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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und ein Computerprogrammprodukt.
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Zur Steuerung eines Verbrennungsmotors wird eine Zusammensetzung einer Gasladung und eine Füllung eines Verbrennungsraums mit der Gasladung durch das Stellen externer Aktuatoren wie Drosselklappen, Abgasrückführventile, Abgasklappen et cetera gezielt beeinflusst. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Menge der Gasladung im Verbrennungsraum hat erheblichen Einfluss auf ein mögliches Drehmoment und Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors. Die Steuerung des Verbrennungsmotors erfolgt üblicherweise nicht nur bezüglich seiner abgegebenen Leistung, sondern auch bezüglich einer Schadstoffmenge im Abgas. Eine übliche Motorsteuerung strebt daher eine möglichst genaue Einstellung der Gasladungsmenge und einer Beschaffenheit der Gasladung sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors an.
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Um eine Ladungszusammensetzung und eine Ladungsmenge des Verbrennungsmotors zu steuern, wird im Allgemeinen eine direkte oder indirekte Regelung auf messbare Zielgrößen, wie zum Beispiel einen Luftmassenstrom am Luftmassenmesser oder einen Lade- oder Saugrohrdruck im Einlasssystem des Verbrennungsmotors, durchgeführt. Ein Ladungswechsel des Verbrennungsmotors, also ein Ansaugen eines brennbaren Gasgemischs und ein Ausstoßen von verbranntem Gasgemisch, wird dabei üblicherweise modelliert, um beispielsweise aus einem gewünschten Ladungsdurchsatz auf einen dazu korrespondierenden Lade-/Saugrohrdruck zu schließen. Ein solchermaßen bestimmter Druck wird dann über einen Aktuator eingestellt. In ähnlicher Weise erfolgt eine Einstellung der Gaszusammensetzung im Verbrennungsraum.
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Üblicherweise ist es nicht möglich, die Gasmenge oder die Zusammensetzung des Gases im Verbrennungsmotor direkt zu bestimmen. Eine übliche Motorsteuerung regelt daher entweder messbare Ersatzgrößen wie eine Frischluftmenge oder einen Ladedruck oder regelt auf eine modellierte Größe, die auf die Verhältnisse im Verbrennungsmotor, insbesondere auf die Verhältnisse in dessen Verbrennungsraum, hinweist. Die modellierte Größe erfordert ein physikalisches Modell des Verbrennungsmotors, um beispielsweise die Ladungsmenge und die Gaszusammensetzung rechnerisch bestimmen zu können.
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Der immer komplexer werdende Aufbau des Ladungswechsels durch interne und/oder externe Hoch- und/oder Niederdruck-Abgasrückführsysteme zusammen mit einer Aufladung ist eine große Herausforderung an den Modellierungsaufwand. Insbesondere muss die Ladungszusammensetzung einer Zylinderfüllung zeitlich korrekt bestimmt werden. Ein transientes Verhalten eines Gasstromes wird im Wesentlichen durch seine Propagation und seine Gaszusammensetzung an Mischstellen, an den Frischluft und eine Niederdruckabgasrückführung zusammengeführt werden, bestimmt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch eine Kompressibilität des Gases sowohl eine Temperatur als auch eine Dichte des Gases verändert wird.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt zu schaffen, die einen Beitrag dazu leisten, eine Schadstoffemission zu verringern und/oder eine Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem ersten und zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Einlasstrakt und einem Auslasstrakt sowie mindestens einem Zylinder, durch den, bzw. durch die ein Gasstrom fließt. Es wird abhängig von einem vorgegebenen Behältermodell zumindest ein Flussparameter des Gasstromes ermittelt für eine vorgegebene Stelle des Gasstromes in der Brennkraftmaschine und abhängig von dem Flussparameter die Brennkraftmaschine geregelt und/oder gesteuert. Hierbei umfasst das Behältermodell einen Behälter mit einem vorgegebenen konstanten Gesamtvolumen. Der Behälter weist zumindest einen Eingang, über den ein Eingangsmassenstrom des Gasstromes in den Behälter einfließt, und zumindest einen Ausgang, über den ein Ausgangsmassenstrom des Gasstromes aus dem Behälter abfließt, auf. Zur Berücksichtigung einer örtlichen Abhängigkeit einer Temperatur im Behälter und/oder einer örtlichen Abhängigkeit eines Massenstroms im Behälter wird das Gesamtvolumen in eine vorgegebene Anzahl von Teilvolumina unterteilt und in vorgegebenen Zeitschritten wird zumindest eine Temperatur für jedes Teilvolumen ermittelt.
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Vorteilhafterweise ermöglicht solch eine Diskretisierung des Gesamtvolumens des Behälters zumindest ein zeitliches und örtliches Temperaturprofil in dem Behälter zu ermitteln. Abhängig von dem ermittelten Temperaturprofil kann der zumindest eine Flussparameter ermittelt werden.
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Der Druck in dem Behälter wird als vom Ort unabhängig angenommen. Insbesondere kann der Druck in dem Behälter als gleich angenommen werden.
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Abhängig von dem Eingangsmassenstrom und dem Ausgangsmassenstrom wird der Druck in dem Behälter berechnet. Eine Berechnung des Drucks in dem Behälter kann basierend auf einer 0-dimensionalen Modellierung des Drucks im Behälter nach der Differentialgleichung ṗ = R / V·T·ṁ + R / V·m·Ṫ Gl. 1 erfolgen. Hierbei repräsentieren p den Druck in dem Behälter, m die Masse sowie T die Temperatur in dem Behälter und V ein Volumen des Behälters. Der Eingangsmassenstrom kann einen oder mehrere zufließende Masseflüsse umfassen und der Ausgangsmassenstrom kann einen oder mehrere abströmende Masseflüsse umfassen. Für den Fall, dass der Druck in dem Behälter sowie der Eingangsmassenstrom und Ausgangsmassenstrom bekannt sind, kann das vorgegebene Behältermodell auch ohne die 0-dimensionale Modellierung des Drucks in dem Behälter eingesetzt werden.
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In einem System mit einer Niederdruck-Abgasrückführung treten abhängig von einem Volumenstrom durch den Einlasstrakt erhebliche Totzeiten in einer Größenordnung von bis zu einigen hundert Millisekunden auf. Das vorgegebene Behältermodell ermöglicht eine sehr genaue Darstellung der Totzeiten für jeden Arbeitstakt der Brennkraftmaschine, der in der Größenordnung von wenigen Millisekunden bis zu einigen hundertstel Sekunden liegt. Es ist so insbesondere möglich, den zumindest einen Flussparameter an einer gewünschten Stelle der Brennkraftmaschine zeitlich sehr genau zu ermitteln und damit eine Zusammensetzung des Gases oder eine Gasmenge des Gasstromes durch die Brennkraftmaschine durch das Stellen externer Aktuatoren wie Drosselklappen, Abgasrückführventile, Abgasklappen et cetera gezielt zu beeinflussen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt umfasst der zumindest eine Flussparameter eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gasmenge und/oder eine Gastemperatur und/oder einen Gasdruck. Es ist so insbesondere möglich, eine Gaszusammensetzung einer Gasfüllung beispielsweise in dem Zylinder der Brennkraftmaschine zeitlich sehr genau zu ermitteln und damit eine Zusammensetzung der Gasladung und eine Füllung eines Verbrennungsraums mit der Gasladung durch das Stellen der externen Aktuatoren wie Drosselklappen, Abgasrückführventile, Abgasklappen et cetera gezielt zu beeinflussen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weisen die Teilvolumina ein konstantes Volumen auf und in den vorgegebenen Zeitschritten wird eine Gaszusammensetzung für jedes Teilvolumen ermittelt. Vorteilhafterweise ermöglicht dies, dass die Teilvolumina jeweils gleich behandelt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt weisen die Teilvolumina eine konstante Masse und eine konstante Gaszusammensetzung auf. Vorteilhafterweise verringert sich hierdurch ein Rechenaufwand, da nur eine mögliche Änderung der Temperatur der einzelnen Teilvolumina, auch Pakete genannt, zu berücksichtigen ist. Vorteilhafterweise kann hierdurch eine numerische Diffusion, das heißt eine Vermischung eines propagierenden Konzentrations-und Temperaturprofils, vermieden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt werden die Teilvolumina in den vorgegebenen Zeitschritten von dem Eingang des Behälters zu dem Ausgang des Behälters verschoben. Dies ermöglicht eine einfache Handhabung der Teilvolumina bezüglich einem Erzeugen von neuen Teilvolumina und einem Entleeren der Teilvolumina.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt werden die Teilvolumina in den vorgegebenen Zeitschritten sukzessive von dem Eingang des Behälters zu dem Ausgang des Behälters verschoben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt ist die Anzahl der Teilvolumina konstant. Dies ermöglicht ebenfalls eine einfache Handhabung der Teilvolumina bezüglich dem Erzeugen von neuen Teilvolumina und dem Entleeren der Teilvolumina.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten und zweiten Aspekt wird die Temperatur des jeweiligen Teilvolumens ermittelt gemäß der Gleichung
wobei T
i die Temperatur des Teilvolumens im i-ten Zeitschritt, T
i+1 die Temperatur des Teilvolumens im i + 1-ten Zeitschritt, k einen Isentropen-Koeffizient oder einen Polytropen-Koeffizient, p
i+1 und p
i einen Druck in dem Teilvolumen im i-ten beziehungsweise i + 1-ten Zeitschritt und f ein konstanter Faktor repräsentieren. Vorteilhafterweise kann so mit geringem Rechenaufwand ein Profil der Gaszusammensetzung und der Temperatur des Behälters und somit in einem gewünschten Abschnitt des Einlass- oder Auslasstrakts modelliert werden.
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Gemäß eines dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.
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Gemäß eines vierten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogrammprodukt, das ausführbaren Programmcode umfasst, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung das Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ausführt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennkraftmaschine,
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2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften 0-dimensionalen Behältermodells,
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3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Aufteilung eines Behälters des 0-dimensionalen Behältermodells in Teilvolumina mit jeweils konstantem Volumen,
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4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Aufteilung des Behälters des 0-dimensionalen Behältermodells in Pakete mit jeweils variablem Volumen,
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5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Aufteilung von Paketen und
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6 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennkraftmaschine 100. Dabei ist in erster Linie ein Gasstrom 105 dargestellt, der durch die Brennkraftmaschine 100 verläuft. Komponenten zur Bildung eines Gasgemischs für den Gasstrom 105, wie beispielsweise eine Einspritzanlage zum Einspritzen von Kraftstoff oder Komponenten zur Initiierung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eine Zündanlage, sind nicht dargestellt.
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Die dargestellte Brennkraftmaschine 100 ist als rein exemplarisch zu verstehen; nicht alle der im Folgenden beschriebenen Komponenten müssen an der Brennkraftmaschine 100 vorgesehen sein und gegebenenfalls können zusätzliche Komponenten verwendet werden.
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Der Gasstrom 105 tritt zunächst durch einen Luftfilter 110 und durchläuft dann einen Luftmassenmesser 115 zur Bestimmung einer Masse einer durchströmenden Luft. Vorliegend ist ein Turbolader 120 mit einem Verdichter 125 und einer Abgasturbine 130 vorgesehen. Der Gasstrom 105 wird in einem Verdichter 125 komprimiert und durchläuft dann einen Ladeluftkühler 135. Eine Drossel 140 kann zur Drosselung des Gasstromes 105 vorgesehen sein. Anschließend durchläuft der Gasstrom 105 einen Einlass 145 in einen von potenziell mehreren Zylindern 150. Im Zylinder 150 erfolgt eine Verbrennung von sauerstoffhaltigem Gas und Kraftstoff in einem abgeschlossenen Volumen. Nach der Verbrennung tritt der Gasstrom 105 durch einen Auslass 155 aus.
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Danach durchläuft der Gasstrom 105 die Abgasturbine 130 des Turboladers 120 und einen Katalysator 158. Anschließend kann ein Partikelfilter 160 durchlaufen werden, bevor der Gasstrom 105 durch eine Abgasklappe 162 und einen Schalldämpfer 164 in eine Umgebung austritt.
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Zur Steuerung der Zusammensetzung von Gas im Zylinder 150 sind eine oder mehrere Abgasrückführungen vorgesehen. Eine interne Abgasrückführung bewirkt einen Verbleib eines Teils des verbrannten Gases im Zylinder 150 während eines Ladungswechsels. Eine Hochdruck-Abgasrückführung 166 umfasst einen rückgeführten Strom 168, der als Nebenstrom des Gasstromes 105 vom Auslass 155 durch einen optionalen Kühler 170 und ein optionales Hochdruck- Abgasrückführungsventil 172 zurück zum Einlass 145 verläuft. Eine Niederdruck-Abgasrückführung 180 umfasst einen rückgeführten Strom 182, der ebenfalls ein Nebenstrom des Gasstromes 105 ist und von der Niederdruckseite der Abgasturbine 130 zur Niederdruckseite des Verdichters 125 des Turboladers 120 verläuft. Dabei durchläuft der rückgeführte Strom 182 einen optionalen Kühler 184 und ein optionales Niederdruck-Abgasrückführungsventil 186. Vorzugsweise wird der rückgeführte Niederdruck-Strom 182 nicht unmittelbar hinter der Abgasturbine 130, sondern stromabwärts, insbesondere nach dem Katalysator 158 und dem Partikelfilter 160, aus dem Gasstrom 105 abgezweigt.
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Eine Steuereinrichtung 188 ist zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 100 vorgesehen.
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Die Steuereinrichtung 188 ist ausgebildet zur Ausführung eines Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100. Die Steuereinrichtung 188 umfasst insbesondere eine Verarbeitungseinrichtung für ein Computerprogramm, beispielsweise einen programmierbaren Mikrocomputer.
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Zur Steuerung und oder Regelung der Brennkraftmaschine 100 wird zumindest ein Flussparameter des Gasstromes 105 ermittelt für eine vorgegebene Stelle 190 des Gasstromes 105 in der Brennkraftmaschine 100 abhängig von einem vorgegebenen Behältermodell. Vorzugsweise wird der zumindest eine Flussparameter für mehrere vorgegebene Stellen 190 des Gasstromes 105 ermittelt, beispielsweise zwischen dem Verdichter 125 und dem Ladeluftkühler 135, zwischen dem Ladekühler 135 und der Drossel 140, zwischen dem Einlass 145 und dem Zylinder 150, zwischen dem Zylinder 150 und dem Auslass 155, zwischen dem Katalysator 158 und dem Partikelfilter 160 und/oder zwischen dem Partikelfilter 160 und der Abgasklappe nach der Niederdruckrückführung 180. Alternativ oder ergänzend können an der einen vorgegebenen und/oder anderen Stellen 190 der oder die Flussparameter und/oder eine oder mehrere weitere Flussparameter messtechnisch erfasst werden. Einige besonders bevorzugte Stellen 190 sind in 1 eingezeichnet, es können jedoch auch zusätzliche oder andere Stellen 190 verwendet werden.
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Aus den ermittelten und/oder erfassten Flussparametern können ergänzende Flussparameter abgeleitet werden. Abhängig von dem zumindest einen Flussparameter wird die Brennkraftmaschine 100 geregelt und/oder gesteuert. Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine 100 abhängig von mehreren erfassten und/oder ermittelten Flussparametern geregelt und/oder gesteuert. Die Steuereinrichtung 188 steuert auf der Basis eines oder mehrerer der erfassten und/oder ermittelten Flussparameter beispielsweise die Stellung eines oder mehrerer veränderbarer Stellglieder 192, zu denen beispielsweise die Drossel 140, die Abgasklappe 162 und die Abgasrückführungsventile 172 und 186 zählen können.
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Zur Berechnung des oder der Flussparameter werden Vorgänge in den einzelnen Komponenten, durch die der Gasstrom 105 fließt, jeweils durch ein physikalisches Modell modelliert. Das physikalische Modell modelliert vorzugsweise ein Strömungsverhalten des Gasstromes 105 durch die einzelnen Komponenten der Brennkraftmaschine 100.
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Das physikalische Modell basiert auf einem vorgegebenen Behältermodell. Der Ein- und Auslasstrakt ist ein offenes, instationäres Gassystem, in dem Temperaturen, Drücke und Mischungsverhältnisse zeitlich und örtlich stark variieren. Für die Modellierung des Gasstromes 105 wird das Gassystem in Behälter 205 unterteilt und eine Annäherung der Zustandsänderungen durch instationäre Füll- und Entleerungsvorgänge vorgenommen, wobei die Zustandsgrößen nicht vom Ort, sondern nur von der Zeit abhängen. Deshalb wird die Modellart auch 0-dimensionales Behältermodell genannt. In 1 sind solche Behälter 205 beispielhaft an den vorgegebenen Stellen 190 schematisch dargestellt.
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Für das erfindungsgemäße vorgegebene Behältermodell wird beispielsweise das 0-dimensionale Behältermodell mit einem 1-dimensionalen Propagationsmodell kombiniert, so dass das vorgegebene Behältermodell ein jeweiliges Massenspeicherverhalten der jeweiligen Komponente nachbildet.
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2 zeigt beispielhaft das 0-dimensionale Behältermodell. Das Behältermodell weist ein vorgegebenes Gesamtvolumen auf. Abhängig von einem oder mehreren zufließenden und einem oder mehreren abströmenden Masseflüssen wird der Druck in dem Behälter 205 berechnet. Eine Berechnung des Drucks in dem Behälter 205 erfolgt nach der Differentialgleichung ṗ = R / V·T·ṁ + R / V·m·Ṫ Gl. 1
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Hierbei repräsentieren p den Druck in dem Behälter 205, m die Masse sowie T die Temperatur in dem Behälter 205 und V ein Volumen des Behälters 205.
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Unter der vereinfachten Annahme, dass die Temperatur im Behälter 205 konstant bleibt, ergibt sich ṗ = R / V·T·ṁ Gl. 1a
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Diese Vereinfachung ist jedoch nicht geeignet, wenn ein Wärmeeintrag beispielsweise über eine Wand W des Behälters 205 zu berücksichtigen ist.
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Die Temperatur in Gl. 1 kann aus einer Energiebilanz des Behälters 205 gemäß Gl. 2 ermittelt werden d / dtE = Ḣin – Ḣout + Q .W Gl. 2
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Hierbei ist Ḣin/out ein ein- beziehungsweise ausfließender Enthalpiestrom. Q .W bezeichnet einen Wärmeeintrag in das Gas in dem Behälter 205, beispielsweise über eine Wand W des Behälters 205. Ḣout ist bestimmt durch die bestimmte eindimensionale Temperatur und Zusammensetzung des ausfließenden Gases.
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Das 0-dimensionale Behältermodell setzt voraus, dass eine in den Behälter 205 einfließende Gasmischung sofort zu einer Veränderung der Gaszusammensetzung im gesamten Behälter 205 führt. Eine korrekte Beschreibung eines Totzeitverhaltens in einem transienten Vorgang ist damit aber nur schwer möglich. Das 0-dimensionale Behältermodell kann somit ein reales transientes Verhalten des Gasstromes 105 nur sehr unzureichend wiedergeben.
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Eine alternative oder zusätzliche Verwendung von digitalen Filtern höherer Ordnung und/oder Verzögerungsglieder ermöglicht eine verbesserte Beschreibung des transienten Verhaltens. Eine Anpassung einer Anzahl von Verzögerungsglieder und/oder eine Anpassung von Parametern des digitalen Filters höherer Ordnung an ein reales Verhalten eines im Feld betriebenen Verbrennungsmotors ist jedoch sehr schwierig.
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Zur verbesserten Beschreibung des transienten Verhaltens, insbesondere des Totzeitverhaltens, wird daher das Gesamtvolumen des Behälters 205 in mehrere Teilvolumina 210, 215 aufgeteilt und in vorgegebenen Zeitschritten zumindest eine Temperatur für jedes Teilvolumen 210, 215 ermittelt.
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Das Gesamtvolumen des Behälters 205 kann hierbei, wie in 3 gezeigt, in eine vorgegebene Anzahl von konstanten Teilvolumina 210 aufgeteilt werden. Vorzugsweise sind die Teilvolumina 210 jeweils gleich groß. In diesem Fall werden beispielsweise in dem jeweiligen Zeitschritt eine neue Gaszusammensetzung und eine neue Temperatur des Gases für das jeweilige Teilvolumen 210 ermittelt.
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Alternativ ist möglich, das Gesamtvolumen des Behälters 205, wie in 4 gezeigt, in Teilvolumina 215 mit konstanter Masse und Zusammensetzung aufzuteilen. In diesem Fall wird das Gesamtvolumen des Behälters 205 in eine vorgegebene Anzahl von Teilvolumina 215 mit variablem Volumen aufgeteilt. Die Teilvolumina 215 mit variablen Volumen werden im Folgenden als Pakete 215 bezeichnet. Die Gaszusammensetzung bleibt in allen Paketen 215 außer in dem Paket 215 am Eingang 207 des Behälters 205 konstant. Die Pakete 215 werden in dem Behälter 205 propagiert, vorzugsweise von einem Eingang 207 zu einem Ausgang 209 des Behälters 205. Vorzugsweise werden die Pakete 215 in vorgegebenen Zeitschritten in dem Behälter 205 propagiert. In diesem Fall wird beispielsweise in dem jeweiligen Zeitschritt eine neue Temperatur des Gases in dem jeweiligen Paket 215 ermittelt. Es ist nicht notwendig, eine neue Gaszusammensetzung für das jeweilige Paket 215 zu ermitteln, außer für ein eingangsseitiges Paket 220 am Eingang 207.
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5 veranschaulicht beispielhaft eine Aufteilung des größten Pakets 215 innerhalb eines Zeitschritts bei einer vollständigen Entleerung des letzten, ausgangsseitigen Pakets 230 am Ausgang 209 des Behälters 205.
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Eine Erzeugung neuer Pakete 215 erfolgt vorzugsweise am Eingang 207 des Behälters 205. In diesem Falle entsteht eine neue Gasmischung, die sich aus der bereits bestehenden Gasmischung und dem neuen zuströmenden Gas ergibt, wodurch sich eine neue Zusammensetzung und möglicherweise auch Temperatur des neuen Pakets 215 am Eingang 207 ergibt.
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Eine Anzahl und Behandlung der vorhandenen Pakete 215 kann je nach Anforderung und/oder Strategie unterschiedlich erfolgen.
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Die vorgegebene Anzahl von Paketen 215 kann konstant oder variabel sein. Beispielsweise kann die Anzahl von Paketen 215 abhängig von einer Leistungsfähigkeit eines Motorsteuergeräts, das die Berechnungen ausführt, vorgegeben werden.
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Eine mögliche Vorgehensweise zur Erzeugung von neuen Paketen 215 ist in 5 veranschaulicht. In diesem Fall weist das Gesamtvolumen eine konstante Anzahl von Teilvolumina 210 beziehungsweise Paketen 215 auf. Wird aufgrund des Ausströmens aus dem Behälter 205 das ausgangsseitige Paket 230 leer, so wird das jeweils größte Paket 215 im Gesamtvolumen in zwei gleiche 215 Pakete aufgeteilt. In der Regel ist das größte Paket 215 das kontinuierlich anwachsende eingangsseitige Paket 220 am Eingang 207 des Behälters 205. Aufgrund der unbekannten und möglicherweise sehr unterschiedlichen Eingangsmassenströme und Ausgangsmassenströme muss dies nicht immer der Fall sein und ist daher zu prüfen. Solange das ausgangsseitige Paket 230 nicht vollständig entleert wurde, wird in das eingangsseitige Paket 220 das zufließende Gas gemischt, ohne die Anzahl der Pakete 215 zu verändern. Das ausgangsseitige Paket 230 wird in jedem Zeitschritt durch das Ausfließen des Ausgangsmassenstroms kleiner.
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Eine Zeitschrittweite zum Befüllen und Entleeren des Behälters 205 kann unabhängig von einer Größe der einzelnen Pakete 215 sein. Wird ein Paket 215 innerhalb des Zeitschrittes entleert, so wird beispielsweise zunächst der Zeitschritt bis zur Entleerung des Pakets 215 durchgeführt. Im Anschluss wird beispielsweise die Temperatur in allen Paketen 215, die aufgrund einer Verdichtung oder Entspannung des Gases auftritt, aktualisiert.
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Nach der bereits oben beschriebenen Aufteilung des größten Pakets 215 wird schließlich der Zeitschritt weitergeführt. In der Regel ist dann nur mehr ein weiteres Zumischen in das eingangsseitige Paket 220 am Eingang 207 des Behälters 205 durchzuführen.
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Eine Veränderung der Temperatur durch Verdichtung oder Expansion kann beispielsweise abhängig von einer isentropen oder polytropen Zustandsänderung beschrieben werden. Die Veränderung der Temperatur kann in diesem Fall abhängig von einer Druckänderung und einem Isentropen-Koeffizienten beziehungsweise Polytropen-Koeffizienten ermittelt werden. Insbesondere kann die Veränderung der Temperatur in diesem Fall einzig abhängig von einer Druckänderung und einem Isentropen-Koeffizienten beziehungsweise Polytropen-Koeffizienten ermittelt werden. Der Isentropen-Koeffizient beziehungsweise Polytropen-Koeffizient sind zwar von der Gaszusammensetzung abhängig, können aber für diese Betrachtung beispielsweise mittels einer 0-dimensionalen Näherung beschrieben werden. Die neue Temperatur kann beispielsweise gemäß folgender Gleichung ermittelt werden:
wobei T
i die Temperatur des Pakets
215 im i-ten Zeitschritt, T
i+1 die Temperatur des Pakets
215 im i + 1-ten Zeitschritt, k einen Isentropen-Koeffizient oder einen Polytropen-Koeffizient, p
i+1 und p
i den Druck in dem Paket
215 im i-ten beziehungsweise i + 1-ten Zeitschritt und f ein konstanter Faktor repräsentieren.
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Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine näherungsweise Modellierung eines Profils der Gaszusammensetzung sowie der Temperatur innerhalb des Behälters 205.
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Andere Vorgehensweisen hinsichtlich der Behandlung der Pakete 215 sind möglich. Vorzugsweise wird eine Größe des eingangsseitigen Pakets 220 nicht zu groß gewählt, um eine unrealistische 0-dimensionale, das heißt ortsunabhängige, Verdünnung zu vermeiden.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm für das Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100. Das Programm ist insbesondere zum Ablaufen auf der Steuereinrichtung 188 von 1 eingerichtet.
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Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet.
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In einem Schritt S3 werden ein oder mehrere messtechnisch erfasste Flussparameter des Gasstromes 105 beziehungsweise eines seiner Nebenströme 168 oder 182 an der Brennkraftmaschine 100 eingelesen. Der oder die messtechnisch erfassten Flussparameter können insbesondere eine Temperatur oder einen Druck umfassen.
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In weiteren Ausführungsformen können auch eine Strömungsrichtung, eine Strömungsgeschwindigkeit oder ein anderer Parameter bestimmt sein.
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In einem Schritt S5 wird jeweils eine Stellung eines oder mehrerer Stellglieder 192 im Gasstrom 105 ermittelt oder vorgegeben.
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In einem Schritt S7 wird zumindest ein Flussparameter des Gasstromes 105 ermittelt für eine oder mehrere vorgegebene Stellen 190 des Gasstromes 105 in der Brennkraftmaschine 100 abhängig von dem jeweils vorgegebenen Behältermodell.
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Vorzugsweise wird in dem Schritt S7 der zumindest eine Flussparameter abhängig von einem oder mehreren der messtechnisch erfassten Flussparameter und/oder abhängig von der jeweiligen Stellung von einem oder mehreren der Stellglieder 192 ermittelt. Die vorgegebene Stelle 190 kann beispielsweise an dem Einlass 145 in den Zylinder 150 liegen.
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Beispielsweise wird eine Gaszusammensetzung und/oder eine Gasmenge das Gases, das in den Zylinder 150 fließt, ermittelt.
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In einem Schritt S9 wird abhängig von dem ermittelten Flussparameter ein Zündpunkt ermittelt und/oder die Stellung einer oder mehrerer der Stellglieder 192 angepasst und/oder eine Einspritzung geführt und/oder die Hochdruckabgasrückzuführung eingestellt.
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Das Programm wird vorzugsweise in Schritt S3 fortgesetzt, solange die Brennkraftmaschine 100 in Betrieb ist. Wird die Brennkraftmaschine 100 außer Betrieb gesetzt, wird das Programm in einem Schritt S11 beendet.
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Eine Modellierung eines Ladungswechsels im Motorsteuergerät beziehungsweise in der Steuereinrichtung 188 der Brennkraftmaschine 100 gewinnt zunehmend an Bedeutung. Insbesondere die zeitliche Abstimmung der unterschiedlichen Aktuatoren mit ihrem jeweiligen unterschiedlichen Einfluss auf die Gaszusammensetzung im Verbrennungsraum ist von Bedeutung.
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Mit der oben beschriebenen Modellierung ist es möglich, unter anderem die Gaszusammensetzung in dem Zylinder 150 oder auch an anderen Komponenten des Gasstromes auch im transienten Betrieb im Motorsteuergerät beziehungsweise in der Steuereinrichtung 188 der Brennkraftmaschine 100 zu ermitteln. Eine aktuelle oder vorausberechnete Gaszusammensetzung kann genutzt werden, um die Verbrennung richtig zu führen. Bei einem Ottomotor mit Niederdruckabgasrückführung kann beispielsweise abhängig von der Gaszusammensetzung der Zündzeitpunkt optimal gestellt werden, um einen möglichst effizienten Verbrennungsschwerpunkt zu erreichen. Des Weiteren kann ein Kennen des transienten Verhaltens der Gaszusammensetzung genutzt werden, um über die Drosselklappe oder den Ventiltrieb die Luftmenge der Zylinder 150 und damit bei einem Ottomotor mit stöchiometrischen Brennverfahren die Last richtig zu stellen. Ferner kann in einem Dieselmotor abhängig von der ermittelten Gaszusammensetzung im Zylinder 150 die Einspritzung geführt werden, um einen gewünschten Verbrennungsschwerpunkt und/oder eine Stickoxiderzeugung zu beeinflussen. Bei einer gleichzeitigen Hoch- und Niederdruckabgasrückführung kann beispielsweise abhängig von der vor einer Einleitstelle der Hochdruckabgasrückführung anstehende Gaszusammensetzung die Hochdruckabgasrückführung so gestellt werden, dass eine gewünschte Sauerstoffkonzentration nach der Hochdruckabgasrückführung eingestellt wird, wodurch Nachteile aufgrund des transienten Verhaltens der Niederdruckabgasrückführung verringert werden können. Eine transiente Berechnung der Temperatur verbessert darüber hinaus die Berechnung der Massenströme über eine Drosselstelle und in die Zylinder 150. Eine korrekte transiente Beschreibung der Eingangstemperatur und/oder der Ausgangstemperatur ist möglich bei einer Modellierung des oder der Kühler im Eingangs- und Ausgangstrakt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennkraftmaschine
- 105
- Gasstrom
- 110
- Luftfilter
- 115
- Luftmassenmesser
- 120
- Turbolader
- 125
- Verdichter
- 130
- Abgasturbine
- 135
- Ladeluftkühler
- 140
- Drossel
- 145
- Einlass
- 150
- Zylinder
- 155
- Auslass
- 158
- Katalysator
- 160
- Partikelfilter
- 162
- Abgasklappe
- 164
- Schalldämpfer
- 166
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 168
- rückgeführter Strom
- 170
- Kühler
- 172
- Hochdruck-Abgasrückführungsventil
- 180
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 182
- rückgeführter Strom
- 184
- Kühler
- 186
- Niederdruck-Abgasrückführungsventil
- 188
- Steuereinrichtung
- 190
- Stelle
- 192
- Stellglied
- 205
- Behälter
- 207
- Eingang des Behälters
- 209
- Ausgang des Behälters
- 210
- Teilvolumen
- 215
- Paket
- 220
- eingangsseitiges Paket
- 230
- ausgangsseitiges Paket
- S1...S11
- Programmschritte
- W
- Wand
