DE102015215568A1

DE102015215568A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015215568A1
Application number: DE102015215568.4A
Authority: DE
Inventors: Harry Schüle; Benedikt Van Booven; Stephan Wagner
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Brennkraftmaschine (VBK) umfasst zumindest einen Zylinder, der zusammen mit einem Kolben (24), der mit einer Kurbelwelle (21) gekoppelten ist, einen Brennraum (27) begrenzt. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine (VBK) einen Brennraumdrucksensor (36) zur Messung eines Drucks in dem Brennraum (27) auf. Mittels des Brennraumdrucksensors (36) wird ein Druckverlauf in dem Brennraum (27) in einem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine (VBK) abhängig von einem Kurbelwellenwinkel (KW) erfasst, wobei der Brennraumdrucksensor (36) eine vorgegebene Querempfindlichkeit gegenüber einer Temperaturänderung des Brennraumdrucksensors (36) aufweist. Abhängig von dem erfassten Druckverlauf und von einem bereitgestellten Größenverlauf, der einen zeitlichen Verlauf (delta_T) der Erwärmung des Brennraumdrucksensors (36) während einer Kolbenbewegung charakterisiert, wird eine Lage und/oder Phasenverschiebung (Δφ). eines oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Zylinder, der zusammen mit einem Kolben, der mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, einen Brennraum begrenzt. Die Brennkraftmaschine weist einen Brennraumdrucksensor zur Messung eines Drucks in dem Brennraum auf.
Ziel neuerer Steuerungsprozesse eines Verbrennungsmotors ist es allgemein, den Verbrennungszustand derart zu beeinflussen, dass eine optimierte Leistungsabgabe bei gleichzeitig niedrigem Verbrauch und niedrigem Verschleiß bei geringen Schadstoffemissionen möglich ist.
Im Bereich der Lasterfassung gibt es vielfältige Möglichkeiten einen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern. Eine Möglichkeit besteht darin, dass zum Beispiel Zylinderdrucksensoren eingebaut und deren Signale ausgewertet werden.
Ein Zylinderdruck des Verbrennungsmotors kann für eine Charakterisierung einer Verbrennung vielfältig herangezogen werden. So kann auf Basis des Zylinderdrucks zum Beispiel ein indizierter Mitteldruck, ein Spitzendruck, ein Heizverlauf ein Verbrennungsschwerpunkt usw. ermittelt werden, um den Motor in einem Betriebspunkt mit optimalen Betriebsparametern zu betreiben.
Zur Messung des Zylinderdrucks können zum Beispiel piezoelektrische Druckaufnehmer eingesetzt werden, die im Brennraum des Zylinders angeordnet sind. Ein Gasdruck im Brennraum wirkt auf eine Metallmembran des Druckaufnehmens, die auf einen Quarzkristall drückt. Dieser gibt eine der mechanischen Einwirkung proportionale elektrische Ladung ab. Die erzeugte elektrische Ladung wird über Ladungsverstärker in eine elektrische Spannung umgewandelt, und die kann weiter verarbeitet werden. Aber auch bei Zylinderdrucksensoren mit einem anderen Messprinzip wird der Gasdruck im Brennraum über eine Membran von der Sensoreinheit getrennt. Bei einem serientauglichen Druckaufnehmer besteht jedoch das Problem des Thermoschock-Verhaltens, d. h. solch ein Druckaufnehmer weist eine Querempfindlichkeit gegenüber einer Temperaturänderung auf. Während der Kompressionsphase des Zylinders und einer damit verbundenen Erwärmung des Druckaufnehmers durch die Erwärmung des verdichteten Gases verspannt sich durch den auftretenden Wärmestrom die Metallmembran, wodurch eine Ladungsverschiebung innerhalb des Quarzes eintritt. Dadurch tritt eine Kurzzeitdrift in dem erfassten Drucksignal auf.
Möglichkeiten zur Kompensation des Thermoschock-Verhaltens im gefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart DE 10 2004 045 151 A1 ein Verfahren zur Bestimmung eines Brennraumdrucks in einem Verbrennungsmotor. Mit Hilfe eines Modells wird bei jedem erfassten Messwert des Brennraumdrucks ein Fehler korrigiert, der Aufgrund eines Thermoschocks des Brennraumsensors auftritt.
DE 10 2012 221 070 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur eines von einem Druckaufnehmer gemessenen Drucksignals, der in dem Brennraum angeordnet ist. Es wird ein Verlauf eines von dem Druckaufnehmer gemessenen Drucksignals erfasst in Abhängigkeit von einem Kurbelwellenwinkel der Verbrennungskraftmaschine, eine Korrekturfunktion eines Fehlers des Drucksignals aufgrund eines Thermoschocks wird berechnet, wobei der Betrag der Korrekturfunktion bis zu einem Maximum linear ansteigt und anschließend exponentiell abfällt. Ein korrigiertes Drucksignal des Druckaufnehmers wird ermittelt durch Addition der Korrekturfunktion zu dem gemessenen Drucksignal.
Die neueren Steuerungsprozesse des Verbrennungsmotors stellen jedoch hohe Anforderungen an die Exaktheit der Zylinderdruckdaten insbesondere hinsichtlich einer Lage der Zylinderdruckwerte in Bezug zum Kurbelbetrieb.
Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen Beitrag dazu leisten, eine Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine zu verbessern, insbesondere eine präzisere Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Zylinder, der zusammen mit einem Kolben, der mit einer Kurbelwelle gekoppelten ist, einen Brennraum begrenzt. Des Weiteren weist die Brennkraftmaschine einen Brennraumdrucksensor zur Messung eines Drucks in dem Brennraum auf. Mittels des Brennraumdrucksensors wird ein Druckverlauf in dem Brennraum in einem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine abhängig von einem Kurbelwellenwinkel erfasst, wobei der Brennraumdrucksensor eine vorgegebene Querempfindlichkeit gegenüber einer Temperaturänderung des Brennraumdrucksensors aufweist. Abhängig von dem erfassten Druckverlauf und von einem bereitgestellten Größenverlauf, der einen zeitlichen Verlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors während einer Kolbenbewegung charakterisiert, wird eine Lage und/oder Phasenverschiebung eines oberen Totpunktes des Kolben bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt.
Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine sehr genaue Bestimmung einer Kolbenposition, insbesondere die Bestimmung einer Lage eines oberen Totpunktes des Kolbens in der Brennkraftmaschine. Es können Fehler bei der Berechnung weiterer thermodynamischer Kenngrößen, zum Beispiel ein indizierter Mitteldruck, ein Spitzendruck, ein Heizverlauf, ein Verbrennungsschwerpunkt usw. reduziert werden. Eine wichtige Voraussetzung dafür, dass diese Kenngrößen richtig berechnet werden können, ist, dass eine Lage der Zylinderdruckwerte in Bezug zum Kurbelbetrieb richtig ist. Dadurch, dass das Thermo-schock-Verhalten des Brennraumdrucksensors bereits im Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird bei der Ermittlung des oberen Totpunktes, kann die Lage der Zylinderdruckwerte in Bezug zum Kurbelbetrieb sehr präzise ermittelt werden.
Des Weiteren kann eine Indizierung einer Brennkraftmaschine wesentlich vereinfacht werden. Aufgrund der präzisen Ermittlung der Lage des oberen Totpunktes kann eine Fixierung einer Kurbelwellenwinkelskala auch ohne OT-Sensor mit Hilfe des Brennraumdrucksignals von dem geschleppten Zylinder vorgenommen werden. Unter der Indizierung einer Brennkraftmaschine versteht man die messtechnische Aufnahme des Brennraumdruckes und anderer periodisch veränderlicher Größen (z.B. Zündspannung oder Einspritzdruck) in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels. Zur Fixierung der Kurbelwellenwinkelskala muss einem Triggerpunkt eine bestimmte Drehwinkelstellung eines Kurbeltriebes zugeordnet werden. Dies erfolgt heute häufig mit Hilfe eines speziell ausgebildeten kapazitiven OT-Sensors, der zur direkten Messung des oberen Totpunktes ausgebildet ist. Ferner ermöglicht dies eine einfache Kalibrierung eines Korrekturmodells für den Thermoschock. Solch ein Korrekturmodell verwendet betriebspunktabhängige Referenzkurven. Das Korrekturmodell lässt sich schnell auf Basis von Messdaten abstimmen, ist wenig rechenintensiv und damit auch echtzeitfähig in einer Motorsteuerung.
Als Totpunkte bezeichnet man die Stellungen der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, in denen der Kolben keine Bewegung mehr in axialer Richtung ausführt. Man unterscheidet zwischen oberem Totpunkt, bei dem sich eine Kolbenoberseite nah an einem Zylinderkopf befindet, und dem unteren Totpunkt, bei dem die Kolbenoberseite entfernt ist vom Zylinderkopf.
Eine Bestimmung einer genauen Kolbenposition, insbesondere eine Lage des oberen Totpunktes des Kolbens, wird vorzugsweise in einem geschleppten Motorbetrieb durchgeführt, da dann keine Verbrennung vorhanden ist und der Brennraumdruck der Position und Bewegung des Kolbens folgt.
Die Querempfindlichkeit des Brennraumdrucksensors ist derart vorgegeben, dass jeweilige Druckmessfehler des Brennraumdrucksensors für die jeweiligen Temperaturgradienten als bekannt vorausgesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig von dem Größenverlauf, der den zeitlichen Verlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors charakterisiert, eine zeitliche Verschiebung und/oder Phasenverschiebung eines Maximums des Druckverlaufs des Brennraumdrucks ermittelt, wobei die Phasenverschiebung sich auf den Kurbelwellenwinkel bezieht. Abhängig von der zeitlichen Verschiebung beziehungsweise der Phasenverschiebung des Maximums des Druckverlaufs wird die Lage und/oder Phasenverschiebung des oberen Totpunktes des Kolbens bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt. Dies ermöglicht eine einfache Ermittlung und/oder Korrektur der Lage des oberen Totpunktes.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der zeitliche Verlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors abhängig von einem Wärmeübergangskoeffizienten von einem Brennraumgas auf den Brennraumdrucksensor und/oder abhängig von einer Wärmekapazität des Brennraumdrucksensors und/oder abhängig von einem Wärmeübergangskoeffizienten abhängig von der Einbauposition von dem Brennraumdrucksensor und/oder einem Wärmeübergangskoeffizienten des Brennraumdrucksensors zur Wand des Zylinderkopfes ermittelt. Dies ermöglicht, dass die Erwärmung des Brennraumdrucksensors während eines realen Betriebs der Brennkraftmaschine jeweils aktuell einfach ermittelt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der zeitliche Verlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors basierend auf einem Wärmemodell für den Brennraumdrucksensor in dem Brennraum ermittelt. Dies ermöglicht, dass die Erwärmung des Brennraumdrucksensors während eines realen Betriebs der Brennkraftmaschine jeweils aktuell sehr präzise ermittelt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorab zur Bereitstellung des Größenverlaufs für eine Vielzahl von vorgegebenen Betriebspunkten in einem Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine jeweils ein zeitlicher Referenzverlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors ermittelt und zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt abgespeichert. In dem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine wird eine Kühlmitteltemperatur und/oder ein weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfasst. Abhängig von dem erfassten Druckverlauf, von der erfassten Kühlmitteltemperatur und/oder dem weiteren Betriebsparameter sowie abhängig von dem zu einem aktuellen Betriebspunkt, den die Brennkraftmaschine in dem aktuellen Schleppbetrieb aufweist, zugeordneten Referenzverlauf der Erwärmung wird die Lage und/oder Phasenverschiebung des oberen Totpunktes des Kolbens bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt. Der weitere Betriebsparameter kann eine Öl-Temperatur und/oder Ansaugtemperatur und/oder ein Verbrennungsmodi und/oder eine EGR Rate usw. umfassen. Alle diese weiteren Betreibsparameter beeinflussen und/oder sind repräsentativ für eine Wärmeaufnahme und Wärmeabnahme des Brennraumdrucksensors.
Vorteilhafterweise ermöglicht dies, einen Rechenaufwand während des realen Betriebs der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Des Weiteren kann der zeitliche Referenzverlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors vorab mit aufwendigen Modellen und damit sehr präzise ermittelt werden. Das Vorabermitteln des Referenzverlaufs kann beispielsweise mittels eines Referenzsystems, das eine baugleiche Brennkraftmaschine und einen baugleichen Brennraumdrucksensor aufweist, erfolgen. Der jeweilige Betriebspunkt wird durch zumindest eine Betriebsgröße charakterisiert, beispielsweise eine Drehzahl.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorab zur Bereitstellung des Größenverlaufs für eine Vielzahl von Betriebspunkten in dem geschleppten Betrieb der Brennkraftmaschine jeweils ein erster Druckverlauf und ein zweiter Druckverlauf in dem Brennraum erfasst. Der erste Druckverlauf wird mit einem Referenz-Brennraumdrucksensor erfasst, der keine oder eine vernachlässigbar kleine Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen aufweist. Der zweite Druckverlauf wird mittels des Brennraumdrucksensors, der die Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen aufweist, erfasst. Abhängig von dem ersten Druckverlauf und dem zweiten Druckverlauf wird eine Referenzlage und/oder Referenzphasenverschiebung des oberen Totpunktes des Kolbens bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt und zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt gespeichert. In dem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine wird abhängig von dem erfassten Druckverlauf sowie abhängig von der zu dem aktuellen Betriebspunkt, den die Brennkraftmaschine in dem aktuellen Schleppbetrieb aufweist, gespeicherten zugeordneten Referenzlage und/oder Referenzphasenverschiebung des oberen Totpunktes des Kolbens die Lage eines oberen Totpunktes des Kolbens bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt. Vorteilhafterweise ermöglicht dies, einen Rechenaufwand während des realen Betriebs der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Das Vorabermitteln des Referenzverlaufs kann beispielsweise mittels eines Referenzsystems, das eine baugleiche Brennkraftmaschine und einen baugleichen Brennraumdrucksensor aufweist, erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Lage und/oder die Phasenverschiebung des oberen Totpunktes des Kolbens bezogen auf den Kurbelwellenwinkel ermittelt abhängig von Wärmeverlusten während einer Kompression im Brennraum und/oder Leckageverlusten. Die Wärmeverluste umfassen hierbei Wandwärmeverluste. Dies ermöglicht, den oberen Totpunkt sehr präzise zu ermitteln. Die Leckageverluste und die Wärmeverluste bedingen, dass der Brennraumdruck seinen Maximalwert nicht exakt im oberen Totpunkt, d. h. bei kleinstem Brennraumvolumen, erreicht, sondern schon ein wenig vorher. Der dadurch entstehende Phasenunterschied zwischen Druckmaximum und oberem Totpunkt wird als thermodynamischer Verlustwinkel bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, das Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt 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 eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ausführt.
Das Computerprogrammprodukt umfasst insbesondere ein von der Datenverarbeitungsvorrichtung lesbares Medium, auf dem der Programmcode gespeichert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine,
2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben der Brennkraftmaschine,
3 einen Vergleich von erfassten Brennraumdruckverläufen und
4 einen weiteren Vergleich von erfassten Brennraumdruckverläufen.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine VBK. Die Brennkraftmaschine VBK umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Motorblock 2 umfasst ferner eine Kurbelwelle 21, welche über eine Pleuelstange 25 mit einem Kolben 24 des Zylinders Z1 gekoppelt ist. Der Zylinder Z1 und der Kolben 24 begrenzen einen Brennraum 27.
Der Zylinderkopf 3 umfasst eine Zündkerze 35, einen Brennraumdrucksensor 36 und ein Einspritzventil 34.
Eine Steuerungseinrichtung 6 ist vorgesehen, der zumindest der Brennraumdrucksensor 36 zugeordnet ist. Der Steuereinrichtung 6 können weitere Sensoren zugeordnet sein, die verschiedene Messgrößen erfassen und die Messwerte der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen.
Die Steuerungseinrichtung 6 ist ausgebildet eine Lage eines oberen Totpunktes OT des Kolbens 24 zu ermitteln und/oder zu korrigieren. Optional ist die Steuereinrichtung ausgebildet, für einen aktuellen Betriebspunkt relevante Betriebsgrößen zu erfassen und abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen Stellglieder, die der Brennkraftmaschine VBK zugeordnet sind, und denen jeweils entsprechende Stellantriebe zugeordnet sind, durch das Erzeugen von Stellsignalen für die Stellantriebe anzusteuern.
Die Steuerungseinrichtung 6 kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine VBK bezeichnet werden.
Die weiteren Sensoren sind vorzugsweise ein Kurbelwellenwinkelsensor 22, welcher einen Kurbelwellenwinkel KW erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird, ein Temperatursensor 26, der eine Kühlmitteltemperatur TKW der Brennkraftmaschine VBK erfasst.
Weitere Sensoren können beispielsweise sein ein Pedalstellungsgeber 71, welcher die Stellung eines Fahrpedals 7 erfasst, ein Luftmassenmesser 14, welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 11 erfasst, ein Temperatursensor 15, welcher eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Drucksensor 16, welcher einen Saugrohrdruck erfasst, ein Drosselklappenstellungssensor 17, der einen Öffnungswinkel der Drosselklappe 11 erfasst, ein Temperatursensor 23, der eine Öltemperatur TOIL erfasst und eine Abgassonde 41, welche einen Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und deren Messsignal charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Zylinder Z1 bei der Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches.
Neben dem Zylinder Z1 können auch noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen sein, denen dann auch entsprechende Sensoren und Stellglieder zugeordnet sind.
Die Steuerungseinrichtung 6 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit (Prozessor) 61, die mit einem Programmspeicher 62 und vorzugsweise auch mit meinem Wertespeicher (Datenspeicher) 63 gekoppelt ist. Die Recheneinheit 61, der Programmspeicher 62 und der Wertespeicher 63 können jeweils ein oder mehrere mikroelektronische Bauelemente umfassen. Alternativ können diese Komponenten teilweise oder vollständig in einem einzigen mikroelektronischen Bauteil integriert sein. In dem Programmspeicher 61 und dem Wertespeicher 63 sind Programme bzw. Werte abgespeichert, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine VBK nötig sind. In dem Programmspeicher ist ein Programm (2) zum Betreiben der Brennkraftmaschine VBK gespeichert. Das Programm dient dazu, eine Lage eines oberen Totpunktes OT des Kolbens 24 zu ermitteln.
Der obere Totpunkt OT, ist eine wichtige Größe im Zyklus einer Kolbenbrennkraftmaschine. Seine direkte Bestimmung ist aufwendig. Das Programm zum Betreiben der Brennkraftmaschine VBK ermöglicht, die Lage des oberen Totpunktes OT des Kolbens aus dem Brennraumdruckverlauf abzuleiten.
Das Programm wird vorzugsweise in einem Schritt S10 gestartet, in dem Variablen initialisiert werden. Das Programm wird vorzugsweise während eines Schleppbetriebs der Brennkraftmaschine VBK ausgeführt.
In einem Schritt S20 wird während des Schleppbetriebs der Brennkraftmaschine VBK mittels des Brennraumdrucksensors 36 ein Messgrößenverlauf P_m_TS(Kw), der repräsentativ ist für einen Druckverlauf in dem Brennraum 27 der Brennkraftmaschine VBK, abhängig von einem Kurbelwellenwinkel KW erfasst.
Der Brennraumdrucksensor 36 umfasst beispielsweise einen piezoelektrischen Druckaufnehmer. Insbesondere weist der Brennraumdrucksensor 36 eine vorgegebene Querempfindlichkeit gegenüber einer Temperaturänderung des Brennraumdrucksensors 36 auf.
In einem Schritt S30 wird ein Größenverlauf bereitgestellt, der einen zeitlichen Verlauf einer Erwärmung des Brennraumdrucksensors 36 während einer Kolbenbewegung charakterisiert.
Beispielsweise wird in dem Schritt S30 der zeitliche Verlauf delta_T der Erwärmung des Brennraumdrucksensors 36 ermittelt abhängig von einem Wärmübergangskoeffizienten von einem Brennraumgas auf den Brennraumdrucksensor 36 und/oder einer Wärmekapazität des Brennraumdrucksensors 36 und/oder einem Wärmeübergangskoeffizienten abhängig von der Einbauposition von dem Brennraumdrucksensor 36 und/oder einem Wärmeübergangskoeffizienten des Brennraumdrucksensors 36 zur Wand des Zylinderkopfes 3. Alternativ oder zusätzlich kann die zeitliche Erwärmung basierend auf einem Wärmemodell für den Brennraumdrucksensor 36 in dem Brennraum 27 ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann in dem Schritt S30 der Größenverlauf von dem Wertespeicher 63 eingelesen werden.
In dem Wertespeicher 63 können beispielsweise zeitliche Referenzverläufe für die Erwärmung der Brennkraftmaschine VBK gespeichert sein.
Diese zeitlichen Referenzverläufe der Erwärmung des Brennraumdrucksensors 36 werden beispielsweise vorab bereitgestellt, indem für eine Vielzahl von vorgegebenen Betriebspunkten in einem Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine VBK jeweils ein zeitlicher Referenzverlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors 36 ermittelt und zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt abgespeichert wird.
Alternativ oder zusätzlich können Referenzlagen und/oder Referenzphasenverschiebungen des oberen Totpunktes OT des Kolbens 24 in dem Wertespeicher 63 gespeichert sein.
Diese Referenzlagen und/oder Referenzphasenverschiebungen werden beispielsweise vorab bereitgestellt, indem für eine Vielzahl von Betriebspunkten in dem geschleppten Betrieb der Brennkraftmaschine VBK jeweils ein erster Druckverlauf P_O_TS und ein zweiter Druckverlauf P_m_TS in dem Brennraum 27 der Brennkraftmaschine VBK oder einer baugleichen weiteren Brennkraftmaschine erfasst wird. Der erste Druckverlauf P_O_TS wird mittels eines Referenz-Brennraumdrucksensors, der keine oder eine vernachlässigbar kleine Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen aufweist, erfasst. Der zweite Druckverlauf P_m_TS wird mittels dem Brennraumdrucksensor 36 oder einem baugleichen weiteren Brennraumdrucksensor, der die Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen aufweist, erfasst. Abhängig von dem ersten Druckverlauf P_O_TS und dem zweiten Druckverlauf P_m_TS wird die jeweilige Referenzlage und/oder Referenzphasenverschiebung des oberen Totpunktes OT des Kolben 24 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel KW ermittelt und zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt, gespeichert.
Zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt gespeichert bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Referenzlage beziehungsweise die Referenzphasenverschiebung beziehungsweise der zeitliche Referenzverlauf in Abhängigkeit von den Betriebspunkten, bei denen sie ermittelt werden, gespeichert werden.
In einem Schritt S40 wird abhängig von dem erfassten Druckverlauf und von dem bereitgestellten Größenverlauf eine Lage und/oder Phasenverschiebung Δφ des oberen Totpunktes OT des Kolbens 24 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel KW ermittelt.
Im Falle dass in dem Schritt S40 der zeitliche Referenzverlauf delta_T der Erwärmung genutzt werden soll, wird zunächst eine Kühlmitteltemperatur TKW der Brennkraftmaschine VBK erfasst und anschließend abhängig von dem erfassten Druckverlauf, der erfassten Kühlmitteltemperatur TKW sowie abhängig von dem zu einem aktuellen Betriebspunkt, den die Brennkraftmaschine VBK in dem aktuellen Schleppbetrieb aufweist, zugeordneten Referenzverlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors 36 die Lage und/oder Phasenverschiebung Δφ des oberen Totpunktes OT des Kolbens 24 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel KW ermittelt.
In einem optionalen Schritt S50 wird die Lage und/oder die Phasenverschiebung Δφ des oberen Totpunktes OT des Kolbens 24 bezogen auf den Kurbelwellenwinkel KW ermittelt abhängig von Wärmeverlusten während einer Kompression im Brennraum 27 der Brennkraftmaschine VBK und/oder Leckageverlusten. Die thermodynamischen Verluste durch Wärmeübertragung können beispielsweise mit Hilfe des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ermittelt werden.
Aufgrund der Wärmeverluste während der Kompression erreicht der Brennraumdruck seinen Maximalwert nicht exakt im Kompressions-Oberen-Totpunkt, d. h. bei kleinstem Zylindervolumen, sondern schon ein wenig früher. Der Kurbelwellenwinkelabstand zwischen dem Druckmaximum und dem Kompressions-Oberen-Totpunkt aufgrund der Wärmeverluste wird häufig thermodynamischer Verlustwinkel Δη genannt.
Die thermodynamische Verlustwinkel Δη und die Phasenverschiebung des oberen Totpunktes OT aufgrund des Thermoschockverhaltens im Schleppbetrieb können bei der Ermittlung der Lage und/oder Phasenverschiebung Δφ des oberen Totpunktes OT additiv berücksichtigt werden.
In einem Schritt S60 kann das Programm beendet werden. Das Programm wird vorzugsweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine VBK wiederholt ausgeführt.
3 zeigt einen beispielhaften ersten Druckverlauf P_O_TS, der in dem Brennraum 27 der Brennkraftmaschine VBK in einem geschleppten Motorbetrieb mittels eines Referenz-Brennraumdrucksensors, der kein Thermoschockverhalten aufweist, erfasst wurde. Der Referenz-Brennraumdrucksensor kann beispielsweise ein gekühltes Sensorelement umfassen.
Ferner zeigt 3 einen beispielhaften zweiten Druckverlauf P_m_TS, der in dem Brennraum 27 der Brennkraftmaschine VBK mittels des Brennraumdrucksensors 36, der ein Thermoschockverhalten aufweist, erfasst wurde.
In beiden Fällen ist der charakteristische Druckanstieg während der Kompressionsphase bis zum Erreichen des oberen Totpunktes OT und der anschließende Druckabfall während der Expansionsphase zu erkennen. Die vorhandenen, wenngleich im Maßstab von 3 nicht besonders deutlich hervortretenden Unterschiede in den beiden Druckverläufen beruhen darauf, dass die vom Thermoschockeffekt verursachte Kurzzeittemperaturdrift beim gekühlten Brennraumdrucksensor weitgehend eliminiert ist, während sie beim ungekühlten Sensor in voller Stärke auftritt.
Ferner ist in 3 die Druckdifferenz zwischen dem ersten Druckverlauf P_O_TS und dem zweiten Druckverlauf P_m_TS dargestellt.
Durch einen verzögerten Temperaturanstieg des Brennraumdrucksensors 36 mit Thermoschock-Verhalten, kommt es zu einer Druckabweichung zwischen dem tatsächlichen Druckverlauf, der durch den ersten Druckverlauf P_O_TS repräsentiert ist, und dem mit dem Brennraumdrucksensor 36 mit Thermoschockverhalten real erfassten zweiten Druckverlauf P_m_TS. In dem in 3 gezeigten Beispiel wirkt sich das Thermoschockverhalten negativ aus, so dass der Brennraumdrucksensor 36 mit Thermo-schock-Verhalten niedrigere Brennraumdrücke misst als tatsächlich im Brennraum auftreten.
Ferner ist in 3 zu erkennen, dass eine maximale Druckdifferenz zwischen dem tatsächlichen Druckverlauf im Brennraum 27 und dem real erfassten zweiten Druckverlauf P_m_TS zeitlich versetzt zu einem Druckmaximum Pmax_oTS des tatsächlichen Druckverlaufs auftritt.
4 zeigt den ersten Druckverlauf P_O_TS und den zweiten Druckverlauf P_m_TS im Bereich des oberen Totpunktes OT. Die Phasenverschiebung der Druckmaxima Pmax_mTS, Pmax_oTS und damit die Phasenverschiebung Δφ des oberen Totpunktes OT ist deutlich zu erkennen. Ein Fehler in der Lage des oberen Totpunktes OT von 0,2° Kurbelwellenwinkel KW führt bereits zu einem Fehler von 3% in einem berechneten Mitteldruck. Der Fehler in der Lage des oberen Totpunktes OT bewirkt zum Beispiel, dass auch die Bestimmung des geometrischen Volumens fehlerhaft ist.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugtrakt
11: Drosselklappe
13: Saugrohr, Einlasskanal
14: Luftmassenmesser
15: Temperatursensor für Ansaugluft
16: Saugrohrdrucksensor
17: Drosselklappenstellungssensor
2: Motorblock
21: Kurbelwelle
22: Kurbelwellenwinkelsensor
23: Öltemperatursensor
24: Kolben
25: Pleuelstange
26: Kühlmitteltemperatursensor
27: Brennraum
3: Zylinderkopf
34: Einspritzventil
35: Zündkerze
36: Brennraumdrucksensor
4: Abgastrakt
41: Abgassonde
6: Steuerungseinrichtung
61: Recheneinheit, Prozessor
62: Programmspeicher
63: Wertespeicher, Datenspeicher
7: Fahrpedal
71: Pedalstellungsgeber
delta_T: zeitlicher Verlauf der Erwärmung
KW: Kurbelwellenwinkel in Grad
OT: oberer Totpunkt
Pmax_mTS: Druckmaximum
Pmax_oTS: Druckmaximum
P_m_TS: erfasster erster Brennraumdruck
P_O_TS: erfasster zweiter Brennraumdruck
S10–S60: Programmschritte
TKW: Kühlmitteltemperatur
TOIL: Öltemperatur
VBK: Brennkraftmaschine
Δφ: Phasenverschiebung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004045151 A1 [0006]
DE 102012221070 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (VBK), die zumindest einen Zylinder, der zusammen mit einem, mit einer Kurbelwelle (21) gekoppelten Kolben (24) einen Brennraum (27) begrenzt, aufweist und die einen Brennraumdrucksensor (36) zur Messung eines Drucks in dem Brennraum (27) aufweist, bei dem – mittels des Brennraumdrucksensors (36) ein Druckverlauf in dem Brennraum (27) in einem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine (VBK) abhängig von einem Kurbelwellenwinkel (KW) erfasst wird, wobei der Brennraumdrucksensor (36) eine vorgegebene Querempfindlichkeit gegenüber einer Temperaturänderung des Brennraumdrucksensors (36) aufweist, – abhängig von dem erfassten Druckverlauf und von einem bereitgestellten Größenverlauf, der einen zeitlichen Verlauf (delta_T) der Erwärmung des Brennraumdrucksensors (36) während einer Kolbenbewegung charakterisiert, eine Lage und/oder Phasenverschiebung (Δφ) eines oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – abhängig von dem Größenverlauf, der den zeitlichen Verlauf (delta_T) der Erwärmung des Brennraumdrucksensors (36) charakterisiert, eine zeitliche Verschiebung und/oder eine Phasenverschiebung eines Maximums des Druckverlaufs des Brennraumdrucks ermittelt wird, wobei die Phasenverschiebung sich auf den Kurbelwellenwinkel (KW) bezieht, und – abhängig von der zeitlichen Verschiebung beziehungsweise der Phasenverschiebung des Maximums des Druckverlaufs die Lage und/oder Phasenverschiebung (Δφ) des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zeitliche Verlauf (delta_T) der Erwärmung des Brennraumdrucksensors (36) ermittelt wird abhängig von – einem Wärmeübergangskoeffizienten von einem Brennraumgas auf den Brennraumdrucksensor (36) und/oder – einer Wärmekapazität des Brennraumdrucksensors (36) und/oder – einem Wärmeübergangskoeffizienten abhängig von der Einbauposition von dem Brennraumdrucksensor (36) und/oder – einem Wärmeübergangskoeffizienten des Brennraumdrucksensors (36) zur Wand eines Zylinderkopfes (3) des Zylinders.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zeitliche Verlauf (delta_T) der Erwärmung des Brennraumdrucksensors (36) basierend auf einem Wärmemodell für den Brennraumdrucksensor (36) in dem Brennraum (27) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem vorab zur Bereitstellung des Größenverlaufs für eine Vielzahl von vorgegebenen Betriebspunkten in einem Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine (VBK) jeweils ein zeitlicher Referenzverlauf der Erwärmung des Brennraumdrucksensors (36) ermittelt und zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt abgespeichert wird, und in dem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine (VBK) – eine Kühlmitteltemperatur (TKW) und/oder ein weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (VBK) erfasst wird, – abhängig von dem erfassten Druckverlauf, der erfassten Kühlmitteltemperatur (TKW) und/oder dem weiteren Betriebsparameter sowie abhängig von dem zu einem aktuellen Betriebspunkt, den die Brennkraftmaschine (VBK) in dem aktuellen Schleppbetrieb aufweist, zugeordneten Referenzverlauf der Erwärmung die Lage und/oder Phasenverschiebung (Δφ) des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, bei dem vorab zur Bereitstellung des Größenverlaufs – für eine Vielzahl von Betriebspunkten in dem geschleppten Betrieb der Brennkraftmaschine (VBK) jeweils ein erster Druckverlauf (P_O_TS) in dem Brennraum (27) der Brennkraftmaschine (VBK) mittels eines Referenz-Brennraumdrucksensors (36), der keine oder eine vernachlässigbar kleine Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen aufweist, und jeweils ein zweiter Druckverlauf (P_m_TS) in dem Brennraum (27) der Brennkraftmaschine (VBK) mittels dem Brennraumdrucksensor (36), der die Querempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen aufweist, erfasst wird und – abhängig von dem ersten Druckverlauf (P_O_TS) und dem zweiten Druckverlauf (P_m_TS) eine Referenzlage und/oder Referenzphasenverschiebung des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt und zugeordnet zu dem jeweiligen Betriebspunkt, gespeichert wird, und in dem aktuellen Schleppbetrieb der Brennkraftmaschine (VBK) – abhängig von dem erfassten Druckverlauf sowie abhängig von der zu dem aktuellen Betriebspunkt, den die Brennkraftmaschine (VBK) in dem aktuellen Schleppbetrieb aufweist, gespeicherten zugeordneten Referenzlage und/oder Referenzphasenverschiebung des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) die Lage und/oder die Phasenverschiebung (Δφ) des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Lage und/oder die Phasenverschiebung (Δφ) des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens (24) bezogen auf den Kurbelwellenwinkel (KW) ermittelt wird abhängig von Wärmeverlusten während einer Kompression im Brennraum (27) und/oder Leckageverlusten.
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (VBK), die ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Computerprogramm, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen.
Computerprogrammprodukt umfassend ausführbaren Programmcode, wobei der Programmcode bei Ausführung durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt.