DE19945369A1

DE19945369A1 - Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19945369A1
Application number: DE19945369A
Authority: DE
Inventors: Axel Heinrich; Mirco Panse; Uwe Waschatz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß DOLLAR A (a) durch zumindest einen Drucksensor, der im Bereich des Brennraums angeordnet ist, ein Verlauf eines Zylinderinnendruckes im Verhältnis zum Kurbelwinkel erfaßt wird und DOLLAR A (b) in Abhängigkeit von dem Verlauf des Zylinderinnendruckes die Stellgrößen, insbesondere für einen Zündwinkelregler, festgelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.

Brennkraftmaschinen zeigen unter bestimmten Betriebsbedingungen das sogenannte Klopfen. Unter Klopfen versteht man Stoßwellen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die sich unter anderem als tonfrequente Schwingungen des Motors bemerkbar machen. Da in der Regel mit dem Klopfen eine starke thermische Belastung der brennraumseitigen Wandung des Zylinders und des Kolbens einhergeht, wobei Materialabtragungen auftreten können, ist man bestrebt, das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden.

Auf der anderen Seite soll der bestehende Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend ausgenutzt werden, um möglichst lange eine Einstellung eines optimalen Betriebspunktes hinsichtlich der angeforderten Leistung oder des Kraftstoffverbrauchs zu ermöglichen. Daher besteht die Notwendigkeit, mit geeigneten Sensoren ein Klopfsignal zu erfassen und mit Hilfe des Klopfsignals eine Regelung der Brennkraftmaschine zu bewirken.

Es ist allgemein bekannt zur Klopferkennung der Brennkraftmaschine Sensoren einzusetzen. Derartige Klopfsensoren erfassen üblicherweise eine akustische Schwingung wie sie infolge des Klopfvorgangs entsteht. Eine Regelung erfolgt demnach passiv, das heißt, erst nach Auftreten eines Klopfsignals werden beispielsweise die Stellgrößen eines Zündwinkelreglers, ein Ladedruck und/oder das Kraftstoff-Luft-Verhältnis (λ-Wert), verändert. Nachteilig dabei ist, daß unabhängig von dieser Regelung zu einem späteren Zeitpunkt wiederum der das Klopfen auslösende Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann und damit zumindest kurzfristig die schädigenden Auswirkungen des Klopfens in Kauf genommen werden müssen.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Klopfregelung der Brennkraftmaschine liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst frühzeitig Betriebspunkte der Brennkraftmaschine zu erkennen, bei denen das Klopfen auftreten kann. Weiterhin soll möglichst umgehend als Gegenmaßnahme eine Änderung der Stellgrößen des Zündwinkelreglers erfolgen. Darüber hinaus soll wirkungsvoll verhindert werden, daß derartige Betriebspunkte erneut von der Brennkraftmaschine angefahren werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe durch die Klopfregelung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst, indem

a) durch zumindest einen Drucksensor, der im Bereich des Brennraums angeordnet ist, ein Verlauf eines Zylinderinnendruckes im Verhältnis zum Kurbelwinkel erfaßt wird und
b) in Abhängigkeit von dem Verlauf des Zylinderinnendruckes die Stellgrößen für wenigstens einen Regler von Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Zündwinkelregler festgelegt werden.

Die Überwachung des Zylinderinnendruckes ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil sich anhand des Verlaufs Prognosen über die Klopfneigung der Brennkraftmaschine durchführen lassen. Somit kann das Klopfen bereits im Vorfeld eben durch die Beeinflussung der Stellgrößen des Zündwinkelreglers vermieden werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen Anstieg des Zylinderinnendruckes, bezogen auf den Kurbelwinkel (Druckanstiegsgradient), in einem Bereich zwischen einem Zündzeitpunkt und einem Druckmaximum zu erfassen. Der Anstieg fließt dazu in ein Kennfeld oder ein Modell ein, das eine Zuordnung der Stellgrößen des Zündwinkelreglers ermöglicht. Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem Bereich mit hoher Klopfneigung, kann auf diese Weise bereits im Vorfeld dem Phänomen entgegengesteuert werden, indem der Zündwinkel im nächsten Arbeitstakt verändert wird. Diese Änderung des Zündwinkels kann sich auf den aktuellen Zylinder, also in dem der Zylinderinnendruck ausgewertet wird, oder auf alle Zylinder einer Brennkraftmaschine beziehen.

Erfolgt dennoch ein Klopfen der Brennkraftmaschine, so kann dies in bevorzugter Weise direkt über den Drucksensor erfaßt werden und zwar indem eine Amplitude und/oder Frequenz einer Druckschwingung im Bereich einer Hochdruckphase mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Beim Überschreiten des Grenzwertes befindet sich die Brennkraftmaschine in einem Betriebspunkt, in dem das Klopfen vorliegt. In folgedessen werden die Stellgrößen des Zündwinkelreglers neu festgelegt, um ein erneutes Ansteuern dieses Betriebspunktes zu verhindern.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Abhängigkeit von einer Höhe der Überschreitung des Grenzwertes ein Korrekturwert gebildet, der zur Neufestlegung der Stellgrößen genutzt wird. Auf diese Weise kann das Ver fahren selbstlernend durchgeführt werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 einen Verlauf eines Zylinder innendruckes bezogen auf einen Kurbelwinkel.

Während einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Brennkammer des Zylinders treten Änderungen eines Zylinderinnendruckes zu Tage, die einerseits abhängig sind von dem Verbrennungsvorgang selbst als auch von einem Kurbelwinkel α. Mit Hilfe des Kurbelwinkels α läßt sich eine Bewegung eines Kolbens im Zylinder beschreiben und selbst verständlich führt eine Kompression des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer des Zylinders bei geschlossenen Ventilen zu einem Anstieg des Druckes. Nach Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches kommt es zusätzlich zu einer Erhöhung des Druckes durch eine Volumenzunahme und einem Temperaturanstieg infolge der Verbrennungsreaktion. Ein Klopfen der Brennkraftmaschine kann auftreten, wenn sich beispielsweise das Luft- Kraftstoff-Gemisch bereits bei der Kompression selbst entzündet. Ein unkontrollierter Verlauf des Verbrennungsvorgangs beim Klopfen führt jedoch zu einer erhöhten thermischen Belastung der brennraumseitigen Wandungen des Zylinders und des Kolbens, mit der Folge, daß die Lebensdauer der Brennkraftmaschine herabgesetzt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Klopfregelung ist dem Zylinder ein Drucksensor zugeordnet, der es ermöglicht, einen Verlauf des Zylinderinnendruckes im Verhältnis zum Kurbelwinkel α zu erfassen. Ein derartiger Verlauf ist in der Fig. 1 in der Kurve 10 exemplarisch dargestellt. Dabei steigt der Zylinderinnendruck mit steigendem Kurbelwinkel α rapide an, was auf die Kompression des Luft-Kraftstoff-Gemisches bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens zurückzuführen ist. Zusätzlich basiert der steile Anstieg der Kurve 10 bis zu einem Druckmaximum auf den durch den Verbrennungsvorgang selbst eingeleiteten Prozessen, wie dem Temperaturanstieg und der Volumenzunahme. Mit weiter steigendem Kurbelwinkel α befindet sich der Kolben bereits wieder in einer Abwärtsbewegung und es stellen sich letztendlich die ursprünglichen Druckverhältnisse im Zylinderinnenraum ein.

Der Verlauf des Zylinderinnendruckes ist charakteristisch für ein Arbeitsspiel der Brenn kraftmaschine und eignet sich daher nach der Erfassung zur Steuerung des Verbrennungsvorganges. Besonders vorteilhaft ist es dabei, einen Anstieg des Zylinderinnendruckes bezogen auf den Kurbelwinkel α zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Druckmaximum (Druckanstiegsgradienten) zur Klopfregelung zu nutzen. Exemplarisch dazu ist eine Tangente 12, die innerhalb des genannten Bereiches liegt, in der Figur eingetragen.

Der ermittelte Druckanstiegsgradient fließt in ein Kennfeld oder ein Modell ein, das eine Beeinflussung der Stellgrößen eines Zündwinkelreglers ermöglicht. Fig. 2 zeigt den Vergleich des erwarteten Druckanstiegsgradienten dp/dα soll mit den gemessenen beziehungsweise ermittelten Druckanstiegsgradienten dp/dα ist.

Über den Regler 14 wird dann ein Wert αZ für eine Zündwinkelregelung ausgegeben. Eine solche Beeinflussung ist deshalb möglich, da es sich gezeigt hat, daß eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine von dem Druckanstiegsgradienten abhängig ist. Befindet sich die Brennkraftmaschine demnach in einem Bereich hoher Klopfneigung, kann über das Modell oder Kennfeld eine Änderung des Zündwinkels bewirkt werden und ein Klopfen der Brennkraftmaschine vermieden werden.

Das Klopfen selbst kann ebenfalls durch den Drucksensor erfaßt werden und zwar indem eine Amplitude und/oder Frequenz einer Druckschwingung im Bereich einer Hochdruckphase p mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Die zu überwachende Hochdruckphase p ist in der Figur eingetragen und kann in Dauer, Beginn und Ende des Meßintervalls in weitem Maßen variiert werden. Das Klopfen führt zu einer hochfrequenten Schwingung, die sich mit dem Druckverlauf der Kurve 10, insbesondere während der Hochdruckphase p, überlagert. Diese hochfrequente Schwingung kann in bekannter Weise herausgefiltert und hinsichtlich Amplitude und Frequenz bewertet werden.

So lassen sich Grenzwerte für die Amplitude und Frequenz festlegen, bei denen mit Sicherheit auf ein Vorliegen des Klopfens der Brennkraftmaschine geschlossen werden kann.

Erfolgt eine Detektion des Klopfens während der Hochdruckphase p, so kann in einem sich anschließenden Arbeitstakt oder späteren Arbeitsakt der Zündwinkel (im selben verursachenden oder allen Zylindern) geändert werden. Um ein erneutes Ansteuern der zum Klopfen führenden Betriebspunkte der Brennkraftmaschine zu verhindern, werden der Druckanstiegsgradient dieses Arbeitstaktes oder die Druckanstiegsgradienten vor hergehender Arbeitstakte in das Modell/Kennfeld mit aufgenommen und diesen Druckanstiegsgradienten jeweils Stellgrößen zugeordnet, die zu einer Änderung des Zündwinkels führen. Auf diese Weise ist es möglich, eine selbstlernende Klopfregelung für die Brennkraftmaschine im Steuergerät zu implementieren.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Neufestlegung der Stellgrößen des Zündwinkelreglers abhängig von einer Höhe der Überschreitung der Grenzwerte für die hochfrequente Schwingung festzulegen. Liegt beispielsweise ein Klopfen mit sehr hoher Amplitude vor, so ist es sinnvoll, bei der Neufestlegung der Stellgrößen einen entsprechend hohen Korrekturwert zu berücksichtigen. Umgekehrt ist der Korrekturwert beim Vorliegen eines nur schwachen Klopfens entsprechend niedrig.

Claims

1. Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine, bei dem

a) durch zumindest einen Drucksensor, der im Bereich des Brennraums angeordnet ist, ein Verlauf eines Zylinderinnendruckes im Verhältnis zum Kurbelwinkel erfaßt wird und
b) in Abhängigkeit von dem Verlauf des Zylinderinnendruckes die Stellgrößen für wenigstens einen Regler von Betriebsparameter der Brennkraftmaschine festgelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Verlauf des Zylinderinnendruckes die Stellgrößen für einen Zündwinkelregler festgelegt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Verlauf des Zylinderinnendruckes die Stellgrößen für einen Ladedruckregler und/oder einen Kraftstoff-Luft-Gemischregler festgelegt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anstieg des Zylinderinnendruckes bezogen auf den Kurbelwinkel (Druckan stiegsgradient) in einem Bereich zwischen einem Zündzeitpunkt und einem Druckma ximum in ein Kennfeld oder ein Modell zur Zuordnung der Stellgrößen des Zündwin kelreglers einfließt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in einem Arbeitstakt der Brennkraftmaschine eine hochfrequente Druckschwingung im Bereich einer Hochdruckphase durch den Drucksensor erfaßt
b) deren Amplitudenhöhe und/oder Frequenz mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, wobei ein Überschreiten des Grenzwertes ein Klopfen der Brennkraftmaschine anzeigt und
c) im Falle des Überschreitens des Grenzwertes die Stellgrößen für den Druckanstiegsgradienten dieses Betriebspunktes neu festgelegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen für den Druckanstiegsgradienten vorhergehender Betriebspunkte neu festgelegt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von einer Höhe der Überschreitung des Grenzwertes ein Korrekturwert gebildet wird, der zur Neufestlegung der Stellgrößen genutzt wird.

8. Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder gekennzeichnet durch einen dem wenigstens einen Zylinderinnenraum zugeordneten Drucksensor und einer Auswerteschaltung, zum Auswerten des vom Drucksensor gemessenen Innenraumdruckes sowie einer Ansteuerschaltung zum Festlegen wenigstens eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Zy linderinnendruckes.