WO2019219384A1 - Verfahren zur berechnung einer frischluftmasse in einem zylinder und steuerung - Google Patents

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WO2019219384A1
WO2019219384A1 PCT/EP2019/061108 EP2019061108W WO2019219384A1 WO 2019219384 A1 WO2019219384 A1 WO 2019219384A1 EP 2019061108 W EP2019061108 W EP 2019061108W WO 2019219384 A1 WO2019219384 A1 WO 2019219384A1
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fresh air
cylinder
temperature
heating
wall
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PCT/EP2019/061108
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Andre SHURKEWITSCH
Jan Vogelsang
Elmar Millich
Nikolaus ZIMBALIST
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/025—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining temperatures inside the cylinder, e.g. combustion temperatures
    • F02D35/026—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining temperatures inside the cylinder, e.g. combustion temperatures using an estimation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
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    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1413—Controller structures or design
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
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    • F02D2200/0402—Engine intake system parameters the parameter being determined by using a model of the engine intake or its components
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    • F02D2200/04—Engine intake system parameters
    • F02D2200/0414—Air temperature
    • F02D2200/0416—Estimation of air temperature

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 Method comprises: determining a heating of the fresh air on a wall of the cylinder, wherein the temperature of the wall (2a) of the cylinder changes dynamically; 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
  • Heat exchange via the temperature difference between the component and fresh air is calculated.
  • 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 Greungser programmesmodellen.
  • KFKM controlled cooling water mass flow
  • variations in the calculated fresh air charge may occur during dynamic changes or events, which deviations may always be significant when there is previously a longer phase in the uncontrolled engine operation
  • Cylinder wall can not take into account, so when very hot or very cold
  • Characteristic-controlled cooling water flows the pure cooling water temperature is not always fully meaningful, since the heat transfer to the cylinder wall by convection heat depending on the water mass flow can not be considered. Furthermore, it was recognized that known corrections of the injection quantity can not map the time course of the necessary mixture correction neither qualitatively nor quantitatively and not It can be discriminated whether the dynamic load change was from the fired or unfired engine operating point. Due to stricter emission limits of new exhaust gas test cycles and the increased requirements under all environmental conditions to achieve lowest emissions, in some embodiments, the heating of the fresh air through the cylinder wall is taken into account.
  • some embodiments relate to a method for calculating a fresh air mass in a cylinder of an internal combustion engine, the method comprising determining a heating of the fresh air at a wall of the cylinder, wherein the temperature of the wall of the cylinder changes dynamically, and calculating the
  • Fresh air mass of the fresh air in the cylinder based on the determined heating of the fresh air mass comprises.
  • 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, temperature, volume, etc.
  • the method now determines the heating of the fresh air in the cylinder on a wall of the cylinder even at a dynamically changing temperature of the wall of the cylinder.
  • the portion of the cylinder wall which has contact with the fresh air, which, for example, enters the cylinder for subsequent combustion by an intake process is considered, since the aim in some embodiments is to determine the correct amount of fuel to be injected based on the fresh air mass present in the cylinder to determine.
  • 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.
  • Inlet temperatures, coolant temperatures and coolant mass flows are achieved by the cylinder crankcase or by the cylinder head. This 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 also be integrated in the heat transfer by means of heat convection. The aim of the method is therefore in some embodiments, the heating of the fresh air to the cylinder wall during the intake phase
  • the current high-dynamic cylinder wall temperature is determined because z. B. just after cooling phases in the unfired thrust or in a
  • some embodiments have the advantage that the dynamic correction of the fresh air temperature based on the warm-up and cool-down operations of the cylinder wall improves the mixture accuracy in dynamics.
  • the exhaust emissions can occur more intensively in the dynamics, to the control systems such as the lambda control and the mixture adaptation partially only delayed response to compensate for the filling errors, so some
  • Embodiments by the dynamic correction of the fresh air temperature can reduce filling errors.
  • determining the heating of the fresh air includes determining the heating of the fresh air, assuming a constant temperature of the wall of the cylinder. A constant temperature of the cylinder wall corresponds with some
  • Embodiments also a stationary operating state of the combustion combustion engine.
  • the determination of the heating at an assumed constant temperature of the cylinder wall is simpler and can be used as a starting point for the calculation of the heating of the fresh air at a dynamic temperature change of the cylinder wall.
  • the stationary cylinder wall temperature can vary greatly at a change in operating point of the internal combustion engine, z. B. 180 K, without the present invention should be limited in this regard. Since the stationary state typically sets only after a few seconds, the not yet steady cylinder wall temperature affects the intake fresh air mass. For load changes from a "cold" to a "warm" operating point of the
  • Cylinder wall temperature can affect. This can lead to fill errors if the effect is not taken into account.
  • the determined heating of the fresh air is filtered by assuming a constant temperature of the wall of the cylinder through a filter to determine a dynamic correction of the heating of the fresh air to the wall of the cylinder. If the heating of the fresh air assuming a constant temperature of the cylinder wall, d. H. is determined at a stationary operating point of the internal combustion engine, this leads to a profile of the temperature of the fresh air, which is closer to a real course, as Fig. 1 illustrates.
  • FIG. 1 shows a profile 100 of a temperature of the fresh air as a function of the cylinder wall temperature and the time that results when a constant temperature of the cylinder wall is assumed for the calculation of the heating of the fresh air at the cylinder wall.
  • the course 100 is characterized by an instantaneous steep or vertical temperature jump from 320 K to 500 K, ie by a difference of 180 K (ie 180 ° C).
  • a trace 101 shows a simulation of how theoretically a natural history of the cylinder wall temperature could look, the trace 101 being based on a simulation of a dynamic change in the cylinder wall temperature.
  • a trace 102 now illustrates the heating of the fresh air at the cylinder wall as it passes through a filter is filtered accordingly, which changes the jump in the course 100 so that the warming of the fresh air is not sudden, but continuously and approaches a natural course.
  • the filter has at least one PT1 filter.
  • PT1 filters are basically known and are simple and inexpensive to provide.
  • the filter has two series-connected PT1 filter, which has a particularly good temperature profile of the fresh air in a dynamic
  • the filter is determined empirically, for example on a test bench, so that it can be adapted to a specific internal combustion engine or a concrete model of an internal combustion engine.
  • the filter depends on at least one parameter that is characteristic of the temperature of the wall of the cylinder, so that a well adapted dynamic heating of the fresh air can be achieved in this way for different temperatures and temperature profiles of the cylinder wall temperature.
  • the parameter represents one during the
  • Combustion introduced amount of heat, a speed of the internal combustion engine and / or a heat transfer of cooling water to the wall of the cylinder. Based on these parameters, the temperature change of the cylinder wall and thus the
  • Temperature change of fresh air can be determined well.
  • the filtered heating is multiplied by an effective and dynamic heat transfer coefficient.
  • a correction temperature can be obtained, which takes into account a dynamic temperature change of the cylinder wall.
  • the dynamic heat transfer coefficient takes into account the heat transfer from the cylinder wall to the fresh air with dynamic temperature change.
  • the effective and dynamic heat transfer coefficient takes into account the heat transfer from the cylinder wall to the fresh air with dynamic temperature change.
  • Heat transfer coefficient determined empirically, so it does not have to be calculated complicated in a controller, but, for example. Is present as a map.
  • the effective and dynamic heat transfer coefficient can be determined, for example, on a test bench for a specific type of internal combustion engine.
  • determining the heating of the fresh air at the wall of the cylinder, wherein the temperature of the wall of the cylinder changes dynamically the addition of the determined heating of the fresh air, assuming a constant temperature of the wall of the cylinder and the dynamic correction of the heating the fresh air on the wall of the cylinder.
  • the method further comprises determining a
  • Reference heating of the fresh air of the wall of the cylinder based on at least one reference parameter, as will be explained further below.
  • the reference heating can be easily determined empirically on a test bench and thus simplifies the overall determination of the heating of the fresh air.
  • the fresh air mass of the fresh air in the cylinder is calculated based on the determined heating of the fresh air mass and the determined reference heating, as also shown in more detail below.
  • 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:
  • 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 w, i” 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.
  • determining the heating of the fresh air includes determining a heating of the fresh air at an intake passage to the cylinder before
  • Inlet valve of the cylinder (assuming a steady state operation).
  • a temperature sensor in a suction pipe which is located in front of the cylinder and through which fresh air is sucked in, so that the temperature of the fresh air in the suction pipe at the location of the temperature sensor can be determined with the aid of this temperature sensor.
  • _ 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 wi 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 instrumental in heating the intake fresh air on its way into the cylinder the above-mentioned inlet channel is involved, 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 LUft-h-EV represents the temperature increase of the fresh air at the intake valve of the cylinder
  • T EV 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 of the intake valve represents.
  • equation (4) allows the determination of the temperature increase T air-hE v of the fresh air at the intake valve of the cylinder, the temperature T air -VE v can be determined based on the equation (3) above, so that they are particularly accurate in some embodiments may be present.
  • 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 comprises 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 ot w 2 can be determined by measurement on a test bench, so that the heat transfer for the internal combustion engine can be determined particularly accurately 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 for steady state operation is based on the context:
  • T LUft-Zyi-stationary represents the temperature increase of the fresh air on the wall of the cylinder
  • T Zyi_wan d is the temperature of the wall of the cylinder
  • T air-hE v is the temperature of the fresh air after the inlet valve of the cylinder
  • a W 3 a effective Heat transfer coefficient of the wall of the cylinder represents (which is determined empirically on the test bench and / or model-based and, for example, is stored as a map).
  • Equation (5) thus leaves the determination of the temperature increase T Lu ft_zyi_stationär
  • the temperature T Zy i_wand of the wall of the cylinder can be determined, for example, model-based. For some
  • the temperature in dependence on the example of a fresh air filling and a speed of the internal combustion engine can be specified and, for example, can be stored as a map. Accordingly, in some embodiments, the temperature T Z y LWand 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.
  • _ U ft_z y i_PTi is now with the effective and dynamic Wärmübertragungskostory a dyn multiplied representing the dynamic heat transfer to the fresh air from the cylinder wall and can be represented as a map of example and depends on at least one of the parameters. Amount of incoming fresh air and speed of the internal combustion engine.
  • the total heating T Lu ft_z yi of the fresh air on the cylinder wall results from the addition of the determined heating T
  • 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 on the wall of the cylinder, in particular the equations (1) to (5), only with the difference in that said reference temperature (s) is (are) 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) ' OC w 1 + T
  • T LUft-vE v_ ref represents the reference temperature increase of the fresh air at the intake port before the intake valve of the cylinder
  • T EK-ref represents the reference temperature of the intake port (and, for example, corresponds to the reference cooling water temperature)
  • T air _s gr-ref represents the reference temperature of the fresh air in a suction pipe to the inlet port of the cylinder
  • a wi represents an effective heat transfer coefficient of the intake port, as 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_h_EV_ref (T E v_rerTLuft_v_EV_ref) ' OCw2 + T
  • T LUft-hE v_ ref represents the reference temperature increase of the fresh air at the intake valve of the cylinder
  • T E v_ref represents the reference temperature of the intake valve (and corresponds, for example, to the reference cooling water temperature)
  • T Lu ft_ v _Ev_ref is the reference Temperature of the fresh air in the intake passage before the intake valve of the cylinder represents (and calculated, for example, according to equation (9))
  • a w2 represents an effective heat transfer coefficient of the intake valve, as 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 z yi ref represents the reference temperature increase of the fresh air on the wall of the cylinder
  • T Zy i_wand_ref is the reference temperature of the wall of the cylinder
  • T Lu ft_ h _Ev_ref is the reference temperature of the fresh air after the inlet valve of the cylinder (for example calculated according to equation (10))
  • 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 in the cylinder is calculated 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 on the assumption that the internal combustion engine is in a steady state and, accordingly, stable temperature conditions prevail (ie, for example, the internal combustion engine is stable at an operating point), and then as above the heating of the fresh air is corrected accordingly to the dynamic heating (see also equations (6) to (8) above).
  • 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 on the basis of the determined temperature (heating) of the fresh air on the cylinder wall (according to equation (7) or (8)) and the reference temperature (warming) of the fresh air on the cylinder wall (after Equation (1 1)) corrected.
  • a correction factor is determined:
  • Air mass cor air mass characteristic FAC T-kor (13) 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).
  • 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 schematically illustrates courses for the fresh air temperature increase
  • Fig. 2 shows schematically an embodiment of an internal combustion engine of a
  • Fig. 3 schematically illustrates an embodiment of a control of the internal combustion engine of Fig. 1;
  • Fig. 4 shows schematically an embodiment of a method for calculating a
  • Fresh air mass illustrated according to the present invention is
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of an internal combustion engine 1 is illustrated schematically in FIG. 2, wherein the internal combustion engine 1 is a gasoline engine and has four cylinders, FIG. 2 illustrating a sectional view of a cylinder 2 of the internal combustion engine 1.
  • 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. 2 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. 2, 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).
  • the temperatures of the contact surfaces at the inlet channel 10 and at the inlet valve 3 are in this embodiment essentially characterized by the cooling water temperature. This changes in time slowly (ie several seconds) and moves at operating engine 1 typically in the range 85-1 15 degrees Celsius.
  • the temperatures of the cylinder inner surfaces can be strongly influenced by the heat input of the combustion that has taken place. The heat input due to combustion can be heavily dependent on load and speed and can not even be present in overrun phases (cooling) and can change within a few combustion cycles.
  • the cylinder wall temperatures typically range between 320K-530K with a warm engine 1.
  • FIG. 3 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 configured 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
  • CAN bus e.g CAN bus or the like
  • Combustion engine 1 and the temperature sensor 14 is connected so that they both data from the internal combustion engine 1 and relevant data (eg., Speed, oil temperature, cooling water temperature, camshaft position, etc.) and of the
  • Temperature sensor 14 can receive.
  • 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. 4 illustrates a flowchart of the 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 wi , the Read-only memory 23 is stored or determines the effective heat transfer coefficient for the current operating point of the internal combustion engine 1 on the basis of the characteristic map.
  • the controller 20 determines the current temperature T E K of the intake passage 10 based on the temperature of the cooling water 12 and determines the temperature T Luf t_sgr 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). For this purpose, 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 receives at 32 the actual temperature T Luf t_ h _EV the fresh air 7 by means of equation (4) after it has been heated by the intake valve 3 and with which it flows into the combustion chamber. 5
  • step 33 the method 30 determines the heating of the fresh air 7 through the cylinder wall 2a based on the equation (5) assuming steady state
  • the controller 20 takes the current temperature T air-h-EV of the fresh air 7 after being heated by the intake valve 3 and as determined in step 32. In addition, the controller 20 determines the current effective
  • Heat transfer coefficient for the cylinder wall 2a (that is, the wall portion of the combustion chamber 5), with which the fresh air 7 comes into contact, based on the current operating point of the internal combustion engine 1 and based on the map a W 3, which is stored in the read-only memory 23.
  • the temperature T z yi _wan d of the cylinder wall results on the basis of a characteristic map which is likewise stored in the read-only memory 23.
  • the controller 20 receives at 33 the current (steady) temperature TI_ U ft_z y i_stationär the fresh air 7 after it has been heated by the cylinder wall 2a.
  • step 34 the current temperature T
  • step 35 the controller 29 determines the correction factor T Luf t_zyi_kor_dyn according to equation (6), which takes into account the dynamic temperature change of the fresh air, by a current and filtered temperature T Lu ft_ Z yi_p Ti , which it has determined in step 34 multiplied by effective and dynamic heat transfer coefficients based on a
  • step 36 the controller 20 determines the current temperature T Lu ft_z yi according to Equation (7) or (8) by setting the correction factor T Lu ft_ Z yi_kor_dyn (Step 35) to the current temperature Ti_ uft_zyi_ stationary (Step 33). added.
  • the controller 20 determines a current reference heating of the fresh air with reference temperatures stored in the read-only memory 23 reference temperatures of intake, intake duct,
  • Inlet valve and cylinder wall temperature according to equation (9), 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-ref 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 37 a reference temperature T FS Luf t_ v_ref of the fresh air 7 after it has been heated through the inlet channel 1 0 at reference conditions.
  • the controller 20 determines a current reference heating of the fresh air at the intake valve 3 of the cylinder 2 according to equation (10). For this purpose, a reference temperature T E v_ref of the intake valve is determined, which, for example, in the read only memory 23 is stored or the reference coolant temperature and corresponds to the reference temperature T FS air determined in step 37 v_ ref taken.
  • the determination of the associated effective Heat transfer coefficients for the heat transfer at the inlet valve is analogous to step 32.
  • the controller 20 obtains a reference temperature T Lu ft_h_Ev_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 (11).
  • a reference temperature T z y is i_wand_ref the cylinder wall is determined, which can be either stored or model-based (or may be based on the cooling water temperature and can take into account a mass flow of the cooling water), and it is the reference temperature T Lu determined in step 35 ft_ h- EV-r ef of the fresh air 7 taken after being heated by the intake 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 39 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 (12) by taking the ratio of the current reference temperature (equation (1 1)) of the fresh air 7 at the current Operating point of the internal combustion engine 1 and the corresponding current temperature (equation (7) or (8)) according to T Luf t_zyi_ref / T air _zyi calculated.
  • the controller 20 now determines at the current operating point of
  • the controller 20 receives in step 41, the corrected fresh air mass air mass kor , in which (also) the dynamic heating of the fresh air sucked 7 is taken into account by the cylinder wall 2a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder (2) einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend: Ermitteln (36) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einer Wand (2a) des Zylinders (2), wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert; und Berechnen (41) 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, wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert; 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. Außerdem wurde erkannt, dass bei dynamischen Änderungen bzw. Vorgängen Abweichungen bei der berechneten Frischluftfüllung auftreten können, wobei diese Abweichungen immer dann signifikant sein können, wenn es zuvor eine längere Phase im unbefeuerten Motorbetrieb
(Kraftstoffeinspritzung aus) gegeben hat.
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. Ferner wurde erkannt, dass bekannte Korrekturen der Einspritzmenge den zeitlichen Verlauf der notwenigen Gemischkorrektur weder qualitativ noch quantitativ korrekt abbilden können und nicht unterschieden werden kann, ob der dynamische Lastwechsel aus dem befeuerten oder unbefeuerten Motorbetriebspunkt erfolgte. 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, wobei sich die Temperatur der Wand des Zylinders dynamisch verändert, und das Berechnen der
Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse umfasst.
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 auch bei einer sich dynamischen ändernden Temperatur der 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 auch bei dynamischen Änderungen der Temperatur 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 Temperatur- korrektur 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. Ziel des Verfahrens ist es folglich bei manchen Ausführungsbeispielen, die Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand während der Ansaugphase zu
berücksichtigen. Dazu wird, wie erwähnt, die aktuelle hochdynamische Zylinderwandtemperatur ermittelt, denn z. B. gerade nach Abkühlphasen im unbefeuerten Schub oder in einem
Niedrigst-Lastbereich sinkt die Temperatur der Zylinderwand stark ab. Bei einem dynamischen Wechsel des Motorbetriebspunktes bzw. des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine in einen höheren Lastbereich erwärmt sich die Zylinderwand verzögert an einen stationären Zustand an. Bei manchen Ausführungsbeispielen werden diese Aufwärm- und Abkühlvorgänge möglichst genau modelliert und deren Einfluss auf die Frischluftfüllung berücksichtigt. Damit stellen manche Ausführungsbeispiel eine höhere Fahrzeugdynamik und ruckärmere
Lastwechsel bereit sowie geringere Abgasemissionen bei Lastwechseln insbesondere aus Schubphasen und bei FMA-Konzepten („Freilauf-Motor-aus“). Außerdem haben manche Ausführungsbeispiele den Vorteil, dass die dynamische Korrektur der Frischlufttemperatur basierend auf den Aufwärm- und Abkühlvorgängen der Zylinderwand die Gemischgenauigkeit in der Dynamik verbessert. Die Abgasemissionen können verstärkt in der Dynamik auftreten, auf die Regelsysteme wie die Lambdaregelung und die Gemischadaption teilweise nur verzögert reagieren, um die Füllungsfehler auszugleichen, sodass manche
Ausführungsbeispiele durch die dynamische Korrektur der Frischlufttemperatur Füllungsfehler reduzieren können.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders. Eine konstante Temperatur der Zylinderwand entspricht bei manchen
Ausführungsbeispielen auch einem stationären Betriebszustand der Verbrennungs- kraftmaschine. Die Ermittlung der Erwärmung bei einer angenommenen konstanten Temperatur der Zylinderwand ist einfacher und kann als Startpunkt für die Berechnung der Erwärmung der Frischluft bei einer dynamischen Temperaturänderung der Zylinderwand verwendet werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann sich die stationäre Zylinderwandtemperatur bei einem Betriebspunktwechsel der Verbrennungskraftmaschine stark unterscheiden, z. B. um 180 K, ohne dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt sein soll. Da sich der stationäre Zustand typischerweise erst nach einigen Sekunden einstellt, wirkt sich die noch nicht eingeschwungene Zylinderwandtemperatur auf die angesaugte Frischluftmasse aus. Bei Lastwechseln von einem„kalten“ auf einen„warmen“ Betriebspunkt der
Verbrennungskraftmaschine stellt sich ein Dichtevorteil ein und bei umgekehrten Lastwechseln stellt sich ein Dichtenachteil ein, der sich bis zum Erreichen der stationären
Zylinderwandtemperatur auswirken kann. Dies kann, wenn der Effekt nicht berücksichtigt wird, zu Füllungsfehlern führen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die ermittelte Erwärmung der Frischluft bei Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders durch einen Filter gefiltert, um eine dynamische Korrektur der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders zu ermitteln. Wenn die Erwärmung der Frischluft unter der Annahme einer konstanten Temperatur der Zylinderwand, d. h. bei einem stationären Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, ermittelt wird, führt dies zu einem Verlauf der Temperatur der Frischluft, der näher an einem realen Verlauf ist, wie auch Fig. 1 veranschaulicht.
In Fig. 1 ist die Zylinderwandtemperatur„TZyi-w“ in Kelvin auf der Ordinate und die Zeit„t“ auf der Abszisse in Sekunden aufgetragen. Fig. 1 zeigt einen Verlauf 100 einer Temperatur der Frischluft in Abhängigkeit der Zylinderwandtemperatur und der Zeit, wie er sich ergibt, wenn eine konstante Temperatur der Zylinderwand für die Berechnung der Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand angenommen wird. Der Verlauf 100 zeichnet sich durch einen instantanen steilen bzw. vertikalen Temperatursprung von 320 K auf 500 K aus, also um eine Differenz von 180 K (d. h. 180 °C). Dies liegt daran, dass bei der Annahme einer konstanten Temperatur der Zylinderwand für die Berechnung der Temperaturerhöhung der Frischluft keine kontinuierliche Temperaturerhöhung möglich ist, was zu diesem künstlichen Sprung im Verlauf 100 führt. Im Gegensatz dazu zeigt ein Verlauf 101 eine Simulation, wie theoretisch ein natürlicher Verlauf der Zylinderwandtemperatur aussehen könnte, wobei der Verlauf 101 auf einer Simulation einer dynamischen Änderung der Zylinderwandtemperatur beruht. Ein Verlauf 102 veranschaulicht nun die Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand, wenn sie durch einen Filter entsprechend gefiltert wird, der den Sprung im Verlauf 100 so verändert, dass die Erwärmung der Frischluft nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich erfolgt und sich an einen natürlichen Verlauf annähert.
Durch das Vorsehen eines solchen Filters ist eine einfache und kostengünstige Korrektur der dynamischen Erwärmung der Frischluft an der sich dynamisch verändernden Temperatur der Zylinderwand möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Filter wenigstens einen PT1 -Filter auf. PT1 -Filter sind grundsätzlich bekannt und sind einfach und kostengünstig vorzusehen. Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Filter zwei hintereinandergeschaltete PT1 -Filter auf, die einen besonders guten Verlauf der Temperatur der Frischluft bei einer dynamischen
Zylinderwandtemperatur erzeugen.
Der Filter wird bei manchen Ausführungsbeispielen empirisch, bspw. auf einem Prüfstand ermittelt, sodass er an eine konkrete Verbrennungskraftmaschine bzw. ein konkretes Modell einer Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen hängt der Filter von wenigstens einem Parameter ab, der charakteristisch für die Temperatur der Wand des Zylinders ist, sodass auf diese Art und Weise für unterschiedlichste Temperaturen und Temperaturverläufe der Zylinderwandtemperatur eine gut angepasste dynamische Erwärmung der Frischluft erzielt werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen repräsentiert der Parameter eine während der
Verbrennung eingebrachte Wärmemenge, eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Wärmeübertragung von Kühlwasser auf die Wand des Zylinders. Anhand dieser Parameter kann die Temperaturveränderung der Zylinderwand und damit die
Temperaturveränderung der Frischluft gut ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird, wie auch weiter unten noch erläutert wird, die gefilterte Erwärmung mit einem effektiven und dynamischen Wärmeübergangskoeffizienten multipliziert. Dadurch kann eine Korrekturtemperatur erhalten werden, welche eine dynamische Temperaturänderung der Zylinderwand berücksichtigt. Außerdem berücksichtigt der dynamische Wärmeübertragungskoeffizient die Wärmeübertragung von der Zylinderwand an die Frischluft bei dynamischer Temperaturänderung. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der effektive und dynamische
Wärmeübertragungskoeffizient empirisch ermittelt, sodass er in einer Steuerung nicht kompliziert berechnet werden muss, sondern bspw. als Kennfeld vorliegt. Der effektive und dynamische Wärmeübertragungskoeffizient kann bspw. auf einem Prüfstand für einen konkreten Typ der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders, wobei sich die Temperatur der Wand des Zylinders dynamisch verändert, die Addition aus der ermittelten Erwärmung der Frischluft unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders und der dynamischen Korrektur der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders. Damit ist eine sehr einfache Berücksichtigung der dynamischen Erwärmung der Zylinderwand und damit auch der Frischluft möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren weiter das Ermitteln einer
Referenz-Erwärmung der Frischluft der Wand des Zylinders, basierend auf wenigstens einem Referenzparameter, wie auch weiter unten noch weiter ausgeführt wird. Die Referenz- Erwärmung kann einfach empirisch auf einem Prüfstand ermittelt werden und vereinfacht so insgesamt die Ermittlung der Erwärmung der Frischluft.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse und der ermittelten Referenz- Erwärmung berechnet, wie auch weiter unten noch ausführlicher dargestellt wird.
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 und insbesondere auch um die dynamische Temperaturveränderung durch die dynamische
Temperaturveränderung der Zylinderwand korrigiert.
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„aw,i” 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 (wobei von einem stationären Betriebszustand ausgegangen wird). 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 awi 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|_uft_h_EV = (TEV-T|_uft_v_Ev)'aw2+TLuft_v_EV, (4)
wobei T LUft-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
Figure imgf000012_0001
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 otw2 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 für den stationären Betriebszustand auf dem Zusammenhang:
T|_uft_Zyl_stationär — (Tzyl_Wand-TLuft_h_Ev)'Ctw3"*"TLuft_h_EV! (5)
wobei T LUft-Zyi-stationär die Temperaturhöhung der Frischluft an der Wand des Zylinders repräsentiert, TZyi_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_stationär der
Frischluft an der Wand des Zylinders bei einem stationären Betriebszustand 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 TZyi_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 TZyLWand 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.
Um nun auch die dynamische Temperaturveränderung der Frischluft an der Zylinderwand zu berücksichtigen, bei der sich die Temperatur dynamisch verändert, wird ein Korrekturfaktor T Luft_zyi_kor_dyn ermittelt. Dazu wird zunächst die aus Gleichung (5) stammende
Temperaturerhöhung TLuft_zyi_stationär der Frischluft an der Zylinderwand für einen angenommen stationären Betriebszustand durch einen Filter, bspw. zwei hintereinandergeschaltete PT1 -Filter gefiltert, sodass man eine gefilterte Temperaturerhöhung T|_Uft_zyi_PTi der Frischluft erhält. Diese gefilterte Temperaturerhöhung T|_Uft_zyi_PTi wird nun mit dem effektiven und dynamischen Wärmübertragungskoeffizient adyn multipliziert, der die dynamische Wärmeübertragung an die Frischluft von der Zylinderwand darstellt und der bspw. als Kennfeld dargestellt sein kann und von wenigstens einem der Parameter abhängt: Menge der einströmenden Frischluft und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine.
Damit kann der Korrekturfaktor T|_Uft_zyi_kor_dyn wie folgt ermittelt werden:
T Luft_Zyl_kor_dyn = T|_uft_Zyl_PT1 ' OCdyn (6).
Durch die Multiplikation der Temperaturdifferenz der Zylinderwand mit dem effektiven dynamischen Wandwärmeübergangskoeffizienten ergibt sich eine Temperaturdifferenz für die Frischluft in dynamischen Betriebszuständen, die bei der Berechnung der aktuellen
Frischlufttemperatur nach Einlass-Ventil-schließt bei manchen Ausführungsbeispielen
Berücksichtigung findet.
Die insgesamte Erwärmung TLuft_zyi der Frischluft an der Zylinderwand, wobei die dynamische Veränderung der Temperatur der Zylinderwand berücksichtigt wird, ergibt sich aus der Addition aus der ermittelten Erwärmung T|_Uft_zyi_stationär der Frischluft unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders nach Gleichung (5) und der dynamischen Korrektur der Erwärmung TLuft_zyi-kor-dyn der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (6):
T|_uft_Zyl — TLuft_Zyl_stationär T|_uft_Zy|_kor_dyn (7) oder ausgeschrieben, das heißt TLuft_zyi-stationär ersetzt durch die Gleichung (5) oben:
T|_uft_Zyl — (Tzyl_Wand-T|_uft_h_Ev)'CCw3+T|_uft_h_EV T|_uft_Zyl_kor_dyn (8).
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, (9) wobei T LUft-v-Ev_ref die Referenz-Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal vor dem 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 Luft_h_EV_ref = (TEv_rerTLuft_v_EV_ref)'OCw2+T|_uft_v_EV_ref (10)
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 vor dem Einlassventil des Zylinders repräsentiert (und z. B. nach Gleichung (9) 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)'CCw3+T|_uft_h_EV_ref (1 1 )
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 (10) berechnet) und aW3 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Wand des Zylinders repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (5)).
Wie erwähnt, wird bei manchen Ausführungsbeispielen 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), wobei dann, wie oben ausgeführt, die Erwärmung der Frischluft entsprechend um die dynamische Erwärmung korrigiert wird (siehe oben auch Gleichungen (6) bis (8)).
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 (7) bzw. (8)) und der Referenz-Temperatur(erwärmung) der Frischluft an der Zylinderwand (nach Gleichung (1 1 )) korrigiert.
Entsprechend wird bei manchen Ausführungsbeispielen ein Korrekturfaktor ermittelt:
F ACi kor = T Luft_Zyl_ref / T Luft_Zyl (12) wobei die Referenz-Temperatur(erhöhung) T|_Uft_zyi_ref der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (1 1 ) berechnet wird und die Temperatur(erhöhung) TLuft_zyi der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (7) bzw. (8) berechnet wird und somit die Korrektur für die dynamische Temperaturerhöhung der Frischluft aufgrund der dynamischen
Temperaturerhöhung der Zylinderwand enthält.
Dann ergibt sich eine korrigierte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse„Luftmassek0r“ in dem Zylinder wie folgt, wobei hier die Korrektur für die dynamische Temperaturänderung der Frischluft nach Gleichungen (7) bzw. (8) enthalten ist:
Luftmassekor = LuftmasseKennfeid FACT-kor (13) 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, unter Berücksichtigung dynamischer Temperaturerhöhungen der Zylinderwand und damit auch der Frischluft 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 Verläufe für die Frischlufttemperaturerhöhung veranschaulicht;
Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Steuerung der Verbrennungskraftmaschine von Fig. 1 veranschaulicht; und
Fig. 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Berechnung einer
Frischluftmasse gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine 1 ist in Fig. 2 schematisch veranschaulicht, wobei die Verbrennungskraftmaschine 1 ein Ottomotor ist und vier Zylinder hat, wobei in Fig. 2 eine Schnittansicht eines Zylinders 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 veranschaulicht ist.
Der Zylinder 2 hat ein 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. 2 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. 2 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. 2, 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).
Die Temperaturen der Kontaktflächen am Einlasskanal 10 und am Einlassventil 3 sind bei diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch die Kühlwassertemperatur geprägt. Diese ändert sich zeitlich gesehen langsam (d. h. mehrere Sekunden) und bewegt sich bei betriebswarmen Motor 1 typischerweise im Bereich 85-1 15 Grad Celsius. Im Gegensatz dazu können die Temperaturen der Zylinderinnenflächen (Zylinderwand 2a, Kolbenboden etc.) stark von dem Wärmeeintrag der stattgefundenen Verbrennung beeinflusst werden. Der Wärmeeintrag durch die Verbrennung kann stark last- und drehzahlabhängig sein und in Schubphasen gar nicht vorhanden sein (Abkühlung) und kann sich binnen weniger Verbrennungszyklen ändern. Die Zylinderwandtemperaturen bewegen sich typischerweise zwischen 320K-530K bei einem warmen Motor 1.
Fig. 3 zeigt nun eine Steuerung 20, die ein Verfahren 30 ausführen kann, welches weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 4 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 einen 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
Verbrennungskraftmaschine 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. 4 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 awi, 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 otw2, 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) unter Annahme eines stationären
Betriebszustands. 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 T zyi_wand der Zylinderwand aufgrund eines Kennfelds, das ebenfalls im Festwertspeicher 23 abgelegt ist. Dadurch erhält die Steuerung 20 bei 33 die aktuelle (stationäre) Temperatur Ti_Uft_zyi_stationär der Frischluft 7 nachdem sie durch die Zylinderwand 2a erwärmt wurde.
Im Schritt 34 wird die aktuelle Temperatur T|_Uft_zyi_stationär durch zwei PT1 -Filter gefiltert, sodass eine Temperatur T|_Uft_zyi_PTi erhalten wird, die einen Verlauf 102 hat, wie in Fig. 1
veranschaulicht ist.
Im Schritt 35 ermittelt die Steuerung 29 den Korrekturfaktor TLuft_zyi_kor_dyn nach Gleichung (6), der die dynamische Temperaturänderung der Frischluft berücksichtigt, indem sie die aktuelle und gefilterte Temperatur T Luft_Zyi_pTi , die sie in Schritt 34 ermittelt hat, mit einem effektiven und dynamischen Wärmeübertragungskoeffizienten multipliziert, den sie anhand eines
entsprechenden Kennfelds auf Grundlage der Menge der einströmenden Frischluft und der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 ermittelt, das im Festwertspeicher 23 abgelegt ist.
Im Schritt 36 ermittelt die Steuerung 20 die aktuelle Temperatur TLuft_zyi nach Gleichung (7) bzw. (8), indem sie den Korrekturfaktor TLuft_Zyi_kor_dyn (Schritt 35) zu der aktuellen Temperatur Ti_uft_zyi_stationär (Schritt 33) addiert.
Bei Schritt 37 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft bei im Festwertspeicher 23 abgelegten Referenztemperaturen von Ansaug-, Einlasskanal-,
Einlassventil- und Zylinderwandtemperatur nach Gleichung (9), 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 37 eine Referenztemperatur TLuft_v-Ev_ref der Frischluft 7, nachdem sie durch den Einlasskanal 1 0 bei Referenzbedingungen erwärmt wurde.
Bei Schritt 38 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil 3 des Zylinders 2 gemäß Gleichung (10). Dazu wird eine Referenztemperatur T Ev_ref des Einlassventils ermittelt, die bspw. im Festwertspeicher 23 abgelegt ist oder der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht und die in Schritt 37 ermittelte Referenztemperatur T LUft-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 38 eine Referenztemperatur TLuft_h_Ev_ref der Frischluft 7, nachdem die durch das Einlassventil 3 bei Referenzbedingungen erwärmt wurde.
Bei Schritt 39 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand 2a des Zylinders gemäß Gleichung (1 1 ). 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 zughörige 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 39 die Temperatur TLuft_zyi_ref der Frischluft 7, nachdem sie durch die Zylinderwand 2a erwärmt wurde.
Bei 40 ermittelt die Steuerung 20 nun den Korrekturfaktor FACT k0r für die Frischluftmasse der Frischluft 7 im Verbrennungsraum 5 nach Gleichung (12), indem sie das Verhältnis aus der aktuellen Referenz-Temperatur (Gleichung (1 1 )) der Frischluft 7 beim aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 und der entsprechenden aktuellen Temperatur (Gleichung (7) bzw. (8)) gemäß TLuft_zyi_ref / TLuft_zyi berechnet.
Bei 41 ermittelt die Steuerung 20 nun bei dem aktuellen Betriebspunkt der
Verbrennungskraftmaschine 1 die aktuelle Frischluftmasse Luftmassek0r gemäß Gleichung (13), 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 40 ermittelt wurde, multipliziert.
Damit erhält die Steuerung 20 bei Schritt 41 die korrigierte Frischluftmasse Luftmassekor, bei der (auch) die dynamische 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 Zylinder
1 Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft im Einlasskanal zum Zylinder
2 Ermitteln Erwärmung am Einlassventil
3 Ermitteln Erwärmung an Zylinderwand (stationär)
4 Filter der stationären Erwärmung Zylinderwand
5 Ermitteln Korrekturfaktor für dynamische Temperaturerhöhung
6 Ermitteln Erwärmung der Frischluft einschließlich Berücksichtigung dynamischer Temperaturerhöhung
7 Ermitteln Referenz-Erwärmung der Frischluft im Einlasskanal zum Zylinder8 Ermitteln Referenz-Erwärmung am Einlassventil
9 Ermitteln Referenz-Erwärmung an Zylinderwand
0 Ermitteln Korrekturfaktor
1 Ermitteln korrigierte Frischluftmasse Temperaturverlauf der Frischluft unter Annahme einer konstanten Zylinderwand- temperatur
Theoretischer Temperaturverlauf der Frischluft
Temperaturverlauf der Frischluft durch Anwendung zweier PT1 -Filter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder (2) einer
Verbrennungskraftmaschine (1 ), umfassend:
Ermitteln (36) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einer Wand (2a) des Zylinders (2), wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert; und Berechnen (41 ) 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 der Erwärmung der Frischluft (7) unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand (2a) des Zylinders umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die ermittelte Erwärmung der Frischluft (7) bei
Annahme einer konstanten Temperatur der Wand (2a) des Zylinders durch einen Filter gefiltert wird, um eine dynamische Korrektur der Erwärmung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders zu ermitteln.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Filter wenigstens einen PT 1 -Filter aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Filter zwei hintereinandergeschaltete PT1 -Filter aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Filter empirisch ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Filter von wenigstens einem
Parameter abhängt, der charakteristisch für die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders (2) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Parameter eine während der Verbrennung
eingebrachte Wärmemenge repräsentiert, eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Wärmeübertragung von Kühlwasser auf die Wand (2a) des Zylinders (2).
9. Verfahren nach einem der Anspruch 3 bis 8, wobei die gefilterte Erwärmung mit einem effektiven und dynamischen Wärmeübergangskoeffizienten multipliziert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der effektive und dynamische
Wärmeübertragungskoeffizient von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Saugrohrdruck abhängt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der effektive und dynamische
Wärmeübertragungskoeffizient empirisch ermittelt wird.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 und einem der Ansprüche 4 bis 1 1 , wobei das Ermitteln (36) der Erwärmung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders (2), wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert, die Addition aus der ermittelten Erwärmung der Frischluft (7) unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand (2a) des Zylinders und der dynamischen Korrektur der Erwärmung der
Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders umfasst.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Ermitteln (39) 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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