ignition oil injector, a spark plug, or another suitable means for setting an ignition timing act.
  • Combustion chamber 3 is detected.
  • Combustion chamber 3 associated, predetermined, time measurement window in terms of the occurrence of a knock event are evaluated. It turns out that interference signals, for example, due to a system change of the piston 7 on the cylinder wall 5, when exceeding a certain level, in particular a limit amplitude value, falsely as knock signals, ie on a knock event resulting structure-borne noise signals can be identified. In the process, such interference signals can neither be separated in time nor in the frequency spectrum of knocking events.
  • a structure-borne sound signal is detected for the combustion chamber 3 during operation of the internal combustion engine 1 by the knock sensor 9, at least one Evaluation variable determined from the detected knock signal, in particular is calculated.
  • the at least one evaluation variable is then at least one predetermined
  • the predetermined comparison variable is preferably stored firmly in the control unit 11.
  • a separate predetermined comparison quantity is stored for each evaluation variable used in the context of the method.
  • Comparison variables are particularly preferably determined in advance in bench tests, it being possible in test bench tests to distinguish knock events by different measurements and / or criteria from interference signals. From the comparison of the evaluation variable with the comparison variable, at least one comparison result is obtained, and based on the
  • Comparison result is assigned to the structure-borne sound signal, a knock event in the combustion chamber 3 or an interference signal.
  • a metric is provided by means of which it is possible to distinguish between knock events on the one hand and interference signals on the other.
  • a plurality of evaluation quantities are determined, wherein each
  • the decision as to whether a knocking event or an interference signal is present is then preferably made in the sense of a majority decision, with a knocking event being recognized in particular when a majority of the comparison results indicate this. If, on the other hand, the majority of the comparison results point to an interference signal, or if the same number of comparison results in favor of a knocking event as in favor of an interference signal, it is preferable to decide on an interference signal.
  • a knocking event is assigned to the body sound signal, it is preferred that at least one knock prevention measure be carried out, in particular by the control unit 11.
  • a time of ignition in the combustion chamber 3 is particularly preferably by suitable
  • Control of the ignition device 13 is retarded.
  • an energy quantity and / or a signal shape size and / or a temporal length of a signal curve profile of the structure-borne sound signal in the predetermined measurement window is / are preferably determined.
  • a threshold value is preferably used, wherein the
  • Structure-borne sound signal is assigned a knock event when the evaluation size is greater than the comparison variable, wherein the structure-borne sound signal, an interference signal is assigned, if the evaluation size is smaller than the comparison value.
  • the energy quantity is preferably determined by the structure-borne sound signal is squared, wherein the squared structure-borne sound signal is integrated over the predetermined measurement window.
  • the temporal length of the waveform curve is preferably determined by the
  • Structure-borne noise signal is squared, wherein the squared structure-borne sound signal is normalized with a maximum of the squared structure-borne sound signal within the predetermined measurement window.
  • a first time index value at a first signal threshold value and a second time index value at a second signal threshold value are determined in the measurement window, the time length then being calculated as the difference between the second time index value and the first time index value.
  • the signal form size is preferably determined by the structure-borne sound signal is squared, wherein the squared structure-borne sound signal having a maximum of the squared
  • Structure-borne sound signal is normalized in the predetermined measurement window, and wherein the normalized and squared structure-borne sound signal is integrated over the predetermined measurement window.
  • the structure-borne sound signal is filtered prior to squaring.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (3), wobei für den wenigstens einen Brennraum (3) im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) ein Körperschallsignal zeitabhängig erfasst wird, wobei in einem vorbestimmten Messfenster wenigstens eine Bewertungsgröße aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt wird, wobei die wenigstens eine Bewertungsgröße mit wenigstens einer vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen wird, woraus wenigstens ein Vergleichsergebnis erhalten wird, und wobei anhand des Vergleichsergebnisses dem Körperschallsignal ein Klopfereignis in dem Brennraum (3) oder ein Störsignal zugeordnet wird.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist, um mit einem solchen Verfahren betrieben zu werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 215 924 Al geht ein Verfahren zum
Betreiben einer Brennkraftmaschine hervor, bei welchem Brennräume der Brennkraftmaschine auf Klopfereignisse hin überwacht werden, wobei ein Einspritzbeginn und damit auch ein Entflammungszeitpunkt für einen Zylinder, für den ein Klopfereignis festgestellt wird, schrittweise nach spät verstellt wird, bis kein Klopfen mehr in dem Zylinder auftritt. Es ist auch grundsätzlich bekannt, solche Klopfereignisse aus Körperschallsignalen zu ermitteln, die insbesondere mit Klopfsensoren erfasst werden können. Es entstehen allerdings beim Betrieb einer Brennkraftmaschine auch Störsignale in Form von Körperschallschwingungen, die nicht auf Klopfereignisse zurückgehen. Beispielsweise kommt es im oberen Zünd-Totpunkt einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine zu Anlagenwechseln der einzelnen Kolben, wenn diese einerseits durch den Lastwechsel in der Verbindung Pleuel-Kolben und andererseits durch den Brennraumdruck beaufschlagt werden. Solche Anlagenwechsel führen zu
Körperschallschwingungen und in der Folge zu insbesondere durch Körperschallsensoren wie beispielsweise Klopfsensoren erfassbare Körperschallsignalen, die innerhalb eines zeitlichen Messfensters der Klopfregelung liegen. Diese Störsignale lassen sich also bezüglich ihres zeitlichen Auftretens nicht von Klopfereignissen separieren. Hinzu kommt, dass die Störsignale gleiche Frequenzanteile enthalten können wie durch Klopfereignisse erzeugte
Körperschallsignale, sodass auch keine Frequenzfilterung zur Diskriminierung der verschiedenen Signale in Frage kommt. Übersteigen die Störsignale einen bestimmten Pegel, werden sie somit fälschlicherweise als Klopfen interpretiert, wobei dann Maßnahmen zur Verhinderung des Klopfens durch die Klopfregelung ergriffen werden. Dies hat negative Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine: Zum einen wird deren Wirkungsgrad abgesenkt, zum anderen verringert die eingeleiteten Gegenmaßen nicht die auftretende Störung, sodass die Regelung letztlich in ihren Anschlag läuft und im schlimmsten Fall die Brennkraftmaschine durch einen Notstopp abstellt, um den vermeintlichen Schutz derselben zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, wobei für den wenigstens einen Brennraum im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Körperschallsignal zeitabhängig erfasst wird. In einem vorbestimmten - insbesondere zeitlichen - Messfenster wird wenigstens eine Bewertungsgröße - die insbesondere keine Signalamplitude des
Körperschallsignals ist - aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt, insbesondere berechnet, wobei die wenigstens eine Bewertungsgröße mit wenigstens einer vorbestimmten
Vergleichsgröße verglichen wird, woraus wenigstens ein Vergleichsergebnis erhalten wird. Anhand des Vergleichsergebnisses wird dem Körperschallsignal entweder ein Klopfereignis in dem Brennraum oder ein Störsignal zugeordnet. Dieser Vorgehens weise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise in dem Messfenster durch Anlagenwechsel erzeugte Störsignale von Klopfereignissen durch Einfuhren einer Metrik separiert werden können, welche auf eine aus dem Körperschallsignal ermittelte Bewertungsgröße angewandt wird. Durch den Vergleich der Bewertungsgröße mit der Vergleichsgröße wird eine Metrik geschaffen, die es erlaubt, Klopfereignisse von Störsignalen zu unterscheiden. Es ist somit möglich, den relativen Anteil der falsch-positiv erkannten Klopfereignisse deutlich zu reduzieren, oder sogar falsch-positiv erkannte Klopfereignisse zu vermeiden, wodurch der Betrieb der Brennkraftmaschine insgesamt effizienter und wirtschaftlicher, der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Ergebnis erhöht wird, und Notstopp-Ereignisse vermieden werden.
Dass das Körperschallsignal zeitabhängig erfasst wird, schließt ein, dass dieses explizit in Abhängigkeit der Zeit erfasst wird. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass das Körperschallsignal in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel, also in Grad
Kurbelwellenwinkel (°KW) erfasst wird. Es ist auch möglich, dass das Körperschallsignal zunächst mit expliziter Zeitabhängigkeit - insbesondere mit einer bestimmten Auflösung - erfasst, und dann, drehzahlabhängig, in ein von dem Kurbel wellen winkel abhängiges
Körperschallsignal umgerechnet oder transformiert wird. Über die momentane Drehzahl besteht dabei eine eindeutige Abhängigkeit zwischen der Zeit einerseits und dem Kurbelwellenwinkel andererseits.
Es ist möglich, dass das Körperschallsignal nur in dem vorbestimmten Messfenster erfasst wird. Es ist aber auch möglich, dass das Körperschallsignal fortwährend erfasst, und nur innerhalb des vorbestimmten Messfensters - jedenfalls in Hinblick auf ein mögliches Klopfereignis - ausgewertet wird.
Das vorbestimmte Messfenster ist vorzugsweise definiert durch einen bestimmten
Kurbelwellenwinkel-Bereich, der vorzugsweise den oberen Zünd-Totpunkt (Zünd-OT) umfasst. Insbesondere ist es möglich, dass sich das vorbestimmte Messfenster - ausgedrückt in Grad Kurbelwellenwinkel - von 25 °KW vor dem Zünd-OT bis 55 °KW nach dem Zünd-OT, also von -25 °KW bis +55 °KW erstreckt, wenn der Zünd-OT per Konvention auf 0 °KW festgelegt wird, wobei sich das vorbestimmte Messfenster vorzugsweise von -20 °KW bis +50 °KW,
vorzugsweise von -15 °KW bis +45 °KW, vorzugsweise von -10 °KW bis +40 °KW, vorzugsweise von -5 °KW bis +35 °KW, vorzugsweise von -2 °KW bis +30 °KW, vorzugsweise von -1 °KW bis +25 °KW erstreckt.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine Bewertungsgröße nur dann aus dem erfassten
Körperschallsignal ermittelt, wenn dieses mit einem Maximum innerhalb des vorbestimmten Messfensters ein vorbestimmtes Grenz-Amplitudenmaximum, mithin einen vorbestimmten Pegel, überschreitet. Dieses Grenz-Amplitudenmaximum ist bevorzugt so gewählt, dass ein Klopfereignis zumindest mit hoher Sicherheit ausgeschlossen werden kann, wenn das Grenz- Amplitudenmaximum nicht überschritten wird. Es bedarf dann keiner weiteren Auswertung des Körperschallsignals, sodass die hiermit verbundene Rechenzeit und damit auch die
entsprechenden Kosten eingespart werden können. Es wird also bevorzugt zunächst geprüft, ob das Körperschallsignal innerhalb des vorbestimmten Messfensters den vorbestimmten Grenz- Amplitudenwert übersteigt, wobei die weiteren Verfahrensschritte nur dann durchgeführt werden, wenn dies tatsächlich der Fall ist. Es hat sich insoweit auch gezeigt, dass der vorbestimmte Grenz- Amplituden wert als solcher nicht ausreicht, um Klopfereignisse sicher von Störsignalen zu separieren. Es ist möglich, dass eine Mehrzahl von Bewertungsgrößen aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt wird. Bevorzugt werden dann die verschiedenen Bewertungsgrößen zur Unterscheidung zwischen Klopfereignisse und Störsignalen herangezogen, wobei besonders bevorzugt für jede Bewertungsgröße eine vorbestimmte Vergleichsgröße vorgesehen ist, wobei jede
Bewertungsgröße mit der ihr jeweils zugeordneten vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen wird. Es werden dann so viele Vergleichsergebnisse erhalten, wie Bewertungsgrößen verwendet werden. Die Entscheidung, ob ein Klopfereignis oder ein Störsignal vorliegt, wird dann vorzugsweise im Sinne einer Mehrheitsentscheidung getroffen. Ein Klopfereignis wird demnach dann erkannt, wenn die Mehrzahl der Vergleichsergebnisse hierauf hindeutet, wobei die
Minderheit der Vergleichsergebnisse für ein Störsignal spricht. Umgekehrt wird ein Störsignal erkannt, wenn die Mehrheit der Vergleichsergebnisse hierauf hinweist, wobei die Minderheit der Vergleichsergebnisse für ein Klopfereignis charakteristisch ist. Auf diese Weise kann die Sicherheit der Unterscheidung zwischen Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits weiter gesteigert werden, wobei insbesondere auch der Anteil falsch-positiv erkannter Klopfsignale reduziert wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine
Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt wird, wenn dem Körperschallsignal ein
Klopfereignis zugeordnet wird. Umgekehrt wird bevorzugt keine Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt, wenn dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird. Auf diese Weise wird das unnötige und für den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine schädliche Einleiten einer Klopfverhinderungsmaßnahme unterbunden, wenn dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird. Als Klopfverhinderungsmaßnahme wird bevorzugt ein
Entflammungszeitpunkt, insbesondere ein Einspritzzeitpunkt und/oder ein Zündzeitpunkt, für den wenigstens einen Brennraum nach spät, also näher an den oberen Zünd-Totpunkt heran, verstellt. Auf diese Weise kann ein Klopfen in dem wenigstens einen Brennraum verringert werden, wodurch die Brennkraftmaschine geschont wird. Der Entflammungszeitpunkt kann wieder nach früh verstellt werden, wenn keine Klopfereignisse mehr auftreten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Körperschallsignal mittels eines Klopfsensors erfasst wird. Klopfsensoren haben sich als äußerst robust und langlebig sowie außerdem kostengünstig erwiesen. Es ist möglich, dass jedem Brennraum der
Brennkraftmaschine - sofern diese eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist - ein separater Klopfsensor zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass mehreren Brennräumen der
Brennkraftmaschine ein gemeinsamer Klopfsensor zugeordnet ist, wobei dies ohne weiteres deswegen möglich ist, weil die verschiedenen vorbestimmten Messfenster für die verschiedenen Brennräume zeitlich auseinanderfallen. Insbesondere ist es möglich, dass die
Brennkraftmaschine insgesamt nur einen Klopfsensor für alle Brennräume aufweist, oder dass die Brennkraftmaschine separate Klopfsensoren für verschiedene Brennraumgruppen aufweist, beispielsweise für jede Zylinderbank jeweils einen Klopfsensor.
Alternativ ist es auch möglich, dass das Körperschallsignal mittels eines Brennraumdrucksensors erfasst wird. Insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine ohnehin einen
Brennraumdrucksensor aufweist, beispielsweise für eine Druckindizierung in dem wenigstens einen Brennraum, kann dieser vorteilhaft zur Erfassung des Körperschallsignals mitverwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Bewertungsgröße eine Energiegröße des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt wird. Unter einer Energiegröße wird dabei eine Größe verstanden, die charakteristisch ist für die in dem Körperschallsignal innerhalb des vorbestimmten Messfensters enthaltene Energie. Insoweit hat sich herausgestellt, dass Klopfereignisse einerseits und Störsignale - insbesondere durch Anlagenwechsel eines Kolbens erzeugte Störsignale - andererseits auf der Energieskala jedenfalls so weit voneinander separieren, dass eine Unterscheidung anhand einer Energiegröße möglich ist. Dabei weisen auf Klopfereignisse zurückgehende Körperschallsignale
typischerweise eine höhere Energie auf als Störsignale. Bildet man statistische Häufigkeiten von Klopf ereignissen einerseits und Störsignalen andererseits über der Energieskala ab, zeigt sich, dass jedenfalls die Maxima der beiden Verteilungskurven deutlich voneinander getrennt sind. Somit ist es möglich, als vorbestimmte Vergleichsgröße einen Wert der Energiegröße festzulegen, oberhalb von dem das Körperschallsignal mit hoher Wahrscheinlichkeit durch ein Klopfereignis verursacht ist, wobei unterhalb dieses Werts dem Körperschallsignal mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Störsignal zugeordnet werden kann. Mittels dieser Vorgehens weise kann der Anteil an falsch-positiv erkannten Klopfereignissen ausgehend von einem Vergleichszustand ohne Durchführung des Verfahrens deutlich reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ wird als Bewertungsgröße bevorzugt eine zeitliche Länge eines Signalkurvenverlaufs des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt. Unter einem Signalkurvenverlauf des Körperschallsignals wird dabei dessen Verlauf von einem bestimmten Startwert bis zu einem bestimmten Endwert innerhalb des vorbestimmten
Messfensters verstanden, wobei der bestimmte Startwert und der bestimmte Endwert so gewählt werden, dass eine Spitze oder ein Peak des Körperschallsignals in dem Intervall zwischen dem bestimmten Startwert und dem bestimmten Endwert liegt. Der Signalkurvenverlauf wird insbesondere ausgehend von einem ersten Signal-Schwellenwert des Körperschallsignals bis zu einem zweiten Signal-Schwellenwert betrachtet, wobei die zeitliche Länge zwischen einem dem ersten Signal-Schwellenwert zugeordneten Zeitindexwert bis zu einem dem zweiten Signal- Schwellenwert zugeordneten Zeitindexwert berechnet wird. Es hat sich insoweit herausgestellt, dass durch Klopfereignisse verursachte Körperschallsignale einerseits und Störsignale andererseits auch auf einer zeitlichen Längenskala deutlich voneinander separieren, wobei auf Klopfereignisse zurückzuführende Körperschallsignale einen deutlich längeren
Signalkurvenverlauf aufweisen als Störsignale. Betrachtet man entsprechende
Häufigkeitsverteilungen über der Längenskala, so zeigt sich auch, dass die maximalen
Häufigkeitsverteilungen für die auf Klopfereignisse zurückgehenden Körperschallsignale einerseits und Störsignale andererseits deutlich voneinander getrennt sind. Es ist somit auch so möglich, als vorbestimmte Vergleichsgröße einen geeigneten zeitlichen Längenwert zu wählen, wobei mit hoher Sicherheit auf ein Klopfereignis erkannt werden kann, wenn die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs länger ist als dieser vorbestimmte Längenwert, und wobei ein
Störsignal erkannt wird, wenn die zeitliche Länge kürzer ist als dieser vorbestimmte Längenwert. Auf diese Weise kann der Anteil an falsch-positiv erkannten Klopfsignalen ausgehend von einem Vergleichszustand ohne Durchführung des Verfahrens deutlich reduziert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass als Bewertungsgröße eine Signalformgröße des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt wird. Die Signalformgröße ist dabei insbesondere charakteristisch für eine Lorm des Signalkurvenverlaufs des
Körperschallsignals. Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Unterscheidung zwischen Klopf- und Störsignalen anhand der Signalform möglich ist.
Besonders bevorzugt werden wenigstens zwei der Bewertungsgrößen, beispielsweise die
Energiegröße einerseits und die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs andererseits, kumulativ verwendet. Auf ein Klopfereignis wird dabei besonders bevorzugt erkannt, wenn die den beiden Bewertungsgrößen zugeordneten Vergleichsergebnisse für ein Klopfereignis sprechen, wobei auf ein Störsignal erkannt wird, wenn nur eines der beiden Vergleichsergebnisse oder kein Vergleichsergebnis für ein Klopfereignis spricht/sprechen. Es ist auch möglich, alle Bewertungsgrößen kumulativ zu verwenden. Die Genauigkeit des Verfahrens kann so durch die Verknüpfung der Bewertungsgrößen weiter gesteigert werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird als Vergleichsgröße ein Schwellenwert verwendet, wobei dem Körperschallsignal ein Klopfereignis in dem Brennraum zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße größer ist als der Schwellenwert, und wobei dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße kleiner ist als der Schwellenwert. Insbesondere auf diese Weise kann wenigstens eine explizite Metrik zur Bewertung des
Körperschallsignals bereitgestellt werden. Wie zuvor bereits ausgeführt, werden bevorzugt verschiedene Metriken verwendet, die kumulativ zur Diskriminierung von Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits eingesetzt werden.
Die Vergleichsgröße wird vorzugsweise in Prüfstandversuchen bestimmt. Dabei ist es in
Prüfstandversuchen möglich, auf verschiedene Weise eine klopfende Verbrennung von einem Störsignal zu unterscheiden, sodass es möglich ist, Häufigkeitsverteilungen, insbesondere in Form von Histogrammen, von Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits für Bewertungsgrößen zu erstellen, wobei dann, wenn die Häufigkeitsverteilungen von Störsignalen einerseits und Klopfereignissen andererseits für eine Bewertungsgröße deutlich separieren, eine geeignete Vergleichsgröße auf der Skala der Bewertungsgröße festgelegt werden kann, um eine möglichst sichere Unterscheidung zu gewährleisten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiegröße ermittelt wird, indem das Körperschallsignal - gegebenenfalls nur in dem vorbestimmten Messfenster - quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird. Auf diese Weise wird eine Messzahl erhalten, die jedenfalls für die in dem Körperschallsignal enthaltene Energie charakteristisch ist.
Die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs wird bevorzugt auf folgende Weise ermittelt: Das Körperschallsignal wird - gegebenenfalls nur innerhalb des Messfensters - quadriert, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum (Peakwert) des quadrierten
Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters normiert wird. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass das Maximum des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters ermittelt wird, und dass danach das quadrierte Körperschallsignal insgesamt, also an jedem Punkt der Signalkurve, durch das ermittelte Maximum des quadrierten Körperschallsignals dividiert wird. Somit werden alle quadrierten Körperschallsignale auf einen maximalen Wert von 1 normiert. Für das normierte, quadrierte Körperschallsignal wird in dem Messfenster ein erster Zeitindexwert bei einem ersten Signal-Schwellenwert ermittelt, wobei ein zweiter - zeitlich späterer - Zeitindexwert bei einem zweiten Signal-Schwellenwert ermittelt wird. Der erste Signal-Schwellenwert und der zweite Signal-Schwellenwert sind vorzugsweise als prozentuale Schwellenwerte von dem Maximum des quadrierten Signalkurvenverlaufs definiert. Es ist möglich, dass der erste Signal-Schwellenwert und der zweite Signal- Schwellenwert gleich gewählt werden. Es ist aber auch möglich, dass verschiedene Werte für den ersten Signal-Schwellenwert einerseits und den zweiten Signal-Schwellenwert andererseits verwendet werden.
Als erster Zeitindexwert wird der Zeitpunkt oder der Kurbelwellenwinkel verwendet, bei welchem erstmals der erste Signal-Schwellenwert erreicht wird - vor einem Durchlaufen des Maximums - wobei als zweiter Zeitindexwert derjenige Zeitpunkt oder der Kurbelwellenwinkel ermittelt wird, bei welchem der zweite Signal-Schwellenwert - nach Durchlaufen des
Maximums - erreicht wird. Als zeitliche Länge wird die Differenz zwischen dem zweiten Zeitindexwert und dem ersten Zeitindexwert berechnet.
Die zeitliche Länge wird vorzugsweise in °KW berechnet. Werden die Zeitindexwerte als Zeitpunkte erfasst, weil auch das Körperschallsignal explizit zeitabhängig erfasst wird, wird die zeitliche Länge bevorzugt berechnet, indem die Differenz der Zeitindexwerte multipliziert wird mit der zeitlichen Auflösung der Erfassung des Körperschallsignals in °KW - insbesondere abhängig von einer momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Die Signalformgröße wird vorzugsweise folgendermaßen ermittelt: Das Körperschallsignal wird - gegebenenfalls nur in dem vorbestimmten Messfenster - quadriert. Das quadrierte
Körperschallsignal wird mit dem Maximum (Peakwert) des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters normiert. Die Normierung erfolgt dabei so, wie dies zu der Ermittlung der zeitlichen Länge erläutert ist. Das normierte, quadrierte Körperschallsignal wird über dem vorbestimmten Messfenster integriert. Auf diese Weise wird die Signalformgröße als Messzahl erhalten, die für die Signalform charakteristisch ist. Die Signalformgröße ist dabei bis auf die Normierung analog zu der Energiegröße gebildet. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Körperschallsignal - insbesondere sowohl bei der Ermittlung der Energiegröße als auch bei der Ermittlung der zeitlichen Länge des Signalkurvenverlaufs und auch bei der Ermittlung der Signalformgröße - vor dem Quadrieren gefiltert wird. Dabei können insbesondere Störungen beseitigt werden, die bezüglich des Frequenzbands, indem sie auftreten, von dem Frequenzband separiert werden können, in welchem auf Klopfereignisse zurückführbare Körperschallsignale auftreten.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungs gemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei verwirklichen sich in
Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in
Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Brennkraftmaschine weist insbesondere ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens. Dabei ist es möglich, dass ein separates Steuergerät zur
Durchführung des Verfahrens vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist aber das Verfahren in ein zentrales Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine (ECU) implementiert. In dem Steuergerät sind bevorzugt vorbestimmte Vergleichsgrößen als
Schwellenwerte hinterlegt, die insbesondere in Prüfstandversuchen ermittelt worden sind.
Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt wenigstens einen Klopfsensor auf, der eingerichtet ist zur Erfassung von Körperschallsignalen, wobei der Klopfsensor außerdem mit dem Steuergerät zur Übermittelung von durch den Klopfsensor erfassten Körperschallsignalen an das Steuergerät wirkverbunden ist.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer
Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der
Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, oder als Zweistoff-Motor, insbesondere als Dual-Fuel-Motor, insbesondere für den Betrieb mit Benzin und Diesel und/oder mit Gas und Diesel, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem
Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
Zur Erfindung gehört auch ein Computerprogrammprodukt, welches Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine, läuft.
Zur Erfindung gehört weiter auch ein Datenträger, welcher ein solches
Computerprogrammprodukt aufweist, beziehungsweise auf dem ein solches
Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine.
Verfahrens schritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer
Ausführungsform des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Schritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungs gemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben derselben.
Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Brennkraftmaschine 1, die eingerichtet ist zur Durchführung eines im Folgenden näher beschriebenen Verfahrens zu deren Betrieb. Die Brennkraftmaschine 1 weist wenigstens einen Brennraum 3 auf, der hier einerseits durch eine Zylinderwandung 5 und andererseits einen innerhalb der Zylinderwandung 5 und relativ zu der Zylinderwandung 5 repetierbar
verlagerbaren Kolben 7 begrenzt ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist somit bevorzugt als
Hubkolbenmotor ausgebildet.
Sie weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen 3 auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume 3 aufweist. Es sind aber auch andere und/oder größere Brennraum- Anzahlen möglich.
Dem Brennraum 3 ist hier ein Klopfsensor 9 zugeordnet, der eingerichtet ist zur Erfassung von Körperschallsignalen. Es ist möglich, dass jedem Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 jeweils ein solcher Klopfsensor 9 zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine
I weniger Klopfsensoren 9 als Brennräume 3 aufweist, insbesondere kann sie nur einen
Klopfsensor 9 aufweisen, oder aber verschiedene Klopfsensoren 9, die jeweils verschiedenen Brennraumgruppen zugeordnet sind, beispielsweise pro Zylinderbank der Brennkraftmaschine 1 einen Klopfsensor 9.
Der Klopfsensor 9 ist mit einem Steuergerät 11 wirkverbunden, sodass durch den Klopfsensor 9 erfasste Körperschallsignale in dem Steuergerät 11 verarbeitet werden können. Das Steuergerät
I I ist hier wiederum mit einer Entflammungsvorrichtung 13 wirkverbunden, sodass ein
Entflammungszeitpunkt, das heißt der Beginn einer chemischen Verbrennungsreaktion in dem Brennraum 3, durch das Steuergerät 11 vermittelt über die Entflammungs Vorrichtung 13 vorgegeben werden kann. Bei der Entflammungsvorrichtung 13 kann es sich um einen
Brennstoff-Injektor, insbesondere einen Zündöl-Injektor, eine Zündkerze, oder ein anderes geeignetes Mittel zur Vorgabe eines Entflammungszeitpunkts handeln. Durch geeignete
Ansteuerung der Entflammungs Vorrichtung 13 kann das Steuergerät 11 eine
Klopfverhinderungsmaßnahme durchführen, wenn eine klopfende Verbrennung in dem
Brennraum 3 erkannt wird.
Durch den Klopfsensor 9 werden Körperschallsignale erfasst, wobei diese in einem dem
Brennraum 3 zugeordneten, vorbestimmten, zeitlichen Messfenster in Hinblick auf das Auftreten eines Klopfereignisses ausgewertet werden. Dabei zeigt sich, dass Störsignale, beispielsweise aufgrund eines Anlagen Wechsels des Kolbens 7 an der Zylinderwandung 5, bei Überschreitung eines bestimmten Pegels, insbesondere eines Grenz- Amplituden werts, fälschlicherweise als Klopfsignale, also auf ein Klopfereignis zurückgehende Körperschallsignale, identifiziert werden können. Dabei lassen sich solche Störsignale weder zeitlich noch im Frequenzspektrum von Klopfereignissen separieren.
Um gleichwohl Klopfereignisse sicher von Störsignalen unterscheiden zu können, ist im Rahmen eines bevorzugten Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 vorgesehen, dass für den Brennraum 3 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zeitabhängig durch den Klopfsensor 9 ein Körperschallsignal erfasst wird, wobei in dem vorbestimmten Messfenster wenigstens eine Bewertungsgröße aus dem erfassten Klopfsignal ermittelt, insbesondere berechnet wird. Die wenigstens eine Bewertungsgröße wird dann mit wenigstens einer vorbestimmten
Vergleichsgröße verglichen, wobei die vorbestimmte Vergleichsgröße bevorzugt fest in dem Steuergerät 11 hinterlegt ist. Insbesondere ist für jede Bewertungsgröße, die im Rahmen des Verfahrens verwendet wird, eine separate vorbestimmte Vergleichsgröße hinterlegt. Die
Vergleichsgrößen sind besonders bevorzugt in Prüfstandversuchen vorab ermittelt, wobei es bei Prüfstandversuchen möglich ist, Klopfereignisse durch verschiedene Messungen und/oder Kriterien von Störsignalen zu unterscheiden. Aus dem Vergleich der Bewertungsgröße mit der Vergleichsgröße wird wenigstens ein Vergleichsergebnis erhalten, und anhand des
Vergleichsergebnisses wird dem Körperschallsignal ein Klopfereignis in dem Brennraum 3 oder ein Störsignal zugeordnet. Mittels der vorbestimmten Vergleichsgröße und deren Vergleich mit der Bewertungsgröße wird eine Metrik bereitgestellt, anhand derer es möglich ist, zwischen Klopfereignissen einerseits und Störsignalen andererseits zu unterscheiden.
Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Bewertungsgrößen ermittelt, wobei jede
Bewertungsgröße jeweils mit einer ihr zugeordneten vorbestimmten Vergleichsgröße verglichen wird. Auf diese Weise wird eine Mehrzahl von Vergleichsergebnissen erhalten. Die Entscheidung, ob ein Klopfereignis oder ein Störsignal vorliegt, wird dann bevorzugt im Sinne einer Mehrheitsentscheidung getroffen, wobei ein Klopfereignis insbesondere dann erkannt wird, wenn eine Mehrheit der Vergleichsergebnisse hierauf hinweist. Weist dagegen die Mehrheit der Vergleichsergebnisse auf ein Störsignal hin, oder liegen gleich viele Vergleichsergebnisse zugunsten eines Klopfereignisses wie zugunsten eines Störsignals vor, wird vorzugsweise auf ein Störsignal entschieden.
Wird dem Köperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet, wird bevorzugt - insbesondere durch das Steuergerät 11, wenigstens eine Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt. Hierzu wird besonders bevorzugt ein Entflammungszeitpunkt in dem Brennraum 3 durch geeignete
Ansteuerung der Entflammungs Vorrichtung 13 nach spät verstellt.
Als Bewertungsgröße wird/werden bevorzugt eine Energiegröße und/oder eine Signalformgröße und/oder eine zeitliche Länge eines Signalkurvenverlaufs des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt.
Als Vergleichsgröße wird bevorzugt ein Schwellenwert verwendet, wobei dem
Körperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße größer ist als die Vergleichsgröße, wobei dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße kleiner ist als die Vergleichsgröße.
Die Energiegröße wird bevorzugt ermittelt, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird.
Die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs wird bevorzugt ermittelt, indem das
Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum des quadrierten Körperschallsignals innerhalb des vorbestimmten Messfensters normiert wird. Für das normierte und quadrierte Körperschallsignal werden in dem Messfenster ein erster Zeitindexwert bei einem ersten Signal-Schwellenwert und ein zweiter Zeitindexwert bei einem zweiten Signal-Schwellenwert ermittelt, wobei die zeitliche Länge dann als Differenz des zweiten Zeitindexwerts und des ersten Zeitindexwerts berechnet wird. Die Signalformgröße wird bevorzugt ermittelt, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum des quadrierten
Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster normiert wird, und wobei das normierte und quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird.
Vorzugsweise wird das Körperschallsignal vor dem Quadrieren gefiltert.
Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der Brennkraftmaschine 1 ist es möglich, eine unnötige Herabsetzung des Wirkungsgrads und der Leistung der Brennkraftmaschine sowie einen Notstopp in Folge mehrfach falsch-positiv erkannter Klopfereignisse zu verhindern.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit wenigstens einem Brennraum (3), wobei
- für den wenigstens einen Brennraum (3) im Betrieb der Brennkraftmaschine (1) ein Körperschallsignal zeitabhängig erfasst wird, wobei
- in einem vorbestimmten Messfenster wenigstens eine Bewertungsgröße aus dem erfassten Körperschallsignal ermittelt wird, wobei
- die wenigstens eine Bewertungsgröße mit wenigstens einer vorbestimmten
Vergleichsgröße verglichen wird, woraus wenigstens ein Vergleichsergebnis erhalten wird, und wobei
- anhand des Vergleichsergebnisses dem Körperschallsignal ein Klopfereignis in dem Brennraum (3) oder ein Störsignal zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine
Klopfverhinderungsmaßnahme durchgeführt wird, wenn dem Körperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperschallsignal mittels eines Klopfsensors erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewertungsgröße
a) eine Energiegröße, und/oder
b) eine zeitliche Länge eines Signalkurven Verlaufs, und/oder
c) eine Signalformgröße
des Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergleichsgröße ein Schwellenwert verwendet wird, wobei
- dem Körperschallsignal ein Klopfereignis zugeordnet wird, wenn die
Bewertungsgröße größer ist als die Vergleichsgröße, und wobei - dem Körperschallsignal ein Störsignal zugeordnet wird, wenn die Bewertungsgröße kleiner ist als die Vergleichsgröße.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegröße ermittelt wird, indem das Körperschallsignal quadriert wird, und indem das quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Länge des Signalkurvenverlaufs des Körperschallsignals ermittelt wird, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum des quadrierten Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster normiert wird, wobei für das normierte und quadrierte Körperschallsignal in dem Messfenster ein erster Zeitindexwert bei einem ersten Signal-Schwellenwert und ein zweiter Zeitindexwert bei einem zweiten Signal-Schwellenwert ermittelt werden, wobei die zeitliche Länge als Differenz des zweiten Zeitindexwerts und des ersten Zeitindexwerts berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalformgröße ermittelt wird, indem das Körperschallsignal quadriert wird, wobei das quadrierte Körperschallsignal mit einem Maximum des quadrierten Körperschallsignals in dem vorbestimmten Messfenster normiert wird, und wobei das normierte und quadrierte Körperschallsignal über dem vorbestimmten Messfenster integriert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Körperschallsignal vor dem Quadrieren gefiltert wird.
10. Brennkraftmaschine (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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