-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des inneren Wirkungsgrades
einer Brennkraftmaschine.
-
Ferner
betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens.
-
Herkömmliche
Systeme sehen zur Ermittlung des inneren Wirkungsgrads einer Brennkraftmaschine
ein last- und drehzahlabhängiges Kennfeld vor. Nachteilig
an dieser Lösung ist insbesondere die eingeschränkte
Gültigkeit beziehungsweise unzureichende Präzision
der kennfeldbasiert erhaltenen Wirkungsgradwerte. Dies rührt
von der Tatsache her, dass die in dem Kennfeld abgelegten Werte
nur für die zu dem Zeitpunkt der Bestimmung des Kennfeldes
herrschenden Randbedingungen gültig sind. Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine, die sich auf den inneren Wirkungsgrad auswirken
und die sich insbesondere unabhängig von dem Arbeitspunkt
der Brennkraftmaschine ändern können, sind beispielsweise
ein Einspritzzeitbeginn, eine Einspritzmengenverteilung, ein Grad
der Androsselung, ein Ladedruck, ein Raildruck und die Abgasrückführrate.
Sofern eine oder mehrere dieser Größen von den
zum Zeitpunkt der Erstellung des Kennfelds vorliegenden Größen
abweicht, sind die in dem Kennfeld hinterlegten Wirkungsgradwerte
nicht mehr gültig beziehungsweise präzise, sondern
stellen lediglich eine Näherung dar.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Demgemäß ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Steuergerät
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der innere
Wirkungsgrad mit größerer Präzision auch
bei sich ändernden Betriebsparametern der Brennkraftmaschine
ermittelt werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der innere Wirkungsgrad in Abhängigkeit eines modellbasiert
ermittelten Verbrennungsdrucks der Brennkraftmaschine ermittelt
wird.
-
Untersuchungen
der Anmelderin haben ergeben, dass der Verbrennungsdruck der Brennkraftmaschine
verhältnismäßig genau modellbasiert ermittelt
werden kann. Ein entsprechendes Verfahren ist in der auf die Anmelderin
zurückgehenden deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 002477 beschrieben.
Dementsprechend ermöglicht der modellbasiert ermittelte
Verbrennungsdruck eine Ermittlung des inneren Wirkungsgrades der
Brennkraftmaschine mit vergleichbarer Präzision. Durch
das erfindungsgemäße Prinzip ist es möglich,
den inneren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine mit größerer Präzision
zu ermitteln, als dies bei den herkömmlichen kennfeldbasierten
Verfahren möglich ist.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Verbrennungsdruck in Abhängigkeit eines
Zündverzugs, eines Maximalwerts des Verbrennungsdrucks
und einer Anstiegszeit zwischen einem Beginn der Verbrennung und
dem Erreichen des Maximalwerts für den Verbrennungsdruck
ermittelt, wodurch eine besonders genaue Bestimmung des inneren
Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine möglich ist.
-
Eine
sehr effiziente und ressourcenschonende Ermittlung des inneren Wirkungsgrads
ist einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
zufolge dadurch gegeben, dass der innere Wirkungsgrad eta_Act in
Abhängigkeit eines inneren Moments trq_Inr der Brennkraftmaschine
und einer in einen Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzten
Kraftstoffmenge q_gesamt ermittelt wird, insbesondere nach der Gleichung:
wobei das innere Moment trq_Inr
vorzugsweise gemäß
trq_Inr(φ)
= p_diff(φ)·dV(φ)erhalten wird,
wobei φ einen Kurbelwellenwinkel bezeichnet, und wobei
dV(φ) ein von dem Kurbelwellenwinkel φ abhängiges
differentielles Volumenelement des betrachteten Brennraums der Brennkraftmaschine
darstellt.
-
Im
Falle von mehreren Teileinspritzungen während eines Arbeitszyklus
eines Zylinders wird als eingespritzte Kraftstoffmenge q_gesamt
für die vorstehenden Gleichungen vorzugsweise die Summenmenge
aus den Teileinspritzungen angesetzt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren kann einer weiteren
vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge für jeden Arbeitszyklus
eines Zylinders der Brennkraftmaschine durchgeführt werden,
so dass stets ein aktueller Wert für den inneren Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. Alternativ hierzu
kann zur Einsparung insbesondere von Rechenzeitressourcen eines
die Brennkraftmaschine steuernden Steuergeräts bzw. einer
darin vorgesehenen Recheneinheit auch nur für jeden n-ten
Arbeitszyklus die erfindungsgemäße Ermittlung
des inneren Wirkungsgrades vorgesehen sein, wobei n > 1.
-
Eine
weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass für
den inneren Wirkungsgrad ein Grundwert kennfeldbasiert ermittelt
wird, insbesondere in Abhängigkeit einer Drehzahl der Brennkraftmaschine
und eines Solldrehmoments. Dieser Grundwert entspricht dem mittels
der herkömmlichen Verfahren ermittelten Wirkungsgrad; er
kann unter Kombination mit dem erfindungsgemäßen
Betriebsverfahren vorteilhaft dadurch ergänzt beziehungsweise
substituiert werden, dass zeitweise der innere Wirkungsgrad in Abhängigkeit
des modellbasiert ermittelten Verbrennungsdrucks berechnet und z.
B. anstelle des Grundwerts verwendet wird. Beispielsweise kann bei
einer Berechnung eines über mehrere Arbeitszyklen gemittelten
inneren Wirkungsgrades ein gleitender Mittelwert des Grundwerts
für den inneren Wirkungsgrad gebildet werden, und zeitweise, nämlich
immer dann, wenn der innere Wirkungsgrad nach dem präziseren
erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit
des modellbasiert ermittelten Verbrennungsdrucks erhalten wird,
kann der erfindungsgemäß erhaltene Wert anstelle
des Grundwerts zur weiteren Bildung des gleitenden Mittelwerts verwendet
werden, um insgesamt einen präziseren Wirkungsgradwert
als den Grundwert zu erhalten. D. h., für die Berechnung
des gleitenden Mittelwerts des inneren Wirkungsgrads wir grundsätzlich
der kennfeldbasiert ermittelte Grundwert verwendet, und bei dem Vorliegen
eines aktuellen, erfindungsgemäß berechneten Werts
für den inneren Wirkungsgrad, wird dieser als Eingangsgröße
für die Mittelwertbildung verwendet.
-
Als
eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist ein Steuergerät gemäß Patentanspruch
8 angegeben.
-
Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder
deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer
Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise
in der Zeichnung.
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 einen
Verlauf eines Verbrennungsdrucks einer Brennkraftmaschine aufgetragen über einem
Kurbelwellenwinkel; und
-
2 ein
Funktionsdiagramm zur Realisierung einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt
einen Verlauf des Zylinderdrucks p_cyl aufgetragen über
einem Kurbelwellenwinkel φ, wie er sich während
des Betriebs einer Brennkraftmaschine bei einem Zylinder der Brennkraftmaschine
ergibt. Der Zylinderdruck p_cyl setzt sich hierbei zusammen aus
einem Kompressionsdruck p_compr, wie er sich zum Beispiel auch in
einem geschleppten Betrieb der Brennkraftmaschine ergibt, und aus
dem Verbrennungsdruck p_diff, der sich infolge einer Verbrennung
eines in einem Brennraum des Zylinders der Brennkraftmaschine befindlichen
Luft-/Kraftstoff-Gemischs ergibt.
-
Zur
effizienten Ermittlung des zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsdrucks
p_diff ist vorgeschlagen worden, ein Modell zu verwenden, welches
den zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks p_diff in Abhängigkeit
des Zündverzugs tau, des Maximalwerts p_rise des Verbrennungsdrucks
p_diff und der Anstiegszeit t_rise zwischen einem Beginn der Verbrennung
in dem betrachteten Zylinder und dem Erreichen des Maximalwerts
p_rise für den Verbrennungsdruck beschreibt. Die modellbasierte
Ermittlung des Verbrennungsdrucks p_diff ist detailliert in der
auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 002477 beschrieben.
-
Die
modellbasierte Ermittlung des Verbrennungsdrucks p_diff ist besonders
zweckmäßig, da sie echtzeitfähig ist,
d. h. mit derzeit verwendeten Steuergeräten bzw. darin
vorgesehenen Recheneinheiten eine Ermittlung des Verbrennungsdrucks
p_diff in Echtzeit erlaubt, und dennoch eine hohe Präzision bietet.
-
Besonders
vorteilhaft werden die Größen tau, p_rise, t_rise
bei dem modellbasierten Verfahren als Linearkombination in Abhängigkeit
von in dem Steuergerät bereits vorliegenden Betriebsgrößen
der Brennkraftmaschine ermittelt, u. a. in Abhängigkeit eines
Raildrucks p_rail und/oder einer Brennraumtemperatur t_inj zum Zeitpunkt
eines Ansteuerbeginns und/oder eines Brennraumdrucks p_inj zum Zeitpunkt
des Ansteuerbeginns und/oder einer Drehzahl n der Brennkraftmaschine
und/oder einer Abgasrückführrate r_EGR. Diese
Betriebsgrößen können beispielsweise
im Sinne einer Linearkombination – mit unterschiedlichen
Koeffizienten gewichtet – aufaddiert werden, um die Größen
tau, p_rise, t_rise zu liefern.
-
In
Abhängigkeit der Größen tau, p_rise, t_rise
wird bei dem modellbasierten Ansatz dann ein zeitlicher Verlauf
des Verbrennungsdrucks p_diff abschnittsweise über eine
erste mathematische Funktion, insbesondere eine Parabel, approximiert,
wobei die Parabel abhängig ist von dem Maximalwert p_rise des
Verbrennungsdrucks p_diff und der Anstiegszeit t_rise, und wobei
die Parabel insbesondere durch die Gleichung
repräsentiert ist,
wobei einem Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine entspricht,
und wobei φ
max dem Kurbelwellenwinkel
bei maximalem Verbrennungsdruck entspricht.
-
Die
erste mathematische Funktion wird bevorzugt zur Approximierung des
zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsdrucks p_diff vor bzw. bis zu
dem Erreichen des maximalen Verbrennungsdrucks p_rise verwendet,
d. h. in 1 etwa in einem Kurbelwellenwinkelbereich
von 0° KW bis 16° KW.
-
Zur
Approximierung des zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsdrucks p_diff
ab bzw. nach dem Erreichen des maximalen Verbrennungsdrucks p_rise, d.
h. in
1 etwa in einem Kurbelwellenwinkelbereich > 16° KW, wird
bevorzugt eine zweite mathematische Funktion verwendet, die abhängig
ist von dem Maximalwert p_rise des Verbrennungsdrucks p_diff, von
einem dem Brennraum zugeordneten Zylindervolumen V
φ,
V
rise, und von dem Polytro penexponenten κ einer
Gasladung in dem Brennraum, wobei die zweite mathematische Funktion
insbesondere lautet:
-
Die
vorstehend beschriebenen mathematischen Funktionen liefern demnach
präzise und mit wenig Rechenaufwand den Verbrennungsdruck p_diff,
der erfindungsgemäß dazu verwendet wird, den inneren
Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu ermitteln.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ermittlung des inneren Wirkungsgrads
der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des modellbasiert
ermittelten Verbrennungsdrucks wird Untersuchungen der Anmelderin zufolge
eine höhere Präzision erzielt als bei den herkömmlichen
kennfeldbasierten Verfahren. Insbesondere werden durch die Verwendung
des modellbasierten Ansatzes für alle Betriebspunkte der
Brennkraftmaschine präzise Werte erhalten, unabhängig von
bereits erstellten bzw. vorhandenen Kennfeldern.
-
Nachstehend
ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Ermittlung des inneren Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine
unter Bezugnahme auf das Funktionsdiagramm der 2 näher
beschrieben.
-
Ein
erster Funktionsblock 100, dem eingangsseitig der wie vorstehend
beschrieben modellbasiert ermittelte Verbrennungsdruck p_diff sowie
ein differentielles Volumenelement dV eines Brennraumvolumens zugeführt
werden, ermittelt hieraus gemäß der Gleichung trq_Inr(φ) = p_diff(φ)·dV(φ)das
innere Moment trq_Inr.
-
Ein
zweiter Funktionsblock
110 realisiert eine Division des
inneren Moments trq_Inr durch eine gesamte in einen Brennraum der
Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge q_gesamt, woraus
an dem Ausgang des zweiten Funktionsblocks
110 erfindungsgemäß der
innere Wirkungsgrad eta_Act erhalten wird:
-
Bei
hinreichenden Ressourcen in einem die Brennkraftmaschine steuernden
und das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden
Steuergerät, das vorliegend durch das gestrichelte Rechteck 200 in 2 symbolisiert
ist, kann der innere Wirkungsgrad eta_Act vorteilhaft für
jeden Arbeitszyklus eines Zylinders der Brennkraftmaschine ermittelt
werden.
-
Alternativ
hierzu ist es auch möglich, den inneren Wirkungsgrad eta_Act
nur zeitweise, beispielsweise für jeden n-ten Arbeitszyklus
eines Zylinders der Brennkraftmaschine, zu ermitteln, wobei n > 1.
-
Ferner
ist es möglich, zur Minimierung des Rechenaufwands bei
der Wirkungsgradberechnung einen Grundwert für den inneren
Wirkungsgrad in zu herkömmlichen Verfahren vergleichbarer
Weise, nämlich kennfeldbasiert, zu ermitteln. Hierzu wird
ein Kennfeld vorgehalten, dem eingangsseitig die Ist-Drehzahl der
Brennkraftmaschine und ein Sollwert für das Drehmoment
zugeführt werden. In Abhängigkeit dieser Eingangsgrößen
gibt das Kennfeld einen Grundwert für den inneren Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine aus. Dieser Grundwert kann beispielsweise
einem Mittelwertbildner zugeführt werden, der hieraus einen
gleitenden Mittelwert bildet.
-
Zur
Verfeinerung des auf diese Weise erhaltenen gleitenden Mittelwerts
für den inneren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine kann
zeitweise der innere Wirkungsgrad eta_Act in Abhängigkeit
des modellbasiert ermittelten Verbrennungsdrucks p_diff gemäß 2 ermittelt
werden, und dieser erfindungsgemäß ermittelte
innere Wirkungsgrad eta_Act wird anstelle des Grundwerts dem Mittelwertbildner zugeführt,
um den gleitenden Mittelwert auf diese Weise zu präzisieren.
-
Der
besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass zu jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
und bei allen erdenklichen Umweltbedingungen für die Brennkraftmaschine
ein präziser Wert für den inneren Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine ermittelt werden kann, der beispielsweise weiteren
Funktionen der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine zur Verfügung
gestellt werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102008002477 [0006, 0018]
