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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer an einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verrichteten Verbrennungsarbeit eines Zylinders sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen kann die Kenntnis über die Verbrennungslage eines Zylinders wichtig sein, bspw. um einen möglichst abgasarmen Betrieb zu ermöglichen. Als Verbrennungslage wird eine Winkelposition der Kurbelwelle bezeichnet, zu der ein bestimmter Zeitpunkt während der Verbrennung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches in dem Zylinder erreicht ist, bspw. der Schwerpunkt oder der 50%-Umsatzpunkt der Verbrennung.
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Ein Verfahren zum Bestimmen einer zylinderindividuellen Verbrennungslage ist aus der
DE 10 2006 056 708 A1 bekannt. Dieses Verfahren stellt jedoch hohe Anforderungen an Rechenzeit und Speicherbedarf im Steuergerät.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist eine Möglichkeit zum Bestimmen einer zylinderindividuellen Verbrennungslage erwünscht, die resourcenschonend ist und damit einfach und schnell im Steuergerät durchgeführt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen einer an einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verrichteten Verbrennungsarbeit eines Zylinders mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Ansatz, eine Energiebilanz auf der Kurbelwelle zu bilden. Die Rotationsenergie kann hierbei – wie allgemein bekannt – aus einem Trägheitsmoment und der Rotationsgeschwindigkeit ermittelt werden. Das Trägheitsmoment ist von der Geometrie der Brennkraftmaschine abhängig und kann daher prinzipiell bestimmt werden, die Rotationsgeschwindigkeit ergibt sich auf einfache Weise aus dem ohnehin vorhandenen Drehzahlsignal. Die Rotationsenergie entspricht einer Summe anderer Energien bzw. Arbeiten, u.a. der Verbrennungsarbeit. Bei Kenntnis der anderen Energien bzw. Arbeiten kann daher die Verbrennungsarbeit besonders einfach aus der Rotationsenergie abgeleitet werden. Insbesondere wird eine Kompressionsarbeit berücksichtigt, um aus der Rotationsenergie die Verbrennungsarbeit zu bestimmen. Aus der Verbrennungsarbeit wiederum können besonders einfach die Verbrennungslage oder auch andere interessierende Verbrennungsmerkmale bestimmt werden. Die Erfindung kommt mit wenigen Ressourcen im Steuergerät aus und ist besonders einfach – auch in existierenden Systemen – zu implementieren.
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Besonders vorteilhaft wird ein kurbelwinkelabhängiger Verlauf einer Differenz zwischen der Verbrennungsarbeit für den laufenden Kurbelwellenwinkel und einer Verbrennungsarbeit für einen festen Kurbelwellenwinkel bestimmt. Für den festen Kurbelwellenwinkel bietet sich insbesondere ein Anfangswinkel eines Winkelbereichs an, in welchem der betrachtete Zylinder verbrennt, bspw. von –45°KW bis +90°KW um ZOT des jeweiligen Zylinders. Der laufende Kurbelwellenwinkel durchläuft dann vorzugsweise diesen Bereich.
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Die Kompressionsarbeit kann besonders vorzugsweise aus einem momentanen Zylinderdruck bestimmt werden. Sie kann ebenso vorteilhaft auch in einem Schubbetrieb aus der Rotationsenergie ermittelt werden. Die im Schubbetrieb aus der Rotationsenergie ermittelte Kompressionsarbeit wird zweckmäßigerweise mit einem Druck an einem Lufteinlass (sog. p22, z.B. Ladedruck) gewichtet.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in mehreren Diagrammen die Verläufe von unterschiedlichen Brennkraftmaschinenparametern über dem Kurbelwellenwinkel.
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2 zeigt den Verlauf der Rotationsenergie der Kurbelwelle für einen ausgewählten Winkelbereich.
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3 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung grundsätzlich unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Dabei sind in 1 in mehreren Diagrammen A–D die Verläufe von unterschiedlichen Brennkraftmaschinenparametern über dem Kurbelwellenwinkel ϕ aufgetragen. Ein Kurbelwellenwinkel ϕ = 0°KW = 720°KW ist durch die Kurbelwellenposition definiert, in der sich ein erster Zylinder im Zünd-OT (oberer Totpunkt, ZOT) befindet. In 1 sind die Brennkraftmaschinenparameter für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern dargestellt, die jeweils – wie üblich – um 180°KW versetzt arbeiten. Dabei zeigt das Diagramm A den Zylinderdruck p für die vier Zylinder, wobei vier Verläufe 101–104 dargestellt sind, die jeweils in einem Abstand von 720°KW ein Maximum aufweisen. Dieses Maximum liegt bei ZOT zwischen Kompressions- und Arbeitstakt definiert.
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In dem Diagramm B sind Volumendifferenziale dV 201–204 für die vier Zylinder aufgetragen. Es ist erkennbar, dass die Verläufe 201 und 203 der Volumendifferenziale für die Zylinder 1 und 3 übereinstimmen und auch die Verläufe 202 und 204 für die Zylinder 2 und 4 übereinstimmen.
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In dem Diagramm C sind die vier von den einzelnen Zylindern abgegebenen Momente 301 bis 304 sowie das sich an der Kurbelwelle ergebende Gesamtmoment 305 dargestellt. Wie zu erwarten, wird das von einem Zylinder erzeugte Moment im Wesentlichen während des Arbeitstaktes erzeugt.
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In Figur D sind schließlich die Rotationsgeschwindigkeit ω 401 sowie die Rotationsenergie E 402 gegen den Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Die Rotationsgeschwindigkeit kann bei einer Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise in 3 dargestellt ist, besonders einfach über den ohnehin vorhandenen Drehzahlsensor bestimmt werden, wobei hier unmittelbar die sogenannten Zahnzeiten, d.h. der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen des Zahnrads, dem Inversen ω–1 der Rotationsgeschwindigkeit an der jeweiligen Winkelposition proportional sind.
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Aus der ermittelten Rotationsgeschwindigkeit ω kann, wie nachfolgend erläutert, die Rotationsenergie besonders einfach bestimmt werden.
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Die Rotationsenergie E
rot(ϕ) der Kurbelwelle für eine bestimmte Winkelposition ϕ setzt sich zusammen aus der mit den Zylindern i = 1, ..., Z ausgetauschten Zylinderenergie E
cyl,i(ϕ) und der mit dem Triebstrang ausgetauschten Energie E
v.
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Die Rotationsenergie ist – wie bekannt – gegeben durch: Erot(ϕ) = ½ J(ϕ)ω2(ϕ). Hierbei beschreibt J(ϕ) das (winkelabhängige) Trägheitsmoment für die Rotation um die Kurbelwellendrehachse.
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Wie einleitend erwähnt, kann die Rotationsenergie auf einfache Weise ermittelt werden, da das Trägheitsmoment von der Geometrie und den Massen der Brennkraftmaschine abhängig ist und daher prinzipiell bestimmt werden kann und sich die Rotationsgeschwindigkeit ω auf einfache Weise aus dem ohnehin vorhandenen Drehzahlsensorsignal ergibt. Das winkelabhängige Trägheitsmoment ist vorzugsweise im Steuergerät der Brennkraftmaschine, bspw. in einem Kennfeld, gespeichert. Die Durchführung der Erfindung benötigt, wie nachfolgend erläutert, daher im Wesentlichen lediglich die Ermittlung der momentanen Rotationsgeschwindigkeit.
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Die mit dem Zylinder i ausgetauschte Energie E
cyl,i(ϕ) setzt sich aus der Kompressionsarbeit E
comp,i(ϕ) und der durch die Verbrennung geleisteten Arbeit E
cmb,i(ϕ) zusammen. Somit ergibt sich aus (1):
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Betrachtet man die Entwicklung über einen kleinen Winkelbereich ϕ
1 bis ϕ
2, (vorzugsweise bei einem geeigneten Betriebspunkt ohne Geschwindigkeitsveränderung), kann die Änderung der Rotationsenergie über dem Winkelbereich aufgrund des Energieaustausches mit dem Triebstrang vernachlässigt werden, so dass durch Vergleich zweier Rotationsenergien E
rot(ϕ
1), E
rot(ϕ
2) die von allen Zylindern zwischen diesen zwei Winkelpositionen bereitgestellte Energie berechnet werden kann:
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Einfluss der Energieabgabe an den Triebstrang auch durch eine geeignete Modellierung berücksichtigt werden, z.B. kann aus der mittleren Steigung der Drehzahl in einem bestimmten Winkelbereich auf das Lastmoment geschlossen werden und dieses dann kompensiert werden. Vorzugsweise wird hierzu ein Winkelbereich verwendet, in dem kein oder nur ein geringes Moment vom Zylinder erzeugt wird (wie z.B. in der Ladungswechselphase). Eine Schätzung der Energieabgabe an den Triebstrang ist möglich, wenn ein Winkelbereich gewählt wird, in dem kein Zylinder Energie an die Kurbelwelle abgibt (d.h. Ecomp,i(ϕ) = Ecmb,i(ϕ) = 0) (wie z.B. bei einem Einzylindermotor in der Ladungswechselphase). In diesem Fall lässt sich aus der Differenz zweier zweier Rotationsenergien Erot(ϕ2) – Erot(ϕ1) die Energieabgabe an den Triebstrang direkt ermitteln: 1 / 2J(ϕ2)ω(ϕ2)2 – 1 / 2J(ϕ1)ω(ϕ1)2 = ΔErot,2,1 = ΔE2
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Wie in 1 erkennbar, verbrennen die einzelnen Zylinder bei Brennkraftmaschinen mit üblicher Zylinderzahl (insbesondere bis zu acht Zylinder, Z=8) in erster Näherung getrennt nacheinander. So lässt sich für jeden Zylinder i ein Bereich definieren, in dem sein Einfluss auf den Energieverlauf dominant ist. Dieser Bereich kann näherungsweise als Bereich von –360°KW/2Z bis 360°KW/Z, wobei Z die Zylinderanzahl ist, um den jeweiligen ZOT des Zylinders angegeben werden. In 1 ist beispielsweise dieser Bereich für den Zylinder 2 mit einem Rechteck umrandet. In 2 ist der Energieverlauf separat dargestellt. Bei Auswahl eines geeigneten Winkelbereichs ϕ1 bis ϕ2 kann daher in Gleichung (3) der Einfluss der anderen Zylinder vernachlässigt werden und es ergibt sich: 1 / 2J(ϕ)ω(ϕ)2 – 1 / 2J(ϕ1)ω(ϕ1)2 = ΔEkin(ϕ) = Ecmpr,i(ϕ) + Ecmb,i(ϕ) – Ecmpr,i(ϕ1) – Ecmb,i(ϕ1) (4)
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Die erste Zeile der Gleichung (4) kann, wie erwähnt, auf einfache Weise aus bekanntem Trägheitsmoment und gemessener Rotationsgeschwindigkeit ermittelt werden.
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Auch die Kompressionsarbeit in der zweiten Zeile kann auf einfache Weise ermittelt werden. Ist ein Zylinderdrucksensor vorhanden, kann die Kompressionsarbeit aus dem geometrisch vorgegebenen und daher ebenfalls leicht bestimmbaren Volumendifferenzial dV(ϕ) und dem gemessenen Zylinderdruckverlauf p(ϕ) bestimmt werden.
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Ist kein Zylinderdrucksensor vorhanden, kann eine Referenz-Kompressionsarbeit bspw. im Schubbetrieb vorab ermittelt werden. Wird die Brennkraftmaschine im Schubbetrieb betrieben, d.h. ohne Verbrennung, und kann – wie oben erläutert – der Energieaustausch mit dem Antriebsstrang vernachlässigt werden, entspricht in diesem Fall die einfach bestimmbare Rotationsenergie der Kompressionsarbeit. Auf diese Weise kann die Kompressionsarbeit zu einem früheren Zeitpunkt als Referenz-Kompressionsarbeit ermittelt werden. Die Kompressionsarbeit an sich ist vom Druck am Einlass bzw. Ladedruck (sog. p22) abhängig und wird zweckmäßigerweise für die spätere Berechnung mit diesem gewichtet, d.h. die Kompressionsarbeit für einen Druck p2 ergibt sich aus einer (gespeicherten) Referenz-Kompressionsarbeit für einen Druck p1 und eine entsprechende Gewichtung, insbesondere mit einem Faktor p2/p1. Die Referenz-Kompressionsarbeit kann dann ebenfalls winkelabhängig und mit dem zugehörigen Druck bzw. auf einen Referenzdruck normiert im Steuergerät der Brennkraftmaschine, bspw. in einem Kennfeld, gespeichert werden. Zweckmäßigerweise wird hierzu ein Verlauf einer Kompressionsarbeitsdifferenz zwischen dem aktuellen Kurbelwellenwinkel ϕ1 ≤ ϕ ≤ ϕ2 und einem Startkurbelwellenwinkel ϕ1 verwendet.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit wenigen, z.B. 1–2, Zylindern, aus der Kompressionsenergie der Einlassdruck bestimmt werden. Wie erläutert, wird in bestimmten Winkelbereichen die Änderung der Rotationsenergie der Kurbelwelle hauptsächlich von einem einzigen Zylinder i bestimmt. Bei wenigen Zylindern lassen sich Bereiche finden, in denen ein Zylinder Kompressionsarbeit verrichtet (d.h. Einlass und Auslass sind geschlossen, eine Verbrennung findet nicht statt) während die anderen Zylinder im Wesentlichen keine Arbeit verrichten (d.h. Einlass oder Auslass sind geöffnet, eine Verbrennung findet nicht statt). Wird nun in einem solchen Bereich ein Teilbereich ϕ1 ≤ ϕ ≤ ϕ2 ausgewählt, für den näherungsweise gilt: ΔEcmb,12 = Ecmb,i(ϕ2) – Ecmb,i(ϕ1) = 0
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Somit ergibt sich: 1 / 2J(ϕ2)ω2(ϕ2) – 1 / 2J(ϕ1)ω2(ϕ1) = Ecmpr,i(ϕ2) – Ecmpr,i(ϕ1)
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Andererseits ergibt sich die notwendige Kompressionsenergie zwischen ϕ
1 und ϕ
2 aus dem Kompressionsmoment gemäß:
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Wie ebenfalls bereits erwähnt, sind Volumen und Volumendifferenzial leicht bestimmbar. Somit sind in dieser Gleichung alle Größen mit Ausnahme von p22 bekannt, so dass der Druck am Einlass p22 hieraus bestimmt werden kann.
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Mit Hilfe der Gleichung
kann der Momentenverlauf, der durch die Kompression entsteht, berechnet werden. Durch Integration kann der zugehörige Energieverlauf ermittelt werden. Das Ergebnis kann dann auf Werte außerhalb des Intervalls ϕ
1 und ϕ
2 angewendet werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Motoren mit geringer Zylinderzahl.
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Die gemäß einer der soeben beschriebenen Möglichkeiten (oder anders) ermittelte Kompressionsarbeit wird nun in Gleichung (4) von der ermittelten Rotationsenergie abgezogen, so dass sich ein zylinderindividueller Verlauf der Verbrennungsarbeit über dem Kurbelwellenwinkel ergibt. Zweckmäßigerweise wird hier ein Verlauf einer Verbrennungsarbeitsdifferenz zwischen dem aktuellen Kurbelwellenwinkel ϕ1 ≤ ϕ ≤ ϕ2 und einem Startkurbelwellenwinkel ϕ1 verwendet: ΔEcmb(ϕ) = Ecmb,i(ϕ) – Ecmb,i(ϕ1) = = 1 / 2J(ϕ)ω(ϕ)2 – 1 / 2J(ϕ1)ω(ϕ1)2 – [Ecmpr,i(ϕ) – Ecmpr,i(ϕ1)] (5)
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Basierend auf dem Verlauf der Verbrennungsenergie ΔEcmb,i für den gerade betrachteten Zylinder i kann der Schwerpunkt oder der 50% Umsatzpunkt der Verbrennung bestimmt werden.
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Die Schwerpunkts-Verbrennungslage ergibt sich zu
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Der 50%-Umsatzpunkt ergibt sich zu
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Die vorliegende Erfindung schafft eine einfache Möglichkeit, die Verbrennungslage direkt aus dem gemessenen Drehzahlverlauf zu berechnen. Das Verfahren benötigt nur wenig Speicherplatz und Rechenzeit im Steuergerät.
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In 3 ist schematisch eine Brennkraftmaschine, wie sie der Erfindung zugrunde liegen kann, dargestellt und mit 500 bezeichnet. Die Brennkraftmaschine 500 weist in der dargestellten Ausführungsform vier Zylinder 501 auf, die jeweils mit Zylinderdrucksensoren 506 ausgestattet sein können. Von den Zylindern 501 wird eine Kurbelwelle 502 angetrieben, an der ein Zahnsegmentrad 503 (beispielsweise mit 60-2 Zähnen) angebracht ist. Ein zugeordneter Sensor 504 tastet die Zahnzeiten ab und übermittelt ein Messsignal an eine Recheneinheit 505, die zur Ansteuerung der Brennkraftmaschine 500 programmtechnisch eingerichtet ist. Die Recheneinheit 505 ist auch programmtechnisch dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Die Brennkraftmaschine kann über einen Luftdrucksensor 507 verfügen, der den Luftdruck am Lufteinlass 508 erfasst und an das Steuergerät 505 übermittelt.
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Im Steuergerät wird zur Bestimmung der Verbrennungsarbeit eines Zylinders und vorzugsweise zur Bestimmung der Verbrennungslage daraus ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006056708 A1 [0003]
