DE19804988C1 - Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung bieten bei Kompressionszündung homogener, magerer Luft/Kraftstoff-Ge­ mische die Möglichkeit einer geringen Stickoxidbildung und eines hohen thermischen Wirkungsgrades. Diese Vorteile stellen sich aber nur in einem engen Betriebsbereich ein, der von einer Vielzahl sich schnell ändernder Rahmenbe­ dingungen abhängt.

Bei Kompressionszündung wird das Luft/Kraftstoffgemisch durch Kompressionswärme zur Entzündung gebracht. Nach dem Beginn der Entzündung wird durch die dabei freigesetzte Energie ein selbstbeschleunigender Verbrennungsprozeß ein­ geleitet. Eine zu niedrige Kompression führt zu verzöger­ ter, unvollständiger Verbrennung, eine zu hohe Kompression zu unzulässig steilen Druckanstiegen und zu Gasschwingungen im Brennraum (klopfende Verbrennung).

In der EP 0 709 562 A2 ist ein Verfahren zur Steuerung der Ventilcharakteristik und eines Kraftstoff/Luft-Gemisches eines Verbrennungsmotors beschrieben. Dabei sind die einem Zylinder zugeordneten Einlaßventile bedarfsweise koppelbar, so daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch wahlweise durch ein oder zwei Einlaßventile angesaugt werden kann. Dadurch kann die Gemischrate zwischen einem unteren Grenzwert mit relativ magerem Gemisch und einem oberen Grenzwert mit relativ fettem Gemisch verändert werden.

In der DE-A 195 19 663 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Kompressionszündung beschrieben. Hier wird in einer ersten Stufe ein mit äußerer Gemisch­ bildung erzeugtes homogenes und mageres Luft/Kraftstoff- Gemisch bis nahe an die Zündgrenze komprimiert. In einer zweiten Stufe wird eine Zusatzmenge des gleichen Kraftstoffs fein zerstäubt und unter Vermeidung von Wandberührung in den Brennraum eingespritzt. Der spät eingespritzte Kraftstoff bildet eine Gemischwolke, die sich entzündet, da deren Zündgrenze aufgrund des höheren Kraft­ stoffgehalts unterhalb der in der ersten Stufe erreichten Kompressionstemperatur liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, mit dem eine rasche Anpassung der Gemischbildung an einen gewünschten Verbrennungsprozeß möglich ist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die schnelle Einstellung der Steuer- und Einspritz­ zeiten für jeden einzelnen Brennraum werden Schwankungen von Randbedingungen wie Gas- und Bauteiltemperaturen aus­ geglichen und so eine optimale Verbrennung für jeden Arbeitszyklus in den Brennräumen verwirklicht.

Es ist ein variables Ventilsteuerungssystem für die Einlaß­ steuerung des Brennraumes vorgesehen, durch welches die Veränderung der Menge der Kraftstoff/Luft-Masse im Brenn­ raum bewirkt wird. Das variable Ventilsteuerungssystem er­ hält innerhalb eines Zyklus der Hubkolbenmaschine seine An­ steuerung von einer Steuerelektronik unabhängig von dem Größenzustand des Verbrennungsraumes. Die Regelung der Ver­ brennung ist bestrebt, die maximale Kompression herbeizu­ führen. Für die gegebene Volumenfunktion bei variabler Aus­ gangsmenge an Luft und Kraftstoff bedeutet dies, die maxi­ male Füllung für den Brennraum anzustreben. Die Füllung wird begrenzt durch die sich einstellenden unerwünschten Brennraumdrucksteigerungen mit den sich anschließenden Brennraumdruckschwingungen. Diese unerwünschten Verbren­ nungs- und Explosionsvorgänge können während eines Verbren­ nungszyklus über die Beurteilung der elektrischen Leit­ fähigkeit des Gemisches oder der Körperschallemission der Verbrennung über Körperschallsensoren, idealerweise Klopf­ sensoren, festgestellt werden.

Dieser Regeleingriff wird durch die Anwendung schneller, lernfähiger Elektronik unter Verwendung abgelegter Kennfel­ der oder neuronaler Netze ermöglicht.

Zusätzlich zu den die Verbrennung überwachenden Daten be­ rücksichtigt diese Elektronik noch die Ventilsteuerzeiten und die Einspritzzeitpunkte sowie die daraus abgeleiteten Werte für Luftüberschuß und Restgasanteil. Der Einfluß der Umgebung und des Motorzustands wird mit der Ansaugluft­ temperatur und der Kühlwassertemperatur erfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungs­ motors mit einem Steuergerät und Mitteln zum Messen des Verbrennungsvorgangs,

Fig. 2 Zylinderdruckdiagramm für den Gaswechsel mit Steuerzeiten der Gaswechselorgane.

Der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Verbren­ nungsmotor besitzt einen Zylinderblock 1 mit vier Zylindern 2, in denen Kolben 3 dichtend geführt sind und die durch einen Zylinderkopf 4 verschlossen sind. Zylinder 1, Kolben 3 und Zylinderkopf 4 umschließen einen Brennraum 5, in dem die Verbrennung stattfindet.

Im Zylinderkopf 4 finden sich pro Brennraum 5 ein Kraft­ stoffeinspritzventil 6, ein Einlaßorgan 7 und ein Auslaß­ organ 8. Die Gaswechselorgane 7, 8 werden von einer Betäti­ gungsvorrichtung 9 geöffnet und geschlossen. Ein Steuerge­ rät 10 steuert das Öffnen und Schließen der Gaswechsel­ organe 7, 8 und des Kraftstoffeinspritzventils 6 stufenlos.

In jedem Zylinderkopf 4 ist ein Ionenstromsensor 11 in Ge­ stalt eines elektrischen Leiterpaares (z. B. einer Zünd­ kerze) zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Ver­ brennungsgase angeordnet. Zur Verbrennungsanalyse ist ein Ionisationsmeßgerät 15 vorgesehen, das mit dem Ionenstrom­ sensor 11 und dem Steuergerät 10 verbunden ist. Am Zylin­ derblock 1 ist ein Klopfsensor 12 zur Messung des verbren­ nungsrelevanten Körperschalls angeordnet, dem ein Körper­ schallerfassungsgerät 16 zugeordnet ist. Im Bereich eines Schwungrads 13 befindet sich ein Drehzahlsensor 14 zum Messen der Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle, dessen Signale in einem Gerät 17 zur Drehmomentbeurteilung verar­ beitet werden. Ionenstromsensor 11, Klopfsensor 12 und Drehzahlsensor 14 liefern Echtzeitsignale von Lage und Ver­ lauf der Verbrennung für das Steuergerät 10.

Fig. 2 zeigt ein Zylinderdruckdiagramm mit Niederdruckkur­ ven des Gaswechsels und mit Steuerzeitenbereichen der Gas­ wechselorgane 7, 8. Im Rahmen der folgenden Funktionsbe­ schreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden drei qualitative Beispiele vorgestellt, die anhand von Fig. 3 die Strategie der Verstellung der Steuerzeiten der Gas­ wechselorgane 7, 8 zeigen.

Durch Gestaltung eines Verbrennungsmotors mit variabler, effektiver Verdichtung (beispielsweise über die freie An­ steuerung der Einlaß- und Auslaßorgane 7, 8 zur stufenlosen Veränderung des Arbeitsraumvolumens) kann die variable Verdichtung mit einer Gemischbildung unter Rückhaltung von Abgas im Brennraum 5 zur Beeinflussung des nächsten Ver­ brennungsvorgangs kombiniert werden.

Zum Verhindern einer klopfenden Verbrennung durch eine variable, effektive Verdichtung sind rasch reagigrende Gas­ wechselorgane 7, 8 und Kraftstoffeinspritzventile 6 erfor­ derlich, die durch freie Ansteuerung mittels eines elektronischen Steuergeräts 10 die Füllung der einzelnen Brennräume 5 von Arbeitszyklus zu Arbeitszyklus variieren.

Die Strategie dieser Verbrennungsregelung zielt auf maxima­ le, klopffreie Verdichtung, d. h. auf maximal mögliche Fül­ lung der Brennräume 5. Die Verbrennung wird nach Lage und Verlauf durch den Ionenstromsensor 11 und/oder den Klopf­ sensor 12 und/oder den Drehzahlsensor 14 in Echtzeit gemes­ sen bzw. wiedergegeben und durch die Regellogik des Steuer­ geräts 10 beurteilt. Der regelungstechnische Vergleich der sich einstellenden Stromwerte und deren Verlauf in Ab­ hängigkeit von der Zeit mit den Verbrennungserscheinungen wird durch die Regellogik ausgewertet, die auf der Techno­ logie neuronaler Netze basiert. Als zusätzliche Eingangs­ parameter zum Training der Logik werden noch das Luft/Kraftstoffverhältnis, die Ansauglufttemperatur und die Motordrehzahl herangezogen. Die Erkennung erfolgt dadurch, daß "gute" Verbrennung mit nicht erwünschter Verbrennung verglichen wird. Statt durch neuronale Netze kann die Steuerung auch über in Kennfeldern abgelegte Werte erfol­ gen.

Für die Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Verbren­ nungsgases wird eine Spannung auf ein elektrisches Leiter­ paar im Brennraum, z. B. die Zündkerze, gelegt und der Stromfluß über dieses Leiterpaar während der Verbrennung überwacht. Über den qualitativen und quantitativen Verlauf des Stromflusses während der Verbrennung wird die Verbren­ nungslage sowie die Art der Verbrennung bestimmt, d. h. ein Auftreten unerwünschter Verbrennungserscheinungen erkannt.

Die Erkennung eines unerwünschten Verbrennungszyklus führt zu einer Absenkung der effektiven Kompression für den nächsten Zyklus in eben jenem Zylinder, in dem die uner­ wünschte Verbrennung durch die oben beschriebene Verbren­ nungsüberwachung festgestellt wurde. Die effektive Kompres­ sion wird über die Verminderung der zugeführten Luft- und Kraftstoffmenge gerade so weit abgesenkt, bis sich kein un­ erwünschtes Verbrennungsverhalten mehr zeigt.

Zur Absenkung der effektiven Kompression wird die Ansaug­ phase nicht vollständig ausgenutzt, das heißt, das Einlaß­ organ schließt vor Erreichen des unteren Totpunkts. Nach Schließen des Einlaßorgans entsteht im Brennraum 5 ein Unterdruck, der die Gemischbildung speziell im Fall einer inneren Gemischbildung unterstützt.

Zur Entzündung des Frischgemischs muß dessen Temperatur auf den minimal erforderlichen Wert gebracht werden. Die Tempe­ raturerhöhung kann durch geometrische Kompression oder durch Vermischung des kalten Frischgases mit Wärme und Ab­ gas herbeigeführt werden. Mit der variablen Steuerung des Auslaßorgans kann die abgeströmte Menge des Abgases beein­ flußt werden.

Mit derselben Steuerung kann die Menge an Abgas, die im Brennraum zurückbehalten wird, beeinflußt werden. Die Ex­ pansionsphase des Verbrennungsmotors dauert für einen opti­ malen Wirkungsgrad bis zum unteren Totpunkt des Kolbenwegs. Das Auslaßorgan öffnet zu Beginn des Ausschubtaktes. Wegen gasdynamischer, drehzahlabhängiger Effekte kann auch der Öffnungszeitpunkt des Auslaßorgans 8 optimiert werden.

Durch den Überdruck im Brennraum 5 wird das Abgas aus dem­ selben gefördert. Der Überdruck im Brennraum 5 entsteht durch den Restdruck der Verbrennung und durch die Ver­ ringerung des Brennraumvolumens beim Ausschubtakt. Das Aus­ laßorgan 8 wird während des Ausschubtakts wieder geschlos­ sen, wodurch das Abgas im Brennraum nicht vollständig aus­ geschoben, sondern wieder komprimiert wird. Dabei wird die Temperatur des Restgases erhöht.

Die Regelung des Öffnungszeitpunkts des Einlaßorgans 7 dient der Optimierung der Gemischbildung auf die aktuellen Temperaturbedingungen des instationären Betriebs. Während des Ansaughubs öffnet das Einlaßorgan 7 zu dem Zeitpunkt, wenn der Druck im Brennraum 5 unter das Druckniveau der Um­ gebung gefallen ist. Bei früherem Einlaßöffnen gelangt der Abgasstrom in unerwünschter Weise in die Ansaugleitung. Das Einlaßorgan 7 wird während des Ansaugtakts immer nach dem Zeitpunkt der Stellung des Kolbens 3 geöffnet, die dieser während des Ausschubtakts beim Schließen des Auslaßorgans 8 einnahm.

Während des Saughubs wird durch die sich einstellende Druckdifferenz neue Ladungsmasse angesaugt. Der Schließ­ zeitpunkt des Auslaßorgans 8 legt die Restgasmenge und da­ mit die ansaugbare Gemischmasse für den nächsten Ansaughub fest. Die Zusammensetzung des Gemischs aus Luft und Kraft­ stoff bestimmt den Energiegehalt der im nächsten Zyklus an­ gesaugten Gemischmasse. Während der Optimierung des Wir­ kungsgrads eines mit konstanter Last arbeitenden Verbren­ nungsmotors sollte die Gemischzusammensetzung in erster Näherung konstant gehalten werden. Die Variation der ange­ saugten Gemischmenge ergibt sich aus den gegebenen Kompres­ sionsverhältnissen und den Restgasanteilen. Eine eventuell notwendige Kompensation von Laständerungen kann bei innerer und äußerer Gemischbildung mit der eingespritzten Kraft­ stoffmenge vorgenommen werden.

Um ausreichend Zeit für die Gemischansaugung zu haben, muß das Einlaßorgan 7 genügend lange geöffnet sein. Die zeit­ liche Verzögerung der Öffnung des Einlaßorgans 7 gegenüber dem Ende der Restgasexpansion verkürzt die zum Einströmen der Ladung verbliebene Zeit, erhöht aber den Unterdruck im Brennraum 5 und damit die Einströmgeschwindigkeit des Frischgemischs. Dies führt zu einer guten Vermischung des Luft/Kraftstoffgemischs mit dem warmen Restgas des vorange­ gangenen Verbrennungszyklus.

Als Nachteil des erhöhten Unterdrucks im Brennraum 5 ergibt sich eine Abkühlung von dessen Gasmasse. Dieser Abkühlung steht der Vorteil verbesserter Gemischbildung durch die er­ höhte Strömungsgeschwindigkeit gegenüber. Die bessere Ge­ mischbildung verringert das durchschnittliche Einzelvolumen des Abgasanteils. Mit zunehmend feinerer Vermischung wird das Oberflächen/Volumenverhältnis des Abgasteilvolumens so gering, daß die Wärmeleitung die maximale Temperatur des Restgases zunehmend absenkt. Die maximale Temperatur im Abgasteilvolumen bestimmt die Zündwilligkeit des umgebenden Frischgemischs während der Kompression.

Die Steuerzeiten des Einlaßorgans 7 müssen in Abhängigkeit von der Gemisch- und Restgastemperatur und der Zusammen­ setzung des Luft/Kraftstoffgemischs optimiert werden. Dies kann über in Kennfeldern abgelegten Werten oder mit der Technologie der neuronalen Netze geschehen. Bei kaltem Mo­ tor sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten mit daraus folgen­ der guter Gemischbildung wichtiger als die damit verbun­ denen Füllungsverluste. Dabei wird die Kühlwassertemperatur als weitere Regelgröße berücksichtigt.

Einen weiteren Freiheitsgrad zur Optimierung der Gemisch­ bildung bietet der Einlaßdrall aufgrund von unsymmetrischen Einströmbedingungen. Die zeitlich versetzte Ansteuerung von zwei unabhängig ansteuerbaren Einlaßorganen 7 kann für die Optimierung im Betrieb durch geringe Veränderungen herange­ zogen werden.

Zur kontinuierlichen Optimierung der Verbrennungslage wäh­ rend eines stabilen und stationären Verbrennungsvorgangs kann der zeitliche Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit der Brenngase herangezogen werden. Dabei werden die An­ steuerzeiten der Einlaßorgane 7 in geringem Maße variiert und deren Auswirkungen auf die Verbrennungslage und das Be­ triebsverhalten überprüft. Bei Verbesserung derselben wer­ den die veränderten Steuerzeiten für die gegebenen Umge­ bungsbedingungen abgelegt.

Als qualitative Beispiele einer Steuerzeiteinstellung wer­ den folgende Fälle anhand von Fig. 2 beschrieben:

Fall der geringen Last, mageres Luft/Kraftstoffgemisch:

Auslaßschluß: früh - nur wenig Abgas wird aus dem Brennraum 5 herausgelassen.

Einlaßöffnung: spät - lange Expansion aufgrund der großen und durch Kompression heißen Abgasmenge, die überexpandiert wird, führt zu einer guten Vermischung des Frischgases im Abgas.

Einlaßschluß: spät - mageres Gemisch braucht hohe Kompres­ sion zur Entzündung.

Fall der hohen Last, fetteres Luft/Kraftstoffgemisch:

Auslaßschluß: spät - viel Abgas muß durch Frischgemisch er­ setzt werden.

Einlaßöffnung: früh - die hohe Menge an einströmendem Frischgas sorgt für gute Vermischung.

Einlaßschluß: früh - fettes Gemisch zündet leichter und die Verbrennung soll nicht aufgrund zu hoher Verdichtung in un­ erwünschte Bereich umschlagen.

Fall der ansteigenden Drehzahl:

Auslaßschluß: tendenziell später, da mit zunehmender Dreh­ zahl der Wandwärmeverlust abnimmt, der Kompressionsvorgang zu einer höheren Gastemperatur führt und weniger Restgas nötig ist.

Einlaßöffnung: tendenziell früher, da höhere Gasge­ schwindigkeit und Drehzahl zu ausreichend guter Vermischung führen.

Einlaßschluß: tendenziell später, um die mit der Drehzahl abnehmende Reaktionszeit durch längere Ansaug- und Kompres­ sionszeit und höhere Verdichtungsendtemperatur zu kompen­ sieren.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors mit homogenem, mageren Grundgemisch von Luft und Kraftstoff und mit Kompressionszündung, wobei mittels eines steuerbaren Einlaßorgans (7) das im Brennraum (5) gebildete Kraftstoff/Luft-Gemisch-Ver­ hältnis veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Messung der jeweiligen Verbrennung erfolgt und in Abhängigkeit des aus dieser Messung gewonnenen Signals der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßorgans (7) des Brennraums (5) für den näch­ sten Zyklus geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektion unerwünsch­ ter Verbrennungsvorgänge erfolgt und in Abhängigkeit eines entsprechenden Signals eine Absenkung der effektiven Kompression für den nächsten Zyklus in dem Zylinder (2) erfolgt, in dem die unerwünschte Verbren­ nung festgestellt wurde.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lage und Verlauf der Ver­ brennung durch Motor-Istwerte wie den Körperschall am Verbrennungsmotor, den Ionenstrom im Brennraum (5) und die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle in Echtzeit gemessen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer in einem Steuergerät (10) enthaltenen Regellogik die Merkmale erwünschter und unerwünschter Verbrennungsbereiche aus in Kennfeldern abgelegten Parametern oder über die Mustererkennung durch neuronale Netze oder adaptive Regler erkannt werden und unter Verwendung der Motor- Istwerte die für die Verbrennungsoptimierung erforder­ lichen Sollwerte für die Gaswechselorgane (7, 8) und das Kraftstoffeinspritzventil (6) bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Soll­ werte im Steuergerät (10) unter Berücksichtigung eini­ ger oder sämtlicher der folgenden Motor-Istwerte er­ folgt:

• 1. Körperschallwerte von Klopfsensoren (12),
• 2. Ionenstromwerte von Ionenstromsensoren (11),
• 3. Motordrehzahl und deren Verlauf,
• 4. Ventilsteuerzeiten,
• 5. Einspritzzeitpunkte,
• 6. Luftüberschuß und Restgasanteil,
• 7. Ansauglufttemperatur,
• 8. Kühlwassertemperatur.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Zeitpunkt des Schließens des Auslaßorgans (8) und das somit im Brenn­ raum (5) verbleibende Abgas sowie die zugeführte Ge­ mischmasse aus Kraftstoff und Frischgas (Luft) die Last des Motors gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungszeitpunkt des Einlaßorgans (7) nach den geforderten Bedingungen der Gemischbildung innerhalb des Brennraums (5) in Ab­ hängigkeit von thermischen Einflüssen auf das Frischgas (Luft) festgelegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Gemischbildung über das Oberflächen/Volumen-Verhältnis die jeweilige Temperatur des Abgasanteils und damit der Verbrennungs­ beginn im nächsten Zyklus bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung auch bei stationären Betriebspunkten durch Variation von Ver­ dichtung, Turbulenz und Einspritzung optimiert wird.