EP1365129A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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EP1365129A2 EP03006785A EP03006785A EP1365129A2 EP 1365129 A2 EP1365129 A2 EP 1365129A2 EP 03006785 A EP03006785 A EP 03006785A EP 03006785 A EP03006785 A EP 03006785A EP 1365129 A2 EP1365129 A2 EP 1365129A2
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combustion engine
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Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for controlling a Internal combustion engine, for example a diesel engine, depending on that in the individual combustion chambers or cylinders of the internal combustion engine detected combustion chamber pressure.
  • a Internal combustion engine for example a diesel engine
  • DE 197 49 815 A1 describes an engine management system for an internal combustion engine known, by detecting the combustion chamber pressure in each cylinder or combustion chamber of the internal combustion engine depending on the crank angle in each Engine torque indexed combustion chamber determined and for the torque control of the Motor vehicle is used.
  • characteristic maps are used for this filed, which motor torque data required for torque control include. By accessing these maps, depending on the appropriate settings detected or ascertained indicated appropriate engine torque
  • Operating parameters of the internal combustion engine e.g. the amount of fuel injected, or the ignition timing, etc., for the best possible torque control of the Internal combustion engine are made.
  • the present invention is therefore based on the object of a method and a To propose a device for regulating an internal combustion engine, the effective Engine torque can be taken into account.
  • the method or the device according to the invention preferably also a determination of Torque loss by which the effective motor torque differs from that in the Internal combustion engine by combustion indicated engine torque, enable.
  • the determination is used to effectively control an internal combustion engine the effective engine torque occurring on the crankshaft of the internal combustion engine proposed.
  • the one occurring in a combustion chamber of the internal combustion engine Combustion chamber pressure as a function of the crank angle recorded and the indexed from it
  • Engine torque derived in the combustion chamber From the indicated engine torque and the The angular velocity of the crankshaft can then be derived from the effective engine torque be, in particular the torque loss of the internal combustion engine can be determined and used for diagnostic purposes.
  • An indexed medium pressure value can also be used as an intermediate variable from the combustion chamber pressure data derived and for controlling the internal combustion engine, for example to improve the Idling.
  • the invention enables combustion chamber-based control loops and a combustion chamber-based one Engine management.
  • crankshaft 4 of the internal combustion engine 1st driven is a crankshaft 4 of the internal combustion engine 1st driven.
  • the internal combustion engine with four Clocking works reach the crankshaft 4 and the piston 3 within one Working cycle exactly twice the so-called top dead center OT and the bottom one Dead center UT, which corresponds to two complete revolutions of the crankshaft 4.
  • the rotation angle ⁇ of the crankshaft 4 in degrees crank angle (° KW) specified.
  • the pressure sensor 5 comprises, for example Measuring membrane, which depends on what is in the combustion chamber Combustion chamber pressure is expanded or deformed differently, the extent of Elongation or deformation of this measuring membrane as a measure of that in the combustion chamber 2 the prevailing combustion chamber pressure is evaluated by a control unit 7.
  • the combustion chamber pressure prevailing in this way in the combustion chamber 2 becomes the current position of the crankshaft 4, d. H. to the current angle of rotation ⁇ the Crankshaft 4, related.
  • a crankshaft sensor 6 provided, which continuously detects the current position of the crankshaft 4 and this supplies the control unit 7. In this way, the control unit 7 can follow the course of the Determine the combustion chamber pressure as a function of the angle of rotation ⁇ of the crankshaft 4.
  • dQ W describes the wall heat energy extracted from the system
  • dQ B describes the converted fuel energy or the combustion process of the injected fuel
  • dH E is the enthalpy change of the mass flowing into the system
  • dH A the enthalpy change of the outflowing mass
  • dH B the enthalpy change of the injected fuel
  • Equation (11) is the basis for the energetic assessment of the processes taking place in a combustion chamber 2 of the internal combustion engine 1.
  • the effective specific work resulting from a combustion can be taken from the crankshaft 4 of the internal combustion engine 1 and expressed in the form of the effective mean pressure p me , the effective engine torque M e or the effective power P e .
  • This effective specific work corresponds to the difference between the specific internal work, expressed by the indicated mean pressure p mi , the indicated engine torque M i or the indicated power P i , and the specific mechanical loss work (loss or friction mean pressure p mv , loss torque M v , Power loss P v ).
  • the indicated mean pressure p mi thus corresponds to the volume change work related to the respective stroke volume V h .
  • the indicated work corresponds to the area enclosed by the characteristic curve in the respective pV diagram. In four-stroke engines, it is divided into a high-pressure and a gas exchange component.
  • the indicated mean pressure p mi_HD of the high pressure phase can be used as a parameter for the combustion of the individual combustion chambers and is defined between the two bottom dead centers UT of the crank path as a function of the measured combustion chamber pressure p as follows:
  • the indicated medium pressure p mi_HD of the high pressure phase is preferably selected for the regulation and control of the internal combustion engine 1, since it physically describes the internal work of each combustion chamber 2.
  • the torque M of the internal combustion engine 1 is proportional to the mean pressure (averaged between the individual combustion chambers or cylinders 2) p m of the internal combustion engine: (18) M ⁇ V H ⁇ p m ,
  • the indexed engine torque is a conversion of the indexed work into a (virtual) moment (see equation (18) with the index i).
  • the current indicated engine torque can be calculated from the continuous observation of the indicated work according to equation (19) by superimposing the curves of all z combustion chambers:
  • the indicated engine torque is linked to the engine speed via a differential equation of the crank mechanism described in, for example, "Calculation of the combustion chamber pressure curve from crankshaft angular velocity of internal combustion engines", Fehrenbach H., progress reports VDI series 6, energy generation No. 255, VDI publishing house Düsseldorf, 1991, in this regard, reference is expressly made to the statements in this publication.
  • the (momentary) indicated engine torque can be derived from the combustion chamber pressure with a resolution of 1 ° KW.
  • the crankshaft angular velocity is also available with a temporal resolution of 1 ° KW.
  • the loss torque M v (together) relates to the negative work due to friction losses on the respective piston and crank mechanism, as well as torque losses due to consumers of the respective motor vehicle also driven by the crankshaft, such as the air conditioning compressor, the injection pumps and the servo pump , the alternator etc., back.
  • the following relationship applies between the individual moments: (22) M e ( ⁇ ) M i ( ⁇ ) + M v ( ⁇ ) ⁇ M v ( ⁇ ) ⁇ 0th
  • the loss torque can be determined in this operating state from the above relationships and as a function of the indicated engine torque derived from the combustion chamber pressure.
  • the drag torque can be determined from equation (18) from the drag medium pressure p ms .
  • the existing control loops of the engine management system can be improved, since this additional information flows into the control or regulation of the internal combustion engine can.
  • Certain manipulated variables for example the fuel injection quantity, the start of fuel delivery or the fuel injection curve, can be changed, for example in the form of a cylinder-specific combustion start or torque control, in such a way that the parameters extracted from the combustion chamber pressure are achieved. In particular, regulation takes place on the basis of the combustion actually taking place in the respective combustion chamber.
  • the idling of the internal combustion engine can be improved.
  • the smooth running of the internal combustion engine can also be improved.
  • It cylinder-specific setpoints for the indicated medium pressure can be specified, if different torque or friction losses for the individual cylinders or Combustion chambers are determined in order to obtain a cylinder-specific control.
  • crank angle can also be other components or components of the drive train, e.g. the transmission or the ancillary units can be made available for control.
  • the idle control and the bucking damping of the internal combustion engine can by Identification of the parameters of this differential equation adapted in a further step so these parameters are no longer in a lengthy process for different operating conditions must be applied.

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Abstract

Zur effektiven Regelung eines Verbrennungsmotors (1) wird die Bestimmung des an der Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors (1) auftretenden effektiven Motormoments vorgeschlagen. Hierzu wird der in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) auftretende Brennraumdruck in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel (ϕ) erfasst und daraus das indizierte Motormoment in dem Brennraum abgeleitet. Aus dem indizierten Motormoment und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) kann dann das Verlustmoment des Verbrennungsmotors (1) und schließlich das effektive Motormoment abgeleitet werden. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, in Abhängigkeit von dem in den einzelnen Brennräumen oder Zylindern des Verbrennungsmotors erfassten Brennraumdruck.
Für eine insbesondere emissionsoptimale Regelung eines Verbrennungsmotors, z. B. eines aufgeladenen Dieselmotors, ist die genaue Kenntnis einer möglichst großen Anzahl von Betriebsparametern des Motorsystems von entscheidender Bedeutung. Ein derartiger Betriebsparameter ist bei einem Verbrennungsmotor beispielsweise das effektive Motormoment, d.h. das tatsächlich auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragene und somit an der Kupplung eines entsprechenden Kraftfahrzeugs verfügbare Moment, welches dem eigentlichen Fahrerwunsch entspricht. Das effektive Motormoment unterscheidet sich von dem in dem Verbrennungsmotor durch die Verbrennung indizierten Motormoment durch ein negatives Verlustmoment, welches neben Reibungsverluste z.B. an den Kolben und dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors auch Antriebsmomente aller am Hilfs- oder Riementrieb angeschlossenen Verbraucher (z.B. für den Betrieb des Klimakompressors, der Einspritzpumpen, der Servopumpe, der Lichtmaschine etc. des Kraftfahrzeugs) umfasst.
Aus der DE 197 49 815 A1 ist ein Motormanagementsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei durch Erfassung des Brennraumdrucks in jedem Zylinder oder Brennraum des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kurbelwinkel das in jedem Brennraum indizierte Motormoment ermittelt und für die Drehmomentregelung des Kraftfahrzeugs verwendet wird.
In Motorsteuergeräten herkömmlicher Motormanagementsysteme werden hierzu Kennfelder abgelegt, welche für die Drehmomentregelung erforderliche Motordrehmomentdaten umfassen. Durch Zugriff auf diese Kennfelder können dann in Abhängigkeit von dem erfassten bzw. ermittelten indizierten Motormoment entsprechende Einstellungen geeigneter Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, z.B. der eingespritzten Kraftstoffmenge oder des Zündzeitpunkts etc., für eine möglichst optimale Drehmomentregelung des Verbrennungsmotors vorgenommen werden.
Bei den herkömmlichen Motormanagementsystemen erfolgt jedoch keine Erfassung des zuvor erwähnten augenblicklichen effektiven Motormoments. Insbesondere werden in Kennfeldern der zuvor beschriebenen Art lediglich relativ ungenaue Momentmittelwerte verwendet und das Ist-Verhalten des Verbrennungsmotors nicht oder nur unzureichend berücksichtigt. Das effektive Motormoment und auch das ebenfalls zuvor erwähnte Verlustmoment spielen bei den herkömmlichen Motorregelkreisen keine Rolle.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, wobei das effektive Motormoment berücksichtigt werden kann. Dabei soll das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise auch eine Bestimmung des Verlustmoments, durch welches sich das effektive Motormoment von dem in dem Verbrennungsmotor durch Verbrennung indizierten Motormoment unterscheidet, ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Zur effektiven Regelung eines Verbrennungsmotors wird erfindungsgemäß die Bestimmung des an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auftretenden effektiven Motormoments vorgeschlagen. Hierzu wird der in einem Brennraum des Verbrennungsmotors auftretende Brennraumdruck in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel erfasst und daraus das indizierte Motormoment in dem Brennraum abgeleitet. Aus dem indizierten Motormoment und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle kann dann das effektive Motormoment abgeleitet werden, wobei dabei insbesondere auch das Verlustmoment des Verbrennungsmotors ermittelt und für Diagnosezwecke verwendet werden kann.
Aus den Brennraumdruckdaten kann als Zwischengröße auch ein indizierter Mitteldruckwert abgeleitet und zur Regelung des Verbrennungsmotors, beispielsweise zur Verbesserung des Leerlaufs, eingesetzt werden.
Mit Hilfe der Erfindung ist durch die Verwendung neuer Regelgrößen eine verbesserte Regelung des Verbrennungsmotors möglich, was wiederum zu einer Verbesserung des Komforts, des Emissionsaustosses und des Kraftstoffverbrauchs führt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung brennraumbasierte Regelkreise und ein brennraumbasiertes Motormanagement.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher anhand der beigefügten Zeichnung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Zylinder- bzw. Brennraumdruckerfassung in einem Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Figur ist ein Zylinder oder Brennraum 2 bzw. das entsprechende Zylindergehäuse eines Verbrennungsmotors 1, beispielsweise eines Dieselmotors, dargestellt. Ein in dem Brennraum 2 befindlicher Kolben 3 wird über eine Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 angetrieben. Wird beispielsweise angenommen, dass der Verbrennungsmotor mit vier Takten arbeitet, erreichen die Kurbelwelle 4 und der Kolben 3 innerhalb eines Arbeitszyklusses genau zweimal den so genannten oberen Totpunkt OT und den unteren Totpunkt UT, was zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle 4 entspricht. In der Kraftfahrzeugtechnik werden die Drehwinkel ϕ der Kurbelwelle 4 in Grad Kurbelwinkel (°KW) angegeben.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Zylinderkopfs oder der Zylinderkopfdichtung ein Drucksensor 5 angeordnet, mit dessen Hilfe der in dem Brennraum 2 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 auftretende Brennraumdruck erfasst werden kann. Zu diesem Zweck umfasst der Drucksensor 5 beispielsweise eine Messmembran, welche abhängig von dem in dem Brennraum herrschenden Brennraumdruck unterschiedlich gedehnt bzw. verformt wird, wobei das Ausmaß der Dehnung bzw. Verformung dieser Messmembran als Maß für den in dem Brennraum 2 augenblicklich herrschenden Brennraumdruck von einem Steuergerät 7 ausgewertet wird.
Der auf diese Weise in dem Brennraum 2 herrschende Brennraumdruck wird zu der augenblicklichen Stellung der Kurbelwelle 4, d. h. zu dem augenblicklichen Drehwinkel ϕ der Kurbelwelle 4, in Beziehung gesetzt. Zu diesem Zweck ist ein Kurbelwellensensor 6 vorgesehen, welcher kontinuierlich die augenblickliche Stellung der Kurbelwelle 4 erfasst und diese dem Steuergerät 7 zuführt. Auf diese Weise kann das Steuergerät 7 den Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit von dem Drehwinkel ϕ der Kurbelwelle 4 ermitteln.
Für eine Vielzahl der hierin vorgeschlagenen numerischen Auswertungen ist eine Zuordnung des augenblicklich erfassten Brennraum- oder Zylinderdrucks zu dem Brennraumvolumen erforderlich. Hierzu sollen nachfolgend die wesentlichen Grundlagen erläutert werden.
Das gesamte Hubvolumen VH des Verbrennungsmotors ist in Abhängigkeit von dem Brennraumhubvolumen Vh und der Zylinder- oder Brennraumzahl z wie folgt definiert: (1)   VH = Vh ·z.
Das Verdichtungsvolumen VC jedes Brennraums ist folgendermaßen über das Verdichtungsverhältnis ε mit dem Hubvolumen des jeweiligen Brennraums verknüpft: (2)   ε= VC + Vh VC .
Das jeweils augenblickliche Brennraumvolumen V(ϕ) ergibt sich aus dem kurbelwinkelabhängigen Kolbenweg χ(ϕ) (gemessen ausgehend vom oberen Totpunkt OT) und der Kolbenfläche Ak, wobei r den Radius der Kurbelwelle 4 bezeichnet: (3)   V(ϕ) = Vc + χ(ϕ)·Ak = VC + χ(ϕ)2r ·Vh .
Bei Betrachtung der einzigen Figur können folgende geometrischen Zusammenhänge ermittelt werden, wobei I die Länge des den Kolben 3 mit der Kurbelwelle 4 verbindenden Pleuels und β den Pleuelwinkel wie in der Figur gezeigt bezeichnen: (4)   r·sin(ϕ) = l·sin(β) l 2 = (l·cos(β))2 + (l·sin(β))2 χ(ϕ) = r·(1-cos(ϕ)) + l·(1-cos(ϕ))
Mit der Definition des so genannten Schubstangenverhältnisses λ s = r / l ergibt sich der Kolbenweg (bezogen auf den oberen Totpunkt OT) somit zu:
Figure 00040001
Das Brennraumvolumen V(ϕ) ist somit in Abhängigkeit von der Hubfunktion k(ϕ) = χ(ϕ) / r:
Figure 00050001
Die Ableitung der Hubfunktion
Figure 00050002
erlaubt die Berechnung der kurbelwinkelabhängigen Veränderung des Brennraumvolumens wie folgt:
Figure 00050003
Aufbauend auf den zuvor beschriebenen Grundlagen sollen nachfolgend die im Rahmen der vorliegenden Erfindung relevanten Zusammenhänge zur Bestimmung des effektiven Motormoments sowie des Verlustmoments des Verbrennungsmotors erläutert werden.
Der effektive Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses ηe wird durch die Umsetzung der im Kraftstoff gespeicherten Energie QB in eine an der Kurbelwelle 4 verfügbare Nutzarbeit We definiert. Mit dem so genannten unteren Heizwert Hu des Kraftstoffs und der Kraftstoffmasse mk ergibt sich somit folgende Beziehung: (9)   η e = We QB = We mk · Hu .
Mit Hilfe der zuvor erwähnten Brennraumdruckmessung kann der Hochdruckprozess in dem jeweiligen Brennraum oder Zylinder 2 des Verbrennungsmotors 1 beobachtet werden. Somit lassen sich die mechanischen Verluste (mechanischer Wirkungsgrad ηm) von den inneren Verlusten (innerer Wirkungsgrad ηi) trennen. Für den effektiven Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses gilt mit der indizierten oder inneren Arbeit Wi: (10)   η e = η i ·η m = Wi mk · Hu · We Wi .
Aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich für die Energiebilanz des Systems folgende Differentialgleichung: (11)   dWi + dQW + dQB + dHE + dHA + dHB = dU.
Der Term dWi beschreibt die Volumenänderungsarbeit und ist gemäß dem Zusammenhang dWi=-p·dV durch den Brennraumdruck p sowie die Volumenveränderung dV definiert.
Der Term dQW beschreibt die dem System entzogene Wandwärmeenergie, und der Term dQB beschreibt die umgesetzte Kraftstoffenergie bzw. den Brennverlauf des eingespritzten Kraftstoffs.
Mit dHE ist die Enthalpieänderung der in das System einströmenden Masse, mit dHA die Enthalpieänderung der ausströmenden Masse, und mit dHB die Enthalpieänderung des eingespritzten Kraftstoffs bezeichnet.
Der Term dU beschreibt schließlich die Änderung der inneren Energie des Systems.
Gleichung (11) ist die Grundlage für die energetische Beurteilung der in einem Brennraum 2 des Verbrennungsmotors 1 ablaufenden Vorgänge. Die im Brennraumdruck p beobachtbare Wärmeänderung im Arbeitsgas ergibt den Heizverlauf dQH als Summe der umgesetzten Kraftstoffenergie dQB und der negativen Wandwärmeenergie dQW: (12)   dQH = dQ B + dQ W .
Bei Verbrennungsmotoren entspricht der Mitteldruck pm in einem Brennraum der auf das entsprechende Hubvolumen Vh bezogenen Arbeit W eines Arbeitsspiels: (13)   pm = W Vh .
Die aus einer Verbrennung resultierende effektive spezifische Arbeit kann an der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 abgenommen und in Form des effektiven Mitteldrucks pme, des effektiven Motormoments Me oder der effektiven Leistung Pe ausgedrückt werden. Diese effektive spezifische Arbeit entspricht der Differenz zwischen der spezifischen inneren Arbeit, ausgedrückt durch den indizierten Mitteldruck pmi, dem indizierten Motormoment Mi oder der indizierten Leistung Pi, und der spezifischen mechanischen Verlustarbeit (Verlust- oder Reibungsmitteldruck pmv, Verlustmoment Mv, Verlustleistung Pv). Der mechanische Wirkungsgrad ηm verknüpft die effektiven und induzierten Größen wie folgt: (14)   η m = Pme Pmi = Me Mi = Pe Pi .
Aus Gleichung (14) ist ersichtlich, dass die zuvor erwähnten Mitteldrücke, Momente und Arbeiten bzw. Leistungen ineinander umgerechnet werden können.
Der indizierte Mitteldruck pmi lässt sich direkt aus dem mit Hilfe des Drucksensors 5 gemessenen Brennraumdruck bestimmen. Er wird aus der Volumenänderungsarbeit abgeleitet und charakterisiert die Energieumsetzung des Arbeitsgases in dem jeweiligen Brennraum: (15)   Pmi = 1 Vh ∮p·dV.
Der indizierte Mitteldruck pmi entspricht somit der auf das jeweilige Hubvolumen Vh bezogenen Volumenänderungsarbeit.
Die indizierte Arbeit entspricht der in dem jeweiligen pV-Diagramm von der Kennlinie eingeschlossenen Fläche. Sie unterteilt sich bei Viertakt-Motoren in einen Hochdruck- und einen Ladungswechselanteil. Der indizierte Mitteldruck pmi_HD der Hochdruckphase kann als Kenngröße für die Verbrennung der einzelnen Brennräume verwertet werden und wird zwischen den beiden unteren Totpunkten UT des Kurbelwegs in Abhängigkeit von dem gemessenen Brennraumdruck p wie folgt definiert:
Figure 00070001
Der indizierte Mitteldruck pmi_HD der Hochdruckphase wird vorzugsweise für die Regelung und Steuerung des Verbrennungsmotors 1 ausgewählt, da er die innere Arbeit jedes Brennraums 2 physikalisch beschreibt.
Der innere Wirkungsgrad ηi beschreibt die Verbrennungsgüte, da er die eingesetzte Brennstoffenergie QB mit der indizierten Energie Wi vergleicht: (17)   η i = Wi QB = Pmi · Vh mk · Hu .
Das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 ist proportional zu dem (zwischen den einzelnen Brennräumen oder Zylindern 2 gemittelten) Mitteldruck pm des Verbrennungsmotors: (18)   M ∼ VH · pm .
Das indizierte Motormoment ist eine Umrechnung der indizierten Arbeit in ein (virtuelles) Moment (vgl. Gleichung (18) mit dem Index i). Das momentane indizierte Motormoment eines Brennraums lässt sich näherungsweise wie folgt bestimmen: (19)   Mi (ϕ) = p(ϕ)· dV(ϕ)dϕ .
Aus der kontinuierlichen Betrachtung der indizierten Arbeit gemäß Gleichung (19) kann das momentane indizierte Motormoment durch Überlagerung der Verläufe aller z Brennräume berechnet werden:
Figure 00080001
Da die Funktion dV(ϕ) / dϕ für die numerische Bestimmung des indizierten Mitteldrucks durch das Steuergerät 7 ohnehin berechnet wird, stellt die Bestimmung des maximalen und minimalen indizierten Motormoments sowie deren Kurbelwinkellagen ϕMimax, ϕMimin lediglich einen unwesentlichen Mehraufwand dar.
Das indizierte Motormoment ist über eine beispielsweise in "Berechnung des Brennraumdruckverlaufs aus Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit von Verbrennungsmotoren", Fehrenbach H., Fortschrittsberichte VDI Reihe 6, Energieerzeugung Nr. 255, VDI-Verlag Düsseldorf, 1991, beschriebene Differentialgleichung des Kurbeltriebs mit der Motordrehzahl verknüpft, wobei diesbezüglich an dieser Stelle ausdrücklich auf die Ausführungen in dieser Veröffentlichung verwiesen wird. Das (momentane) indizierte Motormoment kann wie beschrieben aus dem Brennraumdruck mit einer Auflösung von 1°KW abgeleitet werden. Des Weiteren liegt auch die Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit mit einer zeitlichen Auflösung von 1°KW vor. Somit sind die Eingangs- und Ausgangsgrößen des in dieser Veröffentlichung beschriebenen Modells des Kurbeltriebs vorhanden, und es können daraus das effektive Motormoment Me(ϕ) und das Verlustmoment Mv(ϕ) bestimmt werden, da gemäß dieser Differentialgleichung folgender Zusammenhang gilt: (20)   Mi (ϕ) + Mv (ϕ) - Me (ϕ) = J·d2ϕ dt + J'2 · dϕ dt 2.
Die Herleitung der Ausdrücke für J und J' kann ebenfalls der zuvor beschriebenen Veröffentlichung entnommen werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist lediglich von Bedeutung, dass die rechte Seite der Gleichung (21) in Abhängigkeit von der Kubelwellen-Winkelgeschwindigkeit bekannt ist, so dass bei zusätzlicher Herleitung von Mi(ϕ) wie zuvor beschrieben aus dem Brennraumdruck auf das Verlustmoment Mv(ϕ) und das effektive Motormoment Me(ϕ) geschlossen werden kann.
Wie bereits erwähnt worden ist, geht das Verlustmoment Mv(ϕ) auf die negative Arbeit durch Reibungsverluste am jeweiligen Kolben und Kurbeltrieb sowie auf Momentverluste aufgrund von ebenfalls über die Kurbelwelle angetriebenen Verbrauchern des jeweiligen Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise dem Klimakompressor, den Einspritzpumpen, der Servopumpe, der Lichtmaschine etc., zurück. Dabei gilt zwischen den einzelnen Momenten der folgende Zusammenhang: (22)   Me (ϕ) = Mi (ϕ) + Mv (ϕ)^Mv (ϕ)<0.
Im Betriebszustand "Leerlauf"/"Motor ausgekuppelt" ist das effektive Motormoment Null. Daher kann in diesem Betriebszustand das Verlustmoment aus den obigen Zusammenhängen sowie in Abhängigkeit von dem aus dem Brennraumdruck abgeleiteten indizierten Motormoment ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann über die Mitteldruckwerte auch das zylinder- oder brennraumindividuelle Schleppmoment bestimmt werden. Dabei gilt zwischen den Mitteldruckwerten folgender Zusammenhand: (23)   pms = pmi_HD - pme .
Aus dem Schleppmitteldruck pms kann das Schleppmoment über Gleichung (18) bestimmt werden.
Mit Hilfe der zuvor beschriebenen zusätzlich gewonnenen Informationen, insbesondere dem effektiven Motormoment Me, dem Verlustmoment Mv und dem indizierten Mitteldruck pmi, können die vorhandenen Regelkreise des Motormanagementsystems verbessert werden, da diese zusätzlichen Informationen in die Steuerung bzw. Regelung des Verbrennungsmotors mit einfließen können. Bestimmte Stellgrößen, z.B. die Kraftstoff-Einspritzmenge, der Kraftstoff-Förderbeginn oder der Kraftstoff-Einspritzverlauf, können beispielsweise in Form einer zylinderindividuellen Verbrennungsbeginn- oder Momentenregelung derart verändert werden, dass die jeweils aus dem Brennraumdruck extrahierten Kenngrößen erreicht werden. Dabei findet insbesondere eine Regelung auf Basis der in dem jeweiligen Brennraum tatsächlich ablaufenden Verbrennung statt.
So kann insbesondere der Leerlauf des Verbrennungsmotors verbessert werden. Im unteren Drehzahlbereich kann auch die Laufruhe des Verbrennungsmotors verbessert werden. Es können zylinderindividuelle Sollwerte für den indizierten Mitteldruck vorgegeben werden, wenn unterschiedliche Moment- oder Reibverluste für die einzelnen Zylinder oder Brennräume festgestellt werden, um somit eine zylinderindividuelle Regelung zu erhalten. Durch die Erfassung des (zylinderindividuellen) indizierten Mitteldrucks wird ein absolutes Maß für das in der Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder entstehende Moment gewonnen, so dass in Kombination mit einer hochaufgelösten Kurbelwinkelmarkierung sehr genaue und effektive zylinderindividuelle Regelkreise geschaffen werden können.
Mit dem effektiven Motormoment steht erstmals eine Modellgröße hoher Güte für die Fahrverhaltensfunktionen "Leerlauf", "Ruckeldämpfung" etc. zur Verfügung. Das effektive Motormoment wird - wie zuvor beschrieben worden ist - kurbelwinkelaufgelöst erfasst und kann auch anderen Komponenten oder Teilnehmern des Triebstrangs, z.B. dem Getriebe oder den Nebenaggregaten, zur Steuerung/Regelung zur Verfügung gestellt werden.
Dadurch, dass bei der zuvor beschriebenen Differentialgleichung des Kurbeltriebs, welche die Grundlage für die Bestimmung des Verlustmoments und des effektiven Moments des Verbrennungsmotors darstellt, aufgrund der Ermittlung des indizierten Motormoments in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck im Prinzip sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsgrößen bekannt sind, kann bei bekannten Betriebszuständen die Drehzahlinformation auch zur Überprüfung der Richtigkeit der Drucksensoren der einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors verwendet werden.
Die Leerlaufregelung und die Ruckeldämpfung des Verbrennungsmotors können durch Identifikation der Parameter dieser Differentialgleichung in einem weiteren Schritt adaptiert werden, so dass diese Parameter nicht mehr in einem langwierigen Prozess für verschiedene Betriebszustände appliziert werden müssen.
Mit dem Verlustmoment steht eine Modellgröße zur Verfügung, mit deren Hilfe zylinderindividuell zu Diagnosezwecken die Reibung sowie sonstige Verluste im Motor überwacht werden können und auf geeignete Weise darauf reagiert werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Verbrennungsmotor
2
Zylindergehäuse
3
Kolben
4
Kurbelwelle
5
Drucksensor
6
Kurbelwellensensor
7
Steuergerät
8
Einspritzventil
OT
Oberer Totpunkt
UT
Unterer Totpunkt
ϕ
Kurbelwinkel
β
Pleuelwinkel
l
Pleuellänge
r
Kurbelwellenradius

Claims (12)

  1. Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors,
    wobei der in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) durch einen Verbrennungsvorgang auftretende Brennraumdruck in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel (ϕ) einer Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors (1) erfasst und für die Regelung mindestens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennraumdruck ein durch den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum (2) indiziertes Motormoment abgeleitet wird, und
    dass aus dem indizierten Motormoment und einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein aufgrund der Verbrennung an der Kurbelwelle (4) auftretendes effektives Motormoment abgeleitet und für die Regelung des mindestens einen Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennraumdruck ein indizierter Mitteldruck abgeleitet und für die Regelung des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennraumdruck der indizierter Mitteldruck für eine Hochdruckphase in dem Brennraum abgeleitet und für die Regelung des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der indizierte Mitteldruck Pmi_HD in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck p und einem Hubvolumen Vh eines in dem Brennraum (2) befindlichen Kolbens (3) des Verbrennungsmotors (1) wie folgt bestimmt wird:
    Figure 00130001
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das indizierte Motormoment aus dem indizierten Mitteldruck abgeleitet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leerlaufverhalten des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit von dem indizierten Mitteldruck geregelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das indizierte Motormoment Mi in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel ϕ der Kurbelwelle (4) aus dem Brennraumdruck p und einem Volumen V des Brennraums (2) gemäß der Beziehung Mi (ϕ)=p(ϕ)· abgeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leerlauf-Betriebszustand oder einem ausgekoppelten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) aus dem indizierten Motormoment und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein Verlustmoment des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird, und dass aus dem indizierten Motormoment und dem Verlustmoment das effektive Motormoment bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlustmoment zur Diagnose eines fehlerhaften Zustands des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für mehrere Brennräume (2) des Verbrennungsmotors (1) brennraumspezifisch durchgeführt wird.
  11. Vorrichtung zur Regelung eins Verbrennungsmotors,
    mit Kurbelwinkelerfassungsmittel (6) zum Erfassen eines Kurbelwinkels (ϕ) einer Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors,
    mit Brennraumdruckerfassungsmittel (5) zum Erfassen des in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) auftretenden Brennraumdrucks, und
    mit einer Regelungseinrichtung (7) zur Regelung mindestens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit von dem durch die Brennraumdruckerfassungsmittel (7) erfassten Brennraumdruck und dem durch die Kurbelwinkelerfassungsmittel (6) erfassten Kurbelwinkel (ϕ),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie aus dem Brennraumdruck ein durch den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum (2) indiziertes Motormoment ableitet, um aus dem indizierten Motormoment und einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein aufgrund der Verbrennung an der Kurbelwelle (4) auftretendes effektives Motormoment abzuleiten und für die Regelung des mindestens einen Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) zu verwenden.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (7) zur Regelung des Verbrennungsmotors (1) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 ausgestaltet ist.
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