EP1454049B1

EP1454049B1 - Verfahren, computerprogramm, sowie steuer- und/oder regelgerät zum betreiben einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP1454049B1
Application number: EP02762224A
Authority: EP
Inventors: Jochen Gross; Lutz Reuschenbach; Georg Mallebrein; Eberhard Klein; Michael Drung; Lionel Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: US6983737B2; JP2005511950A; EP1454049A1; WO2003048550A1; US20040260450A1; DE50211638D1

Abstract

Eine Brennkraftmaschine wird abhängig von Betriebskenngrössen, wie beispielsweise Drehzahl (nmot) einer Kurbelwelle, Temperatur (Tmot) der Brennkraftmaschine und/oder Temperatur (Taev) der Ansaugluft, betrieben. Dabei wird aus einer erfassten oder modellierten Temperatur (Taev) der angesaugten Luft in einem brennraumfernen Bereich wenigstens näherungsweise eine Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft im Brennraum (16) gewonnen. Zur Vereinfachung der Programmierung wird vorgeschlagen, dass die Ermittlung der Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft im Brennraum (16) unter der Annahme erfolgt, dass die Ansaugluft eine modellierte oder erfasste Anfangstemperatur (Taev) aufweist, dass die Ansaugluft während einer für einen Typ der Brennkraftmaschine (10) und für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (10) typischen Kontaktzeit (tkontakt) mit einer typischen Komponente (22) in thermischen Kontakt tritt, und die typische Komponente eine modellierte oder erfasste Temperatur (Tev) aufweist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine abhängig von Betriebskenngrößen, wie beispielsweise Drehzahl einer Kurbelwelle, Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder Temperatur der Ansaugluft, bei dem aus einer erfassten oder modellierten Temperatur der angesaugten Luft in einem brennraumfernen Bereich wenigstens näherungsweise eine Temperatur der angesaugten Luft in einem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum selbst gewonnen wird.
Aus der EP 0 879 950 A2 ist ein Temperaturzustandsmodell für eine Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird ein Netzwerk von Temperaturknoten und Wärmeübertragungsästen zur Abschätzung der Temperaturzustände verwendet. Dabei wird eine Temperaturänderungsfunktion über eine Strecke x in Abhängigkeit eines Massenstroms und einer Wandtemperatur sowie einer Länge und einem Durchmesser der Wärmeleitung ermittelt.
Aus der US 5,522,365 ist es bekannt, eine Einlassventiltemperatur in Abhängigkeit einer Motorkühlmitteltemperatur zu schätzen.
Grundsätzlich ist für den Betrieb einer Brennkraftmaschine die genaue Kenntnis der sich im Brennraum befindenden Frischluftmasse wichtig.
Diese wird zur Gemisch-Vorsteuerung verwendet. Vor allem kurz nach dem Start, wo eine zur Gemischsteuerung verwendete Lambdasonde noch nicht betriebsbereit ist, ist eine genaue Erfassung der Luftfüllung erforderlich.
Möglich ist dies mittels eines Luftmassensensors oder mittels eines Saugrohrdrucksensors. Der Saugrohrdruck ist jedoch ein sehr indirektes Füllungssignal. Mit seiner Kenntnis alleine kann die Füllung des Brennraums mit Frischluft noch nicht berechnet werden. Unter anderem ist die Kenntnis der Temperatur der in den Brennraum eingesaugten Frischluft (ohne Berücksichtigung der Vermischung mit gegebenenfalls vorhandenem heißen Restgas) erforderlich.
Aus der DE 197 39 901 A1 ist bekannt, dass bei ansonsten gleichen Umgebungsbedingungen eine höhere Temperatur der Ansaugluft u.a. eine höhere Klopfneigung, eine bessere Verdampfung des Kraftstoffes, eine reduzierte Wandfilmbildung des Kraftstoffs an den Innenwänden des Ansaugrohrs, sowie eine Verringerung der angesaugten Luftmasse und damit der nötigen Kraftstoffmenge, zur Folge hat. Vor diesem Hintergrund verarbeiten moderne.Steuerungen für Brennkraftmaschinen die Ansauglufttemperatur, welche von einem entsprechenden Sensor gemessen oder über ein entsprechendes Temperaturmodell berechnet wird.
Vor allem räumliche Gründe im Umfeld der Brennkraftmaschine sind die Ursache, dass Sensoren, mit denen die Temperatur der Ansaugluft gemessen werden kann, nicht in unmittelbarer Nähe der Brennräume der Brennkraftmaschine montiert werden, sondern z.B. im Luftfiltergehäuse, in einem Luftmassenmesser, in einem Drosselklappenstutzen oder in Kombination mit einem Sensor zur Messung des Luftdruckes im Ansaugrohr.
Da sich die Ansaugluft auf ihrem Weg in den Brennraum durch das Saugrohr hindurch an den warmen Wänden des Ansaugrohrs und an sonstigen im Strömungsweg liegenden warmen oder heißen Teilen erwärmen kann, bedeutet dies, dass die mit diesen Sensoren gemessene Temperatur üblicherweise niedriger ist als die tatsächliche Temperatur der nach Ende des Saugtaktes im Brennraum eingeschlossenen und noch nicht mit heißem Restgas, welches eventuell im Brennraum vorhanden ist, vermischten Frischluft.
Die DE 197 39 901 A1 schlägt daher eine Korrektur der gemessenen Temperatur der Ansaugluft vor. Hierzu wird ein Wichtungsfaktor verwendet, der mittels Kennlinien oder Kennfeldern in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur, der Motortemperatur und eines Betriebspunktes der Brennkraftmaschine berechnet wird.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es einfacher programmiert werden kann und genauere Ergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, durch die Merkmale gemäss Anspruch 1.

Vorteile der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf die Applikation komplexer Kennlinien oder komplexer Kennfelder weitgehend verzichtet werden, da die Korrektur der Temperatur der angesaugten Luft im Wesentlichen auf der Basis physikalischer Gesetzmäßigkeiten und mathematischer Umformungen erfolgt. Diese sind erheblich einfacher zu applizieren bzw. zu programmieren als Kennlinien bzw. Kennfelder. Darüber hinaus gestattet die Berücksichtigung der physikalischen Gesetzmäßigkeiten die Erzielung eines präziseren Rechenergebnisses.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf mehreren Annahmen:
Zum einen wird vereinfachend angenommen, dass die Erwärmung der angesaugten Frischluft durch den Kontakt mit einer typischen stromaufwärts vom Brennraum liegenden Komponente bzw. mindestens einem stromaufwärts vom Brennraum liegenden Bauteils der Brennkraftmaschine bewirkt wird. Diese Komponente bzw. dieses Bauteil repräsentiert sämtliche im Strömungsweg der Ansaugluft liegenden warmen Komponenten und Bauteile der Brennkraftmaschine.
Ferner wird davon ausgegangen, dass die Temperaturerhöhung der Frischluft vor einer eventuellen Vermischung mit heißen Restgasen im Ansaugrohr bzw. im Brennraum erfolgt. Des weiteren wird angenommen, dass die an die angesaugte Frischluft abgegebene Wärmemenge (oder, in seltenen Fällen, die von der angesaugten Frischluft abgegebene Wärmemenge) von einer für einen Brennkraftmaschinentyp typischen Kontaktzeit zwischen der angesaugten Frischluft und dem die Wärme abgebenden Bauteil bzw, den die Wärme abgebenden Bauteilen abhängt. Diese Annahmen entsprechen in analoger Weise den Verhältnissen bei einem RC-Glied in der Elektrotechnik, wobei dort durch die "Geschlossenzeit" eines Ein-Aus-Schalters die typische Kontaktzeit realisiert werden würde.
Auf der Basis der erfindungsgemäßen Annahmen ergibt sich eine Differentialgleichung erster Ordnung, deren Lösung eine exponentielle Abhängigkeit der Temperatur der angesaugten Luft von der typischen Kontaktzeit ergibt.
Die für einen Brennkraftmaschinentyp typische Kontaktzeit kann wiederum auf einfache Art und Weise empirisch ermittelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, anhand der üblichen thermischen Gleichungen die Erwärmung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Frischluft zu berechnen, ohne dass komplizierte Kennlinien oder Kennfelder programmiert werden müssen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Zunächst wird vorgeschlagen, dass die für einen bestimmten Brennkraftmaschinentyp typische Kontaktzeit mit Hilfe von Testläufen des Brennkraftmaschinentyps bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere kalter und warmer Brennkraftmaschine, gewonnen wird. Auch Testläufe bei kalter und erwärmter Ansaugluft sind möglich. Dies ist eine Vorgehensweise, welche in der Praxis sehr gute Ergebnisse gezeigt hat. Im Allgemeinen ist die typische Kontaktzeit umgekehrt proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle. Durch die besagten Testläufe kann auf einfache Weise die entsprechende Proportionalitätskonstante ermittelt werden. Üblicherweise dürfte die typische Kontaktzeit im Bereich der Dauer eines Ansaugtaktes liegen, da bei strömendem Fluid der Wärmeübergang viel stärker als bei ruhendem Fluid ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch vorgeschlagen, dass die Ermittlung der Temperatur der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum selbst unter der Annahme erfolgt, dass die zwischen der angesaugten Luft und der typischen Komponente der Brennkraftmaschine, mit der die angesaugte Luft in thermischen Kontakt tritt, ausgetauschte Wärmemenge von einer Differenz zwischen der in einem brennraumfernen Bereich gemessenen oder modellierten Temperatur der angesaugten Luft und der Temperatur der typischen Komponente der Brennkraftmaschine abhängt, mit der die angesaugte Luft in thermischen Kontakt tritt.
Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zur Abhängigkeit der ausgetauschten Wärmemenge von der Kontaktzeit auch die Abhängigkeit der ausgetauschten Wärmemenge von der Temperaturdifferenz zwischen der strömenden Frischluft und der mindestens einen Komponente berücksichtigt. Die Präzision bei der Bestimmung der Erwärmung der angesaugten Frischluft wird hierdurch nochmals deutlich verbessert.
Als Temperatur der Komponente der Brennkraftmaschine wird die Temperatur mindestens eines Einlassventils verwendet. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass die angesaugte Frischluft auf ihrem Weg in den Brennraum vor allem durch das sehr heiße Einlassventil bzw. dessen Komponenten erwärmt wird. Diese Annahme ermöglicht eine sehr einfache Berechnung und gestattet dennoch eine hohe Zuverlässigkeit der ermittelten Temperatur der Ansaugluft.
Dabei wird wiederum die Temperatur des Einlassventils aus einer gemessenen Temperatur eines Zylinderkopfes gewonnen. Die Kühlmitteltemperatur sowie die Zytinderkopftemperatur werden bei üblichen Brennkraftmaschinen ohnehin mittels Sensoren ermittelt. Anhand einfacher Rechenmodelle, welche die Wärmeleitung vom Ort der Temperaturmessung zum Einlassventil berücksichtigen, kann die Temperatur des Einlassventils mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Im einfachsten Fall kann die Temperatur des Einlassventils auch gleich der gemessenen Temperatur gesetzt werden, ohne dass hierdurch das Rechenergebnis maßgeblich verfälscht wird.
Bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine wird die Temperatur der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum selbst vorzugsweise nach folgender Formel bestimmt: $Taevk = Taev + (Tev - Taev) * (1 - e^{\frac{- 15 [\sec / \min]}{nmot [1 / \min] * tkontakt [\sec]}})$
mit Taevk.= korrigierte Temperatur der Ansaugluft, Taev = erfasste oder modellierte Temperatur der angesaugten Luft in einem brennraumfernen Bereich, Tev = modellierte Temperatur einer Komponente der Brennkraftmaschine, nmot = erfasste Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, tkontakt = typische Kontaktzeit, in der sich die angesaugte Luft um (1-1/e)*(Tev-Taev) erwärmt.
Bei der typischen Kontaktzeit handelt es sich um eine Zeitkonstante, bei der sich das einströmende Gas um ein bestimmtes Maß der Differenztemperatur zwischen Gas und Komponente erwärmt. Als entscheidende Variable im Exponenten der e-Funktion verbleibt nur noch die Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Mit dieser einfachen und somit auch einfach zu programmierenden Formel kann die korrigierte Temperatur der Ansaugluft mit hoher Präzision ermittelt werden. Einzig die Bedingungen, bei welcher die typische Kontaktzeit gilt, müssen beispielsweise durch einen Versuch ermittelt werden.
Möglich ist auch, dass bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine die Ermittlung der Temperatur der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum selbst nach folgender Formel bestimmt wird: $Taevk = Taev + (Tev - Taev) * (1 - e^{\frac{- NMOTWK [1 / \min]}{nmot [1 / \min]}})$
mit Taevk = korrigierte Temperatur der Ansaugluft, Taev = erfasste oder modellierte Temperatur der angesaugten Luft in einem brennraumfernen Bereich, Tev = modellierte Temperatur einer Komponente der Brennkraftmaschine, nmot = erfasste Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, NMOTWK = typische Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bei der sich die angesaugte Luft um (1-1/e)*(Tev-Taev) erwärmt.
Analog zu der vorhergehenden Formel gilt auch hier, dass diese Formel präzise Ergebnis liefert und dabei sehr einfach zu programmieren ist. Die Verwendung einer typische Drehzahl gestattet eine noch einfachere Rechnung. Sie kann ebenfalls durch Versuchsläufe bestimmt werden. Beispielsweise können zwei Kurven bestimmt werden, welche die Abhängigkeit der angesaugten Frischluftmasse vom Druck im Ansaugrohr bei einer typischen Drehzahl und unterschiedlichen Temperaturen der angesaugten Luft beschreiben. Die Gleichung wird für eine typische Drehzahl sozusagen "stimmig gemacht".
Besonders vorteilhaft ist jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Temperatur der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum selbst zur Bestimmung der sich im Brennraum am Ende eines Ansaugtaktes befindenden Frischluftfüllung verwendet wird. Die Frischluftfüllung wiederum wird dazu verwendet, die in dem Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge vorzusteuern. Letztlich ermöglicht also das erfindungsgemäße Verfahren, das im Brennraum vorliegende Kraftstoff-Luft-Gemisch sehr präzise in der gewünschten Art und Weise einzustellen.
Hierzu wird erfindungsgemäß angegeben, dass die Füllung des Brennraums anhand folgender Gleichung ermittelt wird: $rffg = FUPSRLROH * \frac{273 K}{Taevk} * (ps - \frac{rfrg * Trgk}{FUPSRLROH * 273 K})$
mit rffg = frisch angesaugte Luftfüllung, FUPSRLROH = betriebspunktabhängige Größe, rfrg = normierte und auf Hubvolumen bezogene Restgasfüllung, Taevk = korrigierte Temperatur der angesaugten Luft, ps = Druck im Ansaugrohr, Trgk = Temperatur des auf Saugrohrdruck expanierten, aber idealisiert unvermischt angenommenen Restgases in [K].
Die oben genannte Gleichung wird auch als Gleichung des "adiabatischen Ladungswechselmodells" bezeichnet. Der Faktor FUPSRLROH ist eine betriebspunktabhängige, aber vom Saugrohrdruck- und von der Temperatur Größe, die bei konstantem rfrg und Trg die Steigung der Kennlinie rl = f(ps) (Abhängigkeit der angesaugten Frischluftmasse vom Druck im Ansaugrohr) beschreibt. Die Gleichung berücksichtigt alle Effekte des Ladungswechsels. Dabei wird der Einfluss des Wärmeübergangs von Komponenten der Brennkraftmaschine auf die Frischluft einzig mit Hilfe der Größe Taevk berücksichtigt. Anhand des üblicherweise durch einen Drucksensor im Ansaugrohr erfassten Ansaugdrucks kann so, ohne dass ein Luftmassensensor erforderlich ist, die Frischluftfüllung mit hoher Präzision ermittelt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Bevorzugt wird, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Steuer-und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei diesem wird bevorzugt, wenn es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist.

Zeichnung

Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1:: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und einiger ihrer Komponenten;
Fig. 2:: ein Funktionsdiagramm, welches ein Verfahren zur Korrektur einer Ansauglufttemperatur der Brennkraftmaschine von Fig. 1 beschreibt;
Fig. 3:: ein Diagramm einer Funktion, die bei dem Verfahren zur Korrektur der Ansauglufttemperatur in Fig. 2 verwendet wird; und
Fig. 4:: ein Funktionsdiagramm, welches ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftfüllung mittels einer korrigierten Ansauglufttemperatur zeigt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Zylinder, von denen in Fig. 1 nur jener mit dem Bezugszeichen 12 sichtbar ist. In ihm ist ein Kolben 14 gleitend geführt, welcher einen Brennraum 16 begrenzt. Über ein Pleuel (ohne Bezugszeichen) ist der Kolben 14 mit einer nur symbolisch dargestellten Kurbelwelle 18 verbunden.
Frischluft wird dem Brennraum 16 über ein Ansaugrohr 20 und ein Einlassventil 22 zugeführt. Im Ansaugrohr 20 ist eine Einspritzdüse 24 vorhanden, welche mit einem Kraftstoffsystem 26 verbunden ist. Stromaufwärts von der Einspritzdüse 24 ist im Ansaugrohr 20 eine Drosselklappe 28 angeordnet, welche von einem Stellmotor 30 in eine gewünschte Stellung bewegt werden kann. Wiederum stromaufwärts von der Drosselklappe 28 werden die Temperatur der zugeführten Frischluft von einem Sensor 32 und der Druck der zugeführten Frischluft von einem Sensor 34 abgegriffen.
Die heißen Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 16 über ein Auslassventil 36 und ein Abgasrohr 38 abgeführt. Ein Katalysator 40 reinigt die Abgase. Zwischen dem Auslassventil 36 und dem Katalysator 40 wird die Temperatur des Abgases von einem Temperatursensor 42 und der Druck des Abgases von einem Drucksensor 44 abgegriffen.
Die Brennkraftmaschine 10 verfügt über eine doppelt kontinuierliche Nockenwellensteuerung. Dies bedeutet, dass die Schließ- bzw. Öffnungszeitpunkte des Einlassventils 22 bzw. des Auslassventils 36 stufenlos eingestellt werden können. Hierzu wird das Einlassventil 22 von einer Einlassnockenwelle 46 und das Auslassventil 36 von einer Auslassnockenwelle 48 betätigt. Ober Aktoren 50 und 52 können die Nockenwellen 46 und 48 im Betrieb so verstellt werden, dass die gewünschten Schließ- bzw. Öffnungszeitpunkte vorliegen.
Das im Brennraum 16 der Brennkraftmaschine 10 vorhandene Kraftstoff-Luftgemisch wird von einer Zündkerze 54 gezündet, welche wiederum von einem Zündsystem 56 angesteuert wird.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 58 gesteuert bzw. geregelt. Das Steuer- und Regelgerät 58 ist eingangsseitig mit dem Temperatursensor 32 und dem Drucksensor 34 im Ansaugrohr 20 verbunden. Ferner erhält es Signale vom Temperatursensor 42 und vom Drucksensor 44 im Abgasrohr 38. Ein Geber 60 liefert ferner Signale, aus denen die Drehzahl der Kurbelwelle 18 und deren Winkelstellung gewonnen werden können.
Analog hierzu sind Sensoren 62 und 64 vorgesehen, welche die Winkelstellung der Einlassnockenwelle 46 bzw. der Auslassnockenwelle 48 erfassen. Ausgangsseitig ist das Steuer- und Regelgerät 58 mit der Einspritzdüse 24, dem Stellmotor 30 der Drosselklappe 28, den Aktoren 50 und 52 der Einlassnockenwelle 46 bzw. der Auslassnockenwelle 48 und mit dem Zündsystem 56 verbunden. Ein Temperatursensor 66 erfasst die Temperatur eines Zylinderkopfes (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10.
Um jene Kraftstoffmenge bestimmen zu können, welche dem vom Benutzer der Brennkraftmaschine 10 gewünschten Drehmoment entspricht und bei der die gewünschte Gemischzusammensetzung im Brennraum 16 erreicht wird, ist es erforderlich, die Menge der in den Brennraum 16 bei einem Arbeitsspiel gelangenden Frischluft zu bestimmen.
Hierzu könnte zwar auch ein Sensor eingesetzt werden, dieser wird jedoch aus Kostengründen dann nicht eingesetzt, wenn, wie vorliegend, im Ansaugrohr 20 ein Drucksensor 34 vorhanden ist. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle des Drucksensors ein Luftmassensensor im Ansaugrohr installiert. In diesem Fall müsste zur Bestimmung der Luftfüllung des Brennraums aus den erfassten Signalen der Druck im Ansaugrohr bestimmt werden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das Signal des Temperatursensor 66 in einen Verarbeitungsblock 68 eingespeist. In diesem wird anhand eines numerischen Modells aus der Temperatur Tmot des Zylinderkopfes die Temperatur Tev des Einlassventils 22 und bestimmt. Mit einem solchen Modell könnte auch einfach insgesamt eine für die vorliegende Rechnung typische Temperatur des Ansaugrohrs 20 ermittelt werden. Beim Eihlassventil 22 handelt es sich um eine insoweit typische Komponente, als sie für den vorliegenden Typ von Brennkraftmaschine 10 die für die Erwärmung der Ansaugluft typischen warmen Bauteile der Brennkraftmaschine 10 repräsentiert.
Aus einer vom Sensor 3.2 erfassten Temperatur Tans der angesaugten Luft wird in einem nicht dargestellten Verarbeitungsblock anhand eines numerischen Modells eine Temperatur Taev ermittelt. Hierbei handelt es sich um jene Temperatur, welche die einströmende Luft in einem stromaufwärts vom Einlassventil 22 gelegenen und insoweit "brennraumfermen" Bereich aufweist. Die Temperatur Taev wird jedoch in den meisten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 10 höher sein als Tans, da die einströmende Luft durch den Kontakt mit den im Ansaugrohr befindlichen Komponenten bereits etwas erwärmt wird. Es wird bei der Modellierung jedoch davon ausgegangen, dass eine Erwärmung des einströmenden Gases durch ggf. rückströmendes Gas nicht erfolgt. In 70 wird die Differenz zwischen der Temperatur Tev des Einlassventils 22 und der Temperatur Taev der angesaugten Luft gebildet.
Der Wert nmot der Drehzahl der Kurbelwelle 18, welcher vom Sensor 60 bereitgestellt_wird, wird in 72 mit dem Wert 1 verglichen, und es wird der jeweils höhere Wert ausgegeben. Der Ausgang des Blocks 72 wird als Divisor in einem Divisionsblock. 74 verwendet. Durch den Vergleich in 72 wird verhindert, dass der Divisor den Wert Null annimmt.
Als die zu dividierende Größe wird in den Divisionsblock 74 eine Konstante NMOTW eingespeist. Hierbei handelt es sich um einen' applizierbaren Drehzahlwert, welcher die Intensität des Wärmekontakts der angesaugten Frischluft mit dem Einlassventil 22 beschreibt. Vorliegend ist NMOTW eine typische Motordrehzahl, bei der sich die Ansaugluft beim Einströmen in den Brennraum 16 um den Betrag 1/e ^(Tev-Taev) erwärmt. Sie entspricht einer normierten und für einen bestimmten Brennkraftmaschinentyp und einen bestimmten Betriebszustand typischen Kontaktzeit, auf die weiter unten noch im Detail eingegangen wird. Sie wird empirisch ermittelt. Bei höheren Drehzahlen ist die Temperaturangleichung geringer.
Der Ausgang des Divisionsblocks 74 wird in eine Kennlinie EXPSLP eingespeist, welche in Fig. 2 das Bezugszeichen 76 trägt. Diese Kennlinie ist auch in Fig. 3 dargestellt. In ihr ist die Funktion $x = 1 - e^{\frac{- NMOTWK}{nmot}}$
abgebildet.
Der Ausgang der Kennlinie EXPSLP im Block 76 wird in einen Multiplikator 78 eingespeist, in den auch die in 70 gebildete Differenz zwischen der Temperatur Tev des Einlassventils 22 und der Temperatur Taev der Ansaugluft eingespeist wird. Der Ausgang des Blocks 78 wird in 80 zur Temperatur Taev der Ansaugluft addiert, und das Ergebnis wird als korrigierte Ansaugluft Taevk ausgegeben.
Bei dieser korrigierten Temperatur Taevk handelt es sich in sehr guter Näherung um die Temperatur der am Ende eines Ansaugtaktes im Brennraum 16 der Brennkraftmaschine 10 (also in dem brennraumnächsten Bereich, der überhaupt möglich ist) eingeschlossenen Frischluft. Das in Fig. 2 dargestellte Ablaufschema entspricht einer Verarbeitung der Formel $Taevk = Taev + (Tev - Taev) * (1 - e^{\frac{- NMOTWK [1 / \min]}{nmot [1 / \min]}}) .$
Diese Formel berücksichtigt, dass die Ermittlung der im Brennraum vorhandenen Frischluft nach dem Ende des Ansaugtaktes unter Verwendung einer sogenannten "typischen Kontaktzeit" erfolgt. Diese wird für einen bestimmten Brennkraftmaschinentyp und einen bestimmten Betriebszustand durch Versuche, beispielsweise Testläufe der Brennkraftmaschine im kalten und im warmem Zustand, ermittelt. Häufig entspricht sie in etwa jenem Zeitraum, während dem die angesaugte Frischluft am heißen Einlassventil 22 vorbeigeströmt ist, bevor sie in den Brennraum 16 selbst gelangt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist sie in etwa gleich der Dauer eines Ansaugtaktes. Aus der typischen Kontaktzeit wird durch eine Normierung mit der Drehzahl, für welche die typische Kontaktzeit bestimmt wurde, die typische Drehzahl NMOTWK ermittelt.
Zusätzlich wird bei der Ermittlung der Temperatur der am Ende eines Ansaugtaktes im Brennraum 16 vorhandenen Frischluft auch die Differenz zwischen der vom Temperatursensor 32 gemessenen Temperatur der angesaugten Luft und der aus der Temperatur Tmot des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine 10 modellierten Temperatur Tev des Einspritzventils 22 berücksichtigt.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird die auf die oben beschriebene Art und Weise ermittelte Temperatur Taevk der im Brennraum 16 am Ende des Ansaugtaktes eingeschlossenen Frischluft für die Bestimmung einer relativen Füllung des Brennraums 16 mit Frischluft verwendet. Bei der in Fig. 4 angegebenen Formel wird diese Frischluftfüllung mit rffg bezeichnet. Dabei ist rffg = 100 %, wenn das Hubvolumen des Brennraums 16 bei einem Druck von 1013,25 hPa und 273,15 K mit Frischluft gefüllt ist.
In die in Fig. 4 angegebene Formel werden direkt oder indirekt die von den Sensoren 32, 34, 60, 42, 44 sowie 62 und 64 erfassten Signale Taev (Temperatur der angesaugten Frischluft), ps (Druck im Ansaugrohr), nmot (Drehzahl der Kurbelwelle 18, Tabg (Abgastemperatur), pabg (Druck des Abgases im Abgasrohr 38), sowie wx (bestimmte Winkelstellungen der Kurbelwelle 18 sowie der Einlassnockenwelle 46 und der Auslassnockenwelle 48) eingespeist. Dabei wird aus der Temperatur Taev der angesaugten Frischluft in einem Block 8.2 gemäß dem Diagramm von Figur 2 die korrigierte Temperatur der im Brennraum vorhandenen Frischluft ermittelt.
Die in Fig. 4 angegebene Formel berücksichtigt auch gegebenenfalls am Ende des Ansaugtaktes im Brennraum 16 vorhandenes Restgas. Ein solches Restgas ist dann im Brennraum 16 vorhanden, wenn die Brennkraftmaschine 10 über eine interne oder externe Abgasrückführung verfügt. In der in Fig. 4 angegebenen Formel wird das Restgas durch die Größe rfrg berücksichtigt, bei der es sich um die relative Füllung des Brennraums 16 mit Restgas handelt. Dabei ist rfrg = 100 %, wenn das Hubvolumen des Brennraums 16 bei einem Druck von 1013,25 hPa und einer Temperatur von 273,15 K mit Restgas gefüllt ist.
Bei der Größe Trgk handelt es sich um die mittlere Temperatur des gesamten Restgases unter der Annahme, es sei - unverdünnt mit Frischluft - auf den im Ansaugrohr 20 herrschenden Druck ps expandiert. Beim Faktor FUPSRLROH handelt es ich schließlich um eine betriebspunktabhängige, jedoch vom Druck ps im Ansaugrohr 20. und von der Temperatur Taev der angesaugten Frischluft unabhängige Größe. Bei konstantem rfrg (relative Füllung Restgas) und Trg (mittlere Temperatur Restgas) beschreibt FUPSRLROH die Steigung einer Kennlinie, welche die relative Füllung des Brennraums 16 mit Frischluft mit dem Druck ps im Ansaugrohr 20 verknüpft.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) abhängig von Betriebskenngrößen wie beispielsweise Drehzahl (nmot) einer Kurbelwelle (18), Temperatur (Tmot) der Brennkraftmaschine (10) und/oder Temperatur der Ansaugluft (Taev), bei dem aus einer erfassten oder modellierten Temperatur (taev) der angesaugten Luft in einem brennraumfernen Bereich (20) wenigstens näherungsweise eine Temperatur (taevk) der angesaugten Luft in einem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum (16) selbst gewonnen wird, wobei die Ermittlung der Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum (16) selbst unter der Annahme erfolgt, dass die Ansaugluft eine modellierte oder erfasste Anfangstemperatur (Taevk) aufweist, wobei die Ansaugluft während einer für einen Typ der Brennkraftmaschine (10) und für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (10) typischen Kontaktzeit (tkontakt) mit einer typischen Komponente (22) in thermischen Kontakt tritt, und die typische Komponente eine modellierte oder erfasste Temperatur (Tev) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass als typische Komponente der Brennkraftmaschine (10) ein Einlassventil (22) verwendet wird, dessen Temperatur abhängig von der Temperatur eines Zylinderkopfes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für einen bestimmten Brennkraftmaschinentyp typische Kontaktzeit (tkontakt) mit Hilfe von Testläufen des Brennkraftmaschinentyps bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere kalter und warmer Brennkraftmaschine, gewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum (16) selbst von einer Differenz zwischen der in einem brennraumfernen Bereich (20) gemessenen oder modellierten Temperatur (Taev) der angesaugten Luft und der Temperatur (Tev) der typischen Komponente (22) der Brennkraftmaschine (10), mit der die angesaugte Luft in thermischen Kontakt tritt, abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine (10) die Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum (16) selbst nach folgender Formel bestimmt wird: $Taevk = Taev + (Tev - Taev) * (1 - e^{\frac{- 15 [\sec / \min]}{nmot [1 / \min] * tkontakt [\sec]}})$
mit Taevk = korrigierte Temperatur der Ansaugluft, Taev = erfasste oder modellierte Temperatur der angesaugten Luft in einem brennraumfemen Bereich, Tev = modellierte Temperatur der typischen Komponente Komponente der Brennkraftmaschine, nmot = erfasste Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, tkontakt = typische Kontaktzeit, in der sich die angesaugte Luft um (1-1/e)*(Tev-Taev) erwärmt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine (10) die Ermittlung der Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum (16) selbst nach folgender Formel bestimmt wird: $Taevk = Taev + (Tev - Taev) * (1 - e^{\frac{- NMOTWK [1 / \min]}{nmot [1 / \min]}})$
mit Taevk = korrigierte Temperatur der Ansaugluft, Taev = erfasste oder modellierte Temperatur der angesaugten Luft in einem brennraumfernen Bereich, Tev = modellierte Temperatur der typischen Kompenente Komponente der Brennkraftmaschine, nmot = erfasste Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, NMOTWK = typische Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bei der sich die angesaugte Luft um (1-1/e)*(Tev-Taev) erwärmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (Taevk) der angesaugten Luft in dem brennraumnahen Bereich oder im Brennraum (16) selbst zur Bestimmung der sich im Brennraum (16) am Ende eines Ansaugtaktes befindenden Frischluftfüllung (rffg) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (rffg) des Brennraums (16) anhand folgender Gleichung ermittelt wird: $rffg = FUPSRLROH * \frac{273 K}{Taevk} * (ps - \frac{rfrg * Trgk}{FUPSRLROH * 273 K})$
mit rffg = frisch angesaugte Luftfüllung, FUPSRLROH = betriebspunktabhängige Größe, rfrg = normierte und auf Hubvolumen bezogene Restgasfüllung, Taevk = korrigierte Temperatur der angesaugten Luft, ps = Druck im Ansaugrohr, Trgk = Temperatur des auf Saugrohrdruck expandierten aber idealisiert unvermischt angenommenen Restgases in [K].
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regelgerät (58) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 8 oder 9 abgespeichert ist.