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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur einer mittels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung eingespritzten Brennstoffmenge im Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1.
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Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt.
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Bei Brennkraftmaschinen, welche mindestens eine Brennstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in mindestens eine Brennkammer der Brennkraftmaschine aufweisen, werden Parameter zur Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung typischerweise auf in einem Neuzustand vorliegende Bedingungen abgestimmt. Insbesondere aufgrund von Verschleiß oder Kavitation im Bereich der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist es möglich, dass mit steigender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine zu hohe Brennstoffmengen eingespritzt werden. Dies ist problematisch, weil Abgaswerte, insbesondere Obergrenzen für eine Rußemission, nicht mehr eingehalten werden können. Auch steigt hierdurch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine. Es ist möglich, vor einer ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine in einem Motorsteuergerät eine Kalibrationskurve zu hinterlegen, welche die Veränderung der eingespritzten Brennstoffmenge über die Zeit antizipiert und die Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung entsprechend abhängig von der Betriebszeit verändert. Dies hat den Nachteil, dass die Parameter zur Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung auch dann verändert werden, wenn tatsächlich keine überhöhten Brennstoffmengen eingespritzt werden. Alternativ ist es bekannt, aufwändige Verfahren mittels gezielter Mengenvariationen der eingespritzten Brennstoffmenge und Beobachtung einer daraus resultierenden Drehungleichförmigkeit zur Ermittlung der tatsächlich eingespritzten Brennstoffmenge und zur Berechnung einer entsprechenden Korrektur durchzuführen. Auch sind Verfahren bekannt, bei welchen komplizierte Modelle der Brennstoffeinspritzvorrichtung herangezogen werden, wobei die eingespritzten Brennstoffmengen insbesondere durch Erfassen eines Speicherdrucks für den einzuspritzenden Brennstoff korrigiert werden. Diese Lösungen sind insgesamt sehr aufwändig und kompliziert.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 035 026 A1 geht ein Verfahren zur Korrektur einer mittels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung eingespritzten Brennstoffmenge in einer Brennkraftmaschine hervor, bei welchem eine Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine gemessen und eine Referenztemperatur des Abgases mittels eines Temperaturmodells berechnet wird. Die gemessene und die berechnete Temperatur werden verrechnet, wobei sich aus der Verrechnung eine Temperaturdifferenz ergibt, die zur Bestimmung einer Korrekturmenge an eingespritztem Brennstoff verwendet wird. Dieses Verfahren ist aufwändig, weil es auf ein kompliziertes Temperaturmodell zurückgreift, wobei insbesondere auch eine Einbeziehung einer Vielzahl von Korrekturgrößen nötig ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches eine einfache und schnelle Korrektur der eingespritzten Brennstoffmenge im Betrieb einer Brennkraftmaschine erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Hierbei wird eine Luftwärmekenngröße bestimmt, von der ein Luftwärmestrom, welcher mindestens einer Brennkammer der Brennkraftmaschine zugeführt wird, funktional abhängt. Es wird mindestens eine Abgaswärmekenngröße bestimmt, von der ein Abgaswärmestrom, welcher von der mindestens einen Brennkammer abgegeben wird, funktional abhängt. Unter einer funktionalen Abhängigkeit ist sowohl in Hinblick auf den Luftwärmestrom als auch in Hinblick auf den Abgaswärmestrom zu verstehen, dass eine Beziehung zwischen dem jeweiligen Wärmestrom und der jeweiligen Kenngröße derart besteht, dass eine mathematische Funktion angegeben werden kann, welche den Wärmestrom in Abhängigkeit von der Kenngröße beschreibt. Es wird ein Wärmeverteilungsfaktor bestimmt, der einen Bruchteil des Abgaswärmestroms reduziert um den Luftwärmestrom geteilt durch einen Wärmestrom angibt, welcher der Brennkammer mit dem eingespritzten Brennstoff, mithin einem der Brennkammer zugeführten Brennstoffmassenstrom, zugeführt wird. Dabei ist hier insbesondere die durch den Heizwert gegebene, durch chemische Umsetzung in der Brennkammer freisetzbare Wärmemenge des eingespritzten Brennstoffs angesprochen. Demgegenüber ist es möglich, die vergleichsweise kleine Wärmemenge, die sich aufgrund der Temperatur des eingespritzten Brennstoffs sowie dessen Wärmekapazität ergibt, zu vernachlässigen. Eine der Brennkraftmaschine zugeführte Brennstoffmasse wird aus der mindestens einen Luftwärmekenngröße, der mindestens einen Abgaswärmekenngröße und dem Wärmeverteilungsfaktor berechnet. Es wird eine Vergleichsgröße berechnet, die durch Vergleichen der berechneten Brennstoffmasse mit einem Brennstoffmassensollwert gewonnen wird. Schließlich wird eine Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung in Abhängigkeit von einem Wert der Vergleichsgröße angepasst.
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Das Verfahren beruht auf einer vergleichsweise einfachen Betrachtung der Wärmeströme durch die mindestens eine Brennkammer der Brennkraftmaschine. Dabei wird angenommen, dass der Brennkammer im Wesentlichen auf zwei Wegen Wärme zugeführt wird, nämlich durch die zugeführte Verbrennungsluft, welche eine bestimmte Wärmekapazität und eine bestimmte Temperatur, mithin einen bestimmten Wärmeinhalt aufweist, und über die chemische Energie des eingespritzten Brennstoffs, wobei sich der hier zugeführte Wärmestrom aus dem Produkt der pro Zeiteinheit zugeführten Brennstoffmenge und dem Heizwert des Brennstoffs ergibt. Aus der mindestens einen Brennkammer wird im Wesentlichen durch drei Mechanismen Wärme oder Leistung abgeführt: Ein erster Mechanismus betrifft die mechanische Arbeit, welche durch die Brennkammer geleistet wird. Ein zweiter Mechanismus spricht die Wärmemenge an, die mit einem Abgasmassenstrom aus der Brennkammer abgeführt wird, wobei das Abgas eine bestimmte Wärmekapazität und eine bestimmte Temperatur, mithin einen bestimmten Wärmeinhalt aufweist. Schließlich spricht ein dritter Mechanismus an, dass der Brennkammer Wärme durch Kühlung, Wärmestrahlung sowie Konvektion entzogen wird. Es wird nun angenommen, dass sich die prozentuale Aufteilung der Wärmeströme jedenfalls bei gegebenem Lastpunkt der Brennkraftmaschine nicht ändert, selbst wenn die tatsächlich eingespritzte Brennstoffmenge durch Alterung verändert wird. Es ist daher möglich, einen Wärmeverteilungsfaktor anzugeben, dessen Wert unabhängig von einer alterungsbedingten Änderung der eingespritzten Brennstoffmenge ist, und der das Verhältnis der mit dem Abgas abgeführten und um die mit der Verbrennungsluft zugeführten Wärmemenge reduzierte Wärmemenge zu der durch den Brennstoff zugeführten Wärmemenge angibt. Der Abgaswärmestrom und der Luftwärmestrom können als Funktion der mindestens einen Luftwärmekenngröße beziehungsweise der mindestens einen Abgaswärmekenngröße angegeben werden. Der Wärmestrom, der sich durch den eingespritzten Brennstoff ergibt, kann als Funktion des Brennstoffmassenstroms beziehungsweise der eingespritzten Brennstoffmasse ausgedrückt werden. Insgesamt ist es so möglich, einen funktionalen Zusammenhang zwischen der eingespritzten Brennstoffmasse in Abhängigkeit von der Luftwärmekenngröße, der Abgaswärmekenngröße und dem Wärmeverteilungsfaktor anzugeben. Mithilfe dieses funktionalen Zusammenhangs ist es möglich, die eingespritzte Brennstoffmasse zu berechnen, wenn ein Wert für den Verteilungsfaktor angenommen wird, und wenn die Werte der mindestens einen Luftwärmekenngröße sowie der Abgaswärmekenngröße bekannt sind. Durch Vergleichen der berechneten Brennstoffmasse mit dem Brennstoffmassensollwert ist es dann ohne Weiteres möglich, eine Vergleichsgröße zu gewinnen, auf deren Grundlage die Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung korrigiert werden kann, um insbesondere eine alterbedingte Änderung der eingespritzten Brennstoffmenge auszugleichen. Das Verfahren ist vergleichsweise einfach und schnell durchzuführen, wobei nur wenige Größen bekannt sein beziehungsweise angenommen werden müssen. Auch die dem Verfahren zugrundeliegenden Rechenoperationen sind einfach und schnell durchzuführen.
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Vorzugsweise wird das Verfahren von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine durchgeführt beziehungsweise ist in ein solches implementiert. Die Luftwärmekenngröße und die Abgaswärmekenngröße werden vorzugsweise durch hierzu geeignete Sensoren gemessen, die besonders bevorzugt mit dem Steuergerät zur Übermittelung der Messwerte wirkverbunden sind. Der Wärmeverteilungsfaktor ist vorzugsweise in dem Steuergerät hinterlegt, wobei zur Berechnung der eingespritzten Brennstoffmenge auf mindestens einen gespeicherten Wert für den Wärmeverteilungsfaktor zurückgegriffen wird.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine erste Luftwärmekenngröße bestimmt wird, indem eine Verbrennungslufttemperatur gemessen wird. Dabei spricht der Begriff der Verbrennungslufttemperatur die Temperatur eines Luftmassenstroms an, welcher der mindestens einen Brennkammer zugeführt wird. Es ist offensichtlich, dass der Luftwärmestrom funktional von der Verbrennungslufttemperatur abhängt. Vorzugsweise wird eine zweite Luftwärmekenngröße bestimmt, indem ein Verbrennungsluftdruck gemessen wird. Dabei spricht der Begriff des Verbrennungsluftdrucks den Druck an, der in dem der mindestens einen Brennkammer zugeführten Luftmassenstrom herrscht. Der Luftmassenstrom selbst hängt über eine Zustandsgleichung, insbesondere über die thermische Zustandsgleichung idealer Gase, die auch als allgemeine Gasgleichung bezeichnet wird, von der Verbrennungslufttemperatur und dem Verbrennungsluftdruck ab. Der Luftwärmestrom wiederum kann als Funktion des Luftmassenstroms und der Verbrennungslufttemperatur unter Berücksichtigung der Wärmekapazität, insbesondere der isobaren Wärmekapazität, dargestellt werden.
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Das Verfahren wird bevorzugt auch durchgeführt, wenn eine Abgasrückführung für die Brennkraftmaschine vorgesehen ist. In diesem Fall umfasst der Luftmassenstrom vorzugsweise die der Brennkammer zugeführte Verbrennungsluft und den in die Brennkammer zurückgeführten Abgasmassenstrom. Entsprechend umfasst der Luftwärmestrom die Wärmemengen sowohl der Verbrennungsluft als auch des rückgeführten Abgases. Die Verbrennungslufttemperatur spricht dann die Temperatur an, welche in dem kombinierten Strom aus Verbrennungsluft und rückgeführten Abgas herrscht.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Abgaswärmekenngröße bestimmt wird, indem eine Abgastemperatur gemessen wird. Die Abgastemperatur ist dabei die Temperatur eines von der mindestens einen Brennkammer abgegeben Abgasmassenstroms. Der Abgaswärmestrom kann dann als Funktion des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur unter Berücksichtigung der Wärmekapazität, insbesondere des isobaren Wärmekapazität, des Abgases dargestellt werden.
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Bevorzugt wird der Abgasmassenstrom auf der Grundlage des Massenerhaltungssatzes als Summe aus dem Luftmassenstrom und dem Brennstoffmassenstrom, mithin der eingespritzten Brennstoffmenge, angesetzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die hier angesprochenen funktionalen Zusammenhänge ineinander eingesetzt und die hieraus resultierende Gleichung wird nach der eingespritzten Brennstoffmasse aufgelöst.
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Es zeigt sich auf diese Weise, dass bei Kenntnis der Verbrennungslufttemperatur, des Verbrennungsluftdrucks und der Abgastemperatur sowie bei Annahme eines Wertes für den Wärmeverteilungsfaktor die eingespritzte Brennstoffmasse leicht berechnet werden kann. Dafür werden im Rahmen der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens die Verbrennungslufttemperatur, der Verbrennungsluftdruck und die Abgastemperatur gemessen. Hierfür können Sensoren verwendet werden, die ohnehin bei der Brennkraftmaschine vorhanden sind. Bei einem Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine, das keinen Abgastemperatur-Sensor aufweist, muss zur Durchführung des Verfahrens lediglich ein solcher zusätzlicher Sensor hinzugefügt werden.
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Es zeigt sich, dass die Berechnung des Luftmassenstroms auf der Grundlage der Zustandsgleichung idealer Gase gegebenenfalls nicht genau genug ist. Um Abweichungen der Verbrennungsluft vom Verhalten eines idealen Gases und gegebenenfalls weitere Korrekturen zu berücksichtigen, wird ein Verfahren bevorzugt, bei welchem der Luftmassenstrom aus der ersten und der zweiten Luftwärmekenngröße, also aus der Verbrennungslufttemperatur und dem Verbrennungsluftdruck, unter Berücksichtigung eines Korrekturfaktors berechnet wird. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Korrekturfaktor geschätzt. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird der Korrekturfaktor anhand von Prüfstandsversuchen für ein konkretes Modell der Brennkraftmaschine ermittelt.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, das als Vergleichsgröße der Quotient aus der berechneten Brennstoffmasse dividiert durch den Brennstoffmassensollwert berechnet wird. Es wird also der Faktor berechnet, um den der berechnete Brennstoffmassenstrom, für den angenommen wird, dass er der tatsächlich eingespritzten Brennstoffmenge entspricht, von dem Brennstoffmassensollwert abweicht. Ist der Quotient größer eins, weicht der berechnete und damit auch der angenommene tatsächliche Wert nach oben von dem Sollwert ab. Weist der Quotient dagegen einen Wert auf, der kleiner als eins ist, liegt eine entsprechende Abweichung nach unten vor. Vorzugsweise wird im Rahmen des Verfahrens eine Abweichung nach unten toleriert, wobei eine Abweichung nach oben anzeigt, dass eine Korrektur der eingespritzten Brennstoffmenge nötig ist. Dabei wird vorzugsweise die Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung nur angepasst, wenn der Quotient einen Wert größer als eins aufweist. Vorzugsweise wird in diesem Fall eine Injektorkennlinie, welche betriebspunktabhängig die einzuspritzende Brennstoffmenge vorgibt, angepasst, wobei diese bei einer besonders bevorzugten und einfachen Ausführungsform des Verfahrens mit einem Anpassfaktor skaliert wird, welcher dem Kehrwert des Quotienten entspricht.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung auch angepasst wird, wenn der Quotient einen Wert kleiner als eins aufweist. In diesem Fall können auch Tendenzen oder Veränderungen berücksichtigt werden, die zu einer Verringerung der eingespritzten Brennstoffmenge mit zunehmender Alterung der Brennkraftmaschine führen. Insbesondere ist die eingespritzte Brennstoffmenge mit Hilfe des Verfahrens auf einen vorgebaren Sollwert regelbar, wenn auch Abweichungen nach unten korrigiert werden.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Brennstoffmassensollwert in Abhängigkeit von einer momentanen Drehzahl und einem momentanen Drehmomentsollwert der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Die vorzugsweise in dem Steuergerät hinterlegte, einzuspritzende Brennstoffmenge hängt demnach von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und von einer Drehmomentanforderung an die Brennkraftmaschine ab. Vorzugsweise ist für den Brennstoffmassensollwert ein Kennfeld hinterlegt, aus dem abhängig von der momentanen Drehzahl und dem momentan Drehmomentsollwert ein Brennstoffmassensollwert ausgelesen und zur Durchführung des Verfahrens herangezogen wird.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Brennstoffmassensollwert einmalig bei einer Initialisierung des Verfahrens in Hinblick auf eine Einsatzhöhe der Brennkraftmaschine angepasst wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Brennstoffmassensollwert vorzugsweise einmalig bei einer Initialisierung des Verfahrens in Hinblick auf eine Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine angepasst. Die Initialisierung des Verfahrens wird vorzugsweise in einem Neuzustand der Brennkraftmaschine vorgenommen, indem Parameter des Verfahrens bedatet werden. Dabei werden vorzugsweise typische, quasi für die Brennkraftmaschine charakteristische Werte des Brennstoffmassensollwerts vorzugsweise in Hinblick auf eine Einsatzhöhe und/oder einer Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine korrigiert. Die bei einer bestimmten Drehzahl und einer bestimmten Drehmomentanforderung einzuspritzende Brennstoffmenge hängt nämlich insbesondere über den äußeren Umgebungsdruck von der Einsatzhöhe der Brennkraftmaschine ab, sowie ebenfalls davon, welche Temperatur die Brennkraftmaschine während ihres Betriebs typischerweise erreicht, was wiederum von der Umgebungstemperatur und/oder den Kühlbedingungen abhängt. Insbesondere bei stationären Brennkraftmaschinen, die beispielsweise zum Betreiben von Generatoren zur Stromerzeugung verwendet werden, ist es möglich, die Einsatzhöhe und auch die Einsatztemperatur langfristig verlässlich zu prognostizieren.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Wärmeverteilungsfaktor in Abhängigkeit von der mindestens einen Luftwärmekenngröße bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Korrekturfaktor vorzugsweise in Abhängigkeit von der mindestens einen Luftwärmekenngröße bestimmt. Vorzugsweise wird eine funktionale Abhängigkeit des Wärmeverteilungsfaktors und/oder des Korrekturfaktors von der Verbrennungslufttemperatur berücksichtigt, wobei es möglich ist, dass in einem Steuergerät ein Kennfeld hinterlegt wird, in welchem von der Verbrennungslufttemperatur abhängige Werte für den Wärmeverteilungsfaktor und/oder den Korrekturfaktor gespeichert sind. Bevorzugt wird auch eine funktionale Abhängigkeit des Wärmeverteilungsfaktors und/oder des Korrekturfaktors von dem Verbrennungsluftdruck berücksichtigt, wobei bevorzugt in dem Steuergerät ein Kennfeld hinterlegt ist, in welchem Werte für den Verteilungsfaktor und/oder den Korrekturfaktor in Abhängigkeit von dem Verbrennungsluftdruck gespeichert sind. Vorzugsweise wird für den Wärmeverteilungsfaktor und/oder den Korrekturfaktor eine funktionale Abhängigkeit sowohl von der Verbrennungslufttemperatur als auch vom Verbrennungsluftdruck berücksichtigt, wobei bevorzugt in dem Steuergerät ein Kennfeld hinterlegt ist, welches Werte für den Wärmeverteilungsfaktor und/oder den Korrekturfaktor in Abhängigkeit sowohl von dem Verbrennungsluftdruck als auch von der Verbrennungslufttemperatur umfasst. Es ist möglich, dass solche Werte analytisch oder in Prüfstandsversuchen gewonnen werden.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass es nur in einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, bei welchem ein maximales Drehmoment von der Brennkraftmaschine abgegeben wird. Dies bedeutet insbesondere, dass das Verfahren lediglich unter Volllast durchgeführt wird, wobei auch nur ein Brennstoffmassensollwert für einen Betriebspunkt maximalen Drehmoments hinterlegt ist. Es ist möglich, dass dieser Brennstoffmassensollwert in Hinblick auf eine Einsatzhöhe und/oder eine Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine korrigiert wird.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, das Verfahren lediglich unter Volllast durchzuführen, weil angenommen werden kann, dass eine unter Volllast auftretende Abweichung der eingespritzten Brennstoffmenge sich in gleicher oder zumindest sehr ähnlicher Weise in anderen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine auswirkt, sodass die unter Volllast ermittelte Korrektur für den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine gültig ist.
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Alternativ ist es allerdings möglich, dass das Verfahren in zumindest einigen von der Volllast abweichenden Lastpunkten durchgeführt wird. Besonders bevorzugt wird das Verfahren in dem gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine durchgeführt. In diesem Fall werden der Wärmeverteilungsfaktor, der Korrekturfaktor und der Brennstoffmassensollwert in Abhängigkeit von einem momentanen Lastpunkt der Brennkraftmaschine gewählt. Vorzugsweise sind in dem Steuergerät entsprechende Kennfelder hinterlegt, in denen Werte für den Wärmeverteilungsfaktor, den Korrekturfaktor und den Brennstoffmassensollwert abhängig von dem Lastpunkt der Brennkraftmaschine gespeichert sind. Die Grundannahme des Verfahrens, dass der Wärmeverteilungsfaktor nicht von einer Alterung der Brennstoffeinspritzvorrichtung beziehungsweise der Brennkraftmaschine insgesamt abhängt, wird hiervon nicht berührt. Es wird lediglich zusätzlich angenommen, dass der Wärmeverteilungsfaktor in verschiedenen Lastpunkten der Brennkraftmaschine verschiedene Werte annimmt. Ein gleiches wird für den Korrekturfaktor angenommen. Dass der Brennstoffmassensollwert vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine abhängt, ist offensichtlich, weil auch insgesamt der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine lastpunktabhängig ist.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Brennstoffmassensollwert in Abhängigkeit der mindestens einen Luftwärmekenngröße und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Einsatzhöhe und/oder Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine gewählt wird. Vorzugsweise wird also bei der Bestimmung des Brennstoffmassensollwerts berücksichtigt, dass dieser von mindestens einer Größe ausgewählt aus der Verbrennungslufttemperatur, dem Verbrennungsluftdruck, der Einsatzhöhe und der Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine, insbesondere von dem Umgebungsdruck, abhängt. Vorzugsweise ist in dem Steuergerät ein Kennfeld für den Brennstoffmassensollwert hinterlegt, indem Werte in Abhängigkeit von mindestens einer der genannten Größen gespeichert sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine sowie der durch diese fließenden Wärmeströme, und
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2 eine schematische Darstellung einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine mit Sensoren, die zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
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In 1 ist schematisch die gedankliche Grundlage dargestellt, auf welcher das Verfahren beruht. Eine Brennkammer 1 wird von verschiedenen Wärmeströmen durchsetzt, wobei angenommen wird, dass die Brennkammer 1 weder als Wärmequelle noch als Wärmesenke wirkt, so dass die gesamte Wärme, die in die Brennkammer 1 strömt, auch wieder aus dieser austritt, wobei eine Temperatur der Brennkammer 1 zumindest näherungsweise konstant bleibt. In 1 von links kommend sind ein Luftwärmestrom 3 sowie ein Brennstoffwärmestrom 5 dargestellt, durch die der Brennkammer 1 Wärme zugeführt wird. Der den Brennstoffwärmestrom 5 transportierende Brennstoffmassenstrom wird zuvor, hier und im Folgenden auch als eingespritzte Brennstoffmasse oder als eingespritzte Brennstoffmenge bezeichnet, wobei diese Angaben bevorzugt auf ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine bezogen zu verstehen sind. Insbesondere ist es ohne Weiteres möglich, eine pro Arbeitsspiel eingespritzte Brennstoffmenge in eine der Brennkammer pro Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmasse, mithin einen Brennstoffmassenstrom umzurechnen. Um den der Brennkammer 1 mit dem Brennstoff zugeführten Wärmestrom Qbr zu erhalten, wird der auch als mbr bezeichnete Brennstoffmassenstrom 5 multipliziert mit dem Heizwert Hu des verwendeten Brennstoffs. Somit ergibt sich die Gleichung: Qbr = mbrHu. (1)
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Aus der Brennkammer 1 wird Wärme abgeführt, indem in dieser beziehungsweise durch diese mechanische Arbeit verrichtet wird, was durch einen Arbeitswärmestrom 7 schematisch dargestellt ist. Der Brennkammer 1 wird weiterhin Wärme durch einen Abgaswärmestrom 9 entzogen. Weitere Pfade, über denen der Brennkammer 1 Wärme entzogen wird, werden in einem Verlustwärmestrom 11 zusammengefasst, wobei hier insbesondere eine Wärmeabfuhr durch Kühlung, Wärmestrahlung sowie Konvektion angesprochen ist.
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Dem Verfahren liegt die Annahme zugrunde, dass die prozentuale Aufteilung der verschiedenen Wärmeströme auch bei insbesondere alterungsbedingter Veränderung der eingespritzten Brennstoffmenge zumindest näherungsweise konstant ist. Es wird daher ein Wärmeverteilungsfaktor x angenommen, der sich als Quotient des mit Q
A bezeichneten Abgaswärmestroms
9 reduziert um den als Q
L bezeichneten Luftwärmestrom
3 dividiert durch den Brennstoffwärmestrom Q
br nach folgender Gleichung ergibt:
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens eingerichteten Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung. Dabei ist wiederum die Brennkammer 1 dargestellt, der über eine Verbrennungsluftleitung 13 ein Luftwärmestrom 3 zugeführt wird, während der Brennkammer 1 über eine Abgasleitung 15 der Abgaswärmestrom 9 entnommen wird. In der Verbrennungsluftleitung 13 ist ein Verbrennungslufttemperatursensor 17 zur Messung der Verbrennungslufttemperatur als erster Luftwärmekenngröße vorgesehen. Die Verbrennungslufttemperatur wird im Folgenden als TL bezeichnet. Weiterhin ist in der Verbrennungsluftleitung 13 ein Verbrennungsluftdrucksensor 19 zur Messung eines Verbrennungsluftdrucks als zweiter Luftwärmekenngröße vorgesehen. Der Verbrennungsluftdruck wird im Folgenden als pL bezeichnet. Schließlich ist in der Abgasleitung 15 ein Abgastemperatursensor 21 vorgesehen, mit dem eine Abgastemperatur als Abgaswärmekenngröße messbar ist. Die Abgastemperatur wird im Folgenden als TA bezeichnet.
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Das Verfahren wird vorzugsweise in einer Brennkraftmaschine durchgeführt, welche als Hubkolbenmotor ausgebildet ist, wobei sie vorzugsweise nach dem Diesel- oder nach dem Otto-Verfahren betrieben wird. Als Brennstoff wird entsprechend vorzugsweise Diesel, Benzin, Gas, insbesondere Magergas, oder ein anderer geeigneter Brennstoff verwendet. Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennkammern auf, welche der Anzahl ihrer Zylinder entspricht.
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Es wird im Rahmen der Erfindung auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Bestimmung mindestens einer Luftwärmekenngröße, eine Einrichtung zur Bestimmung mindestens einer Abgaswärmekenngröße, sowie eine Einrichtung zur Berechnung der eingespritzten Brennstoffmasse aus der mindestens einen Luftwärmekenngröße, zur Berechnung der Vergleichsgröße und zur Anpassung einer Ansteuerung der Brennstoffeinspritzvorrichtung in Abhängigkeit von einem Wert der Vergleichsgröße. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine weist insbesondere den Verbrennungsluft-Temperatur-Sensor 17, den Verbrennungsluftdrucksensor 19 und den Abgastemperatursensor 21 auf. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine vorzugsweise ein Steuergerät auf, welches zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet und insbesondere mit den Sensoren 17, 19, 21 wirkverbunden ist.
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Bevorzugt wird auch ein Motorsteuergerät, in welchem das Verfahren gemäß einem der hier angesprochenen Ausführungsbeispiele implementiert ist.
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Es zeigt sich, dass zur Durchführung des Verfahrens in Hinblick auf eine Sensorik der Brennkraftmaschine bevorzugt lediglich der Verbrennungslufttemperatursensor 17, der Verbrennungsluftdrucksensor 19 und der Abgastemperatursensor 21 vorgesehen sind. Diese Sensoren sind bei einer Vielzahl von Brennkraftmaschinen ohnehin vorgesehen, sodass es keiner zusätzlichen Sensorik zur Durchführung des Verfahrens bedarf. Es ist möglich, dass bei einer Brennkraftmaschine lediglich der Verbrennungslufttemperatursensor 17 und der Verbrennungsluftdrucksensor 19 vorgesehen sind. In diesem Fall ist es zur Durchführung der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens lediglich nötig, einen weiteren Sensor, nämlich den Abgastemperatursensor 21 an der Brennkraftmaschine vorzusehen. Damit zeigt sich, dass das Verfahren insbesondere auf eine wenig komplizierte und zumindest im Wesentlichen ohnehin vorhandene Sensorik zurückgreift.
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Zur Berechnung der eingespritzten Brennstoffmasse wird vorzugsweise folgendermaßen vorgegangen:
Ein der Brennkammer
1 idealerweise zugeführter Luftmassenstrom m
L,id wird über die allgemeine Gasgleichung als Funktion der Verbrennungslufttemperatur T
L, des Verbrennungsluftdrucks p
L sowie eines Hubvolumens V
h einer Brennkammer der Brennkraftmaschine multipliziert mit einer Anzahl Z von Brennkammern, sowie der Drehzahl n der Brennkraftmaschine – vorzugsweise ausgedrückt in Umdrehungen pro Sekunde – angegeben, wobei ein Taktzahlfaktor berücksichtigt wird, der angibt, wie viele Ansaugtakte die Brennkraftmaschine pro Umdrehung ihrer Kurbelwelle aufweist. Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einer Viertaktbrennkraftmaschine ausgegangen, sodass der Taktzahlfaktor 0,5 beträgt. Somit ergibt sich insgesamt für den idealerweise zugeführten Luftmassenstrom m
L,id, mit der allgemeinen Gaskonstante R folgende Gleichung:
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Zur Vereinfachung der Darstellung werden im Folgenden das Hubvolumen V
h die Anzahl der Brennkammern Z, die Drehzahl n, die allgemeine Gaskonstante R und der Taktzahlfaktor in einer Konstante K zusammengefasst:
sodass sich unter Berücksichtigung von (4) in (3) folgende Gleichung für den idealerweise zugeführten Luftmassenstrom m
L,id ergibt:
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Abweichungen der Verbrennungsluft vom idealen Verhalten sowie gegebenenfalls weitere Effekte, die eine Korrektur erforderlich machen, werden berücksichtigt, indem der Luftmassenstrom mL angesetzt wird als Produkt aus dem idealen Luftmassenstrom mL,id multipliziert mit einem Korrekturfaktor λ:
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Der Abgasmassenstrom mA wird unter Berücksichtigung des Massenerhaltungssatzes angenommen als Summe aus dem Luftmassenstrom mL und dem Brennstoffmassenstrom beziehungsweise der eingespritzten Brennstoffmasse mbr: mA = mL + mbr. (6)
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Es ist nun möglich, den Abgaswärmestrom QA unter Berücksichtigung der isobaren Wärmekapazität des Abgases cp,A als Funktion der Abgastemperatur TA auszudrücken: QA = mAcp,ATA. (7)
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In analoger Weise ist es möglich, den Luftwärmestrom QL unter Berücksichtigung der isobaren Wärmekapazität der Verbrennungsluft cp,L als Funktion der Verbrennungslufttemperatur TL auszudrücken: QL = mLcp,LTL. (8)
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Insgesamt ergibt sich für die Differenz des Abgaswärmestroms und des Luftwärmestroms die folgende Gleichung:
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Setzt man nun einerseits Gleichung (9) und andererseits Gleichung (1) in Gleichung (2) ein und löst die so entstehende Gleichung nach dem Brennstoffmassenstrom m
br auf, ergibt sich die berechnete Brennstoffmasse zu:
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Es zeigt sich somit, dass die eingespritzte Brennstoffmasse mbr berechnet werden kann aus den Messwerten des Verbrennungslufttemperatursensors 17, des Verbrennungsluftsensors 19 und des Abgastemperatursensors 21, wenn ein Wert für den Korrekturfaktor λ sowie ein Wert für den Wärmeverteilungsfaktor x angenommen wird. Die Wärmekapazitäten des Abgases cp,A sowie der Verbrennungsluft cp,L werden vorzugsweise als konstant angenommen und sind besonders bevorzugt in dem Steuergerät hinterlegt.
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Zur Korrektur der eingespritzten Brennstoffmenge wird vorzugsweise als Vergleichsgröße ein Quotient k aus der berechneten Brennstoffmasse m
br und einem Brennstoffmassensollwert m
S berechnet:
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Vorzugsweise ist in dem Steuergerät eine Injektorkennlinie hinterlegt, welche lastpunktabhängig, insbesondere Abhängig von der Drehzahl n und einer Drehmomentanforderung der Brennkraftmaschine Ansteuerungsparameter für die Brennstoffeinspritzvorrichtung beziehungsweise Werte für eine einzuspritzende Brennstoffmasse umfasst. Diese Injektorkennlinie wird vorzugsweise korrigiert, wenn der Quotient k einen Wert aufweist, der größer als 1 ist. Hingegen wird bevorzugt keine Korrektur der Injektorkennlinie vorgenommen, wenn der Wert des Quotienten k kleiner oder gleich 1 ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Injektorkennlinie mit einem Anpassfaktor skaliert, der gleich dem Kehrwert des Quotienten k ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Injektorkennlinie stets auch dann korrigiert, wenn der Quotient k einen Wert aufweist, der verschieden von 1 ist. Auch in diesem Fall wird die Injektorkennlinie vorzugsweise mit einem Anpassfaktor skaliert, welcher der Kehrwert des Quotienten k ist.
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Bei einer besonders einfachen Ausführungsform des Verfahrens wird sowohl für den Korrekturfaktor λ als auch für den Wärmeverteilungsfaktor x jeweils ein konstanter Wert angenommen. Bei einer anderen Ausführungsform ist es möglich, dass für den Korrekturfaktor λ und/oder für den Wärmverteilungsfaktor x eine Abhängigkeit von der Verbrennungslufttemperatur TL angenommen wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass für den Korrekturfaktor λ und/oder für den Wärmeverteilungsfaktor x eine Abhängigkeit von dem Verbrennungsluftdruck pL angenommen wird. Die verschiedenen, druck- und/oder temperaturabhängigen Werte werden vorzugsweise in Kennfeldern hinterlegt. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine analytische Beschreibung der Abhängigkeiten möglich, wobei die entsprechenden Werte im Rahmen des Verfahrens stets neu berechnet werden.
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Der Brennstoffmassensollwert mS wird vorzugsweise einmalig bei einer Initialisierung des Verfahrens in Hinblick auf einer Einsatzhöhe und/oder einer Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine angepasst. Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass der Brennstoffmassensollwert abhängig von der Verbrennungslufttemperatur TL und/oder von dem Verbrennungsluftdruck pL gewählt wird, wobei über diese Werte vorzugsweise implizit auch eine Einsatzhöhe sowie eine Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird. Es ist bei einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, zusätzlich oder alternativ explizit eine Abhängigkeit des Brennstoffmassensollwerts mS von einer momentanen Einsatzhöhe und/oder Einsatztemperatur der Brennkraftmaschine zur berücksichtigen. Vorzugsweise sind die entsprechenden, abhängigen Werte des Brennstoffmassensollwerts mS in einem Kennfeld hinterlegt.
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Es ist bei einer Ausführungsform des Verfahrens möglich, dass dieses nur unter Volllast der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. In diesem Fall ist der Brennstoffmassensollwert mS stets ein dem Drehmomentmaximum der Brennkraftmaschine zugeordneter Wert.
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Alternativ ist es möglich, dass das Verfahren in zumindest einigen, von der Volllast abweichenden Betriebspunkten der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Besonders bevorzugt wird das Verfahren im gesamten Betriebs- beziehungsweise Lastbereich der Brennkraftmaschine durchgeführt. In diesem Fall hängt der Brennstoffmassensollwert mS vom momentanen Lastpunkt der Brennkraftmaschine ab. Vorzugsweise sind lastpunktabhängige Werte für den Brennstoffmassensollwert mS in einem Kennfeld hinterlegt. Wird das Verfahren lastpunktabhängig durchgeführt, wird vorzugsweise auch eine Lastpunktabhängigkeit für den Korrekturfaktor λ und/oder für den Wärmeverteilungsfaktor x berücksichtigt. Die entsprechenden Werte sind bevorzugt ebenfalls in Kennfeldern hinterlegt.
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Versuche zeigen, dass es mithilfe des Verfahrens möglich ist, eine Abweichung der eingespritzten Brennstoffmasse auf wenigstens 3 % genau zu bestimmen und entsprechende Korrekturen durchzuführen. Die Genauigkeit kann insbesondere durch detaillierte Berücksichtung der Abhängigkeiten des Wärmeverteilungsfaktors x und des Korrekturfaktors λ von der Verbrennungslufttemperatur TL sowie dem Verbrennungsluftdruck pL weiter gesteigert werden.
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So zeigt sich insgesamt, dass es mithilfe des Verfahrens auf der Grundlage eines einfachen physikalischen Ansatzes unter Heranziehung von nur drei Messwerten ohne großen Aufwand möglich ist, eine Korrektur der mittels einer Brennstoffeinspritzvorrichtung eingespritzten Brennstoffmenge im Betrieb der Brennkraftmaschine durchzuführen.
