DE102017202554B4

DE102017202554B4 - Verfahren zum bestimmen eingeschlossener luft pro zylinder und gespülter luft pro zylinder in einem verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102017202554B4
Application number: DE102017202554.9A
Authority: DE
Inventors: Bastian Maass; Jay S. Meldrum; Gary Robert Cygan Jr.; Layne K. Wiggins
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: US20170248093A1; CN107131068B; DE102017202554A1; CN107131068A; US10132260B2

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eingeschlossener Luft pro Zylinder und gespülter Luft pro Zylinder in einem Verbrennungsmotor (12), umfassend die folgenden Schritte:das Bestimmen eines Verteilerluftdrucks,das Bestimmen einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (12),das Bestimmen einer maximalen Öffnungsdrehposition des Einlassventils (28),das Bestimmen einer maximalen Öffnungsdrehposition des Auslassventils (34),das Berechnen eines volumetrischen Wirkungsgrads von eingeschlossener Luft pro Zylinder in einem künstlichen neuronalen Netz (106) und Anwenden des idealen Gasgesetzes auf den volumetrischen Wirkungsgrad der eingeschlossenen Luft pro Zylinder,das Berechnen eines Verhältnisses der Masse eingeschlossener Luft pro Zylinder zu dem Gesamtvolumen an Luft pro Zylinder in einem künstlichen neuronalen Netz (108),das Berechnen einer Gesamtmasse von Luft pro Zylinder, unddas Berechnen von gespülter Luft pro Zylinder durch Subtrahieren der eingeschlossenen Luft pro Zylinder von der Gesamtmasse der Luft pro Zylinder.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung von Berechnungen, bezüglich eingeschlossener Luft pro Zylinder (APC) in Verbrennungsmotoren und insbesondere auf ein Verfahren zum Bestimmen eingeschlossener Luft pro Zylinder und gespülter Luft pro Zylinder in einem Verbrennungsmotor während Spül- und nicht-Spülbetriebsarten.
Bezüglich des hier möglicherweise einschlägigen Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 10 2014 000 396 A1 , EP 2 532 865 B1 und US 6 152 102 A verwiesen.
HINTERGRUND
Bei modernen Verbrennungsmotoren, insbesondere solchen mit Turbolader und variabler Ventilsteuerung, wird ein bestimmter Prozentsatz an Luft, die durch den Ansaugkrümmer in den Motor eintritt, während des Ansaughubs vollständig durch die Motorzylinder, d. h. von den Einlassventilen zu den Auslassventilen, strömen während des Ansaughubs und wird daher nicht in dem Verbrennungszyklus teilnehmen. Dies kann bei hohen Nocken (und Ventilöffnung) Überlappungen bei erhöhten Anwendungen auftreten, insbesondere bei höheren Druckverhältnissen. Diese nicht eingeschlossene Luft, die vollständig durch den Zylinder strömt, wird als gespülte Luft bezeichnet.
Während eine derartige gespülte Luft in der ersten Analyse als unerwünscht wahrgenommen werden könnte, ermöglicht sie dem Turbolader, sich schneller aufzuspulen, wodurch die Druckverstärkungsreaktion verbessert wird.
Die wahre Schwierigkeit der gespülten Luft besteht darin, dass Motoren, die in einem Spülmodus arbeiten, nicht überraschenderweise auch in dem herkömmlicheren, nicht spülenden Modus arbeiten, in welchem die gesamte Luft durch das Einlassventil strömt, in dem Zylinder für den Kompressions- und Leistungshub eingefangen wird, wonach er abgesaugt wird. Während derartige Motoren typischerweise getrennte Steuermodelle für den Betrieb im Spül- und Nicht-Spülmodus verwenden, kann der Übergang zwischen dem Nicht-Spülmodus, typischerweise bei niedrigeren RPMs und dem Spülmodus bei höheren RPMs, abrupt sein und Diskontinuitäten sowohl bei der Überwachung als auch beim Betrieb von Kraftstoff-, Luftstrom- und Zündsystemen erzeugen.
Somit besteht ein anerkanntes Problem bei Verbrennungsmotoren und Steuerungen, die sowohl im Spül- als auch im Nicht-Spülmodus arbeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Lösung für dieses Problem anzugeben.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, den Betrieb von Verbrennungsmotoren zu verbessern, indem Berechnungsmodelle und Berechnungen bezüglich eingeschlossener und gespülter Luft pro Zylinder während dem Spülen und Nicht-Spülen Betriebsmodi sowie einem nahtlosen Übergang zwischen diesen Betriebsmodi verbessert werden. Daten von Sensoren, welche die Motordrehzahl (U/min) den Verteilerluftdruck, den barometrischen Druck, die Kurbelwellenposition, die maximale Öffnungsposition des Einlassventils, die Auslassventil-Maximalöffnungsposition und Ventilzustandssensoren beinhalten, werden an ein Paar künstlicher neuronaler Netze (ANN) geliefert. Ein erstes neuronales Netzwerk, das ANN für den eingeschlossenen volumetrischen Wirkungsgrad, verwendet diese Daten, um das Nennvolumen des Gases, d.h. die in dem Zylinder eingeschlossene Luft, zu berechnen. Ein zweites ANN, das ANN für Einfangverhältnis, nutzt diese Daten, um das Einfangverhältnis zu berechnen. Der Ausgang des ersten ANN wird in Verbindung mit dem idealen Gasgesetz verwendet, um die tatsächliche Masse der eingeschlossenen Luft pro Zylinder (APC) zu berechnen. Die tatsächliche Masse der eingefangenen Luft pro Zylinder wird ebenfalls durch das durch die zweite ANN berechnete Einfangverhältnis dividiert, um die Gesamtluft pro Zylinder zu bestimmen, und wird ferner verwendet, um die eingefangene Luft pro Zylinder durch Subtraktion der eingeschlossenen Luft pro Zylinder von der Gesamtluft pro Zylinder zu berechnen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorstehenden Berechnungen in Echtzeit durchgeführt werden und somit die drei Datenausgänge, welche die eingeschlossene, gespülte und die Gesamtluft pro Zylinder sind, kontinuierlich bereitgestellt werden und können von verschiedenen Motor- und Fahrzeugsteuermodulen und -systemen verwendet werden, um die Gesamtleistung des Motors und das Fahrverhalten zu verbessern.
Somit ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung des Betriebs von Verbrennungsmotoren zu schaffen, die in Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten arbeiten.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben von Spül- und Nicht-Spülverbrennungsmotoren zu schaffen, das einen nahtlosen Übergang zwischen derartigen Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten bereitstellt.
Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung des Betriebs von Verbrennungsmotoren bereitzustellen, die in Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten arbeiten, wobei künstliche neuronale Netze verwendet werden.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern des Betriebs von Verbrennungsmotoren bereitzustellen, die in Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten arbeiten, wobei künstliche neuronale Netze und Sensoren einschließlich des Verteilerluftdrucks, des barometrischen Drucks, der Motordrehzahl und des Kurbelwellenwinkels und der Ventilzustandssensoren verwendet werden.
Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verbessern des Betriebs von Verbrennungsmotoren bereitzustellen, die in Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten arbeiten, wobei künstliche neuronale Netze und Sensoren einschließlich des Verteilerluftdrucks, des barometrischen Drucks, der Motordrehzahl und des Kurbelwellenwinkels und der Ventilzustandssensoren verwendet werden.
Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern des Betriebs von Verbrennungsmotoren bereitzustellen, die in Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten arbeiten, durch Berechnen und Bereitstellen verwandter Motor- und Fahrzeugsteuersysteme Echtzeitwerte der eingefangenen Luft pro Zylinder, gefilterte Luft pro Zylinder und Gesamtluft pro Zylinder.
Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbessern des Betriebs von Verbrennungsmotoren mit Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten durch Verwendung von künstlichen neuronalen Netzen und Sensoren einschließlich des Verteilerluftdrucks, des Luftdrucks, der Motordrehzahl und des Kurbelwellenwinkels und des Ventils zu schaffen, um zugehörige Motor- und Fahrzeugsteuerungssysteme Echtzeit-Werte von eingeschlossener Luft pro Zylinder, gefilterte Luft pro Zylinder und Gesamtluft pro Zylinder zu liefern.
Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verbessern des Betriebs von Verbrennungsmotoren mit Spül- und Nicht-Spülbetriebsarten unter Verwendung von künstlichen neuronalen Netzen und Sensoren einschließlich des Ansaugkrümmer-Luftdrucks, des barometrischen Drucks, der Motordrehzahl und des Kurbelwellenwinkels sowie der VentilzustandsSensoren, um den Motor- und Fahrzeugregelungssystemen Echtzeitwerte der eingefangenen Luft pro Zylinder, der gefangenen Luft pro Zylinder und der Gesamtluft pro Zylinder zu liefern.
Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin vorgestellten Beschreibung offensichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur dem Zweck der Veranschaulichung.

1 ist eine bildliche Darstellung eines Verbrennungsmotors, der Sensoren, die einen Spülungs-, und nicht-Spülungsbetrieb gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 ist ein schematisches Diagramm der Komponenten und Betriebsschritte eines erfindungsgemäßen Spül-, Nicht-Spül-Verbrennungsmotor-Steuersystems; und
3 ist ein Diagramm, das mehrere Betriebsparameter eines erfindungsgemäßen Spül-, Nicht-Spül-Verbrennungsmotor-Steuersystems darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch.
Unter Bezugnahme auf 1, ist eine bildliche Darstellung eines Verbrennungsmotors, Sensoren und zugehöriger Komponenten des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. System 10 beinhaltet den Verbrennungsmotor 12 mit einem Mehrteilkörper, der einen Motorblock 14 und einen oder mehrere Zylinderköpfe 16 aufweist, die eine Vielzahl von Hubkolben 18 aufnehmen, anordnen und lagern, die in einer Vielzahl von Zylindern 20 angeordnet sind, von denen jede in 1 dargestellt ist, eine drehende Kurbelwelle 22 und ein Schwungrad 24, einen Ansaugkrümmer 26, der eine Vielzahl von Einlassventilen 28 beinhaltet, die mit einer ersten oder Einlassnockenwelle 30 verbunden sind, die durch die Kurbelwelle 22 angetrieben wird, einen Auslasskrümmer 32, der eine Vielzahl von Auslassventilen 34 beinhaltet, die mit einer zweiten oder Auslassnockenwelle 36 verbunden sind, die ebenfalls durch die Kurbelwelle 22 angetrieben wird. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass der exemplarische Verbrennungsmotor 12 zusätzliche Details und Komponenten, wie beispielsweise Kraftstoffversorgungs- und Zündsysteme (beide nicht dargestellt), beinhaltet.
System 10 beinhaltet auch eine Vielzahl von Sensoren. Ein erster, Verteiler-Absolutdruck-Sensor 42 (MAP) befindet sich in dem Ansaugkrümmer 24 und erfasst den absoluten momentanen Luftdruck darin. Ein zweiter, barometrischer Drucksensor 44 kann an einer beliebigen geeigneten Stelle auf dem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) angeordnet sein und den aktuellen atmosphärischen Umgebungsdruck erfassen. Ein dritter Drehzahl- und Drehwinkelgeber 46 ist mit Zähnen 48 an dem Schwungrad 24 an der Kurbelwelle 22 zugeordnet und liefert Daten über die Drehzahl und die Winkellage der Kurbelwelle 22. Daten bezüglich der Drehpositionen der Einlass- und Auslassnockenwellen 30 und 36 werden durch einen vierten Einlassnockenwellen-Positionssensor 52 und einen fünften Auslassnockenwellen-Positionssensor 54 bereitgestellt. Die Ausgangssignale von allen ankommenden Sensoren 42, 44, 46, 52 und 54 werden einem Steuermodul 60 zur Verfügung gestellt, das ein eigenständiges Gerät sein kann oder ein Teil eines Motorsteuerungsmoduls (ECM) oder ein ähnlicher elektronischer Regler mit Eingangs- und Ausgangsmerkmalen, einem festen Speicher für Software und einem flüchtigen Speicher für diese Eingangsdaten, einem Prozessor oder Mikroprozessor und zugehörigen Schaltungen. Ein sechster Datenstrom 56, der an dem darin erzeugten Steuermodul 60 oder einem zugehörigen ECM bereitgestellt werden kann, bezieht sich auf den Betriebszustand der Einlassventile 28 und Auslassventile 34, der durch drei Betriebsarten oder Zustände definiert und identifiziert wird: hohe Hub, niedriger Hub oder Deaktivierten, d. h. weder einen hohen noch einen niedrigen Hubzustand.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein schematisches Blockdiagramm der Komponenten und Verfahrensschritte eines Spül-, nicht-spülenden Verbrennungsmotor-Steuersystems dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Das Verfahren 100 umfasst das Sammeln von Daten in einem Schritt 104 vom Saugrohr-Absolutdrucksensors (MAP) 42, dem Luftdrucksensor 44, dem Drehzahlsensor der Kurbelwelle (Motor) und dem Rotationssensor 46, den Sensor 52 für die Einlassmaximalöffnungsposition (IMOP), den Sensor 54 für die Abgasmaximalöffnungsposition (EMOP) und den Ventilzustandsdatenstrom 56. Der IMOP-Sensor 52 und der EMOP-Sensor 54 liefern Daten in Rotationsgraden (von 0° bis 360°) ihrer jeweiligen Nockenwellen, und diese Daten werden in Kombination mit den Daten des dritten Drehzahl- und Rotationssensors 46 wird verwendet, um die Rotations- (Winkel-) Position von 0° bis 720° der Kurbelwelle 22 zu bestimmen.
Die sechs Sensorausgänge oder Datenströme werden sowohl an ein künstliches neuronales Netz (ANN) als auch an ein zweites künstliches neuronales Netz (ANN) 106 des artifiziellen Neutralnetzes (ANN) 108 geliefert. Sowohl das erste als auch das zweite künstliche neuronale Netz 106 und 108 sind Einschichtnetze und enthalten einen Satz von adaptiven Gewichten, d. h. numerische Parameter, die durch einen Lernalgorithmus während des Kalibrierungsprozesses eingestellt werden, und in der Lage sind, nichtlineare Funktionen der sechs Eingänge zu approximieren oder zu schätzen. Eines der Kennzeichen der neuronalen Netze 106 und 108 ist, dass bei gegebener gewisser Menge von Eingabewerten die Netze 106 und 108 immer den gleichen Ausgangswert zurückgeben.
Aus den ihm gelieferten Daten liefert das erste künstliche neuronale Netz (ANN) für körperliches Volumen (VE) 106 einen Wert des aktuellen volumetrischen Wirkungsgrads von eingeschlossener Luft pro Zylinder (APC) auf einer Skala von 0,0 bis 1,0.
Während des VE-Kalibrierungsprozesses wird die Gleichung verwendet: $VE = \frac{m_{Zylinder} \cdot R \cdot ChrgTemp}{Molmasse \cdot MAP \cdot V_{Zylinder}}$
bei R die ideale Gaskonstante von 8.314 L kPa / (K mol) ist, die Molmasse 28970 L kPa / (mg K) ist, V_Zylinder ist das Volumen jedes Zylinders 20 in Liter und das ChrgTemp ist die Temperatur der Luft, die in die Zylinder 20 in Grad Kelvin eintritt.
Dieser Wert wird dann einem Berechnungsschritt 110 zugeführt, der das ideale Gasgesetz auf den volumetrischen Wirkungsgrad anwendet, um die tatsächliche Masse an Luft, die in jedem Zylinder (APC) 20 in Echtzeit eingeschlossen ist, zu bestimmen. Die Gleichung, die zur Bestimmung der Luftmasse pro Zylinder 20 verwendet wird, ist: $m_{Zylinder} = \frac{Molmasse \cdot MAP \cdot VE}{R \cdot ChrgTemp}$
Die resultierende m_Zylinder ist die eingeschlossene Luftmasse in jedem Zylinder 20 in Milligramm.
Diese Daten oder Informationen werden dann in einer Leitung 112 an verschiedene Datensysteme und Steuerungen in dem Fahrzeug, wie beispielsweise dem Motorsteuermodul (ECM), zum Einstellen der Kraftstoffströmung, der Zündzeitpunkteinstellung und zum Abschätzen dieser Betriebsparameter als Abgastemperatur und -druck geliefert.
Von den Daten, die dem zweiten künstlichen neuronalen Netz (ANN) 108 zugeführt werden, wird das Verhältnis des Volumens der Luft, die pro Zylinder 20 eingeschlossen wird, zu dem Gesamtvolumen der Luft, die pro Zylinder 20 bereitgestellt wird, erzeugt. Diese Daten oder Informationen werden an eine Aufteilung durch ein Netzwerk oder einen Schritt 114 gegeben. In Kenntnis der tatsächlichen Luftmasse, die pro Zylinder 20 eingeschlossen wird, aus dem Berechnungsschritt 110, und das Verhältnis der Luftmasse, die pro Zylinder 20 eingeschlossen wird, im Verhältnis zur Gesamtluftmasse, die pro Zylinder 20 bereitgestellt wird, wird die Gesamtmasse der Luft pro Zylinder 20 berechnet und in einer Daten- oder Informationsleitung 116 an verschiedene Datensysteme und Steuerungen im Fahrzeug, wie beispielsweise das Motorsteuerungsmodul (ECM), geliefert. Schließlich wird in einem Subtraktionsschritt oder Netz 118 der momentane Wert der eingeschlossenen Luft pro Zylinder 20 in der Leitung 112 von dem momentanen Wert der Gesamtluft pro Zylinder in der Leitung 116 subtrahiert. Der resultierende Wert in einer Leitung 120 ist die gespülte Luft pro Zylinder 20, das heißt, die Luft, die aufgrund der Öffnungsüberlappung des Einlassventils 28 und des Auslassventils 34 durch den/die Zylinder 20 direkt von dem Ansaugkrümmer 26 zum Abgaskrümmer 32 strömt, ohne an dem Verbrennungsvorgang teilzunehmen.
In 3, veranschaulicht ein Mehrfachplotgraph 150 die Leistung des Spül-, Nicht-Spül-Verbrennungsmotor-Steuersystems 10. Zuallererst sollte verstanden werden, dass der Bereich, der von der gestrichelten Ovallinie 152 umschlossen ist, im allgemeinen den Übergangsbereich vom Nicht-Spülvorgang (auf der linken Seite des Graphen 150) bis zum Spülen (auf der rechten Seite des Graphen 150) darstellt. Die oberste Linie oder Spur 154 stellt die Gesamtluft pro Zylinder (APC) 20 dar. Die zweite, im Wesentlichen horizontale Linie oder Spur 156 stellt die eingeschlossene Luft pro Zylinder 20 dar. Es ist zu beachten, dass die Spuren 154 und 156 während des Nicht-Spülens (auf der linken Seite des Graphen 150) übereinander liegen. Die dritte Linie oder Spur 158 stellt die Drosselfläche, die natürlich mit zunehmender Geschwindigkeit und Last zunimmt, dar. Die vierte Linie oder Spur 162 stellt die gespülte Luft pro Zylinder 20 dar. Man beachte den starken Anstieg dieses Wertes, wenn sich der Betrieb vom Nicht-Spülen zum Spülen in dem Bereich bewegt, der durch die gestrichelte Linie 152 eingeschlossen ist. Schließlich stellt eine fünfte Linie oder Spur 164 das Einfangverhältnis dar. Es ist zu beachten, dass sich dieser Wert relativ gleichmäßig vom Spülen in den Nicht-Spülvorgang ändert, was ein wesentliches Ziel des Nicht-spülenden Verbrennungsmotor-Steuersystem 10 ist.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eingeschlossener Luft pro Zylinder und gespülter Luft pro Zylinder in einem Verbrennungsmotor (12), umfassend die folgenden Schritte: das Bestimmen eines Verteilerluftdrucks, das Bestimmen einer Drehzahl des Verbrennungsmotors (12), das Bestimmen einer maximalen Öffnungsdrehposition des Einlassventils (28), das Bestimmen einer maximalen Öffnungsdrehposition des Auslassventils (34), das Berechnen eines volumetrischen Wirkungsgrads von eingeschlossener Luft pro Zylinder in einem künstlichen neuronalen Netz (106) und Anwenden des idealen Gasgesetzes auf den volumetrischen Wirkungsgrad der eingeschlossenen Luft pro Zylinder, das Berechnen eines Verhältnisses der Masse eingeschlossener Luft pro Zylinder zu dem Gesamtvolumen an Luft pro Zylinder in einem künstlichen neuronalen Netz (108), das Berechnen einer Gesamtmasse von Luft pro Zylinder, und das Berechnen von gespülter Luft pro Zylinder durch Subtrahieren der eingeschlossenen Luft pro Zylinder von der Gesamtmasse der Luft pro Zylinder.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Bestimmens eines Umgebungsluftdrucks.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner beinhaltend den Schritt des Bestimmens eines Ventilzustands als eines von hohem Hub, niedrigem Hub oder keinem Hub.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner beinhaltend den Schritt des Bereitstellens eines ersten Positionssensors (52) an einer Einlassventilnockenwelle (30), um die maximale Öffnungsposition des Einlassventils (28) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner beinhaltend den Schritt des Bereitstellens eines zweiten Positionssensors (54) an einer Auslassventilnockenwelle (36), um die maximale Öffnungsposition des Auslassventils (34) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner beinhaltend den Schritt des Bereitstellens eines Rotationssensors (46), der mit einem Schwungrad (24) auf einer Kurbelwelle verbunden ist.