EP1667043A1 - Verfahren zur Simulation einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1667043A1
EP1667043A1 EP05107364A EP05107364A EP1667043A1 EP 1667043 A1 EP1667043 A1 EP 1667043A1 EP 05107364 A EP05107364 A EP 05107364A EP 05107364 A EP05107364 A EP 05107364A EP 1667043 A1 EP1667043 A1 EP 1667043A1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
calculation
combustion engine
cylinder
engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05107364A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Sieber
Andre-Franci Casal Kulzer
Wolfgang Eismann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1667043A1 publication Critical patent/EP1667043A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1002—Output torque
    • F02D2200/1004—Estimation of the output torque

Definitions

  • the present invention relates to a method for simulating the combustion process in an internal combustion engine, wherein a thermodynamic engine simulation model is created.
  • thermodynamic relationships for the simulation of the combustion process in internal combustion engines are known.
  • thermodynamic computer models When operating internal combustion engines, electronic control methods are generally used. With the increasing complexity of engines, such control methods become more and more expensive. It is known in this context to use thermodynamic computer models to specify control signals.
  • the object of the invention is to provide a method for simulating combustion processes, which reproduces an accurate mapping of the physical processes in the combustion process in particular for all speeds by taking into account all the important physical parameters and thereby effective in terms of the required time and Rechenkapazticiansaufwand use in research and development allows.
  • thermodynamic engine simulation model is under Taking into account the energy balance, the mass balance and the gas state equation created in each cylinder of the internal combustion engine and in the intake and exhaust system, wherein at least one input parameter is output while entering at least one input parameter.
  • a particularly preferred embodiment of the method employs in each cylinder of the internal combustion engine a one- or two-zone model for the simulation of the combustion.
  • This one- or two-zone model proves to be particularly easy to handle in practice.
  • a quasi-dimensional model is used. This makes it possible to take into account the dependency of the flame surface on the combustion chamber geometry in a computationally simple manner.
  • wall heat losses are taken into account by means of a Reynolds analogy. This type of consideration of wall heat losses proves to be particularly reliable in practice.
  • the method takes into account leakage losses and charge changes with an isentropic flow equation, the masses and enthalpies in each cylinder and in the inlet and outlet Exhaust systems with the inclusion of the air, fuel and residual gas content depending on the respective temperature and pressure value are taken into account.
  • the gas spring element of each cylinder and the engine friction as a function of the crank angle, the rotational speed and the combustion chamber pressure are taken into account in the torque balance. This increases the accuracy of the process.
  • the combustion chamber pressure in each cylinder is calculated by means of a working process calculation using the 2-zone model, wherein the internal combustion moment of the individual cylinders is calculated from the calculated combustion chamber pressure and fed into the torque balance, whereby the friction is deducted becomes.
  • the crankshaft acceleration is determined from the torque balance, and the rotational speed is calculated therefrom by integration and, by integration, the piston position which is used in the work process calculation. This makes very reliable calculations of the speed and piston position possible.
  • a further method for controlling and / or adjusting an internal combustion engine is provided by specifying at least one control and / or adjustment parameter, wherein the at least one control and / or adjustment parameter is used as an output parameter of an embodiment of the obtained according to the first method of the invention.
  • the amount of fuel can be obtained as a control and / or adjustment parameter which is optimally suited to start the internal combustion engine or the engine using targeted combustion in the forward direction.
  • a first combustion is initiated here in the working cycle.
  • a device according to the invention performs all the steps of one or both of the methods according to the invention.
  • the computer program with program code means according to the invention is designed to carry out all steps of one or both of the methods according to the invention when this computer program is carried out on a computer or a corresponding arithmetic unit, in particular a device according to the invention.
  • the computer program product according to the invention with program code means which are stored on a computer-readable data carrier is provided for carrying out one or both inventive methods, if this computer program is stored on a computer or a computer corresponding arithmetic unit, in particular a device according to the invention, is performed.
  • a first Intake System unit 10 receives an input parameter 14 Accelerator relating to the throttle position.
  • This parameter can be indicated by the position of an accelerator pedal or have any time-variable values predefined by a user.
  • Each of the input parameters specified in this embodiment is of the type that it is specified by a technical device or by a User specified any time-changeable values. From this, according to the inventive method, output parameters are determined, which in turn can be used as input parameters in other steps of the method.
  • the unit 10 receives an input parameter 16 n_Engine relating to the engine speed, an input parameter 18 p_ ambient relating to an ambient pressure, and an input parameter 20 T_Ambient relating to an ambient temperature.
  • the first unit 10 also receives an input parameter 22 T_intenv relating to the internal temperature of the internal combustion engine and an input parameter 24 flow_IV relating to the position of an inlet valve as an output parameter from the second cylinder unit 12 called a cylinder block .
  • the unit 12 also receives the ambient pressure parameter 18 and the ambient temperature parameter 20. Further, it receives output parameters 28 phi provided from a unit 13 regarding an angle and 32 dphi regarding a temporal variation of the angle of the camshaft as input parameters.
  • Unit 13 determines these parameters 28 and 30 from the received input parameter 16 relating to the engine speed.
  • Unit 12 further receives an input parameter 32 al_Ignition concerning the ignition angle, an input parameter 34 phi_InjectStart concerning the specification of the start of injection and of a fourth unit 38, the control unit referred to as ECU, an output parameter 36 Control Valves concerning the control of the valves and an output parameter 37 t_Inject concerning Injection time as input parameter.
  • the unit 12 is supplied with an output parameter 40 m_AirAtIgnition relating to the amount of air at the ignition from the unit 38 as input parameters.
  • the flow through the throttle of the engine are determined, it is thermodynamically calculated pressure and temperature in the intake manifold, and the flow through the control valves is calculated.
  • the position of the valves can be freely controlled.
  • Calculations concerning the actual injection times based on the adjustable combustion air ratio can be hired.
  • the current fuel consumption, the friction power and the internal work in the cylinder can be calculated.
  • FIG. 1 An energy balance and a mass balance are created in a block 210 using the gas state equations.
  • a working process calculation takes place on the basis of a thermodynamic one- or two-zone model. Flame surface and combustion chamber geometry play a role here. Wall heat losses are taken into account.
  • This method is performed according to the invention in each cylinder 212. As the output parameter, the combustion chamber pressure p is provided to the pistons in each cylinder. From this, the internal moment M i 214 in each cylinder is determined.
  • the torque balance 215 is generated from the individual moments 214 in each cylinder. In this case, a frictional torque M r 216 is taken into account.
  • the output parameter is the effective total moment M e 217.
  • a block 218 the total moment is related to inertia. This will become the Crank acceleration ⁇ 219, from which the Crank speed ⁇ 220 and from this the crank angle ⁇ 221 determined.
  • the mechanical or electronic throttle is modeled, incorporating its mechanical properties. This determines the effective free cross-sectional area and the actual absolute angular position of the throttle.
  • the total mass flow into the intake manifold volume is calculated. Possibly. are included actuator for idle actuator, exhaust gas recirculation valve, tank vent valve and injector.
  • the total enthalpy flow into the intake manifold volume is calculated.
  • the supply of thermodynamic quantities such as pressure and temperature serves these calculations.
  • the heat transfer from the suction pipe volume into the suction pipe wall is calculated, the wall temperature from the heat flow balance is calculated.
  • control valves are modeled.
  • the free cross-sectional area is calculated, then the mass flow.
  • a valve lift curve can be included, but the valves can also be controlled externally freely.
  • the current crankshaft angle must be taken into account as well as the cylinder offset, the injection time and the Start of injection.
  • the current fuel flow through the injector is calculated.
  • thermodynamic cylinder pressure model in which the mass flow (through inlet valve, exhaust valve and injection valve) into the combustion chamber, the composition of the combustion chamber contents (fresh air, fuel and inert gas or combustion product), the Enthalpiestrom into the combustion chamber taking into account these sizes and the condition (pressure, temperature) can be calculated.
  • Cylinder wall temperature balance equation of incoming and outgoing heat
  • wall heat losses use of Hohenberg formula with cylinder diameter and crank radius, piston position, etc.
  • kinematics of the crank mechanism From combustion chamber pressure and the kinematics of the crank mechanism, the torque is calculated on the crankshaft.
  • State variables in the combustion chamber are recorded as a vector. These include piston position, piston speed, combustion chamber volume and auxiliary quantities for the calculation of the torque on the crankshaft and for the combustion chamber state calculation.
  • the calculation of the combustion is started when the crank angle has exceeded the ignition angle.
  • the instantaneous torque on the crankshaft results as the difference between the moments resulting from the gas forces on the pistons (combustion) and the torques resulting from the centrifugal forces on the crank drive.

Abstract

Verfahren zur Simulation des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine, wobei ein thermodynamisches Motorsimulationsmodell unter Berücksichtigung der Energiebilanz, der Massenbilanz und der Gaszustandsgleichung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine sowie im Einlaß- und Auslaßsystem erstellt wird, wobei unter Eingabe wenigstens eines Eingabeparameters wenigstens ein Ausgabeparameter ausgegeben wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine, wobei ein thermodynamisches Motorsimulationsmodell erstellt wird.
  • Die thermodynamischen Zusammenhänge zur Simulation des Verbrennungsvorganges in Brennkraftmaschinen sind bekannt.
  • Bei Betrieb von Brennkraftmaschinen werden in der Regel elektronische Steuerungsverfahren eingesetzt. Mit der zunehmenden Komplexität von Motoren werden derartige Steuerverfahren immer aufwendiger. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, zum Vorgeben von Steuersignalen thermodynamische Computermodelle zu verwenden.
  • Herkömmlicherweise werden für die Steuerung von Brennkraftmaschinen Softwarepakete zur Motormodellierung eingesetzt, bei denen die Ansätze thermodynamischer Natur sind. Hierdurch kann bspw. bei einem Einspritzen auf einen elektromotorischen Starter verzichtet werden, wenn bspw. die Steuerung die einzuspritzende Menge Kraftstoff exakt berechnen kann und in den Brennraum, dessen zugehöriger Kolben im Arbeitstakt oder Kompressionstakt steht, einspritzt. Derartige Verfahren sind bspw. aus der DE 197 43 492 A1 und der DE 100 20 104 A1 bekannt.
  • Herkömmliche Modelle sind nicht in der Lage, einen Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine bei Drehzahlen n = 0 oder n < 0, d.h. entgegengesetzte Drehrichtung, zu berücksichtigen, sie sind lediglich für Drehzahlen n > 0 einsetzbar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Simulation von Verbrennungsvorgängen bereitzustellen, das durch Berücksichtigung aller wichtigen physikalischen Parameter eine genaue Abbildung der physikalischen Abläufe beim Verbrennungsvorgang insbesondere für alle Drehzahlen wiedergibt und dabei einen im Hinblick auf den benötigten Zeit- und Rechenkapazitätsaufwand effektiven Einsatz in Forschung und Entwicklung ermöglicht.
  • Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Simulation eines Verbrennungsvorganges, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulation des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine, wird ein thermodynamisches Motorsimulationsmodell unter Berücksichtigung der Energiebilanz, der Massenbilanz und der Gaszustandsgleichung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine sowie im Einlaß- und Auslaßsystem erstellt, wobei unter Eingabe wenigstens eines Eingabeparameters wenigstens ein Ausgabeparameter ausgegeben wird. Durch dieses Verfahren wird es möglich, für alle Drehzahlen n <0, n = 0 und n >0 Verbrennungen in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zu simulieren. Dadurch kann insbesondere eine genaue Simulation des Motorstarts erstellt werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren folgende Schritte:
    • Durchflussberechnung durch ein Drosselklappe der Brennkraftmaschine,
    • thermodynamische Berechnung von Druck und Temperatur in einem Saugrohr und im Auslasssystem der Brennkraftmaschine,
    • Durchflussberechnung durch die Steuerventile der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von kurbelwinkelabhängigen Ventil-Erhebungskurven oder freier Ansteuerung der Ventile,
    • thermodynamische Berechung von Druck und Temperatur im Brennraum der Brennkraftmaschine mit kontinuierlicher Berechung des resultierenden Moments an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine,
    • Berechung der Temperatur der Brennkraftmaschine.
  • Diese Verfahrensschritte ermöglichen eine genaue Wiedergabe der physikalischen Abläufe bei einem Verbrennungsvorgang, wobei gleichzeitig der notwendige Zeit- und Rechenkapazitätsaufwand in einem handhabbaren Rahmen bleibt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich wenigstens einer der folgenden Schritte durchgeführt:
    • Berechnung der aktuellen Einspritzzeiten auf Basis eines einstellbaren Verbrennungsluftverhältnisses,
    • Berechung des momentanen Kraftstoffverbrauchs,
    • Berechung der Reibleistung,
    • Berechung der inneren Arbeit in den Zylindern der Brennkraftmaschine.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens setzt in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Ein-oder Zwei-Zonen-Modell zur Simulation der Verbrennung ein. Dieses Ein- oder Zwei-Zonen-Modell erweist sich als in der Praxis besonders leicht handhabbar.
  • Vorteilhafterweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulation der Verbrennung in jedem Zylinder ein quasi-dimensionales Modell eingesetzt. Dadurch ist es möglich, die Abhängigkeit der Flammenfläche von der Brennraumgeometrie in rechnerisch besonders einfacher Weise zu berücksichtigen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden Wandwärmeverluste mittels einer Reynolds-Analogie berücksichtigt. Diese Art der Berücksichtigung der Wandwärmeverluste erweist sich in der Praxis als besonders zuverlässig.
  • Vorteilhafterweise werden in dem Verfahren Leckage-Verluste und Ladungswechsel mit einer isentropischen Durchflußgleichung berücksichtigt, wobei die Massen und Enthalpien in jedem Zylinder und in dem Ein- und Auslaßsystemen mit Einbeziehung des Luft-, Kraftstoff- und Restgasanteils in Abhängigkeit des jeweiligen Temperatur-und Druckwertes berücksichtigt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Drehmomentenbilanz das Gasfederelement jedes Zylinders und die Motorreibung in Abhängigkeit des Kurbelwinkels, der Drehzahl und des Brennraumdruckes berücksichtigt. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens.
  • Besonders bevorzugt ist für das Verfahren, dass mittels einer Arbeitsprozeßrechnung unter Verwendung des 2-Zonen-Modells der Brennraumdruck in jedem Zylinder berechnet wird, wobei aus dem berechneten Brennraumdruck das innere Moment der einzelnen Zylinder berechnet und in die Drehmomentenbilanz eingespeist wird, wobei die Reibung abgezogen wird.
  • Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Drehmomentenbilanz die Kurbelbeschleunigung bestimmt und daraus durch Integration die Drehzahl und daraus durch Integration die Kolbenposition, die in der Arbeitsprozeßrechnung eingesetzt wird, berechnet. Hiermit sind sehr zuverlässige Berechnungen der Drehzahl und der Kolbenposition möglich.
  • Erfindungsgemäß wird ein weiteres Verfahren zur Steuerung und/oder Einstellung einer Brennkraftmaschine durch Festlegung von wenigstens einem Steuerungs- und/oder Einstellungsparameter bereitgestellt, wobei der wenigstens eine Steuerungs- und/oder Einstellungsparameter als Ausgabeparameter einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen ersten Verfahrens gewonnen wird. Beispielsweise kann die Kraftstoffmenge als Steuerungs-und/oder Einstellungsparameter gewonnen werden, die optimal geeignet ist, die Brennkraftmaschine bzw. den Motor unter Einsatz von gezielt bewirkten Verbrennungen in Vorwärtsrichtung zu starten. Zweckmäßigerweise wird eine erste Verbrennung hierbei im Arbeitstakt eingeleitet.
  • Es ist jedoch auch möglich, eine erstmalige Verbrennung in einem Kompressionstakt zu bewerkstelligen, um eine Rückwärtsdrehung zu erzeugen, welche eine Vorverdichtung des Gemisches im Arbeitstakt verursacht. Mit einer derartigen Vorverdichtung kann dann erst anschließend im Arbeitstakt die Verbrennung einsetzen, wobei die größten Vorteile einer Verbrennung mit vorverdichtetem Gemisch im Arbeitstakt ausgenutzt werden können.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung führt alle Schritte eines oder beider erfindungsgemäßen Verfahren durch.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit Programmcodemitteln ist dazu ausgelegt alle Schritte eines oder beider erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, wenn dieses Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, durchgeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist zur Durchführung eines oder beider erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, wenn dieses Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, durchgeführt wird.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
    • Figurenbeschreibung
    • Figur 1 zeigt den Grundaufbau einer Steuerung mit Softwareeinheiten und
    • Figur 2 das Grundschema des im Grundaufbau verwendeten Motorsimulationsmodells.
  • Eine erste, in Fig. 1 gezeigte, als Intake System bezeichnete Einheit 10, eine Kraftstoffzufuhreinheit, empfängt einen Eingabeparameter 14 Accelerator betreffend die Drosselklappenstellung. Dieser Parameter kann durch die Stellung eines Fahrpedals angegeben werden oder von einem Benutzer vorgegebene beliebige zeitlich veränderbare Werte aufweisen. Jeder der in diesem Ausführungsbeispiel angegebenen Eingabeparameter ist der Art, dass er von einer technischen Einrichtung vorgegeben wird oder von einem Benutzer vorgegebene beliebige zeitlich veränderbare Werte aufweist. Daraus werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Ausgabeparameter bestimmt, die wiederum als Eingabeparameter in anderen Schritten des Verfahrens verwendet werden können.
  • Die Einheit 10 empfängt einen Eingabeparameter 16 n_Engine betreffend die Motordrehzahl, einen Eingabeparameter 18 p_ Ambient betreffend einen Umgebungsdruck und einen Eingabeparameter 20 T_Ambient betreffend eine Umgebungstemperatur.
  • Die erste Einheit 10 empfängt ebenfalls einen Eingabeparameter 22 T_intenv betreffend die Innentemperatur der Brennkraftmaschine und einen Eingabeparameter 24 flow_IV betreffend die Stellung eines Einlassventils als Ausgabeparameter von der zweiten, als Cylinder Block bezeichnete Zylindereinheit 12.
  • Aus der ersten Einheit 10 werden ein Ausgabeparameter 26 state_int betreffend den Zustand im Saugrohr und ein Ausgabeparameter r1 betreffend die relative Last im Saugrohr der zweiten Einheit 12 als Eingabeparameter zugeführt.
  • Die Einheit 12 empfängt ebenfalls den Parameter 18 betreffend einen Umgebungsdruck und de Parameter 20 betreffend eine Umgebungstemperatur. Weiterhin empfängt sie von einer Einheit 13 bereitgestellte Ausgabeparameter 28 phi betreffend einen Winkel und 32 dphi betreffend eine zeitliche Veränderung des Winkels der Nockenwelle als Eingabeparameter.
  • Einheit 13 bestimmt diese Parameter 28 und 30 aus dem erhaltenen Eingabeparameter 16 betreffend die Motordrehzahl.
  • Einheit 12 empfängt ferner einen Eingabeparameter 32 al_Ignition betreffend den Zündwinkel, einen Eingabeparameter 34 phi_InjectStart betreffend die Vorgabe des Einspritzbeginns und von einer vierten Einheit 38, der als ECU bezeichneten Steuereinheit, einen Ausgabeparameter 36 ControlValves betreffend die Steuerung der Ventile und einen Ausgabeparameter 37 t_Inject betreffend die Einspritzzeit als Eingabeparameter.
  • Ferner wird der Einheit 12 ein Ausgabeparameter 40 m_AirAtIgnition betreffend die Luftmenge bei der Zündung aus der Einheit 38 als Eingabeparameter zugeführt.
  • In dem Motormodell werden der Durchfluss durch die Drosselklappe des Motors ermittelt, es werden Druck und Temperatur im Saugrohr thermodynamisch berechnet, ferner wird der Durchfluss durch die Steuerventile berechnet. Die Stellung der Ventile kann frei angesteuert sein. Es kann auch eine sogenannte Ventilerhebungskurve, d.h. die Ortskurve des Ventils als Funktion des Kurbelwinkels, verwendet werden.
  • Es findet ferner eine thermodynamische Berechnung von Druck und Temperatur im Brennraum statt, und das resultierende Moment wird kontinuierlich berechnet. Daraus wird die Motortemperatur als ganzes berechnet.
  • Berechnungen betreffend die aktuellen Einspritzzeiten auf Basis des einstellbaren Verbrennungsluftverhältnisses können angestellt werden. Der momentane Kraftstoffverbrauch, die Reibleistung und die innere Arbeit im Zylinder können berechnet werden.
  • In diesem Verfahren wird eine Vielzahl von Parametern verwendet, die mechanische und thermodynamische Größen betreffen.
  • Schematisch sind diese Größen in Fig. 2 dargestellt. Es werden in einem Block 210 eine Energiebilanz und eine Massenbilanz erstellt, wobei die Gaszustandsgleichungen verwendet werden. In einem Block 211 erfolgt eine Arbeitsprozessrechnung aufgrund eines thermodynamischen Ein- oder Zwei-Zonen-Modells. Dabei spielen Flammenfläche und Brennraumgeometrie eine Rolle. Wandwärmeverluste werden berücksichtigt. Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß in jedem Zylinder 212 durchgeführt. Als Ausgabeparameter wird der Brennraumdruck p auf den Kolben in jedem Zylinder bereitgestellt. Daraus wird das innere Moment Mi 214 in jedem Zylinder bestimmt.
  • Die Momentenbilanz 215 wird aus den einzelnen Momenten 214 in jedem Zylinder erstellt. Dabei wird auch ein Reibungsmoment Mr 216 berücksichtigt. Als Ausgabeparameter wird das effektive Gesamtmoment Me 217 bereitgestellt.
  • In einem Block 218 wird das Gesamtmoment mit der Trägheit in Beziehung gesetzt. Daraus werden die
    Kurbelbeschleunigung α 219, daraus die
    Kurbelgeschwindigkeit ω 220 und daraus der Kurbelwinkel ϕ 221 bestimmt. Der Kurbelwinkel ϕ wird der Arbeitsprozessrechnung im Block 211 als Eingabeparameter bereitgestellt. Dieses Verfahren erlaubt die Berechnung eines Verbrennungsvorganges bei allen Drehzahlen n, auch bei n < 0, d.h. umgekehrte Drehrichtung, und n = 0, d.h. beim Starten der Brennkraftmaschine.
  • Im einzelnen:
    Die mechanische oder elektronische Drosselklappe wird modelliert, wobei ihre mechanischen Eigenschaften einbezogen werden. Damit wird die effektive freie Querschnittsfläche und die tatsächliche absolute Winkelstellung der Drosselklappe bestimmt.
    Es wird der gesamte Massenfluss in das Saugrohrvolumen berechnet. Evtl. werden Steller für Leerlaufsteller, Abgasrückführventil, Tankentlüftungsventil und Einspritzventil einbezogen.
    Es wird der gesamte Enthalpiefluss in das Saugrohrvolumen berechnet. Die Zuführung thermodynamischer Größen wie Druck und Temperatur dient diesen Berechnungen.
    Der Wärmeübergang aus dem Saugrohrvolumen in die Saugrohrwand wird berechnet, die Wandtemperatur aus der Wärmeflussbilanz wird berechnet.
  • Anschließend werden die Steuerventile modelliert. Die freie Querschnittsfläche wird berechnet, danach der Massendurchfluss. Hierbei kann eine Ventilerhebungskurve einbezogen werden, die Ventile können aber auch extern frei angesteuert werden.
  • Zusätzlich gibt es ein Modell für die Einspritzventile. Der aktuelle Kurbelwellenwinkel muss dabei berücksichtigt werden sowie der Zylinder-Offset, die Einspritzzeit und der Einspritzbeginn. Es wird der aktuelle Kraftstoff-Fluss durch das Einspritzventil berechnet.
  • Zentrales Element des Verfahrens ist das thermodynamische Zylinderdruckmodell, in dem der Massenstrom (durch Einlassventil, Auslassventil und Einspritzventil) in den Brennraum, die Zusammensetzung des Brennrauminhalts (Frischluft, Kraftstoff und Inertgas bzw. Verbrennungsprodukt), der Enthalpiestrom in den Brennraum unter Berücksichtigung dieser Größen und der Zustand (Druck, Temperatur) berechnet werden. Zylinderwandtemperatur (Bilanzgleichung von zufließender und abfließender Wärme), Wandwärmeverluste (Verwendung der Hohenbergformel mit Zylinderdurchmesser und Kurbelradius, Kolbenposition etc.) und Kinematik des Kurbeltriebs werden einbezogen. Aus Brennraumdruck und der Kinematik des Kurbeltriebs wird das Drehmoment auf die Kurbelwelle berechnet. Zustandsgrößen im Brennraum werden als Vektor erfasst. Hierzu gehören Kolbenposition, Kolbengeschwindigkeit, das Brennraumvolumen und Hilfsgrößen für die Berechnung des Drehmoments auf die Kurbelwelle und für die Brennraum-Zustandsberechnung.
  • Die Berechnung der Verbrennung wird gestartet, wenn der Kurbelwinkel den Zündwinkel überschritten hat.
  • Das momentane Drehmoment auf die Kurbelwelle ergibt sich als Differenz aus den Momenten, die aus den Gaskräften auf die Kolben (Verbrennung) resultieren, und den Momenten, die aus den Zentrifugalkräften auf den Kurbeltrieb resultieren.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Simulation des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein thermodynamisches Motorsimulationsmodell unter Berücksichtigung der Energiebilanz, der Massenbilanz und der Gaszustandsgleichung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine sowie im Einlaß- und Auslaßsystem erstellt wird, wobei unter Eingabe wenigstens eines Eingabeparameters wenigstens ein Ausgabeparameter ausgegeben wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Schritten:
    - Durchflussberechnung durch eine Drosselklappe der Brennkraftmaschine,
    - thermodynamische Berechnung von Druck und Temperatur in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine,
    - Durchflussberechnung durch die Steuerventile der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von kurbelwinkelabhängigen Ventil-Erhebungskurven oder freier Ansteuerung der Ventile,
    - thermodynamische Berechung von Druck und Temperatur im Brennraum der Brennkraftmaschine mit kontinuierlicher Berechung des resultierenden Moments an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine,
    - Berechung der Temperatur der Brennkraftmaschine
  3. Verfahren nach Anspruch 2, zusätzlich mit wenigstens einem der folgenden Schritte:
    - Berechnung der aktuellen Einspritzzeiten auf Basis eines einstellbaren Verbrennungsluftverhältnisses,
    - Berechung des momentanen Kraftstoffverbrauchs,
    - Berechung der Reibleistung,
    - Berechung der inneren Arbeit in den Zylindern der Brennkraftmaschine.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Ein- oder Zwei-Zonen-Modell zur Simulation der Verbrennung eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Simulation der Verbrennung in jedem Zylinder ein quasi-dimensionales Modell eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wandwärmeverluste mittels einer Reynolds-Analogie berücksichtigt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Leckage-Verluste und Ladungswechsel mit einer isentropischen Durchflußgleichung berücksichtigt werden, wobei die Massen, Enthalpien in jedem Zylinder und in dem Ein- und Auslaßsystemen mit Einbeziehung des Luft-, Kraftstoff- und Restgasanteils in Abhängigkeit des jeweiligen Temperatur- und Druckwertes berücksichtigt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Drehmomentenbilanz das Gasfederelement jedes Zylinders und die Motorreibung in Abhängigkeit des Kurbelwinkels, der Drehzahl und des Brennraumdruckes berücksichtigt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Arbeitsprozeßrechnung unter Verwendung des 2-Zonen-Modells der Brennraumdruck in jedem Zylinder berechnet wird, wobei aus dem berechneten Brennraumdruck das innere Moment der einzelnen Zylinder berechnet und in die Drehmomentenbilanz eingespeist wird, wobei die Reibung abgezogen wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Drehmomentenbilanz die Kurbelbeschleunigung bestimmt wird, und daraus durch Integration die Drehzahl und daraus durch Integration die Kolbenposition, die in der Arbeitsprozeßrechnung eingesetzt wird, berechnet wird.
  11. Verfahren zur Steuerung und/oder Einstellung einer Brennkraftmaschine durch Festlegung von wenigstens einem Steuerungs- und/oder Einstellungsparameter dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Steuerungs-und/oder Einstellungsparameter als Ausgabeparameter eines Verfahrens nach den vorstehenden Ansprüchen gewonnen wird.
  12. Vorrichtung um alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.
  13. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Rechnereinheit ausgeführt wird.
  14. Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer oder auf einer entsprechenden Rechnereinheit ausgeführt wird.
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