DE102012017204A1 - Method for operating optimized control fuel supply in combustion chamber of direct-injection spark-ignition engine of motor vehicle, involves utilizing engine controller, data memory and fuel quality detection unit arranged in motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Motorsteuerung und ein Computerprogrammprodukt zur betriebsoptimierten Steuerung einer Kraftstoffzuführung in einen Brennraum eines direkteinspritzenden Ottoverbrennungsmotors.The invention relates to a method, a motor control and a computer program product for the operation-optimized control of a fuel supply in a combustion chamber of a direct-injection spark-ignition internal combustion engine.
Mit der Erfindung ist es möglich, bei geringem Kraftstoffverbrauch eine gute Leistungsentfaltung zu gewährleisten und gleichzeitig den immer strenger werdenden Vorschriften und Gesetzen zu Schadstoffemissionen gerecht zu werden. Hierzu werden die Verbrennungsprozesse im Zylinder optimiert. Hierzu wird ermittelt, welcher Kraftstoff im Zylinder verbrannt wird.With the invention it is possible to ensure a good power delivery with low fuel consumption and at the same time to meet the increasingly stringent regulations and laws on pollutant emissions. For this purpose, the combustion processes in the cylinder are optimized. For this purpose, it is determined which fuel is burned in the cylinder.
So ist zum Beispiel in der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für ein verbessertes Betriebsverhalten eines direkteinspritzenden Ottoverbrennungsmotors bei sich ändernder Kraftstoffzusammensetzung Vorsorge zu tragen.Object of the present invention is to provide for improved performance of a direct injection gasoline engine with changing fuel composition.
Die Aufgabe dieser Erfindung wird mit einem Verfahren mit Merkmalen des Anspruch 1, mit einer Motorsteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und mit einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object of this invention is achieved with a method having features of
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung wie auch aus den Figuren hervor. Ein oder mehrere dieser Merkmale aus einer oder verschiedenen Ausgestaltungen können zu zusätzlichen Weiterbildungen verknüpft werden. Der Wortlaut der vorliegenden Ansprüche stellt nur einen Vorschlag einer Formulierung des Erfindungsgegenstands dar. Ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen können daher mit ein oder mehreren Merkmalen aus der Beschreibung verknüpft oder auch ersetzt werden.Further advantageous features and embodiments will become apparent from the following description as well as from the figures. One or more of these features of one or more embodiments may be linked to additional refinements. The wording of the present claims is only a suggestion of a formulation of the subject invention. Thus, one or more features of the independent claims may be linked or substituted with one or more features of the specification.
Es wird ein Verfahren zur betriebsoptimierten Steuerung einer Kraftstoffzuführung in einen Brennraum eines direkteinspritzenden Ottoverbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, welches eine Motorsteuerung, einen Datenspeicher und ein Kraftstoffqualitätserfassungsmittel nutzt, die jeweils im Kraftfahrzeug angeordnet sind, und das Kraftstoffqualitätserfassungsmittel eine aktuell genutzte Kraftstoffqualität in Form von Kraftstoffdaten für eine Gemischbildung erfasst, diese Daten weitergibt und diese von der Motorsteuerung benutzt werden, wobei die Motorsteuerung die Gemischbildung unter Nutzung eines physikalischen Modells berechnet, eine Gemischzündfähigkeit der berechneten Gemischbildung beurteilt und auf Basis der Beurteilung zu steuernde Betriebsparameter so auswählt, dass die Gemischzündfähigkeit in einem vom Bediener des Kraftfahrzeugs gewünschten Betriebspunkt gewährleistet wird.The invention relates to a method for operating-optimized control of a fuel feed into a combustion chamber of a direct injection internal combustion engine of a motor vehicle, which uses an engine controller, a data memory and a fuel quality detection means, which are respectively arranged in the motor vehicle, and the fuel quality detection means a currently used fuel quality in the form of fuel data for a Mixture formation, this data passes and these are used by the engine control, the engine control calculates the mixture formation using a physical model, a mixture ignition capability of the calculated mixture formation judges and based on the judgment to be controlled operating parameters so that the mixture ignition capability in one of the operator the motor vehicle desired operating point is ensured.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, Kraftstoffqualitäten aus Ethanol, Methanol und Benzin in beinahe beliebigen Verhältnissen zu verbrennen. Je nachdem, welche Kraftstoffqualität im Brennraum verbrannt wird, werden Betriebsparameter für die Gemischbildung wie zum Beispiel Einspritzzeitpunkt, Einspritzende, Einspritzmenge, Zündzeitpunkt, Luftbedarf, Ventilsteuerzeiten betriebsoptimiert gesteuert.With this method, it is possible to burn fuel qualities of ethanol, methanol and gasoline in almost any proportions. Depending on which fuel quality is burned in the combustion chamber, operating parameters for mixture formation, such as injection time, injection end, injection quantity, ignition point, Air requirement, valve control times controlled optimally.
Vorzugsweise ist das physikalische Modell eine die Funktion. Die Funktion schafft die Möglichkeit einer Beurteilung einer Gemischbildung anhand der in der Funktion abgebildeten physikalisch basierten Modellierung der Gemischbildung, wobei insbesondere die physikalischen Kraftstoffeigenschaften berücksichtigt werden. Dies kann durch Berechnungen, aber auch durch Aufrufe von Tabellenwerten passieren. Die Funktion erfordert beispielweise, dass zunächst die Kraftstoffeigenschaften detektiert werden, was zum Beispiel mittels eines geeigneten Sensors erfolgen kann, wie er beispielsweise oben im Stand der Technik beschreiben ist. Über die detektierte Zusammensetzung des Kraftstoffs können die entscheidenden Eigenschaften wie der stöchiometrische Luftbedarf und die Verdampfungsenthalpie des Kraftstoffes über in der Motorsteuerung hinterlegte Tabellenwerte bestimmt werden.Preferably, the physical model is the function. The function provides the possibility of assessing a mixture formation on the basis of the physical-based modeling of the mixture formation depicted in the function, wherein in particular the physical fuel properties are taken into account. This can happen through calculations as well as through calls to table values. The function requires, for example, that first the fuel properties are detected, which can be done for example by means of a suitable sensor, as described above, for example, in the prior art. By means of the detected composition of the fuel, the crucial properties such as the stoichiometric air requirement and the enthalpy of vaporization of the fuel can be determined via table values stored in the engine control.
Ein Vorteil des Verfahrens ist beispielweise, dass man gemäß einer Ausgestaltung nicht für jeden Kraftstoff eine Kalibrierung der oben genannten Parameter für den Startvorgang und den Warmlauf durchzuführen braucht. Dies ist beispielsweise in heutigen Motorsteuerungen für den Ethanol flex-fuel Betrieb oftmals noch notwendig. Hier muss in gewissen Abstufungen für diverse Mischungsverhältnisse aus Ethanol und Benzin eine Kalibrierung der Parameter erfolgen. Zwischen den kalibrierten Stützstellen interpoliert die Motorsteuerung anschließend. Soll diese Motorsteuerung zusätzlich den Betrieb mit einem weiteren dritten Kraftstoff, z. B. Butanol, ermöglichen, müsste die gesamte Motorsteuerung auch für die möglichen Beimischungsverhältnisse des Butanols kalibriert werden. Durch die vorgeschlagene Erfindung unter Nutzung zum Beispiel einer vorgeschlagenen Funktion kann die bestehende Motorsteuergerätebedatung beibehalten werden, denn es werden infolge der Gemischbildungsmodellierung die passenden Betriebsstrategien und Parameter ausgewählt werden.An advantage of the method is, for example, that one does not need to perform a calibration of the above-mentioned parameters for the starting process and the warm-up according to an embodiment for each fuel. This is often still necessary, for example, in today's engine control systems for ethanol flex-fuel operation. In certain grades, a calibration of the parameters must be carried out for various mixing ratios of ethanol and gasoline. The engine control then interpolates between the calibrated interpolation points. If this engine control additionally operation with another third fuel, for. As butanol, allow the entire engine control would have to be calibrated for the possible mixing ratios of butanol. The proposed invention using, for example, a proposed function may maintain the existing engine control unit rating because the appropriate operating strategies and parameters will be selected as a result of the mixture formation modeling.
Bei einer Kalibrierung beispielsweise des Motorsteuergeräts wird gemäß einer Ausgestaltung lediglich mit bestimmten Kraftstoffen – die vorzugsweise einen weiten Bereich an unterschiedlichen Kraftstoffeigenschaften abdecken – abgeprüft, so dass die für die zugehörigen physikalischen Eigenschaften gewählten Parameter einen Startvorgang und Warmlauf zur Folge haben, wie er gewünscht ist.In a calibration example, the engine control unit according to an embodiment only with certain fuels - which preferably cover a wide range of different fuel properties - checked so that the parameters selected for the associated physical properties have a boot and warm-up result, as desired.
Eine Funktion kann hierzu die aus den physikalischen Kraftstoffeigenschaften resultierende Gemischbildung berücksichtigen und darüber können eine Betriebsarten bzw. Parameter gewählt werden.For this purpose, a function can take into account the mixture formation resulting from the physical fuel properties and above this, a mode of operation or parameters can be selected.
Beispielsweise kann das physikalische Modell eine vereinfachte Berechnung oder sogar Simulation von Strömungsvorgängen im Zylinder und damit in der Brennkammer enthalten, wobei mittels zum Beispiel die instationären Erhaltungsgleichungen für die Gas- und die Flüssigkeitsphase gekoppelt einfach gelöst werden. Auch kann hierfür eine an die spezifische Brennkammer und das Fahrzeug angepasste Formel genutzt werden, die z. B. über experimentelle Ergebnisse die physikalische Gegebenheiten abdeckt. Hierbei wird zum Beispiel das Gitter so gesetzt, dass der Einspritzstrahl, seine Geometrie wie auch seine Tröpfchenbildung bzw. Zerstäubung beispielweise miterfasst. So kann beispielsweise nur für die Einspritzdüse ein eigenes Modell verwendet werden, dass den Bedingungen wie beispielweise auftretender Kavitation in einem Einlauf eines Düsenlochs und dem Entstehen eines dampfförmigen Zustands des Kraftstoffs Rechnung trägt. Ein physikalisches Modell ist beispielsweise der Strahlbildung bzw. Strahlausbreitung in der Brennkammer gewidmet. Das physikalische Modell kann hierbei beispielweise zu Beginn der Einspritzung eine Charakterisierung eines Gaszustands durch die Gastemperatur, den Druck in der Brennkammer, dem Strömungsfeld und dem Turbulenzgrad vorsehen. Bevorzugt wird eine resultierende Gasdichte herangezogen, die aus dem Druck und der Temperatur ermittelt wird. Die Strahlausbreitung kann bevorzugt unter dem Aspekt der Eindringtiefe des Strahls und dessen Strahlwinkel in dem Modell Eingang finden. Beispielweise kann in dem physikalischen Modell berücksichtigt sein, dass mit einer steigenden Gastemperatur eine Verdunstungsgeschwindigkeit zunimmt, hingegen eine Tropfenkonzentration abnimmt. Auch berücksichtigt beispielweise das Modell, dass mit zunehmendem Drall der Kraftstoff seitlich weiter abgelenkt wird. Hingegen wird ein mittlerer Bereich des Kraftstoffstrahls, der im wesentlich noch unverdampft ist, kaum oder nur unwesentlich abgelenkt, es sei denn, dass eine Geometrie im Brennraum für diese Ablenkung sorgt.For example, the physical model may include a simplified computation or even simulation of flow processes in the cylinder and thus in the combustion chamber, whereby by means of, for example, the unsteady conservation equations for the gas phase and the liquid phase coupled are simply solved. Also can be used for this purpose adapted to the specific combustion chamber and the vehicle formula that z. B. covers the physical conditions through experimental results. In this case, for example, the grid is set so that the injection jet, its geometry as well as its droplet formation or atomization, for example, also included. Thus, for example, only for the injection nozzle, a separate model can be used, which takes into account the conditions such as occurring cavitation in an inlet of a nozzle hole and the emergence of a vapor state of the fuel. For example, a physical model is dedicated to beam formation in the combustion chamber. For example, at the beginning of the injection, the physical model may provide a characterization of a gas state by the gas temperature, the pressure in the combustion chamber, the flow field and the degree of turbulence. Preferably, a resulting gas density is used, which is determined from the pressure and the temperature. The beam propagation may preferably take place in the model from the point of view of the penetration depth of the beam and its beam angle. For example, it may be considered in the physical model that with increasing gas temperature an evaporation rate increases, whereas a drop concentration decreases. The model also takes into account, for example, that with increasing swirl the fuel is laterally deflected further. On the other hand, a middle region of the fuel jet, which is substantially still unvaporized, hardly or only slightly deflected, unless a geometry in the combustion chamber provides for this deflection.
Neben einer Unterteilung des physikalischen Modells in Untermodelle für zum Beispiel einzelne Komponenten wie Injektor, Sprühstrahl oder ähnliches, kann das alles in einem einzigen physikalischen Modell zusammengefasst sein. Bevorzugt ist das Modell so aufgefasst, dass über eine Berechnung das Ergebnis sofort bewertbar ist, wie es nachfolgend noch näher erläutert wird.In addition to a subdivision of the physical model into submodels for, for example, individual components such as injector, spray or the like, all this can be summarized in a single physical model. The model is preferably conceived such that the result can be assessed immediately via a calculation, as will be explained in more detail below.
Ein weiterer Ansatz, das physikalische Modell aufzusetzen, besteht darin, dass eine Gemischbildung bei dem direkteinspritzenden Ottoverbrennungskraftmotor darauf basiert, dass das Einspritzsystem hierbei einen wesentlichen Teil bildet. Daher kann das physikalische Modell insbesondere motorische Betriebparameter wie einer Einspritzmenge, eine mittlere Einspritzrate, einen Düsenöffnungsdruck, sowie einen Düsenlochdurchmesser mit beinhalten. So kann beispielsweise eine Gemischbildung durch einen Zustand einer Zylinderladung, insbesondere unter Berücksichtigung der Strömung im Brennraum, sowie von Parametern wie Aufladedruck und Verdichtungsverhältnis Berücksichtigung finden. Des Weiteren kann das physikalische Modell Wandeinflüsse beinhalten. Auch können physikalische Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffes mit eingehen.Another approach to building the physical model is that mixture formation in the direct-injection spark-ignition internal combustion engine is based on the injection system forming a substantial part of it. Therefore, the physical model can in particular engine operating parameters such as an injection quantity, a mean injection rate, a nozzle opening pressure, and a nozzle hole diameter with include. Thus, for example, a mixture formation by a state of a cylinder charge, in particular taking into account the flow in the combustion chamber, as well as parameters such as supercharging pressure and compression ratio can be considered. Furthermore, the physical model may include wall influences. Also physical properties of the fuel used can be included.
Bevorzugt wird das physikalische Modell so aufgesetzt, dass damit sich eine von der Motordrehzahl unabhängige Einspritzdauer beziehungsweise eine lastabhängige Regelung einer Einspritzmenge über eine Änderung der Einspritzrate berücksichtigen lässt. Hierbei kann das physikalische Model beispielsweise verschiedene Einflüsse berücksichtigen:
- – wird die Kraftstoffmenge im Zyklus erhöht, kann beispielsweise die Einspritzdauer sich verlängern. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine Erhöhung des Einspritzdruckes mit der Erhöhung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge einhergeht.
- – wird auf eine mittlere Einspritzrate im Rahmen des physikalischen Modells abgestellt, so kann das physikalische Modell beispielsweise vorsehen, dass eine erhöhte mittlere Einspritzrate eine verkürzte Einspritzdauer bei erhöhtem maximalem Einspritzdruck vorsieht.
- – Das physikalische Modell kann zum Beispiel des Weiteren einen unterschiedlichen Druck bei der Einspritzung vorsehen. Dieser Druck kann beispielsweise über das Einspritzsystem direkt an der Düse vorliegen und damit ebenfalls die Einspritzung selbst beeinflussen. Beispielsweise kann dieses auch durch eine Änderung der geöffneten Düsenquerschnitte im Modell ebenfalls Berücksichtigung finden. Beispielsweise kann das physikalische Modell in Abhängigkeit von der Einspritzrate beziehungsweise der Einspritzmenge einen spezifischen Düsenquerschnitt vorsehen, wobei diesem Querschnitt angepasst ein spezieller Eintrittsstrahl zugeordnet ist. Des Weiteren kann beispielsweise im physikalischen Modell vorgesehen sein, dass die Düsenlochdurchmesser und die Anordnung der Düsendurchmesser insbesondere unter Berücksichtigung des Hubs des Einspritzventiles Berücksichtigung findet. Dadurch die Strahlausbreitung und letztendlich auch die Gemischbildung hiervon ebenfalls mit beeinflusst wird ist für die Frage der Gemischaufbereitung wie auch der schnellen Kraftstoffverdampfung derartiges beispielsweise mit im Modell abgebildet.
- - If the amount of fuel in the cycle is increased, for example, the injection duration can be extended. There is also the possibility that an increase in the injection pressure is associated with the increase in the amount of fuel to be injected.
- - Is set to a medium injection rate within the physical model, the physical model may provide, for example, that an increased average injection rate provides a shortened injection duration at elevated maximum injection pressure.
- For example, the physical model may further provide a different pressure in the injection. This pressure can be present for example via the injection system directly to the nozzle and thus also influence the injection itself. For example, this can also be taken into account by changing the open nozzle cross sections in the model also. For example, the physical model can provide a specific nozzle cross-section as a function of the injection rate or the injection quantity, wherein a specific inlet jet is assigned to this cross section. Furthermore, it can be provided, for example, in the physical model that the nozzle hole diameter and the arrangement of the nozzle diameter are taken into account, in particular taking into account the stroke of the injection valve. As a result of this, the beam propagation and, ultimately, the mixture formation thereof are also influenced, for the question of mixture preparation as well as the rapid evaporation of the fuel, for example, in the model.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das physikalische Modell darüber hinaus auch berücksichtigt, wie die geometrischen Abmessungen der Brennkammer und insbesondere auch des Kolbenbodens sind. Durch eine Kolbenmuldengeometrie wie auch des Einspritzwinkels der geometrischen Strahlachse kann die Strahlausbreitung und damit die Gemischaufbereitung beeinflusst werden. Je nach dem, zu welchem Zeitpunkt die Einspritzung mit welchem Druck erfolgt, ist davon die jeweilige Position des Kolbens, damit der Abstand der Kolbenbodengeometrie von der Mündung des Einspritzinjektors unterschiedlich. Das kann durch Zuhilfenahme der Zeit im Modell Berücksichtigung finden.Furthermore, it has proven to be advantageous if the physical model also takes into account, as are the geometric dimensions of the combustion chamber and in particular also of the piston crown. The geometry of the piston as well as the angle of injection of the geometrical beam axis can influence the beam propagation and thus the mixture preparation. Depending on the time at which the injection takes place at which pressure, the respective position of the piston is therefrom, so that the distance of the piston bottom geometry from the injection injector's orifice differs. This can be taken into account by using the time in the model.
Des Weiteren kann das Modell beispielsweise berücksichtigen, wie die Zerstäubung des Kraftstoffs abhängig von verschiedenen Parametern erfolgt. Gemäß einer Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Strahlzerfall bei der Einspritzung zum einen durch die Nutzung der Reynoldszahl, zum anderen durch die Nutzung der Ohnesorge-Zahl beschrieben wird. Die Reynoldszahl beinhaltet den Düsendurchmesser, eine Austrittsgeschwindigkeit und einen Stoffwert der Flüssigkeit. Die Ohnesorge-Zahl beschreibt das Verhältnis der Zähigkeitskraft zu den Oberflächenkräften und ist ebenfalls entsprechend berechenbar. Berücksichtigt wird beispielsweise in dem Modell, dass bei zunehmender Reynoldszahl Schubspannungskräfte an der Oberfläche an Einfluss gewinnen, sodass bei entsprechenden Größen unterschiedliche Mechanismen für die Zerstäubung in Abhängigkeit der festgestellten Reynolds-Zahl beziehungsweise Ohnesorge-Zahl genutzt werden können. Zurückgegriffen wird hierbei beispielsweise auf eine Arbeit von
Die Reynolds-Zahl ergibt sich hiernach wie folgt: wo hingegen sich die Ohnesorge-Zahl wie folgt ergibt: The Reynolds number is given below as follows: where, on the other hand, the fatality number is as follows:
Des Weiteren kann das physikalische Modell unterschiedliche Zerstäubungsmodelle beinhalten, bei denen in Abhängigkeit von unterschiedlichen Strahlberechnungen die Anfangsbedingungen wie Tropfengrößenverteilung und Ausbreitungsrichtung der Tropfen unterschiedliche Ansätze möglich sind. Beispielsweise kann ein entsprechendes Modell speziell angepasst an den Injektor in Versuchen überprüft bzw. ermittelt und angepasst worden sein. Dazu kann beispielsweise eine gemessene Tropfengrößenverteilung als Anfangsbedingung an eine im Verbrennungsmotor eingesetzte Düse genutzt werden. Daneben besteht aber auch die Möglichkeit, ein Modell einzubinden, wie es beispielsweise aus
Unter der Annahme, dass ein Durchmesser des Flüssigkeitskerns mit dem Abstand von der Düse abnimmt, bevorzugt linear abnimmt, darüber hinaus vorausgesetzt wird, dass ein Kerndurchmesser an einer Spitze des Flüssigkeitsstrahles zumindest annähernd dem Durchmesser eines dort entstehenden Sekundärtropfens entspricht, kann ein Durchmesser dieses Sekundärtropfens wiederrum von einem jeweiligen Düsenabstand und aus einem Kräftegleichgewicht zwischen einer aerodynamischen Scherkraft und einer Oberflächenkraft ermittelt werden. Hierzu kann beispielsweise die nachfolgende Formel herangezogen werden: Assuming that a diameter of the liquid core decreases with the distance from the nozzle, preferably decreases linearly, in addition, it is assumed that a core diameter at a tip of the liquid jet at least approximately corresponds to the diameter of a resulting secondary droplet, a diameter of this secondary drop can turn are determined from a respective nozzle pitch and from an equilibrium of forces between an aerodynamic shear force and a surface force. For this purpose, for example, the following formula can be used:
Hierbei wird eine dimensionslose Geschwindigkeitsgradientenberechnung α ebenso wie eine Relativgeschwindigkeit w zwischen dem Flüssigkeitskern und dem Gas sowie ein radialer Geschwindigkeitsgradient als eine Funktion des Düsenabstands berechnet. Näheres zu der Herleitung dieser Formel findet sich in der oben genannten Dissertation. Damit lässt sich ein Durchmesser des Flüssigkeitskerns an der Spitze und ein Durchmesser des Sekundärtropfens zeitlich aufgelöst berechnen.Here, a dimensionless velocity gradient calculation α as well as a relative velocity w between the liquid core and the gas as well as a radial velocity gradient as a function of the nozzle spacing are calculated. More details on the derivation of this formula can be found in the above-mentioned dissertation. This makes it possible to calculate a diameter of the liquid core at the tip and a diameter of the secondary droplet in a time-resolved manner.
Ein weiterer, beispielsweise auch im physikalischen Modell berücksichtbarer Prozess kann die Verdampfung des Kraftstoffes im Brennraum betreffen. Die Verdunstung des Kraftstoffes wie auch seine Verteilung im Brennraum kann insbesondere die Zündfähigkeit des vorliegenden Gemisches aber auch die sich daran anschließende Verbrennung beeinflussen. Die Verdampfung in Form einer Verdunstungsrate wird beispielsweise im Modell dadurch erfasst bzw. ermittelt, dass Temperatur, Geschwindigkeit und Druck des Gases, andererseits chemische und physikalische Eigenschaften des Kraftstoffes sowie die Tropfengrößenverteilung Berücksichtigung finden.Another, for example, in the physical model considered process can affect the evaporation of the fuel in the combustion chamber. The evaporation of the fuel as well as its distribution in the combustion chamber can in particular affect the ignitability of the present mixture but also the subsequent combustion. The evaporation in the form of an evaporation rate is detected or determined in the model, for example, by taking into account the temperature, velocity and pressure of the gas, on the other hand the chemical and physical properties of the fuel and the drop size distribution.
Die Zündfähigkeit des eingespritzten Treibstoffes hängt somit insbesondere auch ab von einer Verdunstungszeit eines Tropfens des Treibstoffes, was widerrum von den Anfangs- und Randbedingungen wie Durchmesser, Druck, Temperatur, Relativgeschwindigkeit zwischen Tropfen und Gas sowie den Stoffeigenschaften abhängig ist. Es hat sich gezeigt, dass bei den Umgebungsbedingungen in der Brennkammer, also bei Gastemperaturen beispielsweise oberhalb von 400 Grad Celsius und Drücken von über 16 bar Transportvorgänge im Tropfeninneren möglichst nicht zu vernachlässigen sind, um eine höhere Genauigkeit zu erhalten. Eine Weiterbildung sieht daher für das physikalische Modell vor, dass bei der Berechnung des Einspritzstrahles ein Tropfenmodell eingesetzt wird, welches Wärmeleitungs- und Diffusionswiderstände im Tropfen bevorzugt mitberücksichtigt. Um mit der zur Verfügung stehenden Berechnungszeit in einer CPU des Fahrzeuges verschiedene Möglichkeiten durchrechnen zu können, wird jedoch eine vereinfachte Berechnung bevorzugt herangezogen. Beispielsweise können hierzu idealisierte Vorraussetzungen angenommen werden, um diese Zustände ebenfalls mit einfließen zu lassen in das physikalische Modell.The ignitability of the injected fuel thus depends in particular on an evaporation time of a drop of the fuel, which in turn depends on the initial and boundary conditions such as diameter, pressure, temperature, relative velocity between droplets and gas and the material properties. It has been shown that at the ambient conditions in the combustion chamber, ie at gas temperatures, for example above 400 degrees Celsius and pressures of over 16 bar transport operations inside the drop are not negligible, if possible, to obtain a higher accuracy. A development therefore provides for the physical model that in the calculation of the injection jet, a drop model is used, which preferably takes into account heat conduction and diffusion resistances in the drop. However, in order to be able to calculate various possibilities with the available calculation time in a CPU of the vehicle, a simplified calculation is preferably used. For example, idealized prerequisites for this can also be assumed in order to incorporate these states into the physical model.
Eine Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass die zwischen der Flüssigkeits- und Gasphase übergehenden Stoff- und Energieströme durch eine vereinfachte Lösung der Erhaltungsgleichung in der Gasgrenzschicht unter Einführung einer idealisierten Gasumgebung vorsieht. Hierbei wird von einem Tropfenmodell ausgegangen, bei dem der übergehende Massenstrom m . als Summe der Massenströme der einzelnen Komponenten m .i aufgefasst wird:
Hierbei wird die Sherwood-Zahl für eine Kugel wie folgt herangezogen:
Näheres zum Massenbau wie auch zum Ansatz der Lösung über die Sherwood-Zahl findet sich in
Bevorzugt wird im Modell auch ein Diffusionskoeffizient verwendet, um entsprechende Einflüsse zu berücksichtigen. Bevorzugt wird dieser aus einer Tabelle entnommen, der für den zu tankenden Treibstoff des Fahrzeugs hinterlegt ist. Insbesondere bei Zwei- oder Mehrkomponenten Kraftstoffen erleichtert dieses die Berechnung, da ansonsten eine derartige Bestimmung des Diffusionskoeffizienten nur über iterative Berechnungsschritte möglich wäre. Dafür aber ist die Anwendung im Fahrzeug selbst zu zeitkritisch. Daher müssen ggf. vorgesehene iterative Schritte im Rahmen des physikalischen Modells möglichst klein, bevorzugt überhaupt nicht vorgenommen werden.Preferably, a diffusion coefficient is also used in the model in order to take account of corresponding influences. Preferably, this is taken from a table that is deposited for the fuel to be fueled of the vehicle. In particular, in the case of two-component or multi-component fuels, this facilitates the calculation, since otherwise such a determination of the diffusion coefficient would only be possible via iterative calculation steps. But for the application in the vehicle itself is too time-critical. Therefore, if necessary, iterative steps in the Scope of the physical model as small as possible, preferably not be made at all.
Des Weiteren kann das physikalische Modell den an den Tropfen übertragenen Wärmestrom innerhalb der Brennkammer dadurch berücksichtigt finden, dass dieser konvektive Wärmestrom wie folgt beschrieben wird:
Der Wärmeübergangskoeffizient hc kann beispielsweise aus dem empirischen Nusselt-Gesetz für Kugeln bestimmt werden. Er kann auch als Tabellenwert hinterlegt sein. Es besteht die Möglichkeit, eine Filmkorrektur zur Berücksichtigung des Stoffübergangs vorzusehen.The heat transfer coefficient h c can be determined for example from the empirical Nusselt law for balls. It can also be stored as a table value. It is possible to provide a film correction to account for mass transfer.
Wie oben schon dargelegt, kann beispielsweise ein idealisierter Zustand betrachtet werden, bei dem beispielsweise die Transportvorgänge im Inneren des Tropfens nicht im Detail erfasst werden. In einem derartigen Falle kann die Betrachtung der Phasengrenze und der Transportprozesse an der Gasgrenzschicht für das physikalische Modell vollkommen ausreichend sein. Dann kann eine Energiebilanz um einen Tropfen wie folgt formuliert werden: As already explained above, for example, an idealized state can be considered in which, for example, the transport processes inside the droplet are not detected in detail. In such a case, consideration of the phase boundary and transport processes at the gas boundary layer may be perfectly adequate for the physical model. Then an energy balance around a drop can be formulated as follows:
Unter Annahme einer adiabaten Temperatur kann somit eine Bestimmungsgleichung für die Tropfentemperatur nach einem Zeitschritt Δt sich wie folgt ergeben: Assuming an adiabatic temperature, an equation for determining the droplet temperature after a time step Δt can thus be given as follows:
Zu diesem Zeitschritt Δt ergibt sich des Weiteren beispielsweise im Rahmen einer Stoffbilanz für eine der Komponenten des Treibstoffes die Massenkonzentration dieser Komponenten I im Tropfen wie folgt: At this time step .DELTA.t, furthermore, the mass concentration of these components I in the droplet is given, for example in the context of a material balance for one of the components of the fuel, as follows:
Insbesondere bei Kraftstoffen aus verschiedenen Komponenten kann die Berücksichtigung von einer Hauptkomponente allein bei vereinfachter Berechnungsweise im Modell seinen Niederschlag finden.Especially with fuels from different components, the consideration of a main component alone in a simplified calculation in the model can be reflected in the model.
Die oben beschriebenen wie auch weitere verschiedene Größen und Formeln, die in dem physikalischen Modell ihren Niederschlag finden können, gehen zum Beispiel aus einer Grundlagenuntersuchung in Form des
Wie oben dargelegt, kann die Eindringtiefe wie auch die Tröpfchengröße als Anhaltspunkt für die Zündfähigkeit des eingespritzten Treibstoffes mit herangezogen werden. Eine Möglichkeit im Rahmen des physikalischen Modells besteht nun darin, dass eine Berechnung zumindest dieser Größen zu einem Zeitpunkt Δt erfolgt und in einem Abgleich mit vorgegebenen Werten ermittelt werden kann, ob die berechneten Größen sich in einem Zielfenster für eine ausreichende Zündfähigkeit des Treibstoffes befinden oder ob ein oder mehrere dieser Werte außerhalb dieses Zielfensters sind. Eine weitere Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, dass den einzelnen Werten bzw. innerhalb dieses Zielfensters der Werte Gütefaktoren zugeordnet sind, sodass des Weiteren auch unter Heranziehung einer ausreichenden Güte der Zündfähigkeit die Beurteilung der Ergebnisse aus dem physikalischen Modell erfolgen kann.As stated above, the penetration depth as well as the droplet size can be used as a guide to the ignitability of the injected fuel. One possibility in the context of the physical model is that a calculation of at least these variables takes place at a time Δt and it can be determined in a comparison with predetermined values whether the calculated quantities are in a target window for sufficient ignitability of the fuel or whether one or more of these values are outside of this target window. A further embodiment provides, for example, that the individual values or, within this target window, the values of quality factors are assigned, so that furthermore the evaluation of the results from the physical model can be carried out by using a sufficient quality of the ignitability.
Das Verfahren basiert gemäß einer Ausgestaltung bevorzugt auf ein oder mehreren Kraftstoffdaten, worüber Kraftstoffeigenschaften durch Berechnungen und/oder Aufrufe von im Datenspeicher hinterlegten Tabellenwerten bestimmt werden und in die Nutzung des physikalischen Modells eingehen.According to one refinement, the method is preferably based on one or more fuel data, by way of which fuel properties are determined by calculations and / or calls to table values stored in the data memory and enter into the use of the physical model.
Dabei ist ein Datenspeicher vorgesehen, der mit Tabellenwerten und/oder Datensätzen, wie beispielsweise Datensätze der Verbrennung oder Stoffeigenschaften, bedatet wird, die Berechnungsgrößen beinhalten, die je nach Betriebspunkt oder aktuell genutzter Kraftstoffqualität abgerufen werden können. So können beispielsweise der stöchiometrische Luftbedarf und die Verdampfungsenthalpie bestimmt werden, die dann in die Nutzung des physikalischen Modells eingehen.In this case, a data memory is provided which is provided with table values and / or data records, such as combustion data records or material properties, which contain calculation variables which can be called up depending on the operating point or currently used fuel quality. For example, it is possible to determine the stoichiometric air demand and the enthalpy of vaporization, which then enter into the use of the physical model.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, der abhängig wie auch unabhängig von dem obigen Verfahren weitergeführt werden kann, wird eine Motorsteuerung vorgeschlagen. Diese weist zumindest eine Datenspeichereinheit mit hinterlegten Tabellenwerten und/oder Daten auf, ein Steuergerät, eine Betriebsoptimierungsfunktion, ein hinterlegtes physikalisches Modell einer Gemischbildung, ein Kraftstoffqualitätserfassungsmittel, eine Einheit für Dateneingänge, eine Verbindung zur Übertragung von Daten vom Kraftstoffqualitätserfassungsmittel zum Steuergerät, eine Einheit für Datenausgänge mit Schnittstellen zu zumindest einer Aktorik für die Einstellung von zumindest einem Betriebsparameter, zumindest einer Schnittstelle für eine Bedatung der Motorsteuerung für unterschiedliche Kraftstoffqualitäten, eine Rechnereinheit zur Berechnung und anschließenden Beurteilung einer Gemischbildung anhand des hinterlegten physikalischen Modells und anhand von Daten, die vom Kraftstoffqualitätserfassungsmittel in einem von Bediener des Kraftfahrzeugs gewählten Betriebspunkt stammen, mit einer Auswahl von zu steuernden Betriebsparametern zur Steuerung einer Kraftstoffzuführung in einen Brennraum eines direkteinspritzenden Ottoverbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Beurteilung der Gemischzündfähigkeit.In accordance with another aspect of the invention, which may be continued depending as well as independently of the above method, a motor controller is proposed. This has at least one data storage unit with stored table values and / or data, a control unit, an operation optimization function, a stored physical model of a mixture formation, a fuel quality detection means, a unit for data inputs, a connection for the transmission of data from Fuel quality detection means to the control unit, a unit for data outputs with interfaces to at least one actuator for the setting of at least one operating parameter, at least one interface for a management of the engine control for different fuel qualities, a computer unit for calculating and subsequent assessment of mixture formation based on the stored physical model and based data derived from the fuel quality detection means at an operating point selected by the operator of the motor vehicle, comprising a selection of operating parameters to control a fuel supply to a combustion chamber of a direct injection internal combustion engine of a motor vehicle depending on a result of the evaluation of the mixture ignition capability.
Diese Motorsteuerung umfasst eine Bestimmung der Kraftstoffeigenschaft mit im Datenspeicher hinterlegten Tabellenwerten und/oder durch Berechnung. Dieses können Enthalpien des Kraftstoffs, spezifische Eigenschaften wie Zündtemperatur, Verdampfungstemperatur oder auch eine Angabe von Mischungsanteilen verschiedener Komponenten nebst jeweiliger Daten zu den einzelnen Komponenten sein.This engine control comprises a determination of the fuel property with table values stored in the data memory and / or by calculation. These may be enthalpies of the fuel, specific properties such as ignition temperature, vaporization temperature or else an indication of mixing proportions of various components together with respective data on the individual components.
Weiterhin ist für die Motorsteuerung ein physikalische Modell für die Berechnung der Gemischbildung vorgesehen. Hierbei kann ein Modell implementiert werden, wie es oben wie auch nachfolgend näher beschreiben ist.Furthermore, a physical model for the calculation of the mixture formation is provided for the engine control. Here, a model can be implemented, as described in more detail above and below.
Eine Weiterbildung sieht eine Aktualisierungsfunktion, eine Schnittstelle zum Aufspielen und/oder Überspielen der Daten im Datenspeicher und/oder den Tabellenwerten, womit die Motorsteuerung auch für verschiedene Kraftstoffe genutzt werden kann.A development sees an update function, an interface for loading and / or dubbing the data in the data memory and / or the table values, with which the engine control can also be used for different fuels.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln vorgesehen, welches auf einem computerlesbaren Medium gespeichert wird, um ein oben beschriebenes Verfahren nach mindestens einem der beschriebenen Merkmale durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer und/oder Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.In accordance with another aspect of the invention, there is provided a computer program product having program code means stored on a computer readable medium for performing a method as described above according to at least one of the described features when the program is run on a computer and / or controller of a vehicle.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die dort jeweils dargestellten Ausgestaltungen sind jedoch nicht beschränkend, sondern beispielhaft. Einzelne oder mehrere Merkmale einer Ausgestaltung können auch losgelöst davon mit anderen Merkmalen einer anderen Ausgestaltung wie aus der obigen Beschreibung zu Weiterbildungen verknüpft werden. Es zeigen:Further advantageous embodiments and developments will become apparent from the following figures. However, the embodiments shown there are not limiting, but exemplary. Individual or multiple features of an embodiment can also be detached from it with other features of another embodiment as linked to further developments from the above description. Show it:
Des Weiteren ist eine Datenspeichereinheit
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, somit auf unterschiedliche Kraftstoffe unter Berücksichtigung von deren Eigenschaften die Zündfähigkeit des Gemisches so vorzubestimmen, dass in Betrieb bei unterschiedlichsten Randbedingungen hinsichtlich Temperaturen, Drücken aber auch sonstigen Gegebenheiten der Einspritzzeitpunkt jeweils sich so verschieben lässt, dass ein Verdampfen des eingespritzten Kraftstoffes sicher erfolgt, um das angestrebte zündfähige Gemische, vorzugsweise ein Gemisch mit λ = 1, erreichen zu können.With the proposed method, it is possible, thus, to different fuels considering their properties, the ignitability of the mixture so predetermined that in operation at different conditions with respect to temperatures, pressures but also other circumstances of the injection time each shift so that evaporation of the Injected fuel safely takes place in order to achieve the desired ignitable mixtures, preferably a mixture with λ = 1 can.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Motorsteuerungmotor control
- 22
- Datenspeicherdata storage
- 33
- KraftstoffqualitätserfassungsmittelFuel quality detection means
- 44
- KraftstoffqualitätFuel Quality
- 55
- KraftstoffdatenFuel data
- 66
- Gemischbildungmixture formation
- 77
- physikalische Modellphysical model
- 88th
- GemischzündfähigkeitGemischzündfähigkeit
- 99
- Betriebsparameteroperating parameters
- 1010
- KraftstoffeigenschaftenFuel properties
- 1111
- Tabellenwertetable values
- 1212
- UmgebungsdatenEnvironmental data
- 1313
- Steuergerätcontrol unit
- 1414
- BetriebsoptimierungsfunktionOperational optimization function
- 1515
- Einheit für DateneingängeUnit for data inputs
- 1616
- Verbindungconnection
- 1717
- Einheit für DatenausgängeUnit for data outputs
- 1818
- AktorikschnittstelleAktorikschnittstelle
- 1919
- BedatungsschnittstelleBedatungsschnittstelle
- 2020
- Rechnereinheitcomputer unit
- 2121
- AktualisierungsfunktionUpdater
- 2222
- Berechnung der KraftstoffeigenschaftenCalculation of fuel properties
- 2323
- Schnittstelle zum Aufstellen und/oder Überspielen von DatenInterface for setting up and / or transferring data
- 2424
- Aktorikactuators
- 2525
- DatenspeichereinheitData storage unit
- 2626
- Rechnereinheitcomputer unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009031159 B3 [0003] DE 102009031159 B3 [0003]
- DE 10346314 A1 [0004] DE 10346314 A1 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Lefebre mit dem Titel „Atomization and Sprays”, Hemisphare Publishing Cooperation, New York, 1989 [0019] Lefebre entitled "Atomization and Sprays", Hemisphere Publishing Cooperation, New York, 1989. [0019]
- Schneider, „Zur Modellierung der Zerstäubung von Flüssigkeitsfreistrahlen, Dissertation, Universität Dortmund, 1995 [0021] Schneider, "For Modeling the Atomization of Liquid Free Radiation , Dissertation, University of Dortmund, 1995 [0021]
- Bird, Stewart und Lightfoot, „Transportphenomena”, Wiley Verlag, New York, 1960 [0028] Bird, Stewart and Lightfoot, "Transport Phenomena", Wiley Publishing House, New York, 1960 [0028]
- Abschlussberichts des deutschen Sonderforschungsbereichs 224 mit dem Titel „Motorische Verbrennung” hervor, die im Internet unter http://www.sfb224.rwth-aachen.de/bericht.htm [0036] Final report of the German Sonderforschungsbereich 224 entitled "Motorische Verbrennungs", which can be found on the Internet at http://www.sfb224.rwth-aachen.de/bericht.htm [0036]
Claims (8)
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Cited By (1)
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CN109681900A (en) * | 2017-10-19 | 2019-04-26 | 通用电气公司 | The method for operating steam generating system |
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-
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- 2012-08-31 DE DE201210017204 patent/DE102012017204A1/en active Pending
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