DE10314677A1

DE10314677A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10314677A1
Application number: DE10314677A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schiemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-14
Also published as: JP2004308651A; ITMI20040560A1; FR2853361B1; US20040211392A1; JP4478487B2; FR2853361A1; US7003391B2

Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine (10) strömt das Verbrennungsabgas nach Beendigung eines Arbeitstaktes über mindestens ein durch einen Aktor betätigtes Auslassventil (36) aus mindestens einem Brennraum (14) ab. Es wird ein Gasdruck bestimmt, welcher während des Arbeitstaktes im Brennraum (14) herrscht. Es wird vorgeschlagen, dass ein aktueller Öffnungshub des Auslassventils (36) ermittelt wird, dass aktuelle Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (10) ermittelt werden, welche diesen Öffnungshub beeinflussen, und dass auf der Basis des ermittelten aktuellen Öffnungshubs des Auslassventils (36) und der ermittelten aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine (10) ein aktueller Gasdruck in dem Brennraum (14) zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils (36) wenigstens näherungsweise ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der Verbrennungsabgas nach Beendigung eines Arbeitstaktes über mindestens ein durch einen Aktor betätigtes Auslassventil aus mindestens einem Brennraum abströmt, bei dem ein Gasdruck bestimmt wird, welcher während des Arbeitstaktes im Brennraum herrscht.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium für ein Steuer- und/oder Regelgerät einer Brennkraftmaschine, und ein Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt. Bei diesem wird der während eines Arbeitstaktes in einem Brennraum herrschende Gasdruck von einem Sensor, beispielsweise einem Piezogeber, direkt erfasst. Alternativ ist auch bekannt, einen mittleren Gasdruck im Brennraum während des Arbeitstaktes auf der Basis von Drehungleichförmigkeiten einer Kurbelwelle, also Schwankungen der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung, abzuschätzen. Die Kenntnis des Gasdrucks während des Arbeitstakts im Brennraum ermöglicht die Bestimmung des entsprechenden Drehmomentbeitrags der Verbrennung beziehungsweise der Lage des Verbrennungsschwerpunkts. Auch eine Beurteilung der Qualität der Verbrennung (beispielsweise unvollständige Verbrennung, Verbrennungsaussetzer, und so weiter) kann in Kenntnis des Gasdrucks im Brennraum durchgeführt werden. Dies alles ermöglicht es, die Brennkraftmaschine mit möglichst geringem Kraftstoffeinsatz bei geringer Emissionsabgabe und guter Laufruhe zu betreiben.
De vorliegende Endung hat die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterbilden, dass die Brennkraftmaschine noch ruhiger läuft und gleichzeitig preiswert baut.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Auslassventil mit variablem Öffnungshub verwendet wird, dass ein aktueller Öffnungshub des Auslassventils ermittelt wird, dass aktuelle Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ermittelt werden, welche diesen Öffnungshub beeinflussen, und dass auf der Basis des ermittelten aktuellen Öffnungshubs des Auslassventils und der ermittelten aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ein aktueller Gasdruck in dem Brennraum zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils wenigstens näherungsweise ermittelt wird.
Vorteile der Erfindung
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine direkte Messung des Gasdrucks im Brennraum während des Arbeitstaktes nicht mehr erforderlich. Die Installation eines entsprechenden Sensors, die vergleichsweise aufwändig ist, und der entsprechende und vergleichsweise teure Sensor können daher entfallen. Entsprechend werden bei der Herstellung der Brennkraftmaschine Kosten gespart. Der Wert des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten aktuellen Gasdrucks ist dabei sehr genau, jedenfalls genauer, als dies durch eine Abschätzung auf der Basis von Drehungleichförmigkeiten der Kurbelwelle möglich ist.
Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, dass bei einem von einem Aktor, beispielsweise einem Hydraulikzylinder, betätigten Auslassventil, welches also nicht von einer Nockenwelle angesteuert wird, der Öffnungshub und der der Öffnungsbewegung des Auslassventils entgegenwirkende Gasdruck im Brennraum miteinander verknüpft sind. Zwar wird der Öffnungshub eines beispielsweise hydraulisch betätigten Auslassventils auch noch von anderen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine beeinflusst; wenn diese jedoch, wie dies erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, bekannt sind beziehungsweise ermittelt werden, können diese berücksichtigt werden. So kann der aktuelle Gasdruck in dem Brennraum zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils aus dem aktuellen Öffnungshub mit großer Präzision ermittelt werden.
Wenn der ermittelte aktuelle Gasdruck mit dem tatsächlichen Gasdruck jedoch gut übereinstimmt, kann das entsprechende zylinderindividuelle und bei einer Verbrennung in einem Arbeitstakt erzeugte Drehmoment sehr genau bestimmt werden, was die genaue Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine insgesamt vereinfacht. Vor allem der Kraftstoffverbrauch, die Schadstoffemissionen, und die Laufruhe können so verbessert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Besonders bevorzugt ist es, wenn auf der Basis von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine für einen künftigen Arbeitstakt ein voraussichtlicher Gasdruck in dem Brennraum ermittelt wird, wenn, nachdem dieser Arbeitstakt durchgeführt worden ist, der für diesen Arbeitstakt ermittelte voraussichtliche Gasdruck mit dem für diesen Arbeitstakt ermittelten aktuellen Gasdruck verglichen wird, und wenn abhängig vom Ergebnis des Vergleichs ein Verfahren, mittels dem der voraussichtliche Gasdruck ermittelt wird, angepasst wird. Die Abschätzung eines voraussichtlichen Gasdrucks, welcher während eines künftigen Arbeitstaktes in einem Brennraum herrscht, ist erforderlich, um die entsprechenden Ansteuerparameter für die Ansteuerung des beispielsweise hydraulisch betätigten Auslassventils festzulegen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Abschätzung dieses voraussichtlichen Gasdrucks genauer und somit die Präzision der Ansteuerung des Auslassventils verbessert.
Dabei ist es auch möglich, dass auf der Basis von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine für einen künftigen Arbeitstakt ein voraussichtlicher Gasdruck in dem Brennraum ermittelt wird, dass, nachdem dieser Arbeitstakt durchgeführt worden ist, der für diesen Arbeitstakt ermittelte voraussichtliche Gasdruck mit dem für diesen Arbeitstakt ermittelten aktuellen Gasdruck verglichen wird, und dass abhängig vom Ergebnis des Vergleichs eine Information ausgegeben wird. So ist es beispielsweise denkbar, dass dann, wenn die Differenz zwischen dem voraussichtlichen Gasdruck und dem aktuellen Gasdruck ein bestimmtes Maß übersteigt, ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgt oder ein Signal an einen Benutzer der Brennkraftmaschine ausgegeben wird. Auf diese Weise können Fehlerzustände, beispielsweise Verbrennungsaussetzer, erkannt beziehungsweise dem Benutzer signalisiert werden.
Eine einfach zu programmierende Möglichkeit, um den aktuellen Gasdruck zu ermitteln, ist die folgende Formel:
wobei C0, C1, und C2 Koeffizienten sind, welche wenigstens zum Teil von den Öffnungshub des Auslassventils beeinflussenden Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine abhängen, und wobei hact der ermittelte Öffnungshub ist. Die Wurzelfunktion kann programmtechnisch beispielsweise in tabellarischer Form, d.h. als Kennlinie, oder entsprechend einer Näherungsformel, beispielsweise einer Näherung als Polynom, dargestellt werden.
Als vorteilhafte Vereinfachung wird vorgeschlagen, die angegebene allgemeine Formel näherungsweise durch ein Polynom zweiter Ordnung darzustellen, da der angegebene Zusammenhang in typischen Anwendungsfällen mit hoher Genauigkeit quadratisch approximierbar ist. Die vereinfachte Formel zur Bestimmung des aktuellen Gasdrucks lautet dann: paoact = C1·(hact-Co)+C2·(hact-Co)2
Diese Formel hat den Vorteil, dass sie besonders einfach zu programmieren ist und dass ein entsprechendes Programmstück sehr wenig Rechenzeit benötigt. Die in dieser Formel auftretenden neuen Koeffizienten sind hier der Einfachheit halber ebenfalls als C0, C1 und C2 bezeichnet. Es ist möglich und gegebenenfalls vorteilhaft, die neuen Koeffizienten in Abhängigkeit der Koeffizienten des ersten genannten Formelausdrucks darzustellen bzw. zu berechnen. Ein solcher Zusammenhang lässt sich ebenfalls sehr einfach programmieren und insbesondere dann vorteilhaft anwenden, wenn die ersten genannten Koeffizienten bereits bekannt sind und/oder auf einfache Weise berechnet werden können.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Koeffizienten C0, C1 und C2 mittels eines Polynomausdrucks mit linearen und quadratischen Termen bestimmt wird, in welche die den Öffnungshub beeinflussenden Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine einfließen. Auch dies ist einfach zu programmieren und benötigt nur einen geringen Speicherplatz. Gegebenenfalls kann der Koeffizient C2 auch einfach durch eine Konstante mit negativem Wert dargestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass mindestens einer der Koeffizienten C0, C1, und C2 mittels mindestens eines Kennfelds bestimmt wird, in welches Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine einfließen. Die Koeffizienten C0, C1, und C2 können auf diese Weise mit sehr hoher Präzision für beliebige Betriebszustände der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
Besonders gute Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens werden erzielt, wenn die Betriebsgrößen eine für den Ventilhub maßgebliche Ansteuerzeit einer Steuereinrichtung des Auslassventils, eine Drehzahl einer Kurbelwelle, eine Winkelstellung der Kurbelwelle zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils, einen mittleren Druck des Abgases stromabwärts vom Auslassventil zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils, eine Temperatur eines Hydraulikfluids, mit dem das Auslassventil betätigt wird, einen Druck dieses Hydraulikfluids, und/oder eine Masse eines im Brennraum eingeschlossenen Arbeitsgases umfassen. Dabei gilt, dass das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens umso präziser ist, je mehr Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bei der Bestimmung des Gasdrucks im Brennraum aus dem Öffnungshub des Auslassventils berücksichtigt werden.
Bei sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Verfahrens kann es vorteilhaft sein, zusätzlich auch die Masse des Gases im Brennraum als weitere Betriebsgröße in die erfindungsgemäße Berechnung des Gasdrucks einzubeziehen. Auf diese Weise wird auch ein Einfluss der Gastemperatur berücksichtigt. Die Verwendung der Gasmasse anstelle der Gastemperatur stellt dabei eine besonders bevorzugte Lösung dar, da die Gasmasse in typischen Fällen ohnehin im Zusammenhang mit der Steuerung der Brennkraftmaschine ermittelt wird bzw. ansonsten leicht aus anderen bekannten Größen berechenbar ist.
Vorgeschlagen wird auch, dass der Öffnungshub des Auslassventils mittels eines Hubsensors erfasst wird. Ein solcher kann relativ einfach platziert werden, da er nicht unmittelbar im oder am Brennraum, sondern beispielsweise in der Nähe eines Ventilstößels des Auslassventils angeordnet sein kann. An einer solchen Stelle sind auch die Temperaturbelastungen geringer, so dass ein vergleichsweise preiswerter Sensor verwendet werden kann. Wird ein Hubsensor verwendet, ist der Öffnungshub mit großer Genauigkeit bekannt, was wiederum der Genauigkeit bei der Bestimmung des aktuellen Gasdrucks zugute kommt.
Möglich ist aber auch, dass der Öffnungshub des Auslassventils aus der für den entsprechenden Schließvorgang erforderlichen Zeit ermittelt wird. Diese Zeit kann wiederum aus dem Beginn der Ansteuerung des Aktors bestimmt werden, durch welche der Schließvorgang des Auslassventils initiiert wird, sowie dem Ende des Schließvorgangs, das beispielsweise durch den beim Auftreffen des Auslassventils im Ventilsitz ausgelösten Körperschall detektiert werden kann. Dieser Schall kann auch bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen durch einen einzigen Sensor, beispielsweise einen ohnehin vorhandenen Klopfsensor, erfasst werden. Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also Kosten gespart.
Bei einem Computerprogramm wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst, indem es zur Durchführung des Verfahrens der obigen Art programmiert ist. Bei einem elektrischen Speichermedium wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf ihm ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist. Bei einem Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass es zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert ist.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und einem hydraulisch betätigten Auslassventil;
2 ein Diagramm, in dem ein Hub des Auslassventils von 1 über einem Gasdruck im Brennraum von 1 bei verschiedenen Ansteuerzeiten des Auslassventils auftragen ist; und
3 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1 zeigt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient vorliegend zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, welches in 1 nicht dargestellt ist. Bei der Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, von denen in 1 jedoch nur einer dargestellt ist, welcher das Bezugszeichen 12 trägt.
Zu dem Zylinder 12 gehört ein Brennraum 14, welcher bereichsweise von einem hin- und herbeweglichen Kolben 16 begrenzt wird. Über ein Pleuel 18 arbeitet der Kolben auf eine nur symbolisch dargestellte Kurbelwelle 20, deren Winkelstellung von einem Sensor 21 erfasst wird. Verbrennungsluft gelangt in den Brennraum 14 über einen Einlasskanal 22 und ein hydraulisch betätigtes Einlassventil 24. Die Menge der über den Einlasskanal 22 in den Brennraum 14 strömenden Frischluft wird von einem Sensor 26 erfasst. Bei diesem handelt es sich um einen Heißfilm-Luftmassenmesser, welcher auch als "HFM-Sensor" bezeichnet wird.
Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt über einen Injektor 28. Dieser wird von einem Kraftstoffsystem 30 gespeist. Ein im Brennraum 14 vorhandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 32 entzündet, welche von einem Zündsystem 34 gespeist wird. Bei der Verbrennung im Brennraum 14 entstehende Verbrennungsabgase werden über ein hydraulisch betätigtes Auslassventil 36 in einen Auslasskanal 38 abgeleitet. Der Öffnungshub eines in 1 nicht sichtbaren Ventilelements des Auslassventils 36 wird dabei von einem Hubsensor 40 erfasst. Die Brennkraftmaschine 10 hat also keine Nockenwelle zur Ansteuerung der Ventile 24 und 36.
Die hydraulische Betätigung des Auslassventils 36 erfolgt mittels Hydraulikleitungen 42 und 44, welche das Auslassventil 36 bzw. eine ihm zugeordnete hydraulische Betätigungseinrichtung (nicht sichtbar) mit einer hydraulischen Steuereinrichtung 46 verbinden. Wesentliche Elemente dieser hydraulischen Steuereinrichtung sind schnell schaltende Hydraulikventile (nicht dargestellt), die den Öffnungs- und Schließvorgang des Auslassventils 36 steuern. Über Sensoren 48 und 50 werden die Temperatur und der Druck des Hydraulikfluids erfasst, mit dem das Auslassventil 36 angesteuert wird. Das Einlassventil 24 wird analog betätigt.
Dabei können in einer tatsächlichen Ausführung des Systems einzelne Elemente oder Teilsysteme auch anders zusammengefasst sein als es in der schematischen Darstellung der 1 gezeigt ist. Beispielsweise können die in der Zeichnung dargestellten Einheiten 36 und 46 ganz oder teilweise in einer baulich integrierten Komponente zusammengefasst sein.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 52 gesteuert beziehungsweise geregelt. Dieses erhält Eingangssignale unter anderem vom HFM-Sensor 26, vom Stellungsgeber 21 der Kurbelwelle 20, vom Hubsensor 40, und vom Temperatursensor 48 und dem Drucksensor 50. Es steuert unter anderem das Kraftstoffsystem 30, das Zündsystem 34, und die hydraulische Steuereinrichtung 46 des Auslassventils 36 an.
Dazu berechnet das Steuer- und Regelgerät 52 auf der Basis der Eingangssignale auch weitere Betriebsgrößen wie beispielsweise eine Drehzahl nmot der Kurbelwelle 20, einen Abgasdruck pabg im Auslasskanal 38, und andere.
Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 können der Öffnungshub des Einlassventils 24 ebenso wie jener bzw. jene des Auslassventils 36 individuell an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 angepasst werden. Hierzu wird ein gewünschter Sollhub hsol in eine Ansteuerzeit tm eines elektromagnetischen Schaltventils innerhalb der hydraulischen Steuereinrichtung 46 umgerechnet.
Bei dieser Umrechnung werden wesentliche Einflussgrößen des hubbestimmenden Stellvorgangs und die bei diesem Stellvorgang wirksam werdenden Kräfte berücksichtigt. Zu diesen Einflussgrößen gehören Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 beziehungsweise der hydraulischen Steuereinrichtung 46, beispielsweise eine Temperatur Toil des Hydraulikfluids, welche vom Temperatursensor 48 erfasst wird, ein Druck Poil des gleichen Hydraulikfluids, welcher vom Drucksensor 50 erfasst wird, eine Drehzahl nmot der Kurbelwelle 20, welche vom Stellungsgeber 21 erfasst wird, sowie die auf das Auslassventil 36 wirkenden Kräfte aufgrund des im Brennraum 14 zu Beginn des Öffnungsvorgangs herrschenden Gasdrucks. Diese werden wiederum aus der Drehzahl nmot der Kurbelwelle 20, der Kurbelwellenstellung wao zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils 36, dem zum Zeitpunkt des Öffnens vorliegenden Abgasdruck pabg, und dem zum Zeitpunkt des Öffnens im Brennraum 14 herrschenden Gasdruck pao ermittelt.
Da zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ansteuerzeit tm festgelegt werden muss, der Gasdruck im Brennraum 14, welcher zu Beginn des Öffnungsvorgangs des Auslassventils 36 herrschen wird, noch nicht bekannt ist, wird ein entsprechender Gasdruck paopred vorhergesagt beziehungsweise geschätzt. Diese Schätzung geht dabei von für das betreffende Arbeitsspiel eingestellten Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 aus, wie beispielsweise einer Luftmasse, einer Restgasmasse, einer Kraftstoffmasse, und gegebenenfalls einem Zündwinkel und weiteren Parametern. Die Luftmasse wird beispielsweise über den HFM-Sensor 26 bestimmt. Auf diese Weise ergibt sich der in der folgenden Gleichung 1 angegebene Zusammenhang: tm = func_tm (h, Toil, Poil, nmot, wao, pabg, pao) (1)mit h = hsol und pao=paopred
Für die Steuerung und Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 ist die Kenntnis des tatsächlichen, also des aktuellen Gasdrucks im Brennraum 14 am Ende eines Arbeitstakts sehr wichtig. Um den aktuellen Gasdruck im Brennraum 14 am Ende eines Arbeitstakts zu bestimmen, wird der durch Gleichung 1 dargestellte Zusammenhang bezüglich der Zuordnung der Ansteuerzeit tm und des Hubs h umgekehrt. Hieraus ergibt sich die folgende Gleichung 2: h = func_hub (tm, Toil, Poil, nmot, wao pabg, pao) (2)
Die Funktion func_hub beschreibt allgemein die Abhängigkeit des resultierenden Ventilhubs h von der Ansteuerzeit tm und den Betriebsgrößen Toil, Poil, nmot, wao usw. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise empirisch durch Versuche an Motorprüfständen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen bestimmt werden. Wenn man dabei speziell die Abhängigkeit des Hubs h vom Gasdruck pao auswertet, zeigt sich, dass man diesen Zusammenhang in sehr guter Näherung mittels eines Polynoms zweiter Ordnung darstellen kann.
Dies ist aus der beispielhaften Kurvendarstellung in 2 gut zu erkennen. Dort ist der Ventilhub h als Funktion des Gasdrucks pao für drei Werte der Ansteuerzeit tm bei festem Winkel wao und festen Werten der Betriebsgrößen Poil, Toil, nmot und pabg aufgetragen. Die Kurven verlaufen nahezu linear mit einer negativen Steigung und einer schwachen Krümmung, die durch einen quadratischen Term in pao mit kleinem negativem Koeffizienten beschrieben werden kann. Die quadratische Näherung führt zur Gleichung 3: h = C0 + C1·pao + C2·pao2 (3)wobei C0 = func_C0(tm, Toil, poil, nmot, wao, pabg) (4) C1 = func_C1(tm, Toil, poil, nmot, wao, pabg) (5) C2 = func_C2(tm, Toil, poil, nmot, wao, pabg) (6)
Im speziellen Fall hängt der Koeffizient C2 nur in geringem Umfang von den aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine ab. Er kann dann in guter Näherung als Konstante angesetzt werden, welche einen negativen Wert hat. Allgemein kann man die Funktionen func_C0, func_C1 und func_C2 kann man ebenfalls in hinreichend guter Näherung durch Polynome mit linearen und quadratischen Termen ausdrücken. Zur Vereinfachung der Polynome kann es vorteilhaft sein, die Abhängigkeit vom Winkel wao der Kurbelwelle 20, bei dem das Auslassventil 36 öffnet, durch eine Abhängigkeit von einem Brennraumvolumen Vbr bei der Winkelstellung wao zu beschreiben. Auch eine auf die Winkelstellung der Kurbelwelle 20 bezogene Änderungsgeschwindigkeit des Brennraumvolumens eignet sich zur Vereinfachung des Polynoms. Beide Funktionen können auf einfache Weise z.B. als Kennlinie oder als Polynom in Abhängigkeit des Winkels wao dargestellt und berechnet werden.
Wenn man das Polynom zweiter Ordnung (obige Gleichung 3) auf einen ermittelten aktuellen Hub hact des Auslassventils 36 und einen entsprechenden aktuellen Gasdruck paoact bezieht, ergibt sich die unten stehende Gleichung 7: hact = C0 + C1·paoact + C2·paoact2 (7)
Die Auflösung dieses Polynoms zweiter Ordnung nach dem aktuellen Gasdruck paoact ergibt die unten stehende Gleichung 8:
Anhand der Gleichung 8 kann in Kenntnis des aktuellen Hubs hact des Auslassventils 36 und verschiedener Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10, aus denen die Koeffizienten C1, C2, und C3 ermittelt werden, der aktuelle Gasdruck paoact am Ende eines Arbeitstaktes des Zylinders 12 bestimmt werden. Ein entsprechendes Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert. Das Verfahren ist als Computerprogramm auf einem Speicher 54 des Steuer- und Regelgeräts 52 abgelegt.
Nach einem Startblock 56 wird in einem Block 58 der aktuelle Öffnungshub hact des Auslassventils 36 im aktuellen Arbeitstakt ermittelt. Hierzu werden die Signale des Hubsensors 40 verwendet. In Funktionsblöcken 60, 61 und 62 werden Koeffizienten C0, C1 und C2 bestimmt. Dies kann, wie oben erläutert, durch empirisch ermittelte Polynome func_C0, func_C1 und func_C2 geschehen oder beispielsweise auch mittels Kennfeldern. Die Funktionsblöcke 60 bis 62 verwenden dabei die Daten des Stellungsgebers 21 der Kurbelwelle 20, des HFM-Sensors 26, des Hubsensors 40, des Temperatursensors 48, des Drucksensors 50, und gegebenenfalls noch weiterer Sensoren, die in einem Block 63 für den aktuellen Arbeitstakt bereitgestellt werden.
Entsprechend ergeben sich in den Blöcken 64 bis 68 die Koeffizienten C0, C1 und C2. Der ermittelte aktuelle Hub hact sowie die Koeffizienten C0, C1, und C2 werden in einen Funktionsblock 70 eingespeist, in dem entsprechend der obigen Gleichung 8 der aktuelle Gasdruck paoact im Brennraum 14 zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils 36 ermittelt wird. Zur Berechnung der Quadratwurzelfunktion kann beispielsweise eine tabellarische Darstellung dieser Funktion als Kennlinie oder eine Darstellung als Polynom verwendet werden.
Vor dem aktuellen Arbeitstakt wurde in einem Block 72 auf der Basis von Betriebsgrößen BG der Brennkraftmaschine ein Gasdruck paopred (Block 72) mittels eines Funktionsblocks 74 für den aktuellen Arbeitstakt vorhergesagt. Zu den Betriebsgrößen BG gehört beispielsweise ein Zündwinkel, eine eingespritzte Kraftstoffmasse, ein Öffnungszeitpunkt des Auslassventils, eine Luftmasse, und so weiter. In 76 wird eine Differenz d zwischen dem vorhergesagten Gasdruck paopred und dem ermittelten aktuellen Gasdruck paoact gebildet. In 78 wird abhängig von der Differenz d die Funktion func_paopred, mittels der im Block 74 der Gasdruck paopred vorhergesagt worden war, angepasst. Ferner erfolgt abhängig von der Differenz d im Block 80 die Ausgabe einer Information INF. Dies kann beispielsweise einen Eintrag in einen Fehlerspeicher oder ein Warnsignal beinhalten, wenn die Differenz d einen bestimmten Wert überschreitet. Das Verfahren endet im Block 82.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird für die Berechnung von paoact anstelle der Gleichung (8) eine quadratische Näherung des Zusammenhangs von paoact und hact verwendet, die zu folgender Gleichung (9) führt: paoact = C1·(hact-C0)+C2·(hact-C0)2 (9)
Die Abarbeitung kann dabei im Wesentlichen wie bei dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß 3 erfolgen, mit dem Unterschied, dass paoact im Funktionsblock 70 entsprechend der Gleichung (9) ermittelt wird.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel wird der aktuelle Hub hact des Auslassventils 36 nicht mittels eines Hubsensors, sondern aus der für den Schließvorgang des Auslassventils 36 erforderlichen Zeit ermittelt. Der Beginn des Schließvorgangs kann dabei in guter Näherung mit dem Öffnungszeitpunkt eines Schaltventils der hydraulischen Steuereinrichtung 46 gleichgesetzt werden. Das Ende des Schließvorgangs wiederum kann beispielsweise durch den Schall detektiert werden, der beim Auftreffen des Ventilelements des Auslassventils 36 am entsprechenden Ventilsitz ausgelöst wird.
Weitere zur Bestimmung des Hubes benötigte Größen wie z.B. eine Verzugszeit des genannten Schaltventils und eine Schließgeschwindigkeit des Auslassventils können mittels Messungen empirisch bestimmt werden. Die entsprechenden Werte können beispielsweise tabellarisch als Kennfelder in Abhängigkeit der Betriebsgrößen Poil und Toil in einem Speicher 54 des Steuer- und Regelgeräts 52 abgelegt werden.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass anhand des ermittelten aktuellen Gasdrucks paoact nicht nur die Ermittlung des vorhergesagten Gasdrucks paopred adaptiert werden kann. Vielmehr kann auch die Steuerung anderer Größen, von denen der ermittelte aktuelle Gasdruck paoact abhängt, beispielsweise die Steuerung eines Zündwinkels, adaptiert bzw. verbessert werden. Dies ermöglicht es, die Brennkraftmaschine optimal zu steuern in Bezug auf die vom Fahrer gewünschte Leistung, den Kraftstoffverbrauch, die Abgasqualität und/oder die Laufruhe.
In dem oben ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Einlass- und Auslassventile durch elektrohydraulische Ventilsteller bewegt, die mit hydraulischer Hilfsenergie (Druckkraft) arbeiten. Die Steuerung des Kraftflusses erfolgt dabei elektrisch mittels schnell schaltender Hydraulikventile. In alternativen Ausführungen der Erfindung können die Motorventilsteller aber auch nach einem anderen Prinzip arbeiten, solange nur der Ventilhub individuell und vollvariabel eingestellt wird. Z.B. kann anstelle von hydraulischer auch elektrische oder pneumatische Hilfsenergie verwendet werden. Die Anwendung der vollvariablen Motorventilsteuerung kann sich auch auf die Auslassventile beschränken, wobei die Einlassventile z.B. konventionell mittels einer Nockenwelle verstellt werden. Des weiteren kann in alternativen Ausführungen der Erfindung auch von einer selbstzündenden Brennkraftmaschine und/oder von einer Kraftstoffzuführung im Einlasskanal ausgegangen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei der Verbrennungsabgas nach Beendigung eines Arbeitstaktes über mindestens ein durch einen Aktor betätigtes Auslassventil (36) aus mindestens einem Brennraum (14) abströmt, bei dem ein Gasdruck bestimmt wird, welcher während des Arbeitstaktes im Brennraum (14) herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Öffnungshub (hact) des Auslassventils (36) ermittelt wird (58), dass aktuelle Betriebsgrößen (tm, Toil, Poil, nmot, wao, pabg) der Brennkraftmaschine (10) ermittelt werden (63), welche diesen Öffnungshub (hact) beeinflussen, und dass auf der Basis des ermittelten aktuellen Öffnungshubs (hact) des Auslassventils (36) und der ermittelten aktuellen Betriebsgrößen (tm, Toil, Poil, nmot, wao, pabg) der Brennkraftmaschine (10) ein aktueller Gasdruck (paoact) in dem Brennraum (14) zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils (36) wenigstens näherungsweise ermittelt wird (70).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis von Betriebsgrößen (BG) der Brennkraftmaschine (10) für einen künftigen Arbeitstakt ein voraussichtlicher Gasdruck (paopred) in dem Brennraum (14) ermittelt wird (72), dass, nachdem dieser Arbeitstakt durchgeführt worden ist, der für diesen Arbeitstakt ermittelte voraussichtliche Gasdruck (paopred) mit dem für diesen Arbeitstakt ermittelten aktuellen Gasdruck (paoact) verglichen wird (76), und dass abhängig vom Ergebnis des Vergleichs ein Verfahren (func paopred), mittels dem der voraussichtliche Gasdruck (paopred) ermittelt wird, angepasst wird (78).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis von Betriebsgrößen (BG) der Brennkraftmaschine (10) für einen künftigen Arbeitstakt ein voraussichtlicher Gasdruck (paopred) in dem Brennraum (14) ermittelt wird (72), dass, nachdem dieser Arbeitstakt durchgeführt worden ist, der für diesen Arbeitstakt ermittelte voraussichtliche Gasdruck (paopred) mit dem für diesen Arbeitstakt ermittelten aktuellen Gasdruck (paoact) verglichen wird (76), und dass abhängig vom Ergebnis des Vergleichs eine Information (INF) ausgegeben wird (80).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Gasdruck (paoact) mittels folgender Formel ermittelt wird:
wobei C0, C1, und C2 Koeffizienten sind, welche wenigstens zum Teil von den Öffnungshub (hact) des Auslassventils (36) beeinflussenden Betriebsgrößen (tm, Toil, Poil, nmot, wao, pabg) der Brennkraftmaschine (10) abhängen, und wobei hact der ermittelte Öffnungshub ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Gasdruck (paoact) mittels folgender Formel ermittelt wird: paoact = C1·hact-C0)+C2·(hact-C0)2 wobei C0, C1, und C2 Koeffizienten sind, welche wenigstens zum Teil von den Öffnungshub (hact) des Auslassventils (36) beeinflussenden Betriebsgrößen (tm, Toil, Poil, nmot, wao, pabg) der Brennkraftmaschine (10) abhängen, und wobei hact der ermittelte Öffnungshub ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Koeffizienten C0, C1 und C2 mittels eines Polynoms (func_C0, func_C1, func_C2) mit linearen und quadratischen Termen bestimmt wird (60, 62), in welche die den Öffnungshub (hact) beeinflussenden Betriebsgrößen (tm, Toil, Poil, nmot, wao, pabg) der Brennkraftmaschine (10) einfließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Koeffizienten C0, C1, und C2 mittels mindestens eines Kennfelds bestimmt wird, in welches die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine einfließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgrößen eine für den Ventilhub maßgebliche Ansteuerzeit (tm) einer Steuereinrichtung (46) des Auslassventils (36), eine Drehzahl (nmot) einer Kurbelwelle (20), eine Winkelstellung (wao) der Kurbelwelle (20) zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils (36), einen mittleren Druck (pabg) des Abgases stromabwärts vom Auslassventil (36) zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslassventils (36), eine Temperatur (Toil) eines Hydraulikfluids, mit dem das Auslassventil (36) betätigt wird, einen Druck (Poil) dieses Hydraulikfluids, und/oder eine Masse eines im Brennraum eingeschlossenen Arbeitsgases umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungshub (hact) des Auslassventils (36) mittels eines Hubsensors (40) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungshub des Auslassventils aus der für den entsprechenden Schließvorgang erforderlichen Zeit ermittelt wird.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium (40) für ein Steuer- und/oder Regelgerät (52) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm nach Anspruch 11 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regelgerät (52) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 programmiert ist.