EP2640947A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines ottomotors im selbstzündungsbetrieb - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung eines ottomotors im selbstzündungsbetrieb

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EP2640947A1
EP2640947A1 EP11767730.2A EP11767730A EP2640947A1 EP 2640947 A1 EP2640947 A1 EP 2640947A1 EP 11767730 A EP11767730 A EP 11767730A EP 2640947 A1 EP2640947 A1 EP 2640947A1
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EP
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combustion
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soc
mfb50
mfb10
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Withdrawn
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EP11767730.2A
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Wolfgang Fischer
Roland Karrelmeyer
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors im HCCI-Betrieb, mit folgenden Schritten: a) Erfassen (S1) eines Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders (3) des Verbrennungsmotors (2); b) Ermitteln (S2) eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße; c) Bestimmen (S3), insbesondere Modellieren, eines ersten Werts einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%); d) Bestimmen (S4) von gewünschten Sollwerten eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in dem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus; e) Bestimmen (S5), insbesondere Modellieren, eines zweiten Werts der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) des zweiten Verbrennungszyklus; und f) Ansteuern (S8) des Verbrennungsmotors (2) ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Ottomotors im Selbstzündungsbetrieb
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Ottomotoren, insbesondere Verfahren zum Betreiben von Ottomotoren mit einem sogenannten HCCI-Verfahren (HCCI: Homogeneaus Charge Compression Ignition), einem homogenen Selbstzündungsverfahren.
Stand der Technik
Gemäß neuen Betriebsverfahren können Ottomotoren in bestimmten Betriebsbereichen mit einem sogenannten HCCI-Verfahren betrieben werden, das einem homogenen Selbstzündungsverfahren entspricht. Das HCCI-Verfahren ist ein Magerbrennverfahren, welches zum Ziel hat, eine signifikante Verbrauchsreduktion von 10-15% gemäß dem NEFZ (NEFZ: Neuer Europäischer Fahrzyklus) zu erreichen. Dies wird bei Betreiben des Ottomotors gemäß dem HCCI-Verfahren durch ein Entdrosseln des Motorbetriebs und durch eine thermodynamisch günstigere Verbrennung erreicht. Dabei sollen, obwohl der nachgeordnete 3-Wege- Katalysator im Magerbetrieb nicht stickstoffreduzierend arbeitet, die Schadstoffrohemissionen, insbesondere Stickoxide, nicht signifikant erhöht werden.
Da der Ottokraftstoff und das Verdichtungsverhältnis eines herkömmlichen Ottomotors so ausgelegt sind, dass Selbstzündungen (die sich in der Regel durch Klopfen äußern) möglichst vermieden werden, muss die für das HCCI-Verfahren nötige thermische Energie anderweitig bereitgestellt werden. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen. Zum Einen kann durch Zurückhalten oder durch Zurücksaugen von heißen, im Normalbetrieb über Auslassventile auszustoßenden Restgase heißes Gas im Brennraum gehalten werden, so dass dort eine erhöhte thermische Energie zur Verfügung steht. Zum Anderen kann die durch den Ottomotor zugeführte Frischluft bei diesem Betriebsverfahren aufgeheizt werden.
Beim Bereitstellen der thermischen Energie durch ein Zurückhalten oder ein Zu- rücksaugen von heißem internen Restgas bestehen insbesondere in Randbereichen eines Betriebsbereichs, in dem der HCCI-Betrieb vorgesehen ist, die Möglichkeit einer spontan auftretenden Instabilität, die zu Verbrennungsaussetzern und/oder klopfenden, d.h. motorschädigenden Verbrennungen führen kann. Weiterhin erfordert das HCCI-Verfahren aufgrund der ansonsten bei Verbrennungs- motoren mit fast vollständigem Gaswechsel nicht auftretenden Zyklus-zu-Zyklus-
Kopplung eine besondere Steuerung bzw. eine Regelung. Die Zyklus-zu-Zyklus- Kopplung, d.h. der Einfluss des Ablaufs eines Verbrennungszyklus auf einen nachfolgenden Verbrennungszyklus in einem Zylinder, kann bei einem Zurückhalten von Restgas auch in der Dynamik z.B. während Gaswechsel oder Be- triebsartenumschaltung, destabilisierende Effekte verursachen.
Um die an den Randbereichen des HCCI-Betriebsbereiches auftretenden Instabilitäten auch bei Komponentenalterung und stark variierenden Umweltbedingungen ausschließen zu können, müsste entweder der für den HCCI-Betrieb nutzba- re Betriebsbereich stark eingeschränkt werden oder es müssten anderweitige
Maßnahmen hinsichtlich der Steuerung bzw. Regelung ergriffen werden. Beispielsweise könnte die Momentendynamik stark beschränkt werden, was die Fahrbarkeit des mit dem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeugs jedoch stark einschränkt.
Die Zyklus-zu-Zyklus-Kopplung bei dem Zurückhalten bzw. Zurücksaugen von Restgas führt zu einem spontan auftretenden Wechsel der Verbrennungslagen bei aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklen. Dies kann sich beispielsweise durch Schwankungen des während der Verbrennung auftretenden Spitzendrucks äußern.
Für die Wechsel der Verbrennungslagen sind im Wesentlichen zwei Effekte verantwortlich. Zum Einen befindet sich die Brennraumtemperatur beim Öffnen des Auslassventils bei einer späteren Verbrennung auf einem höheren Niveau, was zu einer höheren thermischen Energie des zurückgehaltenen bzw. zurückgesaugten Restgases führt. Dadurch erfolgt die Verbrennung im darauffolgenden Zyklus früher. Weiterhin kann eine unvollständige Verbrennung zum Übertrag von Kraftstoff auf den nächsten Verbrennungszyklus führen und dort bei dem für HCCI-Verfahren üblichen Luftüberschuss (Magerbetrieb) zu einem höheren Energieumsatz bei der Verbrennung führen. Diese Effekte können zu einer erheblichen Streuung der Verbrennungslage führen, die in Randbetriebsbereichen des HCCI-Verfahrens Instabilitäten z.B. bezüglich der Laufruhe auslösen können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aufgrund der Zyklus-zu-Zyklus- Kopplung auftretenden Effekte zu kompensieren, um den maximalen Betriebsbereich für den HCCI-Betrieb zu nutzen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Ottomotors im HCCI-Betrieb gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung des Motorsystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors im HCCI-Betrieb vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
a) Erfassen eines Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors;
b) Ermitteln eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße;
c) Bestimmen bzw. Modellieren eines ersten Werts einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen;
d) Bestimmen von gewünschten Sollwerten eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in dem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus;
e) Bestimmen bzw. Modellieren eines zweiten Werts der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen des zweiten Verbrennungszyklus; und f) Ansteuern des Verbrennungsmotors ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zu- standsgröße.
Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, durch Vorwärtsberechnung anhand eines oder mehrerer aus einem Verlauf einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors berechneten Verbrennungsmerkmale und optional von Messwerten und/oder Modellwerten von weiteren Zustandsgrößen einen ersten Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt z.B. mit Hilfe thermodynamischer Zusammenhänge zu bestimmen. Weiterhin wird ausgehend von gewünschten Verbrennungsmerkmalen einer Verbrennung eines nachfolgenden Verbrennungszyklusses ein zweiter Wert der Zustandsgröße durch Rückrechnung auf den festgelegten Zeitpunkt basierend auf Werten von weiteren Zustandsgrößen, die von Umgebungsbedingungen abhängen, ermittelt. Die gewünschten Verbrennungsmerkmale ergeben sich aus dem Wunsch, die Verbrennungsvorgänge (bei stationärem Betrieb) möglichst in gleicher Weise ablaufen zu lassen, z.B. als die gleichen Verbrennungsmerkmale wie bei dem ersten Verbrennungszyklus, so dass keine Zyklus-zu-Zyklus- Schwankungen auftreten. Abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße wird eine Stellgröße korrigiert. Beispielsweise kann die Stellgröße die zugeführte Kraftstoffmenge, den Einspritzzeitpunkt für das Einspritzen von Kraftstoff und/oder den Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils angeben, um auf diese Weise z.B. die Temperatur zu erhöhen bzw. zu vermindern.
Durch Festlegen des Einspritzzeitpunktes ist es z.B. möglich, die im Randbereich des Betriebsbereiches für den HCCI-Betrieb auftretende Instabilität zu kompensieren. Dies ermöglicht es, dass für den HCCI-Betrieb der gesamte Betriebsbereich verwendet werden kann und dass weiterhin auch im dynamischen Betrieb keine destabilisierenden Effekte auftreten.
Gemäß alternativer Ausführungsformen kann der erste Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt vor oder nach einem Einspritzbeginn eines nächs- ten Einspritzens von Kraftstoff in den Zylinder basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen bestimmt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotors abhängig von einer Abweichung zwischen dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße angesteuert wird.
Insbesondere kann der Verbrennungsmotors mit einer oder mehreren Stellgrößen angesteuert werden, wobei die Sollwerte der einen oder der mehreren Stellgrößen iterativ durch einmaliges oder mehrmaliges Ausführen des Schrittes e) abhängig von einer Abweichung zwischen dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem jeweils ermittelten zweiten Wert der Zustandsgröße angepasst werden können.
Dabei können die eine oder die mehreren Stellgrößen eine Einspritzmenge und/oder einen Einspritzzeitpunkt umfassen.
Weiterhin kann als Messgröße ein Zylinderdruck ermittelt werden.
Aus dem Verlauf des Zylinderdrucks kann ein Heizverlauf der Verbrennung in dem Zylinder ermittelt werden, wobei das eine oder die mehreren Verbrennungsmerkmale aus dem Heizverlauf ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können das eine oder die mehreren Verbrennungsmerkmale einer Kurbelwellenwinkellage bei einem vorgegebenen Anteil eines Massenumsatzes und/oder bei einem vorgegebenen Anteil eines Energieumsatzes entsprechen.
Der zweite Wert der Zustandsgröße kann zu dem festgelegten Zeitpunkt weiterhin basierend auf einer Angabe eines Öffnungswinkels eines Einlassventils und/oder eines Schließwinkels eines Einlassventils ermittelt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt weiterhin basierend auf einer Angabe eines Öffnungswinkels eines Auslassventils und/oder eines Schließwinkels des Auslassventils ermittelt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors im HCCI-Betrieb vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um :
- einen Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors zu empfangen;
- um einen oder mehrere Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße zu ermitteln;
- um einen ersten Wert einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen zu ermitteln bzw. zu modellieren;
- um Sollwerte für ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in dem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus zu bestimmen;
- um einen zweiten Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen des zweiten Verbrennungszyklus zu ermitteln bzw. zu modellieren; und
- um den Verbrennungsmotor ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
einen Verbrennungsmotor;
einen Sensor zum Erfassen eines Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors;
eine Steuereinheit,
um einen oder mehrere Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße zu ermitteln; um einen ersten Wert einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen zu ermitteln bzw. zu modellieren; um Sollwerte für ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus zu bestimmen;
um einen zweiten Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen des zweiten Verbrennungszyklus zu ermitteln bzw. zu modellieren; und
um den Verbrennungsmotor ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren ausführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Ottomotor;
Figuren 2a bis 2c Diagramme zur Darstellung von Zyklus-zu-Zyklus-
Schwankungen, die beim Betreiben des Ottomotors im herkömmlichen HCCI-Betrieb auftreten;
Figuren 3a bis 3c Diagramme zur Darstellung der zeitlichen Verläufe des
Zylinderdrucks, der Zylindertemperatur und der Gasmassenkomponenten im Brennraum im stationärem HCCI- Betrieb gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Figur 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahren zum Betreiben des Motorsystems der Fig. 1 ; und
Figuren 5a und 5b einen gemessenen Zylinderdruckverlauf und die sich daraus ergebende Energiefreisetzung bei zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklen.
Beschreibung von Ausführungsformen Figur 1 zeigt schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 der in vorliegendem Ausführungsbeispiel vier Zylinder 3 aufweist. Die Anzahl der Zylinder 3 ist jedoch nicht auf vier beschränkt und es kann grundsätzlich jede be- liebige Anzahl von Zylindern 3 vorgesehen sein.
Der Verbrennungsmotor 2 ist als Ottomotor ausgebildet und weist für eine Direkteinspritzung von Kraftstoff Einspritzventile 5 an jedem der Zylinder 3 auf. Frischluft wird den Zylindern 3 des Verbrennungsmotors 2 über einen Luftzuführungsabschnitt 9 zugeführt und durch entsprechende Einlassventile 6 gesteuert in die Zylinder 3 eingelassen. Dazu wird die Frischluft mit einem Umgebungsluftdruck po und mit einer Umgebungslufttemperatur T0 aus einer Umgebung des Motorsystems 1 angesaugt und über einen Luftfilter 10 in einen Saugrohrab- schnitt 12 geführt. Der Saugrohrabschnitt 12 befindet sich stromabwärts des Luftfilters 10 zwischen einer Drosselklappe 1 1 und den Einlassventilen 6 des Verbrennungsmotors 2. In dem Luftzuführungsabschnitt 9 ist stromaufwärts der Drosselklappe 1 1 ein Luftmassensensor 16 vorgesehen, um die in Saugrohrabschnitt 12 strömende Luftmenge zu detektieren.
Nach der Verbrennung in den Zylindern 3 entstehendes Verbrennungsabgas wird über Auslassventile 7 in einen Abgasabführungsabschnitt 8 ausgestoßen. In den Saugrohrabschnitt 12 mündet eine Abgasrückführungsleitung 13, die den Abgasabführungsabschnitt 8 mit dem Saugrohrabschnitt 12 verbindet. In der Abgas- rückführungsleitung 13 ist ein Abgaskühler 14 und ein Abgasrückführungsventil
15 vorgesehen, um die Menge und die Temperatur des rückgeführten Abgases einstellen zu können. Die Zustandsgrößen in dem Saugrohrabschnitt 12 sind der Saugrohrdruck p2 sowie der Massenstrom m2 des den Zylindern 3 zuzuführenden Luft-Abgas-Gemisches. In dem Abgasabführungsabschnitt 8 stellt sich ein Ab- gasdruck p3 und ein Abgasmassenstrom m3 ein.
Der Verbrennungsmotor 2 wird mit Hilfe eines Steuergerätes 20 betrieben. Das Steuergerät 20 steuert zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2 Stellgeber des Motorsystems 1 , wie z.B. die Drosselklappe 1 1 zum Einstellen der den Zylindern zugeführten Luftmenge, das Abgasrückführungsventil 15 zum Einstellen einer
Abgasrückführungsrate, die die Menge an Inertgas in den Zylindern angibt, die Einlass- und Auslassventile 6, 7 und die Einspritzventile 5 zum Einstellen des Zeitpunkts und der Dauer der Kraftstoffeinspritzung. Der Betrieb des Verbrennungsmotors 2 erfolgt basierend auf Zustandsgrößen, die gemessen und/oder zumindest teilweise modelliert werden können. Zustandsgrößen sind beispielsweise der Saugrohrdruck p2, der in den Saugrohrabschnitt 12 strömende Luftmassenstrom m0, der durch den Luftmassensensor 16 detektiert wird, der Abgasgegendruck p3, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 sowie das Drehmoment des Verbrennungsmotors 2.
Weiterhin sind die Zylinder 2 mit einem Zylinderdrucksensor 17 versehen, um einen momentanen Zylinderdruck zu erfassen und eine entsprechende Angabe dem Steuergerät 20 zur Verfügung zu stellen.
Das Steuergerät 20 betreibt den Verbrennungsmotor 2 bei der vorliegenden Ausführungsform so, dass in einem bestimmten Betriebsbereich der durch die Drehzahl und/oder das Drehmoment und/oder den Saugrohrdruck p2 vorgegeben werden kann, der Verbrennungsmotor 2 in einem HCCI-Betrieb, d.h. in einem Selbstzündungsbetrieb betrieben wird. Beim HCCI-Betrieb, der insbesondere bei einer Teillast des Verbrennungsmotors 2 eingenommen wird, wird der Verbrennungsmotor 2 so betrieben, dass eine Verbrennung bei einem Luftüberschuss stattfindet, wobei sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum selbst entzündet.
Dazu ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor 2 so betrieben wird, dass sich die Brennraumtemperatur während der Brennraumkompression (Kompressionsbewegung des Kolbens) so erhöht, dass die Zündtemperatur des Luft- Kraftstoff-Gemisches überschritten wird und eine Selbstzündung erfolgt. Insbesondere bei Randbereichen des Betriebsbereichs, bei dem ein HCCI-Betrieb stattfinden soll, kann es aufgrund eines Rückkopplungseffektes zu Schwankungen kommen. Der Rückkopplungseffekt entsteht dadurch, dass eine große Menge heißen Restgases aus der vorigen Verbrennung zurück gehalten wird. Weist dieses ein stark unterschiedliches Temperaturniveau auf, kommt es zu stark unterschiedlicher Verbrennungslage im folgenden Zyklus. Enthält dieses zurückgehaltene Restgas weiterhin unverbrannte Kraftstoffanteile, kommt es aufgrund eines Luftüberschusses im Brennraum zu einem höheren Energieumsatz bei der nachfolgenden Verbrennung. Dieser Effekt ist beispielsweise in dem Diagramm der Figur 2a dargestellt. Dort erkennt man dass der jeweilige Maximaldruck pcyi während eines Verbrennungs- zyklusses von Zyklus zu Zyklus schwankt. Diese Zyklus-zu-Zyklus- Schwankungen führen zu Instabilitäten, die sich durch Klopfen oder Verbrennungsaussetzern der Verbrennung in den Brennräumen bemerkbar machen können. Um den maximalen Betriebsbereich für den HCCI-Betrieb nutzen zu können, muss diese Zyklus-zu-Zyklus-Störung kompensiert werden, so dass der Maximaldruck pcyi der Verbrennungen (bei stationärem Motorbetrieb) für aufein- ander folgende Verbrennungszyklen näherungsweise konstant ist. Dies kann durch Implementieren eines Regelungsverfahrens erreicht werden, dass auf einen angepassten thermodynamischen Modell des Brennraumes basiert.
In der Figur 2b ist das Merkmal NMEP über den Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Das Merkmal NMEP (Net Mean Effective Pressure) stellt ein Maß für die mittlere induzierte Arbeit dar.
In Figur 2c ist das Merkmal MFB50% über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen MFB50% entspricht einer Verbrennungsschwerpunktslage die als Kurbelwellen- winkeldifferenz zu dem Kurbelwellenwinkel des oberen Tonpunktes angegeben wird.
Die Zyklus-zu-Zyklus-Kopplung der Verbrennungszyklen wird hauptsächlich dadurch hervorgerufen, dass im HCCI-Betrieb kein vollständiger Gaswechsel im Brennraum erfolgt, so dass im Brennraum verbleibendes oder zurückgesaugtes Restgas aufgrund seiner variablen Temperatur die nachfolgende Verbrennung im HCCI-Betrieb beeinflusst.
Die grundlegende Differenzialgleichung für den Zylinderdruck lautet wie folgt: dp (K _ 1) . f^ + aq^ + gggii;1 K j |
dtp 7(φ} K άφ dtp dtp J ' άφΐ (1 ) wobei p den Zylinder bzw. Brennraumdruck, φ den Kurbelwellenwinkel, V das momentane von den Kurbelwellenwinkel φ abhängige Zylindervolumen angibt, das sich kinematisch aus der Geometrie des Kurbelbetriebes ergibt, κ den momentanen Polytropenexponenten, der von der Gaszusammensetzung bei der momentanen Temperatur abhängig ist, dH die mit den Massenströmen über die Ventile (bei den Ein- und Auslassvorgängen) assoziierten Enthalpieströme und dQßrenn die Energiefreisetzung während der Verbrennung auch Brennverlauf genannt, und dQDW die Wandwärmeverluste angeben. dQBrenn wird auch der Brenn- verlauf genannt
Die obige Differenzialgleichung kann über den Energieerhaltungssatz und das ideale Gasgesetz hergeleitet werden. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der Zustände in den Behältermodellen, nämlich dem Druck p, der Temperatur T sowie den Gasmassenkomponenten der beteiligten Stoffe. Näherungsweise werden die
Gasmassenkomponenten zusammengefasst. Die Umsetzung der Gasmassenkomponenten Luft, Restgas und Kraftstoff erfolgt gekoppelt an die phänomenologisch modellierte Energiefreisetzungsrate im stöchiometrischen Verhältnis. Weiterhin wird der momentane Brennraumtemperatur nach dem Ermitteln des Druckverlaufs als abgeleitete Größe über das ideale Gasgesetz ermittelt.
Formt man die obige Gleichung 1 um, so erhält man eine Formel für den sogenannten Heizverlauf, der dem Brennverlauf abzüglich des Wandwärmeverlustes entspricht, und der sich anhand eines gemessenen Zylinderdruckverlaufs be- rechnen lässt.
^QBeizveriamf ^QBrsnn , d QDW , d-H ϊ , . dp , κ dV
= 1 : 1 = ; Ff φ) 1 ρ— (2) άφ Λφ ύφ ύψ (κ—ί) dtp κ—1 άφ
Dabei kann man davon ausgehen, dass während des Verbrennungsprozesses keine Gasmassenströme über die Ein- und Auslassventile auftreten (dH=0) und man kann κ als konstant oder zumindest als linear abhängig vom Kurbelwellenwinkel φ betrachten. Zur Verbesserung der Genauigkeit kann κ betriebspunktabhängig gewählt werden. Integriert man Gleichung 2, so lassen sich aus dem ergebenen integralen Heizverlauf Q(cp) bestimmte, die Verbrennung charakterisierende Merkmale extrahieren. Insbesondere ist der Kurbelwellenwinkel φ, bei dem die Verbrennung beginnt bzw. zu dem ein bestimmter Anteil (x%) des Gesamtenergieumsatzes während des Verbrennungszyklusses erfolgt ist (Massenumsatzpunkt), für die zu implementierende Regelung von Interesse. Dieser Kurbelwellenwinkel wird SOC
(start of combustion) bzw. MFBx% (mean fraction burnt) genannt, wobei MFB10% 10% Massenumsatz, MFB50% die Schwerpunktlage der Verbrennung während des Verbrennungszyklusses und MFB90% 90% Massenumsatz angeben. Weiterhin können bei der Regelung die zu dem Kurbelwellenwinkel gehörende Energiewerte Qx% = Q(MFBx%) verwendet werden.
In den Figuren 3a bis 3b sind die zeitlichen Verläufe des Zylinderdrucks pcyi, der Zylindertemperatur Tcyi und der Gasmassenkomponenten mcyi dargestellt. Insbesondere die zeitlichen Verläufe der Zylindertemperatur Tcyi und der Gasmassenkomponenten mcyi sind auf Basis der gegenwärtig verfügbaren Messtechnik nur sehr eingeschränkt oder nicht über Messungen zugänglich.
Im Folgenden werden jedoch diese Informationen bzw. die Differenz zwischen den Istwerten dieser Größen basierend auf einer Messung in einem ersten ( (k- 1 )-ten) Zyklus und den gewünschten Sollwerten in einem darauffolgenden zwei- ten (k-ten) Zyklus für die Berechnung entsprechender Stelleingriffe genutzt. Das
Verfahren zur Ermittlung der Ansteuerung des Verbrennungsmotors wird nachfolgend anhand des Flussdiagramms der Fig.4 näher beschrieben.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Verlaufs eines Zylinderdrucks mit Hilfe des Zylinderdrucksensors 17 in einem Brennraum eines oder mehrerer Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 erfasst. Aus dem Verlauf des Zylinderdrucks werden in
Schritt S2 ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem ersten gerade stattgefundenen Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Zylinderdruckverlauf ermittelt. Wie zuvor beschrieben kann in Schritt S3 ein erster Wert einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus z. B. vor einem Einspritzbeginn eines nächsten Einspritzens von Kraftstoff in den Zylinder basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (z. B. SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) bestimmt bzw. modelliert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Einspritzmenge für einen unmittelbar nachfolgende Verbrennung entsprechend dem Ergebnis des Verfahrens angepasst werden kann.
Alternativ kann in Schritt S3 der erste Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt nach einem Einspritzbeginn eines nächsten Einspritzens von Kraft- stoff in den Zylinder basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (z.B. SOC, MFB10%, M FB50%, M FB90%, Q10%, Q50%, Q90%) bestimmt bzw. modelliert werden. Beispielsweise können die Zeitpunkte des Öffnens oder des Schließens des betreffenden Einlassventils als geeignete Zeitpunkte für das Bestimmen des ersten Werts der Zustandsgröße vorgesehen sein.
Weiterhin werden in Schritt S4 Sollwerte für ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in einem zweiten auf den ersten folgenden Verbrennungszyklus bestimmt. Daraus wird in Schritt S5 ein zweiter Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf dem einem oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen des zweiten Verbrennungszyklus ermittelt bzw. modelliert. In Schritt S6 wird mindestens ein Korrekturwert für mindestens eine Stellgröße zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors 2, z.B. eine Einspritzmenge oder ein Einspritzzeitpunkt, ermittelt. Wird in Schritt S7 festgestellt, dass ein Maß einer Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert einen bestimmten vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet (Alternative: Ja), so wird der Verbrennungsmotor 2 wird in Schritt S8 ab dem festgelegten Zeitpunkt mit der mindestens einen korrigierten Stellgröße angesteuert. Andernfalls (Alternative: Nein), wird zu Schritt S4 zurückgesprungen, um basierend auf der mindestens einen korrigierten Stellgröße die Modellierung und die Ermittlung des zweiten Werts der Zustandsgröße erneut durchzuführen, bis das Maß der Abweichung zwischen den Werten der Zustandsgrößen den vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Zur Erhöhung der Robustheit des thermodynamischen Modells wird der Zustand im Zylinder zu Beginn des Verbrennungszyklus geschätzt und das Modell für die darauffolgende Berechnung mit dem Schätzwert initialisiert.
Die Schätzung des Zylinderzustands bei Brennbeginn basiert auf der bekannten Selbstzündungstemperatur TZÜND von Otto kraftstoff von etwa 1000° K, sowie auf dem aus dem Brennraumdrucksignal bestimmten Zeitpunkt des Brennbeginns SOC. Zusammen mit dem gemessenen Zylinderdruck bei Brennbeginn p(SOC), der aus einer vorgegebenen Gemischzusammensetzung bestimmten Gaskonstante R und dem abhängig von Brennbeginn berechneten Zylindervolumen V(SOC) lässt sich mit Hilfe des idealen Gasgesetzes die Gasmasse im Zylinder 3 und damit der Zylinderzustand schätzen. pV
•V = mRT bzw. m =—
KT
Der Brennbeginn SOC kann bei diesem Verfahren aus dem gemessen Brenn- raumdruckverlauf, z.B. mit Hilfe einer aus dem Stand der Technik bekannten Heizverlaufsrechnung bestimmt werden. Zur sicheren Bestimmung des Brennbeginns wird dabei für die Heizverlaufsberechnung ein erhöhter Polytropenexpo- nent von κ=1 ,4 verwendet.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des Schätzverfahrens kann ein iteratives Verfah- ren z.B. ein Newton-Iterationsverfahren verwendet werden, bei dem die Gaskonstante R abhängig von dem geschätzten Zylinderzustand bei Brennbeginn im Zylinder 3, d.h. abhängig von der sich durch die geschätzte Zylindermasse ergebenden Gemischzusammensetzung von Luft, Kraftstoff und Restgas, korrigiert wird. Insbesondere erfolgt dies, indem die Gaskonstanten der einzelnen Stoffe, entsprechend ihres Volumenanteils an dem sich ergebenden Luft- Kraftstoff-
Gemisch im Zylinder 3 gewichtet werden.
In den Figuren 5a und 5b sind ein gemessener Zylinderdruckverlauf und der sich daraus nach Gleichung 2 abgeleiteten Heizverlauf dQHeizveriauf ergebenden Ener- giefreisetzung bei zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklen dargestellt.
Der erste Verbrennungszyklus wird in diesem Beispiel als gegeben vorausgesetzt, wobei die Zustände während des ersten Verbrennungszyklus den Istzustand darstellen. Der nachfolgende zweite Verbrennungszyklus soll eine Soll- Energiefreisetzung Q darstellen.
Die Soll-Energiefreisetzung wird durch eines oder mehrere der oben genannten Merkmale charakterisiert, z.B. SOC, MFB10%, MFB50% und MFB90% sowie Q10%, Q50% bzw. Q90%. Ausgehend von den zur Verfügung stehenden Ist- Verbrennungsmerkmalen, den aus der Steuerung bekannten Werten der Stell- großen, wie z.B. des Öffnungs- und Schließwinkels der Auslassventile sowie der geschätzten Zustände im Zylinder bei Brennbeginn im ersten Verbrennungszyklus, können die Zustände bis zum Beginn einer Zwischenverdichtung, dessen Zeitpunkt einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel vor dem Beginn der Verbrennung entspricht und der durch die gestrichelte Line dargestellt ist, berechnet werden. Umgekehrt können ausgehend von den zur Verfügung stehenden Soll- Verbrennungsmerkmalen, dem daraus abgeleiteten Soll-Zylinderzustand bei Brennbeginn des zweiten Zyklus, den aus der Steuerung bekannten Werten der Stellgrößen, wie z.B. Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt des Einlassventils die Zustände bis zum Beginn der Zwischenverdichtung rückwärts berechnet werden. Aus der Differenz der Zustandsgrößen, die sich durch die Vorwärtsrechnung ausgehend vom ersten Zyklus und die Rückwärtsrechnung, ausgehend vom zweiten Zyklus ergeben, kann dann eine Korrektur der Stellgrößen, nämlich des Zeitpunkts des Einspritzens und der Einspritzmenge vorgenommen werden.
Diese Korrektur der Stellgrößen kann abhängig von einem Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Wert der Zustandsgröße beispielsweise mit Hilfe einer vorgegebenen Funktion bzw. eines vorgegebenen Kennfelds vorgenommen werden.
Die Anpassung/Korrektur der Zustandsgrößen kann beispielsweise auch iterativ erfolgen, wobei eine inkrementelle Korrektur des Einspritzzeitpunktes und/oder der Einspritzmenge vorgenommen wird und eine entsprechende erneute Rückwärtsberechnung ausgehend von dem Sollzustand erneut vorgenommen wird, solange, bis die aus der Vorwärtsberechnung ausgehend von dem ersten Verbrennungszyklus und durch die Rückwärtsberechnung, ausgehend von dem zweiten Verbrennungszyklus die Differenz der Zustandsgrößen eine vorgegebene Toleranzabweichung unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich können aus den Zustandsgrößen abgeleiteten Verbrennungsmerkmale, z.B. die thermische Energie zu Beginn der Zwischenverdichtung (oder zu einem sonstigen vorgegebenen Referenzzeitpunkt), als Eingang für die Berechnung der Einspritzkorrekturen, d.h. der Anpassung des Einspritzzeitpunktes und der Einspritzmenge herangezogen werden.
Während das obige Verfahren anhand eines stationären Motorbetriebs erläutert wurde, ist es analog auch auf den dynamischen Betrieb übertragbar mit dem Unterschied, dass sich in der Dynamik von Zyklus zu Zyklus auch die Sollwerte für die Verbrennungsmerkmale sowie die Vorsteuerwerte für die Stellgrößen verän- dem, was entsprechend berücksichtigt werden muss.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) im HCCI-Betrieb, mit folgenden Schritten:
a) Erfassen (S1) eines Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders (3) des Verbrennungsmotors (2);
b) Ermitteln (S2) eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße;
c) Bestimmen (S3), insbesondere Modellieren, eines ersten Werts einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%);
d) Bestimmen (S4) von gewünschten Sollwerten eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale einer Verbrennung in dem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus;
e) Bestimmen (S5), insbesondere Modellieren, eines zweiten Werts der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) des zweiten Verbrennungszyklus; und
f) Ansteuern (S8) des Verbrennungsmotors (2) ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der erste Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt vor oder nach einem Einspritzbeginn eines nächsten Einspritzens von Kraftstoff in den Zylinder basierend auf dem er- mittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbrennungsmotor (2) abhängig von einer Abweichung zwischen dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verbrennungsmotor (2) mit einer oder mehreren Stellgrößen angesteuert wird, wobei die eine oder die mehreren Stellgrößen iterativ durch einmaliges oder mehrmaliges Ausführen des Schrittes e) abhängig von einer Abweichung zwischen dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem jeweils ermittelten zweiten Wert der Zustandsgröße angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die eine oder die mehreren Stellgrößen eine Einspritzmenge und/oder einen Einspritzzeitpunkt umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Messgröße ein Zylinderdruck (pcyi) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei aus dem Verlauf des Zylinderdrucks ein Heizverlauf der Verbrennung in dem Zylinder (3) ermittelt wird, wobei das eine oder die mehreren Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) aus dem Heizverlauf ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das eine oder die mehreren Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Kurbelwellenwinkellage bei Brennbeginn und/oder bei einem vorgegebenen Anteil eines Massenumsatzes und/oder bei einem vorgegebenen Anteil eines Energieumsatzes entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt weiterhin basierend auf einer Angabe eines Öffnungswinkels eines Auslassventils (7) und/oder eines Schließwinkels eines Auslassventils (7) ermittelt wird.
0. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Wert der Zu- standsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt weiterhin basierend auf einer Angabe eines Öffnungswinkels eines Auslassventils (7) und/oder eines Schließwinkels des Auslassventils (7) ermittelt wird.
1. Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) im HCCI-Betrieb, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um :
- einen Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders (3) des Verbrennungsmotors (2) zu empfangen;
- um ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße zu ermitteln;
- um einen ersten Wert einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) zu ermitteln;
- um Sollwerte eines oder mehrerer Verbrennungsmerkmale (SOC,
MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Verbrennung in einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus zu bestimmen;
- um einen zweiten Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder den mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) des zweiten Verbrennungszyklus zu ermitteln; und
- um den Verbrennungsmotor (2) ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße anzusteuern. 12. Motorsystem (1), umfassend:
einen Verbrennungsmotor (2);
einen Sensor (17) zum Erfassen eines Verlaufs einer Messgröße einer Größe in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors (2); eine Steuereinheit (20),
- um ein oder mehrere Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%,
MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Verbrennung in einem ersten Verbrennungszyklus basierend auf dem gemessenen Verlauf der Messgröße zu ermitteln;
um einen ersten Wert einer Zustandsgröße zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem ersten Verbrennungszyklus und vor einem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus basierend auf dem ermittelten einen oder den ermittelten mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) zu ermitteln;
um Sollwerte eines oder mehrere Verbrennungsmerkmale (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) einer Ver- brennung in dem zweiten nachfolgenden Verbrennungszyklus zu bestimmen;
um einen zweiten Wert der Zustandsgröße zu dem festgelegten Zeitpunkt basierend auf den Sollwerten des einen oder der mehreren Verbrennungsmerkmalen (SOC, MFB10%, MFB50%, MFB90%, Q10%, Q50%, Q90%) des zweiten Verbrennungs- zyklusses zu ermitteln; und
um den Verbrennungsmotor (2) ab dem festgelegten Zeitpunkt abhängig von dem ersten Wert der Zustandsgröße und dem zweiten Wert der Zustandsgröße anzusteuern.
13. Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.
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