DE102021102030A1

DE102021102030A1 - Echtzeit-Ermittlung einer Frischluftmasse im Zylinder

Info

Publication number: DE102021102030A1
Application number: DE102021102030.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Grasreiner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-04
Also published as: US20240084755A1; CN116457562A; WO2022161769A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Frischluftmassenkenngröße in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Schritte: Identifizieren eines Zylinders, welcher sich während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu Ende eines Einlasstakts oder zu Beginn eines Verdichtungstakts befindet, Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das sich nach einem Schließen der Einlassventile des identifizierten Zylinders innerhalb eines Drehmomentlochs des Verbrennungsmotors erstreckt, Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, Bestimmen der Frischluftmassenkenngröße in dem identifizierten Zylinder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuermittel zur Ermittlung einer Frischluftmassenkenngröße in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors, sowie einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Steuermittel.
Die Kenntnis der Frischluftmasse in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors ist von zentraler Bedeutung für die Regelung des Betriebsprozesses. Die Luftmenge hat Einfluss auf die erzeugbaren Druckverläufe, die Drehmomentenabgaben (Last), die Rohemissionen und damit direkt auf weitere Steuerparameter wie Kraftstoffbeimengung, Zündungszeitpunkte etc..
Zusätzlich gewinnen Möglichkeiten einer vorausschauenden Wartung („predictive maintenance“, auch „Gesundheitsfunktionen“ genannt) für Verbrennungsmotoren immer größere Wichtigkeit. Diese sollen den aktuellen Performancezustand - und damit den Wartungsbedarf - insbesondere hinsichtlich benötigtem Wartungsumfang und hinsichtlich einer vorteilhaften Zeitschiene quantifizieren.
Eine Voraussetzung für einen runden und kontinuierlichen Motorlauf ist die korrekte Zumessung einer zu injizierenden Kraftstoffmenge in jedem Betriebszustand des Verbrennungsmotors. Wie viel Kraftstoff injiziert werden muss, um das gewünschte Verbrennungsverhältnis zu erreichen, hängt primär von der im Brennraum des Zylinders zur Zündung vorliegenden Frischluftmasse ab, die ihrerseits die zur Verbrennung zur Verfügung stehende Sauerstoffmasse determiniert.
Für stationäre Betriebe kann die Luftmasse sehr gut gemessen werden, beispielsweise mit Hilfe von Stauklappenmechanismen oder Heißfilm-Luftmassenmessern.
Im Bereich von transienten, also instationären, Vorgängen am Motor ist die quantitative Messung der Luftmasse jedoch schwierig, da insbesondere bei Lastwechseländerungen der Sensor zum einen zu weit vom Ort des Geschehens entfernt liegt (Sensor in der Ansaugstrecke, Aussage Luftfanggrad aber in der Brennkammer notwendig), und zum anderen der Sensor aufgrund seines thermischen Messprinzips eine gewisse physikalische Zeitkonstante aufweist, bis er verlässliche Werte liefert (Schwingungsverhalten, Einregelverhalten etc.).
Gerade im transienten Betriebsbereich kann aber eine unzureichend genaue Berechnung der Luftmasse im Zylinder erhöhte Emissionen nach sich ziehen, und im Extremfall einen unrunden Motorlauf und/oder Verbrennungsaussetzer.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Ermittlung einer Frischluftmassenkenngröße in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Steuermittel mit den Merkmalen von Anspruch 10 und einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 14. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung einer, insbesondere relativen, Frischluftmassenkenngröße in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug offenbart, aufweisend - in der angegebenen oder einer anderen fachmännisch sinnvollen Reihenfolge - zumindest einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte:

(i) Identifizieren eines Zylinders, welcher sich während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu Ende eines Einlasstakts oder zu Beginn eines Verdichtungstakts befindet. Die Identifikation dieses/dieser Zylinder kann insbesondere durch ein Auslesen vorhandener Informationen aus einem Betriebsmodell, insbesondere der Motorsteuerung, erfolgen. Unter einem Einlasstakt ist insbesondere derjenige Takt eines Zylinders zu verstehen, in welchem die Befüllung mit Frischluft für die folgende Verbrennung durchgeführt und abgeschlossen wird.
(ii) Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters, das sich nach einem Schließen der Einlassventile des identifizierten Zylinders innerhalb eines Drehmomentlochs, insbesondere eines der Takte, des Verbrennungsmotors erstreckt. Unter einem Diagnose-Zeitfenster ist insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum als Anteil eines Kompressionstakts in dem Verbrennungsmotor (beispielsweise einer der Takte einer Viertakt-Verbrennung in einem Viertaktmotor) zu verstehen. Unter einem Diagnose-Zeitpunkt ist insbesondere ein Zeitpunkt innerhalb des Diagnose-Zeitfensters zu verstehen, für welchen eine, mehrere oder alle Bestimmungsgrößen einer zu ermittelnden Zielgröße ermittelt werden. Unter einem Drehmomentloch ist vorliegend insbesondere ein Kurbelwinkelbereich zu verstehen, in welchem der betrachtete Zylinder und/oder mehrere oder alle anderen Zylinder des Motors keinen im Kontext relevanten Beitrag zu einem Vortriebs-Drehmoment leisten.
(iii) Ermitteln einer Drehzahlentwicklung des Verbrennungsmotors während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Sampling-Qualität. Unter einer Drehzahlentwicklung ist vorliegend insbesondere zu verstehen, wie sich eine an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors anliegende Drehzahl während des Diagnose-Zeitfensters entwickelt. Dazu können Werte für die Drehzahl mit einer hohen Samplingfrequenz, beispielsweise im Bereich von einer Millisekunde (ms) oder schneller, zwischen zeitlich benachbarten Werten, verwendet werden.
(iv) Ermitteln einer vereinfachten Zylinderlastkenngröße im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung.
(v) gemäß einer Ausführung Bestimmen der Frischluftmassenkenngröße in dem identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten vereinfachten Zylinderlastkenngröße.

Die Erfindung ermöglicht eine schnelle Regelung der benötigten Kraftstoff-Injektionsmenge innerhalb weniger oder gar innerhalb eines Arbeitsspiels, auch bei einem transienten (also nicht stationären) Betriebszustand des Verbrennungsmotors.
Damit kann auch in einem transienten Betriebszustand des Verbrennungsmotors die Bestimmung der geeigneten Kraftstoff-Injektionsmenge für ein folgendes Arbeitsspiel des diagnostizierten Zylinders mit hoher Vorsteuerungsqualität bestimmt und eingespritzt werden. In stationären Betriebszuständen ist dies auch den herkömmlichen Verfahren zur Ermittlung der Frischluftmassenkenngröße problemlos möglich, weil sich die einzuspritzende Kraftstoffmenge von einem auf das nächste Arbeitsspiel meist nicht oder nur geringfügig ändert.
Durch den Ermittlungsansatz, von einer hochaufgelösten Drehzahlmessung auszugehen, welche universell immer wieder gleich ausgewertet werden kann, ist das Verfahren einfacher anwendbar und/oder über verschiedene Anwendungsfälle hinweg besser wiederverwendbar als bekannte Modelle.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Steuermittel zur Ermittlung einer, insbesondere relativen, Frischluftmassenkenngröße in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors offenbart, das insbesondere in und/oder als Teil eines Motorsteuergeräts für einen Verbrennungsmotor eines PKW ausgebildet ist. Das Steuermittel ist dazu eingerichtet, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einer Ausführung der Erfindung, ermittelte und/oder in einem Speicher abgelegte, Werte einer Frischluftmassenkenngröße zu übergeben

(a) an eine Steuerkomponente des Steuermittels für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der übergebenen Werte der Frischluftmassenkenngröße, und/oder
(b) an eine Diagnosekomponente des Steuermittels für weitere Onboard-Diagnosefunktionen.

Gemäß einer Ausführung weist das Steuermittel eine Steuerkomponente auf, die dazu eingerichtet ist, eine Kraftstoff-Injektionsmenge für ein bestimmtes Arbeitsspiel eines Zylinder in Abhängigkeit vom einem ermittelten Wertes der Frischluftmassenkenngröße zu einem vorherigen, insbesondere dem letzten vorherigen, Arbeitsspiel des identifizierten Zylinders oder eines direkt zuvor, insbesondere zuletzt, diagnostizierten Zylinders zu bestimmen und insbesondere einzuspritzen.
Insbesondere kann also (I) entweder immer ein bestimmter Zylinder ausgewertet werden und dann im neuen Arbeitsspiel seine zuvor ermittelte Luftmasse verwendet werden zur Ermittlung der Frischluftmassenkenngröße, oder (II) ein Zylinder ausgewertet werden bzgl. seiner Luftmasse und dem nächstzündenden Zylinder der dabei und/oder zuletzt ermittelte Wert der Frischluftmassenkenngröße übergeben für seine Vorsteuerung. Letztere Option (II) kann insbesondere für schnelle transiente Änderungen interessant sein, um zwischen zwei bekannten Werten der Frischluftmassenkenngröße nur eine kurze Zeitspanne liegen zu haben.
Gemäß einer Ausführung weist das Steuermittel einen nichtflüchtigen Speicher auf und ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitpunkten, insbesondere, ermittelte Werte der Frischluftmassenkenngröße in dem Speicher abzulegen.
Gemäß einer Ausführung ist das Steuermittel dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Werte der Frischluftmassenkenngröße an einen Offboardrechner für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern offenbart, aufweisend ein Steuermittel gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass die bekannten Verfahren zur Ermittlung der Frischluftmasse (=Last) im Zylinder für stationäre Betriebsfälle normalerweise ausreichend sind.
Der Erfindung liegt ferner unter anderem die Überlegung zugrunde, dass sich die Luftmasse in der Brennkammer direkt nicht bestimmen lässt, da die geometrische Anordnung und die Kostenrestriktionen des Betriebs keinen entsprechenden Sensorverbau zulassen. Klassischerweise werden dementsprechend Messmethoden verwendet, die entweder „weit entfernt“ vom Ort des Geschehens im Zylinder eine Massenstrommessung durchführen (z.B. Heissfilmluftmassenmesser im Saugrohr) oder druckbasiert und modellgestützt eine Estimation der gefangenen Luftmasse schätzen. Bei den vorhandenen Methoden bestehen Probleme darin, dass diese entweder zu träge sind, nicht direkt den Einfluss der Luftfanggrade auf die Brennkammer betrachten oder zu teure Applikationen der Sensorik notwendig werden.
Ferner liegt der Erfindung unter anderem die Überlegung zugrunde, dass bekannte Rechenmodelle für stationäre, transiente Betriebsfälle häufig sehr komplex sind, wenn sie während des transienten Betriebszustands ein Ergebnis erbringen, mit dem auf Basis einer ausreichend genau Frischluftmasse die gewünschte Kraftstoffmenge injiziert werden kann.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, die hochauflösend erfasste Drehzahl der Kurbelwelle als Basis für die Ermittlung der Frischluftmasse im Zylinder zu verwenden. Die Drehzahl - zumindest im Kurbelwinkel-Bereich der Verdichtung - eine direkte Auswirkung der Füllung (und der Reibung). Daher erweist sich die Interpretation der Drehzahl als Füllungsfunktion als gangbarer Ansatz.
Die Erfindung basiert ferner unter anderem auf der Idee, ein „physikalischer“ arbeitendes Modell mit nur wenigen variablen Parametern zu erstellen, das echtzeitfähig ist und dennoch eine ausreichend genaue Ermittlung der im Zylinder vorhanden Frischluftmasse ermöglicht. Dies wird eben durch die Verwendung der Drehzahl erreicht, deren Mikro-Entwicklung im Verdichtungsbereich sehr viel stärker von der Sauerstoffmenge im Zylinder beeinflusst wird als von anderen Variablen.
Die Erfindung basiert ferner unter anderem auf der Idee, dass neben der Lösung der Regelungsaufgabe, für welche die Luftmasse notwendig ist im Betrieb des Verbrennungsmotors, auch zeitlich gefilterte Kennwerte erzeugt werden können, welche ein Langzeitverhalten des Motors aufzeigen und welche sich für Diagnosezwecke eignen.
Dazu erfolgt gemäß einer Ausführung eine Modellierung der Lastgrößen mit Hilfe von thermodynamischen Zusammenhängen und grafischer Vereinfachung (u.a. mittels Entfernung schwacher beeinflussender Kanten in einer Graphmodellierung) für die Echtzeitberechnung. Gemäß einer Ausführung erfolgt eine Ermittlung eines diagnostischen Zylinderdrucks im Zylinder, indem aus einem hochaufgelösten Drehzahlsignal ein Drucksignal im Zylinder ermittelt wird. Das Drucksignal ist gemäß einer Ausführung in einem Diagnosezeitfenster zu ermitteln, welches für den diagnostizierten Zylinder nach Ende der Einlassphase innerhalb der Verdichtung liegt.
Das Diagnosezeitfenster ist insbesondere mit folgenden Bedingungen auszuwählen: (a) beginnt möglichst früh nach Schließen der Einlassventile; dann ist die vollständige Zylinderladung im Brennraum gefangen; (b) verläuft dort, wo keine signifikanten Drehmomentbeiträge aus dem gerade feuernden Zylinder zu erwarten sind. Der Winkelbereich des Diagnosezeitfensters beträgt dabei beispielsweise 30-45° KW.
Gemäß einer Ausführung erfolgt eine Berechnung eines Lastwerts (=Frischluftmassenkenngröße) in dem gerechneten Arbeitsspiel für den gerechneten Zylinder. Der berechnete Lastwert wird in das nächste Arbeitsspiel übergeleitet. Die Vorsteuerung der Injektormenge kann ggf. zusätzlich einen Input eines jenseits der Erfindung statisch berechnetem Lastwert (aus dem vorherigen Arbeitsspiel) und ggf. noch einen Input eines transient jenseits der Erfindung transient prädizierten Lastwert-Offsets.
Echtzeitfähig bedeutet für den Kontext der Erfindung insbesondere, dass mit den Mess- und Berechnungswerten für ein bestimmtes Arbeitsspiel eine ausreichend genaue Ansteuerung der Kraftstoffinjektion für das nächste oder übernächste Arbeitsspiel ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführung werden zum Ermitteln der vereinfachten Zylinderlastkenngröße neben der Drehzahlentwicklung die folgenden variablen Größen ermittelt: (1) ein Zylindervolumen zu einem Diagnosezeitpunkt, der, insbesondere mittig, innerhalb des Diagnose-Zeitfensters liegt, und/oder (2) eine reduzierte Kolbenbeschleunigung im Diagnose-Zeitfenster, und/oder (3) ein Druck im Saugrohr im Diagnose-Zeitfenster.
Dies ermöglicht aufgrund des Rückgriffs auf nur wenige veränderliche Einflussgrößen und die damit verbundene aufwandsarme Modellrechnung eine schnelle Ermittlung der Frischluftmassenkenngröße auf Basis der vereinfachten Zylinderlastkenngröße. Durch den verminderten Rechenaufwand im Steuermittel kann die benötigte Rechengeschwindigkeit erreicht werden, um mit vertretbaren Genauigkeitseinbußen eine Ermittlung der Frischluftmassenkenngröße binnen eines Arbeitsspiels und damit die Möglichkeit der direkten Ansteuerung der benötigten Kraftstoffmenge im nächsten Arbeitsspiel auch im transienten Betrieb zu schaffen. Gemäß einer Ausführung werden zum Ermitteln der vereinfachten Zylinderlastkenngröße darüber hinaus lediglich Konstanten verwendet, die insbesondere in einem Steuermittel hinterlegt sind und/oder mit Hilfe folgender Vorgehensweise am Entwicklungsmotor ermittelt wurden: (I) Komplettes Kennfeld (Drehzahl / Last) wird vermessen. (II) Auswertung Zylinderdruckindizierung, Berechnung Restgasanteil und Temperatur über Gaswechselanalyse. (III) Berechnung der jeweiligen Kennwerte aus den Ergebnissen und Ablage über mittlerer Motordrehzahl (Kennlinie).
Durch eine sorgfältige Befüllung entsprechender Kennfelder etc. in der Entwicklung des Verbrennungsmotors und die Bereitstellung der aus dem kennzeichnenden resultierenden Konstanten für die Berechnung der vereinfachten Zylinderlastkenngröße wird die benötigte Geschwindigkeit der vereinfachten Modellrechnung erreicht. Der Zielkonflikt zwischen Geschwindigkeit der Rechnung, Ressourcenauslastung und Genauigkeit im Ergebnis kann ebenfalls durch die Kennfeldbefüllung vermittelt werden.
Gemäß einer Ausführung wird in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung und/oder der ermittelten reduzierten Kolbenbeschleunigung eine Druckkennzahl für den identifizierten Zylinder im Diagnose-Zeitfenster ermittelt. Gemäß einer Ausführung wird in Abhängigkeit von der ermittelten Druckkennzahl und/oder dem ermittelten Zylindervolumen die vereinfachte Zylinderlastkenngröße ermittelt.
Indem die Druckkenngröße ermittelt wird, deren unmittelbarer Abhängigkeit die vereinfachte Zylinderlastkenngröße ermittelt werden kann, ist der Rückgriff auf die hochaufgelöst im Steuergerät bereitstehende Drehzahlentwicklung möglich, und damit die Echtzeitregelung bzw. Vorsteuerung der Kraftstoffinjektionsmenge von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel auch im transienten Betrieb des Verbrennungsmotors.
Gemäß einer Ausführung wird vor den anderen Verfahrensschritten ermittelt, ob ein, zumindest quasi, stationärer Betrieb oder ein transienter Betrieb des Verbrennungsmotors vorliegt.
Gemäß einer Ausführung wird das Verfahren nur durchgeführt, wenn und/oder solange ermittelt wird, dass ein transienter Betrieb, insbesondere also kein stationärer Betrieb, des Verbrennungsmotors vorliegt. Gemäß einer Ausführung wird der ermittelte Restgasanteil nur gespeichert und/oder weiterverwendet, wenn und/oder solange ermittelt wird, dass ein transienter Betrieb, insbesondere also kein stationärer Betrieb, des Verbrennungsmotors vorliegt.
Damit können die Berechnungsressourcen des Steuergeräts geschont werden, weil eine Entscheidung ermöglicht wird, ob das erfindungsgemäßer Verfahren im vorliegenden Betriebszustand überhaupt benötigt wird. Denn für den stationären Betrieb sind im Motorsteuergerät moderner, bekannter Verbrennungsmotoren ohnehin bereits ausreichende Mittel zur Ermittlung der Frischluftmasse im Zylinder vorhanden.
Gemäß einer Ausführung wird die Frischluftmassenkenngröße in dem identifizierten Zylinder ermittelt: nur auf der Basis der ermittelten, vereinfachten Zylinderlastkenngröße, oder zusätzlich auf der Basis einer für einen stationären Betrieb ermittelten Stationär-Zylinderlastkenngröße und/oder einer Offset-Prädiktion der Frischluftmassenkenngröße, die in Abhängigkeit von einer, insbesondere der, Stationär-Zylinderlastkenngröße getroffen wird. Auch kann gemäß einer Ausführung ein Überblendungsbereich vorgesehen sein, in welchem die Frischluftmassenkenngröße beispielsweise gewichtet und/oder gemittelt aus den Werten der vereinfachten Zylinderlastkenngröße, der Stationär-Zylinderlastkenngröße und ggf. einer Offset-Prädiktion der Frischluftmassenkenngröße ermittelt wird.
Je nach der Betriebszustand des Verbrennungsmotors - insbesondere abhängig vom Grad der Transienz des Motorbetriebs - kann eine reine Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge rein auf Basis der ermittelten, vereinfachten Zylinderlastkenngröße ausreichend sein; oder es erfolgt bereits eine Vorsteuerung der Injektionsmenge auf Basis bekannter Verfahren zur Ermittlung der Frischluftmenge im Zylinder im stationärer Betrieb bzw. zur Offset-Prädiktion auf Basis solcher Werte.
Gemäß einer Ausführung dient der für ein bestimmtes Arbeitsspiel des identifizierten Zylinders ermittelte Frischluftmassenkenngröße als Basis für eine Bestimmung einer Kraftstoff-Injektionsmenge für das folgende Arbeitsspiel des Zylinders oder eines nachfolgend zündenden Zylinders.
Damit kann sichergestellt werden, dass sowohl im transienten als auch im stationärer Betrieb des Verbrennungsmotors Arbeitsspiel-genau und mit hoher Regelungsqualität die benötigte Kraftstoff-Injektionsmenge zur Verbrennung im diagnostizierten Zylinder bereitgestellt werden kann - und zwar effizient und ressourcenoptimiert bezüglich der Berechnung im Motorsteuergerät.
Gemäß einer Ausführung wird die Drehzahlentwicklung mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität ermittelt. Diese Grundlage schafft erst die Möglichkeit, im transienten Betrieb Arbeitsspiel-genau die im Zylinder vorliegende Frischluftmasse zu berechnen.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

1 a-c zeigt in schematischen Ansichten einen Verbrennungsmotor mit einer Motorsteuerung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei in 1a die Einbauumgebung des Verbrennungsmotors, in 1b relevante Parameter sowie in 1c Drehmomentbeiträge an dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors über die Zeit dargestellt sind.
2 zeigt ein Schaubild mit einem Diagramm einer Drehzahlentwicklung eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nach 1 und einer Darstellung der Takte der einzelnen Zylinder.
3 zeigt ein vergrößertes Detail aus dem Diagramm nach 2.
4 zeigt ein Schaubild einer Massenbilanzierung im ausgewählten Zylinder.
5 a-f veranschaulichen den Prozess einer Reduktion der komplexen Zusammenhänge einer Restgasmasse und einer Temperatur im Zylinder auf ein einfaches Formelwerk, das eine echtzeitfähige Berechnung auf einem Motorsteuergerät ermöglicht.

In 1b ist der Verbrennungsmotor 1 in einer detaillierteren Schemaansicht dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 weist die Zylinder Z1, Z2, Z3 und Z4 auf, wobei alle Zylinder Z ihren Drehmomentbeitrag M an einer Kurbelwelle eines Kurbeltriebs KT bereitstellen. Der Verbrennungsmotor 1 weist zusätzlich ein Steuermittel 2 nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung auf, das optional eine Recheneinheit 4 aufweist, wenn das Steuermittel 2 nicht als Bestandteil eines Motorsteuergeräts ausgebildet ist. Das Steuermittel 2 weist ferner eine Drehzahl-Erfassungseinheit 6 sowie eine Zylinderdruck-Ermittlungseinheit 7 für die Referenzdrücke aus Umgebung und Luftsammler bzw. Kurbelgehäuse aufweist. Das Steuermittel 2 weist zudem eine Zylindervolumen-Ermittlungseinheit und eine Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit auf und kann auf Messwerte aller Lambdasonden des Verbrennungsmotors 1 zugreifen.
Der 1b ist unter anderem zu entnehmen, dass in Abhängigkeit von dem jeweiligen Zylinderdruck p jeder Zylinder Z zyklisch einen Drehmomentbeitrag M an den Kurbeltrieb KT anlegen kann. Die Gesamtheit der Drehmomentbeiträge resultiert in einer zeitlich veränderlichen Drehzahl n einer Kurbelwelle des Kurbeltriebs KT.
Der Referenzdruck p kann mittels der Druck-Erfassungseinheit 7, die momentane Drehzahl n mittels der Drehzahl-Erfassungseinheit 6 und der Recheneinheit 4 durch die Einrichtung 2 verwendet werden.
In 1c ist ein Diagramm einer Drehmomententwicklung Mges mit einem exemplarischen Drehmomentverlauf 10 am Kurbeltrieb KT bei Normalbetrieb über den Kurbelwinkel KW dargestellt. Ersichtlich ist, dass der Drehmomentbeitrag M alternierend von unterschiedlichen Zylindern Z kommt. In der Darstellung ist ein Drehmoment-Grenzwert 14 eingezeichnet, der insbesondere willkürlich festgelegt ist und bestimmt, unterhalb welches Drehmoments ein Drehmomentbeitrag eines Zylinders als unwesentlich gilt, sodass dann ein Drehmomentloch 12 im Sinne der Erfindung vorliegt. Folglich kann ein Drehmomentloch 12 im Sinne der Erfindung identifiziert werden, wenn zu einem bestimmten Zeitintervall die Drehmomentbeiträge jedes Zylinders unterhalb des Grenzwerts 14 sind.
In der Darstellung der 1 c ergeben sich leicht unterschiedlich lange Drehmomentlöcher 12. Innerhalb dieser Drehmomentlöcher 12 kann insbesondere jeweils ein Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt werden, dass den gesamten Zeitraum des Drehmomentlochs oder einen Teil davon umfassen kann.
In 2 ist eine Skizze eines beispielhaften Diagramms 150 einer Drehzahlentwicklung 101 eines Viertakter-Zyklus (= ein Arbeitsspiel (ASP): oberer Totpunkt Ladungswechsel (LOT) → Einlass → unterer Totpunkt (UT) → Ventilschluss und Verdichtung → oberer Totpunkt Zündung (ZOT) → Expandieren → UT → Auslass) des Verbrennungsmotors 1 dargestellt.
Das Ablaufdiagramm 150 zeigt den Verlauf 101 der Motordrehzahl n über ein Arbeitsspiel (ASP) eines 4-Zylinder-Ottomotors. Markiert sind die Zündzeitpunkte (ZZP) sowie ein beispielhaft mögliches Diagnose-Zeitfenster 112 für den zu diagnostizieren Zylinder Z1 in der Verdichtungsphase. Darunter sind die zugehörigen Arbeitstakte der phys. Zylinder Z1-Z4 abgebildet.
Dieses Beispiel eines Vierzylinders zeigt auf, welcher Bereich 112 der Kurbelwinkelskala für die Ladungswechseldiagnose genutzt werden kann. Das Diagnose-Zeitfenster 112 liegt für den zu diagnostizierenden Zylinder Z1 in der Verdichtungsphase, wenn also die Einlassphase bereits abgeschlossen ist, und zudem ein Drehmomentloch vorliegt (vgl. Grenzwert 14 in 1c).
Das Diagnose-Zeitfenster 112 muss insbesondere so gewählt werden, dass der letzte Arbeit leistende Zylinder keine Beschleunigung der Kurbelwelle mehr erzielt und der nächste Arbeit leistende Zylinder noch nicht gezündet hat.
Im Ausführungsbeispiel umfasst das Diagnosezeitfenster ein Zeitintervall, in welchem die Einlassventile des zu diagnostizierenden Zylinders Z1 nach dem Einlass der Ladeluft bzw. des Verbrennungsgemischs wieder geschlossen sind, und zudem ein Drehmomentloch des Verbrennungsmotors 1 vorliegt. Die Grenzen sind abhängig von einem anliegenden Motorbetriebspunkt und können flexibel auf diesen adaptiert werden. Die dynamische Anpassung der Grenzen des Diagnosezeitfensters 112 ist auch für den dynamischen Fahrbetrieb in Abhängigkeit von Randbedingungen wie einem Zündwinkel und dem Zylinderdruckverlauf möglich.
Im Ausführungsbeispiel wird daher das Diagnose-Zeitfenster 112 festgelegt zu 660°KW bis 690°KW, bezogen auf eine Kurbelwinkelangabe des Zylinders Z1. In der Darstellung der 1c und 2 - die sich auf den gesamten Verbrennungsmotor mit vier Zylindern bezieht, entspricht dieser Kurbelwinkelwert -60° bis -30° vor oberem Totpunkt der Zündung (ZOT). Nachfolgend ist nur von 660°KW bis 690°KW die Rede.
In 3 ist das Detail X aus 2, also die Drehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit den Grenzpunkten P1 und P2 des Diagnose-Zeitfensters von Zylinder Z1 eingetragen. Zum Punkt P1 herrscht im Zylinder der Druck P₁, zum Punkt P2 der Druck p₂.
Ein Diagnosezeitpunkt 113 im Diagnose-Zeitfenster 112 wird bestimmt, beispielsweise mittig im Diagnosezeitfenster zu 675°KW. Für diesen Zeitpunkt wird beispielsweise die Temperatur T* im Brennraum des Zylinder Z1 berechnet. Für die Ermittlung des diagnostischen Zylinderdrucks p_diag in Abhängigkeit von der Drehzahlentwicklung 101 wird hingegen ein Zeitfenster wie das Diagnose-Zeitfenster 112 benötigt, weil die Ermittlung auf einer Differenzbetrachtung fußt.
Die 2 bis 6 erläutern ein Ausführungsbeispiel erfindungsgemäßer Verfahren zur Ermittlung einer Frischluftmassenkenngröße rf in einem Zylinder Z des Verbrennungsmotors 1 im Fahrbetrieb mit Hilfe der Kurbelwellendrehzahl n des Kurbelwellentriebs KT.
Wie in 6 dargestellt, ist das im Ausführungsbeispiel durchgeführte Verfahren nachfolgend beschrieben: S10: Ermitteln, ob ein, zumindest quasi, stationärer Betrieb SB oder ein transienter Betrieb TB des Verbrennungsmotors 1 vorliegt.
S20: Wenn ein transienter Betrieb TB des Verbrennungsmotors vorliegt, wird derjenige Zylinders Z1 identifiziert, welcher sich zu Ende des Einlasstakts oder zu Beginn des Verdichtungstakts befindet.
S30: Bestimmen des Diagnose-Zeitfensters 112 für den identifizierten Zylinder Z1 im Drehmomentloch 12 des Verbrennungsmotors 1.
S40: Ermitteln der Drehzahlentwicklung 101 des Verbrennungsmotors während des bestimmten Diagnose-Zeitfensters 112 mit einer echtzeitfähigen Sampling-Qualität. Eine Live-Motorsteuerungs-Funktion liest im Fahrbetrieb kontinuierlich Drehzahlwerte n für die Kurbelwelle KT aus (aufgrund von Gasreibungsverzögerung (und für die vorliegenden Zwecke vernachlässigte Verzögerung durch mechanische Reibung) ist in einer Kompressionsphase eines Zylinders ein vermehrter Drehzahlabfall von einem zu einem nachfolgenden Zeitpunkt zu erwarten) und bestimmt daraus eine Drehzahlentwicklung - vgl. 1-3.
S50: Bestimmen der Druckkennzahl p _zyl,diag für den Zylinder Z1 im Diagnosezeitfenster 112 in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung 101.
S60: Bestimmen der vereinfachten Zylinderlastkenngröße rf* in Abhängigkeit von der bestimmten Druckkennzahl p _zyl,_diag für den Zylinder Z1 im Diagnosezeitfenster 112.
S70: Bestimmen der Frischluftmassenkenngröße rf für den transienten Betrieb TB in dem identifizierten Zylinder Z1 in Abhängigkeit von der ermittelten vereinfachten Zylinderlastkenngröße rf*, im Ausführungsbeispiel zusätzlich in Abhängigkeit von einer auf an sich bekannte Weise ohnehin mittels des Motorsteuergeräts für einen stationären Betrieb ermittelten Stationär-Zylinderlastkenngröße rf_SB und/oder einer daraus abgeleiteten Offset-Prädiktion rf_OFFSET der Frischluftmassenkenngröße (vgl. Schritt S160 für den Stationärbetrieb SB). Je nach dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors - insbesondere abhängig vom Grad der Transienz des Motorbetriebs - kann eine Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge rein auf Basis der ermittelten, vereinfachten Zylinderlastkenngröße ausreichend sein; oder es erfolgt bereits eine Vorsteuerung der Injektionsmenge auf Basis bekannter Verfahren zur Ermittlung der Frischluftmenge im Zylinder im stationären Betrieb bzw. zur Offset-Prädiktion auf Basis solcher Werte.
S160: Auf an sich bekannte Weise mittels des Motorsteuergeräts eine Stationär-Zylinderlastkenngröße rf_SB und/oder eine daraus abgeleiteten Offset-Prädiktion rf_OFFSET der Frischluftmassenkenngröße ermittelt. Der Schritt kann zur Unterstützung der Vorsteuerung der Kraftstoff-Injektionsmenge auch dann durchgeführt werden, wenn ein transienten Betrieb TB vorliegt, vgl. Eingangsgrößen der Ermittlung der Frischluftmassenkenngröße rf gemäß Schritt S70.
S170: Bestimmen der Frischluftmassenkenngröße rf für den Stationärbetrieb SB in dem identifizierten Zylinder Z1 in Abhängigkeit von einer (auf an sich bekannte Weise) ohnehin mittels des Motorsteuergeräts für einen stationären Betrieb ermittelten Stationär-Zylinderlastkenngröße rf_SB und/oder einer daraus abgeleiteten Offset-Prädiktion rf_OFFSET der Frischluftmassenkenngröße. Für den Stationärbetrieb SB wird nicht die vereinfachte Zylinderlastkenngröße rf* herangezogen.
Im Ausführungsbeispiel sind verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung der bestimmten Werte der Frischluftmassenkenngröße rf für Onboard-Diagnose 204 und/oder Offboard-Diagnose 208 und/oder Regelungsaufgaben 206 mittels der Motorsteuerung 2 vorgesehen (vgl. 6).
Dazu werden kontinuierlich im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs die ermittelten Werte in einem nichtflüchtigen Speicher 202 des Motorsteuergeräts 2 abgelegt bzw. zur weiteren Nutzung hinterlegt. Wenn beispielsweise für jeden Zylinder Z zu jeder Zündung der zugehörige Wert für die Frischluftmassenkenngröße rf ausgewertet wird, wird in den Speicher 202 zu jeder Zündung ein neuer Wert der Frischluftmassenkenngröße rf abgespeichert - insbesondere mit Zeitstempel und/oder Ausgangswerten für die Ermittlung und/oder Angabe des diagnostizierten Zylinders, beispielsweise Z1.
Die abgespeicherten Werte der Frischluftmassenkenngröße rf können in Echtzeit, d.h. insbesondere sofort im Fahrbetrieb, beispielsweise einer Online-Diagnosekomponente 204 und/oder einer Motorregelung 206 der Motorsteuerung 2 bereitgestellt werden. Auch können die Werte der Frischluftmassenkenngröße rf zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise in der Werkstatt, einem Offboard-Diagnoserechner 208 zur Verfügung gestellt werden.
Nachfolgend ist - unter anderem anhand der Darstellungen der 4 und 5 - detailliert erläutert, wie die vereinfachte Zylinderlastkenngröße rf* und daraus die Frischluftmassenkenngröße rf im Ausführungsbeispiel ermittelt wird.
Wie aus 4 ersichtlich, gilt folgender Zusammenhang für die Zusammensetzung der Gasmasse im Zylinder Z1 im Diagnosezeitfenster 112: $m = m_{t o t} = m_{L u f t} + m_{K r a f t s t o f f} + m_{R e s t g a s}$

Dabei besteht folgender Zusammenhang zwischen der Luftmasse und der Kraftstoffmasse:

m_{K r a f t s t o f f} = \frac{m_{L u f t}}{λ \cdot L_{s t}}

Formelzeichen	Bedeutung
λ	gemessenes Verbrennungsluftverhältnis (<1 = „fett“, 1 = stöchiometrisch, >1 = „mager“)
L_st	kraftstoffabhängige chemische Konstante, sog. stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis, typisch zwischen 14-16

Gleichung (2) in (1) ergibt $m_{t o t} = m_{L u f t} \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}) + m_{R e s t g a s}$
Im Ausführungsbeispiel erfolgt eine Substitution der Restgasmasse über typische Motorsteuerungsgrößen: $m_{R e s t g a s} = x r g \cdot m_{t o t}$
Die Restgasmasse kann als Fraktion xrg der Gesamtmasse interpretiert werden.

Um in Gleichung 3 eine Substitution der absoluten Luftmasse durchführen zu können, wird der folgende Zusammenhang auf Basis typischer Motorsteuerungsgrößen eingeführt:

m_{L u f t} = r ƒ_{S B} \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{R \cdot T_{0}}

Formelzeichen	Bedeutung
rf_SB	Stationär-Frischluftmassenkenngröße, relative Luftfüllung des Zylinders in %,
p₀	Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa)
V_max	maximales Zylindervolumen im unteren Totpunkt der Kurbelwelle
R	ideale Gaskonstante
T₀	Umgebungstemperatur unter Normbedingungen (293K)

Die aktuelle Luftmasse im Zylinder wird zum Zwecke der korrekten Kraftstoffbeimengung in der Motorsteuerung vorab ermittelt als Stationär-Frischluftmassenkenngröße rf_SB.
Die an sich bekannte, und im Motorsteuergerät bereits vorhandene Funktion dafür ist die sog. Lasterfassung für stationäre Motorbetriebszustände. Sie schätzt eine relative Füllung in Prozent.
Ziel des hier beschriebenen beispielhaften Verfahrens ist eine Verbesserung der Schätzung der Führungsgröße rf. (Die Füllung rf ist mit 100% definiert, wenn das max. Zylindervolumen bei Normbedingungen komplett mit Luft gefüllt wäre, vgl. ideale Gasgleichung): $m_{L u f t} = r ƒ \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{R \cdot T_{0}}$
Die Zylindergesamtmasse ergibt sich wiederum aus den aktuellen thermodynamischen Verhältnissen Zylinderdruck p*, Zylindervolumen V* und Temperatur T* im Zylinder, da der Zylinder nicht nur mit Luft gefüllt ist und die Komponenten Kraftstoff und Restgas zu einer Druckerhöhung führen: $m_{t o t} = \frac{p * \cdot V *}{R \cdot T *}$

Formelzeichen Bedeutung

p* Zylinderdruck im Diagnosezeitfenster

V* Zylindervolumen zum Diagnosezeitpunkt

R ideale Gaskonstante

T* Temperatur T* im Zylinder zum Diagnosezeitpunkt
Einsetzen von (6), (5.5) und (4) in (3) inkl. Umstellen und Kürzung führt zu diesem Zusammenhang: $p * \cdot V * \cdot \frac{1 - x r g}{T *} = r ƒ \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{T_{0}} \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}})$
Anhand der 5 a bis e wird nachfolgend erläutert, wie - ausgehend von Gleichung (7) ein vereinfachter Zusammenhang etabliert wird, der mit einer geringeren Anzahl variabler Größen und damit auch mit nennenswert geringerer Rechenleistung im Motorsteuergerät auskommt, sodass eine vereinfachte Zylinderlastkenngröße rf* echtzeitfähig ermittelt werden kann. Die Echtzeitfähigkeit bedeutet im Ausführungsbeispiel, dass auf Basis der ermittelten Werte eines Arbeitsspiels die vereinfachte Zylinderlastkenngröße rf* zur Bestimmung einer Kraftstoff-Injektionsmenge für das nächste Arbeitsspiel verwendet werden kann.
In 5 ist eine grafische Herleitung vereinfachender Annahmen zu den Zusammenhängen der Kenngrößen des Zylinderinhalts und der Zustandsgrößen dargestellt.
Ausgehend von dem in 5a dargestellten vollständigen Zusammenhang wird mit jeder weiteren 5b, 5c, 5d und 5e eine weitere Vereinfachung eingeführt, sodass zuletzt in 5f ein vereinfachter Zusammenhang dargestellt ist, der trotzdem noch eine für die Zwecke der Erfindung ausreichende Aussagegenauigkeit ermöglicht.
Die Vereinfachungen für Gleichung (7) zielen dabei auf die Parametrierung des Restgasgehalts xrg und der Zylindertemperatur T* ab.
In 5a ist der vollständige Zusammenhang der Variablen dargestellt. Die Liniendicke stellt die Korrelationsstärke dar. Jede Linie wird in erster Näherung als Approximation einer Proportionalitätsbeziehung betrachtet, um den vorhandenen Gleichungssatz später wieder zu vereinfachen. Strichlierte Linien deuten auf umgekehrte Proportionalität hin (und sind entsprechend mit „indirekt“ markiert).
Der Zylinder Z1 ist gefüllt mit einer Frischluftmasse m_Luft, die durch die Frischluftmassen Kenngröße rf repräsentiert ist. Zudem ist der Zylinder mit der Kraftstoffmasse m_Kraftstoff und einer Restgasmasse m_Restgas, die durch die Restgasfraktion xrg repräsentiert ist, gefüllt.
Mittelbar oder unmittelbar wirken alle drei Kenngrößen des Zylinderinhalts auf wenigstens eine der beiden relevanten Zustandsgrößen des Gemischs im Zylinder Z1, nämlich p* und V* ein.
Die Restgasfraktion xrg weist mittelgroßen Einfluss auf die Gesamtmasse m_tot im Zylinder auf; ebenso auf die Temperatur T*. Einen kleinen Einfluss hat die Restgasfraktion xrg zudem auf den Druck p* im Zylinder. Beides ist aus experimentellen Betrachtungen bekannt und als generalisierbar anzusehen.
Die Frischluftmassenkenngröße rf hat jeweils einen großen Einfluss auf die Gesamtmasse mtot im Zylinder und damit auch auf die Kraftstoffmasse m_Kraftstoff.
Die Gesamtmasse m_total im Zylinder hat über die ideale Gasgleichung ihrerseits einen großen Einfluss auf den Zylinderdruck p*.
Der Zylinderdruck p* hat wiederum einen großen Einfluss auf die Temperatur T* Stern im Zylinder.
In 5b eine Umstellung der Verwendung der Restgasfraktion xrg hin zu einer umgekehrt proportionalen Berücksichtigung dargestellt, um einen späteren Vereinfachungsschritt zu ermöglichen, in dem ein indirekter Einfluss der Restgasfraktion auf den Zylinderdruck eingeführt wird (vgl. 5d).
In 5c erfolgt eine Entfernung „schwacher“ Verbindungen und dann solitär angrenzender Elemente.
In 5d wird die Zwischengröße m_tot substituiert wie dargestellt.
In 5e erfolgt eine Entfernung einer aus dem Substitutionsschritt entstandenen, „schwachen“ Verbindung.
In 5f ist lediglich noch eine Umstellung auf die Temperatur T* als Zielgröße dargestellt. Da jede Linie als Approximation einer Proportionalitätsbeziehung betrachtet wurde, ergeben sich aus dem dargestellten Schaubild zwei entlehnbare Substitutionsgleichungen. Die erste Substitutionsgleichung ist: $T * = C 2 \cdot p *$
Mit dem weiteren Zusammenhang ${(T *)}^{C 1} \cdot {(1 - x r g)}^{1} = C 0 | C 1 > 1$
ergibt sich ${(C 2 \cdot p *)}^{C 1} \cdot (1 - x r g) = C 0$
und unter Zusammenfassung der Konstanten $p *^{C 1} \cdot (1 - x r g) = C 3$
beziehungsweise umgestellt zur zweiten Substitutionsgleichung $1 - x r g = C 3 \cdot p *^{- C 1}$
Die Gleichungen (8) und (9) werden nun eingesetzt für die entsprechenden Größen der Gleichung (7) und darüber hinaus erfolgt eine Zusammenfassung der Konstanten: $C 4 \cdot p *^{C 5} \cdot V * = r ƒ \cdot \frac{p_{0} \cdot V_{m a x}}{T_{0}} \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}})$
Die Ermittlung der Konstanten C4, C5, etc. erfolgt in den Modellgleichungen erfolgte im Ausführungsbeispiel am Entwicklungsmotor mit Hilfe folgender Vorgehensweise: ein komplettes Kennfeld (Drehzahl / Last) wird vermessen; Auswertung Zylinderindizierung p* und Berechnung xrg und T* über entsprechende Gaswechselanalysen; danach entsprechend erfolgt eine Berechnung der jeweiligen Kennwerte aus den Ergebnissen und Ablage über mittlerer Motordrehzahl (Kennlinie).
Die Zusammenfassung der Konstante C4 mit den Festwerten p₀, T₀ und V_max ergibt im Folgenden: $C 6 \cdot p *^{C 5} \cdot V * = r ƒ \cdot (1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}})$
Letztendlich lässt sich nun nach rf umstellen und damit die Bestimmungsregel für die relative Last, hier also zunächst die vereinfachte Frischluftmassenkenngröße rf* ableiten: $r ƒ * = C 6 \cdot \frac{p *^{C 5} + C 7}{1 + \frac{1}{λ \cdot L_{s t}}} \cdot V *$
Die Konstante C7 wurde nachträglich in der Anwendung von Gleichung (12) eingeführt, um das Modell bestmöglich anpassungsfähig zu machen. (Die Konstante C7 kann in der ersten Anwendung auch mit C7= 0 angenommen werden und später für eine verbesserte Modellgenauigkeit entsprechend andere Werte einnehmen.)
Nachfolgend findet sich eine Tabelle zur Bestimmung der offenen Parameter für die rf-Schätzung:

Wert Einheit Beschreibung

C6 [%/Nm] Skalierfaktor: Arbeitsterm zu Last

C5 [-] Exponentialskalierer: Druck zu Last

C7 [bar] Offset: Druck zu Last (Default= 0)
Die Werte für λ, Lst und V* können, jeweils für einen Zeitpunkt, der durch die Kurbelwellenstellung des Diagnosezeitpunkts 113 definiert ist, bekannten Motorsteuergeräten entnommen werden, so auch dem des Ausführungsbeispiels.
Als Wert für p* wird ein diagnostischer Zylinderdruckwert p _zyl,diag für das Diagnosezeitfenster 112 ermittelt.
Wie dies möglich ist, kann der nachfolgenden Beschreibung zu den Gleichungen (13) - (28) entnommen werden, wobei aus dem bestimmten Diagnosezeitfenster (siehe Erläuterungen zu 2) φ₁ dem Kurbelwinkel KW=660° von P1 und φ₂ dem Kurbelwinkel KW=690° von P2 entspricht, und entsprechend p _zyl,diag = P_{zyl,diag,660690} im gezeigten Ausführungsbeispiel gilt.

Die Ermittlung basiert auf einer Druckbilanzierung des diagnostizierten Zylinders auf Basis des gemessenen Drehzahlverlaufs:

\frac{d}{d t} (\frac{1}{2} \cdot J_{0} \cdot ω^{2}) = (M_{t a n} - M_{R} - M_{L}) \cdot ω

Formelzeichen	Bedeutung
J₀, J	Allg. / anteiliges Massenträgheitsmoment
φ	Winkelstellung der Kurbelwelle
ω	Winkelgeschwindigkeit
M_tan	Moment durch Gaskraft im Zylinder und oszillierender Massenkraft
M_R	Moment durch Reibungsverluste
M_L	Moment durch Lastabnahme
M_M	Anteiliges Moment durch rotatorische Massenträgheit
n_mot	Aktuell anliegende Motordrehzahl

Durch Differentation, Substitution und Einführung eines Massenmoments (Aufteilung der Trägheitsanteile) ergibt sich die Gleichung: $J \cdot \dot{ω} = \sum_{i} M_{i} = M_{t a n} - M_{R} - M_{L} - M_{L}$
Teilt man die Gleichung sinnvoll auf in einen „Gleichanteil“ und einen „Wechselanteil“ so erhält man folgende Subgleichungen:

„Gleichanteil“: $\bar{M_{t a n}} = \bar{M_{R}} - \bar{M_{L}}$

Die Bilanzierung des Gleichanteils geht von einem stationären Betriebspunkt aus. Das mittlere bereitgestellte Moment hält die mittlere Drehzahl konstant, weil es korrespondiert mit den Momentenforderungen aus Last und Reibung.
„Wechselanteil“: $J \cdot \dot{ω} = \tilde{M_{t a n}} - \tilde{M_{R}} - \tilde{M_{M}}$
Eine Umwandlung von zeitbasierter Ableitung zur kurbelwinkelbasierter Differenzenbildung erfolgt mit Hilfe des Zusammenhangs $ω = \frac{d φ}{d t} = π \cdot \frac{n_{m o t}}{30}$
per $\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot n m o t \cdot \frac{Δ n m o t}{Δ φ}$

Die entscheidenden Größen aus Gleichung (13) werden für die Auswertung weiter detailliert. Der Zusammenhang für das resultierende Moment aus der innerzylindrischen Gaskraft und der ergibt sich zu:

\tilde{M_{t a n}} = [A_{K} \cdot [p_{z y l} (φ) - p_{0}] - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}

Formelzeichen	Bedeutung
A_K	Kolbendeckfläche = const.
r_K	Wirkradius der Kurbelwelle entspricht halben Hub = const.
l_Pl	Pleuellänge = const.
m_osz	Oszillatorische Massenteil entspricht Kolbenbaugruppe und anteiliger Pleuelmasse = const.
p_zyl	Im Zylinder vorherrschender Druck
p₀	Referenzdruck, Kurbelgehäusedruck
β(φ)	Pleuelschwenkwinkel in Abhängigkeit der Kurbelwinkelstellung
s̈(φ)	Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit von der Kolbenstellung

Eine weitere Detaillierung der variablen Faktoren aus Gleichung (15) ergibt: $\ddot{s} (φ, \dot{φ}, \ddot{φ}) = r_{K} \cdot \ddot{φ} \cdot sin φ + r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot cos φ + \frac{r_{K}}{2} \cdot \ddot{φ} \cdot λ_{P l} \cdot sin (2 \cdot φ) + r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot λ_{P l} \cdot cos (2 \cdot φ)$
Unter der Annahme einer konstanten mittleren Drehzahl nmot vereinfacht sich der Zusammenhang für die Kolbenbeschleunigung zu: ${\ddot{s}}_{r e d} (φ, \dot{φ}) = r_{K} \cdot {\dot{φ}}^{2} \cdot (cos φ + λ_{pl} \cdot cos (2 φ))$
Die Annahme führt zu einem Fehler, der vernachlässigt werden kann. Der Einfluss der Winkelbeschleunigung hat über das gesamte Kennfeld eine vernachlässigbar kleine Abweichung zur Folge. $β (φ) = arcsin (λ_{P l} \cdot sin φ)$
Schubstangenverhältnis $λ_{P l} = \frac{r_{K}}{l_{P l}}$
$p_{z y l} = {\bar{p}}_{z y l}$
Bezug zum Umgebungsdruck $p_{0} = p_{u m g}$
(19) oder wie im weiteren auch genutzt der Bezug zum Kurbelgehäusedruck $p_{0} = p_{K u r b G e h} = p_{u m g} - D P S$
wobei DPS für den Unterdruck (Druckdifferenz) im Saugrohr steht.
Das Reibmoment aus Gleichung (13) kann verschiedenartig dargestellt werden. Es kann entweder ein Modell eingeführt werden, welches Messdaten für einen bestimmten Betriebspunkt der Diagnose wiederspiegelt. Ein zielführender Ansatz hierbei wäre eine funktionale Verknüpfung des Terms mit der Drehzahl, der Last und der Öltemperatur.
Im Folgenden wird allerdings davon ausgegangen, dass die Diagnose in fest definierten Stationärlastpunkten durchgeführt wird. Dadurch lässt sich das Reibmoment für diesen Lastpunkt als unveränderlich annehmen. $\tilde{M_{R}} = c o n s t .$
Der gleiche Ansatz wird ebenfalls für das anteilige Moment durch rotatorische Massenträgheit und das Massenträgheitsmoment genutzt. $\tilde{M_{M}} = c o n s t .$
$J = c o n s t .$
Eine geeignete Wahl von Diagnosekonstanten im stationären Betriebspunkt erlaubt eine einfache Applikation der Parameter im Nachhinein.
Die Auflösung von Gleichung (13) nach dem Gasmoment ergibt: $\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + \tilde{M_{R}} + \tilde{M_{M}}$
Nach Einsetzen der Zusammenhänge aus Gleichungen (21) bis (23) kann man auf folgende Vereinfachung mit der Applikationskonstante K_RM schlussfolgern: $\tilde{M_{t a n}} = J \cdot \dot{ω} + K_{R M}$
Applikation der Diagnose:

In 3 ist das Detail X aus 2, also die Drehzahlentwicklung 101 über den Kurbelwinkel KW während des Diagnose-Zeitfensters 112 mit den Messpunkten P1 und P2 in der Kompression von Zylinder Z1 eingetragen. Zum Punkt P1 herrscht im Zylinder der Druck p₁, zum Punkt P2 der Druck p₂.

Der Gradient der Winkelgeschwindigkeit aus Gleichung (14) wird erweitert. Die zu ermittelnde Drehzahl muss dabei gemittelt werden und Konstanten werden wieder gekennzeichnet. $\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \bar{n_{m o t}} \cdot \frac{Δ n_{m o t}}{Δ φ}$
$\dot{ω} \approx {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}} + n_{m o t_{1}}}{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}} - n_{m o t_{1}}}{φ_{2} - φ_{1}}$
$\dot{ω} \approx \frac{1}{2} \cdot {(\frac{π}{30})}^{2} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}}$
$\dot{ω} \approx K_{ω} \cdot \frac{n_{m o t}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}}$
Der Term für das Tangentialmoment aus Gleichung (15) wird nachfolgend erweitert um die Zusammenhänge aus den Gleichungen (16) bis (20) und Konstanten werden gekennzeichnet. $\tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}$
$\tilde{M_{t a n}} = [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K}$
mit einer Kinematikkonstanten für den Stationärpunkt, in welchem die Diagnose stattfindet $K_{K} = r_{K} \cdot \frac{sin (φ + β)}{cos β}$
Nach Einsetzen von Gleichung (26) und (25) in Gleichung (24), Auflösung nach den Zylinderdrücken und Zusammenfassung aller Konstanten ergibt sich: $\begin{matrix} [\frac{(p_{1} + p_{2} - 2 \cdot p_{u m g} + 2 \cdot D P S)}{2} \cdot A_{K} - m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)] \cdot K_{K} = J \cdot K_{ω} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{R M} \\ \frac{p_{1} + p_{2}}{2} = \frac{J \cdot K_{ω}}{K_{K} \cdot A_{K}} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + \frac{K_{R M}}{K_{K} \cdot A_{K}} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S \\ \frac{p_{1} + p_{2}}{2} = K_{1} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{o s z} \cdot \ddot{s} (φ)}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S \end{matrix}$
Alle Druckgrößen und Drehzahlen in der Gleichung (27) sind für die Bedatung der gezeigten Konstanten messbar zu den Zeitpunkten P1 und P2. Eine geeignete, an sich bekannte Indiziermesstechnik löst die nötigen physikalischen Größen kurbelwinkelbasiert oder zumindest gemittelt über mehrere Arbeitsspiele auf. Zusätzlich oder alternativ zur Indiziermesstechnik kann auf Daten eines geeigneten Betriebsmodells, beispielsweise der Motorsteuerung, zurückgegriffen werden. Die Kinematikkonstante K_K kann tabelliert und in Abhängigkeit von der Kolbenstellung eingesetzt werden.
Der Einfluss der Drehzahl nmot bezüglich der oszillatorischen Massen kann beispielsweise echtzeitfähig berechnet oder in Form einer Lookup-Tabelle eines geeignet hinterlegten Betriebsmodells bezüglich Drehzahl und Last auf dem Steuergerät abgelegt werden.
Die reduzierte Kolbenbeschleunigung (vgl. insbesondere Gleichung (16)) lässt sich für die beiden diskreten Punkte formulieren: ${\ddot{s}}_{r e d} (φ, \dot{φ}) = r_{K} \cdot {[\frac{\frac{π}{30} (n_{m o t_{1}} + n_{m o t_{2}})}{2}]}^{2} \cdot [cos (\frac{φ_{1} + φ_{2}}{2}) + cos (φ_{1} + φ_{2})]$
Die Konstanten K₁ und K₂ können anhand von Referenzmessungen (Motorfunktion bzw. Ladungswechsel OK) bestimmt werden.
Nach Bestimmung der Applikationskonstanten K₁ und K₂ lässt sich die Gleichung (27) benutzen, um den diagnostischen Zylinderdruck aus der Drehzahländerung in der Kompression zu bestimmen: ${\bar{p}}_{z y l, d i a g} = K_{1} \cdot \frac{n_{m o t_{2}}^{2} - n_{m o t_{1}}^{2}}{φ_{2} - φ_{1}} + K_{2} + \frac{m_{o s z} \cdot {\ddot{s}}_{r e d} (φ, n_{m o t})}{A_{K}} + p_{u m g} - D P S$
Der diagnostische Zylinderdruck p _zyl,diag ist ein Indiz für den Druckverlauf während des Kompressionstakts des Zylinders.
Auf diese Weise kann im Fahrbetrieb für das Diagnose-Zeitfenster 112 des diagnostizierten Zylinders Z der diagnostischen Zylinderdruck p _zyl,diag = P_zyl,diag,660-690 zum Zeitintervall t12 = t[P1;P2] ermittelt werden.
Diese Berechnung des diagnostischen Zylinderdrucks p_{zyl,diag,660-690} in dem gerechneten Arbeitsspiel für den gerechneten Zylinder wird verwendet zur Schätzung der vereinfachten Zylinderlastkenngröße rf* im nächsten Arbeitsspiel gemäß Gleichung (12).
Daraus kann dann ggf. auch in Abhängigkeit von der für einen stationären Betrieb ermittelten Stationär-Zylinderlastkenngröße rf_SB und/oder einer daraus abgeleiteten Offset-Prädiktion rf_OFFSET die Frischluftmassenkenngröße rf ermittelt werden. Gewichtungen, mit denen die vereinfachte Frischluftmassenkenngröße rf*, die Stationär- Frischluftmassenkenngröße rf_SB und/oder die Offset-Prädiktion rf_OFFSET in die Berechnung von rf für transiente Betriebszustände TB einfließen, sind an sich abhängig von dem Grad der Transienz und/oder anderen für sich betrachtet fachmännischen Erwägungen.
Eine Vorsteuerung der Kraftstoff-Injektionsmenge in den Zylinder Z1 erfolgt dann im Ausführungsbeispiel für ein Arbeitsspiel auf Basis des zum vorherigen Arbeitsspiel ermittelten Werts der Frischluftmassenkenngröße rf.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Steuermittel
4: Recheneinheit
6: Erfassungseinheit für die Drehzahl der Kurbelwelle
7: Zylinderdruck-Ermittlungseinheit
9: Ansaugsystem
10: Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors über einen Motorzyklus
12: Drehmomentlöcher
14: vorbestimmte Grenze für relevanten Drehmomentbeitrag
16: Zylindertemperatur-Ermittlungseinheit
18: Lambdasonde
150: Diagramm Drehzahlentwicklung
101: Drehzahlverlauf
112: Diagnose-Zeitfenster
113: Diagnosezeitpunkt
200: Motorsteuergerät
202: Speicher
204: Diagnosekomponente einer Motorsteuerung
206: Steuerkomponente einer Motorsteuerung
208: Offboard-Diagnoserechner
KT: Kurbeltrieb
KW: Kurbelwinkel
Lst: stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis, Kraftstoff-spezifisch
mKraftstoff: Kraftstoffmasse im Zylinder
mLuft: Luftmasse im Zylinder
mRestgas: Restgasmasse im Zylinder
mtot: Gasmasse im Zylinder
M: Drehmoment eines Zylinders in 1
n: Drehzahl
p*: Zylinderdruck zum Diagnosezeitpunkt
pzyl,diag: Druckkennzahl, hier diagnostischer Zylinderdruck
P: Messzeitpunkte zu Beginn und zu Ende des Diagnose-Zeitfensters
p0: Atmosphärendruck unter Normbedingungen (1013hPa)
R: ideale Gaskonstante
rf: Frischluftmassenkenngröße; relative Luftfüllung des Zylinders in %
rf*: vereinfachte Zylinderlastkenngröße
rfSB: Stationär-Zylinderlastkenngröße
rfOffset: Offset-Prädiktion
SB: stationärer Betrieb
t: Zeitintervall im Diagnose-Zeitfenster
T*: Temperatur des Gasgemischs im Zylinder zum Diagnosezeitpunkt
T0: Umgebungstemperatur unter Normbedingungen (293K)
TB: transienter Betrieb
V*: Zylindervolumen zum Diagnosezeitpunkt
Vmax: maximales Zylindervolumen im unteren Totpunkt der Kurbelwelle
xrg: Restgasanteil
Z: Zylinder
ZZP: Zündzeitpunkt eines Zylinders
λ: Verbrennungsluftverhältnis

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Frischluftmassenkenngröße (rf) in einem Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) eines Verbrennungsmotors (1) in einem Kraftfahrzeug, aufweisend die Schritte: - Identifizieren eines Zylinders (Z1), welcher sich während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs zu Ende eines Einlasstakts oder zu Beginn eines Verdichtungstakts befindet, - Bestimmen eines Diagnose-Zeitfensters (112), das sich nach einem Schließen der Einlassventile des identifizierten Zylinders (Z1) innerhalb eines Drehmomentlochs (12) des Verbrennungsmotors (1) erstreckt, - Ermitteln einer Drehzahlentwicklung (101) des Verbrennungsmotors (1) während des Diagnose-Zeitfensters, insbesondere mit einer echtzeitfähigen Sampling-Qualität, gekennzeichnet durch den Schritt: - Ermitteln einer vereinfachten Zylinderlastkenngröße (rf*) im identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung, - Bestimmen der Frischluftmassenkenngröße in dem identifizierten Zylinder in Abhängigkeit von der ermittelten vereinfachten Zylinderlastkenngröße.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der vereinfachten Zylinderlastkenngröße (rf*) neben der Drehzahlentwicklung die folgenden variablen Größen ermittelt werden: - ein Zylindervolumen (V*) zu einem Diagnosezeitpunkt (113), der innerhalb des Diagnose-Zeitfensters liegt, und/oder - eine reduzierte Kolbenbeschleunigung (s̈_red) im Diagnose-Zeitfenster.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der vereinfachten Zylinderlastkenngröße (rf*) darüber hinaus lediglich Konstanten verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass - in Abhängigkeit von der ermittelten Drehzahlentwicklung und/oder der ermittelten reduzierten Kolbenbeschleunigung eine Druckkennzahl für den identifizierten Zylinder im Diagnose-Zeitfenster ermittelt wird, - in Abhängigkeit von der ermittelten Druckkennzahl und/oder dem ermittelten Zylindervolumen die vereinfachte Zylinderlastkenngröße ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor den anderen Verfahrensschritten ermittelt wird, ob ein, zumindest quasi, stationärer Betrieb oder ein transienter Betrieb des Verbrennungsmotors vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verfahren nur durchgeführt wird, wenn und/oder solange ermittelt wird, dass ein transienter Betrieb des Verbrennungsmotors vorliegt, und/oder - der ermittelte Restgasanteil nur gespeichert und/oder weiterverwendet wird, wenn und/oder solange ermittelt wird, dass ein transienter Betrieb des Verbrennungsmotors vorliegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftmassenkenngröße in dem identifizierten Zylinder ermittelt wird: - nur auf der Basis der ermittelten, vereinfachten Zylinderlastkenngröße (rf*), oder - zusätzlich auf der Basis einer für einen stationären Betrieb ermittelten Stationär-Zylinderlastkenngröße und/oder einer Offset-Prädiktion der Frischluftmassenkenngröße, die in Abhängigkeit von einer Stationär-Zylinderlastkenngröße getroffen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für ein bestimmtes Arbeitsspiel des identifizierten Zylinders ermittelte Frischluftmassenkenngröße als Basis dient für eine Bestimmung einer Kraftstoff-Injektionsmenge für das folgende Arbeitsspiel des Zylinders oder eines Zylinders nachfolgend zündenden Zylinders.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlentwicklung mit einer echtzeitfähigen Samplingqualität ermittelt wird.
Steuermittel (2) zur Ermittlung einer Frischluftmassenkenngröße (rf) in einem Zylinder (Z) eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere ausgebildet in einem Motorsteuergerät für den Verbrennungsmotor eines PKW, dazu eingerichtet, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ermittelte und/oder in einem Speicher abgelegte, Werte einer Frischluftmassenkenngröße zu übergeben - an eine Steuerkomponente (206) des Steuermittels für eine Echtzeitregelung von Funktionen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der übergebenen Werten, und/oder - an eine Diagnosekomponente (204) des Steuermittels für weitere Onboard-Diagnosefunktionen.
Steuermittel gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkomponente dazu eingerichtet ist, eine Kraftstoff-Injektionsmenge für ein bestimmtes Arbeitsspiel eines Zylinder in Abhängigkeit vom einem ermittelten Wert der Frischluftmassenkenngröße zu einem vorherigen Arbeitsspiel des identifizierten Zylinders oder eines direkt zuvor, insbesondere zuletzt, diagnostizierten Zylinders zu bestimmen.
Steuermittel gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die (I) entweder immer ein bestimmter Zylinder ausgewertet und dann im neuen Arbeitsspiel seine zuvor ermittelte Luftmasse verwendet wird zur Ermittlung der Frischluftmassenkenngröße, oder (II) ein Zylinder ausgewertet wird bzgl. seiner Luftmasse und dem nächstzündenden Zylinder der dabei und/oder zuletzt ermittelte Wert der Frischluftmassenkenngröße übergeben wird für seine Vorsteuerung.
Steuermittel gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, aufweisend einen nichtflüchtigen Speicher (202), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere, zu einem bzw. unterschiedlichen Diagnosezeitfenstern, insbesondere ermittelte, Werte der Frischluftmassenkenngröße in dem Speicher abzulegen.
Steuermittel gemäß Anspruch 13, dazu eingerichtet, in dem Speicher abgelegte Werte der Frischluftmassenkenngröße an einen Offboardrechner (208) für Offline-Diagnosefunktionen zu übergeben.
Verbrennungsmotor (1) mit einem oder mehreren Zylindern (Z), gekennzeichnet durch ein Steuermittel (2) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14.