DE102023000107A1 - Method for calculating the efficiency of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen des Liefergrads (10) einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, bei welchem in Abhängigkeit von wenigstens einem in einem Kennfeld für einen Referenzzustand hinterlegten Kennfeldwert ein Basisliefergrad (16) berechnet wird. Es wird wenigstens ein Druckkorrekturwert in Abhängigkeit von einer Abweichung eines Ist-Druckverhältnisses von einem dem Referenzzustand zugeordneten Referenzdruckverhältnis ermittelt. Es wird wenigstens ein Dynamikkorrekturwert in Abhängigkeit von einer Abweichung wenigstens eines Ist-Wandwärmestroms von einem einem Stationärzustand zugeordneten Stationärwandwärmestrom ermittelt. Es wird der Liefergrad (10) in Abhängigkeit von dem Basisliefergrad (16), dem Druckkorrekturwert und dem Dynamikkorrekturwert berechnet. The invention relates to a method for calculating the delivery rate (10) of an internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine, in which a base delivery rate (16) is calculated as a function of at least one map value stored in a map for a reference state. At least one pressure correction value is determined as a function of a deviation of an actual pressure ratio from a reference pressure ratio assigned to the reference state. At least one dynamic correction value is determined as a function of a deviation of at least one actual wall heat flow from a stationary wall heat flow assigned to a steady state. The degree of delivery (10) is calculated as a function of the basic degree of delivery (16), the pressure correction value and the dynamic correction value.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen des Liefergrads, d.h. dem Verhältnis der nach Abschluss des Ladungswechsels im Zylinder tatsächlich enthaltenen Masse zur theoretisch maximal möglichen Masse einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a method for calculating the volumetric efficiency, i.e. the ratio of the mass actually contained in the cylinder after completion of the gas exchange to the theoretically maximum possible mass of an internal combustion engine, in particular a motor vehicle.
Der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem der Liefergrad einer als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine besonders vorteilhaft berechnet werden kann.The object of the present invention is to provide a method by means of which the efficiency of an internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine can be calculated in a particularly advantageous manner.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen des Liefergrads einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten und auch als Verbrennungsmotor oder Brennkraftmaschine bezeichneten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise wird das Verfahren mittels einer elektronischen Recheneinrichtung, insbesondere des Kraftfahrzeugs, durchgeführt. Ferner ist es denkbar, dass das Verfahren während eines befeuerten oder unbefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird und/oder der Liefergrad in Echtzeit im laufenden Fahrzeugbetrieb im Seriensteuergerät berechnet wird. Bei dem Verfahren wird in Abhängigkeit von wenigstens einem Kennfeldwert, welcher in einem Kennfeld für einen Referenzzustand hinterlegt ist, ein Basisliefergrad berechnet. Beispielsweise ist das Kennfeld in einer insbesondere elektrischen oder elektronischen Speichereinrichtung wie beispielsweise einem Datenspeicher der elektronischen Recheneinrichtung gespeichert, sodass insbesondere der Kennfeldwert in der Speichereinrichtung gespeichert ist. Bei dem Verfahren wird wenigstens ein Druckkorrekturwert in Abhängigkeit von einer Abweichung eines Ist-Druckverhältnisses von einem dem Referenzzustand zugeordneten Referenzdruckverhältnis ermittelt, insbesondere berechnet. Außerdem wird bei dem Verfahren wenigstens ein Dynamikkorrekturwert in Abhängigkeit von einer Abweichung wenigstens eines Ist-Wandwärmestroms von einem einem Stationärzustand zugeordneten Stationärwandwärmestrom ermittelt, insbesondere berechnet. Beispielsweise ist der Stationärzustand der Referenzzustand. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der Stationärzustand ein insbesondere empirisch ermittelter Zustand und/oder ein Zustand ist, der sich auf einen Stationärbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bezieht, deren Stationärbetrieb beispielsweise insbesondere im Rahmen einer Entwicklung der Verbrennungskraftmaschine auf einem Prüfstand durchgeführt wurde. Mit anderen Worten handelt es sich beispielsweise bei dem Stationärwandwärmestrom um einen Wärmestrom, welcher für den Stationärzustand ermittelt wurde und/oder in dem Stationärzustand auftritt oder aufgetreten ist und somit durch den Stationärzustand ermittelt wurde. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist vorzugsweise der Stationärwandwärmestrom ein Wärmestrom, zu dem es in einem Stationärzustand, mithin in einem Stationärbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, kommt oder kam, insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine in dem Stationärbetrieb betrieben wird oder wurde. Dabei ist es insbesondere denkbar, dass der Stationärwandwärmestrom empirisch ermittelt wird oder wurde, insbesondere auf dem genannten Prüfstand, auf welchem die Verbrennungskraftmaschine in dem Stationärbetrieb betrieben wird oder wurde. Dabei ist es denkbar, dass der Stationärwandwärmestrom beziehungsweise ein den Stationärwandwärmestrom charakterisierender Wärmestromwert in einem, insbesondere in der Speichereinrichtung gespeicherten Kennfeld hinterlegt ist. Ebenso ist es denkbar, dass der Stationärwandwärmestrom aus für den Stationärbetrieb geltenden und in der Speichereinrichtung gespeicherten Randbedingungen errechnet wird. Ferner ist es denkbar, dass das Referenzdruckverhältnis in dem Kennfeld oder dem weiteren Kennfeld oder dem dritten Kennfeld, welches beispielsweise in der Speichereinrichtung gespeichert ist, hinterlegt ist.The invention relates to a method for calculating the efficiency of an internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine and also referred to as an internal combustion engine or internal combustion engine, in particular a motor vehicle. For example, the method is carried out using an electronic computing device, in particular the motor vehicle. It is also conceivable for the method to be carried out during fired or unfired operation of the internal combustion engine and/or for the delivery rate to be calculated in real time during ongoing vehicle operation in the production control unit. In the method, a base delivery level is calculated as a function of at least one map value that is stored in a map for a reference state. For example, the map is stored in a particular electrical or electronic memory device such as a data memory of the electronic computing device, so that in particular the map value is stored in the memory device. In the method, at least one pressure correction value is determined, in particular calculated, as a function of a deviation of an actual pressure ratio from a reference pressure ratio assigned to the reference state. In addition, in the method, at least one dynamic correction value is determined, in particular calculated, as a function of a deviation of at least one actual wall heat flow from a stationary wall heat flow assigned to a steady state. For example, the steady state is the reference state. Alternatively or additionally, it is conceivable that the stationary state is a particularly empirically determined state and/or a state that relates to steady-state operation of the internal combustion engine, which steady-state operation was carried out on a test bench, for example, in particular as part of a development of the internal combustion engine. In other words, the stationary wall heat flow is, for example, a heat flow that was determined for the steady state and/or occurs or has occurred in the steady state and was thus determined by the steady state. In other words, the steady-state wall heat flow is preferably a heat flow that occurs or occurred in a steady state, i.e. in steady-state operation of the internal combustion engine, especially when the internal combustion engine is or was operated in steady-state operation. It is particularly conceivable that the steady-state wall heat flow is or was determined empirically, in particular on the test bench mentioned, on which the internal combustion engine is or was operated in steady-state operation. It is conceivable that the stationary wall heat flow or a heat flow value characterizing the stationary wall heat flow is stored in a characteristic map stored in particular in the memory device. It is also conceivable that the steady-state wall heat flow is calculated from boundary conditions that apply to steady-state operation and are stored in the storage device. It is also conceivable that the reference pressure ratio is stored in the characteristic map or the additional characteristic map or the third characteristic map, which is stored in the memory device, for example.
Bei dem Verfahren wird der Liefergrad in Abhängigkeit von dem Basisliefergrad, dem Druckkorrekturwert und dem Dynamikkorrekturwert berechnet.In the method, the degree of delivery is calculated as a function of the basic degree of delivery, the pressure correction value and the dynamic correction value.
Die Berechnung des auch als Gesamtliefergrad bezeichneten Liefergrads wird auch als Modellierung des Liefergrads oder Liefergradmodellierung bezeichnet, da beispielsweise der Liefergrad anhand wenigstens eines Rechenmodells berechnet, mithin modelliert wird. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: In der Motorsteuerung für beispielsweise als Dieselmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschinen ist üblicherweise der modellierte Motormassenstrom eine zentrale Größe. Für die Berechnung wird unter anderem der Liefergrad der einfach auch als Motor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine benötigt, wobei der Liefergrad das Verhältnis aus tatsächlichem zu theoretisch in den Motor einströmendem Massenstrom darstellt. Bisher erfolgte die Liefergradmodellierung empirisch in Form von Kennfeldstrukturen, ausgelegt auf und/oder ermittelt für stationäre Zustände. Dynamische Einflüsse auf den Liefergrad zum Beispiel durch sich ändernde Wärmeströme nach Betriebspunktänderung wurden bisher nicht abgebildet. Durch die Erfindung wird nun die Modellierung des Liefergrads bei instationären Bedingungen verbessert, wodurch eine höhere Genauigkeit insbesondere von AGR-Raten realisiert werden kann. Somit kann ein besonders emissionsarmer Betrieb gewährleistet werden. Insbesondere sieht die Erfindung eine Ergänzung einer bisherigen, üblichen, empirischen Liefergradstruktur durch physikalische Korrekturen vor, welche insbesondere folgende Effekte berücksichtigen:
- - Die Liefergradbeeinflussung durch den realen Wandwärmestrom, welcher sich nach Betriebspunktänderung aufgrund der thermischen Trägheit der Zylinderwände vom stationären Zustand unterscheidet.
- - Die Liefergradbeeinflussung durch das Druckverhältnis insbesondere p3 zu p2, welches sowohl stationär, zum Beispiel in der Höhe, als auch dynamisch vom Referenzzustand abweichen kann und durch den Einfluss auf die Restgasmasse ebenfalls den Liefergrad beeinflusst.
- - The influence of the volumetric efficiency by the real wall heat flow, which differs from the stationary state after the operating point change due to the thermal inertia of the cylinder walls.
- - The influence on the degree of delivery by the pressure ratio, in particular p3 to p2, which can deviate from the reference state both stationary, for example in height, and dynamically and also influences the degree of delivery by influencing the residual gas mass.
Die Erfindung ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen insbesondere eine höhere Genauigkeit der AGR-Rate insbesondere bei dynamischem Motorbetrieb, woraus Emissionsvorteile sowie eine erhöhte Genauigkeit von Adaptions- und Diagnosefunktionen resultieren können.In comparison to conventional solutions, the invention enables a higher accuracy of the EGR rate, particularly during dynamic engine operation, which can result in emission benefits and increased accuracy of adaptation and diagnostic functions.
Insbesondere handelt es sich bei dem Ist-Druckverhältnis beziehungsweise bei dem Referenzdruckverhältnis um ein Verhältnis von einem ersten Druck zu einem zweiten Druck, wobei es sich vorzugsweise bei dem ersten Druck um den sogenannten p3-Druck und bei dem zweiten Druck um den sogenannten p2-Druck handelt. Der p3-Druck wird auch einfach als p3 bezeichnet und ist ein in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine stromab von Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine herrschender Druck, welcher beispielsweise stromauf einer in dem Abgastrakt angeordneten Turbine eines Abgasturboladers herrscht. Der p2-Druck wird auch als p2 bezeichnet und ist ein beispielsweise in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine stromauf der Brennräume herrschender Druck, welcher beispielsweise stromauf stromab eines in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichters sowie insbesondere stromab einer in dem Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe herrscht.In particular, the actual pressure ratio or the reference pressure ratio is a ratio of a first pressure to a second pressure, the first pressure preferably being the so-called p3 pressure and the second pressure being the so-called p2 pressure acts. The p3 pressure is also referred to simply as p3 and is a pressure prevailing in an exhaust tract of the internal combustion engine downstream of combustion chambers of the internal combustion engine, which pressure prevails, for example, upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger arranged in the exhaust tract. The p2 pressure is also referred to as p2 and is a pressure prevailing, for example, in an intake tract of the internal combustion engine upstream of the combustion chambers, which prevails, for example, upstream of a compressor arranged in the intake tract and in particular downstream of a throttle valve arranged in the intake tract.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention result from the following description of a preferred exemplary embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the single figure can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without the frame to abandon the invention.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Berechnen des Liefergrads einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.In the single figure, the drawing shows a block diagram to illustrate a method for calculating the delivery efficiency of an internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine, in particular of a motor vehicle.
Die einzige Fig. zeigt ein Blockdiagramm, anhand dessen im Folgenden ein Verfahren zum Berechnen des Liefergrads 10 einer als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, erläutert wird. Dies bedeutet insbesondere, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Die Berechnung des Liefergrads 10 erfolgt in Abhängigkeit von einer empirischen Kennfeldstruktur, die in der Fig. durch einen Block 12 veranschaulicht wird. Außerdem erfolgt die Berechnung des Liefergrads 10 in Abhängigkeit von einer physikalischen Struktur, die in der Fig. durch einen Block 14 veranschaulicht ist. Es ist erkennbar, dass die empirische Struktur durch die physikalische Struktur ergänzt ist oder wird, wodurch der Liefergrad 10, welcher auch als Gesamtliefergrad bezeichnet wird, besonders vorteilhaft, insbesondere besonders präzise, berechnet werden kann. Im Folgenden werden Grundlagen zum Liefergrad beschrieben: Der Liefergrad ist das Verhältnis aus tatsächlichem zu theoretisch möglichem Motormassenstrom, welcher auch einfach als Massenstrom bezeichnet wird. Dabei bezieht sich der theoretische Massenstrom auf den Gaszustand im Saugrohr.
Der Gesamtliefergrad setzt sich damit aus folgenden Anteilen zusammen: Ein erster der Anteile umfasst Druckverluste beim Einströmen in den jeweiligen Zylinder (Druck im unteren Totpunkt pUT < Druck im Saugrohr pSR). Ein zweiter der Anteile umfasst Wärmeübergänge im Ansaugvorgang (TUT ≠ TSR). Ein dritter der Anteile umfasst eine Abnahme des nutzbaren Hubvolumens durch Restgasexpansion von p3 auf pSR (VH,eff < VH).The total volumetric efficiency is thus made up of the following parts: A first of the parts includes pressure losses when flowing into the respective cylinder (pressure at bottom dead center p UT <pressure in the intake manifold p SR ). A second of the components includes heat transfer in the intake process (T UT ≠ T SR ). A third of the proportions includes a decrease in the usable swept volume due to residual gas expansion from p 3 to p SR (V H,eff < V H ).
Das Verfahren wird beispielsweise mittels einer elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt, welche auch als Steuergerät oder Motorsteuergerät bezeichnet wird. Das im Motorsteuergerät umgesetzte Liefergradmodell gliedert sich in einen empirischen Teil sowie in einen physikalischen Teil. Insbesondere ist der empirische Teil die empirische Kennfeldstruktur (Block 12), wobei beispielsweise der physikalische Teil die physikalische Struktur (Block 14) ist. Insbesondere im empirischen Teil ist oder wird der Gesamtliefergrad für einen Referenzzustand von Motortemperatur, Gastemperatur und Druckverhältnis p3/pSR in einem Kennfeld abgelegt, wobei beispielsweise der Referenzzustand ebenfalls hinterlegt oder abgelegt ist oder wird. Der Druck pSR wird beispielsweise auch mit p2 bezeichnet. Weicht die, insbesondere aktuelle, Motortemperatur und/oder die, insbesondere aktuelle, Gastemperatur im Saugrohr von dem Referenzzustand ab, wirkt eine Korrektur, welche aus dem Abstand zur Referenz multipliziert mit einem Faktor berechnet wird. Zusätzlich gibt es eine Korrektur für die Drallklappe. Die Aufteilung des so modellierten Liefergrads auf die oben genannten Anteile spielt dabei im Grunde keine Rolle, die empirische Struktur (empirische Kennfeldstruktur) liefert einen korrigierten Basisliefergrad 16. Es ist somit erkennbar, dass bei dem Verfahren in Abhängigkeit von wenigstens einem in dem Kennfeld für den Referenzzustand hinterlegten oder abgelegten Kennfeldwert der Basisliefergrad 16 berechnet wird.The method is carried out, for example, using an electronic computing device, which is also referred to as a control unit or engine control unit. The delivery efficiency model implemented in the engine control unit is divided into an empirical part and a physical part. In particular, the empirical part is the empirical map structure (block 12), the physical part being the physical structure (block 14), for example. In the empirical part in particular, the total delivery efficiency for a reference state of engine temperature, gas temperature and pressure ratio p 3 /p SR is stored in a map, with the reference state also being or being stored, for example. The pressure p SR is also denoted by p 2 , for example. If the, in particular current, engine temperature and/or the, in particular current, gas temperature in the intake manifold deviates from the reference state, a correction takes effect, which is calculated from the distance to the reference multiplied by a factor. In addition, there is a correction for the swirl flap. The division of the delivery efficiency modeled in this way into the above-mentioned shares basically plays no role, the empirical structure (empirical map structure) provides a corrected
Insbesondere im physikalischen Teil (physikalische Struktur) erfolgt eine Korrektur des Basisliefergrads bei Abweichungen des auch als Ist-Druckverhältnis bezeichneten Druckverhältnisses p3/pSR von dem Referenzzustand, mithin von einem dem Referenzzustand zugeordneten Referenzdruckverhältnis. Hintergrund dabei ist die von p3/pSR abhängige Restgasexpansion, welche das effektiv nutzbare Zylindervolumen beeinflusst. Die Korrektur kann sowohl stationär, zum Beispiel in der Höhe oder bei unterschiedlichen Zuständen der Abgasrückführung (AGR), als auch dynamisch, zum Beispiel während einer Beschleunigung, wirken. Außerdem erfolgt im physikalischen Teil eine Korrektur des Basisliefergrads bei von einem Stationärzustand abweichenden Wandwärmeströmen. Dies sei an folgendem Beispiel erläutert: Die Bauteiltemperaturen sind stationär in einem Volllastpunkt höher als in einem Teillastpunkt. Bei einem sprunghaften Betriebspunktwechsel ändern sich die Bauteiltemperaturen aber relativ langsam, sodass die Wärmeströme zwischen Gas und Bauteilen zunächst nicht dem Stationärzustand entsprechen. Während dieser Zeit greift die dynamische, wärmestrombedingte Liefergradkorrektur.In the physical part (physical structure) in particular, the basic delivery rate is corrected if the pressure ratio p 3 /p SR , also referred to as the actual pressure ratio, deviates from the reference state, hence from a reference pressure ratio assigned to the reference state. The background to this is the residual gas expansion which is dependent on p 3 /p SR and which influences the effectively usable cylinder volume. The correction can be both stationary, for example at altitude or with different states of exhaust gas recirculation (EGR), and dynamic, for example during acceleration. In addition, in the physical part, the basic efficiency is corrected for wall heat flows that deviate from a stationary state. This is explained using the following example: The component temperatures are stationary at a full load point higher than at a partial load point. In the case of a sudden change in the operating point, however, the component temperatures change relatively slowly, so that the heat flows between the gas and the components do not initially correspond to the stationary state. During this time, the dynamic, heat flow-related volumetric efficiency correction takes effect.
Die beiden physikalischen Korrekturen lassen sich gemeinsam aus der Energiebilanz des jeweiligen Zylinders für den Ansaugvorgang vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) ableiten:
Aus den oben genannten Gleichungen und/oder der vereinfachten Annahme, dass
Die partiellen Ableitungen dieser Gleichung nach p3/p2 beziehungsweise nach dem Wandwärmestrom QW liefern die für die physikalischen Korrekturen benötigten Zusammenhänge:
- p3/p2-Korrektur:
- p 3 /p 2 correction:
Das Liefergrad-Delta Δηv kann anschließend in einen Korrekturfaktor umgerechnet werden:
- Wandwärme-Korrektur:
- Wall Heat Correction:
Damit gilt für das Liefergrad-Delta Δητ:
Zur Berechnung des thermischen Liefergrad-Deltas fehlen zunächst noch das stationäre (Q̇W,stat) sowie der aktuelle Wärmestrom (Q̇W). Der stationäre Wandwärmestrom kann durch Umstellung der obigen Gleichung auf den Wandwärmestrom berechnet werden (stationär gilt: η = ηStat):
Der aktuelle Wandwärmestrom wird im Anschluss mittels PT1-Filterung aus Q̇W,stat berechnet, die Filterzeit ist abhängig von dem Massenstrom, wodurch die thermische Trägheit der Zylinderwände berücksichtigt wird.The current wall heat flow is then calculated from Q̇ W,stat using PT1 filtering. The filter time depends on the mass flow, which takes the thermal inertia of the cylinder walls into account.
Das zur Berechnung des stationären Wandwärmestroms verwendete Druckverhältnis
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Liefergraddegree of delivery
- 1212
- Blockblock
- 1414
- Blockblock
- 1616
- Basisliefergradbasic delivery level
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R230 | Request for early publication |