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DE29722031U1 - System zur Detektierung von Klopferscheinungen in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

System zur Detektierung von Klopferscheinungen in einem Verbrennungsmotor

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DE29722031U1
DE29722031U1 DE29722031U DE29722031U DE29722031U1 DE 29722031 U1 DE29722031 U1 DE 29722031U1 DE 29722031 U DE29722031 U DE 29722031U DE 29722031 U DE29722031 U DE 29722031U DE 29722031 U1 DE29722031 U1 DE 29722031U1
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knock
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internal combustion
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crank angle
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
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Description

8597/VIII
Jenbacher Energiesysteme AG,
A-6200 Jenbach, Österreich
System zur Detektierung von Klopferscheinungen
in einem Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Detektierung von Klopferscheinungen in einem Verbrennungsmotor, mit mindestens einem Klopfsensor und mit mindestens einem Kurbelwinkelsensor .
Als Klopfen wird eine in Verbrennungsmotoren auftretende unregelmäßige Verbrennung bezeichnet, die mit einem schlagartigen Ablauf verbunden ist. Das Klopfen äußert sich j.e nach Motor, Betriebsbedingungen und Kraftstoff durch ein Geräusch, das zwischen einem feinen Klingeln und harten hämmernden Schlägen liegt. Bei Otto-Motoren spricht man beispielsweise bei der Verbrennung nichtklopffester Kraftstoffe von einem Klopfen, bei Dieselmotoren bei der Verbrennung nichtzündwilliger Kraftstoffe von Dieselschlag, hartem Gang oder Nageln. Die negativen Folgen des Klopfens sind einerseits ein Leistungsabfall des Motors und andererseits Motorüberlastungen und -überhitzungen, Motorschäden, insbesondere an den Kolbenringen und am Kolben, bis hin zur Zerstörung des Motors.
Klopferscheinungen in Motoren sind darauf zurückzuführen, daß die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu einem falschen Zeitpunkt eintritt. Beim normalen Betrieb eines Otto-Motors kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch etwa in dem
Moment durch die Zündkerze entzündet werden, wenn der Kolben im Zylinder seinen höchsten Punkt, den sogenannten oberen Totpunkt erreicht hat. Diesem Punkt wird eine Stellung der Kurbelwelle mit einem Kurbelwinkel von Null Grad zugeordnet. Das Entzünden des Gemisches im oberen Totpunktbereich ist insbesondere deshalb wichtig, damit der Kraftstoff möglichst effektiv verbrennt und eine vollständige Verbrennung erfolgt. Zur Leistungssteigerung von Motoren hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Zündung bereits kurz vor dem oberen Totpunkt (in einem negativen Kurbelwinkelbereich) erfolgt, weil die Verbrennung zu ihrer Entwicklung bei der Ausbreitung von der Zündkerze über den Verbrennungsraum eine gewisse Zeit benötigt. Wenn gegen Ende der durch den Zündfunken der Kerze eingeleiteten Verbrennung ein Teil von noch nicht verbranntem Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Volumenzunahme des bereits verbrannten Teils des Gemisches adiabat verdichtet wird, kann es sich über seine Selbstentzündungstemperatur hinaus erhitzen. Dann verbrennt nach einer kurzen Zeitspanne, dem sogennanten Zündverzug, das Restgemisch schlagartig. Das charakteristische Klopfgeräusch entsteht dabei durch die sich bei dieser Verbrennung bildenden und auf die Zylinderwandung aufprallenden Druckwellen. Klopfende Verbrennung tritt somit, abhängig vom Zündzeitpunkt, vom Zündverzug und vom Motortyp, wobei auch die Vorverdichtung und -erwärmung des Gemisches eine Rolle spielen, einige Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Kolbens auf.
Zur Erfassung des Klopfens werden Klopfdetektorvorrichtungen eingesetzt. Diese weisen mindestens einen Klopfsensor z.B. einen Druckfühler, zum Erfassen der Vibrationswellen des Motors und einem Kurbelwinkelsensor zum Erzeugen von Signalen, entsprechend einem vorbestimmten Kurbelwinkel des
Motors auf. Über eine Setzschaltung, die eine Klopferfassungszeit festlegt, wird ein sogenanntes Klopferkennungsfenster so installiert, daß es z.B. am oberen Totpunkt des Kolbens beginnt und eine Breite von 20° bis 40° Kurbelwinkel aufweist. Bei dieser bekannten Detektion der klopfenden Verbrennung durch einen Klopfsensor kann die genaue Ursache des Klopfens nicht ermittelt werden.
Neben einem falschen Zündzeitpunkt oder ungenügender Klopffestigkeit des Treibstoff-Luft-Gemisches können nämlich auch Glühzündungen für den Klopfvorgang verantwortlich sein. Glühzündungen sind Zündungen, die von einzelnen heißen Stellen im Brennraum des Motors ausgehen, z.B. von heißen Auslaßventilen, glühenden Rußteilchen oder von den Elektroden der Zündkerze. Letzteres ist dann der Fall, wenn etwa Temperaturen ab etwa 850 0C erreicht werden. In diesem Temperaturbereich werden auch die Elektroden einer Zündkerze, beispielsweise durch Schwefel oder Bleioxyde, stark angegriffen und brennen sehr schnell ab.
Um dem Auftreten von Klopferscheinungen vorzubeugen oder ein beginnendes Klopfen auszuschalten, sind Klopfregelungen üblich, bei denen ein Verstellen des Zündzeitpunktes erfolgt . Beispielsweise können bei zunehmender Motordrehzahl durch eine Fliehkraftverstellung die Unterbrecherkontakte in Richtung eines früheren Zündzeitpunktes bewegt werden. Andere Regelungsverfahren, die auch mit der Fliehkraftverstellung kombiniert werden können, beruhen auf Druckmessungen im Ansaugkrümmer des Motors. Wenn jedoch Glühzündungen für den KlopfVorgang des Motors verantwortlich sind, versagen die bekannten Klopfregelungen, weil durch ein Verstellen des Zündzeitpunktes die Ursache des Klopfens nicht beseitigt werden kann.
• 1
• I
• a
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art zur Detektierung von Klopferscheinungen in einem Verbrennungsmotor zu schaffen, das es gestattet, zur Verhinderung einer uneffektiven Betriebsweise und von Motorschäden wirksame Gegenmaßnahmen in einer den Ursachen des Klopfens adäquaten Weise zu ergreifen, insbesondere auch dann, wenn die klopfende Verbrennung auf Glühzündungen zurückzuführen ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein System der eingangs genannten Art zur Detektierung von Klopferseheinungen in einem Verbrennungsmotor erreicht, bei dem der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sind, daß jeweils mittels mindestens eines Klopfsensors an jeweils einem Zylinder des Verbrennungsmotors Klopfsignale in einem Klopferkennungsfenster vor dem oberen Totpunkt des Kolbens des Verbrennungsmotors erfaßt werden.
Tritt klopfende Verbrennung vor dem vom Zündzeitpunkt, Zündverzug oder Motortyp abhängigen erwartungsgemäßen Zeitpunkt, also in dem Klopferkennungsfenster vor dem oberen Totpunkt des Kolbens des Verbrennungsmotors auf, so ist dies mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auf eine Glühzündung zurückzuführen. Insbesondere ist das dann der Fall, wenn schon Klopfsignale im letzten Arbeitstakt vor dem Zeitpunkt der Zündung registriert werden können.
Aufgrund dessen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Klopfsensor und den Kurbelwellensensor derart zu schalten, daß die Erfassung der Klopfsignale in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 30°, vorzugsweise etwa 20°, vor dem oberen Totpunkt bis etwa zum oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt.
Die Installation des Klopferkennungsfensters kann dabei mittels einer bekannten Setzschaltung erfolgen. Zur Erfassung der Klopfsignale können mit Vorteil mittels eines Drucksensors die im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors auftretenden Druckspitzen gemessen werden.
Weitere zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung enthalten. Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. 1 eine vergleichende Darstellung zweier Verlaufsformen des Drucks in jeweils einem Zylinder eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel.
In Fig. 1 sind in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel &udigr; zwei Druckverlaufskurven Pl, P2 dargestellt. Die beiden Druckverlauf skurven Pl, P2 ergeben sich daraus, daß zur Erfassung von KlopfSignalen mittels eines Klopfsensors der Druck P im Verbrennungsraum von Zylindern eines Verbrennungsmotors gemessen und der jeweiligen Stellung des Kolbens im Zylinder bzw. dem Drehwinkel der Kurbelwelle zugeordnet wird. Dem höchsten Punkt eines Kolbens im Zylinder, dem oberen Totpunkt, wird dabei eine Stellung der Kurbelwelle mit einem Kurbelwinkel &udigr; von 0° zugeordnet.
In ihrer Grundgestalt besitzen die beiden Druckverlaufskurven Pl, P2 etwa die Form einer Gaußschen Normalverteilungskurve, d.h. der Druck P steigt zunächst aufgrund der Verdichtung stetig an, in einem Bereich vor dem oberen Totpunkt (Kurbelwinkel &udigr; etwa -15°) erfolgt die Zündung I des Kraftstoff-Luftgemisches, wodurch der Anstieg des Druckes P beschleunigt erfolgt, danach wird ein Maximum des Druckes erreicht, das in der oberen Druckverlaufskurve Pl
etwa am oberen Totpunkt, in der unteren Druckverlaufskurve P2 nach dem oberen Totpunkt, bei einem Kurbelwinkel &udigr; von etwa 7°, erreicht wird, schließlich fällt der Druck P wieder stetig ab.
Der Verlauf der beiden Druckverlaufskurven Pl, P2 weist jedoch darauf hin, daß sowohl in dem Zylinder des Verbrennungsmotors, dem die in der Grafik obere Druckverlaufskurve Pl zugeordnet werden kann, als auch in dem Zylinder des Verbrennungsmotors, dem die in der in der Grafik untere Druckverlaufskurve P2 zugeordnet werden kann, Klopferscheinungen auftreten. Dies ist daran erkennbar, daß der Grundgestalt der beiden Druckverlaufskurven Pl, P2 in kurzzeitigen Abständen auftretende Druckschwankungen überlagert sind. Insbesondere sind Druckspitzen Kl, K2 zu erkennen, die auf eine schlagartige Verbrennung hinweisen, infolge derer auf die Zylinderwandung aufprallende Druckwellen entstehen.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist die Schaltung des Klopf sensors und Kurbelwinkelsensors dergestalt konzipiert, daß mittels des erfindungsgemäßen Systems jeweils mit Hilfe der Klopfsensoren an den Zylindern des Verbrennungsmotors Klopfsignale in einem Klopferkennungsfenster Wl vor dem oberen Totpunkt des Kolbens des Verbrennungsmotors erfaßt werden. Diese Erfassung der Klopfsignale kann in einem Bereich des Kurbelwinkels &udigr; von etwa 30°, vorzugsweise - wie dargestellt - von etwa 20°, vor dem oberen Totpunkt bis etwa zum oberen Totpunkt des Kolbens (- 30° bis 0° Kurbelwinkel &udigr;) erfolgen. Durch diese Schaltung ist auch eine Erfassung von KlopfSignalen im jeweils letzten Arbeitstakt des Zylinders vor dem Zeitpunkt der Zündung I möglich. Durch das erfindungsgemäße System können über die klopfende Verbrennung im
Klopferkennungsfenster Wl Glühzündungen nachgewiesen und dann gegebenenfalls über einen entsprechenden Eingriff in das Motormanagment Schaden verhindert werden.
Wird nämlich in dem Klopferkennungsfenster Wl - angezeigt durch die Druckspitzen Kl in der Druckverlaufskurve Pl vor dem oberen Totpunkt des Kolbens klopfende Verbrennung, detektiert, so ist dies mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit auf eine Glühzündung zurückzuführen, da eine klopfende Verbrennung, die - wie eingangs dargestellt - durch Selbstentzündung eines Teils des Gemisches, das nach der Zündung adiabat verdichtet wird, in der Regel erst einige Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Kolbens auftritt. Letzeres ist aus der unteren Druckverlaufskurve P2 - angezeigt durch die Druckspitzen K2 - ersichtlich.
Zur Verifizierung des Vorliegens von Glühzündungen kann nun das erfindungsgemäße System, d.h. es können insbesondere der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet und mit der Zündung des Verbrennungsmotors derart verbunden sein, daß wenn innerhalb des Klopferkennungsfensters Wl vor dem oberen Totpunkt Klopfsignale Kl erfaßt werden, die Zündung I des betreffenden Zylinders für die nächsten Arbeitstakte, insbesondere für den nächsten Verbrennungstakt, abgeschaltet wird. Wenn nach dem Abschalten der Zündung I des Zylinders innerhalb des Klopferkennungsfensters Wl vor dem oberen Totpunkt des Kolbens noch weitere Klopfsignale Kl erfaßt werden, können spätestens jetzt Eingriffe in die Motorsteuerung erfolgen, dergestalt, daß durch eine entsprechende Verschaltung von Klopfsensor, Kurbelwinkelsensor und Kraftstoff-Zufuhr des Verbrennungsmotors die Leistung des Verbrennungsmotors, gegebenenfalls bis zum Abstellen des Verbrennungsmotors, gedrosselt wird.
. .&igr;
Wenn nach der Drosselung der Leistung des Verbrennungsmotors innerhalb des Klopferkennungsfensters Wl vor dem oberen Totpunkt des Kolbens keine weiteren Klopfsignale Kl erfaßt werden, so ist dies ein Hinweis darauf, daß der kritische Temperaturbereich, in dem Glühzündungen auftreten, wieder unterschritten ist; die Leistung des Verbrennungsmotors kann mittels einer entsprechenden Schaltung wieder erhöht und die Zündung des betreffenden Zylinders wieder angeschaltet werden.
Fig. 1 veranschaulicht des weiteren, daß neben der Erfassung von KlopfSignalen Kl in dem beschriebenen ersten Klopferkennungsfenster Wl vorteilhafterweise jeweils mittels eines zweiten Klopfsensors an jeweils einem Zylinder des Verbrennungsmotors auch die Klopfsignale K2 in einem zweiten Klopferkennungsfenster W2 nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfaßt werden können. Die Erfassung der Klopfsignale K2 in dem zweiten Klopferkennungsfenster W2 kann dabei mit Vorteil in einem Bereich des Kurbelwinkels &udigr; etwa vom oberen Totpunkt bis etwa 30°, vorzugsweise - wie dargestellt - etwa 25°, nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgen. Wenn innerhalb des zweiten Klopferkennungsfensters W2 nach dem oberen Totpunkt des Kolbens Klopfsignale K2 erfaßt werden, kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems eine Verstellung des Zeitpunktes der Zündung I eingeleitet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. Beispielsweise können vom Fachmann weitere technische Maßnahmen, wie eine Anordnung mehrerer Klopfsensoren an jeweils einem Zylinder, vorgesehen werden. Anstelle von
Drucksensoren können auch anders geartete geeignete Sensoren, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren zur Detektierung der Vibrationen der Zylinderwände verwendet werden. Es bestehen vielfältige Möglichkeiten zur Gestaltung der Setzschaltung für das Klopferkennungsfenster bzw. zur Erfassung des Kurbelwinkels &udigr; mit geeigneten Sensoren.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichen
I Zündung
Kl Druckspitze in Wl
K2 ' Druckspitze in W2
P , Zylinderdruck
Pl erste Druckverlaufskurve
P2 zweite Druckverlaufskurve
Wl erstes Klopferkennungsfenster
W2. zweites Klopferkennungsfenster
&udigr; Kurbelwinkel

Claims (10)

• · . ■ 8597/VIII Jenbacher Energiesysteme AG, A-6200 Jenbach, Österreich Ansprüche
1. System zur Detektierung von Klopferscheinungen in einem Verbrennungsmotor, mit mindestens einem Klopfsensor und mit mindestens einem Kurbelwinkelsensor,
dadurch gekennzeichnet, daß der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sind, daß jeweils mittels des Klopfsensors an jeweils einem Zylinder des Verbrennungsmotors Klopfsignale in einem Klopferkennungsfenster (Wl) vor dem oberen Totpunkt des Kolbens des Verbrennungsmotors erfaßt werden.
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sind, daß die Erfassung der Klopfsignale im letzten Arbeitstakt vor dem Zeitpunkt der Zündung (I) erfolgt.
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sind, daß die Erfassung der Klopfsignale in einem Bereich des Kurbelwinkels (i9) von etwa 30°, vorzugsweise etwa 20°, vor dem oberen Totpunkt bis etwa zum oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet und mit der Zündung des Verbrennungsmotors derart verbunden sind, daß, wenn innerhalb des Klopferkennungsfensters (Wl) vor dem oberen Totpunkt des Kolbens Klopfsignale erfaßt werden, die Zündung (I) des Zylinders für die nächsten Arbeitstakte, insbesondere für den nächsten Verbrennungstakt, abgeschaltet wird.
5. System nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet und mit der Kraftstoff-Zufuhr des Verbrennungsmotors derart verbunden sind, daß, wenn nach dem Abschalten der Zündung (I) des Zylinders innerhalb des Klopferkennungsfensters (Wl) vor dem oberen Totpunkt des Kolbens weitere Klopfsignale erfaßt werden, die Leistung des Verbrennungsmotors, gegebenenfalls bis zum Abstellen des Verbrennungsmotors, gedrosselt wird.
6. System nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet und mit der Kraftstoff-Zufuhr des Verbrennungsmotors sowie mit der Zündung des Verbrennungsmotors derart verbunden sind, daß, wenn nach der Drosselung der Leistung des Verbrennungsmotors innerhalb des Klopferkennungsfensters (Wl) vor dem oberen Totpunkt des Kolbens keine weiteren Klopfsignale erfaßt werden, die Leistung des Verbrennungsmotors wieder erhöht und die Zündung (I) des Zylinders wieder angeschaltet wird.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Klopfsignale im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors Drucksensoren zur Messung der auftretenden Druckspitzen (Kl, K2) vorgesehen sind.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils an einem Zylinder des Verbrennungsmotors ein zweiter Klopfsensor vorgesehen ist und dieser Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sind, daß jeweils mittels des zweiten Klopfsensors an dem Zylinder Klopfsignale in einem zweiten Klopferkennungsfenster (W2) nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfaßt werden.
9. System nach Anspruch 8 ,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sind, daß die Erfassung der Klopfsignale in dem zweiten Klopferkennungsfenster (W2) in einem Bereich des Kurbelwinkels &udigr; etwa vom oberen Totpunkt bis etwa 30°, vorzugsweise etwa 25°, nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt.
10. System nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Klopfsensor und der Kurbelwinkelsensor derart geschaltet sowie mit der Zündung des Verbrennungsmotors derart verbunden sind, daß, wenn innerhalb des zweiten Klopferkennungsfensters (W2) nach dem oberen Totpunkt des Kolbens Klopfsignale erfaßt werden, eine Verstellung des Zeitpunktes der Zündung (I) erfolgt.
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