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DE10254475B3 - Determining fresh air, residual/total gas masses in combustion engine cylinder involves deriving residual, total gas masses from pressures using thermal gas state equation, fresh air from difference - Google Patents

Determining fresh air, residual/total gas masses in combustion engine cylinder involves deriving residual, total gas masses from pressures using thermal gas state equation, fresh air from difference Download PDF

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DE10254475B3
DE10254475B3 DE10254475A DE10254475A DE10254475B3 DE 10254475 B3 DE10254475 B3 DE 10254475B3 DE 10254475 A DE10254475 A DE 10254475A DE 10254475 A DE10254475 A DE 10254475A DE 10254475 B3 DE10254475 B3 DE 10254475B3
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cylinder
fresh air
mass
combustion engine
residual
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Frederic Dr. Galtier
Hong Dr. Zhang
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Original Assignee
Siemens Corp
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Abstract

The method involves measuring the pressure in the cylinder at 3 operating points during an induction cycle, i.e. at the start of induction and at the start and end of fresh air induction. The pressures at the first two points are used to compute residual gas mass using a thermal gas state equation. The total gas mass at the end of the cycle is computed using the third point pressure and equation. The fresh gas mass is derived from the difference. The method involves measuring the pressure in the cylinder at 3 operating points (1-3) during an induction cycle, i.e. at the start of induction, at the start of fresh air induction and at the end of fresh air induction. The pressures measured at the first two points are used to compute the residual gas mass in the cylinder using a thermal gas state equation. The total gas mass at the end of the induction cycle is computed using the third point pressure and the state equation. The fresh gas mass is derived from the difference between the residual and total gas masses.

Description

Verfahren zum Ermitteln der Frischluft-, Restgas- und Gesamtgasmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Frischluftmasse, Restgasmasse und Gesamtgasmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine.Method for determining fresh air, residual gas and total gas mass in a cylinder of an internal combustion engine The invention relates to a method for determining the fresh air mass, Residual gas mass and total gas mass in a cylinder of an internal combustion engine.

Die Last einer Brennkraftmaschine, die der in den Zylinder während des Ansaugtaktes eingesaugten Frischluftmasse entspricht, ist einer der wichtigsten Betriebsparameter zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine. Die Last ist bestimmend für viele weitere Steuerparameter wie z.B. die eingespritzte Kraftstoffmenge, den Zündzeitpunkt usw. Ein weiterer wichtiger Betriebsparameter moderner Brennkraftmaschinen ist die Masse des Abgases, die zu Beginn des Ansaugtaktes aufgrund einer internen oder externen Abgasrückführung im Zylinder vorhanden ist (Restgasmasse). Bei der externen Abgasrückführung wird Abgas aus dem Abgastrakt über eine Rückführleitung zum Ansaugtrakt zurückgeführt. Die interne Abgasrückführung ergibt sich durch eine mehr oder weniger große Überlappung der Öffnungszeiten von Einlass- und Auslassventil.The load of an internal combustion engine which the in the cylinder while of the intake stroke corresponds to fresh air mass sucked in, is one of the main operating parameters for controlling the operation of the Internal combustion engine. The load is decisive for many other control parameters such as. the amount of fuel injected, the ignition timing etc. Another important operating parameter of modern internal combustion engines is the mass of the exhaust gas due to the start of the intake stroke internal or external exhaust gas recirculation in the cylinder is (residual gas mass). In the case of external exhaust gas recirculation, exhaust gas is extracted from the exhaust system via Return line returned to the intake tract. The internal exhaust gas recirculation results by a more or less large overlap of the opening times of intake and exhaust valve.

Diese beiden Lastparameter sind von großer Bedeutung für die elektronische Betriebssteuerung (EMS = Engine Management System) moderner Brennkraftmaschinen. Im Stand der Technik sind daher zahlreiche Verfahren bekannt, mit denen sich die Last der Brennkraftmaschine ermitteln lässt. Gemäß einer üblichen Methode wird im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ein Sensor vorgesehen, mit dem sich die Luftmasse oder der Druck im Ansaugtrakt messen lässt. Abgesehen davon, dass diese Methode einen zusätzlichen Sensor im Ansaugtrakt erfordert, hat sie den Nachteil, dass sie eine Information lediglich hinsichtlich der gesamten und nicht zylinderspezifischen Frischluft masse und vor allem keine Information hinsichtlich der Restgasmasse liefert.These two load parameters are from great importance for the electronic operational control (EMS = Engine Management System) modern internal combustion engines. There are therefore numerous in the prior art Known methods with which the load of the internal combustion engine can be determined. According to a usual Method, a sensor is provided in the intake tract of the internal combustion engine, with which the air mass or the pressure in the intake tract are measured leaves. Apart from that this method has an additional sensor in the intake tract has the disadvantage that it only provides information with regard to the total and non-cylinder-specific fresh air mass and above all does not provide any information regarding the residual gas mass.

Gemäß einer weiteren Methode lässt sich dieser Nachteil dadurch vermeiden, dass Frischluftmasse und Restgasmasse mit Hilfe von Messungen des Drucks im Zylinder ermittelt werden. Bei dieser Methode sind jedoch eine Vielzahl von Messpunkten erforderlich, was einen entsprechend großen Rechen- und Speicheraufwand des Betriebssteuergerätes erfordert. Diese Methode ist daher für einen kommerziellen Einsatz in der Serienfertigung nicht geeignet.According to another method, this can be done Avoid disadvantage in that fresh air mass and residual gas mass can be determined using measurements of the pressure in the cylinder. However, this method requires a large number of measuring points, which is a correspondingly large Computation and storage effort of the operational control device required. This method is therefore for not suitable for commercial use in series production.

In der DE 197 56 919 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gasfüllung eines Verbrennungsmotors beschrieben. Insbesondere soll der Frischgasanteil an der Gasfüllung bestimmt werden. Hierzu wird vorgeschlagen, den Partialdruck des Frischgasanteils an dem Gesamtmassenstrom und den Partialdruck des Abgasanteils an dem Gasmassenstrom durch Aufstellen einer Massenbilanz für die jeweiligen Massenströme zu ermitteln und anschließend das aus dem Saugrohr abströmende Frischgas an dem Gesamtmassenstrom unter Verwendung der Partialdrücke zu berechnen.In the DE 197 56 919 A1 describes a method and a device for determining a gas filling of an internal combustion engine. In particular, the proportion of fresh gas in the gas filling should be determined. For this purpose, it is proposed to determine the partial pressure of the fresh gas component in the total mass flow and the partial pressure of the exhaust gas component in the gas mass flow by drawing up a mass balance for the respective mass flows and then to calculate the fresh gas flowing out of the intake manifold in the total mass flow using the partial pressures.

Aus der DE 100 61 428 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Restgasgehaltes im Verbrennungsraum eines Zylinders eines Vier-Takt-Verbrennungsmotors sowie zur Ermittlung eines Zündwinkels bekannt. Bei diesem Verfahren werden zunächst die Einlassventilspreizung, die Auslassventilspreizung, der Einlassventilhub und der Auslassventilhub während eines Vier-Takt-Zyklus bestimmt. Danach wird aus der Ruslassventilspreizung und dem Auslassventilhub anhand eines ersten Kennfeldes ein erster Restgasgehaltanteil ermittelt. Der erste Restgasgehaltanteil entspricht einer Restgasmenge, welche zwischen dem oberen Totpunkt des Kolbens bei Ladungswechsel und dem Schließzeitpunkt des Auslassventils durch das Auslassventil in den Verbrennungsraum des Zylinders zurückgesandt wird. Weiterhin wird bei diesen bekannten Verfahren aus der Ein lassventilspreizung, der Auslassventilspreizung, dem Einlassventilhub und dem Auslassventilhub anhand eines zweiten Kennfeldes eine Ventilüberschneidungsfläche ermittelt, deren Flächeninhalt und deren Versetzung zum oberen Totpunkt des Kolbens bei Ladungswechsel bestimmt werden, woraus ein zweiter Restgasgehaltanteil ermittelt wird. Der zweite Restgasgehaltanteil entspricht einer Restgasmenge, welche zwischen dem Öffnungszeitpunkt des Einlassventils und dem Schließzeitpunkt des Auslassventils aus einem Zylinderaußenbereich hinter dem Auslassventil in einem Zylinderaußenbereich vor dem Einlassventil überströmt.From the DE 100 61 428 A1 a method for determining the residual gas content in the combustion chamber of a cylinder of a four-stroke internal combustion engine and for determining an ignition angle is known. In this method, the intake valve spread, the exhaust valve spread, the intake valve lift and the exhaust valve lift are first determined during a four-stroke cycle. A first residual gas content fraction is then determined from the exhaust valve spread and the exhaust valve lift using a first map. The first residual gas content corresponds to a residual gas quantity which is sent back through the exhaust valve into the combustion chamber of the cylinder between the top dead center of the piston when the charge changes and the closing time of the exhaust valve. Furthermore, in these known methods, a valve overlap area is determined from the intake valve spread, the exhaust valve spread, the intake valve lift and the exhaust valve lift using a second map, the area of which and their displacement to the top dead center of the piston when the charge changes are determined, from which a second residual gas content component is determined. The second residual gas content portion corresponds to a residual gas quantity which flows between the opening time of the intake valve and the closing time of the exhaust valve from an outer cylinder area behind the exhaust valve in an outer cylinder area upstream of the intake valve.

In der Dissertation „Auswertung direkter Brennrauminformationen am Verbrennungsmotor mit estimationstheoretischen Methoden" von Martin Hart, Universität-Gesamthochschule Siegen, 16. April 1999, sind u. a. Verfahren zur Lasterfassung mittels Brennraumdruck beschrieben. Mittels eines Brennraumdrucksensors wird die Luftmasse im Zylinder individuell bestimmt. Dabei sind verschiedene Phasen zur Auswertung des Brennraumdruckverlaufs angegeben, die hierfür in Frage kommen, nämlich die Ladungswechselphase, die Kompressionsphase, die Verbrennungsphase und die Expansionsphase. Ferner ist angegeben, dass zur Lastschätzung ein adaptives Kalmann-Filter eingesetzt werden kann. Die Berechnung der Luftmasse aus dem Brennraumdrucksignal erfolgt dabei anhand des idealen Gasgesetzes, der polytropen Zustandsübergangsfunktion und dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Es ist angegeben, dass sich die Berechnung der Luftmasse aus drei Teilen zusammensetzt, einem druckproportionalen Anteil, einem Einfluss des Restgases und einem Anteil des verdampften Kraftstoffs.In the dissertation “Evaluation direct combustion chamber information on the internal combustion engine with estimation theory Methods "by Martin Hart, University Comprehensive College Siegen, April 16, 1999, are among others. a. Process for load detection using combustion chamber pressure described. The air mass is measured using a combustion chamber pressure sensor determined individually in the cylinder. There are different phases Evaluation of the combustion chamber pressure curve specified, which are in question come, namely the charge exchange phase, the compression phase, the combustion phase and the expansion phase. It is also indicated that for load estimation adaptive Kalmann filter can be used. The calculation the air mass from the combustion chamber pressure signal is based on the ideal gas law, the polytropic state transition function and the first Law of thermodynamics. It is stated that the calculation the air mass is composed of three parts, a pressure-proportional one Share, an influence of the residual gas and a share of the vaporized Fuel.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln der Frischluftmasse, Restgasmasse und Gesamtgasmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine anzugeben, das sich in möglichst einfacher Weise durchführen lässt und dennoch mit ausreichender Genauigkeit arbeitet.The present invention lies the task is based on a method for determining the fresh air mass, Residual gas mass and total gas mass in a cylinder of an internal combustion engine to indicate that is in as possible can be carried out easily and nevertheless works with sufficient accuracy.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 definiert.The inventive method for solving this Task is defined in claim 1.

Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sich die Zeitsteuerung der Brennkraftmaschine (die Drehwinkelstellung der Brennkraftmaschine im Verbrennungszyklus) und die Stellung von Einlass- und Auslassventil in Verbindung mit der Zylinderdruckinformation dazu verwenden lassen, anhand weniger Druckmessungen die Frischgas- und Gesamtgasmenge abzuschätzen. Ist die Zeitsteuerung der Brennkraftmaschine bekannt, lässt sich hieraus ohne weiteres die Stellung des Kolbens im Zylinder ermitteln. Mit dieser Information lassen sich dann die Betriebsphasen (Ansaugen, Verdichten, Verbrennen, Ausschieben) sowie wichtige Betriebspunkte wie oberer und unterer Totpunkt bestimmen, was wiederum ermöglicht, das für das Gas im Zylinder zur Verfügung stehende Volumen einschließlich des Restvolumens im oberen Totpunkt zu berechnen.The present invention is based on of consideration from that the timing of the internal combustion engine (the angular position of the internal combustion engine in the combustion cycle) and the position of Intake and exhaust valve in connection with the cylinder pressure information can be used to calculate the fresh gas and estimate the total amount of gas. If the timing of the internal combustion engine is known, from this easily determine the position of the piston in the cylinder. With this information, the operating phases (suction, Compressing, burning, pushing out) and important operating points how to determine top and bottom dead center which in turn enables that for the gas in the cylinder is available standing volume including of the remaining volume at top dead center.

Die Stellungen der Einlass- und Auslassventile sind ebenfalls Parameter, die bekannt sind, entweder aufgrund der Konstruktionsauslegung bei fester Nockenwellensteuerung oder aufgrund permanenter Überwachung bei Brennkraftmaschinen mit variabler Ventilsteuerung.The positions of the intake and exhaust valves are also parameters that are known, either due to the Design design with fixed camshaft control or due to permanent surveillance for internal combustion engines with variable valve control.

Mit Hilfe der Stellung der Einlass- und Auslassventile lassen sich daher die drei Betriebspunkte definieren, an denen der Druck gemessen wird.With the help of the position of the inlet and exhaust valves can therefore define the three operating points, where the pressure is measured.

Der erste Betriebspunkt fällt mit dem Zeitpunkt zusammen, zu dem der Ansaugtakt eingeleitet wird, wenn das Auslassventil geöffnet ist und das Einlassventil gerade geöffnet wurde. Der erste Betriebspunkt dient als Referenzpunkt für die anderen Messungen.The first operating point also falls the time at which the intake stroke is initiated, when the exhaust valve is open and the inlet valve has just been opened. The first operating point serves as a reference point for the other measurements.

Der zweite Betriebspunkt liegt am Beginn der Frischluftansaugung, wenn das Auslassventil gerade geschlossen wurde und das Einlassventil geöffnet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das freie Volumen des Zylinders im wesentlichen mit der Restgasmenge gefüllt, die durch interne oder externe Abgasrückführung im Zylinder eingefangen ist.The second operating point is on Fresh air intake begins when the exhaust valve is just closed has been opened and the inlet valve is. At this point the free volume of the cylinder is in essentially filled with the amount of residual gas generated by internal or external exhaust gas recirculation in the cylinder is captured.

Der dritte Betriebspunkt liegt am Ende der Frischluftansaugung, wenn das Einlassventil gerade geschlossen wurde und das Auslassventil geschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Zylinder mit der Gesamtgasmenge (Restgas und Frischgas) gefüllt.The third operating point is on End of fresh air intake when the inlet valve is just closed and the outlet valve is closed. At this time is the cylinder with the total amount of gas (residual gas and fresh gas) filled.

Wie oben erläutert, ist das für das Gas im Zylinder zur Verfügung stehende Volumen jederzeit und somit auch an den drei erwähnten Betriebspunkten bekannt. Da erfindungsgemäß der Druck im Zylinder an den drei Betriebspunkten gemessen wird, ist auch der Druck bekannt. Sofern auch die Temperatur in den drei Betriebspunkten bekannt ist, kann dann mit Hilfe einer thermischen Gas-Zustandsgleichung, die Druck, Volumen, Gas und Masse miteinander verknüpft, die Gasmasse an den drei Be triebsphasen berechnet werden. Im einfachsten Fall kann die thermische Zustandsgleichung für ideale Gase verwendet werden. Im Stand der Technik sind jedoch auch Zustandsgleichungen für reale Gase bekannt, mit denen sich genauere Ergebnisse erzielen lassen.As explained above, this is for the gas available in the cylinder standing volume at all times and therefore also known at the three operating points mentioned. According to the invention, the pressure in the cylinder at the three operating points is also the Known pressure. If the temperature in the three operating points is known, can then be solved using a thermal gas equation of state, the pressure, volume, gas and mass linked together, the Gas mass can be calculated in the three operating phases. In the simplest In this case, the thermal equation of state can be used for ideal gases. However, in the prior art there are also state equations for real ones Known gases with which more accurate results can be achieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es mit Messungen an nur drei Betriebspunkten während eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine auskommt. Dies vereinfacht nicht nur die Messung, sondern reduziert den Rechen- und Speicheraufwand für das Betriebssteuergerät. Aufgrund seiner Einfachheit hat das erfindungsgemäße Verfahren dennoch eine relativ hohe Genauigkeit und Robustheit. Darüber hinaus liefert es zylinderspezifische Informationen hinsichtlich Frischgas- und Restgasmasse und nicht lediglich eine umfassende Information für die gesamte Brennkraftmaschine. Die Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt seine Installation in standardmäßigen elektronischen Betriebssteuergeräten für die Serienfertigung.The method according to the invention has the advantage that there are measurements at only three operating points during one Working cycle of the internal combustion engine comes along. This simplifies it not only the measurement, but also reduces the computing and storage effort for the Operation control device. Because of its simplicity, the method according to the invention nevertheless relatively high accuracy and robustness. Furthermore it provides cylinder-specific information regarding fresh gas and residual gas mass and not just comprehensive information for the entire internal combustion engine. The simplicity of the method according to the invention allows its installation in standard electronic production control devices for series production.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the Invention are in the subclaims specified.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:Based on the drawings, an embodiment the invention closer explained. It shows:

1 eine schematische Ansicht eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, in der die drei Betriebspunkte angedeutet sind; 1 is a schematic view of a cylinder of an internal combustion engine, in which the three operating points are indicated;

2 ein Diagramm, in dem der Druck im Zylinder über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen ist. 2 a diagram in which the pressure in the cylinder is plotted against the crankshaft angle.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Ermitteln der Frischluftmasse, Restgasmasse und Gesamtgasmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, wie es in schematischer Weise in 1 dargestellt ist.The method according to the invention is used to determine the fresh air mass, residual gas mass and total gas mass in a cylinder of an internal combustion engine, as shown schematically in 1 is shown.

Bei diesem Verfahren werden die Werte des Drucks p im Zylinder Z an drei diskreten Betriebspunkten 1, 2 und 3 verwendet. Die Druckwerte werden durch Messen des Drucks p im Zylinder gewonnen, wozu ein herkömmlicher Drucksensor D verwendet werden kann. Da derartige Drucksensoren bekannt sind, wird hierauf nicht näher eingegangen.With this method, the values of the pressure p in the cylinder Z at three discrete operating points 1 . 2 and 3 used. The pressure values are obtained by measuring the pressure p in the cylinder, for which a conventional pressure sensor D can be used. Since such pressure sensors are known, this will not be dealt with in more detail.

Die drei Betriebspunkte werden wie folgt definiert:
Betriebspunkt 1: Bei Einleiten des Ansaugtaktes, wenn das Auslassventil AV geöffnet ist und das Einlassventil EV gerade geöffnet wurde. Es handelt sich somit um einen Betriebspunkt, der bei konventionellen Brennkraftmaschinen im Bereich des oberen Totpunktes liegt und bei modernen Brennkraftmaschinen deutlich hinter dem oberen Totpunkt liegen kann. Sein Druckwert dient als Referenzwert für die anderen Druckwerte, wie noch genauer erläutert wird.
Betriebspunkt 2: Bei Beginn der Frischluftansaugung, wenn das Auslassventil AV gerade geschlossen wurde und das Einlassventil EV geöffnet ist. Es handelt sich somit um einen Betriebspunkt zwischen dem oberen und unteren Totpunkt, wobei dieser Betriebspunkt so gewählt wird, dass das freie Volumen des Zylinders im wesentlichen ausschließlich mit dem für den nächsten Verbrennungsvorgang zur Verfügung stehenden Abgas gefüllt ist. Dieser Betriebspunkt definiert daher die im Zylinder eingefangene maximale Abgasmasse (Restgasmasse).
Betriebspunkt 3: Am Ende der Frischluftansaugung, wenn das Einlassventil gerade geschlossen wurde und das Auslassventil geschlossen ist. Dieser Betriebspunkt wird so gelegt, dass der Zylinder mit der gesamten Menge an Frischluft und Abgas gefüllt ist. Er definiert somit die Gesamtgasmasse, die im Zylinder zu Beginn des Verdichtungstaktes zur Verfügung steht.The three operating points are defined as follows:
operating point 1 : When the intake stroke is initiated, when the exhaust valve AV is open and the intake valve EV has just been opened. It is therefore an operating point that is in the area of top dead center in conventional internal combustion engines and can be well behind top dead center in modern internal combustion engines. Its pressure value serves as a reference value for the other pressure values, as will be explained in more detail.
operating point 2 : At the start of fresh air intake, when the outlet valve AV has just been closed and the inlet valve EV is open. It is therefore an operating point between the top and bottom dead center, this operating point being selected such that the free volume of the cylinder is filled essentially exclusively with the exhaust gas available for the next combustion process. This operating point therefore defines the maximum exhaust gas mass (residual gas mass) captured in the cylinder.
operating point 3 : At the end of fresh air intake, when the inlet valve has just been closed and the outlet valve is closed. This operating point is set so that the cylinder is filled with the entire amount of fresh air and exhaust gas. It thus defines the total gas mass that is available in the cylinder at the start of the compression stroke.

Die Betriebspunkte 1 bis 3 werden zweckmäßigerweise beim Kalibrieren der Brennkraftmaschine experimentell bestimmt und beispielsweise in Form von Kurbelwellen-Winkelstellungen im Betriebssteuergerät (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine gespeichert.The operating points 1 to 3 are expediently determined experimentally when calibrating the internal combustion engine and stored, for example, in the form of crankshaft angular positions in the operating control device (not shown) of the internal combustion engine.

In 1 sind die Betriebspunkte 1 bis 3 anhand gestrichelter Linien, die die Oberkante des zugehörigen Kolbens darstellen sollen, schematisch angedeutet.In 1 are the operating points 1 to 3 schematically indicated by dashed lines that should represent the upper edge of the associated piston.

In dem Diagramm der 2 ist der Druck p (in bar) über dem Kurbelwellenwinkel °K während eines Teils des Ansaugtaktes und Verdichtungstaktes des Zylinders Z aufgetragen. Mit 0° ist der untere Totpunkt zwischen Ansaugtakt und Verdichtungstakt bezeichnet. Die Betriebspunkte 1, 2 und 3, die durch die Stellungen von Einlass- und Auslassventil bestimmt werden, liegen im dargestellten Ausführungsbeispiel bei ca. –50°, –20° bzw. 5° bezüglich des unteren Totpunktes (0°). Es handelt sich somit um eine moderne Brennkraftmaschine, bei der das Einlassventil sehr spät öffnet, um möglichst viel Abgas in den Zylinder zurückzusaugen. Bei konventionellen Brennkraftmaschinen, bei denen das Einlassventil sehr viel früher öffnet, wäre daher der Betriebspunkt 1 näher zu dem oberen Totpunkt OT verschoben.In the diagram of the 2 the pressure p (in bar) is plotted over the crankshaft angle ° K during part of the intake stroke and compression stroke of the cylinder Z. The bottom dead center between intake stroke and compression stroke is designated with 0 °. The operating points 1, 2 and 3 , which are determined by the positions of the inlet and outlet valves, are in the exemplary embodiment shown at approximately −50 °, −20 ° or 5 ° with respect to the bottom dead center (0 °). It is therefore a modern internal combustion engine, in which the inlet valve opens very late in order to suck back as much exhaust gas as possible into the cylinder. In conventional internal combustion engines in which the inlet valve opens much earlier, this would be the operating point 1 shifted closer to top dead center OT.

Die Druckwerte an den drei Betriebspunkten 1, 2 und 3 können nun wie folgt zum Ermitteln der Frischluftmasse, Restgasmasse und Gesamtgasmasse verwendet werden:
Der Druck, das Volumen, die Temperatur und die Gasmasse im freien Raum des Zylinders Z seien mit Px, Vx, Tx bzw. mx bezeichnet, wobei x für den Betriebspunkt 1, 2 oder 3 steht.
V lässt sich in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurbelwelle und aufgrund der bekannten Konstruktion der Brennkraftmaschine in den drei Betriebspunkten bestimmen.
P wird, wie bereits erwähnt, von dem Drucksensor D im Zylinder Z gemessen.
T kann mittels eines Temperatursensors, beispielsweise mittels eines „Heißdrahtes" im Drucksensor, gemessen oder in Abhängigkeit von dem gemessenen Druck mittels irgendeines Verbrennungsmodells bestimmt werden, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
m lässt sich dann mit Hilfe einer thermischen Gas-Zustandsgleichung, die diese Größen miteinander verknüpft, in den drei Betriebspunkten berechnen. Im einfachsten Fall kann die thermische Zustandsgleichung für ideale Gase verwendet werden: Px · Vx = mx · R · Tx worin R die Isentropenkonstante für ideale Gase ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass für genauere Ergebnisse entsprechende thermische Zustandsgleichungen für reale Gase verwendet werden sollten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.The pressure values at the three operating points 1, 2 and 3 can now be used to determine the fresh air mass, residual gas mass and total gas mass as follows:
The pressure, the volume, the temperature and the gas mass in the free space of the cylinder Z are denoted by P x , V x , T x and m x , where x is the operating point 1, 2 or 3 stands.
V can be determined as a function of the angular position of the crankshaft and based on the known design of the internal combustion engine in the three operating points.
P is, as already mentioned, measured by the pressure sensor D in the cylinder Z.
T can be measured by means of a temperature sensor, for example by means of a “hot wire” in the pressure sensor, or determined as a function of the measured pressure by means of any combustion model, as is known in the prior art.
m can then be calculated at the three operating points using a thermal gas state equation that links these variables. In the simplest case, the thermal equation of state can be used for ideal gases: P x · V x = m x · R · T x where R is the isentropic constant for ideal gases. However, it should be pointed out that, for more precise results, corresponding thermal state equations for real gases should be used, as are known in the prior art.

Zur weiteren Vereinfachung sei in erster Näherung angenommen, dass die Werte von T in den drei Betriebspunkten 1, 2 und 3 gleich sind, was insofern zulässig ist, als diese drei Betriebspunkte innerhalb eines ähnlichen Betriebsbereiches hinsichtlich des Verbrennungsvorganges liegen.To further simplify it is assumed in a first approximation that the values of T in the three operating points 1, 2 and 3 are the same, which is permissible insofar as these three operating points lie within a similar operating range with regard to the combustion process.

Bei der weiteren Rechnung wird, wie bereits erwähnt, der Betriebspunkt 1 als Referenzpunkt verwendet.As already mentioned, the operating point becomes the next calculation 1 used as a reference point.

Zum Berechnen der Restgasmasse werden die Gasmassen in den Betriebspunkten 1 und 2 unter Verwendung der obigen thermischen Zustandsgleichung und der obigen Annahme für T berechnet und dann voneinander abgezogen. Es ergibt sich somit: Restgasmasse = m2 – m1 = (P2 · V2 · P1· V1) /R · T1. To calculate the residual gas mass, the gas masses are in the operating points 1 and 2 calculated using the above thermal state equation and assumption for T and then subtracted from each other. The result is: Residual gas mass = m 2 - m1 = (P 2 · V 2 · P 1 · V 1 ) / R · T 1 ,

Die Restgasmasse stellt somit die Menge an Abgas dar, die aufgrund einer internen oder externen Abgasrückführung im Zylinder Z eingeschlossen wurde.The residual gas mass thus represents Amount of exhaust gas that is due to internal or external exhaust gas recirculation in the Cylinder Z was included.

Die Gesamtgasmasse im Betriebspunkt 3 wird unter Verwendung der obigen Zustandsgleichung und der obigen Annahme für T wie folgt berechnet: m3 = P3 · V3/R · T3 = P3 · V3/R · T1. The total gas mass at the operating point 3 is calculated using the above equation of state and the above assumption for T as follows: m 3 = P 3 · V 3 / R · T 3 = P 3 · V 3 / R · T 1 ,

Es handelt sich hierbei um die gesamte Menge an Gasen im Zylinder am Ende des Ansaugtaktes, d. h., die gesamte Menge an Gasen, die für den folgenden Verbrennungsvorgang zur Verfügung steht und die sich aus der Frischluftmasse und der Restgasmasse zusammensetzt.It is the whole Amount of gases in the cylinder at the end of the intake stroke, d. i.e., the total amount of gases for the following combustion process is available and which turns out the fresh air mass and the residual gas mass.

Die Frischgasmasse lässt sich dann aus der Differenz zwischen der Gesamtgasmasse und der Restgasmasse ermitteln: Frischgasmasse = m3 – (m2 – m1) . The fresh gas mass can then be determined from the difference between the total gas mass and the residual gas mass: Fresh gas mass = m 3 - (m 2 - m 1 ).

Wie erwähnt, handelt es sich hierbei um ein stark vereinfachtes Rechenbeispiel, mit dem sich jedoch in erster Näherung brauchbare Ergebnisse erzielen lassen. Für genauere Ergebnisse können eine komplexere thermische Zustandsgleichung und/oder genauere Werte für T verwendet werden.As mentioned, this is the case a very simplified calculation example, with which however in first approximation get usable results. For more accurate results, a more complex one thermal equation of state and / or more accurate values for T used become.

Wie ersichtlich, lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren in sehr einfacher Weise die drei Parameter Frischgasmasse, Restgasmasse und Gesamtgasmasse für die einzelnen Zylinder bestimmen. Das Verfahren wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine laufend durchgeführt, so dass diese drei Parameter von der elektronischen Betriebssteuerung der Brennkraftmaschine im Hinblick auf Wirkungsgrad, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen eingesetzt werden können.As can be seen, the method described the three parameters in a very simple manner Fresh gas mass, residual gas mass and total gas mass for the individual Determine cylinder. The method is used during the operation of the internal combustion engine carried out continuously, so these three parameters from the electronic operations control the internal combustion engine in terms of efficiency, fuel consumption and pollutant emissions can be used.

Claims (7)

Verfahren zum Ermitteln der Frischluftmasse, Restgasmasse und Gesamtgasmasse in einem Zylinder (Z) einer Brennkraftmaschine, der mindestens ein Einlassventil (EV) und mindestens ein Auslassventil (AV) aufweist, bei dem der Druck (p) im Zylinder (Z) an drei Betriebspunkten (1, 2, 3) während eines Ansaugtaktes gemessen wird, und zwar an einem ersten Betriebspunkt (1) bei Einleiten des Ansaugtaktes, wenn das Auslassventil (AV) geöffnet ist und das Einlassventil (EV) gerade geöffnet wurde, an einem zweiten Betriebspunkt (2) bei Beginn der Frischluftansaugung, wenn das Auslassventil (AV) gerade geschlossen wurde und das Einlassventil (EV) geöffnet ist, und an einem dritten Betriebspunkt (3) am Ende der Frischluftansaugung, wenn das Einlassventil (EV) gerade geschlossen wurde und das Auslassventil (AV) geschlossen ist, und bei dem der im ersten und zweiten Betriebspunkt (1, 2) gemessene Druck (p1, p2) dazu verwendet wird, mit Hilfe einer thermischen Gas-Zustandsgleichung, die Druck (p), Volumen (V), Temperatur (T) und Gasmasse (m) miteinander verknüpft, die im Zylinder (Z) eingefangene Restgasmasse zu berechnen, und bei dem der im dritten Betriebspunkt (3) gemessene Druck (p3) dazu verwendet wird, mit Hilfe der thermischen Gas-Zustandsgleichung äie im Zylinder (Z) am Ende des Ansaugtaktes befindliche Gesamtaasmasse zu berechnen, und bei dem die Frischgasmasse aus der Differenz zwischen der Gesamtgasmasse und Restgasmasse bestimmt wird.Method for determining the fresh air mass, residual gas mass and total gas mass in a cylinder (Z) of an internal combustion engine, which has at least one intake valve (EV) and at least one exhaust valve (AV), in which the pressure (p) in the cylinder (Z) at three operating points ( 1 . 2 . 3 ) is measured during an intake stroke, namely at a first operating point ( 1 ) at the initiation of the intake stroke, when the exhaust valve (AV) is open and the intake valve (EV) has just been opened, at a second operating point ( 2 ) at the start of fresh air intake, when the outlet valve (AV) has just been closed and the inlet valve (EV) is open, and at a third operating point ( 3 ) at the end of fresh air intake, when the inlet valve (EV) has just been closed and the outlet valve (AV) is closed, and at which in the first and second operating point ( 1 . 2 ) measured pressure (p 1 , p 2 ) is used, with the help of a thermal gas state equation, the pressure (p), volume (V), temperature (T) and gas mass (m) linked together in the cylinder (Z ) to calculate the residual gas mass captured and at which the third operating point ( 3 ) measured pressure (p 3 ) is used to calculate the total mass of the mass in the cylinder (Z) at the end of the intake stroke using the thermal gas equation of state, and the fresh gas mass is determined from the difference between the total gas mass and the residual gas mass. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es für alle Zylinder (Z) der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that it is for all cylinders (Z) of the internal combustion engine is carried out. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Betriebspunkte (1, 2, 3) beim Kalibrieren der Brennkraftmaschine experimentell bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the three operating points ( 1 . 2 . 3 ) can be determined experimentally when calibrating the internal combustion engine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Betriebspunkte (1, 2, 3) in Form von Kurbelwellen-Winkelstellungen (°K) in einem Betriebssteuergerät der Brennkraftmaschine gespeichert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the three operating points ( 1 . 2 . 3 ) in the form of crankshaft angular positions (° K) in an operating control device of the internal combustion engine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) im Zylinder (Z) an den drei Betriebspunkten (1, 2, 3) durch Temperaturmessung bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature (T) in the cylinder (Z) at the three operating points ( 1 . 2 . 3 ) is determined by temperature measurement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) im Zylinder (Z) in Abhängigkeit vom gemessenen Druck mittels eines Verbrennungsmodells bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the temperature (T) in the cylinder (Z) is dependent on the measured pressure of a combustion model is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Temperatur (T) an den drei Betriebspunkten (1, 2, 3) als gleich angenommen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the values of the temperature (T) at the three operating points ( 1 . 2 . 3 ) are assumed to be the same.
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