DE102015221788A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller Download PDF

Info

Publication number
DE102015221788A1
DE102015221788A1 DE102015221788.4A DE102015221788A DE102015221788A1 DE 102015221788 A1 DE102015221788 A1 DE 102015221788A1 DE 102015221788 A DE102015221788 A DE 102015221788A DE 102015221788 A1 DE102015221788 A1 DE 102015221788A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
compression ratio
engine
operating point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015221788.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Stefan Gottlieb
Stefan Kluever
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102015221788.4A priority Critical patent/DE102015221788A1/de
Publication of DE102015221788A1 publication Critical patent/DE102015221788A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00Varying compression ratio
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D37/00Non-electrical conjoint control of two or more functions of engines, not otherwise provided for
    • F02D37/02Non-electrical conjoint control of two or more functions of engines, not otherwise provided for one of the functions being ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1406Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method with use of a optimisation method, e.g. iteration
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/045Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions combined with electronic control of other engine functions, e.g. fuel injection
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/02Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/021Engine temperature
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/02Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04Engine intake system parameters
    • F02D2200/0414Air temperature
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/02Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/04Engine intake system parameters
    • F02D2200/0418Air humidity
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/70Input parameters for engine control said parameters being related to the vehicle exterior
    • F02D2200/703Atmospheric pressure

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung btetrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) eines Motorsystems (1) mit einem VCR-Steller (6) zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder (3) des Verbrennungsmotors (2), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines aktuellen Betriebspunktes (BP) des Motorsystems (1) und eines momentanen Zündwinkels als Angabe eines Zündzeitpunkts in dem mindestens einen Zylinder (3); – Durchführen eines Optimierungsverfahrens zum Bestimmen eines optimierten Verdichtungsverhältnisses (εopt) an dem bereitgestellten Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) und bei dem momentanen Zündwinkel, um das optimierte Verdichtungsverhältnis zu erhalten, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) des Verbrennungsmotors (2) maximiert ist, wobei der Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) von einem vom Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) abhängigen thermischen Wirkungsgrad (ηTH) und von dem momentanen Zündwinkel abhängigen Zündwinkelwirkungsgrad (ηZW) des Verbrennungsmotors (2) abhängt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Hubkolben-Verbrennungsmotoren, mit VCR-Stellern (VCR: Variable Compression Ratio), die eine variable Anpassung eines Verdichtungsverhältnisses von Brennräumen des Verbrennungsmotors ermöglichen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller.
  • Technischer Hintergrund
  • Für Hubkolben-Verbrennungsmotoren besteht die Möglichkeit, durch verschiedene Maßnahmen ein Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen der Zylinder einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis gibt ein Verhältnis zwischen einem maximalen Volumen des Brennraums und einem minimalen Volumen des Brennraums während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors an. Das Verdichtungsverhältnis kann durch geeignete so genannte VCR-Steller variabel eingepasst werden.
  • Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 2014/019684 eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit variabler Kompression und mit einer Betätigungseinheit zur Änderung eines Verdichtungsverhältnisses bekannt. Die Betätigungseinheit weist einen Pleuel mit einer variablen Länge auf, einen Kolben mit einer variablen Kompressionshöhe und/oder eine Kurbelwelle mit einem variablen Kurbelwellenradius auf.
  • Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 10 2008 050 827 A1 eine Verstellvorrichtung für eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Kurbelwelle ist in Einstelllagern gelagert, die über eine Verstellwelle verstellbar sind, um die Position der Kurbelwelle zwischen einer Minimalverdichtungslage und einer Maximalverdichtungslage eines Kolbens in einem Zylinder zu ändern.
  • Aus der Druckschrift US 2014/0014071 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Einstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Exzenterlagereinrichtung zur Aufnahme der Kurbelwelle. Die Exzenterlagereinrichtung umfasst einen drehbaren Exzenterring, in dem die Kurbelwelle gelagert ist, wobei durch Drehen des Exzenterrings das Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
  • Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors eines Motorsystems mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, mit folgenden Schritten:
    • – Bereitstellen einer Angabe über einen aktuellen Betriebspunkt des Motorsystems und eines momentanen Zündwinkels als Angabe eines Zündzeitpunkts in dem mindestens einen Zylinder;
    • – Durchführen eines Optimierungsverfahrens zum Bestimmen eines optimierten Verdichtungsverhältnisses an dem bereitgestellten Betriebspunkt des Motorsystems und bei dem momentanen Zündwinkel, um das optimierte Verdichtungsverhältnis zu erhalten, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors maximiert ist, wobei der Gesamtwirkungsgrad von einem vom Betriebspunkt des Motorsystems abhängigen thermischen Wirkungsgrad und von dem momentanen Zündwinkel abhängigen Zündwinkelwirkungsgrad des Verbrennungsmotors abhängt.
  • Weiterhin kann der Betriebspunkt des Motorsystems durch einen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors und eine oder mehrere Umgebungsbedingungen bestimmt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors durch mindestens eine der Größen bestimmt wird: eine Motordrehzahl, eine Motorlast, eine Motortemperatur und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Weiterhin können die Umgebungsbedingung durch mindestens eine der Größen bestimmt werden: eine Ansauglufttemperatur, eine Ansaugluftfeuchtigkeit und einen Umgebungsluftdruck.
  • Verbrennungsmotoren mit VCR-Stellern ermöglichen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Optimierung des thermischen Wirkungsgrades durch Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder. Generelles Ziel beim Betrieb von Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis ist es, das Verdichtungsverhältnis so einzustellen, dass sich ein bestmöglicher Gesamtwirkungsgrad ergibt, so dass der Verbrennungsmotor verbrauchsoptimal betrieben werden kann.
  • Der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors ergibt sich u. a. aus einem thermischen Wirkungsgrad und einem Zündwinkelwirkungsgrad. Der thermische Wirkungsgrad hängt von dem Verdichtungsverhältnis sowie von einem Isentropenexponent ab, der durch den Freiheitsgrad der Gasmoleküle des Luft-Kraftstoff-Gemischs bestimmt ist. So spielt u. a. der Wasseranteil der angesaugten Luft und das Verhältnis zwischen angesaugter Luft und zugeführtem Kraftstoff, auch Lambdawert genannt, eine Rolle. Insbesondere bei einem Anteil an mehratomigen Molekülen wird der Isentropenexponent zudem stark temperaturabhängig, da die Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade der mehratomigen Moleküle erst bei höheren Temperaturen stärker angeregt werden. Damit ergibt sich der thermische Wirkungsgrad als Funktion des Verdichtungsverhältnisses sowie der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluftfeuchtigkeit und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Da der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors von dem Verdichtungsverhältnis abhängt, wird bislang für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ein geeignetes Verdichtungsverhältnis betriebspunktabhängig eingestellt. Insbesondere kann in Niedrig- und Teillastbetriebspunkten eine hohe thermodynamische Effizienz durch ein hohes Verdichtungsverhältnis erreicht werden, während in Betriebspunkten hoher Last das Verdichtungsverhältnis verringert wird, um eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
  • Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad bezüglich der gewonnenen mechanischen Energie zu erhalten, wird das Verdichtungsverhältnis im laufenden Betrieb, d. h. im Normalbetrieb, üblicherweise so hoch wie möglich gewählt, d. h. nahe an der Klopfgrenze.
  • Weiterhin wird der Gesamtwirkungsgrad jedoch durch einen Zündwinkelwirkungsgrad bestimmt. Um klopfende Verbrennungen an einem bestimmten Betriebspunkt zu vermeiden, wird bei Ottomotoren in der Regel der Zündzeitpunkt verzögert, d. h. der Zündwinkel als Stellung der Kurbelwelle zum Zündzeitpunkt vergrößert. Diese Verzögerung gegenüber dem Wirkungsgrad optimalen Zündzeitpunkt verringert den mechanischen Wirkungsgrad der Verbrennung, d. h. den Anteil der Verbrennungsenergie, der mechanisch an die Kurbelwelle zur Verfügung gestellt wird. Dabei sind sowohl der optimale Zündwinkel als auch die Verzögerung des Zündzeitpunkts vom Verdichtungsverhältnis abhängig und somit vom aktuellen Betriebspunkt abhängig und der optimale Gesamtwirkungsgrad befindet sich für verschiedene Zündwinkel nicht zwangsläufig bei dem gleichen Verdichtungsverhältnis.
  • Daher ist vorgesehen, betriebspunktabhängig ein optimales Verdichtungsverhältnis zu ermitteln, bei dem der gesamte Wirkungsgrad maximal ist. Aufgrund der starken Nichtlinearität der Abhängigkeit des Gesamtwirkungsgrads vom Verdichtungsverhältnis ist eine einfache Berechnung in derr Regel nicht möglich. Das obige Verfahren sieht daher vor, durch ein iteratives Berechnungsverfahren das Verdichtungsverhältnis bei einem optimalen Gesamtwirkungsgrad zu bestimmen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Gesamtwirkungsgrad abhängig von dem Produkt des thermischen Wirkungsgrads und des Zündwinkelwirkungsgrad angegeben werden.
  • Weiterhin kann das Optimierungsverfahren den Gesamtwirkungsgrad bei mehreren Verdichtungsverhältnissen ermitteln und das optimierte Verdichtungsverhältnis als dasjenige Verdichtungsverhältnis auswählen, für das der größte Gesamtwirkungsgrad ermittelt worden ist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren Verdichtungsverhältnisse gemäß einem vorgegebenen Raster, d. h. mit einem vorbistimmten Abstand ausgewählt werden, wobei das Optimierungsverfahren rekursiv mit einem verfeinerten Raster durchgeführt wird, wobei das verfeinerte Raster in den Bereich eines zuvor ermittelten optimierten Verdichtungsverhältnis vorgesehen wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Optimierungsverfahren eine iterative Optimierung des Gesamtwirkungsgrad abhängig von dem Betriebspunkt des Motorsystems durchführen, insbesondere mithilfe eines Gradientenabstiegsverfahrens.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der momentane Zündwinkel abhängig von dem aktuellen Betriebspunkt des Motorsystems bestimmt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit in einem Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor, zum Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
    • – Eine Angabe über einen aktuellen Betriebspunkt des Motorsystems und einen momentanen Zündwinkels als Angabe eines Zündzeitpunkts in dem mindestens einen Zylinder bereitzustellen;
    • – ein Optimierungsverfahren zum Bestimmen eines optimierten Verdichtungsverhältnisses an dem bereitgestellten Betriebspunkt des Motorsystems und bei dem momentanen Zündwinkel durchzuführen, um das optimierte Verdichtungsverhältnis zu erhalten, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors maximiert ist, wobei der Gesamtwirkungsgrad von einem vom Betriebspunkt des Motorsystems abhängigen thermischen Wirkungsgrad und von dem momentanen Zündwinkel abhängigen Zündwinkelwirkungsgrad des Verbrennungsmotors abhängt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
    • – einen Verbrennungsmotor mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors; und
    • – die obige Vorrichtung.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, der einen VCR-Steller zum Einstellen eines variablen Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder aufweist;
  • 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit zwischen dem Verdichtungsverhältnis, dem thermischen Wirkungsgrad und dem Isentropenexponenten bei einem beispielhaften Verbrennungsmotor;
  • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des zündwinkelwirkungsgrades von einem Zündwinkel; und
  • 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, der in Form eines Hubkolben-Verbrennungsmotors ausgebildet ist. Der Verbrennungsmotor 2 kann beispielsweise in Form eines Ottomotors oder Dieselmotors ausgebildet sein.
  • Der Verbrennungsmotor 2 weist Zylinder 3 auf, die Brennräume 31 aufweisen, in denen in an sich bekannter Weise ein Kolben 4 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 4 ist an seiner dem Brennraum 31 gegenüberliegenden Seite über eine (nicht gezeigte) Pleuelstange mit einer Kurbelwelle 5 gekoppelt, so dass eine durch einen Verbrennungstakt im Verbrennungsmotor 2 bewirkte Hubbewegung des Kolbens 4 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 5 umgesetzt wird.
  • Der Verbrennungsmotor 2 ist ansonsten wie ein herkömmlicher Hubkolben-Verbrennungsmotor ausgebildet. Dem Verbrennungsmotor 2 wird Frischluft über ein Luftzuführungssystem 7 zugeführt und Verbrennungsabgase aus den Zylindern 3 über ein Abgasabführungssystem 8 abgeführt.
  • Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle 5 und dem Kolben 4 in den Zylindern 3 kann mit einem an sich bekannten VCR-Steller 6 (VCR: Variable Compression Ratio) versehen sein, um ein Verdichtungsverhältnis in den Zylindern 3 variabel einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis entspricht einem Verhältnis eines maximalen Volumens des Brennraums 31 der Zylinder 3, d. h. dem Volumen des Brennraums 31, wenn sich der Kolben 4 an einem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung befindet, zu einem minimalen Volumen des Brennraums 31 der Zylinder 3, d. h. einem Volumen des Brennraums 31, wenn sich der Kolben 4 an einem oberen Totpunkt der Kolbenbewegung befindet. Gemeinsam ist allen Arten von VCR-Stellern 6, dass sich die Position des Kolbens 4 am oberen Totpunkt abhängig von dem einzustellenden Verdichtungsverhältnis ändert. Bei bestimmten Varianten von VCR-Stellern kann die Position des Kolbens 4 am unteren Totpunkt ebenfalls von dem einzustellenden Verdichtungsverhältnis abhängen. Insbesondere liegt der obere Totpunkt umso näher an einem Brennraumdach 16 des Brennraums 31 je höher das eingestellte Verdichtungsverhältnis ist.
  • Der Verbrennungsmotor 2 wird in an sich bekannter Weise durch eine Steuereinheit 10 betrieben. Zusätzlich zu den Stellmöglichkeiten, die zum Betreiben eines herkömmlichen Verbrennungsmotors 2 vorgesehen sind, kann die Steuereinheit 10 auch den VCR-Steller 6 stellen, so dass das Verdichtungsverhältnis variabel gewählt wird.
  • Ein Vorteil der Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses ε ergibt sich aus der Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades ηTH eines Verbrennungsmotors vom Verdichtungsverhältnis ε, wie folgt: ηTH = 1 – ( 1 / ε)κ-1
  • Dabei beschreibt ε das Verdichtungsverhältnis, das bei Ottomotoren üblicherweise zwischen 8 und 14 liegt, und κ den Isentropenexponenten des Gemisches, der für eine homogene Verbrennung mit etwa 1,3 angenommen werden kann. Damit wird über den gesamten Verstellbereich des Verdichtungsverhältnisses bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von einem minimalen Wert zu einem maximalen Wert der thermische Wirkungsgrad ηTH um ca. 10% erhöht. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden.
  • Der Isentropenexponent ist abhängig vom Freiheitsgrad der Gasmoleküle des Lufttreibstoffgemisches. So spielt u. a. der Wasseranteil der angesaugten Luft und das Verhältnis zwischen angesaugter Luft und Kraftstoff, im Allgemeinen durch den Lambdawert angegeben, eine Rolle. Insbesondere bei einem hohen Anteil an mehratomigen Molekülen wird der Isentropenexponent zudem stark temperaturabhängig, da die Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade der mehratomigen Moleküle erst bei höheren Temperaturen stärker angeregt werden. Damit ergibt sich der thermische Wirkungsgrad ηTH als Funktion des Verdichtungsverhältnisses ε sowie von Parametern, wie einer Ansauglufttemperatur, einer Ansaugluftfeuchtigkeit und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ. 2 zeigt beispielhaft den Verlauf des thermischen Wirkungsgrades ηTH abhängig von dem Verdichtungsverhältnis ε für verschiedene Isentropenkomponenten κ.
  • Weiterhin wird bei Ottomotoren der Zündzeitpunkt verzögert, um klopfende Verbrennungen an einem bestimmten Betriebspunkt zu vermeiden. Diese Verzögerung des Zündzeitpunkts kann aus einem als statischem Kopfvorhalt fest applizierten statischen Zündwinkelspätzug Δzstat und aus einem dynamischen Zündwinkelspätzug Δzdyn ermittelt werden, der zum Beispiel aus der Rückmeldung eines Klopfsensors ermittelt wird. Bei Verzögerungen des Zündzeitpunkts gegenüber einem Wirkungsgrad optimalen Zündzeitpunkt zopt verringert sich der mechanische Wirkungsgrad der Verbrennung, falls sich der Anteil der Verbrennungsenergie, der mechanisch an der Kurbelwelle zur Verfügung steht, verringert. Der zu erwartende maximale Zündwinkel-Wirkungsgrad ηZW ermittelt sich wie folgt: ηZW = ηdZW(zopt – Δzstat – ΔZdyn) wobei der Wirkungsgrad ηdZW die relative Wirkungsgradverschlechterung der Zündzeitpunktverschiebung beschreibt und im Allgemeinen dem in 3 dargestellten monoton fallenden sigmoiden Verlauf folgt. Der optimale Zündzeitpunkt zopt, der z. B. als Kurbelwellenwinkel angegeben ist, und der statische Zündwinkelspätzug Δzstat, der als Kurbelwellenwinkeldifferenzwert angegeben ist, sind abhängig vom Verdichtungsverhältnis ε und dem aktuellen Betriebspunkt BP des Motorsystems. Der dynamische Zündwinkelspätzug Δzdyn kann von einer Klopfregelung bestimmt werden, die bei einem auftretenden Klopfen den dynamischen Zündwinkelspätzug verringert. In einer alternativen Ausführung kann der dynamische Zündwinkelspätzug Δzdyn in einem nichtflüchtigen Speicherkennfeld bereitgestellt werden, um eine bessere Prädiktion für einen bei einem anderen Verdichtungsverhältnis zu erwartenden Klopfvorhalt zu erhalten.
  • Der aktuelle Betriebspunkt BP des Motorsystems kann durch den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 2, wie z. B. durch die Motorlast, die Motordrehzahl, die Motortemperatur, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ und dergleichen, und die Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Ansauglufttemperatur, die Ansaugluftfeuchtigkeit, den Umgebungsdruck und dergleichen bestimmt sein.
  • Ebenso kann der Zündwinkel-Wirkungsgrad ηZW der Zündzeitpunktverschiebung des Verdichtungsverhältnisses ε vom aktuellen Betriebspunkt BP des Motorsystems 1 abhängen. Insbesondere kann der Zündwinkelwirkungsgrad ηZW mit Hilfe einer vorgegebenen Zündwinkel-Wirkungsgradfunktion, z. B. in Form eines oder mehrerer Kennfelder, ermittelt werden. Der Gesamtwirkungsgrad ηGesamt ergibt sich als Produkt des thermischen Wirkungsgrades ηTH und des Zündwinkel-Wirkungsgrades ηZWmax abhängig von dem aktuellen Verdichtungsverhältnis ε, dem aktuellen Betriebspunkt BP des Motorsystems 1. ηGesamt = ηTH(ε, BP)ηZW(ε, BP)
  • Somit lässt sich beim aktuellen Betriebspunkt zu jedem Verdichtungsverhältnis ε der Gesamtwirkungsgrad ηGesamt errechnen, der sich unter Einbeziehung der aktuellen Umgebungsbedingungen unter Berücksichtigung des durch den statischen Zündwinkelspätzug Δzstat und dem dynamische Zündwinkelspätzug Δzdyn bestimmten Klopfvorhalts angegeben wird.
  • Mit Hilfe des anhand des Flussdiagramms der 4 dargestellten Verfahrens kann zu einem bestimmten Betriebspunkt BP des Motorsystems 1 damit ein bezüglich des Gesamtwirkungsgrads ηGesamt optimiertes Verdichtungsverhältnis εopt für eine Vorsteuerung des VCR-Stellers 6 ausgewählt werden. Das Verfahren kann in der Steuereinheit 10 ausgeführt werden.
  • Im Schritt S1 werden die aktuellen Umgebungsbedingungen, wie z. B. die Ansauglufttemperatur und die Ansaugluftfeuchtigkeit, als Umgebungszustand erfasst. Diese Werte können direkt aus Sensordaten generiert werden oder aus einem entsprechenden physikalischen Modell basierend auf anderen Sensordaten ermittelt werden.
  • Im Schritt S2 wird der aktuelle Betriebspunkt (BP) des Verbrennungsmotors 2 bestimmt, der sich beispielsweise durch die Drehzahl, die Motorlast, die Motortemperatur, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dergleichen bestimmt. Die Angaben können beispielsweise in der Steuereinheit 10 bereitgestellt werden Auf Basis des so festgelegten aktuellen Betriebspunktes BP des Motorsystems 1 wird in Schritt S3 ein Verdichtungsverhältnis εi ausgewählt, zu dem in Schritt S4 der Gesamtwirkungsgrad ηGesamt errechnet wird. Das Auswählen des Verdichtungsverhältnisses εi des Schritts S3 wird mehrfach durchgeführt und kann z. B. iterativ oder entsprechend einem vorgegebenen Raster durchgeführt werden. In Schritt S5 wird entsprechend abgefragt, ob alle z. B. durch das Raster vorgegebenen Verdichtungsverhältnisse εi in dem durch Abrasterung des gesamten Bereichs der Verdichtungsverhältnisse berechnet worden ist. Ist dies der Fall (Alternative: Nein), wird zu Schritt S3 zurückgesprungen. Andernfalls (Alternative: Ja) wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt.
  • In Schritt S6 kann dann dasjenige Verdichtungsverhältnis εopt ausgewählt werden, das dem maximalen Gesamtwirkungsgrad ηGesamtmax aus den berechneten Gesamtwirkungsgraden ηGesamt zugeordnet ist. Das ausgewählte Verdichtungsverhältnis εopt kann dann als Vorsteuerungswert für eine Klopfregelung verwendet oder auch direkt zur entsprechenden Einstellung des VCR-Stellers 6 verwendet werden.
  • In der Schleife der Schritte S3 bis S5 kann die Bestimmung des Verdichtungsverhältnisses mit dem maximalen Gesamtwirkungsgrad ηGesamtmax auch einen oder mehrere Verfeinerungsschritte aufweisen, z. B. in Form von Divide-and-Conquer-Algorithmen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen werden, dass in einem oder mehreren Durchläufen die Gesamtwirkungsgrade ηGesamt in dem Bereich von Verdichtungsverhältnissen, in dem der maximale Gesamtwirkungsgrad ηGesamtmax bestimmt wurde, mit einem kleineren Raster von zu prüfenden Verdichtungsverhältnissen bestimmt werden. Und daraus jeweils der maximale Gesamtwirkungsgrad ηGesamtmax oder für eine nachfolgenden Verfeinerungsschritt erzielen.
  • Alternativ kann das Auffinden eines maximalen Gesamtwirkungsgrads ηGesamtmax auch entsprechend eines iterativen Optimierungsverfahrens, das beispielsweise in Form eines Gradientenabstiegsverfahrens ausgebildet ist, vorgenommen werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2014/019684 [0003]
    • DE 102008050827 A1 [0004]
    • US 2014/0014071 [0005]

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) eines Motorsystems (1) mit einem VCR-Steller (6) zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder (3) des Verbrennungsmotors (2), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines aktuellen Betriebspunktes (BP) des Motorsystems (1) und eines momentanen Zündwinkels als Angabe eines Zündzeitpunkts in dem mindestens einen Zylinder (3); – Durchführen eines Optimierungsverfahrens zum Bestimmen eines optimierten Verdichtungsverhältnisses (εopt) an dem bereitgestellten Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) und bei dem momentanen Zündwinkel, um das optimierte Verdichtungsverhältnis zu erhalten, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) des Verbrennungsmotors (2) maximiert ist, wobei der Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) von einem vom Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) abhängigen thermischen Wirkungsgrad (ηTH) und von dem momentanen Zündwinkel abhängigen Zündwinkelwirkungsgrad (ηZW) des Verbrennungsmotors (2) abhängt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) durch einen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors (2) und eine Umgebungsbedingung bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Betriebspunkt (BP) des Verbrennungsmotors (2) durch mindestens eine der Größen bestimmt wird: eine Motordrehzahl, eine Motorlast, eine Motortemperatur und ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Umgebungsbedingung durch mindestens eine der Größen bestimmt wird: eine Ansauglufttemperatur, eine Ansaugluftfeuchtigkeit und einen Umgebungsluftdruck.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) als Produkt des thermischen Wirkungsgrads (ηTH) und des Zündwinkelwirkungsgrad (ηZW) angegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Optimierungsverfahren den Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) bei mehreren Verdichtungsverhältnissen ermittelt und das optimierte Verdichtungsverhältnis (εopt) als dasjenige Verdichtungsverhältnis auswählt, für das der maximale Gesamtwirkungsgrad (ηGesamtmax) ermittelt worden ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mehreren Verdichtungsverhältnisse gemäß einem vorgegebenen Raster ausgewählt werden, wobei das Optimierungsverfahren rekursiv mit einem verfeinerten Raster durchgeführt wird, wobei das verfeinerte Raster in den Bereich eines zuvor ermittelten optimierten Verdichtungsverhältnis (εopt) vorgesehen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Optimierungsverfahren eine iterative Optimierung des Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) abhängig von dem Betriebspunkt des Motorsystems (1) durchführt, insbesondere mithilfe eines Gradientenabstiegsverfahrens.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der momentane Zündwinkel abhängig von dem aktuellen Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) bestimmt wird.
  10. Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit in einem Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), zum Betreiben des Verbrennungsmotors (2) mit einem VCR-Steller (6) zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder (3) des Verbrennungsmotors (2), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: – einen aktuellen Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) und einen momentanen Zündwinkels als Angabe eines Zündzeitpunkts in dem mindestens einen Zylinder (3) bereitzustellen; – ein Optimierungsverfahren zum Bestimmen eines optimierten Verdichtungsverhältnisses an dem bereitgestellten Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) und bei dem momentanen Zündwinkel durchzuführen, um das optimierte Verdichtungsverhältnis (εopt) zu erhalten, bei dem ein Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) des Verbrennungsmotors (2) maximiert ist, wobei der Gesamtwirkungsgrad (ηGesamt) von einem vom Betriebspunkt (BP) des Motorsystems (1) abhängigen thermischen Wirkungsgrad und von dem momentanen Zündwinkel abhängigen Zündwinkelwirkungsgrad (ηZW) des Verbrennungsmotors (2) abhängt.
  11. Motorsystem (1) umfassend: – einen Verbrennungsmotor (2) mit einem VCR-Steller (6) zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in mindestens einem Zylinder (3) des Verbrennungsmotors (2); – eine Vorrichtung nach Anspruch 9.
  12. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
  13. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
DE102015221788.4A 2015-11-06 2015-11-06 Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller Withdrawn DE102015221788A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015221788.4A DE102015221788A1 (de) 2015-11-06 2015-11-06 Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015221788.4A DE102015221788A1 (de) 2015-11-06 2015-11-06 Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102015221788A1 true DE102015221788A1 (de) 2017-05-11

Family

ID=58584500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015221788.4A Withdrawn DE102015221788A1 (de) 2015-11-06 2015-11-06 Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102015221788A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008050827A1 (de) 2008-10-08 2010-04-15 Schaeffler Kg Verstellvorrichtung für eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors sowie Verfahren zu deren Ansteuerung
US20140014071A1 (en) 2012-07-12 2014-01-16 Hyundai Motor Company Variable compression ratio apparatus
WO2014019684A1 (de) 2012-07-30 2014-02-06 Fev Gmbh Aktuierungseinheit für variable triebwerkskomponenten

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008050827A1 (de) 2008-10-08 2010-04-15 Schaeffler Kg Verstellvorrichtung für eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors sowie Verfahren zu deren Ansteuerung
US20140014071A1 (en) 2012-07-12 2014-01-16 Hyundai Motor Company Variable compression ratio apparatus
WO2014019684A1 (de) 2012-07-30 2014-02-06 Fev Gmbh Aktuierungseinheit für variable triebwerkskomponenten

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016015138B4 (de) Verfahren zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzung und Vorrichtung zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzung für einen Selbstzündungsmotor
DE102016015143B4 (de) Verfahren zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzung und Vorrichtung zur Steuerung von Kraftstoffeinspritzung für einen Selbstzündungsmotor
DE102015221809A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose einer variablen Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor
DE102008004360A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines selbstzündenden Verbrennungsmotors
DE102018104078A1 (de) Steuern eines variablen verdichtungsverhältnisses mit einem auf druck reagierenden kolben
EP3599359B1 (de) Verfahren zum steuern und/oder regeln des betriebs eines verbrennungsmotors, insbesondere eines verbrennungsmotors eines kraftfahrzeugs, insbesondere zumindest teilweise arbeitend nach dem miller-verfahren
DE10233612B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsvorganges einer HCCI-Brennkraftmaschine
DE102013206286A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Zündwinkels in einem Motorsteuergerät
DE102014203033A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Verdichtungsverhältnisses und zum Adaptieren eines Stellgebers zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor
DE102009036169B4 (de) Verfahren zum Koordinieren der Drehung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors zur maximalen Verringerung von Pumpverlusten
DE102007058227B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Steuer- oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine
DE112010005933B4 (de) Steuervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
DE102007042403A1 (de) Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs
DE102013218903A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Lambda- und Zündwinkelregelung
DE102009008960B4 (de) Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors
DE102012020706A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine
DE102012221311A1 (de) Verfahren zur Frischlufterfassung durch Auswertung eines Zylinderinnendrucksignals
DE102015221788A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller
DE102014210206A1 (de) Steuervorrichtung und Steuerverfahren für Innenverbrennungsmotor
DE102016206491A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller und zum Überprüfen einer Funktion eines VCR-Stellers
DE102012203671A1 (de) Drehzahlbasierte Verbrennungslageschätzung für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder
DE102015221847A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Hubkolben-Verbrennungsmotors mit VCR-Steller
EP2357346A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Mehrfachverbrennung in einem Arbeitszyklus
DE102009028329A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Kraftstoffzusammensetzung oder eines Lambdawertes
DE102015216258A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen einer Diagnose eines VCR-Stellers in einem Verbrennungsmotor

Legal Events

Date Code Title Description
R005 Application deemed withdrawn due to failure to request examination