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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine,
bei der Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen
Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum
vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems
zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird,
wobei das Zündsystem als Corona-Zündsystem zum
Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines
sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet ist und die Zünddauer
beliebig einstellbar ist.
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Derzeit
gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
bei Teillast bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen.
Entdrosselte ottomotorische Schichtbrennverfahren zeigen dabei ein
großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung.
Dabei wird im Schichtbrennverfahren bzw. Magerbetrieb die Kraftstoffeinspritzung
in den Zylinder erst kurz vor dem Zündzeitpunkt vorgenommen,
so dass sich zum Zeitpunkt der Zündung trotz einer sehr
geringen Menge an eingespritztem Kraftstoff ein zündfähiges
Verbrennungsgemisch um die Zündkerze bildet.
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Da
bei einer Entzündung des Verbrennungsgemisches mittels
eines konventionellen Zündkerzen-Zündsystems die
Entzündung durch einen Zündfunken, der sich zwischen
der Elektrode und der Masse der Zündkerze ausbreitet, eingeleitet
wird, muss die Zündkerze bei sehr kraftstoffarmen Verbrennungsgemischen
zum richtigen Zeitpunkt und ggf. mit einer längeren Zünddauer
gezündet werden. Die Zünddauer bei Zündkerzen-Zündsystemen
ist jedoch aufgrund der notwendigen Energie zum Erzeugen des Zündfunken
nur in engen Grenzen beeinflussbar. Somit kann es unter Umständen
zu sog. Zündaussetzern kommen.
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Neben
den herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen
werden derzeit neuartige Zündsysteme – sog. Corona-Zündsysteme
entwickelt, bei denen das Verbrennungsgemisch nicht über
einen Zündfunken, sondern durch Erzeugen eines sogenannten
nicht-thermischen Plasmas entflammt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen
Zündsystemen wir kein leitfähiger Ionenkanal von
der Elektrode bis zur Masse erzeugt, man spricht auch von einem
sogenannten unvollständigen Funkendurchbruch. Bei derartigen
Corona-Zündsystemen wird bspw. über eine Tesla-Spule,
die über eine Hochfrequenz-Wechselspannung in Resonanz
versetzt wird, an der Elektrode im Brennraum eine sehr hohe Spannung
erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches Feld im Brennraum
erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke
elektromagnetische Kräfte auf die Molekühe im
Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer
Feldstärke werden an mehreren Stellen Elektronen aus den
Molekülen herausgeschleudert. Es bilden sich Radikale,
durch die eine chemische Kettenreaktion im Brennraum in Gang gebracht
wird. Aufgrund des erzeugten sogenannten nicht-thermischen Plasmas,
welches weit in den Brennraum hineinragt, lässt sich die
Brenndauer deutlich verkürzen. Dieser Verbrennungsprozess
ist thermodynamisch dem einer herkömmlichen Zündkerzen-Verbrennung
deutlich überlegen. Ein Beispiel eines solchen Corona-Zündsystems
ist aus der
DE 10
2006 005 792 A1 bekannt.
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Vor
dem Hintergrund eines stabilen Brennverlaufs, einer notwendigen
Emissionsreduzierung und einer guten Akustik bei der Verbrennung
ist eine Diagnose der Verbrennung notwendig. Insbesondere ist dabei
eine Diagnose hinsichtlich des Starts der Verbrennung, von Zündaussetzern,
der Entflammungs- bzw. Verbrennungsgeschwindigkeit, der Verbrennungs-Schwerpunktlage
oder anderer den Verbrennungsablauf beeinflussender Parameter (z.
B. Zylinderinnendruck, Lambda) notwendig, um einen einwandfreien
Betrieb der Brennkraftmaschine sicherstellen zu können.
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Bei
herkömmlichen Systemen wird die Qualität der Verbrennung über
den Brennspannungsverlauf und/oder die Funkenbrenndauer bestimmt.
Zur Diagnose von Zündaussetzern werden spezielle Sensoren
(z. B. Kurbelwellensensoren) herangezogen, die die Drehungleichförmigkeiten
des Verbrennungsmotors auswerten. Eine Diagnose der Verbrennungsgeschwindigkeit
ist bei herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen
nicht möglich.
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Hinsichtlich
der Diagnosefähigkeit vom Verbrennungsmotoren mit Corona-Zündsystemen
ist aus der
DE 102
39 411 B4 bekannt, zur Diagnose der Flammengröße
eine vom Plasma im Verbrennungsgemisch abhängige physikalische
Größe auszuwerten und gleichzeitig eine Einstellbarkeit
der Flammengröße zu ermöglichen. Eine
detaillierte Vorgehensweise hinsichtlich der Diagnose mittels der
physikalischen Größen wird nicht beschrieben.
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Aufgabe
der Erfindung ist, ein Verfahren zur Diagnose des Verbrennungsverlaufs
einer Otto-Brennkraftmaschine beim Einsatz eines Corona-Zündsystems,
insbesondere zur Diagnose eines Verbrennungsstarts anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist für eine Otto-Brennkraftmaschine,
insbesondere für eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine
vorgesehen, bei der Kraftstoff direkt in mindestens einen Brennraum
eines Zylinders eingespritzt wird. Um das Verbrennungsgemisch entzünden
zu können, muss ein Zündsystem vorgesehen sein,
welches in Abhängigkeit vom ermittelten optimalen Zündzeitpunkt
die Zündung des Verbrennungsgemisches veranlasst. Da herkömmliche
Zündkerzen-Zündsystemen nur einen sehr kleinen
Bereich entflammen können und somit die Verbrennung relativ
langsam erfolgt, ist das Zündsystem als Corona-Zündsystem
zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen
eines sogenannten nicht-thermischen Plasmas ausgebildet. Dabei wird
zum Entflammen des Verbrennungsgemisches am Ignitor bzw. an der
Elektrode im Brennraum aufgrund einer Hochfrequenz-Wechselspannung
eine derart hohe Spannung erzeugt, welche ein extrem hohes elektrisches
Feld im Brennraum hervorruft. Aufgrund des starken elektrischen Feldes
wirken starke elektromagnetische Kräfte auf die Molekühle
im Brennraum (Luft-Kraftstoffgemisch). Bei genügend großer
Feldstärke werden Elektronen aus den Molekülen
herausgeschleudert, d. h. es wird ein unvollständiger Funkendurchbruch (Corona)
erzeugt, in welchem Elektronen aus den Atom- bzw. Molekülrümpfen
herausgerissen oder -gestoßen werden. Hierdurch wird jedoch
kein vollständiger, leitfähiger Ionenkanal von
der Hochfrequenz-/-Hochspannungselektrode bis auf die Masse erzeugt.
Es bilden sich Radikale, durch die eine chemische Kettenreaktion
im Brennraum in Gang gebracht wird. Bei geeigneter Wahl der Frequenz
ist der Verbrennungsprozess thermodynamisch deutlich besser als
bei einer herkömmlichen Zündkerze.
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Grundgedanke
der Erfindung ist es, bei der Verwendung eines Zündsystems
auf Basis einer Corona-Entladung durch Messen und Analysieren der physikalisch-elektrischen
Effekte bzw. von elektrischen Messgrößen oder
Stellgrößen des Corona-Zündsystems den
Zustand und die Qualität der Verbren nung zu diagnostizieren.
Die Auswertung der elektrischen Messgrößen, insbesondere
unter Berücksichtigung eines charakteristischen Verlaufs
der Messgröße liefert Erkenntnisse über
den Zustand und/oder die Qualität der Verbrennung. Mittels
einer vordefinierten Regelstrategie wird anschließend unter
Berücksichtigung der Diagnoseergebnisse das Corona-Zündsystem
auf eine optimale Corona-Ausbildung zu einem optimalen Zündzeitpunkt
geregelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer
derart ausgestalteten Otto-Brennkraftmaschine mit einem Corona-Zündsystem
zeichnet sich dadurch aus, dass zur Diagnose des Starts der Verbrennung
eine elektrische Messgröße oder Stellgröße
(punktuell oder zeitlicher Verlauf) des Corona-Zündsystems,
insbesondere ein den Verbrennungsverlauf darstellender Zündparameter
des Corona-Zündsystems ausgewertet wird, um eindeutig feststellen
zu können, ob und wann die Verbrennung gestartet wurde.
Dieses Verfahren bzw. diese Funktion ist notwendig, um eine effektive
Brennverfahren-Steuerung gewährleisten zu können.
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Vorteilhafterweise
werden bei der Diagnose des Verbrennungsstarts als elektrische Messgröße des
Corona-Zündsystems die an der Primärseite des Corona-Zündsystems
anliegende Primärspannung und/oder die an der Sekundärseite
des Corona-Zündsystems anliegende Sekundärspannung und/oder
der Strom an der Primärseite und/oder Sekundärseite
des Corona-Zündsystems und/oder der Widerstand und/oder
die Frequenz jeweils auf Primär- und Sekundärseite
berücksichtigt, da jeder dieser Zündparameter
in Abhängigkeit des Verbrennungsverlaufs einen charakteristischen
Verlauf hat, anhand dessen bspw. erkannt oder ermittelt werden kann,
wann die Verbrennung gestartet ist und wie die Verbrennung verläuft.
Insbesondere kann zur Diagnose des Verbrennungsstarts die elektrische
Messgröße des Corona-Zündsystems bzw.
der zumindest eine den Verbrennungsverlauf darstellende Zündparameter
des Corona-Zündsystems derart berücksichtigt werden,
dass der Start der Verbrennung in Abhängigkeit vom Eintritt
einer vorgegebenen zu erwartenden Messgrößenänderung
der auszuwertenden Messgröße detektiert wird. Ändert
sich bspw. der Wert der auszuwertende Messgröße
sprungartig in eine vorgegebene Richtung kann daraus geschlossen
werden, dass die Verbrennung gestartet ist.
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Bspw.
ist der charakteristische Verlauf der an der Primärseite
des Corona-Zündsystems anliegenden Primärspannung
derart ausgestaltet, dass bei einem Beginn der Verbrennung die Primärspannung von
ihrem Ausgangsniveau abfällt. Demnach kann die an der Primärseite
des Corona-Zündsystems anliegende Primärspannung
zur Diagnose des Verbrennungsstarts derart ausgewertet werden, dass
bei einem Abfall der Primärspannung von einem vorgegebenen
Primärspannungs-Ausgangsniveau (Maximalspannung) – vorteilhafterweise
um eine vorgegebene Spannungsdifferenz – der Start der
Verbrennung detektiert wird. Wird innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls
kein Abfall der Primärspannung detektiert, kann dies zur
Feststellung eines Zündaussetzers herangezogen werden.
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Neben
der Diagnose des Verbrennungsstarts kann eine der elektrischen Messgrößen
des Corona-Zündsystems auch zur Diagnose der Verbrennungsgeschwindigkeit
und/oder zur Diagnose der Schwerpunktlage der Verbrennung und/oder
zur Diagnose des Zylinderinnendrucks und/oder zur Diagnose des Luft-Kraftstoffverhältnisses
ausgewertet werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Dabei zeigt die
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1 verschiedene
charakteristische Primärspannungsverläufe U1,
U2 und U3 eines Corona-Zündsystems während einer
Zündung bei verschiedenen Lastpunkten, und
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2 verschiedene
Primärspannungsverläufe Uch und Uza eines Corona-Zündsystems
bei normaler Entflammung des Verbrennungsgemisches und bei einem
Zündaussetzer.
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In
der 1 sind drei verschiedene an der Primärseite
eines Corona-Zündsystems anliegende charakteristische Primärspannungsverläufe
U1, U2 und U3 dargestellt, die sich aufgrund der physikalisch-elektrischen
Effekte bei einer Verbrennung des Verbrennungsgemisches einstellen.
Zum ersten Verbrennungsvorgang gehört der charakteristische
Primärspannungsverlauf U1 vom Zeitpunkt 0a bis zum Zeitpunkt
4a. Analog dazu gehört zum zweiten Verbrennungsvorgang
der charakteristische Primärspannungsverlauf U2 vom Zeitpunkt
0b bis zum Zeitpunkt 4b, und zum dritten Verbrennungsvorgang der charakteristische
Primärspannungsverlauf U3 vom Zeitpunkt 0c bis zum Zeitpunkt
4c. Zu den Zeitpunkten 0a, 0b und 0c wird die jeweilige Primärspannung U1,
U2 bzw. U3 zum Einleiten eines Zündvorgangs erhöht,
wobei zu den Zeitpunkten 4a, 4b, und 4c das Ende des Zündvorgangs
erreicht ist, und die jeweilige Primärspannung U1, U2 bzw.
U3 (auf Null) reduziert wird.
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Die
verschiedenen charakteristischen Spannungsverläufe U1,
U2 und U3 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Höhe
der erzeugten bzw. erreichten Maximalspannung VL, TL und LL, die
zum Einleiten eines Verbrennungsvorgangs durch Erzeugen eines nicht-thermischen
Plasmas um die Hochspannungselektrode notwendig ist. Diese unterschiedlichen
Maximalspannungen VL, TL und LL ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen
Lastbereiche, in denen die Brennkraftmaschine betrieben wird. So
ist beim Leerlauf eine relativ kleine Maximalspannung LL zum Erzeugen
des nicht-thermischen Plasmas für das Entzünden
des Verbrennungsgemisches notwendig. Im Gegensatz dazu ist die Maximalspannung
bei Teillast bereits etwas größer zu wählen
(siehe TL), und bei Volllast am höchsten, siehe VL.
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Anhand
der 2 wird am Beispiel des dargestellten Primärspannungsverlaufs
Uch der charakteristische Verlauf einer Primärspannung
des Corona-Zündsystems im Detail erläutert. Zu
Beginn wird im Zeitpunkt 0 die Primärspannung Uch bis zur
sog. Corona-Einsatzspannung Umax erhöht (Zeitpunkt 1), bei
der sich um den Bereich des Ignitors (Hochspannungs- bzw. Hochfrequenz-Elektrode)
ein nicht-thermisches Plasma bzw. eine Corona ausbildet. Beim Ausbilden
der gewünschten Corona-Größe wird die Primärspannung
Uch auf dem hohen Spannungsniveau Umax stabilisiert. Durch die Ausbildung
der Corona nimmt der Strom zu, bis die Verbrennung des Verbrennungsgemisches
zum Zeitpunkt 2 startet. Beim Start der Verbrennung steigt der Strom,
der über die Corona fließt, nochmals an, und führt
zu einem Abfall der Primärspannung Uch (Zeitpunkt 2). Dieser
Abfall der Primärspannung Uch kann nun zur Diagnose des
Verbrennungsstarts herangezogen werden. Zum Beenden des Zündvorgangs
wird die Primärspannung Uch im Zeitpunkt 4 auf Null reduziert.
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Im
Gegensatz zum charakteristischen Verlauf der Primärspannung
Uch findet bei dem ebenfalls in 2 dargestellten
Primärspannungsverlauf Uza kein (spontaner) Spannungsabfall
von der Maximalspannung Umax statt. Vielmehr wird erst zum Zeitpunkt
4' zum Beenden des versuchten Zündvorgangs die Primärspannung
aktiv auf Null reduziert. Aufgrund des Fehlens des aufgrund des
Verbrennungsstarts verursachten Spannungsabfalls um einen vorgegebenen
Betrag von der Maximalspannung Umax, kann darauf geschlossen werden,
dass das Verbrennungsgemisch nicht entzündet wurde. Es liegt
somit ein Zündaussetzer vor.
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Die
Primärspannung Uch fällt beim Start der Verbrennung
mit einem Spannungsabfallgradienten g um einen Betrag d ab (Zeitpunkte
3). Der Spannungsabfallgradient g und der absolute Spannungsabfall
d lassen ebenfalls Rückschlusse auf den Verbrennungsablauf
zu, insbesondere liefert der Spannungsabfallgradient g eine Aussage über
die Verbrennungsgeschwin digkeit und kann somit zur Diagnose der
Verbrennungsgeschwindigkeit herangezogen und ausgewertet werden.
Die Auswertung des erreichten Spannungsmaximums Umax (Startzeitpunkt
2) und des Spannungsabfallgradienten g bzw. des absoluten Spannungsabfalls
d vom hohen Spannungsniveau Umax liefert eine Aussage über
die Schwerpunktlage der Verbrennung.
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Schließlich
kann in Abhängigkeit von der Maximalspannung Umax der Zylinderinnendruck
bzw. die Dichte im Brennraum bestimmt werden und somit eine Diagnose
des Zylinderinnendrucks erfolgen. Je größer die
Maximalspannung Umax ist, umso höher ist der Zylinderinnendruck
bzw. die Dichte im Brennraum und umgekehrt. Ebenso verhält
es sich mit dem das Luft-Kraftstoffverhältnis kennzeichnenden
Lambdawert, so dass zur Diagnose von Lambda ebenfalls die Primärspannung
Uch, insbesondere die Maximalspannung Umax ausgewertet werden kann,
da ein hoher Lambdawert zu einem anderen Spannungsmaximum Umax als
ein niedriger Lambdawert führt. Hier nicht dargestellt,
aber ebenfalls möglich ist eine Bestimmung des Lambdawerts über
die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit.
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Anstelle
der Auswertung der Primärspannung können auch
andere elektrische Messgrößen bzw. andere den
Verbrennungsverlauf darstellende Zündparameter des Corona-Zündsystems
analysiert und ausgewertet werden. Alle dargestellten Diagnosemöglichkeiten
sind Grundvoraussetzung für die Eignung eines Corona-Zündsystems
als Zündsystem bei stationär und instationär
betriebenen Verbrennungsmotoren, da durch die Diagnosemöglichkeiten eine
effektive Verbrennungseinleitung und eine schnelle Steuerung und
Beeinflussung bzw. Korrektur des Verbrennungsverlaufs sichergestellt
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006005792
A1 [0004]
- - DE 10239411 B4 [0007]