WO2019219382A1 - Verfahren zur berechnung einer frischluftmasse in einem zylinder und steuerung - Google Patents

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WO2019219382A1
WO2019219382A1 PCT/EP2019/061092 EP2019061092W WO2019219382A1 WO 2019219382 A1 WO2019219382 A1 WO 2019219382A1 EP 2019061092 W EP2019061092 W EP 2019061092W WO 2019219382 A1 WO2019219382 A1 WO 2019219382A1
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fresh air
cylinder
temperature
heating
wall
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PCT/EP2019/061092
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Andre SHURKEWITSCH
Jan Vogelsang
Nikolaus ZIMBALIST
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for calculating a fresh air mass in a cylinder of an internal combustion engine and to a controller that is configured to carry out such a method.
  • Object of the present invention is to provide a method for calculating a fresh air mass in a cylinder of an internal combustion engine and a corresponding control for an internal combustion engine, which at least partially overcome the above-mentioned disadvantages.
  • the present invention provides a method for calculating a fresh air mass in a cylinder of an internal combustion engine, wherein the A method comprising: determining a heating of the fresh air at a wall of the cylinder; and calculating the fresh air mass of the fresh air in the cylinder based on the determined heating of the fresh air mass.
  • the present invention provides a controller for a
  • the at least one cylinder Internal combustion engine ready, the at least one cylinder, a suction pipe, a
  • Suction tube temperature sensor an inlet valve on the cylinder and an inlet channel upstream of the inlet valve, wherein the controller is configured to carry out the method according to the first aspect.
  • an increase in the fresh air temperature is calculated from a temperature sensor in the intake manifold to the intake valve, wherein the
  • the internal combustion engine has a controlled cooling water mass flow (KFKM) and thus an additional degree of freedom and it has been recognized that this degree of freedom has not been sufficiently considered in known in the art solutions or Greetser executedsmodellen.
  • KFKM controlled cooling water mass flow
  • Cylinder wall can not take into account, so when very hot or very cold
  • the heating of the fresh air through the cylinder wall is taken into account in some embodiments.
  • some embodiments relate to a method of calculating a fresh air mass in a cylinder of an internal combustion engine, the method Determining a heating of the fresh air on a wall of the cylinder comprises and the
  • the internal combustion engine may be a gasoline engine or diesel engine or the like and, for example, be provided for a motor vehicle (such as a car, motorcycle, but in principle also other land, water and / or aircraft).
  • the number of cylinders is arbitrary and can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, etc. depending on embodiments.
  • the fresh air mass is in some embodiments directly the mass of fresh air in the cylinder, for example, directly after a suction without the invention should be limited in this regard, whereas in other embodiments, the fresh air mass is represented by one or more sizes, such as. Density,
  • the method now determines the heating of the fresh air in the cylinder on a wall of the cylinder.
  • the portion of the cylinder wall is taken into account, which has contact with the fresh air, for example, by a suction into the cylinder for a
  • This section can be, for example, the section of the cylinder wall in the combustion chamber of the cylinder, the cylinder bottom (or piston surface), etc.
  • the method then calculates the fresh air mass of the fresh air in the cylinder based on the determined heating of the fresh air mass.
  • embodiments of the invention make it possible to take into account the heating of the fresh air on the cylinder wall during the intake phase and thus increase the accuracy of the calculated fresh air mass.
  • a higher mixture accuracy between air and fuel can be achieved at deviating from the standard state intake temperatures, coolant temperatures and coolant mass flows through the cylinder crankcase or through the cylinder head.
  • Temperature correction goes beyond temperature corrections, where only the heating up to the inlet valve is modeled.
  • the additional integration of the cylinder wall temperature as a heat contact surface has the advantage that in particular the filling errors are reduced under other ambient temperatures.
  • a coolant mass flow can at some embodiments in the heat transfer by means of thermal convection be involved.
  • the already existing temperature correction of the fresh air (mass) in the intake to behind the intake valve to the
  • the temperature increase of the fresh air on the way into the cylinder may be determined based on the following equation:
  • the parameter "i” represents a component that releases heat to the fresh air on its way into the cylinder, so that "i-1" marks the next, upstream component from which the fresh air comes.
  • T w represents the temperature of the wall surface "w" of the component "i" for which the heat given off to the fresh air is to be determined.
  • T air, represents the temperature (or temperature hearing) of the fresh air at the next upstream component "i-1".
  • the parameter "a wj" represents an effective heat transfer coefficient for a
  • the effective heat transfer coefficient is determined empirically, for example on a test bench, and / or model-based. In some embodiments, determining the heating of the fresh air includes determining a heating of the fresh air at an intake passage to the cylinder in front of an intake valve of the cylinder. In some embodiments, there is, for example, a
  • Temperature sensor in a suction pipe which is located in front of the cylinder and through which fresh air is drawn in, so that the temperature of the fresh air in the intake manifold at the location of the temperature sensor can be determined using this temperature sensor.
  • no further temperature sensor is provided after this temperature sensor, so that the inclusion of the heating of the fresh air at the inlet channel to the cylinder, the heating of the fresh air on the way from the suction pipe at the location of the temperature sensor can be calculated to the cylinder in more detail.
  • Determining the heating of the fresh air at the intake passage may be based on the following relationship:
  • _ U ft_v_Ev represents the temperature increase of the fresh air at the intake port upstream of the intake valve of the cylinder
  • T E K represents the temperature of the intake port
  • T Luf t_sgr represents the temperature of the fresh air in a suction pipe to the intake port of the cylinder
  • ot wi an effective heat transfer coefficient of the intake port represents.
  • Equation (3) thus allows the determination of the temperature increase of the fresh air at
  • T Lu ft_sgr the fresh air in a suction pipe to the inlet channel of the cylinder
  • T E K of the inlet channel can be determined, for example, model-based and / or determined on the basis of a cooling water temperature.
  • the effective heat transfer coefficient a wi includes a map representing the heat transfer of the intake passage in response to a speed and / or an intake manifold pressure.
  • the effective heat transfer coefficient a w1 can be determined by measurement on a test bench, so that the heat transfer for the internal combustion engine can be determined particularly accurately.
  • the temperature of the fresh air is determined in the intake manifold by means of a temperature sensor in the intake manifold, so that the starting point of the
  • Calculations for the heating of the fresh air in the intake pipe is a measured value and, for example, no model-based value for the fresh air temperature, whereby the accuracy can be improved.
  • determining the heating of the fresh air includes determining a heating of the fresh air at an intake valve of the cylinder.
  • the intake valve is the next component in the intake path, which is significantly involved in the heating of the intake fresh air on the way into the cylinder after the above-mentioned intake passage, so that the accuracy of the determination of the heating can be further increased.
  • Determining the heating of the fresh air at the intake valve of the cylinder may be based on the context:
  • T air_h_EV (T EV "T air_v_Ev) ' C w 2 " ⁇ T
  • _ Uft-hE v represents the temperature increase of the fresh air at the intake valve of the cylinder
  • T E v represents the temperature of the intake valve
  • T air vE v represents the temperature of the fresh air in the intake passage in front of the intake valve of the cylinder
  • ot w 2 an effective heat transfer coefficient represents the intake valve
  • Equation (4) thus allows the determination of the temperature increase T air-h-EV of the fresh air at the intake valve of the cylinder, wherein the temperature T air-v-EV can be determined based on the equation (3) above, so that in some embodiments can be particularly accurate.
  • the temperature T EV of the intake valve can be determined, for example, model-based and / or based on a cooling water temperature or oil temperature of the
  • Internal combustion engine can be determined.
  • the effective heat transfer coefficient ot w 2 includes a map representing the heat transfer of the intake valve in response to a speed and / or an intake manifold pressure.
  • the effective heat transfer coefficient can be determined by measuring on a test bench, so that the heat transfer for the internal combustion engine particularly can be determined exactly or it can also be determined model-based and stored accordingly as a map.
  • determining the heating of the fresh air at the wall of the cylinder is based on the context:
  • T air _ Zyi represents the increase in temperature of the fresh air on the wall of the cylinder
  • T z y i_wall is the temperature of the wall of the cylinder
  • T air-hE v is the temperature of the fresh air after the intake valve of the cylinder
  • a W 3 represents an effective heat transfer coefficient of the wall of the cylinder (determined empirically on the test bench and / or model-based is and for example. Is stored as a map).
  • Equation (5) thus allows the determination of the temperature increase T Lu ft_z yi of the fresh air at the wall of the cylinder, wherein the temperature T air hE v can be determined based on the equation (4) above, so that they are particularly accurate in some embodiments may be present.
  • the temperature T Zy i_wand of the wall of the cylinder can be determined, for example, model-based. In some embodiments, the determination of the temperature T z y i_wand of the wall of the cylinder based on a simulation calculation, wherein a
  • thermodynamic model of the internal combustion engine is used, so that the temperature can be specified in dependence on the example of a fresh air filling and a speed of the internal combustion engine and, for example, can be stored as a map. Accordingly, in some embodiments, the temperature T Zy i_wand the wall of the cylinder as a map that indicates this temperature, for example. Depending on the fresh air filling and / or the speed of the internal combustion engine. For a very accurate determination of the temperature of the wall of the cylinder and thus the heating of the fresh air is possible.
  • the method includes determining a reference heating of the fresh air to a wall of the cylinder based on at least one reference parameter, wherein the reference parameter may include, for example, reference temperatures of intake, intake port, intake valve and / or cylinder wall temperature.
  • Reference temperatures can be chosen arbitrarily and the expert will appreciate that he can choose the temperatures depending on the embodiment.
  • the reference heating of the fresh air on the wall of the cylinder takes place in some embodiments basically based on the same calculation rules as for the above discussed heating of the fresh air at the wall of the cylinder, in particular equations (1) to (5), only with the difference that said reference temperature (s) is used.
  • the following relationships are used to calculate the reference heating of the fresh air to the wall of the cylinder:
  • Determining the reference heating of the fresh air at the intake passage may be based on the following relationship:
  • T air_v_EV_ref (TEK_rerTLuft_Sgr_ref) ' OCw1 + T
  • T i_ U ft_v_ EV _ref the reference temperature increase of the fresh air at the inlet channel represents in front of the inlet valve of the cylinder
  • T EK-ref is the reference temperature of the inlet channel represents (and, for example, the reference cooling water temperature corresponds)
  • T Luf the reference temperature t_sgr_ref represents the fresh air in a suction pipe to the inlet channel of the cylinder
  • a wi represents an effective heat transfer coefficient of the inlet channel, as already discussed above (equation (3)).
  • Determining the reference heating of the fresh air at the intake valve of the cylinder may be based on the relationship:
  • T air hE v_ ref is the reference temperature increase in the fresh air at the inlet valve of the cylinder represents T E v_ re f the reference temperature of the intake valve represents (and z. B. the reference coolant temperature corresponds), T Luf t_ vE v_ref the Reference temperature of the fresh air in the intake port before the intake valve of the cylinder represents (and calculated, for example, according to equation (6)) and a w2 represents an effective heat transfer coefficient of the intake valve, as already discussed above (equation (4)).
  • determining the reference heating of the fresh air at the wall of the cylinder is based on the relationship:
  • T air _ ZYI _ ref the reference Temperaturhöhung the fresh air on the wall of the cylinder represents T Z yi_ wall ref is the reference temperature of the wall of the cylinder
  • T Luf t_ hE v_ref the - reference temperature of the fresh air to the intake valve of the cylinder is calculated (for example, according to equation (7))
  • a W 3 represents an effective heat transfer coefficient of the wall of the cylinder, as already discussed above (equation (5)).
  • the fresh air mass of the fresh air is calculated in the cylinder based on the determined heating of the fresh air mass and the determined reference heating, whereby the fresh air mass can be calculated very precisely.
  • the above calculations are based in some embodiments on the assumption that the internal combustion engine is in a steady state and, accordingly, stable temperature conditions prevail (ie, for example, that the internal combustion engine is at an operating point (stable)).
  • the amount of fresh air or fresh air mass is determined in the cylinder on a test bench and stored as a map, where, for example, the map
  • This fresh air quantity or fresh air mass determined on the test stand is then determined from the determined temperature (heating) of the fresh air at the cylinder wall (according to equation (5)) and the reference temperature (warming) of the fresh air at the cylinder wall (according to equation (8)). corrected.
  • a correction factor is determined:
  • Air mass cor air mass characteristic FAC T-k0r, (10) where air mass characteristic is the above-mentioned fresh air quantity or fresh air mass determined on the test bench and stored in the map and the correction factor FAC T kor is calculated according to equation (9).
  • FAC T kor air mass characteristic
  • Some embodiments relate to a controller for an internal combustion engine having at least one cylinder, a draft tube, a port temperature sensor, an intake valve on the cylinder, and an intake port upstream of the intake valve, the controller configured to perform the method described herein.
  • the control can be designed, for example, as an engine control unit and accordingly typical elements of a
  • Engine controller such as one or more processors, a volatile and a non-volatile memory, an interface to a motor coach bus system, etc.
  • Some embodiments relate to a motor vehicle having such a controller and an internal combustion engine.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of an internal combustion engine of a
  • Fig. 2 schematically illustrates an embodiment of a control of the internal combustion engine of Fig. 1;
  • Fig. 3 shows schematically an embodiment of a method for calculating a
  • Fresh air mass illustrated according to the present invention is
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of an internal combustion engine 1 is illustrated schematically in FIG. 1, wherein the internal combustion engine 1 is a gasoline engine and has four cylinders, wherein in FIG. 1 a sectional view of a cylinder 2 of the internal combustion engine 1 is illustrated.
  • the cylinder 2 has an intake valve 3, an exhaust valve 4 and a combustion chamber 5, which can be compressed by a cylinder piston 6, as is basically known and a cylinder wall 2a.
  • the cylinder wall 2a is the inner wall of the combustion chamber 5, and in the sectional view in FIG. 1, left and right sides of the cylinder wall 2a are shown.
  • the fresh air 7 is sucked in through a suction pipe 9 and passes through an inlet channel 10, which is arranged between the inlet valve 3 and the suction pipe 9, through the inlet valve 3 opened in FIG. 1 into the combustion chamber 5.
  • the exhaust gas passes through the opened outlet valve 4 into an outlet channel 11, as is generally known.
  • Cooling water 12 flows through corresponding cooling water channels, in Fig. 1, a
  • Cooling water passage 13a is shown near the intake passage 10 and the intake valve 3, a cooling water passage 13b near the exhaust valve 4 and the exhaust passage 11, and a respective cooling water passage 13c and 13d near the left and right cylinder walls 2a, respectively.
  • a temperature sensor 14 for detecting the temperature of the fresh air 7 in the intake manifold 9 is located in the intake manifold 9 shortly before the intake passage 10.
  • the fresh air 7 takes on its way into the cylinder 2 heat at different locations and thereby heated, resulting in a temperature increase and a density change of the fresh air 7.
  • Inlet valve 3 heat to the fresh air 7 from (see arrow 15b) and finally the cylinder wall 2a heat to the fresh air 7 from (see arrows 15c and 15d).
  • FIG. 2 now shows a controller 20 which can execute a method 30 which will be explained in more detail below in connection with FIG.
  • the controller 20 is designed as an engine control unit for controlling the internal combustion engine 1 and has a processor 21, a random access memory 22, a read-only memory (or other non-volatile memory) 23 and an interface 24 to a bus system of the motor vehicle (eg, CAN bus or the like) via which it is connected to the internal combustion engine 1 and the temperature sensor 14 so that it receives data from both the internal combustion engine 1 or relevant data (eg., Speed, oil temperature, cooling water temperature, camshaft position, etc.) and from the temperature sensor 14 can receive.
  • a bus system of the motor vehicle eg, CAN bus or the like
  • data such as maps, characteristics and the like are stored, as well as a program containing commands, so that the controller 20 is capable of executing the method 30.
  • FIG. 3 illustrates a flowchart of method 30 for calculating a
  • the method 30 is typically carried out at an operating point of the internal combustion engine 1 and for each cylinder of the internal combustion engine 1 in time with the internal combustion engine, so that the corresponding fresh air mass is available for the respective injection in the cylinder.
  • the controller 20 determines the effective heat transfer coefficient for the intake passage on the basis of the map a w1 , which is stored in the read-only memory 23 and determines the effective heat transfer coefficient for the current operating point of the internal combustion engine 1 using the map.
  • the controller 20 determines the current temperature T EK of the intake passage 10 based on the temperature of the cooling water 12 and determines the temperature T air _s gr of the fresh air 7 in the intake manifold 9 based on corresponding temperature data, the controller 20 receives from the temperature sensor 14, so that the current Temperature of the fresh air 7 in the intake manifold 9 can be determined.
  • the controller receives at 31 the actual temperature T Luf t_ v _EV the fresh air 7 by means of equation (3) after it has been heated in the intake passage 9 and before it undergoes further heating by the inlet valve.
  • the controller 20 determines heating of the fresh air at the intake valve 3 of the cylinder 2 based on the equation (4).
  • the controller (20) takes the current temperature T Luf t_ v _Ev before the intake valve 3, as determined in step 31, determines the current temperature T E v of the intake valve on the basis of
  • the controller obtains the current temperature T air-h-EV of the fresh air 7 by equation (4) after being heated by the intake valve 3 and with which it flows into the combustion chamber 5.
  • the method 30 determines the heating of the fresh air 7 through the cylinder wall 2a based on equation (5).
  • the controller 20 takes the current temperature T Luf t_ h _Ev of the fresh air 7 after it has been heated by the inlet valve 3 and as determined in step 32.
  • the controller 20 determines the actual effective heat transfer coefficient for the cylinder wall 2a (that is, the
  • Read-only memory 23 is stored.
  • the controller 20 obtains the current temperature T air-Zyi of the fresh air 7 after being heated by the cylinder wall 2a.
  • the controller 20 determines a current reference heating of the fresh air stored in the read-only memory 23 reference temperatures of intake, intake duct,
  • Inlet valve and cylinder wall temperature according to equation (6), wherein the calculation takes place at the current operating point of the internal combustion engine 1.
  • the controller 20 determines a reference temperature for the temperature T EK-re f of the inlet channel either based on a stored temperature value or based on a reference temperature of the cooling water. The same applies to the temperature of the fresh air 7 in the intake manifold 9 T Lu ft_sgr_ref, for which a stored reference temperature is taken.
  • Heat transfer coefficient is determined analogously to step 31.
  • the controller 20 receives at 34 a reference temperature T Lu ft_ v _Ev_ref the fresh air 7 after it has been heated by the intake passage 10 at reference conditions.
  • the controller 20 determines a current reference heating of the fresh air to the intake valve 3 of the cylinder 2 according to equation (7).
  • a reference temperature T E v_ ref of the inlet valve is determined, which is stored, for example, in the read-only memory 23 or corresponds to the reference cooling water temperature, and it is determined in step 34
  • Heat transfer coefficients for the heat transfer at the inlet valve is analogous to step 32.
  • the controller 20 obtains a reference temperature T Luf t_ hE v_ref of the fresh air 7 after being heated by the intake valve 3 at reference conditions.
  • the controller 20 determines a current reference heating of the fresh air to the cylinder wall 2a of the cylinder according to equation (8).
  • a reference temperature T z y i_wand_ref of the cylinder wall is determined, which can either be stored or model-based (or based on the cooling water temperature and can take into account a mass flow of the cooling water), and it is determined in step 35 reference temperature T Lu ft_h_Ev_ref the fresh air 7 after being heated by the inlet valve 2.
  • the associated effective heat transfer coefficient for the transfer of heat from the cylinder wall 2a to the fresh air 7 is determined analogously to step 33.
  • the controller 20 obtains at 36 the temperature T Lu ft_zyi_ref of the fresh air 7 after being heated by the cylinder wall 2a.
  • the controller 20 now determines the correction factor FAC T k0 r for the fresh air mass of the fresh air 7 in the combustion chamber 5 according to equation (9) by taking the ratio of the actual reference temperature (equation (8)) of the fresh air 7 at the current operating point of the internal combustion engine 1 and the corresponding actual temperature (equation (5)) are calculated according to T Lu ft_zyi_ref / T
  • controller 20 now determines at the current operating point
  • the controller 20 receives in step 38, the corrected fresh air mass air mass k0r, in which (also) the heating of the fresh air sucked 7 is taken into account by the cylinder wall 2a.

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Abstract

Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder und Steuerung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder (2) einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend: Ermitteln (33) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einer Wand (2a) des Zylinders (2); und Berechnen (38) der Frischluftmasse der Frischluft (7) in dem Zylinder (2)basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder und Steuerung“
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
Beim Ottomotor ist es allgemein bekannt, die Luftmenge im Brennraum eines Zylinders möglichst genau zu bestimmen, damit die richtige Kraftstoffmenge für die Einspritzung berechnet werden kann. Die im Brennraum verbleibende Luftmenge ist von vielen
thermodynamischen Größen abhängig und es ist bekannt, dass unter anderen
Umgebungstemperaturen Füllungsfehler bei der berechneten Luftmenge auftreten können.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 58 261 A1 ist ein Motormanagementsystem bekannt, bei dem zur Bestimmung verschiedener Zustandsgrößen ein physikalisch basiertes Modell angewendet wird. Die Zustandsgrößen sind auf einen Verbindungsabschnitt bezogen, der zwischen einer Mischstelle, an der rückgeführtes Abgas mit angesaugter Frischluft gemischt wird, und Einlassventilen eines Verbrennungsmotors liegt. Das physikalische Modell bildet das Verhalten dieses Verbindungsabschnitts nach, sodass mithilfe dieses Modells verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors gesteuert werden können, wie bspw. die
Frischluftmasse in dem Verbindungsabschnitt und die Gastemperatur. Nachteilig daran ist, dass nur der Einfluss des Verbindungsabschnitts auf die Frischluftmasse berücksichtigt wird, andere Einflüsse auf die Frischluftmasse aber außer Acht bleiben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine und eine entsprechende Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die
Steuerung nach Anspruch 15 gelöst.
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine bereit, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einer Wand des Zylinders; und Berechnen der Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Steuerung für eine
Verbrennungskraftmaschine bereit, die wenigstens einen Zylinder, ein Saugrohr, einen
Saugrohrtemperatursensor, ein Einlassventil am Zylinder und einen Einlasskanal vor dem Einlassventil hat, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird eine Erhöhung der Frischlufttemperatur ausgehend von einem Temperatursensor im Saugrohr bis zum Einlassventil berechnet, wobei der
Wärmeaustausch über die Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Frischluft errechnet wird. Außerdem hat bei manchen Ausführungsbeispielen die Verbrennungskraftmaschine einen geregelten Kühlwassermassenstrom (KFKM) und damit einen zusätzlichen Freiheitsgrad und es wurde erkannt, dass dieser Freiheitsgrad bei im Stand der Technik bekannten Lösungen bzw. Füllungserfassungsmodellen nicht ausreichend berücksichtigt wurde.
Es wurde außerdem erkannt, dass bekannte Korrekturen Wärmeübergänge mit der
Zylinderwand nicht berücksichtigen können, sodass bei sehr heißen oder sehr kalten
Ansaugtemperaturen Dichteänderungen der Frischluft im Brennraum aufgrund des nicht berücksichtigten Effekts zu stark korrigiert werden. Dies kann zu größeren Fehlern bei der Frischluftberechnung führen. Zusätzlich wurde erkannt, dass bei Motoren mit
kennfeldgeregelten Kühlwasserströmen die reine Kühlwassertemperatur nicht immer vollends aussagekräftig ist, da der Wärmeübergang an der Zylinderwand durch Wärmekonvektion in Abhängigkeit vom Wassermassenstrom nicht berücksichtigt werden kann. Aufgrund
verschärfter Emissionsgrenzwerte neuer Abgastestzyklen sowie der gestiegenen
Anforderungen unter allen Umgebungsbedingungen geringste Emissionswerte zu erzielen, wird bei manchen Ausführungsbeispielen die Erwärmung der Frischluft durch die Zylinderwand berücksichtigt.
Dementsprechend betreffen manche Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Verfahren das Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einer Wand des Zylinders umfasst und das
Berechnen der Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
Die Verbrennungskraftmaschine kann ein Ottomotor oder Dieselmotor oder dergleichen sein und bspw. für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein (wie ein Auto, Motorrad, grundsätzlich aber auch andere Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeuge). Die Anzahl der Zylinder ist beliebig und kann je nach Ausführungsbeispielen 1 , 2, 3, 4, 5, 6, etc. betragen.
Die Frischluftmasse ist bei manchen Ausführungsbeispielen direkt die Masse der im Zylinder befindlichen Frischluft, bspw. direkt nach einem Ansaugvorgang, ohne dass die Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt sein soll, wohingegen bei anderen Ausführungsbeispielen die Frischluftmasse durch eine oder mehrere Größen repräsentiert wird, wie bspw. Dichte,
Temperatur, Volumen, etc.
Das Verfahren ermittelt nun die Erwärmung der Frischluft im Zylinder an einer Wand des Zylinders. Dabei wird typischerweise der Abschnitt der Zylinderwand berücksichtigt, der Kontakt mit der Frischluft hat, die bspw. durch einen Ansaugvorgang in den Zylinder für eine
nachfolgende Verbrennung gelangt, da das Ziel bei manchen Ausführungsbeispielen ist, die richtige einzuspritzende Kraftstoffmenge basierend auf der im Zylinder vorhandenen
Frischluftmasse zu ermitteln. Dieser Abschnitt kann bspw. der Abschnitt der Zylinderwand im Verbrennungsraum des Zylinders sein, der Zylinderboden (bzw. Kolbenfläche), etc.
Das Verfahren berechnet dann die Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
Damit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, dass die Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand während der Ansaugphase berücksichtigt wird und damit die Genauigkeit der berechneten Frischluftmasse steigt. Dadurch kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine höhere Gemischgenauigkeit zwischen Luft und Kraftstoff bei vom Normzustand abweichenden Ansaugtemperaturen, Kühlmitteltemperaturen und Kühlmittelmassenströmen durch das Zylinderkurbelgehäuse bzw. durch den Zylinderkopf erreicht werden. Diese
Temperaturkorrektur geht über Temperaturkorrekturen hinaus, bei denen nur die Erwärmung bis zum Einlassventil modelliert wird. Die zusätzliche Einbindung der Zylinderwandtemperatur als Wärmekontaktfläche hat den Vorteil, dass insbesondere die Füllungsfehler unter anderen Umgebungstemperaturen reduziert werden. Auch ein Kühlmittelmassenstrom kann bei manchen Ausführungsbeispielen bei der Wärmeübertragung mittels Wärmekonvektion mit eingebunden werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird folglich die bereits bestehende Temperaturkorrektur der Frischluft(masse) in der Ansaugstrecke bis hinter das Einlassventil um den
Wandwärmeaustausch zwischen Zylinderwand und der Frischluft erweitert.
Allgemein kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Temperaturerhöhung der Frischluft auf dem Weg in den Zylinder auf Grundlage der folgenden Gleichung ermittelt werden:
T|_uft_kor,i = OCw,i ' (Tw - T|_uft, i-l ) + T|_uft, i-1 (1 )
Der Parameter“i” repräsentiert dabei ein Bauteil, das Wärme an die Frischluft auf ihrem Weg in den Zylinder abgibt, sodass“i-1” das nächste, stromaufwärtsliegende Bauteil kennzeichnet, von dem die Frischluft kommt.
Der Parameter„Tw“ repräsentiert die Temperatur der Wandfläche„w“ des Bauteils„i“, für das gerade die abgegebene Wärme auf die Frischluft bestimmt werden soll.
Der Parameter„TLuft, “ stellt die Temperatur (oder Temperaturerhörung) der Frischluft an dem nächsten, stromaufwärtsliegenden Bauteil„i-1“ dar.
Der Parameter„awj” stellt einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für einen
Wandabschnitt bzw. eine Kontaktfläche A, des Bauteils i dar, der in Kontakt mit der Frischluft kommt:
tw, i (Qw ' oii Aj), (2) wobei„Qw“ die abgegebene Wärme an der Wand„w“ darstellt,„a“ den
Wärmeübertragungskoeffizienten des Bauteils„i“ und„A,“ die Kontaktfläche des Bauteils„i“:
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der effektive Wärmeübertragungskoeffizient empirisch, bspw. auf einem Prüfstand, und/oder modellbasiert ermittelt. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft das Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einem Einlasskanal zum Zylinder vor einem Einlassventil des Zylinders. Bei manchen Ausführungsbeispielen gibt es bspw. einen
Temperatursensor in einem Saugrohr, das sich vor dem Zylinder befindet und durch welches Frischluft angesaugt wird, sodass die Temperatur der Frischluft im Saugrohr an der Stelle des Temperatursensors mit Hilfe dieses Temperatursensors ermittelt werden kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist nach diesem Temperatursensor kein weiterer Temperatursensor vorgesehen, sodass durch die Einbeziehung der Erwärmung der Frischluft am Einlasskanal zum Zylinder die Erwärmung der Frischluft auf dem Weg von dem Saugrohr an der Stelle des Temperatursensors bis in den Zylinder genauer berechnet werden kann.
Das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an dem Einlasskanal kann auf dem folgenden Zusammenhang beruhen:
T|_uft_v_EV — (TEK-T|_uft_Sgr)'CCW"l +T|_uft_Sgr! (3)
wobei T|_Uft_v_Ev die Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders repräsentiert, TEK die Temperatur des Einlasskanals repräsentiert, TLuft_sgr die Temperatur der Frischluft in einem Saugrohr zum Einlasskanal des Zylinders repräsentiert und otwi einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlasskanals repräsentiert.
Gleichung (3) lässt folglich die Bestimmung der Temperaturerhöhung der Frischluft am
Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders zu, wobei die Temperatur TLuft_sgr der Frischluft in einem Saugrohr zum Einlasskanal des Zylinders bspw. durch einen Temperatursensor in dem Saugrohr ermittelt wird, sodass diese Temperatur als Messwert vorliegt. Die Temperatur TEK des Einlasskanals kann bspw. modellbasiert ermittelt werden und/oder auf Grundlage einer Kühlwassertemperatur ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der effektive Wärmeübertragungskoeffizient awi ein Kennfeld, das die Wärmeübertragung des Einlasskanals in Abhängigkeit einer Drehzahl und/oder eines Saugrohrdrucks repräsentiert. Dadurch ist eine genaue Bestimmung der Erwärmung der Frischluft bzw. der Wärmeübertragung des Einlasskanals auf die Frischluft möglich.
Der effektive Wärmeübertragungskoeffizient aw1 kann durch Messung auf einem Prüfstand ermittelt werden, sodass die Wärmeübertragung für die Verbrennungskraftmaschine besonders genau bestimmt werden kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Temperatur der Frischluft in dem Saugrohr mit Hilfe eines Temperatursensors in dem Saugrohr ermittelt, sodass als Startpunkt der
Berechnungen für die Erwärmung der Frischluft in der Ansaugstrecke ein Messwert und bspw. kein modellbasierter Wert für die Frischlufttemperatur vorliegt, wodurch die Genauigkeit verbessert werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft das Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einem Einlassventil des Zylinders. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Einlassventil das nächste Bauteil in der Ansaugstrecke, welches maßgeblich an der Erwärmung der angesaugten Frischluft auf dem Weg in den Zylinder nach dem oben genannten Einlasskanal beteiligt ist, sodass die Genauigkeit der Ermittlung der Erwärmung weiter erhöht werden kann.
Das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil des Zylinders kann auf dem Zusammenhang beruhen:
T Luft_h_EV = (T EV“T Luft_v_Ev)'C w2"^T |_uft_v_EV, (4)
wobei T|_Uft-h-Ev die Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlassventil des Zylinders repräsentiert, TEv die Temperatur des Einlassventils repräsentiert, TLuft-v-Ev die Temperatur der Frischluft im Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders repräsentiert und otw2 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlassventils repräsentiert.
Gleichung (4) lässt folglich die Bestimmung der Temperaturerhöhung TLuft-h-EV der Frischluft am Einlassventil des Zylinders zu, wobei die Temperatur TLuft-v-EV auf Grundlage der Gleichung (3) oben ermittelt werden kann, sodass sie bei manchen Ausführungsbeispielen besonders genau vorliegen kann. Die Temperatur TEV des Einlassventils kann bspw. modellbasiert ermittelt werden und/oder auf Grundlage einer Kühlwassertemperatur oder Öltemperatur der
Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der effektive Wärmeübertragungskoeffizient otw2 ein Kennfeld, das die Wärmeübertragung des Einlassventils in Abhängigkeit einer Drehzahl und/oder eines Saugrohrdrucks repräsentiert. Dadurch ist eine genaue Bestimmung der Erwärmung der Frischluft bzw. der Wärmeübertragung des Einlassventils auf die Frischluft möglich.
Der effektive Wärmeübertragungskoeffizient kann durch Messung auf einem Prüfstand ermittelt werden, sodass die Wärmeübertragung für die Verbrennungskraftmaschine besonders genau bestimmt werden kann oder er kann auch modellbasiert ermittelt werden und entsprechend als Kennfeld abgelegt sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen beruht das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders auf dem Zusammenhang:
T|_uft_Zyl = (Tzyl_Wanc]-T|_uft_h_Ev)'*A/v3"*"T|_uft_h_EV! (5)
wobei T Luft _ Zyi die Temperaturhöhung der Frischluft an der Wand des Zylinders repräsentiert,
T zyi_wand die Temperatur der Wand des Zylinders ist, TLuft-h-Ev die Temperatur der Frischluft nach dem Einlassventil des Zylinders ist und aW3 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Wand des Zylinders repräsentiert (der empirisch auf dem Prüfstand und/oder modellbasiert ermittelt wird und bspw. als Kennfeld abgelegt ist).
Gleichung (5) lässt folglich die Bestimmung der Temperaturerhöhung TLuft_zyi der Frischluft an der Wand des Zylinders zu, wobei die Temperatur TLuft-h-Ev auf Grundlage der Gleichung (4) oben ermittelt werden kann, sodass sie bei manchen Ausführungsbeispielen besonders genau vorliegen kann. Die Temperatur TZyi_wand der Wand des Zylinders kann bspw. modellbasiert ermittelt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen basiert die Ermittlung der Temperatur T zyi_wand der Wand des Zylinders auf einer Simulationsberechnung, wobei ein
thermodynamisches Modell der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, sodass die Temperatur in Abhängigkeit zum Beispiel einer Frischluftfüllung und einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine angegeben werden kann und bspw. als Kennfeld abgelegt werden kann. Entsprechend liegt bei manchen Ausführungsbeispielen die Temperatur TZyi_wand der Wand des Zylinders als Kennfeld vor, das diese Temperatur bspw. in Abhängigkeit der Frischluftfüllung und/oder der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine angibt. Damit ist eine sehr genaue Ermittlung der Temperatur der Wand des Zylinders und damit der Erwärmung der Frischluft möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren das Ermitteln einer Referenz- Erwärmung der Frischluft an einer Wand des Zylinders, basierend auf wenigstens einem Referenzparameter, wobei der Referenzparameter bspw. Referenztemperaturen von Ansaug-, Einlasskanal-, Einlassventil- und/oder Zylinderwandtemperatur umfassen kann. Die
Referenztemperaturen können dabei beliebig gewählt werden und der Fachmann wird begrüßen, dass er die Temperaturen je nach Ausführungsbeispiel entsprechend wählen kann.
Die Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders erfolgt bei manchen Ausführungsbeispielen grundsätzlich auf Grundlage der gleichen Berechnungsvorschriften wie für die oben diskutierte Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders, insbesondere die Gleichungen (1 ) bis (5), nur mit dem Unterschied, dass die genannte(n) Referenz- Temperaturen) verwendet wird (werden).
Entsprechend werden bei manchen Ausführungsbeispielen folgende Zusammenhänge für die Berechnung der Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders verwendet:
Das Ermitteln der Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlasskanal kann auf dem folgenden Zusammenhang beruhen:
T Luft_v_EV_ref = (TEK_rerTLuft_Sgr_ref)'OCw1 +T|_uft_Sgr_ref, (6)
wobei T i_Uft_v_EV_ref die Referenz-Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders repräsentiert, TEK-ref die Referenz-Temperatur des Einlasskanals repräsentiert (und bspw. der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht), TLuft_sgr_ref die Referenz-Temperatur der Frischluft in einem Saugrohr zum Einlasskanal des Zylinders repräsentiert und awi einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlasskanals repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (3)).
Das Ermitteln der Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil des Zylinders kann auf dem Zusammenhang beruhen:
T|_uft_h_EV_ref = (TEV_rerTLuft_v_EV_ref)'Olw2+TLuft_v_EV_ref, (7)
wobei T LUft-h-Ev_ref die Referenz-Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlassventil des Zylinders repräsentiert, TEv_ref die Referenz-Temperatur des Einlassventils repräsentiert (und z. B. der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht), TLuft_v-Ev_ref die Referenz-Temperatur der Frischluft im Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders repräsentiert (und z. B. nach Gleichung (6) berechnet) und aw2 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlassventils repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (4)).
Bei manchen Ausführungsbeispielen beruht das Ermitteln der Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders auf dem Zusammenhang:
T|_uft_Zyl_ref — (Tzyl_Wand_ref-T|_uft_h_EV_ref)'C£w3"*"T|_uft_h_EV_ref, iß)
wobei T Luft _ Zyi _ ref die Referenz-Temperaturhöhung der Frischluft an der Wand des Zylinders repräsentiert, TZyi_Wand ref die Referenz-Temperatur der Wand des Zylinders ist, TLuft_h-Ev_ref die - Referenz-Temperatur der Frischluft nach dem Einlassventil des Zylinders ist (bspw. nach Gleichung (7) berechnet) und aW3 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Wand des Zylinders repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (5)). Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse und der ermittelten Referenz- Erwärmung berechnet, wodurch die Frischluftmasse besonders exakt berechnet werden kann.
Die oben genannten Berechnungen basieren bei manchen Ausführungsbeispielen auf der Annahme, dass die Verbrennungskraftmaschine in einem stationären Zustand ist und dementsprechend stabile Temperaturverhältnisse vorherrschen (das heißt bspw., dass sich die Verbrennungskraftmaschine (stabil) an einem Betriebspunkt befindet).
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse im Zylinder auf einem Prüfstand ermittelt und als Kennfeld hinterlegt, wobei bspw. das Kennfeld
mehrdimensional ist und von einem oder mehreren der folgenden Parameter abhängt:
Drehzahl, Saugrohrdruck, Nockenwellenstellung am Einlass und Auslass, etc.
Diese am Prüfstand ermittelte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse wird dann anhand der ermittelten Temperatur(-erwärmung) der Frischluft an der Zylinderwand (nach Gleichung (5)) und der Referenz-Temperatur(erwärmung) der Frischluft an der Zylinderwand (nach Gleichung (8)) korrigiert.
Entsprechend wird bei manchen Ausführungsbeispielen ein Korrekturfaktor ermittelt:
F ACi kor = T Luft_Zyl_ref / T Luft_Zyl, (9) wobei die Referenz-Temperatur(erhöhung) T|_Uft_zyi_ref der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (8) berechnet wird und die Temperatur(erhöhung) TLuft_zyi der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (5) berechnet wird.
Dann ergibt sich eine korrigierte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse„Luftmassekor“ in dem Zylinder wie folgt:
Luftmassekor = LuftmasseKennfeid FACT-k0r, (10) wobei LuftmasseKennfeid die oben erwähnte am Prüfstand ermittelte und im Kennfeld abgelegte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse ist und der Korrekturfaktor FACT kor nach Gleichung (9) berechnet wird. Damit ist bei manchen Ausführungsbeispielen eine sehr einfache, aber exakte Korrektur der Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse, die im Kennfeld abgelegt ist, möglich, ohne dass komplexe und aufwändige Berechnungen notwendig sind, um die Frischluftmenge bzw.
Frischluftmasse zu ermitteln.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine, die wenigstens einen Zylinder, ein Saugrohr, einen Saugrohrtemperatursensor, ein Einlassventil am Zylinder und einen Einlasskanal vor dem Einlassventil hat, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das hierin beschriebene Verfahren auszuführen. Die Steuerung kann bspw. als Motorsteuergerät ausgestaltet sein und dementsprechend typische Elemente eines
Motorsteuergeräts aufweisen, wie einen oder mehrere Prozessoren, einen flüchtigen und einen nichtflüchten Speicher, eine Schnittstelle zu einem Kraftfahrzug-Bussystem, etc.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Steuerung und einer Verbrennungskraftmaschine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Steuerung der Verbrennungskraftmaschine von Fig. 1 veranschaulicht; und
Fig. 3 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Berechnung einer
Frischluftmasse gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine 1 ist in Fig. 1 schematisch veranschaulicht, wobei die Verbrennungskraftmaschine 1 ein Ottomotor ist und vier Zylinder hat, wobei in Fig. 1 eine Schnittansicht eines Zylinders 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 veranschaulicht ist.
Der Zylinder 2 hat eine Einlassventil 3, ein Auslassventil 4 und einen Verbrennungsraum 5, der durch einen Zylinderkolben 6 komprimiert werden kann, wie es grundsätzlich bekannt ist und eine Zylinderwand 2a. Die Zylinderwand 2a ist die Innenwand des Verbrennungsraums 5 und in der Schnittansicht in Fig. 1 ist eine linke und eine rechte Seite der Zylinderwand 2a gezeigt.
Im Verbrennungsraum 5, wie in Fig. 1 veranschaulicht, befindet sich während der Ansaugphase typischerweise angesaugte Frischluft 7 und Restgas 8, das von einem vorherigen Takt im Verbrennungsraum 5 verblieben ist.
Die Frischluft 7 wird durch ein Saugrohr 9 angesaugt und gelangt über einen Einlasskanal 10, der zwischen dem Einlassventil 3 und dem Saugrohr 9 angeordnet ist, durch das in Fig. 1 geöffnete Einlassventil 3 in den Verbrennungsraum 5.
Nach der Verbrennung gelangt bspw. das Abgas durch das geöffnete Auslassventil 4 in einen Auslasskanal 11 , wie es allgemein bekannt ist.
Kühlwasser 12 fließt durch entsprechende Kühlwasserkanäle, wobei in Fig. 1 , ein
Kühlwasserkanal 13a nahe des Einlasskanals 10 und des Einlassventils 3 gezeigt ist, ein Kühlwasserkanal 13b nahe des Auslassventils 4 und des Auslasskanals 11 und jeweils ein Kühlwasserkanal 13c bzw. 13d nahe der linken bzw. rechten Seite Zylinderwand 2a.
Ferner befindet sich im Saugrohr 9 kurz vor dem Einlasskanal 10 ein Temperatursensor 14 zum Erfassen der Temperatur der Frischluft 7 im Saugrohr 9.
Die Frischluft 7 nimmt auf ihrem Weg in den Zylinder 2 Wärme an verschiedenen Stellen auf und erwärmt sich dadurch, was zu einer Temperaturerhöhung und einer Dichteänderung der Frischluft 7 führt.
Zunächst erfolgt eine Wärmeaufnahme der Frischluft 7 auf dem in den Zylinder 2 an der Stelle des Pfeils 15a im Bereich des Einlasskanals 10 vor dem Einlassventil 3. Dann gibt das
Einlassventil 3 Wärme an die Frischluft 7 ab (siehe Pfeil 15b) und schlussendlich gibt die Zylinderwand 2a Wärme an die Frischluft 7 ab (siehe Pfeile 15c und 15d).
Fig. 2 zeigt nun eine Steuerung 20, die ein Verfahren 30 ausführen kann, welches weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert wird.
Die Steuerung 20 ist als Motorsteuergerät zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgestaltet und hat einen Prozessor 21 , einen Arbeitsspeicher 22, einen Festwertspeicher (oder anderen nicht flüchtigen Speicher) 23 und eine Schnittstelle 24 zu einem Bussystem des Kraftfahrzeugs (z. B. CAN-Bus oder dergleichen), über die sie mit der Verbrennungs- kraftmaschine 1 und den Temperatursensor 14 verbunden ist, sodass sie Daten sowohl von der Verbrennungskraftmaschine 1 bzw. für sie relevante Daten (z. B. Drehzahl, Öltemperatur, Kühlwassertemperatur, Nockenwellenstellung, etc.) als auch von dem Temperatursensor 14 empfangen kann.
Im Festwertspeicher 23 sind bspw. Daten, wie Kennfelder, Kennlinien und dergleichen abgespeichert, sowie ein Programm welches Befehle enthält, sodass die Steuerung 20 in der Lage ist, das Verfahren 30 auszuführen.
Fig. 3 veranschaulicht ein Ablaufschema des Verfahrens 30 zur Berechnung einer
Frischluftmasse in dem Zylinder 2 der Verbrennungskraftmaschine 1. Das Verfahren 30 wird typischerweise bei einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgeführt und für jeden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 1 im Takt der Verbrennungskraftmaschine, sodass für die jeweilige Einspritzung im Zylinder die zugehörige Frischluftmasse zur Verfügung steht.
Dazu wird zunächst bei 31 unter Annahme eines stationären Betriebszustands der
Verbrennungskraftmaschine 1 die Erwärmung der Frischluft an dem Einlasskanal 10 mit Hilfe von Gleichung (3) oben bei dem entsprechenden aktuellen Betriebspunkt der
Verbrennungskraftmaschine ermittelt (bspw. anhand der Drehzahl, Kühlwassertemperatur, Öltemperatur, Nockenwellenstellung, etc.). Dazu ermittelt die Steuerung 20 den effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für den Einlasskanal anhand des Kennfelds aw1, das im Festwertspeicher 23 abgelegt ist bzw. ermittelt den effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für den aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 anhand des Kennfelds. Außerdem ermittelt die Steuerung 20 die aktuelle Temperatur TEK des Einlasskanals 10 anhand der Temperatur des Kühlwassers 12 und ermittelt die Temperatur TLuft_sgr der Frischluft 7 im Saugrohr 9 anhand entsprechender Temperaturdaten, welche die Steuerung 20 von dem Temperatursensor 14 erhält, sodass die aktuelle Temperatur der Frischluft 7 im Saugrohr 9 ermittelt werden kann.
Damit erhält die Steuerung bei 31 die aktuelle Temperatur TLuft_v_Ev der Frischluft 7 mittels Gleichung (3) nachdem sie in dem Einlasskanal 9 erwärmt wurde und bevor sie eine weitere Erwärmung durch das Einlassventil 3 erfährt. Im nächsten Schritt 32, ermittelt die Steuerung 20 eine Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil 3 des Zylinders 2 auf Grundlage der Gleichung (4). Dazu nimmt die Steuerung (20) die aktuelle Temperatur TLuft_v_Ev vor dem Einlassventil 3, wie sie in Schritt 31 ermittelt wurde, ermittelt die aktuelle Temperatur TEv des Einlassventils auf Grundlage der
Kühlwassertemperatur und ermittelt den effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für das Einlassventil 3 anhand des Kennfelds a^, das im Festwertspeicher 23 abgelegt ist, anhand des aktuellen Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine 1.
Damit erhält die Steuerung bei 32 die aktuelle Temperatur TLuft-h-EV der Frischluft 7 mittels Gleichung (4) nachdem sie durch das Einlassventil 3 erwärmt wurde und mit der sie in den Verbrennungsraum 5 einströmt.
Schließlich ermittelt das Verfahren 30 bei Schritt 33 die Erwärmung der Frischluft 7 durch die Zylinderwand 2a auf Grundlage der Gleichung (5). Dazu nimmt die Steuerung 20 die aktuelle Temperatur TLuft_h_Ev der Frischluft 7, nachdem sie durch das Einlassventil 3 erwärmt wurde und wie sie in Schritt 32 ermittelt wurde. Außerdem ermittelt die Steuerung 20 den aktuellen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für die Zylinderwand 2a (das heißt den
Wandabschnitt des Verbrennungsraums 5), mit dem die Frischluft 7 in Kontakt kommt, anhand des aktuellen Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine 1 und auf Grundlage des
Kennfelds aW3, welches im Festwertspeicher 23 abgelegt ist. Wie oben ausgeführt, ergibt sich die Temperatur Tzyi wand der Zylinderwand aufgrund eines Kennfelds, das ebenfalls im
Festwertspeicher 23 abgelegt ist.
Dadurch erhält die Steuerung 20 bei 33 die aktuelle Temperatur T Luft-Zyi der Frischluft 7, nachdem sie durch die Zylinderwand 2a erwärmt wurde.
Bei Schritt 34 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft bei im Festwertspeicher 23 abgelegten Referenztemperaturen von Ansaug-, Einlasskanal-,
Einlassventil- und Zylinderwandtemperatur nach Gleichung (6), wobei die Berechnung beim aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 erfolgt. Die Steuerung 20 ermittelt also eine Referenztemperatur für die Temperatur TEK-ref des Einlasskanals entweder auf Grundlage eines abgelegten Temperaturwerts oder auf Grundlage einer Referenztemperatur des Kühlwassers. Gleiches gilt für die Temperatur der Frischluft 7 im Saugrohr 9 TLuft_sgr_ref, für die eine abgelegte Referenztemperatur genommen wird. Der zugehörige effektive
Wärmeübertragungskoeffizient wird analog zu Schritt 31 ermittelt. Damit erhält die Steuerung 20 bei 34 eine Referenztemperatur TLuft_v_Ev_ref der Frischluft 7, nachdem sie durch den Einlasskanal 10 bei Referenzbedingungen erwärmt wurde.
Bei Schritt 35 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil 3 des Zylinders 2 gemäß Gleichung (7). Dazu wird eine Referenztemperatur T Ev_ref des Einlassventils ermittelt, die bspw. im Festwertspeicher 23 abgelegt ist oder der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht, und es wird die in Schritt 34 ermittelte
Referenztemperatur TLuft_v_Ev_ref genommen. Die Ermittlung des zugehörigen effektiven
Wärmeübertragungskoeffizienten für die Wärmeübertragung am Einlassventil geschieht analog zu Schritt 32.
Damit erhält die Steuerung 20 bei 35 eine Referenztemperatur TLuft_h-Ev_ref der Frischluft 7 nachdem die durch das Einlassventil 3 bei Referenzbedingungen erwärmt wurde.
Bei Schritt 36 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand 2a des Zylinders gemäß Gleichung (8). Dazu wird eine Referenztemperatur T zyi_wand_ref der Zylinderwand ermittelt, die entweder abgelegt oder modellbasiert sein kann (oder auch auf der Kühlwassertemperatur beruhen kann und einen Massenstrom des Kühlwassers berücksichtigen kann), und es wird die in Schritt 35 ermittelte Referenztemperatur TLuft_h_Ev_ref der Frischluft 7 genommen, nachdem sie durch das Einlassventil 2 erwärmt wurde. Der zugehörige effektive Wärmeübertragungskoeffizient für die Übertragung von Wärme von der Zylinderwand 2a auf die Frischluft 7 wird analog zu Schritt 33 ermittelt.
Damit erhält die Steuerung 20 bei 36 die Temperatur TLuft_zyi_ref der Frischluft 7, nachdem sie durch die Zylinderwand 2a erwärmt wurde.
Bei 37 ermittelt die Steuerung 20 nun den Korrekturfaktor FACT k0r für die Frischluftmasse der Frischluft 7 im Verbrennungsraum 5 nach Gleichung (9), indem sie das Verhältnis aus der aktuellen Referenz-Temperatur (Gleichung (8)) der Frischluft 7 beim aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 und der entsprechenden aktuellen Temperatur (Gleichung (5)) gemäß TLuft_zyi_ref / T|_Uft_zyi berechnet.
Bei 38 ermittelt die Steuerung 20 nun bei dem aktuellen Betriebspunkt der
Verbrennungskraftmaschine 1 die aktuelle Frischluftmasse Luftmassek0r gemäß Gleichung (10), indem sie aus einem im Festwertspeicher 23 abgelegten Kennfeld eine Frischluftmasse LuftmasseKennfeid ermittelt, die an einem Prüfstand ermittelt wurde, und diese Frischluftmasse mit dem Korrekturfaktor FACT-kor, der in Schritt 37 ermittelt wurde, multipliziert.
Damit erhält die Steuerung 20 bei Schritt 38 die korrigierte Frischluftmasse Luftmassek0r, bei der (auch) die Erwärmung der angesaugten Frischluft 7 durch die Zylinderwand 2a berücksichtigt ist.
Bezugszeichenliste Verbrennungskraftmaschine
Zylinder
a Zylinderwand
Einlassventil
Auslassventil
Verbrennungsraum
Zylinderkolben
Frischluft
Restgas
Saugrohr
0 Einlasskanal
1 Auslasskanal
2 Kühlwasser
3a-d Kühlwasserkanäle
4 Temperatursensor
5a-c Pfeile (Wärmeaufnahme)
0 Steuerung
1 Prozessor
2 Arbeitsspeicher
3 Festwertspeicher
4 Schnittstelle
0 Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder1 Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft im Einlasskanal zum Zylinder2 Ermitteln Erwärmung am Einlassventil
3 Ermitteln Erwärmung an Zylinderwand
4 Ermitteln Referenz-Erwärmung der Frischluft im Einlasskanal zum Zylinder5 Ermitteln Referenz-Erwärmung am Einlassventil
6 Ermitteln Referenz-Erwärmung an Zylinderwand
7 Ermitteln Korrekturfaktor
8 Ermitteln korrigierte Frischluftmasse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder (2) einer
Verbrennungskraftmaschine (1 ), umfassend:
Ermitteln (33) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einer Wand (2a) des Zylinders (2); und
Berechnen (38) der Frischluftmasse der Frischluft (7) in dem Zylinder (2) basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft (7) das Ermitteln (31 ) einer Erwärmung der Frischluft an einem Einlasskanal (10) zum Zylinder (2) vor einem Einlassventil (3) des Zylinders (2) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft (7) an dem Einlasskanal (10) auf dem folgenden Zusammenhang beruht:
T|_uft_v_EV = (TEK-TLuft_Sgr)'OCw1 +T|_uft_Sgr,
wobei T|_Uft_v_Ev die Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal (10) vorm
Einlassventil (3) des Zylinders (2) repräsentiert, TEK die Temperatur des Einlasskanals (10) repräsentiert, TLuft_sgr die Temperatur der Frischluft (7) in einem Saugrohr (9) zum Einlasskanal (10) des Zylinders (2) repräsentiert und awi einen effektiven
Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlasskanals (10) repräsentiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der effektive Wärmeübertragungskoeffizient awi ein Kennfeld umfasst, das die Wärmeübertragung des Einlasskanals (10) in Abhängigkeit einer Drehzahl und/oder eines Saugrohrdrucks repräsentiert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei awi durch Messung auf einem Prüfstand ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Temperatur der Frischluft (7) in dem Saugrohr (9) mit Hilfe eines Temperatursensors (14) in dem Saugrohr (9) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der
Erwärmung der Frischluft (7) das Ermitteln (32) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einem Einlassventil (3) des Zylinders (2) umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft (7) an dem Einlassventil (3) des Zylinders (2) auf dem Zusammenhang beruht:
T|_uft_h_EV = (TEV-TLuft_v_Ev)'0Cw2+T|_uft_v_EV,
wobei T|_Uft_h_Ev die Temperaturerhöhung der Frischluft (7) am Einlassventil (3) des Zylinders (2) repräsentiert, TEv die Temperatur des Einlassventils (3) repräsentiert, Ti_Uft_v_Ev die Temperatur der Frischluft (7) im Einlasskanal (10) vorm Einlassventil (3) des Zylinders (2) repräsentiert und otw2 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlassventils (3) repräsentiert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Temperatur TLuft_v_Ev der Frischluft (7) im
Einlasskanal (10) vorm Einlassventil (3) des Zylinders (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 6 ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (33) der
Erwärmung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders (2) auf dem Zusammenhang beruht:
T Luft _ Zyl = (Tzyl_Wan<rT|_uft_h_Ev)'OCw3+TLuft_h_EV,
wobei T Luft_zyi die Temperaturhöhung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders (2) repräsentiert, TZyi_wand die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders (2) ist, TLuft-h-Ev die Temperatur der Frischluft nach dem Einlassventil (3) des Zylinders (2) ist und aW3 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Wand (2a) des Zylinders (2) repräsentiert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Temperatur TZyi_wand der Wand (2a) des Zylinders (2) durch ein Kennfeld repräsentiert ist, das von der Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine (1 ) abhängt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei die die Temperatur TLuft_h_Ev der Frischluft (7) nach dem Einlassventil (3) des Zylinders (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 ermittelt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Ermitteln (36) einer Referenz-Erwärmung der Frischluft (7) der Wand (2a) des Zylinders (2), basierend auf wenigstens einem Referenzparameter.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Frischluftmasse der Frischluft (7) in dem Zylinder (2) basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse und der ermittelten Referenz-Erwärmung berechnet wird.
15. Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine (1 ), die wenigstens einen Zylinder (2), ein Saugrohr (9), einen Saugrohrtemperatursensor (14), ein Einlassventil (3) am Zylinder (2) und einen Einlasskanal (10) vor dem Einlassventil (3) hat, wobei die Steuerung (20) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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