DE10233612B4

DE10233612B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsvorganges einer HCCI-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10233612B4
Application number: DE10233612A
Authority: DE
Inventors: Frederic Dr. Galtier; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: DE10233612A1; WO2004016924A1

Abstract

Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorgangs einer Brennkraftmaschine (1), die zumindest zeitweise mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betrieben werden kann, bei welchem Verfahren während eines Betriebs mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) die Verbrennungsdruckspitzen in zumindest einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) mittels eines Klopfsensors (14) detektiert werden, in Abhängigkeit von dem Signal des Klopfsensors (14) die aktuelle Winkelposition der Kurbelwelle (2) der Brennkraftmaschine (1), bei der jeweils eine Verbrennungsdruckspitze auftritt, bestimmt wird, die aktuelle Verbrennungsdruckspitzen-Winkelposition mit einer Verbrennungsdruckspitzen-Sollwinkelposition verglichen wird, die in einem Kennfeld eines elektronischen Betriebssteuergerätes (13) abgelegt ist, und bei einer Differenz zwischen den beiden Winkelpositionen den Verbrennungsvorgang beeinflussende Parameter in einem geschlossenen Regelkreis so geändert werden, dass die aktuelle Verbrennungsdruckspitzen-Winkelposition zu der Verbrennungsdruckspitzen-Sollwinkelposition hin verschoben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsvorganges einer Brennkraftmaschine, die zumindest zeitweise mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betrieben wird.
Derartige Brennkraftmaschinen mit kontrollierter Selbstzündung, die üblicherweise mit der Abkürzung HCCI (= Homogeneous Charge Compression Ignition) bezeichnet wird, sind bekannt verwiesen sei beispielsweise auf die US 6 260 520 B1 , US 6 390 054 B1 , DE 199 27 479 C2 und WO 98/10179 A2 . Manchmal wird die HCCI-Verbrennung auch als CAI (Controlled Auto Ignation) oder als ATAC (Active Thermo-Atmosphere Combustion) oder TS (Toyota Soken) bezeichnet, wobei gelegentlich der Begriff CAI für mit Benzin betriebene Brennkraftmaschinen und der Begriff HCCI für mit Dieselkraftstoff betriebene Brennkraftmaschinen verwendet wird. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung soll der Begriff HCCI jedoch alle diese Verbrennungsarten umfassen, unabhängig davon, ob es sich um Otto- oder Dieselmotoren handelt.
Die HCCI-Verbrennung hat gegenüber der herkömmlichen fremdgezündeten Verbrennung den Vorteil eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs und geringerer Schadstoffemissionen. Allerdings ist die Steuerung der Selbstzündung des Gemischs nicht einfach. So bedarf es einer entsprechenden Steuerung von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parametern wie beispielsweise einer Steuerung der Einlass- und Auslassventile, der – internen oder externen – Abgasrückführung, der Kraftstoffeinspritzung und/oder des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine. Derartige Parameter (Stellgrößen) werden üblicherweise dazu verwendet, ein homogenes und/oder nicht homo genes Gemisch im Brennraum zu erzeugen, um damit die Selbstzündung des Gemisches zu steuern.
Um einen optimalen Verbrennungsvorgang mit bestmöglicher Nutzung der zur Verfügung stehenden Kraftstoffenergie zu erzielen, ist allgemein anerkannt, dass die Verbrennungsdruckspitze ungefähr 15 bis 20° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt auftreten soll. Um dieses Hauptziel zu erreichen, muss die Zündverzögerung und die Brenngeschwindigkeit berücksichtigt werden, um die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter korrekt einzustellen.
Bei einer herkömmlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine (Ottomotor) wird dies durch eine entsprechende Einstellung des Zündwinkels (ungefähr 20 bis 25° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt) erreicht, was zu einer optimalen Lage der Verbrennungsdruckspitze führt. Bei einer HCCI-Brennkraftmaschine kann dies jedoch lediglich durch eine Steuerung der oben erwähnten, den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter erreicht werden. Dies erfolgt heutzutage weitgehend durch eine einfache Steuerung dieser Parameter anhand von in Kennfeldern abgelegten Werten ohne Feedback der Brennkraftmaschine.
In der DE 199 08 454 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung beschrieben, bei der die Motorleistung durch geeignetes Setzen des Zündzeitpunktes verbessert ist. Die Brennkraftmaschine enthält einen Ventilmechanismus, der ein Einlassventil und ein Auslassventil enthält, die in einem Zylinder der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die Ventilmechanismus-Steuervorrichtung steuert die Öffnungs- und Schließzeitpunkte das Ventilmechanismus. Durch die Verwendung der Ventilmechanismus-Steuervorrichtung kann der Kompressionsdruck entsprechend einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine gesteuert werden, so dass der Selbstzündungszeitpunkt entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine gesteuert werden kann.
In der DE 199 52 096 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung beschrieben, die mehrere Stellgrößen liefernde Stellglieder zur Steuerung eines mehrzyklischen motorischen Prozesses aufweist. Es sind variable ansteuerbare Einlass- und Auslass-Ventile, eine Einspritzanlage zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einem Brennraum oder zum Einspritzen in ein Ansaugrohr, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und Regelung des Verbrennungsprozesses vorgesehen. Die variabel ansteuerbaren Einlass- und Auslassventile und die Einspritzanlage sind durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung derart ansteuerbar, dass in Abhängigkeit eines Zeitpunkts der 50%igen Umsetzung der eingespritzten Brennstoffmasse während eines Zyklus als Stellgrößen ein bestimmtes Luftverhältnis, eine bestimmte effektive Verdichtung, ein bestimmter Einspritzdruck, ein bestimmter Einspritzzeitpunkt und eine bestimmte Einspritzmenge zur Festlegung von Beginn und Dauer der Verbrennung/Umsetzung der Ladung oder des Schwerpunkts der Verbrennung für den jeweils nächsten Zyklus erzeugbar sind.
Aus der DE 198 04 988 C2 ist ein Verfahren zum Betrieb eines im Viertakt arbeitenden Verbrennungsmotors mit homogenem, mageren Grundgemisch von Luft- und Kraftstoff und mit Kompressionszündung bekannt. Mittels eines steuerbaren Einlassorgans ist das im Brennraum gebildete Kraftstoff/Luft-Verhältnis veränderbar. Um eine möglichst rasche Anpassung an veränderte Verbrennungsabläufe zu erreichen, erfolgt eine Messung der jeweiligen Verbrennung und in Abhängigkeit des aus dieser Messung gewonnenen Signals wird der Zeitpunkt des Schließens des Einlassorgans des Brennraums für den nächsten Zyklus geregelt.
In der DE 197 39 085 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Verbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei mindestens ein Klopfsensor ein zylinderindividuelles Klopfsignal für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine umfasst. Das so erfasste Klopfsignal wird einer Aus werteschaltung zugeführt, welche aus dem erfassten Klopfsignal den Brennraumdruckverlauf rekonstruiert und wobei dieser Brennraumdruckverlauf für die Steuerung und Regelung der nächsten Verbrennung in diesem Zylinder ausgewertet wird.
In der Druckschrift M. Lindemann, D. Filbert: Methoden der Verbrennungsaussetzer-Erkennung mit Klopfsensoren, MTZ 3/2002, Jahrgang 63, Seiten 194 bis 200, sind verschiedene Methoden der Verbrennungsaussetzererkennung mittels Klopfsensoren beschrieben. Diese Druckschrift beschäftigt sich in erster Linie mit der Auswertung des Klopfsensorsignals zur Aussetzererkennung, wobei zur Extraktion der verbrennungsrelevanten Anteile zwei signalverarbeitungstechnische Methoden angegeben sind: Ein nichtlineares Polynomfilter, das in der Lage ist, impulsartige deterministische Signalanteile aus stark gestörten Signalen zu extrahieren und ein modellbasiertes Verfahren zur Extraktion von einhüllenden drehzahlharmonischen Schwingungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsvorgangs einer HCCI-Brennkraftmaschine anzugeben, die eine Optimierung von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parametern unter Berücksichtigung des in der Brennkraftmaschine tatsächlich ablaufenden Verbrennungsvorganges erlauben.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im HCCI-Betrieb Verbrennungsdruckspitzen auftreten, die denen bei einer klopfenden Verbrennung einer herkömmlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine ähnlich sind. Da die Selbstzündung des Gemischs beim HCCI-Betrieb zu einer spontanen Explosion des Gemischs im Brennraum führt, ist der Druckanstieg schneller und stärker als bei einer herkömmlichen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, was schärfere und dünnere Druckspitzen zur Folge hat.
Diese Druckspitzen werden erfindungsgemäß durch einen Klopfsensor erfasst, wie er bei modernen Brennkraftmaschinen zur Kopfregelung meistens ohnehin vorhanden ist. Hierbei kommen Klopfsensoren beliebiger Bauart wie beispielsweise Schwingungs- und Beschleunigungssensoren in Form von Piezo-, Zylinderdruck-, Ionenstrom-Sensoren u. a. in Frage. Derartige Klopfsensoren sind in großer Vielfalt bekannt.
Die im Signal des Klopfsensors enthaltenen Informationen erlauben es, den Winkel der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu bestimmen, bei dem eine Verbrennungsdruckspitze aufgetreten ist. Diese Feedback-Information erlaubt es dann, die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter der Brennkraftmaschine zu optimieren. Zur Bestimmung des „Selbstzündungswinkels" ausgedrückt in Grad Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine mit Hilfe des Signals des Klopfsensors können Signalverarbeitungsverfahren verwendet werden, wie sie in Zusammenhang mit der Klopfregelung herkömmlicher fremdgezündeter Brennkraftmaschinen bekannt sind, verwiesen sei beispielsweise auf die EP 0 187 081 A1 , EP 0 458 993 A1 und US 4 884 206 A .
Zweckmäßigerweise wird die mittels des Signals des Klopfsensors detektierte aktuelle Winkelposition mit einer in einem Kennfeld abgelegten Soll-Winkelposition verglichen. Bei einer Abweichung der aktuellen Winkelposition von der Soll-Winkelposition werden dann die den Verbrennungsvorgang steuernden Parameter so geändert, dass die aktuelle Winkelposition zu der Soll-Winkelposition hin verschoben wird.
Hierbei wird zweckmäßigerweise so vorgegangen, dass die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter mittels im elektronischen Betriebssteuergerät abgelegten Kennfeldern voreingestellt und in Abhängigkeit von dem Signal des Klopfsensors korrigiert werden. Die Korrektur kann mittels einer einfachen Korrekturfunktion (Addition, Multiplikation, etc.) erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Korrektur jedoch in einem geschlossenen Regelkreis, beispielsweise in Form einer PID-Regelung. Es kann natürlich auch eine komplexe Lern- und Adaptionsfunktion verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, den HCCI-Verbrennungsvorgang unabhängig von alterungsbedingten Änderungen der Brennkraftmaschine und/oder herstellungsbedingten Fertigungsunterschieden zwischen verschiedenen Brennkraftmaschinen ständig zu optimieren, um Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu minimieren. Außerdem erlaubt die Erfindung eine Vereinfachung der Kalibrierung der Brennkraftmaschine, da das erfindungsgemäße Verfahren eine Art Selbstkalibrierung während des Betriebs bewirkt.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zu ihrer Implementierung lediglich bereits ohnehin vorhandene Hardware wie ein elektronisches Betriebssteuergerät und ein Klopfsensor erforderlich sind, wobei überdies auf aus der Klopfregelung bekannte Signalverarbeitungsverfahren zurückgegriffen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem elektronischen Betriebssteuergerät ist;
2 ein Diagramm ist, in dem der Druck für verschiedene Verbrennungsarten über dem Winkel der Kurbelwelle aufgetragen ist;
3 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
1 zeigt in schematischer Weise eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Kurbelwelle 2, einem Zylinder 3, einem Brennraum 4, einem Ansaugtrakt 5, einem Abgastrakt 6, einem Einlassventil 7, einem Auslassventil 8, einem Kraftstoffeinspritzventil 9, einer Zündeinrichtung 10 und einer Abgasrückführung 11 mit einem Abgasrückführventil 12. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein elektronisches Betriebssteuergerät 13 zugeordnet, das zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine Stellsignale – unter anderem – an Aktoren der Ventile 7 bis 9 und 12 sowie der Zündeinrichtung 10 abgibt.
Die Brennkraftmaschine 1 ist als HCCI-Brennkraftmaschine ausgebildet, die zumindest während bestimmter Betriebsphasen mit kontrollierter Selbstzündung des Luft/Kraftstoffgemischs (also ohne Fremdzündung durch die Zündeinrichtung 10) betrieben werden kann. Wie bereits eingangs erläutert, läuft im HCCI-Betrieb der Verbrennungsvorgang so ab, dass als Folge der Selbstzündung des Gemischs ausgeprägte, d. h. scharfe und dünne, Verbrennungsdruckspitzen im Brennraum 4 auftreten.
Zur Erläuterung sei auf 2 verwiesen, in der der Verbrennungsdruck P über dem Kurbelwellenwinkel °CRK aufgetragen ist. Die Kurve a zeigt den Verlauf des Verbrennungsdrucks bei normalem Betrieb mit Fremdzündung, die Kurve b bei klopfender Verbrennung und die Kurve c bei HCCI-Betrieb der Brennkraftmaschine. Die Druckspitzen haben jeweils einen vorgegebenen Winkelabstand zum oberen Totpunkt TDC des zugehörigen Kolbens. Wie eingangs erläutert, können Verbrennungsdruckspitzen gemäß der Kurve c mittels eines herkömmlichen Klopfsensors detektiert werden, wie er bei modernen Brennkraftmaschinen zur Klopfregelung verwendet wird.
In 1 ist dem Zylinder 3 bzw. dem Brennraum 4 ein entsprechender Klopfsensor 14 zugeordnet, dessen Signale dem Betriebssteuergerät 13 zugeführt werden. Das Betriebssteuergerät 13 enthält eine Signalverarbeitungseinrichtung, wie sie bei Klopfregelungen für herkömmliche fremdgezündete Brennkraftmaschinen verwendet wird. Diese Signalverarbeitungseinrichtung ermöglicht eine Bestimmung des aktuellen Winkels der Kurbelwelle 2, bei dem die Verbrennungsdruckspitzen (Kurve c) auftreten. Der betreffende aktuelle Kurbelwellenwinkel wird dann mit dem für eine optimale Verbrennung erforderlichen Soll-Kurbelwellenwinkel verglichen und bei Abweichungen so korrigiert, dass der aktuelle Zündzeitpunkt zu dem optimalen Zündzeitpunkt hin verschoben wird. Dies erfolgt durch eine Korrektur von den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parametern, vorzugsweise in einem geschlossenen Regelkreis.
Zur Erläuterung eines derartigen Regelkreises sei auf 3 Bezug genommen. Der mit „Ist" bezeichnete Block 15 enthält den aktuellen Kurbelwellenwinkel, bei dem die Verbrennungsdruckspitze (Kurve c) aufgetreten ist. Der aktuelle Kurbelwellenwinkel wurde, wie bereits erwähnt, von dem Betriebssteuergerät 13 aus dem Signal des Klopfsensors 14 gewonnen. Der mit „Soll" bezeichnete Block 16 stellt ein im Betriebssteuergerät 13 abgelegtes Kennfeld dar, in dem der optimale Kurbelwellenwinkel, bei dem die Verbrennungsdruckspitze auftreten soll, d. h. der optimale Zeitpunkt der Selbstzündung, in Abhängigkeit von beispielsweise der Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine aufgetragen ist. Der aktuelle Winkel und der Sollwinkel werden dann in einer Stufe 18 miteinander verglichen. In Abhängigkeit von einer etwaigen Differenz zwischen diesen beiden Winkeln erzeugt ein PID-Regler (Block 17) ein Stellsignal (Stufe 19), mit dem ein oder mehrere den Verbrennungsvorgang beeinflussende Parameter so geändert werden, dass die Differenz in der Stufe 18 verschwindet, d. h., dass der aktuelle Zündzeitpunkt zu dem Soll-Zündzeitpunkt hin verschoben wird.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Korrektur des Zeitpunkts der Selbstzündung mittels eines PID-Reglers. Wie bereits eingangs erwähnt, kann jedoch auch eine andere Korrekturfunktion einschließlich einer Lern- und Adaptionsfunktion verwendet werden.
Als den Verbrennungsvorgang beeinflussende Parameter kommen eine Zeitsteuerung (VVT = Variable Valve Time) und/oder eine Ventilhubverstellung (VVL = Variable Valve Lift) des Einlass- und Auslassventils 8 und/oder des Abgasrückführventils 12 und/oder eine Steuerung des Einspritzventils 9 (Einfach- oder Mehrfacheinspritzung) und/oder eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine u. a. in Frage. Da die Steuerung des Verbrennungsvorganges durch derartige Parameter grundsätzlich bekannt ist, sind hierzu keine weitere Erläuterungen erforderlich.

Claims

Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorgangs einer Brennkraftmaschine (1), die zumindest zeitweise mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betrieben werden kann, bei welchem Verfahren während eines Betriebs mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) die Verbrennungsdruckspitzen in zumindest einem Brennraum (4) der Brennkraftmaschine (1) mittels eines Klopfsensors (14) detektiert werden, in Abhängigkeit von dem Signal des Klopfsensors (14) die aktuelle Winkelposition der Kurbelwelle (2) der Brennkraftmaschine (1), bei der jeweils eine Verbrennungsdruckspitze auftritt, bestimmt wird, die aktuelle Verbrennungsdruckspitzen-Winkelposition mit einer Verbrennungsdruckspitzen-Sollwinkelposition verglichen wird, die in einem Kennfeld eines elektronischen Betriebssteuergerätes (13) abgelegt ist, und bei einer Differenz zwischen den beiden Winkelpositionen den Verbrennungsvorgang beeinflussende Parameter in einem geschlossenen Regelkreis so geändert werden, dass die aktuelle Verbrennungsdruckspitzen-Winkelposition zu der Verbrennungsdruckspitzen-Sollwinkelposition hin verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsvorgang beeinflussenden Parameter Stellgrößen für Aktoren eines Einlass-/Auslassventiles (7, 8) und/oder Abgasrückführventiles (12) und/oder Kraftstoffeinspritzventiles (9) und/oder zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine (1) sind.