DE102013005655B9

DE102013005655B9 - Verfahren zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013005655B9
Application number: DE201310005655
Authority: DE
Inventors: Enrico Neumann; Alexander Rempel
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-04-05
Also published as: DE102013005655B3

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst robustes und einfaches Verfahren zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten gelöst:
a.) Vorgabe eines Wertes für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression,
b.) Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion,
c.) Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion anhand der Werte des Zylinderdruckes gemäß Schritt b.),
d.) Integration des Zylinderdruckverlaufes gemäß Schritt c.) bei der Expansion, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Expansion bereitsteht,
e.) Addition des vorgegebenen Wertes gemäß Schritt a.) und des gemäß Schritt d.) bereitgestellten Wertes, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Für den Betrieb einer Brennkraftmaschine ist es zweckmäßig, möglichst genaue Informationen zum aktuellen Lastzustand der Brennkraftmaschine vorliegen zu haben. Wie allgemein bekannt, ist insbesondere der indizierte Mitteldruck in der Hochdruckphase dazu gut geeignet. Beispielsweise gemäß dem Dokument EP 0370594 A1 ist es Stand der Technik, in einem beschränkten Bereich um den oberen Totpunkt des Kolbens im Zylinder den Druck im Zylinder zu messen und daraus über einen linearen Zusammenhang auf den indizierten Mitteldruck zu schließen. Gemäß dem Dokument DE 699 01 547 T2 ist es Stand der Technik, den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase durch eine Multiplikation von Luftmenge im Zylinder und einem vom Saugrohrdruck und der Drehzahl abhängigen Koeffizienten zu bestimmen. Gemäß dem Dokument EP 0742359 A2 ist es Stand der Technik, den Zylinderdruck an bestimmten Punkten ab Kompressionsbeginn und Expansionsende zu messen und den indizierten Mitteldruck anhand einer Approximationsgleichung zu bestimmen. Gemäß dem Dokument DE 10 2011 011 485 A1 ist es Stand der Technik, den indizierten Mitteldruck in Verbindung mit einem kubischen Spline-Integrations-Ansatz zu errechnen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst robustes und einfaches Verfahren zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten gelöst:

a.) Vorgabe eines Wertes für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression,
b.) Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion,
c.) Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion anhand der Werte des Zylinderdruckes gemäß Schritt b.),
d.) Integration des Zylinderdruckverlaufes gemäß Schritt c.) bei der Expansion, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Expansion bereitsteht,
e.) Addition des vorgegebenen Wertes gemäß Schritt a.) und des gemäß Schritt d.) bereitgestellten Wertes, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase gebildet wird.

Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine das Integral gemäß Gleichung (1)
in zwei Terme zerlegt, wie in Gleichung (2) dargestellt
wobei anstelle einer Integration des Zylinderdruckverlaufes über den Bereich der Kompression bzw. über dem Zylindervolumen, also insbesondere in einem Bereich zwischen dem Kompressionsbeginn a und dem Kompressionsende b, gemäß dem ersten Term, ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression vorgegeben wird, der mit dem zweiten Term addiert wird, wobei gemäß dem zweiten Term, in Abhängigkeit von bereitgestellten einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion, eine Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion erfolgt und der Zylinderdruckverlauf über den Bereich der Expansion bzw. über dem Zylindervolumen bei der Expansion, insbesondere in einem Bereich zwischen Expansionsbeginn c und Expansionsende d, gemäß dem zweiten Term, integriert wird. Die Vorgabe des Wertes für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von dem Druck und/oder der Temperatur in der Ansauganlage der Brennkraftmaschine, z. B. aus einem oder mehreren Kennfeldern. Die Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion, in Abhängigkeit der bereitgestellten einzelnen Werte des Zylinderdruckes bei der Expansion, erfolgt dabei insbesondere mittels einer Annäherungsfunktion bzw. eines Polynoms bestimmten Grades. Erfindungsgemäß wird so ein einfaches Verfahren bereitgestellt, da keine Berechnung, sondern eine Vorgabe eines Wertes für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression erfolgt, so dass die vergleichsweise „starre” Kompressionsphase dennoch mit ausreichender Genauigkeit abgebildet wird. Ferner ist im Bereich des oberen Totpunktes das Differential dV, gemäß dem ersten Term, nahezu Null und wird erfindungsgemäß auch nicht berücksichtigt, was wiederum das Verfahren vereinfacht, ohne die Genauigkeit zu sehr zu vermindern. Der Grad des Polynoms zur Annäherung/Berechnung des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion ist erfindungsgemäß bevorzugt abhängig von der Anzahl der Einspritzungen von Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine, so dass erfindungsgemäß vorteilhaft Anteile einzelner Energiefreisetzungen in der Expansionsphase ausreichend berücksichtigt werden, bei der Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase während der Expansion. Die Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion kann erfindungsgemäß durch eine Erfassung/Messung des Druckes im Zylinder beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen oder durch eine Berechnung des Druckes im Zylinder, z. B. auf Grundlage des gemessenen Drehzahlverlaufes der Kurbelwelle oder auf sonstige indirekte Weise.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Hierbei zeigt:
1: schematische Darstellung der Hochdruckphase bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Druck-Volumen-Diagramm,
2: weitere schematische Darstellung der Hochdruckphase bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Druck-Volumen-Diagramm.
Wie allgemein bekannt, ist der indizierte Mitteldruck eine wichtige Kenngröße einer Brennkraftmaschine. Insbesondere gibt der indizierte Mitteldruck präzise Auskunft über den aktuellen Belastungszustand einer Brennkraftmaschine, was wiederum für die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine nützlich ist, etwa zur Zumessung von Kraftstoff in den oder die Zylinder. Insbesondere ist dabei der indizierte Mitteldruck in der Hochdruckphase aussagekräftig. Ohne eine Berücksichtigung des Ladungswechsels ist gemäß 1 die Hochdruckphase/-schleife bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Druck-Volumen-Diagramm gezeigt. In dem Punkt a ist der Kompressionsbeginn bzw. gemäß 1 fällt der Kompressionsbeginn der Einfachheit halber mit dem unteren Totpunkt des Kolbens in dem Zylinder der Brennkraftmaschine zusammen. Natürlich muss das nicht so sein, was der Fachmann weiß, d. h. der Kompressionsbeginn kann auch zeitlich nach dem unteren Totpunkt des Kolbens im Zylinder liegen, insbesondere, wenn der Einlass erst dann schließt. In dem Punkt b ist das Kompressionsende bzw. der obere Totpunkt des Kolbens in dem Zylinder erreicht. Erfindungsgemäß wird keine Bestimmung des Zylinderdruckverlaufes während der Kompression bzw. zwischen Punkt a und b vorgenommen und es erfolgt keine Integration des Zylinderdruckverlaufes über dem Zylindervolumen bei der Kompression, so dass auch kein aktueller berechneter Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression bereitsteht. Vielmehr wird erfindungsgemäß ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression vorgegeben. Der Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression wird z. B. mittels eines Kennfeldes bereitgestellt. Das Kennfeld wird bei der Entwicklung der Brennkraftmaschine bedatet, beispielsweise in Verbindung mit einer genauen Zylinderdruckmessung. Insbesondere umfasst das Kennfeld Werte für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression, also insbesondere zwischen Punkt a und b, in Abhängigkeit von dem Druck und/oder der Temperatur in der Ansauganlage. Wie in 1 gezeigt, ist zwischen dem Kompressionsende in Punkt b und dem Expansionsbeginn im Punkt c, d. h. im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens im Zylinder, das Differential dV Null und wird erfindungsgemäß auch nicht berücksichtigt. Zwischen dem Kompressionsende in Punkt b und dem Expansionsbeginn im Punkt c gemäß 1 erfolgt eine erste Wärmefreisetzung in dem Zylinder, so dass der Druck im Zylinder bei Expansionsbeginn in Punkt c gegenüber dem Kompressionsende in Punkt b höher ist. Wie die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Zylinder bzw. die Wärmefreisetzung in dem Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt, ist für das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 nicht relevant, d. h. es kann sich um eine Brennkraftmaschine mit innerer oder äußerer Gemischbildung handeln bzw. mit einer Mehrfacheinspritzung von Kraftstoff in den Zylinder allein oder in Verbindung mit einer mehrfach ausgeführten Fremdzündung. Gemäß 1 ist jedoch rein beispielhaft eine kombinierte Wärmefreisetzung dargestellt, wie sie z. B. bei einer Brennkraftmaschine, die nach dem Dieselprinzip arbeitet, erfolgt und bei der eine Einspritzung direkt in den Zylinder oder zwei Einspritzungen von Kraftstoff direkt in den Zylinder erfolgt, d. h. es ist eine Kombination aus Gleichraum- und Gleichdruck-Prozess dargestellt. Erfindungsgemäß erfolgt nun im weiteren Verlauf in dem Bereich zwischen dem Expansionsbeginn in Punkt c und dem Expansionsende in Punkt d, z. B. eine Erfassung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes, etwa von drei Werten mittels eines Zylinderdrucksensors, wie in 1 mittels drei Kreuzen dargestellt ist. Oder es erfolgt eine Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes, die durch eine Analyse des Drehzahlverlaufes der Kurbelwelle gewonnen wurden. Anhand der bereitgestellten einzelnen Werte des Zylinderdruckes in dem Bereich zwischen dem Expansionsbeginn in Punkt c und dem Expansionsende in Punkt d erfolgt erfindungsgemäß im weiteren Verlauf eine Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion anhand der bereitgestellten Werte des Zylinderdruckes. Die Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion in Abhängigkeit der bereitgestellten einzelnen Werte des Zylinderdruckes bei der Expansion erfolgt dabei insbesondere mittels einer Annäherungsfunktion bzw. eines Polynoms bestimmten Grades, wobei der Grad des Polynoms von der Anzahl der erfolgten Wärmefreisetzungen in dem Zylinder, Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder oder Fremdzündungen im Zylinder abhängen kann. Angenommen, gemäß 1 erfolgen zwei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder einer Dieselbrennkraftmaschine bzw. zwei Wärmefreisetzungen, die erste Wärmefreisetzung zwischen dem Kompressionsende in Punkt b und dem Expansionsbeginn in Punkt c und die zweite Wärmefreisetzung zwischen dem Expansionsbeginn in Punkt c und dem Expansionsende in Punkt d, dann ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, mittels eines Polynoms dritten Grades zu arbeiten gemäß der Summe der Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen plus 1, der Summe der Anzahl der Wärmefreisetzungen plus 1 oder der Summe der Anzahl der Fremdzündungen plus 1. In 2 ist schematisch eine Anzahl von drei erfolgten Wärmefreisetzungen in dem Zylinder, drei Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder oder drei Fremdzündungen im Zylinder gezeigt, so dass es zweckmäßig ist, hier mit einem Polynom vierten Grades zur Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion in Abhängigkeit der bereitgestellten einzelnen Werte des Zylinderdruckes bei der Expansion zu arbeiten, da so die in 2 schematisch gezeigte „Verlängerung” des Gleichdruckanteils gut erfasst und bei der Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase gebührend berücksichtigt wird. Erfindungsgemäß kann auch die Bereitstellung der Anzahl der einzelnen Werte des Zylinderdruckes bei der Expansion abhängig von der Anzahl der erfolgten Wärmefreisetzungen in dem Zylinder, der Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder oder der Anzahl der Fremdzündungen im Zylinder erfolgen, allein oder in Kombination mit einer Festlegung des Grades des Polynoms zur Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion. Erfindungsgemäß wird abschließend eine Integration des Zylinderdruckverlaufes über Bereich der Expansion, insbesondere dem Zylindervolumen bei der Expansion, also insbesondere zwischen Punkt c und d durchgeführt, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Expansion bereitsteht, welcher dann mit dem vorgegebenen Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression addiert wird, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase bereitsteht.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des indizierten Mitteldruckes in der Hochdruckphase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit folgenden Schritten: a.) Vorgabe eines Wertes für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression, b.) Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion, c.) Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion anhand der Werte des Zylinderdruckes gemäß Schritt b.), d.) Integration des Zylinderdruckverlaufes gemäß Schritt c.) bei der Expansion, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Expansion bereitsteht, e.) Addition des vorgegebenen Wertes gemäß Schritt a.) und des gemäß Schritt d.) bereitgestellten Wertes, so dass ein Wert für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase gebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Vorgabe des Wertes für den indizierten Mitteldruck in der Hochdruckphase während der Kompression gemäß Schritt a.) in Abhängigkeit von dem Druck und/oder der Temperatur in der Ansauganlage der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Approximation des Zylinderdruckverlaufes bei der Expansion gemäß Schritt c.) mittels einer Annäherungsfunktion erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die Annäherungsfunktion ein Polynom ist.
Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei der Grad des Polynoms von der Anzahl der erfolgten Wärmefreisetzungen in dem Zylinder, Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder oder Fremdzündungen im Zylinder abhängt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, wobei die Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion gemäß Schritt b.) durch eine Erfassung/Messung des Druckes im Zylinder beim Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, wobei die Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion gemäß Schritt b.) durch eine Berechnung des Druckes im Zylinder erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei die Bereitstellung von einzelnen Werten des Zylinderdruckes bei der Expansion gemäß Schritt b.) auf Grundlage des gemessenen Drehzahlverlaufes der Kurbelwelle erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 8, wobei die Anzahl der gemäß Schritt b.) bereitgestellten einzelnen Werte des Zylinderdruckes bei der Expansion abhängig von der Anzahl der erfolgten Wärmefreisetzungen in dem Zylinder, der Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen in den Zylinder oder der Anzahl der Fremdzündungen im Zylinder erfolgt.