AT503276A2 - Verfahren zur bewertung des zustandes eines kraftstoff/luft-gemisches - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines Kraftstoff/Luft-Gemisches und/oder der Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Der Entwicklung von ottomotorischen Brennkraftmaschinen und der Kalibrierung von Motor-Aktuatoren kommt die genaue Kenntnis von zylinder- und zyklusspezifischen Emissionen und Abgastemperaturen zu Gute.

   Im Fahrbetrieb können abwechselnde Hochlast- und Teillastsequenzen bewirken, dass reaktives Gas in den Katalysator strömt, was zu einer Überhitzung und schliesslich zu einer Beschädigung des Katalysators führen kann.
Beim Motorstart und bei stationärem, insbesondere aber auch bei transientem Fahrbetrieb kann es infolge von verzögerten Verdampfungsvorgängen und Speichereffekten dazu kommen, dass das Kraftstoff - Luftgemisch nicht ausreichend aufbereitet ist und dadurch erhöhte Emissionen, irreguläre Verbrennungsvorgänge oder Zündaussetzer auftreten.

   Das Erkennen und Korrigieren derartiger Betriebszustände ist Voraussetzung für einen emissionsarmen und sicheren Motorbetrieb.
Es ist daher von Bedeutung, den Gemischzustand innerhalb des Brennraumes frühzeitig festzustellen und die Ursache von erhöhten Anteilen von reaktiven Gaskomponenten zu diagnostizieren.
Aus der US 3,978,720 A ist ein Verbrennungsdetektor für Brennkraftmaschinen bekannt, wobei innerhalb eines Zylinders die Flammstrahlung im sichtbaren und/oder infraroten Bereich mittels eines Quarzfensters in der Zylinderwand oder im Zylinderkopf gemessen wird. Die Erfassung der Strahlung wird zur Steuerung des Zündzeitpunktes oder zur Erfassung der Drehzahl oder von Zündaussetzern verwendet.
Die WO 97/31251 offenbart einen faseroptischen Drucksensor zur Erfassung des Klopfens und von Zündaussetzern bei einer Brennkraftmaschine.

   Dabei sind optische Drucksensoren in eine Zündkerze integriert.
Die US 5,659,133 A beschreibt einen optischen Hochtemperatursensor für den Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit welchem Variable für eine Regelung des Verbrennungssystems bereitgestellt werden können. Die optischen Signale werden in einem Transducer verarbeitet, um in Echtzeit Ereignisse wie Zündfunken, Verbrennungsbeginn und Verbrennungsende, Fehlzündungen und Klopferscheinungen zu erfassen. Die erhaltenen Informationen werden zur Regelung der Rauhigkeit des Motors und der Zyklusstabilität verwendet. Weiters können über spezifische Flammenfarben Aussagen über die Verbrennungstemperatur und die erzeugten Emissionen gemacht werden.
Die EP 0 412 578 A2 offenbart ein Verfahren zur Klopferkennung bei einer Brennkraftmaschine mittels dem Brennraum zugeordneten optischen Verbrennungssensoren.

   Mit den Verbrennungssensoren wird die Flammintensität der Verbrennung oder die Verbrennungstemperatur innerhalb des Zylinders gemessen. Beim Verfahren zur Klopferkennung wird dabei das Verbrennungslicht in den entsprechenden Brennräumen erfasst, wobei die Signale mit einem definierten Schwellwert verglichen werden.

   Eine Klopferscheinung wird als solche erkannt, wenn das durch den optischen Sensor bereitgestellte Signalniveau unterhalb des Schwellwertes liegt.
Weiters offenbart die JP 63-105262 A ein Verfahren zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis in einer Brennkraftmaschine, wobei das Flammlicht in einer Brennkammer durch einen optischen Sensor erfasst und die einem Vergaser zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit des mit dem Luft/KraftstoffVerhältnis korrespondierenden erfassten Messwert des optischen Sensors geregelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine eine genaue Überwachung des Gemischzustandes und der Verbrennung auf einfache Weise zu ermöglichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in einer Datenbank Mustersignale von Flammlichtsignalen mit zugeordneten Gemischzuständen abgelegt werden,

   dass Flammlichtsignale der Verbrennung im Brennraum erfasst und so mit den abgelegten Mustersignalen verglichen werden, und dass bei Übereinstimmung zwischen gemessenen und abgelegten Signalmustern auf den Zustand des Gemisches im Brennraum geschlossen wird, wobei vorzugsweise gleichzeitig mit der Erfassung der Flammlichtsignale auch eine Druckmessung im Zylinder durchgeführt wird.
Die Mustersignale können aus Messungen unter bekannten Betriebs- und Emissionsbedingungen aufgezeichnet oder aus theoretischen Überlegungen zu Gemischbildung und Verbrennung hergeleitet werden. Es ist aber auch möglich, dass Mustersignale aus einer rechnerischen Verknüpfung von Flammlichtsignalen und Zylinderdrucksignalen oder daraus abgeleiteten Signalen, wie zum Beispiel dem Verlauf der Wärmefreisetzung, erzeugt werden.

   Weiters ist es vorteilhaft, wenn ein Zeitsignal, vorzugsweise ein Kurbelwinkelsignal, erfasst wird und die Flammlichtsignale dem Zeitsignal zugeordnet werden. Dadurch ist es möglich, dass aus der Lage und dem Verlauf des Flammlichtsignals auf Gemischzustand, Zündzeitpunkt, Verbrennungsbeginn und -ende, Fehlzündungen und Klopferscheinungen, sowie die Art der Verbrennung geschlossen wird.
Durch Vergleichen der erfassten Flammlichtsignale mit den in einer Datenbank abgespeicherten Mustersignalen kann unmittelbar eine Aussage über den Gemischzustand getroffen werden. Die gleichzeitige und zyklustreuer Druckmessung erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Aussagequalität und somit eine Verfeinerung des Messverfahrens.

   Durch die kombinierte Auswertung des Zyiinderdruckes und des Flammlichtes ist eine höhere Genauigkeit und Treffsicherheit bei Aussagen über den Gemischzustand des Luft/Kraftstoff-Gemisches möglich.
Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die Zylinderdruckspitzen mit den Flammlichtsignalspitzen innerhalb zumindest eines Zyklus verglichen werden, wodurch aus einer Abweichung zwischen den Zylinderdruckspitzen und den Lichtsignalspitzen auf eine irreguläre Verbrennung, insbesondere bei transientem Motorbetrieb, geschlossen wird.
Aufgrund der Messergebnisse kann in weiterer Folge eine Optimierungsprozedur für die Parametrierung der Einspritzung und/oder der Luftdrosselung gestartet werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist, dass die Informationen zyklusgetreu für jeden Zylinder vorliegen.

   Dies gestattet eine besonders genaue Regelung der Verbrennung in Echtzeit, wodurch die Abgasemissionen wesentlich verbessert werden können.
Um motorenübergreifende Aussagen treffen zu können, ist es vorteilhaft, wenn auf Basis der Flammlichtsignale und/oder der Druckmesssignale dimensionslose Kennwerte gebildet werden und die Kennwerte der Bewertung des Gemischzustandes und/oder der Verbrennung zu Grunde gelegt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Diagramm für Zylinderdruck und Flammenintensität über dem Kurbelwinkel für die Verbrennung homogen vorgemischter Ladung (Vormischverbrennung), Fig. 2 ein Flammenintensität/Druck-Diagramm für Vormischverbrennung, Fig. 3 ein Diagramm für Zylinderdruck und Flammeninten sität über dem Kurbelwinkel für die Verbrennung heterogener Ladung (heterogene Verbrennung), Fig.

   4 ein Flammenintensität/Zylinderdruck-Diagramm für heterogene Verbrennung, Fig. 5 ein Diagramm für Zylinderdruck und Flammenintensität über dem Kurbelwinkel für die Verbrennung nach einer unkontrollierten Frühzündung (Verbrennung nach irregulärer Zündung) und Fig. 6 ein Flammenintensität/Zylinderdruck-Diagramm für Verbrennung nach irregulärer Zündung.
In zumindest einem Brennraum einer ottomotorischen Brennkraftmaschine wird über einen optischen Sensor die Flammenintensität gemessen und gleichzeitig ein Signal, beispielsweise ein Kurbelwinkelsignal für eine zeitliche Zuordnung erfasst. Aus der Lage und dem Verlauf Flammenintensitätskurve Fi können bereits grobe Aussagen darüber gemacht werden, ob eine homogene oder heterogene Verbrennung vorliegt.

   Weiters gibt die einem Zeitsignal zugeordnete Flammenintensitätskurve Fi Informationen über die Phasenlage und über das Vorliegen von irregulärer oder regulärer Verbrennung. Für eine grobe Kalibrierung der Kraftstoffeinspritzung, der Luftdrosselung oder der Zündung liefern diese Informationen bereits wertvolle Richtlinien, die Aussagekraft und Präzision wird aber durch gleichzeitige Messung des Zylinderdrucksignals noch wesentlich gesteigert. Um insbesondere eine detailliertere und exaktere Auswertung zu ermöglichen, wird zusätzlich zur Flammenintensität Fi auch der Zylinderdruck p gemessen. Durch Gegenüberstellen der Flammenintensität Fi und des Zylinderdruckes p, aufgetragen über dem Kurbelwinkel KW, lässt sich eine Verfeinerung des Messverfahrens erreichen.
Fig. 1 zeigt dazu die Flammenintensität Fi und den Zylinderdruck p, aufgetragen über dem Kurbelwinkel KW.

   Bei homogener Verbrennung verläuft die Flammenintensität Fi synchron zum Zylinderdruck p, bzw. zum Heizverlauf. Die Maximalwerte F[iota]m,, pmder Flammenintensität Fi und des Zylinderdruckes p liegen dabei bei gleichem Kurbelwinkel KW. In dem in Fig. 2 dargestellten Flammenintensität FrZylinderdruck p- Diagramm verläuft die Kurve 1 mit keiner, bzw. nur geringer Hysterese, wobei die Kurve 1 einen einzigen ausgeprägten Maximalwert 2 für die Flammenintensität Fi und den Zylinderdruck p aufweist. Der Zylinderdruck p steigt während der Kompressionsphase an, nach der Zündung steigt auch die Flammenintensität Fi an. Beide Signale erreichen bei Verbrennung vorgemischter Ladung gleichzeitig ein Maximum und gehen gleichzeitig mit geringer Hysterese wieder zurück.

   Die Pfeile zeigen die Durchlaufrichtung der Signalschleife an.
Fig. 3 zeigt ein Messbeispiel für heterogene Verbrennung. Deutlich ist ersichtlich, dass die Messkurven für die Flammenintensität Fi und den Zylinderdruck p phasenverschoben sind und die Maximalwerte für die Flammenintensität F[iota]mund den Zylinderdruck pmzeitlich deutlich unterschiedlich sind. Aus der Flammen intensitätskurve Fi geht deutlich der Zündzeitpunkt 3, eine teil-homogene Verbrennung 4 und eine späte Diffusionsverbrennung 5 hervor. Aufgetragen in einem aus Fig. 4 ersichtlichen Flammenintensitäts F Zylinderdruck p- Diagramm ist ersichtlich, dass die Maximalwerte für die Flammenintensität Fi und den Zylinderdruck p auf der Kurve 6 nicht zusammenfallen und dass eine deutliche Hysterese ausgebildet ist. Der Zylinderdruck p steigt bei der Kompression an.

   Die Flammenkernbildung erfolgt bei absinkendem Zylinderdruck p, erst durch die Verbrennung steigt der Zylinderdruck p wieder an. Dabei erreicht die Flammenintensität Fi ein erstes Maximum Ml. Ein zweites Maximum M2 wird am Ende der Expansion durch die Verbrennung von fetten Gemischzonen erzielt. Die Pfeile zeigen die Durchlaufrichtung der Signalschleife an.
Fig. 5 zeigt ein Messbeispiel für eine Verbrennung bei unkontrollierter Frühzündung. Die Zündung erfolgt durch hier nicht näher beschriebene Glühvorgänge bereits während der frühen Kompressionsphase bei geringem Zylinderdruck p. Aus dem Verlauf des Flammenintensitätssignals ist ersichtlich, dass die Verbrennung zu einem überwiegenden Teil bereits vor dem oberen Totpunkt der Kompression erfolgt. Eine Druckentwicklung über das Ausmass der Kompression hinaus ist nicht erkennbar.

   In dem in Fig. 6 dargestellten Flammenintensität Fi Zylinderdruck p - Diagramm erfolgt der Anstieg der Flammenintensität Fi deutlich früher als der Druckanstieg. Die Signalschleife wird gegenüber regulärer Verbrennung in umgekehrter Abfolge durchlaufen. Die Verbrennung beginnt durch eine unkontrollierte (irreguläre) Frühzündung bei geringem Druck. Dabei steigt zunächst die Flammenintensität Fi an, erst danach erfolgt die Drucksteigerung. Die Signalschleife 7 wird im Vergleich zu regulärer Zündung in umgekehrter Abfolge durchlaufen. Dies ist durch die Pfeilrichtungen unterstrichen.

   Auch hier fallen die Maxima der Flammenintensität Fi und des Zylinderdruckes nicht zusammen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flammenintensität Fi und der Zylinderdruck p auf das jeweilige Signalmaximum (F[iota]max= 100% und pmax= 100%) normiert und als dimensionslose Kennwerte dargestellt werden. Dadurch lassen sich Brennkraftmaschinen unterschiedlicher Grösse und Type miteinander vergleichen. Insbesondere ist eine motorunabhängige automatisierte Auswertung für eine Regelung des Einspritzzeitpunktes, der Einspritzmenge, der Luftdrosselung oder des Zündzeitpunktes möglich.
Eine besonders hohe Genauigkeit kann erreicht werden, wenn Zylinderdruck p und Flammenintensität Fr im Brennraum am gleichen Ort, vorzugsweise durch den gleichen Bauteil, gemessen werden. Dieser Messort sollte möglichst nahe am Zündort liegen.

   Durch den Einsatz einer Sensor-Zündkerze, in welcher sowohl ein optischer Sensor, als auch ein Drucksensor integriert ist, kann eine besonders hohe Genauigkeit mit dem beschriebenen Verfahren erreicht werden.

Claims (11)

PATE NTANSPRUCH E

1. Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines Kraftstoff/Luft-Gemisches und/oder der Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Datenbank Mustersignale von Flammlichtsignalen, vorzugsweise die Flammenintensität (F^, mit zugeordneten Gemischzuständen abgelegt werden, dass Flammlichtsignale, vorzugsweise die Flammenintensität (Fi), der Verbrennung im Brennraum erfasst und so mit den abgelegten Mustersignalen verglichen werden, und dass bei Übereinstimmung zwischen gemessenen und abgelegten Signalmustern auf den Zustand des Gemisches im Brennraum geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mustersignale aus Messungen unter bekannten Betriebs- und Emissionsbedingungen aufgezeichnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mustersignale aus theoretischen Überlegungen zu Gemischbildung und Verbrennung hergeleitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mustersignale aus einer rechnerischen Verknüpfung von Flammlichtsignalen und Zylinderdrucksignalen oder daraus abgeleiteten Signalen, vorzugsweise dem Verlauf der Wärmefreisetzung, erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitsignal, vorzugsweise ein Kurbelwinkelsignal (KW), erfasst wird und die Flammlichtsignale dem Zeitsignal zugeordnet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lage und dem Verlauf des Flammlichtsignals auf Gemischzustand, Zündzeitpunkt, Verbrennungsbeginn und -ende, Fehlzündungen und Klopferscheinungen, sowie die Art der Verbrennung geschlossen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Erfassung der Flammlichtsignale auch eine Druckmessung im Zylinder durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderdruckspitzen mit den Flammlichtsignalspitzen innerhalb zumindest eines Zyklus verglichen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Abweichung zwischen den Zylinderdruckspitzen und den Lichtsignalspitzen auf eine irreguläre Verbrennung, insbesondere bei transientem Motorbetrieb, geschlossen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Gemischzustands und/oder der Abweichung zwischen den Zylinderdruckspitzen von den Lichtsignalspitzen eine Optimierungsprozedur für die Parametrierung der Einspritzung und/oder der Luftdrosselung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der Flammlichtsignale und/oder der Druckmesssignale dimensionslose Kennwerte gebildet werden und die Kennwerte der Bewertung des Gemischzustandes und/oder der Verbrennung zu Grunde gelegt werden.

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