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EP1113170B1 - Verfahren zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe - Google Patents

Verfahren zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe Download PDF

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Publication number
EP1113170B1
EP1113170B1 EP00127161A EP00127161A EP1113170B1 EP 1113170 B1 EP1113170 B1 EP 1113170B1 EP 00127161 A EP00127161 A EP 00127161A EP 00127161 A EP00127161 A EP 00127161A EP 1113170 B1 EP1113170 B1 EP 1113170B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion
sequence
combustion process
accordance
values
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00127161A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1113170A1 (de
Inventor
Joseph A. Engel
Henri M.A.F. Dufaux
Magnus P. Glavmo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delphi Technologies Inc
Original Assignee
Delphi Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from LU90495A external-priority patent/LU90495B1/en
Application filed by Delphi Technologies Inc filed Critical Delphi Technologies Inc
Publication of EP1113170A1 publication Critical patent/EP1113170A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1113170B1 publication Critical patent/EP1113170B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/028—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs the glow plug being combined with or used as a sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P17/00—Testing of ignition installations, e.g. in combination with adjusting; Testing of ignition timing in compression-ignition engines
    • F02P17/12—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the combustion process in the combustion of fossil fuels according to the generic term of claim 1 such as JP-A-62249051, JP-A-04203475 or JP-A-04203270.
  • this known method is used to monitor the sequence of individual combustion processes in the cylinder of the internal combustion engine and optionally by appropriate measures, such as by changing the injection timing, the injected fuel quantity or the course of injection, the other combustion processes targeted influence. Furthermore, the known method is used to keep the resulting during the combustion processes temperatures in a desired temperature range in which the increased formation of undesirable exhaust gas components such as nitrogen oxides (NO x ) does not occur, their formation should be avoided for environmental reasons.
  • nitrogen oxides are formed increasingly from a temperature of about 2000 K during the combustion processes in the cylinder. After detecting the increased formation of undesirable exhaust gas components, the temperature in the cylinder can be reduced with the aid of the measures described above.
  • the problem is that by the excessive formation of nitrogen oxides released electrons, the due to their low mass also from more remote areas Measuring device migrate, the detected conductivity values of the combustion gas falsify, so that the measuring signal disturbed and thus a exact monitoring of the combustion processes is prevented.
  • the invention achieves the object by a method with the features according to claim 1.
  • sequence of conductivity values has a conductivity curve in which the Signal comparatively unadulterated compared to the known methods can be represented, since disturbances caused by a disproportionate Increase of certain ions in the combustion gas arise, can not be detected.
  • sequence of conductivity values at least approximately actual course of the combustion process immediately reflects. Consequently, can be determined from the method according to the invention Sequence of conductivity values of the combustion process with high accuracy are evaluated.
  • the sequence of determined Conductivity values with a sequence of stored reference values compared a theoretical course of conductivity change during an optimal combustion process the boundary conditions, such as the injection duration, the injection timing or the course of injection, the boundary conditions of the monitored Combustion process correspond.
  • the boundary conditions such as the injection duration, the injection timing or the course of injection
  • the boundary conditions of the monitored Combustion process correspond.
  • heat release For example, to control the combustion with a predetermined heat release can be compared. Furthermore, can be from the sequence of conductivity values the course of the heat release determine so that, for example, temperature peaks during the combustion process can be detected, to avoid the formation of nitrogen oxides in the subsequent combustion process of the Temperature ago can be reduced.
  • the inventive method is particularly in an internal combustion engine used, with the combustion processes in each cylinder be monitored. This way is one compared to conventional ones Method more precise control of fuel supply and power output every single cylinder possible.
  • the inventive Method used in a diesel engine To measure the conductivity of the in-cylinder combustion gas is a Glow plug of the respective cylinder of the diesel engine used.
  • the Glow plug of the respective cylinder is equipped with a reference resistor in Series connected and conductively connected to the inner wall of the cylinder.
  • Particles To determine the conductivity of the combustion gas in the respective Cylinder based on the positively charged gas contained in the combustion gas Particles are applied to the glow plug during part of the compression stroke and a part of the working stroke applied a negative voltage.
  • the conductivity of the combustion gas changes between the glow plug and the inner wall of the cylinder, causing the voltage drop across the reference resistor changes and is measured and amplified for evaluation.
  • the different voltage values are stored as a sequence of conductivity values in a memory.
  • a Meßsignalkurve 10th representing the change in conductivity values with respect to the crankshaft angle shows, where the conductivity values on the proportion of positive charged particles are based in the combustion gas.
  • Meßsignalkurve 10 is a value of about 0.4 volts. From a crankshaft angle of about 20 ° before top dead center OT of the piston starts the engine control of the diesel engine with a pilot injection in which a small amount of diesel fuel in the Cylinder is injected to the inside of the cylinder before the actual Main injection to heat. This is reflected in the trace 10 due to the small signal fluctuations 12 in the signal curve.
  • the negative Meßsignalkurve 10 thereby increases to a value of about 2.6 Volts, as shown by the second signal tip 16. Then falls the Meßsignalkurve 10 to form a third signal peak 18 with a Value of about 1.6 volts at a crankshaft angle of about -15 ° Gently lower the top dead center OT of the piston, until it stops at a Crankshaft angle of about -40 ° with respect to top dead center OT of the piston also reaches at least approximately 0.4 volts.
  • FIG. 1 the course of the heat release as a heat release curve 20 for the same combustion process for which the Meßsignalkurve 10 was applied.
  • the heat release curve 20 starts first with a level of about 0 joules per second and also shows at a crankshaft angle of about 14 ° before the upper Dead center OT is a first signal peak 22, which is at about 1.1 joules per second has its maximum.
  • the location of the first signal tip 22 of the Heat release curve 20 corresponds exactly to the position of the first signal tip 14 of Meßsignalkurve 10.
  • the heat release curve 20 falls in same as the Meßsignalkurve 10 to a minimum of 0 Joule per second and then rises to form a second signal peak 24 at a crankshaft angle of about -2 ° after top dead center OT of the piston to form a second signal tip 24 to a maximum Value of about 1.7 joules per second. After the second signal tip 24 drops the heat release curve 20 gently, the course the heat release curve 20 to the course of Meßsignalkurve 10th after the third signal peak 18 is approximated.
  • the heat release curve shows 20 shows a course in which the resulting signal peaks 22 and 24 show the same position with respect to the crankshaft angle as the first signal peak 14 and the pair of signal peaks 16 and 18 of the Meßsignkurve 10th
  • Fig. 2 is a diagram is shown in which, together with the Meßsignalkurve Figure 10 shows a turnover rate curve 26 in which the turnover rate of hydrocarbons based on the crankshaft angle during of the observed combustion process.
  • the turnover rate curve Figure 26 shows at the beginning of the combustion that during the pre-injection injected fuel quantity a first increase 28 to a turnover rate of about 10%, with the formation of sinusoidal signal fluctuations 30 with low slope up to a conversion rate of about 15% at the top Dead center OT of the piston expires.
  • the turnover rate curve increases 26 to form a second increase 32 strongly, the into a smooth spout 34, until the turnover rate curve 26 at a crankshaft angle of -60 ° after top dead center about horizontal course shows.
  • the turnover rate curve 26 shows the second increase 32, which eventually forms a smooth spout 34 at least runs approximately horizontally.
  • the burning begins, as in the Meßsignalkurve 10 represented by the second signal tip 16, takes also abruptly the proportion of converted hydrocarbons.
  • the measured signal curve 10 has reached its maximum, it falls again evenly, which also causes the decreasing slope in the second Increase 32 of the turnover rate curve 26.
  • decreasing Amount of fuel to be burned at the same time decreases the amount to reacted hydrocarbon, such as the turnover rate curve 26 with her gentle spout 34 documented.
  • the sequence of conductivity values which form the Meßsignalkurve 10
  • a series of reference values compared a theoretical course of conductivity change show during an optimal combustion process and according to the boundary conditions of the monitored combustion process, such as the injection duration, the injection time or the course of injection.
  • the two sequences are compared with each other values, which in occur at least approximately identical crankshaft angles. Thereby can be a deviation of the actual combustion process determine the theoretically optimal combustion process, so that in a subsequent combustion process, the injection accordingly can be changed.
  • the malfunction individual components of the internal combustion engine can be determined. If at least a part of the conductivity values exceeds the reference values, can be concluded that insufficient exhaust gas recirculation, for example by a malfunction of the exhaust gas recirculation valve or a Blockage of the branch, at which the exhaust gas is discharged from the exhaust system is caused. Is the consequence of conductivity values or the Measurement signal curve 10 with respect to the reference values stored from the sequence formed reference curve towards the end of the combustion process shifted, it means that during the monitored combustion process contain too little oxygen in the air-fuel mixture was. From this can be, for example, a malfunction or derive a leak of the turbocharger.
  • the measured conductivity values are the same Amount largely below the corresponding reference values this is that the injected amount of fuel is not the desired one Amount of fuel corresponds to that determined by the engine control previously has been. This can be a malfunction of the injector or diagnose a reduced performance of the pump.
  • Meßsignalkurve 10 can be from the waveform of Meßsignalkurve 10 exactly read at what time, i. to which crankshaft angle, the fuel has ignited, how long the combustion process lasted, and when the end of the combustion occurred. Through this exact information taken from the Meßsignalkurve 10 can be, the fuel injection into the cylinder accordingly the desired engine performance are regulated.
  • the diesel engine can be operated with maximum power
  • a series of conductivity values each of which is compared to a sequence of stored reference values which defines a theoretical combustion process in which the respective cylinder provides maximum power.
  • the amount of fuel to be injected, the injection duration and also the injection course are regulated until the conductivity values of subsequent combustion processes at least is approximated to the sequence of stored reference values.
  • the power of each cylinder can be maximized so that even with different powerful cylinders of the diesel engine each Cylinder provides maximum performance.
  • the method described above can likewise be applied to internal combustion engines used with gasoline.
  • gasoline engines it is possible by adjusting the ignition timing, in which the air-fuel mixture in the cylinder through the spark plug or the spark plug is ignited to change specifically.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wie beispielsweise aus JP-A-62249051, JP-A-04203475 oder JP-A-04203270 bekannt.
Es ist bekannt, mit Hilfe des sogenannten Ionenstrom-Meßverfahrens den Verbrennungsablauf während der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu überwachen. Hierzu wird in dem Verfahrensraum, in dem die Verbrennung der fossilen Brennstoffe stattfindet, eine Meßeinrichtung angeordnet, an der während eines üblicherweise zeitlich begrenzten Verbrennungsvorgangs eine positive elektrische Spannung angelegt wird. Durch die Verbrennung entstehen im Verbrennungsgas, d.h. in dem Gemisch aus verbranntem und unverbranntem Brennstoff, negativ geladene Teilchen und positiv geladene Teilchen. Mit Hilfe der Meßeinrichtung können die im Verbrennungsgas enthaltenen negativ geladenen Teilchen, wie Elektronen und negativ geladene Moleküle, erfaßt und auf diese Weise die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases bestimmt werden. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Folge Leitfähigkeitswerte über einen vorgegebenen Zeitraum erfaßt, die anschließend zur Beurteilung des Ablaufes des überwachten Verbrennungsvorgangs ausgewertet wird. Dieses bekannte Verfahren eignet sich unter anderem zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge in Heizanlagen, Gasboilern oder auch Verbrennungsmotoren.
Insbesondere bei Benzinmotoren und bei Dieselmotoren wird dieses bekannte Verfahren eingesetzt, um den Ablauf der einzelnen Verbrennungsvorgänge im Zylinder des Verbrennungsmotors zu überwachen und gegebenenfalls durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise durch die Veränderung des Einspritzzeitpunktes, der eingespritzten Kraftstoffmenge oder des Einspritzverlaufes, die weiteren Verbrennungsvorgänge gezielt zu beeinflussen. Des weiteren wird das bekannte Verfahren dazu verwendet, die während der Verbrennungsvorgänge entstehenden Temperaturen in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten, bei dem die verstärkte Bildung von unerwünschten Abgaskomponenten wie Stickoxiden (NOx) nicht auftritt, deren Bildung aus Umweltschutzgründen vermieden werden soll. So wird insbesondere bei Verbrennungsmotoren beobachtet, daß ab einer Temperatur von etwa 2000 K während der Verbrennungsvorgänge im Zylinder verstärkt Stickoxide entstehen. Nach Erfassen der verstärkten Bildung von unerwünschten Abgaskomponenten kann mit Hilfe der zuvor beschriebenen Maßnahmen die Temperatur im Zylinder reduziert werden.
Insbesondere bei der Verwendung des bekannten Meßverfahren zur Überwachung von Verbrennungsvorgängen besteht das Problem, daß die durch die übermäßige Bildung von Stickoxiden freiwerdenden Elektronen, die aufgrund ihrer geringen Masse auch aus entfernteren Bereichen zur Meßeinrichtung wandern, die erfaßten Leitfähigkeitswerte des Verbrennungsgases verfälschen, so daß das Meßsignal gestört und somit eine exakte Überwachung der Verbrennungsvorgänge verhindert ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe anzugeben, das eine verglichen mit den bekannten Verfahren bessere Auswertgenauigkeit zeigt.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nur der Anteil an positiv geladenen Teilchen im Verbrennungsgas während des Verbrennungsvorgangs erfaßt. Wie Versuchsreihen gezeigt haben, ändert sich der Anteil an positiv geladenen Teilchen entsprechend dem tatsächlichen Verlauf des Verbrennungsvorgangs, während im Vergleich dazu sich der Anteil an negativ geladenen Teilchen, der bei herkömmlichen Meßverfahren ermittelt wird, in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur ab einer Verbrennungstemperatur von etwa 2000 K überproportional zunimmt. Die Folge von Leitfähigkeitswerten, die auf dem Anteil positiv geladener Teilchen im Verbrennungsgas basiert, zeigt also nicht den bei hohen Verbrennungstemperaturen durch die schlagartig zusätzlich im Verbrennungsgas entstehenden Stickstoff- und Sauerstoffionen verfälschten Leitfähigkeitsverlauf während des Verbrennungsvorgangs. Vielmehr zeigt die Folge von Leitfähigkeitswerten einen Leitfähigkeitsverlauf, bei dem das Signal verglichen mit den bekannten Verfahren vergleichsweise unverfälscht dargestellt werden kann, da Störeinflüsse, die durch eine überproportionale Zunahme bestimmter Ionen im Verbrennungsgas entstehen, nicht erfaßt werden. Dies hat zur Folge, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Folge von Leitfähigkeitswerten zumindest annähernd den tatsächlichen Verlauf des Verbrennungsvorgangs unmittelbar widerspiegelt. Folglich kann aus der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Folge von Leitfähigkeitswerten der Verbrennungsvorgang mit hoher Genauigkeit ausgewertet werden.
Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Folge von ermittelten Leitfähigkeitswerten mit einer Folge gespeicherter Referenzwerte verglichen, die einen theoretischen Verlauf der Leitfähigkeitsänderung während eines optimalen Verbrennungsvorgangs definieren, dessen Randbedingungen, wie beispielsweise die Einspritzdauer, der Einspritzzeitpunkt oder der Einspritzverlauf, den Randbedingungen des überwachten Verbrennungsvorgangs entsprechen. Um eine möglichst genaue Auswertung zu ermöglichen, werden jeweils Werte der beiden Folgen miteinander verglichen, die bei zumindest annähernd identischen Zeitpunkten bei den miteinander zu vergleichenden Verbrennungsvorgängen auftreten. Wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise bei Verbrennungsmotoren eingesetzt, werden Werte miteinander verglichen, die bei identischen Kurbelwellenwinkeln auftreten. Bei Abweichungen der Folge gemessener Leitfähigkeitswerte von der Folge gespeicherter Referenzwerte können in Abhängigkeit von der Art der Abweichung verschiedene Rückschlüsse auf den Verlauf der Verbrennung gezogen werden, so daß die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge entsprechend beeinflußt werden können. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen.
Übersteigt beispielsweise zumindest ein Teil der Leitfähigkeitswerte die Referenzwerte, bedeutet dies, daß bei dem überwachten Verbrennungsvorgang eine unzureichende Abgasrückführung erfolgt ist, mit der die Verbrennungstemperatur während des Verbrennungsvorgangs beeinflußt werden soll.
Ist dagegen die Folge von Leitfähigkeitswerten bezüglich der Folge gespeicherter Referenzwerte in Richtung des Endes des Verbrennungsvorgangs verschoben, ist dies als Hinweis auf einen Sauerstoffmangel während des überwachten Verbrennungsvorgangs zu werten.
Zur besseren Auswertung wird ferner vorgeschlagen, aus der Folge von Leitfähigkeitswerten einen auf den zeitlichen Ablauf des Verbrennungsvorgangs bezogenen Signalverlauf darzustellen. Anhand dieses Signalverlaufes ist es möglich, den Verbrennungsvorgang noch genauer auszuwerten.
So kann beispielsweise aus dem Verlauf der Signalflanken des Signals ermittelt werden, wie die Verbrennung im Verbrennungsraum abgelaufen ist. So läßt sich aus einem steilen Anstieg der Signalflanke auf eine schlagartige Verbrennung rückschließen, während eine sanft ansteigende Signalflanke den Beginn einer kontinuierlich zunehmenden Verbrennung zeigt. Des weiteren läßt sich aus dem Signalverlauf die Zündung, die Dauer und das Ende der Verbrennung des Brennstoffs unmittelbar bestimmen, so daß beispielsweise auch die Wirkung einer Voreinspritzung während des Verbrennungsvorgangs aus dem Signalverlauf eindeutig hervorgeht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird aus der Folge von Leitfähigkeitswerten die während des überwachten Verbrennungsvorgangs freigesetzte Wärme ermittelt. Die auf diese Weise ermittelte Wärmefreisetzung kann beispielsweise zur Regelung der Verbrennung mit einer vorgegebenen Wärmefreisetzung verglichen werden. Des weiteren läßt sich aus der Folge von Leitfähigkeitswerten der Verlauf der Wärmefreisetzung bestimmen, so daß beispielsweise Temperaturspitzen während des Verbrennungsvorgangs erkannt werden können, die zur Vermeidung der Bildung von Stickoxiden beim nachfolgenden Verbrennungsvorgang von der Temperatur her verringert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt, wobei die Verbrennungsvorgänge in jedem Zylinder überwacht werden. Auf diese Weise ist eine verglichen mit herkömmlichen Verfahren genauere Regelung der Kraftstoffzufuhr und der Leistungsabgabe jedes einzelnen Zylinders möglich.
So wird bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen, aufeinanderfolgend für jeden Zylinder eine Folge von Leitfähigkeitswerten zu erstellen, die anschließend miteinander verglichen werden. Bei Abweichungen zwischen den Folgen von Leitfähigkeitswerten der einzelnen Zylinder werden die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern derart aufeinander abgestimmt, daß die Zylinder bei einer weiteren Überprüfung der Verbrennungsvorgänge zumindest annähernd identische Folgen von Leitfähigkeitswerten zeigen. Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die Verbrennungsvorgänge zwischen den einzelnen Zylindern so aufeinander abzustimmen, daß der Verbrennungsmotor besonders ruhig läuft.
Zur Maximierung der Leistung des Verbrennungsmotors, beispielsweise bei einem Beschleunigungsvorgang, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgeschlagen, aufeinanderfolgend für jeden Zylinder eine Folge von Leitfähigkeitswerten zu erstellen, die jeweils mit einer Folge gespeicherter Referenzwerte verglichen wird, die einen theoretischen Verbrennungsvorgang definieren, bei dem der jeweilige Zylinder maximale Leistung erbringt. Bei Abweichung der Folge von Leitfähigkeitswerten des betreffenden Zylinders von der Folge gespeicherter Referenzwerte werden die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge entsprechend einer Leistungsmaximierung des betreffenden Zylinders nachgeregelt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
ein Diagramm, in dem eine im Zylinder eines Verbrennungsmotors aufgenommene Leitfähigkeits-Meßsignalkurve sowie eine Wärmefreisetzungskurve gezeigt sind, wobei beide Kurven auf den Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors bezogen sind, und
Fig. 2
ein Diagramm, in dem die im Zylinder aufgenommene Leitfähigkeits-Meßsignalkurve gemeinsam mit einer Umsatzratenkurve für Kohlenwasserstoffe gezeigt ist, wobei auch hier beide Kurven auf den Kurbelwellenwinkel des Verbrennungsmotors bezogen sind.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Dieselmotor eingesetzt. Zum Messen der Leitfähigkeit des im Zylinder befindlichen Verbrennungsgases wird eine Glühkerze des jeweiligen Zylinders des Dieselmotors verwendet. Die Glühkerze des jeweiligen Zylinders ist mit einem Referenzwiderstand in Reihe geschaltet und mit der Innenwand des Zylinders leitend verbunden. Zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Verbrennungsgases im jeweiligen Zylinder auf Grundlage der im Verbrennungsgas enthaltenen positiv geladenen Teilchen wird an die Glühkerze während eines Teils des Verdichtungshubes und eines Teils des Arbeitshubes eine negative Spannung angelegt. Durch die während des Verbrennungsprozesses entstehenden positiv geladenen Teilchen ändert sich die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases zwischen der Glühkerze und der Innenwand des Zylinders, wodurch sich die am Referenzwiderstand abfallende Spannung ändert, die gemessen und zur Auswertung verstärkt wird. Die verschiedenen Spannungswerte werden als Folge von Leitfähigkeitswerten in einem Speicher abgespeichert. Als Beispiel ist in den Figuren 1 und 2 eine Meßsignalkurve 10 dargestellt, die die Änderung der Leitfähigkeitswerte bezogen auf den Kurbenwellenwinkel zeigt, wobei die Leitfähigkeitswerte auf dem Anteil an positiv geladenen Teilchen im Verbrennungsgas basieren.
Nachfolgend wird unter Bezugnahmen auf die Fig. 1 und 2 der Verlauf der Meßsignalkurve 10 näher erläutert. Zu Beginn des Überwachungszeitraumes bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 40° vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens zeigt die Meßsignalkurven 10 einen Wert von etwa 0,4 Volt. Ab einem Kurbelwellenwinkel von etwa 20° vor dem oberen Totpunkt OT des Kolbens beginnt die Motorsteuerung des Dieselmotors mit einer Voreinspritzung, bei der eine geringe Menge Dieselkraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, um das Innere des Zylinders vor der eigentlichen Haupteinspritzung zu erwärmen. Dies zeigt sich in der Meßkurve 10 durch die kleinen Signalschwankungen 12 im Signalverlauf.
Ab einem Kurbelwellenwinkel von etwa 14° vor dem oberen Totpunkt OT entzündet sich der im Zylinder befindliche Kraftstoff, wodurch die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases zunimmt, wie der Meßsignalkurve 10 durch die erste Signalspitze 14 zu entnehmen ist. Die Signalspitze 14 der Meßsignalkurve 10 flacht nach einem plötzlichen Anstieg mit sehr steiler Flanke kontinuierlich wieder ab, bis sie bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 5° vor dem oberen Totpunkt OT etwa wieder 0,4 Volt zeigt. Etwa während dieses Zeitpunktes wird die eigentliche Haupteinspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder vorgenommen. Durch die Voreinspritzung wurde, wie zuvor bereits erläutert, der Innenraum des Zylinders vorgewärmt, so daß der während der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoff zumindest teilweise verdampft und sich gleichmäßig im Innenraum des Zylinders verteilt. Bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -2° nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens entzündet sich der Kraftstoff im Inneren des Zylinders, wodurch sich die Leitfähigkeit des Verbrennungsgases erneut verändert, wie die zweite Signalspitze 16 in der Meßsignalkurve 10 zeigt, die ihr Maximum bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -7° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens besitzt.
Die negative Meßsignalkurve 10 steigt dabei auf einen Wert von etwa 2,6 Volt, wie durch die zweite Signalspitze 16 gezeigt wird. Anschließend fällt die Meßsignalkurve 10 unter Bildung einer dritten Signalspitze 18 mit einem Wert von etwa 1,6 Volt bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -15° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens sanft ab, bis sie bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -40° bezogen auf den oberen Totpunkt OT des Kolbens gleichfalls zumindest annähernd 0,4 Volt erreicht.
Des weiteren ist in Fig. 1 der Verlauf der Wärmeabgabe als Wärmefreisetzungskurve 20 für denselben Verbrennungsvorgang, für den die Meßsignalkurve 10 aufgetragen wurde, gezeigt. Die Wärmefreisetzungskurve 20 beginnt zunächst mit einem Niveau von etwa 0 Joule pro Sekunde und zeigt gleichfalls bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 14° vor dem oberen Totpunkt OT eine erste Signalspitze 22, die bei etwa 1,1 Joule pro Sekunde ihr Maximum aufweist. Die Lage der ersten Signalspitze 22 der Wärmefreisetzungskurve 20 entspricht exakt der Lage der ersten Signalspitze 14 der Meßsignalkurve 10. Die Wärmefreisetzungskurve 20 fällt in gleicher Weise wie die Meßsignalkurve 10 auf ein Minimum von 0 Joule pro Sekunde ab und steigt dann unter Bildung einer zweiten Signalspitze 24 bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa -2° nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens unter Bildung einer zweiten Signalspitze 24 auf einen maximalen Wert von etwa 1,7 Joule pro Sekunde. Nach der zweiten Signalspitze 24 fällt die Wärmefreisetzungskurve 20 sanft ab, wobei der Verlauf der Wärmefreisetzungskurve 20 an den Verlauf der Meßsignalkurve 10 nach deren dritter Signalspitze 18 angenähert ist.
Wie dem Diagramm aus Fig. 1 zu entnehmen ist, zeigt die Wärmefreisetzungskurve 20 einen Verlauf, bei dem die entstehenden Signalspitzen 22 und 24 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel die gleiche Lage zeigen, wie die erste Signalspitze 14 und das Paar Signalspitzen 16 und 18 der Meßsignalkurve 10.
In Fig. 2 ist ein Diagramm gezeigt, in dem gemeinsam mit der Meßsignalkurve 10 eine Umsatzratenkurve 26 dargestellt ist, in der die Umsatzrate von Kohlenwasserstoffen bezogen auf den Kurbelwellenwinkel während des beobachteten Verbrennungsvorgangs gezeigt ist. Die Umsatzratenkurve 26 zeigt bei Beginn der Verbrennung der während der Voreinspritzung eingespritzten Kraftstoffmenge einen ersten Anstieg 28 auf eine Umsatzrate von etwa 10% , der unter Bildung sinusförmiger Signalschwankungen 30 mit geringer Steigung bis zu einer Umsatzrate von etwa 15% beim oberen Totpunkt OT des Kolbens ausläuft. Sobald die durch die Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge zu zünden beginnt, steigt die Umsatzratenkurve 26 unter Bildung eines zweiten Anstieges 32 stark an, der in einen sanften Auslauf 34 übergeht, bis die Umsatzratenkurve 26 bei einem Kurbelwellenwinkel von -60° nach dem oberen Totpunkt einen etwa waagerechten Verlauf zeigt.
Bei unmittelbarem Vergleich der Meßsignalkurve 10 mit der Umsatzratenkurve 26 zeigt sich, daß bezogen auf die während des gesamten Verbrennungsvorgangs eingespritzte Gesamtkraftstoffmenge während der Verbrennung der voreingespritzten Kraftstoffmenge die Umsatzrate bei der Bildung der Kohlenwasserstoffe bei etwa 10 % liegt. Die Lage des ersten Anstiegs 28 und der Signalschwankungen 30 entspricht dabei der Lage der ersten Signalspitze 14 der Meßsignalkurve 10, die nach Erreichen ihres Maximums gleichmäßig ausläuft. Mit anderen Worten verbrennt während des Zündens der voreingespritzten Kraftstoffmenge der Kraftstoff zunächst plötzlich, während die Verbrennung des Kraftstoffes nach Erreichen des in der Meßsignalkurve 10 gezeigten Maximums der ersten Signalspitze 14 gleichmäßig abnimmt. Dies zeigt sich auch in der Umsatzratenkurve 26, bei der bei Beginn der Verbrennung der voreingespritzten Kraftstoffmenge die Umsatzrate zunächst stark ansteigt, und dann unter Bildung der sanft ansteigenden Signalschwankungen 30 nur mehr geringfügig zunimmt.
Sobald die während der Haupteinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge zu verbrennen beginnt, zeigt die Umsatzratenkurve 26 den zweiten Anstieg 32, der schließlich unter Bildung eines sanften Auslaufes 34 zumindest annähernd horizontal verläuft. Auch hier ist eindeutig der Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Meßsignalkurve 10 und dem Verlauf der Umsatzratenkurve 26 erkennbar. Sobald die Verbrennung beginnt, wie in der Meßsignalkurve 10 durch die zweite Signalspitze 16 dargestellt, nimmt auch schlagartig der Anteil an umgesetzten Kohlenwasserstoffen zu. Sobald die Meßsignalkurve 10 ihr Maximum erreicht hat, fällt Sie wieder gleichmäßig ab, wodurch sich auch die abnehmende Steigung im zweiten Anstieg 32 der Umsatzratenkurve 26 erklären läßt. Mit abnehmender Menge an noch zu verbrennendem Kraftstoff nimmt gleichzeitig die Menge an umgesetztem Kohlenwasserstoff zu, wie die Umsatzratenkurve 26 mit ihrem sanften Auslauf 34 dokumentiert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß aus dem Verlauf der Meßsignalkurve 10, der auf dem Anteil an positiv geladenen Teilchen im Verbrennungsgas basiert, unmittelbar auf den Verlauf sowohl der Wärmefreisetzungskurve 20 als auch auf den Verlauf der Umsatzratenkurve 26 rückgeschlossen werden kann. Folglich kann mit der Meßsignalkurve 10 der beobachtete Verbrennungsvorgang relativ eindeutig beschrieben werden, wodurch sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten zur Auswertung der Meßsignalkurve 10 ergeben, wie nachfolgend erläutert wird.
So wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Folge von Leitfähigkeitswerten, die die Meßsignalkurve 10 bilden, mit einer Folge von Referenzwerten verglichen, die einen theoretischen Verlauf der Leitfähigkeitsänderung während eines optimalen Verbrennungsvorgangs zeigen und die entsprechend den Randbedingungen des überwachten Verbrennungsvorgangs, wie beispielsweise der Einspritzdauer, dem Einspritzzeitpunkt oder dem Einspritzverlauf, ausgewählt wurden. Während des Vergleiches der beiden Folgen werden jeweils Werte miteinander verglichen, die bei zumindest annähernd identischen Kurbelwellenwinkeln auftreten. Dadurch läßt sich eine Abweichung des tatsächlichen Verbrennungsvorgangs von dem theoretisch optimalen Verbrennungsvorgang ermitteln, so daß bei einem nachfolgenden Verbrennungsvorgang die Einspritzung entsprechend geändert werden kann.
Des weiteren kann aus der ermittelten Meßsignalkurve 10 die Fehlfunktion einzelner Komponenten des Verbrennungsmotors ermittelt werden. Übersteigt zumindest ein Teil der Leitfähigkeitswerte die Referenzwerte, läßt sich auf eine unzureichende Abgasrückführung schließen, die beispielsweise durch eine Fehlfunktion des Abgasrückführventils oder eine Verstopfung der Abzweigung, an der das Abgas aus der Abgasanlage abgeführt wird, verursacht ist. Ist die Folge von Leitfähigkeitswerten bzw. die Meßsignalkurve 10 bezüglich der aus der Folge gespeicherter Referenzwerte gebildeten Referenzkurve in Richtung des Endes des Verbrennungsvorgangs verschoben, bedeutet dies, daß während des überwachten Verbrennungsvorgangs zu wenig Sauerstoff im Luft-Kraftstoff-Gemisch enthalten war. Hieraus läßt sich beispielsweise eine Fehlfunktion oder auch eine Undichtigkeit des Turboladers ableiten.
Liegen die gemessenen Leitfähigkeitswerte vorzugsweise um den selben Betrag größtenteils unter den entsprechenden Referenzwerten, bedeutet dies, daß die eingespritzte Menge an Kraftstoff nicht der gewünschten Menge an Kraftstoff entspricht, die von der Motorregelung zuvor bestimmt worden ist. Hieraus läßt sich eine Fehlfunktion des Einspritzventils bzw. eine reduzierte Leistung der Pumpe diagnostizieren.
Durch Analyse des Signalverlaufes der Meßsignalkurve 10 lassen sich ferner auf den Verlauf der Verbrennung Rückschlüsse ziehen. Zeigt der Signalverlauf eine sehr steil ansteigende Signalflanke, bedeutet dies, daß der Kraftstoff sehr schnell, also schlagartig verbrannt ist, so daß sich auch die Leitfähigkeitswerte im Verbrennungsgas entsprechend schnell geändert haben. Zeigt die Signalflanke dagegen einen sanften Anstieg, bedeutet dies, daß die Verbrennung kontinuierlich mit gleicher Umsatzrate bzw. allenfalls zunehmender Umsatzrate erfolgt ist.
Des weiteren läßt sich aus dem Signalverlauf der Meßsignalkurve 10 genau ablesen, zu welchem Zeitpunkt, d.h. zu welchem Kurbelwellenwinkel, sich der Kraftstoff entzündet hat, wie lange der Verbrennungsvorgang dauerte, und wann das Ende der Verbrennung aufgetreten ist. Durch diese exakten Informationen, die aus der Meßsignalkurve 10 entnommen werden können, kann die Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder entsprechend den gewünschten Motorleistungen geregelt werden.
Um einen möglichst ruhigen Betrieb des Dieselmotors zu erreichen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für jeden Zylinder eine Folge von Leitfähigkeitswerten erstellt, die anschließend miteinander verglichen werden. Bei Abweichungen zwischen den Folgen von Leitfähigkeitswerten der einzelnen Zylinder werden die nachfolgenden Einspritz- und Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern derart aufeinander abgestimmt, daß die Zylinder bei einer erneuten Überprüfung der Verbrennungsvorgänge zumindest annähernd identische Folgen von Leitfähigkeitswerten zeigen.
Damit der Dieselmotor mit maximaler Leistung betrieben werden kann, beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für jeden Zylinder eine Folge von Leitfähigkeitswerten erstellt, die jeweils mit einer Folge gespeicherter Referenzwerte verglichen wird, die einen theoretischen Verbrennungsvorgang definieren, bei dem der jeweilige Zylinder maximale Leistung erbringt. Sobald die gemessenen Leitfähigkeitswerte von den gespeicherten Referenzwerten abweichen, wird entsprechend der Einspritzzeitpunkt, die Menge einzuspritzenden Kraftstoffes, die Einspritzdauer und auch der Einspritzverlauf so reguliert, bis die Leitfähigkeitswerte nachfolgender Verbrennungsvorgänge zumindest annähernd an die Folge gespeicherter Referenzwerte herangeführt ist. Auf diese Weise läßt sich die Leistung jedes Zylinders maximieren, so daß auch bei unterschiedlich leistungsstarken Zylindern des Dieselmotors jeder Zylinder maximale Leistung erbringt.
Das zuvor beschriebene Verfahren läßt sich gleichfalls bei Verbrennungsmotoren einsetzen, die mit Benzin betrieben werden. Bei Benzinmotoren besteht zusätzlich die Möglichkeit, durch Einstellen des Zündzeitpunktes, bei dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder durch die Zündkerze bzw. die Zündkerzen gezündet wird, gezielt zu verändern.
Bezugszeichenliste
10
positive Meßsignalkurve
12
Signalschwankungen der Meßsignalkurve
14
erste Signalspitze der Meßsignalkurve
16
zweite Signalspitze der Meßsignalkurve
18
dritte Signalspitze der Meßsignalkurve
20
Wärmefreisetzungskurve
22
erste Signalspitze der Wärmefreisetzungskurve
24
zweite Signalspitze der Wärmefreisetzungskurve
26
Umsatzratenkurve
28
erster Anstieg der Umsatzratenkurve
30
Signalschwankungen der Umsatzratenkurve
32
zweiter Anstieg der Umsatzratenkurve
34
sanfter Auslauf der Umsatzratenkurve

Claims (15)

  1. Verfahren zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wobei bei dem Verfahren eine Folge von Leitfähigkeitswerten während eines zeitlich begrenzten Verbrennungsvorgangs bestimmt und die Folge von Leitfähigkeitswerten zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs ausgewertet wird, und
    wobei die Folge von Leitfähigkeitswerten auf dem Anteil positiv geladener Teilchen im Verbrennungsgas basiert,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Folge von Leitfähigkeitswerten mit einer Folge gespeicherter Referenzwerte verglichen wird, die einen theoretischen Verlauf der Leitfähigkeitsänderung während eines optimierten Verbrennungsvorgangs definieren, dessen Randbedingungen den Randbedingungen des überwachten Verbrennungsvorgangs entsprechen, und daß jeweils Werte der beiden Folgen miteinander verglichen werden, die bei zumindest annähernd identischen Zeitpunkten bei den miteinander zu vergleichenden Verbrennungsvorgängen auftreten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß, wenn zumindest ein Teil der Leitfähigkeitswerte die Referenzwerte betragsmäßig übersteigt, bei dem überwachten Verbrennungsvorgang eine unzureichende Abgasrückführung erfolgt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Folge von Leitfähgkeitswerten bezüglich der Folge gespeicherter Referenzwerte in Richtung des Endes des Verbrennungsvorgangs verschoben ist, während des überwachten Verbrennungsvorgangs zuwenig Sauerstoff im Luft-Brennstoff-Gemisch enthalten war.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei der Feststellung eines Sauerstoffmangels während des überwachten Verbrennungsvorgangs, der durch den Einsatz einer zusätzlichen Luftansaugvorrichtung, insbesondere eines Turboladers, unterstützt worden ist, eine Fehlfunktion der Luftansaugvorrichtung diagnostiziert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß, wenn zumindest ein großer Prozentsatz der Leitfähigkeitswerte, der vorzugsweise in einem Bereich von wenigstens 75% lag, um zumindest annähernd denselben Betrag von den entsprechenden Referenzwerten abweicht, der Brennstoff während des überwachten Verbrennungsvorgangs mit einer reduzierten Pumpleistung in den Brennraum eingespritzt wurde.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß aus der Folge von Leitfähigkeitswerten ein auf den zeitlichen Ablauf des Verbrennungsvorgangs bezogener Signalverlauf dargestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs der Verlauf von Signalflanken des Signalverlaufs ausgewertet wird, wobei eine steil ansteigende Signalflanke den Ablauf einer schlagartigen Verbrennung anzeigt, während eine sanft ansteigende Signalflanke den Beginn einer kontinuierlich zunehmenden Verbrennung definiert.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs aus dem Signalverlauf die Zündung, die Dauer und das Ende der Verbrennung des Brennstoffes bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Verbrennungsvorgangs aus dem Signalverlauf die Wirkung der Voreinspritzung bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Signalverlauf die Umsatzrate der Kohlenwasserstoffe unmittelbar bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Betrag des jeweiligen Leitfähigkeitswertes die Temperatur ermittelt wird, die während des Zeitpunktes des überwachten Verbrennungsvorgangs auftrat, als der Leitfähigkeitswert erfaßt wurde.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß aus der Folge von Leitfähigkeitswerten die Wärmefreisetzung während des überwachten Verbrennungsvorgangs unmittelbar ermittelt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird, wobei die Verbrennungsvorgänge in jedem Zylinder überwachtet werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend für jeden Zylinder eine Folge von Leitfähigkeitswerten erstellt wird, die anschließend miteinander verglichen werden, und daß bei Abweichungen zwischen den Folgen von Leitfähigkeitswerten der einzelnen Zylinder die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Zylinder bei einer Überprüfung der Verbrennungsvorgänge zumindest annähernd identische Folgen von Leitfähigkeitswerten zeigen.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend für jeden Zylinder eine Folge von Leitfähigkeitswerten erstellt wird, die jeweils mit einer Folge gespeicherter Referenzwerte verglichen wird, die einen theoretischen Verbrennungsvorgang definieren, bei dem der jeweilige Zylinder maximale Leistung erbringt, und daß bei Abweichungen der Folge von Leitfähigkeitswerten des betreffenden Zylinders von der Folge gespeicherter Referenzwerte die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge entsprechend einer Leistungsmaximierung des betreffenden Zylinders geregelt werden.
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