DE102005038159B4

DE102005038159B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005038159B4
Application number: DE102005038159.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Millich Elmar; Dr. Braun Holger; Helmut Sperling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2025-08-13
Also published as: DE102005038159A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Ventilsteuerzeiten von Einlassventil und Auslassventil eines jeweiligen Zylinders derart gewählt werden, dass sich die Öffnungsphasen von Einlassventil und Auslassventil über einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine überlappen (Ventilüberlappung) und eine sich daraus ergebende Abgasrückströmung während der Ventilüberlappung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Ventilüberlappung in einen jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine übergeströmte Abgasmenge m_f folgendermaßen berechnet wird,wobei A1, A2 Konstanten sind, tas ein Schließzeitpunkt des Auslassventils dieses Zylinders ist, teö ein Öffnungszeitpunkt des Einlassventils dieses Zylinders ist, klaf eine Ventilauslassfunktion ist, pz ein Druck in diesem Zylinder ist, pk ein Druck in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist und f ein Wichtungsfaktor zwischen 0 und 1 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Ventilsteuerzeiten von Einlassventil und Auslassventil eines jeweiligen Zylinders derart gewählt werden, dass sich die Öffnungsphasen von Einlassventil und Auslassventil über einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine überlappen (Ventilüberlappung) und eine sich daraus ergebende Abgasruckströmung während der Ventilüberlappung bestimmt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist üblich und bekannt, in einem Motorsteuergerät einer Brennkraftmaschine eine Füllungserfassung zu realisieren, die im Wesentlichen auf empirische Weise bzw. anhand von Modellen eine Füllung eines jeweiligen Zylinders der Brennkraftmaschine mit Gas bzw. Luftmasse bestimmt. Diese Füllung beinhaltet mehrere Komponenten. Ein Hauptanteil dieser Füllung ist selbstverständlich frische Verbrennungsluft. Zur Reduzierung von Schadstoffemissionen mit dem Abgas der Brennkraftmaschine ist es ferner bekannt, eine Ventilüberlappung vorzusehen, d. h. die Öffnungszeiten von Einlassventil und Auslassventil eines jeden Zylinders überlappen sich für einen vorbestimmten Zeitraum. Hierdurch wird eine so genannte interne Abgasrückführung erzielt, wobei ein Teil des Abgases zurück in den Zylinder strömt und dem nächsten Verbrennungsvorgang unterzogen wird, wodurch Schadstoffe zusätzlich abgebaut werden. Bei diesen Konzepten beinhaltet die Füllung des Zylinders nicht nur die frische Verbrennungsluft sondern anteilig auch ein gewisses Volumen an Abgas.
Bei bekannten Konzepten wird zur Berechnung der Abgasrückströmung während der Ventilüberlappung davon ausgegangen, dass sich der Zylinderdruck während der gesamten Überströmungszeit konstant auf dem Niveau des Saugrohrdruckes befindet. Tatsächlich liegt jedoch ein komplexeres, drehzahlabhängiges Verhalten vor. Eine daraus resultierende fehlerhafte Füllungsberechnung ergibt sich insbesondere bei gleichzeitigem Einbau von variabler Einlass- und Auslassnockenwelle, da die variablen Ventilsteuerzeiten von den herkömmlichen Verfahren zur Füllungserfassung nicht berücksichtigt werden können.
Im Dokument EP 1 495 220 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine beschrieben, in welchem Ventilsteuerzeiten von Einlassventil und Auslassventil eines jeweiligen Zylinders derart gewählt werden, dass sich die Öffnungsphasen von Einlassventil und Auslassventil über einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine überlappen, und in welchem eine sich daraus ergebende Abgasrückströmung während der Ventilüberlappung bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Füllungserfassung insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit variablen Ventilsteuerzeiten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, erfindungsgemäß vorgesehen, dass die während der Ventilüberlappung in einen jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine übergeströmte Abgasmenge m_f folgendermaßen berechnet wird,
wobei A1, A2 Konstanten sind, tas ein Schließzeitpunkt des Auslassventils dieses Zylinders ist, teö ein Öffnungszeitpunkt des Einlassventils dieses Zylinders ist, klaf eine Ventilauslassfunktion ist, pz ein Druck in diesem Zylinder ist, pk ein Druck in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist und f ein Wichtungsfaktor zwischen 0 und 1 ist.
Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der physikalisch nahen Funktionsbildung Ungenauigkeiten bei der Berechnung der Füllung des Zylinders in einem Motorsteuergerät reduziert sind und eine präzise Auslegung eines Motorsystems mit starker interner Abgasrückführung möglich wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Wichtungsfaktor f in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl nmot und einer von einem Saugrohrdruck ps abgeleiteten Last aus einem Applikationsfeld KF_f bestimmt, wobei das Applikationsfeld KF_f ein anhand von Prüfstandsmessungen erstelltes Kennfeld für f als Funktion von nmot und ps ist.
Zur vereinfachten Berechnung der Füllung wird für den zweiten Summanden der Berechnungsformel für m_f der Druck um Zylinder pz gemäß folgender Formel bestimmt, pz = (pk – ps) / 2 und wird für den ersten Summanden der Berechnungsformel für m_f der Druck im Zylinder pz gemäß folgender Formel bestimmt, pz = pk·( V0 / V(t))^k wobei pk der Druck in dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist, ps der Druck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine ist, V0 das Totvolumen des Zylinders, d. h. verbleibendes Restvolumen am oberen Totpunkt ist, V(t) das zeitabhängige Zylindervolumen ist (ergibt sich aus der Kurbelwellenposition) und k der Adiabatenexponent (1,4 für Luft) ist.
Zweckmäßigerweise wird der Schließzeitpunkt tas für das Auslassventil mittels einer variablen Auslassnockenwelle und/oder der Öffnungszeitpunkt teö für das Einlassventil mittels einer variablen Einlassnockenwelle verändert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der 1 ein schematisches Blockschaltbild, welches das erfindungsgemäße Verfahren schematisch veranschaulicht.
In der momentbasierten Motorsteuerung für Ottomotoren erfolgt die Berechnung der zur Verbrennung kommenden Luftmasse im Zylinder aus dem Saugrohrdruck unter Berücksichtigung des gemessenen oder modellierten Saugrohrdrucks (ps). Um eine hinreichende Genauigkeit zu erzielen, ist dabei die Berechnung der im Zylinder verbleibenden Restabgasmenge notwendig. Im Falle der Ventilüberlappung während des Ladungswechsels (Einlassventil öffnet bevor Auslassventil schließt) wird die Restabgasmenge aus folgenden zwei Komponenten in zeitlicher Hinsicht zusammengesetzt berechnet: Der Restabgasmenge, die sich zum Zeitpunkt Einlassventil öffnet (teö) im Totvolumen befindet, und der Abgasmenge, die zwischen den Zeitpunkten Einlassventil öffnet (teö) und Auslassventil schließt (tas) in den Zylinder strömt bzw. ins Saugrohr überströmt und im weiteren Arbeitsspielverlauf wieder angesaugt wird (interne Abgasrückführung).
Gegenstand der zu vorliegenden Erfindung ist die Berechnung der zweiten Abgasrestkomponente (Überströmungsanteil).
Der Abgasmassenstrom zwischen Krümmervolumen und Zylinder über das Auslassventil im Überströmungsintervall (Einlassventil öffnet – Auslassventil schließt) ist im wesentlichen vom Verhältnis der Drücke in beiden Volumina abhängig und wird über die bekannte Ventilausflussfunktion klaf berechnet. Für den Druckverlauf im Zylinder pz(t) werden die beiden folgenden idealisierten Extremfälle unterschieden.

1. Niedrige Drehzahl (Funktionsblock 10 FB_n in der 1): Der Einfluss der langsamen Kolbenbewegung ist (idealisiert) zu vernachlässigen und es stellt sich ein konstantes Überströmen zwischen Krümmervolumen und Saugrohr ein. Da Einlass- und Auslassventil von der Größe her vergleichbare Strömungswiderstände darstellen, stellt sich im Zylinder ein konstanter Druck auf halbem Niveau (ps – pk)/2 ein. Die Berechnung der übergeströmten Gasmenge m_n ergibt sich durch Multiplikation mit dem Zeitintervall der Überströmung (tas – teö). Insgesamt wird somit für den Fall niedriger Drehzahl die übergeströmte Gasmenge m_n im Funktionsblock 10 FB_n mit den Eingangswerten pk, ps und ggf. (vas – veo) gemäß folgender Formel berechnet: m_n = +[A2·klaf( pz / pk)·(tas – teö)·f] mit pz = (pk – ps) / 2 wobei A2 eine Konstante ist, tas ein Schließzeitpunkt des Auslassventils dieses Zylinders ist, teö ein Öffnungszeitpunkt des Einlassventils dieses Zylinders ist, klaf eine Ventilauslassfunktion ist, pz ein Druck in diesem Zylinder ist und pk ein Druck in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist.
2. Hohe Drehzahl (Kennfeld 12 KF_h in der 1): Aufgrund der schnellen Kolbenbewegung wird idealisiert der Massenzufluss über die Ventile vernachlässigt, so dass sich das Druckniveau pz rein adiabatisch aus der Zylindervolumenänderung ergibt. Somit hängt das für den Abgasmassenstrom entscheidende Druckverhältnis nur noch von den Geometriedaten des Motors und den Ventilschließ- bzw. Öffnungszeiten teö und tas ab. Die übergeströmte Abgasmenge lässt sich in Abhängigkeit von teö und tas aufintegrieren und kann in dem numerisch bestimmten Kennfeld 12 KF_h abgelegt werden. Durch die Adressierung des Kennfelds KF_h mit den Ventilsteuerzeiten teö und tas als unabhängige Parameter wird sichergestellt, dass bei variabler Einlass- und Auslassnockenwelle nicht nur der Überlappungsdauer, sondern auch deren konkrete Position im Arbeitsspiel Rechnung getragen wird. Insgesamt wird somit im Block 12 für den Fall hoher Drehzahl die übergeströmte Gasmenge m_h im Kennfeld 12 KF_h gemäß folgender Formel mit den Eingangswerten tas und teö berechnet:
mit pz = pk·( V0 / V(t))^k wobei A1 eine Konstante ist, tas ein Schließzeitpunkt des Auslassventils dieses Zylinders ist, teö ein Öffnungszeitpunkt des Einlassventils dieses Zylinders ist, klaf eine Ventilauslassfunktion ist, pz ein Druck in diesem Zylinder ist, pk ein Druck in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist, V0 das Totvolumen des Zylinders, d. h. verbleibendes Restvolumen am oberen Totpunkt ist, V(t) das zeitabhängige Zylindervolumen ist (ergibt sich aus der Kurbelwellenposition) und k der Adiabatenexponent (1,4 für Luft) ist.

Funktionsblock 14 in der 1 veranschaulicht ein Applikationsfeld KF_f, welches einen Wichtungsfaktor f zwischen 0 und 1 als Ausgang hat. Dieser Wichtungsfaktor f wird in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl nmot und einer aus dem Saugrohrdruck ps abgeleiteten Last bestimmt.
Über das Kennfeld KF_h 12 und den Funktionsblock FB_n 10 werden die übergeströmten Abgasmengen idealisiert für niedrige Drehzahl (m_n) und für hohe Drehzahl (m_h) als durch die Ventilsteuerzeiten bestimmten Extrema berechnet. Mit dem Applikationskennfeld KF_f 14, wird die real übergeströmte Abgasmenge m_f in Abhängigkeit von Drehzahl nmot und Last ps anhand von Prüfstandmessungen eingestellt. Hierzu wird im Block 16 der Wichtungsfaktor f mit dem idealisierten Wert für die übergeströmte Abgasmenge m_n bei niedriger Drehzahl multipliziert. Weiterhin wird in Block 18 der Wichtungsfaktor f von 1 abgezogen. Der sich hieraus ergebende komplementäre Wichtungsfaktor (1-f) wird im Block 20 mit dem idealisierten Wert für die übergeströmte Abgasmenge m_h bei höher Drehzahl multipliziert. Abschließend wird im Block 22 durch Addition der gewichteten Werte für m_n und m_h die real übergeströmte Abgasmenge m_f bestimmt.
Der Wichtungsfaktor f bestimmt somit den jeweiligen Anteil der beiden Extremwerte m_n und m_h der übergeströmten Abgasmenge bei niedriger bzw. hoher Drehzahl an der insgesamt real übergeströmte Abgasmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl nmot und der Last (abgeleitete vom Saugrohrdruck ps).

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Ventilsteuerzeiten von Einlassventil und Auslassventil eines jeweiligen Zylinders derart gewählt werden, dass sich die Öffnungsphasen von Einlassventil und Auslassventil über einen vorbestimmten Zeitabschnitt des Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine überlappen (Ventilüberlappung) und eine sich daraus ergebende Abgasrückströmung während der Ventilüberlappung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die während der Ventilüberlappung in einen jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine übergeströmte Abgasmenge m_f folgendermaßen berechnet wird,
wobei A1, A2 Konstanten sind, tas ein Schließzeitpunkt des Auslassventils dieses Zylinders ist, teö ein Öffnungszeitpunkt des Einlassventils dieses Zylinders ist, klaf eine Ventilauslassfunktion ist, pz ein Druck in diesem Zylinder ist, pk ein Druck in einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist und f ein Wichtungsfaktor zwischen 0 und 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wichtungsfaktor f in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl nmot und einer von einem Saugrohrdruck ps abgeleiteten Last aus einem Applikationsfeld KF_f bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationsfeld KF_f ein anhand von Prüfstandsmessungen erstelltes Kennfeld für f als Funktion von nmot und ps ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Summanden der Berechnungsformel für m_f der Druck im Zylinder pz gemäß folgender Formel bestimmt wird, pz = pk·( V0 / V(t))^k wobei pk der Druck in dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist, V0 das Totvolumen des Zylinders, V(t) das zeitabhängige Zylindervolumen ist und k der Adiabatenexponent ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten Summanden der Berechnungsformel für m_f der Druck um Zylinder pz gemäß folgender Formel bestimmt wird, pz = (pk – ps) / 2 wobei pk der Druck in dem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine ist und ps der Druck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließzeitpunkt tas für das Auslassventil mittels einer variablen Auslassnockenwelle verändert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt teö für das Einlassventil mittels einer variablen Einlassnockenwelle verändert wird.