DE102019203312A1 - Method for modeling a pressure in a cylinder of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modellieren eines Drucks(p) in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine, wobei Kraftstoff über zumindest einen Injektor in den Zylinder eingespritzt wird und ein Kolben im Zylinder über eine Welle zyklisch angetrieben wird. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Zuerst wird eine eingespritzte Kraftstoffmasse (m) aus einem Modells (10) für den zumindest einen Injektor ermittelt. Dann durchläuft die eingespritzte Kraftstoffmasse (m) eine Filterung (12), um eine für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse (m) zu ermitteln und um die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs zu ermitteln. Zudem wird die Wahrscheinlichkeit (W) für einen Start der Verbrennung abhängig von einem Einspritzwinkel (Φ) und einer kumulierten eingespritzten Kraftstoffmasse (m) ermittelt. Zudem wird eine Zeit, bevor die Verbrennung startet, abhängig von Einspritzwinkeln (Φ) und einem anfänglichen Druck (p) im Zylinder mittels Wiebe-Längen (WL, WL1, WL2) für alle Einspritzungen (E, E1, E2) ermittelt. Dann wird eine bei der Verbrennung verbrannten Kraftstoffmasse (mcomb) aus der für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse (mba), der Wahrscheinlichkeit (W) für den Start der Verbrennung und aus der Wiebe-Länge (WL) berechnet (40). Schließlich erfolgt ein Ermitteln des modellierten Drucks (p) aus der verbrannten Kraftstoffmasse (m).The invention relates to a method for modeling a pressure (p) in a cylinder of an internal combustion engine, with fuel being injected into the cylinder via at least one injector and a piston in the cylinder being driven cyclically via a shaft. The method has the following steps: First, an injected fuel mass (m) is determined from a model (10) for the at least one injector. The injected fuel mass (m) then passes through a filtering (12) in order to determine a fuel mass (m) available for combustion and to determine the rate of combustion of the fuel. In addition, the probability (W) for a start of the combustion is determined as a function of an injection angle (Φ) and an accumulated injected fuel mass (m). In addition, a time before the combustion starts is determined as a function of injection angles (Φ) and an initial pressure (p) in the cylinder using Wiebe lengths (WL, WL1, WL2) for all injections (E, E1, E2). Then a fuel mass (mcomb) burned during the combustion is calculated from the fuel mass (mba) available for the combustion, the probability (W) for the start of the combustion and from the Wiebe length (WL) (40). Finally, the modeled pressure (p) is determined from the burned fuel mass (m).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modellieren eines Drucks in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The present invention relates to a method for modeling a pressure in a cylinder of an internal combustion engine. The invention also relates to a computer program that executes each step of the method when it runs on a computing device, as well as a machine-readable storage medium that stores the computer program. Finally, the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Heutzutage gibt es Bestrebungen hinsichtlich Verbrennungsmaschinen, die Toleranzen bei den Einspritzungen von Kraftstoff in einen Zylinder der Verbrennungsmaschine durch einen Injektor zu reduzieren, wodurch sich sehr genaue individuelle Einspritzungen ergeben. Hierfür wurde eine Steuerstrategie für den Injektor, die sogenannte „Needle Closing Control“ (NCC), entwickelt. In dieser Steuerstrategie umfasst eine Vorsteuerung, die sogenannte „Back Pressure Precontrol“ (BPP), die vor allem den Druck im Zylinder betrifft. Eine Änderung des Drucks im Zylinder kann verschiedene Auswirkungen auf das Verhalten des Injektors haben, woraus eine ungenaue eindosierte Kraftstoffmasse resultieren kann. Um eine geeignete Korrektur durchzuführen, wird der Druck im Zylinder benötigt. Es gibt hierzu bereits Modelle, die den Druck im Zylinder modellieren. Diese Modelle basieren meist auf getrennt voneinander betrachteten Einspritzungen. Für jede Einspritzung ändert sich die Konfiguration und das Modell wird jeweils neu berechnet.Nowadays there are efforts with regard to internal combustion engines to reduce the tolerances in the injections of fuel into a cylinder of the internal combustion engine by means of an injector, which results in very precise individual injections. For this purpose, a control strategy for the injector, the so-called “Needle Closing Control” (NCC), was developed. This control strategy includes a pre-control, the so-called “Back Pressure Precontrol” (BPP), which primarily affects the pressure in the cylinder. A change in the pressure in the cylinder can have various effects on the behavior of the injector, which can result in an imprecise metered fuel mass. In order to carry out a suitable correction, the pressure in the cylinder is required. There are already models for this which model the pressure in the cylinder. These models are mostly based on injections that are considered separately from one another. The configuration changes for each injection and the model is recalculated each time.
Ein Beispiel für solch ein Modell ist „polyfit“, welches auf mehreren Wertetabellen basiert und die Zahl der Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen, deren Einspritzwinkel sowie das Verbrennungsluftverhältnis des Abgases, den Druck des gemeinsamen Kraftstoffspeichers und den Druck in einem Ansaugkrümmer berücksichtigt.An example of such a model is “polyfit”, which is based on several tables of values and takes into account the number of pre, main and post injections, their injection angle and the combustion air ratio of the exhaust gas, the pressure of the common fuel reservoir and the pressure in an intake manifold.
Es sind Modelle bekannt, bei der für jedes Einspritzmuster (aus Winkel und Menge für alle Einspritzungen bestimmt) eine Wiebe-Funktion ermittelt wird. Eine herkömmliche Wiebe-Funktion kann beispielsweise aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird ein Verfahren zum Modellieren eines Drucks in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen. Kraftstoff wird über zumindest einen Injektor in den Zylinder eingespritzt. Ein Kolben im Zylinder wird zyklisch von einer Welle angetrieben und vergrößert oder verkleinert dabei das Volumen des Brennraums im Zylinder. Um den Druck im Zylinder zu modellieren, wird zuvor die verbrannte Masse des Kraftstoffs an allen notwendigen Winkeln berechnet. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:A method for modeling a pressure in a cylinder of an internal combustion engine is proposed. Fuel is injected into the cylinder via at least one injector. A piston in the cylinder is driven cyclically by a shaft and increases or decreases the volume of the combustion chamber in the cylinder. In order to model the pressure in the cylinder, the burned mass of the fuel is calculated beforehand at all the necessary angles. The procedure consists of the following steps:
Es wird eine durch den zumindest einen Injektor eingespritzte Kraftstoffmasse aus einem Modell für den zumindest einen Injektor ermittelt. Hierfür kann ein an sich bekanntes Modell für den zumindest einen Injektor bereitgestellt werden, mit dem der Kraftstofffluss beschrieben werden kann. Der Kraftstofffluss kann dann integriert werden, um die eingespritzte Kraftstoffmasse an allen Berechnungsschritten über einem Zyklus zu erhalten. Die eingespritzte Kraftstoffmasse durchläuft eine Filterung, um eine für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse zu ermitteln und eine Kraftstoffverteilung in einem Brennraum des Zylinders zu beschreiben und um die Geschwindigkeit der Verbrennung des Kraftstoffs zu ermitteln.A fuel mass injected by the at least one injector is determined from a model for the at least one injector. For this purpose, a model known per se can be provided for the at least one injector, with which the fuel flow can be described. The fuel flow can then be integrated to obtain the injected fuel mass at all calculation steps over a cycle. The injected fuel mass is filtered in order to determine a fuel mass available for combustion and to describe a fuel distribution in a combustion chamber of the cylinder and to determine the rate of combustion of the fuel.
Insbesondere wird bei der Filterung des Kraftstoffflusses eine Verbrennungsgeschwindigkeit abhängig von Abgas, das einerseits durch eine Abgasrückführung in die Verbrennungsmaschine zurückgeführt wird und anderseits durch die Verbrennung selbst, berechnet. Das rückgeführte Abgas, und die Frischluftmasse haben Einfluss auf die Druckentwicklung im Zylinder insbesondere während der Verbrennung. Zudem bremst ein hoher Anteil von Abgas im Zylinder die Verbrennungsgeschwindigkeit. Die Sauerstoffmoleküle werden von dem Abgas gegenüber den Kraftstoffmolekülen regelrecht abgeschirmt. Die Auswirkungen des Abgases können als multiplikativer Faktor bei der Filterungsstärke einfließen. Je höher die Abgasrate ist, desto größer ist der Faktor und desto höher ist die Zeitkonstante bei der Filterung. Der Faktor kann in Abhängigkeit von der Abgasrate in einer Kennlinie gespeichert werden.In particular, when filtering the fuel flow, a combustion speed is calculated as a function of exhaust gas, which is returned to the internal combustion engine through exhaust gas recirculation and through the combustion itself. The recirculated exhaust gas and the fresh air mass have an influence on the pressure development in the cylinder, especially during combustion. In addition, a high proportion of exhaust gas in the cylinder slows the combustion rate. The oxygen molecules are literally shielded from the fuel molecules by the exhaust gas. The effects of the exhaust gas can be included as a multiplicative factor in the filtering strength. The higher the exhaust gas rate, the larger the factor and the higher the time constant during the filtering. The factor can be stored in a characteristic curve depending on the exhaust gas rate.
Des Weiteren wird die Wahrscheinlichkeit für den Start einer Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum abhängig von einem Winkel der Welle bei der Einspritzung bezeichnet, und der kumulierten eingespritzten Masse des Kraftstoffs ist. Der Winkel der Welle bei jedem Einspritzungsanfang wird als „Einspritzwinkel“ bezeichnet und wird ausgehend vom oberen Totpunkt als 0° angegeben. Bei sehr frühen Einspritzwinkeln, daher unter -40°CA („crank angle“), und bei späten Einspritzwinkeln, daher über +10°CA ist die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung deutlich geringer. Auch für den Fall, dass eine kleine Masse an Kraftstoff eingespritzt wird, ist die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung herabgesetzt. Dies gilt vor allem dann, wenn zuvor keine Einspritzung stattgefunden hat. Besonders für den Fall, dass eine kleine Masse bei einem sehr frühen Einspritzwinkel oder bei einem späten Einspritzwinkel eingespritzt wurde, ist die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung sehr gering. Ein ungewollter oder falscher Start der Verbrennung kann zur drastischen Emissionserhöhung führen. Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung besonders hoch, wenn die Einspritzung in einem Bereich zwischen -10°CA und 0°CA, daher dem oberen Totpunkt, stattfindet. Bei mehreren Einspritzungen werden die jeweils eingespritzten Kraftstoffmassen zur kumulierten Kraftstoffmasse aufsummiert. Dementsprechend ändert sich auch die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung der aktuellen Kraftstoffmasse in Abhängigkeit von den vorhergehenden Einspritzungen desselben Zyklus des Zylinders.Furthermore, the probability of starting a combustion of the fuel in the combustion chamber is designated as a function of an angle of the shaft during the injection, and the cumulative injected mass of fuel. The angle of the shaft at each start of injection is known as the “injection angle” and is specified as 0 ° starting from top dead center. At very early injection angles, therefore below -40 ° CA ("crank angle"), and at late injection angles, therefore above + 10 ° CA, the probability of starting the combustion is significantly lower. Even in the event that a small mass of fuel is injected, the likelihood of starting the combustion is reduced. This is especially true if no injection has previously taken place. Particularly in the event that a small mass was injected at a very early injection angle or at a late injection angle, the probability of the start of the combustion is very low. An unintended or incorrect start of the combustion can lead to a drastic increase in emissions. On the other hand, the probability of the start of the combustion is particularly high if the injection takes place in a range between -10 ° CA and 0 ° CA, hence the top dead center. In the case of several injections, the respective injected fuel masses are added up to form the accumulated fuel mass. Accordingly, the probability of the start of the combustion of the current fuel mass also changes as a function of the previous injections of the same cycle of the cylinder.
Einspritzungen, die sehr spät, aber innerhalb desselben Zyklus, auftreten, daher ab +80°CA können als eigenständige Einspritzungen interpretiert werden. Injections that occur very late, but within the same cycle, therefore from + 80 ° CA, can be interpreted as independent injections.
Vorzugsweise werden die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung in Abhängigkeit vom Einspritzwinkel und der eingespritzten Kraftstoffmasse im Vorhinein aufgenommen und in einem Kennfeld gespeichert. Dadurch sind die Wahrscheinlichkeiten direkt abrufbar, ohne dass eine zusätzliche Berechnung benötigt wird.The probability of the start of the combustion as a function of the injection angle and the injected fuel mass is preferably recorded in advance and stored in a characteristic map. This means that the probabilities can be called up directly without the need for an additional calculation.
Darüber hinaus wird eine Zeit, bevor die Verbrennung startet, berechnet und zwar abhängig von Einspritzwinkeln mittels Wiebe-Längen für alle Einspritzungen. Bei einer Einspritzung lässt sich, besonders bei geringem Druck am Start der Kompression, beobachten, dass der Druck im Zylinder nach einer bestimmten Zeitdauer plötzlich auf einen Druck abfällt, der erreicht würde, wenn der gesamte Kraftstoff eingespritzt wurde und augenblicklich komplett verbrannt wäre. Dabei erfolgt die Berechnung der Wiebe-Längen nicht wie herkömmlich für jede Einspritzung separat, sondern die Wiebe-Längen werden mittels einer Verbrennungsfreigabefunktion (engl.: „combustion enabling function“) für alle Einspritzungen abhängig voneinander ermittelt. Die Verbrennungsfreigabefunktion ist eine wiebeartige Korrelation, d. h. sie bildet den Verlauf der Wiebe-Funktion nach, und repräsentiert die oben genannte bestimmte Zeitdauer und die augenblickliche Verbrennung. Die Wiebe-Länge ist als Zeit definiert, bis die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung (siehe oben) erreicht ist und entspricht somit dieser bestimmten Zeitdauer. Folglich gibt die Wiebe-Länge die Zeitdauer zwischen der Einspritzung und dem voraussichtlichen Start der Verbrennung an. Die Wiebe-Länge ist abhängig zum einen vom anfänglichen Druck im Zylinder, wenn die Ventile des Zylinders geschlossen werden: Je kleiner der anfängliche Druck im Zylinder, desto größer ist die Wiebe-Länge. Zum anderen ist die Wiebe-Länge abhängig vom Einspritzwinkel: Je näher die Einspritzung am oberen Totpunkt erfolgt, desto kleiner ist die Wiebe-Länge.In addition, a time before the combustion starts is calculated as a function of the injection angles using Wiebe lengths for all injections. In the case of an injection, especially if the pressure is low at the start of compression, it can be observed that the pressure in the cylinder suddenly drops after a certain period of time to a pressure that would be reached if all of the fuel had been injected and was instantly completely burned. The Wiebe lengths are not calculated separately for each injection, as is conventional, but the Wiebe lengths are determined for all injections independently of one another using a combustion enabling function. The combustion release function is a like-like correlation; H. it simulates the course of the Wiebe function and represents the above-mentioned specific duration and the instantaneous combustion. The Wiebe length is defined as the time until the probability of the start of the combustion (see above) is reached and thus corresponds to this specific time period. Consequently, the Wiebe length indicates the length of time between the injection and the expected start of combustion. The Wiebe length depends on the one hand on the initial pressure in the cylinder when the valves of the cylinder are closed: the lower the initial pressure in the cylinder, the greater the Wiebe length. On the other hand, the Wiebe length depends on the injection angle: the closer the injection is to top dead center, the smaller the Wiebe length.
Die wiebeartige Verbrennungsfreigabefunktion kann bei mehreren aufeinanderfolgenden Einspritzungen ermittelt werden, solange an dem aktuellen berechneten Winkel keine vollständige Freigabe erreicht ist. Dadurch können Rechenschritte eingespart werden.The similar combustion release function can be determined in the case of several successive injections, as long as no complete release has been achieved at the currently calculated angle. This means that calculation steps can be saved.
Vorzugsweise wird die wiebeartige Verbrennungsfreigabefunktion bereits im Vorhinein berechnet und die ermittelten Wiebe-Längen in einem Kennfeld in Abhängigkeit von Einspritzwinkeln und dem anfänglichen Druck gespeichert. Dadurch sind die Wiebe-Längen direkt abrufbar, ohne dass eine zusätzliche Berechnung benötigt wird.The Wiebe-like combustion release function is preferably calculated in advance and the determined Wiebe lengths are stored in a characteristic map as a function of the injection angles and the initial pressure. This means that the Wiebe lengths can be called up directly without the need for an additional calculation.
Aus der für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Kraftstoffmasse (siehe oben), der Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung und aus der Wiebe-Länge wird die bei der Verbrennung verbrannte Kraftstoffmasse berechnet. Hierfür wird die derzeitige eingespritzte Kraftstoffmasse mit der Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung multipliziert. Die Wiebe-Länge sorgt für den verzögerten Start der Verbrennung.The fuel mass burned during the combustion is calculated from the fuel mass available for combustion (see above), the probability of the start of the combustion and the Wiebe length. For this purpose, the current injected fuel mass is multiplied by the probability of starting the combustion. The Wiebe length ensures a delayed start of the combustion.
Für mehrere aufeinanderfolgende Einspritzungen in einem Zyklus weist die Wahrscheinlichkeit für den Start der Verbrennung der aktuellen Einspritzungen, wie oben beschrieben, eine Abhängigkeit von vorhergehenden Einspritzungen auf. Die Wiebe-Länge ist für jede Einspritzung angepasst. Wenn die vollständige Freigabe der Verbrennung einmal erreicht ist, dann bleibt die Verbrennung über die weiteren Einspritzungen hinweg aufrechterhalten, bis der Zyklus endet.For several successive injections in a cycle, the probability of the start of the combustion of the current injections, as described above, is dependent on previous injections. The Wiebe length is adjusted for each injection. Once complete release of combustion is achieved, then combustion is maintained through the further injections until the cycle ends.
Schließlich fließt die berechnete verbrannte Kraftstoffmasse in ein an sich bekanntes Modell zur Ermittlung des Drucks im Zylinder ein, sodass der modellierte Druck ermittelt wird. Finally, the calculated burned fuel mass flows into a known model for determining the pressure in the cylinder, so that the modeled pressure is determined.
Mittels dieses Verfahrens kann das Modellieren eines Drucks in einem Zylinder einer Verbrennungsmaschine zeitsparend und ressourceneffizient in einem elektronischen Steuergerät durchgeführt werden.By means of this method, the modeling of a pressure in a cylinder of an internal combustion engine can be carried out in an electronic control device in a time-saving and resource-efficient manner.
Bevorzugt wird der Umstand berücksichtigt, dass der eindosierte Kraftstoff verdampft und zum Ort, an dem der Kraftstoff verbrannt wird, gelangen muss. Die Zeit für die Verdampfung des eindosierten Kraftstoffs und die Zeit bis der eindosierte Kraftstoff den Ort, an dem der Kraftstoff verbrannt wird, erreicht kann als Wartezeit beim Berechnen der Zeit, bevor die Verbrennung startet, berücksichtigt werden. Die Wiebe-Länge wird dann um diese Wartezeit verlängert. Dadurch wird ein genaueres Modell erreicht.The fact is preferably taken into account that the metered fuel evaporates and has to reach the place where the fuel is burned. The time for evaporation of the metered fuel and the time until the metered fuel reaches the place where the fuel is burned can be taken into account as a waiting time when calculating the time before the combustion starts. The Wiebe length is then extended by this waiting time. This results in a more accurate model.
Gemäß einem Aspekt wird bei der Berechnung der verbrannten Kraftstoffmasse ein Wärmetransport aus dem Brennraum des Zylinders nur in einem vorgebbaren Bereich um den oberen Totpunkt der Verbrennungsmaschine berücksichtigt. Der Wärmefluss aus dem Brennraum kann ansonsten vernachlässigt werden. Damit kann die Rechnung erleichtert werden, ohne einen zu großen Fehler in das Modell zu integrieren.According to one aspect, when calculating the burned fuel mass, heat transport from the combustion chamber of the cylinder is only taken into account in a predeterminable area around the top dead center of the internal combustion engine. Otherwise the heat flow from the combustion chamber can be neglected. This makes the calculation easier without integrating too large an error into the model.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, mittels des Verfahrens und darin ermittelter Größen, ein Drehmoment der Verbrennungsmaschine zu berechnen.In addition, it can be provided that a torque of the internal combustion engine is calculated using the method and the variables determined therein.
Aus der Zeit, bevor die Verbrennung startet, d. h. mittels der Wiebe-Länge, kann ein Start der Verbrennung nach der Einspritzung ermittelt werden. Ausgehend vom Start der Verbrennung kann aus der Geschwindigkeit der Verbrennung und der verbrannten Kraftstoffmasse dann ein Ende der Verbrennung ermittelt werden. Vor dem Start der Verbrennung und nach dem Ende der Verbrennung kann die Veränderung des Brennraums durch den Kolben - also die Kompression und Dekompression während eines Zyklus -, wenn die Ventile des Zylinders geschlossen sind, als adiabatische Zustandsänderung beschrieben werden.From the time before the combustion starts, i.e. H. A start of the combustion after the injection can be determined by means of the Wiebe length. Starting from the start of the combustion, an end of the combustion can then be determined from the speed of the combustion and the burned fuel mass. Before the start of the combustion and after the end of the combustion, the change in the combustion chamber caused by the piston - i.e. the compression and decompression during a cycle - when the valves of the cylinder are closed can be described as an adiabatic change in state.
Es kann vorgesehen sein, das Drehmoment der Verbrennungsmaschine mittels dem oben beschriebenen modellierten Druck im Zylinder zu berechnen. Vor allem bei der Kompression und Dekompression im Zyklus, wenn eine adiabatische Zustandsänderung stattfindet, kann der modellierte Druck mit Hilfe der Adiabatengleichung in einer Weise berechnet werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Adiabatenkoeffizienten bereits während der Ermittlung des modellierten Drucks berechnet wurden.Provision can be made to calculate the torque of the internal combustion engine using the above-described modeled pressure in the cylinder. Especially with compression and decompression in the cycle, when an adiabatic change of state takes place, the modeled pressure can be calculated in one way with the aid of the adiabatic equation. This offers the advantage that the adiabatic coefficients were already calculated during the determination of the modeled pressure.
Die Erfindung ermöglicht die Berechnung des Drehmoments bei einer Hochdruckschleife. Das gesamte Drehmoment entspricht im Wesentlichen dem Drehmoment während der adiabatischen Zustandsänderung, daher vor dem Start der Verbrennung oder nach dem Ende der Verbrennung und bei der Verbrennung.The invention enables the torque to be calculated for a high pressure loop. The total torque essentially corresponds to the torque during the adiabatic change of state, therefore before the start of the combustion or after the end of the combustion and during the combustion.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.The computer program is set up to carry out each step of the method, in particular if it is carried out on a computing device or control device. It enables the implementation of the method in a conventional electronic control unit without having to make structural changes to it. For this purpose it is stored on the machine-readable storage medium.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, den Druck im Zylinder zu modellieren.By uploading the computer program to a conventional electronic control unit, the electronic control unit is obtained, which is set up to model the pressure in the cylinder.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Ansteuerung von Injektoren für Zylinder einer Verbrennungsmaschine in einer Übersicht. -
2a zeigt ein Druck-Volumen-Diagramm in doppellogarithmischer Darstellung für einen Zyklus der Kompression, Verbrennung und Dekompression in einem Zylinder. -
2b zeigt das Zerlegungsprinzip zwischen zwei konsekutiven Berechnungswinkeln bei der Verbrennung in einem Druck-Volumen-Diagramm in einem Zylinder. -
3 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung einer verbrannten Kraftstoffmasse gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
4 a und b zeigen jeweils ein Diagramm eines Kraftstoffflusses bei der Einspritzung eines Injektors. -
5 zeigt die Wahrscheinlichkeit für den Start einer Verbrennung in Abhängigkeit vom Einspritzwinkel und von der eingespritzten Kraftstoffmasse. -
6 zeigt ein Diagramm der Wiebe-Länge in Abhängigkeit vom Einspritzwinkel und vom anfänglichen Druck. -
7 zeigt ein Diagramm einer eingespritzten Kraftstoffmasse, einer für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse und einer verbrannten Kraftstoffmasse für eine Einspritzung in der oberen Hälfte und die Wahrscheinlichkeit für den Start einer Verbrennung und eine Verbrennungsfreigabefunktion mit einer Wiebe-Länge für diese Einspritzung in der unteren Hälfte. -
8 zeigt ein Diagramm einer eingespritzten Kraftstoffmasse, einer für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse und einer verbrannten Kraftstoffmasse für zwei aufeinander folgende Einspritzung in der oberen Hälfte und die Wahrscheinlichkeit für den Start einer Verbrennung und eine Verbrennungsfreigabefunktion mit einer Wiebe-Länge für diese Einspritzungen in der unteren Hälfte. -
9 zeigt in einem Diagramm des Drucks über dem Einspritzwinkel gemessene Drücke und den modellierten Druck gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 shows an overview of a flow diagram for controlling injectors for cylinders of an internal combustion engine. -
2a shows a pressure-volume diagram in a double logarithmic representation for a cycle of compression, combustion and decompression in a cylinder. -
2 B shows the decomposition principle between two consecutive calculation angles during combustion in a pressure-volume diagram in a cylinder. -
3 shows a flow chart for determining a burned fuel mass according to an embodiment of the method according to the invention. -
4 a and b each show a diagram of a fuel flow during the injection of an injector. -
5 shows the probability of starting a combustion as a function of the injection angle and the injected fuel mass. -
6th shows a diagram of the Wiebe length as a function of the injection angle and the initial pressure. -
7th shows a diagram of an injected fuel mass, a fuel mass available for combustion and a burned fuel mass for an injection in the upper half and the probability of starting a combustion and a combustion release function with a Wiebe length for this injection in the lower half. -
8th shows a diagram of an injected fuel mass, a fuel mass available for combustion and a burned fuel mass for two successive injections in the upper half and the probability of starting a combustion and a combustion release function with a Wiebe length for these injections in the lower half Half. -
9 shows in a diagram of the pressure over the injection angle measured pressures and the modeled pressure according to an embodiment of the method according to the invention.
Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Mit dem Zylinderdruckmodell
Um den modellierten Druck
Kurz vor Punkt II wird Kraftstoff durch den Injektor in den Zylinder eingespritzt. Punkt II markiert den Start der Verbrennung und Punkt III das Ende der Verbrennung. Zwischen zwei folgenden Berechnungswinkel zwischen Punkt II und Punkt III lässt sich die Verbrennung mit einer Zerlegung gemäß
Im Zylinderdruckmodell
Der Druck p wird dann aus dem Volumen V, der Zahl der Moleküle n, der Gaskonstanten R und der Temperatur T ermittelt. The pressure p is then determined from the volume V, the number of molecules n, the gas constant R and the temperature T.
Die Enthalpie H ist gegeben durch Formel 2, mit der innerer Energie U:
Die Variation der Enthalpie dH ist demnach gemäß Formel 3:
Cp(T) ist die Wärmekapazität bei konstantem Druck. dn ist die durch die Verbrennung verursachte Variation der Zahl der Moleküle.C p (T) is the heat capacity at constant pressure. dn is the variation in the number of molecules caused by combustion.
Die Wärmekapazitäten Cp(T) sind abhängig von der Temperatur und diese werden gemäß den folgenden Formeln 4 und 5 für Luft (Cp,Luft) und für Abgas (Cp,Abgas) für Temperaturen unter 3500 K mit einem Polynom dritten Grades genähert, wobei
Die Variation der Enthalpie rührt von der Summe der Änderungen jedes Energietyps her, daher der Änderung der Wärme δQ, der Änderung der Arbeit δW und chemischen Energie, als der Zahl der verbrannten Kraftstoff-Moleküle dNcomb multipliziert mit dem Heizwert H0, der für Diesel beispielsweise 43 MJ/kg beträgt. Die Änderung der Wärme δQ, also der Wärmeverlust an der Zylinderwand kann hierzu aus Prüfstandmessungen in Schubbetrieb ermittelt werden und in einer Kennlinie gespeichert werden:
Kombiniert man Formel 3 und Formel 6 so erhält man Formel 7:
Durch die Aufspaltung der Berechnung des Drucks in zwei Abschnitte, kann für jeden Abschnitt Vereinfachungen angenommen werden.By splitting the calculation of the pressure into two sections, simplifications can be assumed for each section.
Bei der Verbrennung zwischen Punkt II und Punkt III wird keine Arbeit verrichtet, daher gilt: δW = 0.No work is performed during the combustion between point II and point III, therefore: δW = 0.
Es wird angenommen, dass sich die Wärmekapazität zwischen zwei nahe zueinander liegenden Berechnungsschritten nicht ändert. Daher kann von der molaren Wärmekapazität n · Cp(T) in eine mittlere masseabhängige spezifische Wärme 〈m · cp〉 übergegangen werden.It is assumed that the heat capacity does not change between two calculation steps that are close to one another. Therefore, the molar heat capacity n · C p (T) can be converted into a mean mass-dependent specific heat 〈m · c p 〉.
Zudem wird angenommen, dass der Kraftstoff äquivalent zu Heptadekan-Molekülen ist. Die Variation der Zahl der Moleküle beträgt bei der Verbrennung von Heptadekan-Molekülen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser
Aus Formel 7 ergibt sich unter den dargestellten Annahmen eine Temperatur TIII am Punkt III gemäß Formel 8:
Zwischen dem Punkt I und dem Punkt II sowie zwischen dem Punkt III und dem Punkt IV findet eine adiabatische Zustandsänderung statt. Der Adiabatenkoeffizient κ(T) wird aus dem zuvor ausgeführten Berechnungsschritt genommen und ist daher:
Bei der adiabatischen Zustandsänderung wird keine Wärme ausgetauscht und keine Moleküle verbrennen, daher gilt: δW = 0 und dNcomb = 0.During the adiabatic change of state, no heat is exchanged and no molecules burn, therefore: δW = 0 and dN comb = 0.
Demnach vereinfacht sich Formel 7 zu Formel 10, mit Cv(T) als die Wärmekapazität bei konstantem Volumen:
Und damit:
Es wird angenommen, dass Cv(T) und n konstant sind.It is assumed that C v (T) and n are constant.
Demnach ergibt sich:
Und damit
Die Temperatur TII am Punkt II kann aus der Anfangstemperatur in Punkt I berechnet werden, wenn diese als T2 und die Anfangstemperatur als T1 in Formel 13 eingesetzt wird. Gleichermaßen kann die Temperatur TIV am Punkt IV berechnet werden, indem man diese als T2 und die oben berechnete Temperatur TIII am Punkt III als T1 in die Formel 13 einsetzt. Dazwischenliegende Temperaturen können auf gleiche Weise berechnet werden.The temperature T II at point II can be calculated from the initial temperature in point I if this is used as T 2 and the initial temperature as T 1 in formula 13. Likewise, the temperature T IV at point IV can be calculated by using this as T 2 and the temperature T III at point III calculated above as T 1 in formula 13. Intermediate temperatures can be calculated in the same way.
Um den Druck p zu berechnen, werden die Temperaturen in die nach dem Druck p umgeformte ideale Gasgleichung (Formel 1) eingesetzt.To calculate the pressure p, the temperatures are inserted into the ideal gas equation (formula 1) transformed according to the pressure p.
Es ist ersichtlich, dass zum einen der Start der Verbrennung und das Ende der Verbrennung bekannt sein müssen und zudem die verbrannte Kraftstoffmasse mcomb berechnet werden muss.It can be seen that, on the one hand, the start of the combustion and the end of the combustion must be known and, in addition, the burned fuel mass m comb must be calculated.
Die
Im Ablaufdiagramm in
Nachdem der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wurde, verdampft dieser und breitet sich räumlich aus, bevor er der Ort erreicht, an dem er verbrannt wird. Um diesen Ausbreitungsvorgang zu berücksichtigen sind eine Filterung
Zudem ist ein Abgas-Faktor FEG vorgesehen, der mit der Zeitkonstanten der Filterung
Durch eine große Abgasrate wird die Geschwindigkeit der Verbrennung reduziert, da die Sauerstoffmoleküle von dem Abgas gegenüber den Kraftstoffmolekülen regelrecht abgeschirmt werden. Der Abgas-Faktor FEG ist in einer Kennlinie gespeichert.The rate of combustion is reduced by a high exhaust gas rate, since the oxygen molecules are literally shielded from the exhaust gas from the fuel molecules. The exhaust gas factor FEG is stored in a characteristic curve.
Darüber hinaus wird im Vorfeld ein Kennfeld
Des Weiteren wird die Zeit, bevor die Verbrennung startet, betrachtet. Hierfür werden Verbrennungsfreigabefunktionen CEF für alle Einspritzungen verwendet. Die Verbrennungsfreigabefunktion CEF ist eine wiebeartige Korrelation und bildet den Verlauf der Wiebe-Funktion nach. Der Verlauf repräsentiert die Eigenschaft, dass der Druck p im Zylinder nach einer bestimmten Zeitdauer plötzlich auf einen Druck abfällt, der erreicht würde, wenn der gesamte Kraftstoff eingespritzt wurde und augenblicklich komplett verbrannt wäre. Aus den Verbrennungsfreigabefunktionen CEF können Wiebe-Längen WL für alle Einspritzungen ermittelt werden. Die Wiebe-Länge WL ist als Zeit definiert, bis die Wahrscheinlichkeit W für den Start der Verbrennung erreicht ist und entspricht somit dieser bestimmten Zeitdauer. Die Wiebe-Längen WL sind in einem Kennfeld
Um die verbrannte Kraftstoffmasse zu erhalten wird die für die Verbrennung zur Verfügung stehende Kraftstoffmasse mba mit der Wahrscheinlichkeit W für den Start der Verbrennung multipliziert 40, wobei die Wiebe-Länge WL die Zeit, bis die Verbrennung startet, repräsentiert.In order to obtain the burned fuel mass, the fuel mass m ba available for the combustion is multiplied 40 by the probability W for the start of the combustion, the Wiebe length WL representing the time until the combustion starts.
In den
In
In
Es findet dann eine zweite Einspritzung
Das Verfahren kann dazu verwendet werden, ein Drehmoment
Es werden vor dem Start der Verbrennung bereits mehrere modellierte Drücke
Nachfolgend ist eine Formel zur Ermittlung des Drehmoments gemäß des genannten Verfahrens gezeigt:
Die Drücke p(Φi), die Volumina V(Φ) und die Adiabatenkoeffizienten κi(Vi) sind bereits im obengenannten Zylinderdruckmodell
Der Term für die Verbrennung kann weiter vereinfacht werden, indem ein Riemann-Integral verwendet wird.
Eine solche Berechnung des Drehmoments lässt sich im elektronischen Steuergerät durchführen.Such a calculation of the torque can be carried out in the electronic control unit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- „Prediction of In-Cylinder Pressure, Temperature, and Loads Related to the Crank Slider Mechanism of I. C. Engines: A Computational Model‟, Carlos Alberto Romero Piedrahita et al., Conference Paper of conference SAE 2003 World Congress, at Cobo Center, Detroit, USA, March 2003 [0004]"Prediction of In-Cylinder Pressure, Temperature, and Loads Related to the Crank Slider Mechanism of IC Engines: A Computational Model", Carlos Alberto Romero Piedrahita et al., Conference Paper of conference SAE 2003 World Congress, at Cobo Center, Detroit, USA, March 2003 [0004]
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DE102021209209A1 (en) | 2021-08-23 | 2023-02-23 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Method for controlling an internal combustion engine |
-
2019
- 2019-03-12 DE DE102019203312.1A patent/DE102019203312A1/en active Pending
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