DE102011013481A1 - Method for determining temperature of gas in combustion chamber of e.g. diesel engine, for passenger car, involves determining temperature of gas based on total mass and pressure in chamber, rotation speed of engine and volume of chamber - Google Patents

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Abstract

The method involves determining total mass comprising a total gas mass (m) and mass of fuel in a combustion chamber (101) of an internal combustion engine at a predetermined crank angle. Pressure (p) in the combustion chamber is determined at the predetermined crank angle. Rotation speed of the combustion engine is determined. Volume (V) of the combustion chamber is determined at the predetermined crank angle. Temperature (T) of gas in the combustion chamber is determined at the predetermined crank angle based on the total mass, the pressure, the rotation speed and the volume. Independent claims are also included for the following: (1) a method for determining a gas temperature gradient in a combustion chamber of an internal combustion engine (2) a method for determining a residual gas amount in a combustion chamber of an internal combustion engine (3) a method for determining internal exhaust gas reconducting mass in a combustion chamber of an internal combustion engine (4) a method for determining total gas mass in a combustion chamber of an internal combustion engine (5) a method for determining oxygen contents during a compression stroke in a combustion chamber of an internal combustion engine (6) a method for controlling an internal combustion engine (7) a control device for an internal combustion engine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors und eine entsprechende Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Steuerung eines Verbrennungsmotors, bei welcher ein echtzeitfähiges Gaszustandsmodell für den Verbrennungsmotor verwendet wird und der Verbrennungsmotor auf der Grundlage dieses Gaszustandsmodells gesteuert wird. Das Verfahren ist insbesondere für Motoren mit einer Abgasrückführung und einer variablen oder vollvariablen Ventilsteuerung von Einlass- und Auslassventilen des Verbrennungsmotors sowie einem Abgasturbolader geeignet.The present invention relates to a method for controlling an internal combustion engine and a corresponding control device for an internal combustion engine. More particularly, the present invention relates to a control of an internal combustion engine in which a real time gas state model is used for the internal combustion engine and the internal combustion engine is controlled on the basis of this gas state model. The method is particularly suitable for engines with an exhaust gas recirculation and a variable or fully variable valve timing of intake and exhaust valves of the internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger.

Bei Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen, wie zum Beispiel Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, besteht ein großer Bedarf zur Emissionssenkung und zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Insbesondere bei Dieselmotoren werden dabei Methoden zur Abgasnachbehandlung verwendet. Im Fokus der Schadstoffbegrenzung stehen vor allem der Ausstoß von Stickoxydemissionen und Rußpartikeln. Um dies zu erreichen wird beispielsweise eine kombinierte Reduktion von Stickoxyden und Rußpartikeln mit Hilfe eines im Motorkennfeld optimierten Brennverfahrens oder eine Abgasnachbehandlung durch Dieselpartikelfilter und Stickoxydkatalysator verwendet. Abgasnachbehandlungssysteme bieten zwar den Vorteil eines hohen Konvertierungsgrades, haben jedoch aufgrund der systematischen Anforderungen den Nachteil des höheren Kraftstoffsverbrauchs und hoher Bauteil- und Integrationskosten. Primär steht daher die Optimierung des Brennverfahrens im Vordergrund. Stellgrößen zur Optimierung des Brennverfahrens sind einerseits feste Parameter wie Brennraum-, Kolbenmulden- und Kanalgeometrien sowie das geometrische Verdichtungsverhältnis. Weiterhin bietet die Düsengeometrie des Injektors Optimierungspotential. Variable Parameter während des Motorbetriebs sind der Gaszustand im Brennraum und die Einspritzcharakteristik. Der Gaszustand im Brennraum ist maßgeblich über die Ladungsdichte, Ladungszusammensetzung und Ladungsbewegung definiert und wird mit Hilfe von Gassystemstellern gesteuert. Die Einspritzcharakteristik ist gekennzeichnet durch die einzuspritzende Kraftstoffmenge, die Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitsspiel, den Einspritzzeitpunkt und Einspritzdruck sowie durch den zeitlichen Verlauf der einzelnen Einspritzungen.In internal combustion engines of vehicles, such as passenger cars or trucks, there is a great need to reduce emissions and to reduce fuel consumption. Especially in diesel engines while methods for exhaust aftertreatment are used. The main focus of emission control is the emission of nitrogen oxide emissions and soot particles. In order to achieve this, for example, a combined reduction of nitrogen oxides and soot particles using a combustion process optimized in the engine map or an exhaust aftertreatment by diesel particulate filter and nitrogen oxide catalyst is used. Although exhaust aftertreatment systems offer the advantage of a high degree of conversion, but have the disadvantage of higher fuel consumption and high component and integration costs due to the systematic requirements. Therefore, the primary focus is on optimizing the combustion process. Manipulated variables for optimizing the combustion process are, on the one hand, fixed parameters such as combustion chamber, piston bowl and channel geometries as well as the geometric compression ratio. Furthermore, the nozzle geometry of the injector offers optimization potential. Variable parameters during engine operation are the gas state in the combustion chamber and the injection characteristic. The gas state in the combustion chamber is largely defined by the charge density, charge composition and charge movement and is controlled by means of gas system controllers. The injection characteristic is characterized by the amount of fuel to be injected, the number of injections per cycle, the injection timing and injection pressure and by the time course of the individual injections.

Einen erheblichen Anteil an der Brennverfahrensoptimierung besitzen Steuerungs- und Regelungsalgorithmen, die auf Basis von Sensor- und Modellgrößen die für die aktuelle Betriebsstrategie richtigen Stellgrößenwerte berechnen, beobachten und einregeln. Dabei sind stationäre und dynamische Eingriffe gleichermaßen von Bedeutung. Ein erheblicher Anteil der Schadstoffe wird während dynamischer Betriebsphasen und im höherlastigen stationären Betrieb emittiert. Die dynamischen Nachteile ergeben sich zum einen aus sich rasch ändernden Gas- und Verbrennnungszuständen im Motor und zum anderen aus der Reaktionsträgheit des Gassystempfades. Dies äußert sich beispielsweise im Ansprechverhalten eines Abgasturboladers. Ein weiterer Grund können unzureichende Steuerungs- und Regelungsstrategien sein, die überwiegend aus Eingrößenregelungen mit kennfeldbasierter Vorsteuerung bestehen. Diese werden häufig für den Stationärbetrieb entwickelt und auf emissionsrelevante Zyklusbereiche angewendet. Daher können diese Regelungsalgorithmen nur bedingt auf schnelle Änderungen der Betriebsbedingungen des Motors reagieren.Controlling and control algorithms, which calculate, adjust and adjust the correct manipulated variable values for the current operating strategy on the basis of sensor and model variables, play a significant role in combustion optimization. In doing so, stationary and dynamic interventions are equally important. A significant proportion of pollutants is emitted during dynamic operating phases and in higher-load steady-state operation. The dynamic disadvantages arise on the one hand from quickly changing gas and combustion conditions in the engine and on the other hand from the inertness of the gas system path. This manifests itself for example in the response of an exhaust gas turbocharger. Another reason may be inadequate control and regulation strategies, which consist predominantly of influence regulations with map-based feedforward control. These are often developed for stationary operation and applied to emission-relevant cycle areas. Therefore, these control algorithms can only conditionally respond to rapid changes in the operating conditions of the engine.

In dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorschlägen bekannt, welche einen Betrieb eines Verbrennungsmotors möglichst genau bestimmen und simulieren, um eine geeignete Regelung durchzuführen, und darüber hinaus Verfahren zur Abgasrückführung bekannt, um die oben genannten Emissions-, Verbrauchs- und Regelungsprobleme zu lösen.In the prior art, a variety of proposals are known which determine and simulate an operation of an internal combustion engine as accurately as possible in order to carry out a suitable control, and moreover known methods for exhaust gas recirculation in order to solve the abovementioned emission, consumption and control problems ,

Aus der DE 10 2004 030 258 A1 ist in diesem Zusammenhang eine Abgasrückführanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasrückführanordnung bekannt. Bei dem Verfahren werden Emissionswerte verbessert, wenn eine Reglervorrichtung zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration im Saugrohr und einer Gesamtgasmasse in wenigstens einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration kann beispielsweise eine Breitbandlambdasonde verwendet werden. Bei dem Verfahren wird die Sauerstoffkonzentration in dem Saugrohr bestimmt und eingestellt und davon ausgegangen, dass die Sauerstoffkonzentration gleichermaßen nachfolgend im Zylinder vorliegt. Dies trifft jedoch insbesondere bei Motoren mit einer variablen oder vollvariablen Ventilsteuerung nicht zu, da bei diesen Motoren eine interne Abgasrückführung vorliegen kann, welche den Sauerstoffgehalt im Zylinder gegenüber dem Sauerstoffgehalt im Saugrohr verändert. Eine interne Abgasrückführung kann durch eine entsprechende Steuerung der Ventile bei einer variablen oder vollvariablen Ventilsteuerung erreicht werden und beispielsweise ein Abgasrücksaugen oder ein Abgasvorlagern ermöglichen. Beim Abgasrücksaugen wird im Ansaugtakt Abgas aus dem Abgaskrümmer zurückgesaugt und beim Abgasvorlagern wird Abgas während eines Ausstoßtaktes in das Saugrohr vorgelagert. Darüber hinaus wird bei dem Verfahren eine im Zylinder verbleibende Restgasmenge nicht berücksichtigt.From the DE 10 2004 030 258 A1 In this context, an exhaust gas recirculation arrangement and a method for operating an exhaust gas recirculation arrangement are known. In the method, emission levels are improved when a regulator device is provided for adjusting an oxygen concentration in the intake manifold and a total gas mass in at least one cylinder of the internal combustion engine. For example, a broadband lambda probe can be used to determine the oxygen concentration. In the method, the oxygen concentration in the draft tube is determined and set and it is assumed that the oxygen concentration is equally present in the cylinder. However, this is not the case in particular in engines with a variable or fully variable valve control, since these engines may have internal exhaust gas recirculation which changes the oxygen content in the cylinder relative to the oxygen content in the intake manifold. An internal exhaust gas recirculation can be achieved by a corresponding control of the valves in a variable or fully variable valve timing and allow, for example, exhaust gas recirculation or exhaust gas pre-storage. During exhaust gas recirculation, exhaust gas is sucked back from the exhaust manifold in the intake stroke, and exhaust gas is stored in front of exhaust gas during an exhaust stroke into the intake manifold. In addition, the method does not take into account a residual amount of gas remaining in the cylinder.

Die DE 4428976 C1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer in einen Ansaugtrakt mündenden Abgasrückführung. Für einen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine ist dabei vorgesehen, dass der Ansaugtrakt wenigstens im Mündungsbereich der Abgasrückführung in Strömungsrichtung unter Bildung eines Abgaskanals sowie eines Frischluftkanals zweigeteilt ist, und dass ein Sauerstoffsensor, welcher eine Steuerung des rückgeführten Abgasstroms ermöglichen soll, derart zwischen dem Abgaskanal und dem Frischluftkanal angeordnet ist, dass er die Sauerstoffgehalte im Abgaskanal und im Frischluftkanal zueinander in ein Verhältnis setzt. Neben den zusätzlichen Kosten für den Sauerstoffsensor wird auch bei dieser Brennkraftmaschine eine interne Abgasrückführung sowie eine Restabgasmenge in dem Zylinder nicht berücksichtigt. The DE 4428976 C1 relates to an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation opening into an intake tract. For a lean operation of the internal combustion engine it is provided that the intake tract is divided into two at least in the mouth region of the exhaust gas recirculation in the flow direction to form an exhaust passage and a fresh air passage, and that an oxygen sensor which is to allow control of the recirculated exhaust gas flow, between the exhaust passage and the fresh air passage is arranged so that it sets the oxygen levels in the exhaust duct and the fresh air duct to each other in a ratio. In addition to the additional costs for the oxygen sensor internal internal exhaust gas recirculation and a residual amount of exhaust gas in the cylinder is not considered in this internal combustion engine.

Für eine optimale Verbrennungsregelung ist insbesondere eine Regelung des Gaszustands, insbesondere eine zylinderindividuelle Regelung des Gaszustands erforderlich. Der Gaszustand kann jedoch von einer Vielzahl von Gassystemstellern, wie zum Beispiel Turbolader, Drosselklappe, Drallklappe, Hochdruckabgasrückführungseinstellung, Niederdruckabgasrückführungseinstellung sowie einer variablen Ventilsteuerung abhängen. Zur optimalen Gaseinstellung ist daher eine echtzeitfähige Simulation und Modellierung des Gassystems des Motors erforderlich.For an optimal combustion control, in particular a control of the gas state, in particular a cylinder-specific control of the gas state is required. However, the gas condition may depend on a variety of gas system actuators, such as turbocharger, throttle, swirl damper, high pressure exhaust gas recirculation adjustment, low pressure exhaust gas recirculation adjustment, and variable valve timing. For optimal gas adjustment therefore a real-time simulation and modeling of the gas system of the engine is required.

In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus der DE 10 2006 061 936 A1 ein Verfahren und System zur Simulation des Betriebs einer Brennkraftmaschine, aus der DE 10 2008 032935 A1 ein Verfahren zum Berechnen eines Brennraumdrucks in Echtzeit, aus der WO 03/046356 A2 ein Verfahren zu Bestimmung der Zusammensetzung des Gasgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit Abgasrückführung und aus der DE 10 2004 044 814 A1 ein Verfahren zur Simulation einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Verfahren berücksichtigen jedoch nicht eine interne Abgasrückführung, wie sie mit Hilfe eines vollvariablen Ventilbetriebs erreicht werden kann und dessen Variabilitäten als schnelle Stellmöglichkeiten für die dynamische und zylinderindividuelle Konditionierung des Gaszustands im Brennraum verwendet werden können.In this context, for example, from the DE 10 2006 061 936 A1 a method and system for simulating the operation of an internal combustion engine, from the DE 10 2008 032935 A1 a method for calculating a combustion chamber pressure in real time, from the WO 03/046356 A2 a method for determining the composition of the gas mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation and from DE 10 2004 044 814 A1 a method for simulating an internal combustion engine known. However, the methods do not consider an internal exhaust gas recirculation, which can be achieved with the aid of a fully variable valve operation and whose variabilities can be used as fast positioning possibilities for the dynamic and individual cylinder conditioning of the gas state in the combustion chamber.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein ganzheitliches Konzept für eine zylinderindividuelle Regelung des Gaszustands insbesondere für Dieselmotoren unter Einbindung aller Gassystemsteller bereitzustellen, welches echtzeitfähig für eine Verbrennungsregelung verwendet werden kann, um beispielsweise Anforderungen an die Steuerung verschiedener Dieselbrennverfahren zur Senkung der Emissionen im stationären und instationären Motorbetrieb zu erfüllen.Object of the present invention is therefore to provide a holistic concept for a cylinder-specific control of the gas state, in particular for diesel engines with the involvement of all gas system controller, which can be used real-time capable of combustion control, for example, requirements for the control of various diesel combustion processes to reduce emissions in stationary and transient To meet engine operation.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Gastemperatur in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Bestimmung eines Gastemperaturverlaufs in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 9, ein Verfahren zur Bestimmung einer Restgasmenge in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 10, ein Verfahren zur Bestimmung einer internen Abgasrückführmasse in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 11, ein Verfahren zur Bestimmung einer Gesamtgasmenge in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 12, ein Verfahren zur Bestimmung eines Sauerstoffgehalts während eines Verdichtungstakts in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 14, ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einer internen Abgasrückführung nach Anspruch 17, eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 22 und ein Fahrzeug nach Anspruch 23 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.This object is according to the present invention by a method for determining a gas temperature in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 1, a method for determining a gas temperature profile in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 9, a method for determining a residual gas amount in a combustion chamber of an internal combustion engine after Claim 10, a method for determining an internal exhaust gas recirculation mass in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 11, a method for determining a total amount of gas in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 12, a method for determining an oxygen content during a compression stroke in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 14, a method of controlling an internal combustion exhaust gas recirculation internal combustion engine according to claim 17, a control apparatus for an internal combustion engine according to claim 22, and a vehicle according to claim 23 öst. The dependent claims define preferred and advantageous embodiments of the invention.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe „interne Abgasrückführung” und „externe Abgasrückführung” sowie „Restgaserhöhung” verwendet. Die externe Abgasrückführung umfasst beispielsweise eine Hochdruckabgasrückführung, über welche Abgase von einem Bereich vor der Turbine des Abgasturboladers in den Ansaugbereich des Verbrennungsmotors zurückgeführt werden, und eine Niederdruckabgasrückführung, über welche Abgase von einem Bereich nach dem Abgasturbolader zu dem Ansaugbereich des Verbrennungsmotors zurückgeführt werden. Die interne Abgasrückführung umfasst beispielsweise ein Abgasvorlagern, bei welchem durch Öffnen eines Einlassventils während des Ausschiebetaktes Abgas in den Ansaugbereich (in mindestens einen der Einlasskanäle) des Verbrennungsmotors ausgeschoben wird, sowie ein Abgasrücksaugen, bei welchem durch Öffnen eines Auslassventils während des Ansaugtaktes Abgas aus dem Abgasbereich in einen Brennraum eingesaugt wird. Die Restgaserhöhung umfasst beispielsweise das Rückhalten von Abgas während des Ausschiebetaktes durch ein frühes Schließen eines der beiden Auslassventile eines Brennraums des Verbrennungsmotors.In the context of the present invention, the terms "internal exhaust gas recirculation" and "external exhaust gas recirculation" as well as "residual gas increase" are used. The external exhaust gas recirculation comprises, for example, a high-pressure exhaust gas recirculation via which exhaust gases are returned from a region upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger into the intake region of the internal combustion engine, and a low-pressure exhaust gas recirculation, via which exhaust gases are returned from a region downstream of the exhaust gas turbocharger to the intake region of the internal combustion engine. The internal exhaust gas recirculation includes, for example, an exhaust pre-storage in which exhaust gas is exhausted into the intake portion (at least one of the intake ports) of the engine by opening an intake valve, and an exhaust gas recirculation in which exhaust gas is exhausted from the exhaust portion by opening an exhaust valve during the intake stroke is sucked into a combustion chamber. The residual gas increase includes, for example, the retention of exhaust gas during the Ausschiebetaktes by early closing one of the two exhaust valves of a combustion chamber of the internal combustion engine.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Kurbelwellenwinkel während verschiedener Takte des Verbrennungsmotors, welcher typischerweise ein Viertaktmotor ist, definiert. In diesem Zusammenhang betrifft ein Kurbelwellenwinkel zwischen 0° und 180° einen Ansaugtakt, ein Kurbelwellenwinkel zwischen 180° und 360° einen Kompressionstakt oder Verdichtungstakt, ein Kurbelwellenwinkel zwischen 360° und 540° einen Expansionstakt oder Arbeitstakt und ein Kurbelwellenwinkel zwischen 540° und 720° einen Ausschiebetakt oder Ausstoßtakt. Nach 720° wiederholt sich das Arbeitsspiel des Motors.In the context of the present invention, crankshaft angles are defined during different strokes of the internal combustion engine, which is typically a four-stroke engine. In this context, a crankshaft angle between 0 ° and 180 ° refers to an intake stroke, a crankshaft angle between 180 ° and 360 ° to a compression stroke or compression stroke, a crankshaft angle between 360 ° and 540 ° Expansion stroke or power stroke and a crankshaft angle between 540 ° and 720 ° a Ausschiebetakt or exhaust stroke. After 720 ° the work cycle of the engine is repeated.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Gastemperatur in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird eine Gesamtmasse in dem Brennraum bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel bestimmt. Die Gesamtmasse umfasst eine Gesamtgasmasse und eine Masse einer Kraftstoffmenge in dem Brennraum bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel. Weiterhin wird ein Brennraumdruck in dem Brennraum bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel bestimmt und die Gastemperatur in dem Brennraum bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel in Abhängigkeit von der Gesamtmasse und dem Brennraumdruck bestimmt. Der Brennraumdruck kann beispielsweise mit Hilfe eines Druckmessers zylinderindividuell bestimmt werden. Auf der Grundlage der Gesamtmasse, dem Brennraumdruck und dem Brennraumvolumen, welches bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel aus geometrischen Betrachtungen einfach bestimmt werden kann, kann die Gastemperatur in dem Brennraum auf einfache Art und Weise in Echtzeit aus der allgemeinen Zustandsgleichung für Gase bestimmt werden.According to the present invention, a method for determining a gas temperature in a combustion chamber of an internal combustion engine is provided. In the method, a total mass in the combustion chamber is determined at a predetermined crankshaft angle. The total mass comprises a total mass of gas and a mass of an amount of fuel in the combustion chamber at the predetermined crankshaft angle. Furthermore, a combustion chamber pressure in the combustion chamber is determined at the predetermined crankshaft angle and the gas temperature in the combustion chamber is determined at the predetermined crankshaft angle as a function of the total mass and the combustion chamber pressure. The combustion chamber pressure can be determined individually for each cylinder with the aid of a pressure gauge. On the basis of the total mass, the combustion chamber pressure and the combustion chamber volume, which can be easily determined at the predetermined crankshaft angle from geometric considerations, the gas temperature in the combustion chamber can be determined in a simple manner in real time from the general equation of state for gases.

Gemäß einer Ausführungsform wird neben dem Brennraumvolumen des Brennraums bei dem vorbestimmten Kurbelwellwinkel weiterhin die Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmt und die Gastemperatur in Abhängigkeit von der Gesamtgasmasse, dem Brennraumdruck, der Drehzahl und dem Brennraumvolumen bestimmt. Indem die Drehzahl des Verbrennungsmotors bestimmt wird, kann die Gaskonstante der allgemeinen Zustandsgleichung für Gase Drehzahl- und Brennraumdruck abhängig über empirische Modelle für den Betriebszustand des Verbrennungsmotors bestimmt werden. Dadurch kann die Gastemperatur auf einfache echtzeitfähige Art und Weise bestimmt werden.According to one embodiment, in addition to the combustion chamber volume of the combustion chamber at the predetermined crankshaft angle, the rotational speed of the internal combustion engine is determined and the gas temperature is determined as a function of the total gas mass, the combustion chamber pressure, the rotational speed and the combustion chamber volume. By determining the speed of the internal combustion engine, the gas constant of the general equation of state for gases speed and combustion chamber pressure can be determined depending on empirical models for the operating state of the internal combustion engine. As a result, the gas temperature can be determined in a simple real-time manner.

Beispielsweise kann eine erste Gastemperatur bei einem vorbestimmten ersten Kurbelwellenwinkel während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors bestimmt werden. Der erste Kurbelwellenwinkel beträgt beispielsweise 460°. Gemäß einer Ausführungsform wird eine zweite Gastemperatur bei einem zweiten Kurbelwellenwinkel am Ende des Arbeitstakts in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem Brennraumdruck bei dem ersten Kurbelwellenwinkel, der ersten Gastemperatur und empirisch bestimmten Parametern bestimmt. Der zweite Kurbelwellenwinkel beträgt beispielsweise 540°. Die empirischen Parameter können beispielsweise während einer Entwicklung des Verbrennungsmotors derart bestimmt werden, dass im Echtzeitbetrieb lediglich noch einfache Gleichungen mit den empirischen Parametern und den bestimmten Größen zur Bestimmung der Gastemperatur berechnet werden müssen. Dadurch ist eine echtzeitfähige Bestimmung der Gastemperatur möglich.For example, a first gas temperature may be determined at a predetermined first crankshaft angle during a power stroke of the internal combustion engine. The first crankshaft angle is for example 460 °. According to one embodiment, a second gas temperature at a second crankshaft angle at the end of the power stroke is determined as a function of the rotational speed, the combustion chamber pressure at the first crankshaft angle, the first gas temperature and empirically determined parameters. The second crankshaft angle is for example 540 °. The empirical parameters can be determined, for example during a development of the internal combustion engine, such that only simple equations with the empirical parameters and the determined variables for determining the gas temperature have to be calculated in real-time operation. As a result, a real-time capable determination of the gas temperature is possible.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine dritte Gastemperatur bei einem dritten Kurbelwellenwinkel von beispielsweise 640° oder 700° während eines Ausstoßtaktes des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl, einem zweiten Brennraumdruck bei dem zuvor genannten zweiten Kurbelwellenwinkel, einem dritten Brennraumdruck bei dem dritten Kurbelwellenwinkel und der zuvor bestimmten zweiten Gastemperatur bestimmt. Somit ist auch eine Gastemperatur während des Ausstoßtaktes des Verbrennungsmotors in Echtzeit bestimmbar.According to another embodiment, a third gas temperature at a third crankshaft angle of, for example, 640 ° or 700 ° during an exhaust stroke of the internal combustion engine depending on the rotational speed, a second combustion chamber pressure at the aforementioned second crankshaft angle, a third combustion chamber pressure at the third crankshaft angle and the previously determined certain second gas temperature. Thus, a gas temperature during the exhaust stroke of the internal combustion engine in real time can be determined.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine vierte Gastemperatur eines Restgases in dem Brennraum bei einem vierten Kurbelwellenwinkel von beispielsweise 720° am Ende des Ausstoßtakts in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem ersten Brennraumdruck, dem dritten Brennraumdruck und der zweiten Gastemperatur bestimmt. Auch die vierte Gastemperatur, d. h. die Temperatur des Restgases, kann in Abhängigkeit der zuvor genannten Parameter bestimmt werden, sodass eine einfache und echtzeitfähige Gastemperaturbestimmung des Restgases möglich ist.According to another embodiment, a fourth gas temperature of a residual gas in the combustion chamber is determined at a fourth crankshaft angle of, for example, 720 ° at the end of the exhaust stroke in dependence on the rotational speed, the first combustion chamber pressure, the third combustion chamber pressure and the second gas temperature. Also the fourth gas temperature, d. H. the temperature of the residual gas, can be determined depending on the aforementioned parameters, so that a simple and real-time capable gas temperature determination of the residual gas is possible.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Einlassgastemperatur an Einlassventilen des Verbrennungsmotors bestimmt und ein indiziertes Moment des Verbrennungsmotors bestimmt. In Abhängigkeit von der Drehzahl, der vierten Gastemperatur, dem indizierten Moment und der Einlassgastemperatur wird eine fünfte Gastemperatur bei einem fünften Kurbelwellenwinkel von beispielsweise 100° während eines Ansaugtakts des Verbrennungsmotors bestimmt. Die fünfte Gastemperatur kann aus den zuvor genannten Größen mit einfachen algebraischen Mitteln bestimmt werden und daher ist diese Bestimmung echtzeitfähig.According to a further embodiment, an inlet gas temperature is determined at inlet valves of the internal combustion engine and an indexed moment of the internal combustion engine is determined. Depending on the rotational speed, the fourth gas temperature, the indicated torque and the intake gas temperature, a fifth gas temperature is determined at a fifth crankshaft angle of, for example, 100 ° during an intake stroke of the internal combustion engine. The fifth gas temperature can be determined from the aforementioned quantities with simple algebraic means and therefore this determination is real-time capable.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein fünfter Brennraumdruck bei dem fünften Kurbelwellenwinkel mit beispielsweise einem Drucksensor bestimmt und in Abhängigkeit von der Drehzahl, der fünften Gastemperatur und dem fünften Brennraumdruck eine sechste Gastemperatur bei einem sechsten Kurbelwellenwinkel am Ende des Ansautakts, beispielsweise bei 180°, bestimmt. Die sechste Gastemperatur wird ebenfalls aus den genannten Eingangsgrößen bestimmt und ist daher in Echtzeit während eines Betriebs des Verbrennungsmotors bestimmbar.According to a further embodiment, a fifth combustion chamber pressure at the fifth crankshaft angle is determined with, for example, a pressure sensor and a sixth gas temperature at a sixth crankshaft angle at the end of the Ansautaktts, for example at 180 ° determined depending on the speed, the fifth gas temperature and the fifth combustion chamber pressure. The sixth gas temperature is also determined from the mentioned input variables and can therefore be determined in real time during operation of the internal combustion engine.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein sechster Brennraumdruck bei dem sechsten Kurbelwellenwinkel bestimmt, ein Brennraumvolumen bei dem sechsten Kurbelwellenwinkel aus beispielsweise geometrischen Daten des Verbrennungsmotors bestimmt, ein siebter Brennraumdruck bei dem siebten Kurbelwellenwinkel bestimmt und ein Brennraumvolumen bei dem siebten Kurbelwellenwinkel bestimmt. Der siebte Kurbelwellenwinkel ist ein Kurbelwellenwinkel während eines Verdichtungstakts oder Arbeitstakts des Verbrennungsmotors, insbesondere ein Kurbelwellenwinkel im Bereich von 180° bis 460°. In Abhängigkeit von der sechsten Gastemperatur, dem fünften Brennraumdruck, dem sechsten Brennraumdruck, dem Brennraumvolumen bei dem sechsten Kurbelwellenwinkel, dem siebten Brennraumdruck, dem Brennraumvolumen bei dem siebten Kurbelwellenwinkel, der Drehzahl und des indizierten Moments wird eine siebte Gastemperatur bei dem siebten Kurbelwellenwinkel beispielsweise mit Hilfe der idealen Gasgleichung bestimmt. Somit ist auch die siebte Gastemperatur auf einfache Art und Weise in Echtzeit aus den genannten Eingangsgrößen bestimmbar.According to a further embodiment, a sixth combustion chamber pressure is determined at the sixth crankshaft angle, a combustion chamber volume at the sixth crankshaft angle is determined from, for example, geometric data of the internal combustion engine, a seventh combustion chamber pressure is determined at the seventh crankshaft angle and a combustion chamber volume is determined at the seventh crankshaft angle. The seventh crankshaft angle is a crankshaft angle during a compression stroke or working stroke of the internal combustion engine, in particular a crankshaft angle in the range of 180 ° to 460 °. Depending on the sixth gas temperature, the fifth combustion chamber pressure, the sixth combustion chamber pressure, the combustion chamber volume at the sixth crankshaft angle, the seventh combustion chamber pressure, the combustion chamber volume at the seventh crankshaft angle, the rotational speed and the indicated torque, a seventh gas temperature at the seventh crankshaft angle, for example, by means of the ideal gas equation. Thus, the seventh gas temperature can be determined in a simple manner in real time from the mentioned input variables.

Mit den zuvor beschriebenen Verfahren ist es somit möglich, für eine Vielzahl unterschiedlicher Kurbelwellenwinkel während der unterschiedlichen Takte des Verbrennungsmotors die aktuelle Gastemperatur im Brennraum des Verbrennungsmotors in Echtzeit zu bestimmen.With the methods described above, it is thus possible to determine the actual gas temperature in the combustion chamber of the internal combustion engine in real time for a large number of different crankshaft angles during the different cycles of the internal combustion engine.

Daher wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung eines Gastemperaturverlaufs in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, bei welchem mehrere Gastemperaturen in dem Brennraum des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln des Verbrennungsmotors bestimmt werden und der Gastemperaturverlauf über dem Kurbelwellenwinkel durch Interpolieren der mehreren Gastemperaturen bestimmt wird. Die mehreren Gastemperaturen werden wie zuvor beschrieben bestimmt. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Verfahren ist es daher möglich, eine aktuelle Gastemperatur in dem Brennraum des Verbrennungsmotors ohne Temperatursensor im Brennraum zu bestimmen.Therefore, in the context of the present invention, a method is provided for determining a gas temperature profile in a combustion chamber of an internal combustion engine, wherein a plurality of gas temperatures in the combustion chamber of the internal combustion engine at different crankshaft angles of the internal combustion engine are determined and the gas temperature profile is determined over the crankshaft angle by interpolating the plurality of gas temperatures. The multiple gas temperatures are determined as previously described. With the aid of the method described above, it is therefore possible to determine a current gas temperature in the combustion chamber of the internal combustion engine without a temperature sensor in the combustion chamber.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Gesamtgasmenge in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird ein Zylinderdruckkennwert am Ende eines Ansaugtaktes des Verbrennungsmotors bestimmt. Der Zylinderdruckkennwert am Ende eines Ansaugtaktes kann beispielsweise durch einen Zylinderdruckkennwert, der mit Hilfe eines Drucksensors in dem Zylinder zu einem bestimmten Kurbelwellenwinkel während eines Kompressionstaktes bestimmt und auf einen Zylinderdruckwert für das Ende des Ansaugtaktes mit Hilfe einer isentropen Zustandsänderung zurückgerechnet wird, bestimmt werden. Weiterhin wird bei dem Verfahren am Ende des Ansaugtakts ein Brennraumvolumen aus beispielsweise geometrischen Daten des Verbrennungsmotors und eine Zylindertemperatur bestimmt. Die Gesamtgasmasse in dem Brennraum wird in Abhängigkeit von dem Zylinderdruckkennwert am Ende des Ansaugtakts, dem Brennraumvolumen am Ende des Ansaugtakts und der Zylindertemperatur am Ende des Ansaugtakts bestimmt. Die Bestimmung der Gesamtgasmasse kann beispielsweise mit Hilfe der Zustandsgleichung für ideale Gase auf einfache Art und Weise aus den zuvor beschriebenen Parametern bestimmt werden. Dadurch ist eine Bestimmung in Echtzeit möglich.According to the present invention, there is further provided a method of determining a total amount of gas in a combustion chamber of an internal combustion engine. In the method, a cylinder pressure characteristic is determined at the end of an intake stroke of the internal combustion engine. The cylinder pressure characteristic value at the end of an intake stroke can be determined, for example, by a cylinder pressure characteristic which is determined by means of a pressure sensor in the cylinder at a specific crankshaft angle during a compression stroke and calculated back to a cylinder pressure value for the end of the intake stroke with the aid of an isentropic state change. Furthermore, in the method at the end of the intake stroke, a combustion chamber volume of, for example, geometric data of the internal combustion engine and a cylinder temperature is determined. The total gas mass in the combustion chamber is determined as a function of the cylinder pressure characteristic at the end of the intake stroke, the combustion chamber volume at the end of the intake stroke and the cylinder temperature at the end of the intake stroke. The determination of the total gas mass can be determined, for example, with the aid of the equation of state for ideal gases in a simple manner from the parameters described above. This makes a determination in real time possible.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Gastemperatur mit Hilfe des weiter oben beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung der sechsten Gastemperatur am Ende des Ansaugtakts bei beispielsweise einem Kurbelwellenwinkel von 180° bestimmt. Die Zylindertemperatur am Ende des Ansaugtakts kann dann in Abhängigkeit von der sechsten Gastemperatur, der Motordrehzahl, dem Zylinderdruckkennwert am Ende des Ansaugtakts, dem fünften Brennraumdruck und dem indizierten Moment des Zylinders bestimmt werden. Die Zylindertemperatur kann beispielsweise mit Hilfe eines Korrekturterms aus der sechsten Gastemperatur, d. h. der Gastemperatur am Ende des Ansaugtakts, bestimmt werden. Der Korrekturterm kann beispielsweise mit Hilfe der idealen Gasgleichung und einer Ladungswechselanalyse aus der Motordrehzahl, dem Zylinderdruckkennwert, dem Brennraumdruck und dem indizierten Moment bestimmt werden.According to one embodiment, the gas temperature is determined by means of the above-described method for determining the sixth gas temperature at the end of the intake stroke at, for example, a crankshaft angle of 180 °. The cylinder temperature at the end of the intake stroke may then be determined as a function of the sixth gas temperature, the engine speed, the cylinder pressure characteristic at the end of the intake stroke, the fifth combustion chamber pressure and the indicated torque of the cylinder. The cylinder temperature may be determined, for example, by means of a correction term from the sixth gas temperature, i. H. the gas temperature at the end of the intake stroke. For example, the correction term may be determined from the engine speed, the cylinder pressure rating, the combustion chamber pressure, and the indicated torque using the ideal gas equation and a charge cycle analysis.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung eines Sauerstoffgehalts während eines Verdichtungstakts in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasrückführung bereitgestellt. Dazu wird eine Abgasrückführungsrate über die Abgasrückführung bestimmt und ein Frischluftsauerstoffgehalt einer dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft bestimmt. Weiterhin wird ein Abgassauerstoffgehalt eines Abgases des Verbrennungsmotors, welches dem Verbrennungsmotor über die Abgasrückführung zugeführt wird, bestimmt und der Sauerstoffgehalt in dem Brennraum in Abhängigkeit von der Abgasrückführungsrate, dem Frischluftsauerstoffgehalt und dem Abgassauerstoffgehalt bestimmt. Die Abgasrückführung kann eine interne und eine externe Abgasrückführung sowie eine Restgaserhöhung umfassen. Die interne Abgasrückführung und die Restgaserhöhung kann über eine variable Ventilsteuerung von Ventilen des Verbrennungsmotors einstellbar sein. Die Abgasrückführungsrate wird in diesem Fall auf der Grundlage einer externen Abgasrückführungsrate der externen Abgasrückführung, einer internen Abgasrückführungsrate der internen Abgasrückführung und einer Restgasrate einer in dem Brennraum nach einer Verbrennung verbleibenden, bei Bedarf erhöhten, Restgasmenge bestimmt. Durch die Berücksichtigung der externen Abgasrückführung, der internen Abgasrückführung und der Restgasmenge kann insbesondere bei Motoren mit variabler Ventilsteuerung, insbesondere bei einer vollvariablen Ventilsteuerung, der Sauerstoffgehalt im Brennraum des Verbrennungsmotors auf einfache Art und Weise genau bestimmt werden. Darüber hinaus sind keine aufwendigen Sensoren zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts beispielsweise im Ansaugtrakt erforderlich.According to the present invention, there is further provided a method of determining an oxygen content during a compression stroke in a combustion chamber of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation. For this purpose, an exhaust gas recirculation rate is determined via the exhaust gas recirculation and a fresh air oxygen content of a fresh air supplied to the internal combustion engine is determined. Furthermore, an exhaust gas oxygen content of an exhaust gas of the internal combustion engine, which is supplied to the internal combustion engine via the exhaust gas recirculation, determined and determines the oxygen content in the combustion chamber in dependence on the exhaust gas recirculation rate, the fresh air oxygen content and the exhaust gas oxygen content. The exhaust gas recirculation may include an internal and an external exhaust gas recirculation as well as a residual gas increase. The internal exhaust gas recirculation and the residual gas increase can be controlled by a variable valve control of valves be adjustable to the internal combustion engine. The exhaust gas recirculation rate in this case is determined on the basis of an external exhaust gas recirculation EGR rate, an internal exhaust gas recirculation EGR rate, and a residual gas rate of remaining gas remaining in the combustion chamber after combustion, if necessary increased. By taking into account the external exhaust gas recirculation, the internal exhaust gas recirculation and the amount of residual gas, the oxygen content in the combustion chamber of the internal combustion engine can be accurately determined in a simple manner, especially in engines with variable valve timing, especially in a fully variable valve timing. In addition, no complex sensors for determining the oxygen content, for example, in the intake tract required.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein reales Druckverhältnis von zwei gemessenen Druckkennwerten während des Verdichtungstaktes bei zwei unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln bestimmt. Weiterhin wird ein modelliertes Druckverhältnis bei den beiden unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl, einem indizierten Moment, einer Gasmasse in dem Brennraum und dem Sauerstoffgehalt in dem Brennraum bestimmt. Das modellierte Druckverhältnis stellt ein zu erwartendes Druckverhältnis dar, welches unter Verwendung von Stationärmessungen empirisch mit den zuvor genannten Parametern modelliert wird. In Abhängigkeit von der Motordrehzahl, dem indizierten Moment, dem realen Druckverhältnis und dem modellierten Druckverhältnis wird ein Korrekturwert für den Sauerstoffgehalt bestimmt. Beispielsweise wird mit Hilfe der Differenz aus modelliertem und realen Druckverhältnis der zuvor bestimmte Sauerstoffgehalt in dem entsprechenden Motorbetrieb additiv korrigiert. Diese Korrektur ist besonders in instationären Betriebsphasen des Verbrennungsmotors erforderlich, um einen genauen Sauerstoffgehalt während des Verdichtungstakts zu bestimmen.According to one embodiment, a real pressure ratio of two measured pressure characteristics during the compression stroke is determined at two different crankshaft angles. Furthermore, a modeled pressure ratio at the two different crankshaft angles is determined as a function of an engine speed, an indicated torque, a gas mass in the combustion chamber and the oxygen content in the combustion chamber. The modeled pressure ratio represents an expected pressure ratio, which is modeled empirically using stationary measurements using the aforementioned parameters. Depending on the engine speed, the indicated torque, the real pressure ratio and the modeled pressure ratio, a correction value for the oxygen content is determined. For example, the previously determined oxygen content in the corresponding engine operation is additively corrected with the aid of the difference between the modeled and the real pressure ratio. This correction is particularly necessary in transient operating phases of the internal combustion engine to determine an accurate oxygen content during the compression stroke.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einer externen und internen Abgasrückführung sowie mit einer Restgaserhöhung bereitgestellt. Die interne Abgasrückführung und Restgaserhöhung sind über eine variable Ventilsteuerung, insbesondere eine vollvariable Ventilsteuerung, einstellbar. Bei dem Verfahren wird eine Gesamtgasmasse und ein Sauerstoffgehalt in einem Brennraum des Verbrennungsmotors bestimmt. Weiterhin wird ein Soll-Gesamtgasmasse und ein Soll-Sauerstoffgehalt in dem Brennraum für einen vorgegebenen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors bestimmt. In Abhängigkeit von der bestimmten Gesamtgasmasse, dem bestimmten Sauerstoffgehalt, der Soll-Gesamtgasmasse und dem Soll-Sauerstoffgehalt wird ein Stellglied des Verbrennungsmotors eingestellt.According to a further aspect of the present invention, a method for controlling an internal combustion engine with an external and internal exhaust gas recirculation and with a residual gas increase is provided. The internal exhaust gas recirculation and residual gas increase are adjustable via a variable valve control, in particular a fully variable valve control. In the method, a total gas mass and an oxygen content in a combustion chamber of the internal combustion engine is determined. Furthermore, a target total gas mass and a desired oxygen content in the combustion chamber are determined for a given operating point of the internal combustion engine. Depending on the determined total gas mass, the determined oxygen content, the target total gas mass and the desired oxygen content, an actuator of the internal combustion engine is set.

Das Stellglied des Verbrennungsmotors kann beispielsweise die variable oder vollvariable Ventilsteuerung, eine Drosselklappe des Verbrennungsmotors, eine Turboladereinstellvorrichtung zum Einstellen eines Turboladedrucks mindestens eines Abgasturboladers des Verbrennungsmotors umfassen. Ein Einstellen der Ventile, der Drosselklappe und/oder der Turboladereinstellvorrichtung kann dabei insbesondere mit der Gesamtgasmasse als Führungsgröße durchgeführt werden. Das Einstellen der Ventile kann beispielsweise ein Einstellen eines Einlass-Öffnen-Zeitpunkts, eines Einlass-Schließt-Zeitpunkts und einer Ventilhubhöhe umfassen.The actuator of the internal combustion engine may comprise, for example, the variable or fully variable valve control, a throttle valve of the internal combustion engine, a turbocharger adjustment device for adjusting a turbocharging pressure of at least one exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine. A setting of the valves, the throttle valve and / or the turbocharger adjustment device can be carried out in particular with the total gas mass as a reference variable. The setting of the valves may include, for example, adjusting an intake open timing, an intake close timing, and a valve lift amount.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Stellglied die interne Abgasrückführung, die Restgaserhöhung, eine externe Abgasrückführung des Verbrennungsmotors und/oder eine Drallklappe des Verbrennungsmotors. Die interne Abgasrückführung, die Restgaserhöhung, die externe Abgasrückführung und/oder die Drallklappe werden in Abhängigkeit von dem bestimmten Sauerstoffgehalt und dem Soll-Sauerstoffgehalt eingestellt. Der Sauerstoffgehalt dient in diesem Fall als Führungsgröße. Indem einige Stellglieder des Verbrennungsmotors (Drosselklappe, variable Ventilsteuerung, Turbolader) mit der Gesamtgasmasse als Führungsgröße eingestellt werden und andere Stellglieder (Abgasrückführungen und Drallklappe) mit dem Sauerstoffgehalt als Führungsgröße eingestellt werden, kann eine einfache und zuverlässige Steuerung des Verbrennungsmotors sichergestellt werden.According to a further embodiment, the actuator comprises the internal exhaust gas recirculation, the residual gas increase, an external exhaust gas recirculation of the internal combustion engine and / or a swirl flap of the internal combustion engine. The internal exhaust gas recirculation, the residual gas increase, the external exhaust gas recirculation and / or the swirl flap are adjusted as a function of the determined oxygen content and the desired oxygen content. The oxygen content serves as a reference variable in this case. By setting some of the internal combustion engine (throttle, variable valve control, turbocharger) with the total gas mass as a reference and adjusting other actuators (exhaust gas recirculation and swirl damper) with the oxygen content as a reference, easy and reliable control of the engine can be ensured.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder und die variable Ventilsteuerung ist eine vollvariable zylinderindividuelle Ventilsteuerung. Die Gesamtgasmasse, der Sauerstoffgehalt, Soll-Gesamtgasmasse und der Soll-Sauerstoffgehalt werden in diesem Fall zylinderindividuell bestimmt und die Ventile der vollvariablen zylinderindividuellen Ventilsteuerung werden in Abhängigkeit der zuvor genannten Größen zylinderindividuell eingestellt. Dadurch können Unterschiede der Zylinder, beispielsweise unterschiedliche Temperaturen in den Brennräumen oder ein unterschiedliches Ladungswechselverhalten (Gasmasse und Sauerstoffgehalt) der einzelnen Zylinder, individuell berücksichtigt werden und somit Emissionen und Kraftstoffverbrauch zylinderindividuell optimiert werden.According to a further embodiment, the internal combustion engine comprises a plurality of cylinders and the variable valve control is a fully variable cylinder-individual valve control. The total gas mass, the oxygen content, target total gas mass and the desired oxygen content are determined in this case cylinder-specific and the valves of the fully variable cylinder-individual valve control are set individually for each cylinder in dependence on the above variables. As a result, differences in the cylinder, for example different temperatures in the combustion chambers or a different charge cycle behavior (gas mass and oxygen content) of the individual cylinders, can be taken into account individually and thus emissions and fuel consumption can be optimized for each cylinder.

Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereit, welcher zur Durchführung eines oder mehrerer der zuvor beschriebenen Verfahren und der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist. Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und der Steuervorrichtung bereitgestellt. Die Steuervorrichtung und das Fahrzeug umfassen daher auch die Vorteile der zuvor beschriebenen Verfahren und Ausführungsformen. Furthermore, the present invention provides a control device for an internal combustion engine, which is designed to carry out one or more of the previously described methods and the embodiments described above. Furthermore, according to the present invention, there is provided a vehicle having an internal combustion engine and the control device. The control device and the vehicle therefore also include the advantages of the previously described methods and embodiments.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert werden.The present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt Beschreibungsgrößen für den Gaszustand im Brennraum eines Verbrennungsmotors. 1 shows description variables for the gas state in the combustion chamber of an internal combustion engine.

2 zeigt eine Gesamtstruktur einer zylinderdruckbasierten Gaszustandsmodellierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 FIG. 12 shows an overall structure of cylinder pressure based gas state modeling according to one embodiment of the present invention. FIG.

3 zeigt schematisch ein Verbrennungsmotorsystem und eine Sensorkonfiguration des Verbrennungsmotorsystems. 3 schematically shows an internal combustion engine system and a sensor configuration of the internal combustion engine system.

4 zeigt eine Struktur eines Brennraummodells gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 shows a structure of a combustion model according to an embodiment of the present invention.

5 zeigt eine Darstellung eines physikalischen Temperaturverlaufs und eines gemäß der vorliegenden Erfindung approximierten Temperaturverlaufs im Zylinder. 5 shows a representation of a physical temperature profile and an approximated according to the present invention, temperature profile in the cylinder.

6 zeigt Verfahrensschritte zum Bestimmen eines Gastemperaturverlaufs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 shows method steps for determining a gas temperature profile according to an embodiment of the present invention.

7 zeigt Verfahrensschritte zum Bestimmen einer Gastemperatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 shows method steps for determining a gas temperature according to an embodiment of the present invention.

8 zeigt Verfahrensschritte zum Bestimmen einer Gesamtgasmenge im Brennraum gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 8th shows method steps for determining a total amount of gas in the combustion chamber according to an embodiment of the present invention.

9 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Sauerstoffgehalts im Brennraum gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 shows a method for determining an oxygen content in the combustion chamber according to an embodiment of the present invention.

10 zeigt eine Regelungsstruktur mit einer modellbasierten Führungsgrößenvorsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 shows a control structure with a model-based Führungsgrößenvorsteuerung according to an embodiment of the present invention.

11 zeigt einen schematischen Aufbau einer Regelungsstruktur für ein Gassystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 11 shows a schematic structure of a control structure for a gas system according to an embodiment of the present invention.

12 zeigt schematisch eine zylinderindividuelle Gasmassenregelung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 12 schematically shows a cylinder-specific gas mass control according to an embodiment of the present invention.

13 zeigt schematisch eine zylinderindividuelle Regelung eines Sauerstoffgehalts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 13 schematically shows a cylinder-specific regulation of an oxygen content according to an embodiment of the present invention.

14 zeigt einen Gesamtaufbau eines zylinderindividuellen Regelungs- und Steuerkonzepts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 14 shows an overall construction of a cylinder-individual control and regulation concept according to an embodiment of the present invention.

15 zeigt ein Verfahren zum Einstellen eines Stellglieds eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 15 shows a method for adjusting an actuator of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

16 zeigt ein Fahrzeug mit einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 16 shows a vehicle with a control device according to an embodiment of the present invention.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gaszustandsmodellierung bereitgestellt, welche echtzeitfähige und serientaugliche Modellansätze für die regelungsrelevanten Prozessgrößen Zylindergasmasse und Sauerstoffgehalt im Brennraum umfasst. Dabei steht eine physikalischmotivierte Modellbildung im Vordergrund, d. h. die Prozessgrößen werden rein aus dem sich ändernden Prozesszustand auf Basis physikalischer Zusammenhänge berechnet und nicht in Abhängigkeit variierender Stellgrößenwerte, wie beispielsweise des Sollwertes für eine Ventilposition. Das Resultat ist somit ein ganzheitlicher Modellierungsansatz für den Gaszustand, welcher vom Motoraufbau und von der Betriebsstrategie bzw. vom Betriebszustand unabhängig ist. Als Haupteingangsgröße für das Gesamtmodell steht der zylinderindividuell gemessene Zylinderdruck zur Verfügung. Um physikalische Abhängigkeiten der Modellgrößen von messbaren Prozessgrößen zu ermitteln, können Methoden der Korrelationsanalyse angewendet werden. Ausgehend von experimentellen Messergebnissen erfolgt die Entwicklung sogenannter Grey-Box-Modelle, welche in der Basis physikalische Modellstrukturen beinhalten. Diese werden um empirische Anteile in Form von nichtlinearen Gleichungen mit approximierten Parametern ergänzt. Im Folgenden werden die empirischen Modellanteile durch die allgemeine Form z = a0 + a1·x·y bzw. z = b0 + b1·x·y beschrieben. Die Größen x und y beschreiben die Eingangsgrößen. Die Größe z ist die Ausgangsgröße. Die Parameter a0 und a1 bzw. b0 und b1 sind dabei applikative Größen mit unterschiedlichem Wert und resultieren aus der Modellbedatung.According to the present invention, a gas state modeling is provided, which includes real-time capable and series-compatible model approaches for the control-relevant process variables cylinder gas mass and oxygen content in the combustion chamber. Here, a physically motivated modeling is in the foreground, ie the process variables are purely based on the changing process state calculated physical relationships and not in response to varying manipulated variable values, such as the setpoint for a valve position. The result is thus an integrated modeling approach for the gas state, which is independent of the engine design and of the operating strategy or the operating state. The main input variable for the overall model is the cylinder-specific measured cylinder pressure. In order to determine physical dependencies of the model sizes of measurable process variables, methods of correlation analysis can be applied. On the basis of experimental measurement results, the development of so-called gray-box models takes place, which include physical model structures in the base. These are supplemented by empirical parts in the form of non-linear equations with approximated parameters. In the following, the empirical model components are described by the general form z = a 0 + a 1 · x · y or z = b 0 + b 1 · x · y. The variables x and y describe the input variables. The size z is the starting size. The parameters a 0 and a 1 or b 0 and b 1 are applicational variables with different values and result from the model data.

Der Gaszustand im Brennraum ist durch seine thermodynamischen Eigenschaften definiert. 1 zeigt schematisch einen Zylinder 100 eines Verbrennungsmotors mit einem Brennraum 101 als Kontrollvolumen, in dem die Prozessgrößen Druck p, Volumen V, Temperatur T, Gasmasse m, Sauerstoffgehalt xO2 unter Berücksichtigung einer Abgasrückführungsrate rAGR und Ladungsbewegung (als Drallniveau DN) zu Kompressionsbeginn vorherrschen. Diese Zustandsgrößen sind, sobald die Einspritzung erfolgt, entscheidend für den sich anschließenden Gemischbildungsprozess (Zündverzugszeit) und beeinflussen somit maßgeblich die Zündbedingungen. Des Weiteren ist der Gaszustand entscheidend für den Brennverlauf (Wärmefreisetzung) und den sich ergebenden Verbrennungswirkungsgrad.The gas state in the combustion chamber is defined by its thermodynamic properties. 1 schematically shows a cylinder 100 an internal combustion engine with a combustion chamber 101 as a control volume in which the process variables pressure p, volume V, temperature T, gas mass m, oxygen content x O2 prevail, taking into account an exhaust gas recirculation rate r AGR and charge movement (as a spin level DN) at the beginning of the compression. As soon as the injection has taken place, these state variables are decisive for the subsequent mixture formation process (ignition delay time) and thus decisively influence the ignition conditions. Furthermore, the gas state is critical to the combustion process (heat release) and the resulting combustion efficiency.

Der Gaszustand im Brennraum wird für alle Zylinder gleich über den äußeren Gaszustand im Ansaug- und Abgassystem und mittels zylinderindividueller Parameter bestimmt. Mögliche Stellelemente im Gassystem sind beispielsweise der Ladedruck eines Abgasturboladers, eine Drosselklappe, Ventile in einer Hochdruckabgasrückführung (HD-AGR) oder Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR), eine Drallklappe, ein Ventiltrieb der Einlass- und Auslassventile, ein Einspritzdruck oder ein Einspritzzeitpunkt.The gas state in the combustion chamber is determined for all cylinders equal to the external gas state in the intake and exhaust system and by means of cylinder-specific parameters. Possible control elements in the gas system are, for example, the charge pressure of an exhaust gas turbocharger, a throttle valve, valves in a high-pressure exhaust gas recirculation (HP-EGR) or low-pressure exhaust gas recirculation (LP EGR), a swirl flap, a valve train of the intake and exhaust valves, an injection pressure or an injection time.

Damit das Gesamtmodell serientauglich und echtzeitfähig ist, können einige grundsätzliche Vereinfachungen und Annahmen getroffen werden.

  • – Es erfolgt nur die Modellierung konzeptrelevanter Prozessgrößen mit ausreichender Genauigkeit auf Basis von Mittelwertmodellen. Das systematische Verhalten des Gesamtmodells steht im Vordergrund und nicht die Genauigkeit der Teilmodelle.
  • – Drosselstellen im System (Drosselklappe, Hochdruck- und Niederdruckabgasrückführventile, Abgasklappe) werden als ideale Drosseln betrachtet.
  • – Das den Motor durchströmende Gas wird in seinen Eigenschaften als ideal betrachtet, d. h. es ist ideal durchmischt und besitzt in den Kontrollvolumina keine örtlichen Ungleichverteilungen.
  • – Es erfolgt keine direkte Modellierung des Wandwärmeübergangsverhalten in den Kontrollvolumina. Es wird nur die Erwärmung der Gase infolge von Mischungsvorgängen betrachtet.
To make the overall model suitable for series production and real-time, some basic simplifications and assumptions can be made.
  • - Only the modeling of process-relevant process variables with sufficient accuracy on the basis of mean value models takes place. The systematic behavior of the overall model is in the foreground and not the accuracy of the submodels.
  • - Throttles in the system (throttle, high and low pressure EGR valves, exhaust flap) are considered ideal throttles.
  • - The gas flowing through the engine is considered to be ideal in its properties, ie it is ideally mixed and has no local unequal distributions in the control volumes.
  • - There is no direct modeling of the wall heat transfer behavior in the control volumes. Only the heating of the gases due to mixing operations is considered.

Als Referenzen für die einzelnen Teilmodelle werden überwiegend Messwerte einer Sensorik eines Prüfstands verwendet. Dazu zählen beispielsweise ein Massenstromsensor des Prüfstands sowie Drücke und Temperaturen an verschiedenen Positionen im Gassystem. Zusätzlich werden die Abgasrückführrate, der Abgassauerstoffgehalt und das Luftverhältnis im Abgas aus der Abgasanalyse berechnet.As references for the individual submodels, predominantly measured values of a sensor system of a test stand are used. These include, for example, a mass flow sensor of the test bench as well as pressures and temperatures at different positions in the gas system. In addition, the exhaust gas recirculation rate, the exhaust gas oxygen content and the air ratio in the exhaust gas are calculated from the exhaust gas analysis.

Als Referenzen für die Zustandsgrößen im Zylinder werden die Ergebniswerte einer Offline-Ladungswechselanalyse und -Indizierauswertung verwendet. Dazu werden sämtliche durchgeführten Stationärversuche mit Hilfe einer Prozessanalyse zyklus- und zylinderselektiv in ihrem Verlauf nachgerechnet und ausgewertet. Die Rechenergebnisse für die Gesamtgasmasse, Restgasmasse und Temperaturkennwerte dienen weiterhin als Zielgröße für die Modellbedatung.As references for the state variables in the cylinder, the result values of an offline charge change analysis and indexing evaluation are used. For this purpose, all performed stationary tests are recalculated and evaluated in their course with the help of a process analysis cycle- and cylinder-selective. The calculation results for the total gas mass, residual gas mass and temperature characteristics continue to serve as a target for the model data.

Nach erfolgter Bedatung wird die Güte der einzelnen Modelle anhand eines Korrelationskoeffizienten (KK) beurteilt. Dieser ist ein Maß für den Grad des linearen Zusammenhangs zweier Mengen vom Umfang N. Bei einem Koeffizient von 1 bzw. –1 besteht ein vollständiger linearer Zusammenhang zwischen Ziel- und Modellwert. Für den Wert 0 ist keine Korrelation vorhanden. Mit Hilfe des Korrelationskoeffizienten kann zusätzlich der Einfluss überlagerter nichtlinearer Quereinflüsse auf den Zusammenhang zwischen Modell- und Zielgröße quantifiziert werden. Die folgende Gleichung 1 beschreibt die Berechnungsvorschrift.After completion of the assessment, the quality of the individual models is assessed on the basis of a correlation coefficient (KK). This is a measure of the degree of linearity of two sets of magnitude N. For a coefficient of 1 or -1, there is a complete linear relationship between the target and model values. For the value 0 there is no correlation. With the help of the correlation coefficient, the influence of superimposed nonlinear cross-influences on the relationship between model and target size can be quantified. The following equation 1 describes the calculation rule.

Figure 00140001
Figure 00140001

Die Erfassung des Gaszustands im Brennraum basiert auf der Beschreibung der physikalischen Vorgänge im Brennraum sowie im Ein- und Auslasstrakt. Daher gliedert sich das Gesamtmodell in zwei Teilsysteme. Das eine System, das externe Gassystem, ist offen und wird kontinuierlich durchströmt. Das zweite System, der Brennraum, ist während des Ladungswechsels mit dem externen Gassystem verbunden. In der Hochdruckphase sind beide Systeme entkoppelt.The detection of the gas state in the combustion chamber is based on the description of the physical processes in the combustion chamber and in the inlet and outlet tract. Therefore, the overall model is divided into two subsystems. The one system, the external gas system, is open and flows continuously. The second system, the combustion chamber, is connected to the external gas system during the charge exchange. In the high pressure phase, both systems are decoupled.

2 zeigt eine Gesamtstruktur 200 der zylinderdruckbasierten Gaszustandsmodellierung mit einem externen Gassystemmodell 201, einem Brennraummodell 202, einem Motorsteuergerät 203 und einer Zylinderdruckauswertung 204. Zur modellbasierten Erfassung der Gesamtgasmasse im Brennraum ist neben dem Druck und dem Volumen auch die Temperatur erforderlich. Die Gesamtgasmasse ist somit nicht ausschließlich aus dem Brennraumdrucksignal bestimmbar. Weiterhin enthält das Drucksignal keine direkte Information über die zurückgeführte Abgasmenge. Es ist daher notwendig, Informationen des externen Gassystems mit denen des Brennraums zu kombinieren. 2 shows a forest 200 cylinder pressure based gas state modeling with an external gas system model 201 , a combustion model 202 , an engine control unit 203 and a cylinder pressure evaluation 204 , For the model-based detection of the total gas mass in the combustion chamber, the temperature is required in addition to the pressure and the volume. The total gas mass is thus not determinable exclusively from the combustion chamber pressure signal. Furthermore, the pressure signal contains no direct information about the amount of recirculated exhaust gas. It is therefore necessary to combine information of the external gas system with those of the combustion chamber.

Das Echtzeitindiziersystem liefert auf Basis der gemessenen Drucksignale zylinderindividuelle Kennwerte der Prozesse an das Brennraummodell. Als zusätzliche Informationen des externen Gassystems werden neben den modellierten Hochdruck- und Niederdruckabgasrückführmassenströmen auch Sensorsignale an bestimmten Einbauorten verwendet und über die Motorsteuerung eingelesen. 3 zeigt die verwendete Sensorkonfiguration für das Gesamtmodell eines Motorsystems 300. Das Motorsystem umfasst den eigentlichen Verbrennungsmotor 301 mit beispielsweise vier Zylindern, eine Frischluftzuführung 302, einen Abgasturbolader 303, eine Einspritzanlage 304, eine Hochdruckabgasrückführung (HD-AGR) 305, eine Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR) 306, einen Luftmengenmesser 307, eine Abgasklappe 308, eine Abgasanlage 309, ein ND-AGR Steuerventil 310, ein HD-AGR Steuerventil 311 und eine Drosselklappe 312. In dem Motorsystem 300 werden folgende Größen verwendet:

p0 = p5, T0
Umgebungsdruck, -temperatur
p1, T1
Ladedruck, -lufttemperatur
p2, T2
Saugrohrdruck, -temperatur
p3, T3
Abgasgegendruck, -temperatur vor Turbine
T'3
Temperatur vor HD-AGR-Ventil
p4, T4
Abgasdruck, -temperatur nach Partikelfilter
T'4
Temperatur vor ND-AGR-Ventil
PZyl1,2,3,4
Zylinderdrucksignale
TMot
Kühlwassertemperatur des Motors
nMot
Motordrehzahl
sowie die Referenzwerte:
Ref
Referenzmassenstrom vom Prüfstand
λLSU
Serienbreitband-Lambdasonde
The real-time indexing system supplies cylinder-specific parameters of the processes to the combustion chamber model on the basis of the measured pressure signals. As additional information of the external gas system, in addition to the modeled high-pressure and low-pressure exhaust gas recirculation mass flows, sensor signals are also used at certain installation locations and read in via the engine control. 3 shows the sensor configuration used for the overall model of an engine system 300 , The engine system includes the actual internal combustion engine 301 with for example four cylinders, a fresh air supply 302 , an exhaust gas turbocharger 303 , an injection system 304 , a high-pressure exhaust gas recirculation (HD-EGR) 305 , a low pressure exhaust gas recirculation (ND-EGR) 306 , an air flow meter 307 , an exhaust flap 308 , an exhaust system 309 , a ND-EGR control valve 310 , a HD EGR control valve 311 and a throttle 312 , In the engine system 300 the following sizes are used:
p 0 = p 5 , T 0
Ambient pressure, temperature
p 1 , T 1
Boost pressure, air temperature
p 2 , T 2
Intake manifold pressure, temperature
p 3 , T 3
Exhaust back pressure, temperature before turbine
T ' 3
Temperature before HD EGR valve
p 4 , T 4
Exhaust gas pressure, temperature after particle filter
T ' 4
Temperature before LP EGR valve
P Cyl1,2,3,4
Cylinder pressure signals
T Mot
Cooling water temperature of the engine
Motive
Engine speed
as well as the reference values:
Ref
Reference mass flow from the test bench
λ LSU
Series broadband lambda probe

Die Gleichungen für das externe Gassystem werden zeitsynchron gerechnet. Das Brennraummodell berechnet winkelsynchron und in Zündreihenfolge die jeweiligen Prozessgrößen für einen Zylinder auf Basis der Eingangsgrößen.The equations for the external gas system are calculated synchronously. The combustion chamber model calculates the respective process variables for a cylinder in an angular synchronous manner and in firing order on the basis of the input variables.

4 zeigt ein Brennraumdruckmodell 400, in welchem verschiedene Größen wie Zylindergasmasse, Restgasmasse, angesaugte Gasmasse, interne Abgasrückführmasse und Zylindersauerstoffgehalt aus dem Zylinderdrucksignal und aus externen Prozessgrößen arbeitsspielsynchron ermittelt werden. Die Modellgrößen werden für jeden Zylinder individuell berechnet und zur Verknüpfung mit dem externen Gassystemmodell zu Mittelwerten zusammengefasst (z. B. angesaugter Gasmassenstrom). 4 shows a combustion chamber pressure model 400 in which various variables such as cylinder gas mass, residual gas mass, aspirated gas mass, internal exhaust gas recirculation mass and cylinder oxygen content from the cylinder pressure signal and from external process variables are determined synchronously in the working cycle. The model sizes are calculated individually for each cylinder and summarized to mean values for linking with the external gas system model (eg, aspirated gas mass flow).

Sämtliche Teilmodelle basieren auf physikalischen Gleichungen, die teilweise um empirische Korrekturterme erweitert sind. Mit diesem Vorgehen können zum einen die physikalischen Zusammenhänge der Prozessgrößen sehr gut abgebildet werden. Zum anderen ermöglicht die Ergänzung durch Korrekturterme eine Berücksichtigung von systematischen Fehlern bei der Zylinderdruckmessung und nur schwer modellierbarer Betriebseinflüsse (z. B. Wandwärmeübergangsverhalten im Brennraum).All submodels are based on physical equations, some of which are augmented with empirical correction terms. On the one hand, this procedure makes it possible to map the physical relationships of the process variables very well. On the other hand, the addition of correction terms makes it possible to take account of systematic errors in cylinder pressure measurement and difficult to model operable influences (eg wall heat transfer behavior in the combustion chamber).

Die Bedatung der Teilmodelle erfordert spezielle Messdaten, die direkt an einem Motorprüfstand bzw. mit Hilfe einer Offline-Prozessanalyse im Nachgang ermittelt werden. Die Prüfprogramme umfassen dabei überwiegend Stationärmessungen mit Ein- und Auslassventilvariationen sowie mit Abgasrückführ- und Ladedruckvariationen im gesamten Motorkennfeld. Weiterhin können Methoden der statistischen Versuchsplanung angewendet werden, um betriebspunktunabhängig den Prozesseinfluss der jeweiligen Variation zu untersuchen.The calculation of the partial models requires special measurement data, which are determined directly on an engine test bench or with the help of an offline process analysis afterwards. The test programs mainly include stationary measurements with inlet and outlet valve variations as well as exhaust gas recirculation and boost pressure variations throughout the engine map. Furthermore, methods of statistical experimental design can be used to independently investigate the process influence of the respective variation.

Gastemperatur im BrennraumGas temperature in the combustion chamber

Zur Bestimmung der Gasmasse, Restgasmasse und für den Zustand der internen Abgasrückführmasse ist neben dem messbaren Druckverlauf der Verlauf der Gastemperatur im Zylinder erforderlich. Daher wird ein Ansatz für ein empirisches Modell zur Approximation des physikalischen Temperaturverlaufs im Brennraum bereitgestellt. 6 verdeutlicht das Vorgehen. Anhand verschiedener Temperaturkennwerte im Ladungswechsel, die aus Zylinderdruckkennwerten zu bestimmten Kurbelwinkelpositionen berechnet werden (Schritt 601), wird durch eine Geradenverbindung und anschließender Kombination mit einem relativen Temperaturverlauf in der Hochdruckphase der physikalische Gesamttemperaturverlauf über ein Arbeitsspiel approximiert (Schritt 602). 5 zeigt die approximierte Temperatur appr. T(φ) und eine beispielsweise in einer Testanlage physikalisch bestimmte Temperatur phys. T(φ) im Vergleich über ein Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors. Ferner zeigt 5 einen Öffnungsverlauf eines Einlassventils (EV) und eines Auslassventils (AV) des Verbrennungsmotors über dem Arbeitsspiel. Die einzelnen Berechnungsschritte werden nachfolgend dargestellt.For the determination of the gas mass, residual gas mass and for the state of the internal exhaust gas recirculation mass, the course of the gas temperature in the cylinder is required in addition to the measurable pressure curve. Therefore, an approach for an empirical model for approximating the physical temperature history in the combustion chamber is provided. 6 clarifies the procedure. Based on various temperature characteristics in the charge cycle, which are calculated from cylinder pressure characteristics to specific crank angle positions (step 601 ), is approximated by a straight line connection and subsequent combination with a relative temperature curve in the high pressure phase of the overall physical temperature course over a working cycle (step 602 ). 5 shows the approximate temperature appr. T (φ) and a physically determined in a test facility temperature phys. T (φ) compared with a cycle of the internal combustion engine. Further shows 5 an opening course of an intake valve (EV) and an exhaust valve (AV) of the internal combustion engine over the working cycle. The individual calculation steps are shown below.

Temperaturen im Expansions- und AusschiebetaktTemperatures in the expansion and Ausschiebetakt

Die Berechnung der Temperaturkennwerte beginnt in der Expansionsphase. Entsprechende Verfahrensschritte sind in 7 dargestellt. Zum Kurbelwinkel φ = 460°KW wird mit der Gleichung 2 auf Basis der idealen Gasgleichung der erste Temperaturkennwert T460 ermittelt (Schritt 703). Dazu wird die Gesamtmasse m460 bestimmt (Gleichung 3), welche die Summe aus der Gesamtgasmasse mZyl (Ergebnis der letzten Modellberechnung) und der eingespritzten Kraftstoffmenge mKr ist (Schritt 701). Der Druckwert p460 wird gemessen (Schritt 702). Das Volumen V460 ist aus der Geometrie des Motors bekannt. In Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors muss die ideale Gaskonstante RGas korrigiert werden (Gleichung 4).

Figure 00160001
m460 = mZyl + mKr (3) R460 = RGas·(a1 + a0·nMot·p460) (4) The calculation of the temperature characteristics starts in the expansion phase. Corresponding process steps are in 7 shown. For the crank angle φ = 460 ° CA, the first temperature characteristic T 460 is determined using Equation 2 on the basis of the ideal gas equation (step 703 ). For this purpose, the total mass m 460 is determined (equation 3), which is the sum of the total gas mass m Cyl (result of the last model calculation) and the injected fuel quantity m Kr (step 701 ). The pressure value p 460 is measured (step 702 ). Volume V 460 is known from the geometry of the engine. Depending on the operating condition of the engine, the ideal gas constant R Gas must be corrected (Equation 4).
Figure 00160001
m 460 = m Cyl + m Kr (3) R 460 = R gas · (a 1 + a 0 · n Mot · p 460 ) (4)

Auf Basis von T460 lässt sich mit Hilfe des Zylinderdruckwertes bei φ = 460°KW und Gleichung 5 ein folgender Temperaturkennwert T540 bei φ = 540°KW zum Ende des Expansionstaktes empirisch ermitteln. T540 = T460·(a1 + a0·nMot·p460) (5) On the basis of T 460 it is possible with the help of the cylinder pressure value at φ = 460 ° KW and equation 5 to empirically determine a following temperature characteristic value T 540 at φ = 540 ° CA at the end of the expansion stroke. T 540 = T 460 * (a 1 + a 0 * n Mot * p 460 ) (5)

Auf Basis von T540 berechnet sich anhand von Gleichung 6 ein Temperaturkennwert T640 bei φ 640°KW während des Ausschiebetaktes. Das Druckverhältnis p640/p540 ist dabei ein Maß für den Temperaturabfall im Zylinder während des Ausschiebens.Based on T 540 , using equation 6, a temperature characteristic T 640 is calculated at φ 640 ° CA during the exhaust stroke. The pressure ratio p 640 / p 540 is a measure of the temperature drop in the cylinder during Ausschiebens.

Figure 00170001
Figure 00170001

Auf Basis von T540 wird anhand von Gleichung 7 ein weiterer Temperaturkennwert T700 bei φ = 700°KW während des Ausschiebetaktes berechnet. Das Druckverhältnis p700/p540 ist dabei ebenfalls ein Maß für den Temperaturabfall im Zylinder während des Ausschiebens.On the basis of T 540 , a further temperature characteristic T 700 at φ = 700 ° CA during the Ausschiebetaktes is calculated using Equation 7. The pressure ratio p 700 / p 540 is also a measure of the temperature drop in the cylinder during Ausschiebens.

Figure 00170002
Figure 00170002

Durch einen Vergleich der empirisch modellierten Temperaturkennwerte mit den physikalisch berechneten Werten der Offline-Prozessanalyse, die als Messgrößen (Referenzgrößen) dienen, kann eine Modellgüte bestimmt werden. Nach erfolgter Modellbedatung wurde beispielsweise ein Korrelationskoeffizient (KK) von über 95% erreicht. Anhand der gezeigten Vorgehensweise können weitere Temperaturkennwerte modelliert und somit der approximierte Temperaturverlauf weiter verfeinert werden. Wandwärmeeinflüsse werden nicht explizit berücksichtigt.By comparing the empirically modeled temperature characteristics with the physically calculated values of the offline process analysis, which serve as measured variables (reference variables), a model quality can be determined. After completion of the model, for example, a correlation coefficient (KK) of more than 95% was achieved. On the basis of the procedure shown, further temperature characteristics can be modeled and thus the approximated temperature profile further refined. Wall heat effects are not explicitly taken into account.

RestgastemperaturResidual gas temperature

Die Temperatur der Restgasmasse TRG im oberen Totpunkt des Ladungswechsels ist das Resultat des vorherigen Expansions- und Ausschiebeprozessess. Sie kann durch Umstellen der Gleichung 14 bei bekannter Restgasmasse (aus der Ladungswechselanalyse) und mit Hilfe eines im Indiziersystem ermittelten Restgaskennwertes berechnet werden. Die gesuchte Restgastemperatur wird dann anhand von Gleichung 8 auf Basis von T540 und gemessener Druckkennwerte im Ausschiebetakt abgeschätzt.The temperature of the residual gas mass T RG at top dead center of the charge cycle is the result of the previous expansion and Ausschiebeprocessess. It can be calculated by changing the equation 14 with known residual gas mass (from the charge exchange analysis) and with the help of a residual gas characteristic value determined in the indexing system. The desired residual gas temperature is then estimated from Equation 8 on the basis of T 540 and measured pressure characteristics in the exhaust stroke.

Figure 00180001
Figure 00180001

Durch einen Vergleich der modellierten Restgastemperatur mit dem gesuchten Temperaturwert kann eine entsprechende Modellgüte bestimmt werden. Beispielsweise kann eine Modellgüte mit einem Korrelationskoeffizient von 98% erreicht werden. Dabei ist anzumerken, dass die modellierte Temperatur nicht zwangsläufig dem realen Wert im oberen Totpunkt des Ladungswechsels entsprechen muss.By comparing the modeled residual gas temperature with the desired temperature value, a corresponding model quality can be determined. For example, a model quality with a correlation coefficient of 98% can be achieved. It should be noted that the modeled temperature does not necessarily have to correspond to the real value at top dead center of the charge cycle.

EinlassventiltemperaturIntake valve temperature

Als Ausgangspunkt für die Modellierung der Gastemperatur in der Ansaugphase im Zylinder muss die Temperatur des einströmenden Gases bekannt sein. Dazu werden auf Basis der Saugrohrtemperatur T2 die Temperaturen an den Einlassventilen anhand eines Mittelwertmodells ermittelt. Aus physikalischer Sicht erfährt das zuströmende Gas in den Einlasskanälen eine Temperaturerhöhung aufgrund des konvektiven Wärmeübergangs vom Motorkopf zum Gas. In Anlehnung an den Newton'schen Wärmeübergang wird die Temperatur des Gases an den Einlassventilen TEV nach Gleichung 9 berechnet. Dabei wird für TMot die Kühlwassertemperatur des Motors angenommen.As a starting point for the modeling of the gas temperature in the intake phase in the cylinder, the temperature of the incoming gas must be known. For this purpose, the temperatures at the intake valves are determined on the basis of the intake pipe temperature T 2 on the basis of a mean value model. From a physical point of view, the incoming gas in the inlet ducts experiences a temperature increase due to the convective heat transfer from the engine head to the gas. Based on the Newtonian heat transfer, the temperature of the gas at the intake valves T EV is calculated according to equation 9. In this case, for T Mot the cooling water temperature of the engine is assumed.

Figure 00180002
Figure 00180002

Bei Aktivierung einer internen Abgasrückführfunktionalität (Abgasvorlagern, d. h. das Öffnen eines oder mehrerer Einlassventile während des Ausschiebetaktes) erhöht sich aufgrund der heißen Abgasbestandteile die Temperatur in den Einlasskanälen. Gleichung 10 berücksichtigt diesen Zusammenhang und korrigiert die Basisventiltemperatur in Abhängigkeit der modellierten Abgasrückführtemperatur TiAGR und der modellierten internen Abgasrückführmasse miAGRVL durch einen zusätzlichen Temperaturanteil. Der Aufheiz- und Abkühlvorgang wird durch ein Proportionalelement mit Verzögerung I. Ordnung (PT1-Element) angenähert. Die Zeitkonstante T1 wird drehzahl- und massenabhängig abgelegt. Die Verstärkung Kp wird Eins gleichgesetzt.Upon activation of an internal exhaust gas recirculation functionality (exhaust pre-storage, ie the opening of one or more intake valves during the Ausschiebetaktes) increases due to the hot exhaust gas constituents the temperature in the inlet channels. Equation 10 takes this relationship into account and corrects the base valve temperature as a function of the modeled exhaust gas recirculation temperature T iAGR and the modeled internal exhaust gas recirculation mass m iAGRVL by means of an additional temperature component . The heating and cooling process is approximated by a proportional element with delay I. order (PT 1 element). The time constant T 1 is stored speed-dependent and mass-dependent. The gain K p is equated with one.

Figure 00190001
Figure 00190001

Temperaturen im AnsaugtaktTemperatures in the intake stroke

Während der Ansaugphase vermischt sich das einströmende Gas mit dem im Zylinder noch vorhandenen Restgas. Dabei findet ein Temperaturausgleich statt. Das einströmende Gas kühlt den Brennraum ab. Auf Basis der modellierten Einlassgastemperatur TEViAGR und der Restgastemperatur TRG kann dann die gemischte Ansaugtemperatur T100 im Zylinder bei φ = 100°KW berechnet werden (Gleichung 11). Dabei wird ein idealer Abkühlungsvorgang des Zylinders durch das einströmende Gas angenommen. Zusätzlich kommt es bei Aktivierung einer zweiten internen Abgasrückführfunktionalität (Abgasrücksaugen, d. h. ein Öffnen eines oder mehrerer Auslassventile während des Ansaugtaktes) zu einer Erhöhung der Zylinderinnentemperatur aufgrund der Durchmischung des Ansauggases mit den heißen Abgasbestandteilen der angesaugten Abgasmasse. Mit der bekannten Temperatur im Abgaskrümmer T3 kann dieser Effekt korrigiert werden. Messungen und Nachberechnungen lieferten das Ergebnis, dass an dieser Stelle die Durchmischung der einzelnen Gasmassenanteile sehr schnell stattfindet. Somit kann auf eine zeitliche Abbildung des Temperaturmischungsvorgangs verzichtet werden.During the intake phase, the incoming gas mixes with the residual gas remaining in the cylinder. Thereby a temperature compensation takes place. The incoming gas cools the combustion chamber. Based on the modeled intake gas temperature T EViAGR and the residual gas temperature T RG , the mixed intake temperature T 100 in the cylinder can then be calculated at φ = 100 ° CA (Equation 11). In this case, an ideal cooling process of the cylinder is assumed by the incoming gas. In addition, upon activation of a second internal exhaust gas recirculation functionality (exhaust gas recirculation, ie, opening of one or more exhaust valves during the intake stroke), there is an increase in the in-cylinder temperature due to the mixing of the intake gas with the hot exhaust gas constituents of the exhaust mass being drawn. With the known temperature in the exhaust manifold T 3 , this effect can be corrected. Measurements and recalculations provided the result that at this point the mixing of the individual gas mass fractions takes place very quickly. Thus, a time mapping of the temperature mixing process can be dispensed with.

Figure 00190002
Figure 00190002

Der Temperaturkennwert im unteren Totpunkt des Ansaugtaktes T180 berechnet sich auf Basis des Zustands bei φ = 100°KW nach Gleichung 12 und beschreibt überwiegend die Erwärmung der Gasmasse an den Zylinderwänden.The temperature characteristic in the bottom dead center of the intake stroke T 180 is calculated on the basis of the state at φ = 100 ° CA according to equation 12 and describes predominantly the heating of the gas mass at the cylinder walls.

Figure 00200001
Figure 00200001

Temperaturverlauf in der Kompressions-, Verbrennungs- und ExpansionsphaseTemperature profile in the compression, combustion and expansion phase

Während der Hochdruckphase lässt sich mit Hilfe der idealen Gasgleichung und unter Annahme von mZyl = konst. und RGas = konst. ein vereinfachter Temperaturverlauf aus der Kenntnis der Temperatur zu einem Referenzzeitpunkt berechnen. Als Referenzzeitpunkt wird hier die Temperatur im unteren Totpunkt des Ansaugtaktes T180 gewählt. Die Rechenvorschrift ist in Gleichung 13 gegeben.During the high-pressure phase, a simplified temperature curve can be calculated from the knowledge of the temperature at a reference time using the ideal gas equation and assuming m Cyl = const. And R Gas = const. As the reference time, the temperature at the bottom dead center of the intake stroke T 180 is selected here. The calculation rule is given in Equation 13.

Figure 00200002
Figure 00200002

Anhand dieser Vorgehensweise lassen sich weitere Temperaturkennwerte ermitteln und zur Prozessüberwachung heranziehen, z. B. die maximale Brennraumtemperatur.On the basis of this procedure, further temperature characteristics can be determined and used for process monitoring. B. the maximum combustion chamber temperature.

Restgasmasse im BrennraumResidual gas mass in the combustion chamber

Die Restgasmasse ist definiert als die minimale Gasmasse im Brennraum während eines Arbeitsspiels. Sie ist der nach dem Schließen der Auslassventile verbleibende Gasrest im Zylinder aus früheren Arbeitsspielen. Der Wert der Restgasmasse ist zum einen abgängig vom Verhältnis aus Abgasgegendruck und Saugrohrdruck und zum zweiten von der Wahl der Steuerzeiten für die Ein- und Auslassventile.The residual gas mass is defined as the minimum gas mass in the combustion chamber during a work cycle. It is the residual gas remaining in the cylinder from previous work cycles after the exhaust valves have been closed. The value of the residual gas mass is dependent on the one hand on the ratio of exhaust back pressure and intake manifold pressure and the second of the choice of the timing for the intake and exhaust valves.

Eine einfache und serientaugliche Methode ist die Berechnung der Restgasmasse mRG anhand der idealen Gasgleichung im oberen Totpunkt des Ladungswechsels. Hierbei wird die Annahme getroffen, dass zu diesem Zeitpunkt der Zylinder vollständig verschlossen ist. Beim Standarddieselmotor ist diese Annahme aufgrund der Brennraumgeometrie mit einer sehr geringen Ventilüberschneidung zulässig. Der zu diesem Zeitpunkt im Kompressionsvolumen VRG messbare Druck pRG ist somit direkt proportional zur Restgasmasse. Zur vollständigen Anwendung der Gasgleichung ist die Restgastemperatur TRG erforderlich. Diese wird in erster Näherung mit dem Wert der Abgastemperatur ersetzt oder wie in diesem Fall zylinderindividuell während des vorherigen Ausschiebetaktes berechnet. Als Gaskonstante RRG wird der Wert der Abgaskonstante R460 verwendet. Die Berechnung erfolgt nach Gleichung 14. A simple and production-ready method is the calculation of the residual gas mass m RG based on the ideal gas equation at top dead center of the charge cycle. Here, the assumption is made that at this time the cylinder is completely closed. For the standard diesel engine, this assumption is permissible due to the geometry of the combustion chamber with a very small valve overlap. The measurable at this time in the compression volume V RG RG pressure p is therefore directly proportional to the residual gas mass. For full application of the gas equation, the residual gas temperature T RG is required. This is replaced in a first approximation with the value of the exhaust gas temperature or calculated as in this case cylinder-specific during the previous Ausschiebetaktes. The gas constant R RG is the value of the exhaust gas constant R 460 . The calculation is made according to Equation 14.

Figure 00210001
Figure 00210001

Interne AbgasrückführmasseInternal exhaust gas recirculation mass

Die Realisierung einer internen Abgasrückführung wird durch das Abgasrücksaugen und das Abgasvorlagern ermöglicht. Die dabei verschobenen Gasmassenanteile sind messtechnisch schwer erfassbar und müssen daher indirekt aus den vorhanden Sensorsignalen modelliert werden.The realization of an internal exhaust gas recirculation is made possible by exhaust gas recirculation and exhaust gas pre-storage. The shifted gas mass fractions are difficult to detect by measurement and therefore have to be modeled indirectly from the available sensor signals.

Ein Ansatz dafür ist die Berechnung der mittleren internen Abgasrückführmasse m iAGR auf Basis der mittleren Gesamtzylindermasse m Zyl, der mittleren Restgasmasse m RG , der mittleren eingespritzten Kraftstoffmasse m Kr und des gemessenen Sauerstoffgehalts im Abgas xO2Abg (Gleichung 15). Dazu kann ein Stationärversuchsprogramm zusammengestellt werden, in welchem im ersten Schritt die Hubkurven beider Einlassventile während des Ausschiebetaktes in verschiedenen Betriebspunkten gleich variiert werden. Im zweiten Schritt werden die gleichen Betriebspunkte mit einer gleichen Variation der Hubkurven beider Auslassventile während des Ansaugtaktes gefahren. Damit der Berechnungsansatz seine Gültigkeit hat, muss auf allen Zylindern dieselbe Sollhubkurve für einen Ventiltyp eingestellt werden. Somit ergibt sich je ein Mittelwert der internen Masse für Vorlagern und Rücksaugen für alle Zylinder. Diese Werte können als Zielgrößen für eine zylinderindividuelle Modellierung dienen.One approach is to calculate the average internal EGR mass m IAGR based on the average total cylinder mass m Zyl , the average residual gas mass m RG , the mean injected fuel mass m Kr and the measured oxygen content in the exhaust gas x O2Abg (Equation 15). For this purpose, a stationary test program can be put together in which in the first step, the lift curves of both inlet valves during the Ausschiebetaktes be varied in different operating points equal. In the second step, the same operating points are driven with an equal variation of the lift curves of both exhaust valves during the intake stroke. For the calculation approach to be valid, the same target stroke curve must be set for a valve type on all cylinders. This results in a mean value of the internal mass for preloads and back suction for all cylinders. These values can serve as target variables for a cylinder-specific modeling.

Figure 00210002
Figure 00210002

Um die interne Abgasrückführung zylinderindividuell und in einer Vorsteuerung einsetzen zu können, ist ein weiterer Ansatz erforderlich. Dieser Ansatz beruht auf der Berechnungsgleichung für einen Massendurchfluss an Drosselstellen, wie er später im Zusammenhang mit Gleichung 42 beschrieben werden wird. Der Unterschied besteht darin, dass die Prozesse Abgasrücksaugen und -vorlagern kein kontinuierliches Verhalten aufweisen und die effektive Querschnittsfläche in Abhängigkeit von der Hubkurve veränderlich ist. Der zu berechnende Massendurchfluss ändert sich also pro Kurbelwinkelposition ständig. Daher wird hier auf Basis des aktuell herrschenden Gaszustandes und dem Integral der Ventilhubkurve ein direkter Abgasrückführmassenwert berechnet. Es erfolgt somit eine Verknüpfung von Prozessgrößen mit geometrischen Parametern. Die Gleichungen 16 und 17 zeigen die Berechnungsvorschriften für die zylinderindividuelle interne Abgasrückführmasse durch Vorlagern miAGRVL und Rücksaugen miAGRRS. Die Zielgröße für die Modellbedatung ist die mit Gleichung 15 berechnete mittlere Rückführmasse für jeden Typus.In order to use the internal exhaust gas recirculation cylinder-individually and in a pilot control, a further approach is required. This approach relies on the computation equation for mass flow at orifices, as will be described later in connection with Equation 42. The difference is that the processes exhaust gas recirculation and pre-aging have no continuous behavior and the effective cross-sectional area is variable depending on the lift curve. The mass flow to be calculated thus changes per crank angle position constantly. Therefore, based on the currently prevailing gas state and the integral of the valve lift curve, a direct exhaust gas recirculation mass value is calculated here. There is thus a linking of process variables with geometric parameters. The equations 16 and 17 show the calculation rules for the cylinder- specific internal exhaust gas recirculation mass by pre-storage m iAGRVL and suck back m iAGRRS . The target size for the model condition is the average return mass calculated for each type, using equation 15.

Figure 00220001
Figure 00220001

In beiden Gleichungen wird das Flächenintegral unter der Hubkurve AiAGR = Δφ·h durch das Produkt aus Öffnungsdauer und maximaler Hubhöhe approximiert. Die Terme

Figure 00220002
beschreiben den aktuellen Zustand der Gasmasse. In Abhängigkeit von den zylinderinneren und -äußeren Zuständen,
Figure 00220003
wird das Strömungsverhalten der Gasmassen berücksichtigt und korrigiert. In beiden Gleichungen werden Mess- und Modellgrößen miteinander verknüpft. In both equations, the area integral becomes below the lift curve A iAGR = Δφ · h approximated by the product of opening duration and maximum lifting height. The terms
Figure 00220002
describe the current state of the gas mass. Depending on the inside and outside of the cylinder,
Figure 00220003
the flow behavior of the gas masses is considered and corrected. Both equations link measurement and model quantities.

Gesamtgasmasse im BrennraumTotal gas mass in the combustion chamber

Berechnung von mZyl Calculation of m cyl

Während der Kompression wird der Brennraum als ideal geschlossener Behälter betrachtet. Der thermodynamische Zustand des Gasgemisches kann somit mit Hilfe der Zustandsgleichung 18 für ideale Gase beschrieben werden. p·V = m·R·T (18) During compression, the combustion chamber is considered to be an ideally closed container. The thermodynamic state of the gas mixture can thus be described using the equation of state 18 for ideal gases. p · V = m · R · T (18)

Nach Umstellung der idealen Gasgleichung kann die Gesamtgasmasse mZyl nach dem Ladungswechsel nach Gleichung 19 berechnet werden. 8 zeigt Verfahrensschritte zur Berechnung der Gesamtgasmasse mZyl. Darin ist pZyl ein in der Kompressionsphase ermittelter Druckkennwert (Schritt 801). Das Zylindervolumen VZyl wird aus den geometrischen Daten des Motors berechnet (Schritt 802). Die spezifische Gaskonstante des Zylindergases RGas = 287 J/(kgK) wird als konstant angenommen. Die vierte Unbekannte in der Gasgleichung ist die Zylindertemperatur TZyl, die aus dem Gastemperaturmodell entnommen wird (Schritt 803). Schließlich wird die Gesamtgasmasse mZyl nach Gleichung 19 berechnet (Schritt 804).After the ideal gas equation has been changed, the total gas mass m Cyl can be calculated after the gas exchange according to Equation 19. 8th shows process steps for calculating the total gas mass m cyl . In it, p Zyl is a pressure characteristic determined in the compression phase (step 801 ). The cylinder volume V Zyl is calculated from the geometric data of the engine (step 802 ). The specific gas constant of the cylinder gas R Gas = 287 J / (kgK) is assumed to be constant. The fourth unknown in the gas equation is the cylinder temperature T Zyl taken from the gas temperature model (step 803 ). Finally, the total gas mass m Cyl is calculated according to equation 19 (step 804 ).

Figure 00230001
Figure 00230001

Als Referenzzeitpunkt für die Berechnung der Gasmasse kann der Einlass-Schließt-Zeitpunkt gewählt werden. Im vorliegenden Fall wird der Referenzzeitpunkt auf den unteren Totpunkt vor Kompressionsbeginn bei φ = 180°KW gelegt. Somit ist der Berechnungsansatz unabhängig von variierenden Einlass-Schließt-Steuerzeiten, wie sie bei einem vollvariablen Ventiltrieb zu erwarten sind.As a reference time for the calculation of the gas mass, the inlet closing time can be selected. In the present case, the reference time is set to the bottom dead center before the start of compression at φ = 180 ° CA. Thus, the calculation approach is independent of varying intake-close timing as would be expected with a fully variable valve train.

Berechnung von pZyl Calculation of p cyl

Während der Kompressionsphase kann bei Verbrennungskraftmaschinen das thermodynamische Verhalten des Gasgemisches durch eine polytrope Zustandsänderung angenähert werden.During the compression phase in internal combustion engines, the thermodynamic behavior of the gas mixture can be approximated by a polytropic change of state.

Figure 00240001
Figure 00240001

Mit Gleichung 20 lässt sich mit Hilfe eines Ersatzdruckwertes die Druckkomponente pZyl für die Berechnung der Gesamtgasmasse ermitteln. Der Ersatzdruckwert wird in der Kompressionsphase zu einem Zeitpunkt bestimmt, zu dem die Korrelation zwischen Ersatzdruckwert und Zylindergasmasse einen möglichst hohen Betrag annimmt. Hierzu wird über dem Kurbelwinkel der Korrelationskoeffizient zwischen Zylinderdruckwert und Ladungsmasse aufgetragen und die größte Korrelation ermittelt. Die Auswertungen zeigen, das der Zylinderdruckwert bei φ = 340°KW optimal als Ersatzdruckwert geeignet ist. Die polytrope Zustandsänderung für pZyl berechnet sich nach Gleichung 21 unter der Annahme einer konstanten Gasmasse und unter Verwendung eines konstanten Polytropenexponents von n = 1,37.With equation 20, the pressure component p Zyl can be determined for the calculation of the total gas mass with the aid of a substitute pressure value. The substitute pressure value is determined in the compression phase at a point in time at which the correlation between the substitute pressure value and the cylinder gas mass assumes as high an amount as possible. For this purpose, the correlation coefficient between cylinder pressure value and charge mass is plotted above the crank angle and the largest correlation is determined. The evaluations show that the cylinder pressure value at φ = 340 ° KW is optimally suitable as a substitute pressure value. The polytropic state change for p Zyl is calculated according to Equation 21 assuming a constant gas mass and using a constant polytropic exponent of n = 1.37.

Figure 00240002
Figure 00240002

Hierbei ist anzumerken, dass der berechnete Druckwert pZyl für φ = 180°KW nicht einem gemessenen Druckwert an dieser Stelle entsprechen muss.It should be noted that the calculated pressure value p Zyl for φ = 180 ° CA does not have to correspond to a measured pressure value at this point.

Berechnung von TZyl Calculation of T cyl

Zur Lösung der idealen Gasgleichung ist des Weiteren die Temperaturkomponente TZyl erforderlich. Die Basis dafür bildet der nach Gleichung 12 berechnete Temperaturkennwert bei φ = 180°KW. Zur Anpassung dieser Temperatur an die gesuchte Zylindergasmasse ist es erforderlich, den Basiswert zu korrigieren. Die Bestimmung der Korrekturterme erfolgt durch Umstellen der Gleichung 19 nach der gesuchten Temperatur. Als Referenzgasmassenwert wird hierbei die aus der Offline-Ladungswechselanalyse ermittelte Gasmasse in der Kompressionsphase herangezogen. Gleichung 22 beschreibt die Korrekturrechnung.To solve the ideal gas equation further, the temperature component T Zyl is required. The basis for this is formed by the equation 12 calculated temperature characteristic at φ = 180 ° KW. In order to adapt this temperature to the cylinder gas mass sought, it is necessary to correct the base value. The determination of the correction terms is carried out by changing the equation 19 according to the sought temperature. The reference gas mass value used here is the gas mass determined from the offline gas exchange analysis in the compression phase. Equation 22 describes the correction calculation.

Figure 00240003
Figure 00240003

Mit Hilfe der Anpassung von T180 auf die gesuchte Temperaturkomponente TZyl werden weitere nichtlineare Aufheizeffekte während der Ansaugphase, das Wärmeübergangsverhalten während der Kompressionsphase sowie die Vereinfachungen durch die ideale polytrope Zustandsänderung mit n = 1,37 für die Druckberechnung kompensiert.With the help of the adaptation of T 180 to the sought-after temperature component T Zyl further non-linear heating effects during the suction phase, the heat transfer behavior during the compression phase as well as the simplifications are compensated by the ideal polytropic state change with n = 1.37 for the pressure calculation.

Aus der Gesamtzylindergasmasse mZyl lässt sich durch Abzug der Restgasmasse mRG die angesaugte Gasmasse mEin berechnen. mEin = mZyl – mRG (23) From the total cylinder mass m cyl , the intake gas mass m A can be calculated by subtracting the residual gas mass m RG . m A = m Zyl - m RG (23)

Mit Kenntnis der Motordrehzahl nMot berechnet sich der Gesamtmotormassenstrom ṁZyl sowie der angesaugte Massenstrom ṁEin für einen Vierzylinder-Viertakt-Motor wie folgt. Zyl = 2·60·nMot·mZyl·10–6 (24) Ein = 2·60·nMot·mEin·10–6 (25) With knowledge of the engine speed n Mot , the total engine mass flow ṁ Cyl and the intake mass flow ṁ Ein are calculated as follows for a four-cylinder four-stroke engine. Cyl = 2 · 60 · n Mot · m Cyl · 10 -6 (24) On = 2 × 60 × n Mot × m On × 10 -6 (25)

Der Mittelwert des zylinderindividuell angesaugten Massenstroms ist bei abgeschalteter interner und externer Abgasrückführung im Stationärbetrieb mit dem Referenzmassenstromsensor im Ansaugpfad des Motors vergleichbar. (Blow-By wird dabei vernachlässigt.) When the internal and external exhaust gas recirculation in stationary operation is switched off, the mean value of the cylinder-individually drawn-in mass flow is comparable to the reference mass flow sensor in the intake path of the engine. (Blow-by is neglected.)

Sauerstoffgehalt im BrennraumOxygen content in the combustion chamber

Sauerstoffgehalt xO2Zyl während der KompressionOxygen content x O2Zyl during compression

Der verbrennungsrelevante Sauerstoffgehalt im Brennraum nach Abschluss des Ladungswechsels ist das Resultat der Vermischung von Frischluft mit rückgeführtem Abgas und vorhandenem Restgasgehalt. Zur Bestimmung des gesamten Sauerstoffanteils in jedem Zylinder werden nach Gleichung 26 alle Massenanteile mit ihrem Sauerstoffgehalt bilanziert und auf die Gesamtzylindermasse bezogen. 9 beschreibt entsprechende Verfahrensschritte.The combustion-relevant oxygen content in the combustion chamber after completion of the charge cycle is the result of the mixing of fresh air with recirculated exhaust gas and existing residual gas content. To determine the total oxygen content in each cylinder, according to equation 26, all mass fractions are balanced with their oxygen content and related to the total cylinder mass. 9 describes corresponding method steps.

Figure 00260001
Figure 00260001

In dieser Gleichung wird für den Frischluftsauerstoffgehalt xO2FL ein Wert von 20,94 Vol.-% angenommen (Schritt 902). Die Frischluftmasse mFL wird aus der Differenz zwischen Gesamtzylindermasse und Gesamtabgasrückführmasse errechnet. Die Summe der extern rückgeführten Abgasmassen meAGRHD + meAGRND werden mit dem Mittelwert für den Abgassauerstoffgehalt x O2ZylAbg aus allen Zylindern verrechnet. Als Restsauerstoffgehalt der internen Rückführung miAGRVL + MiAGRRS und des Restgases mRG wird der zylinderindividuelle Abgassauerstoffgehalt xO2ZylAbg herangezogen (Schritt 903).In this equation, a value of 20.94% by volume is assumed for the fresh air oxygen content x O2FL (step 902 ). The fresh air mass m FL is calculated from the difference between total cylinder mass and total exhaust gas recirculation mass. The sum of the externally recirculated exhaust masses m eAGRHD + m eAGRND are calculated using the mean value for the exhaust gas oxygen content x O2ZylAbg calculated from all cylinders. The residual oxygen content of the internal feedback m iAGRVL + M iAGRRS and of the residual gas m RG is determined by the cylinder-specific exhaust gas oxygen content x O2ZylAbg (step 903 ).

Die einzelnen Massenbestandteile können unter Vernachlässigung externer Gaslaufzeiten zu weiteren gassystembeschreibenden Größen verknüpft werden (Gleichungen 27–31).The individual mass constituents can be linked to other parameters describing the gas system, ignoring external gas run times (equations 27-31).

Figure 00260002
Figure 00260002

Mit Gleichung 30 kann eine Abgasrückführungsrate bestimmt werden (Schritt 901). Durch Einsetzen dieser Gleichungen in Gleichung 26 lässt sich der Gesamtsauerstoffgehalt im Brennraum zylinderindividuell nach Gleichung 32 berechnen (Schritt 904).With Equation 30, an exhaust gas recirculation rate may be determined (step 901 ). By substituting these equations in equation 26, the total oxygen content in the combustion chamber can be calculated individually for each cylinder according to equation 32 (step 904 ).

Figure 00270001
Figure 00270001

Durch Gleichsetzen der Abgassauerstoffanteile ergibt sich folgende einfache Beschreibung (Gleichung 33) für den Sauerstoffgehalt im Brennraum, die für eine Vorsteuerung der Abgasrückführrate verwendet werden kann. xO2Zyl = xO2FL – rAGRZyl·(xO2FLx O2ZylAbg) (33) By equating the exhaust gas oxygen contents, the following simple description (equation 33) results for the oxygen content in the combustion chamber, which can be used for a precontrol of the exhaust gas recirculation rate. x O2Zyl = x O2FL - r AGRZyl · (x O2FL - x O2ZylAbg ) (33)

Zylinderindividuelle Korrektur von xO2Zyl Cylinder individual correction of x O2Zyl

Aufgrund von zu erwartenden Modellungenauigkeiten für die internen Abgasrückführmassen sowie der generell vorhandenen Zylinderungleichverteilung von rückgeführtem Abgas (besonders in dynamischen Betriebsphasen) ist es notwendig, den Basissauerstoffgehalt, nach Gleichung 32 zylinderindividuell berechnet, nochmals zu korrigieren. Diese Korrektur erfolgt mit Hilfe eines zylinderdruckbasierten Ansatzes. Dazu werden in der Kompressionsphase zwei Zylinderdruckwerte ermittelt und analog zu Gleichung 21 in zwei Druckkennwerte für den unteren Totpunkt (UT) umgerechnet (Gleichung 34). Das Verhältnis Π dieser berechneten Kennwerte korreliert mit dem Gesamtsauerstoffgehalt xO2Zyl im Zylinder.Due to expected model inaccuracies for the internal exhaust gas recirculation masses as well as the generally existing cylinder inequality distribution of recirculated exhaust gas (especially in dynamic operating phases), it is necessary to re-correct the basic oxygen content, calculated according to equation 32 individually for each cylinder. This correction is made using a cylinder pressure based approach. For this purpose, two cylinder pressure values are determined in the compression phase and, in analogy to equation 21, converted into two pressure characteristic values for bottom dead center (UT) (equation 34). The ratio Π of these calculated characteristics correlates with the total oxygen content x O2Zyl in the cylinder.

Das berechnete Druckverhältnis Π aus zwei gemessenen Druckkennwerten in der Kompression ist dabei ein Maß für die Abweichung des Kompressionsverlaufs vom idealen Verlauf unter der Annahme eines konstanten Polytropenexponents n.The calculated pressure ratio Π from two measured pressure values in the compression is a measure of the deviation of the compression curve from the ideal curve, assuming a constant polytropic component n.

Figure 00270002
Figure 00270002

Unter Verwendung von Stationärmessungen wird das zu erwartende Druckverhältnis Πmod nach der empirischen Gleichung 35 modelliert. Πmod = f(nMot, Mind, mZyl, xO2Zyl) (35) Using stationary measurements, the expected pressure ratio Π mod is modeled according to the empirical equation 35. Π mod = f (n Mot , M ind , m Zyl , x O2Zyl ) (35)

Mit Hilfe der Differenz aus modelliertem und gemessenem Druckverhältnis wird der Basissauerstoffgehalt nach Gleichung 36 im Motorbetrieb additiv korrigiert. Die Korrektur ist besonders in instationären Betriebsphasen erforderlich. xO2ZylKorr = xO2Zyl + ΔxO2Zyl = xO2Zyl + (a0 + a1·nMot·Mind)·(Πmod – Π) (36) With the help of the difference between modeled and measured pressure ratio, the basic oxygen content is corrected additively according to equation 36 in engine operation. The correction is required especially in transient operating phases. x = x O2ZylKorr O2Zyl + DELTA x = O2Zyl O2Zyl + (a 0 + a 1 · n · M Mot ind) · (mod Π - Π) (36)

Sauerstoffgehalt xO2ZylAbg nach der VerbrennungOxygen content x O2ZylAbg after combustion

Aus dem zuvor berechneten Sauerstoffgehalt in der Kompression lässt sich unter Annahme einer vollständigen Verbrennung (λ = 1) nach Gleichung 37 der zylinderindividuelle Restsauerstoffgehalt des Verbrennungsgases xO2ZylAbg berechnen. Dabei wird das stöchiometrische Sauerstoffverhältnis Ost = 3,045 verwendet.The cylinder- specific residual oxygen content of the combustion gas x O2ZylAbg can be calculated from the previously calculated oxygen content in the compression assuming complete combustion (λ = 1) according to equation 37. In this case, the stoichiometric ratio of oxygen O is st = 3.045 used.

Figure 00280001
Figure 00280001

Abgasluftverhältnis λAbg Exhaust air ratio λ Abg

Auf Basis des modellierten mittleren Abgassauerstoffgehalts kann vereinfacht (Gleichung 38) oder genauer mit Hilfe einer Kennlinie (Gleichung 39) das Abgasluftverhältnis λAbg bestimmt werden. Die Bedatung der Kennlinie kann wahlweise auf den Prüfstandsmesswert λPST aus der Abgasanalyse bzw. auf den Wert der Lambda-Sonde λLSU erfolgen.

Figure 00280002
λAbg = f(x O2ZylAbg)|PST/LSU (39) On the basis of the modeled mean exhaust gas oxygen content simplified (Equation 38) or, more precisely by means of a characteristic curve (Equation 39), the exhaust air ratio λ Abg be determined. The characteristic curve can be optionally calibrated to the test bench measured value λ PST from the exhaust gas analysis or to the lambda probe λ LSU value.
Figure 00280002
λ exhaust = f ( x O2ZylAbg ) | PST / LSU (39)

Aus den bisher errechneten Modellgrößen lassen sich weitere gassystemcharakteristische Größen bestimmen. Mit Gleichung 40 wird das Sauerstoffverhältnis λO2 im Brennraum und mit Gleichung 41 das globale Luftverhältnis λL erfasst.From the previously calculated model sizes, further gas system characteristics can be determined. Equation 40 detects the oxygen ratio λ O2 in the combustion chamber and Equation 41 the global air ratio λ L.

Figure 00290001
Figure 00290001

Modellierung von Größen des externen GassystemsModeling sizes of the external gas system

Wie in 3 dargestellt, wird der Zustand des Gases im zylinderperipheren Motorsystem über eine Reihe von Druck- und Temperatursensoren erfasst. Die zwei letzten unbekannten Größen sind die Abgasrückführmassenströme durch Hoch- bzw. Niederdruckventil. Diese sind besonders wichtig für die Modellierung der externen Abgasrückführrate und im Weiteren entscheidend für die Genauigkeit der Zylindersauerstoffberechnung.As in 3 As shown, the state of the gas in the cylinder-peripheral engine system is detected via a series of pressure and temperature sensors. The last two unknown quantities are the exhaust gas recirculation mass flows through high and low pressure valves. These are particularly important for the modeling of the external exhaust gas recirculation rate and furthermore crucial for the accuracy of the cylinder oxygen calculation.

Die Basis für die modellbasierte Berechnung der Massenströme durch die Ventile bzw. Klappen bildet die Kontinuitätsgleichung für reibungsfreie Strömungen an Drosselstellen (Gleichung 42).The basis for the model-based calculation of the mass flows through the valves or valves is the continuity equation for friction-free flows at throttle points (equation 42).

Figure 00290002
Figure 00290002

Diese besagt, dass der Massendurchfluss durch einen sich ändernden Strömungsquerschnitt aufgrund der sich ändernden Dichte konstant bleibt. Durch das Öffnen und Schließen der Ventile bzw. Klappen wird die Querschnittsfläche der Abgasrückführleitungen verändert. Es stellt sich aufgrund des umgebenden Zustands ein neuer Massenstrom ein.This states that the mass flow rate remains constant due to a changing flow cross-section due to the changing density. By opening and closing the valves or flaps, the cross-sectional area of the exhaust gas recirculation lines is changed. It turns due to the surrounding state, a new mass flow.

Mit Hilfe der Bernoulligleichung für kompressible Fluide und unter der Annahme einer stationären, reibungsfreien und isentropen Strömung für ideale Gase lässt sich die Durchströmgeschwindigkeit berechnen. Durch Einsetzen dieser Größe in Gleichung 42 und unter Verwendung der idealen Gasgleichung berechnet sich der Massenstrom durch eine Drosselstelle wie folgt (Gleichung 43).With the help of the Bernoulli equation for compressible fluids and assuming a stationary, frictionless and isentropic flow for ideal gases, the flow rate can be calculated. By substituting this quantity in Equation 42 and using the ideal gas equation, the mass flow through a restriction is calculated as follows (Equation 43).

Figure 00300001
Figure 00300001

Die in dieser Drosselgleichung enthaltene Durchflussfunktion Ψ nach de Saint-Venant (Gleichung 44)

Figure 00300002
ist lediglich vom Druckverhältnis
Figure 00300003
über dem Drosselelement und vom Isentropenexponent
Figure 00300004
abhängig. Der maximale Durchflusswert wird im sogenannten kritischen Druckverhältnis
Figure 00300005
erreicht. In diesem Zustand strömt das ideale Gas mit Schallgeschwindigkeit durch die Drosselstelle. Unterhalb des kritischen Druckverhältnisses ist keine weitere Geschwindigkeitserhöhung möglich. Folglich muss in einen unter- und überkritischen Fall unterschieden werden (Gleichung 45).The flow function Ψ according to de Saint-Venant (equation 44) contained in this throttling equation
Figure 00300002
is only the pressure ratio
Figure 00300003
above the throttle element and the isentropic exponent
Figure 00300004
dependent. The maximum flow value is in the so-called critical pressure ratio
Figure 00300005
reached. In this condition, the ideal gas flows at the speed of sound through the throttle. Below the critical pressure ratio no further speed increase is possible. Consequently, a distinction must be made between a subcritical and supercritical case (Equation 45).

Figure 00300006
Figure 00300006

Zur Reduktion des Rechenaufwands im Steuergerät kann für die Berechnung der Durchflussfunktion im unterkritischen Druckbereich folgende Approximationsgleichung 46 verwendet werden. To reduce the computational effort in the control unit, the following approximation equation 46 can be used for the calculation of the flow function in the subcritical pressure range.

Figure 00310001
Figure 00310001

Die verbliebene unbekannte Größe in der Drosselgleichung ist die effektive Querschnittsfläche Aeff. Diese lässt sich in Abhängigkeit des Ansteuertastverhältnisses des betrachteten Stellers ermitteln. Der Zusammenhang zwischen dem Ansteuertastverhältnis des jeweiligen Ventil- bzw. Klappenstellers und zugehöriger effektiver Querschnittsfläche kann direkt am Versuchsträger ermittelt werden. Dazu wird das Tastverhältnis in einem Betriebspunkt des Motors im gesamten Verstellbereich variiert. Anschließend erfolgt die Berechnung der effektiven Querschnittsfläche mit Hilfe der Drosselgleichung unter Verwendung des Referenzmassenstroms sowie des gemessenen Gaszustands vor und nach dem Steller. Der Referenzmassenstrom kann je nach Bedatungsfall aus dem Prüftstandsmassenstromwert oder auch mit einer Methode zur Bestimmung des Abgasrückführmassenstroms aus Sauerstoffkonzentrationen ermittelt werden. Der berechnete Zusammenhang zwischen Tastverhältnis und effektiver Querschnittsfläche wird anschließend in einer Kennlinie als Ventil- bzw. Klappencharakteristik abgelegt.The remaining unknown quantity in the throttling equation is the effective cross-sectional area A eff . This can be determined as a function of the triggering duty cycle of the actuator under consideration. The relationship between the Ansteuertastverhältnis the respective valve or flap actuator and associated effective cross-sectional area can be determined directly on the test carrier. For this purpose, the duty cycle is varied in an operating point of the engine over the entire adjustment range. Subsequently, the effective cross-sectional area is calculated using the throttle equation using the reference mass flow and the measured gas state before and after the actuator. The reference mass flow can be determined from the test mass mass flow value or else with a method for determining the exhaust gas recirculation mass flow from oxygen concentrations, depending on the condition of the control. The calculated relationship between duty ratio and effective cross-sectional area is then stored in a characteristic curve as a valve or flap characteristic.

Das soeben vorgestellte Drosselmodell kann nachfolgend als invertiertes Modell für die Vorsteuerung der effektiven Ventil- und Klappenflächen der Aktoren des externen Gassystems zum Einsatz kommen. Es bildet somit ein zentrales Grundelement der externen Gassystemregelung.The throttle model just presented can subsequently be used as an inverted model for the precontrol of the effective valve and flap surfaces of the actuators of the external gas system. It thus forms a central element of the external gas system control.

HochdruckabgasrückführmassenstromHigh-pressure exhaust gas recirculation mass flow

Mit Gleichung 43 und 46 sowie den entsprechenden Sensorwerten lässt sich der Hochdruckabgasrückführmassenstrom ṁeAGRHD berechnen (Gleichungen 47–50). Die effektive Ventilquerschnittsfläche AeffHD wird aus einer Kennlinie in Abhängigkeit der Ventilstellung TVHD ermittelt. Aufgrund der kurzen Gasleitungen und des thermischen Zustands der Hochdruckabgasrückführung wird davon ausgegangen, dass der modellierte Massenstrom ohne zeitliche Verzögerungen den Zylindern zugeführt wird.Equations 43 and 46 and the corresponding sensor values can be used to calculate the high pressure exhaust gas recirculation mass floweAGRHD (equations 47-50). The effective valve cross-sectional area A effHD is determined from a characteristic as a function of the TV HD valve position. Due to the short gas lines and the thermal state of the high-pressure exhaust gas recirculation, it is assumed that the modeled mass flow is supplied to the cylinders without time delays.

Figure 00320001
Figure 00320001

NiederdruckabgasrückführmassenstromLow-pressure exhaust gas recirculation mass flow

Der Niederdruckabgasrückführmassenstrom ṁeAGRND wird analog nach Gleichung 47 berechnet (Gleichungen 51–54).

Figure 00320002
ΔpHD = p4 – p0 (54) The low pressure exhaust gas recirculation mass floweAGRND is calculated analogously according to equation 47 (equations 51-54).
Figure 00320002
Δp HD = p 4 - p 0 (54)

Externe AbgasrückführrateExternal exhaust gas recirculation rate

Die externe Abgasrückführrate ist die Summe der im Hoch- und Niederdruckzweig rückgeführten Abgasanteile im Saugrohr. Systembedingt entspricht der aktuelle Niederdruckabgasrückführmassenstrom am Ventil jedoch nicht dem aktuellen Anteil im Saugrohr. Besonders in dynamischen Betriebsphasen des Motors kommt dieser Nachteil zum Tragen. Grund dafür ist das Speicherverhalten der Ansaugstrecke und die Laufzeit das Gases aufgrund der längeren Wegstrecke. Für die Modellierung dieser Effekte wird die Gasstrecke der Niederdruckabgasrückführung von der Einleitstelle vor dem Verdichter bis zur Drosselklappe als Behälter konstanten Volumens mit zu- und ausfließenden Massenströmen sowie mit verbindenden Rohrstücken konstanten Querschnitts aufgefasst. Der aperiodische Transportvorgang der Niederdruckabgasrückführung kann dann näherungsweise durch ein totzeitbehaftetes Proportionalelement mit Verzögerung I. Ordnung modelliert werden (PT1Tt-Element). Beide Elemente besitzen bei konstanter Verstärkung K die gleiche variable Zeitkonstante

Figure 00330001
welche sich aus dem sich ändernden Zustand vor der Drosselklappe und dem zugehörigen Massenstrom ergibt. Dieser Massenstrom entspricht dem Massenstrom durch die Drosselklappe als Differenz aus zylinderangesaugtem und Hochdruckabgasrückführmassenstrom ṁDK = ṁEin – ṁeAGRHD. Die in das Saugrohr einströmende Niederdruckrate rNDSgr berechnet sich dann nach Gleichung 55.The external exhaust gas recirculation rate is the sum of the exhaust gas components in the intake manifold which are recirculated in the high and low pressure branches. Due to the system, the current low-pressure exhaust gas recirculation mass flow at the valve does not correspond to the current proportion in the intake manifold. Especially in dynamic operating phases of the engine, this disadvantage comes into play. The reason for this is the storage behavior of the intake section and the running time the gas due to the longer distance. For the modeling of these effects, the gas path of the low-pressure exhaust gas recirculation from the inlet point upstream of the compressor to the throttle valve is understood as a container of constant volume with inflowing and outflowing mass flows and with connecting pipe sections of constant cross section. The aperiodic transport process of the low-pressure exhaust gas recirculation can then be approximately modeled by a dead-time proportional element with delay I. order (PT 1 T t element). Both elements have the same variable time constant at constant gain K.
Figure 00330001
which results from the changing state before the throttle and the associated mass flow. This mass flow corresponds to the mass flow through the throttle valve as the difference between cylinder- suctioned and high-pressure exhaust gas recirculation mass flow ṁ DK = ṁ Ein - ṁ eAGRHD . The low pressure rate r NDSgr flowing into the suction pipe is then calculated according to equation 55.

Figure 00330002
Figure 00330002

Unter Vernachlässigung der geringen Speicherwirkung des Saugrohrs lässt sich die externe Abgasrückführrate im Saugrohr berechnen. Die Summe aus Niederdruck- ṁDKrNDSgr und Hochdruckrückführung ṁeAGRHD wird dabei auf den gesamten Zylindergasmassenstrom ṁZyl bezogen.Neglecting the low storage effect of the intake manifold, the external exhaust gas recirculation rate in the intake manifold can be calculated. The sum of low-pressure ṁ DKrNDSgr and high-pressure returneAGRHD is based on the total cylinder gas mass flowcyl .

Figure 00340001
Figure 00340001

Diese dynamisch ermittelte Rate reAGRdyn (Gleichung 56) ersetzt in Gleichung 32 zur Berechnung des Zylindersauerstoffgehalts die stationär berechnete externe Rate reAGR.This dynamically determined rate r eAGRdyn (equation 56) replaces the steady-state calculated external rate r eAGR in equation 32 for calculating the cylinder oxygen content .

Strategie zur Regelung des Gaszustands im ZylinderStrategy for controlling the gas state in the cylinder

Nachfolgend wird eine zylinderindividuelle Regelung des Gaszustands beschrieben, welche ein wesentlicher Bestandteil eines zylinderdruckbasierten Motormanagementkonzepts für Dieselbrennverfahren ist. Als Hauptführungsgrößen für die Regelung des Gaszustands im Brennraum werden die Gesamtgasmasse und der Sauerstoffgehalt verwendet. Die Gassystemregelung bindet eine Vielzahl von Gassystemstellern sowie Funktionalitäten eines vollvariablen Ventiltriebs ein. Dabei wird das nichtlineare Streckenverhalten des Motorgassystems in stationären Betriebspunkten als linear betrachtet und mit Methoden der linearen Regelungs- und Steuerungstheorie gesteuert.A cylinder-specific regulation of the gas state is described below, which is an essential component of a cylinder-pressure-based engine management concept for diesel combustion processes. The main parameters for controlling the gas state in the combustion chamber are the total gas mass and the oxygen content. The gas system control integrates a large number of gas system actuators and functionalities of a fully variable valve train. The nonlinear system behavior of the engine gas system in stationary operating points is considered as linear and controlled by methods of linear control and control theory.

Im regelungstechnischen Sinn ist das Gassystem moderner Dieselmotoren ein Mehrgrößensystem. Nachfolgend wird diese Regelungsaufgabe durch den Einsatz von Eingrößen-Regelungen mit modellbasierter Führungsgrößenvorsteuerung und koordinierter Sollwertvorgabe für die einzelnen Teilregelkreise gelöst. Teilweise erfolgt eine Zusammenfassung zu kaskadierten Strukturen. 10 veranschaulicht das Basisprinzip, dabei ist w eine Führungs-/Sollgröße, y eine Regel-/Istgröße, e eine Regelabweichung, uV eine Vorsteuerausgangsgröße, uR eine Reglerausgangsgröße und u eine Stellgröße.In terms of control engineering, the gas system of modern diesel engines is a multi-size system. In the following, this control task will be solved by the use of inference controls with model-based reference variable feedforward control and coordinated setpoint specification for the individual partial control loops. In part, a summary of cascaded structures is given. 10 illustrates the basic principle, where w is a command / setpoint, y is a control / actual size, e is a control deviation, u V is a pilot control output, u R is a controller output and u is a manipulated variable.

Die Vorsteuerung nimmt dabei den Platz eines invertierten Streckenmodells zur Verbesserung des dynamischen Führungsverhaltens des Regelkreises ein. Die Aufgabe des parallelgeschalteten linearen Reglerelements (PI- oder PID-Glied) besteht in der Korrektur von Vorsteuerunsicherheiten und Störeinflüssen auf Basis von Sensor- oder Modellwerten zur Gewährleistung eines stabilen Regelverhaltens. Bei dieser Servoregelung wird die Führungsgröße fortlaufend von einer übergeordneten Ebene vorgegeben und ist im Voraus nicht bekannt. Im dynamischen Motorbetrieb ergibt sich somit ein ständiger Betriebspunktwechsel mit geänderten Sollwerten. Zusätzlich werden in den Funktionen Einstellparameter vorgesehen, mit denen das Verhalten des geschlossenen Regelkreises bei Bedarf angepasst werden kann (Applikation).The precontrol takes the place of an inverted system model to improve the dynamic control behavior of the control loop. The purpose of the parallel-connected linear controller element (PI or PID element) is to correct pilot uncertainties and disturbances on the basis of sensor or model values to ensure stable control behavior. In this servo control, the command variable is continuously given from a higher level and is not known in advance. In dynamic engine operation, this results in a constant change of operating point with changed setpoint values. In addition, setting parameters are provided in the functions with which the behavior of the closed loop can be adjusted if necessary (application).

Vor dem Hintergrund der begrenzten Rechenkapazität im Steuergerät und der Forderung nach serientauglichen Ansätzen ist dieses Vorgehen sinnvoll. Dabei wird die grundsätzliche Anforderung erfüllt, stabile und robuste Regelungen mit guten dynamischen und störunanfälligen Eigenschaften aufzubauen. Against the background of the limited computing capacity in the control unit and the requirement for production-ready approaches, this approach makes sense. The fundamental requirement is fulfilled to build stable and robust controls with good dynamic and interference-free properties.

Aufbau der RegelungsstrukturStructure of the regulatory structure

Der Gaszustand ist prinzipbedingt abhängig vom zylinderexternen Zustand im Saugrohr und in den Zuleitungen. Im Vergleich zum Einspritzpfad besitzt der Gaspfad ein eher träges Einstellverhalten. Aufgrund dessen wird im Gaspfad zusätzliche neuartige Aktuatorik, insbesondere eine vollvariable Ventilsteuerung, eingesetzt. Anforderungen bezüglich einer genauen Einstellung des Gaszustands im Brennraum zu Kompressionsbeginn können mit der Serienstruktur für die Gassystemregelung, wie sie in übliche Motorsteuergeräten implementiert ist, nicht oder nur mit viel Aufwand erfüllt werden. Das bedeutet, dass die Serienstruktur nicht durch die Wirkung der Steller definiert ist. Somit lassen sich die physikalischen Zusammenhänge des Gesamtsystems nur in geringem Maße abbilden. Die Serienführungsgröße Frischluftmasse kann beispielsweise über die Hochdruck-, Niederdruckbabgasrückführung oder sogar indirekt über eine Ladedruckänderung mit dem Abgasturbolader eingestellt werden. Alle drei Varianten haben unterschiedliche Auswirkungen auf Dynamik und Emissionen des Motors. Ein weiteres Problem der konventionellen Struktur ist das Einbinden neuer Aktoren in zunehmend eigenen Betriebsarten. D. h., die Aktoren werden nur unter bestimmten Bedingungen in der jeweiligen Betriebsart eingesetzt. Dies wird durch eine Strukturumschaltung bewirkt, bei der sich sowohl die Regelgrößen als auch deren Zuordnung zu den einzelnen Stellern ändern. Unweigerlich führen derartige Übergänge zu schwer beschreibbaren Zuständen im Gesamtsystem. Daraus resultiert eine erhöhte Komplexität der Motorsteuerung, welche nicht die nötige Flexibilität für die Einbindung neuer Stellmöglichkeiten besitzt.The gas state is inherently dependent on the out-of-cylinder condition in the intake manifold and in the supply lines. Compared to the injection path, the gas path has a rather sluggish adjustment behavior. Due to this, additional novel actuators, in particular a fully variable valve controller, are used in the gas path. Requirements for a precise adjustment of the gas state in the combustion chamber at the beginning of compression can be met with the standard structure for the gas system control, as implemented in conventional engine control units, or only with great effort. This means that the serial structure is not defined by the effect of the actuator. Thus, the physical relationships of the overall system can be mapped only to a small extent. The mass air flow mass variable can be adjusted for example via the high pressure, Niederdruckbabgasrückführung or even indirectly via a boost pressure change with the exhaust gas turbocharger. All three variants have different effects on engine dynamics and emissions. Another problem of the conventional structure is the incorporation of new actuators in increasingly separate modes. This means that the actuators are only used under certain conditions in the respective operating mode. This is caused by a structure change, in which both the controlled variables and their assignment to the individual actuators change. Inevitably, such transitions lead to difficult-to-describe states in the overall system. This results in an increased complexity of the motor control, which does not have the necessary flexibility for the integration of new positioning options.

Nachfolgend wird daher ein ganzheitlicher Ansatz für die Struktur der Gassystemregelung vorgeschlagen. Dabei bildet die physikalisch motivierte Zuordnung von Sollwerten zu den einzelnen Aktoren entsprechend ihrer Funktion einen wichtigen Grundsatz. Aufgrund der festen Zuordnung, sollen Strukturumschaltungen der Regelungsstruktur verhindert werden. Eine weitere wichtige Eigenschaft ist der modulare Aufbau des Konzepts, was eine erhöhte Variabilität bezüglich der Integration neuer Stellelemente unabhängig von deren Bauweise und Typ ermöglicht.Therefore, a holistic approach to the structure of the gas system regulation is proposed below. The physically motivated assignment of setpoints to the individual actuators forms an important principle according to their function. Due to the fixed allocation, structural changes of the control structure should be prevented. Another important feature is the modular design of the concept, which allows increased variability in the integration of new control elements regardless of their design and type.

Die nachfolgend beschriebene Gassystemregelung nutzt überwiegend die brennraumexternen Gassystemsteller als Basis für die Integration der zylinderindividuellen Stellmöglichkeiten eines vollvariablen Ventiltriebs. Des Weiteren erfolgt eine Erweiterung bezüglich der Hauptführungsgrößen der Struktur. Anstelle der Abgasrückführrate wird der Sauerstoffgehalt im Brennraum verwendet.The gas system control described below predominantly uses the gas-chamber-external gas system controllers as the basis for the integration of the cylinder-specific adjustment possibilities of a fully variable valve train. Furthermore, there is an extension with respect to the main parameters of the structure. Instead of the exhaust gas recirculation rate, the oxygen content in the combustion chamber is used.

Im Zusammenhang mit 11 wird die Gassystemregelung genauer erläutert werden. Wesentliche Merkmale sind die hierarchische Struktur mit zusammengefassten Funktionsgruppen sowie die klare und festgesetzte Zuordnung der Sollgrößen. Jedes Strukturelement besteht je nach Bauart, passiv oder aktiv, aus einem Vorsteuermodell und aus einer Regelungsfunktion.In connection with 11 the gas system regulation will be explained in more detail. Essential features are the hierarchical structure with grouped function groups as well as the clear and fixed assignment of the setpoints. Depending on the design, passive or active, each structural element consists of a pre-control model and a control function.

Auf der untersten Ebene sind alle im Motorgassystem vorhandenen Stellelemente abgebildet. Stellvertretend für die 16 Gaswechselventile sind jeweils die Ein- und Auslassventile eines Zylinders (i) dargestellt. Jedem Aktor ist nur eine feste Sollgröße zugeordnet. Für die beiden externen Abgasrückführventile sind dies beispielsweise die zugehörigen Massenströme. Mit Hilfe der Abgasklappe soll ein erforderliches Druckgefälle über dem Niederdruckventil eingestellt werden. Daher wird der nötige Differenzdruck als Sollwert für diesen Steller verwendet. Drosselklappe und Turbolader sollen entsprechend ihrer Position im Gaspfad vorgegebene Druckniveaus realisieren. Ventil-Öffnen- und Ventil-Schließt-Winkel sowie die maximale Hubhöhe sind wichtige Sollgrößen für die Hubkurvengenerierung der Gaswechselventile.At the lowest level all control elements in the engine gas system are shown. The intake and exhaust valves of a cylinder (i) are represented as representative of the 16 gas exchange valves. Each actuator is assigned only a fixed target size. For the two external exhaust gas recirculation valves, these are, for example, the associated mass flows. With the help of the exhaust flap, a required pressure drop over the low pressure valve should be set. Therefore, the required differential pressure is used as the setpoint for this controller. Throttle and turbocharger should realize according to their position in the gas path predetermined pressure levels. Valve opening and valve closing angles as well as the maximum lifting height are important parameters for the stroke curve generation of the gas exchange valves.

Die einzelnen Stellelemente werden zur nächst höheren Ebene zu Funktionsgruppen zusammengefasst. Niederdruckventil und Abgasklappe bilden eine gemeinsame Gruppe zur Einstellung einer geforderten Niederdruckabgasrückführrate. Im zugehörigen Koordinator werden entsprechend des Ratensollwertes die nötigen Sollwerte für Massenstrom und Druckverhältnis berechnet. In ähnlicher Weise wird auch bei den anderen Aktoren eine Verallgemeinerung in Richtung höherer Ebenen vorgenommen. Wegen seiner zentralen Bedeutung für die Integration eines vollvariablen Ventiltriebs wird der Koordinator für die Gaswechselventile nachfolgend genauer beschrieben.The individual control elements are combined to the next higher level to function groups. Low-pressure valve and exhaust flap form a common group for setting a required low-pressure exhaust gas recirculation rate. In the associated coordinator, the required setpoint values for mass flow and pressure ratio are calculated according to the rate setpoint. Similarly, the other actuators also generalize towards higher levels. Because of its central importance for the integration of a fully variable valve train the coordinator for the gas exchange valves will be described in more detail below.

Aufgrund der vielfältigen Systemfreiheiten zur Gaszustandsbeeinflussung sind in den höheren Hierarchieebenen entsprechende Koordinatoren erforderlich. Beispielhaft ist hier die Aufteilung der Gasmasseneinstellung auf Turbolader, Drosselklappe und Ventiltrieb zu nennen. Parallel dazu muss die Aufteilung der Gesamtabgasrückführrate aus einem geforderten Sauerstoffgehalt im Brennraum auf interne, externe und Restgasrate koordiniert werden. Weiterführend geschieht die Aufteilung auf externe Hochdruck- und Niederdruckrate bzw. auf einen internen Vorlagern- und Rücksauganteil. Die Koordinatoren bieten einen weiteren Vorteil. Im dynamischen Motorbetrieb können in einfacher Form Eingriffe in die Verteilungsfunktionen vorgenommen werden. Beispielsweise kann so die Laufzeit der Niederdruckabgasrückführung durch eine kurzfristig erhöhte externe Hochdruckabgasrückführung oder zylinderindividuelle interne Gasrückführung ausgeglichen werden. Auf diese Weise würde weiterhin der gewünschte Sauerstoffgehalt im Brennraum eingestellt werden.Due to the manifold system freedoms for influencing the gas state, corresponding coordinators are required at higher hierarchical levels. An example is the breakdown of the gas mass adjustment to turbocharger, throttle and valve train. In parallel, the division of the Total exhaust gas recirculation rate from a required oxygen content in the combustion chamber to be coordinated to internal, external and residual gas rate. Further, the division takes place to external high pressure and low pressure rate or to an internal Vorlagern- and Rücksauganteil. The coordinators offer another advantage. In dynamic engine operation, intervention in the distribution functions can be carried out in a simple manner. For example, the running time of the low-pressure exhaust gas recirculation can be compensated by a short-term increased external high-pressure exhaust gas recirculation or cylinder-specific internal gas recirculation. In this way, the desired oxygen content would continue to be set in the combustion chamber.

Die oberste Hierarchieebene bildet der Zylinderkoordinator. Seine zentrale Aufgabe ist die Sollwertgenerierung der zwei Hauptführungsgrößen für das Gassystem: Gasmasse und Sauerstoffgehalt im Brennraum. Beide Größen werden in zwei parallelen Gaszustandspfaden entsprechend der in 11 vorgestellten Regelungsstruktur eingestellt. Der Zylinderkoordinator ist nicht ausschließlich dem Gassystem zugeordnet, sondern koordiniert in ähnlicher Weise das Einspritzsystem.The highest hierarchical level is the Cylinder Coordinator. Its central task is the setpoint generation of the two main parameters for the gas system: gas mass and oxygen content in the combustion chamber. Both quantities are divided into two parallel gas state paths corresponding to those in 11 introduced control structure set. The Cylinder Coordinator is not dedicated to the gas system, but similarly coordinates the injection system.

Nachfolgend werden die beiden Gaszustandspfade in ihrer Funktionsweise getrennt beschrieben.Below, the two gas state paths are described separately in their operation.

Zylinderindividuelle Einstellung der Gasmasse im BrennraumCylinder-specific adjustment of the gas mass in the combustion chamber

Unter Einsatz der vorhandenen Gassystemsteller wird ausgehend vom Ladedruck die Gasmasse im Brennraum eingestellt. Dementsprechend werden die Sollwerte für den Saugrohr- und Ladedruck aus dem Sollwert für die Gasmasse abgeleitet. Des Weiteren erfolgt die Berechnung des Vorsteuerwertes für den Einlass-Schließt-Winkel des Ventiltriebs aus der Vorgabe für das effektive Verdichtungsverhältnis. Bei Absenkung des Verdichtungsverhältnisses, beispielsweise durch frühes oder spätes Schließen der Einlassventile, ist es zur Konstanthaltung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Verbrennung weiterhin erforderlich, die vorgegebene Gasmasse im Brennraum bereitzustellen. Dies kann nur durch einen entsprechend höheren Saugrohr- bzw. Ladedruck realisiert werden, dessen Erhöhung umgekehrt proportional zum effektiven Verdichtungsverhältnis steht. Anders betrachtet entspricht dieses Verfahren einer Art Vorspannung des Systems, da ein Druckvorhalt über dem Ventiltrieb aufgebaut wird. Parallel kann dazu ein weiterer Druckvorhalt über der Drosselklappe durch Vorgabe eines höheren Ladedrucksollwertes eingestellt werden. Beide Druckvorhalte können in transienten Betriebsphasen kurzfristig freigegeben und somit für eine schnelle Erhöhung der Gasladungsmasse genutzt werden, was wiederum ein verbessertes Ansprechverhalten des Turboladers zur Folge hat.Using the existing gas system controller, the gas mass in the combustion chamber is adjusted starting from the boost pressure. Accordingly, the setpoint values for the intake manifold and boost pressure are derived from the target value for the gas mass. Further, the calculation of the pilot value for the intake-closing angle of the valve train is made from the specification for the effective compression ratio. When lowering the compression ratio, for example by early or late closing of the intake valves, it is necessary to keep the predetermined gas mass in the combustion chamber to keep the thermodynamic efficiency of the combustion constant. This can only be realized by a correspondingly higher suction pipe or boost pressure, whose increase is inversely proportional to the effective compression ratio. In other words, this method corresponds to a kind of bias of the system, since a pressure reserve is built up over the valve train. At the same time, a further pressure reserve above the throttle valve can be set by specifying a higher charge pressure setpoint. Both pressure reserves can be released in transient operating phases in the short term and thus be used for a rapid increase in the gas charge mass, which in turn has an improved response of the turbocharger result.

Bei entsprechender Aufteilung des Gesamtdruckvorhalts auf Ventiltrieb und Drosselklappe ist dieses Vorgehen auch verbrauchsneutral darstellbar. Sinnvoll ist dabei ein kombinierter Einsatz beider Stellelemente. Für den Stationärbetrieb sollte der größere Anteil des Druckvorhalts an den Ventiltrieb vergeben werden, da die Variation der effektiven Verdichtung im Gegensatz zum Androsseln keine erhöhten Verluste erzeugt und somit keinen ungewollten Kraftstoffmehrverbrauch hervorruft. In der Dynamik kann es jedoch durchaus hilfreich sein, die Drosselklappe als unterstützendes Element verstärkt einzusetzen. Zusätzlich zum Ventiltrieb kann dann mit dieser Strategie ein mögliches Überschwingen des Ladedrucksollwertes mit Hilfe der Drosselklappe kompensiert werden, um auch weiterhin den geforderten Saugrohrdruck einzustellen. Aufgrund der Zielsetzung, den erzeugten Druckvorhalt im dynamischen Motorbetrieb gezielt für ein besseres Ansprechverhalten zu nutzen, werden der Gesamtvorhalt und dessen Aufteilung auf die Gassystemsteller nur gesteuert und nicht als direkte Regelgrößen vorgegeben. Stattdessen erfolgt die Regelung der absoluten Zustandsgrößen nach den Stellern.With appropriate distribution of the total pressure reserve on the valve train and throttle valve, this approach is also consumable neutral. It makes sense here a combined use of both control elements. For stationary operation, the greater proportion of the pressure reserve should be assigned to the valve train, since the variation of the effective compression in contrast to throttling generates no increased losses and thus does not cause unwanted fuel consumption. In the dynamics, however, it can be quite helpful to use the throttle as a supporting element reinforced. In addition to the valve train can then be compensated with the help of this strategy, a possible overshoot of the boost pressure setpoint using the throttle to continue to set the required intake manifold pressure. Due to the objective of using the generated pressure reserve in dynamic engine operation specifically for a better response, the total inventory and its distribution to the gas system controller are only controlled and not specified as direct control variables. Instead, the control of the absolute state variables takes place after the actuators.

12 zeigt das Funktionsschema der zylinderindividuellen Gasmassenregelung. Die Struktur besteht aus einer modellbasierten Führungsgrößenvorsteuerung und einem Regelungsanteil. Aufgabe der Vorsteuerung ist die Berechnung der Sollwerte für den Saugrohr- und Ladedruck sowie den Vorsteuerwert für den Einlass-Schließt-Winkel auf Basis der Führungsgrößen Gasmasse und effektive Verdichtung bzw. Druckvorhalt. Saugrohr- und Ladedrucksollwerte werden an die entsprechenden Regelkreise weitergeleitet. Parallel zum zylindergleichen Vorsteuerungszweig ist ein zylinderindividueller Regelkreis geschaltet, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung den vorgesteuerten Einlass-Schließt-Winkel über einen Regelanteil additiv korrigiert. Im Folgenden werden die genannten Funktionsblöcke detaillierter beschrieben. Sollgrößen werden hierin im Allgemeinen mit einem Stern-Symbol (*) gekennzeichnet. 12 shows the functional diagram of the cylinder-specific gas mass control. The structure consists of a model-based reference variable feedforward control and a control component. The purpose of the feedforward control is to calculate the setpoint values for intake manifold and boost pressure as well as the pre-control value for the inlet-closing angle on the basis of the reference variables gas mass and effective compression or pressure reserve. Intake manifold and charge pressure setpoints are forwarded to the appropriate control circuits. Parallel to the cylinder-identical pilot control branch, a cylinder-individual control loop is connected, which adjusts additively the pilot-controlled inlet closing angle via a control component as a function of the control deviation. In the following, the functional blocks are described in more detail. Target quantities are generally identified with a star symbol (*) here.

Funktionsblock „Vorsteuerung”Function block "feedforward control"

Die Vorsteuerung zur Einstellung einer geforderten Gasmasse im Brennraum vereint die Koordinatoren „Zylindergasmasse” und „Saugrohrzustand” aus 11. Folgende Gleichungen werden zur Berechnung der genannten Sollwerte herangezogen. Als Zwischengröße wird hierbei die Sollsaugrohrdichte ρ*Sgr bestimmt. Dabei werden der thermische Istzustand zwischen Zylinder und Kanal T100/TEV Sowie betriebspunktabhängige Kanalverluste CKanal berücksichtigt. Somit ergibt sich für die Sollsaugrohrdichte, auch bei einem Druckvorhalt von Null, immer ein geringfügig anderer Wert als für die Dichte im Zylinder zum Einlass-Schließt-Zeitpunkt. Die Größen π*VT und π*DK beschreiben die bereits definierten Druckvorhalte über Ventiltrieb und Drosselklappe. Sie berechnen sich aus einem vorzugebenden Verteilungsfaktor ξ* sowie dem Verhältnis von geometrischem zu gefordertem effektivem VerdichtungsverhältnisThe pilot control for setting a required gas mass in the combustion chamber unites the coordinators "cylinder gas mass" and "intake manifold state" 11 , The following equations are used to calculate the specified setpoints. In this case, the desired suction pipe density ρ * Sgr is determined as an intermediate variable. In this case, the actual thermal state between cylinder and channel T 100 / T EV As well as operating point-dependent Channel losses C channel taken into account. Thus, even at zero pres- sure, the target intake manifold density is always slightly different than the in-cylinder density at the inlet-close timing. The quantities π * VT and π * DK describe the already defined pressure reserves via valve train and throttle valve. They are calculated from a given distribution factor ξ * and the ratio of geometric to required effective compression ratio

Figure 00380001
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Figure 00390001
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Entsprechend des geforderten Druckvorhalts über Ventiltrieb wird mit Hilfe einer Kennlinie ein absoluter Delta-Einlass-Schließt-Winkel |Δφ*ESV| bestimmt. Durch die Verrechnung des Delta-Winkels mit dem Bezugswinkel φUT und einem Faktor KES, entsprechend der Vorgabe „Frühes”- oder „Spätes-Einlass-Schließt” (FES/SES), ergibt sich der vorgesteuerte Soll-Einlass-Schließt-Winkel φ*ESV für die Einlassventile aller Zylinder aus den Gleichungen 62–64.In accordance with the required pressure reserve via valve train, an absolute delta inlet closing angle | Δφ * ESV | certainly. By the calculation of the delta angle with the reference angle φ UT and a factor K ES , according to the specification "early" or "late-intake close" (FES / SES), the pilot-controlled target intake-closed angle results φ * ESV for the intake valves of all cylinders from Equations 62-64.

Figure 00390002
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Die Vorsteuerkennlinie ist dabei die invertierte und aus einer Kurvenschar gemittelte Abbildung des Effekts einer Einlass-Schließt-Winkel-Variation von früh nach spät in verschiedenen Betriebspunkten. In this case, the pilot control characteristic is the inverted mapping of the effect of an inlet-closed-angle variation from early to late at various operating points, averaged out of a set of curves.

Funktionsblock „Zylinderindividueller Regler”Function block "Cylinder-individual controller"

Für jeden Zylinder ermittelt ein individueller Regler auf Basis der Regelabweichung für die Gasmasse im Brennraum einen Korrekturwert für den zuvor berechneten Vorsteuerwert. Demzufolge wirkt die Regelkorrektur direkt über die Stellgröße Einlass Schließt-Winkel auf den Ventiltrieb. Es erfolgt keine Korrektur der Sollwerte für den externen Gaszustand.For each cylinder, an individual controller determines a correction value for the previously calculated pilot control value based on the control deviation for the gas mass in the combustion chamber. As a result, the control correction acts directly on the valve train via the manipulated variable inlet closing angle. There is no correction of the setpoint values for the external gas state.

Sollwert m*Zyl und Istwert mZyl(i) werden mit je einem gleichparametrierten IIR-Filter zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses gefiltert. Damit beide Werte miteinander vergleichbar sind, wird die Sollgröße durch ein Totzeitglied zusätzlich um einen Auswertungsschritt verzögert. Dies ist erforderlich, da der Istwert auf Basis des Zylinderdrucks ermittelt wird. Ein aktueller Wert steht somit erst nach stattgefundenem Ladungswechsel zur Verfügung. Die ermittelte Gasmassenabweichung em(i) wird mit Hilfe eines kennlinienbasierten Modells in eine Regelabweichung eφ(i) für den Einlass-Schließt-Winkel umgerechnet. Diese wird anschließend mittels eines linearen Proportional-Integral-Reglers (PI-Regler) mit konstanten Faktoren verstärkt. Die Reglerausgangsgröße φ*ESR(i) wird anschließend durch eine Begrenzungsfunktion im Regler innerhalb des applizierten Maximal- und Minimalwertes gehalten. Des Weiteren wird der I-Anteil des Reglers bei Überschreiten der Stellgrößengrenzen auf diese Werte begrenzt (Anti-Windup-Funktion). Der I-Anteil des Reglers wirkt während des stationären Einschwingvorgangs wie ein adaptiver Algorithmus und gleicht Soll- und Istmasse einander an.Setpoint m * Cyl and actual value m Cyl (i) are filtered with an equal parameterized IIR filter to improve the signal-to-noise ratio. In order for the two values to be comparable to one another, the setpoint value is additionally delayed by an idling time element by an evaluation step. This is necessary because the actual value is determined on the basis of the cylinder pressure. A current value is thus available only after the charge has been changed. The determined gas mass deviation e m (i) is converted by means of a characteristic-based model into a control deviation e φ (i) for the inlet-closing angle. This is then amplified by means of a linear proportional-integral controller (PI controller) with constant factors. The controller output φ * ESR (i) is then held within the applied maximum and minimum values by a limiting function in the controller. Furthermore, the I component of the controller is limited to these values when the manipulated variable limits are exceeded (anti-windup function). The I component of the controller acts as an adaptive algorithm during the stationary transient process and adjusts the setpoint and actual masses to each other.

Nach Gleichung 65 berechnet sich auf Basis des Vorsteuerwertes φ*ESV und der Reglerausgangsgröße φ*ESR(i) der zylinderindividuelle Sollwert für den Einlass-Schließt-Winkel φ*ES(i). An dieser Stelle muss ebenfalls der Faktor KES entsprechend der Einlass-Schließt-Strategie berücksichtigt werden.According to Equation 65, based on the pilot control value φ * ESV and the controller output variable φ * ESR (i), the cylinder-specific target value for the inlet-closing angle φ * ES (i) is calculated. At this point, the factor K ES according to the inlet-closing strategy must also be taken into account.

Figure 00400001
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Die Vorsteuerungs- und Regelalgorithmen für die Gasmasseneinstellung werden zur Gewährleistung einer arbeitsspielsynchronen Vorgabe im winkelsynchronen Raster gerechnet. D. h., die Funktionen der Vorsteuerung und Regelung werden alle 180°KW aufgerufen, wobei die Regelung der einzelnen Zylinder in Zündreihenfolge ausgehend vom oberen Totpunkt der Verbrennung erfolgt.The feedforward and control algorithms for the gas mass adjustment are calculated in order to guarantee a working cycle synchronous specification in the angle-synchronous grid. That is, the functions of the feedforward control and regulation are called every 180 ° KW, wherein the control of the individual cylinders in firing order from the top dead center of the combustion takes place.

Funktionsblock „Saugrohrdruckregelung”Function block "intake manifold pressure control"

Die Saugrohrdruckregelung umfasst zur Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens eine modellbasierte Vorsteuerung sowie einen parallel geschalteten Regelkreis mit linearem PI-Glied. Auf Basis des Sollsaugrohrdrucks p*2, des Istmassenstroms m*DK und dem aktuellen Istzustand vor Drosselklappe, p1 und T1, wird unter Einsatz des Drosselmodells nach Gleichung 43 die effektive Durchflussfläche A*effDK an der Klappe vorgesteuert (Gleichung 66). Korrigiert wird der Vorsteuerwert durch einen additiven Regelanteil in Abhängigkeit von der errechneten und verstärkten Regelabweichung. Mit Hilfe einer Kennlinie erfolgt die Umrechnung des Flächenwertes in ein Solltastverhältnis TV*DK für die Klappenposition. Die Berechnung dieser Regelungsfunktionen erfolgt im zeitsynchronen Raster.The intake manifold pressure control includes a model-based pilot control and a parallel-connected loop with a linear PI element to improve the dynamic control behavior. Based on the target intake manifold pressure p * 2 , the actual mass flow m * DK and the current actual state before the throttle valve, p 1 and T 1 , the effective flow area A * effDK at the valve is pre-controlled using the throttle model according to Equation 43 (Equation 66). The precontrol value is corrected by an additive control component as a function of the calculated and amplified control deviation. With the aid of a characteristic curve, the conversion of the area value into a nominal sampling ratio TV * DK for the flap position takes place. The calculation of these control functions takes place in a time-synchronized grid.

Figure 00410001
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Funktionsblock „Ladedruckregelung”Function block "boost pressure control"

Der unterlagerte Regelkreis für die Ladedruckeinstellung umfasst eine konventionelle Ladedruckregelung. Diese umfasst eine kennfeldbasierte, betriebspunktabhängige Vorsteuerung des Tastverhältnisses TV*VTG für den VTG-Steller (Steller für variable Turbinengeometrie) am Turbolader und einen parallelen Regelkreis, dessen Eingangsgröße der aus der Gasmasse abgeleitete Ladedrucksollwert p*1 ist.The subordinate loop for boost pressure adjustment includes a conventional boost pressure control. This includes a map-based, operating point-dependent precontrol of the duty cycle TV * VTG for the VTG controller (controller for variable turbine geometry) on the turbocharger and a parallel control loop, whose input variable is the boost pressure desired value p * 1 derived from the gas mass.

Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Gasmassenregelung Illustration of the functional principle of the gas mass control

Die zuvor beschriebene Regelungsstruktur führt entsprechend 11 zu einer Entkopplung der zylinderindividuellen Gasmassenregelung von der externen Saugrohr- bzw. Ladedruckregelung. Eine Verbindung existiert nur über die Sollwertvorgabe.The control structure described above leads accordingly 11 to a decoupling of the cylinder-specific gas mass control of the external intake manifold and boost pressure control. A connection exists only via the setpoint specification.

Ausgehend von einem eher schlechten Regelverhalten der Ladedruckregelung kann zumindest das Überschwingen durch das kurzzeitige Aufbauen von Druckvorhalten, erzeugt durch die Saugrohrdruckregelung, reduziert werden. Dabei muss zwangsläufig von dem vorgegebenen Sollwert für den Stationärbetrieb abgewichen werden. Für den gesamten Messausschnitt wird kein Druckvorhalt über der Drosselklappe angefordert. Demzufolge kann auch ein Ladedruckmangel nicht ausgeglichen werden. Dennoch erreicht die Saugrohrdruckregelung eine höhere Regelgüte als die Ladedruckregelung. Dies liegt zum einen an der Art der Stellelemente und zum anderen an der Struktur der Regelkreise. Zwischen Saugrohr und Zylinder wird ebenfalls ein Druck- bzw. Dichtevorhalt angefordert. Dieser kann von der Saugrohrdruckregelung nicht in allen Betriebspunkten erreicht werden. An dieser Stelle wird das Zusammenspiel zwischen angeforderter Gasmasse, Druckvorhalt und Systemdynamik ersichtlich. Mit Hilfe des Ventiltriebs können diese Regelfehler jedoch ausgeglichen und die erforderliche Gasmasse im Brennraum mit ausreichender Regelgenauigkeit eingestellt werden. Dabei wird die abgesenkte effektive Verdichtung in Form des Druckvorhalts über dem Ventiltrieb auf- bzw. freigegeben und der Einlass-Schließt-Winkel von der vorgesteuerten Spätposition in Richtung früh verlagert. Wenn erforderlich, wird bei weiterer Spätverstellung der Druckvorhalt zusätzlich erhöht. Aufgrund dieser kaskadierten Vorgehensweise ergibt sich für die Einstellung der Gasmasse im Brennraum ein besseres Folgeverhalten als durch eine alleinige Einstellung mit Hilfe der Ladedruckregelung.Based on a rather poor control behavior of the boost pressure control, at least the overshoot can be reduced by the temporary buildup of pressure reserves generated by the intake manifold pressure control. It is inevitable that deviations from the specified setpoint for stationary operation. For the entire measurement section, no pressure reserve is requested via the throttle valve. Consequently, a boost pressure deficiency can not be compensated. Nevertheless, the intake manifold pressure control achieves a higher control quality than the boost pressure control. This is due to the type of control elements and the structure of the control circuits. Between intake manifold and cylinder also a pressure or density is required. This can not be achieved by the intake manifold pressure control in all operating points. At this point, the interaction between requested gas mass, pressure reserve and system dynamics becomes apparent. With the help of the valve train, however, these control errors can be compensated and the required gas mass in the combustion chamber can be set with sufficient control accuracy. In this case, the lowered effective compression in the form of the pressure reserve above the valve train is opened or released and the inlet closing angle is shifted from the pre-controlled late position in the direction of early. If necessary, the pressure reserve is additionally increased with further retardation. Due to this cascaded procedure results for the adjustment of the gas mass in the combustion chamber, a better follow-up behavior than by a sole adjustment using the boost pressure control.

Zylinderindividuelle Einstellung des Sauerstoffgehalts im BrennraumCylinder-specific adjustment of the oxygen content in the combustion chamber

Der Sauerstoffgehalt im Brennraum bildet eine weitere wichtige Gaszustandsgröße, welche sich ausgehend vom Sauerstoffgehalt reiner Frischluft (ca. 21 Vol.-%) mit Hilfe der Abgasgasrückführung einstellen lässt. Zur Bereitstellung des rückgeführten Abgases stehen externe und interne Möglichkeiten zur Verfügung. Mit der externen Rückführung ist es möglich, große Mengen an rückgeführtem Abgas mit der Frischluft zu vermischen. Somit sollte sich im Stationärbetrieb immer der erforderliche Sauerstoffgehalt im Brennraum mit Hilfe der externen Steller genau einstellen lassen. Dabei ist eine gesteuerte Aufteilung auf den Hoch- und Niederdruckzweig sinnvoll. Systembedingt können sich besonders während transienter Motorbetriebsphasen die langen Gaslaufzeiten sowie das Pulsationsverhalten der externen Anteile negativ auf den aktuellen Sauerstoffgehalt im Brennraum auswirken. Mit Hilfe der selektiven internen Abgasrückführung, ermöglicht durch einen variablen Ventiltrieb, können auftretende Sauerstoffüberschwinger korrigiert werden. Etwaige Unterschwinger im Folgeverhalten der Regelgröße, hervorgerufen durch einen überhöhten Anteil von rückgeführtem Abgas, können bei bereits reduzierter interner Abgasrückführung durch kurzzeitiges Absenken der externen Hochdruckabgasrückführung für alle Zylinder gleich korrigiert werden.The oxygen content in the combustion chamber forms a further important gas state variable, which can be adjusted starting from the oxygen content of pure fresh air (about 21% by volume) with the aid of the exhaust gas recirculation. External and internal options are available to provide the recirculated exhaust gas. With the external feedback, it is possible to mix large amounts of recirculated exhaust gas with the fresh air. Thus, in steady state operation, the required oxygen content in the combustion chamber should always be precisely set with the aid of the external actuator. In this case, a controlled division of the high and low pressure branch makes sense. Depending on the system, the long gas transit times and the pulsation behavior of the external components can have a negative effect on the current oxygen content in the combustion chamber, especially during transient engine operating phases. By means of the selective internal exhaust gas recirculation, made possible by a variable valve train, occurring oxygen overshoots can be corrected. Any undershoots in the follow-up behavior of the controlled variable, caused by an excessive proportion of recirculated exhaust gas, can be corrected in the same way for all cylinders with already reduced internal exhaust gas recirculation by briefly lowering the external high-pressure exhaust gas recirculation.

13 veranschaulicht das Funktionsschema der zylinderindividuellen Regelung des Sauerstoffgehalts. Die Struktur besteht analog zur Gasmassenregelung aus einer modellbasierten Führungsgrößenvorsteuerung und einem zylinderindividuellen Regelungsanteil. 13 illustrates the functional scheme of the cylinder-specific control of the oxygen content. Analogous to the gas mass control, the structure consists of a model-based reference variable pilot control and a cylinder-specific control component.

Die Sauerstoffregelung nutzt als wesentliche Stellgröße die Abgasrückführrate. Die Aufteilung der gesamten vorgesteuerten Rate sowie des zylinderindividuellen Regelanteils auf die sich anschließenden unterlagerten Regler bzw. Steuerungen für die externe und interne Abgasrückführung erfolgt durch einen zusätzlichen Koordinator.The oxygen control uses the exhaust gas recirculation rate as a key variable. The division of the entire pilot-controlled rate and the cylinder-specific rule portion on the subsequent subordinate controller or controllers for the external and internal exhaust gas recirculation is carried out by an additional coordinator.

Funktionsblock „Vorsteuerung”Function block "feedforward control"

Die vorgesteuerte Gesamtabgasrückführrate r*AGRV berechnet sich aus dem Verhältnis der Sauerstoffkonzentrationen vor und nach dem Zylinder und stellt die Invertierung des weiter oben vorgestellten Modells für den Zylindersauerstoffgehalt dar. Die folgende Gleichung 67 beschreibt die Berechnungsvorschrift mit den Eingangsgrößen Sollsauerstoffgehalt x*O2Zyl sowie den Istwerten für Frischluft- xO2FL und Abgassauerstoffgehalt x*O2ZylAbg. In Schubphasen des Motors, d. h. bei abgeschalteter Einspritzung, wird ein fester Steuerwert für die Gesamtabgasrückführrate vorgegeben, da dieser in solchen Situationen den Wert 1 überschreiten würde.The pilot-controlled total exhaust gas recirculation rate r * AGRV is calculated from the ratio of the oxygen concentrations before and after the cylinder and represents the inversion of the model presented above for the cylinder oxygen content. The following equation 67 describes the calculation specification with the input variables setpoint oxygen content x * O2Zyl and the actual values for Fresh air x O2FL and exhaust oxygen content x * O2ZylAbg . In deceleration phases of the engine, ie with the injection switched off, a fixed control value for the total exhaust gas recirculation rate is specified, since in such situations it would exceed the value 1.

Figure 00430001
Figure 00430001

Im sich anschließenden Koordinator erfolgt die Aufteilung der Gesamtrate auf die interne und externe Rate in Abhängigkeit des Verteilungsfaktors v*int (Gleichungen 68 und 69).In the subsequent coordinator, the total rate is divided into the internal and external rates as a function of the distribution factor v * int (equations 68 and 69).

Figure 00430002
Figure 00430002

Mit dem Verteilungsfaktor v*ND lassen sich die Vorsteuerwerte für die externe Nieder- und Hochdruckabgasrückführung ermitteln (Gleichungen 70 und 71).With the distribution factor v * ND the pilot control values for the external low and high pressure exhaust gas recirculation can be determined (equations 70 and 71).

Figure 00430003
Figure 00430003

Die interne Abgasrückführrate wird an dieser Stelle nicht weiter aufgeteilt. Für die interne Restgasmasse wird lediglich eine Basisrestgasrate rRGV(i) aus dem Istmassenverhältnis gebildet. Dies ist erforderlich, um eine sinnvolle Eingangsgröße für den Gaswechselventilkoordinator vorzugeben. Des Weiteren wird systembedingt immer ein Anteil Restgasmasse im Brennraum vorhanden sein.The internal exhaust gas recirculation rate is not further divided at this point. For the internal residual gas mass only a Basisrestgasrate r RGV (i) is formed from the Istmassenverhältnis. This is necessary in order to specify a meaningful input variable for the gas exchange valve coordinator. Furthermore, due to the system, there will always be a proportion of residual gas mass in the combustion chamber.

Figure 00440001
Figure 00440001

Funktionsblock „Zylinderindividueller Regler”Function block "Cylinder-individual controller"

Für jeden Zylinder ermittelt ein individueller Regler auf Basis der Regelabweichung für den Sauerstoffgehalt im Brennraum einen Korrekturwert für die momentane Abgasrückführrate. Der Regelanteil wird entsprechend der Applikationstrategie auf die einzelnen internen und externen Stellmöglichkeiten aufgeteilt und mit den Vorsteuerwerten verrechnet. Sollwert x*O2Zyl und Istwert xO2Zyl(i) werden mit je einem gleichparametrierten IR-Filter zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses gefiltert. Damit beide Werte miteinander vergleichbar sind, wird die Sollgröße durch ein Totzeitglied zusätzlich um einen Auswertungsschritt verzögert. Dies ist erforderlich, da der Istwert auf Basis des Zylinderdrucks ermittelt wird. Ein aktueller Wert steht ebenso wie die Istgasmasse erst nach stattgefundenem Ladungswechsel zur Verfügung. Die ermittelte Sauerstoffabweichung eO2(i) wird mit Hilfe des Raten-Modells (Gleichung 74) in eine Regelabweichung er(i) für die Abgasrückführrate umgerechnet (Gleichung 73).For each cylinder, an individual controller determines a correction value for the instantaneous exhaust gas recirculation rate on the basis of the control deviation for the oxygen content in the combustion chamber. The rule component is divided according to the application strategy to the individual internal and external positioning options and offset against the pilot control values. Setpoint x * O2Zyl and actual value x O2Zyl (i) are filtered with an equal parameterized IR filter to improve the signal-to-noise ratio. In order for the two values to be comparable to one another, the setpoint value is additionally delayed by an idling time element by an evaluation step. This is necessary because the actual value is determined on the basis of the cylinder pressure. A current value as well as the actual gas mass is only available after the charge has been changed. The determined oxygen deviation e O2 (i) is converted into a control deviation e r (i) for the exhaust gas recirculation rate using the rate model (equation 74) (equation 73).

Figure 00440002
Figure 00440002

Diese wird anschließend durch einen linearen Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) mit konstanten Faktoren verstärkt. Die Reglerausgangsgröße Δr*AGR(i) wird nachfolgend durch eine Begrenzungsfunktion im Regler innerhalb des applizierten Maximal- und Minimalwertes gehalten. Die Funktion des P-Anteils beruht auf der kurzzeitigen Veränderung der Regelgröße zum Ausgleich auftretender Abgasrückführschwankungen. Der I-Anteil wirkt wiederum wie ein adaptiver Algorithmus zur Angleichung von Soll- und Istwert. This is then amplified by a linear proportional-integral (PI) controller with constant factors. The controller output Δr * AGR (i) is subsequently held within the applied maximum and minimum values by a limiting function in the controller. The function of the P component is based on the short-term change in the control variable to compensate for occurring exhaust gas recirculation fluctuations. The I component in turn acts as an adaptive algorithm for equalizing the setpoint and the actual value.

Funktionsblock „AGR-Koordinator”Function block "EGR coordinator"

Im Funktionsblock „AGR-Koordinator” erfolgt die Aufteilung und Verrechnung der Regelanteile mit den Vorsteuerabgasrückführraten anhand nachstehender Gleichungen. Der Sollwert für die externe Niederdruckrate r*ND ist gleich dem Vorsteuerwert r*NDV (Gleichung 74). Sie erfährt durch den Regelungsteil keine Korrektur.The "AGR coordinator" function block divides and offsets the control components with the pilot exhaust gas recirculation rates based on the following equations. The set value for the external low pressure rate r * ND is equal to the pilot value r * NDV (Equation 74). She learns by the regulation part no correction.

Figure 00450001
Figure 00450001

Im Gegensatz dazu erfolgt eine Korrektur des Vorsteuerwertes r*HDV der externen Hochdruckrate r*HD in Abhängigkeit des über alle Zylinder gemittelten Regelanteils Δr*AGR des Sauerstoffreglers. Dies ist erforderlich, sobald in allen Zylindern eine erhöhte Regelabweichung erkannt wird. Dann wird der globale Sauerstoffgehalt im Saugrohr nachgeführt. Die Aktivierung der externen Hochdruckratenkorrektur erfolgt bei Über- bzw. Unterschreiten vorgegebener Grenzen (Δrmax, Δrmin) für den mittleren Regelanteil (Gleichung 75).In contrast to this, a correction of the pilot control value r * HDV of the external high-pressure rate r * HD takes place as a function of the control component averaged over all cylinders Δ r * AGR of the oxygen regulator. This is necessary as soon as an increased control deviation is detected in all cylinders. Then the global oxygen content in the intake manifold is tracked. The activation of the external high-pressure rate correction takes place when exceeding or falling below specified limits ( Δ r max , Δ r min ) for the mean rule component (Equation 75).

Figure 00450002
Figure 00450002

Zusätzlich erfolgt die Korrektur der Vorsteuerungen für die interne Rate r*iAGRV und der Restgasrate rRGV(i) mit einer entsprechenden Aufteilung. Von der individuellen Korrekturrate Δr*AGR(i) muss die mittlere Korrekturrate Δr*AGR abgezogen werden, damit der alleinige zylinderindividuelle Anteil innerhalb und außerhalb des genannten Grenzbereichs errechenbar ist. Somit bleibt auch bei externer Ratenkorrektur eine Änderung der Zylinderrate erhalten. Der Aufteilungsfaktor v*Δ wird aus einem applizierbaren Kennfeld in Abhängigkeit der Motordrehzahl und des Ratenkorrekturwertes berechnet. Folglich lassen sich die zylinderindividuellen Sollwerte für die interne Abgasrückführrate r*iAGR(i) sowie die Restgasrate r*RG(i) ermitteln (Gleichungen 76–78).In addition, the correction of the pilot rate for the internal rate r * iAGRV and the residual gas rate r RGV (i) is carried out with a corresponding distribution. From the individual correction rate Δr * AGR (i) the mean correction rate Δ r * AGR be deducted, so that the sole individual cylinder fraction can be calculated within and outside the aforementioned limit. Thus, even with external rate correction, a change in the cylinder rate is maintained. The division factor v * Δ is calculated from an applicable map as a function of the engine speed and the rate correction value. Consequently, the cylinder- specific setpoint values for the internal exhaust gas recirculation rate r * iAGR (i) and the residual gas rate r * RG (i) can be determined (equations 76-78).

Figure 00450003
Figure 00450003

Figure 00460001
Figure 00460001

Die so berechneten Ratensollwerte werden an die unterlagerten Module weitergereicht. Dabei ist zu beachten, dass die Ratensollwerte sich in einem Wertebereich von 0 bis 1 bewegen.The calculated rate setpoints are passed on to the subordinate modules. It should be noted that the rate setpoints range from 0 to 1.

Funktionsblock „Externe AGR-Regelung”Function block "External EGR control"

Laut der vorgestellten Regelungsstruktur (11) werden zur Einstellung der externen Abgasrückführung die Aktoren des Hoch- und Niederdruckkreises verwendet. Jedem Aktor ist eine modellbasierte Vorsteuerung und ein linearer Regler zugeordnet. Als physikalische Sollwerte werden für die ND- und HD-AGR-Ventilregler jeweils ein Massenstromwert vorgegeben. Diese berechnen sich aus den gewünschten Raten über den Ventilen. Der Sollwert für die Abgasklappenregelung definiert sich aus dem nötigen Druckgefälle ΔpND = p4 – p0 über dem Niederdruckventil. Dazu wird die Drosselgleichung (Gleichung 51) nach dem Druck vor Abgasklappe (entspricht ebenfalls dem Druck vor dem Niederdruckventil) aufgelöst, und der für die Einstellung des Massenstroms bei maximaler Ventilquerschnittsfläche erforderliche Druck vor dem Ventil ermittelt. Folgende Gleichungen 79–81 beschreiben die Sollwertberechnungen.According to the presented regulatory structure ( 11 ), the actuators of the high and low pressure circuits are used to set the external exhaust gas recirculation. Each actuator is assigned a model-based feedforward control and a linear controller. As physical setpoint values, a mass flow value is specified for each of the LP and HP EGR valve controllers. These are calculated from the desired rates over the valves. The setpoint for the exhaust flap control is defined by the required pressure drop Δp ND = p 4 P 0 above the low pressure valve. For this purpose, the throttle equation (equation 51) after the pressure before the exhaust flap (also corresponds to the pressure before the low pressure valve) dissolved, and determines the required for the adjustment of the mass flow at maximum valve cross-sectional area pressure upstream of the valve. The following equations 79-81 describe the setpoint calculations.

Figure 00460002
Figure 00460002

Die modellbasierte Vorsteuerung jedes Aktors basiert auf dem bereits verwendeten Drosselmodell nach Gleichung 43. Entsprechend umgestellt, wird für jeden Aktor die jeweils erforderliche effektive Ventil- bzw. Klappenfläche A*eff vorgesteuert (Gleichung 82). Korrigiert wird der Vorsteuerwert durch einen additiven Regelanteil in Abhängigkeit der errechneten und verstärkten Regelabweichung. Mit Hilfe der zugehörigen Kennlinie erfolgt die Umrechnung des Flächenwertes in ein Solltastverhältnis TV* für die jeweilige Ventil- bzw. Klappenposition. Die Berechnung dieser Regelungsfunktionen erfolgt im zeitsynchronen Raster.The model-based pilot control of each actuator is based on the already used throttling model according to Equation 43. Configured accordingly, the respectively required effective valve area A * eff is precontrolled for each actuator (Equation 82). The pre-control value is corrected by an additive control component as a function of the calculated and amplified control deviation. With the aid of the associated characteristic curve, the conversion of the area value into a desired sampling ratio TV * for the respective valve or flap position takes place. The calculation of these control functions takes place in a time-synchronized grid.

Figure 00470001
Figure 00470001

Funktionsblock „Interne AGR-Steuerung”Function block "Internal EGR control"

Da die interne AGR im transienten Motorbetrieb und im zylinderindividuellen Einsatz sehr schwer mit der vorhandenen Messtechnik zu erfassen ist, wird diese nur mit Hilfe eines modellbasierten Ansatzes vorgesteuert. Der Ausgleich auftretender Vorsteuerungsfehler wird auf den übergeordneten Sauerstoffregler verlagert. Das Vorsteuermodell ist dabei die Invertierung des Istmodells für die interne Abgasrückführmasse.Since the internal EGR in transient engine operation and in cylinder-specific use is very difficult to capture with the existing measurement technology, this is only precontrolled with the aid of a model-based approach. The compensation occurring pilot error is shifted to the parent oxygen regulator. The pilot model is the inversion of the actual model for the internal exhaust gas recirculation mass.

Anhand der folgenden Gleichungen 83–86 wird die Sollrate in eine Sollmasse m*iAGR(i) umgerechnet und mittels eines applizierbaren Faktors v*VL in „Vorlagern” (VL) und „Rücksaugen” (RS) aufgeteilt.Based on the following equations 83-86, the setpoint rate is converted into a desired mass m * iAGR (i) and divided by means of an applicable factor v * VL into "Vorlagern" (VL) and "Rücksaugen" (RS).

Figure 00470002
Figure 00470002

Die Funktionen für „Vorlagern” und „Rücksaugen” berechnen aus dem jeweiligen Massensollwert in Abhängigkeit des momentanen Gaszustands je eine effektive Fläche. Diese Stellgrößen entsprechen den Flächenintegralen unter den Ventilerhebungskurven der Ein- bzw. Auslassventile. Die beiden Sollflächen berechnen sich wie folgt (Gleichungen 87 und 88).The functions for "Vorlagern" and "Rücksaugen" calculate from the respective mass setpoint depending on the current gas state per an effective area. These manipulated variables correspond to the Area integrals under the valve lift curves of the intake and exhaust valves. The two target areas are calculated as follows (equations 87 and 88).

Figure 00470003
Figure 00470003

Figure 00480001
Figure 00480001

Für die Freigabe der kleinen Ventilerhebungskurven müssen diese mit den Ventilaktoren einstellbar sein, d. h. die vorgesteuerte Fläche unter der Kurve muss jeweils größer als eine Mindestfläche sein. Des Weiteren wird bei Überschreiten eines Maximalwertes die jeweilige Vorsteuerfläche zu gleichen Teilen auf beide Einlass- bzw. Auslassventile aufgeteilt. Dieser Maximalwert kann drehzahlabhängig vorgegeben werden. Anhand dieser Kriterien wird die Freigabe für das „Vorlagern” bzw. „Rücksaugen” über ein oder zwei Einlass- bzw. Auslassventile koordiniert.For the release of the small valve lift curves, these must be adjustable with the valve actuators, i. H. the pre-controlled area under the curve must always be larger than a minimum area. Furthermore, when a maximum value is exceeded, the respective pilot control area is divided equally between both inlet and outlet valves. This maximum value can be specified dependent on the speed. Based on these criteria, the release for "pre-storage" or "back-suction" is coordinated via one or two inlet and outlet valves.

Mit dem endgültigen jeweiligen Sollflächenintegral für ein Ventil wird mit Hilfe einer Kennlinie und des maximal zulässigen Ventilhubes für „Vorlagern” bzw. „Rücksaugen” die erforderliche maximale Hubhöhe h*VL/RS(i)1/2 ermittelt. Anschließend erfolgt die Berechnung der erforderlichen Öffnungsdauer Δφ*VL/RS(i)1/2 auf Basis des Sollflächenintegrals und der Hubhöhe unter der Annahme einer trapezförmigen Ventilerhebungskurve. Öffnungsdauer und Hubhöhe stehen demzufolge immer in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Der Sollwert für den Startwinkel φ*VL/RS(i)1/2 der kleinen Ventilerhebungskurven wird in Abhängigkeit der Motordrehzahl und der Sollmasse für „Vorlagern” bzw. „Rücksaugen” definiert. Aufgrund dieser Vorgehensweise gelten die drei Parameter entsprechend der Aktivierung für zwei Ventile des gleichen Typs. An dieser Stelle wäre eine Erweiterung des Ansatzes bezüglich einer unterschiedlichen Hubkurvenvorgabe pro Ventiltyp denkbar. Beispielsweise könnte das „Vorlagern” mit Einlassventil 1 früher mit einer kleineren Ventilerhebungskurve und über Einlassventil 2 versetzt dazu mit einer größeren Ventilerhebungskurve erfolgen.With the final respective setpoint integral for a valve, the required maximum lift height h * VL / RS (i) 1/2 is determined by means of a characteristic curve and the maximum permissible valve lift for "pre-storage" or "back-suction". Subsequently, the calculation of the required opening duration Δφ * VL / RS (i) 1/2 takes place on the basis of the desired surface integral and the lifting height, assuming a trapezoidal valve lift curve. Opening time and lifting height are therefore always in a certain ratio to each other. The setpoint for the starting angle φ * VL / RS (i) 1/2 of the small valve lift curves is defined as a function of the engine speed and the desired mass for "Vorlagern" or "Rücksaugen". Due to this procedure, the three parameters corresponding to the activation apply to two valves of the same type. At this point, an extension of the approach with respect to a different Hubkurvenvorgabe per valve type is conceivable. For example, "pre-storing" with intake valve 1 earlier could be done with a smaller valve lift curve and via intake valve 2 offset thereto with a larger valve lift curve.

Funktionsblock „Restgassteuerung”Function block "residual gas control"

Die Sollrestgasmasse pro Zylinder wird in analoger Weise aus der Sollrestgasrate und der aktuellen Zylindergasmasse berechnet (Gleichung 89). Der Sollwert wird direkt an den Koordinator für die Gaswechselventile weitergeleitet. m * / RG(i) = r * / RG(i)·mZyl(i) (89) The desired residual gas mass per cylinder is calculated in an analogous manner from the desired residual gas rate and the current cylinder gas mass (equation 89). The setpoint is forwarded directly to the gas exchange valve coordinator. m * / RG (i) = r * / RG (i) * m Zyl (i) (89)

Die Steuerung der Restgasmasse benutzt als Stellgrößen die Schließpositionen und die Hubhöhen der Auslassventile. Der Ausgleich auftretender Vorsteuerungsfehler wird ebenfalls auf den übergeordneten Sauerstoffregler verlagert. Aufgrund der Verfügbarkeit eines Istmodells auf Sensorbasis könnte an dieser Stelle auch eine Regelung der Restgasmasse erfolgen. Dies erscheint jedoch nur sinnvoll, wenn eine sehr genaue Dosierung der Restgasmasse erforderlich ist. Da die Möglichkeiten der internen Abgasrückführung („Vorlagern” und „Rücksaugen”) im Normalbetrieb ein höheres Potenzial für die Sauerstoffregelung bei gleichbleibendem Wirkungsgrad bieten, werden diese Verfahren der Restgasmassenerhöhung vorgezogen.The control of the residual gas mass uses the closing positions and the lift heights of the outlet valves as manipulated variables. The compensation occurring pilot error is also relocated to the parent oxygen regulator. Due to the availability of a sensor-based actual model, it would also be possible to regulate the residual gas mass at this point. However, this only makes sense if a very accurate dosage of the residual gas mass is required. Since the possibilities of internal exhaust gas recirculation ("pre-storage" and "back-suction") in normal operation offer a higher potential for the oxygen control with constant efficiency, these methods are preferred over the residual gas mass increase.

Steuerung der LadungsbewegungControl of the charge movement

Eine weitere wichtige Gaszustandseigenschaft ist die Ladungsbewegung. Für das Dieselbrennverfahren ist diese eine rotatorische Bewegung des Gases um die Zylinderlängsachse. Diese Drallbewegung liefert einen erheblichen Beitrag zur verbesserten Gemischbildung zum Zeitpunkt des Einspritzvorgangs. Mit Hilfe des vollvariablen Ventiltriebs kann beispielsweise durch versetztes Öffnen der Einlassventile oder durch Absenken des Ventilhubes eines Einlassventils eine Drallbewegung erzeugt werden. Diese Variationen müssen am Motorprüfstand in verschiedenen Betriebspunkten mit Abgasrückführung durchgeführt werden. Das sich daraus ergebende Drallniveau kann auf Basis von Stationärmessungen der Einlasskanal-Ventil-Gruppe an einem so genannten Tippelmann-Prüfstand und einer darauf aufbauenden Modellrechnung abgeschätzt werden. Des Weiteren kann eine Beurteilung der Hubkurvenstrategie hinsichtlich der beeinflussten Emissionen Rußpartikel und Stickoxide erfolgen.Another important gas state property is the charge motion. For the diesel combustion process, this is a rotational movement of the gas around the cylinder's longitudinal axis. This swirling motion makes a significant contribution to improved mixture formation at the time of injection. By means of the fully variable valve train, for example, a twisting movement can be generated by staggered opening of the intake valves or by lowering the valve lift of an intake valve. These variations must be performed on the engine test bench at various operating points with exhaust gas recirculation. The resulting swirl level can be estimated from a so-called Tippelmann test rig and a model calculation based on stationary measurements of the intake manifold-valve group become. Furthermore, an assessment of the lift curve strategy with regard to the influenced emissions of soot particles and nitrogen oxides can be made.

Anhand dieser Voruntersuchungen ist es möglich, eine Korrelation zwischen Drallniveau und Delta-Öffnungswinkel bzw. Hubhöhe der Einlassventile zu ermitteln. Diese Korrelation wird im weiteren Schritt in eine Vorsteuerung überführt. Der erforderliche Sollwert für das Drallniveau DN* ist in Abhängigkeit der Motordrehzahl nMot und der gesamten Sollabgasrückführrate r*AGRZyl in einem Kennfeld applizierbar.On the basis of these preliminary investigations, it is possible to determine a correlation between swirl level and delta opening angle or lifting height of the inlet valves. This correlation is transferred in a further step in a feedforward control. The required setpoint value for the swirl level DN * can be applied in a characteristic field as a function of the engine speed n Mot and the total nominal exhaust gas recirculation rate r * AGRZyl .

Koordination der GaswechselventileCoordination of gas exchange valves

Die Hauptaufgaben des Koordinators für die Gaswechselventile ist die Verarbeitung der Anforderungen der Eingangsgrößen an die Ventilhubkurvenparameter und deren Berechnung. Laut Definition der Regelungsstruktur (11) ist jeder physikalischen Zustandsgröße. mindestens ein Hubkurvenparameter als Stellgröße zugeordnet. Die folgenden Gleichungen fassen die Beschreibung der Hauptparameter der Ventilhubkurven zusammen.The main tasks of the coordinator for the gas exchange valves is the processing of the requirements of the input variables to the valve lift curve parameters and their calculation. According to the definition of the regulatory structure ( 11 ) is every physical state quantity. at least one Hubkurvenparameter assigned as a manipulated variable. The following equations summarize the description of the main parameters of the valve lift curves.

Parameterberechnung für die EinlassventileParameter calculation for the inlet valves

Die Position des Einlass-Öffnens φ*EOE(i)1/2 für beide Einlassventile ist von der geforderten Restgasmasse m*RG(i) und dem Drallniveau DN* abhängig und applizierbar. Der Parameter Einlass-Schließt-Winkel ist eine Stellgröße zur Einstellung einer geforderten Zylindergasmasse m*Zyl und eines vorgegebenen Druckvorhalts π*VT über Ventiltrieb. Des Weiteren definiert sich die maximale Hubhöhe pro Einlassventil nicht direkt aus einer Regelungsfunktion, sondern in Abhängigkeit der Öffnungsdauer des jeweiligen Einlassventils (Δφ = φ*ES(i)1/2 – φ*EOE(i)1/2) (Gleichungen 90–92).The position of the inlet opening φ * EOE (i) 1/2 for both inlet valves depends on the required residual gas mass m * RG (i) and the swirl level DN * and can be applied. The parameter inlet-closing angle is a manipulated variable for setting a required cylinder gas mass m * cyl and a predetermined pressure reserve π * VT via valve train. Furthermore, the maximum lift height per intake valve is not defined directly from a control function, but as a function of the opening duration of the respective intake valve (Δφ = φ * ES (i) 1/2 - φ * EOE (i) 1/2 ) (Equations 90- 92).

Figure 00500001
Figure 00500001

Parameterberechnung für die AuslassventileParameter calculation for the exhaust valves

Die Öffnungswinkel der Auslassventile φ*AOE(i)1/2 werden betriebspunkt- und ladedruckabhängig appliziert. Die Parameter Auslass-Schließt-Winkel φ*AS(i)1/2 und maximale Hubhöhe h*AV(i)i/2 werden durch Motordrehzahl und Restgasmassenanforderung bestimmt (Gleichungen 93–95).The opening angle of the exhaust valves φ * AOE (i) 1/2 are applied depending on operating point and loading pressure. The parameters exhaust-close angle φ * AS (i) 1/2 and maximum lift height h * AV (i) i / 2 are determined by engine speed and residual mass demand (equations 93-95).

Figure 00500002
Figure 00500002

Parameterberechnung zur Einstellung der internen Abgasrückführung Parameter calculation for setting the internal exhaust gas recirculation

Die Kurvenparameter zur Einstellung der internen Abgasrückführung werden direkt aus dem Funktionsblock „Interne AGR-Steuerung” übernommen. Diese sind für „Vorlagern” bzw. „Rücksaugen” die Winkelpositionen für Ventil-öffnen φ*VL/RS(i)OE1/2 und Ventil-Schließen φ*VL/RS(i)S1/2 sowie die Hubhöhe h*VL/RS(i)1/2 (Gleichungen 96–98).The curve parameters for setting the internal exhaust gas recirculation are taken directly from the "Internal EGR control" function block. These are for "preload" or "back suction" the angular positions for valve opening φ * VL / RS (i) OE1 / 2 and valve closing φ * VL / RS (i) S1 / 2 and the lifting height h * VL / RS (i) 1/2 (equations 96-98).

Figure 00510001
Figure 00510001

In einem ersten Ansatz werden die Parameter φ*EOE(i)1/2, φ*AOE(i)1/2 und φ*AS(i)1/2 durch applizierbare, kennfeldbasierte Zusammenhänge berechnet. Diese können mit zusätzlichen Modellfunktionen erweitert werden.In a first approach, the parameters φ * EOE (i) 1/2 , φ * AOE (i) 1/2 and φ * AS (i) 1/2 are calculated by applicable, map-based relationships. These can be extended with additional model functions.

Für eine vollständige Definition der 16 Ventilhubkurven h*(ij)(φ) sind weitere Parameter erforderlich, welche in Abhängigkeit der Hauptparameter (öffnen, Schließen, Hubhöhe) berechnet werden. Zusätzlich sind in diesem Funktionsblock Grenzen für die jeweiligen Stellgrößen für einen sicheren Betrieb applizierbar. Bei entsprechend geeigneter Parametrierung der Hubkurvenparameter werden fast alle Zustandsanforderungen erfüllt.For a complete definition of the 16 valve lift curves h * (ij) (φ) further parameters are required, which are calculated depending on the main parameters (open, close, lift height). In addition, limits for the respective manipulated variables for safe operation can be applied in this function block. If the stroke curve parameters are suitably configured, almost all status requirements are met.

14 zeigt schematisch einen Gesamtaufbau eines zylinderindividuellen Regelungs- und Steuerungskonzepts. Das Regelungs- und Steuerungskonzept kann beispielsweise in einer Motorelektronik 1601 für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs 1600, wie es in 16 gezeigt ist, realisiert werden und ein in 15 gezeigtes Verfahren ausführen. Dabei gibt ein Sollwertgenerator 1401 Sollwerte für eine Gesamtgasmasse mZyl und einen Sauerstoffgehalt x02Zyl für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors vor (Schritt 1503). Eine Vorrichtung 1402 zur Signalauswertung und Modellrechnung bestimmt entsprechende Ist-Werte der Gesamtgasmasse (Schritt 1501) und des Sauerstoffgehalts im Brennraum des Zylinders (Schritt 1502) aus Sensorsignalen des Verbrennungsmotors, wie zuvor beschrieben. Durch Vergleichen der Ist-Werte mit den Sollwerten für die Gesamtgasmasse und den Sauerstoffgehalt werden im Schritt 1504 Stellglieder des Verbrennungsmotors eingestellt. 14 schematically shows an overall structure of a cylinder-individual control and control concept. The control and concept can, for example, in an engine electronics 1601 for an internal combustion engine of a vehicle 1600 as it is in 16 is shown, realized and an in 15 perform the procedure shown. There is a setpoint generator 1401 Setpoint values for a total gas mass m Cyl and an oxygen content x02 Cyl for each cylinder of the internal combustion engine before (step 1503 ). A device 1402 For signal evaluation and model calculation, the corresponding actual values of the total gas mass are determined (step 1501 ) and the oxygen content in the combustion chamber of the cylinder (step 1502 ) from sensor signals of the internal combustion engine, as described above. By comparing the actual values with the setpoints for the total gas mass and the oxygen content in step 1504 Adjusted actuators of the internal combustion engine.

Insbesondere können in Abhängigkeit der Führungsgröße Gesamtgasmasse in Verbindung mit einem vollvariablen Ventiltrieb ein Einlass-Schließt-Zeitpunkt phiES und eine Ventilhubhöhe hVen sowie ein Saugrohrdruck pSgr über einer Drosselklappenposition TVThrVlv und ein Laddruck pLade über einer Turboladerposition TVVTG eingestellt werden. Stellgrößen für die Führungsgröße Sauerstoffgehalt können beispielsweise die Abgasrückführung und eine Drallfunktion TVSwVlv umfassen. Die Abgasrückführungsrate umfasst beispielsweise eine interne Abgasrückführung iAGR durch Vorlagern (VL) und/oder Rücksaugen (RS), eine externe Abgasrückführung eAGR (Hochdruck- und Niederdruckkreis, eHD, eND) durch ein Hochdruck-AGR-Ventil (TVHD) und/oder ein Niederdruck-AGR-Ventil (TVND) und eine Restgasmasse (RG). Die Sollwerte für die Führungsgrößen Gasmasse und Sauerstoffgehalt im Zylinder werden von dem übergeordneten Sollwertgenerator 1401 vorgegeben. Die zylinderindividuelle Gaszustandsregelung der 14 kann mit einer Verbrennungsregelung kombiniert werden. Weitere Führungsgrößen sind in diesem Fall beispielsweise ein indizierter Mitteldruck pmi, eine Verbrennungsschwerpunktlage AQ50 sowie eine Einspritzstrategie InjCrv mit den Stellgrößen Einspritzmenge mKr über Ansteuerdauer ASD und Einspritzbeginn phiASB über Ansteuerbeginn ASB.In particular, depending on the reference variable total gas mass in conjunction with a fully variable valve train, an inlet closing time phi ES and a valve lift height h Ven and an intake manifold pressure p Sgr above a throttle position TV ThrVlv and a charging pressure p Lade above a turbocharger position TV VTG can be set. Manipulated variables for the reference variable oxygen content can include, for example, the exhaust gas recirculation and a swirl function T VSwVlv . The exhaust gas recirculation rate includes, for example, an internal exhaust gas recirculation iAGR by preliminary storage (VL) and / or backwashing (RS), an external exhaust gas recirculation eAGR (high pressure and low pressure circuit, eHD, eND) by a high pressure EGR valve (TV HD ) and / or Low pressure EGR valve (TV ND ) and residual gas mass (RG). The nominal values for the gas mass and oxygen content in the cylinder are derived from the higher-level setpoint generator 1401 specified. The cylinder-specific gas state control of 14 can be combined with a combustion control. Further reference variables in this case are, for example, an indicated mean pressure p mi , a combustion center of gravity AQ50 and an injection strategy InjCrv with the manipulated variables injection quantity m Kr over control period ASD and injection start phi ASB over control start ASB.

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Claims (23)

Verfahren zur Bestimmung einer Gastemperatur in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, umfassend: – Bestimmen einer Gesamtmasse, wobei die Gesamtmasse eine Gesamtgasmasse und eine Masse einer Kraftstoffmenge in dem Brennraum bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel umfasst, – Bestimmen eines Brennraumdrucks in dem Brennraum bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel, und – Bestimmen der Gastemperatur in dem Brennraum bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel in Abhängigkeit von der Gesamtmasse und dem Brennraumdruck.Method for determining a gas temperature in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising: Determining a total mass, wherein the total mass comprises a total mass of gas and a mass of an amount of fuel in the combustion chamber at a predetermined crankshaft angle, Determining a combustion chamber pressure in the combustion chamber at the predetermined crankshaft angle, and Determining the gas temperature in the combustion chamber at the predetermined crankshaft angle as a function of the total mass and the combustion chamber pressure. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: – Bestimmen einer Drehzahl des Verbrennungsmotors, und – Bestimmen eines Brennraumvolumens des Brennraums bei dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel, wobei das Bestimmen der Gastemperatur ein Bestimmen der Gastemperatur in Abhängigkeit von der Gesamtmasse, dem Brennraumdruck, der Drehzahl und dem Brennraumvolumen umfasst.The method of claim 1, further comprising: - Determining a speed of the internal combustion engine, and Determining a combustion chamber volume of the combustion chamber at the predetermined crankshaft angle, wherein determining the gas temperature comprises determining the gas temperature as a function of the total mass, the combustion chamber pressure, the rotational speed and the combustion chamber volume. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Kurbelwellenwinkel einen ersten Kurbelwellenwinkel während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors umfasst und die bestimmte Gastemperatur eine erste Gastemperatur T460 umfasst, wobei eine zweite Gastemperatur T540 bei einem zweiten Kurbelwellenwinkel am Ende des Arbeitstakts in Abhängigkeit von der Drehzahl nMot, dem Brennraumdruck p460 bei dem ersten Kurbelwellenwinkel, der ersten Gastemperatur T460 und empirisch bestimmten Parametern a0, a1 bestimmt wird.The method of claim 2, wherein the predetermined crankshaft angle comprises a first crankshaft angle during an engine operating stroke and the determined gas temperature comprises a first gas temperature T 460 , wherein a second gas temperature T 540 at a second crankshaft angle at the end of the power stroke in response to the engine speed n Mot , the combustion chamber pressure p 460 at the first crankshaft angle, the first gas temperature T 460 and empirically determined parameters a 0 , a 1 is determined. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: – Bestimmen eines zweiten Brennraumdrucks p540 bei dem zweiten Kurbelwellenwinkel, – Bestimmen eines dritten Brennraumdrucks p640 bei einem dritten Kurbelwellenwinkel während eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors, und – Bestimmen einer dritten Gastemperatur T640 bei dem dritten Kurbelwellenwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem zweiten Brennraumdruck p540, dem dritten Brennraumdruck p640 und der zweiten Gastemperatur T540.The method of claim 3, further comprising determining a second combustion chamber pressure p 540 at the second crankshaft angle, determining a third combustion chamber pressure p 640 at a third crankshaft angle during an exhaust stroke of the internal combustion engine, and determining a third gas temperature T 640 at the third crankshaft angle in FIG Depending on the speed, the second combustion chamber pressure p 540 , the third combustion chamber pressure p 640 and the second gas temperature T 540th Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend ein Bestimmen einer vierten Gastemperatur TRG eines Restgases in dem Brennraum bei einem vierten Kurbelwellenwinkel am Ende des Ausstoßtakts in Abhängigkeit von der Drehzahl, dem ersten Brennraumdruck p460, dem dritten Brennraumdruck T640 und der zweiten Gastemperatur T540.The method of claim 4, further comprising determining a fourth gas temperature T RG of a residual gas in the combustion chamber at a fourth crankshaft angle at the end of the exhaust stroke in dependence on the speed, the first combustion chamber pressure p 460 , the third combustion chamber pressure T 640 and the second gas temperature T 540 , Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend: – Bestimmen einer Einlassgastemperatur TEV an Einlassventilen des Verbrennungsmotors, – Bestimmen eines indizierten Moments Mind des Verbrennungsmotors, und – Bestimmen einer fünften Gastemperatur T100 bei einem fünften Kurbelwellenwinkel während eines Ansaugtakts des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Drehzahl, der vierten Gastemperatur TRG, dem indizierten Moment Mind und der Einlassgastemperatur TEV.The method of claim 5, further comprising: determining an intake gas temperature T EV at intake valves of the internal combustion engine, determining an indicated torque M ind of the internal combustion engine, and determining a fifth gas temperature T 100 at a fifth crankshaft angle during an intake stroke of the internal combustion engine as a function of Speed, the fourth gas temperature T RG , the indicated torque M ind and the inlet gas temperature T EV . Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: – Bestimmen eines fünften Brennraumdrucks p100 bei dem fünften Kurbelwellenwinkel, und – Bestimmen einer sechsten Gastemperatur T180 bei einem sechsten Kurbelwellenwinkel am Ende des Ansaugtakts in Abhängigkeit von der Drehzahl, der fünften Gastemperatur T100 und dem fünften Brennraumdruck p100.The method of claim 6, further comprising: determining a fifth combustion chamber pressure p 100 at the fifth crankshaft angle, and determining a sixth gas temperature T 180 at a sixth crankshaft angle at the end of the intake stroke in response to the speed, the fifth gas temperature T 100, and the fifth Combustion chamber pressure p 100 . Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: – Bestimmen eines sechsten Brennraumdrucks p180 bei dem sechsten Kurbelwellenwinkel, – Bestimmen eines Brennraumvolumens V180 bei dem sechsten Kurbelwellenwinkel, – Bestimmen eines siebten Brennraumdrucks p bei einem siebten Kurbelwellenwinkel während eines Verdichtungstakts oder eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors, und – Bestimmen eines Brennraumvolumens V bei dem siebten Kurbelwellenwinkel, – Bestimmen einer siebten Gastemperatur T bei dem siebten Kurbelwellenwinkel in Abhängigkeit von der sechsten Gastemperatur T180, dem fünften Brennraumdrucks p100, dem sechsten Brennraumdruck p180, dem Brennraumvolumens V180 bei dem sechsten Kurbelwellenwinkel, dem siebten Brennraumdruck p, dem Brennraumvolumen V bei dem siebten Kurbelwellenwinkel, der Drehzahl und dem indizierten Moment Mind.The method of claim 7, further comprising: determining a sixth combustion chamber pressure p 180 at the sixth crankshaft angle, determining a combustion chamber volume V 180 at the sixth crankshaft angle, determining a seventh combustion chamber pressure p at a seventh crankshaft angle during a compression stroke or a combustion engine's working stroke; and determining a combustion chamber volume V at the seventh crankshaft angle, determining a seventh gas temperature T at the seventh crankshaft angle as a function of the sixth gas temperature T 180 , the fifth combustion chamber pressure p 100 , the sixth combustion chamber pressure p 180 , the combustion chamber volume V 180 at the sixth crankshaft angle , the seventh combustion chamber pressure p, the combustion chamber volume V at the seventh crankshaft angle, the rotational speed and the indicated torque M ind . Verfahren zur Bestimmung eines Gastemperaturverlaufs in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, umfassend: – Bestimmen mehrerer Gastemperaturen in dem Brennraum des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln des Verbrennungsmotors, und – Bestimmen des Gastemperaturverlaufs über dem Kurbelwellenwinkel durch Interpolieren der mehreren Gastemperaturen, wobei die mehreren Gastemperaturen jeweils nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt werden. A method for determining a gas temperature profile in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising: determining a plurality of gas temperatures in the combustion chamber of the internal combustion engine at different crankshaft angles of the internal combustion engine, and determining the gas temperature profile over the crankshaft angle by interpolating the plurality of gas temperatures, wherein the plurality of gas temperatures each according to one of previous claims are determined. Verfahren zur Bestimmung einer Restgasmenge in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, umfassend: – Bestimmen eines Brennraumvolumens des Brennraums am Ende eines Ausstoßtakts des Verbrennungsmotors, – Bestimmen eines Brennraumdrucks im Brennraum am Ende eines Ausstoßtakts, – Bestimmen einer Restgastemperatur der Restgasmenge in dem Brennraum, und – Bestimmen der Restgasmasse am Ende eines Ausstoßtakts in Abhängigkeit von dem Brennraumvolumen, dem Brennraumdruck und der Restgastemperatur am Ende des Ausstoßtakts.Method for determining a residual gas quantity in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising: Determining a combustion chamber volume of the combustion chamber at the end of an exhaust stroke of the internal combustion engine, Determining a combustion chamber pressure in the combustion chamber at the end of an exhaust stroke, Determining a residual gas temperature of the residual gas quantity in the combustion chamber, and Determining the residual gas mass at the end of an exhaust stroke as a function of the combustion chamber volume, the combustion chamber pressure and the residual gas temperature at the end of the exhaust stroke. Verfahren zur Bestimmung einer internen Abgasrückführmasse in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, umfassend: – Bestimmen einer mittleren Gesamtzylindermasse in dem Brennraum des Verbrennungsmotors, – Bestimmen einer mittleren Restgasmasse in dem Brennraum, – Bestimmen einer mittleren eingespritzten Kraftstoffmasse in dem Brennraum, – Bestimmen eines Sauerstoffgehalts im Abgas, und – Bestimmen der mittleren internen Abgasrückführmasse in Abhängigkeit von der mittleren Gesamtzylindermasse, der mittleren Restgasmasse, der mittleren eingespritzten Kraftstoffmasse und dem Sauerstoffgehalt im Abgas.Method for determining an internal exhaust gas recirculation mass in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising: Determining a mean total cylinder mass in the combustion chamber of the internal combustion engine, Determining a mean residual gas mass in the combustion chamber, Determining a mean injected fuel mass in the combustion chamber, - Determining an oxygen content in the exhaust gas, and - Determining the average internal exhaust gas recirculation mass as a function of the average total cylinder mass, the average residual gas mass, the average injected fuel mass and the oxygen content in the exhaust gas. Verfahren zur Bestimmung einer Gesamtgasmasse in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, umfassend: – Bestimmen eines Zylinderdruckkennwerts pZyl zu Beginn eines Verdichtungstakts des Verbrennungsmotors, – Bestimmen eines Brennraumvolumens VZyl zu Beginn des Verdichtungstakts, – Bestimmen einer Zylindertemperatur TZyl zu Beginn des Verdichtungstakts, und – Bestimmen der Gesamtgasmasse mZyl in dem Brennraum in Abhängigkeit von dem Zylinderdruckkennwert pZyl, dem Brennraumvolumen VZyl und der Zylindertemperatur TZyl.Method for determining a total gas mass in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising: determining a cylinder pressure characteristic p Zyl at the beginning of a compression stroke of the internal combustion engine, determining a combustion chamber volume V Zyl at the beginning of the compression stroke, determining a cylinder temperature T Zyl at the beginning of the compression stroke, and Determining the total gas mass m Cyl in the combustion chamber as a function of the cylinder pressure characteristic p Zyl , the combustion chamber volume V Zyl and the cylinder temperature T cyl . Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: – Bestimmen der sechsten Gastemperatur T180 gemäß dem Verfahren nach Anspruch 7, und – Bestimmen der Zylindertemperatur TZyl zu Beginn des Verdichtungstakts in Abhängigkeit von der siebten Temperatur gemäß dem Verfahren nach Anspruch 8.The method of claim 12, further comprising: determining the sixth gas temperature T 180 according to the method of claim 7, and determining the cylinder temperature T Zyl at the beginning of the compression stroke as a function of the seventh temperature according to the method of claim 8. Verfahren zur Bestimmung eines Sauerstoffgehalts während eines Verdichtungstakts in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasrückführung, umfassend: – Bestimmen einer Abgasrückführungsrate rAGRZyl über die Abgasrückführung, – Bestimmen eines Frischluftsauerstoffgehalts xO2FL einer dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft, – Bestimmen eines Abgassauerstoffgehalts xO2ZylAbg eines Abgases des Verbrennungsmotors, welches dem Verbrennungsmotor über die Abgasrückführung zugeführt wird, und – Bestimmen des Sauerstoffgehalts xO2Zyl in dem Brennraum in Abhängigkeit von der Abgasrückführungsrate, dem Frischluftsauerstoffgehalt und dem Abgassauerstoffgehalt.Method for determining an oxygen content during a compression stroke in a combustion chamber of an internal combustion engine with exhaust gas recirculation, comprising: determining an exhaust gas recirculation rate r AGRZyl via the exhaust gas recirculation, determining a fresh air oxygen content x O2FL of fresh air supplied to the internal combustion engine, determining an exhaust gas oxygen content x O2ZylAbg of an exhaust gas of the exhaust gas Internal combustion engine, which is supplied to the internal combustion engine via the exhaust gas recirculation, and - Determining the oxygen content x O2Zyl in the combustion chamber as a function of the exhaust gas recirculation rate, the fresh air oxygen content and the exhaust gas oxygen content. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Abgasrückführung eine interne Abgasrückführung, eine externe Abgasrückführung und eine Restgaserhöhung umfasst, wobei die interne Abgasrückführung und die Restgaserhöhung über eine variable Ventilsteuerung von Ventilen des Verbrennungsmotors einstellbar ist, wobei das Bestimmen der Abgasrückführungsrate rAGRZyl ein Bestimmen einer Abgasrückführungsrate auf der Grundlage einer externen Abgasrückführungsrate reAGR der externen Abgasrückführung, einer internen Abgasrückführungsrate riAGR der internen Abgasrückführung und einer Restgasrate rRG einer in dem Brennraum nach einer Verbrennung verbleibenden Restgasmenge umfasst.The method of claim 14, wherein the exhaust gas recirculation comprises an internal exhaust gas recirculation, an external exhaust gas recirculation and a residual gas increase, wherein the internal exhaust gas recirculation and the residual gas increase is adjustable via a variable valve timing of valves of the internal combustion engine, wherein determining the exhaust gas recirculation rate r AGRCyl on determining an exhaust gas recirculation rate the basis of an external exhaust gas recirculation rate r eAGR the external exhaust gas recirculation, an internal exhaust gas recirculation rate r iAGR the internal exhaust gas recirculation and a residual gas rate r RG comprises a remaining in the combustion chamber after combustion residual gas. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend: – Bestimmen eines realen Druckverhältnisses π von zwei gemessenen Druckkennwerten während des Verdichtungstakts bei zwei unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln, – Bestimmen eines modellierten Druckverhältnisses πmod bei den beiden unterschiedlichen Kurbelwellenwinkeln in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl nMot, einem indizierten Moment Mind, einer Gasmasse mZyl in dem Brennraum und dem bestimmten Sauerstoffgehalt xO2Zyl in dem Brennraum, und – Bestimmen eines Korrekturwerts xO2ZylKorr für den Sauerstoffgehalt xO2Zyl in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, dem indizierten Moment, dem realen Druckverhältnis und dem modellierten Druckverhältnis.The method of claim 15, further comprising: Determining a real pressure ratio π of two measured pressure values during the compression stroke at two different crankshaft angles, determining a modeled pressure ratio π mod at the two different crankshaft angles in dependence on an engine speed n Mot , an indicated torque M ind , a gas mass m Zyl in the Combustion chamber and the determined oxygen content x O2Zyl in the combustion chamber, and - determining a correction value x O2ZylKorr for the oxygen content x O2Zyl as a function of the engine speed, the indicated torque, the real pressure ratio and the modeled pressure ratio. Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors mit einer internen Abgasrückführung, wobei die interne Abgasrückführung über eine variable Ventilsteuerung von Ventilen des Verbrennungsmotors einstellbar ist, umfassend: – Bestimmen einer Gesamtgasmasse in einem Brennraum des Verbrennungsmotors, – Bestimmen eines Sauerstoffgehalts in dem Brennraum des Verbrennungsmotors, – Bestimmen einer Soll-Gesamtgasmasse mZyl und eines Soll-Sauerstoffgehalts xO2Zyl in dem Brennraum für einen vorgegebenen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors, und – Einstellen eines Stellglieds des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der bestimmten Gesamtgasmasse, dem bestimmten Sauerstoffgehalt, der Soll-Gesamtgasmasse und dem Soll-Sauerstoffgehalt.A method for controlling an internal combustion engine with an internal exhaust gas recirculation, wherein the internal exhaust gas recirculation is adjustable via a variable valve control of valves of the internal combustion engine, comprising: - determining a total gas mass in a combustion chamber of the internal combustion engine, - determining an oxygen content in the combustion chamber of the internal combustion engine, - determining a Target total gas mass m Cyl and a target oxygen content x O2Zyl in the combustion chamber for a given operating point of the internal combustion engine, and - adjusting an actuator of the internal combustion engine as a function of the determined total gas mass, the determined oxygen content, the target total gas mass and the desired oxygen content. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Gesamtgasmasse nach einem der Ansprüche 12 oder 13 bestimmt wird, und wobei der Sauerstoffgehalt nach einem der Ansprüche 14–16 bestimmt wird.The method of claim 17, wherein the total gas mass is determined according to one of claims 12 or 13, and wherein the oxygen content is determined according to any one of claims 14-16. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Stellglied die variable Ventilsteuerung, eine Drosselklappe des Verbrennungsmotors und/oder eine Turboladereinstellvorrichtung zum Einstellen eines Turboladedrucks des Verbrennungsmotors umfasst, wobei das Einstellen des Stellglieds ein Einstellen der Ventile, der Drosselklappe und/oder der Turboladereinstellvorrichtung in Abhängigkeit von der bestimmten Gesamtgasmasse und der Soll-Gesamtgasmasse umfasst.The method of claim 17 or 18, wherein the actuator comprises the variable valve timing, a throttle of the internal combustion engine and / or a turbocharger adjustment device for adjusting a turbocharging pressure of the internal combustion engine, wherein adjusting the actuator adjusting the valves, the throttle and / or the turbocharger according to from the determined total gas mass and the target total gas mass. Verfahren nach einem der Ansprüche 17–19, wobei das Stellglied die interne Abgasrückführung, eine über die variable Ventilsteuerung einstellbare Restgaserhöhung, eine externe Abgasrückführung (305, 306) des Verbrennungsmotors (300) und/oder eine Drallklappe des Verbrennungsmotors umfasst, wobei das Einstellen des Stellglieds ein Einstellen der internen Abgasrückführung, der Restgaserhöhung, der externen Abgasrückführung (305, 306) und/oder der Drallklappe in Abhängigkeit von dem bestimmten Sauerstoffgehalt und dem Soll-Sauerstoffgehalt umfasst.Method according to one of claims 17-19, wherein the actuator the internal exhaust gas recirculation, via the variable valve control adjustable residual gas increase, an external exhaust gas recirculation ( 305 . 306 ) of the internal combustion engine ( 300 ) and / or a swirl flap of the internal combustion engine, wherein adjusting the actuator setting the internal exhaust gas recirculation, the residual gas increase, the external exhaust gas recirculation ( 305 . 306 ) and / or the swirl flap as a function of the determined oxygen content and the desired oxygen content. Verfahren nach einem der Ansprüche 17–20, wobei der Verbrennungsmotor mehrere Zylinder umfasst, wobei die variable Ventilsteuerung eine vollvariable zylinderindividuelle Ventilsteuerung umfasst, wobei die Gesamtgasmasse, der Sauerstoffgehalt, die Soll-Gesamtgasmasse und der Soll-Sauerstoffgehalt zylinderindividuell bestimmt werden, und wobei das Einstellen des Stellglieds ein zylinderindividuelles Einstellen der Ventile umfasst.The method of claim 17, wherein the internal combustion engine comprises a plurality of cylinders, wherein the variable valve control comprises a fully variable cylinder-specific valve control, wherein the total gas mass, the oxygen content, the target total gas mass and the desired oxygen content are determined individually for each cylinder, and wherein the adjusting of the actuator comprises a cylinder-individual adjustment of the valves. Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (1601) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist.Control device for an internal combustion engine, characterized in that the control device ( 1601 ) is configured for carrying out the method according to one of the preceding claims. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Steuervorrichtung (1601) nach Anspruch 22.Vehicle with an internal combustion engine and a control device ( 1601 ) according to claim 22.
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