DE102007020764A1

DE102007020764A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors - adaptive Zündung und Einspritzung mit Minimal-Sensorik

Info

Publication number: DE102007020764A1
Application number: DE102007020764A
Authority: DE
Inventors: Andre Schoen
Original assignee: Schoen Andre Dr
Current assignee: Schoen Andre Dr
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2007-05-03
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008135075A1; US20100138138A1; US8718900B2; EP2109709A1; EP2109709B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, dass in einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors der Zeitpunkt unmittelbar oder mittelbar gemessen wird, zu dem das in einem Zylinder des Verbrennungsmotors befindliche Gemisch von der Zünd- in die Verbrennungsphase übergeht oder die Verbrennungsphase begonnen hat (Verbrennungszeitpunkt). Vorzugsweise ist des Weiteren vorgesehen, dass ein Vergleich des gemessenen Verbrennungszeitpunktes mit einem Referenzzeitpunkt sowie in dem nachfolgenden Arbeitszyklus oder in einem weiteren Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors die Wahl des Zündzeitpunktes oder des Zeitpunktes, zu dem Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird (Einspritzzeitpunkt), in Abhängigkeit dieses Vergleiches, vorgenommen wird. Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Anwendung in adaptiven Zünd- und Einspritzsystemen. Da vorzugsweise in Echtzeit die Verbrennungsgeschwindigkeit gemessen wird, kann das Verfahren beispielsweise auch Brennstoffunterschiede (Benzin/Ethanol-Gemische, Biodiesel etc.) kompensieren. Da die angewandte Sensorik einfach und robust ist, ergeben sich auch Kostenvorteile gegenüber konventionellen Motorsteuerungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren besteht häufig die Notwendigkeit, den Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des im Zylinder befindlichen Gemisches möglichst genau einzustellen. Da zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Beginn der Verbrennung bzw. im Falle von Dieselmotoren zwischen dem Einspritzzeitpunkt und dem Beginn der Verbrennung eine bestimmte Zeitspanne vergeht, ist es erforderlich, die genannten Zeitpunkte derart zu bestimmen, dass sie um die genannte Zeitspanne vor dem angestrebten Beginn der Verbrennung liegen. Dazu werden bei heute bekannten Verbrennungsmotoren Verfahren angewandt, die darauf basieren, dass aus bei Testläufen gewonnenen Ergebnissen Rückschlüsse auf den optimalen Zündzeitpunkt bzw. auf den optimalen Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes in den Zylinderraum gezogen werden.
Bei den genannten Testläufen werden unter Testbedingungen zahlreiche unterschiedliche Betriebsbedingungen bzw. Umweltbedingungen eingestellt und die Ergebnisse der Testläufe werden in elektronischer oder mechanischer Weise gespeichert. Beispielsweise werden mehrdimensionale Kennfelder ermittelt, auf deren Grundlage sodann im Betrieb die gewünschten Daten, das heißt der optimale Zündzeitpunkt und der optimale Einspritzzeitpunkt ermittelt werden können. Mit Hilfe von Proxy-Sensoren und auf der Grundlage der gespeicherten Parameter wird sodann die Zeitspanne zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Beginn der Gemischverbrennung abgeschätzt. Bei dieser Vorgehensweise besteht ein Nachteil darin, dass die Abschätzung des Zündzeitpunktes bzw. des Einspritzzeitpunktes auf der Grundlage von Daten vorgenommen wird, die unter Testbedingungen erhalten wurden. Dort nicht oder nur unzureichend vorhergesehene, jedoch in der Praxis auftretende Betriebs- oder Umweltbedingungen oder auch Abnutzungserscheinungen im Laufe der Zeit können dazu führen, dass die Bestimmung des Zündzeitpunktes oder des Einspritzzeitpunktes auf dieser Grundlage nicht oder nicht zuverlässig zu den gewünschten Ergebnissen führt. Auch kann diese Vorgehensweise nur annähernd den optimalen Zündzeitpunkt wählen, wenn verschiedene Brennstoffe (Benzin, Ethanol, Biodiesel etc.) in wechselnder Zusammensetzung und Qualität eingesetzt werden.
Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise besteht darin, dass eine Testapparatur erforderlich ist, um die Parameter zu bestimmen, was mit einem entsprechend großen Aufwand verbunden ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Motors dahingehend weiterzubilden, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine genaue Bestimmung des optimalen Zünd- bzw. Einspritzzeitpunktes vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass das Verfahren die unmittelbare oder mittelbare Messung des Zeitpunktes umfasst, zu dem das in einem Zylinder des Verbren nungsmotors befindliche Gemisch in einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors von der Zünd- in die Verbrennungsphase übergeht oder die Verbrennungsphase begonnen hat (im Folgenden Verbrennungszeitpunkt genannt). Der Verbrennungszeitpunkt kann somit den Zeitpunkt, zu dem die Zündphase beendet ist, oder den Zeitpunkt, zu dem die Verbrennungsphase beginnt, darstellen. Der Verbrennungszeitpunkt kann ferner jeden zwischen diesen Zeitpunkten liegenden Zeitpunkt des Übergangsbereichs zwischen Zündphase und Verbrennungsphase darstellen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird sodann der Verbrennungszeitpunkt mit einem Referenzzeitpunkt verglichen. Auf der Grundlage dieses Vergleiches wird für einen nachfolgenden oder einen späteren Arbeitszyklus der Zündzeitpunkt oder der Zeitpunkt bestimmt, zu dem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird (Einspritzzeitpunkt).
Wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit die Messung des Zeitpunktes, zu dem das Gemisch von der Zünd- in die Verbrennungsphase übergeht oder die Verbrennungsphase begonnen hat. Vorzugsweise kann dann ein Abgleich dieses Zeitpunktes mit einem Referenzzeitpunkt erfolgen. Auf der Grundlage dieses Abgleiches kann dann ein Rückschluss auf den Zeitpunkt gezogen werden, zu dem die Zündkerze gezündet wird (Zündzeitpunkt) oder im Falle von Dieselmotoren auf den Zeitpunkt, zu dem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass dieser Vorgang iterativ wiederholt wird, so dass ein adaptives Verfahren bereitgestellt wird, dessen Ziel darin besteht, den Zündzeitpunkt bzw. den Einspritzzeitpunkt so zu wählen, dass der Beginn der Verbrennung zu dem Referenzzeitpunkt erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren die unmittelbare oder mittelbare Messung der Intensität des Verbrennungsprozesses innerhalb eines Zylinders des Verbrennungsmotors für unterschiedliche Mengen des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes umfasst. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verfahren die darauf basierende Ermittlung einer optimalen zuzuführenden Kraftstoffmenge umfasst. Denkbar ist beispielsweise, dass durch optische Mittel oder auch durch andere geeignete Sensoren der Verbrennungsverlauf, wie beispielsweise die Verbrennungsintensität über die Zeit erfasst wird. Wird die Kraftstoffmenge dabei variiert, so dass sich unterschiedliche Verbrennungsverläufe ergeben, lässt sich eine optimale zuzuführende Kraftstoffmenge ermitteln, bei der sich ein geeigneter Verbrennungsverlauf ergibt, der beispielsweise zu einer optimalen Motorleistung führt.
Dabei kann eine periodisch oszillierende Veränderung der Kraftstoffmenge oder eine zufällige Veränderung der Kraftstoffmenge, etc. ausgewählt werden, um letztlich für unterschiedliche Kraftstoffmengen die Verbrennungsprozesse zu erfassen und auf dieser Grundlage einen optimalen Wert für die dem Zylinder zuzuführende Kraftstoffmenge zu ermitteln.
Denkbar ist, es dass der Verbrennungszeitpunkt der Zeitpunkt ist, zu dem der Verbrennungsprozess beginnt. Wie oben ausgeführt, vergeht zwischen dem Zündzeitpunkt bzw. dem Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes im Falle von Dieselmotoren und dem Beginn der Verbrennung im Zylinderraum eine bestimmte Zeitspanne. Erfindungsgemäß wird nun der Ablauf dieser Zeitspanne, das heißt der Beginn des Verbrennungsprozesses erfasst und dann mit einem Referenzzeitpunkt verglichen.
Der Referenzzeitpunkt kann beispielsweise der Zeitpunkt sein, zu dem sich der in dem Zylinder beweglich aufgenommene Kolben an seinem oberen Totpunkt (UD =, upper dead-point) befindet. Die Erfindung ist jedoch darauf jedoch nicht beschränkt. Grundsätzlich ist jeder beliebige Referenzpunkt denkbar. So ist es beispielsweise denkbar, dass es sich bei dem Referenzzeitpunkt um einen Zeitpunkt handelt, der sich an den Zeitpunkt anschließt oder dem Zeitpunkt vorausgeht, zu dem sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet.
Weiterhin ist es denkbar, dass dieser Referenzpunkt dynamisch geändert wird, um beispielsweise sekundäre Parameter zu beeinflussen (Lambda Sonde etc.).
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Verfahren zum Zwecke der Optimierung des Zündzeitpunktes, des Einspritzzeitpunktes oder der zugeführten Kraftstoffmenge iterativ durchlaufen wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Start des Verbrennungsmotors oder bei einem Neustart des Verfahrens der Zündzeitpunkt oder der Einspritzzeitpunkt derart gewählt wird, dass er mit dem Referenzzeitpunkt zusammenfällt. Sodann beginnt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die adaptive Annäherung an den optimalen Zündzeitpunkt bzw. Einspritzzeitpunkt.
Das Verfahren kann die Messung des Verbrennungspunktes auf der Zeitachse sowie die Messung mindestens einer Kolbenposition oder des Kurbelwellenwinkels umfassen. Beispielsweise kann der Referenzzeitpunkt durch eine bestimmte Winkelstellung der Kurbelwelle oder durch eine bestimmte Kolbenposition, vorzugsweise die oberen Totpunktposition, gebildet werden. Wird des Weiteren der Verbrennungszeitpunkt gemessen, kann aus dem Abgleich dieser Zeitpunkte ermittelt werden, ob die Zündung bzw. die Einspritzung zu dem gewünschten Zeitpunkt stattgefunden hat oder nicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren die Messung der für eine Umdrehung benötigten Zeitspanne sowie die Messung der Zeitspanne zwischen dem Zündzeitpunkt bzw. dem Einspritzzeitpunkt und dem Verbrennungszeitpunkt umfasst.
Wird beispielsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors bzw. die Umdrehungsdauer T_cycle sowie die Zeitspanne zwischen dem Zündzeitpunkt bzw. dem Einspritzzeitpunkt und dem Verbrennungszeitpunkt T_ign gemessen, lässt sich daraus die Zeitspanne T_start ermitteln, nach deren Ablauf die Zündung bzw. die Einspritzung des Kraftstoffes zu erfolgen hat (T_start = T_cycle – T_ign). Ergibt sich, dass der Verbrennungsvorgang nicht zum Referenzzeitpunkt erfolgt, sonder mit dem zeitlichen Versatz T_err, ist die Zeitspanne wie folgt zu berechnen T_start = T_cyle – (T_ign + T_err).
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Verfahrensablauf zum Zwecke der Optimierung des Zündzeitpunktes, des Einspritzzeitpunktes oder auch der zugeführten Kraftstoffmenge iterativ durchlaufen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Verfahren bei jedem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors durchlaufen wird. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, das Verfahren nicht bei jedem Arbeitszyklus durchzuführen. In jedem Fall besteht ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner hohen Genauigkeit und darin, dass Proxy-Sensoren, die beispielsweise die Lufttemperatur, Drücke, etc., messen, nicht eingesetzt werden müssen. Darüber hinaus ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass der Verbrennungsmotor wesentlich enger an seinen optimalen Betriebsparametern betrieben werden kann, selbst wenn unvorhergesehene Umstände, wie Abnutzungserscheinungen, unübliche klimatische Verhältnisse, sich verändernde Kraftstoffmischungen (beispielsweise Benzin mit Ethanol und dergleichen) und -qualitäten (beispielsweise Biodiesel), etc. auftreten.
Die Messung des Verbrennungszeitpunktes kann mittels einer Erfassung des Drehmomentes bzw. der Kraft, der Kurbelwellengeschwindigkeit oder -beschleunigung oder durch eine akustische oder durch eine optische Erfassung des Verbrennungsvorgangs oder durch die Erfassung des Druckverlaufes oder durch die Erfassung der Zusammensetzung, Konzentration oder Menge der an der Verbrennung beteiligten Gase oder davon abgeleiteten Größen (Widerstand, Ionisierung etc.) durchgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine sich ändernde Verbrennungsgeschwindigkeit erfasst wird. Denkbar ist es, dass eine sich ändernde Verbrennungsgeschwindigkeit erfasst wird, die durch äußere Einflüsse, wie Umwelteinflüsse, durch interne Einflüsse, wie Motorzustand, Verschleiß, und durch den Kraftstoff, wie beispielsweise ein Benzin/Ethanol-Gemisch, Biodiesel und dergleichen bedingt ist.
Vorgesehen sein kann, dass die erfassten Änderungen in der Verbrennungsgeschwindigkeit in einem Algorithmus eingesetzt werden mit dem Ziel, den durch schnittlichen Verbrennungszeitpunkt mit einem Referenzzeitpunkt zusammenfallen zu lassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren einen Verbrennungsmotor mit Erfassungsmitteln zur unmittelbaren oder mittelbaren Messung des Zeitpunktes, zu dem in einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors das in einem Zylinder des Verbrennungsmotors befindliche Gemisch von der Zünd- in die Verbrennungsphase übergeht oder die Verbrennungsphase begonnen hat (Verbrennungszeitpunkt). Der Begriff „Verbrennungsmotor" ist weit zu auszulegen und ist nicht zwingend auf den Motor als solchen beschränkt, sondern kann auch damit unmittelbar oder mittelbar zusammenhängende oder in Verbindung stehende Bauteile oder Elemente, wie beispielsweise die Motorlagerung oder eine Motorsteuerung umfassen.
Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor mit Vergleichsmitteln zum Vergleich des gemessenen Verbrennungszeitpunktes mit einem Referenzzeitpunkt sowie mit Einstellmitteln zur in dem nachfolgenden oder in einem späteren Arbeitszyklus erfolgenden Wahl des Zündzeitpunktes oder des Zeitpunktes, zu dem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird (Einspritzzeitpunkt), ausgeführt.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren einen Verbrennungsmotor mit Erfassungsmitteln zur unmittelbaren oder mittelbaren Messung der Intensität des Verbrennungsprozesses innerhalb eines Zylinders des Verbrennungsmotors für unterschiedliche Mengen des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes sowie mit Einstellmitteln zur darauf basierenden Ermittlung einer optimalen zuzuführenden Kraftstoffmenge.
Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltungen des Verbrennungsmotors wird auf die Unteransprüche verwiesen.
Denkbar ist es, dass ein Erfassungsmittel/Sensor für mehrere Zylinder oder für alle Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen ist oder dass pro Zylinder nur ein Erfassungsmittel/Sensor vorgesehen ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erfassungsmittel bzw. der Sensor oder ein Teil des Erfassungsmittels/Sensors wenigstens teilweise einen Teil der Zündkerze oder der Glühkerze oder der Einspritzdüse des Verbrennungsmotors bildet. Auch andere Anordnungen der Erfassungsmittel/des Sensors oder von dessen Teile sind denkbar. Möglich ist es, das Erfassungsmittel/den Sensor oder Teile von diesem im Zylinderkopf anzuordnen oder an anderen geeigneten Stellen im Motor selbst oder dessen Aufhängung oder auch in anderen Teilen, die im, an oder außerhalb des Motors angebracht sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erfassungsmittel/der Sensor einen Lichtleiter umfasst, der in den Zylinderraum hineinragt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung der beim Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens relevanten Zeitabschnitte,
2: Darstellung von Messergebnissen, die mit einem Piezosensor (linke Darstellung) und einem optischen Sensor (rechte Darstellung) beim Betrieb eines Verbrennungsmotors erhalten wurden und
3: eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfes mit Zündkerze und Lichtleiter.
Gemäß dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel zielt das erfindungsgemäße iterative Optimierungsverfahren darauf ab, den Verbrennungsprozess des in dem Zylinder befindlichen Kraftstoffgemisches unmittelbar im Anschluss an das Erreichen der oberen Totpunktstellung des Kolbens zu beginnen.
Dadurch lassen sich Frühzündungen und damit einhergehende Belastungen der Lager sowie Spätzündungen oder sehr späte Zündungen mit den Nachteilen der thermischen Überbelastung der Ventile, der Verbrennung im Abgas, etc. vermei den. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass es ebenso möglich ist, den Zündzeitpunkt vorzuziehen oder zu verzögern, um sekundäre Parameter wie das Klopfen oder umweltrelevante Parameter, wie die NOx-Belastung der Abluft, etc. zu beeinflussen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine genaue Bestimmung, zu welcher Kolbenposition der Verbrennungsprozess tatsächlich gestartet wurde. Ein etwaiger Zeitversatz zwischen dem Beginn des Zündzeitpunktes und einem Referenzzeitpunkt kann ohne weiteres ermittelt werden. In stationären Betriebszuständen, die auftreten, wenn keine Beschleunigung auftritt, ist es möglich, den optimalen Zünd- bzw. Einspritzzeitpunkt bereits nach einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors zu ermitteln.
1 zeigt mit dem Bezugszeichen 1. den Zeitpunkt, zu dem die Zündkerzen gezündet oder (im Falle eines Dieselmotors) Kraftstoff eingespritzt wird. Zu dem Zeitpunkt 3. beginnt die Verbrennung des in dem Zylinder befindlichen Kraftstoffgemisches. Wie dies aus 1 hervorgeht, kann dieser Zeitpunkt nach dem oberen Totpunkt liegen, der mit dem Bezugszeichen 2. gekennzeichnet ist. Handelt es sich bei dem Zeitpunkt 2. um den Referenzzeitpunkt, zu dem die Verbrennung hätte beginnen sollen, muss der unerwünschte Zeitversatz T_err, um den die Verbrennung zu spät begonnen hat, berücksichtigt werden, um die neue Zeitspanne T_start zu berechnen, zu der für den nachfolgenden Arbeitszyklus die Zündung oder die Einspritzung von Kraftstoff erfolgen soll. Handelt es sich bei dem Wert T_cycle um die Zeitdauer, die für eine Umdrehung benötigt wird, und bei T_ign um die Zeitspanne, die vom Zünden der Zündkerze bzw. vom Einspritzen des Kraftstoffes bis zum Beginn des Verbrennungsprozesses verstreicht, kann die Zeitspanne T_start wir folgt berechnet werden: Tstart = Tcycle – (Tign + Terr)
Für praktische Zwecke kann ein Algorithmus angewandt werden, bei dem statt T_err der Wert T_err/2 eingesetzt wird, um zu große Sprünge bei der adaptiven Einstellung zu verhindern.
Des Weiteren ist es möglich, dass eine Plausibilitätsüberprüfung durchgeführt wird, um sicherzustellen, dass die berechneten Parameter sich innerhalb der erwarteten Bereiche bewegen. Sollten die Werte T_ign und T_cycle noch nicht verfügbar sein, beispielsweise deshalb, weil der Motor gerade angelassen wurde oder weil Sensoren neugestartet werden müssen, kann vorgesehen sein, dass für den Fall, dass die Zündung oder die Einspritzung zu dem Zeitpunkt UD noch nicht stattgefunden hat, diese dann unmittelbar nach dem Zeitpunkt UD vorgenommen werden. Ebenfalls ist es denkbar, dass der Wert T_ign nicht bei jedem Arbeitszyklus gemessen wird.
Grundsätzlich muss nicht jeder Zylinder mit einem Sensor ausgeführt werden, der den Beginn der Verbrennung erfasst. Dennoch ergeben sich verbesserte Ergebnisse und Unterschiede zwischen den Zylindern werden ausgeglichen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren für jeden Zylinder durchgeführt wird.
Wie oben ausgeführt, kann die Erfassung und Beobachtung des Verbrennungsverlaufes auch dazu herangezogen werden, eine optimale Kraftstoffmenge zu ermitteln. Eine absolute Bewertung ob ein bestimmter Parameterwert erzielt oder nicht erzielt wurde und wenn ja um welchen Betrag eine Abweichung besteht, ist hierbei nicht möglich. Im Hinblick auf die Optimierung der Kraftstoffmengen ist nur eine relative Messung möglich, die dahingehend ausgewertet werden kann, ob sich eine Verbesserung oder eine Verschlechterung zu einem anderen Wert ergibt. Somit kann es mehrere Arbeitszyklen sowie eine zufällige oder periodische Oszillierung der Kraftstoffmengen geben, um schließlich die optimale Kraftstoffmenge zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt grundsätzlich an sich nur einen Hauptsensor, der durch Hilfssensoren unterstützt werden kann. Komplexe Proxy-Sensoren wie Luftstrommesser, Lufttemperaturmesser, Druckmesser, Sensoren zur Ermittlung der Drosselposition, werden nicht benötigt, wenn gleich deren Einsatz auch nicht ausgeschlossen ist. Weitere sekundäre Sensoren sind nicht unbedingt erforderlich, können jedoch helfen, um die Genauigkeit des Verfahrens zu verbessern. Solche sekundären Sensoren umfassen Motortemperatursensoren die beispielsweise ermitteln, dass sich der Motor erst in der Aufwärmehase befindet oder Kurbelwellenpositionssensoren, die Änderungen in der Beschleunigung ermitteln und die eine verbesserte Vorhersage ermöglichen, zu welchem Zeitpunkt im nächsten Arbeitszyklus der Kolben den oberen Totpunkt durchlaufen hat.
Als Hauptsensoren kommen alle Sensoren in Frage, die aussagefähige Werte dazu zulassen, ob die Verbrennung begonnen hat bzw. wie gut und schnell die Verbrennung abgelaufen ist. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von optischen und Drehmomentsensoren. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Verbrennungsparameter, die zum Durchführen des Verfahrens benötigt werden, implizit zu messen, beispielsweise durch Drucksensoren oder durch Zeitmessungen oder akustische Sensoren.
2, linke Darstellung zeigt ein Beispiel, in dem über einen Piezosensor das Drehmoment in der Motorhalterung unter Lastbedingungen ermittelt wurde. Das Drehmoment wird idealerweise zwischen Kolben und Kurbelwellenverbindung gemessen. Grundsätzlich ist es aber ebenfalls möglich, den Drehmomentverlauf an anderer Stelle beispielsweise in der Motorhalterung zu messen.
Neben dieser Messung der auftretenden mechanischen Belastungen ist es ebenfalls denkbar, akustisch den Verlauf des Verbrennunsprozesses zu ermitteln. Ein derartiger akustischer Sensor muss derart montiert werden, dass er möglichst unmittelbar von dem aktiven Zylinder bzw. von dem Zylinder, in dem das Verfahren angewandt wird, ein aussagekräftiges akustisches Signal erhält. Orte für derartige akustische Sensoren können beispielsweise Zündkerzen oder der Zylinderkopf sein.
Auch ist es möglich, einen Kurbelwellensensor anzuordnen, um in möglichst kleinen Zeitintervallen die Kurbelwellengeschwindigkeit zu ermitteln. Die korrekte Einstellung des Zünd- bzw. Einspritzzeitpunktes führt zu einer Beschleunigung nach Durchlaufen des oberen Totpunktes, wohingegen zu frühes Timing zu einem scharfen Abfall führt.
Die Untersuchungen haben ergeben, dass sich die genauesten Ergebnisse dadurch erreichen lassen, dass ein optischer Sensor eingesetzt wird. Das Ergebnis einer Messung bei einem im Leerlauf befindlichen Verbrennungsmotor mit einem optischen Sensor ist in 2, rechte Darstellung wiedergegeben. Dabei ist es denkbar, eine hochtemperaturresistentes optisches Faser oder ein Faserbündel als Lichtleiter zu verwenden. Denkbar ist es ferner, als Lichtleiter einen Glasstab beispielsweise von 3 mm Durchmesser einzusetzen. Der Lichtleiter kann durch eine Bohrung des Zylinderkopfes geführt werden, wie dies aus 3 hervorgeht.
Denkbar ist auch der Einsatz eines beispielsweise 1–2 mm dicken Glasstabes, der in die Zündkerze integriert ist. Dieser Glasstab sollte ausreichend weit in den Zylinderraum hineinragen, beispielsweise in der Größenordnung von 1–2 cm, um das kontinuierliche Abbrennen von Verbrennungsrückständen oder Öl auf dem Glaskörper zu gewährleisten. Abgesehen davon sollte der Lichtleiter, bzw. das Glasrohr soweit in den Zylinderraum hineinragen, dass die Zündfunken bzw. die damit einhergehenden Lichtsignale möglichst nicht übertragen werden.
Außerhalb des Zylinderkopfes sollte sich in einem ausreichenden Abstand zur Vermeidung von Überhitzung (in der Größenordnung von 1–2 cm) ein optischer Receiver befinden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine PIN-Diode oder ein ähnliches Bauteil handeln.
Durch diese Anordnung wird ein elektrisches Signal erzeugt, wenn der Verbrennungsprozess beginnt. Dieses lässt sich deshalb vergleichsweise genau bestimmen, da die anfängliche Steigung des Signals steil ist. Der Verlauf des aufgenommenen Signals, das heißt die Amplitude bzw. das Integral der Amplitude über die Zeit ermöglicht eine Abschätzung der Verbrennungsenergie und damit eine Bestimmung einer optimalen zugeführten Kraftstoffmenge.
3 zeigt den Endbereich des als Lichtleiter dienenden Glasrohrs, der durch eine Bohrung im Zylinderkopf in den Zylinderraum hineinragt sowie den unteren Zündabschnitt der Zündkerze.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur deshalb vorteilhaft, da es vergleichsweise genau ist, sondern auch deshalb, weil weniger Sensoren benötigt werden als bei vorbekannten Verfahren. Dies ist insbesondere auch deshalb vorteilhaft, da üblicherweise Sensoren und in besonderem Maße Luftsensoren Verschleiß und Abnutzung unterliegen, so dass insgesamt festzuhalten ist, dass der Einsatz von weniger Sensoren zu einer höheren Zuverlässigkeit führt.
Des weiteren ist als Vorteil zu nennen, dass umfangreiche Testprogramme, wie sie bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren notwendig sind, um Parameter festzulegen, auf deren Grundlage dann der Zündzeitpunkt bzw. Einspritzzeitpunkt oder die optimale Kraftstoffmenge bestimmt werden können, entfallen können. Laborwerte werden – wenn überhaupt – nur dazu benötigt, um im Fehlerfall oder bei spezifischen Betriebsbedingungen Werte bereitzustellen, auf deren Grundlage dann die Bestimmung der optimalen Werte unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschleunigt werden kann. Somit haben Laborwerte nicht so genau zu sein und nicht in dem Umfang vorzuliegen, wie bei der üblichen Vorgehensweise. Dennoch ist es erfindungsgemäß möglich, dass der Motor im Bereich seiner optimalen Performance läuft, was auch dazu führen kann, dass der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der erfindungsgemäße Motor auch zum Einsatz von unterschiedlichen oder variierenden Kraftstoff- bzw. Kraftstoffgemischen wie Alkohol, Gas, Biokraftstoff, einsetzbar ist. Eine optimale Verbrennung ist somit unabhängig von der Qualität und auch von der Art des Kraftstoffs oder seiner Zusammensetzung denkbar.
Der Verbrennungszeitpunkt bzw. die Verbrennungsgeschwindigkeit werden vorzugsweise in Echtzeit gemessen.
Aufgrund der Tatsache, dass der Beginn des Verbrennungsvorgangs erfasst wird und damit beispielsweise auch die Zeitspanne zwischen dem Zündzeitpunkt oder Einspritzzeitpunkt und dem Verbrennungszeitpunkt gemessen werden kann, sind Änderungen in der Verbrennungsgeschwindigkeit aufgrund von Änderungen der Kraftstoffart oder Zusammensetzung in Echtzeit kompensierbar. Im optimalen Falle, können bereits nach einem Arbeitszyklus für jede beliebige Zusammensetzung optimale Bedingungen erzielt werden.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Anwendung in adaptiven Zünd- und Einspritzsystemen. Da vorzugsweise in Echtzeit die Verbrennungsgeschwindigkeit gemessen wird, kann das Verfahren beispielsweise auch Brennstoffunterschiede (Benzin/Ethanol-Gemische, Biodiesel etc.) kompensieren. Da die angewandte Sensorik einfach und robust ist, ergeben sich auch Kostenvorteile gegenüber konventionellen Motorsteuerungen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren den Schritt umfasst, dass in einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors der Zeitpunkt unmittelbar oder mittelbar gemessen wird, zu dem das in einem Zylinder des Verbrennungsmotors befindliche Gemisch von der Zünd- in die Verbrennungsphase übergeht oder die Verbrennungsphase begonnen hat (Verbrennungszeitpunkt).
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren die folgende Schritte umfasst: Vergleich des gemessenen Verbrennungszeitpunktes mit einem Referenzzeitpunkt sowie in dem nachfolgenden Arbeitszyklus oder in einem wei teren Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors die Wahl des Zündzeitpunktes oder des Zeitpunktes, zu dem Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird (Einspritzzeitpunkt), in Abhängigkeit dieses Vergleiches.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die unmittelbare oder mittelbare Messung der Intensität des Verbrennungsprozesses innerhalb eines Zylinders des Verbrennungsmotors für unterschiedliche Mengen des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren des Weiteren gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 3 ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungszeitpunkt den Zeitpunkt darstellt, zu dem der Verbrennungsprozess innerhalb des Zylinders beginnt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzzeitpunkt der Zeitpunkt ist, zu dem sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzzeitpunkt ein Zeitpunkt ist, der sich an den Zeitpunkt anschließt oder dem Zeitpunkt vorausgeht, zu dem sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzzeitpunkt dynamisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensablauf zum Zwecke der Optimierung des Zünd zeitpunktes, des Einspritzzeitpunktes oder der zugeführten Kraftstoffmenge iterativ durchlaufen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start des Verbrennungsmotors oder bei einem Neustart des Verfahrens der Zündzeitpunkt oder der Einspritzzeitpunkt derart gewählt wird, dass er mit dem Referenzzeitpunkt zusammenfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Messung des Verbrennungszeitpunktes sowie die Messung mindestens einer diskreten Kolbenposition oder des Kurbelwellenwinkels umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Messung der für eine Umdrehung benötigten Zeitspanne sowie die Messung der Zeitspanne zwischen Zünd- oder Einspritzzeitpunkt und dem Verbrennungszeitpunkt umfaßt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Verbrennungszeitpunktes mittels einer Erfassung des Drehmomentes, der direkten oder indirekten Kolbenkraft, der Kurbelwellengeschwindigkeit, der Kurbelwellenbeschleunigung oder durch eine akustische oder durch eine optische Erfassung des Verbrennungsvorgangs oder durch die Erfassung des Druckverlaufes oder durch die Erfassung der Zusammensetzung, der Konzentration oder der Menge der an der Verbrennung beteiligten Gase oder mittels physikalischer Größen, insbesondere Widerstand, Ionisierung, erfolgt, die von den vorgenannten Parametern abgeleitet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich ändernde Verbrennungsgeschwindigkeit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die sich ändernde Verbrennungsgeschwindigkeit erfasst wird, die durch äußere Einflüsse, wie Umwelteinflüsse, und/oder durch interne Einflüsse, wie Motorzustand, Verschleiß, und/oder durch den Kraftstoff, wie ein Benzin/Ethanol-Gemisch, Biodiesel und dergleichen, verursacht wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Verbrennungsgeschwindigkeitsänderungen in einem Algorithmus eingesetzt werden, um den durchschnittlichen Verbrennungszeitpunkt mit einem Referenzzeitpunkt zusammenfallen zu lassen.
Verbrennungsmotor mit Erfassungsmitteln zur unmittelbaren oder mittelbaren Messung des Zeitpunktes, zu dem in einem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors das in einem Zylinder des Verbrennungsmotors befindliche Gemisch von der Zünd- in die Verbrennungsphase übergeht oder die Verbrennungsphase begonnen hat (Verbrennungszeitpunkt).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass des Weiteren Vergleichsmittel zum Vergleich des gemessenen Verbrennungszeitpunktes mit einem Referenzzeitpunkt sowie Einstellmittel zur Wahl des Zündzeitpunktes oder des Zeitpunktes, zu dem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird (Einspritzzeitpunkt), in dem nachfolgenden oder einem weiteren Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors, vorgesehen sind.
Verbrennungsmotor mit Erfassungsmitteln zur unmittelbaren oder mittelbaren Messung der Intensität des Verbrennungsprozesses innerhalb eines Zylinders des Verbrennungsmotors für unterschiedliche Mengen des dem Zylinder zugeführten Kraftstoffes.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel als Sensoren ausgeführt sind, mittels derer die Erfassung des Drehmomentes, der direkten oder indirekten Kolbenkraft, der Kurbelwellengeschwindigkeit, der Kurbelwellenbescheunigung, die akustische oder optische Erfassung des Verbrennungsvorgangs, die Erfassung des Druckverlaufes oder die Erfassung der Zusammensetzung, Konzentration oder Menge der an der Verbrennung beteiligten Gase oder mittels derer die Erfassung von physikalischen Größen, insbesondere Widerstand, Ionisierung, erfolgt, die von den vorgenannten Parametern abgeleitet sind.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erfassungsmittel/Sensor für mehrere Zylinder oder für alle Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen ist oder dass pro Zylinder ein Erfassungsmittel/Sensor vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel/der Sensor wenigstens teilweise einen Teil der Zündkerze oder der Glühkerze oder der Einspritzdüse des Verbrennungsmotors bildet.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel/der Sensor im Zylinderkopf angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel/der Sensor einen Lichtleiter umfaßt, der in den Zylinderraum hineinragt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter derart angeordnet ist, dass er das von der Zündkerze ausgehende Licht nicht oder nicht im vollem Maße erfasst.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel/der Sensor im Motor, in der Motorhalterung oder einem mit dem Motor verbundenen Teil angebracht ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungsmittel/der Sensor in einem Teil angebracht ist, das im Motor, in der Motorhalterung oder in einem mit dem Motor in Verbindung stehenden Teil angebracht ist.