DE19740917B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Gastemperatur in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wobei sich die Gasfüllung aus einem Restgas-Anteil und einem Frischgas-Anteil zusammensetzt, mit dem Schritt Ermitteln der Temperatur des Frischgases (T_fg), gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln des Anteils des Frischgases (a_fg) an der Gasfüllung, Ermitteln der Temperatur des Restgases (T_rg), Ermitteln des Anteils des Restgases (a_rg) an der Gasfüllung, und Berechnen der Temperatur der Gasfüllung (T_ges) aus der Temperatur des Restgases (T_rg), dem Anteil des Restgases (a_rg), der Temperatur des Frischgases (T_fg) und dem Anteil des Frischgases (a_fg).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik.
  • Aus der DE 195 11 320 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ventilsteuerung in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor bekannt, wobei jedes der sich hin- und herbewegenden Einlass- und/oder Auslassventile hydraulisch gesteuert wird und einen Kolben aufweist, der auf Flächen an beiden Enden des Kolbens einwirkender Fluiddrücke ausgesetzt ist und der mit einer Hochdruckfluidquelle in einem Volumen verbunden ist, während das an dem anderen Ende vorgesehene Volumen mit einer Hochdruckfluidquelle und einer Niederdruckfluidquelle verbunden ist, und der von jeder Druckquelle durch die Wirkung einer Steuereinrichtung, wie z. B. einem Bordrechner, welche Magnetventile steuert, abtrennbar ist. Die optimale Ansaugluft- und Restgasmenge wird in jedem, die vorgenannte variable Ventilsteuerungsvorrichtung aufweisenden Motorzylinder durch Ansteuerung mit elektrischen Impulsen variabler Dauer und zu variablen Zeitpunkten sichergestellt. Der Impulszeitpunkt und die Dauer werden auf der Basis von in einem Permanentspeicher des Bordrechners gespeicherten Werten berechnet, die einer Information entsprechen, welche von Sensoren und Korrekturwerten aus einem Korrekturspeicher, die einen Rückkopplungssignal anderer Sensoren entsprechen, erhalten werden.
  • Aus der DE 43 25 902 A1 ist ein Verfahren zur Berechnung der Luftfüllung für eine Brennkraftmaschine mit variabler Gaswechselsteuerung bekannt. Dazu wird der Einfluss der Variation der Gaswechselsteuerung bei der Berechnung des Frischluftanteils und der Gasfüllung des Zylinders berücksichtigt.
  • In der Brennkammer eines Verbrennungsmotors wird zur Erzeugung eines Motordrehmomentes ein Luft-/Kraftstoff-Gemisch gezündet. Die Temperatur der in die Brennkammer eingefüllten Gasmasse soll möglichst genau erfasst werden, weil sie unter anderem das Motordrehmoment, die einzuspritzende Kraftstoffmenge und den Zündzeitpunkt bestimmt.
  • Bei dem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors wird die Temperatur der Gasfüllung gleich der Temperatur des über ein Saugrohr in den Zylinder strömenden Frischgases gesetzt. Die Frischgastemperatur wird hierzu im Bereich der Einlassventile des Zylinders ermittelt bzw. gemessen. Nachteilig ist dabei, dass die nach diesem Verfahren ermittelte Temperatur der Gasfüllung nur unzureichend genaue Werte liefert. Insbesondere wird bei dem bekannten Verfahren nicht berücksichtigt, dass sich die Temperatur des Frischgases beim Einströmen in den Zylinder durch verschiedene Einflüsse erhöht. Bedingt durch die fehlerbehaftet ermittelte Frischgastemperatur kann die einzuspritzende Kraftstoffmenge nicht optimal berechnet werden. Demzufolge wird der Motor nicht in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben, wodurch einerseits die Motorleistung nicht ihr Optimum erreicht, und andererseits der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission erhöht ist.
  • Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll die Temperatur der Gasfüllung mit einer verbesserten Genauigkeit bestimmt werden. Darüber hinaus soll das Verfahren einfach und kostengünstig zu implementieren sein, und die Vorrichtung kostengünstig hergestellt, betrieben und gewartet werden können.
  • Das Problem wird durch das in dem unabhängigen Patentanspruch 1 offenbarten Verfahren und durch die im Anspruch 9 beschriebene Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Das Problem ist bei einem Verfahren zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wobei sich die Gasfüllung aus einem Restgas-Anteil und einem Frischgas-Anteil zusammensetzt, und wobei das Verfahren den Schritt aufweist, Ermitteln der Temperatur des Frischgases dadurch gelöst, dass das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln des Anteils des Frischgases an der Gasfüllung, Ermitteln der Temperatur des Restgases, Ermitteln des Anteils des Restgases an der Gasfüllung, und Berechnen der Temperatur der Gasfüllung aus der Temperatur des Restgases, dem Anteil des Restgases, der Temperatur des Frischgases und dem Anteil des Frischgases. Durch die Berücksichtigung des Restgas-Anteils, der sich als Ergebnis einer in einem vorhergehenden Arbeitstakt stattgefundenen Verbrennung in dem Zylinder befindet, wird die Bestimmung der Temperatur der Gasfüllung deutlich verbessert. Insbesondere wird die Bestimmung der Temperatur der Gasfüllung dadurch verbessert, dass nicht nur die Temperaturen des Frischgases und des Abgases berücksichtigt werden, sondern deren Temperatureinträge noch in Bezug auf die jeweiligen Anteile des Frischgases bzw. des Restgases gewichtet werden. Durch die genauere Bestimmung der Temperatur der Gasfüllung kann die einzuspritzende Kraftstoffmenge genauer ermittelt werden, und der Zündzeitpunkt genauer eingestellt werden. Hieraus ergibt sich ein verbesserter Betrieb des Verbrennungsmotors und damit ein höheres Leistungsmoment, ein geringerer Kraftstoffverbrauch und eine geringere Schadstoffemission.
  • Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Frischgases in der Nähe des Einlasses in den Zylinder ermittelt wird. Dadurch kann vorteilhaft die Temperatur des Frischgasanteils und damit der Temperaturbeitrag des Frischgases zu der Gasfüllung exakt ermittelt werden. Dies ermöglicht im Endeffekt wiederum eine genauere Bestimmung der Temperatur der gesamten Gasfüllung.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Frischgases rechnerisch aus mindestens zwei gemessenen Größen ermittelt wird. Hierfür kommt beispielsweise die Ermittlung der Frischgas-Temperatur aus den gemessenen Temperaturen des Motors und der Umgebung in Frage. Vorteilhaft ist dabei, dass aus diesen beiden gemessenen Temperaturen die Frischgas-Temperatur sehr genau rechnerisch ermittelt werden kann, wodurch im Endeffekt die Temperatur der Gesamt-Gasfüllung exakt bestimmt werden kann. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass die Motortemperatur und die Umgebungstemperatur in der Regel bereits für andere Anwendungen im Kraftfahrzeug ermittelt werden. Dadurch kann ohne zusätzlichen Messwertaufnehmer die Temperatur des Frischgases aus den bereits zur Verfügung stehenden Temperaturwerten für die Motortemperatur und die Umgebungstemperatur ermittelt werden.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Frischgases in einem Saugrohr gemessen wird. Die unmittelbare Messung der Frischgastemperatur im Saugrohr bedingt den Einsatz eines Messwertaufnehmers für die Ermittlung dieser Temperatur. Vorteilhaft ist dabei, dass auf diese Weise die Frischgastemperatur unabhängig von anderen messtechnisch ermittelten Größen sehr genau bestimmt werden kann. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die messtechnische Ermittlung der Frischgas-Temperatur kurzfristige und/oder lokale Schwankungen der Frischgastemperatur erfasst werden, wodurch sich im Endeffekt wiederum die Genauigkeit der Temperaturbestimmung für die Gesamtgasfüllung verbessert.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Restgases mittels der Temperatur eines Abgases des Verbrennungsmotors bestimmt wird. Dies hat den Vorteil, dass auch die Temperatur des Abgases in der Regel bereits in einem Kraftfahrzeug bzw. in einer Steuerung eines Verbrennungsmotors zur Verfügung steht. Der Wert der Abgastemperatur kann dabei entweder direkt gemessen werden oder indirekt durch Rechnung auf der Grundlage weiterer Motorsteuerungsdaten rechnerisch ermittelt werden.
  • Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass für die Bestimmung der Restgas-Temperatur kein zusätzlicher messtechnischer Aufwand betrieben werden muss, insbesondere kein zusätzlicher Messwertaufnehmer bereitgestellt werden muss.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass als Anteil des Frischgases der Partialdruck des Frischgases im Zylinder ermittelt wird, dass als Anteil des Restgases der Partialdruck des Restgases im Zylinder ermittelt wird, und dass das Berechnen der Temperatur der Gasfüllung gemäß der Bestimmungsgleichung T_ges = (p_fg × T_fg + p_rg × T_rg)/(p_fg + p_rg)erfolgt. Durch die vorstehend genannte Berücksichtigung der Partialdrücke der Gasanteile gewichtet mit den jeweiligen Temperaturen dieser Gasanteile ist eine sehr genaue Bestimmung der Temperatur der Gesamt-Gasfüllung gewährleistet. Die Partialdruck-Werte der einzelnen Gasanteile können dabei auf die aktuelle Temperatur dieser Gasanteile bezogen sein oder auf ein gemeinsames Temperaturniveau bezogen sein. Vorteilhaft ist weiterhin, dass die Zahlenwerte für die Partialdruck-Anteile des Frischgases bzw. des Restgases in der Regel bereits innerhalb der Motorsteuerung zu anderen Zwecken ermittelt wurden und somit für die vorliegende Berechnung der Temperatur der Gasfüllung bereits vorliegen. Hierdurch ist eine genaue Bestimmung der Temperatur der Gasfüllung ohne zusätzlichen messtechnischen Aufwand möglich.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass als Anteil des Frischgases die Masse des Frischgases im Zylinder ermittelt wird, dass als Anteil des Restgases die Masse des Restgases im Zylinder ermittelt wird, und dass das Berechnen der Temperatur der Gasfüllung gemäß der Bestimmungsgleichung T_ges = (m_fg × T_fg + m_rg × T_rg)/(m_fg + m_rg)erfolgt. Dabei ist von Vorteil, dass durch die Berücksichtigung der einzelnen Gasmassenanteile die Temperatur der Gesamt-Gasfüllung noch genauer berechnet werden kann. Damit wird der Temperatureintrag der einzelnen Gasmassen zu der Gesamt-Gasfüllung exakt erfasst. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass die Massenanteile des Frischgases bzw. des Restgases in der Regel in der Motorsteuerung bereits zu anderen Zwecken ermittelt wurde und damit für die anstehende Berechnung der Temperatur der Gesamt-Gasfüllung bereits zur Verfügung steht. Somit ist eine exakte Ermittlung der Temperatur der Gesamt-Gasfüllung ohne zusätzlichen apparatetechnischen Aufwand möglich, insbesondere ohne zusätzlichen Messwertaufnehmer.
  • Bei einer weiteren besonderen Ausführungsart der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Berechnen der Temperatur der Gasfüllung die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität des Frischgases und des Abgases berücksichtigt wird. Durch eine derartige Berücksichtigung der temperaturabhängigen Wärmekapazität der einzelnen Gasanteile wird die Genauigkeit der Temperaturbestimmung noch weiter erhöht. Dabei kann die Wärmekapazität insbesondere auch unter Berücksichtigung der Gaszusammensetzung in dem Frischgas bzw. in dem Abgas sowie die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität aufgrund der Gaszusammensetzung berücksichtigt werden.
  • Die Lehre der vorliegenden Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors mit Rechenmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenmittel eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführen. Die Rechenmittel können dabei nach dem Stand der Technik aufgebaut sein, insbesondere können die Rechenmittel durch eine elektronische Schaltung, einen Mikrocontroller mit entsprechenden Peripherie- und Speichereinheiten, oder durch einen Personalcomputer, auf dem ein entsprechendes Computerprogramm abgearbeitet wird, gebildet werden.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist.
  • Ein Weg zum Ausführen der beanspruchten Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
  • 1 zeigt eine Anordnung der Gaszu- bzw. Abführung in bzw. aus dem Zylinder;
  • 2 zeigt eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Gastemperatur.
  • Die 1 zeigt eine Anordnung der Gaszu- bzw. Abführung in bzw. aus dem Zylinder. Der Zylinder 101 bildet zusammen mit dem Kolben 102, dem Einlassventil 103 und dem Auslassventil 104 ein Zylindervolumen 105. Die Temperatur T_ges der in dem Zylindervolumen 105 befindlichen Gasmenge ist zu bestimmen. Aus dem Saugrohr 106 strömt bei entsprechender Stellung des Einlassventils 103 Frischgas mit der Temperatur T_fg in das Zylindervolumen 105 ein. Während einer Austreibphase strömen die Abgase aus dem Zylindervolumen 105 bei entsprechender Stellung des Auslassventils 104 in den Auspuff 107 aus. Die Abgastemperatur wird dabei für den vorliegenden Fall gleich der Temperatur T_rg des im Zylindervolumen 105 verbleibenden Restgases gesetzt.
  • Die 2 zeigt eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Temperatur T_ges der Gesamt-Gasfüllung in dem Zylinder. Für die Bestimmung dieser Temperatur T_ges wird zunächst die Temperatur T_fg des Frischgasanteils bestimmt. Hierzu wird zunächst aus der Motordrehzahl n_mot und dem Druck im Saugrohr p_s mittels einer Funktion 201 ein Wichtungsfaktor 202 ermittelt. Aus diesem ermittelten Wichtungsfaktor wird mittels einer Tiefpassfunktion 203, welche das Regelverhalten der Gasregelstrecke repräsentiert, der effektive Wichtungsfaktor F_sp ermittelt. Dieser Wichtungsfaktor F_sp wird mit der um die Umgebungstemperatur T_amb reduzierten Motortemperatur T_mot multipliziert. Zu dem Ergebnis dieser Multiplikation wird die Umgebungstemperatur T_amb hinzu addiert, wodurch sich ein erster modellierter Wert 204 für die Frischgastemperatur ergibt. Der aus dieser Addition hervorgehende Zahlenwert 204 wird durch eine Operation 207 auf die Einheit Kelvin konvertiert. Am Ausgang dieser Temperaturmodellierung mit den Eingangsgrößen Motorendrehzahl n_mot, Saugrohrdruck p_s, Motortemperatur T_mot, Umgebungstemperatur T_amb, Temperatur des extern rückgeführten Abgases T_egr und Anteil des extern rückgeführten Abgases a_egr wird die Frischgastemperatur T_fg ermittelt. Die Temperatur T_fg kann auch auf jede andere geeignete Weise ermittelt werden, beispielsweise kann die Temperatur auch durch einen entsprechenden Messwertaufnehmer im Saugrohr gemessen werden.
  • In einem zweiten Verfahrensabschnitt werden zunächst die Anteilsfaktoren des Frischgases a_fg und des Abgases a_rg ermittelt. Diese werden in einer ersten Operation 211 aus dem Partialdruck des Frischgases p_fg und dem Partialdruck des Restgases p_rg berechnet. Hierzu wird zunächst der Anteilsfaktor des Frischgases a_fg gemäß der Bestimmungsgleichung a_fg = p_fg/(p_fg + p_rg)berechnet. In entsprechender Weise wird der Anteilfaktor des Restgases a_rg gemäß der Bestimmungsgleichung a_rg = p_rg/(p_fg + p_rg)berechnet. Der so ermittelte Anteilsfaktor des Frischgases a_fg wird nachfolgend durch eine Rechenoperation 212 mit der Frischgastemperatur T_fg multipliziert. Hieraus wird ein Temperaturbeitrag T1 des Frischgases zur Temperatur T_ges der Gesamtgasfüllung ermittelt. In entsprechender Weise wird der Anteilsfaktor des Restgases a_rg mit der Restgastemperatur T_rg in einer Rechenoperation 213 multipliziert. Auf diese Weise wird der Temperaturbeitrag T2 des Restgases zur Temperatur T_ges der Gesamt-Gasfüllung ermittelt. In einer abschließenden Rechenoperation 214 werden die beiden Temperaturbeiträge T1 und T2 addiert und das Resultat der erfindungsgemäßen Temperaturermittlung ist die Temperatur T_ges der Gesamt-Gasfüllung.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, wobei sich die Gasfüllung aus einem Restgas-Anteil und einem Frischgas-Anteil zusammensetzt, mit dem Schritt Ermitteln der Temperatur des Frischgases (T_fg), gekennzeichnet durch die Schritte: Ermitteln des Anteils des Frischgases (a_fg) an der Gasfüllung, Ermitteln der Temperatur des Restgases (T_rg), Ermitteln des Anteils des Restgases (a_rg) an der Gasfüllung, und Berechnen der Temperatur der Gasfüllung (T_ges) aus der Temperatur des Restgases (T_rg), dem Anteil des Restgases (a_rg), der Temperatur des Frischgases (T_fg) und dem Anteil des Frischgases (a_fg).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Frischgases (T_fg) in der Nähe des Einlasses in den Zylinder ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Frischgases (T_fg) rechnerisch aus mindestens zwei gemessenen Größen ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Frischgases (T_fg) in einem Saugrohr des Verbrennungsmotors gemessen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Restgases (T_rg) mittels der Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Anteil des Frischgases (a_fg) der Partialdruck des Frischgases (p_fg) im Zylinder ermittelt wird, dass als Anteil des Restgases (a_rg) der Partialdruck des Restgases (p_rg) im Zylinder ermittelt wird, und dass das Berechnen der Temperatur der Gasfüllung (T_ges) gemäß der Bestimmungsgleichung T_ges = (p_fg × T_fg + p_rg × T_rg)/(p_fg + p_rg)erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Anteil des Frischgases (a_fg) die Masse des Frischgases (m_fg) im Zylinder ermittelt wird, dass als Anteil des Restgases (a_rg) die Masse des Restgases (m_rg) im Zylinder ermittelt wird, und dass das Berechnen der Temperatur der Gasfüllung (T_ges) gemäß der Bestimmungsgleichung T_ges = (m_fg × T_fg + m_rg × T_rg)/(m_fg + m_rg)erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Berechnen der Temperatur der Gasfüllung T_ges die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität des Frischgases und des Abgases berücksichtigt wird.
  9. Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors mit Rechenmitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenmittel ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführen.
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