DE102019211398A1

DE102019211398A1 - Bestimmen einer Innenzylinderluftmasse

Info

Publication number: DE102019211398A1
Application number: DE102019211398.2A
Authority: DE
Inventors: Georg Louven; Rainer Kiehn; Krystian Dylong; Christoph Niederhut
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-04

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Vorausbestimmen einer Luftmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine mit vollvariablen Ventileinstellungen bereitgestellt, wobei während des Betriebes der Brennkraftmaschine verschiedene Parameter in eine Berechnung der genauen Luftmasse einfließen. Es werden weiterhin eine Anordnung und ein Kraftfahrzeug mit der Anordnung zum Ausführen des Verfahrens bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorausberechnen einer Innenzylinderluftmasse einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von vollvariablen Ventileinstellungen, sowie eine Anordnung und ein Kraftfahrzeug zum Ausführen des Verfahrens.
Eine Verbrennungskraftmaschine weist Ventile zum Ansaugen, bzw. bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zum Einblasen, von Frischgas, nämlich die Einlassventile, und Ausstoßen von Abgas, nämlich die Auslassventile, auf. Zum Regeln der Frischgasmenge kann die Einlassmenge mittels einer Drosselklappe im Gasstrom geregelt werden; der Nachteil dabei ist jedoch, dass es beim Ansaugen von Luft zu Verlusten durch unerwünschte Verwirbelungen an der Drosselklappe kommt. Zum besseren Regeln der Frischgasmengen wurde die variable Ventilhubsteuerung entwickelt, bei der das Einlassventil, das durch die Nocken einer Nockenwelle bzw. mit der Nockenwelle assoziierte Einrichtungen, z.B. Stößel und Kipp- oder Schlepphebel, bewegt wird, die Funktion der Drosselklappe übernimmt. Dabei ermöglichen Nockenwellenversteller ein Anpassen von Zeitpunkten für Öffnen und Schließen sowie des Öffnungsgrades der Ventile während des laufenden Betriebs der Brennkraftmaschine. Alternativ können Einlassventile auch mittels ihnen zugeordneter Aktuatoren, die elektronisch gesteuert werden, geöffnet und geschlossen werden.
Da herkömmliche Motorsteuerungen keine exakte Luftmengenberechnung für voll variable Ventilsteuerungen beinhalten, können Emissionen und Kraftstoffverbrauch nicht optimal eingestellt werden. Durch diese Fehlberechnung werden ungenaue Kraftstoffdosierung und -druck durch die Steuerung eingestellt, so dass kein optimales Lambda im Zylinder erzielt wird. Unter diesen Bedingungen können keine optimalen Werte für Emissionen und Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Ansätze zum Berechnen und Vorausbestimmen einer Luftmenge in einem Zylinder sind aus den Druckschriften US 20170370310 A1 , US 20180266871 A1 , US 9,689,335 , US 8,463,524 , US 7,493,207 , US 7,025,041 und US 6,738,707 bekannt. Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine werden herkömmlicherweise unter dynamischen Bedingungen Berechnungen auf der Basis von Werte durchgeführt, die unter stationären Bedingungen aufgenommen wurden oder bestenfalls durch Interpolation von Daten zwischen zwei stationären Bedingungen erhalten wurden. Es besteht die Aufgabe, die Berechnung der Luftmenge in Zylindern von Brennkraftmaschinen mit variabler Ventilsteuerung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorausbestimmen einer Luftmasse in mindestens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs in einer Anordnung umfassend mindestens einen Zylinder mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, mindestens eine verstellbare Nockenwelle, so dass verschiedene Ventilhubkurven zum Steuern der besagten Ventile gefahren werden können, eine Ansaugleitung, eine Abgasleitung und eine Steuerungseinrichtung, umfassend die Schritte:

- Betreiben der Brennkraftmaschine,
- Erfassen mindestens eines Eingangsparameters der Brennkraftmaschine,
- Vorausberechnen einer Luftmasse, die sich zum Zeitpunkt des Beginns des nächsten Verbrennungstaktes im Zylinder befinden wird.

Das Verfahren ist vorteilhaft, weil die genaue Kenntnis der zukünftigen Luftmasse ein genaues Einstellen der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf Kraftstoffmenge und - druck ermöglicht. Dadurch kann Kraftstoff ökonomisch eingesetzt sowie Emissionen reduziert werden.
Im Ergebnis fließen folgende wesentliche Variablen in die Berechnung der vorausbestimmten Luftmasse im Zylinder ein: Frischluft als Funktion von Druck und Temperatur vor dem Einlassventil, Gasrückstände aus mindestens einer vorherigen Verbrennung, rückgeführtes Abgas und die Temperatur der Verbrennungsluft.
Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Pedalwegänderung als Funktion des Gradienten des Gaspedals des Kraftfahrzeugs als ein Eingangsparameter verwendet. Durch die Bewegung des Gaspedals wird eine Drehmomentanforderung an die Brennkraftmaschine erteilt. Die erreichte Position des Gaspedalwegs dient dabei als Maß für die Höhe des angeforderten Drehmoments, das als Eingangsparameter für die Berechnung der Luftmasse dient.
Vorzugsweise werden in dem Verfahren der Druck und die Temperatur im Ansaugkrümmer sowie die Stellung einer in der Ansaugleitung angeordneten Drosselklappe als Eingangsparameter verwendet.
Vorzugsweise wird in dem Verfahren die Lage einer Ladedruckregelklappe zur Steuerung des Abgasstroms durch eine in der Abgasleitung angeordnete Turbine eines Abgasturboladers verwendet. Dabei ist diese Ausführungsform des Verfahrens für eine Turbine mit feststehenden Leitschaufeln geeignet, bei der die Menge des durch die Turbine strömenden Abgases durch die Regelklappe (engl. auch als waste gate bezeichnet) geregelt wird. Durch die Menge des Abgases wird die Geschwindigkeit des Turbinenrades bestimmt, das das mittels einer Welle drehfest mit dem Turbinenrad verbundene Rad eines Kompressors in der Ansaugleitung antreibt. Dadurch wird die Menge der Ladeluft im Ansaugkrümmer gesteuert, und die Kenntnis der durch die Turbine geleiteten Abgasmenge erlaubt eine Kenntnis der Luftmenge im Ansaugkrümmer.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Stellung der Leitschaufeln einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine eines Abgasturboladers mit variabler Geometrie verwendet. Dabei wird der Abgasstrom durch die Turbine mittels beweglicher Leitschaufeln gesteuert, so dass der Abgasstrom in unterschiedlicher Menge auf die Laufschaufeln der Turbine trifft oder auch vollständig hindurchgeleitet wird. Die Menge des auf die Laufschaufeln treffenden Abgases bestimmt die Geschwindigkeit des Turbinenrades, das das mittels einer Welle drehfest mit dem Turbinenrad verbundene Rad eines Kompressors in der Ansaugleitung antreibt. Dadurch wird die Menge der Ladeluft im Ansaugkrümmer gesteuert, und die Kenntnis der durch die Turbine geleiteten Abgasmenge erlaubt eine Kenntnis der Luftmenge im Ansaugkrümmer.
Vorzugsweise werden in dem Verfahren die Ventilhubkurven der Ventile des Zylinders als Eingangsparameter zum Bestimmen der aktuellen Luftmasse im Zylinder verwendet. Dabei wird die aktuelle Luftmasse im Zylinder wiederrum als Variable zum Vorausbestimmen der Luftmasse im Zylinder verwendet.
Ebenfalls bevorzugt werden in dem Verfahren die Ventilhubkurven der Ventile des Zylinders direkt als Eingangsparameter zum Vorausbestimmen der Luftmasse im Zylinder verwendet.
Ebenfalls bevorzugt können elektrische und/oder ölhydraulische Ansteuerungsparameter für vollvariable Ventilhubeinstellungen als Eingangsparameter zum Vorausbestimmen der Luftmasse verwendet werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine umfassend mindestens einen Zylinder mit mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, mindestens einer verstellbaren Nockenwelle zum Steuern der besagten Ventile, einer Ansaugleitung, einer Abgasleitung und einer Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, ein erfindungsgemäßes Verfahren zu steuern. Dabei ist in der Steuerungseinrichtung ein spezielles Programm implementiert, das das erfindungsgemäße Verfahren steuert. Die Vorteile der Anordnung entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
2 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Berechnen der Luftmasse im Zylinder.

In 1 ist eine Anordnung 1 einer Brennkraftmaschine 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Brennkraftmaschine 2 ist eine viertaktige fremdgezündete Brennkraftmaschine, wobei sie alternativ auch selbstzündend sein kann. Die Brennkraftmaschine 2 ist hier exemplarisch mit einem Zylinder 3 dargestellt, wobei die Zahl der Zylinder auch zwei, drei, vier oder mehr betragen kann. Der Zylinder 3 weist einen Brennraum 31 auf. In dem Brennraum 31 ist ein Kolben 32 angeordnet, der durch die Wärmeausdehnung von bei der Verbrennung von eingespritztem Kraftstoff entstehenden Heißgases bewegt wird. Die Bewegung des Kolbens wird über eine Kurbel auf eine Kurbelwelle übertragen.
Eine Ansaugleitung 4 ist angeordnet, um Verbrennungsluft zum Zylinder 3 zu leiten. Abgase werden über die Abgasleitung 5 vom Zylinder 3 abgeführt. In der Ansaugleitung 4 ist ein Kompressor eines Abgasturboladers 12 angeordnet, der zum Verdichten von Ladeluft dient. Stromaufwärts vom Kompressor ist in der Ansaugleitung ein Luftfilter 6 angeordnet. Zum Kühlen der Ladeluft ist in Strömungsrichtung der Ladeluft stromabwärts vom Kompressor ein Ladeluftkühler 7 angeordnet. Im Bereich des Ansaugkrümmers 8 ist eine Drossel 9 angeordnet.
Zum Einlassen einer definierten Menge Verbrennungsluft in den Zylinder 3 ist das Einlassventil 41 vorgesehen. Zum Auslassen von Abgas aus dem Zylinder 3 ist das Auslassventil 51 vorgesehen. Zum Steuern der Ventile 41, 51 ist eine Nockenwelle 10 mit verstellbaren Nocken 11 angeordnet.
Vom Auslassventil 51 wird das Abgas in die Abgasleitung 5 geleitet. In der Abgasleitung 5 ist eine Turbine des Abgasturboladers 12 angeordnet, deren Rad drehfest über eine Welle mit dem Rad des Kompressors verbunden ist. Die Turbine ist eine Turbine mit variabler Geometrie, d.h. mit bewegbaren Leitschaufeln.
Kraftstoff wird mittels einer Einspritzvorrichtung 13 in den Brennraum 31 eingespritzt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 31 wird durch einen Funken der Zündeinrichtung 14 gezündet. Verstelleinrichtungen für die Nockenwellen, die Einspritzvorrichtung 13 und die Zündeinrichtung 14 werden von einer Steuerungseinrichtung 15 angesteuert. Die Steuerungseinrichtung 15 ist weiterhin mit verschiedenen Sensoren verbunden, beispielsweise mit einem Drucksensor 16 und einem Temperatursensor 17 im Bereich des Ansaugkrümmers 8. Weitere Sensoren können an unterschiedlichen Stellen der Anordnung 1 angeordnet sein.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 2 zum Berechnen der Luftmasse im Zylinder 3 wird in einem ersten Schritt S1 wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine 2 betrieben. In einem zweiten Schritt S2 wird mindestens ein Eingangsparameter der Brennkraftmaschine 2 erfasst und an die Steuerungseinrichtung 15 übermittelt. Als Eingangsparameter wird ein oder mehrere aus folgender Liste verwendet:

- die Länge des betätigten Pedalweges des Gaspedals des Kraftfahrzeugs,
- der Druck im Ansaugkrümmer 8,
- die Temperatur im Ansaugkrümmer 8,
- die Position der Drossel 9,
- die Stellung der Leitschaufeln in der Turbine des Abgasturboladers 12.

In einem dritten Schritt S3 wird in der Steuerungseinrichtung 15 auf der Basis der aufgenommenen Parameterwerte die genaue Luftmasse vorausberechnet, die sich zum Zeitpunkt des Beginns des nächsten Verbrennungstaktes im Brennraum 31 des Zylinders 3 befinden wird. Zum Berechnen der genauen Luftmasse ist in der Steuerungseinrichtung ein Programm implementiert, das die erforderlichen Rechenoperationen vornimmt.
Zum Veranschaulichen der Luftmasse sind wolkenartige Gebilde im Brennraum 31 dargestellt (1). Dabei entspricht das Gebilde 18 Frischgas und das Gebilde 19 Restgas aus vorherigen Verbrennungen. Durch die Einspritzeinrichtung 13 wird auf der Basis der Kenntnis der genauen Luftmasse entsprechend von der Steuerungseinrichtung 15 an die Einspritzeinrichtung 13 gesendeten Steuerungsbefehlen eine Kraftstoffmenge mit einem erforderlichen Druck in den Brennraum 31 eingespritzt.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Brennkraftmaschine
3: Zylinder
31: Brennraum
32: Kolben
4: Ansaugleitung
41: Einlassventil
5: Abgasleitung
51: Auslassventil
6: Luftfilter
7: Ladeluftkühler
8: Ansaugkrümmer
9: Drossel
10: Nockenwelle
11: Nocken
12: Abgasturbolader
13: Einspritzeinrichtung
14: Zündeinrichtung
15: Steuerungseinrichtung
16: Drucksensor
17: Temperatursensor
18: Frischgas
19: Restgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20170370310 A1 [0003]
US 20180266871 A1 [0003]
US 9689335 [0003]
US 8463524 [0003]
US 7493207 [0003]
US 7025041 [0003]
US 6738707 [0003]

Claims

Verfahren zum Vorausbestimmen einer Luftmasse in mindestens einem Zylinder (3) einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs in einer Anordnung (1) umfassend mindestens einen Zylinder (3) mit mindestens einem Einlassventil (41) und mindestens einem Auslassventil (51), mindestens eine verstellbare Nockenwelle, so dass verschiedene Ventilhubkurven zum Steuern der besagten Ventile gefahren werden können, eine Ansaugleitung (4), eine Abgasleitung (5) und eine Steuerungseinrichtung (15), umfassend die Schritte: - Betreiben der Brennkraftmaschine (2), - Erfassen mindestens eines Eingangsparameters der Brennkraftmaschine (2), - Vorausberechnen einer Luftmasse, die sich zum Zeitpunkt des Beginns des nächsten Verbrennungstaktes im Zylinder (3) befinden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Parameter die Pedalwegänderung als Funktion des Gradienten des Gaspedals des Kraftfahrzeugs verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei als Parameter der Druck und die Temperatur vor dem Einlassventil (41) sowie die Stellung einer in der Ansaugleitung (4) angeordneten Drosselklappe (9) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei als Parameter die Lage einer Ladedruckregelklappe zur Steuerung des Abgasstroms durch eine in der Abgasleitung (5) angeordnete Turbine eines Abgasturboladers (12) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei als Parameter die Stellung der Leitschaufeln einer in der Abgasleitung (5) angeordneten Turbine eines Abgasturboladers (12) mit variabler Geometrie verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ventilhubkurven der Ventile (41, 51) des Zylinders (3) als Eingangsparameter zum Bestimmen der aktuellen Luftmasse im Zylinder (3) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ventilhubkurven der Ventile (41, 51) des Zylinders (3) als Eingangsparameter zum Vorausbestimmen der Luftmasse im Zylinder (3) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei elektrische und/oder ölhydraulische Ansteuerungsparameter für vollvariable Ventilhubeinstellungen als Eingangsparameter zum Vorausbestimmen der Luftmasse verwendet werden.
Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) umfassend mindestens einen Zylinder (3) mit mindestens einem Einlassventil (41) und mindestens einem Auslassventil (51), mindestens einer verstellbaren Nockenwelle zum Steuern der besagten Ventile (41, 51), einer Ansaugleitung (4), einer Abgasleitung (5) und einer Steuerungseinrichtung (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (15) ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-8 zu steuern.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß Anspruch 9.