AT501937A2

AT501937A2 - Verfahren zur erkennung und vermeidung von verfrühten verbrennungsereignissen

Info

Publication number: AT501937A2
Application number: AT0141306A
Authority: AT
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2006-12-15
Also published as: AT506271B1; US20080183367A1; US7854218B2; DE102007039036A1; DE102007039036B4; AT501937B1; AT501937A3; AT506271A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von verfrühten Verbrennungsereignissen.
Bei bekannten Anwendungen von Klopfregelsystemen werden Brennkraftmaschinen permanent mit zylinderindividuellen variablen Zündwinkeln betrieben, wobei aus dem klopffreien Betrieb der Zündwinkel in Richtung "früh" so lange verstellt wird, bis Klopfen erkannt wird. Danach erfolgt eine Rücknahme des Zündzeitpunktes in Richtung "spät", was zur Vermeidung von Klopfen in Folge der damit verbundenen Temperaturabsenkung im Brennraum führt.

Nach Spätverstellung der Zündung in den sicheren klopffreien Betrieb wird diese nach einer Aufregelstrategie wieder schrittweise in Richtung "früh", also in Richtung der verstärkten Klopfneigung, verstellt.
Durch Zuhilfenahme eines Klopfsensors zur Klopferkennung und der dazugehörigen optimierten Regelstrategie wird die Brennkraftmaschine so nah wie möglich an der Klopfgrenze betrieben. Beispielsweise durch zu schnelles nach früh Stellen des Zündwinkels an die Klopfgrenze nach einem Klopfereignis kann es aber zu einer Zunahme der thermischen Belastung im Brennraum aufgrund der verkürzten Abkühlzeit kommen. Diese auf Minimierung der Wirkungsgradverluste ausgelegte Regelstrategie kann nach einer gewissen Zeit eine verfrühte Verbrennung auslösen.

Verfrühte Verbrennungen treten darüber hinaus auch speziell bei aufgeladenen Hochleistungs-Otto-Brennkraftmaschinen beispielsweise durch Ablagerungen, bzw. durch unverbrannten Kraftstoff oder Öl im Brennraum auf.
Diese verfrühten Verbrennungen verursachen keine typischen Klopfmerkmale und werden darum von den bisher eingesetzten Klopfsensoren und deren Signalverarbeitungssystemen nicht erfasst.

Da eine verfrühte Verbrennung jedoch mit einem starken Druckanstieg in der Kompressionsphase und mit stark überhöhten Verbrennungstemperaturen verbunden ist, führen solche anormalen Verbrennungsabläufe nach kurzer Zeit zu einem Motorschaden.
Es ist aus der DE 100 43 700 AI und der DE 199 08 729 AI bekannt, Klopfen, also anormale Verbrennungsvorgänge, durch klopfreduzierende Massnahmen, wie Verschieben des Zündzeitpunktes nach spät oder Durchführen einer mehrfachen Einspritzung, zu reduzieren. Diese Massnahmen beeinflussen aber nur anormale Verbrennungsvorgänge, die durch den Zündfunken ausgelöst werden, und nicht die für die Brennkraftmaschine gefährlicheren verfrühten Verbrennungen, die nicht durch den Zündfunken ausgelöst werden. Verfrühte Verbrennungen lassen sich nicht durch Spätstellen der Zündung beeinflussen.

Es ist weiters bekannt, das Klopfen durch verstärkte Abgasrückführung zu reduzieren, siehe JP 58-025559 A.
Die JP 62-251450 A beschreibt eine Einrichtung zur Verminderung des Klopfens, wobei im Hochlastbereich und bei Beschleunigung im Teillastbereich unterschiedliche Klopfverhinderungsmassnahmen ergriffen werden.

Im Volllastbereich wird die Menge der Ansaugluft reduziert, im Teillastbereich eine Verschiebung des Zündzeitpunktes nach spät durchgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Brennkraftmaschine eine sichere und einfache Erkennung von verfrühter Verbrennung durchzuführen und in weiterer Folge verfrühte Verbrennung zu vermeiden.
Erfindungsgemäss wird dies durch folgende Schritte erreicht:
Bereitstellen zumindest eines Sensors und/oder einer elektronischen Auswerteschaltung zur sofortigen und unmittelbaren Erkennung von verfrühter Verbrennung;
Unmittelbares Erkennen von verfrühter Verbrennung;

Durchführen von zumindest einer Massnahme zur Vermeidung von verfrühter Verbrennung, wenn eine verfrühte Verbrennung erkannt wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erkennung der verfrühten Verbrennung durch permanente Überwachung des Sensorsignals innerhalb eines definierten Messfensters und durch Auswertung des Sensorsignals, vorzugsweise mittels eines Integralverfahrens und/oder eines Maximalauswerteverfahrens erfolgt.

In einer einfachen Ausführungsvariante der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass als Sensorsignal ein Zylinderdrucksensorsignal, ein Beschleunigungssensorsignal und/oder ein Klopfsensorsignal verwendet wird, wobei vorzugsweise eine verfrühte Verbrennung erkannt wird, wenn der vor dem Zündzeitpunkt erfasste Zylinderdruck und/oder der Anstieg des Zylinderdruckes vor dem Zündzeitpunkt einen definierten Schwellwert überschreitet.
Vorzugsweise erfolgt die sofortige und unmittelbare Erkennung durch Beobachten zumindest eines unmittelbar durch die verfrühte Verbrennung beeinflussten Motorparameters, vorzugsweise des Druckverlaufes im Zylinder. Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zunutze, dass eine verfrühte Verbrennung mit einem starken Druckanstieg in der Kompressionsphase verbunden ist.

Durch das Auftreten dieses charakteristischen starken Druckanstieges in der Kompressionsphase kann eindeutig auf eine verfrühte Verbrennung geschlossen werden. Für das Erkennen der verfrühten Verbrennung ist es dabei unwesentlich, ob die verfrühte Verbrennung mit oder ohne Klopfen abläuft.
Die permanente Überwachung kann aber auch mittels einer elektronischen Auswerteschaltung durch Auswertung des Ionenstroms an der Zündkerze erfolgen. Ein Zylinderdrucksensor ist dabei nicht unbedingt erforderlich. Dabei kann aus dem Verlauf des Ionenstromsignals nach dem Ende des Zündfunkens auf eine verfrühte Verbrennung geschlossen werden. Bei einer normalen Verbrennung gibt es einen gewissen bekannten Abstand zwischen dem Ende des Zündfunkens und dem Zeitpunkt des maximalen Spitzendrucks (Ionenstromsignals).

Das Ionenstromsignal weist einen charakteristischen Verlauf auf, wobei nach dem Ende des Zündfunkens das Ionenstromsignal schlagartig absinkt, und wobei dem Absinken eine der chemischen Ionisation zuordenbarer erster Maximalwert und - in Abstand zum Funkenende - ein höherer der thermischen Ionisation zuordbarer zweiter Maximalwert folgt. Bei irregulärer Verbrennung ist dieser Abstand deutlich verkürzt oder sogar kleiner oder gleich null. Auch aus diesem Signal kann auf irreguläre Verbrennung geschlossen werden. Eine zusätzliche Möglichkeit bietet die Amplitude des Ionenstromsignals. Je höher das Signal, desto höher ist die thermische Belastung. Bei fortschreitender (anhaltender) irregulärer Verbrennung würde das Ionenstromsignal stark ansteigen.

Auch aus diesem Effekt können Massnahmen abgeleitet werden.
Tritt sehr frühe Verbrennung auf (Verbrennungsbeginn sehr deutlich vor dem Zündzeitpunkt bzw. früh in der Kompressionsphase), so sind diese beiden Maximalwerte nicht ausgeprägt. Im Falle von sehr früher Verbrennung - typischerweise ohne Klopfen, da zum Zeitpunkt des Überschreitens der Klopfgrenze der gesamte Brennstoff verbrannt ist bzw. die Flamm den Brennraumrand erreicht hat - weist die Ionenstromsignalkurve nach dem Funkenende einen im wesentlichen stetig fallenden Verlauf durch das fallende thermische Signal - ohne Extremwerte - auf.

Tritt verfrühte Verbrennung in Kombination mit Klopfen auf (Klopfen als Folge der verfrühten Verbrennung, aber bei Überschreiten der Klopfgrenze ist noch unverbranntes Gemisch im Brennraum), so ist ein Maximalwert im Ionenstromsignal zu Folge thermischer Ionisation festzustellen, welcher wesentlich früher als bei normaler Verbrennung auftritt und dessen Amplitude wesentlich höher ist als bei regulärer Verbrennung.
Eine verfrühte Verbrennung ohne Klopfereignisse kann somit dadurch erkannt werden, dass das Ionenstromsignal nach dem Funkenende innerhalb des Messfensters stetig abfällt, ohne dass Maximalwerte auftreten.
Eine verfrühte Verbrennung mit Klopfereignissen kann erkannt werden,

wenn ein dem Verbrennungsspitzendruck zuordbarer Maximalwert des Ionenstromsignal über einem definierten Schwellwert liegt und/oder innerhalb einer definierten Zeitdauer nach dem Funkenende auftritt.
Weiters ist es möglich, dass als Sensorsignal ein Beschleunigungssensorsignal verwendet wird, wobei die Auswertung des Sensorsignals vorzugsweise durch ein Maximalauswerteverfahren erfolgt.
Eine vierte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass als Sensorsignal ein Klopfsensor verwendet wird, wobei vorzugsweise die Auswertung des Sensorsignals durch ein Maximalauswerteverfahren erfolgt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass als Sensorsignal ein Drehzahlsignal verwendet wird, wobei die Erkennung von verfrühter Verbrennung aufgrund von aus dem Drehzahlsensorsignal abgeleiteten Winkelbeschleunigungswerten erfolgt.

Verfrühte Verbrennung führt zu einem Zylinderdruckanstieg deutlich vor OT. Durch diesen deutlich zu frühen Zylinderdruckanstieg ändert sich die auf die Kurbelwelle über das Pleuel wirkende Kraft. Das durch diesen einen Zylinder erzeugte Drehmoment sinkt oder steigt je nach Ausgangslage der Verbrennung relativ zum Optimum. Die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle ändert sich, das heisst, die Winkelbeschleunigung der Kurbelwelle als Reaktion auf die verfrühte Verbrennung in einem Zylinder sinkt oder steigt. Es kann eine Bandbreite der zulässigen Drehungleichförmigkeit definiert werden ausserhalb dessen irreguläre Verbrennung diagnostiziert werden kann.

Die Detektion der irregulären Verbrennung über Drehungleichförmigkeit kann zusammen mit anderen Massnahmen der Detektion irregulärer Verbrennung oder verspäteter Verbrennung (Aussetzererkennung) eingesetzt werden.
Eine wirksame Massnahme zur Verhinderung der verfrühten Verbrennung besteht darin, dass die Motorlast zumindest des betreffenden Zylinders reduziert wird, wobei vorzugsweise vorgesehen sein kann, dass die Reduzierung der Motorlast zumindest teilweise durch Abmagern oder Anfetten zumindest des betreffenden Zylinders durchgeführt wird.
Alternativ dazu oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Reduzierung der Motorlast zumindest teilweise durch Absenken des Saugrohrdruckes erfolgt.
Überschreiten die verfrühten Verbrennungen eine bestimmte Häufigkeit, so muss eine Reduzierung der Motorlast erfolgen,

um die Brennkraftmaschine nicht zu gefährden.
In einer älteren Patentanmeldung der Anmelderin wurde vorgeschlagen, erst bei Auftreten eines Klopfereignisses zumindest einen Prüfungsschritt zur Unterschei düng zwischen einem zündfunkeninduzierten normalen Klopfereignisses und einer verfrühten Verbrennung durchzuführen.
Dabei wurde geprüft, ob die Amplitude des Klopfereignisses über einer ersten Klopfschwelle für normales Klopfen liegt. Weiters wurde geprüft, ob die Amplitude des Klopfereignisses über einer definierten zweiten Klopfschwelle für verfrühte Verbrennung liegt. Erst bei Überschreiten der zweiten Klopfschwelle wurde das Klopfereignis als verfrühte Verbrennung identifiziert.

Durch die Bereitstellung eines Klopfsensors, jedoch durch die gemeinsame Verwendung der Auswerteschaltung, Verstärkerstufen sind gewisse Einschränkungen zur Erkennung von verfrühter Verbrennung gegeben, was im ungünstigstem Fall zu einer nicht Erkennung von verfrühter Verbrennung führt.
Die Durchführung derartiger Prüfschritte ist beim gegenständlichen Verfahren nicht erforderlich, da das Erkennen der verfrühten Verbrennung direkt durch den Druckanstieg während der Kompressionsphase bzw. durch den Ionenstromverlauf nach dem Funkenende, und nicht durch Vergleich der Amplituden mit definierten Klopfschwellen erfolgt. Dies ermöglicht es, besonders rasch verfrühte Verbrennung zu erkennen und sofort entsprechende Gegenmassnahmen einzuleiten.

Somit können Schäden zu Folge verfrühter Verbrennung besonders wirksam vermieden werden.
Weiters sinkt durch diese Methode der sofortigen Erkennung der verfrühten Verbrennung die Gefahr von Fehlerkennungen (Einleitung von Massnahmen ohne Auftreten von verfrühter Verbrennung).
Das Erkennen von verfrühter Verbrennung erfolgt vorzugsweise völlig unabhängig vom Erkennen einer klopfenden Verbrennung.

Deshalb kann verfrühte Verbrennung auch dann oder auch nur dann erfolgen, wenn kein Klopfereignis stattfindet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 den Druckverlauf bei einer zündfunkeninduzierter Verbrennung mit Klopfen, Fig. 2 den Druckverlauf bei einer verfrühten Verbrennung mit Klopfen, Fig. 3 den Druckverlauf während einer verfrühten Verbrennung ohne Klopfen, Fig.4a Zylinderdrucksignale für reguläre und irreguläre Verbrennungen Fig. 4b Ionenstromsignale für reguläre und irreguläre Verbrennungsabläufe.
In den Fig.l bis 4a ist der Zylinderdruck p über dem Kurbelwinkel KW aufgetragen. Wie aus Fig. 1 deutlich hervorgeht, tritt bei klopfender Verbrennung 2 ein Druckanstieg erst nach dem Zündzeitpunkt ZZP auf.

Dieser Druckanstieg nach dem Zündzeitpunkt ZZP ist somit ein charakteristisches Merkmal der klopfenden Verbrennung. Mit 1 sind die Referenzdruckverläufe mit regulärer Verbrennung bezeichnet.
Der Druckverlauf bei verfrühter Verbrennung 3, 4 unterscheidet sich davon wesentlich, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
Die Fig. 2 zeigt eine verfrühte Verbrennung 3 mit Klopfen. Merkmal dieser verfrühten Verbrennung ist, dass der Druckanstieg noch vor dem Zündzeitpunkt ZZP erfolgt. Ein zu starker Druckanstieg vor dem Zündzeitpunkt ZZP hat zur Folge, dass ein stark überlagertes Klopfen ausgelöst wird, wenn zum Zeitpunkt der Überschreitung der Klopfgrenze unverbranntes Gemisch im Brennraum ist.
Die Fig. 3 zeigt eine verfrühte Verbrennung 4 ohne Klopfen. Auch hier erfolgt der Druckanstieg deutlich vor dem Zündzeitpunk ZZP.

Da in dieser ersten Phase der Verbrennung das zündfähige Gemisch zur Gänze verbrannt ist, entsteht kein überlagertes Klopfen.
Da eine verfrühte Verbrennung - ohne oder mit Klopfen - mit einem starken Druckanstieg in der Kompressionsphase verbunden ist, kann durch Beobachten des Druckverlaufs in der Kompressionsphase eine eindeutige Erkennung von verfrühter Verbrennung mit und ohne Klopfen sehr frühzeitig, nämlich in Echtzeit, erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich zur Auswertung des Zylinderdruckes kann die Erkennung der verfrühten Verbrennung auch auf Grund eines Ionenstromsignals i an der Zündkerze erfolgen, wie Fig. 4a und Fig. 4b zeigen.

Dabei sind die Zylinderdrucksignale p und die Ionenstromsignale i über dem Kurbelwinkel KW für reguläre Verbrennung 1 und verfrühte Verbrennungen 3, 4 dargestellt.
Aus dem Verlauf des Ionenstromsignals i nach dem Ende EZ des Zündfunkens kann auf eine verfrühte Verbrennung geschlossen werden. Bei einer normalen Verbrennung 1 weist das Ionenstromsignal i einen charakteristischen Verlauf auf, wobei nach dem Ende EZ des Zündfunkens das Ionenstromsignal i schlagartig absinkt. Dem Absinken des Ionenstromsignals i folgt ein der chemischen Ionisation zuordbarer erster Maximalwert la. Weiters folgt in Abstand a zum Funkenende EZ ein der thermischen Ionisation zuordbarer höherer zweiter Maximalwert lb, dessen Auftreten mit dem Verbrennungsspitzendruck zusammenfällt. Tritt eine verfrühte Verbrennung 3, 4 auf, so sind diese beiden Maximalwerte la, lb nicht ausgeprägt.

Tritt verfrühte Verbrennung 3 in Kombination mit Klopfen auf, so ist ein Maximalwert 3a im Ionenstromsignal i zu Folge thermischer Ionisation festzustellen, welcher aber wesentlich früher als bei normaler Verbrennung 1 auftritt. Der Betrag des Maximalwertes 3a ist wesentlich grösser die Maximalwerte la und lb bei regulärer Verbrennung. Eine verfrühte Verbrennung 3 mit Klopfereignissen kann erkannt werden, wenn ein der thermischen Ionisation zuordbarer Maximalwert 3a des Ionenstromsignal i über einem definierten Schwellwert liegt und/oder innerhalb einer definierten Zeitdauer a nach dem Funkenende EZ auftritt.

Der Schwellwert kann beispielsweise durch den höchsten bei regulärer Verbrennung nach dem Funkenende EZ auftretenden Maximalwert lb des Ionenstromsignals gebildet sein.
Tritt extrem verfrühte Verbrennung 4 ohne Klopfen auf, weist die Ionenstromsignalkurve i nach dem Funkenende EZ einen im wesentlichen stetig fallenden Verlauf - ohne Extremwerte - auf. Eine verfrühte Verbrennung ohne Klopfereignisse kann somit dadurch erkannt werden, dass das Ionenstromsignal i nach dem Funkenende EZ zumindest innerhalb des gewählten Messfensters a stetig abfällt, ohne dass Maximalwerte auftreten.
Durch Erkennen der Lage der Verbrennung mit lonenstrommessung bzw. aus der Erkennung der zeitlichen Differenz zwischen dem Zündfunken und der Spitzendrucklage kann zuverlässig zwischen normaler Verbrennung 1 und verfrühter Verbrennung 3, 4 unterschieden werden.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E

1. Verfahren zur Erkennung und Vermeidung von verfrühten Verbrennungsereignissen bei ein Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten:

Bereitstellen zumindest eines Sensors und/oder einer elektronischen Auswerteschaltung zur unmittelbaren Erkennung von verfrühter Verbrennung;

Unmittelbares Erkennen von verfrühter Verbrennung;

Durchführen von zumindest einer Massnahme zur Vermeidung von verfrühter Verbrennung, wenn eine verfrühte Verbrennung erkannt wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung der verfrühten Verbrennung durch permanente Überwachung des Sensorsignals innerhalb eines definierten Messfensters und durch Auswertung des Sensorsignals, vorzugsweise mittels eines Integralverfahrens und/oder eines Maximalauswerteverfahrens erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorsignal ein Zylinderdrucksensorsignal, ein Beschleunigungssensorsignal und/oder ein Klopfsensorsignal verwendet wird, wobei vorzugsweise eine verfrühte Verbrennung erkannt wird, wenn der vor dem Zündzeitpunkt erfasste Sensorsignal und/oder der Anstieg des Sensorsignals vor dem Zündzeitpunkt einen definierten Schwellwert überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorsignal ein Ionenstromsensorsignal verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine verfrühte Verbrennung erkannt wird, wenn das Ionenstromsignal nach dem Funkenende innerhalb des Messfensters stetig abfällt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine verfrühte Verbrennung erkannt wird, wenn ein dem Verbrennungsspitzendruck zuordbarer Maximalwert des Ionenstromsignal über einem definierten Schwellwert liegt und/oder innerhalb einer definierten Zeitdauer nach dem Funkenende auftritt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorsignal ein Drehzahlsignal verwendet wird, wobei die Erkennung von verfrühter Verbrennung aufgrund von aus dem Drehzahlsensorsignal abgeleiteten Winkelbeschleunigungswerten erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erkennen von verfrühter Verbrennung völlig unabhängig vom Erkennen einer klopfenden Verbrennung erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Massnahme zur Vermeidung der verfrühten Verbrennung in einer Reduzierung der Motorlast zumindest des betreffenden Zylinders besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Massnahme zur Vermeidung der verfrühten Verbrennung in einer Reduzierung der Luftzahl zumindest des betreffenden Zylinders besteht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Massnahme zur Vermeidung der verfrühten Verbrennung in einer Anhebung der Luftzahl zumindest des betreffenden Zylinders besteht

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Massnahme zur Vermeidung der verfrühten Verbrennung in einer Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zumindest des betreffenden Zylinders besteht.

2006,0824 FuSc

^ Patentarfw

Dipl.-Ing. Mag, Michael Babeluk

A-nso Wia ^irl[beta]hllf[beta]r G[beta]rtol 39/17 [tau]ei.: (+3 i [upsilon] at [iota][iota]-a Fax; (+431, 192 [beta][beta]333

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