WO2014064099A2 - Berechnungs- und prognoseverfahren von klopf- und super-klopfvorgängen sowie steuerungseinrichtung für die steuerung von brennverfahren in brennkraftmaschinen, insbesondere in ottomotoren - Google Patents

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    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
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    • F02D35/027—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using knock sensors

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a local probability for the occurrence of super-knocking processes in a fuel-air mixture introduced into a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular in a supercharged gasoline engine.
  • the invention further relates to a control device for carrying out such a method and to a motor vehicle having such a control device.
  • DE 10 2008 038 102 A1 relates to a method for preventing a pre-flame of a fuel-air mixture in a cylinder chamber of an Otto engine operated internal combustion engine with a high compression ratio or with charging.
  • an associated internal cylinder pressure and from this a combustion center of gravity of the respective cylinder is determined for the respective current working cycle on the basis of the detected angular velocity profile of the crankshaft of the internal combustion engine. From this data, the anticipated pre-ignition tendency is calculated for the subsequent work cycle. In the event that an exceeding of an applicable angle threshold of the combustion shear point position for this previous work cycle is determined, an additional amount of additional fuel is injected into the respective cylinder in the current working phase.
  • DE 10 2010 003 305 A1 discloses a method for reducing the risk of future irregular combustion, for example in the form of a super-knocking or a glow-ignition, in an internal combustion engine.
  • one or more influencing factors are monitored prior to the possible occurrence of irregular combustion, of which the probability of the future occurrence of irregular combustion is dependent.
  • Such influencing factor may be, for example, the deposition behavior in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • at least one measure for reducing the probability of the future occurrence of irregular combustion is carried out as a function of the monitoring.
  • Such a measure may include, for example, changing engine operating parameters or a deposit cleaning of the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • US 6,006,157 relates to a method for predicting irregular combustion in an internal combustion engine, according to which a Karlovitz number is determined as a function of various operating parameters of the internal combustion engine becomes. This is compared with a threshold at which irregular combustion occurs. Said threshold value is determined based on models and stored in a control unit controlling the internal combustion engine. In the event that the determined Karlovitz number exceeds the threshold, an error message is generated.
  • DE 1 1 2005 003 527 T5 deals with a method for controlling an internal combustion engine with the aid of a motor control unit which evaluates real-time sensor data. From the real-time sensor data, a prior is used to derive at least one combustion parameter estimate and / or at least one combustion parameter measurement. The combustion parameter estimation or the combustion parameter measurement is used to control the internal combustion engine by the engine control unit.
  • the present invention therefore deals with the problem of finding new ways of determining the likelihood of "super-knocking" in fuel-air mixtures.
  • the invention is based on the general idea of simulating the occurrence of super-knocking in an air-fuel mixture used in a combustion chamber of an internal combustion engine as part of a numerical simulation method taking into account local turbulence effects in the fuel-air mixture, thereby enabling a highly accurate probability statement whether and with what probability under the simulated conditions super-knocking can occur in the fuel-air mixture.
  • the consideration of localized turbulence effects is further based on the idea that, when super-knocking occurs in a combustion chamber of an internal combustion engine, there are local areas in which a resonance occurs between the reaction front velocity of auto-ignition along a temperature gradient and the speed of sound. To determine the likelihood of these regions being present, a local probability density of a spatial temperature gradient in a fuel-air mixture and a length associated with that spatial temperature gradient over which the temperature gradient is substantially constant is determined.
  • the sought local probability is then determined by integrating the local probability density into a local knock probability.
  • the local joint probability density is determined taking into account local turbulence effects of the fuel-air mixture.
  • the local probability density is determined by a so-called direct numerical simulation (so-called "DNS") using a theoretical model, which takes into account local turbulent conditions of the temperature gradient of the space considered, whereby in the direct numerical simulation the partial derivatives into the Navier Stokes equations and in the equation for the temperature and / or for the mixture break by difference formulas and / or by a Fourier transform are replaced and the resulting equation system is solved numerically.
  • DNS direct numerical simulation
  • a precise probability statement regarding the occurrence of knocking processes, in particular super-knocking can be made in a defined spatial region of the combustion chamber by integration of the probability density within the integration limits to be determined into a detonation probability, depending on various thermodynamic parameters such as Temperature, pressure, stoichiometric composition of the fuel-air mixture, the speed of sound and the kinematic viscosity, but also depending on various reaction kinetic parameters such. Ignition delay time and their derivative according to the temperature, as well as the sound activation time of the self-ignition and also in dependence on various turbulence parameters such. kinetic energy of turbulence, its dissipation and the temperature variance are taken.
  • the integration limits for the integration are determined as a function of at least one local thermodynamic or / and at least one local turbulence parameter. Consideration of so-called self-ignition conditions in the space considered is made by taking into account the integral time scale of the turbulence in the fuel-air mixture.
  • the common probability density can be determined taking into account local turbulence effects of the fuel-air mixture, in particular by a so-called direct numerical simulation ("DNS") in an idealized turbulent flow, for example in the manner of a homogeneous shear turbulence. Since such turbulence effects have a decisive influence on whether super-knocking effects can occur in the considered fuel-air mixture, they are in the inventive method of crucial importance in the probability calculation according to the invention for the occurrence of super tapping. The consideration of local turbulence effects allows a greatly improved probability statement for the occurrence of super-tapping compared to conventional methods.
  • the integration according to step b) takes place by integration within predetermined integral limits, the integral limits depending on the at least one local thermodynamic and at least one local reaction kinetic parameter, in particular the ignition delay time, and at least one local turbulence parameter.
  • the integral limits depending on the at least one local thermodynamic and at least one local reaction kinetic parameter, in particular the ignition delay time, and at least one local turbulence parameter.
  • step a) additionally a local probability density of a spatial mixture fracture gradient of the fuel-air mixture and of a length assigned to this mixture fracture gradient, over which the mixture fraction gradient is respectively substantially constant, can be determined.
  • the local probability density of the mixture fraction gradient depends on at least one local turbulence parameter and at least one local thermodynamic parameter.
  • step a1) of the method according to the invention which is subsequent to step a)
  • the local len probability densities of the temperature gradient and the mixture break combined into a combined combined probability density of a gradient of temperature gradient and mixture break gradient combined gradient of equal length for both gradients.
  • the at least one local reaction kinetic parameter may be an ignition delay time of an ignition process of the fuel-air mixture and / or the derivative of this Zündverzugszeit after the temperature or the Constellsbruchs and / or a sound excitation time of this ignition process
  • / or the at least one local thermody- namic parameters are the local temperature or the local mixture fraction of the fuel-air mixture or / and the local kinematic viscosity of the fuel-air mixture or / and the local pressure of the fuel-air mixture o- / and the speed of sound
  • / or the at least one local turbulence parameter is one of the following local parameters:
  • the length, over which the temperature or the mixture gradient is constant as a linear distance ⁇ between a first space point of the fuel-air mixture with maximum temperature T max and a second space point with minimum temperature T min , or a first space point of the fuel-air mixture with maximum Mismatch fraction Z max and a second space point with minimum mixing fraction Zmin be defined.
  • the temperature gradient dT / dx is approximated as follows:
  • the mixture fraction Z is with the air ratio ⁇ over the relationship
  • the mixture fraction is therefore an alternative to the air ratio ⁇ definition of the local air-fuel ratio compared to the stoichiometric mixture. As a mass ratio, it is more appropriate than the former for numerical simulations of the mixing ratios in the combustion chamber.
  • the invention further relates to a method for determining a spatial probability distribution for the occurrence of super-knocking processes in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular a supercharged gasoline engine, comprising the following steps:
  • Such a method by applying the aforementioned method for determining a local probability for the occurrence of super-knocking in a plurality of grid points in the fuel-air mixture, when it is arranged, for example, in the combustion chamber of the internal combustion engine, allows the calculation of a spatial probability distribution for the occurrence of super-knock in the fuel-air mixture in the combustion chamber.
  • the combustion chamber can be divided into the plurality of grid points in the manner of a three-dimensional grid, and the method according to the invention for calculating the local probability for the occurrence of super-beating can be carried out successively for each grid point.
  • the method for determining the spatial probability distribution is particularly suitable in connection with the development of gasoline engines, if the combustion chamber of such a gasoline engine is to be designed such that no unwanted super-beating, which can lead to the destruction of the gasoline engine may occur.
  • numerous other fields of application for the two methods according to the invention in connection with the development of internal combustion engines are conceivable.
  • the method according to the invention is carried out by numerical simulation for a plurality of zones or grid points in the combustion chamber.
  • the common probability keits emphasize a spatial temperature gradient and the mixing gradient of the fuel-air mixture and this spatial temperature or mixing gradient associated with the same length over which the temperature or mixing gradient is substantially constant, taking into account local turbulence effects of the fuel-air mixture in tabular form, ie in the kind of a "lookup table" filed.
  • the process may comprise the following additional step C):
  • the invention further relates to a control device for a combustion chamber having an internal combustion engine, in particular for a gasoline engine, wherein the control device for carrying out the method explained above is set up / programmed to calculate the spatial probability distribution for the occurrence of super-knocking.
  • the control device can have a calculation unit, by means of which a maximum probability for the occurrence of super-knocking processes in a fuel-air mixture introduced into the combustion chamber is determined, this determination taking into account global turbulence effects of the fuel-air mixture in the combustion chamber.
  • the control device may comprise a memory unit in which the spatial probability distribution determined by means of the previously explained method can be stored.
  • the method according to the invention can be carried out in real time in order to be able to analyze the fuel-air mixture contained in the combustion chamber with regard to the occurrence of super-knocking.
  • Such a control device may for example be part of a control device of the internal combustion engine, which controls the internal combustion engine operationally when used in a motor vehicle.
  • the method according to the invention can then be carried out in the control device in real time when it is to be checked whether control parameters set in the internal combustion engine, such as the engine speed or the temperature of the fuel-air mixture, favor the occurrence of super-knocking.
  • control unit may have a calculation unit, by means of which a spatial probability distribution for the occurrence of super-knocking processes in an introduced into the combustion chamber air-fuel mixture is determined by at least one zone for each local probability for the occurrence of super-knocking in the determined in the combustion chamber, this provision being taken into tion local turbulence effects of the fuel-air mixture in the combustion chamber takes place.
  • a super-knocking probability can be calculated as a function of a crank angle of the cylinder piston of the internal combustion engine and in dependence on the above-mentioned control parameters.
  • the control unit or its calculation unit can modify one or more operating parameters by applying a suitable control algorithm in order to adjust the Avoid occurrence of super-tapping.
  • a suitable control strategy may be implemented in the controller to optionally set certain operating parameters, such as those shown in FIG.
  • the method according to the invention can be used for checking to ensure that a certain choice of the values of different operating parameters is associated with a sufficiently small probability of the occurrence of super-knocking.
  • a predetermined maximum permissible upper limit for the probability can be defined in the control device.
  • this can also be carried out "offline” and the maximum knocking probability generated in this way can be stored in the control device / the control unit in the manner of a "lookup table".
  • the control device a Memory unit in which the determined spatial probability distribution can be stored.
  • the maximum value of the spatial probability distribution for the occurrence of super-knocking can be determined from the spatial probability distribution generated for specific values of the control parameters such as engine speed, pressure of the fuel-air mixture, temperature of the fuel-air mixture into the "lookup table” and stored in the memory unit.
  • control device can use a spatial probability distribution for the occurrence of super-knocking processes in different zones of the combustion chamber in the manner of a so-called multi-zone model, by using the method according to the invention for the different zones in each case a local probability of occurrence is determined by super-knocking processes in the fuel-air mixture introduced into the combustion chamber, this determination again taking into account local turbulence effects and thermodynamic parameters in the combustion chamber.
  • a local probability of occurrence is determined by super-knocking processes in the fuel-air mixture introduced into the combustion chamber, this determination again taking into account local turbulence effects and thermodynamic parameters in the combustion chamber.
  • the control device can operationally, ie during operation of the internal combustion engine, determine the probability of the occurrence of super-tapping as a function of various operating parameters, which can be set at least partially by the control device, in the combustion chamber.
  • the turbulence parameters are determined from the instantaneous engine speed of the internal combustion engine and from the average piston speed of the cylinder piston, so that the engine speed or / and the average piston speed can be used as input parameters for carrying out the method according to the invention.
  • the variance of the local temperature Temperature fluctuation can be approximated by the difference between an intake temperature of the air or in exhaust gas recirculation of the air-exhaust gas mixture after closing the intake valves and a characteristic wall temperature of a wall of the combustion chamber of the internal combustion engine squared.
  • the invention also relates to a motor vehicle having an internal combustion engine having a combustion chamber and to a control device having one or more of the features explained above, wherein the control device determines the internal combustion engine as a function of the maximum knock determined by the calculation unit or stored in the storage unit - Attempts probability.
  • the activation can take place as a function of the spatial probability distribution which has been explained above and which is reduced to respective maximum probability values.
  • the control parameters e.g. Engine speed, pressure of the fuel-air mixture, temperature of the fuel-air mixture generated spatial probability distribution only the maximum value of the spatial probability distribution for the occurrence of super-knocking in the "lookup table" and stored in the memory unit.
  • Fig. 6a / b is a rough schematic representation of a combustion chamber of a
  • FIG. 7 shows a maximum likelihood, which is calculated by means of the method according to the invention, of the occurrence of superknocking as a function of a current crank angle of the internal combustion engine
  • FIG. Fig. 8 is a rough schematic representation of a control device according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows the method according to the invention for determining a local probability for the occurrence of super-knocking processes in a fuel-air mixture introduced into a combustion chamber in a schematic flowchart.
  • reaction kinetic parameters ⁇ ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) and ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) are provided as a function of the temperature T and the pressure p and the air ratio ⁇ .
  • the mixture fraction is thus an alternative to the air ratio ⁇ definition of the local air-fuel ratio compared to the stoichiometric mixture.
  • the parameters ⁇ ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) and ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) required for calculating the sought probability can be determined from the known thernnodynian parameters p, T and ⁇ of the PRF mixture of the fuel-air mixture used .
  • mixtures of other chemical components for the representation of gasoline fuels, for which also ignition delay times and the sound excitation time can be calculated and approximated, can be used.
  • turbulence parameters k, ⁇ >, ⁇ T ' 2 > and ⁇ Z' 2 > describing the local turbulence conditions in the fuel-air mixture are also provided in step S1.
  • k is the kinetic energy of the turbulence of the fuel-air mixture in the space considered, ⁇ > its dissipation, ⁇ T ' 2 > the variance of the temperature fluctuations and ⁇ Z' 2 > the variance of the mixture break fluctuation.
  • the method according to the invention takes into account local turbulence effects of the temperature gradient dT / dx and / or the mixture fracture gradient dZ / dx and the lengths ⁇ over which these are each substantially constant in the fuel-air mixture.
  • a simulated fuel-air mixture assumed to be homogeneous is decomposed into a plurality of subregions, in which the temperature gradient dT / dx and / or the mixture fraction gradient dZ / dx of the fuel-air mixture are substantially constant.
  • a so-called a so-called.
  • Direct numerical simulation of the flow field and the temperature field and / or the mixture fraction field of the fuel-air mixture is carried out for this purpose, the Navier-Stokes equations known to the expert are used and the partial derivatives in the Navier-Stokes Equations and in the equation for the temperature and / or for the mixture break by difference formulas and / or by a Fourier transformation replaced, and then solving the resulting equation system numerically.
  • the physical space in question for example, in 1024 3 , 2048 3 or 4096 3 grid points are divided. in order to resolve the smallest lengths occur turbulence, only sections of the overall flow will be observed with a spatial size of about 1 cm 3, typically. on the basis of the numerical solution of the Navier-Stokes equations is then a Dissipationsetti - Analysis performed. This is summarized in the flowchart of FIG. 1 under method step S2.
  • step S3 a combined common probability density P (£, g) of an approximated gradient ⁇ / dx ⁇ ⁇ ⁇ / g and a gradient is described in step S3 of the flowchart describing the method according to the invention (see FIG assigned length £ determined.
  • the gradient ⁇ / dx can be determined as a combination of temperature gradient dT / dx and mixture rupture gradient dZ / dx, which will be explained in more detail below in connection with equation (5).
  • An analogous relationship applies to the combination of the approximated gradients AT / ⁇ and AZ / zu to ⁇ ⁇ according to equation (6).
  • the approximated temperature gradient AT / E should be used instead of the combined gradient.
  • dissipation elements are defined as space-filling structures in a scalar field, for example the temperature field of the fuel-air mixture in the combustion chamber.
  • the dissipation elements can be generated by using so-called gradient trajectories. If, for example, in a temperature field of such a gradient trajectory, one follows from an arbitrary point in space in an ascending direction, one arrives at a point in space with a maximum temperature value. Accordingly, one reaches a temperature minimum value from this arbitrary point in space, if one follows a gradient trajectory in descending direction.
  • a dissipation element is defined as a spatial region in the sense of a set of spatial points, from which in each case the same spatial point with maximum value or minimum value is achieved via gradient trajectories. Within a dissipation element, the temperature gradient thus has a substantially constant course. The same applies mutatis mutandis for the determination of dissipation elements in a mixture fraction field, which is not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • FIG. 3 a shows by way of example a region 9 with a two-dimensional turbulent temperature distribution.
  • the dots indicated by the reference numeral 5 are locations where the temperature T assumes a temperature minimum value
  • the dots indicated by the reference numeral 6 are locations where the temperature T becomes a maximum temperature value.
  • the lines denoted by 7 represent boundary lines between the various dissipation elements 8. It can be seen from FIG. 3a that the region 9 can be subdivided by means of the dissipation elements 8 into a multiplicity of smaller regions, which in each case relate to the occurrence of Super-tapping a more detailed analysis are accessible.
  • the dissipation element labeled 10 is shown separately and enlarged in FIG. 3 b, and the point at maximum temperature 1 1 and the point 12 at minimum temperature are arranged therein, the quotient of the temperature difference between maximum and minimum temperature and the distance of the two points 1 1, 12 denoted by £, a measure of the temperature gradient dT / dx in the dissipation element 10.
  • the dissipation element 10 is a local spatial portion of the combustion chamber of the internal combustion engine filled with a fuel-air mixture
  • adjustable During a compression phase in the combustion chamber, the temperature of the fuel-air mixture increases, which can lead to the self-ignition or pre-ignition of the same in the region of the point 1 1 with maximum temperature. In this area, strong acoustic wavefronts are generated, which propagate in all directions.
  • the point 1 1 adjacent dissipation elements have a suitable temperature gradient or Verizongradienten
  • the above-mentioned acoustic coupling can take place.
  • auto-ignition of the fuel-air mixture can also be generated in further dissipation elements of the area 9, which can ultimately lead to the undesired super-knocking.
  • the section detected by the direct numerical simulation according to method step S2 in each case the area between several grid points in the vicinity of the grid point x. describes, if, as will be explained in more detail below, the combustion chamber into a three-dimensional grid with a plurality of grid points x. is decomposed, and thus that area contains a plurality of dissipation elements.
  • Each dissipation element 8 in the respective field is characterized by means of two independent parameters, firstly by means of the temperature gradient dT / dx approximated by ⁇ T / ⁇ and secondly by means of the mixture fraction gradient dZ / dx which is approximated by AZ / ⁇ on the other hand by means of the respective linear distance ⁇ , which for the temperature field between the points 1 1, 12 with maximum or minimum temperature, for the mixing field between the maximum and minimum min. extension.
  • the respective lengths are chosen to be the same for the statistical statement.
  • a single gradient g A ⁇ / ⁇ , which represents a combination of the approximated temperature gradient AT / ⁇ and the approximated mixture break gradient AZ / ⁇ (see equation 5), is taken as the basis of the probability statement.
  • a single gradient g A ⁇ / ⁇ , which represents a combination of the approximated temperature gradient AT / ⁇ and the approximated mixture break gradient AZ / ⁇ (see equation 5), is taken as the basis of the probability statement.
  • the sound excitation time ⁇ ⁇ is defined here as a time duration which elapses until the relative heat release rate in the auto-ignition of the fuel-air mixture rises from 5% to a maximum value.
  • Such a theoretical treatment of auto-ignition of the fuel-air mixture and eventual occurrence of super-knocking is based on an analysis of the propagation modes of reaction fronts of the reactive fuel-air mixture with temperature gradient dT / dx and / or with mixture fraction gradient dZ / dx in the final phase of the ignition of the fuel-air mixture.
  • the use of the area diagram of FIG. 3 alone is insufficient to predict the occurrence of super-knocking;
  • the area diagram in the method according to the invention is used only as a partial aspect, namely in the integration of the probability density, which is calculated taking into account local turbulence effects, to the sought probability in order to establish integration limits during the integration.
  • the dimensionless parameter ⁇ is plotted on the x-axis and the dimensionless parameter ⁇ is plotted on the y-axis.
  • the parameters ⁇ and ⁇ are defined as follows:
  • a is the speed of sound and, as already explained, the length assumed as equal for dissipation elements from both fields, the temperature field and the mixture rupture field, over which the temperature gradient dT / dx or the mixture rupture gradient dZ / dx respectively substantially passes is constant.
  • a local normalized common probability density P ⁇ m , AT / l (AT / ⁇ ) m ) calculated by means of DNS according to step S3 of the flow chart of FIG. 1 for the simplified special case ⁇ 1 in which the mixture field is homogeneous and consequently the mixture break gradients disappear, ie assume a zero value.
  • the values for AT / £ and £ are normalized with the mean of the scalar gradient ⁇ AT / £) m and with the mean of the linear distance £ m, respectively. This value range is reproduced in the example diagram of FIG. 4 by a gray scale representation.
  • the area designated by ⁇ " thus has a higher probability density P than that designated "II" area, which in turn has a higher probability density P than the area designated by "III".
  • the gradient g should be used instead of AT / ⁇ , where g is obtained by combining the gradients AT / ⁇ and AZ / ⁇ from the respective dissipation elements according to Eq. (6) are to be determined.
  • a normalized joint probability density P ⁇ / ⁇ m , g / g m ) corresponding to the linear relationship according to equation (6) results from a convolution of the joint probability densities P ⁇ m , AT / ⁇ / (AT / ⁇ ) m ) and P ⁇ £ / £ m , AZ / £ / ⁇ AZ / £) m ).
  • the mean values ( ⁇ 7 ⁇ ) m, (AZ /)) m and m m used in normalization can be determined as a function of different turbulence parameters describing the local turbulence conditions in the air-fuel mixture, such as k, ⁇ >, ⁇ T ' 2 > and ⁇ Z ' 2 > for each grid point x. calculate, as will be explained below, the combustion chamber in a three-dimensional grid with a plurality of grid points x. is decomposed.
  • k as already explained, the kinetic
  • ⁇ ⁇ (10 * v * k / ⁇ s>) 1/2 (12).
  • ⁇ ⁇ is the so-called.
  • the method according to the invention for calculating the local probability P K i 0 f can now be used in different local space regions of the combustion chamber, that is to say the combustion chamber of the internal combustion engine, in order to obtain spatially resolved probability statements in this way. For this purpose, it makes sense to divide the combustion chamber into a three-dimensional grid with a plurality of grid points x.zu, and for each grid point x. to calculate.
  • the method according to the invention then becomes loop-like for each grid point x. repeated.
  • a grid point x. may also be used to define a specific th zone in the Brennkannnner the internal combustion engine are used.
  • I max denotes the number of grid points ⁇ . , of the
  • Parameter i is used to index the grid points x. and local probability ⁇ ' ⁇ ⁇ - The process is repeated until the indexing parameter i reaches the maximum value i max and then ends, which is expressed in the flowchart by the method step S5.
  • Possible values for the parameter i max for the spatial simulation of the entire combustion chamber are between 50,000 and 500,000.
  • different local probabilities P ' K io P f can be calculated.
  • i max can also assume much lower values.
  • the method according to the invention for calculating the spatial probability distribution P ' K io f for reducing the amount of data generated can have an optional method step S6, which is shown in dashed lines in FIG.
  • Such an optional method step S6 is suitable for the purpose of reducing the amount of data generated, in particular when the spatial probability distribution determined by the method according to the invention is to be used in the manner of a "lookup table" in a control device of the internal combustion engine.
  • respective input parameter T, p, ⁇ only the associated maximum value P max K
  • FIG. 6 a combustion chamber 20 of an internal combustion engine is shown by way of example in a side view (FIG. 6 a) or a top view (FIG. 6 b).
  • the inventive method also also allows a probability statement for the occurrence of super-tapping depending on the position of the piston (or. the crankshaft) in the cylinder. This is shown by way of example in the illustration of FIG.
  • the graph designated by the reference numeral 30 shows the average temperature T of the fuel-air mixture in the cylinder of an internal combustion engine as a function of the crank angle ("CA") of the piston.
  • the graph designated by the reference numeral 31 shows the probability, calculated by means of the method according to the invention, of the occurrence of a knocking operation as a function of the crank angle.
  • the internal combustion engine 102 may be a gasoline engine.
  • the internal combustion engine 102 may be a gasoline engine.
  • the combustion chamber In the combustion chamber
  • a linearly movable cylinder piston 103 is arranged and with a Kur- associated with shaft 104.
  • a fuel-air mixture is arranged in the combustion chamber 101.
  • the exact technical structure of the combustion chamber or the internal combustion engine is known in the art, so that a detailed explanation is omitted.
  • the control device 100 may be designed in the manner of a conventional microcontroller and be part of a control device of a motor vehicle, by means of which the internal combustion engine 102 is controlled. Alternatively, the control device 100 may be formed as a separate component.
  • the control device 100 may include a control unit 106 (ECU) and a memory unit 107.
  • the control device 100 is set up / programmed for carrying out the method according to the invention.
  • the inventive method can be performed in a first variant in real time in the control device 100, so that the fuel-air mixture contained in the combustion chamber 101 can also be analyzed in real time with respect to the occurrence of super-knock.
  • the method according to the invention can be used to check whether the instantaneous values set in the internal combustion engine 102 are dependent on certain control parameters, such as, for example. the engine speed n or the temperature T of the fuel-air mixture favor the occurrence of super-tapping.
  • a super-knock probability can be calculated as a function of a current crank angle of the cylinder piston 103 of the internal combustion engine 102, from which in turn temperature T and pressure p of the fuel-air mixture in the combustion chamber depend.
  • the control or the control unit of the internal combustion engine by application of a suitable control algorithm to modify one or more operating parameters of the internal combustion engine to avoid the occurrence of super-knock, which can lead to destruction of the combustion chamber 101 and / or the cylinder piston 103.
  • a suitable control strategy is implemented to optionally certain operating parameters such as the speed n of the piston of the internal combustion engine 102, the pressure p or the temperature T.
  • Another way to influence the mentioned operating parameters may be to change a temperature of cooled exhaust gas recirculated into the combustion chamber.
  • the method according to the invention may be applied in the manner of a verification method to ascertain whether a particular choice of the values of the various operating parameters is associated with a sufficiently small probability of the occurrence of super-tapping.
  • a predetermined maximum permissible upper limit for this probability can be stored in the control device.
  • the method can also be carried out "offline" in a second variant and the spatial probability distribution P ' K io f generated in this way in the memory unit 107 of the control device 100 or of the Control unit of the motor vehicle in the manner of a "lookup tables" are stored.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer lokalen Wahrscheinlichkeit (Ρi Klopf) für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines aufgeladenen Ottomotors, eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch, umfassend die folgenden Schritte: a) Bestimmen der lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte (P) eines räumlichen Temperaturgradienten (∂T/∂x) eines betrachteten Kraftstoff-Luftgemisches sowie einer diesem räumlichen Temperaturgradienten (∂T/∂x) zugeordneten Länge (ℓ), über welche hinweg der Temperaturgradient (∂T/∂x) jeweils im Wesentlichen konstant ist, wobei die Wahrscheinlichkeitsdichte (P) von wenigstens einem lokalen Turbulenzparameter (k, <є>, <T'2>, <Z'2>) und wenigstens einem lokalen thermodynamischen Parameter (p, T, λ) abhängt, b) Bestimmen der lokalen Wahrscheinlichkeit (Pi Klopf) durch Aufintegration der lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte (P) zu einer lokalen Klopf-Wahrscheinlichkeit.

Description

Berechnungs- und Prognoseverfahren von Klopf- und Super-Klopfvorgängen sowie Steuerungseinrichtung für die Steuerung von Brennverfahren in Brennkraft- maschinen, insbesondere in Ottomotoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer lokalen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem aufgeladenen Ottomotor, eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Steuerungseinrichtung.
Zum besseren Verständnis von Verbrennungsvorgängen von Kraftstoff- Luftgemischen in modernen Brennkraftmaschinen ist es üblich, solche Verbrennungsvorgänge mittels geeigneter Simulationsverfahren zu simulieren. Zu diesem Zweck sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von numerischen Simulationsverfahren bekannt, welche in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie z.B. der stöchiometrischen Zusammensetzung sowie Druck und Temperatur des Kraftstoff-Luftgemisches, aber auch in Abhängigkeit von motorspezifischen Parametern wie beispielsweise dem geometrischen Aufbau der Brennkammer o.ä., den Verbrennungsvorgang simulieren. Auch verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine wie z.B. die Drehzahl können in diesen Verfahren berücksichtigt werden. Derartige numerische Verfahren sind bei der Entwicklung von modernen Brennkraftmaschinen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise bei der Auslegung der Geometrie der Brennkammer der Brennkraftmaschine. Gleiches gilt bei der Optimierung der Brennkraftmaschinen hinsichtlich ihres Kraftstoffverbrauchs und der von ihr zur Verfügung gestellter Antriebsleistung. Viele moderne Brennkraftmaschinen verwenden zur Optimierung ihrer Antriebsleistung bei möglichst geringem Kraftstoff-Verbrauch Kraftstoff-Luftgemische, die bei typischen Betriebstemperaturen, wie sie in Brennkammern von Diesel- oder Ottomotoren auftreten, eine Tendenz zur Selbstzündung aufweisen.
Insbesondere in Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, beispielsweise in der Art eines herkömmlichen Ottomotors, welche in Verbindung mit einem Turbolader zur Komprimierung der in die Brennkammer einzubringenden Luft betrieben werden, kann eine solche unerwünschte, stochastisch auftretende Selbstzündung des Kraftstoffs, welche auch unter dem Begriff „Super-Klopfen" bzw.„MegaKlopfen" bekannt ist, zu einer Beschädigung der Kurbelwelle oder anderer beweglicher Teile der Brennkraftmaschine bis hin zu deren vollständigen Zerstörung führen.
Im Gegensatz zu klassischen Zündvorgängen, wie sie in Dieselmotoren auftreten, lässt sich in Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines solchen unerwünschten "Super-Klopfens" bzw. "MegaKlopfens" nicht vorherbestimmen.
Auch die Verwendung von herkömmlichen Klopfsensoren, mittels welcher das klassische Klopfen in der Brennkraftmaschine reduziert werden kann, ist zur Reduzierung des Super-Klopfens in Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung nicht geeignet. Um in modernen Brennkraftmaschinen das Auftreten von unerwünschtem Super-Klopfen bzw.„Mega-Klopfens" zu vermeiden, ist daher ein genaues Verständnis der komplizierten physikalischen Vorgänge während des Verbrennungsvorgangs des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer der Brennkraftmaschine erforderlich. Die DE 10 2008 038 102 A1 betrifft ein Verfahren zur Verhinderung einer Vorent- flammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis bzw. mit Aufladung. Hierzu wird für den jeweiligen aktuellen Arbeitszyklus anhand des er- fassten Winkelgeschwindigkeitsverlaufs der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein zugehöriger Zylinderinnendruck und daraus eine Verbrennungsschwerpunktlage des jeweiligen Zylinders ermittelt wird. Aus diesen Daten wird für den nachfolgenden Arbeitszyklus die zu erwartende Vorentflammungsneigung errechnet. Für den Fall, dass eine Überschreitung einer applizierbaren Winkelschwelle der Verbrennungs-Scherpunktlage für diesen vorhergehenden Arbeitszyklus ermittelt wird, wird in der aktuellen Arbeitsphase eine zusätzliche Kraftstoff-Mehrmenge in den jeweiligen Zylinder eingespritzt.
Die DE 10 2010 003 305 A1 offenbart ein Verfahren zur Verringerung der Gefahr zukünftiger irregulärer Verbrennung, etwa in Form eines Superklopfen oder einer Glühzündung, in einer Brennkraftmaschine. In einem ersten Schritt des Verfahrens werden vor dem etwaigen Auftreten irregulärer Verbrennung ein oder mehrere Einflussfaktoren überwacht, von dem bzw. denen die Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens irregulärer Verbrennung abhängig ist. Ein solcher Einflussfaktor kann beispielsweise das Ablagerungsverhalten im Brennraum der Brennkraftmaschine sein. In einem weiteren, zweiten Schritt wird wenigstens eine Maßnahme zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit des zukünftigen Auftretens irregulären Verbrennung in Abhängigkeit der Überwachung durchgeführt. Eine solche Maßnahme kann etwa das Verändern von Motorbetriebsparametern oder eine Ablagerungsreinigung des Brennraums der Brennkraftmaschine umfassen.
Die US 6,006,157 betrifft ein Verfahren zur Vorhersage einer irregulären Verbrennung in einer Brennkraftmaschine, gemäß welchem eine Karlovitz-Zahl als Funktion verschiedener Betriebsparameter der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Diese wird mit einem Schwellwert verglichen, bei welchem die irreguläre Verbrennung eintritt. Besagter Schwellwert wird modellbasiert ermittelt und in einem die Brennkraftmaschine steuernden Steuergerät abgelegt. Für den Fall, dass die ermittelte Karlovitz-Zahl den Schwellwert übersteigt, wird eine Fehlermeldung erzeugt.
Die DE 1 1 2005 003 527 T5 behandelt ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Motorsteuereinheit, welche Echtzeitsensordaten auswertet. Aus den Echtzeitsensordaten wird ein Prior zur Ableitung mindestens einer Verbrennungsparameter-Schätzung und/oder mindestens einer Verbrennungsparameter-Messung verwendet. Die Verbrennungsparameter-Schätzung bzw. die Verbrennungsparameter-Messung wird zur Steuerung der Brennkraftmaschine durch die Motorsteuereinheit verwendet.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt daher mit dem Problem, bei der Bestimmung der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von "Super-Klopfen" in Kraftstoff- Luftgemischen neue Wege aufzuzeigen.
Dieses Problem wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Auftreten von SuperKlopfen in einem Kraftstoff-Luftgemisch, welches in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt, im Rahmen eines numerischen Simulationsverfahrens unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte im Kraftstoff- Luftgemisch zu simulieren, wodurch eine hochgenaue Wahrscheinlichkeitsaussage ermöglicht wird, ob und mit welcher Wahrscheinlichkeit unter den simulierten Bedingungen Super-Klopfen in dem Kraftstoff-Luftgemisch auftreten kann. Die Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte basiert ferner auf dem Gedanken, dass beim Auftreten von Super-Klopfen in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine örtliche Gebiete vorhanden sind, in denen eine Resonanz zwischen der Reaktionsfront-Geschwindigkeit der Selbstzündung entlang einem Temperaturgradienten und der Schallgeschwindigkeit auftritt. Um die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins dieser Gebiete zu bestimmen, wird eine lokale Wahrscheinlichkeitsdichte eines räumlichen Temperaturgradienten in einem Kraftstoff- Luftgemisch sowie einer diesem räumlichen Temperaturgradienten zugeordneten Länge, über welche hinweg der Temperaturgradient im Wesentlichen konstant ist, ermittelt.
Aus der lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte wird dann die gesuchte lokale Wahrscheinlichkeit durch Aufintegration der lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte zu einer lokalen Klopf-Wahrscheinlichkeit ermittelt.
Erfindungsgemäß wird also, wie bereits erläutert, die lokale gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichte unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte des Kraftstoff-Luftgemisches ermittelt. Mittels der Verwendung stochastischer Methoden lässt sich auf diese Weise mit besonders hoher Genauigkeit das Auftreten von Super-Klopfen in der Brennkraftmaschine vorhersagen. Die lokale Wahrscheinlichkeitsdichte wird dabei unter Verwendung eines theoretischen Modells, welches lokale turbulente Bedingungen des Temperaturgradienten des betrachteten Raumbereichs berücksichtigt, mittels sog. Direkter numerischer Simulation (sog. "DNS") bestimmt, wobei bei der Direkten Numerischen Simulation die partiellen Ableitungen in den Navier-Stokes-Gleichungen und in der Gleichung für die Temperatur und/oder für den Mischungsbruch durch Differenzenformeln und/oder durch eine Fourier-Transformation ersetzt werden und das dadurch entstehende Gleichungssystem numerisch gelöst wird. Dies ermöglicht eine wesentlich genau- ere Vorhersage des Auftretens von unerwünschten Super-Klopf-Effekten, als dies mit herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Turbulenz-Modellen möglich ist.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also in einem definierten Raumbereich der Brennkammer durch Aufintegration der Wahrscheinlichkeitsdichte innerhalb zu bestimmender Integrationsgrenzen zu einer Detonations- Wahrscheinlichkeit eine präzise Wahrscheinlichkeitsaussage bezüglich des Auftretens von Klopfvorgängen, insbesondere von Super-Klopfen getroffen werden, und zwar in Abhängigkeit von verschiedenen thermodynamischen Parametern wie z.B. Temperatur, Druck, stochiometrische Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches, der Schallgeschwindigkeit und der kinematische Viskosität, aber auch in Abhängigkeit von verschiedenen reaktionskinetischen Parametern wie z.B. Zündver- zugszeit und deren Ableitung nach der Temperatur, sowie der Schallanregungszeit der Selbst-Zündung und auch in Abhängigkeit von verschiedenen Turbulenzparametern wie z.B. kinetische Energie der Turbulenz, deren Dissipation und der Temperaturvarianz getroffen werden.
Die Integrationsgrenzen für die Aufintegration werden dabei in Abhängigkeit von wenigstens einem lokalen thermodynamischen oder/und wenigstens einem lokalen Turbulenzparameter festgelegt. Die Berücksichtigung von sog. Selbstzün- dungs-Bedingungen in dem betrachteten Raumbereich erfolgt durch Berücksichtigung der integralen Zeitskala der Turbulenz im Kraftstoff-Luftgemisch.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichte unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte des Kraftstoff- Luftgemisches, insbesondere durch eine sog. Direkte Numerische Simulation ("DNS") in einer idealisierten turbulenten Strömung, beispielsweise in der Art einer homogenen Scherturbulenz, ermittelt werden. Da solche Turbulenzeffekte ei- nen entscheidenden Einfluss darauf haben, ob Super-Klopf-Effekte in dem betrachteten Kraftstoff-Luftgemisch auftreten können, sind sie in dem erfindungsgemäßen Verfahren von entscheidender Bedeutung bei der erfindungsgemäßen Wahrscheinlichkeitsberechnung für das Auftreten von Superklopfen. Die Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte erlaubt eine im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren stark verbesserte Wahrscheinlichkeitsaussage für das Auftreten von Super-Klopfen.
Vorzugsweise erfolgt die Aufintegration gemäß Schritt b) durch Aufintegration innerhalb vorbestimmter Integral-Grenzen, wobei die Integralgrenzen in Abhängigkeit von dem wenigstens einen lokalen thermodynamischen und wenigstens einem lokalen reaktionskinetischen Parameter, insbesondere der Zündungsverzugzeit, und wenigstens einen lokalen Turbulenzparameter erfolgt. Auf diese Weise kann mathematisch für bestimmte Wertebereiche des wenigstens einen lokalen thermodynamischen oder/und wenigstens einen lokalen reaktionskinetischen Parameter, für welche, beispielsweise aus experimentellen Untersuchungen oder auch theoretischen Modellierungen heraus bekannt ist, dass kein Super-Klopfen auftreten kann, ein "Nullwert" für die Wahrscheinlichkeitsdichte bei der Aufintegration zur gesuchten Wahrscheinlichkeit erzeugt werden.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann in Schritt a) zusätzlich eine lokale Wahrscheinlichkeitsdichte eines räumlichen Mischungsbruchgradienten des Kraftstoff-Luftgemisches sowie einer diesem Mischungsbruchgradienten zugeordneten Länge, über welche hinweg der Mischungsbruchgradient jeweils im Wesentlichen konstant ist, bestimmt werden. Auch in diesem Fall hängt die lokale Wahrscheinlichkeitsdichte des Mischungsbruchgradienten von wenigstens einem lokalen Turbulenzparameter und wenigstens einem lokalen thermodynamischen Parameter ab. Gemäß dieser Ausführungsform wird in einem zusätzlichen, dem Schritt a) nachfolgenden Schritt a1 ) des erfindungsgemäßen Verfahrens die loka- len Wahrscheinlichkeitsdichten des Temperaturgradienten und des Mischungsbruchs zu einer gemeinsamen kombinierten Wahrscheinlichkeitsdichte eines aus Temperaturgradienten und Mischungsbruchgradienten kombinierten Gradienten einer für beide Gradienten gleichen Länge kombiniert. Mittels der zusätzlichen Berücksichtigung des Mischungsbruchs lässt sich die Vorhersage für das Auftreten von Super-Klopfen weiter verbessern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der wenigstens ein lokaler reaktionskinetischer Parameter eine Zündverzugszeit eines Zündungsvorgangs des Kraftstoff-Luftgemisches oder/und die Ableitung dieser Zündverzugszeit nach der Temperatur bzw. des Mischungsbruchs oder/und eine Schallanregungszeit dieses Zündungsvorgangs sein, oder/und der wenigstens eine lokale thermody- namische Parameter die lokale Temperatur bzw. der lokale Mischungsbruch des Kraftstoff-Luftgemisches oder/und die lokale kinematische Viskosität des Kraftstoff-Luftgemisches oder/und der lokale Druck des Kraftstoff-Luftgemisches o- der/und die Schallgeschwindigkeit sein, oder/und der wenigstens eine lokale Turbulenzparameter einer der folgenden lokalen Parameter sein:
a) die kinetische Energie der Turbulenz k,
b) die Dissipation der kinetischen Energie der Turbulenz <ε>,
c) die Varianz des lokalen Temperaturfluktuation <T'2>,
d) die Varianz der Mischungsbruchfluktuation <Z'2>.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform kann die Länge, über welche der Temperatur- bzw. der Mischungsgradient hinweg konstant ist, als linearer Abstand £ zwischen einem ersten Raumpunkt des Kraftstoff-Luftgemisches mit maximaler Temperatur Tmax und einem zweiten Raumpunkt mit minimaler Temperatur Tmin, bzw. einem ersten Raumpunkt des Kraftstoff-Luftgemisches mit maximalem Mischungsbruch Zmax und einem zweiten Raumpunkt mit minimalem Mischungsbruch Zmin definiert sein.
Der Temperaturgradient dT/dx ist dabei wie folgt approximiert:
dT/dx oc ATI £ = (Tmax - Tmm )l £.
Entsprechend ist der Mischungsgradient wie folgt approximiert:
dZ/dx oc A Z/£ = (Zmax-Zm]n)/ £.
Der Mischungsbruch Z ist mit der Luftzahl λ über die Beziehung
= Zst / Z * ((1 -Z) / (1 -Zst))
verknüpft. Hierbei ist Zst der Wert des Mischungsbruchs Z bei stochiometrischer Mischung λ = 1 . Der Mischungsbruch ist also eine zur Luftzahl λ alternative Definition des lokalen Kraftstoff-Luftverhältnis im Vergleich zur stochiometrischen Mischung. Als Massenverhältnis bietet sie sich eher als erstere für numerische Simulationen der Mischungsverhältnisse im Brennraum an.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird durch die Länge £ und die Temperaturdifferenz (ΔΤ = Tmax - Tmin) bzw. die Mischungsbruch-Differenz (ΔΖ = Zmax-Zmin) ein jeweiliges Dissipationselement definiert.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen einer räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines aufgeladenen Ottomotors, umfassend die folgenden Schritte:
A) Definieren von wenigstens einer Zone in der Brennkammer, B) Durchführen des Verfahrens mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale für jede der in Schritt A) definierten Zonen, so dass jeder Zone eine lokale Wahrscheinlichkeit zugeordnet ist.
Ein solches Verfahren erlaubt durch Anwendung des vorangehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer lokalen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen in einer Mehrzahl von Gitterpunkten in dem Kraftstoff-Luftgemisch, wenn dieses beispielsweise in der Brennkammer der Brennkraftmaschine angeordnet ist, die Berechnung einer räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfen in dem Kraftstoff- Luftgemisch in der Brennkammer. Hierzu kann die Brennkammer in der Art eines dreidimensionalen Gitternetzes in die Mehrzahl von Gitterpunkten zerlegt werden und sukzessive für jeden Gitterpunkt das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung der lokalen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen durchgeführt werden.
Das Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung eignet sich besonders im Zusammenhang mit der Entwicklung von Ottomotoren, wenn die Brennkammer eines solchen Ottomotors derart ausgelegt werden soll, dass kein unerwünschtes Super-Klopfen, welches zur Zerstörung des Ottomotors führen kann, auftreten darf. Es sind jedoch selbstverständlich auch zahlreiche andere Anwendungsgebiete für die beiden erfindungsgemäßen Verfahren in Verbindung mit der Entwicklung von Brennkraftmaschinen vorstellbar. Beispielsweise kann daran gedacht sein, das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden, wenn die Brennkammer der Brennkraftmaschine geometrisch dimensioniert werden soll.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren durch numerische Simulation für eine Mehrzahl von Zonen oder Gitterpunkten in der Brennkammer durchgeführt. Hierbei wird die gemeinsame Wahrscheinlich- keitsdichte eines räumlichen Temperaturgradienten und des Mischungsgradienten des Kraftstoff-Luftgemisches sowie einer diesem räumlichen Temperatur- bzw. Mischungsgradienten zugeordneten gleichen Länge, über welche hinweg der Temperatur- bzw. Mischungsgradient im Wesentlichen konstant ist unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte des Kraftstoff-Luftgemisches tabellarisch, also in der Art eines "Lookup-Tables", abgelegt. Dasselbe gilt für die thermodynami- schen und reaktionskinetischen Parameter. Auf diese Weise lässt sich ermitteln, mit welcher Wahrscheinlichkeit Super-Klopfvorgänge in verschiedenen Zonen bzw. Gitterpunkten der Brennkammer der Brennkraftmaschine auftreten können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren den folgenden, zusätzlichen Schritt C) umfassen:
C) Ermitteln des Maximalwerts Pmax K|0 f aus den in Schritt B) für jede Zone bzw. jeden Gitterpunkt berechneten lokalen Wahrscheinlichkeiten. Auf diese Weise lässt sich die erzeugte Datenmenge deutlich reduzieren, was von Bedeutung sein kann, wenn die berechneten Maximalwerte in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs in der Art eines "Lookup-Tables" zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine verwendet werden soll und in dem Steuergerät nur ein begrenzter Speicherplatz zum Speichern eines solchen "Lookup-Tables" zur Verfügung steht. Ein solches "Lookup-Table" kann dazu verwendet werden, um zu überprüfen, ob bei bestimmten Werten der Betriebsparametern der Brennkraftmaschine die Gefahr des Auftretens von unerwünschtem "Super-Klopfen" besteht, so dass das Steuergerät in einem solchen Fall die eingestellten Werte der Betriebsparameter in einen Wertebereich ändert, in welchem das Auftreten von Super-Klopfen ausgeschlossen werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerungseinrichtung für eine eine Brennkammer aufweisende Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Ottomotor, wobei die Steuerungseinrichtung zur Durchführung des vorangehend erläuterten Verfah- rens zur Berechnung der räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfen eingerichtet/programmiert ist. Die Steuerungseinrichtung kann hierzu eine Berechnungseinheit aufweisen, mittels welcher eine maximale Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in die Brennkammer eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch bestimmt wird, wobei diese Bestimmung unter Berücksichtigung globaler Turbulenzeffekte des Kraftstoff- Luftgemischs in der Brennkammer erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung eine Speichereinheit umfassen, in welcher die mittels des vorangehend erläuterten Verfahrens ermittelte räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung speicherbar ist.
Dies bedeutet, dass in der Steuerungseinrichtung das erfindungsgemäße Verfahren in Echtzeit durchgeführt werden kann, um das in der Brennkammer enthaltene Kraftstoff-Luftgemisch hinsichtlich des Auftretens von Super-Klopfen analysieren zu können.
Eine solche Steuerungseinrichtung kann beispielsweise Teil eines Steuergeräts der Brennkraftmaschine sein, welches die Brennkraftmaschine betriebsmäßig bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug ansteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann in der Steuerungseinrichtung in Echtzeit durchgeführt werden, wenn überprüft werden soll, ob in der Brennkraftmaschine eingestellte Steuerungsparameter wie z.B. der Motordrehzahl oder der Temperatur des Kraftstoff- Luftgemisches das Auftreten von Super-Klopfen begünstigen. Hierzu kann die Steuerungseinheit eine Berechnungseinheit aufweisen, mittels welcher eine räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in die Brennkammer eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch bestimmt wird, indem für wenigstens eine Zone jeweils eine lokale Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in dem in die Brennkammer eingebrachten Kraftstoff-Luftgemischs bestimmt wird, wobei diese Bestimmung unter Berücksich- tigung lokaler Turbulenzeffekte des Kraftstoff-Luftgemischs in der Brennkammer erfolgt.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dazu eine Super-Klopf- Wahrscheinlichkeit in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels des Zylinderkolbens der Brennkraftmaschine und in Abhängigkeit der oben genannten Steuerungsparameter berechnet werden. Für den Fall, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt wurde, dass die ermittelte Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen einen vorbestimmten maximalen oberen Grenzwert überschreitet, kann die Steuerungseinrichtung bzw. deren Berechnungseinheit durch Anwendung eines geeigneten Steuerungsalgorithmus einen oder mehrere Betriebsparameter abändern, um das Auftreten von Super-Klopfen zu vermeiden. In diesem Zusammenhang sind zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorstellbar. Beispielsweise kann daran gedacht sein, dass in der Steuerungseinrichtung eine geeignete Steuerungs- bzw. Regelungsstrategie implementiert ist, um gegebenenfalls bestimmte Betriebsparameter wie z.B. die Drehzahl der Brennkraftmaschine, den Druck oder die Temperatur des Kraftstoff-Luftgemischs o.ä. zur Vermeidung von Super-Klopfen zu ändern. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in diesem Fall zur Überprüfung angewandt werden, um sicherzustellen, ob eine bestimmte Wahl der Werte verschiedener Betriebsparameter mit einer hinreichend kleinen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen verbunden ist. Hierzu kann in der Steuerungseinrichtung eine vorbestimmte, maximal zulässige Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit festgelegt sein.
Alternativ zu einer Ausführung des Verfahrens in Echtzeit kann dieses auch "offline" durchgeführt werden und die auf diese Weise erzeugte maximale Klopf- Wahrscheinlichkeit in der Steuerungseinrichtung/dem Steuergerät in der Art eines "Lookup-Tables" abgelegt werden. Hierzu kann die Steuerungseinrichtung eine Speichereinheit umfassen, in welcher die ermittelte räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung speicherbar ist. Zur Reduzierung der Datenmenge kann vorab auch aus der für bestimmte Werte der Steuerungsparameter wie z.B. Motor- Drehzahl, Druck des Kraftstoff-Luftgemisches, Temperatur des Kraftstoff-Luft- Gemisches erzeugten räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung jeweils nur der Maximalwert der räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfen in das "Lookup-Table" übernommen und in der Speichereinheit abgelegt werden.
In einer weiterbildenden Ausführungsform kann die Steuerungseinrichtung eine räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super- Klopfvorgängen in verschiedenen Zonen des Brennraums in der Art eines sog. Mehrzonen-Modells zugrunde legen, indem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens für die verschiedenen Zonen jeweils eine lokale Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in dem in die Brennkammer eingebrachten Kraftstoff-Luftgemischs bestimmt wird, wobei diese Bestimmung wiederum unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte und thermodynamischer Parameter in der Brennkammer erfolgt. Als Sonderfall kann insbesondere auch nur eine Zone zugrunde gelegt werden. Dies bedeutet, dass die Steuerungseinrichtung betriebsmäßig, also während des Betriebs der Brennkraftmaschine, die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern, welche wenigstens teilweise von der Steuerungseinrichtung eingestellt werden können, in der Brennkammer ermitteln kann.
Vorzugsweise werden die Turbulenzparameter aus der momentanen Motordrehzahl der Brennkraftmaschine und aus der mittleren Kolbengeschwindigkeit des Zylinderkolbens ermittelt, so dass die Motordrehzahl oder/und die mittlere Kolbengeschwindigkeit als Eingangsparameter für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. Die Varianz der lokalen Tempe- raturfluktuation kann durch die Differenz zwischen einer Einlasstemperatur der Luft oder bei Abgasrückführung des Luft-Abgasgemischs nach Schließen der Einlassventile und einer charakteristischen Wandtemperatur einer Wand der Brennkammer der Brennkraftmaschine zum Quadrat approximiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer eine Brennkammer aufweisenden Brennkraftmaschine sowie mit einer Steuerungseinrichtung mit einem o- der mehreren der vorangehend erläuterten Merkmale, wobei die Steuerungseinrichtung die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der mittels der Berechnungseinheit bestimmten oder in der Speichereinheit gespeicherten räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung ermittelten maximalen Klopf- Wahrscheinlichkeit ansteuert. Vorzugsweise kann die Ansteuerung in Abhängigkeit von der vorangehend erläuterten, auf jeweilige Wahrscheinlichkeits-Maximalwerte reduzierten räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung erfolgen. Zur Reduzierung der Datenmenge kann vorab auch aus der für bestimmte Werte der Steuerungsparameter wie z.B. Motor-Drehzahl, Druck des Kraftstoff-Luftgemisches, Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugten räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung jeweils nur der Maximalwert der räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfen in das "Lookup-Table" übernommen und in der Speichereinheit abgelegt werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2a/b eine zweidimensionale Temperaturverteilung und deren räumliche
Zerlegung in sog. Dissipationselemente,
Fig. 3 ein Bereichsdiagramm für die Vorhersage von Super-Klopfen,
Fig. 4 eine Beispiel einer normierten gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsdichte des Temperaturgradienten AT/£ und der Länge £,
Fig. 5 ein exemplarisches Zündungsverzugzeit-Temperatur-Diagramm,
Fig. 6a/b eine grobschematische Darstellung einer Brennkammer einer
Brennkraftmaschine,
Fig. 7 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnete maximale Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen in Abhängigkeit von einem momentanen Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine, Fig. 8 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Figur 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer lokalen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in eine Brennkammer eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch in einem schematischen Ablaufdiagramm dargestellt.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens werden als thermodynamische Parameter die Temperatur T, der Druck P, und die lokale Luftzahl λ des betrachteten Kraftstoff-Luftgemisches bereitgestellt. Dabei ist τ e die Schallanregungszeit und τ die Zündverzugszeit. Des Weiteren werden in Schritt S1 die reaktionskinetischen Parameter τ(Τ,ρ,λ) und τ β(Τ,ρ,λ) als Funktion der Temperatur T und des Druckes p und der Luftzahl λ bereitgestellt. Wie bereits erläutert, ist der Mischungsbruch Z mit der Luftzahl λ über die Beziehung λ = Zst / Z * ((1 -Z) / (1 -Zst)) verknüpft.
Hierbei ist Zst der Wert des Mischungsbruchs Z bei stochiometrischer Mischung λ = 1 . Der Mischungsbruch ist also eine zur Luftzahl λ alternative Definition des lokalen Kraftstoff-Luftverhältnis im Vergleich zur stöchiometrischen Mischung.
Die funktionalen Abhängigkeiten τ(Τ,ρ,λ) und τ β(Τ,ρ,λ) zur Bereitstellung der reaktionskinetischen Parameter können durch numerische Simulationsrechnungen ermittelt werden. In der Figur 5 ist exemplarisch eine mittels Simulation berechnete Abhängigkeit τ(Τ,ρ) gezeigt, und zwar für eine stöchiometrische (λ =1 ) PRF- Mischung mit 85% Iso-Oktan und 15% n-Heptan bei drei verschiedenen Drücken Ρι , P2, p3. Folglich lassen sich aus den bekannten thernnodynannischen Parametern p, T und λ der PRF-Mischung des verwendeten Kraftstoff-Luftgemisches die für die Berechnung der gesuchten Wahrscheinlichkeit erforderlichen Parameter τ(Τ,ρ,λ) und τβ(Τ,ρ,λ) ermitteln. Selbstverständlich können auch Mischungen anderer chemischer Komponenten zur Repräsentation von Benzin-Kraftstoffen, für die ebenfalls Zündverzugszeiten und die Schallanregungszeit berechnet und approximiert werden können, verwendet werden.
Schließlich werden in Schritt S1 auch die die lokalen Turbulenzbedingungen in dem Kraftstoff-Luftgemisch beschreibenden Turbulenzparametern k, <ε>, <T'2 > und <Z'2> bereitgestellt. Dabei ist k die kinetische Energie der Turbulenz des Kraftstoff-Luft-Gemisches im betrachteten Raumbereich, <ε> ihre Dissipation, <T'2 > die Varianz der Temperaturfluktuationen und <Z'2> die Varianz der Mischungsbruchfluktuation.
Um nun eine möglichst hohe Vorhersagegenauigkeit von Super-Klopfvorgängen in verschiedenen Raumbereichen der Brennkammer der Brennkraftmaschine auch unter Realbedingungen sicherzustellen, welche das Auftreten von turbulenzbedingten starken lokalen Schwankungen des Temperaturgradienten dT/dx bzw. des Mischungsbruchgradienten dZ/dx des Kraftstoff-Luftgemisches einschließen, werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lokale Turbulenzeffekte des Temperaturgradienten dT/dx und/oder des Mischungsbruchgradienten dZ/dx und der Längen £, über welche hinweg diese jeweils im Wesentlichen konstant sind, im Kraftstoff-Luftgemisch berücksichtigt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hierfür ein als homogen angenommenes, simuliertes Kraftstoff-Luftgemisch in eine Vielzahl von Teilgebieten zerlegt, in welchen der Temperaturgradient dT/dx und/oder der Mischungsbruchgradient dZ/dx des Kraftstoff-Luftgemisches im Wesentlichen konstant sind. Dazu wird eine sog. Direkte Numerische Simulation („DNS") des Strömungsfeldes und des Temperaturfeldes und/oder des Mischungsbruchfeldes des Krafstoff-Luftgemischs durchgeführt Hierfür werden die dem Fachmann bekannten Navier-Stokes- Gleichungen herangezogen und die partiellen Ableitungen in den Navier-Stokes- Gleichungen und in der Gleichung für die Temperatur und/oder für den Mischungsbruch durch Differenzenformeln und/oder durch eine Fourier- Transformation ersetzt, und anschließend das dadurch entstehende Gleichungssystem numerisch gelöst. Dabei kann der betrachtete physikalische Raum beispielsweise in 10243, 20483 oder 40963 Gitterpunkte aufgeteilt werden. Um auch die kleinsten auftretenden Längen der Turbulenz auflösen zu können, werden typischerweise nur Ausschnitte aus der gesamten Strömung mit einer räumlichen Größe von ca. 1 cm3 betrachtet. Auf der Grundlage der numerischen Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen wird anschließend eine Dissipationselemente- Analyse durchgeführt. Diese ist in dem Ablaufdiagramm der Figur 1 unter dem Verfahrensschritt S2 zusammengefasst.
Mittels der Dissipationselemente-Analyse gemäß Schritt S2 wird in Schritt S3 des das erfindungsgemäße Verfahren beschreibenden Ablaufdiagramms (vgl . Figur 1 ) eine kombinierte gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichte P(£, g) eines approximierten Gradienten δφ/dx <χ Δφ/^g sowie einer diesem Gradienten zugeordneten Länge £ ermittelt. Dabei kann der Gradient δφ/dx als Kombination aus Temperaturgradient dT/dx und Mischungsbruchgradient dZ/dx ermittelt werden, was im Folgenden im Zusammenhang mit Gleichung (5) noch genauer erläutert wird. Eine analoge Beziehung gilt für die Kombination der approximierten Gradienten AT/£ und AZ/£ zu Δφ^ nach Gleichung (6). Nach Durchführung der Dissipationselement-Analyse lässt sich somit gemäß Schritt S3 eine gemeinsame lokale Wahrscheinlichkeitsdichte P(£, g) mit dem Gradienten g = A§/£ und der Länge £ bestimmen. Für den vereinfachten Fall eines konstanten Mischungsbruches ist statt des kombinierten Gradienten der approximierte Temperaturgradient AT/£ zu verwenden. Durch Normierung mit entsprechenden Mittelwerten wird dem Berechnungsverfahren eine dimensionslose und damit universelle Darstellung zugrunde gelegt (vgl . Fig. 4).
Die im Zusammenhang mit Schritt S2 genannte Dissipationselemente-Analyse wird nun im Folgenden anhand der Figuren 2 und 3 genauer erläutert. Bei der Dissipationselemente-Analyse werden sog. Dissipationselemente als Raumbe- reich-füllende Strukturen in einem skalaren Feld, beispielsweise dem Temperaturfeld des Kraftstoff-Luftgemisches in der Brennkammer, definiert. Die Dissipationselemente können dabei durch Verwendung von sog. Gradienten-Trajektorien erzeugt werden können. Folgt man z.B. in einem Temperaturfeld einer solchen Gradienten-Trajektorie von einem beliebigen Raumpunkt aus in ansteigender Richtung, so erreicht man einen Raumpunkt mit einem Temperatur-Maximalwert. Entsprechend erreicht man von diesem beliebigen Raumpunkt aus einen Temperatur-Minimalwert, wenn man einer Gradienten-Trajektorie in absteigender Richtung folgt. Ein Dissipationselement ist dabei als räumlicher Bereich im Sinne einer Menge von Raumpunkten definiert, von welchem jeweils derselbe Raumpunkt mit Maximalwert bzw. Minimalwert über Gradienten-Trajektorien erreicht werden. Innerhalb eines Dissipations-Elements weist der Temperatur-Gradient also einen im Wesentlichen konstanten Verlauf auf. Entsprechendes gilt mutatis mutandis für die Ermittlung von Dissipationselementen in einem Mischungsbruchfeld, was der Übersichtlichkeit halber in der Figur 3 nicht gezeigt ist. In der Figur 3a ist exemplarisch ein Gebiet 9 mit einer zweidimensionalen turbulenten Temperaturverteilung dargestellt. Die mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten Punkte sind Orte, in welchen die Temperatur T einen Temperatur-Minimalwert annimmt, die mit dem Bezugszeichen 6 bezeichneten Punkte sind Orte, an welchen die Temperatur T einen Temperatur-Maximalwert annimmt. Die mit 7 bezeichneten Linien repräsentieren Grenzlinien zwischen den verschiedenen Dissi- pations-Elementen 8. Aus der Figur 3a lässt sich entnehmen, dass das Gebiet 9 mittels der Dissipations-Elemente 8 in eine Vielzahl kleinerer Bereiche unterteilt werden kann, welche jeweils hinsichtlich des Auftretens von Super-Klopfen einer genaueren Analyse zugänglich sind.
Die Länge eines Dissipationselements 8 beträgt typischerweise 2 Taylor-Längen T=(10*v*k/<s>) . Nur innerhalb eines jeweiligen Dissipationselements 8, in welchem der Temperaturgradient im Wesentlichen konstant ist, kann die bereits erläuterte Resonanz zwischen der Reaktionsfront-Geschwindigkeit u und der Schallgeschwindigkeit a auftreten und einen Klopfvorgang bis hin zum SuperKlopfen erzeugen.
Betrachtet man in der Figur 3a das mit 10 bezeichnete Dissipationselement, welches in der Figur 3b separat und vergrößert dargestellt ist, und den darin angeordneten Punkt mit maximaler Temperatur 1 1 sowie den Punkt 12 mit minimaler Temperatur, so ist der Quotient aus der Temperaturdifferenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur und dem mit £ bezeichneten Abstand der beiden Punkte 1 1 , 12 ein Maß für den Temperaturgradienten dT/dx im Dissipationselement 10.
Nimmt man nun an, dass das Dissipationselement 10 ein mit einem Kraftstoff- Luftgemisch gefüllter lokaler räumlicher Teilbereich der Brennkammer der Brennkraftmaschine ist, so ist in dem Dissipationselement 10 folgendes Szenario vor- stellbar: Während einer Kompressionsphase in der Brennkammer erhöht sich die Temperatur des Kraftstoff-Luftgemisches, was zur Selbstzündung bzw. Vorzündung desselben im Bereich des Punktes 1 1 mit maximaler Temperatur führen kann. In diesem Bereich werden dabei starke akustische Wellenfronten erzeugt, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Für den Fall, dass dem Punkt 1 1 benachbarte Dissipationselemente einen geeigneten Temperaturgradienten bzw. Mischungsbruchgradienten aufweisen, kann die oben erwähnte akustische Kopplung stattfinden . Mittels einer solchen akustischen Kopplung kann eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches auch in weiteren Dissipationselementen des Gebietes 9 erzeugt werden, was dann letztlich zu dem unerwünschten SuperKlopfen führen kann.
Um eine Wahrscheinlichkeitsaussage für das Auftreten von Super-Klopfen auf Grundlage der vorangehend erläuterten Zerlegung des zu untersuchenden Bereichs, also der Brennkammer der Brennkraftmaschine, treffen zu können, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren angenommen, dass der durch die Direkte Numerische Simulation gemäß Verfahrenschritt S2 erfasste Ausschnitt jeweils das Gebiet zwischen mehreren Gitterpunkten in der Umgebung des Gitterpunktes x. beschreibt, wenn, wie im Folgenden noch genauer erläutert werden wird, der Brennraum in ein dreidimensionales Gitternetz mit einer Mehrzahl von Gitterpunkten x. zerlegt wird, und dass somit dieses Gebiet eine Mehrzahl von Dissipationselementen enthält. Ein jedes Dissipationselement 8 in dem jeweiligen Feld wird mittels zweier unabhängiger Parameter charakterisiert, und zwar zum einen mittels des Temperaturgradienten dT/dx, der durch AT/£ approximiert wird, zum anderen mittels des Mischungsbruchgradienten dZ/dx, welcher durch AZ/£ approximiert wird, zum anderen mittels des jeweiligen linearen Abstands £, der sich für das Temperaturfeld zwischen den Punkten 1 1 , 12 mit maximaler bzw. minimaler Temperatur, für das Mischungsfeld zwischen dem maximalen und minimalen Mi- schungsbruch erstreckt. Die jeweiligen Längen werden für die statistische Aussage als gleich gewählt. Ferner wird ein einziger Gradient g= A§/£, der eine Kombination aus dem approximiertem Temperaturgradienten AT/£ und dem approximierten Mischungsbruchgradienten AZ/£ (vgl . Gleichung 5) darstellt, der Wahrscheinlichkeitsaussage zugrunde gelegt. In einer vereinfachten Variante kann im Rahmen der Dissipationselemente-Analyse auch auf eine Betrachtung des Mischungsfeldes bzw. Mischungsbruchsgradienten verzichtet werden und nur der Temperaturgradient zur Bestimmung der Dissipationselemente herangezogen werden.
Betrachtet man nun wieder das Ablaufdiagramm der Figur 1 , so erkennt man, dass die gesuchte Wahrscheinlichkeit PKi0 f für das Auftreten eines Klopfvorgangs, insbesondere von Super-Klopfen, in dem betrachteten lokalen Raumbereich . der Brennkammer gemäß Schritt S4 des Ablaufdiagramms durch Aufintegration der Wahrscheinlichkeitsdichte P(£ ,g) über £ und über den Gradienten g, also
Figure imgf000025_0001
berechnet werden kann. Entscheidend ist erfindungsgemäß hierbei, dass bei der Integration nur derjenige Teil des funktionalen Raums von £ und g berücksichtigt wird, in welchem überhaupt ein Klopfvorgang auftreten kann. Aus der theoretischen Modellierung ist nämlich bekannt, dass für bestimmte Wertebereiche von £ und g keinerlei Super-Klopfeffekte auftreten können.
Einem sog. "Bereichsdiagramm" , welches dem Fachmann bekannt und in der Figur 3 dargestellt ist, kann entnommen werden, für welche Werte der Reaktions- front-Geschwindigkeit u, der Schallgeschwindigkeit a, der sog. Schallanregungszeit τβ des Kraftstoff-Luftgemisches, und einer Länge £, über welche hinweg der Temperaturgradient dT/dx und/oder der Mischungsbruchgradient dZ/dx in dem Kraftstoff-Luftgemisch im Wesentlichen konstant ist, Klopfvorgänge bis hin zum Super-Klopfen auftreten können. Die Schallanregungszeit τβ ist dabei als Zeitdauer definiert, die vergeht, bis die relative Wärme-Freisetzungsrate bei der Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches von 5% auf einen Maximalwert ansteigt.
Im Zusammenhang mit dem Bereichsdiagramm 1 der Figur 2 ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, dass für das Auftreten von Super-Klopfen eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches an heißen Stellen in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung ist. In diesem Zusammenhang sind theoretische Modelle bekannt, welche das Auftreten von unerwünschten Superklopf-Effekten ausgehend von den heißen Stellen der Selbstzündung des reaktiven Kraftstoff-Luftgemisches unter Berücksichtigung verschiedener Kraftstoffarten behandeln. Eine derartige theoretische Behandlung der Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches und ein etwaiges Auftreten von Super-Klopfen basiert auf einer Analyse der Ausbreitungsmoden von Reaktionsfronten des reaktiven Kraftstoff-Luftgemisches mit Temperaturgradient dT/dx und/oder mit Mischungsbruchgradient dZ/dx in der Endphase der Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches.
In einer solchen theoretischen Behandlung wird das Auftreten von Super-Klopfen als ein akustischer Resonanzeffekt zwischen der Reaktionsfront-Geschwindigkeit u und der Schallgeschwindigkeit a beschrieben. Für das Auftreten eines Super- Klopfvorgangs ist es demnach erforderlich, dass die Ableitung der Zündverzugs- zeit τ nach der Temperatur T, also δτ/δΤ, lokal mit dem räumlichen Temperaturgradienten dT/dx, sowie die Ableitung der Zündverzugszeit nach dem Mischungsbruch dx/dZ mit dem Mischungsbruchgradienten dZ/dx, in Ausbreitungsrichtung der Reaktionsfront derart koppelt, dass eine Reaktionswelle in einer Reaktionsfront-Geschwindigkeit u resultiert, welche im Größenordnungsbereich der Schallgeschwindigkeit a liegt. In diesem Fall ist das Auftreten von Super-Klopfen möglich .
Bei der Verwendung eines "Bereichsdiagramms" in herkömmlichen, aus der Stand der Technik bekannten Simulationsverfahren bleiben einerseits die Einflüsse des Mischungsbruchgradienten, andererseits die turbulenten Bedingungen, die den örtlichen Temperaturgradienten dT/dx bzw. den örtlichen Mischungsbruchgradienten dZ/dx bestimmen, wie sie in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine auftreten, unberücksichtigt, wobei für letztere fest angenommene Zahlenwerte verwendet werden, was zu einer fehlerhaften oder nur ungenauen Vorhersage hinsichtlich des Auftretens von Super-Klopfen führen kann.
Die Verwendung des Bereichsdiagramms der Figur 3 alleine ist also zur Vorhersage des Auftretens von Super-Klopfen nur unzureichend geeignet; demgegenüber wird das Bereichsdiagramm im erfindungsgemäßen Verfahren nur als Teilaspekt, nämlich bei der Aufintegration der Wahrscheinlichkeitsdichte, welche unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte berechnet wird, zur gesuchten Wahrscheinlichkeit verwendet, um Integrationsgrenzen bei der Aufintegration festzulegen.
Für die folgenden Ausführungen wird der komplexere Fall erläutert, bei welchem sowohl der Mischungsbruchgradient als auch der Temperaturgradient (dT/dx) des Kraftstoff-Luftgemisches (dZ/dx) betrachtet wird, und für beide Größen jeweils eine separate Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet wird, welche dann in einem zusätzlichen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einer gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsdichte kombiniert werden kann. In einer vereinfachten Variante kann der Mischungsbruch und der Mischungsbruchgradient vollständig außer Betracht gelassen werden, d.h. für die folgenden Gleichungen gilt im vereinfachten Fall dZ/dx = 0, 3τ/3Ζ=0.
Im Zusammenhang mit den vorangehenden Ausführungen ist die Reaktionsfront - Geschwindigkeit u = 1 /(δτ/δΤ * ÖT/ÖX+ d%ldZ*dZldx), (2)
In dem Bereichsdiagramm der Figur 3 ist auf der x-Achse der dimensionslose Parameter ε und auf der y-Achse der dimensionslose Parameter ξ aufgetragen. Die Parameter ξ und ε sind dabei wie folgt definiert:
^=a/u=a* {δτ/ΘΤ* dT/dx + d%ldZ*dZldx) (3) ε = £ I (a* Ts). (4)
Dabei ist a die Schallgeschwindigkeit und £, wie bereits erläutert, die für Dissipa- tionselemente aus beiden Feldern, dem Temperaturfeld und dem Mischungsbruchfeld, als gleich angenommene Länge, über welche hinweg jeweils der Temperaturgradient dT/dx bzw. der Mischungsbruchgradient dZ/dx im Wesentlichen konstant ist.
Durch die lokal gegebenen thermodynamischen Größen dx/öT und dxldZ sowie der lokalen Gradienten dT/dx und dZ/dx ist weiterhin der Gradient δφ/δχ = dxldl * ÖT/ÖX+ dxldZ * dZ/dx (5) und der approximierte Gradient g = Δφ^ = δτ/δΤ * AV£ + dxldZ * AZI£ (6) definiert.
Aus der theoretischen Modellierung ist dem Fachmann nun bekannt, dass nur in dem mit dem Bezugszeichen 1 bezeichneten Bereich des Bereichsdiagramms ein Auftreten von Detonationsvorgängen und damit insbesondere von Super-Klopfen möglich ist. Der Bereich 1 wird in ξ-Richtung durch die Linien mit den Bezugszeichen 2 und 3 begrenzt, welche einen oberen Grenzwert ξυ(ε) bzw. unteren Grenzwert ξι(ε) wiedergeben. Der für die Aufintegration von P( ,g) zu PKi0 f erforderlichen Integrationsgrenzen lauten
Figure imgf000029_0001
9i = ξ ϊ a (8)
In Gleichung (9) ergibt sich entsprechend der benötigte Zusammenhang zwischen dem dimensionslosen Parameter ε und dem Abstand £ zu
£ = ε * a * xe . (9)
Somit lassen sich aus dem Bereichsdiagramm der Figur 2 die Integrationsgrenzen gemäß Schritt S4 des Ablaufdiagramms der Figur 1 entnehmen.
Im Diagramm der Figur 4 ist exemplarisch eine gemäß Schritt S3 des Ablaufdiagramms der Figur 1 mittels DNS berechnete lokale normierte gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichte P{£l£m, AT/£ l(AT/£)m) für den vereinfachten Spezialfall λ= 1 dargestellt, bei dem das Mischungsfeld homogen ist und folglich die Mischungsbruchgradienten verschwinden, also einen Nullwert annehmen. Die Werte für AT/£ und £ sind mit dem Mittelwert des skalaren Gradienten {AT/£)m bzw. mit dem Mittelwert des linearen Abstands £m normiert. Dieser Wertebereich ist in dem Beispiel-Diagramm der Figur 4 durch eine Graustufendarstellung wiedergegeben. Dabei bedeuten Graustufen im Zentrum (d.h. bei g/gm = 1 , £l£m =0,8) des L- förmigen Bereiches einen höheren Wert der Wahrscheinlichkeitsdichte P als Graustufen für größere oder kleinere Werte von g/gm und £l£m , d.h. vom Zentrum (Bereich Ί" in der Figur 4) ausgehend fällt die Wahrscheinlichkeitsdichte P in alle Richtungen ab. Der mit Ί" bezeichnete Bereich (vgl . gestrichelte Linie in der Figur 4) weist also eine höhere Wahrscheinlichkeitsdichte P auf als der mit "II" bezeichnete Bereich, welcher wiederum eine höhere Wahrscheinlichkeitsdichte P aufweist als der mit "III" bezeichnete Bereich.
Für den komplexeren Fall, in welchem der Mischungsbruchgradient berücksichtigt ist, ist statt AT/£ der Gradient g zu verwenden, wobei g durch die Kombination der Gradienten AT/£ und AZ/£ aus den jeweiligen Dissipationselementen gemäß Gl. (6) zu ermitteln sind. Dabei ergibt sich eine normierte gemeinsame Wahrscheinlichkeitsdichte P{£/£m, g/gm) entsprechend der linearen Beziehung gemäß Gleichung (6) aus einer Faltung der gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsdichten P{£l£m, AT/£ /(AT/£)m) und P{£/£m, AZ/£ /{AZ/£)m).
Die bei der Normierung verwendeten Mittelwerte (ΔΤ7Ϊ )m, (AZ/£)m und £m lassen sich in Abhängigkeit von verschiedenen, die lokalen Turbulenzbedingungen in dem Kraftstoff-Luftgemisch beschreibenden Turbulenzparameter wie z.B. k, <ε>, <T'2> und <Z'2> für jeden Gitterpunkt x. berechnen, wenn wie weiter unten erläutert wird, der Brennraum in ein dreidimensionales Gitternetz mit einer Mehrzahl von Gitterpunkten x. zerlegt wird. Dabei ist k, wie bereits erläutert, die kinetische
Energie der Turbulenz des Kraftstoff-Luft-Gemisches im betrachteten Raumbereich, <ε> ihre Dissipation, <T'2 > die Varianz der Temperaturfluktuationen und <Z'2> die Varianz des Mischungsbruches. Die skalare Dissipation der Temperatur χτ ist proportional zu k/ε * <T'2 >, die skalare Dissipation des Mischungsbruchs χζ ist proportional zu k/ε * <Z'2>.
Aus diesen Größen lassen sich (ΔΤ/ )m , (AZU )m und im wie folgt berechnen:
(ATO )m °c χτ1/2 /(^ 2/3 * <ε>1/6 ), (10) (ΔΖ/ m °c %z l2 l{im m * <ε>1/6 ), (10')
Figure imgf000031_0001
wobei λτ = (10 * v * k/<s>)1/2 (12) gilt. Dabei ist λτ die sog. Mikro-Länge oder "Taylor-Länge" der Turbulenz und v die kinematische Viskosität des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung der lokalen Wahrscheinlichkeit PKi0 f kann nun in verschiedenen lokalen Raumbereichen des Brennraums, also der Brennkammer der Brennkraftmaschine, angewendet werden, um auf diese Weise räumlich aufgelöste Wahrscheinlichkeitsaussagen zu erhalten. Hierfür bietet es sich an, den Brennraum in ein dreidimensionales Gitternetz mit einer Mehrzahl von Gitterpunkten x.zu zerlegen, und für jeden Gitterpunkt x. zu berechnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dann schleifenartig für jeden Gitterpunkt x. wiederholt. Ein solcher Gitterpunkt x. kann auch zur Definition einer bestimm- ten Zone in der Brennkannnner der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Im Ablaufdiagramm der Figur 1 ist eine solche schleifenartige, imax-fach wiederholte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 1 angedeutet. Dabei bezeichnet imax die Anzahl der Gitterpunkte χ. , der
Parameter i dient zur Indizierung der Gitterpunkte x. und lokalen Wahrscheinlichkeit Ρ'κΐο ί- Das Verfahren wird wiederholt, bis der Indizierungsparameter i den Maximalwert imax erreicht und danach beendet, was in dem Ablaufdiagramm durch den Verfahrensschritt S5 zum Ausdruck gebracht wird.
Mögliche Werte für den Parameter imax zur räumlichen Simulation des gesamten Brennraums liegen zwischen 50000 und 500000. Mittels einer imax-fachen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich folglich i verschiedene lokale Wahrscheinlichkeiten P'KioPf berechnen. Für den Fall, dass mittels des Gitterpunkts . ein jeweiliger Zonenbereich definiert wird, kann imax aber auch wesentlich geringere Werte annehmen. Im einfachsten Fall wird das Verfahren auf nur eine einzige Zone angewandt, also imax = 1 .
Aus dem Ablaufdiagramm der Figur 1 kann man entnehmen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung der räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung P'Kio f zur Reduzierung der erzeugten Datenmenge einen optionalen Verfahrensschritt S6 aufweisen kann, welcher in der Figur 1 gestrichelt dargestellt ist. In diesem Verfahrensschritt S6 wird aus allen berechneten Werten P'KioPf (für 1 = 1 ...imax) der Maximalwert Pmax K|0Pf ermittelt, also Pmax Ki0Pf = max (P'KioPf; 1 = 1 . . . imax). Ein solcher optionaler Verfahrensschritt S6 bietet sich zum Zwecke der Reduzierung der erzeugten Datenmenge insbesondere dann an, wenn die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung in der Art eines "Lookup-Tables" in einer Steuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine verwendet werden soll. In diesem Fall wird für einen bestimmten Wert jeweiliger Eingangsparameter T, p, λ nur der zugehörige Maximalwert Pmax K|0 f gespeichert.
In der Darstellung der Figur 6 ist nun exemplarisch eine Brennkammer 20 einer Brennkraftmaschine in einer Seitenansicht (Figur 6a) bzw. einer Draufsicht (Figur 6b) gezeigt. Mittels einer schleifenartigen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für verschiedene Raumbereiche der Brennkammer 20 lassen sich Bereiche ermitteln, in welchen die Wahrscheinlichkeit PKi0 f für das Auftreten von Super-Klopfen besonders hoch ist. Diese Bereiche sind in der Figur markiert und mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Da sich in Druck p und Temperatur T des Kraftstoff-Luftgemisches in Abhängigkeit von einer Stellung der Kurbelwelle im Zylinder der Brennkraftmaschine ändern, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren zudem auch eine Wahrscheinlichkeitsaussage für das Auftreten von Super-Klopfen in Abhängigkeit von der Stellung des Kolben (bzw. der Kurbelwelle) im Zylinder. Dies ist exemplarisch in der Darstellung der Figur 7 gezeigt.
In dem Diagramm der Figur 7 zeigt der mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnete Graph die mittlere Temperatur T des Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel ("CA") des Kolbens.
Gleichzeitig zeigt der mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnete Graph die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnete Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Klopfvorgangs in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
In der Figur 8 ist grobschematisch eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung
100 für eine eine Brennkammer 101 aufweisende Brennkraftmaschine 102 gezeigt. Die Brennkraftmaschine 102 kann ein Ottomotor sein. In der Brennkammer
101 ist ein linear beweglicher Zylinderkolben 103 angeordnet und mit einer Kur- beiwelle 104 verbunden. In der Brennkammer 101 ist ein Kraftstoff-Luftgemisch angeordnet. Der genaue technische Aufbau der Brennkammer bzw. der Brennkraftmaschine ist dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet wird.
Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 100 kann in der Art eines herkömmlichen Mikrokontrollers ausgebildet sein und Teil eines Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs sein, mittels welchem die Brennkraftmaschine 102 angesteuert wird. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung 100 als separates Bauelement ausgebildet sein. Die Steuerungseinrichtung 100 kann eine Steuerungseinheit 106 (ECU) und eine Speichereinheit 107 aufweisen. Die Steuerungseinrichtung 100 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei in einer ersten Variante in Echtzeit in der Steuerungseinrichtung 100 durchgeführt werden, so dass das in der Brennkammer 101 enthaltene Kraftstoff-Luftgemisch hinsichtlich des Auftretens von Super-Klopfen ebenfalls in Echtzeit analysiert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also zur Überprüfung verwendet werden, ob die in der Brennkraftmaschine 102 eingestellten momentanen Werte von bestimmten Steuerungsparametern wie z.B. der Motordrehzahl n oder der Temperatur T des Kraftstoff-Luftgemisches das Auftreten von Super-Klopfen begünstigen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann hierfür beispielsweise eine Su- per-Klopf-Wahrscheinlichkeit in Abhängigkeit eines momentanen Kurbelwinkels des Zylinderkolbens 103 der Brennkraftmaschine 102, von welchem wiederum Temperatur T und Druck p des Kraftstoff-Luftgemischs im Brennraum abhängen, berechnet werden.
Für den Fall, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt wurde, dass die ermittelte Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen einen vorbestimmten maximalen oberen Grenzwert überschreitet, kann die Steuerungs- einrichtung 100 bzw. das Steuergerät der Brennkraftmaschine durch Anwendung eines geeigneten Steuerungsalgorithmus einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine abändern, um das Auftreten von Super-Klopfen, welches zu einer Zerstörung der Brennkammer 101 oder/und des Zylinderkolbens 103 führen kann, zu vermeiden. In diesem Zusammenhang sind zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens vorstellbar. Beispielsweise kann daran gedacht sein, dass in der Steuerungseinrichtung 100 bzw. dem Steuergerät der Brennkraftmaschine 102 eine geeignete Steuerungs- bzw. Regelungsstrategie implementiert ist, um gegebenenfalls bestimmte Betriebsparameter wie z.B. die Drehzahl n des Kolbens der Brennkraftmaschine 102 , den Druck p oder die Temperatur T des Kraftstoff-Luftgemischs o.ä. zur Vermeidung von Super-Klopfen zu ändern. Dies kann beispielsweise durch eine Änderung der Kraftstoffzufuhr und des Einspritzzeitpunkts sowie durch Mehrfach-Einspritzungen von Kraftstoff in die Brennkammer geschehen. Eine weitere Möglichkeit, die genannten Betriebsparameter zu beeinflussen, kann darin bestehen, eine Temperatur von in die Brennkammer rückgeführtem, gekühltem Abgas zu ändern.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Art eines Überprüfungsverfahrens angewandt werden, um sicherzustellen, ob eine bestimmte Wahl der Werte der verschiedenen Betriebsparameter mit einer hinreichend kleinen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfen verbunden ist. Hierzu kann in der Steuerungseinrichtung eine vorbestimmte, maximal zulässige Obergrenze für diese Wahrscheinlichkeit abgelegt sein.
Alternativ zu einer Ausführung des Verfahrens in Echtzeit gemäß der ersten Variante kann das Verfahren in einer zweiten Variante auch "offline" durchgeführt werden und die auf diese Weise erzeugte räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung P'Kio f in der Speichereinheit 107 der Steuerungseinrichtung 100 bzw. des Steuergeräts des Kraftfahrzeugs in der Art eines "Lookup-Tables" abgelegt werden.
Zur Reduzierung der erzeugten Datenmenge bietet es sich an, dass vorab auch aus der für verschiedene Werte der Steuerungsparameter (z.B. Motor-Drehzahl n, Druck p, Temperatur T, etc.) erzeugten räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung Ρ'κΐο ί jeweils nur der in Schritt S6 ermittelte Maximalwert Pmax K|0 f der räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung P'KioPf für das Auftreten von Super-Klopfen in das "Lookup-Table" übernommen wird. Somit steht in dem Lookup-Table für jeweilige Werte der Steuerungsparameter n, p, T eine Wahrscheinlichkeit Pmax K|0 f = P(n, p, T) für das Auftreten von Super-Klopfen zur Verfügung, was folglich bei der An- steuerung der Brennkraftmaschine 102 berücksichtigt werden kann.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Bestimmen einer lokalen Wahrscheinlichkeit (P'Kio f) für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines aufgeladenen Ottomotors, eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch, umfassend die folgenden Schritte:
a) Bestimmen der lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte (P) eines räumlichen Temperaturgradienten (dT/dx) eines betrachteten Kraftstoff-Luftgemisches sowie einer diesem räumlichen Temperaturgradienten (dT/dx) zugeordneten Länge (£), über welche hinweg der Temperaturgradient (dT/dx) jeweils im Wesentlichen konstant ist, wobei die Wahrscheinlichkeitsdichte (P) von wenigstens einem lokalen Turbulenzparameter (k, <e>, <T'2>, <Z'2>) und wenigstens einem lokalen thermodynamischen Parameter (p, T, λ) abhängt,
b) Bestimmen der lokalen Wahrscheinlichkeit (P'Kio f) durch Aufintegration der lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte (P) zu einer lokalen Klopf-Wahrscheinlichkeit.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- in Schritt a) zusätzlich eine lokale Wahrscheinlichkeitsdichte eines räumlichen Mischungsbruchgradienten (dZ/dx) des Kraftstoff-Luftgemisches sowie einer diesem Mischungsbruchgradienten (dZ/dx) zugeordneten Länge (£), über welche hinweg der Mischungsbruchgradient (dZ/dx) jeweils im Wesentlichen konstant ist, bestimmt wird, wobei die lokale Wahrscheinlichkeitsdichte des Mischungsbruchgradienten von wenigstens einem lokalen Turbulenzparameter (k, <e>, <T2>, <Z'2>) und wenigstens einem lokalen thermodynamischen Parameter (p, T, λ) abhängt,
- in einem zusätzlichen, dem Schritt a) nachfolgenden Schritt a1 ) die lokalen Wahrscheinlichkeitsdichten des Temperaturgradienten (P) und des Mischungsbruchs zu einer gemeinsamen kombinierten Wahrscheinlichkeitsdichte eines aus Temperaturgradienten (dT/dx) und Mischungsbruchgradienten (dZ/dx) kombinierten Gradienten einer für beide Gradienten gleichen Länge (£) kombiniert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die lokalen Wahrscheinlichkeitsdichte (P) des räumlichen Temperaturgradienten (dT/dx) oder/und Mischungsbruchgradienten (dZ/dx) in Schritt a) unter Berücksichtigung lokaler Turbulenzeffekte des Kraftstoff-Luftgemisches ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aufintegration nach Schritt b) durch Aufintegration innerhalb vorbestimmter Integralgrenzen (gu, gi) erfolgt, wobei die Bestimmung der Integralgrenzen (gu, g,) in Abhängigkeit von dem wenigstens einen lokalen thermodynamischen Parameter und wenigstens einen lokalen reaktionskinetischen Parameter erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der wenigstens ein lokale reaktionskinetische Parameter eine Zündverzugszeit (τ) eines Zündungsvorgangs des Kraftstoff-Luftgemisches oder/und die Ableitung dieser Zündverzugszeit nach der Temperatur (dx/dT) oder/und nach dem Mischungsbruch (δτ/dZ) und/oder eine Schallanregungszeit dieses Zündungsvorgangs (τβ) ist,
- der wenigstens eine lokale thermodynamische Parameter einer der folgenden lokalen Parameter ist:
- lokale Temperatur (T),
- lokaler Mischungsbruch (Z),
- lokale kinematische Viskosität (v),
- lokale Druck (p),
- lokale Schallgeschwindigkeit (a),
- lokale Luftzahl (λ),
- der wenigstens eine lokale Turbulenzparameter einer der folgenden lokalen Parameter ist:
- kinetische Energie der Turbulenz (k);
- Dissipation der kinetischen Energie der Turbulenz (<ε>);
- Varianz der lokalen Temperaturfluktuationen <T'2>;
- Varianz des lokalen Mischungsbruchs <Z'2>;
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Länge (£), über welche der Temperatur- bzw. Mischungsbruchgradient hinweg konstant ist, als linearer Abstand zwischen einem ersten Raumpunkt des Kraftstoff-Luftgemisches mit maximaler Temperatur (Tmax) und einem zweiten Raumpunkt mit minimaler Temperatur (Tmin) bzw. zwischen einem ersten Raumpunkt mit maximalem Mischungsbruch (Zmax) und einem zweiten Raumpunkt mit minimalem Mischungsbruch (Zmjn) approximiert sind,
- der Temperaturgradient (dT/dx) und der Mischungsbruchgradient (dZ/dx) wie folgt approximiert sind:
dT/dx oc ΔΤ/ 1 = (Tmax - Tmin) / l bzw. dZ/dx χ Δ Ζ« = (Zmax - Zmin) / L
7. Verfahren zum Bestimmen einer räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines aufgeladenen Ottomotors, umfassend die folgenden Schritte:
A) Definieren einer Mehrzahl von Zonen oder eines Gitternetzes mit einer
Mehrzahl von Gitterpunkten in der Brennkammer,
B) Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für jede Zonen bzw. jedem Gitterpunkt in der Brennkammer, so dass jeder Zone bzw. jedem Gitterpunkt eine lokale Wahrscheinlichkeit zugeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren den zusätzlichen Schritt C) aufweist:
C) Ermitteln des Maximalwerts Pmax K|0 f aus den in Schritt B) für jede Zone bzw. jeden Gitterpunkt berechneten lokalen Wahrscheinlichkeiten.
9. Steuerungseinrichtung (100) für eine eine Brennkammer (101 ) aufweisende Brennkraftmaschine (102), insbesondere einen Ottomotor,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuerungseinrichtung (100) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 oder 8 eingerichtet/programmiert ist, wobei die Steuerungseinheit (100) insbesondere eine Berechnungseinheit (106) aufweist, mittels welcher eine maximale Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Super-Klopfvorgängen in einem in die Brennkammer eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisch bestimmt wird, wobei diese Bestimmung unter Berücksichtigung globaler Turbulenzeffekte des Kraft- stoff-Luftgemischs in der Brennkammer erfolgt, oder/und dass - die Steuerungseinnchtung (100) eine Speichereinheit (107) umfasst, in welcher die mittels des Verfahrens nach Anspruch 7 oder 8 ermittelte räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung speicherbar ist.
10. Kraftfahrzeug,
- mit einer eine Brennkammer (101 ) aufweisenden Brennkraftmaschine (102),
- mit einer Steuerungseinrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Steuerungseinrichtung (100) die Brennkraftmaschine (102) in Abhängigkeit von der mittels der Berechnungseinheit (106) bestimmten oder in der Speichereinheit (107) gespeicherten räumlichen Wahrscheinlichkeitsverteilung ansteuert.
*****
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9903334B2 (en) 2016-05-10 2018-02-27 Fca Us Llc Low speed pre-ignition knock detection
CN108150299A (zh) * 2017-12-23 2018-06-12 奇瑞汽车股份有限公司 一种增压汽油机超级爆震预控制方法和系统
US10823098B1 (en) 2019-04-18 2020-11-03 Fca Us Llc Low speed pre-ignition knock detection, mitigation, and driver notification

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT516625B1 (de) 2015-04-13 2016-07-15 Piezocryst Advanced Sensorics Druckmessvorrichtung und schutzeinrichtung für einen drucksensor
DE102016224643A1 (de) * 2016-12-09 2017-07-27 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine
DE102020210984B4 (de) 2020-08-31 2022-07-07 Vitesco Technologies GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer Fluideinspritzmenge eines Einspritzsystems

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008024663A2 (en) * 2006-08-25 2008-02-28 Michigan Technological University Combustion knock detection and control through statistical characterization of knock levels
DE102009008246B3 (de) * 2009-02-06 2010-08-26 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Verfahren zur Vorhersage einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine
DE102010003305A1 (de) * 2010-03-25 2011-09-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vermeidung irregulärer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6006157A (en) * 1999-05-03 1999-12-21 Ford Global Technologies, Inc. Real-time engine misfire detection method
DE112005003527B4 (de) * 2005-04-01 2020-08-06 Hoerbiger Wien Gmbh Verfahren für die Schätzung von Verbrennungsparametern
DE102008038102B4 (de) * 2008-08-18 2010-05-27 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Verfahren zur Verhinderung einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine mit hohem Verdichtungsverhältnis

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008024663A2 (en) * 2006-08-25 2008-02-28 Michigan Technological University Combustion knock detection and control through statistical characterization of knock levels
DE102009008246B3 (de) * 2009-02-06 2010-08-26 Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr Verfahren zur Vorhersage einer Vorentflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinderraum einer ottomotorisch betriebenen Brennkraftmaschine
DE102010003305A1 (de) * 2010-03-25 2011-09-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vermeidung irregulärer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9903334B2 (en) 2016-05-10 2018-02-27 Fca Us Llc Low speed pre-ignition knock detection
CN108150299A (zh) * 2017-12-23 2018-06-12 奇瑞汽车股份有限公司 一种增压汽油机超级爆震预控制方法和系统
US10823098B1 (en) 2019-04-18 2020-11-03 Fca Us Llc Low speed pre-ignition knock detection, mitigation, and driver notification

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