DE102004026213B4

DE102004026213B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Verlusten eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004026213B4
Application number: DE102004026213.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Jeschke Jens; Jörg Larink; Thomas Lang
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-29
Also published as: DE102004026213A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei ein lastabhängiger Verlustanteil (3) ermittelt wird, wobei ein temperaturabhängiger Verlustanteil (2) ermittelt wird, wobei ein Ladungswechselverlustanteil (4) ermittelt wird, und wobei der Verlust (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einem Ladedruck (pL,i) mindestens eines Zylinders des Verbrennungsmotors ermittelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Verlustes eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Motorsteuerung, wobei der erfindungsgemäß ermittelte Verlust zur präzisen Steuerung des Verbrennungsmotors verwendet wird.
Bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors erzeugt dieser ein so genanntes effektives Motormoment, d. h. ein tatsächlich auf eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragenes und somit beispielsweise an einer Kupplung eines entsprechenden Kraftfahrzeugs verfügbares Moment. Im Falle eines Kraftfahrzeugs entspricht dieses effektive Motormoment einem von einem Fahrer beispielsweise durch Betätigung eines Gaspedals angeforderten Moment.
Dieses effektive Motormoment unterscheidet sich von dem in dem Verbrennungsmotor durch die Verbrennung erzeugten so genannten indizierten Motormoment durch ein negatives Verlustmoment, welches beispielsweise Reibungsverluste umfasst.
Dieses indizierte Motormoment ist von der in den Verbrennungsmotor eingespritzten Treibstoffmenge abhängig, wobei das Verhältnis zwischen dem indizierten Motormoment und dem durch Verbrennung der eingespritzten Treibstoffmenge theoretisch erzeugbaren Motormoment durch einen inneren Wirkungsgrad der Verbrennung gekennzeichnet ist. Eine Regelung der Einspritzung kann daher über dieses indizierte Motormoment erfolgen.
Um dieses indizierte Motormoment für eine entsprechende Motorsteuerung oder -regelung aus einem gewünschten effektiven Motormoment zu ermitteln, ist daher eine möglichst genaue Kenntnis des Verlustmomentes nötig.
Aus der DE 102 18 736 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors bekannt, bei welchem ein Brennraumdruck in einem Verbrennungsmotor erfasst wird, um sowohl das indizierte Motormoment als auch das effektive Motormoment abzuleiten und zur Regelung des Verbrennungsmotors zu verwenden. Bei diesem Verfahren ist es in jedem Fall nötig, einen entsprechenden Drucksensor in dem Verbrennungsmotor vorzusehen.
Mit dem Verfahren aus der oben genannten Druckschrift kann prinzipiell auch das Verlustmoment bestimmt werden. Diese Bestimmung ist jedoch relativ ungenau. Für manche Anwendungen wäre jedoch eine noch genauere Bestimmung des Verlustmomentes wünschenswert.
Aus Jeschke, J.: Konzeption und Erprobung eines zylinderdruckbasierten Motormanagements für PKW-Dieselmotoren, 8. November 2002, Dissertation an der Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg, ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1–3 bekannt. Ein entsprechendes Verfahren ist auch der nachveröffentlichten DE 102 58 874 A1 zu entnehmen.
Aus Andreas Witt, Dissertation über die Analyse der thermodynamischen Verluste eines Ottomotors unter den Randbedingungen variabler Steuerzeiten, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, Technische Universität Graz, 1999 ist eine Ladungswechselrechnung bekannt, welche verschiedene mögliche Eingangsgrößen haben kann, beispielsweise nur Zylinderdruck, Zylinderdruck und Saugrohrdruck und Abgasdruck oder Saugrohrdruck und Abgasdruck und Modellzylinderdruck.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, wodurch ein Verlust bzw. ein Verlustmoment eines Verbrennungsmotors möglichst genau bestimmt werden kann und zur Regelung eines Verbrennungsmotors auch in einem Fall, in welchem der Verbrennungsmotor keinen Drucksensor zur Bestimmung eines Brennraumsdrucks umfasst, verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 18, 19 oder 20. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie eine Motorsteuerung zur Steuerung oder Regelung eines Verbrennungsmotors.
Erfindungsgemäß wird zum Bestimmen eines Verlustes eines Verbrennungsmotors ein lastabhängiger Verlustanteil ermittelt, ein temperaturabhängiger Verlustanteil ermittelt und ein Ladungswechselverlustanteil ermittelt und der Verlust als Summe des lastabhängigen Verlustanteils, des temperaturabhängigen Verlustanteils und des Ladungswechselverlustanteils bestimmt.
Die jeweiligen Verlustanteile können dabei durch entsprechende Momente oder Mitteldrücke, welche proportional zu den Momenten sind, ausgedrückt werden.
Der lastabhängige Verlustanteil kann dabei insbesondere in Abhängigkeit von einer Füllung von Zylindern des Verbrennungsmotors bzw. von einer die Füllung charakterisierenden Größe und/oder einem indizierten Mitteldruck in einer Hochdruckphase der Verbrennung in dem Verbrennungsmotor berechnet werden. Das indizierte mittlere Moment in der Hochdruckphase kann entweder durch eine Druckmessung im Zylinder, falls ein entsprechender Zylinder vorhanden ist, oder anhand eines Sollwerts bestimmt werden. Statt des indizierten Mittelmoments kann auch eine Menge eines in den oder die Zylinder eingespritzten Treibstoffs als Eingangsgröße verwendet werden.
Der temperaturabhängige Verlustanteil kann abhängig von einer Temperatur in dem Verbrennungsmotor, beispielsweise einer Öltemperatur oder eine Kühlwassertemperatur, und/oder von einer Drehzahl des Motors bestimmt werden.
Der Ladungswechselverlustanteil kann in Abhängigkeit von einem dem Motor zugeführten Luftmassenstrom bzw. einer Luftmasse und/oder einem Ladedruck bestimmt werden. Zusätzliche Parameter können hier ein Abgasgegendruck um einer Turbine in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors oder eine Druckdifferenz an einen hinter der Turbine angeordneten Partikelfilter sein, welche von einer Beladung des Partikelfilters abhängt. Derartige Turbinen werden bei einem so genannten Abgas-Turbolader benutzt, um die im Abgasstrom enthaltene Energie zum Antrieb eines Verdichters zum Verdichten angesaugter Frischluft zu benutzen.
Die Bestimmungen der einzelnen Anteile kann dabei mittels abgespeicherter Kennlinienfelder erfolgen.
Die Bestimmungen dieser Kennlinienfelder kann insbesondere an einem Motorprüfstand erfolgen, wobei eine Druckmessung in einzelnen Brennkammern des Verbrennungsmotors durchgeführt wird. Dabei kann zur Bestimmung eines Kennlinienfeldes des temperaturabhängigen Verlustanteils eine Motortemperatur und/oder die Drehzahl variiert werden, zur Bestimmung eines lastabhängigen Verlustanteils kann eine Last variiert werden und zur Bestimmung des Ladungswechselverlustanteils kann eine Vermessung über zwei Umdrehungen einer Kurbelwelle durchgeführt werden, wobei eine Umdrehung der Hochdruck- bzw. Verbrennungsphase und eine weitere Umdrehung einer Phase entspricht, in welcher Abgas ausgestoßen und frische Luft bzw. ein frisches Gasgemisch angesaugt wird.
Durch die Aufteilung des Verlustes in drei Verlustanteile ist die Berücksichtigung von mehr Parameter und hierdurch eine genauere Bestimmung des Verlustes möglich. Hierdurch wird wiederum eine genauere Regelung bzw. Steuerung eines Motors ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Aufteilung des Verlustes eines Verbrennungsmotors in verschiedene Verlustanteile,
2 eine der 1 entsprechende Darstellung für Mitteldrücke,
3 schematisch eine Vorrichtung zur Regelung eines indizierten Mitteldrucks,
4A und 4B ein erreichtes Motormoment in Abhängigkeit von einem gewünschten Motormoment bei einer Regelung wie in 3, wobei 4A absolute Werte und 4B eine Abweichung von dem gewünschten Wert darstellt, und
5A und 5B den 4A bzw. 4B entsprechende Darstellungen, bei welchen die Regelung von 3 durch eine Steuerung ersetzt wurde.
Zunächst sollen einige zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nötigen Begriffe erläutert werden.
In einem Verbrennungsmotor wird durch Einspritzung und Verbrennung eines Kraftstoffes in dem Kraftstoff gespeicherte innere Energie in mechanische Arbeit umgewandelt, welche beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges genutzt werden kann. Das Energieäquivalent des eingespritzten Kraftstoffes entspricht dabei einem theoretisch möglichen erzeugten Drehmoment bei idealer Verbrennung. Eine Differenz aus dem theoretisch möglichen Moment und einem tatsächlich auf eine Kurbelwelle übertragenen Moment entsteht durch Verluste, welche im Zylinder auftreten.
Der effektive Wirkungsgrad η_e kann dabei gemäß
ausgedrückt werden. Dabei ist W_e eine an eine Kurbelwelle abgegebene und somit verfügbare Nutzarbeit und Q_B eine im Kraftstoff gespeicherte Energie, welche das Produkt aus der Kraftstoffmasse m_k und einem so genannten unteren Heizwert H_u des Kraftstoffs ist.
Die Verluste und somit der Wirkungsgrad können in innere und äußere Verluste gemäß
unterteilt werden. Dabei ist η_i der innere Wirkungsgrad, η_m der äußere oder mechanische Wirkungsgrad und W_i die innere oder indizierte Arbeit. Innere Verluste ergeben sich insbesondere durch eine nicht ideale Verbrennung des Kraftstoffs. Wie in der eingangs zitierten DE 102 18 736 A1 eingehend erläutert, sind dabei erzeugte Arbeit, erzeugte Leistung, erzeugte Motormomente und so genannte Mitteldrücke zueinander proportional. Der äußere mechanische Wirkungsgrad η_m kann daher geschrieben werden als
Dabei bezeichnet pme den so genannten effektiven Mitteldruck, welcher proportional zum effektiven, d. h. tatsächlich auf die Kurbelwelle abgegebenen Motormoment M_e bzw. zur effektiven Leistung P_e ist. pmi bezeichnet hingegen den so genannten indizierten Mitteldruck und ist entsprechend proportional zum inneren Moment M_i bzw. zur inneren Leistung P_i. Dabei geben die Mitteldrücke pme bzw. pmi die entsprechende Arbeit W_e bzw. W_i bezogen auf das Hubvolumen eines Kolbens des Verbrennungsmotors an, d. h.
wobei V_h dieses Hubvolumen ist.
Wie in 1 schematisch dargestellt, wird nun erfindungsgemäß der gesamte Verlust 1 in drei Verlustanteile aufgeteilt, nämlich einen temperaturabhängigen Verlustanteil 2, einen lastabhängigen Verlustanteil 3 und einen Ladungswechselverlustanteil 4.
Der temperaturabhängige Verlustanteil 2 hängt dabei im Wesentlichen von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors und einer Temperatur des Verbrennungsmotors ab.
Der lastabhängige Verlustanteil ist abhängig von einem indizierten Mitteldruck in einer Hochdruckphase des Motors, welcher im Folgenden genauer erläutert wird. Zusätzlich kann hier als Parameter eine Füllung von Zylindern des Verbrennungsmotors oder eine entsprechende die Füllung charakterisierende Größe eingehen. Unter Füllung wird dabei eine den Zylindern zugeführte mittlere Gasmenge eines Gasgemisches verstanden. Dieses Gasgemisch setzt sich aus Frischluft und Abgas, welches mittels einer so genannten Abgasrückführung der Verbrennung nochmals zugeführt wird, zusammen.
Der Ladungswechselverlustanteil 4 entsteht beim Ansaugen des Gasgemisches bzw. der Frischluft für die Verbrennung und wird ebenfalls im Folgenden näher erläutert.
Der Zusammenhang des indizierten Mitteldrucks in der Hochdruckphase mit anderen im Folgenden verwendeten Mitteldrücken ist durch folgende Gleichung gegeben: pmi = pmi_HD + pmi_ND = pme + pmr (5)
Gemäß Gleichung (5) wird der gesamte indizierte Mitteldruck pmi aus Gleichung (3) in einen Anteil pmi_HD der Hochdruckphase und einem Anteil pmi_ND der Niederdruckphase zerlegt. Dazu ist zu bemerken, dass bei gebräuchlichen Viertaktmotoren nur bei jeder zweiten Umdrehung einer Kurbelwelle in einem Zylinder tatsächlich eine Verbrennung stattfindet (Hochdruckphase), hierbei wird also die tatsächliche Leistung erzeugt. pmi_HD entspricht also dieser tatsächlich erzeugten Leistung. Während einer zweiten Umdrehung der Kurbelwelle wird verbrauchtes Gas aus dem Zylinder ausgestoßen und neues Gas zur Verbrennung angesaugt (Niederdruckphase). Hierzu muss Arbeit verrichtet werden, der entsprechende Mitteldruck pmi_ND ist also im Allgemeinen negativ und entspricht den Ladungswechselverlusten. Entsprechend Gleichung (3) kann, wie auf der rechten Seite von Gleichung (5) geschehen, pmi als Summe aus pme, dem effektiven Mitteldruck, und pmr, einem Mitteldruck, welcher allgemein mechanische Verluste bezeichnet, ausgedrückt werden.
Insgesamt kann also ein Druck pmv gemäß pmv = pmr – pmi_ND (6) definiert werden, welcher einem gesamten Verlust inklusive Ladungswechselverlust entspricht. Dieser Druck pmv wird auch als Schleppmitteldruck bezeichnet.
In 2 ist eine entsprechende schrittweise Aufteilung der Drücke schematisch dargestellt. Der auf der linken Seite mit pmi_HD bezeichnete Block entspricht der in der Hochdruckphase erzeugten Leistung. Ein Anteil dieser erzeugten Leistung führt zu dem effektiven Motormoment M_e, charakterisiert durch den effektiven Mitteldruck pme, der andere Teil entspricht der gesamten Verlustleistung bzw. dem gesamten Verlustmoment, charakterisiert durch den Mitteldruck pmv. Der Mitteldruck pmv kann weiter unterteilt werden in einen Lastwechselanteil, charakterisiert durch pmi_ND, und einen mechanischen Verlustanteil pmr. Dieser mechanische Verlustanteil pmr kann nun schließlich unterteilt werden in einen lastabhängigen Verlustanteil pmr_L und einen temperaturabhängigen Verlustanteil pmr_T, welcher wesentlich von der Temperatur abhängt.
Diese Unterteilung in der rechten Säule von 2 entspricht der in 1 dargestellten Unterteilung des Verlustes in drei Verlustanteile.
Anhand von 3 soll nunmehr erläutert werden, wie eine derartige Unterteilung der Verluste zur Verbesserung einer Motorsteuerung oder -regelung eingesetzt werden kann. Dazu werden die einzelnen Verlustanteile getrennt bestimmt und dann benutzt, einen indizierten Sollmitteldruck pmi_HD,s zu berechnen, welcher dann wiederum zur Steuerung einer Einspritzmenge von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Diese Art der Steuerung bzw. Regelung eignet sich insbesondere für Dieselmotoren.
Wie in 3 dargestellt, wird der Steuerung bzw. Regelung dabei als Eingangsgröße zunächst ein gewünschter effektiver Mitteldruck pme zugeführt. Dieser bestimmt sich beispielsweise unmittelbar aus einer Anforderung eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, welches der Verbrennungsmotor antreibt, beispielsweise durch Betätigen eines Gaspedals. Der reibungsabhängige Verlustanteil bzw. der entsprechende Mitteldruck pmr_T wird mittels eines ersten Kennlinienfeldes 5 aus einer Motordrehzahl n und einer Motortemperatur T bestimmt. Die Motordrehzahl n wird in vielen Fahrzeugen ohnehin gemessen. Für die Motortemperatur T kann beispielsweise eine Kühlwassertemperatur oder eine Öltemperatur als Messgröße verwendet werden, welche in Kraftfahrzeugen üblicherweise ebenfalls standardmäßig erfasst wird. Auf die Bestimmung des ersten Kennlinienfeldes 5 sowie weiterer Kennlinienfelder wird später eingegangen.
Der dem lastabhängigen Verlustanteil entsprechende Mitteldruck pmr_L wird mittels eines zweiten Kennlinienfeldes 6 bestimmt. Eingangsgrößen sind hier eine Füllung f, d. h. eine den Zylindern des Verbrennungsmotors zugeführte mittlere Gasmenge eines Gasgemisches, sowie der indizierte Mitteldruck in der Hochdruckphase pmi_HD. Statt der expliziten Füllung kann auch eine die Füllung charakterisierende Größe als Parameter verwendet werden.
Ist in den Zylindern des Verbrennungsmotors ein Drucksensor vorhanden, kann der Mitteldruck in der Hochdruckphase direkt gemessen werden. Dieser Wert wird mit pmi_HD,i bezeichnet. Bei der Bestimmung von pmi_HD,i entsteht sensorbedingt beispielsweise durch Temperaturänderungen ein drehzahlabhängiger Offset, d. h. auch ohne Verbrennung ist pmi_HD,i nicht Null. Um diesen Offset zu korrigieren, wird in einer Offsetkompensationseinrichtung 8 mittels eines Signalgebers 14 der Offset des indizierten Mitteldrucks pmi_HD,off drehzahlabhängig ausgegeben und in einem Subtrahierer 9 von dem gemessenen indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase pmi_HD,i abgezogen, um einen entsprechend korrigierten Wert pmi_HD,corr zu erhalten, welcher schließlich dem Kennlinienfeld 6 zugeführt wird. Prinzipiell kann statt dem indizierten Mitteldruck auch eine Menge eines in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs als Eingangsgröße verwendet werden, da diese über den inneren Wirkungsgrad mit dem indizierten Mitteldruck verknüpft ist.
Ist in dem jeweiligen zu steuernden Verbrennungsmotor keine direkte Zylinderdruckmessung möglich, wird als Eingangsgröße des Kennlinienfeldes 6 ein entsprechender Sollwert des indizierten Mitteldrucks in der Hochdruckphase beispielsweise eines vorhergehenden Regelschrittes verwendet.
Der so ermittelte Mitteldruck pmr_L wird in einem Addierer 10 mit dem mittels des ersten Kennlinienfeldes 5 ermittelten Mitteldrucks pmr_T addiert, um den Mitteldruck pmr zu bestimmen, welcher die mechanischen Verluste kennzeichnet.
Der indizierte Mitteldruck pmi_ND, welcher die Ladungswechselverluste kennzeichnet, wird mittels eines dritten Kennlinienfeldes 7 bestimmt. Eingangsgrößen dieses Kennlinienfeldes sind ein den Zylindern zur Verbrennung zugeführte Ist-Luftmassenstrom m_L,i und ein entsprechender Ladedruck p_L,i. Zur Bestimmung der Ladungswechselverluste kann das dritte Kennlinienfeld 7 erweitert werden oder können zusätzliche Kennlineinfelder oder Kennlinien vorgesehen sein, um weitere Parameter zu berücksichtigen, beispielsweise einen Abgasgegendruck. Dabei handelt es sich um einen Druck, welcher an einer Turbine im Abgassystem vorliegt, welche die im Abgas enthaltene Energie beispielsweise zum Antrieb eines Verdichters zum Verdichten angesaugter Frischluft nutzt. Zudem kann in einem Abgassystem ein Partikelfilter beispielsweise stromabwärts der Turbine vorgesehen sein. Dessen Beladung mit Partikeln beeinflusst ebenfalls die Ladungswechselverluste und kann daher als Parameter bzw. Eingangsgröße verwendet werden. Eine Größe, welche einfach zu messen ist und diese Beladung charakterisiert, ist ein Differenzdruck über den Partikelfilter.
Der so ermittelte Druck pmi_ND wird mittels eines Addierers 11 zu dem Mitteldruck pmr addiert, wodurch sich ein Druck pmv₀ ergibt, welcher im Wesentlichen die Gesamtverluste kennzeichnet. Mittels eines Signalgebers 15 kann dieser Wert in einem Addierer 12 noch um einen Offset pm_0,off korrigiert werden, um den Mitteldruck pmv, welcher die tatsächlichen Verluste charakterisiert, zu erzeugen. Diese Offsetkompensation wird vorgenommen, da die Kennlinienfelder bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel relativ aufgenommen sind, d. h. die jeweiligen Verlustanteile ausgehend von einem Leerlauf des Fahrzeugs bei einer bestimmten Drehzahl und einer bestimmten Motordrehzahl, bei welchen ein bestimmter Grundverlust vorliegt, beschreiben. Beispielsweise werden die Kennlinienfelder 5 und 6 derart gebildet, dass sie bei 90°C Motortemperatur und 850 Umdrehungen/Minute Motordrehzahl einen Nulldurchgang aufweisen. Der sich bei diesen Werten ergebende „Grundverlust” wird dem Offset pm_0,off zugewiesen, die Kennlinienfelder beschreiben dann Änderungen ausgehend von diesem Grundverlust und können diesen – je nach Betriebsbedingungen – erhöhen oder auch erniedrigen.
Dieser Grundverlust ändert sich jedoch abhängig von der Drehzahl und auch abhängig von eingeschalteten Verbrauchern wie Licht oder Klimaanlage, diese Änderungen können durch den drehzahlabhängigen Offset pm_0,off korrigiert bzw. adaptiert werden.
Der sich ergebende Mitteldruck pmv ist negativ, um einen Verlust zu kennzeichnen, und wird mittels eines Subtrahierers 13 von dem effektiven Mitteldruck pme abgezogen, um den indizierten Sollmitteldruck in der Hochdruckphase pmi_HD,s zu ergeben, über welchen dann die Einspritzung im Motor geregelt wird.
Es verbleibt nun, die Kennlinienfelder 5–7 zu ermitteln. Dies geschieht in geeigneter Weise an einem so genannten Motorprüfstand. Die dort ermittelten Kennlinienfelder können dann entsprechend in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs, in welchem der entsprechende Verbrennungsmotor eingesetzt wird, abgespeichert und verwendet werden.
Dafür wird in dem oder in den Zylinder(n) des Verbrennungsmotors ein entsprechender Drucksensor installiert, um einen Druck in der Brennkammer zu messen. Wie in der DE 102 18 736 A1 detailliert erläutert, kann hiermit der indizierte Mitteldruck in der Hochdruckphase pmi_HD gemessen werden. Das effektive Drehmoment und somit auch der effektive Mitteldruck können ebenfalls auf einfache Weise an der Kurbelwelle gemessen werden. Dazu ist zu beachten, dass der Druck in der Brennkammer und die einzelnen Verluste auf Basis einer so genannten vollständigen Indiziermessung gemessen werden, d. h., es wird nicht nur die Hochdruckphase der Verbrennung, sondern auch die Niederdruckphase der Verbrennung vermessen, um so den effektiven Mitteldruck pme und auch den indizierten Mitteldruck in der Niederdruckphase pmi_ND zu bestimmen.
Somit kann das dritte Kennfeld 7 vermessen werden, indem in der Niederdruckphase der Verbrennung entsprechende Messungen durchgeführt werden und somit pmi_ND gemessen wird und gleichzeitig der Ladedruck p_L,i sowie der zugeführte Luftmassenstrom m_L,i variiert werden. Die temperaturabhängigen Verluste, d. h. pmr_T bzw. das erste Kennlinienfeld 5, werden bestimmt, indem Motordrehzahl und Temperatur variiert werden, wobei der Motor ohne Last betrieben wird, so dass keine oder nur eine sehr geringe Verbrennung stattfindet und die lastabhängigen Verluste und somit pmr_L im Wesentlichen gleich Null sind. Die lastabhängigen Verluste und somit pmr_L und das zugehörige zweite Kennlinienfeld 6 werden bestimmt, indem der Motor unter verschiedenen Lasten betrieben wird, was verschiedene indizierte Mitteldrücke in der Hochdruckphase und gegebenenfalls auch verschiedene Füllungen zur Folge hat, wobei zur genauen Bestimmung des zweiten Kennlinienfeldes 6 die schon bestimmten temperaturabhängigen Verluste herausgerechnet werden.
Somit können alle nötigen Kennlinienfelder bestimmt werden und die Vorrichtung von 3 zur Motorsteuerung verwendet werden. Wie schon bei der Beschreibung von 3 erläutert, sind hier zwei Fälle zu unterscheiden:
Im ersten Fall wird auch in dem in ein Kraftfahrzeug eingebauten Verbrennungsmotor eine Messung des Drucks in den Brennkammern der Zylinder des Verbrennungsmotors durchgeführt. Hier kann das indizierte Moment in der Hochdruckphase pmi_HD,i aus 3 gemessen werden. Zudem können mittels der Informationen verschiedener Sensoren und der Kennlinienfelder 5–7 die aktuellen Verluste genau bestimmt werden, so dass der indizierte Sollmitteldruck in der Hochdruckphase pmi_HD,s genau bestimmt werden kann.
Im zweiten Fall ist im Fahrzeug keine Messung des Drucks in den Brennkammern der Zylinder vorgesehen. In diesem Fall kann pmi_HD,i nicht gemessen werden. Hier kann als Eingangsgröße des zweiten Kennlinienfeldes 6 lediglich der vorhergehende Sollwert benutzt werden, was einen gewissen Fehler ergibt. Durch die Berücksichtigung einer Vielzahl von Parameter durch die Kennlinienfelder 5–7 kann dieser Fehler jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich minimiert werden.
Selbstverständlich ist jedoch das im ersten Fall ermittelte indizierte Sollmittelmoment pmi_HD,s genauer.
In 4A und 4B ist das Verhalten einer Motorregelung gemäß dem ersten Fall dargestellt. M_es bezeichnet dabei das gewünschte bzw. effektive Motormoment entsprechend dem effektiven Mitteldruck pme, M_ei das tatsächlich erzeugte Moment. Wie 4A zeigt, liegen entsprechende Messpunkte sehr genau auf der Winkelhalbierenden, was eine sehr genaue Regelung bedeutet. In 4B sind die Abweichungen DM_e = M_ei – M_es dargestellt. Für geringe Momente um 50 Nm beträgt der Fehler maximal ca. 10%, für größere Motormomente ist der relative Fehler geringer.
In 5A und 5B sind Diagramme entsprechend den 4A und 4B für den zweiten Fall, bei welchem keine Messung des Brennkammerdrucks im Fahrzeug vorhanden ist, dargestellt. Auch hier ist eine gute Übereinstimmung zu bemerken, auch wenn die Abweichungen, wie insbesondere in 5B ersichtlich, größer als im ersten Fall sind.
Die vorliegende Erfindung lässt sich insbesondere für Dieselmotoren und deren Steuerung bzw. Regelung anwenden. Prinzipiell sind ähnliche Aufteilungen der Verluste jedoch auch bei anderen Motoren denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Gesamtverlust
2: temperaturabhängiger Verlustanteil
3: lastabhängiger Verlustanteil
4: Ladungswechselverlustanteil
5, 6, 7: Kennlinienfelder
9: Subtrahierer
10–12: Addierer
13: Subtrahierer
14, 15: Werteerzeuger
pmi_HD: indizierter Mitteldruck in der Hochdruckphase
pme: effektiver Mitteldruck
pmv: Verlustmitteldruck
pmi_ND: indizierter Mitteldruck in der Niederdruckphase
pmr: mechanischer Verlustmitteldruck
pmr_L: lastabhängiger Mitteldruck
pmr_T: temperaturabhängiger Mitteldruck
pmi_HD,i: Ist-indizierter Mitteldruck in der Hochdruckphase
pmi_HD,off: Offset des indizierten Mitteldrucks in der Hochdruckphase
n: Drehzahl
T: Temperatur
pmi_HD,corr: korrigierter indizierter Mitteldruck in der Hochdruckphase
f: Füllung
m_L.i: Luftmasse
p_L,e: Ladedruck
pmv₀: Basisverlustmitteldruck
pm_0,off: Offset des Basisverlustmitteldrucks
pmi_HD,s: Soll-indizierter Mitteldruck
M_es: effektives Sollmoment
M_ei: effektives Istmoment
DM_e: Abweichung

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei ein lastabhängiger Verlustanteil (3) ermittelt wird, wobei ein temperaturabhängiger Verlustanteil (2) ermittelt wird, wobei ein Ladungswechselverlustanteil (4) ermittelt wird, und wobei der Verlust (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einem Ladedruck (p_L,i) mindestens eines Zylinders des Verbrennungsmotors ermittelt wird.
Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei ein lastabhängiger Verlustanteil (3) ermittelt wird, wobei ein temperaturabhängiger Verlustanteil (2) ermittelt wird, wobei ein Ladungswechselverlustanteil (4) ermittelt wird, und wobei der Verlust (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der lastabhängige Verlustanteil (3) in Abhängigkeit von einer mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführten Treibstoffmenge ermittelt wird.
Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei ein lastabhängiger Verlustanteil (3) ermittelt wird, wobei ein temperaturabhängiger Verlustanteil (2) ermittelt wird, wobei ein Ladungswechselverlustanteil (4) ermittelt wird, und wobei der Verlust (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz über einen in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors vorgesehenen Partikelfilter ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der lastabhängige Verlustanteil (3) in Abhängigkeit von einem indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase (pmi_HD,i) einer Verbrennung des Verbrennungsmotors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der indizierte Mitteldruck in der Hochdruckphase (pmi_HD,i) durch Messung eines Druckes in mindestens einer Brennkammer des Verbrennungsmotors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der indizierte Mitteldruck in der Hochdruckphase (pmi_HD,i) durch einen Offset (pmi_HD,off) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als indizierter Mitteldruck in der Hochdruckphase (pmi_HD,i) ein Sollwert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase (pmi_HD,i) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der lastabhängige Verlustanteil (3) in Abhängigkeit von einem eine Füllung von Zylindern des Verbrennungsmotors beschreibenden Parameter (f) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Verlustanteil (2) in Abhängigkeit von einer im Verbrennungsmotor gemessenen Temperatur (T) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturabhängige Verlustanteil (2) in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (n) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einer mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführten Luftmasse (m_L,i) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einem Abgasgegendruck an einer in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors vorgesehenen Turbine ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lastabhängige Verlustanteil (3), der temperaturabhängige Verlustanteil (2) und der Ladungswechselverlustanteil (4) mit Hilfe eines jeweiligen Kennlinienfeldes (5, 6, 7) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinienfelder (5, 6, 7) an einem Motorprüfstand ermittelt werden, wobei mindestens ein Brennkammerdruck des Verbrennungsmotors gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennlinienfeld (5) für den temperaturabhängigen Verlustanteil (2) ermittelt wird, indem der Verbrennungsmotor bei verschiedenen Temperaturen und/oder Drehzahlen ohne Last betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das dem lastabhängigen Verlustanteil (3) zugeordnete Kennlinienfeld (6) ermittelt wird, indem der Verbrennungsmotor bei verschiedenen Lasten betrieben wird und der temperaturabhängige Verlustanteil (2) herausgerechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ladungswechselverlustanteil (4) zugeordnete Kennlinienfeld (7) ermittelt wird, indem ein indizierter Mitteldruck (pmi) über mindestens zwei Umdrehungen einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gemessen wird.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung Mittel (6) zum Ermitteln eines lastabhängigen Verlustanteils (3), Mittel (5) zum Ermitteln eines temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und Mittel (7) zum Ermitteln eines Ladungswechselverlustanteils (4) sowie Mittel zum Bestimmen des Verlustes (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zum Ermitteln des Ladungswechselverlustanteils (4) ausgestaltet sind, den Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einem Ladedruck (p_L,i) mindestens eines Zylinders des Verbrennungsmotors zu ermitteln.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung Mittel (6) zum Ermitteln eines lastabhängigen Verlustanteils (3), Mittel (5) zum Ermitteln eines temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und Mittel (7) zum Ermitteln eines Ladungswechselverlustanteils (4) sowie Mittel zum Bestimmen des Verlustes (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zum Ermitteln des lastabhängigen Verlustanteils ausgestaltet sind, den lastabhängigen Verlustanteil (3) in Abhängigkeit von einer mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors zugeführten Treibstoffmenge zu ermitteln.
Vorrichtung zum Bestimmen eines Verlustes (1) eines Verbrennungsmotors, wobei die Vorrichtung Mittel (6) zum Ermitteln eines lastabhängigen Verlustanteils (3), Mittel (5) zum Ermitteln eines temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und Mittel (7) zum Ermitteln eines Ladungswechselverlustanteils (4) sowie Mittel zum Bestimmen des Verlustes (1) als Summe des lastabhängigen Verlustanteils (3), des temperaturabhängigen Verlustanteils (2) und des Ladungswechselverlustanteils (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zum Ermitteln des Ladungswechselverlustanteils (4) eingerichtet sind, den Ladungswechselverlustanteil (4) in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz über einen in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors vorgesehenen Partikelfilter zu ermitteln.
Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein gewünschtes effektives Moment vorgegeben wird, dass ein Verlust des Verbrennungsmotors nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17 bestimmt wird, und dass ein indiziertes Moment als Summe des gewünschten Moments und des Verlusts bestimmt wird und eine Einspritzung des Verbrennungsmotors entsprechend dem indizierten Moment geregelt wird.
Motorsteuerungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerungsvorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20 zum Bestimmen eines Verlustes eines zu steuernden Verbrennungsmotors, Mittel zum Vorgeben eines gewünschten effektiven Moments und Mittel zur Regelung einer Einspritzung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von einer Summe zwischen dem gewünschten Moment und dem bestimmten Verlust (1) umfasst.