DE10249342A1 - Verfahren zum Bestimmen des Restgaspartialdrucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen des Restgaspartialdrucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen des Restgaspartialdruckes in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine bei unterschiedlichem Verstellwinkel von Einlassventil (VWE) und/oder Auslassventil (VWA). Mit relativ wenig Aufwand lässt sich der Restgaspartialdruck im Brennraum auch bei Systemen mit stetig verstellbarem Einlass und Auslass zuverlässig dadurch bestimmen, dass den Restgaspartialdruck bezeichnende, in einem Prüffeld ermittelte Restgaswerte für einen frühesten Einlass-Verstellwinkel (FRWE) in einem ersten Kennfeld (FÜ) für eine frühe Überschneidung und für einen spätesten Auslass-Verstellwinkel (SPWA) in einem zweiten Kennfeld (SÜ) für eine späte Überschneidung vorgehalten werden, dass aus dem Einlass-Verstellwinkel (VWE) und dem Auslass-Verstellwinkel (VWA) ein Überschneidungswinkel, in dem sowohl Einlassventil als auch Auslassventil geöffnet sind, und ein Schwerpunktfaktor (FVW) berechnet werden, der einen Verstellwinkelschwerpunkt bezeichnet, und dass zum Bestimmen der Restgaswerte für einen Verstellwinkelbereich zwischen dem frühesten Einlass-Verstellwinkel (FRWE) und dem spätesten Auslass-Verstellwinkel (SPWA) zwischen den Restgaswerten der beiden Kennfelder (FÜ, SÜ) mit dem Schwerpunktfaktor (FVW) interpoliert wird (Fig. 1).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen des Restgaspartialdruckes in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine bei unterschiedlichem Verstellwinkel von Einlassventil und/oder Auslassventil.
  • Stand der Technik
  • Ein derartiges Verfahren wird (ohne vorhandenen druckschriftlichen Beleg) als bekannt vorausgesetzt. Zusammen mit dem Partialdruck der Luft bildet der Restgaspartialdruck den im Brennraum der Brennkraftmaschine herrschenden Druck, der z.B. von Motorsteuerungen mit elektromotorisch verstellbarer Drosselklappe neben anderen Größen benötigt wird. Zum Zeitpunkt, zu dem das Einlassventil schließt, herrscht Druckgleichheit zwischen Saugrohr und Brennraum, so dass mit einem im Saugrohr eingebauten Drucksensor der Brennraumdruck zu diesem Zeitpunkt gemessen werden kann. Die nach einer Verbrennung im Totvolumen des Brennraumes vorhandene Restgasmenge wird während des anschließenden Ansaugvorganges bei noch offenem Auslassventil infolge der vorherrschenden Druckverhältnisse vergrößert und bestimmt wegen des offenen Einlassventils auch den Restgaspartialdruck im Saugrohr mit. Eine gewisse Restgasmenge im Brennraum wirkt sich günstig aus auf die Konvertierung und Verringerung des NOx-Gehaltes bei der Abgasemission und auch auf den Verbrauch. Es ist bekannt, den Saugrohrdruck zu modellieren, um einen Drucksensor im Saugrohr zu sparen. Der Partialdruck der Luft im Saugrohr wird aus dem Signal eines Luftmassenstrommessers modelliert. Der Partialdruck des Restgases im Brennraum wird appliziert als Funktion von Motordrehzahl und Nockenwellenstellung. Die bisherige Bestimmung des Restgaspartialdruckes deckt nur Systeme ab, die allein die Einlassnocke stetig verstellen und allenfalls noch eine Zweipunktverstellung der Auslassnocke beinhalten. Bei zusätzlich stetig verstellbarer Auslassnocke bzw. stetig verstellbarem Verstellwinkel des Auslassventils lässt sich der Restgaspartialdruck mit den bekannten Maßnahmen nicht bestimmen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit dem auch der Restgaspartialdruck im Brennraum bei Systemen mit stetig veränderbarem Verstellwinkel des Einlassventils und des Auslassventils mit möglichst wenig Aufwand bestimmbar ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass den Restgaspartialdruck bezeichnende, in einem Prüffeld ermittelte Restgaswerte für einen frühen, z.B. den frühestmöglichen Einlass-Verstellwinkel in einem ersten Kennfeld für eine frühe Überschneidung und für einen späten, z.B. den spätestmöglichen Auslass-Verstellwinkel in einem zweiten Kennfeld für eine späte Überschneidung vorgehalten werden, dass aus dem Einlass-Verstellwinkel und dem Auslass-Verstellwinkel zu einem Überschneidungswinkel, in dem sowohl Einlassventil als auch Auslassventil geöffnet sind, ein Schwerpunktfaktor berechnet wird, der einen Verstellwinkelschwerpunkt bezeichnet, und dass zum Bestimmen der Restgaswerte für einen Verstellwinkelbereich zwischen dem frühen Einlass-Verstellwinkel und dem späten Auslass-Verstellwinkel zwischen den Restgaswerten der beiden Kennfelder mit dem Schwerpunktfaktor interpoliert wird.
  • Mit dieser Vorgehensweise werden der Verstellwinkel des Einlassventils (Einlass-Verstellwinkel) und des Auslassventils (Auslass-Verstellwinkel) in einen Überschneidungswinkel, beispielsweise Nockenwellenüberschneidungswinkel, und einen Schwerpunktfaktor der Verstellung umgarechnet. Der Überschneidungswinkel beeinflusst das Restgas stark, der Schwerpunktfaktor beeinflusst es schwach. Die unterschiedliche Beeinflussung ermöglicht, den Restgaspartialdruck als Funktion der beiden Kennfelder in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Überschneidungswinkel darzustellen, zwischen denen mit Hilfe des Schwerpunktfaktors interpoliert wird. Wegen der schwachen Abhängigkeit des Restgaspartialdrucks vom Schwerpunktfaktor bleiben die Fehler klein, die durch z.B. lineare Interpolation entstehen. Die Applikation kann sich auf die Bedatung der Kennfelder beschränken, die für den Schwerpunktfaktor 0 bzw. 1 gelten. Bei einfachen Ansprüchen an die Genauigkeit der Restgasbestimmung ermöglicht die Erfindung eine Füllungserfassung, die mit nur einem Sensor auskommt. Der Zusammenhang zwischen Luftmasse und Saugrohrdruck ist nämlich im Wesentlichen bekannt bzw. kann durch Versuche im Prüffeld ermittelt werden. Bei Verwendung eines an sich bekannten Luftmassenmessers, der üblicherweise vor der Drosselklappe angeordnet ist, kann der Saugrohrdruck modelliert werden. Bei Verwendung eines an sich ebenfalls bekannten Saugrohrdrucksensors, der üblicherweise hinter der Drosselklappe angeordnet ist, kann die Luftfüllung im Brennraum modelliert werden. Bei höheren Ansprüchen werden sowohl Luftmassenmesser als auch Saugrohrdrucksensor verwendet. Dann ermöglicht die Erfindung bei Ausfall eines Sensors die Fortsetzung des Betriebs in ausreichender Güte.
  • Eine für die Bestimmung des Restgaspartialdrucks im Saugrohr und infolge des bekannten Zusammenhangs auch im Brennraum besteht darin, dass der Schwerpunktfaktor so gebildet wird, dass er von Null bei frühem, insbesondere frühestem Einlass-Verstellwinkel auf Eins bei spätem, insbesondere spätestem Auslass-Verstellwinkel steigt.
  • Eine günstige Ausbildung, den Restgaspartialdruck mit wenig Aufwand zuverlässig zu ermitteln, besteht darin, dass der Schwerpunktfaktor aus dem Zusammenhang FVW = (Saktuell – Sfrüh) / (Sspät – Sfrüh) bestimmt wird, wobei Saktuell den aktuellen Schwerpunkt, Sfrüh den frühen Schwerpunkt bei frühem, beispiels weise frühestem Einlass-Verstellwinkel und Sspät den späten Schwerpunkt bei spätem, beispielsweise spätestem Auslass-Verstellwinkel bezeichnen.
  • Eine vorteilhafte Vorgehensweise bei der Berechnung ergibt sich dabei dadurch, dass der frühe Schwerpunkt (Sfrüh) aus der Beziehung Sfrüh = – ½ (GVW – 2* MAX (0; GVW – FRWE)) der späte Schwerpunkt (Sspä t) aus der Beziehung Sspät = + ½ (GVW – 2* MAX (0; GVW – SPWA)) und der aktuelle Schwerpunkt (Saktuell) aus der Beziehung Sa ktuell = ½ (VWA – VWE) bestimmt werden, wobei GVW den Gesamtverstellwinkel, FRWE den frühen, beispielsweise frühesten Einlass-Verstellwinkel, SPWA den späten, beispielsweise spätesten Auslass-Verstellwinkel, VWA den aktuellen Auslass-Verstellwinkel, VWE den aktuellen Einlass-Verstellwinkel und MAX (a; b) eine Funktion bezeichnen, die den größeren Wert aus a und b auswählt.
  • Verschiedene günstige Ausgestaltungen des Verfahrens bestehen darin, dass es in Verbindung mit einem Luftmassenmesser in einem Ansaugrohr zum Modellieren eines Saugrohrdruckes oder in Verbindung mit einem Saugrohrdrucksensor zum Modellieren der Luftfüllung im Brennraum bei an sich bekannter Beziehung zwischen Luftmasse und Saugrohrdruck verwendet wird oder dass es bei Vorhandensein sowohl eines Luftmassenmessers als auch eines Saugrohrdrucksensors zur Fortsetzung des Betriebes bei Ausfall eines der beiden Sensoren verwendet wird.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 Öffnungswinkelbereiche eines Einlassventils und eines Auslassventils sowie zugehörige Verstellwinkelbereiche,
  • 2 eine schematische Blockdarstellung zum Ermitteln von Restgaswerten bei verschiedenen Einlass- und Auslass-Verstellwinkeln,
  • 3 eine schematische Darstellung zur Lage eines aktuellen Schwerpunkts und
  • 4 eine schematische Darstellung zur Abhängigkeit eines frühesten Schwerpunkts und spätesten Schwerpunkts von einem Gesamtverstellwinkel.
  • Ausführungsbeispiel
  • Wie 1 zeigt, ist eine Restgasfüllung bzw. Restgasmenge und damit auch der Restgaspartialdruck im Brennraum oder entsprechend im Ansaugrohr in erster Näherung von einem Überschneidungswinkel, beispielsweise einem Nockenwellenüberschneidungswinkel abhängig, der den Bereich angibt, in dem sowohl ein Einlassventil als auch ein Auslassventil geöffnet sind und einen Einlass E bzw.
  • Auslass A bilden. Der Einlass E kann über einen Verstellbereich VBE und der Auslass A über einen Verstellbereich VBA variiert werden, indem ein Verstellwinkel des Einlassventils VWE bzw. ein Verstellwinkel VWA des Auslassventils z.B. durch entsprechende Verstellung einer betreffenden Nocke der Nockenwelle geändert werden. Eingezeichnet ist auch die Lage eines oberen Totpunktes OT des Kolbens in dem betreffenden Brennraum. Der Überschneidungswinkel wird vergrößert, wenn die Verstellung der Einlassnockenwelle aktiviert wird, die die Öffnung des Einlassventils nach früh verschiebt, und/oder die Verstellung der Auslassnockenwelle aktiviert wird, die das Schließen des Auslassventils nach spät schiebt. Anstelle mit der Nockenwelle ist es auch denkbar, das Einlassventil und Auslassventil mit einem anderen Stellglied zu betätigen.
  • Aus dem Verstellwinkel VWE des Einlassventils und dem Verstellwinkel VWA des Auslassventils wird deshalb ein Gesamtverstellwinkel GVW gebildet, der zusammen mit der zwischen den Verstellbereichen VBE und VBA liegenden Grundüberschneidung den größtmöglichen Überschneidungswinkel bildet.
  • Eine schwächere Abhängigkeit kommt von der Lage des Überschneidungswinkelbereichs. Die frühestmögliche Lage ergibt sich, wenn der Verstellwinkel VWE des Einlassventils zum frühestmöglichen Zeitpunkt verschoben ist, während die spätestmögliche Lage erreicht wird, wenn der Verstellwinkel VWA zum spätestmöglichen Zeitpunkt erstellt ist. Für die frühestmögliche Lage, d.h. die früheste Überschneidung wird ein erstes Kennfeld FÜ und für die spätestmögliche Lage, d.h. die späteste Überschneidung ein zweites Kennfeld SÜ vorgehalten, in denen abhängig von Motordrehzahl nmot und Gesamtverstellwinkel GVW bzw. Ge samtverstellhub am Prüfstand ermittelte Restgaswerte abgelegt werden, wie in 2 dargestellt.
  • Wenn sich die Gesamtverstellung nicht in den beiden genannten Lagen befindet, dann wird zwischen den beiden Kennfeldern FÜ, SÜ mit einem Schwerpunktfaktor FVW des Nockenwellenverstellwinkelschwerpunkts interpoliert. Dabei wird der Schwerpunktfaktor FVW so gebildet, dass er von Null bei frühestmöglicher Lage bis auf 1 bei spätestmöglicher Lage steigt. Die Restgaswerte RG ergeben sich entsprechend 2 aus der entsprechenden Gewichtung der in den beiden Kennfeldern FÜ, SÜ niedergelegten Restgaswerte. Beträgt der Schwerpunktfaktor FVW z.B. 0,4, so werden die Restgaswerte des ersten Kennfeldes FÜ mit 0,6 und die Restgaswerte des zweiten Kennfeldes SÜ mit 0,4 gewichtet und die gewichteten Restgaswerte zu den aktuellen Restgaswerten RG zusammengeführt.
  • Der Schwerpunktfaktor FVW wird aus der Beziehung FVW = (Saktuell – Sfrüh) / (Sspät – Sfrüh)bestimmt. Wie 3 zeigt, verschiebt sich der aktuelle Schwerpunkt Saktuell in Abhängigkeit von dem Winkel WE, bei dem das Einlassventil öffnet und dem Winkel WA, bei dem das Auslassventil schließt, und zwar in dem Bereich zwischen dem frühesten Einlass-Verstellwinkel FRWE, bei dem das Einlassventil öffnet, und dem spätesten Auslass-Verstellwinkel SPWA, bei dem das Auslassventil schließt.
  • 4 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit des frühesten Schwerpunktes Sfrüh, der bei frühestem Einlass-Verstellwinkel FRWE vorliegt, und des spätesten Schwerpunkts Ssp ä t, der bei spätestem Auslass-Verstellwinkel SPWA vorliegt, in Abhängigkeit von dem Gesamtverstellwinkel GVW. Der früheste Schwerpunkt Sfrüh wird aus der Beziehung Sfrüh = – ½ (GVW – 2* MAX (0; GVW – FRWE))bestimmt, während der späteste Schwerpunkt Ssp ä t aus der Beziehung Sspät = + ½ (GVW – 2* MAX (0; GVW – SPWA))bestimmt wird. Dabei bedeutet MAX (a; b) eine Funktion, die aus den Werten a und b den größeren auswählt. Der aktuelle Schwerpunkt Saktuell wird aus der Beziehung Saktuell = ½ (VWA – VWE)bestimmt.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Bestimmen des Restgaspartialdruckes in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine bei unterschiedlichem Verstellwinkel von Einlassventil (VWE) und/oder Auslassventil (VWA), dadurch gekennzeichnet, dass den Restgaspartialdruck bezeichnende, in einem Prüffeld ermittelte Restgaswerte für einen frühen Einlass-Verstellwinkel (FRWE) in einem ersten Kennfeld (FÜ) für eine frühe Überschneidung und für einen späten Auslass-Verstellwinkel (SPWA) in einem zweiten Kennfeld (SÜ) für eine späte Überschneidung vorgehalten werden, dass aus dem Einlass-Verstellwinkel (VWE) und dem Auslass-Verstellwinkel (VWA) zu einem Überschneidungswinkel, in dem sowohl Einlassventil als auch Auslassventil geöffnet sind, und ein Schwerpunktfaktor (FVW) berechnet wird, der einen Verstellwinkelschwerpunkt bezeichnet, und dass zum Bestimmen der Restgaswerte für einen Verstellwinkelbereich zwischen dem frühen Einlass-Verstellwinkel (FRWE) und dem späten Aus lass-Verstellwinkel (SPWA) zwischen den Restgaswerten der beiden Kennfelder (FÜ, SÜ) mit dem Schwerpunktfaktor (FVW) interpoliert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunktfaktor (FVW) so gebildet wird, dass er von Null bei frühem Einlass-Verstellwinkel (FRWE) auf Eins bei spätem Auslass-Verstellwinkel (SPWA) steigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 7 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunktfaktor (FVW) aus dem Zusammenhang FVW = (Saktuell – Sfrüh) / (Sspät – Sfrüh)bestimmt wird, wobei Saktuell den aktuellen Schwerpunkt, Sfrüh den frühen Schwerpunkt bei frühem Einlass-Verstellwinkel (FRWE) und Sspät den späten Schwerpunkt bei spätem Auslass-Verstellwinkel (SPWA) bezeichnen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der frühe Schwerpunkt (Sfrüh) aus der Beziehung Sfrüh= – ½ (GVW – 2* MAX (0; GVW – FRWE))der späteste Schwerpunkt (Sspät) aus der Beziehung Sspät = + ½ (GVW – 2* MAX (0; GVW – SPWA))und der aktuelle Schwerpunkt (Saktuell) aus der Beziehung Saktuell = ½ (VWA – VWE) bestimmt werden, wobei GVW den Gesamtverstellwinkel FRWE den frühen Einlass-Verstellwinkel, SPWA den späten Auslass-Verstellwinkel, VWA den aktuellen Auslass-Verstellwinkel, VWE den aktuellen Einlass-Verstellwinkel und MAX (a; b) eine Funktion bezeichnen, die den größeren Wert aus a und b auswählt.
  5. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit einem Luftmassenmesser in einem Ansaugrohr zum Modellieren eines Saugrohrdruckes oder in Verbindung mit einem Saugrohrdrucksensor zum Modellieren der Luftfüllung im Brennraum bei an sich bekannter Beziehung zwischen Luftmasse und Saugrohrdruck oder bei Vorhandensein sowohl eines Luftmassenmessers als auch eines Saugrohrdrucksensors zur Fortsetzung des Betriebes bei Ausfall eines der beiden Sensoren.
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