DE102006000973A1 - Verfahren zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Ein hierfür bekanntes Verfahren nach dem Stand der Technik weist die Nachteile auf, dass zur Berechnung der Restgasmasse nach der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase die Temperatur im Brennraum entweder aufwändig gemessen oder mit Hilfe eines rechenintensiven Modells bestimmt werden muss. DOLLAR A Verfahren zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor, bei dem zylinderindividuell wenigstens eine Größe, die einen jeweiligen Verlauf einer Verbrennung in einem zugehörigen Brennraum charkaterisiert, gemessen oder bestimmt und abhängig von dieser wenigstens einen, den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe eine Bestimmung eines Restgasgehaltes durchgeführt wird. DOLLAR A Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die Flammenausbreitung in einem Verbrennungsmotor teilt man in eine vorgemischte und eine nicht-vorgemischte Verbrennung ein, wobei die vorgemischte Verbrennung auch häufig als Vormischverbrennung oder Premixed Verbrennung bezeichnet wird und die nicht-vorgemischte Verbrennung als Diffusionsverbrennung.
  • Da die Vormischverbrennung, nach einem gewissen Zündverzug, spontan mit sehr hohem Druckanstieg erfolgt, ist es üblich durch eine oder mehrere Voreinspritzungen diesem steilen Druckgradienten entgegenzuwirken. Der Druckgradient, bzw. die Intensität der Vormischverbrennung und der Zündverzug werden nicht nur von den Voreinspritzungen beeinflusst, sondern auch von einer Reihe von Parametern, wie zum Beispiel auch wesentlich von der Restgasmenge im Zylinder.
  • Aus der deutschen Patentschrift DE 102 54 475 B3 ist ein Verfahren zum Ermitteln der Frischluft-, Restgas- und Gesamtgasmasse in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt. Dieses Verfahren nach dem Stand der Technik weist jedoch die Nachteil auf, dass zur Berechnung der Restgasmasse nach der thermischen Zustandsgleichung für ideale Gase die Temperatur im Brennraum entweder aufwändig gemessen oder mit Hilfe eines rechenintensiven Modells bestimmt werden muss.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor so zu gestalten, dass hierzu keine Temperaturmessung im Brennraum und auch kein aufwändiges Rechenmodell notwendig ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit ausgewählten Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Nach Patentanspruchs 1 wird zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor zylinderindividuell wenigstens eine Größe, die einen jeweiligen Verlauf einer Verbrennung in einem zugehörigen Brennraum charakterisiert, gemessen oder bestimmt und abhängig von dieser wenigstens einen, den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe eine Bestimmung eines Restgasgehaltes durchgeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik die Vorteile auf, dass der Restgasgehalt problemlos bestimmt und zur Regelung der Brennkraftmaschine herangezogen werden kann. Dadurch können den Verbrennungsverlauf beeinflussende Parameter besser geregelt und folglich höhere Leistungs- und Drehmomentwerte bei gleichzeitig besseren Verbrauchs- und Emissionswerten des Verbrennungsmotors erreicht werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2, 3 und 4 wird die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe auf Basis einer Körperschall-Messung, auf Basis eines Klopfsensor-Ausgangssignals oder auf Basis eines gemessenen Brennraumdruckverlaufs gebildet. Sensoren, Mess- und Auswerteverfahren für diese physikalischen Größen sind bereits bekannt und erhältlich, so dass mit bekannten Mitteln verlässliche Aussagen über den Verlauf eines Verbrennungsvorganges gemacht werden können.
  • Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Restgasgehalts einem Regler, und nach Patentanspruch 6 insbesondere einem Proportional-Regler als Führungsgröße zugeführt wird. Diese Regelstruktur gewährleistet eine kostengünstige und schnelle Regelung, so dass die Regeleingriffe bereits beim nächsten Arbeitsspiel wirksam sind.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Patentanspruch 7 ist vorgesehen, dass eine Ausgangsgröße des Reglers zur Steuerung eines Abgasrückführventils herangezogen wird. Diese Maßnahme dient auf einfache und kostengünstige Art und Weise zur schnellen Steuerung einer Abgasrückführrate bei einer externen Abgasrückführung, wie sie bei modernen Verbrennungsmotoren gebräuchlich ist. Somit sind wenigstens prinzipiell keine weiteren Sensoren wie zum Beispiel Drucksensoren zur Steuerung des Abgasrückführventils notwendig.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Patentanspruch 8 wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsgröße des Reglers zur Steuerung von Voreinspritzungsparametern herangezogen wird. Diese Maßnahme ermöglicht bei Verbrennungsmotoren mit konventioneller Nockenwelle (ohne Verstellmöglichkeit) wenigstens bei stationärem Betrieb eine merkliche Verminderung des Verbrennungsgeräusches bei gleichzeitig angestrebter hoher Abgasrückführrate.
  • Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung gemäß Patentanspruch 9 wird die Ausgangsgröße des Reglers zur Steuerung von Ventilsteuerzeiten einer variablen Ventilsteuerung herangezogen.
  • Bei Verbrennungsmotoren mit variabler Ventilsteuerung (verstellbare Nockenwelle bzw. voll variable elektrische oder hydraulische Ventilsteuerung) ist eine individuelle Steuerung der einzelnen Ventilöffnungs- und Schließzeiten und der Ventilöffnungsgrade möglich. Diese Maßnahme ermöglicht somit bei derartigen Verbrennungsmotoren durch Spreizung und Überschneidung bei den einzelnen Ventilsteuerzeiten und Ventilöffnungsgraden eine sehr schnelle interne Abgasrückführung und somit eine auch für den instationären Betrieb geeignete sehr schnelle Beeinflussung des Verbrennungsvorganges.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Patentanspruch 10 wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsgröße des Reglers zur Steuerung von Voreinspritzungsparametern oder zur Steuerung von Ventilöffnungs- und Schließzeiten oder Ventilöffnungsgraden einer variablen Ventilsteuerung herangezogen wird. Dadurch wird eine optimale Variabilität der Regelung des Verbrennungsvorganges ermöglicht, und es kann je nach Betriebspunkt entschieden werden, welcher Zweig (Steuerung über interne AGR oder über Voreinspritzung oder beide in Kombination) zur Regelung des Brennvorganges herangezogen wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren angegeben.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
    •
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Diagramm mit dem Heizverlauf über dem Kurbelwinkel in Abhängigkeit unterschiedlicher Abgasrückführraten,
  • 2 ein prinzipielles Funktionsdiagramm für eine Regelstruktur mit zylinderindividueller Voreinspritzung und
  • 3 ein prinzipielles Funktionsdiagramm für eine Regelstruktur mit variabler Ventilsteuerung.
  • Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug.
  • Die 1 zeigt ein Diagramm 1, in welchem auf einer ersten Achse 2 ein (berechneter) Heizverlauf bei einem Verbrennungsvorgang in einem Verbrennungsmotor über einem auf einer zweiten Achse 3 aufgetragenen Kurbelwinkel dargestellt ist. Die 1 zeigt im Diagramm 1 drei Heizverläufe 4, 5 und 6, wobei in jedem Betriebspunkt nur die Abgasrückführrate verändert wurde. Eine gestrichelte erste Kurve 4 zeigt den Heizverlauf bei einer Abgasrückführrate von 10 %, eine durchgezogene zweite Kurve 5 den Heizverlauf bei einer Abgasrückführrate von 30 % und eine gepunktete dritte Kurve 6 den Heizverlauf bei einer Abgasrückführrate von 40 %.
  • Aus dem Diagramm 1 geht deutlich hervor, dass ein Heizverlauf während eines Verbrennungsvorgangs von der Menge des rückgeführten Abgases abhängig ist. Besonders deutlich zu sehen ist dies am ersten Teil der Verbrennung, der Vormischverbrennung, welche auf eine erste Voreinspritzung zurück geht und die im Diagramm 1 durch einen Kreis 7 hervorgehoben ist. Je niedriger die Abgasrückführrate mittels eines Abgasrückführventils eingestellt ist, desto ausgeprägter verläuft die Vormischverbrennung 7. Erfolgt keine Abgasrückführung (Abgasrückführrate 0 %), ist die Vormischverbrennung 7 am meisten ausgeprägt.
  • Die erste Voreinspritzung in einem Verbrennungsmotor verbrennt überwiegend vorgemischt. Somit kann ein Merkmal zur Intensität der Vormischverbrennung aus der ersten (oder auch zweiten) Voreinspritzung gewonnen werden, wie dies aus dem Diagramm 1 hervorgeht. Ein mögliches Merkmal könnte zum Beispiel die Fläche unter dem Heizverlauf oder der maximale Wert des Heizverlaufes an der Stelle der Vormischverbrennung 7 sein.
  • Die Erfindung besteht nun darin, den Restgasgehalt eines Motors zylinderindividuell über den Anteil der Vormischverbrennung 7 zu errechnen. Eine mögliche Vorgehensweise zur Bestimmung des Restgasanteiles auf Basis dieser Erfindung wird im folgenden beschrieben.
  • In einem Betriebspunkt, in welchem das Abgasrückführventil (AGR-Ventil) geschlossen ist und somit kein Abgas zurückgeführt wird, werden die Voreinspritzungen bis auf einen minimalen Wert reduziert. In Folge davon entsteht in jedem Zylinder ein sehr hoher Anteil der Vormischverbrennung 7, siehe 1.
  • Ein Wert XREF für diesen Vormischanteil kann bei Verwendung von Klopf- oder anderen Körperschallsensoren über eine FFT (Fast-Fourier-Transformation), oder bei Verwendung einer Zylinderdrucksensorik über eine Heizverlaufsrechnung für jeden Zylinder ermittelt werden. Dieser Wert XREF dient im weiteren als Referenzwert.
  • In diesem Betriebspunkt wird nun das AGR-Ventil geöffnet und in eine beliebig geöffnete Stellung gebracht. Daraufhin wird für jeden Zylinder ein neuer Wert XNEU für den Anteil der Vormischverbrennung 7 berechnet. Der aktuelle Restgasgehalt eines Zylinders wird dann gemäß folgender Gleichung berechnet:
    Figure 00070001
  • Für jeden Öffnungswinkel des AGR-Ventils kann ein neuer Wert RAGR,Zyl berechnet werden. Die Koeffizienten αi und bi werden experimentell bestimmt. Falls ein Absolutwert des Restgases für einen Zylinder bestimmt werden soll, ist es notwendig, den Restgasgehalt RAGR,Zyl bei Bestimmung der Koeffizienten αi und bi zu messen.
  • Dieses Verfahren kann auf mehrere Betriebspunkte ausgeweitet werden. Die errechneten Werte XREF für den Anteil der Vormischverbrennung können in Kennfeldern gespeichert werden. Wobei es von Vorteil ist, wenn die Variationen von Drehzahl, Rail-Druck, Ladelufttemperatur und Ladedruck, Ansteuerbeginn und Dauer der Haupteinspritzung mitberücksichtigt werden.
  • Außerdem sollten bei vorhandener Voreinspritzung der Ansteuerbeginn und die Menge der Voreinspritzung Berücksichtigung finden.
  • Die Werte XREF können an ausgewählten Betriebspunkten am Prüfstand gemessen werden und gegebenenfalls im Fahrzeug während des Fahrbetriebs angepasst werden. Zwischen einzelnen Betriebspunkten sollten die Kennfelder interpoliert werden.
  • In 2 ist ein prinzipielles Funktionsdiagramm 8 für eine Regelstruktur mit zylinderindividueller Voreinspritzung dargestellt. Ein Funktionsblock 9 symbolisiert eine Brennkraftmaschine (Motor) mit einem oder mehreren Zylindern und Brennräumen.
  • Ein Funktionsblock 10 symbolisiert, dass auf bekannte Art und Weise beispielsweise auf Basis von Drucksensoren der Druckverlauf in jedem Zylinder gemessen und darauf basierend in einem nachfolgenden Funktionsblock 11 der Heizverlauf berechnet oder auf andere Art und Weise bestimmt wird. Eine Heizverlaufsrechnung im Funktionsblock 11 erfolgt mittels einem aus der Literatur bekannten Verfahren, wie zum Beispiel nach Hohenberg oder Rassweiler Withrow.
  • Die Bestimmung des Heizverlaufes kann ebenso auf Basis einer Körperschallmessung im Funktionsblock 10, insbesondere mittels Klopfsensoren, und mittels einer FFT im Funktionsblock 11 erfolgen.
  • Als Ergebnis der Heizverlaufsanalyse bzw. der FFT im Funktionsblock 11 ergibt sich eine Intensität der Vormischverbrennung 12 (XREF), welche einem Regler 13 als Eingangs- oder Führungsgröße zugeführt wird. Beim Regler 13 handelt es sich üblicherweise um einen Proportional-Regler (K-Regler). Eine Regelgröße 14 stellt die Ausgangsgröße des Reglers 13 dar. Die Ausgangsgröße 14 des Reglers 13 wird einem ersten nachfolgenden Funktionsblock 15 und einem zweiten, parallel zum Funktionsblock 15 angeordneten Funktionsblock 17 zugeführt.
  • Im Funktionsblock 15 wird mit Hilfe der Ausgangsgröße 14 ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) gesteuert, was die Steuerung der Abgasrückführrate (einer äußeren oder externen Abgasrückführung) zur Folge hat. Die Stellung des Abgasrückführungsventils bzw. die eingestellte Abgasrückführrate hat Auswirkungen auf den Brennverlauf in den Brennräumen der Brennkraftmaschine im Funktionsblock 9, was durch einen Wirkungspfeil 16 symbolisiert ist.
  • Zudem werden mit Hilfe der Ausgangsgröße 14 im Funktionsblock 17 individuell für jeden Zylinder die Voreinspritzungsparameter (Anzahl, Kraftstoffmenge, Zeitpunkt und Dauer der Voreinspritzungen) gesteuert, um (im Idealfall nur) zylinderindividuelle Unterschiede im Brennverlauf (in Folge von Lage-, Fertigungstoleranzen, unterschiedlich langen Luftpfaden usw.) anzugleichen oder auszuregeln. Demjenigen Zylinder, in welchem die geringste Restgasmenge vorhanden ist bzw. demjenigen Zylinder, in welchem die Intensität der Vormischverbrennung am stärksten ist, wird eine vergleichsweise große oder größte Voreinspritzungsmenge zugeführt. Umgekehrt wird demjenigen Zylinder mit der größten Restgasmenge bzw. demjenigen Zylinder mit der schwächsten Vormischverbrennung eine vergleichsweise geringe oder geringste Voreinspritzungsmenge zugeführt.
  • Die Wirkung der im Funktionsblock 17 eingestellten Voreinspritzungsparameter auf den Brennverlauf ist durch einen Wirkungspfeil 18 in Richtung auf den Funktionsblock 9 (Brennkraftmaschine) symbolisiert.
  • Diese in 2 dargestellte Regelstruktur 8 ist bei einer Brennkraftmaschine mit konventioneller Nockenwelle aufgrund der fehlenden Verstellbarkeit der Nockenwelle nur für den stationären Betrieb realisierbar.
  • 3 zeigt eine Regelstruktur 20, die im Unterschied zur Regelstruktur 8 der 2 für den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit variabler Ventilsteuerung geeignet ist. Identisch zur Regelstruktur 8 der 2 sind ein Funktionsblock 9' (Brennkraftmaschine), ein Funktionsblock 10' (Druck-, Körperschallsensor), ein Funktionsblock 11' (Heizverlaufanalyse/FFT) mit einer Ausgangsgröße 12' (Intensität Vormischverbrennung XREF), ein Funktionsblock 13' (K-Regler) mit einer Ausgangsgröße 14' (Regelgröße), ein Funktionsblock 15' (AGR-Ventil) mit einem Wirkungspfeil 16' (äußere oder externe AGR) und ein Funktionsblock 17' (Voreinspritzung) mit einem Wirkungspfeil 18'.
  • Unterschiedlich ist jedoch, dass die Ausgangsgröße 14' einem nachfolgenden Funktionsblock 21 (variable Ventilsteuerung) zugeführt wird. Im Funktionsblock 21 werden individuell für jeden Zylinder die Ventilsteuerungsparameter (öffnungs- und Schließzeiten, Öffnungsgrad) einer variablen Ventilsteuerung gesteuert, um (im Idealfall nur) zylinderindividuelle Unterschiede im Brennverlauf (in Folge von Lage-, Fertigungstoleranzen, unterschiedlich langen Luftpfaden usw.) anzugleichen oder auszuregeln. Die Wirkung der im Funktionsblock 21 eingestellten Ventilsteuerungsparameter auf den Brennverlauf ist durch einen Wirkungspfeil 22 (interne AGR) in Richtung auf den Funktionsblock 9 (Brennkraftmaschine) symbolisiert.
  • Demjenigen Zylinder, in welchem die geringste Restgasmenge vorhanden ist bzw. demjenigen Zylinder, in welchem die Intensität der Vormischverbrennung am stärksten ist, wird über die innere oder interne Abgasrückführung eine vergleichsweise große oder größte Abgasmenge zugeführt. Umgekehrt wird demjenigen Zylinder mit der größten Restgasmenge bzw. demjenigen Zylinder mit der schwächsten Vormischverbrennung über die innere oder interne Abgasrückführung eine vergleichsweise geringe oder geringste Abgasmenge zugeführt.
  • Der zusätzliche Ausgleich der zylinderindividuellen Unterschiede über die Voreinspritzung im Funktionsblock 17' ist optional und kann auch entfallen, wenn die externe AGR 15', 16' in Verbindung mit der internen AGR 21, 22 ausreicht, den Brennverlauf zufriedenstellend zu regeln.

Claims (10)

  1. Verfahren zur zylinderindividuellen Restgasbestimmung bei einem Verbrennungsmotor, – bei dem zylinderindividuell wenigstens eine Größe, die einen jeweiligen Verlauf einer Verbrennung in einem zugehörigen Brennraum charakterisiert, gemessen oder bestimmt und – abhängig von dieser wenigstens einen, den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe eine Bestimmung eines Restgasgehaltes durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe auf Basis einer Körperschall-Messung gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe auf Basis eines Klopfsensor-Ausgangssignals gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe auf Basis eines gemessenen Brennraumdruckverlaufs gebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Restgasgehalts einem Regler (13; 13') als Führungsgröße (12; 12') zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Restgasgehalts einem Proportional-Regler (13; 13') als Führungsgröße (12; 12') zugeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsgröße (14; 14') des Reglers (13; 13') zur Steuerung eines Abgasrückführventils (15; 15') herangezogen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße (14; 14') des Reglers (13; 13') zusätzlich zur Steuerung von Voreinspritzungsparametern (17; 17') herangezogen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße (14; 14') des Reglers (13; 13') zusätzlich zur Steuerung von Ventilöffnungs- und Schließzeiten oder Ventilöffnungsgraden einer variablen Ventilsteuerung (21) herangezogen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße (14; 14') des Reglers (13; 13') zusätzlich zur Steuerung von Voreinspritzungsparametern (17; 17') oder zur Steuerung von Ventilöffnungs- und Schließzeiten oder Ventilöffnungsgraden einer variablen Ventilsteuerung (21) herangezogen wird.
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