-
Brennkraftmaschinen,
insbesondere Hubkolbenmaschinen, mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis sind
seit längerer
Zeit bekannt. Änderungen des
Verdichtungsverhältnisses,
bei dem es sich um das Verhältnis
zwischen den Volumina des Brennraumes im oberen und unteren Totpunkt
des Kolbens handelt, lassen sich z.B. durch Änderungen des Kolbenhubes erzielen.
Es sind Brennkraftmaschinen mit kontinuierlich veränderbarem
Verdichtungsverhältnis und
Brennkraftmaschinen mit diskret veränderbarem Verdichtungsverhältnis bekannt.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit diskret einstellbaren
Verdichtungsverhältnissen.
-
Bei
derartigen Brennkraftmaschinen wird das Verdichtungsverhältnis geändert, um
es an Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anzupassen. Eine Änderung
des Verdichtungsverhältnisses
der Brennkraftmaschine beeinflusst bekanntlich den Verlauf des Verbrennungsdrucks über seine Auswirkung
auf die Gemischentflammung (Zündverzögerung und
Brenngeschwindigkeit). Auch der Druck im Brennraum vor der Verbrennung
wird naturgemäß durch
das Verdichtungsverhältnis
beeinflusst. Da das Klopfverhalten einer Brennkraftmaschine unmittelbar
mit dem Druck im Brennraum verknüpft
ist, hat eine Änderung
des Verdichtungsverhältnisses auch
einen Einfluss auf das Klopfverhalten.
-
Andererseits
gibt es für
jeden Wert des Verdichtungsverhältnisses
einen (von weiteren Betriebsparametern abhängigen) op timalen Zündzeitpunkt für eine bestmögliche Gemischverbrennung.
Allerdings liegt dieser optimale Zündzeitpunkt (Zündwinkel)
meist im potentiellen Klopfbereich, so dass es im allgemeinen nicht
möglich
ist, die Brennkraftmaschine mit optimalem Zündwinkel zu betreiben. Der Zündzeitpunkt
muss daher in Richtung auf eine spätere Zündung zu der so genannten Klopfgrenze
verschoben werden, um die Brennkraftmaschine gegen eine klopfende
Verbrennung zu schützen.
-
Die
Klopfgrenze wiederum hängt
von dem Betriebspunkt und dem Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine
ab: Je höher
das Verdichtungsverhältnis
ist, desto besser ist das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine,
umso größer ist
aber auch die Gefahr des Klopfens. Je niedriger das Verdichtungsverhältnis ist,
desto geringer ist die Gefahr des Klopfens, umso schlechter ist
jedoch auch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.
-
Bei
Brennkraftmaschinen mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis
wird das Verdichtungsverhältnis
normalerweise für
alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine im Hinblick auf einen
möglichst guten
Wirkungsgrad und einen möglichst
niedrigen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gewählt. Grundsätzlich wird
hierbei so vorgegangen, dass bei niedriger Last der Brennkraftmaschine
(bei der der volumetrische Wirkungsgrad gering und die Klopfgrenze
vom optimalen Zündzeitpunkt
weit entfernt ist) ein vergleichsweise hoher Wert für das Verdichtungsverhältnis gewählt wird,
um den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei
hoher Last dagegen (bei der der volumetrische Wirkungsgrad von Hause
aus groß ist
und die Klopfgrenze nahe am optimalen Zündzeitpunkt oder sogar dahinter
liegt) wird ein vergleichsweise niedriger Wert des Verdichtungsverhältnisses
gewählt,
um die Brennkraftmaschine gegen Klopfen zu schützen.
-
Wie
aus den vorstehenden Überlegungen deutlich
wird, haben sowohl das Verdichtungsverhältnis wie auch der Zündzeitpunkt
einen Einfluss auf den Wirkungsgrad wie auch das Klopfverhalten
der Brennkraftmaschine. Wünschenswert
wäre, die Brennkraftmaschine
mit einem möglichst
hohen Verdichtungsverhältnis
und einem optimalen Zündwinkel zu
betreiben. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass es zu einem Klopfen
der Brennkraftmaschine kommt, was den Wirkungsgrad der Verbrennung
verringert und insbesondere die Brennkraftmaschine schädigen kann.
Ein Kompromiss bei der Wahl des Verdichtungsverhältnisses und des Zündzeitpunktes
ist daher unvermeidlich.
-
Bei
der klassischen Klopfregelung erfolgt eine Klopfkorrektur mittels
einer Zündwinkelkorrektur.
Genauer gesagt, werden mit Hilfe von Klopfsensoren Klopferkennungssignale
erzeugt, mit denen dann der Zündwinkel
so verstellt wird, dass Klopfen gerade vermieden wird. Der Zündwinkel
wird somit gewissermaßen
an die Klopfgrenze verlegt (siehe z.B.
US 4 884 206 ,
US 6 317 681 B2 ,
EP 1 092 087 B1 ).
Wie bereits erwähnt,
führt dies
jedoch meist zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Gemischverbrennung
und somit des erzielbaren Drehmomentes. Um dennoch das erforderliche
Drehmoment zu erzeugen, ist es daher manchmal erforderlich, die
Menge des eingespritzten Kraftstoffes zu erhöhen, was sich ungünstig auf
den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen auswirkt. Außerdem ist
es manchmal bei starken Klopferscheinungen und somit sehr großen Zündwinkelverstellungen
notwendig, das Kraftstoffgemisch anzufetten, um zu hohe Betriebstemperaturen
der Brennkraftmaschine bzw. Abgastemperaturen zu vermeiden. Die herkömmliche
Klopfregelung ist daher zum Vermeiden von Klop fen äußerst wirksam,
hat jedoch einige Nachteile im Hinblick auf das Betriebsverhalten
und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.
-
Aus
der
DE 199 50 682
A1 ist ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses
einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem mittels eines Klopfsensors
ein zu hohes Verdichtungsverhältnis
ermittelt wird, um daraufhin das Verdichtungsverhältnis unter
die Klopfgrenze zu verringern und anschließend wieder zu erhöhen.
-
Aus
der
DE 102 20 596
B3 ist ein Verfahren zum Regeln des Verdichtungsverhältnisses
einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das Verdichtungsverhältnis in
Abhängigkeit
von einer Klopferkennungsinformation in einer geschlossenen Regelschleife
so geregelt wird, dass Klopfen gerade vermieden wird.
-
Grundsätzlich ist
anzustreben, dass die Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt
mit seinem bestmöglichen
Zündwinkel
(Verbrennungswirkungsgrad und Betriebsverhalten) und seinem bestmöglichen
Verdichtungsverhältnis
(Betriebsverhalten bei Vermeidung von Klopfen) betrieben wird.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses
einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen
anzugeben, das es in relativ einfacher Weise erlaubt, die Brennkraftmaschine
in jedem Betriebspunkt mit dem bestmöglichen Zündwinkel und dem bestmöglichen
Verdichtungsverhältnis
zu betreiben.
-
Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
-
Bei
einer Brennkraftmaschine mit einer elektronischen Motorsteuerung
auf Drehmomentbasis sind die Wirkungsgrade der Betriebsparameter,
insbesondere die des Zündwinkels,
des Luftmassenstroms, des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses λ und gegebenenfalls eines Faktors
für die
Abschaltung eines oder mehrerer Zylinder die üblichen Größen zum Bestimmen des aktuellen
Drehmomentes der Brennkraftmaschine. Bei einer Brennkraftmaschine
mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis
lässt sich
außerdem
ein entsprechender Wirkungsgrad für das Verdichtungsverhältnis definieren,
und zwar in Form des Verhältnisses
von dem aktuellen Drehmoment, das die Brennkraftmaschine bei dem
aktuellen Verdichtungsverhältnis
erzeugt, zu dem maximal erreichbaren Drehmoment, das sich ergibt,
wenn sämtliche Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine ihre bestmöglichen Werte haben.
-
Die
vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass sich
mit Hilfe des Zündwinkel-Wirkungsgrades
und des Verdichtungsverhältnis-Wirkungsgrades
ein globaler Verbrennungswirkungsgrad bestimmen lässt, mit
dessen Hilfe dann das für
einen bestimmten Betriebspunkt optimale Verdichtungsverhältnis ausgewählt werden
kann.
-
Genauer
gesagt, wird bei dem Verfahren der Erfindung während des Betriebs der Brennkraftmaschine
mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen
ein aktueller
globaler Verbrennungswirkungsgrad ηactual für ein aktuelles
Verdichtungsverhältnis εactual und einen
aktuellen Zündwinkel
IGAactual mit der folgenden Formel berechnet: ηactual = η_εactual·η_IGAactual (1)worin η_ε der vom
Verdichtungsverhältnis ε abhängige Wirkungsgrad
und η_IGA
der vom Zündwinkel
abhängige
Wirkungsgrad ist,
alternative globale Verbrennungswirkungsgrade ηx für
die anderen möglichen
Verdichtungsverhältnisse εx bei
optimalem Zündwinkel
IGAbest x für das betreffende Verdichtungsverhältnis εx mit
der folgenden Formel berechnet: ηx = η_εx·η_IGAbest x (2)der
aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactual mit
den alternativen globalen Verbrennungswirkungsgraden ηx verglichen, um den größtmöglichen globalen Verbrennungswirkungsgrad
zu bestimmen,
und dann der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem
Verdichtungsverhältnis
für den
größtmöglichen Verbrennungswirkungsgrad
fortgeführt.
-
Die
verwendeten Größen η_ε und η_IGA lassen
sich im einfachsten Fall wie folgt bestimmen: η_ε = TQ(ε)/TQref η_IGA = TQ(IGA)/TQref worin
TQ(ε) = Drehmoment abhängig vom
Verdichtungsverhältnis ε
TQ(IGA)
= Drehmoment abhängig
vom Zündwinkel IGA
TQref = maximal erreichbares Drehmoment bei
optimal eingestellten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine.
-
Ergibt
der obige Vergleich, dass das aktuelle Verdichtungsverhältnis die
besten Ergebnisse liefert, so wird der Betrieb der Brennkraftmaschine
mit dem bisherigen Verdichtungsverhältnis weitergeführt. Ergibt
der Vergleich dagegen, dass eines der nicht eingestellten anderen
Verdichtungsverhältnisse
zu einem besseren Wirkungsgrad führt,
so wird der Betrieb der Brennkraftmaschine auf dieses andere Verdichtungsverhältnis umgestellt,
wobei je nach dem Ergebnis des Vergleiches das Verdichtungsverhältnis auf
einen höheren
oder auch auf einen niedrigeren Wert umgestellt werden kann.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet eine einfache Möglichkeit,
- – den
Zeitpunkt zum Umschalten des Verdichtungsverhältnisses zu bestimmen,
- – den
bestmöglichen
Zündwinkel
unter den gegebenen Betriebsbedingungen sicherzustellen,
- – einen
optimalen Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei optimaler
Steuerung des Verdichtungsverhältnisses
und Zündwinkels
während
der gesamten Betriebsdauer sicherzustellen,
- – einen
weichen Übergang
im Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine beim Umschalten des Verdichtungsverhältnisses
sicherzustellen.
-
Die
Verwendung der obigen Formeln bei einer detaillierteren und verfeinerten
Prozessanalyse kann dabei mithelfen, den korrekten Zeitpunkt zum Umschalten
des Verdichtungsverhältnisses
wie auch den Zeitpunkt der Umschaltung des Zündwinkels zu steuern, um eine
drehmomentneutrale Umschaltung der Brennkraftmaschine sicherzustellen.
-
Eine
einfache Verbesserung des oben definierten Verfahrens gemäß der Erfindung
besteht darin, dass die Formeln (1) und (2) wie folgt modifiziert werden: ηactual = η_εactual·η_IGAactual·η_Pactual (1') ηx = η_εx·η_IGAbest x·η_Px (2')worin η_P der Wirkungsgrad
eines weiteren Betriebsparameters oder das Produkt aus den Wirkungsgraden
weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ist.
-
Als
Wirkungsgrad eines weiteren Betriebsparameters kommt insbesondere
der λ-Wirkungsgrad
in Frage, so dass bei der Berechnung des globalen Verbrennungswirkungsgrades
eine möglicherweise
vorgesehene Anreicherung des Luft/Kraftstoffgemisches berücksichtigt
wird. Auch kann ein Wirkungsgrad für eine eventuelle Abschaltung
eines oder mehrerer Zylinder berücksichtigt
werden.
-
Anhand
der Zeichnungen werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
erläutert.
Es zeigt:
-
1 ein
Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
-
2 ein
Kennfeld des maximal erreichbaren Drehmomentes TQref;
-
3 den
Zusammenhang zwischen dem Zündwinkel-Wirkungsgrad und
dem Zündwinkel.
-
Ausgegangen
wird von einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine, mit einer Motorsteuerung auf Drehmomentbasis.
Da derartige Motorsteuerungen (EMS = Engine Management System) heute gängiger Stand
der Technik ist, wird hierauf nicht weiter eingegangen. Die Brennkraftmaschine
ist ferner mit einer Einrichtung zum diskreten Verstellen des Verdichtungsverhältnisses
versehen. Beispielsweise kann diese Einrichtung drei oder vier verschiedene Verdichtungsverhältnisse
einstellen.
-
Es
sei angenommen, dass die Brennkraftmaschine mit einem eingestellten
aktuellen Verdichtungsverhältnis εactual und
einem aktuellen Zündwinkel η_εIGAactual in Betrieb ist (Block 1 in 1).
Mit dem nun zu beschreibenden Verfahren wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine
geprüft,
ob ein anderes in der Brennkraftmaschine einstellbares Verdichtungsverhältnis εx zu
einem besseren Verbrennungswirkungsgrad führt.
-
Zu
diesem Zweck wird nach dem Beginn des Verfahrens (Block 2)
der aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactual mit
Hilfe der oben angegebenen Formel (1) bestimmt (Block 3).
Bei einer Motorsteuerung auf Drehmomentbasis stehen die hierfür erforderlichen
Wirkungsgrade η_ε und η_IGA ohne
weiteres zur Verfügung.
-
Der
Wirkungsgrad η_ε ist definiert
durch η_ε = TQ(ε)/TQref
-
Hierbei
lässt sich
TQ(ε) bestimmen
aus: TQ(ε)
= η_IGA·η_λ·η_SCC·TQref
-
Hierin
bedeuten η_IGA
den Zündwinkel, η_λ den λ-Wirkungsgrad
und η_SCC
einen Faktor (zwischen 0 und 1), der die Abschaltung eines oder
mehrerer der Zylinder berücksichtigt.
-
TQref ist das größtmögliche Drehmoment, das bei
optimaler Einstellung sämtlicher
Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Es
ist üblicherweise
in einem Kennfeld abgelegt, das über
der Drehzahl N und der Last L aufgetragen ist; ein Beispiel hierfür zeigt 2.
-
Der
Zündwinkel-Wirkungsgrad η_IGA ist
im einfachsten Fall bestimmt durch η_IGA = TQ(IGA)/TQref wobei es jedoch auch komplexere Möglichkeiten
zum Bestimmen von η_IGA
gibt.
-
Der
Wirkungsgrad η_IGA
ist üblicherweise
in einem Kennfeld abgelegt, das ebenfalls über der Drehzahl N und der
Last L aufgespannt ist. Ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen
dem Zündwinkel-Wirkungsgrad η_IGA und
dem Zündwinkel IGA
ist in 3 dargestellt.
-
In
einem nächsten
Schritt (Block 4) wird der globale Verbrennungswirkungsgrad ηx für
die anderen einstellbaren Verdichtungsverhältnisse mit der oben angegebenen
Formel (2) ermittelt. Zu beachten ist, dass die Formel (2) jeweils
den Zünd winkel-Wirkungsgrad η_IGAbest x für
den bestmöglichen
Zündwinkel
bei dem jeweiligen Verdichtungsverhältnis verwendet. Der aktuelle
Zündwinkel
IGAactual, der bei der Bestimmung des Zündwinkel-Wirkungsgrades
in der Formel (1) verwendet wird, ist möglicherweise nicht identisch
mit dem bestmöglichen
Zündwinkel für das aktuelle
Verdichtungsverhältnis;
beispielsweise kann der aktuelle Zündzeitpunkt gegenüber dem bestmöglichen
Zündzeitpunkt
zurückversetzt
sein, um Klopfen der Brennkraftmaschine zu vermeiden.
-
Der
aktuelle globale Verbrennungswirkungsgrad ηactual wird
nun mit jedem der globalen Verbrennungswirkungsgrade ηx für
die anderen möglichen Verdichtungsverhältnisse
verglichen (Block 5). Dieser Vorgang wird in einer Iterationsschleife
durchgeführt,
wie in dem Flussdiagramm der 1 schematisch
angedeutet ist.
-
Wenn
bei diesem Vorgang festgestellt wird, dass der aktuelle globale
Verbrennungswirkungsgrad ηactual der bestmögliche Wirkungsgrad ist, wird
die Brennkraftmaschine mit dem aktuellen Verdichtungsverhältnis εactual und
dem aktuellen Zündwinkel
IGAactual weiter betrieben. Stellt sich
jedoch bei dem Vergleich heraus, dass ein nx für ein anderes
Verdichtungsverhältnis
zu einem höheren
globalen Verbrennungswirkungsgrad führt, so wird auf einen Betrieb der
Brennkraftmaschine mit dem Verdichtungsverhältnis εx und
Zündwinkel
IGAx für
diesen optimalen Verbrennungswirkungsgrad umgeschaltet (Block 6). Die
Brennkraftmaschine läuft
dann mit dem neu eingestellten Verdichtungsverhältnis und Zündwinkel (Block 7).
-
Das
Verfahren zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses kann dann wieder erneut
beginnen (Block 2).
-
Wie
bereits eingangs erläutert,
kann das beschriebene Verfahren in der Weise verfeinert werden, dass
bei der Berechnung des globalen Verbrennungswirkungsgrades (Blöcke 3 und 4)
Wirkungsgrade weiterer Betriebsparameter berücksichtigt werden. In Frage
kommt in erster Linie der λ-Wirkungsgrad η_λ, durch den
eine möglicherweise
vorgesehene Anreicherung des Luftkraftstoffgemischs berücksichtigt
wird.
-
Das
beschriebene Verfahren bietet eine einfache und effiziente Möglichkeit
zum Steuern der Betriebsparameter sowie der Umschaltzeit und -richtung
des Verdichtungsverhältnisses
einer Brennkraftmaschine mit diskret einstellbaren Verdichtungsverhältnissen.
Die Brennkraftmaschine kann daher jederzeit mit dem bestmöglichen
globalen Verbrennungswirkungsgrad durch Einstellen des Verdichtungsverhältnisses
bei Berücksichtigung
des Einflusses der anderen relevanten Verbrennungsparameter betrieben
werden, was entsprechend positive Auswirkungen auf die Verbrennung,
das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine wie auch auf den Kraftstoffverbrauch
hat.