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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
Schleppdruckverlaufes in dem Zylinder einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche.
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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.
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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.
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Weiterhin
ist aus der
DE 197
49 814 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Brennraumdruckverlaufs
in Abhängigkeit
vom Kurbelwellenwinkel einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem
Brennraumdruck- bzw. Zylinderdrucksensor und einem Kurbelwellenwinkelsensor
beschrieben, bei dem der zu bestimmende Brennraumdruckverlauf aus
wenigstens drei aufeinanderfolgenden Teilverläufen gebildet wird, wobei in
einem ersten Bereich der Teilverlauf aus einem gemessenen Verlauf,
in einem zweiten Bereich der Teilverlauf unter Berücksichtigung thermodynamischer
Gegebenheiten berechnet wird und in einem dritten Bereich der Teilverlauf
aus der Kombination der beiden ersten Teilverläufe gebildet wird, wobei der
Teilverlauf im dritten Bereich durch eine Spiegelung der beiden
ersten Teilverläufe
an einer Geraden durch den oberen Totpunkt OT erhalten wird.
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Darüber hinaus
ist aus der
DE 43 18
504 C1 vorbekannt, den auf die Bewegung des Kolbens im Zylinder
zurückgehende
Gasdruck zu bestimmen und vom tatsächlich gemessenen Zylinderdruck
zu subtrahieren. Aus der dem Verbrennungsdruck proportionalen Differenz
lässt sich
dann eine von der Kolbenbewegung unabhängige Messzahl für den Fortschritt
der Verbrennung gewinnen und daraus ein Schätzwert für den thermodynamischen Verbrennungsschwerpunkt
ableiten.
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Außerdem ist
aus der
US 5 359 883 ein
weiteres Verfahren zur Bestimmung von Kenngrößen innerhalb des Zylinders
einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt.
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Ferner
ist aus dem Artikel „Garssen,
H.-G., Magori, V.: A model-based sensor for the adaptation of internal
combustion engines. In: Sensors and Actuators A, Volume 41–42 (1994),
207–211.” ein noch weiteres
Verfahren zur Bestimmung von Kenngrößen innerhalb des Zylinders
einer Verbrennungskraftmaschine vorbekannt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiel
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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. Erfindungsgemäß 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.
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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.
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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 betriebsparameterabhängigen
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.
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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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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