WO2006120209A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des verhältnisses zwischen der in einem zylinder einer brennkraftmaschine verbrannten kraftstoffmasse und der in dem zylinder eingesetzten kraftstoffmasse - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des verhältnisses zwischen der in einem zylinder einer brennkraftmaschine verbrannten kraftstoffmasse und der in dem zylinder eingesetzten kraftstoffmasse Download PDF

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WO2006120209A1
WO2006120209A1 PCT/EP2006/062193 EP2006062193W WO2006120209A1 WO 2006120209 A1 WO2006120209 A1 WO 2006120209A1 EP 2006062193 W EP2006062193 W EP 2006062193W WO 2006120209 A1 WO2006120209 A1 WO 2006120209A1
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cylinder
fuel
combustion
determined
fuel mass
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PCT/EP2006/062193
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Erwin Bauer
Dietmar Ellmer
Thorsten Lauer
Original Assignee
Siemens Vdo Automotive Ag
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/0614—Actual fuel mass or fuel injection amount

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining the ratio between the fuel mass burned in a cylinder of an internal combustion engine and the fuel mass used in the cylinder by means of a cylinder pressure sensor.
  • the combustion function is formed from the ratio of burned to used fuel mass (MBR) as a function of the crank angle. From the combustion function can be taken with the center of gravity of combustion another characteristic of the combustion process size. The center of gravity of the combustion denotes the working point of the internal ⁇ function at which 50% of the fuel mass used are burned.
  • MBR burned to used fuel mass
  • the efficiency, the acoustic and emission behavior of an internal combustion engine are essentially determined by the combustion function.
  • Prerequisite for the determination of the combustion function is the knowledge of the cylinder pressure in dependence of the Kurbelwin ⁇ cle. With knowledge of this dependency and with the aid of the pressure curve analysis and the work process calculation, the MBR and thus the combustion function can be calculated by using thermodynamic models of combustion processes.
  • thermodynamic models of combustion processes can be found, for example, in the "Handbuch Verbrennungsmotor", by Richard van Basshuysen / Fred Schfer, 1st Edition, April 2002, Chapters 5.2 and 5.3 and in "Automotive Engineering Handbook” by Bosch, 22nd edition, September 1995, pages 358 to 363.
  • HCCI mode Homogeneous Charge Compression Ignition mode
  • the combustion process in HCCI mode is modeled using cycle processes, with the description of the combustion process using internal state variables such.
  • the output variables such as. B. the signal of a knock sensor, the exhaust gas temperature or the air-fuel ratio, the modeled and the real combustion process are fed to a controller, the combustion process influencing variables such.
  • the fuel injection or exhaust gas recirculation controls.
  • the object of the invention is to provide a method and a device available which overcame the determination of the ratio between the burnt in a cylinder of an internal combustion engine fuel mass and of relieving in the Zy ⁇ fuel mass used with low Rechenier ⁇ permit.
  • the object is solved by the features of the independent claims.
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention is characterized by a method and a corresponding device for determining the ratio between the fuel mass burned in a cylinder of an internal combustion engine and the fuel mass used in the cylinder with the aid of a cylinder pressure sensor.
  • an isentropic exponent ⁇ v and a constant k v of a plurality of value pairs of cylinder volume V and associated cylinder pressure p are determined for the process prior to the combustion of fuel in the cylinder.
  • the cylinder volume is determined from the signal of a crank shaft associated Kurbelwel ⁇ lensensors and the cylinder pressure by the signal of the cylinder pressure sensor.
  • the cylinder pressure for the process before the combustion of fuel in the is determined.
  • Cylinder determined by the sizes ⁇ v and k v .
  • the measured value of the cylinder pressure sensor is detected. Then, similar to the process before the combustion of fuel in the cylinder, for the process after the combustion of fuel in the cylinder, an isentropic exponent ⁇ n and a constant k n are determined from a plurality of value pairs of cylinder volume and associated cylinder pressure.
  • the cylinder pressure for the process after the combustion of fuel in the cylinder on the basis of the sizes ⁇ n and k n determined.
  • the ratio between the fuel mass burned in the cylinder and the fuel mass used in the cylinder for the above-mentioned operating point is determined by means of the above-determined cylinder pressures before, during and after the combustion of fuel.
  • the method allows the determination of the relationship between th ⁇ rule of burned in the cylinder fuel mass and fuel mass used in the cylinder for any desired operating points, although the method using only a few pairs of values for the cylinder volume and associated cylinder pressure (a minimum of four) metrologically sensed signals of the cylinder pressure sensor and Crankshaft sensor needed.
  • the dung OF INVENTION ⁇ contemporary method has the advantage of not be used on ⁇ manoeuvrable thermodynamic models and low fails so the computational effort. In this way, the ratio between the fuel mass burned in the cylinder and the fuel mass used in the cylinder in an engine control unit can be determined in real time without the cost ⁇ expense to increase due to increased demands on a used in engine control units hardware.
  • the inventive method is applicable both for gasoline engines, for diesel engines and for gas-powered engines.
  • the combustion function is formed from the ratio determined for several operating points between the fuel mass burned in the cylinder and the fuel mass used in the cylinder.
  • the combustion function can be used to control the combustion process of internal combustion engines. We- kungsgrad, acoustic and emission behavior ei ⁇ ner internal combustion engine can be optimized.
  • the combustion position determines the center of gravity of the combustion.
  • the center of gravity of the combustion provides a characteris ⁇ diagram represents size for the description of the combustion process of internal combustion engines and can be used to control the combustion process. Efficiency, acoustic and emission behavior of an internal combustion engine can be optimized.
  • the isentropic exponent ⁇ v and the constant k v for the process before the combustion of fuel in the cylinder are determined by the following equation:
  • Equation 1 and Equation 2 allow the determination of the respective isentropic exponent and the respective constants with little computational effort.
  • the instant exponent for the process before the combustion of fuel in the cylinder or the isentropic exponent for the process after the combustion of fuel in the cylinder are determined by the following equation: (Equation 3)
  • Equation 3 pi and p ⁇ measured values denote the cylinder ⁇ pressure sensor and Vi and V 2, the corresponding Zylinderdruckvo ⁇ lumina which are based on the signals of the crankshaft sensor ermit ⁇ telt. Equation 3 allows a determination of the respective isentropic exponent ⁇ with little computational effort.
  • the ratio between the fuel mass burned in the cylinder and the fuel mass (MBR) used in the cylinder is determined by the following equation:
  • MBR denotes the ratio between the burned in the cylinder fuel mass and fuel mass used in the cylinder
  • c is a constant
  • p w the measurement value of the cylinder pressure sensor during the combustion of fuel in the cylinder
  • p v the particular means of Equation 1 cylinder pressure before combustion of fuel in the cylinder
  • p n the cylinder pressure determined by Equation 2 after the combustion of fuel in the cylinder.
  • an average value of the isentropic exponent is determined in the presence of more than two value pairs for the cylinder volume and the associated cylinder pressure.
  • This mean is used in the corresponding equation 1 or 2 for determining the cylinder pressure before or after the combustion of fuel in the cylinder.
  • an average value of the constants specified in equation 1 or 2 is determined in the presence of more than two value pairs for the cylinder volume and the associated cylinder pressure. This average value is in the corresponding sliding ⁇ chung 1 or 2 for the determination of cylinder pressure before or after the combustion of fuel used in the cylinder.
  • the combustion process influencing manipulated variables of the internal combustion engine such. B. amount of fuel to be injected or ignition timing, depending on the ratio between the burned in the cylinder fuel mass and the fuel mass used in the cylinder changed. This causes the combustion process fuel consumption, acoustic behavior and pollutant emissions can go ⁇ clearly be optimized.
  • the result of this comparison is fed to a controller of the combustion process be ⁇ influencing variables of the internal combustion engine, such. B. amount of fuel to be injected or ignition ⁇ point determined. This causes the combustion process fuel consumption, acoustic behavior and pollutant emissions can go ⁇ clearly be optimized.
  • the method according to the invention in internal combustion engine, which can be operated at least in certain operating states with controlled auto-ignition (HCCI mode) applied.
  • HCCI mode controlled auto-ignition
  • the regulation of the combustion process of these internal combustion engines can be optimized thereby.
  • the ratio between the fuel mass burned in the cylinder and the fuel mass used in the cylinder or the combustion function or the center of gravity of the combustion is determined for a plurality of cylinders of an internal combustion engine.
  • the sampling rate for the detection of the signals of the cylinder pressure sensor or for the detection of the signals of the crankshaft sensor is changed in a control unit, as a function of ⁇ determined by the inventive method result for the ratio between the burned in the cylinder Fuel mass and the fuel mass used in the cylinder.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a flow diagram for illustrating the method according to the invention.
  • Figure 1 shows the schematic representation of an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • the device has an engine block 1, which comprises a cylinder 2.
  • a piston 3 which is ver ⁇ connected via a connecting rod 4 with a crankshaft 5 ⁇ .
  • the piston 3 in the cylinder 2 performs a translatory movement in the vertical direction.
  • the cylinder volume and the cylinder pressure are dependent on the position of the piston 3 in the cylinder 2.
  • a cylinder pressure sensor 6 for detecting the cylinder pressure. Furthermore, located within the engine block 1, a crankshaft sensor 7 for Erfas ⁇ solution of the crank angle.
  • the signals of both sensors are detected by a control unit 8.
  • the control unit 8 by means of the signals of both sensors and other present in the control unit 8 information such.
  • B. speed of the internal combustion engine the ratio between the burned in a Zy ⁇ cylinder 2 of the internal combustion engine fuel mass and the fuel mass used in the cylinder 2 inventively determined. Due to the right of the control unit 8 be ⁇ -sensitive arrows is clear that the controller can handle 8 signals of further sensors, or an exchange of data with other control units is possible.
  • FIG. 2 shows a flowchart for illustrating the method according to the invention.
  • step Sl the measured values of the crankshaft sensor 7 and the cylinder haw ⁇ sors are collected 6 for the process prior to the combustion of fuel in the cylinder 2 and from this one pair of values for the cylinder volume Vi v and the associated cylinder pressure is determined p iv.
  • step S2 the measured values of the crankshaft sensor 7 and the cylinder pressure sensor 6 are detected for another time prior to the combustion of fuel in the cylinder 2 and from this a further pair of values for the cylinder ⁇ volume V 2v and the associated cylinder pressure p 2v determined.
  • step S3 the isentropic exponent ⁇ v and the constant k v of equation 1 for the process before the combustion of fuel in the cylinder 2 are determined by means of the value pairs determined in steps S 1 and S 2.
  • the isentropic exponent ⁇ v is determined by the following equation:
  • the cylinder pressure p v can be determined by means of equation 1. Following is determined in the step S4 for a selected operating point of the cylinder pressure p v prior to combustion of fuel in the cylinder 2 by means of Equation. 1 In step S5, the measured value p w of the cylinder pressure sensor is determined for the above-mentioned operating point
  • step S6 the measured values of Kurbelwel ⁇ lensensors 7 and the cylinder pressure sensor 6 are detected for the process after the combustion of fuel in the cylinder 2 and from this a pair of values for the cylinder volume V 1n and the associated cylinder pressure p in determined.
  • step S7 for another time after the combustion of fuel in the cylinder 2, the measured values of the crankshaft sensor
  • step S8 the isotropic exponent ⁇ n and the constant k n of equation 2 for the process before the combustion of fuel in the cylinder 2 are determined by means of the value pairs determined in steps S6 and S7.
  • the isentropic exponent ⁇ n is determined by the following equation:
  • the cylinder pressure p n can be determined by means of equation 2. Subsequently, in step S9 for the above-mentioned operating point, the cylinder pressure p n determined after the combustion of fuel in the cylinder 2 by means of equation 2. In step S10, the ratio between the fuel mass burned in the cylinder 2 of the internal combustion engine and the fuel mass MBR used in the cylinder 2 is determined by means of equation 4. In Equation 4, c denotes a constant.

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Abstract

Anhand der Signale eines Zylinderdrucksensors und eines Kurbelwellensensors werden der Isentropenexponent (?) und die Konstante (k) der Gleichung p.V

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse mit Hilfe eines Zylinderdrucksensors.
Eine wichtige Größe zur Beschreibung und Beherrschung des innerhalb von Zylindern von Brennkraftmaschinen stattfindenden Verbrennungsprozesses stellt die Brennfunktion dar. Die Brennfunktion wird aus dem Verhältnis von verbrannter zu eingesetzter Kraftstoffmasse (MBR (Mass Burn Rate) ) in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel gebildet. Aus der Brennfunktion kann mit der Schwerpunktlage der Verbrennung eine weitere für den Verbrennungsprozess charakteristische Größe entnommen werden. Die Schwerpunktlage der Verbrennung kennzeichnet den Arbeits¬ punkt der Brennfunktion, bei dem 50 % der eingesetzten Kraftstoffmasse verbrannt sind. Der Wirkungsgrad, das akustische und emissionstechnische Verhalten einer Brennkraftmaschine werden im Wesentlichen durch die Brennfunktion bestimmt. Voraussetzung für die Ermittlung der Brennfunktion ist die Kenntnis des Zylinderdrucks in Abhängigkeit des Kurbelwin¬ kels. Mit Kenntnis dieser Abhängigkeit und mit Hilfe der Druckverlaufsanalyse und der Arbeitsprozessrechnung kann die MBR und somit die Brennfunktion unter Anwendung von thermody- namischen Modellen von Verbrennungsprozessen berechnet werden.
Weitere Einzelheiten bezüglich thermodynamischer Modelle von Verbrennungsprozessen finden sich beispielsweise im „Handbuch Verbrennungsmotor", von Richard van Basshuysen/Fred Schäfer, 1. Auflage, April 2002, Kapitel 5.2 und 5.3 und in „Kraft- fahrtechnisches Taschenbuch" von Bosch, 22. Auflage, September 1995, Seiten 358 bis 363.
Bei der Bestimmung der MBR und der Brennfunktion anhand ther- modynamischer Modelle tritt das Problem auf, dass die erfor¬ derlichen Rechenoperationen sehr komplex sind und hohe Abtastraten für Signale eines Zylinderdrucksensors und eines Kurbelwellensensors benötigt werden. Hierdurch kann die Be¬ stimmung der MBR und der Brennfunktion in Motorsteuergeräten nur unter hohem Kostenaufwand realisiert werden. Weiterhin kann die Bestimmung trotzt der hohen Kosten oftmals nicht in Echtzeit erfolgen.
DE 102 37 328 Al offenbart ein Verfahren zum Regeln des Verbrennungsprozesses einer Brennkraftmaschine, die zumindest in bestimmten Betriebszuständen mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI-Modus (Homogeneous Charge Compression Ignition- Modus)) betrieben werden kann. Hierbei wird der Verbrennungs- prozess im HCCI-Modus anhand von Kreisprozessen modelliert, wobei die Beschreibung des Verbrennungsprozesses mit Hilfe interner Zustandsgrößen, wie z. B. Verbrennungsverlauf, Druckverlauf, Temperaturverlauf oder dem Schwerpunkt der Verbrennung, erfolgt. Die Ausgangsgrößen, wie z. B. das Signal eines Klopfsensors, die Abgastemperatur oder das Luft- kraftstoffverhältnis, des modellierten und des realen Verbrennungsprozesses werden einem Regler zugeführt, der den Verbrennungsprozess beeinflussende Stellgrößen, wie z. B. die Kraftstoffeinspritzung oder Abgasrückführung, regelt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zy¬ linder eingesetzten Kraftstoffmasse mit geringem Rechenauf¬ wand gestatten. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse mit Hilfe eines Zylinderdrucksensors. Hierzu werden für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder ein Isentropenexponent χv und eine Konstante kv aus mehreren Wertepaaren von Zylindervolumen V und zugehörigem Zylinderdruck p bestimmt. Das Zylindervolumen wird dabei aus dem Signal eines einer Kurbelwelle zugehörigen Kurbelwel¬ lensensors und der Zylinderdruck durch das Signal des Zylinderdrucksensors ermittelt.
Nach erfolgter Bestimmung der beiden Größen χv und kv wird für den Arbeitpunkt, bei dem das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse ermittelt werden soll, der Zylinderdruck für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder anhand der Größen χv und kv bestimmt .
Folgend wird für den oben genannten Arbeitspunkt während der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder der Messwert des Zylinderdrucksensors erfasst. Anschließend werden, analog zu dem Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder, für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder ein Isentropenexponent χn und eine Konstante kn aus mehreren Wertepaaren von Zylindervolumen und zugehörigem Zylinderdruck bestimmt.
Nach erfolgter Bestimmung der beiden Größen χn und kn wird für den Arbeitpunkt, bei dem das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zy- linder eingesetzten Kraftstoffmasse ermittelt werden soll, der Zylinderdruck für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder anhand der Größen χn und kn bestimmt .
Folgend wird das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse für den oben genannten Arbeitspunkt mit Hilfe der oben bestimmten Zylinderdrücke vor, während und nach der Verbrennung von Kraftstoff ermittelt.
Das Verfahren gestattet die Ermittlung des Verhältnisses zwi¬ schen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse für beliebige Arbeitspunkte, obwohl das Verfahren nur wenige Wertepaare für die Zylindervolumen und zugehörigen Zylinderdrücke (minimal vier) anhand messtechnisch erfasster Signale des Zylinderdrucksensors und Kurbelwellensensors benötigt. Das erfin¬ dungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass keine auf¬ wendigen thermodynamisehen Modelle benutzt werden und so der Rechenaufwand gering ausfällt. Hierdurch kann das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse in einem Motorsteuergerät in Echtzeit ermittelt werden ohne den Kosten¬ aufwand, aufgrund gesteigerter Anforderungen an eine in Motorsteuergeräte eingesetzte Hardware zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Ottomotoren, für Dieselmotoren als auch für gasbetriebene Motoren anwendbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem für mehrere Arbeitspunkte ermittelten Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse die Brennfunktion gebildet. Die Brennfunktion kann zur Regelung des Verbrennungsprozesses von Brennkraftmaschinen verwendet werden. Wir- kungsgrad, akustisches und emissionstechnisches Verhalten ei¬ ner Brennkraftmaschine können so optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird aus der Brennfunktion die Schwerpunktlage der Verbrennung ermittelt. Die Schwerpunktlage der Verbrennung stellt eine charakteris¬ tische Größe zur Beschreibung des Verbrennungsprozesses von Brennkraftmaschinen dar und kann zur Regelung des Verbrennungsprozesses verwendet werden. Wirkungsgrad, akustisches und emissionstechnisches Verhalten einer Brennkraftmaschine können so optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Isentropenexponent χv und die Konstante kv für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder anhand folgender Gleichung ermittelt:
p-Vx* =kv (Gleichung 1),
wobei der Zylinderdruck mit p und das Zylindervolumen mit V bezeichnet sind. Für den Prozess nach der Verbrennung (Index n) von Kraftstoff in dem Zylinder werden der Isentropenexponent χn und die Konstante kn anhand folgender Gleichung er¬ mittelt:
p-Vz" =kn (Gleichung 2) .
Gleichung 1 und Gleichung 2 ermöglichen die Bestimmung des jeweiligen Isentropenexponenten und der jeweiligen Konstanten mit geringem Rechenaufwand.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden der I- sentropenexponent für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder oder der Isentropenexponent für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder mittels folgender Gleichung bestimmt: (Gleichung 3)
Figure imgf000008_0001
In Gleichung 3 bezeichnen pi und p∑ Messwerte des Zylinder¬ drucksensors und Vi und V2 die dazugehörigen Zylinderdruckvo¬ lumina, die anhand der Signale des Kurbelwellensensors ermit¬ telt werden. Gleichung 3 ermöglicht eine Bestimmung des jeweiligen Isentropenexponenten χ mit geringem Rechenaufwand.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraft- stoffmasse (MBR) anhand folgender Gleichung ermittelt:
MBR = C--—^-100% (Gleichung 41
Figure imgf000008_0002
In der Gleichung 4 bezeichnet MBR das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse, c eine Konstante, pw den Messwert des Zylinderdrucksensors während der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder, pv den mittels Gleichung 1 bestimmten Zylinderdruck vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder und pn den mittels Gleichung 2 bestimmten Zylinderdruck nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder. Für die Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse nach Gleichung 4 ist der erforderliche Rechenaufwand niedrig. Somit wird nur ein relativ geringer Speicherbedarf und geringe Rechenleistung für die Ermittlung benötigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Vorliegen von mehr als zwei Wertepaaren für das Zylindervolumen und dem zugehörigen Zylinderdruck ein Mittelwert des Isentropenexponenten bestimmt. Dieser Mittelwert wird in der entsprechenden Gleichung 1 oder 2 zur Bestimmung des Zylinderdrucks vor oder nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder verwendet. Durch die Verwendung eines Mittelwertes wird der Einfluss einzelner Messfehler bei der Erfassung der Messwerte des Kurbelwinkelsensors oder des Zy¬ linderdrucksensors auf die Bestimmung der Zylinderdrücke mit¬ tels Gleichung 1 oder 2 verringert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Vorliegen von mehr als zwei Wertepaaren für das Zylindervolumen und dem zugehörigen Zylinderdruck ein Mittelwert der in Gleichung 1 oder 2 angegebenen Konstanten bestimmt. Dieser Mittelwert wird in der entsprechenden Glei¬ chung 1 oder 2 zur Bestimmung des Zylinderdrucks vor oder nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder verwendet. Durch die Verwendung eines Mittelwertes wird der Ein¬ fluss einzelner Messfehler bei der Erfassung der Messwerte des Kurbelwinkelsensors oder des Zylinderdrucksensors auf die Bestimmung der Zylinderdrücke mittels Gleichung 1 oder 2 verringert .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden den Verbrennungsprozess beeinflussende Stellgrößen der Brennkraftmaschine, wie z. B. Menge des einzuspritzenden Kraftstoffes oder Zündungs Zeitpunkt, in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse verändert. Hierdurch kann der Verbrennungsprozess hin¬ sichtlich Kraftstoffverbrauch, akustisches Verhalten und Schadstoffemissionen optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird ein Vergleich zwischen dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse und dem aus einem in einem Steuergerät abgelegten Kennfeld ermittelten Verhältnis zwischen der in dem Zylinder ver- brannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse durchgeführt. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird einem Regler zugeführt der den Verbrennungsprozess be¬ einflussende Stellgrößen der Brennkraftmaschine, wie z. B. Menge des einzuspritzenden Kraftstoffes oder Zündungszeit¬ punkt, bestimmt. Hierdurch kann der Verbrennungsprozess hin¬ sichtlich Kraftstoffverbrauch, akustisches Verhalten und Schadstoffemissionen optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Brennkraftmaschine, die zumindest in bestimmten Betriebszuständen mit kontrollierter Selbstzündung (HCCI-Modus) betrieben werden können, angewendet. Die Regelung des Verbrennungsprozesses dieser Brennkraftmaschinen kann hierdurch optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse oder die Brennfunktion oder die Schwerpunktlage der Verbrennung für mehrere Zylinder einer Brennkraftmaschine ermittelt. Somit wird eine optimale Regelung der in den je¬ weiligen Zylindern stattfindenden Verbrennungsprozesse ermöglicht. Toleranzen zwischen den Zylindern, verursacht durch Fertigung oder Alterung, können dadurch ausgeglichen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in einem Steuergerät die Abtastrate für die Erfassung der Signale des Zylinderdrucksensors oder für die Erfassung der Signale des Kurbelwellensensors verändert, in Abhängig¬ keit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Ergebnisses für das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder eingesetzten Kraftstoffmasse. Hierdurch können Verbrennungsprozes¬ se in dem Zylinder bei entsprechenden Ergebnissen in erhöhter zeitlicher Auflösung erfasst und die Regelung des Verbrennungsprozesses somit optimiert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung weist einen Motorblock 1 auf, der einen Zylinder 2 umfasst. Innerhalb des Zylinders 2 befindet sich ein Kolben 3, der über eine Pleuelstange 4 mit einer Kurbelwelle 5 ver¬ bunden ist. Durch einen in dem Zylinder 2 stattfindenden Verbrennungsprozess führt der Kolben 3 in dem Zylinder 2 eine translatorische Bewegung in vertikaler Richtung aus. Das Zylindervolumen und der Zylinderdruck sind von der Stellung des Kolbens 3 in dem Zylinder 2 abhängig. Zu Gunsten einer übersichtlichen Darstellung, sind andere für das ordnungsgemäße Funktionieren einer Brennkraftmaschine erforderliche Kompo¬ nenten, wie z. B. Ein- und Auslassventile, Zündkerzen, ein Ansaugtrakt oder ein Abgastrakt, nicht eingezeichnet. Inner¬ halb des Zylinders 2 befindet sich ein Zylinderdrucksensor 6 zur Erfassung des Zylinderdrucks. Weiterhin befindet sich innerhalb des Motorblocks 1 ein Kurbelwellensensor 7 zur Erfas¬ sung des Kurbelwinkels. Die Signale beider Sensoren werden von einem Steuergerät 8 erfasst. In dem Steuergerät 8 wird mittels der Signale beider Sensoren und anderer in dem Steuergerät 8 vorliegenden Informationen, wie z. B. Drehzahl der Brennkraftmaschine, das Verhältnis zwischen der in einem Zy¬ linder 2 der Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder 2 eingesetzten Kraftstoffmasse erfindungsgemäß ermittelt. Durch rechts von dem Steuergerät 8 be¬ findliche Pfeile wird verdeutlicht, dass das Steuergerät 8 Signale weiterer Sensoren verarbeiten kann oder ein Datenaustausch mit weiteren Steuergeräten möglich ist. Des Weiteren können den Verbrennungsprozess beeinflussende Stellgrößen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwi¬ schen der in dem Zylinder 2 verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder 2 eingesetzten Kraftstoffmasse verändert werden und entsprechende Stellsignale von dem Steuergerät 8 zu entsprechenden Stellgliedern übermittelt werden. Als Steuergerät 8 kann z. B. ein Motorsteuergerät Anwendung finden.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem Schritt Sl werden die Messwerte des Kurbelwellensensors 7 und des Zylinderdrucksen¬ sors 6 für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 erfasst und hieraus ein Wertepaar für das Zylindervolumen Viv und den zugehörigen Zylinderdruck piv bestimmt. In Schritt S2 werden für einen anderen Zeitpunkt vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 die Messwerte des Kurbelwellensensors 7 und des Zylinderdrucksensors 6 erfasst und hieraus ein weiteres Wertepaar für das Zylinder¬ volumen V2v und den zugehörigen Zylinderdruck p2v bestimmt. In Schritt S3 werden der Isentropenexponent χv und die Konstante kv der Gleichung 1 für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 mittels der in Schritt Sl und S2 bestimmten Wertepaare ermittelt. Der Isentropenexponent χv wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
In Plv χ = —^- (Gleichung 5)
In-^
V2v
Die Konstante kv wird anhand der vorliegenden Größen ermit¬ telt:
pu .yiv z" =kx (Gleichung 6) .
Nach der Bestimmung von dem Isentropenexponent χv und der Konstante kv kann für jeden Arbeitspunkt vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 der Zylinderdruck pv mittels Gleichung 1 bestimmt werden. Folgend wird in dem Schritt S4 für einen ausgewählten Arbeitspunkt der Zylinderdruck pv vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 mittels Gleichung 1 bestimmt. In dem Schritt S5 wird für den oben ge¬ nannten Arbeitspunkt der Messwert pw des Zylinderdrucksensors
6 erfasst.
Folgend werden in dem Schritt S6 die Messwerte des Kurbelwel¬ lensensors 7 und des Zylinderdrucksensors 6 für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 erfasst und hieraus ein Wertepaar für das Zylindervolumen V1n und den zugehörigen Zylinderdruck pin bestimmt. In Schritt S7 werden für einen anderen Zeitpunkt nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 die Messwerte des Kurbelwellensensors
7 und des Zylinderdrucksensors 6 erfasst und hieraus ein wei¬ teres Wertepaar für das Zylindervolumen V2n und den zugehörigen Zylinderdruck p2n bestimmt. In Schritt S8 werden der I- sentropenexponent χn und die Konstante kn der Gleichung 2 für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 mittels der in Schritt S6 und S7 bestimmten Wertepaare ermittelt. Der Isentropenexponent χn wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
Figure imgf000013_0001
χ = —— (Gleichung 1]
V2n
Die Konstante kn wird anhand folgender Gleichung ermittelt:
=K (Gleichung 8).
Nach der Bestimmung von dem Isentropenexponent χn und der Konstante kn kann für jeden Arbeitspunkt nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 der Zylinderdruck pn mittels Gleichung 2 bestimmt werden. Folgend wird in dem Schritt S9 für den oben genannten Arbeitspunkt der Zylinderdruck pn nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder 2 mittels Gleichung 2 bestimmt. In dem Schritt SlO wird das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder 2 der Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder 2 eingesetzten Kraftstoffmasse MBR mittels Gleichung 4 ermittelt. In Gleichung 4 bezeichnet c eine Konstante.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in einem Zylinder (2) einer Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) , bei dem das Zylindervolumen (V) von einem einer Kurbelwelle (5) zugehörigen Kurbelwellensensor (7) abgeleitet wird und der Zylinderdruck (p) von einem dem Zylinder (2) zugehörigen Zylinderdrucksensor (6) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) ein Isentropenexponent (χv) und eine Konstante (kv) aus mehreren Wertepaaren von Zylindervolumen (V) und zugehörigem Zylinderdruck (p) bestimmt werden,
- für einen Arbeitspunkt, bei dem das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse
(MBR) ermittelt werden soll, der Zylinderdruck (pv) für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff anhand der Größen χv und kv bestimmt wird,
- während der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder
(2) für den oben genannten Arbeitspunkt ein Messwert (pw) des Zylinderdrucksensors (6) erfasst wird,
- für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) ein Isentropenexponent (χn) und eine Konstante (kn) aus mehreren Wertepaaren von Zylindervolumen (V) und zugehörigem Zylinderdruck (p) bestimmt werden,
- für den oben genannten Arbeitspunkt der Zylinderdruck (Pn) für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff anhand der Größen χn und kn bestimmt wird,
- das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) für den oben genannten Arbeitspunkt mit Hilfe der oben bestimmten Zylinder- drücke vor (pv) , während (pw) und nach (pn) der Verbrennung von Kraftstoff ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) für mehrere Arbeitpunkte ermittelt wird und aus den Ergebnissen die Brennfunktion bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwerpunktlage der Verbrennung mittels der Brennfunktion bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isentropenexponent (χv) und die Kon¬ stante (kv) für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) anhand folgender Gleichung ermittelt werden:
p-Vz' =kv
und der Isentropenexponent χn und die Konstante kn für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) anhand folgender Gleichung ermittelt werden:
p-V*- =kn.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isentropenexponenten (χ) für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) und/oder für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) mittels folgender Gleichung ermittelt werden:
Figure imgf000017_0001
X = -
In V1
Vn
wobei χ den jeweiligen Isentropenexponenten, pi und p∑ Messwerte des Zylinderdrucksensors (6) und Vx und V2 die dazuge¬ hörigen Zylinderdruckvolumina bezeichnen.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der in dem Zy¬ linder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) mittels folgender Gleichung ermittelt wird:
MBR = c- ,
Figure imgf000017_0002
wobei c eine Konstante bezeichnet.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Vorliegen von mehr als zwei Wer¬ tepaaren für das Zylindervolumen (V) und dem zugehörigen Zylinderdruck (p) ein Mittelwert der jeweiligen Isentropenexponenten (χv, χn) bestimmt wird und dieser Mittelwert zur Be¬ stimmung des Zylinderdrucks vor (pv) oder nach (pn) der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Vorliegen von mehr als zwei Wer¬ tepaaren für das Zylindervolumen (V) und dem zugehörigen Zylinderdruck (p) ein Mittelwert der jeweiligen Konstanten (kv, kn) bestimmt wird und dieser Mittelwert zur Bestimmung des Zylinderdrucks vor (pv) oder nach (pn) der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Verbrennungsprozess beeinflussende Stellgrößen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) verändert werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich zwischen dem Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse
(MBR) und dem aus einem in einem Steuergerät (8) abgelegten Kennfeld ermittelten Verhältnis zwischen der in dem Zylinder
(2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse durchgeführt wird und den Verbrennungsprozess beeinflussende Stellgrößen der Brenn¬ kraftmaschine in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs verändert werden.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anwendung bei Brennkraftmaschinen, die zumindest in bestimmten Betriebszuständen mit kontrollierter Selbstzündung betrieben werden können, erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der in dem Zy¬ linder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) oder die Brennfunktion oder die Schwerpunktlage der Verbrennung für mehrere Zylinder (2) der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Steuergerät (8) die Abtastrate für die Erfassung der Signale des Zylinderdrucksensors (6) oder für die Erfassung der Signale des Kurbelwellensensors (7) in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) verändert wird.
14. Vorrichtung zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen der in einem Zylinder (2) einer Brennkraftmaschine verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) , bei der das Zylindervolumen (V) von einem einer Kurbelwelle (5) zugehörigen Kurbelwellensensor (7) abgeleitet wird und der Zylinderdruck (p) von einem dem Zylinder (2) zugehörigen Zylinderdrucksensor (6) gemessen wird, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen
- für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) ein Isentropenexponent (χv) und eine Konstante (kv) aus mehreren Wertepaaren von Zylindervolumen (V) und zugehörigem Zylinderdruck (p) bestimmt werden,
- für einen Arbeitspunkt, bei dem das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse
(MBR) ermittelt werden soll, der Zylinderdruck (pv) für den Prozess vor der Verbrennung von Kraftstoff anhand der Größen χv und kv bestimmt wird,
- während der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder
(2) für den oben genannten Arbeitspunkt ein Messwert (pw) des Zylinderdrucksensors (6) erfasst wird,
- für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff in dem Zylinder (2) ein Isentropenexponent (χn) und eine Konstante (kn) aus mehreren Wertepaaren von Zylindervolumen (V) und zugehörigem Zylinderdruck (p) bestimmt werden,
- für den oben genannten Arbeitspunkt der Zylinderdruck (Pn) für den Prozess nach der Verbrennung von Kraftstoff anhand der Größen χn und kn bestimmt wird,
- das Verhältnis zwischen der in dem Zylinder (2) verbrannten Kraftstoffmasse und der in dem Zylinder (2) eingesetzten Kraftstoffmasse (MBR) für den oben genannten Arbeitspunkt mit Hilfe der oben bestimmten Zylinder- drücke vor (pv) , während (pw) und nach (pn) der Verbrennung von Kraftstoff ermittelt wird.
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