EP1365129B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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 199 31 985 ist ein Verfahren zur Ermittlung des indizierten Drehmomentes von Verbrennungskraftmaschinen durch Messung der Winkelgeschwindigkeit sowie der Winkelbeschleunigung und Bestimmung einer Drehmomentsumme bekannt. Die Ermittlung basiert auf den Drehmomentverhältnissen an stationären Betriebspunkten, an denen das mittlere indizierte Drehmoment näherungsweise gleich dem Widerstandsdrehmoment ist.
• 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 10 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 das Verlustmoment des Verbrennungsmotors ermittelt wird, welches insbesondere auch 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 V_H des Verbrennungsmotors ist in Abhängigkeit von dem Brennraumhubvolumen V_h und der Zylinder- oder Brennraumzahl z wie folgt definiert: $$V_H=V_h\cdot z\mathrm{.}$$

  
• Das Verdichtungsvolumen V_C jedes Brennraums ist folgendermaßen über das Verdichtungsverhältnis mit dem Hubvolumen des jeweiligen Brennraums verknüpft: $$\epsilon =\frac{V_C+V_h}{V_C}$$

  
• Das jeweils augenblickliche Brennraumvolumen V(ϕ) ergibt sich aus dem kurbelwinkelabhängigen Kolbenweg χ(ϕ) (gemessen ausgehend vom oberen Totpunkt OT) und der Kolbenfläche A_k, wobei r den Radius der Kurbelwelle 4 bezeichnet: $$V\left(\varphi \right)=V_C+\chi \left(\varphi \right)\cdot A_k=V_C+\frac{\chi \left(\varphi \right)}{2r}\cdot V_h\mathrm{.}$$

  
• 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: $$\begin{array}{l}r\cdot \sin \left(\varphi \right)=l\cdot \sin \left(\beta \right)\\ l^2={\left(l\cdot \cos \left(\beta \right)\right)}^2+{\left(l\cdot \sin \left(\beta \right)\right)}^2\\ \chi \left(\varphi \right)r\cdot (1-\cos \left(\varphi \right))+l\cdot \left(1-\cos \left(\varphi \right)\right)\end{array}$$

  
• Mit der Definition des so genannten Schubstangenverhältnisses ${\lambda }_s=\frac{r}{l}$

  

  ergibt sich der Kolbenweg (bezogen auf den oberen Totpunkt OT) somit zu: $$\chi \left(\varphi \right)=r\cdot (1-\cos \left(\varphi \right))+\frac{r}{{\mathit{\lambda }}_s}(1-\sqrt{1-{\left({\mathit{\lambda }}_s\sin \left(\varphi \right)\right)}^2})\mathrm{.}$$

  
• Das Brennraumvolumen V(ϕ) ist somit in Abhängigkeit von der Hubfunktion $k\left(\varphi \right)=\frac{\chi \left(\varphi \right)}{r}$

  

  : $$V\left(\varphi \right)=V_C+\frac{k\left(\varphi \right)}{2}\cdot V_h=V_C+\frac{(1-\cos \left(\varphi \right))+\frac{1}{{\mathit{\lambda }}_s}\left(1-\sqrt{1-{\left({\mathit{\lambda }}_s\sin \left(\varphi \right)\right)}^2}\right)}{2}\cdot V_h\mathrm{.}$$

  
• Die Ableitung der Hubfunktion $$\frac{\mathit{dk}}{\mathit{d\varphi }}=\sin \left(\varphi \right)+\frac{2\cdot {\mathit{\lambda }}_{\mathit{s}}\cdot \sin \left(\varphi \right)\cdot \cos \left(\varphi \right)}{2\cdot \sqrt{1-{\left({\mathit{\lambda }}_{\mathit{s}}\sin \left(\varphi \right)\right)}^2}}=\sin \left(\varphi \right)+\frac{{\mathit{\lambda }}_{\mathit{s}}\cdot \sin \left(2\varphi \right)}{2\cdot \sqrt{1-{\left({\mathit{\lambda }}_{\mathit{s}}\sin \left(\varphi \right)\right)}^2}}$$

  

  erlaubt die Berechnung der kurbelwinkelabhängigen Veränderung des Brennraumvolumens wie folgt: $$\frac{\mathit{dV}\left(\varphi \right)}{\mathit{d\varphi }}=\frac{\mathit{dk}\left(\varphi \right)}{\mathit{d\varphi }}\cdot \frac{V_h}{2}=\left(\sin \left(\varphi \right)+\frac{{\mathit{\lambda }}_{\mathit{s}}\cdot \sin \left(2\varphi \right)}{2\cdot \sqrt{1-{\left({\mathit{\lambda }}_{\mathit{s}}\sin \left(\varphi \right)\right)}^2}}\right)\cdot \frac{V_h}{2}\cdot$$

  
• 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 η_e wird durch die Umsetzung der im Kraftstoff gespeicherten Energie Q_B in eine an der Kurbelwelle 4 verfügbare Nutzarbeit W_e definiert. Mit dem so genannten unteren Heizwert H_u des Kraftstoffs und der Kraftstoffmasse m_k ergibt sich somit folgende Beziehung: $${\eta }_e=\frac{W_e}{Q_B}=\frac{W_e}{m_k\cdot H_u}\mathrm{.}$$

  
• 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 η_m) von den inneren Verlusten (innerer Wirkungsgrad η_i) trennen. Für den effektiven Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses gilt mit der indizierten oder inneren Arbeit W_i: $${\eta }_e={\eta }_e\cdot {\eta }_m=\frac{W_i}{m_k\cdot H_u}\cdot \frac{W_e}{W_i}\mathrm{.}$$

  
• Aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich für die Energiebilanz des Systems folgende Differentialgleichung: $${\mathit{dW}}_{\mathit{i}}\mathit{+}{\mathit{dQ}}_{\mathit{W}}\mathit{+}{\mathit{dQ}}_{\mathit{B}}\mathit{+}{\mathit{dH}}_{\mathit{E}}\mathit{+}{\mathit{dH}}_{\mathit{A}}\mathit{+}{\mathit{dH}}_{\mathit{B}}\mathit{=}\mathit{dU}\mathit{.}$$

  
• Der Term dW_i beschreibt die Volumenänderungsarbeit und ist gemäß dem Zusammenhang dW_i = -p·dV durch den Brennraumdruck p sowie die Volumenveränderung dV definiert.
• Der Term dQ_W beschreibt die dem System entzogene Wandwärmeenergie, und der Term dQ_B beschreibt die umgesetzte Kraftstoffenergie bzw. den Brennverlauf des eingespritzten Kraftstoffs.
• Mit dH_E ist die Enthalpieänderung der in das System einströmenden Masse, mit dH_A die Enthalpieänderung der ausströmenden Masse, und mit dH_B 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 dQ_H als Summe der umgesetzten Kraftstoffenergie dQ_B und der negativen Wandwärmeenergie dQ_W: $${\mathit{dQ}}_{\mathit{H}}\mathit{=}{\mathit{dQ}}_{\mathit{B}}\mathit{+}{\mathit{dQ}}_{\mathit{W}}\mathrm{.}$$

  
• Bei Verbrennungsmotoren entspricht der Mitteldruck p_m in einem Brennraum der auf das entsprechende Hubvolumen V_h bezogenen Arbeit W eines Arbeitsspiels: $$p_m=\frac{W}{V_h}\mathrm{.}$$

  
• Die aus einer Verbrennung resultierende effektive spezifische Arbeit kann an der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 abgenommen und in Form des effektiven Mitteldrucks p_me, des effektiven Motormoments M_e oder der effektiven Leistung P_e ausgedrückt werden. Diese effektive spezifische Arbeit entspricht der Differenz zwischen der spezifischen inneren Arbeit, ausgedrückt durch den indizierten Mitteldruck p_mi, dem indizierten Motormoment M_i oder der indizierten Leistung P_i, und der spezifischen mechanischen Verlustarbeit (Verlust- oder Reibungsmitteldruck p_mv, Verlustmoment M_v, Verlustleistung P_v). Der mechanische Wirkungsgrad η_m verknüpft die effektiven und induzierten Größen wie folgt: $${\eta }_m=\frac{p_{\mathit{me}}}{p_{\mathit{mi}}}=\frac{M_e}{M_i}=\frac{P_e}{P_i}\mathrm{.}$$

  
• Aus Gleichung (14) ist ersichtlich, dass die zuvor erwähnten Mitteldrücke, Momente und Arbeiten bzw. Leistungen ineinander umgerechnet werden können.
• Der indizierte Mitteldruck p_mi 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: $$P_{\mathit{mi}}=\frac{1}{V_h}\oint p\cdot \mathit{dV}\mathrm{.}$$

  
• Der indizierte Mitteldruck p_mi entspricht somit der auf das jeweilige Hubvolumen V_h 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 p_{mi_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: $$p_{\mathit{mi\_HD}}=\frac{1}{V_h}\underset{h-180\mathit{°}\mathit{KW}}{\overset{180°\mathit{KW}}{\int }}p\cdot \mathit{dV}\mathrm{.}$$

  
• Der indizierte Mitteldruck p_{mi_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 η_i beschreibt die Verbrennungsgüte, da er die eingesetzte Brennstoffenergie Q_B mit der indizierten Energie W_i vergleicht: $${\eta }_i=\frac{W_i}{Q_B}=\frac{p_{\mathit{mi}}\cdot V_h}{m_k\cdot H_u}\cdot$$

  
• Das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 ist proportional zu dem (zwischen den einzelnen Brennräumen oder Zylindern 2 gemittelten) Mitteldruck p_m des Verbrennungsmotors: $$M\sim V_H\cdot \overline{p_m}\mathrm{.}$$

  
• 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: $$M_i\left(\varphi \right)=p\left(\varphi \right)\mathrm{.}\frac{\mathit{dV}\left(\mathit{\varphi }\right)}{\mathit{d\varphi }}\mathrm{.}$$

  
• Aus der kontinuierlichen Betrachtung der indizierten Arbeit gemäß Gleichung (19) kann das momentane indizierte Motormoment durch Überlagerung der Verläufe aller z Brennräume berechnet werden: $$M_i\left(\varphi \right)={\displaystyle \sum _z}p\left(\varphi \right)\mathrm{.}\frac{\mathit{dV}\left(\mathit{\varphi }\right)}{\mathit{d\varphi }}\mathrm{.}$$

  
• Da die Funktion $\frac{\mathit{dV}\left(\mathit{\varphi }\right)}{\mathit{d\varphi }}$

  

  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 ϕ_Mimax, ϕ_Mimin 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 M_e(ϕ) und das Verlustmoment M_V(ϕ) bestimmt werden, da gemäß dieser Differentialgleichung folgender Zusammenhang gilt: $$M_i\left(\varphi \right)+M_v\left(\varphi \right)-M_e\left(\varphi \right)=J\cdot \frac{d^2\varphi }{\mathit{dt}}+\frac{\mathit{Jʹ}}{2}\cdot {\left(\frac{\mathit{d\varphi }}{\mathit{dt}}\right)}^2\mathrm{.}$$

  
• 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 M_i(ϕ) wie zuvor beschrieben aus dem Brennraumdruck auf das Verlustmoment M_v(ϕ) und das effektive Motormoment M_e(ϕ) geschlossen werden kann.
• Wie bereits erwähnt worden ist, geht das Verlustmoment M_v(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: $$M_e\left(\varphi \right)=M_i\left(\varphi \right)+M_v\left(\varphi \right)\wedge M_v\left(\varphi \right)<0.$$

  
• 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. Zusätzlich kann über die Mitteldruckwerte auch das zylinder- oder brennraumindividuelle Schleppmoment bestimmt werden. Dabei gilt zwischen den Mitteldruckwerten folgender Zusammenhang: $${\mathit{p}}_{\mathit{ms}}\mathit{=}{\mathit{p}}_{{\mathit{mi}}_{\mathit{-}}\mathit{HD}}\mathit{-}{\mathit{p}}_{\mathit{me}}\mathrm{.}$$

  
• Aus dem Schleppmitteldruck p_ms kann das Schleppmoment über Gleichung (18) bestimmt werden.
• Mit Hilfe der zuvor beschriebenen zusätzlich gewonnenen Informationen, insbesondere dem effektiven Motormoment M_e, dem Verlustmoment M_v und dem indizierten Mitteldruck p_mi, 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 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

I

Pleuellänge

r

Kurbelwellenradius

Claims (11)

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,
   wobei aus dem Brennraumdruck ein durch den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum (2) indiziertes Motormoment abgeleitet wird,
   dadurch gekennzeichnet,
   dass in einem Leerlauf-Betriebszustand oder einem ausgekuppelten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) aus dem indizierten Motormoment und einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein Verlustmoment des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird, und
   dass aus dem indizierten Motormoment und dem Verlustmoment ein aufgrund der Verbrennung an der Kurbelwelle (4) auftretendes effektives Motormoment bestimmt 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 p_{mi_HD} in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck p und einem Hubvolumen V_h eines in dem Brennraum (2) befindlichen Kolbens (3) des Verbrennungsmotors (1) wie folgt bestimmt wird: $p_{\mathit{mi\_HD}}=\frac{1}{V_h}\underset{h-180\mathit{°}\mathit{KW}}{\overset{180°\mathit{KW}}{\int }}p\cdot \mathit{dV}\mathrm{.}$

   
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 M_i in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel ϕ der Kurbelwelle (4) aus dem Brennraumdruck p und einem Volumen V des Brennraums (2) gemäß der Beziehung $M_i\left(\varphi \right)=p\left(\varphi \right)\mathrm{.}\frac{\mathit{dV}\left(\mathit{\varphi }\right)}{\mathit{d\varphi }}$

   

   abgeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlustmoment zur Diagnose eines fehlerhaften Zustands des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für mehrere Brennräume (2) des Verbrennungsmotors (1) brennraumspezifisch durchgeführt wird.
10. 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), wobei die Regelungseinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie aus dem Brennraumdruck ein durch den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum (2) indiziertes Motormoment ableitet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Regelungseinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie in einem Leerlauf-Betriebszustand oder einem ausgekuppelten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) aus dem indizierten Motormoment und einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein Verlustmoment des Verbrennungsmotors (1) ableitet, aus dem indizierten Motormoment und dem Verlustmoment ein aufgrund der Verbrennung an der Kurbelwelle (4) auftretendes effektives Motormoment bestimmt und für die Regelung des mindestens einen Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) verwendet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (7) zur Regelung des Verbrennungsmotors (1) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9 ausgestaltet ist.

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