DE112015001954T5

DE112015001954T5 - Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Berechnen einer Wärmeerzeugungsratenwellenform

Info

Publication number: DE112015001954T5
Application number: DE112015001954.5T
Authority: DE
Inventors: Munenori IMAEDA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-02-10
Also published as: JPWO2015162970A1; CN106255816A; DE112015001954B4; US10196974B2; CN106255816B; US20170184019A1; JP6256599B2; WO2015162970A1

Abstract

Eine Ersthälften-Verbrennungsperiode wird zum Beispiel mit einer erforderlichen Genauigkeit einfacher als in bekannter Technik abgeschätzt/ausgewertet, während Mannstunden zum Produzieren einer Wärmeerzeugungsratenwellenform einer Brennkraftmaschine reduziert werden. Innerhalb einer Verbrennungszeitspanne eines Luft-Kraftstoff-Gemischs ist eine Zeitspanne von einem Zündzeitpunkt FA bis zu einer Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA, bei der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als die Ersthälften-Verbrennungsperiode a definiert, die einer von charakteristischen Werten der Wärmeerzeugungsratenwellenform ist. Die Ersthälften-Verbrennungsperiode a wird auf der Grundlage eines Inzylindervolumens bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit abgeschätzt, und weiter dadurch, dass sie unter Verwendung einer Exponentialfunktion der Motordrehzahl mit einem Wert abhängig von einem Taumelverhältnis als Exponent korrigiert wird. Folglich wird die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode a produziert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Berechnen einer Wärmeerzeugungsratenwellenform einer nach dem Ottoprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine und ein Verfahren dafür, und bezieht sich insbesondere auf eine Technik zum Erhalten einer Wärmeerzeugungsratenwellenform durch Konzentrieren von Aufmerksamkeit auf eine Zeitspanne von einer Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu einer Zeit, bei der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist (in dieser Beschreibung wird die vorgenannte Zeitspanne als eine ”Ersthälften-Verbrennungsperiode” bezeichnet).
Technischer Hintergrund
Konventionell wird die Wärmeerzeugungsrate in einem Zylinder durch die Wiebe-Funktion angenähert, um einen Verbrennungszustand einer Brennkraftmaschine auszudrücken. Mit der Wiebe-Funktion kann die Wärmeerzeugungsratenwellenform durch Identifizieren einer Vielzahl von Parametern geeignet ausgedrückt werden. Die Wiebe-Funktion wird dazu verwendet, die Wärmeerzeugungsrate oder die Verbrennungsmassenrate aufgrund einer Verbrennung in der Brennkraftmaschine abzuschätzen.
Zum Beispiel wird in einem Verfahren zum Bestimmen von Wiebe-Funktion-Parametern, das in einem Patentdokument 1 beschrieben ist, ein Formparameter m der Wiebe-Funktion durch einen vorbestimmten Ausdruck basierend auf einer Verbrennungsrate bei einem Kurbelwinkel, bei dem die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, identifiziert. Andere solcher Parameter, wie beispielsweise k, a/θ_p ^m+1 und θ_b werden ebenfalls durch die jeweiligen vorbestimmten Ausdrücke identifiziert, so dass die Wiebe-Funktion so bestimmt werden kann, dass sie mit einer hohen Genauigkeit an ein tatsächliches Wärmeerzeugungsmuster angepasst ist.
Das Patentdokument 1 beschreibt, dass es durch Bestimmen der Wiebe-Funktion durch Identifizieren der Vielzahl von Parametern wie beispielsweise m, k, a/θ_p ^m+1 und θ_b unter verschiedenen Betriebsbedingungen möglich ist, die Beziehungen zwischen den vorstehenden Parametern und Betriebsparametern (z. B. der Lastrate, der Drehzahl, des Luft-Kraftstoff-Gemisches und der Funkenzeit) der Brennkraftmaschine zu verstehen. Daher ist es unter Verwendung der wie vorstehend zu verstehenden Beziehungen möglich, die Wiebe-Funktion unter einer beliebigen Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine zu bestimmen, welches in einem akkuraten Ausdruck des Verbrennungszustands der Brennkraftmaschine resultiert.
Druckschriftlicher Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: JP 2007-177654 A

Kurzbeschreibung der Erfindung
Von der Erfindung zu lösendes Problem
Das Patentdokument 1 offenbart jedoch keinerlei bestimmtes Verfahren zum Identifizieren der Beziehungen zwischen den Parametern m, k, a/θ_p ^m+1 und θ_b der Wiebe-Funktion und den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine. Aus diesem Grund sollten die Parameter m, k, a/θ_p ^m+1 und θ_b tatsächlich unter nahezu allen Betriebsbedingungen identifiziert werden, um die Wiebe-Funktion unter den jeweiligen Betriebsbedingungen zu bestimmen. Das heißt, dass in dem konventionellen Verfahren noch immer Raum zum weiteren Reduzieren von Mannstunden zum Erzeugen bzw. Produzieren der Wärmeerzeugungsratenwellenform, und daher zum Reduzieren von Kosten, besteht.
Darüber hinaus kann in dem vorstehend beschriebenen Verfahren die gesamte Wärmeerzeugungsratenwellenform nur durch Identifizieren der jeweiligen Parameter m, k, a/θ_p ^m+1 und θ_b zum Bestimmen der Wiebe-Funktion ausgedrückt werden, so dass es basierend auf dem Vorstehenden möglich ist, den Verbrennungszustand auszuwerten. Daher ist es nicht möglich, zum Beispiel nur die Ersthälften-Verbrennungsperiode (die Zeitspanne von der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der Zeit, bei der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist) abzuschätzen und auszuwerten, ohne die gesamte Wärmeerzeugungsratenwellenform auszudrücken.
Die Erfindung erfolgte unter Berücksichtigung der vorstehenden Umstände. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, Mannstunden zum Produzieren (Berechnen) der Wärmeerzeugungsratenwellenform durch Fokussieren von Aufmerksamkeit auf die Ersthälften-Verbrennungsperiode, welche einer der Indizes ist, die den Verbrennungszustand repräsentieren, zu reduzieren, um einfach zum Beispiel die Ersthälften-Verbrennungsperiode abzuschätzen und auszuwerten, während eine erforderliche Genauigkeit sichergestellt wird.
Mittel zur Lösung des Problems
– Lösungsprinzipien der Erfindung –
Der Erfinder dieser Erfindung stellte als neu fest, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode, welche eine Zeitspanne von der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs durch Funkenzündung bis zu der Zeit, bei der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, durch die Motorlastrate, die Abgasrückführungs(EGR)-Rate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird, aber stark mit der physikalischen Größe zu der Zeit, zu der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, korreliert ist.
Die Lösungsprinzipien der Erfindung beruhen auf einer derart neuen Feststellung, welche darin bestehen, die Ersthälften-Verbrennungsperiode als einen von charakteristischen Werten der Wärmeerzeugungsratenwellenform zu verwenden, um die Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf der physikalischen Größe zu der Zeit, zu der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, abzuschätzen.
– Mittel zur Lösung –
Spezieller ist die Erfindung auf eine Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung gerichtet, die dazu konfiguriert ist, eine Wärmeerzeugungsratenwellenform einer nach dem Ottoprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine zu berechnen. In dieser Einrichtung ist innerhalb einer Verbrennungsperiode eines Luft-Kraftstoff-Gemischs eine Zeitspanne von einer Zündzeit bzw. einem Zündzeitpunkt bis zu einer Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, bei der einer Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als eine Ersthälften-Verbrennungsperiode definiert, die einer von charakteristischen Werten der Wärmeerzeugungsratenwellenform ist. Daher wir die Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf einer physikalischen Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit abgeschätzt, so dass die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode berechnet wird.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration wird dann, wenn die Wellenform der Wärmeerzeugungsrate aufgrund der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem Zylinder der Brennkraftmaschine berechnet wird, die Ersthälften-Verbrennungsperiode, welche eine Zeitspanne von der Zündzeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der dem Zeitpunkt des Maximums der Wärmeerzeugungsrate bzw. der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, bei dem bzw. der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als einer der charakteristischen Werte der Wärmeerzeugungsratenwellenform verwendet. Der Erfinder dieser Erfindung stellte als neu fest, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode durch die Betriebsbedingungen wie beispielsweise die Motorlastrate, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird, aber durch die physikalische Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit beeinflusst wird. Daher ist es durch Berechnen der Wärmeerzeugungsratenwellenform basierend auf der Ersthälften-Verbrennungsperiode nicht notwendig, die vorstehenden Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Verglichen mit der bekannten Technik, bei welcher die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Berücksichtigung (spezieller durch Ändern) der Betriebsbedingungen wie beispielsweise der Lastrate, der EGR-Rate, des Luft-Kraftstoff-Gemischs und der Öl-Wasser-Temperatur produziert wird (d. h. der Technik, bei welcher eine Vielzahl von Parametern wie beispielsweise ein Formparameter unter den verschiedenen Betriebsbedingungen unter Verwendung der Wiebe-Funktion identifiziert wird), ist es demgemäß möglich, Mannstunden zum Erzeugen bzw. Produzieren der Wärmeerzeugungsratenwellenform zu reduzieren, während eine ausreichende Genauigkeit gewährleistet wird.
Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die gesamte Wärmeerzeugungsratenwellenform zu erzeugen. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann nur die Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf der physikalischen Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit abgeschätzt werden. Daher ist es möglich, die Ersthälften-Verbrennungsperiode einfach abzuschätzen/auszuwerten, während eine erforderliche Genauigkeit gewährleistet wird.
Es wird berücksichtigt, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode durch eine Turbulenz in dem Zylinder stark beeinflusst wird. Spezieller wird berücksichtigt, dass dann, wenn die Turbulenz in dem Zylinder zunimmt, sich die Flamme schneller ausbreitet, welches in einer Abnahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode resultiert. Darüber hinaus ändert sich die Turbulenz in dem Zylinder in Übereinstimmung mit dem Inzylindervolumen bzw. Zylinderinnenvolumen. Das heißt, da sich das Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit vergrößert (d. h. da sich der Kolben in der Nähe des unteren Totpunkts im Verbrennungshub befindet), reduziert sich die Turbulenz in dem Zylinder. Wenn sich die Turbulenz in dem Zylinder verringert, breitet sich die Flamme langsamer aus, welches in einer Zunahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode resultiert. Aus diesem Grund verringert sich dann, wenn die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit auf der Verzögerungsseite der Zeit liegt, bei der der Kolben den oberen Verdichtungstotpunkt (TDC) erreicht, die Turbulenz in dem Zylinder, da das Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit zunimmt, welches in einer Zunahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode resultiert. Andererseits nimmt die Turbulenz in dem Zylinder zu, da bzw. wenn das Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit abnimmt, welches dazu führt, dass sich die Flamme schneller ausbreitet, und in einer Abnahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode resultiert. Auf diese Weise ist das Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit ein Parameter, der mit der Turbulenz in dem Zylinder korreliert ist. Daher wird es bevorzugt, die Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf dem Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit zu berechnen. In dieser Weise ist es möglich, die Ersthälften-Verbrennungsperiode zu berechnen, die den Einfluss der Turbulenz in dem Zylinder widerspiegelt, welches die Genauigkeit in der Abschätzung der Ersthälften-Verbrennungsperiode ausreichend gewährleistet, und ebenso die Verlässlichkeit der unter Verwendung der Ersthälften-Verbrennungsperiode berechneten Wärmeerzeugungsratenwellenform gewährleistet.
Darüber hinaus ändert sich die Turbulenz in dem Zylinder aufgrund der Motordrehzahl. Das heißt, wenn sich die Motordrehzahl verringert, verringert sich die Strömungsrate der Luft, die aus dem Ansaugsystem in den Zylinder strömt, welches zu einer Verringerung der Turbulenz in dem Zylinder führt. Wenn sich die Turbulenz in dem Zylinder verringert, breitet sich die Flamme langsamer aus, welches in einer Zunahme in der Ersthälften-Verbrennungsperiode resultiert. Andererseits nimmt dann, wenn die Motordrehzahl zunimmt, die Strömungsrate der Luft, die aus dem Ansaugsystem in den Zylinder strömt, zu, welches zu einer Zunahme der Turbulenz in dem Zylinder führt. Wenn die Turbulenz in dem Zylinder zunimmt, breitet sich die Flamme schneller aus, welches in einer Abnahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode resultiert. Daher ist die Motordrehzahl ebenfalls ein Parameter, der mit der Turbulenz in dem Zylinder korreliert ist. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode dadurch berechnet wird, dass sie mit einem Korrekturkoeffizienten basierend auf der Motordrehzahl (beispielsweise dem Korrekturkoeffizienten der Motordrehzahl) multipliziert wird. In dieser Weise ist es möglich, die Ersthälften-Verbrennungsperiode zu berechnen, die weiter den Einfluss der Turbulenz in dem Zylinder reflektiert, welches die Genauigkeit in der Abschätzung der Ersthälften-Verbrennungsperiode ausreichend gewährleistet und ebenfalls die Verlässlichkeit der unter Verwendung der Ersthälften-Verbrennungsperiode berechneten Wärmeerzeugungsratenwellenform gewährleistet.
Es wird bevorzugt, dass Beispiele des Korrekturkoeffizienten basierend auf der Motordrehzahl eine Exponentialfunktion der Motordrehzahl mit einem von einem Taumelverhältnis abhängigen Wert als Exponenten beinhalten. Zusammen mit der Motordrehzahl beeinflusst das Taumelverhältnis die Turbulenz in dem Zylinder stark. Daher ist es durch Verwenden der Exponentialfunktion der Motordrehzahl mit dem von dem Taumelverhältnis abhängigen Wert als Exponenten als den auf der Motordrehzahl basierenden Korrekturwert möglich, die Ersthälften-Verbrennungsperiode zu berechnen, die weiter den Einfluss der Turbulenz in dem Zylinder widerspiegelt, welches die Genauigkeit in der Abschätzung der Ersthälften-Verbrennungsperiode ausreichend gewährleistet.
Beispiele des spezifischen Verfahrens zum Berechnen der Ersthälften-Verbrennungsperiode beinhalten ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Festlegen einer virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit; und wiederholtes Berechnen durch Ändern der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, um zu ermitteln, ob die virtuelle Ersthälften-Verbrennungsperiode, die in Übereinstimmung mit der physikalischen Größe bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit erhalten wird, mit der Zeitspanne von der tatsächlichen Zündzeit bis zu der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit übereinstimmt. Das heißt, die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit wird festgelegt, und die virtuelle Ersthälften-Verbrennungsperiode zwischen der Zündzeit, die in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Funkenzeit erhalten wird, und der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit wird mit einer abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode verglichen, die auf der physikalischen Größe bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit basiert, um eine wahre Ersthälften-Verbrennungsperiode als die abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode zu berechnen, die mit der virtuellen Ersthälften-Verbrennungsperiode übereinstimmt. Daher wird die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der wahren Ersthälften-Verbrennungsperiode berechnet. In dieser Weise ist es möglich, die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit an die wahre Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit anzunähern. Demgemäß ist es möglich, die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit zum Abschätzen der Ersthälften-Verbrennungsperiode korrekt zu erhalten, welches in der Berechnung der Ersthälften-Verbrennungsperiode mit hoher Genauigkeit resultiert.
Beispiele der Wärmeerzeugungsrate, die unter Verwendung der vorstehenden berechneten Ersthälften-Verbrennungsperiode berechnet werden, beinhalten eine dreieckförmige Wellenform mit einer Kurbelwellenwinkelperiode von der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der Beendung der Verbrennung als einer Basis und der Wärmeerzeugungsrate bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit als einer Spitze. Durch Annähern der Wärmeerzeugungsratenwellenform durch die dreieckförmige Wellenform wird die Basis des Dreiecks, welche die Wärmeerzeugungsrate von der Zündzeit zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit ausdrückt, als die Ersthälften-Verbrennungsperiode definiert.
Es wird bevorzugt, dass die dreieckförmige Wellenform unter der Bedingung erzeugt wird, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode nicht durch zumindest eines aus der Motorlastrare, dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, der Abgasrückführungs(EGR)-Rate und der Öl-Wasser-Temperatur bestimmt wird, sondern nur durch das Inzylindervolumen (einen Parameter, der mit der Turbulenz in dem Zylinder korreliert ist) und die Motordrehzahl (ebenfalls ein Parameter, der mit der Turbulenz in dem Zylinder korreliert ist) bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit bestimmt wird. Das heißt, auch wenn sich die Motorlastrate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch, die EGR-Rate und die Öl-Wasser-Temperatur ändern, ändert sich die Ersthälften-Verbrennungsperiode nicht, so dass daher die dreieckförmige Wellenform unter der Bedingung erzeugt werden kann, dass die Änderung in der Ersthälften-Verbrennungsperiode dem Einfluss der Turbulenz in dem Zylinder entspricht. In dieser Weise ist es möglich, Mannstunden zum Erzeugen der Wärmeerzeugungsratenwellenform zu reduzieren.
Von einem anderen Standpunkt aus gesehen ist die Erfindung auf das Verfahren zum Berechnen der Wärmeerzeugungsratenwellenform einer nach dem Ottoprinzip arbeitenden Brennkraftmaschine gerichtet. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des: Definierens, innerhalb einer Verbrennungsperiode eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, der Zeitspanne von dem Zündzeitpunkt zu der Wärmerzeugungsraten-Maximalzeit, zu der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als die Ersthälften-Verbrennungsperiode, die einer von charakteristischen Werten der Wärmeerzeugungsratenwellenform ist; Abschätzens der Ersthälften-Verbrennungsperiode auf der Grundlage der physikalischen Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit; und Berechnens der Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode.
Wirkungen der Erfindung
In der Erfindung wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode von dem Zündzeitpunkt des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, bei der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als eine der charakteristischen Werte der Wärmeerzeugungsratenwellenform der Brennkraftmaschine verwendet, und wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf der physikalischen Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit abgeschätzt. Daher ist es möglich, Mannstunden zum Erzeugen der Wärmeerzeugungsratenwellenform zu reduzieren, und die Ersthälften-Verbrennungsperiode einfach abzuschätzen und auszuwerten, während eine erforderliche Genauigkeit gewährleistet wird, ohne die gesamte Wärmeerzeugungsratenwellenform zu erzeugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung und ihrer Eingabe/Ausgabe-Information gemäß einem Ausführungsbeispiel angibt.
2 ist ein Graph, der ein Beispiel einer Wärmeerzeugungsratenwellenform angibt, die von der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung ausgegeben wird.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das Schritte des Produzierens der Wärmeerzeugungsratenwellenform angibt, die von der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung durchgeführt wird.
4 ist ein Graph, der durch Experimente gemessene Ergebnisse von Änderungen in einer Zündverzögerungsperiode τ relativ zu Änderungen in einer Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei einer Funkenzeit SA in dem Fall einer Zündung vor dem oberen Verdichtungstotpunkt (nachstehend als ”BTDC-Zündung bezeichnet) angibt.
5 ist ein Graph, der Ergebnisse angibt, die durch Verifizieren der Beziehung zwischen einer vorhergesagten Zündverzögerungsperiode, berechnet durch einen Ausdruck (1), und einer tatsächlich gemessenen Zündverzögerungsperiode, gemessen durch eine tatsächliche Maschine, erhalten wurden.
6 ist ein Graph, der durch Experimente gemessene Ergebnisse von Änderungen in der Zündverzögerungsperiode τ relativ zu Änderungen in der Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei einer Zündzeit FA in dem Fall der Zündung nach dem oberen Verdichtungstotpunkt (nachstehend als eine ”ATDC-Zündung” bezeichnet) angibt.
7 ist ein Graph, der Ergebnisse angibt, die durch Verifizieren der Beziehung zwischen einer vorhergesagten Zündverzögerungsperiode, berechnet durch einen Ausdruck (2), und einer tatsächlich gemessenen Zündverzögerungsperiode, gemessen durch eine tatsächliche Maschine, erhalten wurden.
8 ist ein Graph, der die Zündzeit SA und die Wärmeerzeugungsratenwellenform bei bzw. in der BTDC-Zündung angibt.
9 sind Graphen, die die Zündzeit SA und die Wärmeerzeugungsratenwellenform bei bzw. in der ATDC-Zündung angeben. 9(a) zeigt den Fall, in welchem die Zündzeit SA vor dem oberen Totpunkt (BTDC) liegt, während 9(b) den Fall zeigt, in welchem die Zündzeit SA nach dem oberen Totpunkt (ATDC) liegt.
10 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angibt, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich nur in der Lastrate voneinander unterscheiden, durch Einstellen jeder Zündzeit SA so, dass jeweilige Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, wobei die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
11 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angibt, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander nur in der Abgasrückführungs(EGR)-Rate unterscheiden, durch Einstellen jeder Zündzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
12 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angibt, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander nur in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch unterscheiden, durch Einstellen jeder Zündzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
13 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angibt, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander nur in der Öl-Wasser-Temperatur unterscheiden, durch Einstellen jeder Zündzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
14 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angibt, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander in der Zündzeit bzw. dem Zündzeitpunkt SA unterscheiden, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
15 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angibt, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander nur in der Motordrehzahl Ne unterscheiden, durch Einstellen jeder Zündzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
16 ist ein Graph, der Ergebnisse angibt, die durch Verifizieren der Beziehung, in einem Motor, zwischen einer vorhergesagten Ersthälften-Verbrennungsperiode, berechnet durch einen Ausdruck (3), und einer tatsächlich gemessenen Ersthälften-Verbrennungsperiode, gemessen durch eine tatsächliche Maschine, erhalten wurden.
17 ist ein Graph, der Ergebnisse angibt, die durch Verifizieren der Beziehung, in einem anderen Motor, zwischen der vorhergesagten Ersthälften-Verbrennungsperiode, berechnet durch einen Ausdruck (3), und der tatsächlich gemessenen Ersthälften-Verbrennungsperiode, gemessen durch die tatsächliche Maschine, erhalten wurden.
18 sind Graphen, die die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angeben, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander nur in der Lastrate unterscheiden, durch Einstellen jeder Zündzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
19 sind Graphen, die die Wärmeerzeugungsratenwellenformen angeben, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander nur in der Zündzeit SA unterscheiden, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer einander überlappenden Weise gezeigt sind.
20 sind Graphen, die experimentell erhaltene Ergebnisse der Beziehung zwischen einer Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und dem Wärmeerzeugungsratengradienten b/a bei den jeweiligen Motordrehzahl Ne, die sich voneinander unterscheiden, angeben.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfindung auf eine Wärmeerzeugungsratenwellenformen-Berechnungseinrichtung zum Berechnen (Produzieren bzw. Erzeugen) einer Wärmeerzeugungsratenwellenform eines Fahrzeugbenzinmotors (Ottomotor) angewandt.
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 und ihrer Eingangs/Ausgangs- bzw. Eingabe/Ausgabe-Information gemäß diesem Ausführungsbeispiel angibt. Der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 werden verschiedene Teile von Information, wie beispielsweise eine Motorzustandsgröße, einer Steuergröße von Steuerparametern und eine physikalische Größe zugeführt. Beispiele der vorstehenden Eingangsinformation beinhalten eine Motordrehzahl, eine Lastrate, eine Zündzeit bzw. einen Zündzeitpunkt, eine EGR-Rate, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, eine Öl-Wasser-Temperatur und einen Öffnungs/Schließ-Zeitpunkt (Ventilsteuerzeiten) jedes Einlass/Auslass-Ventils. Darüber hinaus schätzt die Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 verschiedene charakteristische Werte bzw. Kennwerte einer Wärmeerzeugungsratenwellenform basierend auf jedem Teil zugeführter Information ab, unter Verwendung von Abschätzteilen 2 bis 5, in welchen jeweilige Abschätzmodelle gespeichert sind, und gibt die unter Verwendung der verschiedenen charakteristischen Werte produzierte Wärmeerzeugungsratenwellenform aus.
– Abschätzteil jedes charakteristischen Werts der Wärmeerzeugungsratenwellenform –
Die Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 beinhaltet: einen Zündverzögerungsabschätzteil 2, der ein Zündverzögerungsabschätzmodell speichert; einen Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteil 3, der ein Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzmodell speichert; einen Wärmeerzeugungsratengradienten-Abschätzteil 4, der ein Wärmeerzeugungsratengradienten-Abschätzmodell speichert; und einen Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil 5, der ein Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzmodell speichert. Die vorstehenden Abschätzteile schätzen jeweils eine Zündverzögerung, eine Ersthälften-Verbrennungsperiode, einen Wärmeerzeugungsratengradienten und eine Wärmeerzeugungsmenge als die charakteristischen Werte der Wärmeerzeugungsratenwellenform ab.
Der Zündverzögerungsabschätzteil 2 schätzt eine Periode bzw. Zeitspanne (nachstehend als eine ”Zündverzögerungsperiode” bezeichnet) von der Zeit, zu der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch eine Zündkerze eines Motors gezündet wird (nachstehend als eine ”Funkenzeit” bzw. ein ”Funkenzeitpunkt” bezeichnet, d. h. ausgehend von der Zeit, zu der eine Funkenentladung zwischen Elektroden der Zündkerze durchgeführt wird), bis zu der Zeit, zu der das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den Funken gezündet wird und sich ein anfänglicher Flammenkern ausbildet (nachstehend als eine ”Zündzeit” bzw. ein ”Zündzeitpunkt” bezeichnet), unter Verwendung des Zündverzögerungsabschätzmodells ab. Die Zündverzögerungsperiode wird durch einen Kurbelwellenwinkel [KW] bzw. [CA] repräsentiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zündzeit als eine Zeit definiert, zu der die Wärmeerzeugungsrate (Wärmeerzeugungsmenge pro Einheitskurbelwinkel der Rotation der Kurbelwelle) 1 [J/KW] nach der Zündzeit erreicht. Der vorstehende Wert ist nicht darauf beschränkt und kann geeignet festgelegt werden. Zum Beispiel kann die Zündzeit auf die Zeit festgelegt werden, zu der die Wärmeerzeugungsmenge nach der Funkenzeit eine vorbestimmte Rate (beispielsweise 5%) in Bezug auf die Gesamtwärmeerzeugungsmenge erreicht. Ferner kann die Zündzeit basierend auf einer Zeit, zu der die Rate der Wärmeerzeugungsmenge in Bezug auf die Gesamtwärmeerzeugungsmenge einen vorbestimmten Wert erreicht (beispielsweise eine Kurbelwinkelposition zu der Zeit, zu der die Rate 10% erreicht), und einer Zeit, zu der die Rate der Wärmeerzeugungsmenge einen anderen vorbestimmten Wert (beispielsweise eine Kurbelwinkelposition zu der Zeit, zu der die Rate 50% erreicht), definiert werden. Das heißt, ein Dreieck (Dreieckwellenform), das während eines Anstiegs der Wärmeerzeugungsrate an die Wärmeerzeugungsratenwellenform angenähert wird, wird basierend auf diesen Kurbelwinkelpositionen und den Raten der Wärmeerzeugungsmenge produziert, so dass die Zündzeit basierend auf der Dreieckwellenform definiert wird. Darüber hinaus kann die allgemeine Form der Wärmeerzeugungsratenwellenform während des Anstiegs der Wärmeerzeugungsrate angewandt werden, um die Wärmeerzeugungsratenwellenform so zu produzieren, dass die vorstehende Beziehung zwischen der Kurbelwinkelposition und der Rate der Wärmeerzeugungsmenge hergestellt wird, und daher die Zündzeit auf der Grundlage der vorstehenden Wärmeerzeugungsratenwellenform definiert werden kann. Die vorstehenden jeweiligen Werte sind nicht darauf beschränkt, und können geeignet festgelegt werden.
Der Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteil 3 schätzt in der Verbrennungsperiode des Luft-Kraftstoff-Gemischs die Ersthälften-Verbrennungsperiode von der Zündzeit zu einer Zeit, zu der die Wärmeerzeugungsrate in Übereinstimmung mit einem Wachstum des Flammenkerns maximal ist (d. h. einer Zeit, zu der innerhalb der Zeitspanne von der Funkenzeit bis zu der Verbrennungsbeendungszeit die Wärmeerzeugungsrate maximal wird), unter Verwendung des Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzmodells ab. Nachstehend wird eine Zeit, zu der die Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als eine ”Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit” bezeichnet. Die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und die Ersthälften-Verbrennungsperiode werden jeweils durch den Kurbelwinkel [KW] repräsentiert.
Der Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil 4 schätzt eine mittlere Anstiegsrate der Wärmeerzeugungsrate (Wärmeerzeugungsratengradient) relativ zu Änderungen in dem Kurbelwinkel in der Ersthälften-Verbrennungsperiode, d. h. der Zeitspanne von der Zündzeit zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, unter Verwendung des Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzmodells ab. In diesem Ausführungsbeispiel wird, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, die an die Wärmeerzeugungsratenwellenform angenäherte Dreieckwellenform produziert. Der Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil 4 dient dazu, einen Gradienten der geneigten Seite, die die Wärmeerzeugungsrate von der Zündzeit zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit in der Dreieckwellenform repräsentiert, abzuschätzen. Die Einheit des Gradienten der Wärmeerzeugungsrate wird durch [J/KW²] repräsentiert.
Der Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil 5 schätzt die durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs generierte Wärmeerzeugungsmenge (d. h. die über die gesamte Verbrennungsperiode generierte Wärmemenge, welche ein integrierter Wert der Wärmeerzeugungsrate in der Zeitspanne von der Zündzeit zu der Verbrennungsbeendungszeit ist) unter Verwendung des Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzmodells ab. Die Einheit der Wärmeerzeugungsmenge wird durch [J] repräsentiert.
Durch jeweilige Abschätzoperationen in den Abschätzteilen 2 bis 5 werden die charakteristischen Werte der Wärmeerzeugungsratenwellenform, d. h. die Zündverzögerung, die Ersthälften-Verbrennungsperiode, der Wärmeerzeugungsdatengradient und die Wärmeerzeugungsmenge, erhalten. Dann wird die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung dieser charakteristischen Werte produziert. Die so produzierte Wärmeerzeugungsratenwellenform ist die Ausgabe der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1.
Somit werden in der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wie in dem Ablaufdiagramm von 3 gezeigt, die folgenden Schritte sequenziell durchgeführt: Ein Betriebsablauf zum Abschätzen der Zündverzögerungsperiode durch den Zündverzögerungs-Abschätzteil 2 (Schritt ST1); ein Betriebsablauf zum Abschätzen der Ersthälften-Verbrennungsperiode durch den Ersthälften-Verbrennungsperiode-Abschätzteil 3 (Schritt ST2); ein Betriebsablauf zum Abschätzen des Wärmeerzeugungsratengradienten durch den Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil 4 (Schritt ST3); und einen Betriebsablauf zum Abschätzen der Wärmeerzeugungsmenge durch den Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil 5 (Schritt ST4). Dann wird ein Betriebsablauf zum Produzieren der Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der abgeschätzten charakteristischen Werte bzw. Kennwerte durchgeführt (Schritt ST5).
2 zeigt ein Beispiel der Wärmeerzeugungsratenwellenform, die unter Verwendung der durch die Abschätzteile 2 bis 5 abgeschätzten charakteristischen Werte produziert wird und die von der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 ausgegeben wird. In 2 repräsentiert die Zeit SA die Funkenzeit, und repräsentiert die Zeit FA die Zündzeit bzw. den Zündzeitpunkt. Daher repräsentiert die Zeitspanne τ in dem Graphen die Zündverzögerungsperiode. Darüber hinaus repräsentiert die Zeit dQpeakA die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, und die Wärmeerzeugungsrate bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA wird durch die Wärmeerzeugungsrate b in dem Graphen repräsentiert. Das heißt, die Wärmeerzeugungsrate b repräsentiert die maximale Wärmeerzeugungsrate in der Verbrennungsperiode. Darüber hinaus repräsentiert die Zeitspanne a von der Zündzeit FA bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA die Ersthälften-Verbrennungsperiode. Daher wird der Gradient der Wärmeerzeugungsrate in der Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch b/a repräsentiert. Ferner repräsentiert die Zeitspanne c von der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA bis zu der Verbrennungsbeendungszeit EA eine Zweithälften-Verbrennungsperiode. In dem Graphen repräsentiert Q1 die Wärmeerzeugungsmenge in der Ersthälften-Verbrennungsperiode a, und repräsentiert Q2 die Wärmeerzeugungsmenge in der Zweithälften-Verbrennungsperiode c. Somit wird die Wärmeerzeugungsmenge (Gesamtwärmeerzeugungsmenge Q_all), die über die gesamte Verbrennungsperiode generiert wird, als eine Summe der Wärmeerzeugungsmenge Q1 und der Wärmeerzeugungsmenge Q2 repräsentiert.
In anderen Worten nähert die Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 dieses Ausführungsbeispiels nähert die Wärmeerzeugungsratenwellenform durch die Dreieckwellenform mit der Kurbelwinkelperiode von der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der Verbrennungsbeendung (d. h. von FA bis EA in dem Graphen) als einer Basis und der Wärmeerzeugungsrate b bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA als einer Spitze an. In diesem Fall ist die Basis des Dreiecks, welche die Wärmeerzeugungsrate von der Zündzeit FA bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA repräsentiert, die Ersthälften-Verbrennungsperiode a. In diesem Ausführungsbeispiel werden die System-, Steuerungs- und Adaptivwerte unter Verwendung der Wärmeerzeugungsratenwellenform, die von der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 ausgegeben wird, überprüft, wenn ein Motor entworfen wird.
Nachstehend wird die Abschätzverarbeitung in jedem der Abschätzteile 2 bis 5 spezieller beschrieben.
– Zündverzögerungs-Abschätzteil –
Wie vorstehend beschrieben wurde, schätzt der Zündverzögerungs-Abschätzteil 2 die Zündverzögerungsperiode τ von der Funkenzeit SA bis zu der Zündzeit FA ab.
Die Verarbeitung zum Abschätzen der Zündverzögerungsperiode τ wird von dem Zündverzögerungs-Abschätzteil 2 wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
Die Zündverzögerungsperiode τ wird unter Verwendung einer der folgenden Abschätzungen (1) und (2) abgeschätzt (d. h. diese Ausdrücke entsprechen dem Zündverzögerungs-Abschätzmodell).
[Ausdruck 1]

τ = C₁ × ρ_fuel@SA ^χ × Ne^δ (1)

[Ausdruck 2]

τ = C₂ × ρ_fuel@FA ^ϕ × Ne^ψ (2)

In dem vorstehenden Ausdruck repräsentiert ρ_fuel@SA eine Inzylinder-Kraftstoffdichte bei der Funkenzeit SA (d. h. Inzylinder-Kraftstoffmenge [mol]/Inzylindervolumen [L] bei der Funkenzeit), während ρ_fuel@FA eine Inzylinder-Kraftstoffdichte bei der Zündzeit FA repräsentiert (d. h. Inzylinder-Kraftstoffmenge [mol]/Inzylindervolumen [L] bei der Zündzeit). Ne repräsentiert die Motordrehzahl. C₁, C₂, χ, δ, φ, ψ repräsentieren Koeffizienten, die jeweils durch Experimente und dergleichen bestimmt wurden.
Die vorstehenden Ausdrücke (1) und (2) gelten unter der Bedingung, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch das theoretische Luft-Kraftstoff-Gemisch ist, die EGR-Rate gleich null ist, der Aufwärmbetriebsablauf des Motors beendet ist (d. h. die Öl-Wasser-Temperatur ein vorbestimmter Wert oder höher ist), und die Öffnungs/Schließ-Zeit des Einlassventils fest ist.
Der Ausdruck (1) dient zum Berechnen der Zündverzögerungsperiode τ, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf einer in Richtung früh verstellten Seite (BTDC) der Zeit gezündet wird, zu der der Kolben den oberen Verdichtungstotpunkt (TDC) erreicht (nachstehend als ”BTDC-Zündung” bezeichnet). Der Ausdruck (2) dient zum Berechnen der Zündverzögerungsperiode τ, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf einer in Richtung spät verstellten Seite (ATDC) der Zeit gezündet wird, zu der der Kolben den oberen Verdichtungstotpunkt (TDC) erreicht (nachstehend als ”ATDC-Zündung” bezeichnet).
Wie in den Ausdrücken gezeigt, wird die Zündverzögerungsperiode τ durch den arithmetischen Ausdruck mit der Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fue und der Motordrehzahl bei einer vorbestimmten Zeit Ne als Variablen berechnet.
Der Grund, weshalb die Zündverzögerungsperiode τ durch die vorstehenden Ausdrücke berechnet werden kann, wird nachstehend beschrieben.
4 ist ein Graph, der anhand von Experimenten gemessene Ergebnisse von Änderungen in der Zündverzögerungsperiode τ relativ zu Änderungen in der Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA in dem Fall der BTDC-Zündung zeigt. Diese Experimente wurden unter der Bedingung durchgeführt, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch das theoretische Luft-Kraftstoff-Gemisch war, die EGR-Rate gleich null war, der Aufwärmbetriebsablauf des Motors beendet wurde (d. h. die Öl-Wasser-Temperatur der vorbestimmte Wert oder höher ist), und die Öffnungs/Schließ-Zeit des Einlassventils fest war. Darüber hinaus nimmt in 4 die Motordrehzahl Ne in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”Δ”; ”☐”; ”♢”; ”x”; ”+”; und ”∇”. Zum Beispiel repräsentiert ”o” 800 1/min, repräsentiert ”Δ” 1000 1/min, repräsentiert ”☐” 1200 1/min, repräsentiert ”♢” 1600 1/min, repräsentiert ”x” 2400 1/min, repräsentiert ”+” 3200 1/min und repräsentiert ”∇” 3600 1/min.
Wie in 4 gezeigt, ist in dem Fall der BTDC-Zündung die Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA mit der Zündverzögerungsperiode τ für jede Motordrehzahl Ne korreliert. Das heißt, jede Korrelation kann im Wesentlichen durch eine entsprechende Kurve ausgedrückt werden. In 4 wird für jeden Fall, in welchem die Drehzahl Ne 1000 1/min und 2400 1/min ist, ist die entsprechende Korrelation zwischen der Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA und der Zündverzögerungsperiode τ durch eine Kurve ausgedrückt.
Wie in 4 gezeigt, nimmt die Zündverzögerungsperiode τ mit zunehmender Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA ab. Die Ursache hierfür besteht wahrscheinlich in der Tatsache, dass mit zunehmender Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA die Anzahl von Kraftstoffmolekülen um die Zündkerze herum zunimmt, welches nach dem Funken der Zündkerze in einem rapiden Anwachsen des Flammenkerns resultiert. Darüber hinaus beeinflusst die Motordrehzahl Ne die Zündverzögerungsperiode τ. Das heißt, wenn die Motordrehzahl Ne zunimmt, nimmt die Zündverzögerungsperiode τ ab. Die Ursache hierfür besteht wahrscheinlich in der Tatsache, dass dann, wenn die Motordrehzahl Ne zunimmt, eine Turbulenz in der Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemischs (nachstehend einfach als ”Turbulenz” bezeichnet) in dem Zylinder zunimmt, welches in einem rapiden Anwachsen des Flammenkerns resultiert. Somit sind die Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA und die Motordrehzahl Ne bei der Funkenzeit SA Parameter, die die Zündverzögerungsperiode τ beeinflussen.
5 ist ein Graph, der Ergebnisse zeigt, die durch Verifizieren der Beziehung zwischen einer vorhergesagten Zündverzögerungsperiode, berechnet durch den Ausdruck (1), und einer tatsächlich gemessenen Zündverzögerungsperiode, gemessen durch eine tatsächliche Maschine, erhalten wurde. Um die vorhergesagte Zündverzögerungsperiode zu erhalten, wird ein Vorhersageausdruck verwendet, welcher durch Identifizieren jedes Koeffizienten C₁, χ, und δ in dem Ausdruck (1) in Übereinstimmung mit jeder Motorbetriebsbedingung erhalten wird. In 5 nimmt die Motordrehzahl Ne in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”Δ”; ”☐”; ”♢”; ”x”; ”+”; ”∇”; und ”✩”. Zum Beispiel repräsentiert ”o” 800 1/min, repräsentiert ”Δ” 1000 1/min, repräsentiert ”☐” 1200 1/min, repräsentiert ”♢” 1600 1/min, repräsentiert ”x” 2000 1/min, repräsentiert ”+” 2400 1/min, repräsentiert ”∇” 3200 1/min und repräsentiert ”✩” 3600 1/min.
Wie klar in 5 gezeigt ist, stimmt die vorhergesagte Zündverzögerungsperiode im Wesentlichen mit der tatsächlich gemessenen Zündverzögerungsperiode überein. Somit ist klar ersichtlich, dass die Zündverzögerungsperiode in dem Fall der BTDC-Zündung mit einer hohen Genauigkeit durch den Ausdruck (1) berechnet wird.
6 ist ein Graph, der durch Experimente gemessene Ergebnisse von Änderungen in der Zündverzögerungsperiode τ relativ zu Änderungen in der Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA in dem Fall der ATDC-Zündung zeigt. Diese Experimente wurden unter der Bedingung durchgeführt, dass die Motordrehzahl fest war, das Luft-Kraftstoff-Gemisch das theoretische Luft-Kraftstoff-Gemisch war, die EGR-Rate gleich null war, der Aufwärmbetriebsablauf des Motors beendet war (d. h. die Öl-Wasser-Temperatur der vorbestimmte Wert oder höher war), und die Öffnungs/Schließ-Zeit des Einlassventils fest war. Darüber hinaus nimmt in 6 die Lastrate in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”x”; ”+”; und ”Δ”. Zum Beispiel repräsentiert ”o” 20% Lastrate, repräsentiert ”x” 30% Lastrate, repräsentiert ”+” 40% Lastrate und repräsentiert ”Δ” 50% Lastrate.
Wie in 6 gezeigt, ist in dem Fall der ATDC-Zündung die Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA unabhängig von der Lastrate (ungeachtet der Lastrate) mit der Zündverzögerungsperiode τ korreliert. Das heißt, die Korrelation kann im Wesentlichen durch eine Kurve ausgedrückt werden.
Wie in 6 gezeigt, nimmt dann, wenn die Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA zunimmt, die Zündverzögerungsperiode τ ab. Wie vorstehend beschrieben wurde, besteht der Grund hierfür wahrscheinlich in der Tatsache, dass dann, wenn die Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA zunimmt, die Anzahl von Kraftstoffmolekülen um die Zündkerze zunimmt, welches nach dem Funken der Zündkerze in einem rapiden Anwachsen des Flammenkerns resultiert. Somit ist die Inzylinder-Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA ein Parameter, der die Zündverzögerungszeit τ beeinflusst. Darüber hinaus wird, ähnlich zu dem Vorstehenden, die Motordrehzahl Ne als ein Parameter betrachtet, der die Zündverzögerungsperiode τ beeinflusst.
7 ist ein Graph, der Ergebnisse anzeigt, die durch Verifizieren der Beziehung zwischen der vorhergesagten Zündverzögerungsperiode, berechnet durch den Ausdruck (2), und der tatsächlich gemessenen Zündverzögerungsperiode, gemessen durch eine tatsächliche Maschine, erhalten wurde. Um die vorhergesagte Zündverzögerungsperiode zu erhalten, wird ein Vorhersageausdruck verwendet, welcher durch Identifizieren jedes Koeffizienten C₂, φ, und ψ in dem Ausdruck (2) in Übereinstimmung mit jeder Motorbetriebsbedingung erhalten wird. In 7 nimmt die Motordrehzahl Ne in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”x”; ”+”; und ”Δ”. Zum Beispiel repräsentiert ”o” 800 1/mm, repräsentiert ”x” 1200 1/mm, repräsentiert ”+” 3600 1/mm und repräsentiert ”Δ” 4800 1/min.
Wie klar in 7 gezeigt ist, stimmt die vorhergesagte Zündverzögerungsperiode im Wesentlichen mit der tatsächlich gemessenen Zündverzögerungsperiode überein. Somit ist klar ersichtlich, dass die Zündverzögerungsperiode in dem Fall der ATDC-Zündung mit einer hohen Genauigkeit durch den Ausdruck (2) berechnet wird.
Aus dem vorstehend beschriebenen neuen Wissen leitete der Erfinder dieser Erfindung die vorstehenden Ausdrücke (1) und (2) ab.
Nachstehend wird der Grund beschrieben, weshalb die Zündverzögerungsperiode τ dadurch berechnet wird, dass sie in Übereinstimmung mit der Zündzeit bzw. dem Zündzeitpunkt klassifiziert wird. Das heißt, der Grund, weshalb die BTDC-Zündung und die ATDC-Zündung klassifiziert werden, um die jeweiligen Zündverzögerungsperioden τ unter Verwendung der unterschiedlichen arithmetischen Ausdrücke (der vorstehenden Ausdrücke (1) und (2)) zu berechnen.
Zunächst ist in dem Fall der BTDC-Zündung die Funkenzeit SA ebenfalls auf der frühen Seite (BTDC) der Zeit, zu der der Kolben den oberen Verdichtungstotpunkt erreicht, wie in 8 (Figur, die die Funkenzeit SA und die Wärmeerzeugungsratenwellenform zeigt) gezeigt. In diesem Fall bewegt sich, nachdem die Funkenzeit SA verstreicht, der Kolben in Richtung des oberen Verdichtungstotpunkts. Folglich nimmt das Inzylindervolumen ab, welches dazu führt, dass die Kraftstoffdichte ρ_fuel zunimmt. Aus diesem Grund ist bezüglich der Kraftstoffdichte ρ_fuel die Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA kleiner als die Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA. Somit ist es möglich, durch Multiplizieren der Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA, welche mit dem maximalen Wert der Zündverzögerungsperiode (der längsten vorhergesagten Zündverzögerungsperiode) korreliert ist, mit den zuvor identifizierten, verschiedenen Koeffizienten die Zündverzögerungsperiode τ mit einer hohen Genauigkeit zu erhalten.
Andererseits ist in dem Fall der ATDC-Zündung die Funkenzeit SA auf der frühen Seite (BTDC) der Zeit, zu der der Kolben den oberen Verdichtungstotpunkt (vgl. 9(a)) oder auf der späten Seite (ATDC) (vgl. 9(b)), wie in den 9 (Figuren, die die Funkenzeit SA und die Wärmeerzeugungsratenwellenform zeigen) gezeigt. In diesen Fällen bewegt sich, nachdem die Zündzeit FA verstreicht, der Kolben in Richtung des unteren Verdichtungstotpunkts. Somit nimmt das Inzylindervolumen zu, welches dazu führt, dass die Kraftstoffdichte ρ_fuel abnimmt. Aus diesem Grund ist bezüglich der Kraftstoffdichte ρ_fuel die Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA wahrscheinlich kleiner als die Kraftstoffdichte ρ_fuel@SA bei der Funkenzeit SA. Daher ist es möglich, die Zündverzögerungsperiode τ mit einer hohen Genauigkeit durch Multiplizieren der Kraftstoffdichte ρ_fuel@FA bei der Zündzeit FA, welche mit dem maximalen Wert der Zündverzögerungsperiode (der längsten vorhergesagten Zündverzögerungsperiode) korreliert ist, mit den verschiedenen, zuvor identifizierten Koeffizienten zu erhalten.
Darüber hinaus werden die Schritte des Bestimmens, welcher Ausdruck aus den Ausdrücken (1) und (2) verwendet wird (d. h. Schritte des Bestimmens, worin die Zündzeit fällt, die BTDC-Zündung oder die ATDC-Zündung), und die Schritte des Berechnens der Zündverzögerungsperiode (wahre Zündverzögerungsperiode, später beschrieben) wie folgt beschrieben. Eine virtuelle Zündzeit wird festgelegt, um das Inzylindervolumen bei der virtuellen Zündzeit zu erhalten. Da das Inzylindervolumen geometrisch aus der Kurbelwinkelposition (Kolbenposition) entsprechend der virtuellen Zündzeit erhalten werden kann, ist das Inzylindervolumen bei der virtuellen Zündzeit eindeutig bestimmt. Dann wird die Kraftstoffdichte aus dem Inzylindervolumen und der Kraftstoffeinspritzmenge erhalten. Wenn die virtuelle Zündzeit als die BTDC-Zündung festgelegt ist, werden die Kraftstoffdichte und die Motordrehzahl bei der virtuellen Zündzeit in den Ausdruck (1) substituiert, um eine abgeschätzte Zündverzögerungsperiode zu berechnen. Andererseits werden dann, wenn die virtuelle Zündzeit als die ATDC-Zündung festgelegt ist, die Kraftstoffdichte und die Motordrehzahl bei der virtuellen Zündzeit in den Ausdruck (2) substituiert, um die abgeschätzte Zündverzögerungsperiode zu berechnen. Folglich wird die Zeit, die durch die vorstehend berechnete abgeschätzte Zündverzögerungsperiode früh- bzw. vorverstellt ist, als eine virtuelle Funkenzeit relativ zu der virtuellen Zündzeit festgelegt. Hier wird die virtuelle Funkenzeit mit der tatsächlichen Funkenzeit (Funkenzeit als die Eingangsinformation) verglichen. Wenn die virtuelle Funkenzeit nicht mit der tatsächlichen Funkenzeit übereinstimmt, wird die virtuelle Zündzeit geändert. Zum Beispiel wird die virtuelle Zündzeit auf die späte Seite geändert. Dann werden die Kraftstoffdichte und die Motordrehzahl bei der virtuellen Zündzeit in den Ausdruck (1) oder (2) substituiert (d. h., wenn die virtuelle Zündzeit als die BTDC-Zündung festgelegt ist, werden die vorstehenden Werte in den Ausdruck (1) substituiert, während dann, wenn die virtuelle Zündzeit als die ATDC-Zündung festgelegt ist, die vorstehenden Werte in den Ausdruck (2) substituiert werden), so dass die abgeschätzte Zündverzögerungsperiode berechnet wird. Somit wird die virtuelle Funkenzeit erhalten und mit der tatsächlichen Funkenzeit (Funkenzeit als die Eingangsinformation) verglichen. Die vorstehende Vorgehensweise wird wiederholt durchgeführt, und die virtuelle Zündzeit in dem Fall, dass die virtuelle Funkenzeit mit der tatsächlichen Funkenzeit übereinstimmt, kann als die wahre Zündzeit erhalten werden. Gleichzeitig (dazu, dass die wahre Zündzeit erhalten wird) kann die abgeschätzte Zündverzögerungsperiode, die durch den Ausdruck (1) oder (2) berechnet wurde, ebenfalls als die wahre Zündverzögerungsperiode erhalten werden. Wenn die wahre Zündzeit BTDC (BTDC-Zündung) ist, kann die erhaltene Zündzeit erneut in den Ausdruck (1) substituiert werden, um die Zündverzögerungsperiode τ zu berechnen. Wenn die wahre Zündzeit ATDC (ATDC-Zündung) ist, kann die erhaltene Zündzeit einmal erneut in den Ausdruck (2) substituiert werden, um die Zündverzögerungsperiode τ zu berechnen.
Die vorstehenden Schritte können auch wie folgt beschrieben werden. Die Periode zwischen der tatsächlichen Funkenzeit und der virtuellen Zündzeit (d. h. die virtuelle Zündverzögerungsperiode in dem Fall der Zündung bei der virtuellen Zündzeit) wird mit der abgeschätzten Zündverzögerungsperiode verglichen, die durch den Ausdruck (1) oder (2) berechnet (abgeschätzt) wurde. Wenn die vorstehenden Perioden nicht miteinander übereinstimmen bzw. zusammenfallen, wird die virtuelle Zündzeit geändert. Nachdem die abgeschätzte Zündverzögerungsperiode erneut durch den Ausdruck (1) oder (2) berechnet wurde, wird die Zeitspanne zwischen der tatsächlichen Funkenzeit und der virtuellen Zündzeit (d. h. der virtuellen Zündverzögerungsperiode) mit der abgeschätzten Zündverzögerungsperiode, die durch den Ausdruck (1) oder (2) berechnet wurde, verglichen. Die vorstehende Vorgehensweise wird wiederholt durchgeführt, und somit die abgeschätzte Zündverzögerungsperiode in dem Fall, dass die beiden Zeitspannen miteinander übereinstimmen (d. h. die virtuelle Zündverzögerungsperiode mit der abgeschätzten Zündverzögerungsperiode übereinstimmt bzw. zusammenfällt) als die wahre Zündverzögerungsperiode erhalten wird.
Somit ist des durch Abschätzen der Zündverzögerungsperiode τ durch den Zündverzögerungs-Abschätzteil 2 möglich, die Zündverzögerungsperiode τ über den gesamten Betriebsbereich des Motors abzuschätzen.
Wenn die Zündverzögerungsperiode τ wie vorstehend beschrieben erhalten wird, ist es möglich, die Zündzeit FA durch Addieren der Zündverzögerungsperiode τ zu der Funkenzeit SA zu erhalten.
– Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteil –
Wie vorstehend beschrieben wurde, schätzt der Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteil 3 die Ersthälften-Verbrennungsperiode a von der Zündzeit FA bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA ab.
Die Verarbeitung zum Abschätzen der Ersthälften-Verbrennungsperiode a wird durch den Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteil 3 wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
Die Ersthälften-Verbrennungsperiode a [KW] wird unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (3) abgeschätzt (d. h. der Ausdruck entspricht dem Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzmodell).
[Ausdruck 3]

a = C × V_@dQpeak ^α × Ne^β (3)

In dem vorstehenden Ausdruck repräsentiert V_@dQpeak das Inzylindervolumen [L] als eine physikalische Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA, welche nachstehend auch als ”Inzylindervolumen bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit” bezeichnet wird. Ne repräsentiert die Motordrehzahl.
Der vorstehende Ausdruck (3) gilt unter der Bedingung, dass die Öffnungs/Schließ-Zeit bzw. die Ventilsteuerzeit des Einlassventils fest ist. Darüber hinaus gilt der Ausdruck (3), ohne durch die Lastrate, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Öl-Wasser-Temperatur beeinflusst zu werden. Das heißt, der Ausdruck (3) gilt basierend auf der Tatsache, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch die Lastrate, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird.
Der Grund, weshalb die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch den vorstehenden Ausdruck (3) berechnet werden kann, wird nachstehend beschrieben.
10 bis 13 sind Graphen, die die Wärmeerzeugungsratenwellenformen zeigen, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen, die sich voneinander unterscheiden, durch Einstellen jeder Funkenzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, erhalten wurden, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer miteinander überlappenden Weise gezeigt sind. 10 zeigt, in einer überlappenden Weise, die Wärmeerzeugungsratenwellenformen, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich nur in der Lastrate voneinander unterscheiden. 11 zeigt, in einer überlappenden Weise, die Wärmeerzeugungsratenwellenformen, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich nur in der EGR-Rate voneinander unterscheiden. 12 zeigt, in einer überlappenden Weise, die Wärmeerzeugungsratenwellenformen, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich nur im Luft-Kraftstoff-Gemisch voneinander unterscheiden. Darüber hinaus zeigt 13 in einer überlappenden Weise die Wärmeerzeugungsratenwellenformen, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich nur in der Öl-Wasser-Temperatur während zum Beispiel des Aufwärmbetriebsablaufs bzw. Warmlaufens des Motors voneinander unterscheiden.
Wie in den 10 bis 13 gezeigt ist, wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode a so aufrechterhalten, dass sie unabhängig von jeglichen Änderungen in der Lastrate, der EGR-Rate, des Luft-Kraftstoff-Gemischs und der Öl-Wasser-Temperatur konstant ist. Daher ist ersichtlich, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch die Lastrate, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird.
Demgegenüber ist 14 ein Graph, der in einer überlappenden Weise die Wärmeerzeugungsratenwellenformen zeigt, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen erhalten wurden, die sich voneinander in der Funkenzeit SA unterscheiden. Wie 14 entnommen werden kann, nimmt die Ersthälften-Verbrennungsperiode a zu, wenn die Funkenzeit SA verzögert bzw. verspätet wird.
15 ist ein Graph, der die Wärmeerzeugungsratenwellenformen zeigt, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen, die sich voneinander nur in der Motordrehzahl Ne unterscheiden, durch Einstellen jeder Funkenzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, erhalten wurden, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer sich bzw. miteinander überlappenden Weise gezeigt sind. Wenn die Motordrehzahl Ne zunimmt, nimmt der Kurbeldrehwinkel [KW] pro Einheitszeit [ms] zu, welches zu einer Zunahme (auf der Achse des Kurbelwinkels) der Ersthälften-Verbrennungsperiode a führen würde. In 15 bleibt jedoch die Ersthälften-Verbrennungsperiode a nahezu unverändert, obwohl sich die Motordrehzahl Ne ändert. Es wird berücksichtigt, dass es irgendeinen Faktor gibt, der die Ersthälften-Verbrennungsperiode a verkürzt, wenn die Motordrehzahl Ne ansteigt. Das heißt, außer der Zunahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode a, die durch die Tatsache verursacht wird, dass der Kurbeldrehwinkel pro Einheitszeit zunimmt, wenn die Motordrehzahl Ne zunimmt, sollte es ”einen anderen Faktor” geben, der die Ersthälften-Verbrennungsperiode a verkürzt.
Somit kann ersehen werden, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch die Funkenzeit SA und die Motordrehzahl Ne beeinflusst wird.
Der Grund, weshalb die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch die Funkenzeit SA und die Motordrehzahl Ne beeinflusst wird, wird als Einfluss der Funkenzeit SA und der Motordrehzahl Ne auf die Turbulenz in dem Zylinder betrachtet bzw. berücksichtigt.
Das heißt, in dem Fall, dass die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA auf der Verzögerungsseite bzw. Verspätungsseite des TDC liegt, wenn die Funkenzeit SA auf die Verzögerungsseite verschoben ist, werden die Zündzeit FA und die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA auf die Verzögerungsseite verschoben. Somit nimmt das Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA (d. h. das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit) zu, während sich die Turbulenz in dem Zylinder verringert. Wenn sich die Turbulenz in dem Zylinder reduziert breitet sich die Flamme langsamer aus, welches in einer Zunahme in der Ersthälften-Verbrennungsperiode a resultiert. Andererseits werden dann, wenn die Funkenzeit SA auf die Frühseite bzw. die Vorverstellungsseite verschoben wird, werden die Zündzeit FA und die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA auf die Frühseite verschoben. Somit verringert sich das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, während die Turbulenz in dem Zylinder zunimmt, welches in einer schnellen bzw. rapiden Flammenausbreitung resultiert. Daher verringert sich die Ersthälften-Verbrennungsperiode a.
Darüber hinaus nimmt dann, wenn sich die Motordrehzahl Ne verringert, die Strömungsrate der Luft, die aus dem Ansaugsystem in den Zylinder strömt, ab, welches zu einer Reduktion in der Turbulenz in dem Zylinder führt. Wenn sich die Turbulenz in dem Zylinder verringert, breitet sich die Flamme langsamer aus, welches in einer Zunahme der Ersthälften-Verbrennungsperiode a resultiert. Andererseits nimmt dann, wenn die Motordrehzahl Ne zunimmt, die Strömungsrate der Luft, die aus dem Ansaugsystem in den Zylinder strömt, zu, welches zu einer Zunahme der Turbulenz in dem Zylinder führt. Wenn die Turbulenz in dem Zylinder zunimmt, breitet sich die Flamme schneller bzw. rapider aus, welches in einer Abnahme in der Ersthälften-Verbrennungsperiode a resultiert. Der vorstehend erwähnte ”andere Faktor (der die Ersthälften-Verbrennungsperiode a verkürzt)” bedeutet die rapide Flammenausbreitung, die durch die Tatsache verursacht wird, dass wenn die Motordrehzahl Ne zunimmt, die Turbulenz in dem Zylinder zunimmt.
Aus dem vorstehend beschriebenen neuen Wissen leitete der Erfinder dieser Erfindung den vorstehenden Ausdruck (3) ab. In dem Ausdruck (3) wird das Inzylindervolumen, insbesondere das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, welches eine physikalische Größe ist, die mit der Funkenzeit SA korreliert ist, die eine Steuergröße ist, als eine Variable verwendet. Das heißt, wie vorstehend beschrieben wurde, wird dann, wenn die Funkenzeit SA auf die Verzögerungsseite verschoben wird, die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA auf die Verzögerungsseite verschoben, welches zu einer Zunahme in dem Inzylindervolumen V_@dQpeak führt. Daher wird das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, welches eine mit der Funkenzeit SA korrelierte physikalische Größe ist, als eine Variable verwendet.
Die Schritte des Erhaltens des Inzylindervolumens V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, welches die Variable in dem Ausdruck (3) ist, und die Schritte des Berechnens der Ersthälften-Verbrennungsperiode a werden wir folgt beschrieben. Eine virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit wird festgelegt, um das Inzylindervolumen bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit zu erhalten. Da das Inzylindervolumen geometrisch aus der Kurbelwinkelposition (Kolbenposition) entsprechend der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit erhalten werden kann, ist das Inzylindervolumen bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit eindeutig bestimmt. Dann wird eine abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode durch Substituieren des Inzylindervolumens und der Motordrehzahl bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit in den Ausdruck (3) berechnet. Somit wird die Zeit, die durch die vorstehend berechnete Ersthälften-Verbrennungsperiode vorgestellt ist, als eine virtuelle Zündzeit relativ zu der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit festgelegt. Da der vorstehend beschriebene Zündverzögerungs-Abschätzteil 2 die Zündverzögerungsperiode τ berechnet, kann die Zündzeit FA durch Addieren der Zündverzögerungsperiode τ zu der Funkenzeit SA berechnet werden. Hier wird die virtuelle Zündzeit mit der berechneten Zündzeit FA verglichen. Wenn die virtuelle Zündzeit nicht mit der berechneten Zündzeit FA übereinstimmt bzw. zusammenfällt, wird die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit geändert. Zum Beispiel wird die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit auf die Verzögerungsseite geändert. Dann werden das Inzylindervolumen und die Motordrehzahl bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit in den Ausdruck (3) substituiert, so dass die abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode berechnet wird. Somit wird die virtuelle Zündzeit erhalten und mit der berechneten Zündzeit FA (erhalten durch Addieren der Zündverzögerungsperiode τ, die durch den Zündverzögerungs-Abschätzteil 2 berechnet wurde, zu der Funkenzeit SA) verglichen. Die vorstehende Vorgehensweise wird wiederholt durchgeführt, und die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit in dem Fall, dass die virtuelle Zündzeit mit der berechneten Zündzeit FA übereinstimmt, kann als die wahre Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA erhalten werden. Gleichzeitig (zu dem Erhalt der wahren Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA) kann auch die abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode, berechnet durch den Ausdruck (3), ebenfalls als die wahre Ersthälften-Verbrennungsperiode erhalten werden. Darüber hinaus kann das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei der wahren Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA geometrisch erhalten und erneut in den Ausdruck (3) substituiert werden, um die Ersthälften-Verbrennungsperiode a zu berechnen.
Die vorstehenden Schritte können auch wie folgt beschrieben werden. Die Zeitspanne zwischen der Zündzeit FA (Zündzeit, die basierend auf der tatsächlichen Zündzeit erhalten wurde) und der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit (d. h. der virtuellen Ersthälften-Verbrennungsperiode) wird mit der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode, die durch den Ausdruck (3) berechnet (abgeschätzt) wurde (d. h. der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf der physikalischen Größe bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit) verglichen. Wenn die vorstehenden Zeitspannen nicht miteinander übereinstimmen, wird die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit geändert. Nachdem die abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode durch den Ausdruck (3) erneut berechnet ist, wird die Zeitspanne zwischen der Zündzeit FA und der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit (d. h. die virtuelle Ersthälften-Verbrennungsperiode) mit der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode, die durch den Ausdruck (3) berechnet wurde, verglichen. Die vorstehende Vorgehensweise wird wiederholt durchgeführt, so dass die abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode in dem Fall, dass die beiden Zeitspannen miteinander übereinstimmen (d. h. die virtuelle Ersthälften-Verbrennungsperiode mit der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode übereinstimmt), als die wahre Ersthälften-Verbrennungsperiode a erhalten wird.
Die jeweiligen Koeffizienten in dem Ausdruck (3) werden spezifisch beschrieben. C und a werden basierend auf Experimenten und dergleichen identifiziert. β ist ein Wert, der von dem Taumelverhältnis in dem Zylinder abhängt, welcher zunimmt, wenn das Taumelverhältnis zunimmt. Darüber hinaus kann β als der identifizierte Wert basierend auf Experimenten und dergleichen festgelegt werden. Darüber hinaus können diese Koeffizienten in Übereinstimmung mit Änderungen in der Öffnungs/Schließ-Zeit des Einlassventils identifiziert werden. In dieser Weise wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch den Ausdruck (3) berechnet, der auf dem Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit basiert, und mit der Exponentialfunktion (Korrekturkoeffizient) der Motordrehzahl Ne mit dem von dem Taumelverhältnis abhängigen Wert β als Exponent multipliziert.
16 und 17 sind Graphen, die Ergebnisse zeigen, die durch Verifizieren der Beziehung, in den jeweiligen sich voneinander unterscheidenden Motoren, zwischen der vorhergesagten Ersthälften-Verbrennungsperiode, berechnet durch den Ausdruck (3), und der tatsächlich gemessenen Ersthälften-Verbrennungsperiode, gemessen durch eine tatsächliche Maschine, erhalten wurden. Um die vorhergesagte Ersthälften-Verbrennungsperiode zu erhalten, wird ein Vorhersageausdruck verwendet, welcher durch Identifizieren des Koeffizienten C in dem Ausdruck (3) in Übereinstimmung mit der Motorbetriebsbedingung bzw. dem Motorbetriebszustand erhalten wird. In 16, nimmt die Motordrehzahl Ne in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”Δ”; ”☐”; ”♢”; ”x”; ”+”; und ”∇”. Zum Beispiel repräsentiert ”o” 800 1/min, repräsentiert ”Δ” 1000 1/min, repräsentiert ”☐” 1200 1/min, repräsentiert ”♢” 1600 1/min, repräsentiert ”x” 2400 1/min, repräsentiert ”+” 3200 1/min und repräsentiert ”∇” 3600 1/min. Darüber hinaus nimmt in 17 die Motordrehzahl Ne in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”x”; ”+”; ”Δ”; und ”☐”. Zum Beispiel repräsentiert ”o” 800 1/min, repräsentiert ”x” 1200 1/min, repräsentiert ”+” 2400 1/min, repräsentiert ”Δ” 3600 1/min und repräsentiert ”☐” 4800 1/min.
Wie klar in 16 und 17 gezeigt ist, stimmt die vorhergesagte Ersthälften-Verbrennungsperiode im Wesentlichen mit der tatsächlich gemessenen Ersthälften-Verbrennungsperiode überein. Somit kann klar ersehen werden, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode a mit einer hohen Genauigkeit durch den Ausdruck (3) berechnet wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Ersthälften-Verbrennungsperiode a basierend auf dem Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Motordrehzahl Ne abgeschätzt werden, ohne durch die Lastrate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch, die EGR-Rate und die Öl-Wasser-Temperatur beeinflusst zu werden. Das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und die Motordrehzahl Ne sind, wie vorstehend beschrieben wurde, die Parameter, die mit der Turbulenz in dem Zylinder korreliert sind. In anderen Worten wird berücksichtigt, dass die Lastrate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch, die EGR-Rate und die Öl-Wasser-Temperatur die Ersthälften-Verbrennungsperiode a nicht beeinflussen, weil die nahezu keine Korrelation mit der Turbulenz in dem Zylinder haben. Die Ersthälften-Verbrennungsperiode a kann basierend auf dem Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Motordrehzahl Ne abgeschätzt werden, welches die Parameter sind, die mit der Turbulenz in dem Zylinder korreliert sind. Es besteht keine Notwendigkeit, die Lastrate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch, die EGR-Rate und die Öl-Wasser-Temperatur zu berücksichtigen. Folglich ist es möglich, Mannstunden zum Bestimmen der Ersthälften-Verbrennungsperiode a unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors beträchtlich zu reduzieren.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode durch die Lastrate nicht beeinflusst. Die Lastrate ist ein Parameter zum Steuern der Kraftstoffeinspritzmenge. Die Kraftstoffeinspritzmenge ist ein Steuerparameter, der die Inzylinder-Kraftstoffdichte beeinflusst. Somit wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode ungeachtet der Inzylinder-Kraftstoffdichte abgeschätzt. Genauer wird, wie vorstehend beschrieben wurde, die Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf den Parametern abgeschätzt, die die Turbulenz in dem Zylinder beeinflussen, wie beispielsweise das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und die Motordrehzahl Ne. Andererseits wird der Wärmeerzeugungsratengradient basierend auf der Inzylinder-Kraftstoffdichte abgeschätzt, wie später beschrieben wird. Auf diese Weise werden die Ersthälften-Verbrennungsperiode und der Wärmeerzeugungsratengradient, welche in diesem Ausführungsbeispiel abzuschätzen sind, jeweils als die voneinander unabhängigen Werte (d. h. Werte, die nicht voneinander abhängen), abgeschätzt.
– Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil –
Wie vorstehend beschrieben wurde, schätzt der Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil 4 den Gradienten b/a der Wärmeerzeugungsrate (nachstehend als ein ”Wärmeerzeugungsratengradient” bezeichnet) in der Ersthälften-Verbrennungsperiode ab.
Die Verarbeitung zum Abschätzen des Wärmeerzeugungsratengradienten b/a wird von dem Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil 4 wie nachstehend beschrieben durchgeführt.
Der Wärmeerzeugungsratengradient b/a [J/KW²] wird prinzipiell unter Verwendung des folgenden Ausdrucks (4) abgeschätzt (d. h. der Ausdruck entspricht dem Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzmodell).
[Ausdruck 4]

b / a = C₃ × ρ_fuel@dQpeak (4)

In dem vorstehenden Ausdruck repräsentiert ρ_fuel@dQpeak die Kraftstoffdichte bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA (d. h. Inzylinder-Kraftstoffmenge [mol]/Inzylindervolumen [L] bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit), welche nachstehend auch als ”Kraftstoffdichte bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit” bezeichnet wird. C₃ repräsentiert den Koeffizienten, der durch Experimente und dergleichen identifiziert wurde.
Der vorstehende Ausdruck (4) gilt unter der Bedingung, dass die Motordrehzahl fest ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch das theoretische Luft-Kraftstoff-Gemisch ist, die EGR-Rate gleich null ist, der Aufwärmbetriebsablauf des Motors beendet ist (d. h. die Öl-Wasser-Temperatur der vorbestimmte Wert oder höher ist), und die Öffnungs/Schließ-Zeit des Einlassventils fest ist. Eine Beeinflussung aufgrund der Motordrehzahl, des Luft-Kraftstoff-Gemischs, der EGR-Rate, der Öl-Wasser-Temperatur des Motors und dergleichen wird später beschrieben.
Der Grund, weshalb der Wärmeerzeugungsratengradient b/a durch den vorstehenden Ausdruck (4) berechnet werden kann, wird nachstehend beschrieben.
18(a) bis 18(d) sind Graphen, die jeweils Wärmeerzeugungsratenwellenformen zeigen, die in jeweiligen Motorbetriebszuständen, die sich voneinander nur in der Lastrate unterscheiden, durch Einstellen jeder Funkenzeit SA so, dass die jeweiligen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeiten dQpeakA miteinander übereinstimmen, erhalten wurden, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenformen in einer Weise gezeigt sind, in der sie einander überlappen. Die Funkenzeit ändert sich in der Reihenfolge von 18(a) bis 18(d) langsam auf die Verzögerungsseite. Darüber hinaus nimmt die Lastrate in jeder Figur in der Reihenfolge von KL1, KL2 und KL3 langsam zu. Zum Beispiel repräsentiert in 18 KL1 20% Lastrate, repräsentiert KL2 30% Lastrate, und repräsentiert KL3 40% Lastrate.
Wie in 18(a) bis 18(d) gezeigt, wird der Wärmeerzeugungsratengradient b/a durch die Lastrate und die Funkenzeit SA beeinflusst. Insbesondere nimmt in jeder der 18(a) bis 18(d), die sich in der Funkenzeit SA voneinander unterscheiden, der Wärmeerzeugungsratengradient b/a mit zunehmender Lastrate zu. Der Grund, weshalb der Wärmeerzeugungsratengradient b/a durch die Lastrate beeinflusst wird, wird als die Änderung in der Inzylinder-Kraftstoffdichte in Übereinstimmung mit der Lastrate betrachtet. Das heißt, je größer die Lastrate ist, desto größer ist die Kraftstoffmenge in dem Zylinder, welches dazu führt, dass die Inzylinder-Kraftstoffdichte größer ist. Folglich nimmt auch die Verbrennungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu.
Wenn die Funkenzeit SA in der Reihenfolge von 18(a) to 18(d) auf die Verzögerungsseite verschoben wird, nimmt der Wärmeerzeugungsratengradient b/a ab.
19(a) und 19(b) sind Graphen, die in einer überlappenden Weise die Wärmeerzeugungsratenwellenformen zeigen, die in den jeweiligen Motorbetriebszuständen, die sich voneinander nur in der Funkenzeit SA unterscheiden, erhalten wurden, um den Einfluss aufgrund der Änderung in der Funkenzeit SA zu studieren. Die jeweiligen Lastraten in 19(a) und 19(b) unterscheiden sich voneinander, jedoch neigen die Wärmeerzeugungsratengradienten b/a in beiden Figuren dazu, sich zu verringern, wenn die Funkenzeit SA auf die Verzögerungsseite verschoben wird.
Folglich wird der Grund, weshalb der Wärmeerzeugungsratengradient b/a durch die Funkenzeit SA beeinflusst wird, als in der Inzylinder-Kraftstoffdichte liegend betrachtet, ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Beeinflussung durch die Lastrate. Das heißt, wenn der Kolben in der Nähe des oberen Verdichtungstotpunkts (TDC) ist, ist die Änderung in dem Inzylindervolumen in Übereinstimmung mit der Änderung in dem Kurbelwinkel klein. Wenn sich der Kolben in dem Expansionshub bzw. Arbeitstakt von dem TDC weg bewegt (zum Beispiel ausgehend von der Zeit von etwa ATDC 10°KW bzw. Kurbelwinkel), nimmt das Inzylindervolumen zu, welches in einer langsamen Verringerung in der Inzylinder-Kraftstoffdichte resultiert.
Somit wird, wie in 19(a) und 19(b) gezeigt, in Übereinstimmung mit der Verzögerung der Funkenzeit SA die Wärmeerzeugungsratenwellenform als Ganzes auf die Verzögerungsseite verschoben. Ferner nimmt dann, wenn die Zündzeit FA (d. h. der Anfangspunkt der Wellenform) nach dem TDC liegt, der Wärmeerzeugungsratengradient langsam ab, wenn die Zündzeit verzögert ist. Infolge dessen nimmt auch der Gradient einer geraden Linie, die die Zündzeit FA (Anfangspunkt der Wellenform) und die Wärmeerzeugungsrate b (Spitze der Wellenform) bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA verbindet (d. h. der Wärmeerzeugungsratengradient b/a, welcher durch die strichpunktierte Linie in dem Graphen angegeben ist) langsam in Richtung hin zu der Verzögerungsseite ab.
Der Einfluss der Verzögerung der Funkenzeit SA (d. h. die Verzögerung der Zündzeit FA) auf den Wärmeerzeugungsratengradienten b/a wird durch die Beziehung zwischen dem Wärmeerzeugungsratengradienten b/a und die Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit klar ausgedrückt. Das heißt, wie in 19(a) und 19(b) gezeigt, die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA wird in Übereinstimmung mit der Verzögerung der Funkenzeit SA auf die Verzögerungsseite verschoben. Und wenn das Inzylindervolumen bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA (d. h. Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit) zunimmt, nimmt die Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit ab, welches zu der Abnahme in dem Wärmeerzeugungsratengradienten b/a führt.
Der Erfinder dieser Erfindung studierte die Änderungen in dem Wärmeerzeugungsratengradienten b/a in Übereinstimmung mit den Änderungen in der Kraftstoffdichte ρ_fuel@Qpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit. Die Experimentergebnisse sind in den Graphen in 20(a) bis 20(d) gezeigt. In den jeweiligen Graphen nimmt die Lastrate in der folgenden Reihenfolge zu: ”o”; ”x”; ”+”; ”Δ”; ”☐”; ”♢”; ”∇”; und ”✩”. Zum Beispiel repräsentiert in 20 ”o” 15% Lastrate, repräsentiert ”x” 20% Lastrate, repräsentiert ”+” 25% Lastrate, repräsentiert ”Δ” 30% Lastrate, repräsentiert ”☐” 35% Lastrate, repräsentiert ”♢” 40% Lastrate, repräsentiert ”∇” 45% Lastrate und repräsentiert ”✩” 50% Lastrate.
Darüber hinaus nimmt die Motordrehzahl Ne in der Reihenfolge von 20(a) bis 20(d) zu. Zum Beispiel ist die Motordrehzahl Ne 800 1/min in 20(a), 1200 1/min in 20(b), 2000 1/min in 20(c) und 3200 1/min in 20(d).
Wie in 20(a) bis 20(d) gezeigt, können dann, wenn die Motordrehzahl fest ist, die Beziehung zwischen der Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Wärmeerzeugungsratengradient b/a im Wesentlichen auch dann durch eine gerade Linie ausgedrückt werden, wenn sich die jeweiligen Lastraten und die Funkenzeiten SA voneinander unterscheiden. Folglich kann ersehen werden, dass die Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Wärmeerzeugungsratengradient b/a eine hohe Korrelation (spezieller, eine grundlegend proportionale Beziehung) miteinander haben. Das heißt, der Einfluss der Motorlastrate und der Zündzeit SA auf den Wärmeerzeugungsratengradienten b/a können kollektiv durch einen Parameter, d. h. die Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit ausgedrückt werden.
Aus dem vorstehend beschriebenen neuen Wissen leitete der Erfinder dieser Erfindung den vorstehenden Ausdruck (4) ab.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit, welche die Variable in dem Ausdruck (4) ist, durch Teilen der Inzylinder-Kraftstoffmenge durch das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit erhalten werden. Die Schritte des Erhaltens des Inzylindervolumens V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit sind vorstehend in der Beschreibung des Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteils 3 beschrieben. Darüber hinaus ist die Inzylinder-Kraftstoffmenge als die Eingangsinformation aus der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 gegeben.
In dieser Weise ist es möglich, den Wärmeerzeugungsratengradienten b/a, welcher einer der charakteristischen Werte der Wärmeerzeugungsratenwellenform ist, grundlegend als eine lineare Funktion (in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft als eine proportionale Funktion) der Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit zu berechnen. In anderen Worten kann der Wärmeerzeugungsratengradient b/a hauptsächlich basierend auf der Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit ohne Berücksichtigung der Lastrate und der Funkenzeit SA berechnet werden. Daher ist es möglich, Mannstunden zum Bestimmen des Wärmeerzeugungsratengradienten b/a unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors zu reduzieren.
– Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil –
Wie vorstehend beschrieben wurde, schätzt der Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil 5 die Wärmeerzeugungsmenge (Gesamtwärmeerzeugungsmenge Q_all) ab, die über die gesamte Verbrennungsperiode erzeugt wurde.
Nachstehend wird der Abschätzbetriebsablauf, der durch den Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil durchgeführt wird, beschrieben, welcher dazu dient, die Gesamtwärmeerzeugungsmenge Q_all zu erhalten.
Zunächst wird die Wärmeerzeugungsmenge Q1 in der Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch den folgenden Ausdruck (5) berechnet.
[Ausdruck 5]

Q₁ = 1 / 2 × b / a × a² (5)

Indessen kann, wie vorstehend beschrieben wurde, die Gesamtwärmeerzeugungsmenge Q_all als der folgende Ausdruck ausgedrückt werden: Inzylinder-Kraftstoffmenge × k (Verbrennungseffizienz bzw. Verbrennungswirkungsgrad) (d. h. der Ausdruck entspricht dem Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzmodell). Wenn die Öl-Wasser-Temperatur niedriger ist, zum Beispiel während des Aufwärmbetriebsablaufs, verringert sich die Verbrennungseffizienz k. Darüber hinaus ändert sich die Verbrennungseffizienz k aufgrund der Änderungen in der Lastrate oder der Motordrehzahl. Folglich wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Karte bzw. ein Kennfeld im Voraus unter Verwendung einer experimentellen Datenbank der verschiedenen Motoren festgelegt, um den Wert der Verbrennungseffizienz k durch Assoziieren der Verbrennungseffizienz k mit der Öl-Wasser-Temperatur, der Lastrate und der Motordrehzahl zu bestimmen. Dann wird die Gesamtwärmeerzeugungsmenge Q_all basierend auf der Inzylinder-Kraftstoffmenge unter Verwendung der Verbrennungseffizienz k berechnet.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, ist es, um die Wärmeerzeugungsratenwellenform zu produzieren, notwendig, die Wärmeerzeugungsrate b bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA und die Zweithälften-Verbrennungsperiode c zu erhalten. Die Wärmeerzeugungsmenge Q2 in der Zweithälften-Verbrennungsperiode c wird durch den folgenden Ausdruck (6) erhalten.
[Ausdruck 6]

Q₂ = Q_all – Q₁ (6)

Darüber hinaus wird die Wärmeerzeugungsrate b bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA durch den folgenden Ausdruck (7) erhalten, und wird die Zweithälften-Verbrennungsperiode c durch den folgenden Ausdruck (8) erhalten.
[Ausdruck 7]

b = b / a × a (7)

[Ausdruck 8]

c = 2 × Q₂ / b (8)

In Anbetracht des Vorangehenden wird das Folgende in der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 durchgeführt: Abschätzen der Zündverzögerungsperiode τ unter Verwendung des Zündverzögerungs-Abschätzmodells durch den Zündverzögerungs-Abschätzteil 2; Abschätzen der Ersthälften-Verbrennungsperiode a unter Verwendung des Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzmodells durch den Ersthälften-Verbrennungsperioden-Abschätzteil 3; Abschätzen des Wärmeerzeugungsratengradient b/a unter Verwendung des Wärmeerzeugungsratengradienten-Abschätzmodells durch den Wärmeerzeugungsratengradient-Abschätzteil 4; Abschätzen der Wärmeerzeugungsmenge Q_all unter Verwendung des Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzmodells durch den Wärmeerzeugungsmengen-Abschätzteil 5; und Berechnung der maximalen Wärmeerzeugungsrate b und der Zweithälften-Verbrennungsperiode c. Darüber hinaus wird in der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 die Dreieckwellenform, die an die Wärmeerzeugungsratenwellenform angenähert wird, unter Verwendung der vorstehend berechneten Werte produziert, wie in 2 gezeigt, so dass die Dreieckwellenform als die Wärmeerzeugungsratenwellenform ausgegeben wird. Unter Verwendung der ausgegebenen Wärmeerzeugungsratenwellenform werden die System-, Steuer- und Adaptivwerte überprüft, wenn ein Motor entworfen wird.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in diesem Ausführungsbeispiel dann, wenn die Dreieckwellenform, die an die Wärmeerzeugungsratenwellenform des Motors angenähert ist, produziert wird, die Ersthälften-Verbrennungsperiode a, welche einer der charakteristischen Werte der Wellenform ist, verwendet. Darüber hinaus wurde neu aufgefunden, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode a durch die Betriebsbedingungen wie beispielsweise die Motorlastrate, die EGR-Rate, das Luft-Kraftstoff-Gemisch und die Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird. Das heißt, die Ersthälften-Verbrennungsperiode a wird als ein Wert betrachtet bzw. berücksichtigt, der durch irgendeines der Motorlastrate, der EGR-Rate, des Luft-Kraftstoff-Gemischs und der Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird, und wird basierend auf dem Inzylindervolumen V@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Motordrehzahl Ne (spezieller, der Exponentialfunktion der Motordrehzahl Ne mit dem von dem Taumelverhältnis abhängigen Wert β als Exponent) berechnet. Somit wird in diesem Ausführungsbeispiel die Wärmeerzeugungsratenwellenform basierend auf der Ersthälften-Verbrennungsperiode a produziert, und es ist nicht notwendig, die vorstehenden Betriebsbedingungen zu berücksichtigen. Demgemäß ist es verglichen mit der konventionellen Technik, in welcher die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Berücksichtigung (spezieller, durch Ändern) der Betriebsbedingungen wie beispielsweise der Lastrate, der EGR-Rate, des Luft-Kraftstoff-Gemischs und der Öl-Wasser-Temperatur (d. h. der Technik, in welcher eine Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise ein Formparameter, unter den verschiedenen Betriebsbedingungen unter Verwendung der Wiebe-Funktion identifiziert wird) möglich, Mannstunden zum Produzieren der Wärmeerzeugungsratenwellenform zu reduzieren, während eine ausreichende Genauigkeit gewährleistet wird.
Somit können verschiedene Elemente zum Entwerfen eines Motors unter Verwendung der Wärmeerzeugungsratenwellenform wirkungsvoll überprüft werden, welches zu einer Verringerung in Entwicklungskosten führt.
Darüber hinaus wird die Wärmeerzeugungsratenwellenform basierend auf der Ersthälften-Verbrennungsperiode a produziert, die basierend auf dem Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Motordrehzahl Ne berechnet wird. Somit wird die Wärmeerzeugungsratenwellenform in Übereinstimmung mit physikalischen Phänomenen in dem Verbrennungszustand in dem Zylinder produziert. Diesbezüglich kann die Wärmeerzeugungsratenwellenform, die durch die Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel produziert wird, hoch verlässlich sein im Vergleich mit dem konventionellen Verfahren zum Produzieren der Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der Wiebe-Funktion, zu welcher verschiedenartige Parameter wie beispielsweise ein Formparameter mathematisch in Übereinstimmung gebracht werden, um einfach die Wellenform in Übereinstimmung zu bringen.
Ferner ist es in diesem Ausführungsbeispiel nicht notwendig, die gesamte Wärmeerzeugungsratenwellenform zu produzieren. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die Ersthälften-Verbrennungsperiode a basierend auf dem Inzylindervolumen V@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und der Motordrehzahl Ne berechnet werden. Aus diesem Grund ist es möglich, die Ersthälften-Verbrennungsperiode a einfach abzuschätzen/auszuwerten, während eine erforderliche Genauigkeit gewährleistet wird.
Wie vorstehend ebenso beschrieben wurde, werden die Ersthälften-Verbrennungsperiode a und der Wärmeerzeugungsratengradient b/a, welche in diesem Ausführungsbeispiel abzuschätzen sind, jeweils als die voneinander unabhängigen Werte (d. h. Werte, die nicht voneinander abhängen) abgeschätzt. Aus diesem Grund wird die Ersthälften-Verbrennungsperiode a als ein Wert abgeschätzt, der durch einen Abschätzfehler, der in dem Wärmeerzeugungsratengradienten b/a enthalten sein kann, nicht beeinflusst wird, während der Wärmeerzeugungsratengradient b/a als ein Wert abgeschätzt wird, der durch einen Abschätzfehler, der in der Ersthälften-Verbrennungsperiode a enthalten sein kann, nicht beeinflusst wird. Infolge dessen ist es möglich, die Genauigkeit in den abgeschätzten Werten zu gewährleisten.
– Andere Ausführungsbeispiele –
Das Ausführungsbeispiel wie vorstehend beschrieben ist ein Fall, in welchem die Erfindung auf eine Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung zum Produzieren einer Wärmeerzeugungsratenwellenform des Benzinmotors für ein Fahrzeug angewandt ist. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und kann auf einen Funkenzündungsmotor angewandt sein, der für andere Zwecke als den Verbau an dem Fahrzeug verwendet wird. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf eine Anwendung auf den Benzinmotor beschränkt, und kann auf zum Beispiel einen Gasmotor angewandt werden.
Darüber hinaus liegt das Verfahren zum Berechnen der Wärmeerzeugungsratenwellenform, welches von der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung wie in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt wird, innerhalb der technischen Idee der Erfindung.
In dem Ausführungsbeispiel wie vorstehend beschrieben ist die mittlere Anstiegsrate der Wärmeerzeugungsrate in der Periode von der Zündzeit FA des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA als der Wärmeerzeugungsratengradient b/a definiert, und wird der Wärmeerzeugungsratengradient b/a als eine lineare Funktion der Kraftstoffdichte ρ_fuel@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit berechnet, wie durch den Ausdruck (4) angegeben. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Das heißt, der Wärmeerzeugungsratengradient kann so definiert werden, dass er zum Beispiel die Anstiegsrate der Wärmeerzeugungsrate in der Periode von der Zündzeit bis zu einer vorbestimmten Zeit geringfügig vor der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA ist, innerhalb der Periode in welcher die Wärmeerzeugungsrate zunimmt (Wärmeerzeugungsrate-Anstiegsperiode) von der Zündzeit FA bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit dQpeakA. Somit kann der Wärmeerzeugungsratengradient basierend auf der Kraftstoffdichte in der vorstehenden vorbestimmten Zeit abgeschätzt werden.
Darüber hinaus wird in dem Ausführungsbeispiel wie vorstehend beschrieben, um das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und die Ersthälften-Verbrennungsperiode a zu erhalten, die virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit festgelegt, und wird die Berechnung durch den Ausdruck (3) wiederholt durchgeführt. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit kann durch Experimente unter Verwendung einer tatsächlichen Maschine erfasst werden, um die Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit festzulegen, oder eine gewünschte Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit kann als die Eingangsinformation der Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 zugeführt werden. Somit können das Inzylindervolumen V_@dQpeak bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit und die Ersthälften-Verbrennungsperiode a erhalten werden.
Ferner ist das Verfahren zum Berechnen der Zündverzögerungsperiode τ des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich ein Beispiel. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Zündverzögerungsperiode τ durch Experimente oder Simulationen ermittelt werden.
Die Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung 1 gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel dient dazu, die Dreieckwellenform auszugeben. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die produzierte Dreieckwellenform kann einer vorbestimmten Filterverarbeitung unterzogen werden, um die auszugebende Wärmeerzeugungsratenwellenform zu produzieren.
Darüber hinaus wird in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Inzylindervolumen als die physikalische Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit verwendet. Es ist jedoch möglich, eine beliebige andere physikalische Größe zu verwenden, die die Turbulenz in dem Zylinder definiert (die die Turbulenz in dem Zylinder beeinflusst).
Darüber hinaus wird in dem Ausführungsbeispiel wie vorstehend beschrieben die Ersthälften-Verbrennungsperiode a als ein Wert berechnet, der durch irgendeines der Motorlastrate, der EGR-Rate, des Luft-Kraftstoff-Gemischs und der Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird. Die Ersthälften-Verbrennungsperiode a kann jedoch als ein Wert berechnet werden, der durch zumindest eine der vorstehenden Betriebsbedingungen nicht beeinflusst wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Mit dieser Erfindung ist es möglich, Mannstunden zum Produzieren einer Wärmeerzeugungsratenwellenform einer funkenzündenden Brennkraftmaschine zu reduzieren, und Kosten zu reduzieren. Daher kann sie zum Beispiel auf eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug angewandt werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung
SA: Funkenzeit
FA: Zündzeitpunkt des Luft-Kraftstoff-Gemischs
a: Ersthälften-Verbrennungsperiode (Zeitspanne von Zündzeitpunkt zu Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit)
b: Wärmeerzeugungsrate bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit
dQpeakA: Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit
V_@dQpeak: Inzylindervolumen bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit
Ne^β: Korrekturkoeffizient basierend auf Motordrehzahl
V_@dQpeakα: Korrekturkoeffizient basierend auf Inzylindervolumen bei Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit

Claims

Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine, wobei die Einrichtung dazu konfiguriert ist, eine Wärmeerzeugungsratenwellenform eines Ottomotors zu berechnen, wobei innerhalb einer Verbrennungsperiode eines Luft-Kraftstoff-Gemischs eine Zeitspanne von einem Zündzeitpunkt zu einer Wärmerzeugungsraten-Maximalzeit, bei der eine Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als eine Ersthälften-Verbrennungsperiode definiert ist, die einer von charakteristischen Werten der Wärmeerzeugungsratenwellenform ist, und wobei die Ersthälften-Verbrennungsperiode auf der Grundlage einer physikalischen Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit abgeschätzt wird, so dass die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode berechnet wird.
Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Ersthälften-Verbrennungsperiode auf der Grundlage eines Inzylindervolumens bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit berechnet wird.
Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Ersthälften-Verbrennungszeitspanne dadurch berechnet wird, dass mit einem Korrekturkoeffizienten basierend auf einer Motordrehzahl multipliziert wird.
Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei der auf der Motordrehzahl basierende Korrekturkoeffizient eine Exponentialfunktion der Motordrehzahl mit einem von einer Taumelrate abhängigen Wert als Exponent ist.
Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine virtuelle Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit festgelegt wird, wobei eine virtuelle Ersthälften-Verbrennungszeitspanne zwischen dem Zündzeitpunkt, der in Übereinstimmung mit einer tatsächlichen Funkenzeit erhalten wurde, und der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit mit einer abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode basierend auf einer physikalischen Größe bei der virtuellen Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit verglichen wird, um eine wahre Ersthälften-Verbrennungszeitspanne als die abgeschätzte Ersthälften-Verbrennungsperiode zu berechnen, die mit der virtuellen Ersthälften-Verbrennungszeitspanne übereinstimmt, und wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der wahren Ersthälften-Verbrennungsperiode berechnet wird.
Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeerzeugungsratenwellenform durch eine Dreieckswellenform mit einer Kurbelwinkelperiode von der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bis zu der Beendung der Verbrennung als einer Basis und der der Wärmeerzeugungsrate bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit als einer Spitze angenähert wird, und wobei in der Dreieckswellenform die Basis des Dreiecks, welche die Wärmeerzeugungsrate von dem Zündzeitpunkt bis zu der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit repräsentiert, als die Ersthälften-Verbrennungsperiode definiert ist.
Wärmeerzeugungsratenwellenform-Berechnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei die Dreieckswellenform unter einer Bedingung produziert wird, dass die Ersthälften-Verbrennungsperiode in der Dreieckswellenform durch zumindest eines von einer Motorlastrate, einem Luft-Kraftstoff-Gemisch, einer Abgasrückführungs(EGR)-Rate und einer Öl-Wasser-Temperatur nicht beeinflusst wird.
Verfahren zur Berechnung einer Wärmeerzeugungsratenwellenform eines Ottomotors, beinhaltend die Schritte des: Definierens, innerhalb einer Verbrennungsperiode eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, einer Zeitspanne von einem Zündzeitpunkt zu einer Wärmerzeugungsraten-Maximalzeit, zu der eine Wärmeerzeugungsrate maximal ist, als eine Ersthälften-Verbrennungsperiode, die einer von charakteristischen Werten der Wärmeerzeugungsratenwellenform ist; Abschätzens der Ersthälften-Verbrennungsperiode auf der Grundlage einer physikalischen Größe bei der Wärmeerzeugungsraten-Maximalzeit; und Berechnens der Wärmeerzeugungsratenwellenform unter Verwendung der abgeschätzten Ersthälften-Verbrennungsperiode.