DE102006053805A1

DE102006053805A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006053805A1
Application number: DE102006053805A
Authority: DE
Inventors: Oliver Brox; Dara Torkzadeh; Katharina Michalik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: FR2908460A1; CN101182809B; DE102006053805B4; CN101182809A

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) wird mindestens ein Steuerparameter unter Berücksichtigung einer Zustandsgröße einer in einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) befindlichen Füllung ermittelt. Es wird vorgeschlagen, dass die Zustandsgröße unter Berücksichtigung einer angenommenen oder ermittelten Zusammensetzung eines im Brennraum (14) befindlichen Gasgemisches ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Entstehung von Schadstoffen im Abgas einer Brennkraftmaschine kann durch die Optimierung der Kraftstoffverbrennung reduziert werden. Für eine solche Optimierung ist jedoch eine möglichst genaue Kenntnis der Zustandsgrößen der im Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Füllung erforderlich. Die präzise Ermittlung dieser Zustandsgrößen erfordert bisher entweder einen erheblichen sensorischen Aufwand, beispielsweise durch den Einbau von Drucksensoren, die den aktuellen Druck im Brennraum erfassen, oder sie ist mit einigen Toleranzen verbunden, die wiederum die besagte Optimierung erschweren.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches mit einfachen Mitteln eine möglichst präzise Ermittlung einer aktuellen Zustandsgröße einer in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Füllung gestattet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Weitere Lösungen der gestellten Aufgabe finden sich darüber hinaus in nebengeordneten Patentansprüchen, die ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie eine Steuer und/oder Regeleinrichtung betreffen. Darüber hinaus sind für die Erfindung wesentliche Merkmale der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar, wobei die Merkmale für die Erfindung in ganz unterschiedlichen Kombinationen wesentlich sein können, ohne dass hierauf im Einzelnen explizit hingewiesen wird.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass insbesondere bei modernen Brennkraftmaschinen nicht angenommen werden kann, dass die im Brennraum der Brennkraftmaschine befindliche Füllung nur Luft enthält. Vielmehr liegt dort in vielen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ein Gasgemisch vor, beispielsweise dann, wenn die Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung betrieben wird, oder wenn Wasser oder Wasserdampf in den Brennraum eingespritzt wird. Erfindungsgemäß wird also zunächst die aktuelle Zusammensetzung des im Brennraum befindlichen Gasgemisches entweder angenommen oder ermittelt, das Gasgemisch also in sinnvolle Gaskomponenten aufgeteilt. Die Zustandsgröße wird dann unter Berücksichtigung des solchermaßen definierten Gasgemisches ermittelt.
Auf diese Weise ist eine echtzeitfähige Berechnung der innermotorischen Zustandsgrößen möglich. Damit kann die Steuerung der Verbrennung und des Verbrennungsbeginns verbessert werden, und dies ohne aufwändige Sensorik, beispielsweise Brennraumdrucksensoren. Die Optimierung der Verbrennung kann dabei vorausschauend erfolgen, da die aktuelle Zusammensetzung des im Brennraum befindlichen Gasgemisches abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorhergesagt werden kann.
Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden. Mit steigender Abgasrückführrate entsteht nämlich eine größer werdende Abweichung zwischen den tatsächlichen Verhältnissen und solchen Voraussagen, die unter der Annahme, dass im Brennraum reine Luft vorhanden ist, getroffen werden. Die Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist dabei nicht nur auf den Einsatz in Serienbrennkraftmaschinen beschränkt. Sinnvoll eingesetzt werden kann dieses Verfahren auch bei Simulationen, um Funktionen und Systeme sowohl während der Verdichtungsphase (Einspritzung), als auch die Informationen für anschließende Prozesse (Abgasnachbehandlung) zu analysieren.
Besonders wesentliche Zustandsgrößen für die Optimierung der Verbrennung sind Druck und Temperatur.
Gute Ergebnisse bei gleichzeitig akzeptablem Rechenaufwand werden erzielt, wenn zur Ermittlung der Zustandsgröße, ausgehend von einem bekannten Ausgangszustand, eine adiabate Zustandsänderung angenommen wird. Zwar ist die Verdichtung einer Brennkraftmaschine polytrop, es findet also ein irreversibler Energieaustausch mit der Umgebung statt. Wenn dieser Energiefluss jedoch in Form eines Druckverlustes beschrieben ist, kann der Druckverlauf über die adiabate Verdichtung berechnet werden.
Dabei kann ein Adiabatenexponent verwendet werden, der unter Berücksichtigung der Partialdrücke der einzelnen Komponenten des Gasgemisches ermittelt wurde. Dabei können sowohl Partialdrücke aus Molekülen als auch Partialdrücke von Gasgemischen sinnvoll sein. Diese Partialdrücke können dann als Gewichtungsfaktoren zur Berechnung eines gemittelten Adiabatenexponenten, unter Verwendung der Adiabatenexponenten der Einzelkomponenten des Gasgemisches, verwendet werden.
Der Rechenaufwand während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird erheblich reduziert, wenn die Adiabatenexponenten für Gasgemische, die für bestimmte Betriebszustände der Brennkraftmaschine typisch sind, gespeichert und abhängig von einem aktuellen oder geplanten Betriebszustand abrufbar sind. Diese Adiabatenexponenten können also vorab, mit geeigneten Methoden, sehr präzise ermittelt werden, denkbar ist auch, sie in Versuchen zu ermitteln. Je nach Betriebszustand (beispielsweise keine, geringe oder starke Abgasrückführung, Wassereinspritzung, keine Wassereinspritzung, etc.) kann dann beispielsweise aus einer Tabelle der entsprechende Adiabatenexponent gewählt werden.
Für die Ermittlung des Adiabatenexponenten kann aber auch angenommen werden, dass es sich um ein ideales Gasgemisch handelt. Eine solche Annahme ist in vielen Fällen zulässig und führt zu ausreichend genauen Ergebnissen. Gleichzeitig wird der Ermittlungsaufwand für den Adiabatenexponenten hierdurch reduziert.
Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zunächst für jede Komponente des Gasgemisches eine partielle Zustandsgröße, ausgehend von einem bekannten partiellen Anfangszustand, ermittelt wird, und die Zustandsgröße des Gasgemisches durch Aufsummieren der partiellen Zustandsgrößen ermittelt wird.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Bestimmen eines aktuellen Betriebszustands der Brennkraftmaschine,
b) ggf. Ermitteln der zu dem Betriebszustand gehörenden typischen Zusammensetzung des im Brennraum befindlichen Gasgemisches,
c) Ermitteln oder Abrufen eines zu dem Gasgemisch bzw. dem Betriebszustand gehörenden Adiabatenexponenten,
d) Ermitteln einer Ausgangs-Zustandsgröße zum Zeitpunkt „Einlassventil schließt",
e) Ermitteln der Zustandsgröße in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel oder einer Kolbenstellung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
2 ein Flussdiagramm eines ersten Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1;
3 ein Diagramm, in dem ein Brennraumdruck über einem Kurbelwinkel aufgetragen ist; und
4 ein Flussdiagramm eines zweiten Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1.
Ausführungsform der Erfindung
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Zylinder, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nur einer mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist. Der Zylinder 12 umfasst wiederum einen Brennraum 14, der von einer Brennraumwand 16 und einem Kolben 18 begrenzt wird. Der Kolben 18 ist mit einer Kurbelwelle 20 verbunden, deren aktuelle Stellung und Drehzahl von einem Sensor 22 erfasst wird.
Frischluft gelangt in den Brennraum 14 über ein Einlassventil 24 und ein Ansaugrohr 26. Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 14 über ein Auslassventil 28 und ein Abgasrohr 30 abgeleitet. Abgasrohr 30 und Ansaugrohr 26 sind über eine Abgasrückführleitung 32 und ein Abgasrückführventil 34 verbindbar. Auf diese Weise kann Abgas vom Abgasrohr 30 in das Ansaugrohr 26 geführt werden. Kraftstoff wird in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 36 eingespritzt, in bestimmten Betriebszuständen kann zusätzlich in den Brennraum 14 aber auch Wasser oder Wasserdampf über einen Injektor 38 eingespritzt werden.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 40 gesteuert und geregelt. Diese erhält Signale von unterschiedlichen Sensoren, so auch vom Kurbelwellensensor 22. Sie steuert verschiedene Stelleinrichtungen der Brennkraftmaschine 10 an, beispielsweise das Abgasrückführventil 34, den Injektor 36 für den Kraftstoff, und den Injektor 38 für das Wasser bzw. den Wasserdampf.
Die Verdichtung im Brennraum 14 während des Verdichtungstaktes ist polytrop, es findet also ein irreversibler Energieaustausch mit der Umgebung statt. Wenn dieser irreversible Energieaustausch in Form eines Druckverlustes beschrieben ist, kann der Druckverlauf im Brennraum 14 während eines Verdichtungstaktes über die adiabate Verdichtung berechnet werden, entsprechend nachfolgender Formel (1): pz = pgas – pL(1)
P_z ist der Druck im Zylinder, p_gas der tatsächliche Gasdruck, und p_L bezeichnet den Druckverlust infolge beispielsweise eines Wärmeaustauschs mit der Brennraumwand 16, eines blow-by (Druckleckage zwischen Kolben 18 und Brennraumwand 16), etc.
Besagte Formel (1) gilt jedoch nur für ideale Gase; bei Gasgemischen, die die Eigenschaften idealer Gase nicht aufweisen, ergeben sich erhebliche Abweichungen für die berechneten Druck- und Temperaturverläufe. Die möglichst exakte Kenntnis des im Brennraum 14 herrschenden Drucks p und der dort vorliegenden Temperatur T während eines Verdichtungstaktes, abhängig von der Stellung des Kolbens 18 bzw. vom Kurbelwinkel der Kurbelwelle 20, ist jedoch für die Optimierung der Verbrennung und die Reduzierung von Schadstoffen sehr wichtig. Diese Zustandsgrößen p und T im Brennraum 14 werden daher bei der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 10 anhand eines Verfahrens ermittelt, dem folgende thermodynamische Überlegungen zugrunde liegen:
Bei Gasgemischen kann der Gasdruck p_gas in Partialdrücke p_i aufgespalten werden. Dabei können sowohl Partialdrücke aus Molekülen als auch Partialdrücke von Gasgemischen sinnvoll sein. Dem liegt der nachfolgende Satz von Dalton zugrunde:
Der Partialdruck p_i bezeichnet dabei den Partialdruck der Gaskomponente i. Man kann nun zunächst einen Gewichtungsfaktor x_i ermitteln, entsprechend der Formel (3):
Auf der Basis dieses Gewichtungsfaktors x_i und der Adiabatenexponenten κ_i für die Gaskomponente i kann nun ein gemittelter Adiabatenexponent κ_i ermittelt werden entsprechend der Formel (4): κm = f(xi, κi) (4)
Der aktuelle Gasdruck p_gas kann dann mit der nachfolgenden Formel (5) berechnet werden:
p₀ ist der Druck im Brennraum 14 unmittelbar zu Beginn des Verdichtungstaktes zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils 24, das Volumen V₀ ist das Volumen des Gases zum gleichen Zeitpunkt, und das Volumen V_z ist das zeitlich veränderliche Volumen des Brennraums 14, also bei einem bestimmten Winkel der Kurbelwelle 20 bzw. bei einer bestimmten Stellung des Kolbens 18. Analog hierzu kann die aktuelle Gastemperatur T_gas entsprechend der nachfolgenden Formel (6) berechnet werden:
In Formel 6 ist die Temperatur T₀ jene Temperatur im Brennraum 14 zu Beginn des Verdichtungstaktes, also ebenfalls dann, wenn das Einlassventil 24 schließt.
Auf der Basis der genannten physikalischen und thermodynamischen Zusammenhänge kommt ein Verfahren zum Einsatz, welches nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird:
Nach einem Start in 42 wird in 44 der aktuelle oder unmittelbar bevorstehende Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 ermittelt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Betriebszustand mit/ohne Abgasrückführung oder mit/ohne Einspritzung von Wasser handeln. Danach wird abhängig vom Betriebszustand die entsprechende Gaszusammensetzung in 46 ermittelt. Damit ergeben sich bestimmte für diese spezielle Gaszusammensetzung typische Partialdrücke der einzelnen Gaskomponenten i. Auf deren Basis wiederum kann nun in 48 der gemittelte Adiabatenexponent κ_m ermittelt werden.
Möglich ist auch, dass für bestimmte Zusammensetzungen des im Brennraum 14 befindlichen Gasgemisches, oder gleich für ganz bestimmte Betriebszustände der Brennkraftmaschine 10, die entsprechenden Adiabatenexponenten κ_m für den jeweiligen Brennkraftmaschinentyp in Vorversuchen ermittelt und abgespeichert wurden und in 48 lediglich, abhängig vom aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 entsprechend Block 44, aus dem Speicher abgerufen werden. Mit dem jeweiligen gemittelten Adiabatenexponenten κ_m können dann in 50, abhängig vom Winkel der Kurbelwelle 20 bzw. der Stellung des Kolbens 18, der Gasdruck p_gas und die Gastemperatur T_gas ermittelt werden. Das Verfahren endet in 52.
Aus 3 ist ersichtlich, dass mit dem angegebenen Verfahren der tatsächliche Druck sehr genau berechnet bzw. vorhergesagt werden kann. Die durchgezogene Linie in 3 zeigt einen in einem Versuch gemessenen Druckverlauf gegen Ende der Verdichtung im Brennraum 14, gestrichelt ist der anhand des obigen Verfahrens ermittelte Druckverlauf dargestellt, gepunktet ein Druckverlauf, der mit einem herkömmlichen Verfahren (Annahme: reine Luft im Brennraum 14) ermittelt wurde. Man erkennt die gute Übereinstimmung des mit dem Verfahren von 2 ermittelten Druckverlaufs mit dem gemessenen (tatsächlichen) Druckverlauf.
Anstelle eines gemittelten Adiabatenexponenten κ_m kann aber auch für jede Komponente i des Gasgemisches zunächst als partielle Zustandsgröße ein partieller Gasdruck p_{gas_}i der Gaskomponente i ermittelt werden, und zwar wiederum ausgehend von einem Ausgangs-Gasdruck p_{0_}i zum Zeitpunkt „Einlassventil 24 schließt" der Gaskomponente i. Diese partiellen Gasdrücke p_{gas_}i können dann aufsummiert werden und ergeben so den Gesamt-Gasdruck p_gas. Der entsprechende Formelzusammenhang lautet:
Für die Gastemperatur gilt das gleiche:
Dabei versteht sich, dass die Temperatur T_{0_}i gleich der Gesamt-Gastemperatur T₀ zum Zeitpunkt „Einlassventil 24 schließt" ist. Das entsprechende Verfahren ist in 4 dargestellt.
Es entspricht dem Verfahren von 2, allerdings wird in 54 zunächst der partielle Gasdruck p_{gas_}i ermittelt und anschließend in 56 summiert, wohingegen in 58 die Gastemperatur T_gas direkt durch Summation gebildet wird. Da die anderen Verfahrensschritte sich von dem Verfahren von 2 nicht unterscheiden, tragen diese die gleichen Bezugszeichen und sind nicht nochmals erläutert.
Anhand der ermittelten kurbelwinkelspezifischen Gastemperatur T_gas und des ermittelten kurbelwinkelspezifischen Gasdrucks p_gas kann wiederum mit hoher Präzision ein Steuerparameter, beispielsweise eine einzuspritzende Kraftstoffmenge, ermittelt werden, derart, dass die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine 10 reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem mindestens ein Steuerparameter unter Berücksichtigung einer Zustandsgröße (p_gas, T_gas) einer in einem Brennraum (14) der Brennkraftmaschine (10) befindlichen Füllung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße (p_gas, T_gas) unter Berücksichtigung einer angenommenen oder ermittelten aktuellen Zusammensetzung eines im Brennraum (14) befindlichen Gasgemisches ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgröße ein Druck (p_gas) und/oder eine Temperatur (T_gas) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Zustandsgröße (p_gas, T_gas), ausgehend von einem bekannten Ausgangszustand (p₀, T₀), eine adiabate Zustandsänderung angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Adiabatenexponent (κ_m) verwendet wird, der unter Berücksichtigung der Partialdrücke (p_i) von einzelnen Komponenten (i) des Gasgemisches ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adiabatenexponenten (κ_i) für Gasgemische, die für bestimmte Betriebszustände typisch sind, gespeichert und abhängig von einem aktuellen oder geplanten Betriebszustand abrufbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ermittlung des Adiabatenexponenten (κ_m) angenommen wird, dass es sich um ein Ideales Gasgemisch handelt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst für jede Komponente (i) des Gasgemisches eine partielle Zustandsgröße (p_{gas_i} T_{gas_i}), ausgehend von einem bekannten partiellen Anfangszustand (p_{0_i}, T_0i), ermittelt wird, und die Zustandsgröße (p_gas, T_gas) des Gasgemisches dann durch Aufsummieren der partiellen Zustandsgrößen (p_{gas_i} T_{gas_i}) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: (a) Bestimmen (44) eines aktuellen Betriebszustands der Brennkraftmaschine (10), ggf. (b) Ermitteln (46) der zu dem Betriebszustand gehörenden typischen Zusammensetzung des im Brennraum (14) befindlichen Gasgemisches, (c) Ermitteln (48) oder Abrufen eines zu dem Betriebszustand bzw. Gasgemisch gehörenden Adiabatenexponenten (κ_m), (d) Ermitteln einer Ausgangs-Zustandsgröße (p₀, T₀) zum Zeitpunkt "Einlassventil schließt", (e) Ermitteln (50) der Zustandsgröße (p_gas, T_gas) in Abhängigkeit vom Winkel einer Kurbelwelle (20) oder von einer Stellung eines Kolbens (18).
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (40) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.