DE102021130562A1 - Determination of a temperature drop in the cylinder resulting from an injection - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Absenkung eines Temperaturniveaus in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wobei die Absenkung mittels eines zündungsnahen Einspritzens von Kraftstoff erreicht wird, aufweisend die Schritte: Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders, Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters.The invention relates to a method for determining a reduction in a temperature level in a cylinder of an internal combustion engine, the reduction being achieved by injecting fuel close to ignition, having the steps: selecting a cylinder to be diagnosed, determining a diagnostic time window, determining a speed development of the internal combustion engine during the diagnostic window.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Absenkung eines Temperaturniveaus in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, ein Steuermittel für einen Verbrennungsmotor, sowie einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und einem Steuermittel.The invention relates to a method for determining a reduction in a temperature level in a cylinder of an internal combustion engine, a control device for an internal combustion engine, and an internal combustion engine with a plurality of cylinders and a control device.
Die Verbrennungsqualität (beispielsweise hinsichtlich Drehmoment, Umsatzgrad, Brenngeschwindigkeit, rohen Abgasemissionen, etc.) ist für den Betrieb von Verbrennungsmotoren entscheidend. Die Verbrennungsqualität, lässt sich unter bestimmten Bedingungen an der Ausgangsgröße der Motordrehzahl - sprich an der Drehzahlentwicklung der Kurbelwelle auslesen.The combustion quality (e.g. in terms of torque, degree of conversion, burning rate, raw exhaust emissions, etc.) is crucial for the operation of internal combustion engines. Under certain conditions, the combustion quality can be read from the output variable of the engine speed - i.e. from the speed development of the crankshaft.
Allerdings reicht das reine Wissen um das Vorliegen einer nicht optimalen Verbrennung zumeist nicht aus, um Abhilfe zu schaffen. Für die Behebung einer Abweichung ist eine eindeutige Diagnose notwendig, wobei die Ursachen für einer nicht optimalen Verbrennung sehr unterschiedlich sein können.However, just knowing that combustion is not optimal is usually not enough to remedy the situation. Correcting a deviation requires a clear diagnosis, although the causes of suboptimal combustion can be very different.
Eine genaue Diagnose ist mit gegenwärtigen Diagnosesysteme sehr komplex und benötigt diverse Informationen aus verschiedenen Teilsystemen des Verbrennungsmotors.An accurate diagnosis is very complex with current diagnostic systems and requires various information from different subsystems of the combustion engine.
Beispielsweise ist die Regelungsaufgabe, ein Verbrennungsmotor grundsätzlich ohne Klopfen zu betreiben, dabei aber auch in einem niedrig-tourigen Hochlastbetrieb nicht unnötig Leistung zu drosseln, sehr komplex. Um für dieses Funktion eine Beispiel oder andere Funktionen eine zufriedenstellend genaue Regelung bereitzustellen, fehlt in bekannten Kraftfahrzeugen ein hinreichend genaues Bild der Temperaturentwicklung in den Brennräumen der Zylinder.For example, the control task of operating an internal combustion engine without knocking, but not unnecessarily throttling power even in low-speed, high-load operation, is very complex. In order to provide a satisfactorily precise regulation for this function or other functions, known motor vehicles lack a sufficiently precise picture of the temperature development in the combustion chambers of the cylinders.
Zusätzlich gewinnen Möglichkeiten einer vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“, auch „Gesundheitsfunktionen“ genannt) für Verbrennungsmotoren immer größere Bedeutung. Diese sollen den aktuellen Performancezustand - und damit u.a. den Wartungsbedarf - insbesondere hinsichtlich benötigtem Wartungsumfang und hinsichtlich einer vorteilhaften Zeitschiene quantifizieren.In addition, the possibilities of predictive maintenance (also known as “health functions”) for combustion engines are becoming increasingly important. These are intended to quantify the current performance status - and thus, among other things, the need for maintenance - in particular with regard to the required scope of maintenance and with regard to an advantageous timeline.
Vor dem Hintergrund der beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Verbrennungsqualität zu ermöglichen, und/oder eine Regelung der Verbrennung in einem Zylinder zu verbessern.Against the background of the problems described, it is an object of the invention to enable improved combustion quality and/or to improve regulation of the combustion in a cylinder.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Steuermittel für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 7, sowie einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by a method having the features of
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer, insbesondere relativen, Absenkung eines Temperaturniveaus in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors offenbart, wobei die Absenkung mittels einer zündungsnahen, zweiten Einspritzung von Kraftstoff, aber auch mittels einer ersten oder einzigen Haupteinspritzung erreicht werden kann. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Verfahrensschritte auf, die in der nachfolgend angegebenen oder einer anderen, fachmännisch sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden können:
- (i) Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders, insbesondere desjenigen Zylinders, in dessen Brennraum als nächstes Kraftstoff eingespritzt wird.
- (ii) Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das insbesondere vor der zweiten Einspritzung, beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Einspritzung von Kraftstoff in den ausgewählten Zylinder liegt, alternativ aber auch eine oder beide der zwei Einspritzungen beinhalten kann.
- (iii) Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität. Unter einem Diagnose-Zeitfenster ist insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum als Anteil eines oder mehrerer Takte des Verbrennungsmotors zu verstehen. Unter einem Diagnose-Zeitpunkt ist insbesondere ein Zeitpunkt innerhalb des Diagnose-Zeitfensters zu verstehen, für welchen eine, mehrere oder alle Bestimmungsgrößen einer zu ermittelnden Zielgröße ermittelt werden.
- (iv) Ermitteln der Absenkung des Temperaturniveaus im ausgewählten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.
- (i) Selection of a cylinder to be diagnosed, in particular that cylinder into whose combustion chamber fuel is injected next.
- (ii) Determination of a diagnosis time window, which lies in particular before the second injection, for example between the first and the second injection of fuel into the selected cylinder, but alternatively can also contain one or both of the two injections.
- (iii) determining a speed development of the internal combustion engine during the diagnosis time window, in particular with a real-time capable sampling quality. A diagnosis time window is to be understood in particular as a continuous period of time as a proportion of one or more cycles of the internal combustion engine. A diagnosis point in time is to be understood in particular as a point in time within the diagnosis time window for which one, several or all parameters of a target variable to be determined are determined.
- (iv) Determination of the lowering of the temperature level in the selected cylinder as a function of the determined speed development.
Wenn ermittelt wird, wie stark die zweite oder ggf. erste/einzige Einspritzung die Gemisch-Temperatur im Zylinder absenkt, kann der ermittelte Wert verschiedene Regelungen für den Betrieb der Brennkraftmaschine verbessern:
- Der ermittelte Wert kann als Input für einen Regler zum Vermeiden einer klopfenden Verbrennung dienen, und diesen Regler insbesondere dahingehend verbessern, dass aufgrund der verbesserten Regelungsgüte ein Sicherheitsabstand zur Klopfgrenze verringert werden kann.
- The determined value can be used as an input for a controller to avoid knocking combustion, and improve this controller in particular to the effect that a safety margin to the knock limit can be reduced due to the improved control quality.
Der ermittelte Wert kann ferner als Input für ein Temperaturmodell bei der Regelung der Spitzentemperaturen der Verbrennung dienen. Dadurch können NOx-Emissionen vermieden werden, insbesondere in dem aufgrund der verbesserten Regelung Temperaturpeaks niedriger ausfallen.The determined value can also be used as an input for a temperature model when controlling the peak combustion temperatures. As a result, NOx emissions can be avoided, especially since the temperature peaks are lower due to the improved control.
Die Erfindung ist an sich auf jede Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder anwendbar, d.h. auf eine zweite oder eine von ggf. mehreren weiteren, mehr oder weniger zündnahen Einspritzungen genauso wie auf eine erste oder einzige Haupteinspritzung.The invention is applicable per se to any injection of fuel into the cylinder, i.e. to a second or one of possibly several further injections that are more or less close to ignition, as well as to a first or only main injection.
Nachfolgend ist die Erfindung allerdings für eine einfachere Verständlichkeit ausschließlich im Kontext einer zweiten, zündnahen Einspritzung beschrieben und erläutert.In the following, however, the invention is described and explained exclusively in the context of a second, near-ignition injection to make it easier to understand.
Unter einer, insbesondere unter einer relativen, Absenkung ist vorliegend insbesondere eine Absenkung im Vergleich zu einem Fall zu verstehen, bei dem keine zweite Einspritzung erfolgen würde. Beispielsweise kann insbesondere zu einer späteren Kurbelwinkelstellung, wenn die Verbrennung weiter fortgeschritten ist, ein höherer absoluter Temperaturwert im Zylinder vorliegen als zu der zweiten Einspritzung. Trotzdem ist dann zu diesem Zeitpunkt der absolute Temperaturwert relativ gesehen niedriger als er gewesen wäre, wenn keine zweite Einspritzung erfolgt wäre.In the present case, a reduction, in particular a relative reduction, is to be understood in particular as a reduction compared to a case in which no second injection would take place. For example, in particular at a later crank angle position, when combustion has progressed further, there can be a higher absolute temperature value in the cylinder than at the second injection. Nevertheless, at this point in time the absolute temperature value is relatively lower than it would have been if no second injection had taken place.
Das Diagnose-Zeitfenster erstreckt sich insbesondere von einer Kurbelwinkelstellung nach einer ersten Einspritzung und vor der zweiten Einspritzung bis hin zu einer Kurbelwinkelstellung nach einem Zündzeitpunkt des ausgewählten Zylinders.The diagnosis time window extends in particular from a crank angle position after a first injection and before the second injection to a crank angle position after an ignition point of the selected cylinder.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuermittel zur Bestimmung einer, insbesondere relativen, Absenkung eines Temperaturniveaus in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors offenbart, das insbesondere in und/oder als Teil eines Motorsteuergeräts für einen Verbrennungsmotor eines PKW ausgebildet ist. Das Steuermittel ist dazu eingerichtet, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung, ermittelte und/oder in einem Speicher abgelegte, Werte einer Absenkung eines Temperaturniveaus zu übergeben
- (a) an eine Steuerkomponente des Steuermittels für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der übergebenen Werten der Absenkung des Temperaturniveaus, und/oder
- (b) an eine Diagnosekomponente des Steuermittels für weitere Onboard-Diagnosefunktionen.
- (a) to a control component of the control means for real-time regulation of functions of the internal combustion engine as a function of the transmitted values of the lowering of the temperature level, and/or
- (b) to a diagnostic component of the control means for further onboard diagnostic functions.
Gemäß einer Ausführung weist das Steuermittel einen nichtflüchtigen Speicher auf und ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere, ermittelte Ausprägungen der Absenkung des Temperaturniveaus in dem Speicher abzulegen.According to one embodiment, the control means has a non-volatile memory and is set up to store one or more characteristics of the lowering of the temperature level determined at one or different diagnosis times, in particular, in the memory.
Gemäß einer Ausführung ist das Steuermittel dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Ausprägungen der Absenkung des Temperaturniveausan einen Offboardrechner für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.According to one embodiment, the control means is set up to transfer characteristics of the lowering of the temperature level stored in the memory to an off-board computer for offline diagnostic functions.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern offenbart, aufweisend ein Steuermittel gemäß einer Ausführung der Erfindung.According to a further aspect, an internal combustion engine with multiple cylinders is disclosed, comprising a control means according to an embodiment of the invention.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass die Brennkammer im Zylinder eine Luftmasse und eine Kraftstoffmasse zur Verbrennung beinhaltet. Der Temperaturverlauf im Brennraum kennzeichnet, wie schnell das Gemisch umgesetzt wird, welche und wieviel Rohemissionen dabei entstehen und wie weit entfernt bei einem bestimmten Betriebszustand von der irregulären Verbrennungsgrenze operiert wird (beispielsweise bei Ottomotoren insbesondere Klopfphänomene).The invention is based, among other things, on the consideration that the combustion chamber in the cylinder contains an air mass and a fuel mass for combustion. The temperature curve in the combustion chamber indicates how quickly the mixture is converted, which and how many raw emissions are produced and how far away from the irregular combustion limit is operated in a certain operating state (e.g. in petrol engines, in particular knocking phenomena).
Dabei besteht ein Zielkonflikt: hohe Temperaturen für effiziente Massenumsätze und hohe Druckgradienten, geringe Temperaturen für niedrige NOx-Emissionen und „optimale“ Temperaturen für eine Operation nahe am Klopfen. Aus dem Zielkonflikt resultiert ein Erfordernis für eine Live-Regelung für eine ohne die Erfindung nicht im Motor quantifizierbare Größe. Temperaturen im Brennraum können mit bekannten Verfahren nicht direkt im Auto oder am Prüfstand gemessen werden. Es kann daher keine Diagnose auf Basis von Temperaturwerten gestellt werden. Ebenso können Regelungen auf Basis eines Solltemperaturverlaufs nicht umgesetzt werden.There is a conflict of goals: high temperatures for efficient mass conversion and high pressure gradients, low temperatures for low NOx emissions and "optimal" temperatures for an operation close to knocking. The conflict of objectives results in a requirement for live regulation for a variable that cannot be quantified in the engine without the invention. Temperatures in the combustion chamber cannot be measured directly in the car or on the test bench using known methods. Therefore, no diagnosis can be made based on temperature values. Likewise, regulations based on a setpoint temperature profile cannot be implemented.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, eine Bilanzierung der Gasmassenzusammensetzung im Brennraum mit Hilfe einer Druckschätzung vorzunehmen, die ihrerseits wiederum auf eine hochauflösend sensierte Drehzahlentwicklung an der Kurbelwelle zurückgreift. Insbesondere kann mit Hilfe der Massenbilanzierung, die gemäß einer Ausführung vor einer zündnahen zweiten Einspritzung aufgestellt werden kann, eine „Starttemperatur“ (i.e. Referenztemperatur) vor einer zündungsnahen Einspritzung, also ohne die damit einhergehende Temperaturabsenkung, ermittelt werden.The invention is now based, among other things, on the idea of balancing the gas mass composition in the combustion chamber with the aid of a pressure estimate, which in turn uses a high-resolution sensed speed development on the crankshaft. In particular, with the help of the mass balance, which according to one embodiment can be set up before a second injection close to ignition, a "starting temperature" (i.e. reference temperature) before an injection close to ignition, i.e. without the associated temperature reduction, can be determined.
Anschließend kann dann insbesondere eine Energiebilanzierung für die zweiten Einspritzung nahe des Zündzeitpunkts aufgestellt werden. Mit einer optionalen Prämissenstellung für eine vereinfachte Einspritzbilanzierung erfolgt dann eine Berechnung einer aus der Einspritzung resultierenden Temperaturdifferenz.Then, in particular, an energy balance for the second injection can be set up close to the ignition point. With an optional setting of premises for simplified injection balancing, a temperature difference resulting from the injection is then calculated.
Die daraus erzielte Erkenntnis hinsichtlich einer mit der zweiten Einspritzung erreichten Einspritzkühlung kann dann als Stellparameter für eine Regelung einer Kurbelwinkel-Position der Einspritzung und/oder einer Einspritzmenge verwendet werden, und/oder für ein Health Monitoring des Zylinders.The knowledge obtained from this with regard to injection cooling achieved with the second injection can then be used as an adjustment parameter for controlling a crank angle position of the injection and/or an injection quantity, and/or for health monitoring of the cylinder.
Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren zusätzlich die Schritte auf:
- (v) Ermitteln einer Referenztemperatur im identifizierten Zylinder zum Zeitpunkt oder unmittelbar vor der zweiten Einspritzung, insbesondere ohne Berücksichtigung der Auswirkung der zweiten Einspritzung auf die Temperaturentwicklung, und
- (vi) Ermitteln der Absenkung des Temperaturniveaus in Abhängigkeit von der ermittelten Referenztemperatur.
- (v) determining a reference temperature in the identified cylinder at the time or immediately before the second injection, in particular without taking into account the effect of the second injection on the temperature development, and
- (vi) Determining the lowering of the temperature level as a function of the determined reference temperature.
Dadurch kann die Absenkung des Temperaturniveaus zum einen spezifisch während unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinders ermittelt werden. Zum anderen wird durch die Ermittlung einer Referenztemperatur als Absolutwert eine Möglichkeit geschaffen, die Absenkung des Temperaturniveaus ebenfalls in einem absoluten (Delta-)Temperaturwert anzugeben, und daraus - ausgehend von der Referenztemperatur - auch einen absoluten Wert der gesenkten Temperatur anzugeben, zumindest für einen bestimmten Kurbelwinkel.As a result, the lowering of the temperature level can be determined specifically during different operating states of the internal combustion engine or the cylinder. On the other hand, by determining a reference temperature as an absolute value, it is possible to specify the lowering of the temperature level also in an absolute (delta) temperature value, and from this - based on the reference temperature - also to specify an absolute value of the lowered temperature, at least for a specific one crank angle.
Gemäß einer Ausführung wird die Referenztemperatur im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von einer Druckkennzahl für den Zylinder im Diagnosezeitfenster ermittelt, die von der Drehzahlentwicklung im Diagnose-Zeitfenster abhängt.According to one embodiment, the reference temperature in the identified cylinder is determined as a function of a pressure index for the cylinder in the diagnosis time window, which depends on the speed development in the diagnosis time window.
Über den Zwischenschritt einer aus der Drehzahlentwicklung abgeleiteten Druckkennzahl kann eine besonders einfache Ermittlung der Absenkung des Temperaturniveaus erfolgen, insbesondere weil die Absenkung des Temperaturniveaus damit in Abhängigkeit von ohnehin auf Motorsteuergeräten der Anmelderin ermittelten bzw. bereitgestellten Größen ermittelt werden kann.The lowering of the temperature level can be determined particularly easily via the intermediate step of a pressure index derived from the speed development, in particular because the lowering of the temperature level can thus be determined as a function of variables already determined or provided on engine control units of the applicant.
Gemäß einer Ausführung wird die Referenztemperatur in Abhängigkeit von einem Zylindervolumen zu einem Diagnosezeitpunkt im Diagnosezeitfenster (insbesondere zum Zeitpunkt der zweiten Einspritzung), und/oder einem Restgasanteil, und/oder einem Verbrennungsluftverhältnis ermittelt, insbesondere jeweils im identifizierten Zylinder zum Zeitpunkt oder unmittelbar vor der zweiten Einspritzung.According to one embodiment, the reference temperature is determined as a function of a cylinder volume at a diagnosis point in time in the diagnosis time window (in particular at the point in time of the second injection), and/or a residual gas content, and/or a combustion air ratio, in particular in each case in the identified cylinder at the point in time or immediately before the second Injection.
Damit kann die Ermittlung der Absenkung des Niveaus in Abhängigkeit von Größen ermittelt werden, die ohnehin in bekannten Motorsteuergeräten für Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen hinterlegt sind, beispielsweise in Lookup-Tabellen, und/oder den Motor Steuergerät in jedem Betriebszustand in Form aktueller Werte zur Verfügung stehen.The lowering of the level can thus be determined as a function of variables that are already stored in known engine control units for internal combustion engines in passenger cars, for example in lookup tables, and/or are available to the engine control unit in every operating state in the form of current values.
Gemäß einer Ausführung wird der Restgasanteil und/oder das Verbrennungsluftverhältnis (1) als Konstante für einen, mehrere oder alle Betriebsfälle des Verbrennungsmotors vorbestimmt, und/oder (2) aus einem vorbefüllten Kennfeld in Abhängigkeit von einer Motorlast und der Motordrehzahl ausgelesen wird, und/oder (3) aus anderen Motor- und/oder Betriebs- und/oder Umgebungsgrößen berechnet, und/oder (4) mittels eines geeigneten Sensors gemessen.According to one embodiment, the residual gas content and/or the combustion air ratio is (1) predetermined as a constant for one, several or all operating cases of the internal combustion engine, and/or (2) is read out from a pre-filled characteristic diagram as a function of an engine load and the engine speed, and/or (3) calculated from other engine and/or operating and/or environmental variables, and/or (4) measured using a suitable sensor.
Durch eine geeignete Auswahl der verwendeten Werte bzw. der Quelle der Werte kann dem gewünschten Anwendungsfall der Erfindung Rechnung getragen werden: Wenn beispielsweise eine Echtzeit-Auswertung im Fahrbetrieb erwünscht ist, wird eine Quelle bzw. Werte verwendet, die einen möglichst geringen Rechenaufwand nach sich zieht, wie beispielsweise eine Konstante, die die Genauigkeit des Ermittlungsergebnisses nur in einem tolerierbaren Maße beeinträchtigt. Wird hingegen beispielsweise eine genaue Auswertung im Designprozess oder in der Werkstatt angestrebt, können gegebenenfalls Sensorwerte oder genauere, aber rechenintensivere Berechnungsmethoden verwendet.The desired application of the invention can be taken into account by a suitable selection of the values used or the source of the values: If, for example, a real-time evaluation is desired during driving operation, a source or values is used that entails the lowest possible computational effort , such as a constant that affects the accuracy of the determination result only to a tolerable extent. If, on the other hand, a precise evaluation is sought in the design process or in the workshop, for example, sensor values or more precise but more computationally intensive calculation methods can be used.
Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte auf:
- (vii) Aufstellen einer Energiebilanz im Zylinder für die zweite Einspritzung, insbesondere unmittelbar, nach der zweiten Einspritzung, wobei für die Energiebilanz insbesondere ein Energiegehalt eines, insbesondere ungezündeten, Gasgemischs nach der zweiten Einspritzung gegenübergestellt wird einer Summe eines Energiegehalts vor der zweiten Einspritzung und einer Verdampfungswärme des bei der zweiten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs, und/oder
- (viii) Ermitteln einer Nacheinspritztemperatur aus der aufgestellten Energiebilanz, insbesondere in Abhängigkeit von der ermittelten Referenztemperatur, und/oder
- (ix) Ermitteln der Absenkung des Temperaturniveaus in Abhängigkeit von der ermittelten Referenztemperatur und der ermittelten Nacheinspritztemperatur, insbesondere als Temperaturdifferenz der ermittelten Referenztemperatur und der ermittelten Nacheinspritztemperatur.
- (vii) Establishing an energy balance in the cylinder for the second injection, in particular immediately after the second injection, wherein for the energy balance in particular an energy content of a, in particular unignited, gas mixture after the second injection is compared with a sum of an energy content before the second injection and a Heat of vaporization of the fuel injected during the second injection, and/or
- (viii) determining a post-injection temperature from the energy balance established, in particular as a function of the reference temperature determined, and/or
- (ix) determining the lowering of the temperature level as a function of the determined reference temperature and the determined post-injection temperature, in particular as a temperature difference between the determined reference temperature and the determined post-injection temperature.
Die Aufstellung einer Energiebilanz ermöglicht es, in Abhängigkeit von der Referenztemperatur aus dem Energieeintrag des bei der zweiten Einspritzung eingespritzten Kraftstoffs eine Aussage über eine Temperaturänderung im Zylinder zu treffen. Das ermöglicht in Kenntnis der Referenztemperatur sowohl eine Ermittlung der Absenkung des Temperaturniveaus als auch eine Ermittlung des zu erwartenden absoluten Temperaturniveaus nach der zweiten Einspritzung.The establishment of an energy balance makes it possible to make a statement about a temperature change in the cylinder depending on the reference temperature from the energy input of the fuel injected during the second injection. Knowing the reference temperature, this enables both a determination of the lowering of the temperature level and a determination of the absolute temperature level to be expected after the second injection.
Es wird gemäß einer Ausführung die Drehzahlentwicklung mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität ermittelt. Insbesondere ist vorliegend die Rede von einer echtzeitfähigen Samplingqualität, wenn die Größe - hier die Drehzahl - mit einer Samplingzeit von ca. 10ms oder kleiner, insbesondere laufend und/oder pausenlos, ermittelt wird. Insbesondere wird das Verbrennungsluftverhältnis in einer geringeren Samplingqualität ermittelt, insbesondere mit einer Samplingzeit von 0,1 oder 1 Sekunde oder größer, weil Lambdasonden aufgrund ihres Messprinzips (Abgleich Verbrennungsgas mit Referenzrestluftgehalt) keine wesentlich stärker aufgelöste Samplingqualität ermöglichen.According to one embodiment, the speed development is determined with a real-time capable sampling quality. In particular, in the present case we are talking about a real-time capable sampling quality if the variable—in this case the speed—is determined with a sampling time of approximately 10 ms or less, in particular continuously and/or without a break. In particular, the combustion air ratio is determined with a lower sampling quality, in particular with a sampling time of 0.1 or 1 second or longer, because lambda probes do not allow a significantly higher resolution sampling quality due to their measuring principle (comparison of combustion gas with reference residual air content).
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
-
1 a-c zeigt in schematischen Ansichten einen Verbrennungsmotor mit einer Motorsteuerung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei in1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in1b relevante Parameter sowie in1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind. -
2 zeigt ein Schaubild mit einem Diagramm einer Drehzahlentwicklung eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nach1 und einer Darstellung der Takte der einzelnen Zylinder. -
3 zeigt ein vergrößertes Detail ausdem Diagramm nach 2 . -
4 zeigt ein schematisches Diagramm der Temperaturentwicklung im ausgewählten Zylinder mit und ohne zweite Einspritzung. -
5 zeigt in5a ein Schaubild einer Massenbilanzierung und in5b ein Schaubild einer Energiebilanzierung im ausgewählten Zylinder. -
6 zeigt ein Ablaufdiagramm von Verfahrensschritten einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1ac shows in schematic views an internal combustion engine with an engine controller according to an exemplary embodiment of the invention, wherein in1a the installation environment of the internal combustion engine, in1b relevant parameters as well as in1c Torque contributions to the crank mechanism of the internal combustion engine are shown over time. -
2 shows a diagram with a diagram of a speed development of a working cycle of theinternal combustion engine 1 and a representation of the strokes of the individual cylinders. -
3 shows an enlarged detail from the diagram2 . -
4 shows a schematic diagram of the temperature development in the selected cylinder with and without a second injection. -
5 shows in5a a diagram of a mass balance and in5b a diagram of an energy balance in the selected cylinder. -
6 shows a flowchart of method steps of an exemplary embodiment of a method according to the invention.
In
In der Darstellung der
In
Der
Ein Referenzdruck p in der Umgebung kann mittels der Druck-Erfassungseinheit 7, die momentane Drehzahl n mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 erfasst und durch das Steuermittel 2 verwendet werden.A reference pressure p in the environment can be detected by means of the
In
In der Darstellung der
Für jeden Zylinder Z ist ein Diagnosezeitfenster 112 für eine Durchführung eines Verfahrens nach einer bespielhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen. Das jeweilige Diagnosezeitfenster beinhaltet einen Kurbelwinkelbereich ausgehend von einer Stellung zwischen einer ersten und einer zweiten, zündnahen Einspritzung E2.A
In
Das Diagramm 150 zeigt den Verlauf 101 der Motordrehzahl n über ein Arbeitsspiel eines 4-Zylinder-Ottomotor. Markiert sind die Zündzeitpunkte (ZZP) sowie ein beispielhaft mögliches Diagnose-Zeitfenster 112 für den zu diagnostizieren Zylinder Z1 in der Kompression. Ferner ist ein Zeitpunkt bzw. eine Kurbelwinkelstellung bei der zweiten, zündnahen Einspritzung E2 markiert. Darunter sind die zugehörigen Arbeitstakte der Zylinder Z1-Z4 abgebildet.Diagram 150 shows
Beispielhaft ist in dem Ausführungsbeispiel das Diagnosezeitfenster 112 für den Zylinder Z1 von 20°KW vor Beginn der zweiten Einspritzung E2 bis 2°KW vor Beginn der zweiten Einspritzung E2 definiert. Die Grenzen sind abhängig von einem anliegenden Motorbetriebspunkt und können flexibel auf diesen adaptiert werden, sodass der Zeitpunkt bzw. eine Kurbelwinkelstellung bei der zweiten, zündnahen Einspritzung E2 im Diagnosezeitfenster enthalten ist. Die dynamische Anpassung der Grenzen des Diagnosezeitfensters 112 ist auch für den dynamischen Fahrbetrieb in Abhängigkeit von Randbedingungen wie einem Zündwinkel und dem Zylinderdruckverlauf möglich.In the exemplary embodiment, the
Im Ausführungsbeispiel mit einer zündungsnahen Einspritzung E2 bei 675°KW wird daher das Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt zu: 655°KW - 673°KW, bezogen auf eine Kurbelwinkelangabe des Zylinders Z1. In der Darstellung der
Ein Diagnosezeitpunkt KWΔT innerhalb des Diagnose-Zeitfensters 112 wird bestimmt zu einer Kurbelwinkelstellung, bei welcher die Temperaturabsenkung durch die zweite Einspritzung E2 voll umgesetzt ist. Praktisch fällt in der Umsetzung mit dem Steuermittel 2 die Kurbelwinkelstellung von E2 mit der Kurbelwinkelstellung KWΔT, insbesondere durch entsprechende vereinfachende Annahmen, die zu
In
Die
Der klassische Verlauf einer Temperaturkurve über °KW ist mit der durchgezogenen Linie veranschaulicht. Ohne eine zündungsnahe, zweite Einspritzung entsteht ein klassischer und um den Zündungs-Oberen-Totpunkt (ZOT) im Wesentlichen symmetrischer Temperaturverlauf T(KW), wobei der Absolutwert von T̅ mit der KW-Stellung veränderlich ist.The classic course of a temperature curve over °CA is illustrated with the solid line. Without a second injection close to ignition, a classic temperature curve T(KW) that is essentially symmetrical around the ignition top dead center (ZOT) occurs, with the absolute value of T̅ changing with the position of the crankshaft.
Bei einer „Zündspritze“ - also einer zündungsnahen, zweiten Einspritzung E2 - wird eine kleine Menge Kraftstoff nahe am Zündzeitpunkt ZZP1 eingespritzt. Sobald die Verdampfung des Kraftstoffs beginnt, wird der weiteren Gasmasse im Brennraum Wärme entzogen, was für eine Abnahme der mittleren Zylindertemperatur Tz im weiteren Verlauf sorgt, analog der strichlinierten Kurve TE2(KW), wobei der Absolutwert von TE2 mit der KW-Stellung veränderlich ist.In the case of an "ignition injection" - i.e. a second injection E2 close to ignition - a small quantity of fuel is injected close to the ignition point ZZP1. As soon as the fuel begins to evaporate, heat is extracted from the other gas mass in the combustion chamber, which causes the mean cylinder temperature Tz to decrease over the further course, analogous to the dashed curve TE2 (KW), with the absolute value of TE2 with the KW position is changeable.
Diese Abnahme der mittleren Temperatur Tz beeinflusst auch die beginnende Verbrennung ab Gemischzündung bei ZZP1. Da die Gasmasse bei einer niedrigeren Starttemperatur umgesetzt wird, wird mit der zündungsnahen, zweiten Einspritzung die Spitzentemperatur in der Expansionsphase gesenkt. Wie stark dieser Effekt eintritt, hängt von der Abkühlung ΔT des Temperaturniveaus Tz ab, das auf die Einspritzung E2 folgt.This decrease in the mean temperature Tz also influences the beginning of combustion from mixture ignition at ZZP1. Since the gas mass is converted at a lower starting temperature, the peak temperature in the expansion phase is reduced with the second injection close to ignition. The extent to which this effect occurs depends on the cooling ΔT of the temperature level Tz that follows injection E2.
Der Umfang der Abkühlung ΔT kann als Input für einen Regler zum Klopfvorhalt dienen, mittels dem effizientere Zündwinkel einregelbar sind; also ein Abstand zur Klopfgrenze verringerbar ist durch verbesserte (Vor-)Steuerung. Der Umfang der Abkühlung ΔT kann auch als Input für ein Temperaturmodell bei der Spitzentemperaturregelung in der Verbrennung dienen, zur Vermeidung von NOx-Rohemissionen in der Verbrennung, indem Temperatur-Peaks niedriger ausfallen.The extent of the cooling ΔT can be used as an input for a controller for knock advance, by means of which more efficient ignition angles can be adjusted; So a distance to the knock limit can be reduced by improved (pre-) control. The extent of the cooling ΔT can also serve as an input for a temperature model in the peak temperature control in the combustion to avoid raw NOx emissions in the combustion by lowering the temperature peaks.
In
Dabei ist der Zusammenhang zwischen der Luft- und der Kraftstoffmasse wie folgt:
Formelzeichen Bedeutung
- λ
- gemessenes Verbrennungsluftverhältnis (<1 = „fett“, 1 = stöchiometrisch, >1 = „mager“)
- Lst
- kraftstoffabhängige chemische Konstante, sog. stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis, typisch zwischen 14-16kg/kg z.B. für häufige Ottokraftstoffe
- λ
- Measured combustion air ratio (<1 = "rich", 1 = stoichiometric, >1 = "lean")
- Lst
- Fuel-dependent chemical constant, so-called stoichiometric fuel-air ratio, typically between 14-16kg/kg, for example for common petrols
Gleichung (2) in (1) ergibt
Im Ausführungsbeispiel erfolgt eine Substitution der Luftmasse über typische Motorsteuerungsgrößen: Die aktuelle Luftmasse im Zylinder wird zum Zwecke der korrekten Kraftstoffbeimengung in der Motorsteuerung geschätzt. Die bereits vorhandene Funktion dafür ist die sogenannte Lasterfassung. Sie schätzt eine relative Füllung „rf“ in Prozent. Die Füllung rf ist mit 100% definiert, wenn das max. Zylindervolumen bei Normbedingungen komplett mit Luft gefüllt wäre.
Formelzeichen Bedeutung
- rf
- relative Luftfüllung des Zylinders in %
- p0
- Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa)
- Vmax
- maximales Zylindervolumen im unteren Totpunkt der Kurbelwelle
- R
- ideale Gaskonstante
- T0
- Umgebungstemperatur unter Normbedingungen (293K)
- rf
- relative air filling of the cylinder in %
- p0
- Atmospheric pressure under standard conditions (1013hPa)
- V max
- maximum cylinder volume at bottom dead center of the crankshaft
- R
- ideal gas constant
- T0
- Ambient temperature under standard conditions (293K)
Gleichung (4) in (3) ergibt
Die Restgasfraktion ergibt sich anteilig aus der Gesamtmasse zu
Das Einsetzen von (6) in (5) und die Anwendung der idealen Gasgleichung für die Gesamtmasse in Gleichung (5) ergibt
Ein Auflösen der Gleichung nach der Temperatur T unter Kürzung von R ergibt
Unter Einführung der Konstante K0 für alle geeigneten Werte lassen sich die Gleichungen im Folgenden vereinfachen:
Formelzeichen Bedeutung
- V(α)
- Zylinder-Volumenwert zum Zeitpunkt der Temperaturermittlung
- V(α)
- Cylinder volume value at the time of temperature determination
Setzt man nun Gleichung (9) in (8) ein, so erhält man für die Temperatur:
Die Gleichung (10) kann zur Bestimmung der Zylindertemperatur
Falls die Einsparung von weiterer Rechenzeit online gewünscht ist, kann der rechte Bruch in Gleichung (10) auch noch weiter vereinfacht werden. Dies geschieht unter im Ergebnis hinnehmbarer Reduzierung der ansonsten erzielbaren Rechengenauigkeit.If it is desired to save further computing time online, the right-hand fraction in equation (10) can also be further simplified. This occurs with an acceptable reduction in the calculation accuracy that can otherwise be achieved.
Zu diesem Zweck wird das Wechselspiel der Parameter für einen entsprechenden Motorbetrieb abgeschätzt in ihren Extremen. Ein exemplarisches Zahlenset sieht im Ausführungsbeispiel aus wie folgt:
Im Falle einer Konstantannahme für K1 bietet sich an K1~0.8; die Gleichung (10) vereinfacht sich demnach zu:
Die Gleichung (11) kann analog zur Gleichung (10) für die Bestimmung der Zylindertemperatur
Im Folgenden soll die Bestimmung der Abkühlung ΔT im Fahrbetrieb durch die zündungsnahe Einspritzung E2 mittels des Steuermittels 2 mit Hilfe der in
Dazu werden zunächst einige Annahmen für die Berechnung der Abkühlung getroffen:
- Annahme 1: Schlagartige Einspritzung - der SOI und der EOI werden aus Gründen der Vereinfachung instantan gemeinsam angenommen. Diese Prämisse ist aufgrund der klassischen Mengenaufteilung (große Einspritzung im Saugtakt, kleine Einspritzung in Zündungsnähe) realitätsnah. Es kann für einen modellierten instantanen Einspritzzeitpunkt E2 angenommen werden, dass sich dieser in der Hälfte zwischen SOI und EOI befindet.
- Annahme 2: Schlagartige Verdampfung - es wird angenommen, dass der Verdampfungsvorgang für die gesamte Masse ohne Zeitdauer ist, sondern instantan erfolgt. Tendenziell werden die ermittelten Temperaturdeltas damit leicht überschätzt. Doch die Annahme ist aufgrund der vergleichsweise sehr kurzen Verdampfungsdauern (kleine Mengen, hohe Kompressionstemperaturen) ebenfalls akzeptierbar.
- Annahme 3: Schlagartige Durchmischung - auf Basis von schlagartiger Einspritzung und schlagartiger Verdampfung ist eine instantane Durchmischung die logische Konsequenz aufgrund guter Diffussionseigenschaften der gasförmigen Bestandteile. Sie erleichtert die Bilanzierung von Gesamtmassen im Brennraum.
- Assumption 1: Sluggish injection - the SOI and the EOI are assumed to be instantaneous for the sake of simplicity. This premise is realistic due to the classic quantity distribution (large injection in the suction cycle, small injection near the ignition). It can be assumed for a modeled instantaneous injection timing E2 that it is halfway between SOI and EOI.
- Assumption 2: Sudden vaporization - it is assumed that the vaporization process for the entire mass is instantaneous but does not take place in time. The determined temperature deltas tend to be slightly overestimated. But the assumption is also acceptable due to the comparatively very short evaporation times (small quantities, high compression temperatures).
- Assumption 3: Sudden mixing - based on sudden injection and sudden evaporation, instantaneous mixing is the logical consequence due to the good diffusion properties of the gaseous components. It simplifies the balancing of total masses in the combustion chamber.
Aus den drei Annahmen lässt sich für die Energiebilanz der Zündspritze ableiten: (A): dQw~0 (Wandwärme); (B): pdV=0 (Arbeitsterm); (C): dHLeck = 0 (Leckagen)The energy balance of the ignition spray can be derived from the three assumptions: (A): d Qw ~0 (wall heat); (B): pdV=0 (work term); (C): dH leak = 0 (leaks)
Mit den Annahmen ergibt sich die folgende Bilanzierung der Energien des Gemischs im Brennraum:
Da sich die Abkühlung nur wenig auf die isochore Wärmekapazität cv auswirkt, kann für cv Einigkeit in allen Termen angenommen werden und die Gleichung (12) vereinfacht sich zu:
Gleichung (10) stellt die mittlere Zylindertemperatur vor Einspritzung für Gleichung (13) zur Verfügung. Gleichung (13) kann damit die Abkühlung der Zylinderladung berechnen.Equation (10) provides the mean cylinder temperature before injection for Equation (13). Equation (13) can thus calculate the cooling of the cylinder charge.
Die benötigten Enthalpien können dazu wie folgt angenommen werden: The required enthalpies can be assumed as follows:
Die Aufwärmenthalpie hheatup = cp,KST flüssig · (Tevap - TKST) wird aufgewendet, um den Kraftstoff von seiner Ausgangstemperatur bis zur Verdampfungstemperatur zu erwärmen. Für die Evaluierung werden cp und Tevap aus einem Tabellenwerk für den jeweiligen Kraftstoff ausgelesen und im Steuergerät hinterlegt. Die Temperatur TKST, bei welcher der Kraftstoff (KST) flüssig eingespritzt wird, wird für die Vorsteuerung der Einspritzung zumeist vom Motor-SG mitgemessen und kann zur Verfügung gestellt werden.The heating enthalpy h heatup = c p,KST liquid · (T evap - T KST ) is used to heat the fuel from its initial temperature to the evaporation temperature. For the evaluation, c p and T evap are read from a table for the respective fuel and stored in the control unit. The temperature T KST at which the fuel (KST) is injected in liquid form is usually also measured by the engine control unit for the pilot control of the injection and can be made available.
Die Verdampfungsenthalpie hevap wird als Kraftstoffkonstante aus einem Tabellenwerk entnommen.The evaporation enthalpy h evap is taken from a table as a fuel constant.
Die Wärme des Dampfes vom Kraftstoff quantifiziert sich zu hvap = uvap(
In sehr grober, aber ausreichender Näherung kann für den flüssig eingespritzten Kraftstoff angenommen werden, dass die Differenz aus Brennwert und unterem Heizwert (beide aus Tabellenwerken erhältlich für gängige Kraftstoffe) mit der Kraftstofferwärmung und Verdampfung korrelieren:
Unter Hinnahme von akzeptablen Genauigkeitseinbußen kann damit die Gleichung (13) für die Steuergeräteanwendung wesentlich verschlankt werden zu, insbesondere wenn K3(T) = (H0 - Hu) im Bereich rund im TKST ermittelt wird.
Die Temperaturabsenkung ΔT durch die zweite, zündungsnahe Einspritzung E2 kann also bestimmt werden unter Zuhilfenahme von
- (i) Gleichung (10) durch Gleichung (13) mit größerer Genauigkeit, und/oder
- (ii) Gleichung (11) durch Gleichung (15) mit kleinerer, aber ausreichender Genauigkeit, die auf jeden Fall mit einer Rechenleistung zu bewerkstelligen ist, die für eine Echtzeit-Steuergeräteberechnung ausreicht.
- (i) Equation (10) by Equation (13) with greater accuracy, and/or
- (ii) Equation (11) by Equation (15) with smaller, but sufficient accuracy, which can be accomplished in any case with a computing power that is sufficient for a real-time control device calculation.
Sowohl Gleichung (10) als auch Gleichung (11) benötigt als variable Eingangsgröße eine Kenngröße p für den Druck im diagnostizierten Zylinder Z.Both Equation (10) and Equation (11) require a parameter p for the pressure in the diagnosed cylinder Z as a variable input variable.
Wie für diese Kenngröße p ein diagnostischer Zylinderdruck p̅zyl,diag ermittelt werden kann, kann der nachfolgenden Beschreibung zu den Gleichungen (16) - (31) entnommen werden, wobei φ1 dem Kurbelwinkel von P1 (beispielsweise KW=655°) und φ2 dem Kurbelwinkel von P2 (beispielsweise KW=673°) entspricht, und p̅zyl,diag = p̅zyl,diag,655-673 gilt.How a diagnostic cylinder pressure p̅ zyl,diag can be determined for this parameter p can be seen from the following description of equations (16) - (31), where φ 1 is the crank angle of P1 (e.g. KW=655°) and φ 2 corresponds to the crank angle of P2 (for example KW=673°), and p - cyl,diag = p - cyl,diag,655-673 applies.
Die Ermittlung basiert auf einer Druckbilanzierung des diagnostizierten Zylinders auf Basis des gemessenen Drehzahlverlaufs:
Formelzeichen Bedeutung
- J0, J
- Allg. / anteiliges Massenträgheitsmoment
- φ
- Winkelstellung der Kurbelwelle
- ω
- Winkelgeschwindigkeit
- Mtan
- Moment durch Gaskraft im Zylinder und oszillierender Massenkraft
- MR
- Moment durch Reibungsverluste
- ML
- Moment durch Lastabnahme
- MM
- Anteiliges Moment durch rotatorische Massenträgheit
- nmot
- Aktuell anliegende Motordrehzahl
- J0, J
- General / proportional mass moment of inertia
- φ
- Angular position of the crankshaft
- ω
- angular velocity
- Mtan
- Moment due to gas force in the cylinder and oscillating mass force
- MR
- moment due to friction losses
- ML
- moment due to load reduction
- mm
- Partial moment due to rotational mass inertia
- nmot
- Current engine speed
Durch Differentation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung:
Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:
Die Bilanzierung des Gleichanteils geht von einem stationären Betriebspunkt aus. Das mittlere bereitgestellte Moment hält die mittlere Drehzahl konstant, weil es korrespondiert mit den Momentenforderungen aus Last und Reibung.
„Wechselanteil“:
“Change share”:
Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs
Die entscheidenden Größen aus Gleichung (16) werden für die Auswertung weiter detailliert. Der Zusammenhang für das resultierende Moment aus der innerzylindrischen Gaskraft und der ergibt sich zu:
Formelzeichen Bedeutung
- AK
- Kolbendeckfläche = const.
- rK
- Wirkradius der Kurbelwelle entspricht halben Hub = const.
- 1P1
- Pleuellänge = const.
- mosz
- Oszillatorische Massenteil entspricht Kolbenbaugruppe und anteiliger Pleuelmasse = const.
- pzyl
- Im Zylinder vorherrschender Druck
- p0
- Referenzdruck, Kurbelgehäusedruck
- β(φ)
- Pleuelschwenkwinkel in Abhängigkeit der Kurbelwinkelstellung
- s̈(φ)
- Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit von der Kolbenstellung
- AK
- Piston top area = const.
- rK
- Effective radius of the crankshaft corresponds to half the stroke = const.
- 1P1
- connecting rod length = const.
- mosz
- Oscillating mass part corresponds to piston assembly and proportionate connecting rod mass = const.
- pcyl
- Pressure prevailing in the cylinder
- p0
- Reference pressure, crankcase pressure
- β(φ)
- Connecting rod swivel angle depending on the crank angle position
- s̈(φ)
- Piston acceleration as a function of piston position
Eine weitere Detaillierung der variablen Faktoren aus Gleichung (18) ergibt:
Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot (Quasistationarität) vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu:
Die Annahme führt zu einem Fehler, der vernachlässigt werden kann. Der Einfluss der Winkelbeschleunigung hat über das gesamte Kennfeld eine vernachlässigbar kleine Abweichung zur Folge.
Schubstangenverhältnis
Bezug zum Umgebungsdruck
Das Reibmoment aus Gleichung (13) kann verschiedenartig dargestellt werden. Es kann entweder ein Modell eingeführt werden, welches Messdaten für einen bestimmten Betriebspunkt der Diagnose widerspiegelt. Ein zielführender Ansatz hierbei wäre eine funktionale Verknüpfung des Terms mit der Drehzahl, der Last und der Öltemperatur.The friction torque from Equation (13) can be represented in different ways. Either a model can be introduced which reflects measurement data for a specific operating point of the diagnosis. A goal-oriented approach here would be a functional linking of the term with the speed, the load and the oil temperature.
Im Folgenden wird allerdings davon ausgegangen, dass die Diagnose in fest definierten Stationärlastpunkten durchgeführt wird. Dadurch lässt sich das Reibmoment für diesen Lastpunkt als unveränderlich annehmen.
Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt.
Eine geeignete Wahl von Diagnosekonstanten im stationären Betriebspunkt erlaubt eine einfache Applikation der Parameter im Nachhinein.A suitable choice of diagnosis constants in the stationary operating point allows a simple application of the parameters afterwards.
Die Auflösung von Gleichung (13) nach dem Gasmoment ergibt:
Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (24) bis (26) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante K_RM schlussfolgern:
Applikation der Diagnose:Application of the diagnosis:
In
Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (27) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet.
Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (18) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (19) bis (23) und Konstanten werden gekennzeichnet.
Nach Einsetzen von Gleichung (26) und (25) in Gleichung (24), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich:
Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (30) sind messbar zu den Zeitpunkten P1 und P2. Eine geeignete, an sich bekannte Indiziermesstechnik löst die nötigen physikalischen Größen kurbelwinkelbasiert oder zumindest gemittelt über mehrere Arbeitsspiele auf. Zusätzlich oder alternativ zur Indiziermesstechnik kann auf Daten eines geeigneten Betriebsmodells, beispielsweise der Motorsteuerung, zurückgegriffen werden. Die Kinematikkonstante KK kann tabelliert und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung eingesetzt werden.All pressure variables and speeds in equation (30) can be measured at points in time P1 and P2. A suitable indicator measurement technique known per se resolves the necessary physical variables based on the crank angle or at least averaged over several working cycles. In addition or as an alternative to the indication measurement technology, data from a suitable operating model, for example the engine control, can be accessed. The kinematic constant K K can be tabulated and used depending on the piston position.
Der Einfluss der Drehzahl nmot bezüglich der oszillatorischen Massen kann beispielsweise echtzeitfähig berechnet oder in Form einer Lookup-Tabelle eines geeignet hinterlegten Betriebsmodells bezüglich Drehzahl und Last auf dem Steuergerät abgelegt werden.The influence of the speed nmot with regard to the oscillatory masses can, for example, be calculated in real time or stored on the control unit in the form of a lookup table of a suitably stored operating model with regard to speed and load.
Die reduzierte Kolbenbeschleunigung (19) lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren:
Die Konstanten K1 und K2 können anhand von Referenzmessungen (Motorfunktion bzw. Ladungswechsel OK) bestimmt werden.The constants K 1 and K 2 can be determined using reference measurements (engine function or gas exchange OK).
Diagnoseablauf:Diagnosis process:
Nach Bestimmung der Applikationskonstanten K1 und K2 lässt sich die Gleichung (30) benutzen, um den diagnostischen Zylinderdruck aus der Drehzahländerung in der Kompression zu bestimmen:
Der diagnostische Zylinderdruck p̅zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während des Kompressionstakts des Zylinders.The diagnostic cylinder pressure p̅ zyl,diag is an indication of the pressure curve during the compression stroke of the cylinder.
Auf diese Weise kann im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 112 des diagnostizierten Zylinders Z der diagnostischen Zylinderdruck p̅zyl,diag = p̅zyl,diag,655-675 zum Zeitintervall t12 = t[P1;P2] ermittelt und für die Bestimmung der Absenkung des Temperaturniveaus ΔT verwendet werden.In this way, the diagnostic cylinder pressure p̅ zyl,diag = p̅ zyl,diag,655-675 can be determined during driving for the
Im Ausführungsbeispiel liegt während der Durchführung des Verfahrens ein Fahrbetrieb des Fahrzeugs vor, insbesondere ein Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors 1. Eine Live-Motorsteuerungs-Funktion liest im Fahrbetrieb kontinuierlich Drehzahlwerte n für die Kurbelwelle KT aus und bestimmt daraus eine Drehzahlentwicklung - vgl.
Wie in
- S10: Auswahl eines zu diagnostizierenden Zylinders Z1.
- S20: Bestimmen eines Diagnose-
Zeitfensters 112, das das zweite Einspritzen E2 von Kraftstoff in den ausgewählten Zylinder Z1 berücksichtigt. - S30:
Ermitteln einer Drehzahlentwicklung 101 desVerbrennungsmotors 1 während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität. - S40: in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung 101 im Diagnose-
Zeitfenster 112 wird eine Druckkennzahl pdiag für den Druck im Brennraum desZylinders im Diagnosezeitfenster 112 ermittelt. - S50: in Abhängigkeit von der ermittelten Druckkennzahl pdiag wird eine Referenztemperatur
T̅̅ (für den Zustand vor der zweiten Einspritzung E2) im identifizierten Zylinder Z1 ermittelt. - S60: in Abhängigkeit von der ermittelten Referenztemperatur
T̅̅ wird eine isochore Wärmekapazität cv ermittelt. - S70: Aufstellen einer Energiebilanz
- S71: Auflösen der Energiebilanz nach der Temperaturänderung (sprich Temperaturabsenkung) ΔT. Einsetzen des ermittelten Werts für die eine isochore Wärmekapazität cv bei der ermittelten Referenztemperatur T̅.
- S71: Durch Auflösen der Ermitteln der Absenkung ΔT des Temperaturniveaus in Abhängigkeit von der ermittelten Referenztemperatur und der ermittelten Nacheinspritztemperatur, insbesondere als Temperaturdifferenz der ermittelten Referenztemperatur und der ermittelten Nacheinspritztemperatur.
- S80: Ermitteln einer Nacheinspritztemperatur Tafter aus den ermittelten Werten für die Referenztemperatur T̅̅ und die Temperaturabsenkung ΔT.
- S10: Selection of a cylinder Z1 to be diagnosed.
- S20: Determination of a diagnosis time window 112, which takes into account the second injection E2 of fuel into the selected cylinder Z1.
- S30: determining a speed development 101 of the internal combustion engine 1 during the diagnosis time window 112 with a real-time capable sampling quality.
- S40: a pressure index p diag for the pressure in the combustion chamber of the cylinder in the diagnosis time window 112 is determined as a function of the speed development 101 determined in the diagnosis time window 112 .
- S50: a reference temperature is determined as a function of the determined pressure index p diag
T̅̅ (for the state before the second injection E2) determined in the identified cylinder Z1. - S60: depending on the determined reference temperature
T̅̅ an isochoric heat capacity c v is determined. - S70: Draw up an energy balance
- S71: Resolving the energy balance after the temperature change (i.e. temperature reduction) ΔT. Insertion of the determined value for the one isochoric heat capacity c v at the determined reference temperature T̅.
- S71: By resolving the determination of the reduction ΔT in the temperature level as a function of the determined reference temperature and the determined post-injection temperature, in particular as a temperature difference between the determined reference temperature and the determined post-injection temperature.
- S80: Determination of a post-injection temperature T after from the determined values for the reference temperature T - and the temperature reduction ΔT.
Im Ausführungsbeispiel sind verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung der bestimmten Werte der Temperaturabsenkung ΔT und/oder der Temperatur Tafter nach der zweiten Einspritzung E2 für Onboard-Diagnose 204 und/oder Offboard-Diagnose 208 und/oder Regelungsaufgaben 206 mittels der Motorsteuerung 2 vorgesehen (vgl.
Dazu werden kontinuierlich im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs oder Stationärmotors die ermittelten Werte in einem nichtflüchtigen Speicher 202 des Motorsteuergeräts 2 abgelegt bzw. zur weiteren Nutzung hinterlegt. Wenn beispielsweise für jeden Zylinder Z zu jeder Zündung der zugehörige Wert für die Temperaturabsenkung ΔT und/oder die Temperatur Tafter ausgewertet wird, wird in den Speicher 202 zu jeder Zündung ein neuer Wert ΔT und/oder Tafter abgespeichert - insbesondere mit Zeitstempel und/oder Ausgangswerten für die Ermittlung und/oder Angabe des diagnostizierten Zylinders, beispielsweise Z1.For this purpose, the determined values are continuously stored in a
Die abgespeicherten Werte ΔT und/oder Tafter können in Echtzeit, d.h. insbesondere sofort im Fahrbetrieb, beispielsweise einer Online-Diagnosekomponente 204 und/oder einer Motorregelung 206 der Motorsteuerung 2 bereitgestellt werden. Auch können die Werte ΔT und/oder Tafter zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in der Werkstatt, einem Offboard-Diagnoserechner 208 zur Verfügung gestellt werden.The stored values ΔT and/or T after can be made available in real time, ie in particular immediately during driving, for example to an online
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 22
- Einrichtungfurnishings
- 44
- Recheneinheitunit of account
- 66
- Erfassungseinheit für die Drehzahl der KurbelwelleCrankshaft speed acquisition unit
- 77
- Zylinderdruck-ErmittlungseinheitCylinder pressure determination unit
- 1010
- Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors über einen MotorzyklusTorque curve of the combustion engine over one engine cycle
- 1616
- Zylindertemperatur-ErmittlungseinheitCylinder temperature determination unit
- 1818
- Lambdasonde lambda probe
- 150150
- Diagramm DrehzahlentwicklungSpeed development diagram
- 101101
- Drehzahlverlaufspeed curve
- 112112
- Diagnose-Zeitfenster diagnostic time window
- 200200
- Motorsteuergerätengine control unit
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- SpeicherStorage
- 204204
- Diagnosekomponente einer MotorsteuerungDiagnostic component of an engine control
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- 208208
- Offboard-Diagnoserechner Offboard diagnostic calculator
- SxxSxx
- Verfahrensschritte process steps
- E2E2
- zweite, zündnahe Einspritzungsecond, near-ignition injection
- KTKT
- Kurbeltriebcrank drive
- KWweek
- Kurbelwinkelcrank angle
- LstLst
- stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis, Kraftstoff-spezifischstoichiometric fuel-air ratio, fuel specific
- mm
- Gasmasse im Zylindergas mass in the cylinder
- MM
-
Drehmoment eines Zylinders in
1 Torque of a cylinder in1 - nn
- Drehzahlrotational speed
- pp
- Zylinderdruckcylinder pressure
- pzyl,diagpcyl, diag
- Druckkennzahl, hier diagnostischer ZylinderdruckPressure index, here diagnostic cylinder pressure
- PP
- Messzeitpunkte zu Beginn und zu Ende des Diagnose-ZeitfenstersMeasurement times at the beginning and end of the diagnosis time window
- p0p0
- Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa)Atmospheric pressure under standard conditions (1013hPa)
- RR
- ideale Gaskonstanteideal gas constant
- rfrf
- relative Luftfüllung Zylinder (% der Füllung bei Normbedingungen)Relative cylinder air charge (% of charge at standard conditions)
- t12t12
- Zeitintervall des Diagnose-ZeitfenstersTime interval of the diagnosis time window
- T̅̅T̅̅
- Referenztemperatur des Gasgemischs vor zweiter EinspritzungReference temperature of the gas mixture before the second injection
- T0T0
- Umgebungstemperatur unter Normbedingungen (293K)Ambient temperature under standard conditions (293K)
- Taftertafter
- abgesenkter Temperaturwertlowered temperature value
- TzTz
- Temperaturniveau im Zylinder ohne zweite EinspritzungTemperature level in the cylinder without a second injection
- TE2TE2
- Temperaturniveau im Zylinder mit zweiter EinspritzungTemperature level in the cylinder with the second injection
- ΔTΔT
- Absenkung des Temperaturniveauslowering of the temperature level
- VV
- Zylindervolumencylinder volume
- VmaxV max
- maximales Zylindervolumen im unteren Totpunkt der Kurbelwellemaximum cylinder volume at bottom dead center of the crankshaft
- xrgxrg
- Restgasanteilresidual gas content
- ZZ
- Zylindercylinder
- ZZPZZP
- Zündzeitpunkt eines Zylindersignition timing of a cylinder
- λλ
- Verbrennungsluftverhältniscombustion air ratio
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102018209252 A1 [0071]DE 102018209252 A1 [0071]
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