DE3346369A1

DE3346369A1 - Verfahren und vorrichtung zur erkennung der selbstentzuendungsschwelle in brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3346369A1
Application number: DE19833346369
Authority: DE
Inventors: Winfried 7140 Ludwigsburg Moser; Wilhelm Dr. 7141 Möglingen Polach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1985-07-11
Also published as: DE3346369C2; JPH0582541B2; JPS60169736A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung der Selbst-
entzündungsschwelle in Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Erkennung der Selbstentzündungsschwelle von verdichteten Brennstoff-Luft-Gemischen in Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus dem I?SAE Technical Paper", Series Nr. 830587, Analysis of Hydrocarbon Emissions Mechanisms in a Direkt Inj ection Spark-Ignition Engine", Detroit 1983, Seite 10, ist bereits ein Verfahren zur Erkennung der Betriebsbedingungen von Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen eine spontane Selbstentzündung eines verdichteten Brennstoff-Luft-<emisches stattfindet. Darin werden die Bedingungen zur Selbstentzündung in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit direkter Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer untersucht, um deren Einflüsse auf experimentell beobachtete Kohlenwasserstoffe im Abgas zu in+erpretieren. Für die Untersuchung der Betriebsbedingungen werden chemische Reaktionsgleichungen herangezogen, die bereits von Arrhenius angegeben wurden und auf die momentane Energie-, Druck- und Temperaturbilanz der Brennkraftmaschine angewendet, so daß sich eine Selbstentzündungsschwelle angeben läßt. Das Verfahren ist für verschiedene Brennstoffe, wie z.B. Indolen oder Dieselkraftstoff geeignet.
Weiterhin ist dem Fachmanne bekannt, aus einem gegebenen Verlauf des Verbrennungsdruckes die durch die Verbrennung umgesetzte Energie und die mittlere Prozeßtemperatur zu berechnen. Dabei entspricht der Energieumsatz im wesentlichen dem Integral des Heizgesetzes für Verbrennungsmotoren, wie er in Bussien, "Automobiltechnisches Handbuch", 18. Auflage, Berlin 1965, Seiten 35 bis 37, gezeigt ist. Die mittlere Prozeßtemperatur läßt sich daraus aus physikalischen Berechnungen ermitteln. Aus Bombenversuchen sind weiterhin Bedingungen bekannt, wann sich ein Brennstoff-Luft-Gemisch selbst entzündet.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruches weist demgegenüber den Vorteil auf, daß das aus theoretischen Überlegungen gewonnene Verfahren zur Bestimmung einer Selbstentzündungsschwelle während der direkten Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gewerbliche Anwendung zur Klopferkennung bei fremdgezündeten oder selbstzündenden Brennkraftmaschinen findet.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach dem Hauptanspruche sind dem Fachmanne Realisierungen möglich, wie er das theoretische Verfahren praktisch anwenden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, daß durch eine Kombination von Berechnung des durch die Verbrennung erzielten Energieumsatzes sowie der Zündschwelle in einem Rechner ein Signal abgegeben werden kann, das proportional zur Klopfintensität der Brennkraftmaschine ist. Damit ist eine Klopfregelung möglich, die bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen etwa eine Zündzeitpunktspätverstellung, oder bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen eine Verzögerung des Einspritzzeitpunktes auslöst. Daraus ist ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich, nämlich daß es in gleicher Weise für verschiedene Brennkraftmaschinen Anwendung findet.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt einen Teil einer Brennkraftmaschine mit einer angeschlossenen Klopfregelung, Figur 2 und Figur 3 zeigen Verlaufs diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise mit und ohne Klopfen.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur 1 sind zur Vereinfachung der Darstellung von einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine lediglich ein Zylinder 2 und ein Kolben 1 dargestellt. Der Zylinder 2 und der Kolben umschließen eine Brennkammer 3, in die eine Zündkerze 4 hineinragt. Ein Drucksensor 5 ermittelt den Druckverlauf in der Brennkammer, und gibt sein Ausgangssignal auf eine Drucksignalstufe 6, deren Ausgang wiederum mit einem Rechner 7 verbunden ist. Ein Ausgang des Rechners 7 führt auf den subtrahierenden Eingang eines ersten Subtrahierers 8, der addierende Eingang ist mit einem Sollwerteingang 9 verbunden. Der Ausgang des ersten Subtrahierers 8 führt auf einen Klopfregler 10, dessen Ausgang auf den subtrahierenden Eingang eines zweiten Subtrahierers 11. Eine Vorsteuerung 12 ist mit dem addierenden Eingang des zweiten Subtrahierers 11 verbunden, dessen Ausgang auf eine Zündungsendstufe 13 führt, die an die Zündkerze 4 angeschlossen ist.
In Figur 2 und Figur 3 ist in der oberen Hälfte ein Druckverlauf in der Brennkammer 3 über dem Kurbelwellenwinkel e in Winkelgraden eingezeichnet, wobei Figur 2 in der oberen Hälfte einen Druckverlauf ohne, und Figur 3 in der oberen Hälfte einen Druckverlauf mit Klopfen darstellt. In der Drucksignalstufe 6 wird das Ausgangssignal des Drucksensors 5 verstärkt, und in eine Zahl umgewandelt, die proportional zum momentanen Brennkammerdruck p ist, um diese Zahl dem Rechner 7 zuzuleiten.
Der Rechner 7 erhält von verschiedenen Sensoren im Kraftzeug Fahrzeugdaten bzw. Betriebszustände der Brennkraftmaschine. Dieses ist zur Vereinfachung der Darstellung in Figur 1 nicht dargestellt. Aus der von der Drucksignalstufe 6 erhaltenen Zahl berechnet der Rechner 7 einen Energieumsatz Q und eine Funktion I. Aus welchen Größen der Energieumsatz Q berechnet wird ist dem Fachmanne geläufig und darum hier nicht weiter erläutert. Ebenfalls wird im Rechner 7 die mittlere Prozeßtemperatur neben der Funktion berechnet. Dabei gilt: e aktueller Kurbelwellenwinkel eo Kurbelwellenwinkel zu Beginn der Integration bei Beginn der Verdichtung N Drehzahl der Brennkraftmaschine P Druck in der Brennkammer 3 T mittlere Prozeßtemperatur u, v, w Konstanten, die im wesentlichen abhängig vom Brennstoff und vom Motor sind.
Diese Funktion I läßt sich aus der als Stand der Technik bekannten Druckschrift "SAE Technical Paper Series", Nr. 830587, durch einfache mathematische Operationen ableiten und ist daher dem Fachmanne zugänglich.
Der kritische Zustand, bei dem gerade eine Selbstentzündung des verdichteten Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer 3 der Brennkraftmaschine auftritt ist bei 1=1 erreicht. Klopfen ist bekanntlich ein Vorgang, bei dem sich unverbrannte Gemischteile durch Wärmestrahlung selbst entzünden und sehr schnell durchbrennen. Daher stellt die Funktion I ein geeignetes Maß für eine Klopferkennung dar.
In Figur 2 und Figur 3 ist in der unteren Hälfte als Abszisse der Kurbelwellenwinkel e in Grad dargestellt, so daß er sich mit der Abszisse der oberen Hälfte deckt.
Die Ordinate am linken Rand der unteren Hälfte in Figur 2 und Figur 3 stellt einen Maßstab für den Energieumsatz Q in kJoule dar. Die Ordinate am rechten Bildrand ist ein Maß für den Zahlenwert der Funktion I.
In Figur 2 ist eine nicht klopfende Verbrennung beschrieben, dazu zeigt die obere Figur einen gleichmäßigen Druckverlauf mit einem gleichmäßigen Maximum bei etwa 100 Kurbelwelle. In der unteren Hälfte der Figur 2 ist mit der ersten Kurve der Energieumsatz Q während der Verbrennung dargestellt. Q beginnt bei Null; bei etwa 10° Kurbelwelle erfolgt eine Zündung, der eine Verbrennung des verdichteten Brennstoff-Luft-Gemisches folgt, was an der steilen und gleichmäßigen Steigung des Energieumsatzes Q ablesbar ist. Bei etwa 300 Kurbelwelle hat der Energieumsatz Q einen maximal erreichbaren Spitzenwert Q5 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt hat die, in der Figur 2 unterhalb des Energieumsatzes Q als zweite Kurve aufgetragene, Funktion I den Wert Eins noch nicht erreicht. Daran ist erkennbar, daß eine klopfende Verbrennung nicht vorliegt. Zum Zeitpunkt des Erreichens des Spitzenwertes Qs des Energieumsatzes besitzt die Funktion I den Wert Is. Damit ist die Größe ID = 1 - -IS ein direktes Maß für die Reserve zu klopfendem Betrieb der Brennkraftmaschine. Bei ID = 0 ist die Klopfgrenze erreicht. Je größer ID, desto größer ist der Abstand zur Klopfgrenze.
Dagegen.zeigt Figur 3 die Verläufe von Brennkammerdruck P, Energieumsatz Q und Funktion I bei klopfender yerbrennung. In der oberen Hälfte der Figur 3 ist das Maximum des Brennkammerdruckes P gegenüber dem Maximum bei nicht klopfender Verbrennung in Richtung früh vorgerückt. Mit Erreichen des Maximumes treten lokale, spontane Selbstentzündungen des verdichteten Brennstoff-Luft-Gemisches auf, was zu typischen hochfrequenten Druckschwingungen führt, wie sie in Figur 3 ersichtlich sind. Im unteren Teil der Figur 3 ist am Energieumsatz Q ersichtlich, daß bei etwa -15 Kurbelwelle das Gemisch entzündet wird, und die Verbrennung zunächst gleichmäßig bis zu etwa 17° Kurbelwelle verläuft. Ab diesem Winkel beginnt einen klopfende Verbrennung, was dadurch angezeigt wird, daß die Funktion I den Wert Eins erreicht. Zu diesem Winkel besitzt der Energieumsatz Q den Verbrennungswert QV, QK QS QV s ist daher gerade die bei klopfender Verbrennung umgesetzte Energie, die im Rechner 7 parallel zur Funktion I und der mittleren Prozeßtemperatur errechnet wird und stellt somit ein direktes Maß für die Klopfintensität dar.
Der Rechner 7 ist ein Mikrocomputer, der in der beschriebenen Art programmiert ist, d.h. er berechnet aus bekannten Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und aus der von der Drucksignalstufe 6 übermittelten Zahl den Energieumsatz Q und die Funktion I. Am Sollwerteingang 9 liegt ein Wert an, der einem einzuhaltenden Abstand von der Klopfgrenze entspricht. Der Rechner 7 gibt einen Istwert ab, der proportional zu ID ist. Im ersten Subtrahierer 8 werden diese beiden Werte subtrahiert und in den Klopfregler 10 gegeben. Der Klopfregler 10 erhält somit vom ersten Subtrahierer 8 die Regelabweichung, und berechnet aus ihr eine für die nächste Verbrennung erforderliche Zündregelzeit TI. Die Vorsteuerung 12 liefert eine Zündzeit T, die einen sicheren Abstand von der Klopfgrenze bei allen möglichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gewährleistet. Im zweiten Subtrahierer 11 wird die Zündregelzeit TI von der Zündzeit T subtrahiert und auf eine Zündungsendstufe 13 gegeben.
Die Zündungsendstufe 13 erzeugt daraus bei der nächsten Verbrennung zu einem Zeitpunkt, der um T - T1 vor einem durch einen festen Kurbelwellenwinkel vorgegebenen Zeitpunkt liegt, einen Funken an der Zündkerze 4.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich selbstverständlich nicht nur auf das in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Klopfregelverfahren anwenden. Mit einer entsprechend aufgebauten Meßeinrichtung läßt sich beispielsweise in einem Prüflabor die Verbrennung eines Motors analysieren. Damit gewinnt man ein Hilfsmittel zur Optimierung des Motors. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenfalls nicht nur auf fremdgezündete Brennkraftmaschinen anwendbar, sondern es lassen sich auch selbstzündende Motoren, wie Dieselmotoren, analysieren bzw. einer Klopfregelung zugänglich machen. Als klopfhemmende Maßnahmen kommen dabei vor allem die Zurücklegung des Einspritzzeitpunktes sowie bei aufgeladenen Motoren eine Verringerung des Ladedrucks in Frage.
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Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Erkennung der Selbstentzündungsschwelle von verdichteten Brennstoff-Luft-Gemischen in Brennkraftmaschinen, wobei eine erste Gleichung ermittelt wird: TD (e) = (C/P . exp (E/RT) wobei eine zweite Gleichung ermittelt wird: mit (TD) Zündverzögerungzeit, (e) aktueller Kurbelwellenwinkel, (#0) fester Bezugskurbelwellenwinkel, (P) aktueller Brennkammerdruck, cal.

(R) allgemeine Gaskonstante von 1,987 mol. K (C, E, n) empirisch bestimmte Brennstoffkonstanten, wobei die Selbstentzündungsschwelle gegeben ist durch eine Bedingung: I(e) = 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes der Brennkraftmaschine wenigstens die erste und die zweite Gleichung sowie ein Energieumsatz (S,) einer Verbrennung ermittelt werden, und daß eine klopfende Verbrennung dann als gültig erkannt wird, wenn die Bedingung erfüllt wird und der Energieumsatz (Q) einen Maximalumsatz (Q8) noch nicht erreicht hat.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch g-ekennzeichnet, daß durch einen Drucksensor (5) der aktuelle Brennkammerdruck (P) gemessen wird, daß in einem Mikrocomputer (7) wenigstens die erste und die zweite Gleichung sowie der Energieumsatz (Q) der Verbrennung ermittelt wird, und daß der Mikrocomputer (7) dann ein Erkennungssignal abgibt, wenn die Bedingung erfüllt wird und der Energieumsatz (Q) den Maximalumsatz ( QS ) noch nicht erreicht hat.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (7) als Maß für die Klopfintensität einen Wert QK = QS - QV berechnet, wobei (QS) der Maximalumsatz während der Verbrennung ist und (QV) der Energieumsatz ist, wenn die Selbstzündungsschwelle erreicht ist, und daß das Erkennungssignal eine Funktion des Wertes (K) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (7) als Maß für den Klopfabstand einen Wert ID = 1 -berechnet, wobei (I) ) der Wert der zweiten Gleichung ist, wenn der Energieumsatz (Q) den Maximalumsatz (X, ) erreicht, und daß das Erkennungssignal eine Funktion des Wertes (ID) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erkennungssignal als Istwert in einer Klopfregelung (8 bis 13) herangezogen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erkennungssignal auf den subtrahierenden Eingang eines ersten Subtrahierers (8) geleitet wird, daß ein Sollwertsignal (9) auf den addierenden Eingang des ersten Subtrahierers (8) geleitet wird, daß das Ausgangssignal des ersten Subtrahierers (8) als Regelabweichung auf den Eingang eines Reglers (10) geleitet wird, der als Ausgangssignal eine Regelgröße bildet, vorzugsweise eine Zündzeit (T. ) für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine oder eine Einspritzzeit für eine selbstzündende Brennkraftmaschine.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Reglers (10) auf den subtrahierenden Eingang eines zweiten Subtrahierers (11) geleitet wird, daß das Ausgangssignal einer Vorsteuerung (12) auf den addierenden Eingang des zweiten Subtrahierer (12) geleitet wird, daß das Ausgangssignal des zweiten Subtrahierers (11) auf eine Endstufe (13) geleitet wird, die ein Mittel, vorzugsweise eine Zündkerze (4) oder ein Einspritzventil, betätigt, um die Verbrennung in einer Brennkammer (3) zu beeinflussen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen die Klopfregelung durch eine Beeinflussung des Ladedrukkes erreicht wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der erste Subtrahierer (8), der Regler (10), die Vorsteuerung (12) oder der zweite Subtrahierer (11) im Mikrocomputer (7) programmgesteuert oder als Programm reaiisiert sind.