DE102006003265A1

DE102006003265A1 - Verfahren zur Bestimmung des Schleppdruckverlaufes in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006003265A1
Application number: DE200610003265
Authority: DE
Inventors: Immo Müller de Vries; Jörg Röhling; Thorsten Schmidt; Torsten Wendler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: DE102006003265B4

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine genaue Bestimmung des Schleppdruckverlaufes in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine mit geringem messtechnischen Aufwand ermöglicht. Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, den Schleppdruckverlauf, ausgehend von einem ersten Druckwert auf Grundlage der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung, in mehreren Abschnitten zu berechnen, wobei den einzelnen Abschnitten individuelle Werte für den Polytropenexponent zugeordnet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schleppdruckverlaufes in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Entsprechend der DE 103 56 133 B4 ist ein Verfahren vorbekannt, um ein Verbrennungsmerkmal durch die Auswertung des verbrennungsbedingten Drehmomentanteils zu gewinnen. Dazu wird von einem gemessenen Gesamtdrehmomentverlauf der Drehmomentanteil, resultierend aus Kompression und Expansion, abgezogen. Der Drehmomentanteil, resultierend aus Kompression und Expansion, wird auf Grundlage der Kinematik des Kurbeltriebes und aus dem Schleppdruckverlauf bestimmt. Der Schleppdruckverlauf wird über eine polytrope Kompression und Expansion berechnet. Dabei wird angenommen, dass der zu Beginn der Kompression in dem Zylinder der Brennkraftmaschine vorherrschende Druck dem mittleren Ladedruck in der Ansaugleitung entspricht.

Es ist jedoch von Nachteil, dass der Schleppdruckverlauf dabei lediglich in Abhängigkeit des Volumens bestimmt wird. Der reale Schleppdruckverlauf wird durch den Wärmeübergang beeinflusst, so dass das Maximum des Schleppdruckes vor dem Volumenminimum, d. h. vor dem geometrischen oberen Totpunkt, liegt. Weiterhin sind die Gradienten des Schleppdruckverlaufes in der Realität in Kompression und Expansion unterschiedlich. In Bezug auf eine korrekte Bestimmung des verbrennungsbedingten Drehmomentanteils gemäß dem Stand der Technik ist es daher von Bedeutung, den Schleppdruckverlauf auf einfache Weise möglichst genau zu erfassen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine genaue Bestimmung des Schleppdruckverlaufes in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine mit geringem messtechnischen Aufwand ermöglicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, den Schleppdruckverlauf ausgehend von einem ersten Druckwert, auf Grundlage der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung, in mehreren Abschnitten zu berechnen, wobei den einzelnen Abschnitten individuelle Werte für den Polytropenexponent zugeordnet werden. Durch diese Vorgehensweise wird auf einfache Weise der Schleppverlauf realitätsnah beschrieben, da der den Schleppverlauf in verschiedenen Abschnitten beeinflussende Wärmeübergang gezielt in Form von individuellen Werten für den Polytropenexponent berücksichtigt wird. Insbesondere werden die Gradienten des Schleppdruckverlaufes in den Abschnitten Kompression und Expansion auf diese Weise korrekt abgebildet. In Folge dessen kann eine genauere Bestimmung des verbrennungsbedingten Drehmomentanteils gemäß dem Stand der Technik erfolgen.

Erfindungsgemäß sind zunächst lediglich zwei Abschnitte zur Bestimmung des Schleppdruckverlaufes vorgesehen. Der erste Abschnitt erstreckt sich zwischen einem ersten Startpunkt und einem ersten Endpunkt im Bereich des Kompressionstaktes der Brennkraftmaschine in Drehrichtung derselben. Der zweite Abschnitt erstreckt sich zwischen einem zweiten Startpunkt und einem zweiten Endpunkt im Bereich des Expansionstaktes der Brennkraftmaschine in Drehrichtung derselben. Durch diese Aufteilung wird auf sehr einfache Weise die Beeinflussung des Schleppdruckverlaufes durch dem Wärmeübergang berücksichtigt.

Eine Verknüpfung der beiden Abschnitte wird erfindungsgemäß auf einfache Weise dadurch erreicht, dass dem Startpunkt des zweiten Abschnittes der Druckwert zugeordnet wird, welcher dem errechneten Druck am Ende des ersten Abschnittes entspricht. Für das erfindungsgemäße Verfahren sind lediglich Informationen über das Volumen in Abhängigkeit des Drehwinkels der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine sowie individuelle Werte für den Polytropenexponenten erforderlich. Aufwendige Messtechnik sowie umfangreiche rechentechnische Ressourcen sind nicht erforderlich.

Der erste Druckwert, auf dessen Grundlage der Schleppdruckverlauf in den einzelnen Abschnitten bestimmt wird, ist erfindungsgemäß vorteilhaft einem Kennfeld zu entnehmen. Dieses Kennfeld umfasst empirisch in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand bestimmte Werte. Alternativ ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den ersten Druckwert dem mittleren gemessenen Druck in der Ansaugleitung gleichzusetzen. Ausserdem ist es möglich, im Sinne einer weiteren Vervollkommnung des Verfahrens mittels eines physikalischen Ladungswechselmodells den ersten Druckwert zu bestimmen.

In einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, den Schleppdruckverlauf auch in einem dritten Abschnitt zu bestimmen. Dieser dritte Abschnitt erstreckt sich zwischen dem unteren Totpunkt und dem Schließen der Einlassorgane, wobei das Schließen der Einlassorgane mit dem Startpunkt des ersten Abschnittes zusammenfallen kann. Es besteht nun erfindungsgemäß vorteilhaft die Möglichkeit, auf Grundlage verschiedener Ansätze den Schleppdruckverlauf in diesem Bereich zu bestimmen. Im Sinne einer Vereinfachung kann angenommen werden, dass zwischen dem unteren Totpunkt und dem Schließen der Einlassorgane kein Rückströmen von Ladungsmasse zurück in die Ansaugleitung erfolgt. In diesem Fall kann einfach auf Grundlage des Druckes im Zylinder im unteren Totpunkt und der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung der Schleppdruckverlauf bestimmt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, ein physikalisches Ladungswechselmodell zu erstellen, welches insbesondere auf der Durchflussgleichung nach Bernoulli, bekannten Stoffgrößen und Temperaturwerten basiert. Die dafür erforderlichen Druckdifferenzen können auf einfache Weise einer empirisch ermittelten Kennlinie oder einem Kennfeld entnommen werden, welche die Druckdifferenzen in Abhängigkeit des jeweiligen Ventilhubes enthält.

Die Werte für den Polytropenexponenten sind erfindungsgemäß einer betriebsparameterabhängigen Kennlinie oder einem betriebsparameterabhängigen Kennfeld zu entnehmen. Vorzugsweise werden die Werte für den Polytropenexponenten empirisch an einem geschleppten Motor ermittelt und in den Kennlinien oder Kennfeldern dauerhaft gespeichert.

Ausführungsbeispiel
Beispielhaft wird hier die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Wie in 1 dargestellt, setzt sich der Gesamtdruckverlauf pG aus dem Schleppdruckverlauf pS und dem Verbrennungsdruckverlauf pV zusammen. Erfin dungsgemäß wird der Schleppdruckverlauf pS ausgehend von einem ersten Druckwert p1 in mehreren Abschnitten Ai auf Grundlage der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung Gl:
berechnet, wobei den einzelnen Abschnitten Ai individuelle Werte für den Polytropenexponent ni zugeordnet werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung des Schleppdruckverlaufes pS in mindestens zwei Abschnitten A1 und A2. Der erste Abschnitt A1 erstreckt sich zwischen einem ersten Startpunkt S1 und einem ersten Endpunkt E1 im Bereich des Kompressionstaktes der Brennkraftmaschine in deren Drehrichtung. Der erste Startpunkt S1 kann mit dem Schließen der Einlassorgane ES übereinstimmen oder in Drehrichtung der Brennkraftmaschine nach dem Schließen der Einlassorgane ES positioniert sein. Der erste Endpunkt E1 liegt in Drehrichtung der Brennkraftmaschine vor dem oberen Totpunkt oT. Der zweite Abschnitt A2 erstreckt sich zwischen einem zweiten Startpunkt S2 und einem zweiten Endpunkt E2 im Bereich des Expansionstaktes der Brennkraftmaschine in deren Drehrichtung. Der zweite Endpunkt E2 kann mit dem unteren Totpunkt uT2 übereinstimmen.
Im Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun folgende Schritte abgearbeitet. Dem ersten Startpunkt S1 wird ein erster Druckwert p1 zugeordnet. Dieser Druckwert kann einem Kennfeld entnommen werden. Dieses Kennfeld umfasst empirisch in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand bestimmte Werte. Weiterhin wird dem ersten Startpunkt S1 eine erste Information über das Volumen V1 zugeordnet. Eine derartige Information kann über den gesamten Bereich des Drehwinkels phi der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, auf Basis der bekannten Kurbelgeometrie, dem gemessenen Drehwinkel phi der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und der Kolbenhubfunktion bereitgestellt werden. Außerdem wird dem ersten Startpunkt S1 ein erster Wert für den Polytropenexponenten n1 zugeordnet. Dieser Wert kann einer betriebsparameterabhängigen Kennlinie oder einem betriebsparameterabhän gigen Kennfeld entnommen werden. Weiterhin wird auf Grundlage des ersten Druckwertes p1 sowie im weiteren Ablauf ständig bereitgestellten Informationen über das Volumen Vx in Abhängigkeit des Drehwinkels phi der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Wertes für den Polytropenexponenten n1 der Schleppdruckverlauf pS für den ersten Abschnitt A1 in Abhängigkeit des Drehwinkels phi der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt.
Im weiteren Verlauf wird dem zweiten Startpunkt S2 ein zweiter Druckwert p2 zugeordnet, welcher dem Druck an dem ersten Endpunkt E1 entspricht. Ebenso wird dem zweiten Startpunkt S2 eine Information über das Volumen V2 und ein zweiter Wert für den Polytropenexponenten n2 zugeordnet. Auf Grundlage des zweiten Druckwertes p2 sowie im weiteren Ablauf ständig bereitgestellten Informationen über das Volumen Vx in Abhängigkeit des Drehwinkels phi der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Wertes für den Polytropenexponenten n2 wird der Schleppdruckverlauf pS für den ersten Abschnitt A1 in Abhängigkeit des Drehwinkels phi der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt.
Bevorzugt liegen der erste Endpunkt E1 und der zweite Startpunkt S2 symmetrisch um den Punkt des maximalen Schleppdruckes, d. h. es ist nicht zwingend erforderlich, das Maximum des Schleppdruckverlaufes pS mittels des beschriebenen Verfahrens zu bestimmen, da bedingt durch die Kurbelwellenkinematik in diesem Bereich lediglich ein sehr geringer Einfluss auf dem gesamten Schleppmomentverlauf vorherrscht. Die Lage des Punktes des maximalen Schleppdruckes kann betriebspunktabhängig bestimmt werden.
In einer Fortführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein dritter Abschnitt A3 vorgesehen, welcher sich zwischen dem unteren Totpunkt uT1 und dem Schließen der Einlassorgane ES erstreckt, wobei das Schließen der Einlassorgane ES mit dem ersten Startpunkt S1 des ersten Abschnittes A1 zusammenfallen kann. Es besteht die Möglichkeit, auf Grundlage verschiedener Ansätze den Schleppdruckverlauf pS in diesem Bereich zu bestimmen. Im Sinne einer Vereinfachung kann angenommen werden, dass zwischen dem unteren Totpunkt uT1 und dem Schließen der Einlassorgane ES kein Rückströmen von Ladungsmasse zurück in die Ansaugleitung erfolgt. In diesem Fall kann einfach auf Grundlage des gemessenen Druckes im Zylinder im unteren Totpunkt uT1 und der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung Gl der Schleppdruckverlauf pS bestimmt werden.

Ai: mehrere Abschnitte
A1: erster Abschnitt
A2: zweiter Abschnitt
A3: dritter Abschnitt
E1: erster Endpunkt
E2: zweiter Endpunkt
ES: Schließen der Einlassorgane
Gl: Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung
ni: individueller Wert für den Polytropenexponent
n1: erster Wert für den Polytropenexponent
n2: zweiter Wert für den Polytropenexponent
oT: oberer Totpunkt
pG: Gesamtdruckverlauf
phi: Drehwinkel der Kurbelwelle
pS: Schleppdruckverlauf
pV: Verbrennungsdruckverlauf
p1: erster Druckwert
p2: zweiter Druckwert
S1: erster Startpunkt
S2: zweiter Startpunkt
uT1: unterer Totpunkt
uT2: unterer Totpunkt
V1: erste Information über das Volumen
V2: zweite Information über das Volumen
Vx: weitere Information über das Volumen

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Schleppdruckverlaufes (pS) in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleppdruckverlauf (pS) ausgehend von einem ersten Druckwert (p1) in mehreren Abschnitten (Ai), auf Grundlage der Gleichung für eine polytrope Zustandsänderung (Gl), berechnet wird, wobei den einzelnen Abschnitten (Ai) individuelle Werte für den Polytropenexponent (ni) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erster Abschnitt (A1) zwischen einem ersten Startpunkt (S1) und einem ersten Endpunkt (E1) im Bereich des Kompressionstaktes der Brennkraftmaschine in Drehrichtung derselben erstreckt und dass sich ein zweiter Abschnitt (A2) zwischen einem zweiten Startpunkt (S2) und einem zweiten Endpunkt (E2) im Bereich des Expansionstaktes der Brennkraftmaschine in Drehrichtung derselben erstreckt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Startpunkt (S1) ein erster Druckwert (p1), eine erste Information über das Volumen (V1) und ein erster Wert für den Polytropenexponenten (n1) zugeordnet wird und auf Grundlage des ersten Druckwertes (p1), weiterer Informationen über das Volumen (Vx) in Abhängigkeit des Drehwinkels (phi) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Wertes für den Polytropenexponenten (n1) der Schleppdruckverlauf (pS) für den ersten Abschnitt (A1) in Abhängigkeit des Drehwinkels (phi) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt wird und dass dem zweiten Startpunkt (S2) ein zweiter Druckwert (p2), welcher dem Druck an dem ersten Endpunkt (E1) entspricht, eine Information über das Volumen (V2) und ein zweiter Wert für den Polytropenexponenten (n2) zugeordnet wird und auf Grundlage des zweiten Druckwertes (p2), weiterer Informationen über das Volumen (Vx) in Abhängigkeit des Drehwinkels (phi) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und des Wertes für den Polytropenexponenten (n2) der Schleppdruckverlauf (pS) für den zweiten Abschnitt (A2) in Abhängigkeit des Drehwinkels (phi) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Startpunkt (S1) in Drehrichtung der Verbrennungskraftmaschine nach dem Schließen der Einlassorgane (ES) liegt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckwert (p1) einem Kennfeld, welches empirisch in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand bestimmte Werte enthält, entnommen wird oder dem mittleren Druck in der Ansaugleitung gleichgesetzt oder mittels eines physikalischen Ladungswechselmodells bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleppdruckverlauf (pS) in dem Abschnitt (A3), der sich zwischen dem unteren Totpunkt (uT1) und dem Schließen der Einlassorgane (ES) erstreckt, unter der Annahme bestimmt wird, dass kein Rückströmen von Ladungsmasse zurück in die Ansaugleitung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleppdruckverlauf (pS) in dem Abschnitt (A3), der sich zwischen dem unteren Totpunkt (uT1) und dem Schließen der Einlassorgane (ES) erstreckt, mittels eines physikalischen Ladungswechselmodells bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für den Polytropenexponenten (ni) einer betriebsparameterabhängigen Kennlinie oder einem betriebsparameterabhängigen Kennfeld entnommen oder mittels eines drehzahlabhängigen Approximationspolynoms bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für den Polytropenexponenten (ni) empirisch an einem geschleppten Motor ermittelt werden.