DE102016113833B4

DE102016113833B4 - System und Verfahren zum Abschätzen der Betriebsparameter von Verbrennungsmotoren unter Verwendung eines physikbasierten Ein-Zylinder-Ladungsmodells

Info

Publication number: DE102016113833B4
Application number: DE102016113833.9A
Authority: DE
Inventors: Ning Jin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: CN106401761B; DE102016113833A1; CN106401761A; US20170030273A1; US10047686B2

Abstract

System, Folgendes umfassend:ein Berechnungsmodul für Restgas pro Zylinder (RPC) (216), das die Restmenge in einem Motorzylinder (125) berechnet, wobei der Rest im Motorzylinder verbliebenem Abgas entspricht;ein Berechnungsmodul für die zylinderinterne Temperatur (220), das eine Temperatur im Motorzylinder (125) basierend auf der berechneten Restmenge berechnet;ein erstes Berechnungsmodul für die Luft pro Zylinder (APC) (204), das (i) eine gesamte Ladungsmenge im Motorzylinder (125) an einem vorbestimmten Kurbelwinkel basierend auf der berechneten Temperatur berechnet und (ii) eine erste Menge an verbliebener Luft im Motorzylinder (125) basierend auf der gesamten Ladungsmenge und der berechneten Menge an Restgas berechnet;ein Berechnungsmodul für den Masseanteil des Restgases (RMF) (212), das einen RMF des innerhalb der Motorzylinders (125) verbliebenen Abgases basierend auf der gesamten Ladungsmenge berechnet;ein zweites APC-Berechnungmodul (208), (i) das eine Rückströmungsladungsmenge in den Motorzylinder (125) ermittelt und (ii) eine zweite Menge an im Motorzylinder (125) verbliebener Luft basierend auf der Rückströmungsladungsmenge und der ersten Luftmenge berechnet; undein Motorsteuergerät (130), das mindestens einen Parameter eines Motors basierend auf mindestens einem der RMF und der zweiten Menge von Luft steuert.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zum Abschätzen der Betriebsparameter von Verbrennungsmotoren.
HINTERGRUND
Verbrennungsmotoren verbrennen ein Luft/Kraftstoffgemisch in Zylindern zur Bewegung der Kolben zur Erzeugung des Antriebsmoments. Bei einigen Arten von Motoren kann der Luftstrom in den Motor über eine Drosselklappe reguliert werden. Die Drosselklappe kann den Drosselklappenbereich einstellen, wodurch der Luftstrom in den Motor erhöht oder abgesenkt wird. Wenn sich die Drosselöffnung vergrößert, erhöht sich auch der Luftstrom in den Motor. Ein Kraftstoffregelsystem regelt die Kraftstoffeinspritzmenge, um die Zylinder mit einem erwünschten Kraftstoff-/Luft-Mischungsverhältnis zu versorgen und/oder ein erwünschtes Antriebsdrehmoment zu erzielen. Eine erhöhte Versorgung der Zylinder mit Kraftstoff und Luft erhöht das Antriebsdrehmoment des Motors.
Der Betrieb des Motors kann gemäß verschiedenen Parametern und Merkmalen gesteuert werden. Der Motor kann beispielsweise gesteuert werden, um den volumetrischen Wirkungsgrad zu maximieren, der das Verhältnis der durch einen Kolben angesaugten Luftmenge in den Zylinder zur Gesamtmenge der angesaugten Luft unter statischen Bedingungen angibt. Es können verschiedene Eigenschaften gemessen, geschätzt, und/oder modelliert werden, um den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors festzulegen. Beispielsweise werden in den Druckschriften US 2009 / 0 235 728 A1 , US 2005 / 0 251 317 A1 und DE 10 2013 225 452 A1 unterschiedliche Ansätze beschrieben, mittels derer die Ladungsmenge eines Verbrennungsmotors bestimmt werden kann
KURZDARSTELLUNG
Ein System umfasst ein Berechnungsmodul für das Restgas pro Zylinder, das die Restmenge innerhalb eines Motorzylinders berechnet. Der Rest entspricht dem im Motorzylinder verbleibenden Abgas (d. h. dem verbleibenden Abgas). Ein Berechnungsmodul für die zylinderinterne Temperatur berechnet eine Temperatur im Motorzylinder auf Basis der berechneten Menge an verbleibendem Abgas und der Annahme einer homogenen Mischung aus Restgas und angesaugter Luft bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel ohne Druckgefälle über die Einlassventile (z. B. unterer Totpunkt). Ein Berechnungsmodul für die erste Luft pro Zylinder (APC) berechnet die gesamte Ladungsmenge innerhalb des Motorzylinders am vorbestimmten Kurbelwinkel, basierend auf der berechneten Temperatur und berechnet eine erste Menge von im Motorzylinder verbleibender Luft basierend auf der gesamten Ladungsmenge und der berechnete Menge an Restgas. Ein Berechnungsmodul für den Masseanteil des Restgases (RMF) berechnet einen RMF des innerhalb des Motorzylinders verbleibenden Abgases basierend auf der Menge des verbleibenden Abgases bei EVC und der gesamten Ladungsmenge. Ein zweites APC-Berechnungsmodul bestimmt einen Rückstrom der Ladungsmenge in das Ansaugrohr, wenn Einlassventile nach dem unterem Totpunkt (BDC) nicht vollständig schließen, und berechnet eine zweite (endgültige) Menge der im Motorzylinder zurückgebliebenen Luft basierend auf dem Rückstrom und der ersten Luftmenge. Ein Motorsteuergerät steuert mindestens einen Parameter eines Motors, basierend auf zumindest einem RMF-Wert und der zweiten (endgültigen) Luftmenge.
Ein Verfahren beinhaltet das Berechnen einer Restmenge (zurückgebliebene Abgase) im Motorzylinder, Berechnen einer Temperatur im Motorzylinder basierend auf der berechneten Restmenge und der Annahme einer homogenen Mischung aus Restgas und angesaugter Luft, bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel, ohne Druckgefälle über die Einlassventile (z. B. unterer Totpunkt), Berechnen einer gesamten Ladungsmenge innerhalb des Motorzylinders am vorbestimmten Kurbelwinkel, basierend auf der berechneten Temperatur, Berechnen einer ersten Menge zurückgebliebener Luft im Motorzylinder basierend auf der Gesamtladung und der berechneten Menge an Restgas, Berechnen eines Massenanteils des Restgases (RMF), das innerhalb des Motorzylinders zurückgeblieben ist, basierend auf der Menge des zurückgebliebenen Abgases bei EVC und der gesamten Ladungsmenge, Bestimmen eines Rückstroms der Ladungsmenge in das Ansaugrohr, wenn sich die Einlassventile nach dem unteren Totpunkt (BDC) nicht vollständig geschlossen haben, Berechnen einer zweiten Menge von im Motorzylinder verbleibender Luft, basierend auf dem Rückstrom und der ersten Luftmenge, und Steuern von mindestens einem Parameter eines Motors basierend auf mindestens einem der RMF-Werte und der zweiten Luftmenge.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen, wobei:

1 ist ein Beispiel eines Motorsystems gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
2 ist ein Beispiel eines Motorsteuergerätes, das ein Modell für den Zylinderinnendruck gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung implementiert;
3 veranschaulicht exemplarische Strömungsmuster in einem Abgas-Rückstromverfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
4 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Berechnung der Luft pro Zylinder (APC) und des Restgases pro Zylinder (RPC) gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.

In den Zeichnungen werden dieselben Referenznummern für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Werte für Luft-pro-Zylinder (APC) können verwendet werden, um ein Drehmoment, einen volumetrischen Wirkungsgrad, und/oder einen oder mehrere andere Regelgrößen eines Motors zu bestimmen. APC-Werte können zum Beispiel beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Luftmenge, die in einen oder mehrere Zylinder des Motors einströmt und/oder eine Luftmenge, die an bestimmten Stufen eines Verbrennungszyklus innerhalb einer oder mehrere Zylinder (z. B. im unteren Totpunkt bzw. BDC) zurückgeblieben ist. Andere Parameter, die die Leistung des Verbrennungsmotors anzeigen, beinhalten, nur als Beispiel, einen Rest (verbleibende Abgase) innerhalb eines Zylinders (z. B. Restgas pro Zylinder bzw. RPC) beim während des Ansaugvorgangs. RPC kann sich auf eine Restmasse des Abgases innerhalb eines Zylinders bei bestimmten Stufen des Ansaugvorgangs (z. B. beim unteren Totpunkt (BDC) oder bei geschlossenem Einlassventil (IVC)) beziehen .
APC und RPC geben die Menge und den prozentualen Sauerstoffgehalt pro Ladung in einem Zylinder an (oder in allen Zylindern des Motors), und geben damit auch die Leistungsabgabe des Motors an. Dementsprechend, ist eine wirkungsvolle Steuerung der Menge und des Prozentsatzes an Sauerstoff zur Maximierung der Motorleistung wünschenswert und die präzise Festlegung von APC und RPC verbessert die Steuerung der Menge und des Prozentsatzes an Sauerstoff sowie die Qualität der Verbrennung im Motor.
RPC und/oder APC können nach verschiedenen Verfahren bestimmt und/oder vorhergesagt werden. Systeme und Verfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung beinhalten ein physikbasiertes Ladungsmodell für einen einzelnen Zylinder, um RPC und APC mit verbesserter Genauigkeit zu bestimmen. Das Modell liefert zum Beispiel eine kontinuierliche APC-Schätzung der verbleibenden Luft, sowie eine RPC-Schätzung und Echtzeit-Vorhersage und führt zu einer verbesserten Kraftstoffeinsparung. Herkömmliche Systeme implementieren zum Beispiel voneinander unabhängige/getrennte RPC- und APC-Modelle, wohingegen die Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung ein einziges Modell zur Ermittlung von RPC und APC implementieren.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsystems 100 präsentiert. Das Motorsystem 100 umfasst einen Motor 112, ein Ansaugsystem 114, ein Kraftstoffeinspritzsystem 116, ein Zündsystem 118 und ein Abgassystem 120. Während das Motorsystem 100 gezeigt und in Bezug auf einen Ottomotor beschrieben werden wird, ist die vorliegende Anmeldung auf Dieselmotorsysteme, Hybridmotorsysteme und andere geeignete Arten von Motorsystemen mit einem Kraftstoffdampf-Entlüftungssystem anwendbar.
Das Ansaugsystem 114 kann eine Drosselklappe 122, einen Ansaugkrümmer 124 und Einlassventile 123 beinhalten. Die Drosselklappe 122 regelt den Luftstrom in den Ansaugkrümmer 124. Die Luft strömt aus dem Ansaugkrümmer 124 über die Einlassventile 123 in einen oder mehrere Zylinder im Motor 112, beispielsweise Zylinder 125. Während der Motor 112 mehr als einen Zylinder beinhalten kann, wird nur der Zylinder 125 gezeigt. Das Kraftstoffeinspritzsystem 116 beinhaltet eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzdüsen und regelt die (flüssige) Kraftstoffeinspritzung für den Motor 112. Kraftstoffdampf kann dem Motor 112 auch selektiv über das Einlasssystem 114 bereitgestellt werden.
Das durch die Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs entstehende Abgas wird über die Auslassventile 127 vom Motor 112 zum Abgassystem 120 ausgestoßen. Das Abgassystem 120 beinhaltet Auslassventile 127, einen Abgaskrümmer 126 und einen Katalysator 128. Der Katalysator 128 kann, nur als Beispiel, einen Dreiwegekatalysator (TWC) und/oder einen anderen geeignete Katalysatortyp beinhalten. Der Katalysator 128 empfängt die Abgasausgabe durch den Motor 112 und reagiert mit verschiedenen Komponenten des Abgases.
Das Motorsystem 100 beinhaltet auch das Motorsteuergerät (ECM) 130, das den Betrieb des Motorsystems 100 reguliert. Das ECM 130 kommuniziert mit dem Einlasssystem 114, dem Kraftstoffeinspritzsystem 116 und dem Zündsystem 118. Das ECM 130 kommuniziert auch mit verschiedenen Sensoren. Das ECM 130 kann, nur als Beispiel, mit einem Luftmassenstrom (MAF)-Sensor 132, einem Krümmer-Luftdruck (MAP)-Sensor 134, einem Kurbelwellenpositions-Sensor 136 und anderen geeigneten Sensoren kommunizieren.
Der MAF-Sensor 132 misst einen Massendurchfluss von Luft, die in den Ansaugkrümmer 124 strömt, und erzeugt basierend auf dem Massendurchfluss ein MAF-Signal. Der MAP-Sensor 134 misst den Druck im Ansaugkrümmer 124 und erzeugt basierend auf dem Druck ein MAP-Signal. In einigen Implementierungen kann Vakuum im Ansaugkrümmer 124 im Verhältnis zum Umgebungsdruck gemessen werden.
Der Kurbelwellenpositions-Sensor 136 überwacht die Drehung einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Motors 112 und erzeugt basierend auf der Drehung der Kurbelwelle ein Kurbelwellenpositions-Signal. Das Kurbelwellenpositions-Signal kann verwendet werden, um eine Motordrehzahl zu bestimmen (beispielsweise in Umdrehungen pro Minute). Das Kurbelwellenpositions-Signal kann auch zur Zylinderidentifikation und einen oder mehrere andere geeignete Zwecke verwendet werden.
Das ECM 130 implementiert ein Modell zum Berechnen der RPC- und APC-Werte gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung (näher beschrieben in 2). Der berechnete APC-Wert kann, nur als Beispiel, einer vorhergesagten, verbliebenen Luftmasse entsprechen, die innerhalb eines nächsten Zylinders in einer Zündfolge verbleiben kann, eine Luftmasse, die tatsächlich in einem in der Zündfolge vorliegenden (aktivierten) Zylinder verblieben ist, usw. Das ECM 130 kann dann mithilfe der berechneten RPC- und/oder APC-Werte den volumetrischen Wirkungsgrad (VE) oder andere Leistungsindikatoren des Motorsystems 100 bestimmen. Der VE kann zum Beispiel auf Parametern basieren, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, APC, RPC, einer Temperatur der innerhalb des jeweiligen Zylinders verbliebenen Luft (d. h., Ladungstemperaturen, die auf Umgebungslufttemperatur, Motorkühlmitteltemperatur, usw., basieren können, oder auf einer direkten Messung mit Thermoelementen basieren können), Druck am Einlasskanal (z. B. basierend auf einem Druck innerhalb des Ansaugkrümmers 110), einem Zylindervolumen, und/oder der idealen (oder universellen) Gaskonstante.
Bezugnehmend auf 2, beinhaltet ein exemplarisches ECM 200 ein APC-Berechnungsmodul bei geschlossenem Einlassventil (IVC) 204, ein APC-Berechnungsmodul bei BDC 208, ein Berechnungsmodul für den Massenanteil des Restgases (RMF) bei BDC 212, ein RPC-Berechnungsmodul bei geschlossenem Auslassventil (EVC) 216, und ein Berechnungsmodul für die Temperatur im Zylinder 220. Die Module 204, 208, 212, 216 und 220 implementieren, nur als Beispiel, das physikbasierte Einzel-Zylinder Ladungsmodell gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 bestimmt eine Restmenge (verbleibende Abgase) im Zylinder bei einer EVC-Position. Das Berechnungsmodul 220 für die zylinderinterne Temperatur bestimmt eine zylinderinterne Temperatur (d. h. Temperatur des Gemischs der angesaugten Luft und des Abgasrestes innerhalb des Zylinders) bei BDC. Das APC-bei-BDC-Berechnungsmodul 208 bestimmt die APC bei BDC (z. B. entsprechend einer Differenz zwischen der gesamten Ladungsmenge und dem verbliebenen Abgas). Das RMF-bei-BDC-Berechnungmodul 212 bestimmt einen gesamten RMF des im Zylinder verbliebenen Abgases bei BDC (z. B. entsprechend einem Verhältnis des insgesamt verbliebenen RPC des Zylinders zu einer gesamten Ladungsmenge (APC*RPC) des Zylinders). Das APC-bei-IVC-Berechnungsmodul 208 bestimmt den APC-Wert bei einer IVC-Position (z. B. Bestimmen der Ladungsmenge von Rückstrom und Bestimmen der APC basierend auf einer Differenz zwischen dem APC bei UT und der Ladungsmenge des Rückstroms bei IVC).
Berechnungsmodul 216 für den RPC bei EVC bestimmt die Restmenge (verbliebene Abgase) im Zylinder an der EVC-Position durch Verwendung eines Zylinderinnendruck-Modells zur Berechnung von Änderungen der verbliebenen Abgase. In einigen Implementierungen kann das ECM 200 ein Berechnungsmodul für den Zylinderinnendruck zur Ausführung des Zylinderinnendruck-Modells beinhalten. Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 ermittelt zum Beispiel die Kurbelwinkel an der Auslassöffnung und Ansaugöffnung für den Zylinder bei Nullströmung und bestimmt einen Überschneidungsbereich unter Verwendung der Kurbelwinkel der Auslassöffnung und Ansaugöffnung bei Nullströmung. Der Überschneidungsbereich entspricht zum Beispiel einem Kurbelwinkelbereich, in dem die Ansaugöffnung des Zylinders sich öffnet und die Abluftöffnung sich schließt. Ein Beginn des Überschneidungsbereichs (z. B. bei Kurbelwinkel θθEBS, wobei EBS den Startpunkt eines Auslassventils anzeigt) entspricht dem Startpunkt eines Abgas-Rückstroms (wobei das Abgas beginnt vom Abgasrohr/Krümmer zurück in den Zylinder zu strömen) und einem Ende des Überschneidungsbereichs (z. B. bei Kurbelwinkel IFS, wobei IFS den Startpunkt des Einlassventils anzeigt) entspricht dem Startpunkt einer Ansaugströmung am Einlass (wenn die Luft beginnt vom Ansaugkanal/ Krümmer in den Zylinder zu strömen). In einem Beispiel können diese Winkel gemäß ${\sum_{i = 0}^{n} θ_{E B S}}^{i} f_{i} (p_{c}) = 0 {\sum_{i = 0}^{n} θ}_{I F S}^{i} f_{i} (p_{c}) = 0$
und bestimmt werden, wobei p_c einem Zylinderinnendruck entspricht (z. B. berechnet unter Verwendung eines Zylinderinnendruck-Modells gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung).
3 zeigt exemplarische Strömungsmuster 300, 304, 308, 312, und 316 für einen Zylinder 320. Die Strömungsmuster beziehen sich auf p_e, p_c, und p_i (Druck an der Abgasöffnung, Zylinderinnendruck, und Druck an Einlassöffnung) wie dargestellt. Bei 300 strömt Luft sowohl aus einer Ansaugöffnung 324 als auch einer Abgasöffnung 328 aus. Bei 304 (entsprechend Kurbelwinkel θEB3) strömt Luft aus dem Ansaugkanal 324, aber die Abgasöffnung 328 befindet sich in der Winkelstellung für eine Nullströmung. Bei 308 strömt Luft in die Abgasöffnung 328 und aus der Ansaugöffnung 324. Bei 312 (entsprechend Kurbelwinkel θIFS) strömt Luft in die Abgasöffnung 328, aber die Ansaugöffnung 324 befindet sich in der Winkelstellung für eine Nullströmung. Bei 316 strömt Luft in die Ansaugöffnung 324 und die Abgasöffnung 328. Dementsprechend entspricht der Überschneidungsbereich einem Bereich von 304 bis 312.
Die Luftzufuhr in und aus dem Zylinder 320 von 300 bis 316 entspricht Änderungen des innerhalb des Zylinders 320 verbliebenen Abgases. Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 wendet das Zylinderinnendruck-Modell zur Bestimmung der Änderungen der verbliebenen Abgase an. Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 bestimmt dann beide Basis-Restmengen, die einen möglichen Rest beinhalten, der in einem Zylinder-Verdichtungsraum verblieben sein kann (d. h. am TDC) und einem möglichen Rest, der in einem Zylinder-Arbeitsraum zwischen IVO und TDC verblieben sein kann. Der Zylinder-Verdichtungsraum bezieht sich zum Beispiel auf ein bekanntes Volumen des Zylinders. Der Zylinder-Pumpenarbeitsraum entspricht einer Differenz zwischen dem Zylinderraum am TDC und einem Zylinderraum bei geöffneter Position des Einlassventils. Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 bestimmt die Restmenge (verbliebenes Abgas) im Zylinder bei der EVC-Position durch Aufsummierung der Änderungen des verbliebenen Abgasrestes, gemäß Berechnung mithilfe des Zylinderinnendruck-Modells mit den berechneten Basis-Restmengen.
Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 bestimmt die Änderungen des verbliebenen Abgases beim Abgas-Rückströmungsprozess durch Berechnen der Änderungen des verbliebenen Abgases über drei Status. Die Winkelstellungen bei Nullströmung θEBS und θIFS trennen den in 3 beschriebenen Rückströmungsprozess in die drei Status. Ein erster Status entspricht von geöffneten Einlassventil (IVO) zum EBS (z. B. wie in 300 gezeigt, ein Status vor dem Winkelwert bei Nullströmung θEBS). Ein zweiter Zustand entspricht von EBS zum IFS (z. B. wie in 304, 308, und 312 gezeigt, von einem Winkelwert bei Nullströmung θEBS bis zu einem Winkelwert bei Nullströmung θIFS). Ein dritter Zustand entspricht IFS zu EVC (z. B. wie bei 316 gezeigt, ein Status, der auf den Winkelwert bei Nullströmung folgt θIFS). Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 wendet das Zylinderinnendruck-Modell bei jedem der drei Status an, um die Änderungen der verbliebenen Abgase zu berechnen.
Das Berechnungsmodul für die zylinderinterne Temperatur 220 bestimmt die zylinderinterne Temperatur bei BDC, teilweise basierend auf der mithilfe des RPC-bei-EVC-Berechnungsmoduls 216 berechneten Restmenge (verbliebene Abgase) sowie anderer Werte, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Druck und Temperatur im Ansaugkrümmer und/oder Temperatur im Abgaskrümmer. Das das Berechnungsmodul für die zylinderinterne Temperatur 220 implementiert beispielsweise ein zylinderinternes Temperaturmodell auf dem Prinzip der Energieumsetzung. Die Berechnung der zylinderinternen Temperatur kann ein homogenes Gemisch aus Restgas (verbliebene Abgase) und Frischluft am BDC annehmen. Das durch Modul 220 implementierte Modell für die zylinderinterne Temperatur kann als $T_{c} = \frac{P_{c} (V_{d} + V_{c})}{P_{c} (V_{d} + V_{c}) - R (T_{e} - T_{i}) n_{e} - \frac{2}{3} Q} T_{i}$
(Gleichung 1) dargestellt werden.
Das APC-bei-BDC-Berechnungsmodul 208 bestimmt die APC bei BDC, teilweise basierend auf der zylinderinternen Temperatur, berechnet mithilfe des Berechnungsmoduls für die zylinderinterne Temperatur 220. Insbesondere wendet das APC-bei-BDC-Berechnungsmodul 208 das Zylinderinnendruck Modell an (das die berechnete zylinderinterne Temperatur beinhaltet), um die gesamte Ladungsmenge des Zylinders 320 zu bestimmen, und bestimmt die APC bei BDC durch Subtrahieren der verbliebenen Abgase (berechnet mit dem RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216) von der gesamten Ladungsmenge. Die Bestimmung der gesamten Ladungsmenge m_gesamt $m_{g e s a m t} = \frac{p_{c} V_{b d c}}{R_{m i x} T_{c}}$
kann in Form von (Gleichung 2) dargestellt werden, wobei p_c der Zylinderinnendruck ist, wie er mithilfe des Zylinderinnendruck-Modells ermittelt wurde, V_bdc das Volumen des Zylinders bei BDC ist, und T_c die zylinderinterne Temperatur ist, wie sie mithilfe des zylinderinternen Temperaturmodells ermittelt wurde.
Das RMF-bei-BDC-Berechnungsmodul 212 bestimmt den gesamten RMF des im Zylinder verbliebenen Abgases bei BDC, basierend auf der Gesamtmenge an verbliebenen Abgasen (berechnet mit dem RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216) und der gesamten Ladungsmenge, berechnet mit dem APC-bei-BDC-Berechnungsmodul 208. Der gesamte RMF des im Zylinder verbliebenen Abgases bei BDC entspricht zum Beispiel einem Verhältnis der verbliebenen Abgase zur gesamten Ladungsmenge.
Das APC-bei-IVC-Berechnungsmodul 204 bestimmt mittels des Zylinderinnendruck-Modells eine Rückströmungsmenge der Ladungsmenge. Das APC-bei-IVC Berechnungsmodul 208 wendet beispielsweise das Zylinderinnendruck-Modell an, wobei es das gesamte verbliebene Abgas, eine berechnete Menge an Frischluft im Zylinder 320 und die Ladungsmenge der Rückströmung verwendet. Das APC-bei-IVC-Berechnungsmodul 204 bestimmt die APC bei der IVC-Position durch Subtrahieren der Ladungsmenge der Rückströmung von der APC bei BDC (berechnet mithilfe des APC-bei-BDC-Berechnungsmoduls 208). Die APC am IVC (APCverblieben) kann zum Beispiel gemäß APC_verblieben = (m_gesamt - m₀)(1 - RMF) (Gleichung 3) berechnet werden, wobei mo der Ladungsmenge der Rückströmung entspricht.
Das, wie oben beschrieben, in verschiedenen Modulen implementierte Zylinderinnendruck-Modell p_c kann mit der folgenden (Gleichung 4) dargestellt werden: $\begin{matrix} {\frac{1}{4} π B^{2} \frac{1}{{RT}_{c}} [r \cdot (1 - cos (ω t)) + 1 - \sqrt{I^{2} - r^{2} {sin}^{2} (ω t)}] + \frac{V_{d}}{(r_{cr} - 1)} \frac{1}{{RT}_{c}}} p_{c}^{'} \\ + \frac{1}{4} π B^{2} r ω \frac{1}{{RT}_{c}} sin (ω t) (1 + \frac{rcos (ω t)}{\sqrt{I^{2} - r^{2} {sin}^{2} (ω t)}}) p_{c} \end{matrix}$
$= sgn (p_{e} - p_{c}) b \sqrt{1 - {(\frac{\frac{min (p_{e}, p_{c})}{max (p_{e}, p_{c})} - h}{1 - h})}^{2}} (\sqrt{\frac{1}{{RT}_{e, c}}}) C_{ec, ed} A_{e} max (p_{e}, p_{c})$
$+ sgn (p_{i} - p_{c}) b \sqrt{1 - {(\frac{\frac{min (p_{i}, p_{c})}{max (p_{i}, p_{c})} - h}{1 - h})}^{2}} (\sqrt{\frac{1}{{RT}_{i, c}}}) C_{ic, id} A_{i} max (p_{i}, p_{c})$
In Gleichung 4 ist B ein Zylinderbohrungsdurchmesser, ω ist die Drehzahl der Kurbelwelle, / ist die Länge der Pleuelstange, r die Länge des Kurbelradius, V_d ist der Hubvolumen des Zylinders, r_cr ist das Verdichtungsverhältnis des Zylinders, p'_c ist die Ableitung des Zylinderinnendrucks, sgn() ist die signum-Funktion, p_e der Druck an der Abgasöffnung, p_i ist der Druck an der Einlassöffnung, h entspricht der Durchflussbegrenzung Psi (=0,5282817877) T_e,c ist die Temperatur des Abgases, Ae ist der effektive Öffnungsbereich des Auslassventils, C_ec,ed ist der Strömungskoeffizient des Abgases, b ist das kritische Druckverhältnis (=0,6847314564), C_ic,id ist der Strömungskoeffizienten am Einlassventil, und A_i ist der effektive Öffnungsbereich des Einlassventils. Gleichung 4 kann direkt verwendet werden, um für jeden gegebenen Kurbelwinkel den Zylinderinnendruck zu berechnen, oder sie kann vereinfacht werden als ein Polynom n^ter Ordnung in der diskreten Domäne, wenn Ae, Ai, sin(ωt), und cos(ωt) mithilfe des Polynoms der nten Ordnung (z. B. 4. Ordnung) angenähert werden, und kann verwendet werden, um für jegliche beliebige Kombination aus p_e, p_c, und p_i (Druck an Auslassöffnung, Zylinderinnendruck und Druck an Einlassöffnung) den Kurbelwinkel zu berechnen. Das Zylinderinnendruck-Modell basiert auf der folgenden Approximation (Gleichung 5): $\sqrt{\frac{2 γ}{γ - 1} {{(x)}^{\frac{2}{γ}} - {(x)}^{\frac{γ + 1}{γ}}}} = b \sqrt{1 - {(\frac{x - h}{1 - h})}^{2}}$
Für 0,52828 < x <1,0000 (wobei x dem Druckverhältnis entspricht), erreicht der Bestimmungskoeffizient (R²) die Annäherung (Gleichung 5) 0,999998.
In Gleichung 5, γ= 1,4 (Verhältnis der spezifischen Wärme von Luft) b ist das kritische Druckverhältnis (= 0,6847314564), und h ist die Durchflussbegrenzung Psi (= 0,5282817877). Die Approximation der Gleichung 5 vereinfacht das Zylinderinnendruck-Modell und wandelt das Zylinderinnendruck-Modell erfolgreich in eine Polynomgleichung um, nachdem A_e, A_i, sin(ωt), und cos(ωt) unter Verwendung eines Polynoms der n. Ordnung angenähert worden sind. Wird der Zylinderinnendruck durch eine Polynomgleichung ermittelt, so kann dies zu einer signifikanten Verbesserung seiner Effizienz und einer Reduzierung des ECM-Durchsatzes führen.
Bezugnehmend auf 4, beginnt ein exemplarisches Verfahren 400 zum Berechnen von RPC und APC gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung bei 404. Bei 408 bestimmt das Verfahren 400 eine Restmenge (verbliebenes Abgas) bei einer EVC-Position. Das RPC-bei-EVC-Berechnungsmodul 216 berechnet zum Beispiel die Restmenge (verbliebene Abgase) bei EVC wie in 2 beschrieben. Bei 412 bestimmt das Verfahren 400 eine zylinderinterne Temperatur bei einer BDC-Position. Das Berechnungsmoduls für die zylinderinterne Temperatur 220 berechnet zum Beispiel die zylinderinterne Temperatur wie in 2 beschrieben. Bei 416 bestimmt das Verfahren 400 die APC bei BDC. Das APC-bei-BDC-Berechnungsmodul 208 berechnet zum Beispiel die APC bei BDC, wie in 2 beschrieben. Bei 420 bestimmt das Verfahren 400 den RMF bei BDC. Das RMF-bei-BDC-Berechnungsmodul 212 berechnet zum Beispiel den RMF bei BDC, wie in 2 beschrieben. Bei 424 bestimmt das Verfahren 400 die APC bei der IVC-Position. Das APC-bei-IVC-Berechnungsmodul 204 berechnet zum Beispiel die APC bei IVC, wie in 2 beschrieben. Das Verfahren 400 endet bei 428.
Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltungselementen, Halbleiterschichten usw.) werden unter Verwendung von verschiedenen Begriffen beschrieben, einschließlich „verbunden“, „in Eingriff stehend“," „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „oben auf‟, „über“, „unter“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann eine Beziehung eine direkte Beziehung sein, wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und zweiten Element in der oben genannten Offenbarung beschrieben wird, wenn keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden sind, kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, wenn eines oder mehrere intervenierende Elemente (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden ist/sind. Wie hierin verwendet, sollte der Satz von mindestens einem von A, B und C so zu verstehen sein, dass damit eine Logik gemeint ist (A ODER B ODER C), unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODER, und sollte nicht dahingehend zu verstehen sein, dass gemeint ist „mindestens einer von A, mindestens einer von B und mindestens einer von C.“
In dieser Anwendung, einschließlich der folgenden Definitionen, kann der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Steuerung“ ggf. durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann auf Folgendes verweisen bzw. Teil von Folgendem sein oder Folgendes beinhalten: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der Code ausführt; einen Speicher (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der einen von einem Prozessor ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardware-Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination von einigen oder allen der oben genannten, wie zum Beispiel in einem System-on-Chip.
Das Modul kann ebenfalls eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen beinhalten. In einigen Beispielen können die Schnittstellen-Schaltkreise kabelgebundene oder -lose Schnittstellen beinhalten, die mit einem lokalen Netzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder Kombinationen hieraus verbunden sind. Die Funktionalität der in dieser Offenbarung genannten Module kann auf mehrere Module verteilt werden, die mit Schnittstellen-Schaltkreisen verbunden sind. Beispiel: Mehrere Module können einen Lastenausgleich zulassen. In einem anderen Beispiel können von einem Servermodul (z.B. Remote-Server oder Cloud) bestimmte Funktionen eines Client-Moduls übernommen werden.
Der Ausdruck Code, wie oben verwendet, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode beinhalten, und auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte verweisen. Der Ausdruck „gemeinsamer Prozessor-Schaltkreis“ bezieht sich auf einen einzelnen Prozessor-Schaltkreis, der bestimmten oder vollständigen Code von mehreren Modulen ausführt. Der Ausdruck „gruppierter Prozessor-Schaltkreis“ bezieht sich auf einen Prozessor-Schaltkreis, der in Kombination mit zusätzlichen Prozessor-Schaltkreisen bestimmten oder vollständigen Code von ggf. mehreren Modulen ausführt. Verweise auf mehrere Prozessor-Schaltkreise umfassen mehrere Prozessor-Schaltkreise auf diskreten Matrizen, mehrere Prozessor-Schaltkreise auf einem einzelnen Die, mehrere Kerne auf einem einzelnen Prozessor-Schaltkreis, mehrere Threads eines einzelnen Prozessor-Schaltkreises oder eine Kombination der oben genannten. Der Ausdruck „gemeinsamer Speicherschaltkreis“ bezieht sich auf einen einzelnen Speicherschaltkreis, der bestimmten oder vollständigen Code von mehreren Modulen speichert. Der Ausdruck „gruppierter Speicherschaltkreis“ bezieht sich auf einen Speicherschaltkreis, der in Kombination mit zusätzlichem Speicher bestimmten oder vollständigen Code von ggf. mehreren Modulen speichert.
Der Ausdruck „Speicherschaltkreis“ ist dem Ausdruck „computerlesbares Medium“ untergeordnet. Der Ausdruck „computerlesbares Medium“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich nicht auf transitorische elektrische oder elektromagnetische Signale, die sich in einem Medium ausbreiten (z. B. im Falle einer Trägerwelle); der Ausdruck „computerlesbares Medium“ ist daher als greifbar und nicht-transitorisch zu verstehen. Nicht einschränkende Beispiele eines nicht-transitorischen, greifbaren computerlesbaren Mediums sind nicht-flüchtige Speicherschaltkreise (z. B. Flash-Speicherschaltkreise, löschbare programmierbare ROM-Schaltkreise oder Masken-ROM-Schaltkreise), flüchtige Speicherschaltkreise (z. B. statische oder dynamische RAM-Schaltkreise), magnetische Speichermedien (z. B. analoge oder digitale Magnetbänder oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (z. B. CD, DVD oder Blu-ray).
Die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig mit einem speziell hierfür vorgesehenen Computer, der für die Ausführung bestimmter Computerprogrammfunktionen konfiguriert ist, implementiert werden. Die Funktionsblöcke, Flussdiagramm-Komponenten und weiteren oben beschriebenen Elemente dienen als Softwarespezifikationen, die von entsprechend geschulten Technikern oder Programmierern in Computerprogramme umgesetzt werden können.
Die Computerprogramme beinhalten prozessorausführbare Anweisungen, die auf mindestens einem nicht-transitorischen greifbaren computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können ebenfalls gespeicherte Daten enthalten oder auf gespeicherten Daten basieren. Die Computerprogramme können ein Basic Input Output System (BIOS) umfassen, das mit der Hardware des Spezialcomputers zusammenwirkt, Vorrichtungstreiber, die mit bestimmten Vorrichtungen des Spezialcomputers, einem oder mehreren Betriebssystemen, Benutzeranwendungen, Hintergrunddiensten, im Hintergrund laufenden Anwendungen usw. zusammenwirken.
Die Computerprogramme können Folgendes beinhalten: (i) beschreibenden Text, der gegliedert wird, wie z. B. HTML (Hypertext Markup Language) oder XML (Extensible Markup Language), (ii) Assembler Code, (iii) Objektcode, der von einem Quellcode durch einen Compiler erzeugt wurde, (iv) Quellcode für die Ausführung von einem Dolmetscher, (v) Quellcode für die Kompilierung und Ausführung von einem Just-in-Time-Compiler usw. Nur exemplarisch kann der Quellcode unter Verwendung von Syntax aus Sprachen, wie C, C++, C#, Objective C, Haskeil, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5, Ada, ASP (Active Server Pages), PHP, Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua und Python®, geschrieben werden.

Claims

System, Folgendes umfassend: ein Berechnungsmodul für Restgas pro Zylinder (RPC) (216), das die Restmenge in einem Motorzylinder (125) berechnet, wobei der Rest im Motorzylinder verbliebenem Abgas entspricht; ein Berechnungsmodul für die zylinderinterne Temperatur (220), das eine Temperatur im Motorzylinder (125) basierend auf der berechneten Restmenge berechnet; ein erstes Berechnungsmodul für die Luft pro Zylinder (APC) (204), das (i) eine gesamte Ladungsmenge im Motorzylinder (125) an einem vorbestimmten Kurbelwinkel basierend auf der berechneten Temperatur berechnet und (ii) eine erste Menge an verbliebener Luft im Motorzylinder (125) basierend auf der gesamten Ladungsmenge und der berechneten Menge an Restgas berechnet; ein Berechnungsmodul für den Masseanteil des Restgases (RMF) (212), das einen RMF des innerhalb der Motorzylinders (125) verbliebenen Abgases basierend auf der gesamten Ladungsmenge berechnet; ein zweites APC-Berechnungmodul (208), (i) das eine Rückströmungsladungsmenge in den Motorzylinder (125) ermittelt und (ii) eine zweite Menge an im Motorzylinder (125) verbliebener Luft basierend auf der Rückströmungsladungsmenge und der ersten Luftmenge berechnet; und ein Motorsteuergerät (130), das mindestens einen Parameter eines Motors basierend auf mindestens einem der RMF und der zweiten Menge von Luft steuert.
System nach Anspruch 1, wobei das RPC-Berechnungsmodul (216) mindestens eingerichtet ist zum: Berechnen der Restmenge bei der Position des geschlossenen Auslassventils (EVC) des Motorzylinders (125), Berechnen der Restmenge basierend auf den Winkeln bei einer Nullströmung in Verbindung mit dem Motorzylinder (125), und/oder (i) Berechnen von Änderungen des Restgases und (ii) der Restmenge basierend auf den berechneten Änderungen.
System nach Anspruch 1, wobei das erste APC-Berechnungsmodul (204) mindestens eine der folgenden Aktionen umfasst: berechnet die gesamte Ladungsmenge am vorbestimmten Kurbelwinkel des Motorzylinders (125), und berechnet die erste Luftmenge basierend auf einer Differenz zwischen der gesamten Ladungsmenge und der berechneten Restmenge.
System nach Anspruch 1, wobei das zweite Restmengen-Berechnungsmodul (212) den RMF des Abgases an einer Position des unteren Totpunkts (BDC) des Motorzylinders (125) berechnet, wobei das zweite APC-Berechnungsmodul (208) die zweite Luftmenge bei einem Einlassventil in geschlossener Position berechnet, und wobei das zweite APC-Berechnungsmodul (208) die zweite Luftmenge basierend auf einer Differenz zwischen der Rückströmungsladungsmenge und der ersten Luftmenge berechnet.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zylinderinternes Druckberechnungsmodul, das mindestens (i) einen Druck im Motorzylinder (125) in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel des Motors (112) und (ii) den Kurbelwinkel des Motors (112) als Funktion des Drucks an der Auslassöffnung, des Drucks an der Einlassöffnung und dem Zylinderinnendruck berechnet.
Verfahren, umfassend: Berechnen einer Restmenge in einem Motorzylinder (125), wobei die Restemenge dem verbliebenen Abgas im Motorzylinder (125) entspricht; Berechnen einer Temperatur im Motorzylinder (125) basierend auf der berechneten Restmenge; Berechnen einer gesamten Ladungsmenge im Motorzylinder (125) an einem vorbestimmten Kurbelwinkel basierend auf der berechneten Temperatur; Berechnen einer ersten Menge verbliebener Luft im Motorzylinder (125) basierend auf der gesamten Ladungsmenge und der berechneten Menge an Restgas; Berechnen des Massenanteils des Restgases (RMF) des innerhalb des Motorzylinders (125) verbliebenen Abgases basierend auf der gesamten Ladungsmenge; Bestimmen einer Rückströmungsladungsmenge in den Motorzylinder (125); Berechnen einer zweiten Menge der im Motorzylinder (125) verbliebenen Luft basierend auf der Rückströmungsladungsmenge und der ersten Luftmenge; und Steuern von mindestens einem Parameter eines Motors (112) basierend auf mindestens einem der RMF-Werte und der zweiten Luftmenge.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend mindestens eine der folgenden Aktionen: Berechnen der Restmenge beinhaltet das Berechnen der Restmenge bei einer geschlossenen Auslassventil (EVC) Position des Motorzylinders (125), und Berechnen der Restmenge beinhaltet das Berechnen der Restmenge basierend auf den Winkeln bei Nullströmung in Verbindung mit dem Motorzylinder (125).
Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin das Berechnen von Änderungen des Restgases umfasst, wobei das Berechnen der Restmenge das Berechnen der Restmenge basierend auf den berechneten Änderungen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend mindestens eine der folgenden Aktionen: Berechnen der gesamten Ladungsmenge beinhaltet das Berechnen der gesamten Ladungsmenge am vorbestimmten Kurbelwinkel des Motorzylinders (125), Berechnen der ersten Luftmenge beinhaltet das Berechnen der ersten Luftmenge basierend auf einer Differenz zwischen der gesamten Ladungsmenge und der berechneten Restmenge, Berechnen des RMF-Wertes des Abgases beinhaltet das Berechnen des RMF-Wertes des Abgases an einer unteren Totpunkt (BDC) Position des Motorzylinders (125), Berechnung der zweiten Luftmenge beinhaltet das Berechnen der zweiten Luftmenge an einem Einlassventil in geschlossener Position des Motorzylinders (125), und Berechnung der zweiten Luftmenge beinhaltet das Berechnen der zweiten Luftmenge basierend auf einer Differenz zwischen der Rückströmungsladungsmenge und der ersten Luftmenge.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner das Berechnen von mindestens (i) einem Druck im Motorzylinder (125) in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel des Motors (112) und (ii) des Kurbelwinkels des Motors (112) als Funktion des Drucks an der Auslassöffnung, des Drucks an der Einlassöffnung und des Zylinderinnendrucks umfasst.