DE10147835A1 - Determination of valve travel curves of a combustion engine using a numerical method, based on calculation of a model for a cylinder pressure cycle that is compared with a measured cycle with valve travel determined from the model - Google Patents

Determination of valve travel curves of a combustion engine using a numerical method, based on calculation of a model for a cylinder pressure cycle that is compared with a measured cycle with valve travel determined from the model

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Abstract

Method for determining the valve travel curves of a combustion engine in which a cylinder pressure cycle is synthetically created based on input values for valve opening times, valve travel range and the maximum valve travel based on the measured pressure at the time of opening of the outlet valve. The synthetic pressure cycle is compared with a measured pressure cycle with given cylinder, exhaust and inlet pressures. Based on the comparison the input values for calculating the synthetic curve are changed and the comparison repeated.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven eines Verbrennungsmotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. The invention relates to a method for determining the effective Valve lift curves of an internal combustion engine in the preamble of claim 1 Art.

Um den steigenden Anforderungen an Verbrennungsmotoren hinsichtlich Verbrauch, Abgasemissionen und Geräusch gerecht werden zu können, werden in zunehmendem Ausmaß variable Ventilhubsteuerungen verwendet. Bei der Entwicklung der Brennverfahren und der Ladungswechselabstimmung im Versuch ist eine laufende und genaue Kenntnis der wirksamen Ventilhubkurven wünschenswert. Weichheiten im Ventiltrieb, Fertigungstoleranzen und dynamische Effekte führen häufig zu Abweichungen der realen Ventilhubvorläufe von den konstruktiv vorgegebenen Verläufen und erschweren somit die Analyse und Simulation der intermotorischen Vorgänge. To meet the increasing demands on internal combustion engines with regard to consumption, Exhaust emissions and noise levels are becoming increasingly common Extent of variable valve lift controls used. When developing the Combustion process and the charge exchange tuning in the trial is an ongoing and exact knowledge of the effective valve lift curves is desirable. Softness in Valve train, manufacturing tolerances and dynamic effects often lead to Deviations of the real valve lift pre-runs from the constructionally specified courses and thus complicate the analysis and simulation of inter-motor processes.

Bekannte Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven sind sehr aufwendig, insbesondere dann, wenn sie eine ausreichende Genauigkeit aufweisen sollen. Known methods for determining the effective valve lift curves are very complex, especially if they have sufficient accuracy should.

Zu diesem Zweck sind optische oder induktive Verfahren bekannt, die eine direkte Messung der mechanischen Bewegung des Ventils ausführen. Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der DE-C1-199 34 503 bekannt, bei der die Bewegung des Ventils direkt durch Sensoren gemessen wird. For this purpose, optical or inductive methods are known which are direct Measure the mechanical movement of the valve. A procedure of this Art is known for example from DE-C1-199 34 503, in which the movement of the Valve is measured directly by sensors.

Weiterhin ist aus der Veröffentlichung "Berechnung und Analyse intermotorischer Vorgänge", Vorlesungsmanuskript Universität Stuttgart, 2001 von M. Bargende ein direktes Verfahren zur Ventilhubbestimmung bekannt, bei dem der Massenstrom durch die Ventilöffnungsquerschnitte mittels der Ausflußgleichung für eine adiabat-isentrope Zustandsänderung eines kompressiblen Mediums berechnet wird. Aus dem Massenstrom und den Drücken vor und nach dem Ventil läßt sich der effektive Öffnungsquerschnitt berechnen. Aus dem Öffnungsquerschnitt kann dann der Ventilhub berechnet werden. Der Massenstrom kann hierbei mittels der Brennraumdruckmethode berechnet werden. Parallel dazu kann unter Einbeziehung der Auslaß- und Einlaßdruckverläufe der effektive Öffnungsquerschnitt mittels der Ausflußgleichung berechnet werden, worauf aus diesem Öffnungsquerschnitt der momentane Ventilhub bestimmt werden kann. Dieses Verfahren ist sehr einfach und mathematisch problemlos, ist jedoch gegenüber Meßfehlern bei der Bestimmung der Drücke sehr empfindlich. Furthermore, from the publication "Calculation and analysis inter-motor Operations ", lecture manuscript University of Stuttgart, 2001 by M. Bargend direct method for valve stroke determination is known, in which the mass flow through the valve opening cross-sections using the outflow equation for an adiabatic-isentropic Change in state of a compressible medium is calculated. From the Mass flow and the pressures before and after the valve can be the effective Calculate opening cross-section. From the opening cross section, the Valve stroke can be calculated. The mass flow can here by means of Combustion chamber pressure method can be calculated. In parallel, with inclusion the outlet and inlet pressure curves the effective opening cross section by means of Outflow equation are calculated, whereupon the opening cross-section current valve lift can be determined. This procedure is very simple and mathematically problem-free, but is compared to measurement errors in determining the Press very sensitive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven ausgehend von dem vorstehend genannten direkten Verfahren zur Ventilhubbestimmung in einfacher und genauer Weise ermöglicht. The invention has for its object a method of the type mentioned to create that the determination of the effective valve lift curves based on the above-mentioned direct method for valve lift determination in simple and enables more precisely.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. This object is achieved by the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous refinements and developments of the invention result from the Dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Zylinderdruckverlauf synthetisch ausgehend vom gemessenen Druckwert zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils berechnet. Durch systematische Veränderung der Vorgabewerte des synthetisch berechneten Ventilhubverlaufes und Vergleich der Differenz zwischen berechneten Zylinderdruckverlauf und einem auf der Grundlage des Zylinderdrucks, des Abgasdrucks und des Einlaßdrucks gemessenem Zylinderdruckverlauf und berechnetem Verlauf wird die Ventilhubkurve gesucht, bei der die Abweichung minimal ist. Als Bewertungsgröße dient hierbei jeweils die mittlere absolute Abweichung über das Betrachtungsintervall. Die wesentlichen zu variierenden Vorgabewerte sind der Öffnungszeitpunkt, die Ventilhubbreite und der maximale Ventilhub. In the method according to the invention, a cylinder pressure curve becomes synthetic based on the measured pressure value at the time the exhaust valve is opened calculated. By systematically changing the default values of the synthetic calculated valve stroke curve and comparison of the difference between calculated Cylinder pressure curve and one based on the cylinder pressure, the Exhaust gas pressure and the intake pressure measured cylinder pressure curve and In the calculated course, the valve lift curve is sought in which the deviation is minimal is. The mean absolute deviation above serves as the evaluation variable the viewing interval. The essential default values to be varied are Opening time, the valve stroke width and the maximum valve stroke.

Die Optimierung in Richtung minimaler mittlerer absoluter Abweichungen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines hoch optimierten Simplexverfahrens (vergleiche Rao, S. S. "Optimization - Theory and Applications", Wiley Eastern). The optimization towards minimal mean absolute deviations takes place preferably with the help of a highly optimized simplex process (compare Rao, S. S. "Optimization - Theory and Applications", Wiley Eastern).

Auf diese Weise kann sehr schnell eine Ventilhubkurve gefunden werden, bei der die Abweichung zwischen gemessenem Zylinderdruckverlauf und berechnetem Verlauf zu einem Minimum wird. In this way, a valve lift curve can be found very quickly, in which the Deviation between the measured cylinder pressure curve and the calculated curve a minimum.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Ventilüberschneidungsphase zur Berechnung der Bewertungsgrößen ausgeklammert, um Verfälschungen zu vermeiden. According to an advantageous embodiment of the invention Valve overlap phase for the calculation of the evaluation variables excluded To avoid adulteration.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. The invention is illustrated below with reference to the drawing Embodiments explained in more detail.

In der Zeichnung zeigen: The drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for performing the method,

Fig. 2 eine Darstellung der Variationsgrößen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, Fig. 2 is a representation of the variation values to be used in the inventive method,

Fig. 3 den Δp-Verlauf bei einer Einlaß öffnet- und Einlaßventil- Hubbreitenvariation, Figure 3 öffnet-. .DELTA.p the history at an inlet and intake valve Hubbreitenvariation,

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt, wobei ein einziger Zylinder 1 und lediglich zwei Ventile 2, 3 eines Verbrennungsmotors dargestellt sind. In dem Zylinder 1 wird durch einen Kurbeltrieb 4 ein Kolben 5 auf- und abwärts bewegt. Der Verbrennungsmotor weist weiterhin einen Einlaßkanal 6 und einen Auslaßkanal 7 auf, in dem jeweilige Einlaßdruck- bzw. Auslaßdruck-Sensoren 8 bzw. 9 angeordnet sind. In dem Zylinder ist weiterhin ein Brennraumdruck-Sensor 10 angeordnet. Die Ausgangssignale der Drucksensoren 8, 9, 10 werden über entsprechende Meßwandler 16, 17, 18 einer Auswerteeinheit 20 zugeführt, die eine Meßdatenerfassung 21 und eine Berechnungseinheit 22 für den Ventilhub aufweist. Der Auswerteeinheit 20 wird weiterhin ein Ausgangssignal eines Kurbelwellensensors als Triggersignal über eine Meßschaltung 23 zugeführt. In Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus is shown for implementing the method, wherein a single cylinder 1 and only two valves 2, 3 of an internal combustion engine are shown. A piston 5 is moved up and down in the cylinder 1 by a crank mechanism 4 . The internal combustion engine also has an inlet duct 6 and an outlet duct 7 , in which the respective inlet pressure and outlet pressure sensors 8 and 9 are arranged. A combustion chamber pressure sensor 10 is also arranged in the cylinder. The output signals of the pressure sensors 8 , 9 , 10 are fed via corresponding measuring transducers 16 , 17 , 18 to an evaluation unit 20 which has a measurement data acquisition 21 and a calculation unit 22 for the valve lift. The evaluation unit 20 is also supplied with an output signal from a crankshaft sensor as a trigger signal via a measuring circuit 23 .

In der Berechnungseinheit 22 wird ein Zylinderdruckverlauf synthetisch ausgehend vom gemessenen Druckwert bei Auslaß öffnet auf der Grundlage des "direkten Verfahren" zur Ventilhubbestimmung mit der Einlaß-Auslaßmethode berechnet. Bei diesem "direkten Verfahren" gemäß der Veröffentlichung von M. Bargende "Berechnung und Analyse intermotorischer Vorgänge", Vorlesungsmanuskript Universität Stuttgart, 2001, wird zunächst der Massenstrom dm/dφ aus der folgenden Gleichung 1 berechnet:


gilt (kritisches Druckverhältnis). In the calculation unit 22 , a cylinder pressure curve is synthetically calculated based on the measured pressure value at outlet opening on the basis of the “direct method” for determining the valve lift using the inlet-outlet method. In this "direct method" according to the publication by M. Bargend "Calculation and analysis of inter-motor processes", lecture manuscript University of Stuttgart, 2001, the mass flow dm / dφ is first calculated from the following equation 1:


applies (critical pressure ratio).

Hierin ist der Aeff der effektive Strömungsquerschnitt, p1 der jeweils höhere Druck, p2 der jeweils niedrigere Druck, 1ρ die Dichte, κ der Isentropenexponent und dt/dφ die Zeit pro Kurbelwinkel. The A eff is the effective flow cross-section, p1 the higher pressure, p2 the lower pressure, 1 ρ the density, κ the isentropic exponent and dt / dφ the time per crank angle.

Bei Kenntnis sowohl des Massenstromes dm/dφ als auch der Drücke vor und nach dem Ventil läßt sich der effektive Öffnungsquerschnitt Aeff durch Umstellen der Gleichung 1 berechnen. Unter Einbeziehung des aus dem Blaslabor bekannten Zusammenhanges

Aeff = αk.Ak (Gl. 2)

in der αk der Durchflußbeiwert und Ak die Kolbenfläche ist,
worin

ak = f(hv) bzw. hv = f(αk) ist (Gl. 3)

läßt sich der Ventilhub hv aus der Gleichung

hv = f(Aeff/Ak) (Gl. 4)

berechnen. Knowing both the mass flow dm / dφ and the pressures before and after the valve, the effective opening cross-section A eff can be calculated by changing equation 1. Including the connection known from the blowing laboratory

A eff = αk.A k (Eq. 2)

where α k is the flow coefficient and A k is the piston area,
wherein

a k = f (h v ) or h v = f (α k ) is (Eq. 3)

the valve lift h v can be derived from the equation

h v = f (A eff / A k ) (Eq. 4)

to calculate.

Der Massenstrom dm/dφ wird mittels der Brennraumdruckmethode berechnet. Parallel dazu wird unter Einbeziehung der Auslaß- und Einlaßdruckverläufe der effektive Öffnungsquerschnitt Aeff mittels der Ausflußgleichung berechnet, um anschließend den momentanen Ventilhub hv zu bestimmen. The mass flow dm / dφ is calculated using the combustion chamber pressure method. In parallel, taking the outlet and inlet pressure profiles into account, the effective opening cross section A eff is calculated using the outflow equation in order to subsequently determine the instantaneous valve lift h v .

8, 9 und 10 gemessenen Zylinderdruckverlauf und dem berechneten Verlauf die Ventilhubkurve gesucht werden, bei der die Abweichung minimal ist. 8, 9 and 10 measured cylinder pressure curve and the calculated curve Valve lift curve are sought in which the deviation is minimal.

Als Bewertungsgröße dient jeweils die mittlere absolute Abweichung über das Betrachtungsintervall:


The mean absolute deviation over the observation interval is used as the evaluation variable:


Die Ventilüberschneidungsphase wird zur Berechnung der Bewertungsgrößen bewußt ausgeklammert, da nicht davon ausgegangen werden kann, daß die jeweils andere Ventilhubkurve korrekt ist. The valve overlap phase becomes conscious for the calculation of the evaluation quantities excluded, since it cannot be assumed that the other Valve lift curve is correct.

Die wesentlichen zur systematischen Veränderung des Ventilhubverlaufs zu variierenden Größen sind der Öffnungszeitpunkt, die Ventilhubbreite und der maximale Ventilhub. Fig. 2 zeigt schematisch diese Variationsgrößen. The main variables to be varied to systematically change the course of the valve stroke are the time of opening, the valve stroke width and the maximum valve stroke. Fig. 2 shows schematically these variation sizes.

Im Unterschied zu dem Öffnungszeitpunkt, bei dem der Ventilhubverlauf lediglich auf der Kurbelwinkelachse verschoben werden muß, erfordern die beiden anderen Größen eine interpolierte Neuberechnung des Ventilhubverlaufes für jeden Rechenlauf ausgehend von einem Startverlauf. Alternativ hierzu kann bei voll variablen Ventiltrieben (mechanisch, elektromechanisch oder elektrohydraulisch) auch eine Tabelle möglicher Hubverläufe vorgegeben werden, aus welcher der für jeden Rechenlauf erforderliche Hubverlauf interpoliert wird. In contrast to the opening time at which the valve lift course only opens the other two sizes require the crank angle axis to be shifted an interpolated recalculation of the valve stroke curve for each calculation run starting from a start history. Alternatively, with fully variable Valve drives (mechanical, electromechanical or electrohydraulic) also one Table of possible stroke profiles are specified, from which the for each Required stroke course is interpolated.

Das Suchen der Ventilhubkurve, bei der die Abweichung minimal ist, wird damit zu einer maximal dreidimensionalen Optimierungsaufgabe für jeden Hubverlauf. The search for the valve lift curve, in which the deviation is minimal, becomes too a maximum three-dimensional optimization task for each stroke.

Fig. 3 zeigt den Δp-Verlauf bei einer Einlaß öffnet- und Einlaßventilhubbreiten- Variation. Fig. 3 shows the Δp curve with an inlet opening and inlet valve stroke width variation.

Fig. 3 zeigt den Δp-Verlauf bei einer Einlaß öffnet- und Einlaßventilhubbreiten- Variation. Fig. 3 shows the Δp curve with an inlet opening and inlet valve stroke width variation.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein hoch optimiertes Simplex-Verfahren verwendet, bei dem die Ventilhubkurve, bei der die Abweichung minimal ist, sehr schnell und zuverlässig gefunden werden kann. Hierbei ergeben sämtliche Rechnungen mit synthetischen Ladungswechselverläufen sehr exakte Ergebnisse, und das Verfahren ist immer in der Lage, den ursprünglichen Ventilhubverlauf exakt zu rekonstruieren. According to a preferred embodiment of the invention, a highly optimized Simplex method is used, in which the valve lift curve, in which the deviation is minimal, can be found very quickly and reliably. Here result all calculations with synthetic gas exchange processes are very exact Results, and the process is always able to match the original Exactly reconstruct the valve stroke curve.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist gegenüber Meßfehlern hinsichtlich der Auslaß- und Einlaß-Druckverläufe als auch des Zylinderdruckverlaufs sehr unempfindlich, wobei selbst Fehler innerhalb von 20 mbar und +10 mbar des Einlaßdruckverlaufes zu Fehlern von weniger als 1 Grad KW führten. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der wirksamen Ventilhubkurven ein relativ fehlertoleranter robuster Algorithmus, der hohe Genauigkeiten ermöglicht. The method according to the invention is compared to measurement errors with regard to the outlet and inlet pressure curves as well as the cylinder pressure curve very insensitive, even errors within 20 mbar and +10 mbar of the inlet pressure curve led to errors of less than 1 degree KW. So that is the invention Method of determining the effective valve lift curves is a relatively fault tolerant robust algorithm that enables high accuracy.

Die Berechnungszeiten zur synthetischen Berechnung des Zylinderdruckverlaufes sind mit heutigen Prozessoren durchaus vertretbar. The calculation times for the synthetic calculation of the cylinder pressure curve are quite acceptable with today's processors.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Ladungswechselanalysen durchgeführt werden, auch wenn die tatsächlichen Ventilhubkurven nicht bekannt sind, sofern Vorgabe-Ventilhubkurven und αk-Zahlen vorhanden sind, die dem Charakter des Ventiltriebes (z. B. entsprechende An- und Ablaufkurven bei Rollenkipp- oder Schlepphebeln) entsprechen. With the method according to the invention, gas exchange analyzes can be carried out, even if the actual valve lift curves are not known, provided there are preset valve lift curves and α k numbers that correspond to the character of the valve train (e.g. corresponding start-up and run-off curves for roller rocker arms or drag levers ) correspond.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin auch als Prüfverfahren in der Produktion geeignet, um den korrekten Einbau von Nockenwellen bzw. der Ventilsteuerung zu kontrollieren. The method according to the invention is also a test method in the Production suitable for the correct installation of camshafts or the Check valve control.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung der wirksamen Ventilhubkurven eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinderdruckverlauf synthetisch auf der Grundlage von Vorgabewerten für den Öffnungszeitpunkt, die Ventilhubbreite und den maximalen Ventilhub des Ventils ausgehend vom gemessenen Druckwert zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils berechnet wird, daß der synthetisch berechnete Zylinderdruckverlauf mit einem auf der Grundlage des Zylinderdrucks, des Abgasdrucks und des Einlaßdrucks gemessenem Zylinderdruckverlauf verglichen wird und daß durch systematische Veränderung der Vorgabewerte des synthetisch berechneten Ventilhubverlaufes und Wiederholung des Vergleichs zwischen dem gemessenem Zylinderdruckverlauf und dem berechnetem Verlauf die Ventilhubkurve ermittelt wird, bei der die Abweichung minimal ist. 1. A method for determining the effective valve lift curves of an internal combustion engine, characterized in that a cylinder pressure curve is calculated synthetically on the basis of preset values for the opening time, the valve lift width and the maximum valve lift of the valve, starting from the measured pressure value at the time the exhaust valve is opened, that the Synthetically calculated cylinder pressure curve is compared with a cylinder pressure curve measured on the basis of the cylinder pressure, the exhaust gas pressure and the inlet pressure, and that the valve lift curve is determined by systematically changing the default values of the synthetically calculated valve stroke curve and repeating the comparison between the measured cylinder pressure curve and the calculated curve the deviation is minimal. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewertungsgröße für den Vergleich jeweils die mittlere absolute Abweichung über das Betrachtungsintervall verwendet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that as Evaluation size for the comparison is the mean absolute deviation is used over the observation interval. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung in Richtung minimaler mittlerer absoluter Abweichungen mit Hilfe eines hoch optimierten Simplexverfahrens erfolgt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Optimization towards minimum mean absolute deviations with the help a highly optimized simplex process. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ventilüberschneidungsphase zur Berechnung der Bewertungsgrößen ausgeklammert wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that Valve overlap phase for calculating the evaluation variables is excluded. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die synthetische Berechnung des Ventilhubverlaufs nach einem direkten Verfahren auf der Grundlage des Massenstroms durch den Ventilöffnungsquerschnitt und parallele Berechnung des effektiven Öffnungsquerschnitts mittels der Ausflußgleichung berechnet wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Synthetic calculation of the valve stroke curve using a direct method based on the mass flow through the valve opening cross section and parallel calculation of the effective opening cross section using the Outflow equation is calculated.
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