DE102015007455A1

DE102015007455A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie entsprechende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015007455A1
Application number: DE102015007455.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Senft
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-06-06
Also published as: DE102015007455B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Dabei ist vorgesehen, dass in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) eine Kolbentemperatur eines Kolbens (5) der Brennkraftmaschine (1) aus einer Wärmezufuhrgröße und einer Wärmeabfuhrgröße modelliert und bei Unterschreiten eines Kolbentemperaturgrenzwerts durch die Kolbentemperatur ein Kolbenaufheizbetrieb durchgeführt wird, in welchem eine Kolbenkühlung verringert oder deaktiviert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine (1) mit Kraftstoffdirekteinspritzung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.
Die Brennkraftmaschine dient dem Bereitstellen eines Drehmoments, welches beispielsweise auf das Antreiben eines Kraftfahrzeugs gerichtet ist. In diesem Fall ist die Brennkraftmaschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Brennkraftmaschine verfügt über wenigstens einen, vorzugsweise mehrere, Zylinder, wobei in jedem Zylinder ein Kolben längsbeweglich angeordnet ist. Zum Betreiben der Brennkraftmaschine wird in den wenigstens einen Zylinder Kraftstoff eingebracht. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Kraftstoff unmittelbar in den Zylinder eingebracht wird; es liegt insoweit eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung vor. Die Brennkraftmaschine liegt beispielsweise als Otto-Brennkraftmaschine vor, auch eine Ausgestaltung als Diesel-Brennkraftmaschine ist jedoch vorstellbar.
Während der Einspritzung des Kraftstoffs im Rahmen der Kraftstoffdirekteinspritzung kann eine bestimmte Menge des Kraftstoffs in flüssiger Form auf den Kolben gelangen, also in unverdampftem Zustand auf diesen auftreffen. Weist der Kolben eine ausreichend hohe Temperatur auf, so verdampft der Kraftstoff rasch, sodass keine negative Beeinflussung der Abgasemission der Brennkraftmaschine auftreten kann. Reicht die Temperatur des Kolbens dagegen (noch) nicht aus, so kann der Kraftstoff nicht beziehungsweise nicht rechtzeitig vor dem Zündzeitpunkt verdampfen, sodass aufgrund der dann schlechten Durchmischung mit dem zur Verfügung stehenden Frischgas die Partikelemissionen ansteigen.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 100 42 551 A1 bekannt. Diese betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftstoffdirekteinspritzung einer fremdgezündeten, wenigstens zeitweise in einem Homogenmodus betriebenen Verbrennungskraftmaschine, wobei mindestens ein Kolben sich in einem Zylinder zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt auf und ab bewegt, die Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle übersetzt wird und eine Kraftstoffeinspritzung mit einem vorgebbaren Einspritzzeitpunkt während einer Kolbenabwärtsbewegung eines Ansaugtakts durchgeführt wird. Dabei soll der Einspritzzeitpunkt in Abhängigkeit von einer Temperatur der Verbrennungskraftmaschine gesteuert werden.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere eine deutliche Verringerung der Partikelemissionen ermöglicht.
Die wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Kolbentemperatur eines Kolbens der Brennkraftmaschine aus einer Wärmezufuhrgröße und einer Wärmeabfuhrgröße modelliert und bei Unterschreiten eines Kolbentemperaturgrenzwerts durch die Kolbentemperatur ein Kolbenaufheizbetrieb durchgeführt wird, in welchem eine Kolbenkühlung verringert oder deaktiviert wird.
Die beschriebene Vorgehensweise kann lediglich in dem Betriebszustand, in verschiedenen Betriebszuständen oder permanent durchgeführt werden. Als Betriebszustand kommt dabei insbesondere ein Warmlaufbetriebszustand der Brennkraftmaschine in Betracht, welcher durchgeführt wird, solange die Brennkraftmaschine eine Temperatur aufweist, welche kleiner ist als eine Normalbetriebstemperatur der Brennkraftmaschine. Der Betriebszustand kann zusätzlich oder alternativ einen Beschleunigungsbetriebszustand umfassen, welcher vorliegt, solange die Brennkraftmaschine ein Drehmoment abgibt, welches einen Drehmomentschwellenwert überschreitet. Sowohl in dem Warmlaufbetriebszustand als auch in dem Beschleunigungsbetriebszustand liegen in der Brennkraftmaschine stark instationäre Verhältnisse vor, welche schwierig abzubilden sind und bei einer Kühlung der Brennkraftmaschine bislang nicht berücksichtigt werden können.
Es ist nun vorgesehen, dass die Wärmezufuhrgröße und die Wärmeabfuhrgröße ermittelt und aus diesen die Kolbentemperatur des Kolbens modelliert wird. Die Wärmezufuhrgröße beschreibt dabei den Wärmeeintrag in den Kolben während des Betriebs der Brennkraftmaschine, beispielsweise aufgrund der Verbrennung, die in dem dem Kolben zugeordneten Zylinder periodisch abläuft. Die Wärmeabfuhrgröße berücksichtigt dagegen den Wärmeaustrag aus dem Kolben. Die Wärmezufuhrgröße und die Wärmeabfuhrgröße werden vorzugsweise regelmäßig ermittelt, insbesondere in festen Intervallen, also mit konstanten Zeitabständen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Intervalle in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Beispielsweise wird das Intervall umso kürzer gewählt, je größer die Wärmezufuhrgröße und/oder die Wärmeabfuhrgröße sind.
Nach dem Ermitteln der Wärmezufuhrgröße und der Wärmeabfuhrgröße wird die Kolbentemperatur modelliert, wobei dies insbesondere iterativ erfolgt, sodass also die Kolbentemperatur jeweils von der unmittelbar zuvor modellierten Kolbentemperatur abhängt. Mit einer derartigen Vorgehensweise ist eine äußerst präzise Abschätzung der Kolbentemperatur möglich, insbesondere auch während instationären Betriebszuständen, beispielsweise also während des Beschleunigungsbetriebszustands und/oder des Warmlaufbetriebszustands.
Wir nun festgestellt, dass die Kolbentemperatur kleiner ist als der Kolbentemperaturgrenzwert, so soll die Kolbentemperatur möglichst erhöht werden, um die Partikelemissionen zu verringern. Entsprechend wird bei Unterschreiten des Kolbentemperaturgrenzwerts durch die Kolbentemperatur der Kolbenaufheizbetrieb durchgeführt. Während des Kolbenaufheizbetriebs wird die Kolbenkühlung verringert oder zumindest teilweise deaktiviert, insbesondere vollständig deaktiviert. Unter der Kolbenkühlung ist dabei vorzugsweise eine aktive Kühlung des Kolbens zu verstehen, mittels welcher der Kolben unmittelbar gekühlt werden kann.
Die Kolbenkühlung kann beispielsweise mittels einer dem Kolben zugeordneten Kühleinrichtung durchgeführt werden. In diesem Fall wird die Leistung der Kühleinrichtung reduziert oder die Kühleinrichtung gänzlich deaktiviert. Selbstverständlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Kolbenkühlung lediglich passiv beziehungsweise mittelbar erfolgt, beispielsweise aufgrund einer Zylinderkurbelgehäusekühlung und/oder einer Zylinderkopfkühlung. Dabei werden das Zylinderkurbelgehäuse und/oder der Zylinderkopf gekühlt und Wärme von dem Kolben auf das Zylinderkurbelgehäuse beziehungsweise den Zylinderkopf abgegeben, beispielsweise durch Wärmeleitung. In diesem Fall kann zur Erhöhung der Kolbentemperatur die Kolbenkühlung reduziert werden, indem die Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses und/oder des Zylinderkopfs reduziert wird.
Besonders bevorzugt wird dabei eine Regelung der Kolbentemperatur vorgenommen und/oder die Kolbentemperatur durch entsprechendes Einstellen der Kolbenkühlung auf den Kolbentemperaturgrenzwert oder eine Kolbensolltemperatur eingestellt, wobei die Kolbensolltemperatur größer ist als der Kolbentemperaturgrenzwert. Im Rahmen der Regelung wird dabei als Regelgröße beispielsweise die Differenz zwischen der Kolbentemperatur und dem Kolbentemperaturgrenzwert beziehungsweise der Kolbensolltemperatur herangezogen, während als Steuergröße die Kolbenkühlung dient. Je weiter die Kolbentemperatur den Kolbentemperaturgrenzwert beziehungsweise die Kolbensolltemperatur unterschreitet, desto weiter wird die Kolbenkühlung verringert, insbesondere bis sie gänzlich deaktiviert ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmezufuhrgröße und/oder die Wärmeabfuhrgröße aus einem Wärmeübergangskoeffizienten, aus einer Temperaturdifferenz oder einem Temperaturgradient sowie aus einer Wärmeübergangsfläche ermittelt werden/wird. Ganz allgemein können die Wärmezufuhrgröße und die Wärmeabfuhrgröße also aus einer Beziehung der Art Q = αAΔT ermittelt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmezufuhrgröße als Verbrennungswärmezufuhrgröße vorliegt und anhand der Beziehung Q_V = α_VA_VΔT_V ermittelt wird, wobei der Wärmeübergangskoeffizient α_V sowie die Temperaturdifferenz ΔT_V anhand eines Kennfelds ermittelt werden. Anstelle des Kennfelds kann selbstverständlich eine mathematische Beziehung oder eine Tabelle herangezogen werden. Die Verbrennungswärmezufuhrgröße berücksichtigt den Wärmeeintrag in den Kolben aufgrund der in dem Zylinder ablaufenden Verbrennung. Als Eingangsgröße in das Kennfeld, die mathematische Beziehung oder die Tabelle dient beispielsweise ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine. Der Betriebspunkt umfasst vorzugsweise die momentan vorliegende Istdrehzahl der Brennkraftmaschine, das momentan abgegebene Istdrehmoment der Brennkraftmaschine. Zusätzlich oder alternativ kann der Betriebspunkt eine vorgegebene Solldrehzahl der Brennkraftmaschine und/oder ein vorgegebenes Solldrehmoment der Brennkraftmaschine beinhalten.
Die Temperaturdifferenz ergibt sich vorzugsweise aus der Verbrennungstemperatur innerhalb des Kolbens sowie der Kolbentemperatur. Hierbei wird insbesondere der Wert der Kolbentemperatur herangezogen, welcher zuletzt durch das Modellieren ermittelt wurde. Der aktuelle Wert der Kolbentemperatur ergibt sich insoweit aus dem jeweils vorhergehenden Wert. Die Wärmeübergangsfläche A_V kann näherungsweise aus der Bohrung des Zylinders ermittelt werden. Beispielsweise entspricht sie A_V = 0,25·π·Bohrung².
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeabfuhrgröße sich aus wenigstens einer der folgenden Größen zusammensetzt, die jeweils anhand der Beziehung Q_i = α_iA_iΔT_i ermittelt werden:

– Einer Kühlwasserwärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i anhand einer Zylinderlaufbuchsentemperatur ermittelt wird,
– einer ersten Schmiermittelwärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i bei einer Kühlung mittels einer Kolbenkühldüse anhand einer Schmiermitteltemperatur ermittelt und ansonsten gleich Null gesetzt wird,
– einer zweiten Schmiermittelwärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i anhand der Schmiermitteltemperatur ermittelt wird, sowie
– einer Frischgaswärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i anhand der Frischgastemperatur ermittelt wird.

Die Wärmeabfuhrgröße setzt sich aus wenigstens einer der genannten Größen zusammen, vorzugsweise aus mehreren, insbesondere aus allen. Die verwendeten Größen werden dabei aufsummiert, um die Wärmeabfuhrgröße zu erhalten.
Die Kühlwasserwärmeabfuhrgröße berücksichtigt die Wärme, welche der Kolben an eine Zylinderlaufbuchse abgibt, welche in dem Zylinder zur Aufnahme des Kolbens angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Zylinderlaufbuchse dabei als separates Bauteil vorliegen oder von dem Zylinderkurbelgehäuse selbst ausgebildet sein. In letzterem Fall liegt die Zylinderlaufbuchse einstückig und/oder materialeinheitlich mit dem Zylinderkurbelgehäuse vor, während sie in ersterem Fall vorzugsweise aus einem Material besteht, welches von dem Material des Zylinderkurbelgehäuses verschieden ist. Die Temperaturdifferenz für die Kühlwasserwärmeabfuhrgröße wird aus der Kolbentemperatur sowie der Zylinderlaufbuchsentemperatur ermittelt. Als Wärmeübergangsfläche dient insbesondere die von dem Kolben während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine überstrichene Fläche in der Zylinderlaufbuchse. Sie beträgt beispielsweise A_i = π·Bohrung·Hub, wobei der Hub den Gesamthub des Kolbens bezeichnet, also den Abstand zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt des Kolbens während eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine.
Die erste Schmiermittelwärmeabfuhrgröße berücksichtigt die Kühlung des Kolbens mittels der Kolbenkühldüse, welche dem Kolben zugeordnet ist. Mit Hilfe der Kolbenkühldüse kann der Kolben unmittelbar und aktiv mit Schmiermittel beaufschlagt werden, sodass sich die der Schmiermittelwärmeabfuhrgröße zugeordnete Temperaturdifferenz aus der Schmiermitteltemperatur und der Kolbentemperatur berechnet. Ist die Kühlung mittels der Kolbenkühldüse dagegen deaktiviert, so wird die erste Schmiermittelwärmeabfuhrgröße gleich Null gesetzt. Für die Wärmeübergangsfläche gilt beispielsweise: A_i = π·Bohrung·Hub.
Die zweite Schmiermittelwärmeabfuhrgröße berücksichtigt eine passive Kühlung des Kolbens mittels Schmiermittel, das beispielsweise im Rahmen einer Lagerschmierung auf die Zylinderlaufbuchse und/oder den Kolben aufgebracht wird. Dieser Anteil ist klein, kann jedoch üblicherweise nicht vermieden werden. Dominierend ist hierbei der Anteil der Zylinderlaufbuchse, weil bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens das Schmiermittel von dem Kolben nach unten, also in die von der Brennkammer abgewandte Richtung, gefördert wird. Die Temperaturdifferenz wird hierbei ebenfalls anhand der Schmiermitteltemperatur und der Kolbentemperatur ermittelt. Die Wärmeübergangsfläche wird beispielsweise anhand der Beziehung A_i = 0,25π·Bohrung² ermittelt.
Die Frischgaswärmeabfuhrgröße berücksichtigt den Wärmeaustrag aus dem Kolben während einer Frischgasansaugung. Das Frischgas ist üblicherweise kälter als der Kolben, sodass diesem Wärme über die Kolbenoberfläche entzogen wird. Die Temperaturdifferenz ermittelt sich aus der Frischgastemperatur und der Kolbentemperatur. Das Frischgas kann Frischluft, Kraftstoff und/oder Restgas enthalten. Unter dem Restgas ist beispielsweise Abgas zu verstehen, welches im Rahmen einer internen und/oder externen Abgasrückführung in den Zylinder zurückgeführt wird oder in diesem verbleibt. Die Wärmeübergangsfläche ist beispielsweise A_i = 0,25·π·Bohrung².
Für die vorstehend beschriebenen Größen wird der Wärmeübergangskoeffizient α_i beispielsweise als konstant angenommen und empirisch ermittelt, insbesondere vor einer Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine beziehungsweise auf einem Prüfstand. Er kann jedoch auch in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere der Kolbentemperatur und/oder der jeweils anderen in die entsprechende Wärmeabfuhrgröße einfließenden Temperatur.
Als die für die beschriebenen Wärmeabfuhrgrößen verwendeten Wärmeübergangsflächen können die genannten Beziehungen herangezogen werden. Selbstverständlich können sie jedoch auch anhand der tatsächlichen geometrischen Gegebenheiten genau ermittelt werden, um die Genauigkeit der Modellierung der Kolbentemperatur zu verbessern.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass für die Wärmeabfuhrgröße die Temperaturdifferenz anhand der Kolbentemperatur iterativ ermittelt wird. Auf eine derartige Vorgehensweise wurde vorstehend bereits hingewiesen. Selbstverständlich ist die Kolbentemperatur zunächst nicht oder allenfalls näherungsweise bekannt. Aus diesem Grund wird sie und mithin die jeweils verwendete Temperaturdifferenz iterativ, also in mehreren Schritten, ermittelt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zu Beginn des Modellierens der Kolbentemperatur eine gemessene Temperatur, insbesondere eine Umgebungstemperatur, als Kolbentemperatur verwendet wird. Dies ist insbesondere vorgesehen, wenn die Brennkraftmaschine über eine bestimmte Zeitspanne deaktiviert war, also nicht betrieben wurde. In diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Brennkraftmaschine die gemessene Temperatur, beispielsweise die Umgebungstemperatur, angenommen hat. Selbstverständlich kann jedoch auch eine andere Temperatur gemessen und als Kolbentemperatur verwendet werden, beispielsweise die Temperatur des Zylinderkurbelgehäuses oder des Zylinderkopfs.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmeübergangsfläche der Wärmezufuhrgröße und/oder der Wärmeabfuhrgröße aus der Zylinderbohrung eines den Kolben aufnehmenden Zylinders und/oder einem Kolbenhub des Kolbens ermittelt wird. Auch hierauf wurde vorstehend bereits eingegangen. Auf diese Art und Weise kann die Wärmeübergangsfläche sehr einfach ermittelt werden. Üblicherweise ist dies zur Modellierung der Kolbentemperatur mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit ausreichend.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Verringern der Kolbenkühlung die Kühlung mittels der Kolbenkühldüse ausgesetzt oder verringert wird. Vorstehend wurde bereits erläutert, dass im Rahmen der ersten Schmiermittelwärmeabfuhrgröße die Kolbenkühldüse beziehungsweise die Kühlung mittels der Kolbenkühldüse berücksichtigt wird beziehungsweise werden kann. Es ist nun vorgesehen, dass die Kolbenkühldüse schaltbar ist, sodass die Kolbenkühlung durch Deaktivieren beziehungsweise Aussetzen der Kühlung mittels der Kolbenkühldüse verringert beziehungsweise deaktiviert werden kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, einen der Kolbenkühldüse zugeführten Schmiermittelmassenstrom zum Verringern der Kolbenkühlung zu verkleinern, um so die Kolbentemperatur genauer zu beeinflussen. Es ist also in einer vorteilhaften Ausgestaltung nicht vorgesehen, die Kühlung mittels der Kolbenkühldüse vollständig auszusetzen, sondern lediglich den ihr zugeführten Schmiermittelmassenstrom zu verringern. Bei bekannten Brennkraftmaschinen ist es allenfalls bekannt, die Kühlung mittels der Kolbenkühldüse in einem Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine auszusetzen. Hier soll dies nun teilweise oder vollständig in Abhängigkeit von der Kolbentemperatur vorgenommen werden, insbesondere auch während eines Betriebs der Brennkraftmaschine bei einer Drehzahl, die größer ist als eine Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine Schließlich kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Kolbenaufheizbetrieb beendet wird, wenn die Kolbentemperatur den Kolbentemperaturgrenzwert und/oder einen weiteren Kolbentemperaturgrenzwert, der größer ist als der Kolbentemperaturgrenzwert, überschreitet. Beispielsweise wird, sofern die genannte Bedingung erfüllt ist, ein Normalbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt. In einem Normalbetrieb kann es vorgesehen sein, dass die Kolbenkühldüse durchgehend in Betrieb ist, also zur Kolbenkühlung herangezogen wird. Insoweit in einem Normalbetrieb keine Verringerung der Kolbenkühlung vorgesehen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend erläuterten Verfahrens. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine dazu ausgebildet ist, in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Kolbentemperatur eines Kolbens der Brennkraftmaschine aus einer Wärmezufuhrgröße und einer Wärmeabfuhrgröße zu modellieren und bei Unterschreiten eines Kolbentemperaturgrenzwerts durch die Kolbentemperatur einen Kolbenaufheizbetrieb durchzuführen, in welchem eine Kolbenkühlung verringert oder deaktiviert wird.
Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine wurde bereits hingewiesen. Sowohl das Verfahren als auch die Brennkraftmaschine können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige Figur einen Schnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei in dem Zylinder ein Kolben angeordnet ist.
Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine Brennkraftmaschine 1, genauer gesagt durch einen Zylinder 2 der Brennkraftmaschine. Der Zylinder 2 ist zumindest bereichsweise in einem Zylinderkurbelgehäuse 3 der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet. In einer Richtung wird er von einem Zylinderkopf 4 begrenzt. In dem Zylinder 2 ist ein Kolben 5 längsbeweglich angeordnet. Der Kolben 5 schließt mit dem Zylinderkurbelgehäuse 3 und dem Zylinderkopf 4 einen Brennraum des Zylinders 2 ein. Der Kolben 5 ist über eine Pleuelstange 6 mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 wirkverbunden, um die Längsbewegung des Kolbens 5 in eine Drehbewegung umzusetzen. In dem Zylinderkopf 4 sind Ventile 7 angeordnet, wobei beispielsweise eines der Ventile 7 als Einlassventil und ein anderes der Ventile 7 als Auslassventil ausgestaltet ist.
Es ist nun vorgesehen, eine Kolbentemperatur des Kolbens 5 zu modellieren. Zu diesem Zweck wird ein durch den Pfeil 8 angedeuteter Wärmeeintrag in den Kolben 5 in Form einer Wärmezufuhrgröße berücksichtigt. Diese liegt beispielsweise als Verbrennungswärmezufuhrgröße vor und wird beispielsweise aus der Differenz zwischen einer Verbrennungstemperatur einer in dem Zylinder 2 ablaufenden Verbrennung und der Kolbentemperatur berechnet. Neben der Wärmezufuhrgröße wird eine Wärmeabfuhrgröße ermittelt. Diese setzt sich aus einer oder mehreren Größen zusammen. Als Größe wird beispielsweise die Kühlwasserwärmeabfuhrgröße herangezogen, welche die durch die Pfeile 9 angedeuteten Wärmeströme beschreibt. Diese Wärmeströme treten aufgrund einer Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses 3 auf, wodurch das Zylinderkurbelgehäuse 3 eine geringere Temperatur aufweist als der Kolben 5. Entsprechend findet ein Wärmeübergang von dem Kolben 5 hin zu dem kühleren Zylinderkurbelgehäuse 3 statt.
Als weitere Größe liegt eine erste Schmiermittelwärmeabfuhrgröße vor, die eine Kühlung des Kolbens 5 mittels einer hier nicht dargestellten Kolbenkühldüse beschreibt. Der entsprechende Wärmeaustrag aus dem Kolben 5 ist durch den Pfeil 10 angedeutet. Der Pfeil 11 beschreibt dagegen den Wärmestrom entsprechend einer zweiten Schmiermittelwärmeabfuhrgröße, welche eine Kühlung des Kolbens 5 aufgrund einer Schmierung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise der Kurbelwelle, beschreibt. Der Pfeil 12 schließlich deutet einen Wärmestrom entsprechend einer Frischgaswärmeabfuhrgröße an. Diese berücksichtigt einen Wärmeaustrag aus dem Kolben 5 aufgrund des in den Zylinder 2 eingebrachten Frischgases. Dieses weist üblicherweise eine geringere Temperatur auf als der Kolben 5.
Aus einer oder mehreren der genannten Größen wird nun die Wärmeabfuhrgröße ermittelt. Anschließend werden die Wärmezufuhrgröße und die Wärmeabfuhrgröße herangezogen, um die Kolbentemperatur zu modellieren. Unterschreitet die so modellierte Kolbentemperatur einen Kolbentemperaturgrenzwert, so wird ein Kolbenaufheizbetrieb durchgeführt. In diesem soll eine Kolbenkühlung des Kolbens 5 verringert oder deaktiviert werden. Beispielsweise wird hierzu eine Kühlung mittels der Kolbenkühldüse ausgesetzt oder zumindest verringert. In letzterem Fall wird beispielsweise ein der Kolbenkühldüse zugeführter Schmiermittelstrom verringert. Mit einer derartigen Vorgehensweise können die Partikelemissionen der Brennkraftmaschine 1 deutlich reduziert werden, weil ein Verdampfen von auf dem Kolben 5 befindlichem Kraftstoff in einer ausreichend kurzen Zeit sichergestellt wird. Es verbleibt insoweit bereits nach kurzer Zeit kein flüssiger Kraftstoff auf dem Kolben 5, insbesondere ist der auf dem Kolben 5 vorliegende Kraftstoff verdampft, bevor eine Verbrennung in dem Zylinder 2 durch Zündung eingeleitet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10042551 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit Kraftstoffdirekteinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) eine Kolbentemperatur eines Kolbens (5) der Brennkraftmaschine (1) aus einer Wärmezufuhrgröße und einer Wärmeabfuhrgröße modelliert und bei Unterschreiten eines Kolbentemperaturgrenzwerts durch die Kolbentemperatur ein Kolbenaufheizbetrieb durchgeführt wird, in welchem eine Kolbenkühlung verringert oder deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhrgröße und/oder die Wärmeabfuhrgröße aus einem Wärmeübergangskoeffizienten, aus einer Temperaturdifferenz oder einem Temperaturgradient sowie aus einer Wärmeübergangsfläche ermittelt werden/wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhrgröße als Verbrennungswärmezufuhrgröße vorliegt und anhand der Beziehung Q_V = α_VA_VΔT_V ermittelt wird, wobei der Wärmeübergangskoeffizient α_V sowie die Temperaturdifferenz ΔT_V anhand eines Kennfelds ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrgröße sich aus wenigstens einer der folgenden Größen zusammensetzt, die jeweils anhand der Beziehung Q_i = α_iA_iΔT_i ermittelt werden: – eine Kühlwasserwärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i anhand einer Zylinderlaufbuchsentemperatur ermittelt wird; – eine erste Schmiermittelwärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i bei einer Kühlung mittels einer Kolbenkühldüse anhand einer Schmiermitteltemperatur ermittelt und ansonsten gleich Null gesetzt wird; – eine zweite Schmiermittelwärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i anhand der Schmiermitteltemperatur ermittelt wird; sowie – eine Frischgaswärmeabfuhrgröße, für welche die Temperaturdifferenz ΔT_i anhand der Frischgastemperatur ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wärmeabfuhrgröße die Temperaturdifferenz anhand der Kolbentemperatur iterativ ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Modellierens der Kolbentemperatur eine gemessene Temperatur, insbesondere eine Umgebungstemperatur, als Kolbentemperatur verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübergangsfläche der Wärmezufuhrgröße und/oder der Wärmeabfuhrgröße aus der Zylinderbohrung eines den Kolben (5) aufnehmenden Zylinders (2) und/oder einem Kolbenhub des Kolbens (5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verringern der Kolbenkühlung die Kühlung mittels der Kolbenkühldüse ausgesetzt oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenaufheizbetrieb beendet wird, wenn die Kolbentemperatur den Kolbentemperaturgrenzwerts und/oder einen weiteren Kolbentemperaturgrenzwert, der größer ist als der Kolbentemperaturgrenzwert, überschreitet.
Brennkraftmaschine (1) mit Kraftstoffdirekteinspritzung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) dazu ausgebildet ist, in wenigstens einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) eine Kolbentemperatur eines Kolbens (5) der Brennkraftmaschine (1) aus einer Wärmezufuhrgröße und einer Wärmeabfuhrgröße zu modellieren und bei Unterschreiten eines Kolbentemperaturgrenzwerts durch die Kolbentemperatur einen Kolbenaufheizbetrieb durchzuführen, in welchem eine Kolbenkühlung verringert oder deaktiviert wird.