[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines Kraftstoff/Luft-Gemisches
und/oder der Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei in einer
Datenbank Mustersignale von Flammlichtsignalen, vorzugsweise die Flammenintensität,
mit zugeordneten Gemischzuständen abgelegt werden, wobei Flammlichtsignale, vorzugsweise
die Flammenintensität, der Verbrennung im Brennraum erfasst und so mit den abgelegten
Mustersignalen verglichen werden, und wobei bei Übereinstimmung zwischen gemessenen
und abgelegten Signalmustern auf den Zustand des Gemisches im Brennraum geschlossen
wird.
[0002] Der Entwicklung von ottomotorischen Brennkraftmaschinen und der Kalibrierung von
Motor-Aktuatoren kommt die genaue Kenntnis von zylinder- und zyklusspezifischen Emissionen
und Abgastemperaturen zu Gute. Im Fahrbetrieb können abwechselnde Hochlast- und Teillastsequenzen
bewirken, dass reaktives Gas in den Katalysator strömt, was zu einer Überhitzung und
schließlich zu einer Beschädigung des Katalysators führen kann.
[0003] Beim Motorstart und bei stationärem, insbesondere aber auch bei transientem Fahrbetrieb
kann es infolge von verzögerten Verdampfungsvorgängen und Speichereffekten dazu kommen,
dass das Kraftstoff-Luftgemisch nicht ausreichend aufbereitet ist und dadurch erhöhte
Emissionen, irreguläre Verbrennungsvorgänge oder Zündaussetzer auftreten. Das Erkennen
und Korrigieren derartiger Betriebszustände ist Voraussetzung für einen emissionsarmen
und sicheren Motorbetrieb.
[0004] Es ist daher von Bedeutung, den Gemischzustand innerhalb des Brennraumes frühzeitig
festzustellen und die Ursache von erhöhten Anteilen von reaktiven Gaskomponenten zu
diagnostizieren.
[0005] Aus der
US 3,978,720 A ist ein Verbrennungsdetektor für Brennkraftmaschinen bekannt, wobei innerhalb eines
Zylinders die Flammstrahlung im sichtbaren und/ oder infraroten Bereich mittels eines
Quarzfensters in der Zylinderwand oder im Zylinderkopf gemessen wird. Die Erfassung
der Strahlung wird zur Steuerung des Zündzeitpunktes oder zur Erfassung der Drehzahl
oder von Zündaussetzern verwendet.
[0006] Die
WO 97/31251 offenbart einen faseroptischen Drucksensor zur Erfassung des Klopfens und von Zündaussetzern
bei einer Brennkraftmaschine. Dabei sind optische Drucksensoren in eine Zündkerze
integriert.
[0007] Die
US 5,659,133 A beschreibt einen optischen Hochtemperatursensor für den Brennraum einer Brennkraftmaschine,
mit welchem Variable für eine Regelung des Verbrennungssystems bereitgestellt werden
können. Die optischen Signale werden in einem Transducer verarbeitet, um in Echtzeit
Ereignisse wie Zündfunken, Verbrennungsbeginn und Verbrennungsende, Fehlzündungen
und Klopferscheinungen zu erfassen. Die erhaltenen Informationen werden zur Regelung
der Rauhigkeit des Motors und der Zyklusstabilität verwendet. Weiters können über
spezifische Flammenfarben Aussagen über die Verbrennungstemperatur und die erzeugten
Emissionen gemacht werden.
[0008] Die
EP 0 412 578 A2 offenbart ein Verfahren zur Klopferkennung bei einer Brennkraftmaschine mittels dem
Brennraum zugeordneten optischen Verbrennungssensoren. Mit den Verbrennungssensoren
wird die Flammintensität der Verbrennung oder die Verbrennungstemperatur innerhalb
des Zylinders gemessen. Beim Verfahren zur Klopferkennung wird dabei das Verbrennungslicht
in den entsprechenden Brennräumen erfasst, wobei die Signale mit einem definierten
Schwellwert verglichen werden. Eine Klopferscheinung wird als solche erkannt, wenn
das durch den optischen Sensor bereitgestellte Signalniveau unterhalb des Schwellwertes
liegt.
[0009] Weiters offenbart die
JP 63-105262 A ein Verfahren zur Steuerung des Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses in einer Brennkraftmaschine,
wobei das Flammlicht in einer Brennkammer durch einen optischen Sensor erfasst und
die einem Vergaser zugeführte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit des mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
korrespondierenden erfassten Messwert des optischen Sensors geregelt wird.
[0010] Aus den Druckschriften
FR 2 816 056 A1 und
JP 2005-226893 A ist jeweils ein Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines verbrennbaren Gemisches
bekannt, wobei während der Verbrennung gemessene Flammlichtsignale mit in einer Datenbank
abgelegten Mustersignalen verglichen werden und bei Übereinstimmung zwischen gemessenen
und abgelegten Signalmusterns auf den Zustand des Gemisches im Brennraum geschlossen
wird. In bestimmten Fällen kann allerdings der Zustand des brennbaren Gemisches nicht
genau genug bewertet werden.
[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine eine genaue Überwachung
des Gemischzustandes und der Verbrennung auf einfache Weise zu ermöglichen.
[0012] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass gleichzeitig mit der Erfassung der
Flammlichtsignale auch eine Druckmessung im Zylinder durchgeführt wird
[0013] Die Mustersignale können aus Messungen unter bekannten Betriebs- und Emissionsbedingungen
aufgezeichnet oder aus theoretischen Überlegungen zu Gemischbildung und Verbrennung
hergeleitet werden. Es ist aber auch möglich, dass Mustersignale aus einer rechnerischen
Verknüpfung von Flammlichtsignalen und Zylinderdrucksignalen oder daraus abgeleiteten
Signalen, wie zum Beispiel dem Verlauf der Wärmefreisetzung, erzeugt werden.
[0014] Weiters ist es vorteilhaft, wenn ein Zeitsignal, vorzugsweise ein Kurbelwinkelsignal,
erfasst wird und die Flammlichtsignale dem Zeitsignal zugeordnet werden. Dadurch ist
es möglich, dass aus der Lage und dem Verlauf des Flammlichtsignals auf Gemischzustand,
Zündzeitpunkt, Verbrennungsbeginn und -ende, Fehlzündungen und Klopferscheinungen,
sowie die Art der Verbrennung geschlossen wird.
[0015] Durch Vergleichen der erfassten Flammlichtsignale mit den in einer Datenbank abgespeicherten
Mustersignalen kann unmittelbar eine Aussage über den Gemischzustand getroffen werden.
Die gleichzeitige und zyklustreuer Druckmessung erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit
der Aussagequalität und bewirkt somit eine Verfeinerung des Messverfahrens. Durch
die kombinierte Auswertung des Zylinderdruckes und des Flammlichtes ist eine höhere
Genauigkeit und Treffsicherheit bei Aussagen über den Gemischzustand des Luft/Kraftstoff-Gemisches
möglich.
[0016] Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die Zylinderdruckspitzen mit den Flammlichtsignalspitzen
innerhalb zumindest eines Zyklus verglichen werden, wodurch aus einer Abweichung zwischen
den Zylinderdruckspitzen und den Lichtsignalspitzen auf eine irreguläre Verbrennung,
insbesondere bei transientem Motorbetrieb, geschlossen wird.
[0017] Aufgrund der Messergebnisse kann in weiterer Folge eine Optimierungsprozedur für
die Parametrierung der Einspritzung und/oder der Luftdrosselung gestartet werden.
[0018] Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Informationen
zyklusgetreu für jeden Zylinder vorliegen. Dies gestattet eine besonders genaue Regelung
der Verbrennung in Echtzeit, wodurch die Abgasemissionen wesentlich verbessert werden
können.
[0019] Um motorenübergreifende Aussagen treffen zu können, ist es vorteilhaft, wenn auf
Basis der Flammlichtsignale und/oder der Druckmesssignale dimensionslose Kennwerte
gebildet werden und die Kennwerte der Bewertung des Gemischzustandes und/oder der
Verbrennung zu Grunde gelegt werden.
[0020] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Diagramm für Zylinderdruck und Flammenintensität über dem Kurbelwinkel für die
Verbrennung homogen vorgemischter Ladung (Vormischverbrennung);
- Fig. 2
- ein Flammenintensität/Druck-Diagramm für Vormischverbrennung;
- Fig. 3
- ein Diagramm für Zylinderdruck und Flammenintensität über dem Kurbelwinkel für die
Verbrennung heterogener Ladung (heterogene Verbrennung);
- Fig. 4
- ein Flammenintensität/Zylinderdruck-Diagramm für heterogene Verbrennung;
- Fig. 5
- ein Diagramm für Zylinderdruck und Flammenintensität über dem Kurbelwinkel für die
Verbrennung nach einer unkontrollierten Frühzündung (Verbrennung nach irregulärer
Zündung); und
- Fig. 6
- ein Flammenintensität/Zylinderdruck-Diagramm für Verbrennung nach irregulärer Zündung.
[0021] In zumindest einem Brennraum einer ottomotorischen Brennkraftmaschine wird über einen
optischen Sensor die Flammenintensität gemessen und gleichzeitig ein Signal, beispielsweise
ein Kurbelwinkelsignal für eine zeitliche Zuordnung erfasst. Aus der Lage und dem
Verlauf Flammenintensitätskurve F
I können bereits grobe Aussagen darüber gemacht werden, ob eine homogene oder heterogene
Verbrennung vorliegt. Weiters gibt die einem Zeitsignal zugeordnete Flammenintensitätskurve
F
I Informationen über die Phasenlage und über das Vorliegen von irregulärer oder regulärer
Verbrennung. Für eine grobe Kalibrierung der Kraftstoffeinspritzung, der Luftdrosselung
oder der Zündung liefern diese Informationen bereits wertvolle Richtlinien, die Aussagekraft
und Präzision wird aber durch gleichzeitige Messung des Zylinderdrucksignals noch
wesentlich gesteigert. Um insbesondere eine detailliertere und exaktere Auswertung
zu ermöglichen, wird zusätzlich zur Flammenintensität F
I auch der Zylinderdruck p gemessen. Durch Gegenüberstellen der Flammenintensität F
I und des Zylinderdruckes p, aufgetragen über dem Kurbelwinkel KW, lässt sich eine
Verfeinerung des Messverfahrens erreichen.
[0022] Fig. 1 zeigt dazu die Flammenintensität F
I und den Zylinderdruck p, aufgetragen über dem Kurbelwinkel KW. Bei homogener Verbrennung
verläuft die Flammenintensität F
I synchron zum Zylinderdruck p, bzw. zum Heizverlauf. Die Maximalwerte F
Im,, p
m der Flammenintensität F
I und des Zylinderdruckes p liegen dabei bei gleichem Kurbelwinkel KW. In dem in Fig.
2 dargestellten Flammenintensität F
I-Zylinderdruck p- Diagramm verläuft die Kurve 1 mit keiner, bzw. nur geringer Hysterese,
wobei die Kurve 1 einen einzigen ausgeprägten Maximalwert 2 für die Flammenintensität
F
I und den Zylinderdruck p aufweist. Der Zylinderdruck p steigt während der Kompressionsphase
an, nach der Zündung steigt auch die Flammenintensität F
I an. Beide Signale erreichen bei Verbrennung vorgemischter Ladung gleichzeitig ein
Maximum und gehen gleichzeitig mit geringer Hysterese wieder zurück. Die Pfeile zeigen
die Durchlaufrichtung der Signalschleife an.
[0023] Fig. 3 zeigt ein Messbeispiel für heterogene Verbrennung. Deutlich ist ersichtlich,
dass die Messkurven für die Flammenintensität F
I und den Zylinderdruck p phasenverschoben sind und die Maximalwerte für die Flammenintensität
F
Im und den Zylinderdruck p
m zeitlich deutlich unterschiedlich sind. Aus der Flammenintensitätskurve F
I geht deutlich der Zündzeitpunkt 3, eine teil-homogene Verbrennung 4 und eine späte
Diffusionsverbrennung 5 hervor. Aufgetragen in einem aus Fig. 4 ersichtlichen Flammenintensitäts
F
I-Zylinderdruck p-Diagramm ist ersichtlich, dass die Maximalwerte für die Flammenintensität
F
I und den Zylinderdruck p auf der Kurve 6 nicht zusammenfallen und dass eine deutliche
Hysterese ausgebildet ist. Der Zylinderdruck p steigt bei der Kompression an. Die
Flammenkernbildung erfolgt bei absinkendem Zylinderdruck p, erst durch die Verbrennung
steigt der Zylinderdruck p wieder an. Dabei erreicht die Flammenintensität F
I ein erstes Maximum M1. Ein zweites Maximum M2 wird am Ende der Expansion durch die
Verbrennung von fetten Gemischzonen erzielt. Die Pfeile zeigen die Durchlaufrichtung
der Signalschleife an.
[0024] Fig. 5 zeigt ein Messbeispiel für eine Verbrennung bei unkontrollierter Frühzündung.
Die Zündung erfolgt durch hier nicht näher beschriebene Glühvorgänge bereits während
der frühen Kompressionsphase bei geringem Zylinderdruck p. Aus dem Verlauf des Flammenintensitätssignals
ist ersichtlich, dass die Verbrennung zu einem überwiegenden Teil bereits vor dem
oberen Totpunkt der Kompression erfolgt. Eine Druckentwicklung über das Ausmaß der
Kompression hinaus ist nicht erkennbar. In dem in Fig. 6 dargestellten Flammenintensität
F
I-Zylinderdruck p-Diagramm erfolgt der Anstieg der Flammenintensität F
I deutlich früher als der Druckanstieg. Die Signalschleife wird gegenüber regulärer
Verbrennung in umgekehrter Abfolge durchlaufen. Die Verbrennung beginnt durch eine
unkontrollierte (irreguläre) Frühzündung bei geringem Druck. Dabei steigt zunächst
die Flammenintensität F
I an, erst danach erfolgt die Drucksteigerung. Die Signalschleife 7 wird im Vergleich
zu regulärer Zündung in umgekehrter Abfolge durchlaufen. Dies ist durch die Pfeilrichtungen
unterstrichen. Auch hier fallen die Maxima der Flammenintensität F
I und des Zylinderdruckes nicht zusammen.
[0025] Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Flammenintensität F
I und der Zylinderdruck p auf das jeweilige Signalmaximum (F
Imax = 100% und P
max = 100%) normiert und als dimensionslose Kennwerte dargestellt werden. Dadurch lassen
sich Brennkraftmaschinen unterschiedlicher Größe und Type miteinander vergleichen.
Insbesondere ist eine motorunabhängige automatisierte Auswertung für eine Regelung
des Einspritzzeitpunktes, der Einspritzmenge, der Luftdrosselung oder des Zündzeitpunktes
möglich.
[0026] Eine besonders hohe Genauigkeit kann erreicht werden, wenn Zylinderdruck p und Flammenintensität
F
I im Brennraum am gleichen Ort, vorzugsweise durch den gleichen Bauteil, gemessen werden.
Dieser Messort sollte möglichst nahe am Zündort liegen. Durch den Einsatz einer Sensor-Zündkerze,
in welcher sowohl ein optischer Sensor, als auch ein Drucksensor integriert ist, kann
eine besonders hohe Genauigkeit mit dem beschriebenen Verfahren erreicht werden.
1. Verfahren zur Bewertung des Zustandes eines Kraftstoff/Luft-Gemisches und/oder der
Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei in einer Datenbank
Mustersignale von Flammlichtsignalen, vorzugsweise die Flammenintensität (FI), mit zugeordneten Gemischzuständen abgelegt werden, wobei Flammlichtsignale, vorzugsweise
die Flammenintensität (FI), der Verbrennung im Brennraum erfasst und so mit den abgelegten Mustersignalen verglichen
werden, und wobei bei Übereinstimmung zwischen gemessenen und abgelegten Signalmustern
auf den Zustand des Gemisches im Brennraum geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Erfassung der Flammlichtsignale auch eine Druckmessung im Zylinder
durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mustersignale aus Messungen unter bekannten Betriebs- und Emissionsbedingungen aufgezeichnet
werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mustersignale aus theoretischen Überlegungen zu Gemischbildung und Verbrennung hergeleitet
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mustersignale aus einer rechnerischen Verknüpfung von Flammlichtsignalen und Zylinderdrucksignalen
oder daraus abgeleiteten Signalen, vorzugsweise dem Verlauf der Wärmefreisetzung,
erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitsignal, vorzugsweise ein Kurbelwinkelsignal (KW), erfasst wird und die Flammlichtsignale
dem Zeitsignal zugeordnet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Lage und dem Verlauf des Flammlichtsignals auf Gemischzustand, Zündzeitpunkt,
Verbrennungsbeginn und -ende, Fehlzündungen und Klopferscheinungen, sowie die Art
der Verbrennung geschlossen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderdruckspitzen mit den Flammlichtsignalspitzen innerhalb zumindest eines
Zyklus verglichen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Abweichung zwischen den Zylinderdruckspitzen und den Lichtsignalspitzen
auf eine irreguläre Verbrennung, insbesondere bei transientem Motorbetrieb, geschlossen
wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Gemischzustands und/oder der Abweichung zwischen den Zylinderdruckspitzen
von den Lichtsignalspitzen eine Optimierungsprozedur für die Parametrierung der Einspritzung
und/oder der Luftdrosselung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der Flammlichtsignale und/oder der Druckmesssignale dimensionslose Kennwerte
gebildet werden und die Kennwerte der Bewertung des Gemischzustandes und/oder der
Verbrennung zu Grunde gelegt werden.