Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den
Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Aus der DE 39 29 747 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die
Dauer der Ansteuerung ermittelt wird, bei der gerade eine
Voreinspritzung einsetzt. Diese ermittelte Mindestdauer wird
zur Korrektur der Ansteuerung eingesetzt.
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Dadurch, dass bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem eine
Ansteuerdauer einer Teileinspritzung ausgehend von dem
Vergleich einer ersten Größe mit einem Sollwert korrigiert
wird, wobei die erste Größe den Verlauf der Teileinspritzung
charakterisiert, ist eine sehr genaue Korrektur der
Voreinspritzmenge während des Motorbetriebs möglich. Fehler,
die auf Exemplarstreuungen und/oder Alterungseffekten von
Motor und Einspritzsystem beruhen können weitestgehend
kompensiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die
Vorgehensweise nicht nur in bestimmten Betriebszuständen
erfolgen kann, sondern dass sie in nahezu allen
Betriebszuständen möglich ist. Insbesondere ist eine
Korrektur bei unterschiedlichen Raildrücken, Drehzahlen und
Lasten möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Größe den
Brennbeginn der Haupteinspritzung charakterisiert. Der
Zündverzug, das heißt die Zeit zwischen Brennbeginn und
dazugehörigem Einspritzbeginn ist eine wesentliche Größe,
die die Geräuschemissionen beeinflußt.
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Insbesondere bei der Voreinspritzung ist die Korrektur
vorteilhaft, da hier kleine Abweichungen auf Grund von
Toleranzen einen großen Einfluß besitzten.
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Die Auswertung eines Signals eines Ionenstromsensors hat
sich als besonders Vorteilhaft erwiesen, da dieses Signal
den Verlauf der Verbrennung gut nachbildet. Entsprechendes
gilt im besonderen für einen Brennraumdrucksensor.
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Neben den Signalen dieser Sensoren können auch aus diesen
Sensorsignalen abgeleitete Größen zur Korrektur verwendet
werden.
Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen die Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2
ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens und die Fig. 3 eine Reglerstruktur.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
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In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise anhand
eines Blockdiagrammes dargestellt. Eine Brennkraftmaschine
ist mit 100 bezeichnet. An der Brennkraftmaschine ist zum
einen wenigstens ein Sensor 120 und ein Winkelsensor 122
angeordnet. Der Sensor 120 liefert ein Signal I, das den
Strom, der durch eine im Brennraum der Brennkraftmaschine
angeordneten Ionenstromsonde charakterisiert. Bei einer
ersten Ausgestaltung ist lediglich ein Sensor vorgesehen,
der an einem repräsentierenden Zylinder angeordnet ist. Bei
einer zweiten Ausgestaltung ist bei jedem Zylinder der
Brennkraftmaschine ein Sensor angeordnet, der jeweils ein
Signal abgibt.
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Der Winkelsensor 122 ist vorzugsweise an der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine angeordnet und liefert ein
hochauflösendes Winkelsignal W bezüglich der Winkelstellung
der Kurbelwelle. Alternativ kann der Winkelsensor auch an
der Nockenwelle der Brennkraftmaschine angeordnet sein.
Desweiteren sind an der Brennkraftmaschine ein Steller 130
angeordnet. Der Steller und die Sensoren stehen mit einer
Steuereinheit 110 in Verbindung.
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Das Signal I des Sensors 120 und das Signal W des
Winkelsensors 122 gelangen zu einer Auswerteeinheit 140, die
vorzugsweise eine Teileinheit der Steuereinheit 110 bildet.
Die Auswerteeinheit 140 liefert ein Signal II an eine
Funktionseinheit 150. Die Funktionseinheit wiederum
beaufschlagt den Steller 130 mit einer Stellgröße A.
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Bei der Stellgröße A handelt es sich vorzugsweise um die
Ansteuerdauern und/oder die Ansteuerbeginne einer
Einspritzung. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein
Einspritzvorgang des Arbeitszyklusses in mehrere
Teileinspritzungen aufgeteilt ist. Dabei handelt es sich bei
der Stellgröße A um die Ansteuerdauer und/oder den
Ansteuerbeginn wenigstens einer der Teileinspritzungen. Als
Teileinspritzungen sind üblicherweise wenigstens eine
Haupteinspritzung, wenigstens eine Voreinspritzung und
wenigstens eine Nacheinspritzung vorgesehen. Insbesondere
bei der Voreinspritzung ist die erfindungsgemäße
Vorgehensweise vorteilhaft.
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Vorzugsweise werden die Verläufe der Singale I aller
Zylinder einzeln durch Sensoren erfasst. Eine Alternative
besteht darin, dass nur ein als repräsentativ behandelter
Zylinder mit einer Signalerfassung versehen ist. In beiden
Fällen wird ein hochaufgelöstes Winkelsignal W als
Bezugsgröße verwendet, um zum einen die Winkellage berechnen zu
können.
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Die Sensorsignale I und der Winkel W werden der
Auswerteeinheit 140, die typischerweise ein Bestandteil der
Motorsteuerung ist, zugeführt. Ihre Aufgabe ist die Bildung
einer Größe II, die vorzugsweise als Istgröße einer Regelung
zugeführt wird.
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Auf Grund von Toleranzen und/oder Alterungseffekten im
Bereich der Einspritzkomponenten wird bei gleichem
Ansteuersignal für die Einspritzkomponenten eine
unterschiedliche Kraftstoffmenge zugemessen. Insbesondere
ist problematisch, dass bei gleicher kleiner Ansteuerdauer
abhängig von Toleranz und Alterung keine Kraftstoffzumessung
erfolgt, die gewünschte Voreinspritzmenge oder gar eine zu
große Voreinspritzmenge zugemessen wird. Wird eine zu kleine
Voreinspritzmenge zugeführt, so wirkt die Voreinspritzung
nicht, dass heißt die Geräusche werden nicht reduziert. Wird
eine zu große Voreinspritzmenge zugeführt, so verschlechtern
sich die Abgaswerte.
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Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die
Ansteuerdauer ermittelt wird, bei der die gewünschte
Voreinspritzmenge zugemessen wird. Diese Menge ist so
gewählt, dass eine Voreinspritzung erfolgt, die den
gewünschten Einfluß auf die Verbrennung besitzt, die aber
die Emissionen nicht nachteilig beeinflußt. Hierzu ist
erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ansteuerdauer ausgehend
von einem Nullwert, bei dem sicher keine Einspritzung
erfolgt, erhöht wird. Gleichzeitig wird eine Größe erfasst,
die den Zündverzug charakterisiert. Der Wert der
Ansteuerdauer, bei dem sich die Größe, die den Zündverzug
charakterisiert, nicht mehr wesentlich ändert, wird dann als
Normwert verwendet. Bei Verwendung dieses Normwert für die
Ansteuerdauer wird die gewünschte Voreinspritzmenge
zugemessen.
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Als Größe, die den Zündverzug charakterisiert, wird
vorzugsweise der Brennbeginn, insbesondere der nachfolgenden
Haupteinspritzung, verwendet. Besonders vorteilhaft dabei
ist es, wenn der Brennbeginn ausgehend von dem Signal eines
Ionenstromsensors gebildete wird. Bei konstanten
Betriebsbedingungen wird die Ansteuerdauer für die
Voreinspritzung von vorzugsweise 0 ms in geeigneten
Schritten bis zu einem maximalen Wert, bei dem bei allen
Bedingungen eine wirksame Voreinspritzung erfolgt, erhöht.
Für jede Ansteuerdauer erfolgt die Berechnung des
Brennbeginns ausgehend von dem Ionenstromsignal.
Vorzugsweise werden die Werte des Brennbeginns für die
einzelnen Ansteuerdauern mehrmals ermittelt. Ausgehend von
diesen Werten wird dann ein Mittelwert gebildet. Hieraus
ergibt sich eine Tabelle, die den Ansteuerdauern einen
Brennbeginn zuordnet. Dabei reduziert sich der Zündverzug,
der dem Abstand zwischen Ansteuerung und Brennbeginn
entspricht, mit steigender Ansteuerdauer. Ab einer
bestimmten Ansteuerdauer verändert sich der Zündverzug bzw.
der Brennbeginn nicht mehr. Diese Ansteuerdauer, bei der
Zündverzug bzw. der Brennbeginn in die Sättigung übergeht
wird als optimale Ansteuerdauer für die Voreinspritzung
angesehen und als Normwert zur Ansteuerung verwendet.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Ermittlung des Normwerts für
alle Zylinder einzeln erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn die Normwerte für unterschiedliche Betriebspunkte
ermittelt werden.
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Eine Ausführungsform einer Ermittlung des Normwerts AD0 ist
in Fig. 2 dargestellt. In einem ersten Schritt 300 wird die
Ansteuerdauer für die Voreinspritzung auf einen Wert
gesetzt, bei dem in allen Betriebszuständen keine
Einspritzung erfolgt. Vorzugsweise wird die Ansteuerdauer
auf 0 ms gesetzt.
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Im Schritt 310 wird die Ansteuerdauer ADVE um einen
bestimmten Wert X erhöht. Im anschließenden Schritt 320 wird
der aktuelle Brennbeginn BN ermittelt. Dies erfolgt
vorzugsweise durch Auswertung einen Signals eines
Ionenstromsensors. Beispielsweise wird auf Brennbeginn
erkannt, wenn das Ausgangssignal des Ionenstromsensors einen
Schwellenwert übersteigt. Anstelle des Brennbeginns kann
auch ein anderes Signal, das den Brennbeginn und/oder den
Zündverzug charakterisiert erfaßt werden.
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Im folgenden Schritt 330 wir der Betrag der Differenz
zwischen dem aktuellen Wert BN und dem vorherigen Wert BA
des Brennbeginns als Größe DB ermittelt.
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Dies sich anschließende Abfrage 340 überprüft, ob diese
Größe DB kleiner als ein Schwellenwert SW ist. Ist dies der
Fall, das heißt der Brennbeginn hat sich seit der letzten
Änderung der Ansteuerdauer nicht mehr wesentlich verändert,
so wird die aktuelle Ansteuerdauer ADVE in Schritt 360 als
Normwert AD0 abgespeichert.
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Erkennt die Abfrage 340, dass Größe DB nicht kleiner als ein
Schwellenwert SW ist. Ist dies der Fall, das heißt der
Brennbeginn hat sich seit der letzten Änderung der
Ansteuerdauer wesentlich verändert, so wird in Schritt 350
der vorhergehende Wert BA mit dem aktuellen Wert BN
überschrieben. Anschließend folgt mit Schritt 310 eine
weitere Erhöhung der Ansteuerdauer.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der
Verlauf der Voreinspritzung auf einen bestimmten Sollwert
geregelt wird. Das heißt die Dauer der Voreinspritzung wird
so lange verlängert bzw. verkürzt, bis der Verlauf der
Voreinspritzung einen erwarteten Verlauf aufweist. Dabei
werden nicht der Verlauf der Voreinspritzung direkt, sondern
eine Ersatzgröße, die in guter Korrelation zu dem Verlauf
steht auf den Sollwert eingeregelt. Dabei wird die
Ersatzgröße derart gewählt, dass die Geräuschemissionen und
die Abgasemissionen minimiert sind. Durch diese
Vorgehensweise können Fehler der Voreinspritzmenge, die auf
Alterungseffekten und/oder Exemplarstreuungen von Motor
und/oder Einspritzsystem beruhen, während des Motorbetriebs
korrigiert werden. Ferner kann diese Adaption für alle
Betriebspunkte, das heißt für verschiedene Raildrücke,
Drehzahlen und Lasten, durchgeführt werden.
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Eine solche Regelung ist beispielhaft in Fig. 3a
dargestellt. Diese Regelung ist vorzugsweise ein Teil der
Funktionseinheit 150. Bereits in Fig. 1 beschriebene
Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
Die Auswerteeinheit 140 stellt einem Verknüpfungspunkt 210
einen Istwert II zur Verfügung. Am zweiten Eingang des
Verknüpfungspunktes 210 liegt ein Sollwert IS an, der von
einer Sollwertvorgabe 220 bereitgestellt wird. Mit dem
Ausgangssignal des Verknüpfungspunkt 210 wird ein Regler 200
beaufschlagt, der wiederum den ersten und/oder den Steller
130 mit Ansteuersignalen A beaufschlagt.
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Bei einer Ausgestaltung gibt der Regler 200 eine
Korrekturwert zur Korrektur der Ansteuerdauer A für die
Voreinspritzung vor. Eine entsprechende Ausführungsform ist
in Fig. 3b dargestellt. Bereits in Fig. 3a beschriebene
Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Fig. 3a im
wesentlichen dadurch, dass die Ansteuerdauer A für die
Voreinspritzung abhängig von verschiedenen Betriebsparamtern
von einer Vorgabe 230 vorgebbar ist. Dieser so vorgegebene
Wert A wird dann mit dem Ausgangswert K des Reglers 200 im
Verknüpfungspunkt 240 additiv und/oder multiplikativ
korrigiert.
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Besonders vorteilhaft, ist es dabei, wenn der Korrekturwert
K in einem Speichermittel 205 speicherbar ist. Dadurch ist
es möglich bei einem Ausfall des Ionenstromsensors und/oder
in Betriebszuständen in denen keine Regelung möglich ist
eine Korrektur mit den abgespeicherten Werten K
durchzuführen. Diese Ausführungsform ist gestrichelt
dargestellt.
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Erfindungsgemäß wird Voreinspritzmenge über ein Ersatzsignal
auf einen Sollwert eingeregelt. Der Sollwert für das
Ersatzsignal dieser Regelung ist so gewählt, dass die
Voreinspritzmenge so groß ist, wie es erforderlich ist, um
die Geräuschemissionen zu begrenzen. Anderseits ist der
Sollwert des Ersatzsignals so gewählt, dass die
Voreinspritzmenge so klein ist, dass möglichst geringe
Abgasemissionen auftreten.
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Dadurch kann der bestehende Zielkonflikt bei der Applikation
der Voreinspritzmenge zwischen steigender Geräuschemission,
die bei zu kleiner Voreinspritzmenge auftritt, und
steigenden Emissionen, vor allem Partikel, die bei zu großer
Voreinspritzmenge auftreten, entschärft werden. Damit kann
bei unverändertem Geräuschniveau eines Fahrzeuges sowohl ein
Beitrag zur Einengung der Streuungen der Emissionen im neuen
und gealterten Zustand als auch zur gesamthaften Reduktion
der Emissionen geleistet werden. Eine solche Funktion stellt
somit eine Optimierung der Voreinspritzung dar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beschriebene
Vorgehensweise für jeden Zylinder durchgeführt wird. Dies
bedeutet, die Regelung passt jede einzelne Verbrennung eines
jeden Zylinders im laufenden Betrieb den Sollvorgaben an.
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Als Sensor wird bevorzugt ein Ionenstromsensor verwendet,
dessen Signal aufgrund der bei der Verbrennung entstehenden
negativ (Elektronen) und positiv geladenen Teilchen und der
damit verbundenen Leitfähigkeit entsteht. Üblicherweise
steigt der Ionenstrom mit dem Beginn der Verbrennung an. Der
Anstieg des Ionenstroms charakterisiert den Brennbeginn.
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Bevorzugt wird ausgehend von dem Ausgangssignal des
Ionenstromsensors der Zeitpunkt des Brennbeginns der
Haupteinspritzung ermittelt. Der Brennbeginn entspricht dem
Zeitpunkt, wenn das Ausgangssignal des Ionenstromsensors
über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt. Der Abstand
zwischen dem Beginn der Einspritzung und dem Brennbeginn
wird als Zündverzug bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird der Zündverzug und/oder der Brennbeginn
auf einen bestimmten Wert geregelt. Wird die Ansteuerdauer
ausgehend von dem Wert Null langsam erhöht, so verringert
sich der Zündverzug bei der Haupteinspritzung deutlich,
sobald die Ansteuerdauer einen Wert erreicht, bei dem eine
Voreinspritzung erfolgt. Wird die Ansteuerdauer weiter
verlängert, so verringert sich der Zündverzug weiter. Bei
einer bestimmten Ansteuerdauer verringert sich der
Zündverzug nicht weiter.
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Erfindungsgemäß wird der Zündverzug auf diesen Wert, bei dem
sich der Zündverzug nicht mehr weiter verändert geregelt.
Alternativ zum Zündverzug kann auch der Brennbeginn der
Haupteinspritzung auf einen bestimmten Wert geregelt werden.
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Alternativ und/oder ergänzend können an Stelle des
Ionenstromsensors auch andere Sensoren verwendet werden, die
Signale bereitstellen, die die Verbrennung charakterisieren.
Insbesondere können Brennraumdrucksensoren,
Körperschallsensoren, optische Sensoren verwendet werden.
Ferner können aus diesen Sensorsignalen abgeleitete oder aus
diesen Signalen berechnete Größen als Istwert II verwendet
werden.
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Als besonders geeignete Größe hat sich neben dem
Ionenstromsignal auch das Brennraumdrucksignal
herausgestellt. Insbesondere das nach der Zeit und/oder nach
dem Kurbelwinkel differenzierte Zylinderdrucksignal
beinhaltet direkt und indirekt zusätzliche Informationen über
die Art der Energieumsetzung und deren Wirkung auf das
motorische Verhalten, z. B. bezüglich Verbrennungsgeräusch
oder Belastung der Kolbenringe.
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Bevorzugt erfolgt eine Auswertung des Drucksignals bezüglich
der Merkmalsgröße Druckgradient GP, wobei dieser
vorzugsweise durch Differentiation über den Winkel W gemäß
der Formel dP/dW bzw. durch Differentiation über die Zeit t
gemäß der Formel dP/dt erfolgt. Insbesondere wird ein
absoluter maximaler oder mehrere relative maximale
Druckgradienten und seine/ ihre Lage(n) bestimmt.
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Der maximal vorkommende Druckanstieg in einem Zylinder
beeinflusst maßgeblich das Verbrennungsgeräusch und damit
auch die Gesamtgeräuschemission der Brennkraftmaschine. Die
Applikation der Sollwerte in einer herkömmlichen
Motorsteuerung kann zwar indirekt auch der Einhaltung
bestimmter Grenzwerte der Zielgröße Verbrennungsgeräusch
Rechnung tragen. Eine einzelne Brennkraftmaschine inklusive
seiner Einspritzeinrichtung weicht jedoch aufgrund
verschiedener Effekte von den somit nur indirekt
vorgegebenen Sollgrößen des maximalen Druckgradienten ab.
Diese Effekte sind insbesondere: die Gesamtheit aller
Toleranzen, Verschleiß- und Alterungserscheinungen, in den
Sollwerten nicht oder nicht hinreichend berücksichtigte
Betriebsbedingungen.
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Alternativ oder ergänzend werden einzelne oder mehrere
Größen, die ausgehend von dem gemessenen Druckverlauf
bestimmt werden, als Verbrennungsgeräusch proportionale
Merkmale herangezogen.
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Wesentliche Größen sind die Maximalwerte und/oder die
Winkellage höherer Ableitungen, insbesondere die 2.
Ableitung, des Zylinderdruckverlaufes nach dem Kurbelwinkel
und/oder nach der Zeit.
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Ferner sind die aus dem Druckverlauf zu berechnenden
thermodynamischen Merkmalsgrößen, wie beispielsweise der
Heizverlauf, der Brennverlauf, der Summenheizverlauf
und/oder der Summenbrennverlauf besonders geeignet.
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Der Heizverlauf bezeichnet die durch die Verbrennung an das
Arbeitsgas übergehende Wärme pro Kurbelwinkel. Die Einheit
des Heizverlaufes ist üblicherweise [J/°KW] oder
entsprechende Umrechnungen. Der Brennverlauf stellt eine
analoge Größe dar. Im Unterschied zum Heizverlauf beinhaltet
der Brennverlauf jedoch die gesamte, während der Verbrennung
freigesetzte Wärme. Damit ist der Brennverlauf im
wesentlichen um die über die Brennraumwände abfließende
Wärme pro Winkeleinheit größer als der Heizverlauf.
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Unter Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik
werden der Heizverlauf und/oder der Brennverlauf bei
Kenntnis kalorischer Daten von Brenngas und Kraftstoff sowie
Daten der Motorgeometrie unter Zuhilfenahme bestimmter
Modellannahmen aus dem Zylinderdruckverlauf berechnet.
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Entsprechend den oben genannten Definitionen zum
Heizverlauf, stellt der Summenheizverlauf das Integral des
Heizverlaufes über dem Kurbelwinkel dar. Der
Summenbrennverlauf entspricht dem Integral des
Brennverlaufes über dem Kurbelwinkel.
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Weitere Größen sind die Maximalwerte und/oder deren
Winkellagen unterschiedlicher Ableitungen, insbesondere die
erste Ableitung und die zweite Ableitung der oben genannten
Größen, wie beispielsweise Heizverlauf, Brennverlauf,
Summenheizverlauf oder Summenbrennverlauf, nach dem
Kurbelwinkel oder nach der Zeit.
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Ferner werden weitere Größen aus einem Brennverlaufsmodell
errechnet. Dies sind insbesondere Größen, die den
Einspritzmassenverlauf charakterisieren, wie z. B. die bis
zum Brennbeginn eingespritzte Kraftstoffmasse oder
Maximalwert des Einspritzverlaufes. Der Betrag des Minimums
des Heizverlaufes stellt ein einfaches Maß für die bis zum
Einsetzen der Verbrennung eingespritzte Kraftstoffmasse dar.
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Der Brennverlauf wird mittels eines Modells, das die
thermodynamische Betrachtung des Brennraumes einschließt,
bestimmt. Die wesentlichste Messgröße ist der Zylinderdruck.
Wird z. B. die Einbringung des Kraftstoffes in den Brennraum,
die dem Massenzufluss zum Brennraum entspricht, und die
nachfolgende Verdampfung, die dem Wärmeabfluss aus dem
Arbeitsgas entspricht, nicht modelliert, dann zeigt der aus
dem Zylinderdruckverlauf berechnete Brennverlauf ein
charakteristisches Minimum zu Beginn der Einspritzung.
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In einer einfachen Ausführungsform wird der Energiebetrag
dieses Minimums in eine proportionale Einspritzmasse ΔmB
umgerechnet werden. |QBmin| = ΔmB.r, wobei r der
spezifischen Verdampfungswärme des Kraftstoffes entspricht.
Umfasst das Modell zur Berechnung des Brennverlaufes auch
ein Teilmodell für die Einbringung und Verdampfung des
Kraftstoffes, so werden als Messgrößen Daten benötigt, die
eine Rekonstruktion des Einspritzverlaufes ermöglichen. Bei
einem Common-Rail-System sind hierbei wenigstens der
Raildruck und die Ansteuerdauer, ergänzt durch
Geometrieparameter des Einspritzsystems, zu berücksichtigen.
Für ganz oder teilweise nockengesteuerte Einspritzsysteme
ist anstelle des Raildruckes die Drehzahl zu
berücksichtigen. In beiden Fällen ist die Berücksichtigung
der Messgröße Kraftstofftemperatur vorteilhaft.