DE102006032366A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die zum wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine möglichst genau zu bestimmende Frischluftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, auf Grundlage der Abgasmasse, welche der Abgasanlage zugeführt wird, und der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, zu bestimmen. Da die Abgasmasse, welche der Abgasanlage zugeführt wird, aus der Luftmasse und der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden, zusammengesetzt ist, kann bei Kenntnis der Abgasmasse und der Kraftstoffmasse die Luftmasse auf einfache Weise bestimmt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit den in dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
  • An den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise zum Antrieb von Fahrzeugen, werden betreffend der Wirtschaftlichkeit und der Umweltverträglichkeit fortwährend höhere Anforderungen gestellt. Zur Sicherstellung dieser Anforderungen tragen eine Vielzahl von Mitteln zur Erfassung von Prozessgrößen einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zur Steuerung und Regelung der jeweils ablaufenden Prozesse bei.
  • Von besonderer Bedeutung ist bei dem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine die möglichst genaue Kenntnis der Frischluftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Es ist beispielsweise aus der DE 43 22 281 C2 bekannt, zur Bestimmung dieser Frischluftmasse einen Heißfilmluftmassenmesser einzusetzen, welcher der Ansauganlage einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschaltet ist. Ändert sich jedoch die Frischluftmasse, die den Zylindern zugeführt wird, etwa bei einem Wechsel des Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine, treten, bedingt durch die Speicherwirkung der Ansauganlage, Differenzen zwischen der Luftmasse die der Ansauganlage zugeführt wird und der Luftmasse, die den Zylindern zugeführt wird, auf. Infolge dessen ist es bei dem Wechsel von Betriebspunkten nicht möglich, die Frischluftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, genau zu bestimmen. Zum wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ist es erforderlich, der Frischluftmasse möglichst genau, vorbestimmte Anteile von Kraftstoff oder Kraftstoff und Abgas zuzuführen, wobei diese Anteile allgemein auf Grundlage der Frischluftmasse bestimmt werden. Bei dem Wechsel von Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine und der damit verbundenen fehlenden Kenntnis der tatsächlichen Luftmasse, die den Zylindern zugeführt wird, ist daher ein wirtschaftlicher und umweltverträglicher Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nicht sichergestellt.
  • Darüber hinaus sind Heißfilmluftmassenmesser vergleichsweise teuer und es ist nicht sicher auszuschließen, dass über die Standzeit der Verbrennungskraftmaschine eine Drift des Ausgangssignals des Heißfilmluftmassenmessers auftritt.
  • Aufgabe
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches auf einfache Weise eine möglichst genaue Bestimmung der Frischluftmasse erlaubt, die den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
  • Lösung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, die zum wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine möglichst genau zu bestimmende Frischluftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, auf Grundlage der Abgasmasse, welche der Abgasanlage zugeführt wird und der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, zu bestimmen. Da die Abgasmasse, welche der Abgasanlage zugeführt wird aus der Luftmasse und der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird zusammensetzt ist, kann bei Kenntnis der Abgasmasse und der Kraftstoffmasse die Luftmasse auf einfache Weise bestimmt werden.
  • In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist nahe den Auslassventilen der Verbrennungskraftmaschine in der Abgasanlage eine Blende mit einer definierten Querschnittsfläche angeordnet, die in Kombination mit Mitteln zur Bestimmung der Temperatur des Abgases sowie Mitteln zu Bestimmung des Druckabfalls des Abgases über der Blende eine Bestimmung der Abgasmasse ermöglicht, welche der Abgasanlage zugeführt wird.
  • Dadurch, dass die Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine allgemein ein kleineres Volumen als die Ansauganlage aufweist, treten bei dem Wechsel von Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine geringere Speicherwirkung in der Abgasanlage auf. Infolge dessen steigt erfindungsgemäß vorteilhaft die Genauigkeit der Bestimmung der Frischluftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt, da diese auf der Abgasmasse basiert, welche der Abgasanlage zugeführt wird. Erfolgt die Ermittlung der Abgasmasse nahe der Auslassventil, werden erfindungsgemäß vorteilhaft störende Speicherwirkungen nahezu vollständig vermieden.
  • Die Bestimmung der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, erfolgt bevorzugt auf Grundlage von Mitteln zur Bestimmung des Druckes des Kraftstoffes vor und nach der jeweiligen Kraftstoffeinspritzdüse, welche eine definierte Düsenquerschnittsfläche aufweist, sowie Mitteln zur Bestimmung der Temperatur des Kraftstoffes und Informationen über die Dauer der Öffnung der jeweiligen Kraftstoffeinspritzdüse.
  • Eine Verknüpfung der erforderlichen Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Abgases und des Kraftstoffes, des Druckes des Abgases und des Kraftstoffes sowie den Informationen über die Dauer der Öffnung der jeweiligen Kraftstoffeinspritzdüse erfolgt bevorzugt mittels einer allgemein bekannten Motorsteuerungs- und regelungseinheit, die Hard- und Software umfasst. Mit anderen Worten sind alle im Zusammenhang mit der Bestimmung der Frischluftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, genannten funktionalen Zusammenhänge, Gleichungen sowie die Zusammenführung aller genannten Mittel zur Bestimmung von Zustandsgrössen der Massen die den Zylindern und der Abgasanlage zugeführt werden, wie Druck und Temperatur mittels einer bekannten Motorsteuerungs- und regelungseinheit dargestellt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Blende mit einer veränderlichen Querschnittsfläche in der Abgasanlage vorgesehen, die zur Bestimmung der Abgasmasse dient, welche der Abgasanlage zugeführt wird. Diese Blende in der Abgasanlage ist dabei zum Einen vorgesehen, den Anteil an Abgas zu steuern, welcher der Frischluftmasse zugeführt wird, die den Zylindern zufließt. Zum Anderen wird diese Blende erfindungsgemäß in Kombination mit Mitteln zur Be stimmung der Temperatur des Abgases sowie Mitteln zu Bestimmung des Druckabfalls des Abgases über der Blende, der Bestimmung der Abgasmasse, welche der Abgasanlage zugeführt wird und somit erfindungsgemäß zur Bestimmung der Frischluftmasse, die den Zylindern zufließt, verwendet. Mit anderen Worten wird die Blende mit einer veränderlichen Querschnittsfläche erfindungsgemäß vorteilhaft zu den zwei genannten Zwecken genutzt. Durch diese kombinierte Nutzung ist es nicht erforderlich ein weitere Blende in der Abgasanlage zur Bestimmung der Abgas- und somit der Frischluftmasse vorzusehen.
  • Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Algorithmus zur Bestimmung des Abgasmassenstroms vorgesehen. Dieser Algorithmus ist darauf gerichtet auf Grundlage weniger Mittel zur Bestimmung von Zustandsgrössen des Abgases, wie Druck und Temperatur, den Abgasmassenstrom zu bestimmen. Insbesondere ist dieser Algorithmus für eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, bei welcher in der Abgasanlage die Turbine und in der Ansauganlage der Verdichter eines Abgasturboladers angeordnet ist, wobei Abgas mittels einer ersten Überströmleitung, welche zwischen der Abgas- und der Ansauganlage stromaufwärts der Turbine und stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers angeordnet ist, von der Abgas- in die Ansauganlage geleitet werden kann. Außerdem kann bei dieser konstruktiven Ausführung Abgas mittels einer zweiten Überströmleitung, welche zwischen der Abgas- und der Ansauganlage stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers angeordnet ist, von der Abgas- in die Ansauganlage geleitet werden. Der Anteil an Abgas, der von der Abgas- in die Ansauganlage geleitet werden kann, kann weiterhin mittels eines Steuerorgans eingestellt werden, welches jeweils in der ersten und in der zweiten Überströmleitung angeordnet ist. Der Anteil an Abgas, der mittels der ersten Überströmleitung von der Abgas- in die Ansauganlage geleitet werden kann, kann darüber hinaus mittels eines Steuerorgans eingestellt werden, welches stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers in der Abgasanlage angeordnet ist. Mittels dieses Steuerorgans kann über die mechanische Kopplung von Turbine und Verdichter des Abgasturboladers ebenfalls der Frischluftmassenstrom eingestellt werden, welcher den Zylindern zufließt. Der Anteil an Abgas, der mittels der zweiten Überströmleitung von der Abgas- in die Ansauganlage geleitet werden kann, kann weiterhin mittels eines Steuerorgans eingestellt werden, welches stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung in der Abgasanlage angeordnet ist.
  • Außerdem ist ein Stellorgan in der Ansauganlage vorgesehen, welches stromabwärts des Verdichters und stromaufwärts der ersten Überströmleitung von der Abgas- in die Ansauganlage angeordnet ist. Mittels der dargestellten Anordnungen ist es möglich, sowohl mehr als auch kühleres Abgas zurückzuführen. Darüber hinaus ist in der Abgasanlage stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans in der Abgasleitung im Bereich der zweiten Überströmleitung in der Abgasanlage ein Mittel zu Bestimmung der Temperatur des Abgases angeordnet. Weiterhin ist in der zweiten Überströmleitung ein Mittel zur Bestimmung des Druckabfalls über dem Stellorgan, welches in der zweiten Überströmleitung angeordnet ist, vorgesehen. Abschließend ist jeweils ein Mittel zu Bestimmung des Druckes und Temperatur der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt vorgesehen. Der Algorithmus zur Bestimmung des Abgasmassenstroms umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte:
    • a.) Gleichsetzen des Druckes der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt, mit dem Druck des Abgases stromabwärts des Stellorgans, welches stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung in der Abgasanlage angeordnet ist, sowie Gleichsetzen des Druckes der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt, mit dem Druck der Frischluft, stromaufwärts des Verdichters und stromabwärts der zweiten Überströmleitung in der Ansauganlage,
    • b.) Erste Berechnung des Abgasmassenstroms auf Grundlage der Annahmen gemäß Punkt a.) und als Funktion der veränderlichen Querschnittsfläche des Stellorgans, welches stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung in der Abgasanlage angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckabfalls über dem Stellorgan, welches in der zweiten Überströmleitung angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckes der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt, sowie als Funktion der Temperatur des Abgases stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans in der Abgasleitung im Bereich der zweiten Überstromleitung, anschließende Berechnung der Luftmasse, welche den Zylindern zufließt aus dem Abgasmassenstrom und der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern zufließt,
    • c.) Berechnung des Druckes des Abgases stromabwärts des Stellorgans, welches stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung in der Abgasanlage angeordnet ist als Funktion des Abgasmassenstromes, als Funktion des Druckes der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt und als Funktion der Temperatur des Abgases sowie Berechung des Druckes der Frischluft, stromaufwärts des Verdichters und stromabwärts der zweiten Überstromleitung in der Ansauganlage als Funktion der Luftmasse, welche den Zylindern zufließt, als Funktion des Druckes der Luft und als Funktion der Temperatur der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt,
    • d.) Zweite Berechnung des Abgasmassenstroms auf Grundlage der Berechnungen gemäß Punkt c.) und als Funktion der veränderlichen Querschnittsfläche des Stellorgans, welches stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung in der Abgasanlage angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckabfalls über dem Stellorgan, welches in der zweiten Überstromleitung angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckes der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine umgibt, sowie als Funktion der Temperatur des Abgases stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans in der Abgasleitung im Bereich der zweiten Überstromleitung, anschließende Berechnung der Luftmasse, welche den Zylindern zufließt aus dem Abgasmassenstrom und der Kraftstoffmasse, welche den Zylindern zufließt.
  • Mittels des beschriebenen iterativen Algorithmus ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, mit einer geringen Anzahl an Mitteln zur Bestimmung von Zustandsgrössen des Abgases, wie Druck und Temperatur, den Abgasmassenstrom zu bestimmen. Der iterative Algorithmus kann je nach Anforderungen an die Genauigkeit der Bestimmung des Abgasmassenstroms beliebig oft wiederholt werden.
  • Zusammengefasst ergibt sich bei allen beschrieben Ausführungen der vorliegenden Erfindung der Vorteil, dass ein vergleichsweise teuerer Heißfilmluftmassenmesser durch preisgünstige, einfache und wenig störanfällige Mittel zur Erfassung von Zustandsgrößen ersetzt werden kann.
  • Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass ein vorhandener Heißfilmluftmassenmesser mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpft wird, so dass eine Abgleich zwischen dem Signal eines Heißfilmluftmassenmesser und der erfindungsgemäß bestimmten Frischluftmasse durchgeführt werden kann. Insbesondere kann diese Verknüpfung darauf gerichtet sein, dass bei dem Wechsel von Betriebspunkten einer Verbrennungskraftmaschine die Bestimmung der tatsächlichen Luftmasse, die den Zylindern zugeführt wird, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen wobei in stationären Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine die Bestimmung der Luftmasse mittels des Heißfilmluftmassenmessers oder einer Kombination aus Heißfilmluftmassenmesser und der erfindungsgemäß bestimmten Luftmasse erfolgt.
  • Weiterhin ist es durch die Verknüpfung eines vorhandener Heißfilmluftmassenmessers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft möglich eine Unplausibilität des Signals des Heißfilmluftmassenmessers zu erkennen. Durch den Vergleich des Signals des Heißfilmluftmassenmessers mit der erfindungsgemäß bestimmten Luftmasse kann eine unzulässige Differenz festgestellt und somit auf den Ausfall des Heißfilmluftmassenmessers geschlossen werden.
  • Ausserdem kann durch die Verknüpfung eines vorhandener Heißfilmluftmassenmessers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf vorteilhafte Weise bei Ausfall des Heißfilmluftmassenmessers mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Ersatzwert bereit gestellt werden.
  • Ausführungsbeispiel
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Figuren anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • Hierbei zeigen:
  • 1: schematische Schnittdarstellung des Teilstückes der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine,
  • 2: schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung des Teilstückes der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine,
  • 3: schematische Darstellung einer weiteren Ausführung einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Wie in 1 dargestellt, ist nahe den nicht dargestellten Auslassventilen einer ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine VM in der Abgasanlage 1 eine Blende 2 mit einer definierten Querschnittsfläche ABlende angeordnet. Die Blende 2 ermöglicht in Kombination mit Mitteln 3 zur Bestimmung der Temperatur TA des Abgases sowie einem Mittel 3a zur Bestimmung des Druckes pvor Blende des Abgases vor der Blende 2 und einem Mittel 3b zur Bestimmung des Druckes pnach Blende nach der Blende 2 eine Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird.
  • Die Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird, erfolgt beispielsweise mittels der allgemeinen Drosselgleichung:
    Figure 00080001
    wobei die allgemeine Gaskonstante R und der Isentropenexponent κ als bekannt und näherungsweise konstant angenommen werden.
  • Zur Bestimmung der Frischluftmasse dmL/dt, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine VM zugeführt wird, ist es nun weiterhin erforderlich, die Kraftstoffmasse dmB/dt zu bestimmen, welche ebenfalls den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine VM zugeführt wird. Die Bestimmung der Kraftstoffmasse dmB/dt, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine VM zugeführt wird, erfolgt beispielsweise mittels der Gleichung:
    Figure 00080002
    wobei die Düsenquerschnittsfläche AInjektor, der Druckabfall über dem Injektor ΔpInjektor, die Dichte des Kraftstoffes ρKraftstoff, die Einspritzzeit tE, die Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung der Kurbelwelle i der Verbrennungskraftmaschine VM, die Drehzahl der Kurbelwelle n der Verbrennungskraftmaschine VM und die Anzahl der Zylinder z der Verbrennungskraftmaschine VM allgemein bekannt sind oder mit allgemein bekannten Mitteln beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine VM bestimmt werden.
  • Da die Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage zugeführt wird, aus der Luftmasse dmL/dt und der Kraftstoffmasse dmB/dt, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, zusammensetzt ist, kann diese auf Grundlage der Gleichung: dmL/dt = dmA/dt – dmB/dtermittelt werden.
  • Wie in 2 dargestellt ist es in einer besonders vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die zu Grunde liegende Verbrennungskraftmaschine VM eine Blende 2a mit einer veränderlichen Querschnittsfläche in der Abgasanlage 1 umfasst, die zur Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt dient, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird. Diese Blende 2a in der Abgasanlage 1 ist dabei zum Einen dazu vorgesehen, den Anteil an Abgas dmEGR/dt zu steuern, welcher über eine, in 2 nicht dargestellte, Überströmleitung der Frischluftmasse dmL/dt zugeführt wird, die den Zylindern zufließt. Zum Anderen wird die Blende 2a erfindungsgemäß in Kombination mit Mitteln 3 zur Bestimmung der Temperatur TA des Abgases sowie einem Mittel 3a zur Bestimmung des Druckes pvor Blende des Abgases vor der Blende 2a und einem Mittel 3b zur Bestimmung des Druckes pnach Blende des Abgases nach der Blende 2a, der Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird und somit erfindungsgemäß zur Bestimmung der Frischluftmasse dmL/dt, die den Zylindern zufließt, verwendet. Die Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird, erfolgt wie oben beschrieben, mittels der allgemeinen Drosselgleichung, wobei die veränderliche Querschnittfläche ABlende der Blende 2a beispielsweise als Kennlinie über dem Drehwinkel der Blende 2a vorliegt.
  • In einer weiteren Ausführung gemäß 3 umfasst die zu Grunde liegende Verbrennungskraftmaschine VM, in der Abgasanlage 1 die Turbine 4 und in der Ansauganlage 5 den Verdichter 6 eines Abgasturboladers, wobei Abgas mittels einer ersten Über strömleitung 7, welche zwischen der Abgasanlage 1 und der Ansauganlage 5 stromaufwärts der Turbine 4 und stromabwärts des Verdichters 6 des Abgasturboladers angeordnet ist, von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 geleitet werden kann. Außerdem kann bei dieser konstruktiven Ausführung Abgas mittels einer zweiten Überströmleitung 8, welche zwischen der Abgasanlage 1 und der Ansauganlage 5 stromabwärts der Turbine 4 und stromaufwärts des Verdichters 6 des Abgasturboladers angeordnet ist, von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 geleitet werden. Der Anteil an Abgas dmEGR/dt, der von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 geleitet werden kann, kann weiterhin mittels eines Steuerorgans 9, 10 eingestellt werden, welches jeweils in der ersten und in der zweiten Überströmleitung 7, 8 angeordnet ist. Der Anteil an Abgas dmEGR/dt, der mittels der ersten Überströmleitung 7 von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 geleitet werden kann, kann darüber hinaus mittels eines Steuerorgans 11 eingestellt werden, welches stromaufwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers in der Abgasanlage 1 angeordnet ist. Mittels des Steuerorgans 11 kann über die mechanische Kopplung von Turbine 4 und Verdichter 6 des Abgasturboladers ebenfalls der Frischluftmassenstrom dmL/dt eingestellt werden, welcher den Zylindern zufließt. Der Anteil an Abgas dmEGR/dt, der mittels der zweiten Überströmleitung 8 von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 geleitet werden kann, kann weiterhin mittels eines Steuerorgans 12 eingestellt werden, welches stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung 8 in der Abgasanlage 1 angeordnet ist. Außerdem ist ein Stellorgan 13 in der Ansauganlage 5 vorgesehen, welches stromabwärts des Verdichters 6 und stromaufwärts der ersten Überströmleitung 7 von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 angeordnet ist. Mittels der dargestellten Anordnungen ist es möglich, sowohl mehr als auch kühleres Abgas zurückzuführen. Darüber hinaus ist in der Abgasanlage 1 stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans 12 in der Abgasleitung 1 im Bereich der zweiten Überströmleitung 8 in der Abgasanlage 1 ein Mittel 14 zu Bestimmung der Temperatur TA des Abgases angeordnet. Weiterhin ist in der zweiten Überströmleitung 8 ein Mittel 15 zur Bestimmung des Druckabfalls ΔpBlende über dem Stellorgan 10, welches in der zweiten Überstromleitung 8 angeordnet ist, vorgesehen. Abschließend ist ein Mittel 16 zu Bestimmung des Druckes pLuft der Luft und ein Mittel 17 zur Bestimmung der Temperatur TLuft der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt vorgesehen.
  • Auf Grundlage der Ausführung gemäß 3 ist erfindungsgemäß ein Algorithmus zur Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird vorgesehen.
  • Der Algorithmus zur Bestimmung der Abgasmasse dmA/dt, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird, umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte:
    • a.) Gleichsetzen des Druckes der Luft pLuft, welcher die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt, mit dem Druck pnach Blende des Abgases stromabwärts des Stellorgans 12, welches stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung 8 in der Abgasanlage 1 angeordnet ist, sowie Gleichsetzen des Druckes der Luft pLuft, welcher die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt, mit dem Druck der Frischluft pvor Verdichter, stromaufwärts des Verdichters 6 und stromabwärts der zweiten Überstromleitung 8 in der Ansauganlage 5,
    • b.) Erste Berechnung des Abgasmassenstroms dmA/dt auf Grundlage der Annahme pLuft = pnach Blende = pvor Verdichter gemäß Punkt a.) und als Funktion der veränderlichen Querschnittsfläche ABlende des Stellorgans 12, welches stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung 8 in der Abgasanlage 1 angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckabfalls ΔpBlende über dem Stellorgan 10, welches in der zweiten Überstromleitung 8 angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckes der Luft pLuft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt, sowie als Funktion der Temperatur TA des Abgases stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans 12 in der Abgasleitung 1 im Bereich der zweiten Überstromleitung 8, anschließende Berechnung der Luftmasse dmL/dt, welche den Zylindern zufließt aus dem Abgasmassenstrom dmA/dt und der Kraftstoffmasse dmB/dt, welche den Zylindern zufließt, mittels der Gleichungen:
      Figure 00110001
      Figure 00120001
    • c.) Berechnung des Druckes pnach Blende des Abgases stromabwärts des Stellorgans 12, welches stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung 8 in der Abgasanlage 1 angeordnet ist als Funktion des Abgasmassenstromes dmA/dt, als Funktion des Druckes der Luft pLuft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt und als Funktion der Temperatur des Abgases TA sowie Berechung des Druckes der Frischluft pvor Verdichter, stromaufwärts des Verdichters 6 und stromabwärts der zweiten Überstromleitung 8 in der Ansauganlage 5 als Funktion der Luftmasse dmL/dt, welche den Zylindern zufließt, als Funktion des Druckes pLuft der Luft und als Funktion der Temperatur TLuft der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt, mittels der Gleichungen:
      Figure 00120002
      wobei die allgemeine Gaskonstante R als bekannt angenommen wird und c1 und c2 bauteilspezifische Konstanten darstellen, welche in einem Versuch experimentell bestimmt werden.
    • d.) Zweite Berechnung des Abgasmassenstroms dmA/dt auf Grundlage der Berechnungen gemäß Punkt c.) und als Funktion der veränderlichen Querschnittsfläche ABlende des Stellorgans 12, welches stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung 8 in der Abgasanlage 1 angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckabfalls ΔpBlende über dem Stellorgan 10, welches in der zweiten Überstromleitung 8 angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckes pLuft der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt, sowie als Funktion der Temperatur TA des Abgases stromabwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans 12 in der Abgasleitung 1 im Bereich der zweiten Über stromleitung 8, anschließende Berechnung der Luftmasse dmL/dt, welche den Zylindern zufließt aus dem Abgasmassenstrom dmA/dt und der Kraftstoffmasse dmB/dt, welche den Zylindern zufließt.
    • 1
    Abgasanlage
    2
    Blende mit einer definierten Querschnittsfläche
    2a
    Blende mit einer veränderlichen Querschnittsfläche
    3
    Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Abgases
    3a
    Mittel zur Bestimmung des Druckes des Abgases vor der Blende 2, 2a
    3b
    Mittel zur Bestimmung des Druckes des Abgases nach der Blende 2, 2a
    4
    Turbine
    5
    Ansauganlage
    6
    Verdichter
    7
    erste Überströmleitung
    8
    zweite Überströmleitung
    9
    Stellorgan; Steuerorgan
    10
    Stellorgan; Steuerorgan
    11
    Stellorgan; Steuerorgan
    12
    Stellorgan; Steuerorgan
    13
    Stellorgan; Steuerorgan
    14
    Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Abgases
    15
    Mittel zur Bestimmung des Druckabfalls über dem Stellorgan 10
    16
    Mittel zur Bestimmung des Druckes der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt
    17
    Mittel zur Bestimmung der Temperatur der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt
    ABlende
    Querschnittsfläche der Blende 2, 2a; Querschnittsfläche des Stellorgans 12
    AInjektor
    Düsenquerschnittsfläche
    c1
    Bauteilkonstante
    c2
    Bauteilkonstante
    dmA/dt
    Abgasmasse, welche der Abgasanlage 1 zugeführt wird; Abgasmassenstrom
    dmB/dt
    Kraftstoffmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine VM zugeführt wird; Kraftstoffmassenstrom
    dmEGR/dt
    Anteil an Abgas, der von der Abgasanlage 1 in die Ansauganlage 5 geleitet werden kann
    dmL/dt
    Luftmasse, welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine VM zugeführt wird; Luftmassenstrom; Frischluftmassenstrom
    ΔpBlende
    Druckabfall über dem Stellorgan 10
    ΔpInjektor
    Druckabfall über dem Injektor
    i
    Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine VM
    κ
    Isentropenexponent
    n
    Drehzahl der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine VM
    pLuft
    Druck der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt
    pvor Verdichter
    Druck der Frischluft, stromaufwärts des Verdichters 6
    pvor Blende
    Druck des Abgases vor der Blende 2, 2a
    pnach Blende
    Druck des Abgases nach der Blende 2, 2a; Druck des Abgases stromabwärts des Stellorgans 12
    R
    allgemeine Gaskonstante
    ρKraftstoff
    Dichte des Kraftstoffes
    TA
    Temperatur des Abgases
    TLuft
    Temperatur der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine VM umgibt
    tE
    Einspritzzeit
    VM
    Verbrennungskraftmaschine
    ψ
    Durchflussfunktion
    z
    Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine VM

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine (VM) mit einer Abgasanlage (1) und einer Ansauganlage (5), bei welcher eine Bestimmung der Frischluftmasse (dmL/dt) erfolgt, die den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine (VM) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Frischluftmasse (dmL/dt), die den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine (VM) zugeführt wird, auf Grundlage der Abgasmasse (dmA/dt), welche der Abgasanlage (1) zugeführt wird und der Kraftstoffmasse (dmB/dt), welche den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine (VM) zugeführt wird, erfolgt.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Abgasmasse (dmA/dt), welche der Abgasanlage (1) zugeführt wird, mittels einer Blende (2) mit einer definierten Querschnittsfläche (ABlende), die in der Abgasanlage (1) angeordnet ist, in Kombination mit Mitteln (3) zur Bestimmung der Temperatur (TA) des Abgases sowie einem Mittel (3a) zu Bestimmung des Druckes des Abgases pvor Blende vor der Blende (2) und einem Mittel (3b) zu Bestimmung des Druckes des Abgases pnach Blende nach der Blende (2) erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Kraftstoffmasse (dmB/dt), die den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine (VM) zugeführt wird, auf Grundlage der Düsenquerschnittsfläche (AInjektor) des Injektors, des Druckabfalles über dem Injektor (ΔpInjektor), der Dichte des Kraftstoffes (ρKraftstoff), der Einspritzzeit (tE), der Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung der Kurbelwelle (i) der Verbrennungskraftmaschine (VM), der Drehzahl der Kurbelwelle (n) der Verbrennungskraftmaschine (VM) und der Anzahl der Zylinder (z) der Verbrennungskraftmaschine (VM) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Abgasmasse (dmA/dt), welche der Abgasanlage (1) zugeführt wird, mittels einer Blende (2a) mit einer veränderlichen Querschnittsfläche (ABlende), die in der Abgasanlage (1) angeordnet ist, in Kombination mit Mitteln (3) zur Bestimmung der Temperatur (TA) des Abgases sowie einem Mittel (3a) zu Bestimmung des Druckes des Abgases pvor Blende vor der Blende (2a) und einem Mit tel (3b) zu Bestimmung des Druckes des Abgases pnach Blende nach der Blende (2a) erfolgt, wobei die veränderliche Querschnittsfläche (ABlende) der Blende (2a) als Kennlinie über dem Drehwinkel der Blende (2a) vorliegt.
  5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Abgasmasse (dmA/dt), welche der Abgasanlage (1) zugeführt wird, mittels eines Algorithmus erfolgt, der folgende Schritte umfasst: a.) Gleichsetzen eines messtechnisch ermittelten Druckes der Luft (pLuft), welcher die Verbrennungskraftmaschine (VM) umgibt, mit dem Druck (pnach Blende ) des Abgases stromabwärts eines Stellorgans (12), welches stromabwärts der Turbine (4) eines Abgasturboladers und stromabwärts einer zweiten Überströmleitung (8) in der Abgasanlage (1) angeordnet ist, sowie Gleichsetzen des messtechnisch ermittelten Druckes der Luft (pLuft), welcher die Verbrennungskraftmaschine (VM) umgibt, mit dem Druck der Frischluft (pvor Verdichter), stromaufwärts des Verdichters (6) des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überstromleitung (8) in der Ansauganlage (5), b.) Erste Berechnung des Abgasmassenstroms (dmA/dt) auf Grundlage der Annahme (pLuft = pnach Blende = pvor Verdichter) gemäß Punkt a.) und als Funktion der veränderlichen Querschnittsfläche (ABlende) des Stellorgans (12), welches stromabwärts der Turbine (4) des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung (8) in der Abgasanlage (1) angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckabfalls (ΔpBlende) über einem Stellorgan (10), welches in der zweiten Überstromleitung (8) angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckes der Luft (pLuft), welche die Verbrennungskraftmaschine (VM) umgibt, sowie als Funktion der Temperatur (TA) des Abgases stromabwärts der Turbine (4) des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans (12) in der Abgasleitung (1) im Bereich der zweiten Überstromleitung (8), sowie anschließende Berechnung der Luftmasse (dmL/dt), welche den Zylindern zufließt aus dem Abgasmassenstrom (dmA/dt) und der Kraftstoffmasse (dmB/dt), welche den Zylindern zufließt, c.) Berechnung des Druckes (pnach Blende ) des Abgases stromabwärts des Stellorgans (12), welches stromabwärts der Turbine (4) des Abgasturboladers und stromab wärts der zweiten Überströmleitung (8) in der Abgasanlage (1) angeordnet ist als Funktion des Abgasmassenstromes (dmA/dt), als Funktion des Druckes der Luft (pLuft), welche die Verbrennungskraftmaschine (VM) umgibt und als Funktion der Temperatur des Abgases (TA) sowie Berechnung des Druckes der Frischluft (pvor Verdichter), stromaufwärts des Verdichters (6) und stromabwärts der zweiten Überstromleitung (8) in der Ansauganlage (5) als Funktion der Luftmasse (dmL/dt), welche den Zylindern zufließt, als Funktion des Druckes (pLuft) der Luft und als Funktion der Temperatur (TLuft) der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine (VM) umgibt, d.) Zweite Berechnung des Abgasmassenstroms (dmA/dt) auf Grundlage der Berechnungen gemäß Punkt c.) und als Funktion der veränderlichen Querschnittsfläche (ABlende) des Stellorgans (12), welches stromabwärts der Turbine (4) des Abgasturboladers und stromabwärts der zweiten Überströmleitung (8) in der Abgasanlage (1) angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckabfalls (ΔpBlende) über dem Stellorgan (10), welches in der zweiten Überströmleitung (8) angeordnet ist, sowie als Funktion des Druckes (pLuft) der Luft, welche die Verbrennungskraftmaschine (VM) umgibt, sowie als Funktion der Temperatur (TA) des Abgases stromabwärts der Turbine (4) des Abgasturboladers und stromaufwärts des Stellorgans (12) in der Abgasleitung (1) im Bereich der zweiten Überströmleitung (8), anschließende Berechnung der Luftmasse (dmL/dt), welche den Zylindern zufließt aus dem Abgasmassenstrom (dmA/dt) und der Kraftstoffmasse (dmB/dt), welche den Zylindern zufließt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017157580A1 (de) 2016-03-18 2017-09-21 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren und steuervorrichtung zum bestimmen einer menge einer füllungskomponente in einem zylinder einer verbrennungskraftmaschine

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US10774757B2 (en) 2016-03-18 2020-09-15 Volkswagen Aktiengesellschaft Method and controller for determining the quantity of filling components in a cylinder of an internal combustion engine

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