DE102004044814A1 - Combustion process simulating method for internal combustion engine, involves creating simulation model by considering energy and mass balances, and issuing controlling and/or adjustment parameter of engine by inputting input parameter - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine, wobei ein thermodynamisches Motorsimulationsmodell erstellt wird.The The present invention relates to a method for simulating the Combustion process in an internal combustion engine, wherein a thermodynamic Engine simulation model is created.
Die thermodynamischen Zusammenhänge zur Simulation des Verbrennungsvorganges in Brennkraftmaschinen sind bekannt.The thermodynamic relationships to Simulation of the combustion process in internal combustion engines are known.
Bei Betrieb von Brennkraftmaschinen werden in der Regel elektronische Steuerungsverfahren eingesetzt. Mit der zunehmenden Komplexität von Motoren werden derartige Steuerverfahren immer aufwendiger. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, zum Vorgeben von Steuersignalen thermodynamische Computermodelle zu verwenden.at Operation of internal combustion engines are usually electronic Control method used. With the increasing complexity of engines Such control methods are becoming more and more expensive. It is in this Connection known for giving control signals thermodynamic To use computer models.
Herkömmlicherweise
werden für
die Steuerung von Brennkraftmaschinen Softwarepakete zur Motormodellierung
eingesetzt, bei denen die Ansätze thermodynamischer
Natur sind. Hierdurch kann bspw. bei einem Einspritzen auf einen
elektromotorischen Starter verzichtet werden, wenn bspw. die Steuerung
die einzuspritzende Menge Kraftstoff exakt berechnen kann und in
den Brennraum, dessen zugehöriger
Kolben im Arbeitstakt oder Kompressionstakt steht, einspritzt. Derartige
Verfahren sind bspw. aus der
Herkömmliche Modelle sind nicht in der Lage, einen Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine bei Drehzahlen n = 0 oder n < 0, d.h. entgegengesetzte Drehrichtung, zu berücksichtigen, sie sind lediglich für Drehzahlen n > 0 einsetzbar.conventional Models are unable to burn in one Internal combustion engine at speeds n = 0 or n <0, i. opposite direction of rotation, to take into account they are only for Speeds n> 0 can be used.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Simulation von Verbrennungsvorgängen bereitzustellen, das durch Berücksichtigung aller wichtigen physikalischen Parameter eine genaue Abbildung der physikalischen Abläufe beim Verbrennungsvorgang insbesondere für alle Drehzahlen wiedergibt und dabei einen im Hinblick auf den benötigten Zeit- und Rechenkapazitätsaufwand effektiven Einsatz in Forschung und Entwicklung ermöglicht.task The invention is to provide a method for simulating combustion processes. that by consideration of all important physical parameters an accurate picture of physical processes reproduces during the combustion process in particular for all speeds and one with regard to the time and computing capacity required effective use in research and development.
Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Simulation eines Verbrennungsvorganges, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.In front In this background, the present invention provides a method for simulating a combustion process, furthermore a device, who uses this method and finally a corresponding computer program and a computer program product according to the independent claims. Advantageous embodiments will be apparent from the respective subclaims and the following description.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulation des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine, wird ein thermodynamisches Motorsimulationsmodell unter Berücksichtigung der Energiebilanz, der Massenbilanz und der Gaszustandsgleichung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine sowie im Einlaß- und Auslaßsystem erstellt, wobei unter Eingabe wenigstens eines Eingabeparameters wenigstens ein Ausgabeparameter ausgegeben wird. Durch dieses Verfahren wird es möglich, für alle Drehzahlen n < 0, n = 0 und n > 0 Verbrennungen in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zu simulieren. Dadurch kann insbesondere eine genaue Simulation des Motorstarts erstellt werden.at the method according to the invention for simulating the combustion process in an internal combustion engine, a thermodynamic engine simulation model is considered the energy balance, the mass balance and the gas state equation in each cylinder of the internal combustion engine and in the intake and exhaust system created by entering at least one input parameter at least one output parameter is output. By this procedure will it be possible for all Rotational speeds n <0, n = 0 and n> 0 burns in to simulate a cylinder of an internal combustion engine. This can In particular, a precise simulation of the engine start can be created.
Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- – Durchflussberechnung durch ein Drosselklappe der Brennkraftmaschine,
- – thermodynamische Berechnung von Druck und Temperatur in einem Saugrohr und im Auslasssystem der Brennkraftmaschine,
- – Durchflussberechnung durch die Steuerventile der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von kurbelwinkelabhängigen Ventil-Erhebungskurven oder freier Ansteuerung der Ventile,
- – thermodynamische Berechung von Druck und Temperatur im Brennraum der Brennkraftmaschine mit kontinuierlicher Berechung des resultierenden Moments an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine,
- – Berechung der Temperatur der Brennkraftmaschine.
- Flow calculation by a throttle valve of the internal combustion engine,
- Thermodynamic calculation of pressure and temperature in a suction pipe and in the exhaust system of the internal combustion engine,
- Flow calculation by the control valves of the internal combustion engine, taking into account crank angle-dependent valve elevation curves or free actuation of the valves,
- Thermodynamic calculation of pressure and temperature in the combustion chamber of the internal combustion engine with continuous calculation of the resulting torque at the crankshaft of the internal combustion engine,
- - Calculation of the temperature of the internal combustion engine.
Diese Verfahrensschritte ermöglichen eine genaue Wiedergabe der physikalischen Abläufe bei einem Verbrennungsvorgang, wobei gleichzeitig der notwendige Zeit- und Rechenkapazitätsaufwand in einem handhabbaren Rahmen bleibt.These Allow process steps an exact reproduction of the physical processes in a combustion process, where at the same time the necessary time and computing capacity remains within a manageable framework.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich wenigstens einer der folgenden Schritte durchgeführt:
- – Berechnung der aktuellen Einspritzzeiten auf Basis eines einstellbaren Verbrennungsluftverhältnisses,
- – Berechung des momentanen Kraftstoffverbrauchs,
- – Berechung der Reibleistung,
- – Berechung der inneren Arbeit in den Zylindern der Brennkraftmaschine.
- Calculation of the current injection times on the basis of an adjustable combustion air ratio,
- - calculation of the current fuel consumption,
- - calculation of the frictional loss,
- - Calculation of the internal work in the cylinders of the internal combustion engine.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens setzt in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Ein- oder Zwei-Zonen-Modell zur Simulation der Verbrennung ein. Dieses Ein- oder Zwei-Zonen-Modell erweist sich als in der Praxis besonders leicht handhabbar.A particularly preferred embodiment of the method starts in each cylinder of the internal combustion engine One or two-zone model to simulate combustion. This one or two-zone model proves to be particularly easy to handle in practice.
Vorteilhafterweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulation der Verbrennung in jedem Zylinder ein quasidimensionales Modell eingesetzt. Dadurch ist es möglich, die Abhängigkeit der Flammenfläche von der Brennraumgeometrie in rechnerisch besonders einfacher Weise zu berücksichtigen.advantageously, is in the process of the invention to simulate the combustion in each cylinder a quasi-dimensional Model used. This makes it possible the dependency the flame surface from the combustion chamber geometry in a computationally simple manner to take into account.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden Wandwärmeverluste mittels einer Reynolds-Analogie berücksichtigt. Diese Art der Berücksichtigung der Wandwärmeverluste erweist sich in der Praxis als besonders zuverlässig.In a preferred embodiment the process become wall heat losses taken into account by means of a Reynolds analogy. This type of consideration the wall heat losses proves to be particularly reliable in practice.
Vorteilhafterweise werden in dem Verfahren Leckage-Verluste und Ladungswechsel mit einer isentropischen Durchflußgleichung berücksichtigt, wobei die Massen und Enthalpien in jedem Zylinder und in dem Ein- und Auslaßsystemen mit Einbeziehung des Luft-, Kraftstoff- und Restgasanteils in Abhängigkeit des jeweiligen Temperatur- und Druckwertes berücksichtigt werden.advantageously, in the process leakage losses and charge exchange with an isentropic flow equation taken into account, the masses and enthalpies in each cylinder and in the intake and exhaust systems with inclusion of the air, fuel and residual gas content depending on of the respective temperature and Pressure value taken into account become.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Drehmomentenbilanz das Gasfederelement jedes Zylinders und die Motorreibung in Abhängigkeit des Kurbelwinkels, der Drehzahl und des Brennraumdruckes berücksichtigt. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens.In a preferred embodiment of the method according to the invention is in the torque balance, the gas spring element of each cylinder and the engine friction in dependence the crank angle, the speed and the combustion chamber pressure considered. This increases the accuracy of the procedure.
Besonders bevorzugt ist für das Verfahren, dass mittels einer Arbeitsprozeßrechnung unter Verwendung des 2-Zonen-Modells der Brennraumdruck in jedem Zylinder berechnet wird, wobei aus dem berechneten Brennraumdruck das innere Moment der einzelnen Zylinder berechnet und in die Drehmomentenbilanz eingespeist wird, wobei die Reibung abgezogen wird.Especially is preferred for the method that using a labor process using using of the 2-zone model the combustion chamber pressure is calculated in each cylinder, taking from the Calculated combustion chamber pressure the internal moment of each cylinder calculated and fed into the torque balance, where the friction is subtracted.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Drehmomentenbilanz die Kurbelbeschleunigung bestimmt und daraus durch Integration die Drehzahl und daraus durch Integration die Kolbenposition, die in der Arbeitsprozeßrechnung eingesetzt wird, berechnet. Hiermit sind sehr zuverlässige Berechnungen der Drehzahl und der Kolbenposition möglich.advantageously, is in the inventive method determined from the torque balance, the crank acceleration and from this, the integration of speed and integration the piston position used in the work process calculation calculated. Hereby are very reliable calculations of the speed and the piston position possible.
Erfindungsgemäß wird ein weiteres Verfahren zur Steuerung und/oder Einstellung einer Brennkraftmaschine durch Festlegung von wenigstens einem Steuerungs- und/oder Einstellungsparameter bereitgestellt, wobei der wenigstens eine Steuerungs- und/oder Einstellungsparameter als Ausgabeparameter einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen ersten Verfahrens gewonnen wird. Beispielsweise kann die Kraftstoffmenge als Steuerungs- und/oder Einstellungsparameter gewonnen werden, die optimal geeignet ist, die Brennkraftmaschine bzw. den Motor unter Einsatz von gezielt bewirkten Verbrennungen in Vorwärtsrichtung zu starten. Zweckmäßigerweise wird eine erste Verbrennung hierbei im Arbeitstakt eingeleitet.According to the invention is a Another method for controlling and / or adjusting an internal combustion engine provided by establishing at least one control and / or adjustment parameter, wherein the at least one control and / or adjustment parameters as output parameters of an embodiment of the first invention Method is obtained. For example, the amount of fuel as a control and / or Setting parameters are obtained which is optimally suited the internal combustion engine or the engine using targeted caused burns in the forward direction to start. Conveniently, a first combustion is initiated here in the working cycle.
Es ist jedoch auch möglich, eine erstmalige Verbrennung in einem Kompressionstakt zu bewerkstelligen, um eine Rückwärtsdrehung zu erzeugen, welche eine Vorverdichtung des Gemisches im Arbeitstakt verursacht. Mit einer derartigen Vorverdichtung kann dann erst anschließend im Arbeitstakt die Verbrennung einsetzen, wobei die größten Vorteile einer Verbrennung mit vorverdichtetem Gemisch im Arbeitstakt ausgenutzt werden können.It but it is also possible to accomplish a first combustion in a compression stroke, a reverse rotation to produce which a pre-compression of the mixture in the working cycle caused. With such a pre-compression can then only then in the Working cycle to use the combustion, with the biggest advantages of a Combustion with precompressed mixture exploited in the power stroke can be.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung führt alle Schritte eines oder beider erfindungsgemäßen Verfahren durch.A inventive device leads everyone Steps of one or both methods of the invention by.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcodemitteln ist dazu ausgelegt alle Schritte eines oder beider erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, wenn dieses Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, durchgeführt wird.The inventive computer program with Program code means is designed for all steps of one or both methods of the invention perform, if this computer program is on a computer or equivalent Arithmetic unit, in particular a device according to the invention, is performed.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist zur Durchführung eines oder beider erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, wenn dieses Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, durchgeführt wird.The Computer program product according to the invention with program code means stored on a computer-readable medium, is to carry one or both methods of the invention provided when this computer program on a computer or a corresponding computing unit, in particular a device according to the invention, carried out becomes.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further Advantages and embodiments of the invention will become apparent from the Description and attached drawing.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It understands that the mentioned above and the features to be explained below not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The Invention is based on an embodiment schematically shown in the drawing and is below under Referring to the drawings described in detail.
Figurenbeschreibungfigure description
Eine
erste, in
Die
Einheit
Die
erste Einheit
Aus
der ersten Einheit
Die
Einheit
Einheit
Einheit
Ferner
wird der Einheit
In dem Motormodell werden der Durchfluss durch die Drosselklappe des Motors ermittelt, es werden Druck und Temperatur im Saugrohr thermodynamisch berechnet, ferner wird der Durchfluss durch die Steuerventile berechnet. Die Stellung der Ventile kann frei angesteuert sein. Es kann auch eine sogenannte Ventilerhebungskurve, d.h. die Ortskurve des Ventils als Funktion des Kurbelwinkels, verwendet werden.In The engine model is the flow through the throttle of the Motors determines that pressure and temperature in the intake manifold become thermodynamic calculated, further, the flow is calculated by the control valves. The position of the valves can be freely controlled. It can also a so-called valve lift curve, i. the locus of the valve as a function of the crank angle.
Es findet ferner eine thermodynamische Berechnung von Druck und Temperatur im Brennraum statt, und das resultierende Moment wird kontinuierlich berechnet. Daraus wird die Motortemperatur als ganzes berechnet.It also finds a thermodynamic calculation of pressure and temperature in the combustion chamber, and the resulting moment becomes continuous calculated. From this, the engine temperature is calculated as a whole.
Berechnungen betreffend die aktuellen Einspritzzeiten auf Basis des einstellbaren Verbrennungsluftverhältnisses können angestellt werden. Der momentane Kraftstoffverbrauch, die Reibleistung und die innere Arbeit im Zylinder können berechnet werden.calculations concerning the current injection times based on the adjustable Combustion air ratio can be set become. The current fuel consumption, the frictional loss and the inner work in the cylinder can be calculated.
In diesem Verfahren wird eine Vielzahl von Parametern verwendet, die mechanische und thermodynamische Größen betreffen.In This method uses a variety of parameters that concern mechanical and thermodynamic quantities.
Schematisch
sind diese Größen in
Die
Momentenbilanz
In
einem Block
Im
einzelnen:
Die mechanische oder elektronische Drosselklappe wird
modelliert, wobei ihre mechanischen Eigenschaften einbezogen werden.
Damit wird die effektive freie Querschnittsfläche und die tatsächliche
absolute Winkelstellung der Drosselklappe bestimmt.In detail:
The mechanical or electronic throttle is modeled, incorporating its mechanical properties. This determines the effective free cross-sectional area and the actual absolute angular position of the throttle.
Es wird der gesamte Massenfluss in das Saugrohrvolumen berechnet. Evtl. werden Steller für Leerlaufsteller, Abgasrückführventil, Tankentlüftungsventil und Einspritzventil einbezogen.It the total mass flow into the intake manifold volume is calculated. Possibly. become actuators for idle actuators, Exhaust gas recirculation valve, Tank ventilation valve and injector included.
Es wird der gesamte Enthalpiefluss in das Saugrohrvolumen berechnet. Die Zuführung thermodynamischer Größen wie Druck und Temperatur dient diesen Berechnungen.It the total enthalpy flow into the intake manifold volume is calculated. The feeder thermodynamic quantities like Pressure and temperature are used for these calculations.
Der Wärmeübergang aus dem Saugrohrvolumen in die Saugrohrwand wird berechnet, die Wandtemperatur aus der Wärmeflussbilanz wird berechnet.Of the Heat transfer from the suction pipe volume into the suction pipe wall is calculated, the wall temperature from the heat flow balance is being computed.
Anschließend werden die Steuerventile modelliert. Die freie Querschnittsfläche wird berechnet, danach der Massendurchfluss. Hierbei kann eine Ventilerhebungskurve einbezogen werden, die Ventile können aber auch extern frei angesteuert werden.Then be the control valves are modeled. The free cross-sectional area is calculated, then the mass flow. This can be a valve lift curve can be included, the valves can but also externally controlled freely.
Zusätzlich gibt es ein Modell für die Einspritzventile. Der aktuelle Kurbelwellenwinkel muss dabei berücksichtigt werden sowie der Zylinder-Offset, die Einspritzzeit und der Einspritzbeginn. Es wird der aktuelle Kraftstoff-Fluss durch das Einspritzventil berechnet.In addition there it's a model for the injectors. The current crankshaft angle must be taken into account and the cylinder offset, injection time and start of injection. It will be the current fuel flow through the injector calculated.
Zentrales Element des Verfahrens ist das thermodynamische Zylinderdruckmodell, in dem der Massenstrom (durch Einlassventil, Auslassventil und Einspritzventil) in den Brennraum, die Zusammensetzung des Brennrauminhalts (Frischluft, Kraftstoff und Inertgas bzw. Verbrennungsprodukt), der Enthalpiestrom in den Brennraum unter Berücksichtigung dieser Größen und der Zustand (Druck, Temperatur) berechnet werden. Zylinderwandtemperatur (Bilanzgleichung von zufließender und abfließender Wärme), Wandwärmeverluste (Verwendung der Hohenbergformel mit Zylinderdurchmesser und Kurbelradius, Kolbenposition etc.) und Kinematik des Kurbeltriebs werden einbezogen. Aus Brennraumdruck und der Kinematik des. Kurbeltriebs wird das Drehmoment auf die Kurbelwelle berechnet. Zustandsgrößen im Brennraum werden als Vektor erfasst. Hierzu gehören Kolbenposition, Kolbengeschwindigkeit, das Brennraumvolumen und Hilfsgrößen für die Berechnung des Drehmoments auf die Kurbelwelle und für die Brennraum-Zustandsberechnung.central Element of the process is the thermodynamic cylinder pressure model, in which the mass flow (through inlet valve, exhaust valve and injector) into the combustion chamber, the composition of the combustion chamber contents (fresh air, Fuel and inert gas or combustion product), the enthalpy stream taking into account the combustion chamber these sizes and the condition (pressure, temperature) can be calculated. Cylinder wall temperature (Balance sheet equation of incoming and more effluent Heat), wall heat losses (Use of Hohenberg formula with cylinder diameter and crank radius, piston position etc.) and kinematics of the crank mechanism are included. From combustion chamber pressure and the kinematics of the. Crankshaft is the torque on the Calculated crankshaft. State variables in the combustion chamber are called Vector captured. These include Piston position, piston speed, the combustion chamber volume and Auxiliary quantities for the calculation the torque on the crankshaft and for the combustion chamber state calculation.
Die Berechnung der Verbrennung wird gestartet, wenn der Kurbelwinkel den Zündwinkel überschritten hat.The Calculation of combustion is started when the crank angle exceeded the ignition angle Has.
Das momentane Drehmoment auf die Kurbelwelle ergibt sich als Differenz aus den Momenten, die aus den Gaskräften auf die Kolben (Verbrennung) resultieren, und den Momenten, die aus den Zentrifugalkräften auf den Kurbeltrieb resultieren.The instantaneous torque on the crankshaft results as a difference from the moments that result from the gas forces on the pistons (combustion) and the moments that result from the centrifugal forces on the crank mechanism.
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EP1667043A1 (en) | 2006-06-07 |
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Legal Events
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