DE102005055952A1

DE102005055952A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005055952A1
Application number: DE102005055952A
Authority: DE
Inventors: Ernst Wild
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-05-31

Abstract

Für den Betrieb einer Brennkraftmaschine, die eine Ventilüberschneidung aufweist, ist der Zusammenhang zwischen Luftfüllung im Brennraum und dem gemessenen Saugrohrdruck nicht linear. Um eine möglichst einfache und doch genaue Bestimmung der sich in dem Brennraum befindlichen Luftmasse zu erreichen, wird vorgeschlagen, einen Restgaspartialdruck (pbrint) des sich im Brennraum befindlichen Restgases zu ermitteln, einen Luftpartialdruck (pluft) der sich im Brennraum befindlichen Luft in Abhängigkeit von dem Restgaspartialdruck (pbrint) zu ermitteln und die Luftmasse (r1) in dem Brennraum in Abhängigkeit von dem Restgaspartialdruck (pbrint) zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, ein Abgasrohr und ein Saugrohr aufweist, wobei das Einlassventil und das Auslassventil eine Ventilüberschneidung aufweisen und wobei Abgase von dem Abgasrohr in das Saugrohr rückgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassventil, mindestens einem Auslassventil, einem Abgasrohr und einem Saugrohr, wobei das Einlassventil und das Auslassventil eine Ventilüberschneidung aufweisen und wobei Abgase von dem Abgasrohr in das Saugrohr rückführbar sind.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil, ein Abgasrohr und ein Saugrohr aufweist, wobei das Einlassventil und das Auslassventil eine Ventilüberschneidung aufweisen und wobei Abgase von dem Abgasrohr in das Saugrohr rückführbar sind. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm für ein derartiges Steuergerät.
Stand der Technik
Das sich in dem Brennraum der Brennkraftmaschine nach dem Schließen der Einlassventile befindliche Gasgemisch wird als Brennraumfüllung bezeichnet. Die Brennraumfüllung setzt sich aus Luft zusammen, die über das Saugrohr in den Brennraum bei geöffneten Einlassventilen gelangt, und aus sogenanntem Restgas. Das Restgas wird durch die Abgasmasse, die nach der Verbrennung im Zylinder verbleibt und nicht während der Öffnungszeit der Auslassventile ausgeschoben wird, gebildet.
Der Restgasanteil in dem Brennraum kann mittels einer sogenannten Abgasrückführung weiter erhöht werden. Dies kann wünschenswert sein, da das Restgas die Entflammung und den Verlauf der Verbrennung beeinflusst. Bei der sogenannten äußeren Abgasrückführung verbindet ein zusätzliches Ventil das Saugrohr mit dem Abgasrohr, so dass Abgas von dem Abgasrohr über das Ventil in das Saugrohr gelangt, sich dort mit der Luft vermischt und bei geöffnetem Einlassventil wieder in den Brennraum gelangt.
Bei der sogenannten inneren Abgasrückführung gelangt das Abgas aufgrund gleichzeitig geöffneter Einlass- und Auslassventile, der sogenannten Ventilüberschneidung, direkt aus dem Brennraum bzw. von dem Abgasrohr und über den Brennraum in das Saugrohr. Die Brennraumfüllung kann in Brennkraftmaschinen mit Ventilüberschneidung in bestimmten Betriebspunkten bis zu 30% Restgas enthalten.
Um eine jederzeit möglichst optimale Verbrennung bezüglich der erzeugten Schadstoffe, des Kraftstoffverbrauchs und der Leistung zu erreichen, muss stets ein dem aktuellen Betriebszustand angemessenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Verbrennung in dem Brennraum zur Verfügung stehen. Beispielsweise liegt die ideale theoretische Verbrennung bei einem Massenverhältnis von 14,7:1. Je nach Betriebsart kann dieser Wert jedoch variieren.
Zur Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemischs wird in Abhängigkeit von der sich zum Zeitpunkt der Verbrennung in dem Brennraum befindlichen Luft eine entsprechende Menge Kraftstoff in den Brennraum oder in das Saugrohr eingespritzt. Die Bestimmung der erforderlichen Kraftstoffmenge erfolgt somit in Abhängigkeit von der in dem Brennraum vorhandenen Luftfüllung, also dem Luftanteil der Brennraumfüllung. Die Luftfüllung wiederum ist abhängig von dem sogenannten Saugrohrdruck, welcher beispielsweise über einen in dem Saugrohr angebrachten Drucksensor ermittelt wird. Bei Systemen mit großer Nockenwellenüberschneidung besteht jedoch ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen der Luftfüllung in dem Brennraum und dem mittels eines Sensors gemessenen Saugrohrdruck.
Die Luftfüllung ist ferner abhängig von dem Luftdruck und damit von der geographischen Höhe, in welcher die Brennkraftmaschine betrieben wird.
Bisherige Verfahren zur Berechnung der zuzumessenden Kraftstoffmenge verwenden in einem Näherungsverfahren einen linearen Zusammenhang zwischen Luftfüllung und Saugrohrdruck, der jedoch Systeme mit großer Nockenwellenüberschneidung aufgrund des Einflusses der inneren Restgasrückführung häufig ungenügend beschreibt.
Es sind ferner Verfahren bekannt, die auf komplexen physikalischen Modellen basieren und beispielsweise Erkenntnisse der Gasdynamik und der Hydrodynamik einsetzen. Diese Verfahren benötigen jedoch eine Vielzahl von Modellparametern, zu deren Bestimmung wiederum eine Vielzahl von Messungen notwendig ist. Zur Auswertung der Modellparameter ist ferner ein sogenannter Optimierer notwendig, der beispielsweise in Form eines Computerprogramms in einem Steuergerät abläuft und mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus einer gegebenen Menge von Parametern die Modellparameter bestimmt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es besonders aufwändig zu implementieren ist und eine hohe Rechenleistung benötigt. Ferner müssen die Modellparameter bzw. das Modell selbst an die zugrundeliegende Brennkraftmaschine aufwändig angepasst werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine und ein Steuergerät hierfür derart weiterzuentwickeln, dass der Zusammenhang zwischen der Luftfüllung im Brennraum und dem Saugrohrdruck möglichst genau mit möglichst geringem Aufwand bestimmbar ist und damit ein optimierter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich ist. Insbesondere sollen Ressourcen des Steuergeräts geschont werden. Ferner soll die Anpassung des Verfahrens an unterschiedliche Brennkraftmaschinen vereinfacht werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

– ein Restgaspartialdruck des sich im Brennraum befindenden Restgases ermittelt wird;
– ein Luftpartialdruck der sich zum Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils im Brennraum befindlichen Luft in Abhängigkeit von dem Restgaspartialdruck ermittelt wird;
– die Luftmasse in dem Brennraum für den Zeitpunkt, in dem das Einlassventil schließt, in Abhängigkeit von dem Luftpartialdruck ermittelt wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet den Partialdruck des ruckgeführten Restgases und den Partialdruck des in dem Brennraum verbliebenen Restgases zur Bestimmung der sich in dem Brennraum befindlichen Luftmasse. Hierbei ist der Partialdruck der Druck, der in einem Gasgemisch, wie der Luft, einem bestimmten Gas zugeordnet werden kann. Der Partialdruck entspricht dabei dem Gesamtdruck, den die Komponente beim alleinigen Ausfüllen des gesamten Volumens ausüben würde.

Die Partialdrücke können beispielsweise unmittelbar für die Bestimmung der sich in dem Brennraum befindlichen Luftmasse ermittelt werden. Dadurch ist eine weitgehende Unabhängigkeit von individuellen Eigenschaften einer Brennkraftmaschine möglich, so dass eine Anpassung des Verfahrens an unterschiedliche Brennkraftmaschinen besonders einfach möglich ist.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit keine Erstellung eines komplexen physikalischen Modells notwendig. Dabei erlaubt es dennoch eine genauere Bestimmung der sich in dem Brennraum zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils befindlichen Luftmasse, als es mit den bekannten Verfahren, die die Nichtlinearität von Brennkraftmaschinen mit großer Ventilüberschneidung nicht berücksichtigenden, möglich ist. Ferner ist die Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Brennkraftmaschine auch dadurch vereinfacht, dass keine komplexen physikalischen Modelle und keine Optimierer für die Bestimmung der Modellparameter an die Brennkraftmaschine adaptiert werden müssen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird

– ein erstes Partialdruckverhältnis ermittelt, wobei das erste Partialdruckverhältnis das Verhältnis des Partialdrucks des rückgeführten Abgases zu dem Abgasdruck beschreibt;
– ein zweites Partialdruckverhältnis ermittelt, wobei das zweite Partialdruckverhältnis das Verhältnis des Partialdrucks des im Brennraum verbleibenden Restgases zu dem Abgasdruck beschreibt;
– der Restgaspartialdruck des sich im Brennraum befindenden Restgases durch eine Addition des ersten Partialdruckverhältnisses mit dem zweiten Partialdruckverhältnis und Multiplikation mit dem Abgasdruck ermittelt.

Der Abgasdruck kann beispielsweise mittels eines in dem Abgasrohr angebrachten Drucksensors ermittelt werden. Aus den Partialdruckverhältnissen wird der Restgaspartialdruck, also der Partialdruck für das gesamte, sich in dem Brennraum zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils befindlichen Restgases, ermittelt. Durch die Verwendung von Partialdruckverhältnissen ist die Bestimmung des Restgaspartialdrucks besonders einfach möglich. Die Partialdruckverhältnisse wiederum sind unabhängig von äußeren Einflüssen bestimmbar. Insbesondere ist der Restgaspartialdruck damit unabhängig von einem Umgebungsluftdruck ermittelbar. Somit ist ein optimierter Betrieb der Brennkraftmaschine in unterschiedlichen geographischen Höhen möglich, ohne dass eine besondere Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig ist.

Vorzugsweise wird

– eine Temperatur des Luft-Restgas-Gemisches in dem Brennraum zu einem Zeitpunkt, in dem das Einlassventil schließt, ermittelt;
– ein Hubvolumenverhältnis eines Zylinderhubvolumens zu einem Nominalhubvolumen für den Zeitpunkt, in dem das Einlassventil schließt, ermittelt;
– ein effektives Hubvolumenverhältnis ermittelt; und
– die Luftmasse in dem Brennraum für den Zeitpunkt, in dem das Einlassventil schließt, ermittelt, wobei die Luftmasse in dem Brennraum als Produkt aus dem Luftpartialdruck, der Temperatur in dem Brennraum und dem effektiven Hubvolumenverhältnis ermittelt wird.

Damit ist eine besonders effiziente Bestimmung der Luftmasse in dem Brennraum bei gleichzeitiger Unabhängigkeit von der geographischen Höhe, in der die Brennkraftmaschine betrieben wird. Das Hubvolumenverhältnis kann beispielsweise bereits vorab bestimmt werden, so dass die zeitliche Komplexität der Bestimmung der Luftmasse möglichst gering gehalten wird. Ferner ermöglicht dies eine besonders kostengünstige Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Vorteilhafterweise wird das erste Partialdruckverhältnis in Abhängigkeit von dem Verhältnis von einem Saugrohrdruck zu einem Abgasdruck und in Abhängigkeit von dem Verhältnis von einem Überschneidungswinkel zu einer Motordrehzahl ermittelt, wobei der Überschneidungswinkel aus der Differenz eines Winkels, in dem das Auslassventil schließt, und eines Winkels, in dem das Einlassventil öffnet, ermittelt wird.

Moderne Brennkraftmaschinen weisen häufig bereits Sensoren für die Messung des Saugrohrdrucks, der Motordrehzahl, sowie des Kurbelwellenwinkels auf. Eine Verwendung und Auswertung dieser Sensorsignale ermöglicht damit eine besonders einfache und kostengünstige Applikation bzw. Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der Abgasdruck kann näherungsweise dem Umgebungsdruck gleichgesetzt werden. Der Umgebungsdruck kann z.B. aus dem Saugrohrdrucksensorsignal bestimmt werden, wenn die Drosselklappe weit geöffnet ist oder im Start.

Vorzugsweise wird das erste Partialdruckverhältnis mittels eines Kennfelds ermittelt, wobei eine Eingangsgröße durch einen Quotienten aus dem Saugrohrdruck und dem Abgasdruck und eine andere Eingangsgröße aus einem Quotienten aus dem Überschneidungswinkel und der Motordrehzahl gebildet wird.

Durch die Verwendung eines Kennfeldes kann die Bestimmung des ersten Partialdrucks besonders schnell durchgeführt werden. Ferner ist die Applikation an eine bestimmte Brennkraftmaschine dadurch vereinfacht, dass für diese Brennkraftmaschine lediglich ein Kennfeld bestimmt werden muss. Die Bildung der Quotienten ermöglicht es ferner, mit einem zwei-dimensionalen Kennfeld zu arbeiten, obwohl bei der Bestimmung des ersten Partialdruckverhältnisses mehr als nur zwei Größen berücksichtigt werden.

Vorzugsweise wird das zweite Partialdruckverhältnis in Abhängigkeit von einem Winkel ermittelt. Dieser Winkel beschreibt den Kurbelwellenwinkel, bei dem das Auslassventil schließt. Bis zu diesem Zeitpunkt herrscht in dem Brennraum und dem Abgasrohr derselbe Druck. Dieser Winkelwert liegt bereits vor, da dieser bereits für die Bestimmung des Überschneidungswinkels verwendet wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das zweite Partialdruckverhältnis mittels einer Kennlinie ermittelt, wobei die Kennlinie in Abhängigkeit des vorgebbaren Winkels das Verhältnis eines Zylinderhubvolumens zu einem Nominalhubvolumen beschreibt.

Das Verhältnis des Zylinderhubvolumens zu dem Nominalhubvolumen entspricht dem Verhältnis des Partialdrucks des in dem Brennraum verbliebenen Restgases zu dem Abgasdruck und damit dem zweiten Partialdruckverhältnis. Das Bestimmen des zweiten Partialdruckverhältnisses mittels einer Kennlinie erlaubt einerseits eine besonders schnelle Ermittlung des zweiten Partialdruckverhältnisses und ermöglicht andererseits eine einfache Applikation, da das Zylinderhubvolumen durch die Geometrie des Motors vorgegeben ist.

Vorteilhafterweise wird der Luftpartialdruck durch Bildung der Differenz aus dem gemessenen Saugrohrdruck und dem Restgaspartialdruck ermittelt. Der in dem Brennraum herrschende Druck kann nicht bzw. nur mit sehr hohem Aufwand direkt mittels eines Sensors erfasst werden. Bei geöffnetem Einlassventil entspricht jedoch der Saugrohrdruck dem Gesamtdruck im Brennraum. Zur Bestimmung des Gesamtdrucks wird folglich der beispielsweise wieder mittels des im Saugrohr angeordneten Drucksensors ermittelte Saugrohrdruck verwendet.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Temperatur des Luft-Restgas-Gemisches in dem Brennraum die Temperatur der Luft mit der Differenz aus die Abgastemperatur und dem Restgaspartialdruck multipliziert, zu diesem Wert das Produkt aus der Abgastemperatur und dem Restgaspartialdruck addiert und der so erhaltene Wert durch den Saugrohrdruck dividiert.

Mit der Kenntnis der Lufttemperatur und der Abgastemperatur, die beispielsweise mittels in dem Saugrohr und dem Abgasrohr angebrachter Temperatursensoren ermittelt werden, wird die Temperatur der gesamten Brennraumfüllung bestimmt. Hieraus wird zusammen mit dem Partialdruck der sich in dem Brennraum befindlichen Luft und dem effektiven Hubvolumenverhältnis die Luftmasse in dem Brennraum bestimmt.

Die Abgastemperatur kann auch modelliert werden als Funktion der Kühlwassertemperatur, der eingespritzten Kraftstoffmasse und der Zeit nach Motorstart.

Diese Berechnung basiert auf der sogenannten Mischungsformel für Temperaturen, mit der die Temperatur eines Gasgemisches aus den Temperaturen der an dem Gemisch beteiligten Gase ermittelbar ist. Eine Anwendung der Mischungsformel innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens ist möglich, da die grundsätzliche Anwendbarkeit der Mischungsformel auf den Massenverhältnissen der beteiligten Gase beruht. Die Massen der einzelnen Gase wiederum teilen sich nach ihren Partialdrücken auf. Durch die bereits ermittelten Partialdrücke der Gasbestandteile in dem Brennraum ist es damit möglich, die Temperatur des sich in dem Brennraum befindlichen Luft-Restgas-Gemisches zu bestimmen, ohne dass dem Brennraum ein Temperatursensor zugeordnet ist.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Hubvolumenverhältnis mittels einer Kennlinie ermittelt, wobei die Kennlinie in Abhängigkeit eines vorgebbaren Winkels das Verhältnis eines Zylinderhubvolumens zu einem Nominalhubvolumen beschreibt.

Die Verwendung einer Kennlinie ermöglicht es, dass das Hubvolumen nicht ständig neu berechnet werden muss. Vielmehr wird es aus einer beispielsweise in einem Speicherbereich des Steuergeräts abgelegten Kennlinie besonders schnell und unter Schonung der Rechenzeit des Steuergeräts ermittelt. Hierbei kann dieselbe Kennlinie wie zur Bestimmung des zweiten Partialdruckverhältnisses verwendet werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das effektive Hubvolumenverhältnis aus dem Hubvolumenverhältnis durch Multiplikation mit einem Korrekturfaktor ermittelt. Der Korrekturfaktor berücksichtigt die Druckunterschiede des Brennraumdrucks bezüglich des mittleren Saugrohrdrucks zu dem Zeitpunkt, in dem das Einlassventil schließt. Hierbei können beispielsweise Druckunterschiede berücksichtigt werden, die aufgrund von Strömungsdifferenzen oder aufgrund von Schwingungen, die in dem Saugrohr herrschen, bestehen. Dadurch wird eine höhere Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht.

Vorzugsweise wird der Korrekturfaktor mittels eines Kennfelds in Abhängigkeit von einem Winkel und einer Motordrehzahl ermittelt. Diese beiden Größen sind einerseits besonders geeignet, die Druckunterschiede zu beschreiben und sind andererseits besonders einfach mittels bereits vorhandener Sensoren zu ermitteln.

Die Aufgabe wird auch durch ein Steuergerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Steuergerät Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Brennkraftmaschine Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.

Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung dieser Erfindung in Form eines Computerprogramms. Dabei ist das Computerprogramm auf mindestens einem Steuergerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Insbesondere können zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Teile des Computerprogramms auf unterschiedlichen Steuergeräten bzw. Mikroprozessoren ablaufen. Die Erfindung wird also durch das Computerprogramm realisiert, so dass dieses Computerprogramm in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist.

Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf einem Speicherelement abgespeichert. Das Speicherelement kann insbesondere ein Random-Access-Memory, ein Read-Only-Memory oder ein Flash-Memory sein. Das Speicherelement kann auch als Diskette, Compact Disk (CD), Digital Versatile Disk (DVD), und/oder mindestens ein mindestens einer Komponente des Steuergeräts bzw. des Mikroprozessors zugeordneter Speicherbereich ausgebildet sein.

Zeichnungen
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine,
2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Abhängigkeiten der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Größen gemäß eines Ausführungsbeispiels.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 längs einer durch einen Doppelpfeil 4 angedeuteten Hubbewegung auf- und abbewegbar ist. Die Hubbewegung des Kolbens 2 wird mittels eines Pleuels 5 auf eine Kurbelwelle 6 derart übertragen, dass die Kurbelwelle 6 in eine durch den Pfeil 7 angedeutete Drehbewegung versetzt wird. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 8 versehen, der unter anderem durch den Kolben 2, ein Einlassventil 9 und ein Auslassventil 10 begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 9 ist ein Saugrohr 11 und mit dem Auslassventil 10 ist ein Abgasrohr 12 gekoppelt.
In dem Saugrohr 11 ist ein erster Drucksensor 13 und in dem Abgasrohr 12 ist ein weiterer Drucksensor 14 angeordnet Im Bereich des Einlassventils 9 und des Auslassventils 10 ragen ein Einspritzventil 15 und eine Zündkerze 16 in den Brennraum 8. Über das Einspritzventil 15 kann Kraftstoff in den Brennraum 8 eingespritzt werden. Mit der Zündkerze 16 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 8 entzündet werden.
In dem Saugrohr 11 ist eine drehbare Drosselklappe 17 angeordnet, über die dem Saugrohr 11 Luft zuführbar ist. Die Menge der zugeführten Luft ist abhängig von der Winkelstellung der Drosselklappe 17. In dem Abgasrohr 12 ist ein Katalysator 18 untergebracht, der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase dient.
Das Einspritzventil 15 ist über eine Druckleitung mit einem Kraftstoffspeicher 19 verbunden. Verfügt die Brennkraftmaschine 1 über mehr als einen Zylinder 3, so sind die Einspritzventile der anderen Zylinder 3 mit dem Kraftstoffspeicher 19 in entsprechender Weise verbunden. Der Kraftstoffspeicher 19 wird über eine Zuführleitung mit Kraftstoff versorgt. Hierzu ist eine nicht dargestellte Kraftstoffpumpe vorgesehen, die geeignet ist, den erwünschten Druck in dem Kraftstoffspeicher 19 aufzubauen.
Weiterhin ist an dem Kraftstoffspeicher 19 ein Drucksensor 20 angeordnet, mit dem der Druck in dem Kraftstoffspeicher 19 messbar ist. Bei diesem Druck handelt es sich um denjenigen Druck, der auf den Kraftstoff ausgeübt wird, und mit dem deshalb der Kraftstoff über das Einspritzventil 15 in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt wird.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird Kraftstoff in den Kraftstoffspeicher 19 gefördert. Dieser Kraftstoff wird über die Einspritzventile 15 der einzelnen Zylinder 3 in die zugehörigen Brennräume 8 eingespritzt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge hängt dabei im wesentlichen von der Einspritzzeit und von dem Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 19 ab.
Mit Hilfe der Zündkerzen 16 werden Verbrennungen in den Brennräumen 8 erzeugt, durch die die Kolben 2 in durch den in 1 dargestellten Pfeil 4 angedeutete Auf- und Abbewegungen versetzt werden. Diese Hubbewegungen werden auf die Kurbelwelle 6 übertragen, üben auf diese ein Drehmoment aus und versetzen diese in die durch den Pfeil 7 dargestellte Drehbewegung. Mittels eines Drehzahlsensors 21 kann die Drehzahl der Kurbelwelle 6 ermittelt werden.
Ein Steuergerät 22 ist von Eingangssignalen 23 beaufschlagt, die beispielsweise die mittels der Sensoren 13, 14, 20 und 21 gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 darstellen. Des Weiteren ist das Steuergerät 22 mit einem nicht dargestellten Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das angeforderte Drehmoment angibt.
Das Steuergerät 22 erzeugt Ausgangssignale 24, mit denen beispielsweise über Aktoren bzw. Steller das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 22 mit dem Einspritzventil 15, der Zündkerze 16 und einem den Kraftstoffdruck im Kraftstoffspeicher 19 steuernden, nicht dargestellten Druckstellglied verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
Unter anderem ist das Steuergerät 22 dazu vorgesehen, die Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise wird die von dem Einspritzventil 15 in den Brennraum 8 eingespritzte Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 22 im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch, eine geringe Schadstoffentwicklung und/oder einen besonders zuverlässigen Betrieb gesteuert und/oder geregelt.
Zu diesem Zweck weist das Steuergerät 22 einen Mikroprozessor 25 auf, dem ein Speicherelement 26, insbesondere ein Flash-Memory, zugeordnet ist. In dem Speicherelement 26 ist ein Computerprogramm abgespeichert, das dazu geeignet ist, die Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 durchzuführen.
Zur, Regelung der zuzumessenden Kraftstoffmasse durch das Steuergerät 22 ermittelt das Steuergerät 22 zunächst die in dem Brennraum sich zum Zeitpunkt der Einspritzung befindliche Luftmasse. Erfindungsgemäß werden hierzu in dem Steuergerät 22 in Abhängigkeit der in 2 dargestellten Eingangsgrößen die ebenfalls in 2 dargestellten Berechnungen durchgeführt.
Die Eingangsgrößen sind in 2 überwiegend auf der linken Seite dargestellt. Diese umfassen einen Saugrohrdruck ps, einen Abgasdruck pabg, einen Winkel wAS, einen Winkel wEÖ, eine Motordrehzahl nmot, einen Winkel wES, eine Temperatur Tluft und eine Temperatur Tabg.
Beispielsweise wird der Saugrohrdruck ps mittels des in dem Saugrohr 11 angeordneten Drucksensors 13 und der Abgasdruck pabg mittels des in dem Abgasrohr 12 angeordneten Drucksensors 14 ermittelt. Der Winkel wAS bezeichnet den Winkel, bei dem das Auslassventil 10 schließt. Dieser Winkel kann beispielsweise bezüglich der Stellung der Kurbelwelle 6 angegeben werden. Der Winkel wEÖ bezeichnet analog hierzu den Winkel, bei dem das Einlassventil 9 öffnet, und der Winkel wES bezeichnet den Winkel, bei dem das Einlassventil 9 schließt.
Die Temperatur Tluft gibt die Temperatur der Frischluft an, die sich im Saugrohr 11 befindet. Entsprechend bezeichnet die Temperatur Tabg die Temperatur des Abgases im Abgasrohr. Die Temperaturen Tluft und Tabg können beispielsweise mittels eines die Außenluft ermittelnden Temperatursensors beziehungsweise mittels eines in dem Abgasrohr 12 angeordneten Temperatursensors ermittelt werden. Die Abgastemperatur kann auch modelliert sein.
Die Motordrehzahl nmot wird beispielsweise mittels des Drehzahlsensors 21 ermittelt.
Die Bestimmung der Luftmasse der sich in dem Brennraum zum Zeitpunkt des Einspritzens befindlichen Luftanteils wird beispielsweise wie in dem in 3 dargestellten Ablaufdiagramm durchgeführt.
In einem Schritt 100 startet das Verfahren. In einem Schritt 101 werden die von den entsprechenden Sensoren erfassten Eingangsgrößen ps, pabg, wAS, wEÖ, wES, nmot, Tluft und Tabg dem Steuergerät 22 zugeführt.
In einem Schritt 102 werden Quotienten Q1 und Q2 ermittelt. Der Quotient Q1 beschreibt das Verhältnis des Saugrohrdrucks ps zu dem Abgasdruck pabg. Der Quotient Q2 beschreibt das Verhältnis des Winkelüberschneidung zu der Motordrehzahl nmot. Die Winkelüberschneidung wird durch Bildung der Differenz des Winkels wAS, in dem das Auslassventil schließt, und des Winkels wEÖ, in dem das Einlassventil öffnet, gebildet.
In einem Schritt 103 wird ein Partialdruckverhältnis pprue/pabg ermittelt. Das Partialdruckverhältnis pprue/pabg beschreibt das Verhältnis des Partialdrucks prue des in das Saugrohr 11 rückgeführten Abgases zu dem Abgasdruck pabg. Das Partialdruckverhältnis pprue/pabg kann beispielsweise mittels eines Kennfelds KFpprue aus den Quotienten Q1 und Q2 ermittelt werden. Das Kennfeld KFpprue kann hierzu in dem Speicherelement 26 des Steuergeräts 22 abgespeichert sein.
In einem Schritt 104 wird ein Partialdruckverhältnis ppverb/pabg ermittelt. Das Partialdruckverhältnis ppverb/pabg beschreibt das Verhältnis des Partialdrucks pverb des im Brennraum 8 verbleibenden Restgases zu dem Abgasdruck pabg. Dies kann beispielsweise mittels einer Kennlinie Vbr erfolgen, in der in Abhängigkeit eines vorgebbaren Winkels das Verhältnis des Volumens des Brennraums 8, das sogenannte Zylinderhubvolumen, zu dem Nominalhubvolumen abgelegt ist. Vorliegend wird die Kennlinie Vbr mit dem Winkel wAS adressiert und liefert somit das Verhältnis des Zylinderhubvolumens zu dem Nominalhubvolumen zu dem Zeitpunkt, in dem das Auslassventil 10 schließt.
Das Verhältnis des Zylinderhubvolumens zu dem Nominalhubvolumen entspricht hierbei dem Partialdruckverhältnis ppverb/pabg, da sich zum Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils 10 nur Abgas im Brennraum 8 befindet und zu diesem Zeitpunkt im Abgasrohr 12 und im Brennraum 8 derselbe Druck pabg herrscht. Nach Schließen des Auslassventils 10 ändert sich der Partialdruck pverb des in dem Brennraum 8 verbliebenen Restgases aufgrund der anschließenden Änderung des Zylinderhubvolumens, so dass das Partialdruckverhältnis ppverb/pabg dem Verhältnis des Zylinderhubvolumens zu dem Nominalhubvolumen entspricht.
In einem Schritt 105 wird ein Restgaspartialdruck pbrint ermittelt. Der Restgaspartialdruck pbrint beschreibt den Partialdruck des sich in dem Brennraum 8 zum Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils 10 befindlichen Restgases. Hierfür werden die Partialdruckverhältnisse pprue/pabg und ppverb/pabg addiert und mit dem Abgasdruck pabg multipliziert.
In einem Schritt 106 wird der Luftpartialdruck pluft durch Bildung der Differenz aus dem gemessenen Saugrohrdruck ps und dem Restgaspartialdruck pbrint ermittelt.
In einem Schritt 107 wird unter Verwendung der sogenannten Mischungsformel wie in 2 dargestellt aus der Lufttemperatur Tluft und der Abgastemperatur Tabg, dem Saugrohrdruck ps und den Partialdrücken pluft und pbrint die Temperatur Tbr des Luft-Restgas-Gemisches zu dem Zeitpunkt, in dem das Einlassventil 9 schließt, ermittelt. Dies ist möglich, da für die Anwendung der Mischungsformel lediglich die Verhältnisse der Massen der beteiligten Stoffe entscheidend sind und diese sich im Verhältnis der Partialdrücke, hier also der Partialdrücke pluft und pbrint, aufteilen.
In einem Schritt 108 wird ein effektives Hubvolumenverhältnis Vheff/Vh zu dem Zeitpunkt, in dem das Einlassventil 9 schließt, berechnet. Hierzu wird zunächst die Kennlinie Vbr mit dem Winkel wES adressiert. Die Kennlinie Vbr beschreibt ein Hubvolumenverhältnis Vhwes/Vh des Zylinderhubvolumens zu dem Nominalhubvolumen zu einem vorgebbaren Zeitpunkt und liefert vorliegend das Hubvolumenverhältnis Vhwes/Vh zu dem Zeitpunkt, in dem das Einlassventil 9 schließt, zurück. Zu diesem Zeitpunkt hat sich jedoch der Druck in dem Brennraum 8 aufgrund der nach oben gerichteten Bewegung des Kolbens 2 gegenüber dem mittleren Druck ps in dem Saugrohr 11 erhöht. Um dieses auszugleichen, wird das effektive Hubvolumenverhältnis Vheff/Vh durch Multiplikation des Volumenverhältnisses Vhwes/Vh mit einem Korrekturfaktor fveff multipliziert. Der Korrekturfaktor fveff kann beispielsweise in Form eines Kennfelds KFVeff in dem Speicherelement 26 des Steuergeräts 22 abgespeichert sein, wobei das Kennfeld KFVeff den Korrekturfaktor fveff in Abhängigkeit von einem Winkel, hier dem Winkel wES, und der Drehzahl nmot beschreibt.
In einem Schritt 109 wird die sich im Brennraum 8 zum Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils 9 befindliche Luftmasse rl ermittelt. Hierzu werden der in dem Schritt 106 ermittelte Luftpartialdruck pluft, der Kehrwert 1/Tbr der in dem Schritt 107 ermittelten Temperatur Tbr und das in dem Schritt 108 ermittelte effektive Hubvolumenverhältnis Vheff/Vh multipliziert.
In einem Schritt 110 endet das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise damit, dass in Abhängigkeit der sich in dem Brennraum 8 befindlichen Luftmasse rl die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs ermittelt wird.
Die Kennlinie Vbr kann bei der Applikation des Verfahrens an eine bestimmte Brennkraftmaschine 1 anhand der Geometrie der Brennkraftmaschine 1, insbesondere des Zylinderdurchmessers, des Kolbenhubs und der Ausformung des Brennraums 8 ermittelt werden. Das Kennfeld KFVeff kann anschließend ermittelt werden, wobei keine Ventilüberschneidung vorliegt, da sonst keine Linearität der Druckverhältnisse mehr vorliegen würde. Das Kennfeld KFpprue kann dann bei vorliegender Ventilüberschneidung, also insbesondere für den Winkelbereich zwischen dem Winkel wAS und dem Winkel wEÖ, ermittelt werden.
Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in anderer als der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden, solange eventuelle Abhängigkeiten derart berücksichtigt werden, dass die für die Durchführung der Berechungen eines Schrittes notwendigen Eingabewerte zur Verfügung stehen. Insbesondere ist es vorstellbar, mehrere Schritte parallel auszuführen, Schritte zusammenzufassen oder Berechnungen innerhalb eines Schrittes mit Berechnungen anderer Schritte zu kombinieren. Beispielsweise können eine oder mehrere der in dem Schritt 101 erfassten und dem Steuergerät 22 zugeführten Eingangsgrößen ps, pabg, wAS, wEÖ, wES, nmot, Tluft und Tabg erst in dem Schritt, in dem die jeweilige Eingangsgröße benötigt wird, erfasst bzw. dem Steuergerät 22 zugeleitet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Brennkraftmaschine (1) mindestens ein Einlassventil (9), mindestens ein Auslassventil (10), ein Abgasrohr (12) und ein Saugrohr (11) aufweist, wobei das Einlassventil (9) und das Auslassventil (10) eine Ventilüberschneidung aufweisen und wobei Abgase von dem Abgasrohr (12) in das Saugrohr (11) rückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Restgaspartialdruck (pbrint) des sich im Brennraum (8) befindenden Restgases ermittelt wird; – ein Luftpartialdruck (pluft) der sich zum Zeitpunkt des Schließens des Auslassventils (10) im Brennraum (8) befindlichen Luft in Abhängigkeit von dem Restgaspartialdruck (pbrint) ermittelt wird; – die Luftmasse (rl) in dem Brennraum (8) für den Zeitpunkt, in dem das Einlassventil (9) schließt, in Abhängigkeit von dem Luftpartialdruck (pluft) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein erstes Partialdruckverhältnis (pprue/pabg) ermittelt wird, wobei das erste Partialdruckverhältnis (pprue/pabg) das Verhältnis des Partialdrucks (pprue) des rückgeführten Abgases zu dem Abgasdruck (pabg) beschreibt; – ein zweites Partialdruckverhältnis (ppverb/pabg) ermittelt wird, wobei das zweite Partialdruckverhältnis (ppverb/pabg) das Verhältnis des Partialdrucks (ppverb) des im Brennraum verbleibenden Abgases zu dem Abgasdruck (pabg) beschreibt; und – der Restgaspartialdruck (pbrint) des sich in dem Brennraum (8) befindenden Restgases durch eine Addition des ersten Partialdruckverhältnisses (pprue/pabg) mit dem zweiten Partialdruckverhältnis (ppverb/pabg) und Multiplikation mit dem Abgasdruck (pabg) ermittelt wird
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Temperatur (Tbr) des Luft-Restgas-Gemisches in dem Brennraum (8) zu einem Zeitpunkt, in dem das Einlassventil (9) schließt, ermittelt wird; – ein Hubvolumenverhältnis (Vhwes/Vh) eines Zylinderhubvolumens (Vhwes) zu einem Nominalhubvolumen (Vh) für den Zeitpunkt, in dem das Einlassventil (9) schließt, ermittelt wird. – ein effektives Hubvolumenverhältnis (Vheff/Vh) ermittelt wird; und – die Luftmasse (rl) in dem Brennraum (8) als Produkt aus dem Luftpartialdruck (pluft) der Luft, dem Kehrwert (1/Tbr) der Temperatur (Tbr) in dem Brennraum (8) und dem effektiven Hubvolumenverhältnis (Vheff/Vh) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Partialdruckverhältnis (pprue/pabg) in Abhängigkeit von dem Verhältnis von einem Saugrohrdruck (ps) zu einem Abgasdruck (pabg) und in Abhängigkeit von dem Verhältnis von einem Überschneidungswinkel zu einer Motordrehzahl (nmot) ermittelt wird, wobei der Überschneidungswinkel aus der Differenz eines Winkels (wAS), in dem das Auslassventil (10) schließt, und eines Winkels (wEÖ), in dem das Einlassventil (9) öffnet, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Partialdruckverhältnis (pprue/pabg) mittels eines Kennfelds ermittelt wird, wobei eine Eingangsgröße durch einen Quotienten aus dem Saugrohrdruck (ps) und dem Abgasdruck (pabg) und eine andere Eingangsgröße aus einem Quotienten aus dem Überschneidungswinkel und der Motordrehzahl (nmot) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Partialdruckverhältnis (ppverb/pabg) in Abhängigkeit von einem Winkel (wAS) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Partialdruckverhältnis (ppverb/pabg) mittels einer Kennlinie (Vbr) ermittelt wird, wobei die Kennlinie in Abhängigkeit eines vorgebbaren Winkels das Verhältnis eines Zylinderhubvolumens zu einem Nominalhubvolumen beschreibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpartialdruck (pluft) durch Bildung der Differenz aus dem gemessenen Saugrohrdruck (ps) und dem Restgaspartialdruck (pbrint) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur (Tbr) des Luft-Restgas-Gemisches in dem Brennraum (8) die Temperatur der Luft (Tluft) mit der Differenz aus die Abgastemperatur und dem Restgaspartialdruck (pbrint) multipliziert wird, zu diesem Wert das Produkt aus der Abgastemperatur (Tabg) und dem Restgaspartialdruck (pbrint) addiert wird und der so erhaltene Wert durch den Saugrohrdruck (ps) dividiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubvolumenverhältnis (Vhwes/Vh) mittels einer Kennlinie (Vbr) ermittelt wird, wobei die Kennlinie in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Winkel das Verhältnis eines Zylinderhubvolumens zu einem Nominalhubvolumen beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das effektive Hubvolumenverhältnis (Vheff/Vh) aus dem Hubvolumenverhältnis (Vhwes/Vh) durch Multiplikation mit einem Korrekturfaktor (fveff) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor (fveff) mittels eines Kennfelds (KFVeff) in Abhängigkeit von einem Winkel und einer Motordrehzahl (nmot) ermittelt wird.
Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Einlassventil (9), mindestens einem Auslassventil (10), einem Abgasrohr (12) und einem Saugrohr (11), wobei das Einlassventil (9) und das Auslassventil (10) eine Ventilüberschneidung aufweisen und wobei entstehende Abgase mittels einer inneren Rückführung von dem Abgasrohr (12) in das Saugrohr (11) gelangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergerichtet ist
Steuergerät (22) für eine Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergerichtet ist.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 programmiert ist.
Speicherelement für ein Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert ist, das zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 programmiert ist.