DE102017209277A1 - Method for determining a proportion of gas in a combustion chamber of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Gasanteils in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Einlassventil und einem Auslassventil mit variablem Ventiltrieb nach einem Ladungswechsel, wobei ein aus einer ersten Phase (P), während welcher das Auslassventil und das Einlassventil gleichzeitig geöffnet sind und in welcher eine Masse von in dem Brennraum befindlichem Gasgemisch abnimmt und eine Massenänderung (m) im Brennraum betragsmäßig größer ist als ein Massenstrom (ṁ) aus dem Brennraum durch das Einlassventil, stammender Gasanteil anhand eines Drosselmodells für den Massenstrom (ṁ) durch das Einlassventil ermittelt wird.The invention relates to a method for determining a gas fraction in a combustion chamber of an internal combustion engine having an intake valve and a variable valve drive exhaust valve after a charge cycle, one of a first phase (P) during which the exhaust valve and the intake valve are simultaneously open and in which a mass of gas mixture in the combustion chamber decreases and a mass change (m) in the combustion chamber is greater than a mass flow (ṁ) from the combustion chamber through the inlet valve, the gas fraction is determined by a throttle model for the mass flow (ṁ) through the inlet valve.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Gasanteils in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for determining a proportion of gas in a combustion chamber of an internal combustion engine as well as a computing unit and a computer program for its implementation.

Stand der TechnikState of the art

Bei modernen Brennkraftmaschinen können sog. variable Ventiltriebe verwendet werden, womit die Öffnungs- und Schließzeiten von Einlass- und Auslassventilen unabhängig von einer Nockenwellenposition gesteuert werden können. Dies ermöglicht es, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu optimieren.In modern internal combustion engines so-called variable valve trains can be used, whereby the opening and closing times of intake and exhaust valves can be controlled independently of a camshaft position. This makes it possible to optimize fuel consumption and pollutant emissions.

Bei einem sog. Überschnitt, d.h. wenn Einlass- und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind, kann dabei Restgas, das von einer vorangegangenen Verbrennung im Brennraum noch vorhanden ist, teilweise in das Saugrohr, das über das Einlassventil an den Brennraum angebunden ist, vorgelagert werden. Ebenso kann Abgas aus dem Abgasrohr, das über das Auslassventil an den Brennraum angebunden ist, wieder in den Brennraum eingebracht oder auch durch den Brennraum hindurch in das Saugrohr eingebracht werden. All dies erfolgt im Rahmen des sog. Ladungswechsels. Durch besonders lange Überschnitte können dabei insbesondere bei Ottomotoren eine optimierte Verbrennung und bei Dieselmotoren geringere Schadstoffemissionen erreicht werden.In a so-called overcut, i. If inlet and outlet valves are open at the same time, residual gas that is still present in the combustion chamber from a previous combustion can be partially pre-stored in the intake manifold, which is connected to the combustion chamber via the inlet valve. Likewise, exhaust gas from the exhaust pipe, which is connected via the exhaust valve to the combustion chamber, can be re-introduced into the combustion chamber or introduced through the combustion chamber into the intake manifold. All this takes place within the framework of the so-called charge change. By particularly long overcuts can be achieved in particular in gasoline engines optimized combustion and diesel engines lower pollutant emissions.

Um diese Vorteile möglichst gut auszunutzen, ist es nötig, den Restgasanteil im Brennraum nach einem Ladungswechsel, also den Anteil des Restgases an der gesamten Füllung des Brennraumes (der Rest ist dabei angesaugte Frischluft) sowie den Liefergrad der Brennkraftmaschine möglichst genau zu kennen, um damit die Ventilsteuerung oder auch andere Betriebsparameter entsprechend einstellen zu können.To exploit these advantages as well as possible, it is necessary to know the residual gas content in the combustion chamber after a charge change, ie the proportion of residual gas to the entire filling of the combustion chamber (the rest is sucked fresh air) and the degree of delivery of the internal combustion engine as accurately as possible to adjust the valve control or other operating parameters accordingly.

Aus der DE 102 13 138 A1 ist hierzu beispielsweise ein Modell bekannt, mit dem ein Restgasanteil in einem Brennraum nach einem Ladungswechsel ermittelt werden kann. Dabei werden unterschiedliche Anteile von Restgas beim Ladungswechsel berücksichtigt, insbesondere das in dem Brennraum verbleibende Restgas (residuales Restgas) und ein aus dem Abgasrohr durch das Auslassventil über den Brennraum und dann durch das Einlassventil strömende Restgas bzw. Abgas, welches im nächsten Ansaugtakt wieder angesaugt wird (reaspiratives Restgas).From the DE 102 13 138 A1 For this purpose, for example, a model is known with which a residual gas content can be determined in a combustion chamber after a charge change. In this case, different proportions of residual gas during charge exchange are taken into account, in particular the residual gas remaining in the combustion chamber and a residual gas or exhaust gas flowing out of the exhaust pipe through the exhaust valve via the combustion chamber and then through the inlet valve, which is sucked in again in the next intake stroke (Reaspirative residual gas).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden nun ein Verfahren zum Ermitteln eines Gasanteils in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for determining a proportion of gas in a combustion chamber of an internal combustion engine as well as an arithmetic unit and a computer program for carrying it out with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln eines Gasanteils in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit variablem Ventiltrieb nach einem Ladungswechsel, wenn während des Ladungswechsels ein Auslassventil und ein Einlassventil des Brennraums zeitweise gleichzeitig geöffnet sind. Hierzu wird eine Dauer (die Dauer kann beispielsweise als Zeitdauer oder als Winkeldifferenz der Kurbel- oder Nockenwelle angegeben sein), während welcher das Auslassventil und das Einlassventil gleichzeitig geöffnet sind, in eine erste Phase und vorzugsweise eine zweite Phase unterteilt.An inventive method is used to determine a proportion of gas in a combustion chamber of an internal combustion engine with a variable valve train after a charge change, when during the charge cycle, an exhaust valve and an intake valve of the combustion chamber are temporarily open simultaneously. For this purpose, a duration (the duration may be indicated, for example, as a time duration or as an angular difference of the crankshaft or camshaft) during which the exhaust valve and the inlet valve are simultaneously opened is subdivided into a first phase and preferably a second phase.

Die erste Phase ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Masse von in dem Brennraum befindlichem Gasgemisch abnimmt und eine (zeitliche) Massenänderung (von Gasgemisch) im Brennraum betragsmäßig größer ist als ein Massenstrom (von Gasgemisch) aus dem Brennraum durch das Einlassventil. Dies bedeutet also auch, dass ein Massenstrom aus dem Brennraum durch das Auslassventil existiert. In der zweiten Phase ist dann die Massenänderung (von Gasgemisch) im Brennraum betragsmäßig kleiner als der Massenstrom (von Gasgemisch) aus dem Brennraum durch das Einlassventil. Dies bedeutet entsprechend auch, dass ein Massenstrom durch das Auslassventil in den Brennraum existiert. Im Vergleich zur ersten Phase kehrt sich die Richtung des Massenstroms durch das Auslassventil also um.The first phase is characterized in that a mass of gas mixture in the combustion chamber decreases and a (temporal) mass change (of gas mixture) in the combustion chamber is greater in magnitude than a mass flow (of gas mixture) from the combustion chamber through the inlet valve. This also means that a mass flow from the combustion chamber through the exhaust valve exists. In the second phase, the mass change (of gas mixture) in the combustion chamber is smaller in magnitude than the mass flow (of gas mixture) from the combustion chamber through the inlet valve. This also means that a mass flow through the exhaust valve into the combustion chamber exists. Compared to the first phase, the direction of the mass flow through the exhaust valve thus reverses.

Der aus der ersten Phase stammende Gasanteil wird dann anhand eines Drosselmodells für den Massenstrom durch das Einlassventil ermittelt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann zusätzlich der aus der zweiten Phase stammende Gasanteil anhand eines Drosselmodels für einen Massenstrom durch das Auslassventil über den Brennraum und dann durch das Einlassventil sowie anhand einer, insbesondere idealen, Gasgleichung ermittelt werden. Ein Drosselmodell kann dabei jeweils verwendet werden, da die geöffneten Ventile im Wesentlichen einer Drossel gleichen. Insbesondere können dabei dann auch eine Dauer der ersten Phase und/oder ein Zeitpunkt oder ein Kurbelwellenwinkel beim Öffnen des Einlassventils berücksichtigt werden. Für die Ermittlung des Massenstroms durch das Einlassventil (auch bei Verwendung des erwähnten Drosselmodells) kann insbesondere wenigstens eine der folgenden Größen berücksichtigt werden: Saugrohrdruck, Abgasgegendruck, Abgastemperatur und strömungswirksame Querschnittsfläche des Einlassventils. Die Gasanteile beider Phasen können dann addiert werden, um den gesamten Gasanteil nach dem Ladungswechsel zu erhalten.The gas component originating from the first phase is then determined on the basis of a throttle model for the mass flow through the intake valve. According to a preferred development of the invention, the gas component originating from the second phase can additionally be determined on the basis of a throttle model for a mass flow through the exhaust valve via the combustion chamber and then through the inlet valve and on the basis of an, in particular ideal, gas equation. A throttle model can be used in each case, because the open valves are essentially the same as a throttle. In particular, a duration of the first phase and / or a point in time or a crankshaft angle during opening of the intake valve can then also be taken into account. For the determination of the mass flow through the inlet valve (even when using the mentioned throttle model), at least one of the following variables can be considered in particular: intake manifold pressure, exhaust back pressure, exhaust gas temperature and flow-effective cross-sectional area of the intake valve. The gas fractions of both phases can then be added to obtain the total gas content after the gas exchange.

Als Gasanteil kann dabei jeweils ein Restgasanteil in dem Brennraum und/oder ein Frischluftanteil, der in den Brennraum eingebracht wird, und/oder ein Liefergrad der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Beispielsweise kann zunächst der Restgasanteil ermittelt werden und daraus können dann der Restgaspartialdruck im Brennraum und somit der Liefergrad der Brennkraftmaschine sowie andere relevante Betriebsparameter ermittelt und für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine verwendet werden. Denkbar ist jedoch auch, den Restgasanteil nicht explizit zu ermitteln, sondern nur indirekt bei einer Ermittlung des Frischluftanteils bzw. des Liefergrads.In each case a residual gas portion in the combustion chamber and / or a fresh air portion, which is introduced into the combustion chamber, and / or a delivery rate of the internal combustion engine can be determined as gas fraction. For example, first of all the residual gas content can be determined and from this the residual gas partial pressure in the combustion chamber and thus the delivery rate of the internal combustion engine as well as other relevant operating parameters can be determined and used for the further operation of the internal combustion engine. It is also conceivable, however, not to determine the residual gas content explicitly, but only indirectly when determining the fresh air content or the degree of delivery.

Die Ermittlung des aus der zweiten Phase stammenden Restgasanteils kann dabei insbesondere auf die gleiche Weise erfolgen, wie in der DE 102 13 138 A1 beschrieben. Es können also auch die dort erwähnten Gleichungen und Modelle verwendet werden. Insofern sei für eine nähere Erläuterung auch auf die DE 102 13 138 A1 verwiesen.The determination of the originating from the second phase portion of residual gas can be done in particular in the same way as in the DE 102 13 138 A1 described. Thus, the equations and models mentioned there can also be used. In this respect, for a closer explanation also on the DE 102 13 138 A1 directed.

Durch die Einführung der ersten Phase bzw. die Aufteilung in zwei Phasen kann der gesamte Restgasanteil nunmehr jedoch deutlich genauer ermittelt werden als durch das aus der DE 102 13 138 A1 bekannte Verfahren alleine. Insbesondere für einen Ventiltrieb mit starker Entdrosselung und großem Überschnitt wäre dieses bekannte Verfahren zu ungenau und würde zu einem zu großen Restgasanteil führen, der die gesamte Modellierung der Füllung des Brennraums verschlechtern würde.The introduction of the first phase or the division into two phases, however, the total residual gas content can now be determined much more accurate than by that from the DE 102 13 138 A1 known methods alone. In particular, for a valve train with strong Entdrosselung and large overcut this known method would be too inaccurate and would lead to a large proportion of residual gas, which would worsen the entire modeling of the filling of the combustion chamber.

Vorzugsweise wird nun ein Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase anhand eines Vergleichs zwischen einem durch einen Kolben des Brennraums verursachten Massenstrom und dem Massenstrom aus dem Brennraum durch das Einlassventil ermittelt. Dieser Übergang kann dabei insbesondere hinsichtlich eines Zeitpunktes oder einer Winkelstellung (beispielsweise der Kurbel- oder Nockenwelle) angegeben werden. Die Massenströme können dabei jeweils entsprechend modelliert werden. Dieses Prinzip beruht dabei darauf, dass die Reduzierung der Restgasmenge (also die erwähnte Massenänderung) in der ersten Phase primär durch die Verdrängung von Gasgemisch durch den Kolben verursacht wird, insbesondere wenn kein Restgas mittels Frischgas aus dem Brennraum in das Abgasrohr gespült wird (sog. Scavenging). Wird der Massenstrom durch die Kolbenverdrängung kleiner als der Massenstrom durch das Einlassventil, so strömt kein Restgas mehr aus dem Brennraum durch das Auslassventil, da der Abgasgegendruck höher als der Druck im Brennraum (sog. Zylinderdruck) ist. Insofern kann also der Übergang vorzugsweise als derjenige Zeitpunkt oder diejenige Winkelstellung (beispielsweise der Kurbel- oder Nockenwelle) gewählt werden, bei dem der durch den Kolben verursachte Massenstrom und der Massenstrom aus dem Brennraum durch das Einlassventil betragsmäßig gleich sind. Eine Ermittlung des so definierten Übergangs kann dabei vorteilhafterweise anhand einer, insbesondere numerischen, Nullstellensuche erfolgen. Mögliche Verfahren für die Nullstellensuche sind hier beispielsweise das Regula-Falsi-Verfahren, das Newton-Verfahren oder ein Bisektions-Verfahren.Preferably, a transition from the first phase to the second phase is now determined on the basis of a comparison between a mass flow caused by a piston of the combustion chamber and the mass flow from the combustion chamber through the inlet valve. This transition can be specified in particular with regard to a time or an angular position (for example, the crankshaft or camshaft). The mass flows can each be modeled accordingly. This principle is based on the fact that the reduction of the amount of residual gas (ie the aforementioned mass change) in the first phase is primarily caused by the displacement of gas mixture through the piston, especially if no residual gas is purged by means of fresh gas from the combustion chamber into the exhaust pipe (so-called. scavenging). If the mass flow through the piston displacement is smaller than the mass flow through the inlet valve, then no residual gas flows out of the combustion chamber through the exhaust valve, since the exhaust backpressure is higher than the pressure in the combustion chamber (so-called cylinder pressure). In this respect, therefore, the transition can preferably be selected as that time or that angular position (for example, the crankshaft or camshaft) in which the mass flow caused by the piston and the mass flow from the combustion chamber through the intake valve are equal in magnitude. A determination of the transition thus defined can advantageously take place on the basis of one, in particular numerical, zero-point search. Possible methods for the zero position search are, for example, the Regula Falsi method, the Newton method or a Bisection method.

Dabei ist es auch von Vorteil, wenn der Übergang nur dann ermittelt wird, wenn ein Verhältnis zwischen einem Saugrohrdruck und einem Abgasgegendruck kleiner als ein vorgegebener erster Schwellwert, welcher insbesondere kleiner als eins ist, und/oder größer als ein vorgegebener zweiter Schwellwert ist. Hintergrund hierfür ist, dass bei einem Massenstrom durch das Einlassventil über den Brennraum und dann durch das Auslassventil (also das sog. Scavenging) der Schnittpunkt durch den erwähnten Vergleich in der Regel nicht ermittelt werden kann. Durch die erwähnten Schwellwerte wird dabei sichergestellt, dass die Strömungsverhältnisse entsprechend geeignet sind. Wenn der Übergang mit dem erwähnten Verfahren dann nicht mehr ermittelt wird, kann dieser aber beispielsweise noch auf andere Weise ermittelt oder geschätzt werden. Denkbar ist auch, dass während der gesamten Dauer, in der das Auslassventil und das Einlassventil gleichzeitig geöffnet sind, nur das Verfahren für die zweite Phase verwendet wird, also keine Unterscheidung in zwei Phasen gemacht wird.It is also advantageous if the transition is only determined if a ratio between an intake manifold pressure and an exhaust back pressure is less than a predetermined first threshold, which is in particular less than one, and / or greater than a predetermined second threshold. The background to this is that, in the case of a mass flow through the inlet valve via the combustion chamber and then through the outlet valve (ie the so-called scavenging), the point of intersection can generally not be determined by the comparison mentioned. By the mentioned thresholds it is ensured that the flow conditions are suitably suitable. If the transition with the mentioned method is then no longer determined, however, it can for example be determined or estimated in another way. It is also conceivable that during the entire duration in which the outlet valve and the inlet valve are opened simultaneously, only the method for the second phase is used, that is, no distinction is made in two phases.

Alternativ ist es auch bevorzugt, wenn der Übergang anhand eines datengestützten Modells ermittelt wird, wobei hierbei insbesondere wenigstens eine der folgenden Größen berücksichtigt wird: Drehzahl der Brennkraftmaschine, ein Zeitpunkt oder eine Winkelstellung beim Öffnen des Einlassventils und ein Verhältnis zwischen einem Saugrohrdruck und einem Abgasgegendruck. Je nach Situation kann diese Variante dabei effizienter sein oder auch als Alternative verwendet werden, wenn das zuvor genannte Verfahren aufgrund der erwähnten Druckverhältnisse nicht mehr verwendet wird.Alternatively, it is also preferred if the transition is determined by means of a data-based model, wherein in particular at least one of the following variables is considered: engine speed, a time or angular position when opening the intake valve, and a ratio between intake manifold pressure and exhaust back pressure. Depending on the situation, this variant can do this be more efficient or used as an alternative, if the aforementioned method is no longer used due to the mentioned pressure conditions.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.An arithmetic unit according to the invention, e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also, the implementation of the method in the form of a computer program is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described below with reference to the drawing.

Figurenlistelist of figures

  • 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit Brennraum, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. 1 schematically shows an internal combustion engine with combustion chamber, in which a method according to the invention can be carried out.
  • 2 zeigt schematisch Hubverläufe von Ventilen bei einer Brennkraftmaschine und zugehörige Massenströme zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform. 2 shows schematically Hubverläufe of valves in an internal combustion engine and associated mass flows for explaining a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 schematically shows a sequence of a method according to the invention.
  • 4 zeigt schematisch eine Darstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform. 4 schematically shows a representation of a piston of an internal combustion engine for explaining a method according to the invention in a preferred embodiment.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 100 gezeigt, wobei ein Brennraum bzw. Zylinder 110 mit zugehörigem Kolben 115, der über ein Pleuel 116 mit einer Kurbelwelle gekoppelt sein kann, detaillierter dargestellt ist. Es versteht sich, dass eine solche Brennkraftmaschine mehrere solcher Brennräume, beispielsweise drei, vier, sechs oder acht, aufweisen kann. Für jeden dieser Brennräume kann dann ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden, das hier beispielhaft an dem gezeigten Brennraum erläutert wird.In 1 is schematically an internal combustion engine 100 shown, with a combustion chamber or cylinder 110 with associated piston 115 that has a connecting rod 116 coupled with a crankshaft, is shown in more detail. It is understood that such an internal combustion engine may have a plurality of such combustion chambers, for example three, four, six or eight. For each of these combustion chambers, a method according to the invention can then be carried out, which is explained here by way of example on the combustion chamber shown.

Die Brennkraftmaschine weist weiterhin ein Ansaugrohr 120 mit einer Drosselklappe 121 auf, das über ein Einlassventil 125 an den Brennraum 110 angebunden ist. Zudem ist ein Abgasrohr 130 vorgesehen, das über ein Auslassventil 135 an den Brennraum 110 angebunden ist. Bei mehreren Brennräumen weist jeder Brennraum wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil auf. Je nach Art der Brennkraftmaschine können das Ansaugrohr und/oder das Abgasrohr dabei für mehrere Brennräume mit jeweiligen Anschlüssen vorgesehen sein. Mittels einer als Steuergerät ausgebildeten Recheneinheit 180 kann die Brennkraftmaschine angesteuert werden.The internal combustion engine also has an intake manifold 120 with a throttle 121 on that via an inlet valve 125 to the combustion chamber 110 is connected. There is also an exhaust pipe 130 provided that via an exhaust valve 135 to the combustion chamber 110 is connected. In the case of several combustion chambers, each combustion chamber has at least one inlet valve and at least one outlet valve. Depending on the type of internal combustion engine, the intake pipe and / or the exhaust pipe can be provided for several combustion chambers with respective connections. By means of a computer designed as a control unit 180 the internal combustion engine can be controlled.

In 2 sind schematisch und beispielhaft Hubverläufe hE eines Einlassventils und hA eines Auslassventil bei einer Brennkraftmaschine, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist, dargestellt. Hierzu ist im oberen Diagramm ein Hub h über einem Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen. Im unteren Diagramm sind - ebenfalls schematisch und beispielhaft - zugehörige Massenströme E durch das Einlassventil und A durch das Auslassventil zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform dargestellt.In 2 are schematic and exemplary Hubverläufe h E an intake valve and h A an exhaust valve in an internal combustion engine, such as in 1 shown is shown. For this purpose, in the upper diagram, a stroke h is plotted against a crankshaft angle KW. In the lower diagram are - also schematically and by way of example - associated mass flows E through the inlet valve and A represented by the outlet valve for explaining a method according to the invention in a preferred embodiment.

Hierzu ist ein Massenstrom ṁ über dem Kurbelwellenwinkel KW aufgetragen. Positive Werte bedeuten hierbei für das Auslassventil einen Massenstrom aus dem Brennraum durch das Auslassventil in das Abgasrohr, für das Einlassventil hingegen einen Massenstrom vom Ansaugrohr durch das Einlassventil in den Brennraum. Ein positiver Wert bei A bedeutet also beispielsweise, dass Gasgemisch aus dem Brennraum durch das Auslassventil in das Abgasrohr strömt. Ein negativer Wert bei E hingegen bedeutet beispielsweise, dass Gasgemisch aus dem Brennraum durch das Einlassventil in das Ansaugrohr strömt.For this purpose, a mass flow ṁ is plotted against the crankshaft angle KW. Positive values here mean for the outlet valve a mass flow from the combustion chamber through the exhaust valve into the exhaust pipe, whereas for the inlet valve a mass flow from the intake pipe through the inlet valve into the combustion chamber. A positive value at A Thus, for example, means that gas mixture flows from the combustion chamber through the exhaust valve into the exhaust pipe. A negative value at E however, for example, means that gas mixture flows from the combustion chamber through the inlet valve into the intake manifold.

Die Massenströme E und ṁ A überlappen nun in der Zeit- bzw. Winkeldauer, in welcher beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind. Im gezeigten Beispiel beginnt diese Überlappdauer bei Winkelstellung φ 1 und dauert bis Winkelstellung φ 3. The mass flows m ' E and ṁ A overlap now in the time or angle duration in which both valves are open at the same time. In the example shown, this overlap period starts at angular position φ 1 and lasts until Angular position φ 3 .

Diese Dauer wird nun in zwei Phasen P1 und P2 unterteilt, wobei der Übergang von der ersten Phase P1 zur zweiten Phase P2 bei Winkelstellung φ2 stattfindet.This duration will now be in two phases P 1 and P 2 divided, with the transition from the first phase P 1 to the second phase P 2 at angular position φ 2 takes place.

In der ersten Phase P1 sind nun das Einlassventil und das Auslassventil gleichzeitig geöffnet und eine Masse des im Brennraum befindlichen Gasgemisches nimmt ab, wobei eine Massenänderung im Brennraum betragsmäßig größer ist als ein Massenstrom aus dem Brennraum durch das Einlassventil. Dass die Masse im Brennraum abnimmt, ist daran zu erkennen, dass durch beide Ventile Gasgemisch aus dem Brennraum gedrückt wird, was durch den Kolbenhub verursacht wird. Da bis zur Winkelstellung φ 2 Gasgemisch aus dem Brennraum durch das Auslassventil strömt ( A positiv), ist die Abnahme der Masse im Brennraum betragsmäßig größer als der Massenstrom aus dem Brennraum durch das Einlassventil.In the first phase P 1 Now, the inlet valve and the exhaust valve are open at the same time and a mass of the gas mixture in the combustion chamber decreases, wherein a mass change in the combustion chamber is greater in magnitude than a mass flow from the combustion chamber through the inlet valve. The fact that the mass decreases in the combustion chamber, it can be seen that is pressed by both valves gas mixture from the combustion chamber, which is caused by the piston stroke. Because up to the angle position φ 2 gas mixture flows out of the combustion chamber through the outlet valve ( m ' A positive), the decrease in the mass in the combustion chamber is greater in magnitude than the mass flow from the combustion chamber through the inlet valve.

In der zweiten Phase P2 hingegen ist die Massenänderung im Brennraum betragsmäßig kleiner als der Massenstrom aus dem Brennraum durch das Einlassventil. Da ab der Winkelstellung φ 2 Gasgemisch durch das Auslassventil in den Brennraum strömt, was an den negativen Werten von A zu sehen ist, ergibt sich insgesamt zwar noch eine Abnahme der Masse im Brennraum, die betragsmäßig jedoch geringer als der Massenstrom durch das Einlassventil ist.In the second phase P 2 by contrast, the change in mass in the combustion chamber is smaller than the mass flow from the combustion chamber through the inlet valve. Since the angular position φ 2 gas mixture flows through the exhaust valve into the combustion chamber, which is due to the negative values of A can be seen, there is still a total decrease in the mass in the combustion chamber, but the amount is less than the mass flow through the inlet valve.

In der zweiten Phase P2 strömt also Gasgemisch vom Abgasrohr durch den Brennraum in das Ansaugrohr. Diese Situation entspricht dabei derjenigen, wie sie in der DE 102 13 138 A1 angenommen wird. Insofern sei für eine detailliertere Beschreibung zur Ermittlung des Gasanteils, hier des Restgasanteils, G2 für diese zweite Phase, wie in 3 angedeutet, anhand eines Drosselmodels für einen Massenstrom durch das Auslassventil über den Brennraum und dann durch das Einlassventil sowie anhand einer Gasgleichung auf die DE 102 13 138 A1 verwiesen.In the second phase P 2 Thus gas mixture flows from the exhaust pipe through the combustion chamber into the intake pipe. This situation corresponds to that in the DE 102 13 138 A1 Is accepted. Insofar as for a more detailed description of the determination of the gas content, here the residual gas content, G 2 for this second phase, as in 3 indicated by a throttle model for a mass flow through the exhaust valve via the combustion chamber and then through the inlet valve and by means of a gas equation on the DE 102 13 138 A1 directed.

In der ersten Phase wird der Gasanteil, hier der Restgasanteil, G1 nun anhand eines Drosselmodells M für den Massenstrom durch das Einlassventil ermittelt. Hierzu kann zunächst der Übergang von der ersten Phase zur zweiten Phase, also hier die Winkelstellung φ2 ermittelt werden. Eine Reduzierung der Restgasmenge in der ersten Phase wird insbesondere bei Betriebspunkten ohne Scavenging primär durch die Kolbenverdrängung verursacht.In the first phase, the gas content, here the residual gas content, G 1 now using a throttle model M determined for the mass flow through the inlet valve. For this purpose, first the transition from the first phase to the second phase, so here the angular position φ 2 be determined. A reduction of the amount of residual gas in the first phase is caused primarily by the piston displacement especially at operating points without scavenging.

Wird der Massenstrom durch die Kolbenverdrängung kleiner als der Massenstrom durch das Einlassventil, so strömt kein Restgas mehr über das Auslassventil ab, da der Abgasgegendruck höher als der Zylinderdruck ist (vgl. Winkelstellung ≥φ2 in 2). Der Übergang in die zweite Phase ist somit identisch mit dem Schnittpunkt des Massenstromes der Kolbenverdrängung mit dem Massenstrom durch das Einlassventil und kann zumindest näherungsweise beispielsweise mit Hilfe einer numerischen Nullstellensuche bestimmt werden. Die Nullstelle wird dabei für den Differenzmassenstrom aus E und der Kolbenverdrängung bestimmt. Alternativ kann der Übergang auch über ein datengestütztes Modell berechnet werden, wobei hierbei insbesondere wenigstens eine der folgenden Größen berücksichtigt wird: Drehzahl der Brennkraftmaschine, ein Zeitpunkt oder eine Winkelstellung beim Öffnen des Einlassventils und ein Verhältnis zwischen einem Saugrohrdruck und einem Abgasgegendruck. Der Massenstrom durch das Einlassventil E lässt sich dann beispielsweise mit Hilfe einer Drosselgleichung abhängig vom Saugrohrdruck ps, Abgasgegendruck pA , der Abgastemperatur TA sowie der strömungswirksamen Querschnittsfläche AE des Einlassventils über dem Kurbelwellenwinkel φ wie folgt berechnen: m ˙ E = A E ( φ ) p A 2 R S T A κ κ 1 ( π 2 κ π κ + 1 κ )

Figure DE102017209277A1_0001
mit π = pS/pA (normierter Druck) und Isentropenexponent κ.If the mass flow through the piston displacement is smaller than the mass flow through the inlet valve, then no residual gas will flow off via the outlet valve, since the exhaust backpressure is higher than the cylinder pressure (compare angle position ≥φ2 in 2 ). The transition to the second phase is thus identical to the intersection of the mass flow of the piston displacement with the mass flow through the inlet valve and can be determined at least approximately, for example by means of a numerical zero point search. The zero point is doing for the difference mass flow E and the piston displacement determined. Alternatively, the transition can also be calculated using a data-supported model, in which case at least one of the following variables is taken into account: rotational speed of the internal combustion engine, a point in time or an angular position when opening the inlet valve, and a ratio between an intake manifold pressure and an exhaust backpressure. The mass flow through the inlet valve E can then be, for example, with the help of a throttle equation depending on the intake manifold pressure ps, exhaust back pressure p A , the exhaust gas temperature T A and the flow-effective cross-sectional area A E of the intake valve over the crankshaft angle φ as follows: m ˙ e = A e ( φ ) p A 2 R S T A κ κ - 1 ( π 2 κ - π κ + 1 κ )
Figure DE102017209277A1_0001
with π = p S / p A (normalized pressure) and isentropic exponent κ.

Der Massenstrom der Kolbenverdrängung kann, wie auch aus der Literatur bekannt, allgemein beschrieben und mit folgender Gleichung berechnet werden: m ˙ = d V d t p A R S T A = D 2 π 2 2 n 60 p A R S T A d s d φ = D 2 π 2 2 n 60 p A R S T A [ r sin ( φ β ) + r [ d + r sin ( φ β ) ] cos ( φ β ) l 2 [ d + r sin ( φ β ) ] 2 ] .

Figure DE102017209277A1_0002
The mass flow of the piston displacement can, as also known from the literature, be generally described and calculated with the following equation: m ˙ = d V d t p A R S T A = D 2 π 2 2 n 60 p A R S T A d s d φ = D 2 π 2 2 n 60 p A R S T A [ r sin ( φ - β ) + r [ d + r sin ( φ - β ) ] cos ( φ - β ) l 2 - [ d + r sin ( φ - β ) ] 2 ] ,
Figure DE102017209277A1_0002

Dabei geben D die Bohrung im Brennraum, n die Drehzahl der Brennkraftmaschine in 1/min, pA den Abgasgegendruck, TA die Abgastemperatur, RS die spezifische Gaskonstante, / die Pleuellänge, r den Kurbelradius, d die Schränkung und φ den Kurbelwellenwinkel an, wobei β = arcsin [d/(r+l)] gilt.D is the bore in the combustion chamber, n the speed of the internal combustion engine in 1 / min, p A the exhaust back pressure, T A the exhaust gas temperature, R S the specific gas constant, / the connecting rod length, r the crank radius, d the setting and φ the crankshaft angle, where β = arcsin [d / (r + l)].

Die Größen sind, sofern zweckmäßig, auch in 4, die einen Kolben 115 einer Brennkraftmaschine zeigt, für eine nähere Erläuterung eingezeichnet.The sizes are, if appropriate, also in 4 holding a piston 115 an internal combustion engine shows, drawn for a more detailed explanation.

Anhand dieser Gleichungen lässt sich also nunmehr der aus der ersten Phase stammende Restgasanteil G1 ermitteln, sodass sich ein gesamter Restgasanteil Gges durch Addition der beiden einzelnen Restgasanteile G1 und G2 ergibt. Alternativ kann der Restgasanteil G1 auch, wie erwähnt, über einen datengestützten Ansatz bzw. ein datengestütztes Modell abhängig von der Drehzahl ermittelt werden. Der gesamte Restgasanteil kann dann auch beispielsweise in einen Partialdruck umgerechnet werden, welche die Frischluftfüllung im Zylinder bzw. Brennraum reduziert.Based on these equations, the residual gas content from the first phase can now be determined G 1 determine, so that a total residual gas content G tot by adding the two individual residual gas components G 1 and G 2 results. Alternatively, the residual gas content G 1 Also, as mentioned, be determined via a data-driven approach or a data-driven model depending on the speed. The entire residual gas content can then also be converted, for example, into a partial pressure which reduces the fresh air charge in the cylinder or combustion chamber.

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Claims (14)

Verfahren zum Ermitteln eines Gasanteils in einem Brennraum (110) einer Brennkraftmaschine (100) mit einem Einlassventil und einem Auslassventil mit variablem Ventiltrieb nach einem Ladungswechsel, wobei ein aus einer ersten Phase (P1), während welcher das Auslassventil (135) und das Einlassventil (125) gleichzeitig geöffnet sind und in welcher eine Masse von in dem Brennraum (110) befindlichem Gasgemisch abnimmt und eine Massenänderung (m) im Brennraum (110) betragsmäßig größer ist als ein Massenstrom (ṁE) aus dem Brennraum durch das Einlassventil (125), stammender Gasanteil (G1) anhand eines Drosselmodells (M) für den Massenstrom (ṁE) durch das Einlassventil (125) ermittelt wird.A method for determining a gas fraction in a combustion chamber (110) of an internal combustion engine (100) having an intake valve and a variable valve engine exhaust valve after a charge cycle, one of a first phase (P 1 ) during which the exhaust valve (135) and the intake valve (125) are opened at the same time and in which a mass of gas mixture in the combustion chamber (110) decreases and a mass change (m) in the combustion chamber (110) is greater than a mass flow (ṁ E ) from the combustion chamber through the inlet valve (125 ), originating gas fraction (G 1 ) is determined by means of a throttle model (M) for the mass flow (ṁ E ) through the inlet valve (125). Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein aus einer zweiten Phase (P2), während welcher das Auslassventil (135) und das Einlassventil (125) gleichzeitig geöffnet sind und in welcher die Massenänderung (m) im Brennraum (110) betragsmäßig kleiner ist als der Massenstrom (ṁE) aus dem Brennraum durch das Einlassventil (125), stammender Gasanteil (G2) anhand eines Drosselmodels für einen Massenstrom durch das Auslassventil (135) über den Brennraum (110) und dann durch das Einlassventil (125) sowie anhand einer Gasgleichung ermittelt wird.Method according to Claim 1 in which one of a second phase (P 2 ) during which the outlet valve (135) and the inlet valve (125) are opened simultaneously and in which the mass change (m) in the combustion chamber (110) is smaller than the mass flow (ṁ E ) from the combustion chamber through the inlet valve (125), derived gas fraction (G 2 ) is determined based on a throttle model for a mass flow through the exhaust valve (135) via the combustion chamber (110) and then through the inlet valve (125) and based on a gas equation. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Übergang von der ersten Phase (P1) in die zweiten Phase (P2) anhand eines Vergleichs zwischen einem durch einen Kolben (115) des Brennraums (110) verursachten Massenstrom und dem Massenstrom (ṁE) aus dem Brennraum durch das Einlassventil ermittelt wird.Method according to Claim 2 wherein a transition from the first phase (P 1 ) to the second phase (P 2 ) based on a comparison between a by a piston (115) of the combustion chamber (110) caused mass flow and the mass flow (ṁ E ) from the combustion chamber through the Inlet valve is determined. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Übergang als derjenige Zeitpunkt oder diejenige Winkelstellung (φ2) gewählt wird, bei dem der durch den Kolben (115) des Brennraums (110) verursachte Massenstrom und der Massenstrom (ṁE) aus dem Brennraum durch das Einlassventil betragsmäßig gleich sind.Method according to Claim 3 , wherein the transition as the time or the angular position (φ 2 ) is selected, in which the mass flow caused by the piston (115) of the combustion chamber (110) and the mass flow (ṁ E ) from the combustion chamber through the inlet valve are equal in magnitude. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Übergang anhand einer, insbesondere numerischen, Nullstellensuch ermittelt wird.Method according to Claim 4 , wherein the transition is determined on the basis of one, in particular numerical, zero point search. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Übergang nur dann ermittelt wird, wenn ein Verhältnis zwischen einem Saugrohrdruck und einem Abgasgegendruck kleiner als ein vorgegebener erster Schwellwert, welcher insbesondere kleiner als eins ist, und/oder größer als ein vorgegebener zweiter Schwellwert ist.Method according to Claim 2 or 3 wherein the transition is determined only when a ratio between an intake manifold pressure and an exhaust backpressure is less than a predetermined first threshold, which is in particular less than one, and / or greater than a predetermined second threshold value. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Übergang anhand eines datengestützten Modells ermittelt wird.Method according to Claim 3 , where the transition is determined using a data-driven model. Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei der Ermittlung des Übergangs anhand des datengestützten Modells wenigstens eine der folgenden Größen berücksichtigt wird: Drehzahl der Brennkraftmaschine (100), ein Zeitpunkt oder ein Kurbelwellenwinkel (φ1) beim Öffnen des Einlassventils (125) und ein Verhältnis zwischen einem Saugrohrdruck und einem Abgasgegendruck.Method according to Claim 7 wherein, in determining the transition based on the data-driven model, at least one of the following quantities is taken into account: engine speed (100), a time or crankshaft angle (φ 1 ) upon opening the intake valve (125), and a ratio between intake manifold pressure and a exhaust back pressure. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Gasanteil jeweils ein Restgasanteil in dem Brennraum und/oder ein Frischluftanteil, der in den Brennraum einbringbar ist und/oder ein Liefergrad der Brennkraftmaschine ermittelt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein as the gas fraction in each case a residual gas content in the combustion chamber and / or a fresh air fraction, which can be introduced into the combustion chamber and / or a delivery rate of the internal combustion engine are determined. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Massenstrom (ṁE) durch das Einlassventil unter Berücksichtigung wenigstens einer der folgenden Größen ermittelt wird: Saugrohrdruck, Abgasgegendruck, Abgastemperatur und strömungswirksame Querschnittsfläche des Einlassventils (125).Method according to one of the preceding claims, wherein the mass flow (ṁ E ) is determined by the intake valve taking into account at least one of the following: intake manifold pressure, exhaust back pressure, exhaust gas temperature and flow-effective cross-sectional area of the intake valve (125). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Ermittlung des Gasanteils (G1) für die erste Phase (P1) eine Dauer der ersten Phase (P1) und/oder ein Zeitpunkt oder eine Winkelstellung (φ1) beim Öffnen des Einlassventils berücksichtigt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein in the determination of the gas fraction (G 1 ) for the first phase (P 1 ) a duration of the first phase (P 1 ) and / or a time or an angular position (φ 1 ) when opening the inlet valve be taken into account. Recheneinheit (180), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Arithmetic unit (180) adapted to perform a method according to any one of the preceding claims. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (180) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (180) ausgeführt wird.A computer program that causes a computing unit (180) to perform a method according to any one of Claims 1 to 11 when executed on the arithmetic unit (180). Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13. Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon Claim 13 ,
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