DE10233611A1

DE10233611A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen und Steuern des Verbrennungsvorganges einer HCCI-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10233611A1
Application number: DE10233611A
Authority: DE
Inventors: Frederic Dr. Galtier; Hong Dr. Zhang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Es wird ein Klopfsensor dazu verwendet, eine mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betriebene Brennkraftmaschine auf Verbrennungsaussetzer zu überwachen. Bei Erkennen eines Verbrennungsaussetzers wird der Betrieb der Brennkraftmaschine auf einen Betrieb mit Fremdzündung umgestellt, bis sich die Verbrennung stabilisiert hat. Hierauf wird die Brennkraftmaschine erneut mit kontrollierter Selbstzündung betrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen und Steuern des Verbrennungsvorganges einer HCCI-Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des Verbrennungsvorganges einer zumindest zeitweise mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betriebenen Brennkraftmaschine auf Verbrennungsaussetzer sowie zum Steuern des Verbrennungsvorganges der Brennkraftmaschine.

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 , US 6 390 054 , DE 199 27 479 , und WO 98/10179. 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. Ein Problem der HCCI-Verbrennung besteht darin, dass bei Verbrennungsaussetzern und sogar bei nur einem Verbrennungsaussetzer die Selbstentflammungseigenschaften im Brennraum stark beeinträchtigt werden. Dies rührt vor allen Dingen daher, dass in diesem Fall zu viel Frischluft und unverbrannter Kraftstoff im Zylinder vorhanden sind und die Brennraumtemperatur zu niedrig wird. Eine Selbstzündung des Luft/Kraftstoff- Gemisches ist daher für einige Zeit nicht möglich, und eine Rückkehr zu einer stabilen Verbrennung erfordert dann eine gewisse Zeit.

Es sind bereits Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen bekannt, die im allgemeinen auf einer Auswertung von durch die Aussetzer verursachten Drehzahlschwankungen beruhen, verwiesen sei beispielsweise auf EP 0 576 705 B1 , EP 0 583 496 B1 , EP 0 632 260 B1 , WO 97/22786 und W0 97/20195. Diese Verfahren sind jedoch relativ kompliziert und sowohl kosten- wie auch zeitaufwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der HCCI-Verbrennung einer Brennkraftmaschine auf Verbrennungsaussetzer sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsvorganges bei Erkennen eines Verbrennungsaussetzers anzugeben.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen des HCCI-Verbrennungsvorganges auf Verbrennungsaussetzer gemäß der Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 4 definiert. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsvorganges nach Erkennen eines Verbrennungsaussetzers gemäß der Erfindung ist in den Ansprüchen 2 und 5 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 3 und 6.

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 fremdgezün deten 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-, Innenstrom-Sensoren u.a. in Frage. Derartige Klopfsensoren sind in großer Vielfalt bekannt.

Das resultierende Signal des Klopfsensors wird so ausgewertet, dass die Verbrennungsdruckspitzen darstellende Ausgangssignale erzeugt werden. Falls ein derartiges Ausgangssignal ausbleibt, wird auf einen Verbrennungsaussetzer geschlossen. Zur Auswertung des Signals des Klopfsensors können Signalverarbeitungsverfahren verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit der Klopfregelung herkömmlicher fremdgezündeter Brennkraftmaschinen bekannt sind, verwiesen sei beispielsweise auf die EP 0 187 081 , EP 0 458 993 und US 4 884 206 .

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern während eines HCCI-Betriebs kann in Verbindung mit einem der oben erwähnten herkömmlichen Aussetzererkennungsverfahren verwendet werden, um die Aussetzererkennung insgesamt robuster und genauer zu machen.

Wird das erfindungsgemäße Aussetzererkennungsverfahren bei einer Brennkraftmaschine verwendet, die sowohl mit Fremdzündung wie auch mit kontrollierter Selbstzündung betreibbar ist, so kann die erfindungsgemäße Aussetzererkennung zum Steuern des Verbrennungsvorganges ausgenutzt werden. Erfindungsgemäß wird bei Erkennen eines Verbrennungsaussetzers der Betrieb der Brennkraftmaschine unverzüglich auf einen Betrieb mit Fremdzündung umgestellt. Ein Betrieb mit Fremdzündung hat zwar im allgemeinen einen schlechteren Wirkungsgrad hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission; die Verbren nung ist jedoch leichter und sicherer steuerbar. Die Verbrennung mit Fremdzündung wird dann hinsichtlich ihrer Stabilität überwacht. Sobald eine stabile Verbrennung erreicht ist, wird die Brennkraftmaschine wieder auf einen Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) umgestellt, so dass dann ein Betrieb mit optimalem Wirkungsgrad hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission möglich ist.

Die Erfindung ermöglicht somit ein deutliches und präzises Erfassen eines Verbrennungsaussetzers im HCCI-Betrieb. Dies wiederum erlaubt eine rasche Reaktion bei Auftreten eines Verbrennungsaussetzers. Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren vermeidet ein erneutes Auftreten von Verbrennungsaussetzern, sorgt für einen verbesserten Betrieb der Brennkraftmaschine, stabilisiert die Verbrennung nach einem Verbrennungsaussetzer und ermöglicht einen erneuten HCCI-Betrieb, sobald sich die Verbrennung stabilisiert hat.

Hierdurch werden der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und ein gleichmäßiger(runder) Betrieb der Brennkraftmaschine während ihrer Lebensdauer erreicht. Äußere Einflüsse wie unterschiedlicher Kraftstofftyp, Umgebungszustände usw. werden durch die Erfindung automatisch ausgeglichen, wodurch das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine insgesamt verbessert wird.

Ein weiterer 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 auch 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 Überwachungs- und Steuerungsverfahrens 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 vor gegebenen 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. Die Signalverarbeitungseinrichtung liefert in Abhängigkeit von dem Signal des Klopfsensors Verbrennungsdruckspitzen darstellende Ausgangssignale.
Diese Ausgangssignale erlauben eine Diagnose der HCCI-Verbrennung: Treten die Ausgangssignale regelmäßig auf, so zeigt dies eine ordnungsgemäße HCCI-Verbrennung an. Bleibt dagegen ein derartiges Ausgangssignal aus, so schließt das Betriebssteuergerät 13 hieraus auf einen Verbrennungsaussetzer.
Das Betriebssteuergerät 13 ist ferner mit einer Einrichtung versehen, die bei Erkennen eines Verbrennungsaussetzers Maßnahmen ergreift, um möglichst rasch zu einer stabilen Verbrennung zurückzukehren. Ein Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorganges nach Erkennen eines Verbrennungsaussetzers wird anhand der 3 erläutert.
Der mit „HCCI-Betrieb^" bezeichnete Block 15 stellt den Betrieb der Brennkraftmaschine im Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung dar. Im Schritt 16 wird anhand des oben beschriebenen Überwachungsverfahrens mit Hilfe des Signals des Klopfsensors 14 ständig überprüft, ob ein Verbrennungsaussetzer auftritt. Falls kein Verbrennungsaussetzer erkannt wurde, kehrt das Verfahren zum Block 15 zurück. Wenn dagegen ein Verbrennungsaussetzer erkannt wird, wird der Betrieb der Brennkraftmaschine unverzüglich auf einen Betrieb mit Fremdzündung (Zündeinrichtung 10) umgeschaltet. Dies ist in 3 durch den Block 17 dargestellt. Ein Betrieb mit Fremdzündung hat möglicherweise einen schlechteren Wirkungsgrad als ein Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung; der Verbrennungsvorgang ist jedoch leichter Steuer- und kontrollierbar. Insbesondere erlaubt er eine raschere Zurückkehr zu einem stabilen Verbrennungsvorgang.
Der Betrieb mit Fremdzündung ist in 3 durch den Block 18 dargestellt. Während dieses Betriebes wird der Verbrennungsvorgang laufend auf seine Stabilität überwacht, was im Schritt 19 erfolgt. Hierzu werden beispielsweise Verbrennungsparameter überwacht, die ein Maß für die Rauhigkeit des Betriebs darstellen. Da die Überwachung der Stabilität des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine grundsätzlich bekannt ist, wird hierauf nicht näher eingegangen.
Solange die Verbrennung noch nicht ausreichend stabil ist, wird die Brennkraftmaschine weiterhin mit kontrollierter Fremdzündung betrieben. Sobald jedoch im Schritt 19 erkannt wird, dass wieder eine stabile Verbrennung erreicht ist, sorgt das Betriebssteuergerät 13 dafür, dass die Brennkraftmaschine zu einem Betrieb mit kontrollierter Fremdzündung (– Block 15) zurückkehrt. Die Brennkraftmaschine kann dann wieder mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Verbrennungsvorganges einer zumindest zeitweise mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betreibbaren Brennkraftmaschine (1) auf Verbrennungsaussetzer, bei welchem Verfahren im Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) die Verbrennungsdruckspitzen in einem Brennraum (4) mittels eines Klopfsensors (14) detektiert werden und bei Ausbleiben eines entsprechenden Signales des Klopfsensors (14) auf einen Verbrennungsaussetzer geschlossen wird.
Verfahren zum Steuern des Verbrennungsvorganges einer Brennkraftmaschine, die sowohl mit Fremdzündung wie auch mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betreibbar ist, bei welchem Verfahren die Brennkraftmaschine (1) im Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) mit dem Verfahren nach Anspruch (1) auf Verbrennungsaussetzer überwacht wird und bei Erkennen eines Verbrennungsaussetzers der Betrieb der Brennkraftmaschine (1) unverzüglich auf einen Betrieb mit Fremdzündung umgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umstellung auf einen Betrieb mit Fremdzündung der Verbrennungsvorgang hinsichtlich seiner Stabilität überwacht wird und bei Erreichen einer stabilen Verbrennung der Betrieb der Brennkraftmaschine auf einen Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) umgestellt wird.
Vorrichtung zum Überwachen des Verbrennungsvorganges einer zumindest zeitweise mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) betreibbaren Brennkraftmaschine (1) auf Verbrennungsaussetzer, mit einem elektronischen Betriebssteuergerät (13) zum Steuern des Betriebs der Brennkraftmaschine und einem Klopfsensor (14), der im Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) die Verbrennungsdruckspitzen in einem zugehörigen Brennraum (4) detektiert und dessen resultierendes Signal dem elektronischen Betriebssteuergerät (13) zugeführt wird, das bei Ausbleiben eines entsprechenden Signales des Klopfsensors (14) auf einen Verbrennungsaussetzer schließt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zündeinrichtung (10) aufweist und dass das elektronische Betriebssteuergerät (14) eine Einrichtung (16, 17) enthält, die bei Erkennen eines Verbrennungsaussetzers die Zündeinrichtung (10) ansteuert, um den Betrieb der Brennkraftmaschine auf einen Betrieb mit Fremdzündung umzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Betriebssteuergerät (14) eine Einrichtung (18, 19, 15) enthält, die den Verbrennungsvorgang hinsichtlich seiner Stabilität überwacht und bei Erreichen einer stabilen Verbrennung den Betrieb der Brennkraftmaschine (1) auf einen Betrieb mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI) umstellt.