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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der Verbrennungsabgas
nach Beendigung eines Arbeitstaktes über mindestens ein durch einen
Aktor betätigtes
Auslassventil aus mindestens einem Brennraum abströmt, bei
dem ein Gasdruck bestimmt wird, welcher während des Arbeitstaktes im
Brennraum herrscht.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium
für ein
Steuer- und/oder Regelgerät
einer Brennkraftmaschine, und ein Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt.
Bei diesem wird der während eines
Arbeitstaktes in einem Brennraum herrschende Gasdruck von einem
Sensor, beispielsweise einem Piezogeber, direkt erfasst. Alternativ
ist auch bekannt, einen mittleren Gasdruck im Brennraum während des
Arbeitstaktes auf der Basis von Drehungleichförmigkeiten einer Kurbelwelle,
also Schwankungen der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle innerhalb
einer Kurbelwellenumdrehung, abzuschätzen. Die Kenntnis des Gasdrucks
während
des Arbeitstakts im Brennraum ermöglicht die Bestimmung des entsprechenden
Drehmomentbeitrags der Verbrennung beziehungsweise der Lage des
Verbrennungsschwerpunkts. Auch eine Beurteilung der Qualität der Verbrennung
(beispielsweise unvollständige
Verbrennung, Verbrennungsaussetzer, und so weiter) kann in Kenntnis
des Gasdrucks im Brennraum durchgeführt werden. Dies alles ermöglicht es, die
Brennkraftmaschine mit möglichst
geringem Kraftstoffeinsatz bei geringer Emissionsabgabe und guter Laufruhe
zu betreiben.
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De
vorliegende Endung hat die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so weiterbilden, dass die Brennkraftmaschine noch ruhiger läuft und
gleichzeitig preiswert baut.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass ein Auslassventil mit variablem Öffnungshub verwendet wird,
dass ein aktueller Öffnungshub
des Auslassventils ermittelt wird, dass aktuelle Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine ermittelt werden, welche diesen Öffnungshub
beeinflussen, und dass auf der Basis des ermittelten aktuellen Öffnungshubs
des Auslassventils und der ermittelten aktuellen Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine ein aktueller Gasdruck in dem Brennraum zum Zeitpunkt
des Öffnens
des Auslassventils wenigstens näherungsweise
ermittelt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist eine direkte Messung des Gasdrucks im Brennraum während des
Arbeitstaktes nicht mehr erforderlich. Die Installation eines entsprechenden
Sensors, die vergleichsweise aufwändig ist, und der entsprechende
und vergleichsweise teure Sensor können daher entfallen. Entsprechend
werden bei der Herstellung der Brennkraftmaschine Kosten gespart.
Der Wert des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten
aktuellen Gasdrucks ist dabei sehr genau, jedenfalls genauer, als
dies durch eine Abschätzung
auf der Basis von Drehungleichförmigkeiten
der Kurbelwelle möglich ist.
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Dabei
macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, dass bei einem von
einem Aktor, beispielsweise einem Hydraulikzylinder, betätigten Auslassventil,
welches also nicht von einer Nockenwelle angesteuert wird, der Öffnungshub
und der der Öffnungsbewegung
des Auslassventils entgegenwirkende Gasdruck im Brennraum miteinander
verknüpft
sind. Zwar wird der Öffnungshub
eines beispielsweise hydraulisch betätigten Auslassventils auch
noch von anderen Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine beeinflusst; wenn diese jedoch, wie dies erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird, bekannt sind beziehungsweise ermittelt werden, können diese berücksichtigt
werden. So kann der aktuelle Gasdruck in dem Brennraum zum Zeitpunkt
des Öffnens
des Auslassventils aus dem aktuellen Öffnungshub mit großer Präzision ermittelt
werden.
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Wenn
der ermittelte aktuelle Gasdruck mit dem tatsächlichen Gasdruck jedoch gut übereinstimmt, kann
das entsprechende zylinderindividuelle und bei einer Verbrennung
in einem Arbeitstakt erzeugte Drehmoment sehr genau bestimmt werden,
was die genaue Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine insgesamt
vereinfacht. Vor allem der Kraftstoffverbrauch, die Schadstoffemissionen,
und die Laufruhe können
so verbessert werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn auf der Basis von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine für
einen künftigen
Arbeitstakt ein voraussichtlicher Gasdruck in dem Brennraum ermittelt
wird, wenn, nachdem dieser Arbeitstakt durchgeführt worden ist, der für diesen
Arbeitstakt ermittelte voraussichtliche Gasdruck mit dem für diesen
Arbeitstakt ermittelten aktuellen Gasdruck verglichen wird, und
wenn abhängig
vom Ergebnis des Vergleichs ein Verfahren, mittels dem der voraussichtliche
Gasdruck ermittelt wird, angepasst wird. Die Abschätzung eines
voraussichtlichen Gasdrucks, welcher während eines künftigen
Arbeitstaktes in einem Brennraum herrscht, ist erforderlich, um
die entsprechenden Ansteuerparameter für die Ansteuerung des beispielsweise hydraulisch
betätigten
Auslassventils festzulegen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Abschätzung
dieses voraussichtlichen Gasdrucks genauer und somit die Präzision der
Ansteuerung des Auslassventils verbessert.
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Dabei
ist es auch möglich,
dass auf der Basis von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
für einen künftigen
Arbeitstakt ein voraussichtlicher Gasdruck in dem Brennraum ermittelt
wird, dass, nachdem dieser Arbeitstakt durchgeführt worden ist, der für diesen
Arbeitstakt ermittelte voraussichtliche Gasdruck mit dem für diesen
Arbeitstakt ermittelten aktuellen Gasdruck verglichen wird, und
dass abhängig
vom Ergebnis des Vergleichs eine Information ausgegeben wird. So
ist es beispielsweise denkbar, dass dann, wenn die Differenz zwischen
dem voraussichtlichen Gasdruck und dem aktuellen Gasdruck ein bestimmtes
Maß übersteigt,
ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgt oder ein Signal an einen
Benutzer der Brennkraftmaschine ausgegeben wird. Auf diese Weise
können
Fehlerzustände,
beispielsweise Verbrennungsaussetzer, erkannt beziehungsweise dem
Benutzer signalisiert werden.
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Eine
einfach zu programmierende Möglichkeit,
um den aktuellen Gasdruck zu ermitteln, ist die folgende Formel:
wobei C0, C1, und C2 Koeffizienten
sind, welche wenigstens zum Teil von den Öffnungshub des Auslassventils beeinflussenden
Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine abhängen,
und wobei hact der ermittelte Öffnungshub
ist. Die Wurzelfunktion kann programmtechnisch beispielsweise in
tabellarischer Form, d.h. als Kennlinie, oder entsprechend einer
Näherungsformel,
beispielsweise einer Näherung
als Polynom, dargestellt werden.
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Als
vorteilhafte Vereinfachung wird vorgeschlagen, die angegebene allgemeine
Formel näherungsweise
durch ein Polynom zweiter Ordnung darzustellen, da der angegebene
Zusammenhang in typischen Anwendungsfällen mit hoher Genauigkeit
quadratisch approximierbar ist. Die vereinfachte Formel zur Bestimmung des
aktuellen Gasdrucks lautet dann: paoact = C1·(hact-Co)+C2·(hact-Co)2
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Diese
Formel hat den Vorteil, dass sie besonders einfach zu programmieren
ist und dass ein entsprechendes Programmstück sehr wenig Rechenzeit benötigt. Die
in dieser Formel auftretenden neuen Koeffizienten sind hier der
Einfachheit halber ebenfalls als C0, C1 und C2 bezeichnet. Es ist
möglich
und gegebenenfalls vorteilhaft, die neuen Koeffizienten in Abhängigkeit
der Koeffizienten des ersten genannten Formelausdrucks darzustellen
bzw. zu berechnen. Ein solcher Zusammenhang lässt sich ebenfalls sehr einfach
programmieren und insbesondere dann vorteilhaft anwenden, wenn die
ersten genannten Koeffizienten bereits bekannt sind und/oder auf
einfache Weise berechnet werden können.
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In
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der
Koeffizienten C0, C1 und C2 mittels eines Polynomausdrucks mit linearen
und quadratischen Termen bestimmt wird, in welche die den Öffnungshub
beeinflussenden Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine einfließen.
Auch dies ist einfach zu programmieren und benötigt nur einen geringen Speicherplatz.
Gegebenenfalls kann der Koeffizient C2 auch einfach durch eine Konstante
mit negativem Wert dargestellt werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist es auch möglich,
dass mindestens einer der Koeffizienten C0, C1, und C2 mittels mindestens
eines Kennfelds bestimmt wird, in welches Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine einfließen.
Die Koeffizienten C0, C1, und C2 können auf diese Weise mit sehr
hoher Präzision
für beliebige
Betriebszustände
der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
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Besonders
gute Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens werden erzielt,
wenn die Betriebsgrößen eine
für den
Ventilhub maßgebliche
Ansteuerzeit einer Steuereinrichtung des Auslassventils, eine Drehzahl
einer Kurbelwelle, eine Winkelstellung der Kurbelwelle zum Zeitpunkt
des Öffnens
des Auslassventils, einen mittleren Druck des Abgases stromabwärts vom
Auslassventil zum Zeitpunkt des Öffnens
des Auslassventils, eine Temperatur eines Hydraulikfluids, mit dem
das Auslassventil betätigt
wird, einen Druck dieses Hydraulikfluids, und/oder eine Masse eines
im Brennraum eingeschlossenen Arbeitsgases umfassen. Dabei gilt, dass das
Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens
umso präziser
ist, je mehr Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine bei der Bestimmung des Gasdrucks im Brennraum
aus dem Öffnungshub
des Auslassventils berücksichtigt
werden.
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Bei
sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit des Verfahrens kann
es vorteilhaft sein, zusätzlich auch
die Masse des Gases im Brennraum als weitere Betriebsgröße in die
erfindungsgemäße Berechnung
des Gasdrucks einzubeziehen. Auf diese Weise wird auch ein Einfluss
der Gastemperatur berücksichtigt.
Die Verwendung der Gasmasse anstelle der Gastemperatur stellt dabei
eine besonders bevorzugte Lösung
dar, da die Gasmasse in typischen Fällen ohnehin im Zusammenhang
mit der Steuerung der Brennkraftmaschine ermittelt wird bzw. ansonsten
leicht aus anderen bekannten Größen berechenbar
ist.
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Vorgeschlagen
wird auch, dass der Öffnungshub
des Auslassventils mittels eines Hubsensors erfasst wird. Ein solcher
kann relativ einfach platziert werden, da er nicht unmittelbar im
oder am Brennraum, sondern beispielsweise in der Nähe eines
Ventilstößels des
Auslassventils angeordnet sein kann. An einer solchen Stelle sind
auch die Temperaturbelastungen geringer, so dass ein vergleichsweise
preiswerter Sensor verwendet werden kann. Wird ein Hubsensor verwendet,
ist der Öffnungshub
mit großer
Genauigkeit bekannt, was wiederum der Genauigkeit bei der Bestimmung
des aktuellen Gasdrucks zugute kommt.
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Möglich ist
aber auch, dass der Öffnungshub
des Auslassventils aus der für
den entsprechenden Schließvorgang
erforderlichen Zeit ermittelt wird. Diese Zeit kann wiederum aus
dem Beginn der Ansteuerung des Aktors bestimmt werden, durch welche
der Schließvorgang
des Auslassventils initiiert wird, sowie dem Ende des Schließvorgangs,
das beispielsweise durch den beim Auftreffen des Auslassventils
im Ventilsitz ausgelösten
Körperschall
detektiert werden kann. Dieser Schall kann auch bei mehrzylindrigen
Brennkraftmaschinen durch einen einzigen Sensor, beispielsweise
einen ohnehin vorhandenen Klopfsensor, erfasst werden. Bei dieser
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden also Kosten gespart.
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Bei
einem Computerprogramm wird die eingangs gestellte Aufgabe gelöst, indem
es zur Durchführung des
Verfahrens der obigen Art programmiert ist. Bei einem elektrischen
Speichermedium wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf ihm ein Computerprogramm
der obigen Art abgespeichert ist. Bei einem Steuer- und/oder Regelgerät für eine Brennkraftmaschine
wird die Aufgabe dadurch gelöst,
dass es zur Anwendung in einem Verfahren der obigen Art programmiert
ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und einem hydraulisch
betätigten
Auslassventil;
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2 ein Diagramm, in dem ein
Hub des Auslassventils von 1 über einem
Gasdruck im Brennraum von 1 bei
verschiedenen Ansteuerzeiten des Auslassventils auftragen ist; und
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3 ein Flussdiagramm, welches
ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1 zeigt.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 trägt eine Brennkraftmaschine
insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient vorliegend zum Antrieb
eines Kraftfahrzeugs, welches in 1 nicht
dargestellt ist. Bei der Brennkraftmaschine 10 handelt
es sich um eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern,
von denen in 1 jedoch
nur einer dargestellt ist, welcher das Bezugszeichen 12 trägt.
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Zu
dem Zylinder 12 gehört
ein Brennraum 14, welcher bereichsweise von einem hin-
und herbeweglichen Kolben 16 begrenzt wird. Über ein
Pleuel 18 arbeitet der Kolben auf eine nur symbolisch dargestellte
Kurbelwelle 20, deren Winkelstellung von einem Sensor 21 erfasst
wird. Verbrennungsluft gelangt in den Brennraum 14 über einen
Einlasskanal 22 und ein hydraulisch betätigtes Einlassventil 24.
Die Menge der über
den Einlasskanal 22 in den Brennraum 14 strömenden Frischluft
wird von einem Sensor 26 erfasst. Bei diesem handelt es
sich um einen Heißfilm-Luftmassenmesser,
welcher auch als "HFM-Sensor" bezeichnet wird.
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Kraftstoff
gelangt in den Brennraum 14 direkt über einen Injektor 28.
Dieser wird von einem Kraftstoffsystem 30 gespeist. Ein
im Brennraum 14 vorhandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von
einer Zündkerze 32 entzündet, welche
von einem Zündsystem 34 gespeist
wird. Bei der Verbrennung im Brennraum 14 entstehende Verbrennungsabgase
werden über
ein hydraulisch betätigtes
Auslassventil 36 in einen Auslasskanal 38 abgeleitet.
Der Öffnungshub
eines in 1 nicht sichtbaren
Ventilelements des Auslassventils 36 wird dabei von einem
Hubsensor 40 erfasst. Die Brennkraftmaschine 10 hat
also keine Nockenwelle zur Ansteuerung der Ventile 24 und 36.
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Die
hydraulische Betätigung
des Auslassventils 36 erfolgt mittels Hydraulikleitungen 42 und 44,
welche das Auslassventil 36 bzw. eine ihm zugeordnete hydraulische
Betätigungseinrichtung
(nicht sichtbar) mit einer hydraulischen Steuereinrichtung 46 verbinden.
Wesentliche Elemente dieser hydraulischen Steuereinrichtung sind
schnell schaltende Hydraulikventile (nicht dargestellt), die den Öffnungs-
und Schließvorgang
des Auslassventils 36 steuern. Über Sensoren 48 und 50 werden
die Temperatur und der Druck des Hydraulikfluids erfasst, mit dem
das Auslassventil 36 angesteuert wird. Das Einlassventil 24 wird
analog betätigt.
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Dabei
können
in einer tatsächlichen
Ausführung
des Systems einzelne Elemente oder Teilsysteme auch anders zusammengefasst
sein als es in der schematischen Darstellung der 1 gezeigt ist. Beispielsweise können die
in der Zeichnung dargestellten Einheiten 36 und 46 ganz
oder teilweise in einer baulich integrierten Komponente zusammengefasst
sein.
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Der
Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer-
und Regelgerät 52 gesteuert
beziehungsweise geregelt. Dieses erhält Eingangssignale unter anderem
vom HFM-Sensor 26, vom Stellungsgeber 21 der Kurbelwelle 20,
vom Hubsensor 40, und vom Temperatursensor 48 und
dem Drucksensor 50. Es steuert unter anderem das Kraftstoffsystem 30,
das Zündsystem 34,
und die hydraulische Steuereinrichtung 46 des Auslassventils 36 an.
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Dazu
berechnet das Steuer- und Regelgerät 52 auf der Basis
der Eingangssignale auch weitere Betriebsgrößen wie beispielsweise eine
Drehzahl nmot der Kurbelwelle 20, einen Abgasdruck pabg
im Auslasskanal 38, und andere.
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Bei
der in 1 dargestellten
Brennkraftmaschine 10 können
der Öffnungshub
des Einlassventils 24 ebenso wie jener bzw. jene des Auslassventils 36 individuell
an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 10 angepasst
werden. Hierzu wird ein gewünschter
Sollhub hsol in eine Ansteuerzeit tm eines elektromagnetischen Schaltventils
innerhalb der hydraulischen Steuereinrichtung 46 umgerechnet.
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Bei
dieser Umrechnung werden wesentliche Einflussgrößen des hubbestimmenden Stellvorgangs
und die bei diesem Stellvorgang wirksam werdenden Kräfte berücksichtigt.
Zu diesen Einflussgrößen gehören Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10 beziehungsweise der hydraulischen
Steuereinrichtung 46, beispielsweise eine Temperatur Toil
des Hydraulikfluids, welche vom Temperatursensor 48 erfasst
wird, ein Druck Poil des gleichen Hydraulikfluids, welcher vom Drucksensor 50 erfasst
wird, eine Drehzahl nmot der Kurbelwelle 20, welche vom
Stellungsgeber 21 erfasst wird, sowie die auf das Auslassventil 36 wirkenden
Kräfte
aufgrund des im Brennraum 14 zu Beginn des Öffnungsvorgangs
herrschenden Gasdrucks. Diese werden wiederum aus der Drehzahl nmot
der Kurbelwelle 20, der Kurbelwellenstellung wao zum Zeitpunkt
des Öffnens
des Auslassventils 36, dem zum Zeitpunkt des Öffnens vorliegenden
Abgasdruck pabg, und dem zum Zeitpunkt des Öffnens im Brennraum 14 herrschenden
Gasdruck pao ermittelt.
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Da
zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ansteuerzeit tm festgelegt werden muss,
der Gasdruck im Brennraum 14, welcher zu Beginn des Öffnungsvorgangs
des Auslassventils 36 herrschen wird, noch nicht bekannt ist,
wird ein entsprechender Gasdruck paopred vorhergesagt beziehungsweise
geschätzt.
Diese Schätzung geht
dabei von für
das betreffende Arbeitsspiel eingestellten Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10 aus, wie beispielsweise einer Luftmasse,
einer Restgasmasse, einer Kraftstoffmasse, und gegebenenfalls einem Zündwinkel
und weiteren Parametern. Die Luftmasse wird beispielsweise über den
HFM-Sensor 26 bestimmt. Auf diese Weise ergibt sich der
in der folgenden Gleichung 1 angegebene Zusammenhang: tm = func_tm (h, Toil, Poil,
nmot, wao, pabg, pao) (1)mit
h = hsol und pao=paopred
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Für die Steuerung
und Regelung des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 ist
die Kenntnis des tatsächlichen,
also des aktuellen Gasdrucks im Brennraum 14 am Ende eines
Arbeitstakts sehr wichtig. Um den aktuellen Gasdruck im Brennraum 14 am
Ende eines Arbeitstakts zu bestimmen, wird der durch Gleichung 1
dargestellte Zusammenhang bezüglich
der Zuordnung der Ansteuerzeit tm und des Hubs h umgekehrt. Hieraus ergibt
sich die folgende Gleichung 2: h = func_hub (tm, Toil, Poil, nmot, wao pabg,
pao) (2)
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Die
Funktion func_hub beschreibt allgemein die Abhängigkeit des resultierenden
Ventilhubs h von der Ansteuerzeit tm und den Betriebsgrößen Toil,
Poil, nmot, wao usw. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise empirisch
durch Versuche an Motorprüfständen bei
unterschiedlichen Betriebsbedingungen bestimmt werden. Wenn man
dabei speziell die Abhängigkeit
des Hubs h vom Gasdruck pao auswertet, zeigt sich, dass man diesen
Zusammenhang in sehr guter Näherung
mittels eines Polynoms zweiter Ordnung darstellen kann.
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Dies
ist aus der beispielhaften Kurvendarstellung in 2 gut zu erkennen. Dort ist der Ventilhub
h als Funktion des Gasdrucks pao für drei Werte der Ansteuerzeit
tm bei festem Winkel wao und festen Werten der Betriebsgrößen Poil,
Toil, nmot und pabg aufgetragen. Die Kurven verlaufen nahezu linear
mit einer negativen Steigung und einer schwachen Krümmung, die
durch einen quadratischen Term in pao mit kleinem negativem Koeffizienten
beschrieben werden kann. Die quadratische Näherung führt zur Gleichung 3: h = C0 + C1·pao +
C2·pao2 (3)wobei C0 = func_C0(tm, Toil, poil,
nmot, wao, pabg) (4) C1 = func_C1(tm, Toil, poil,
nmot, wao, pabg) (5) C2 = func_C2(tm, Toil, poil,
nmot, wao, pabg) (6)
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Im
speziellen Fall hängt
der Koeffizient C2 nur in geringem Umfang von den aktuellen Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine ab. Er kann dann in guter Näherung als Konstante angesetzt
werden, welche einen negativen Wert hat. Allgemein kann man die
Funktionen func_C0, func_C1 und func_C2 kann man ebenfalls in hinreichend
guter Näherung
durch Polynome mit linearen und quadratischen Termen ausdrücken. Zur
Vereinfachung der Polynome kann es vorteilhaft sein, die Abhängigkeit
vom Winkel wao der Kurbelwelle 20, bei dem das Auslassventil 36 öffnet, durch
eine Abhängigkeit
von einem Brennraumvolumen Vbr bei der Winkelstellung wao zu beschreiben.
Auch eine auf die Winkelstellung der Kurbelwelle 20 bezogene Änderungsgeschwindigkeit
des Brennraumvolumens eignet sich zur Vereinfachung des Polynoms.
Beide Funktionen können
auf einfache Weise z.B. als Kennlinie oder als Polynom in Abhängigkeit
des Winkels wao dargestellt und berechnet werden.
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Wenn
man das Polynom zweiter Ordnung (obige Gleichung 3) auf einen ermittelten
aktuellen Hub hact des Auslassventils 36 und einen entsprechenden
aktuellen Gasdruck paoact bezieht, ergibt sich die unten stehende
Gleichung 7: hact
= C0 + C1·paoact
+ C2·paoact2 (7)
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Die
Auflösung
dieses Polynoms zweiter Ordnung nach dem aktuellen Gasdruck paoact
ergibt die unten stehende Gleichung 8:
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Anhand
der Gleichung 8 kann in Kenntnis des aktuellen Hubs hact des Auslassventils 36 und
verschiedener Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 10, aus denen die Koeffizienten C1,
C2, und C3 ermittelt werden, der aktuelle Gasdruck paoact am Ende
eines Arbeitstaktes des Zylinders 12 bestimmt werden. Ein
entsprechendes Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert. Das Verfahren ist als
Computerprogramm auf einem Speicher 54 des Steuer- und
Regelgeräts 52 abgelegt.
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Nach
einem Startblock 56 wird in einem Block 58 der
aktuelle Öffnungshub
hact des Auslassventils 36 im aktuellen Arbeitstakt ermittelt.
Hierzu werden die Signale des Hubsensors 40 verwendet.
In Funktionsblöcken 60, 61 und 62 werden
Koeffizienten C0, C1 und C2 bestimmt. Dies kann, wie oben erläutert, durch
empirisch ermittelte Polynome func_C0, func_C1 und func_C2 geschehen
oder beispielsweise auch mittels Kennfeldern. Die Funktionsblöcke 60 bis 62 verwenden
dabei die Daten des Stellungsgebers 21 der Kurbelwelle 20, des
HFM-Sensors 26, des Hubsensors 40, des Temperatursensors 48,
des Drucksensors 50, und gegebenenfalls noch weiterer Sensoren,
die in einem Block 63 für
den aktuellen Arbeitstakt bereitgestellt werden.
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Entsprechend
ergeben sich in den Blöcken 64 bis 68 die
Koeffizienten C0, C1 und C2. Der ermittelte aktuelle Hub hact sowie
die Koeffizienten C0, C1, und C2 werden in einen Funktionsblock 70 eingespeist,
in dem entsprechend der obigen Gleichung 8 der aktuelle Gasdruck
paoact im Brennraum 14 zum Zeitpunkt des Öffnens des
Auslassventils 36 ermittelt wird. Zur Berechnung der Quadratwurzelfunktion
kann beispielsweise eine tabellarische Darstellung dieser Funktion
als Kennlinie oder eine Darstellung als Polynom verwendet werden.
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Vor
dem aktuellen Arbeitstakt wurde in einem Block 72 auf der
Basis von Betriebsgrößen BG der Brennkraftmaschine
ein Gasdruck paopred (Block 72) mittels eines Funktionsblocks 74 für den aktuellen
Arbeitstakt vorhergesagt. Zu den Betriebsgrößen BG gehört beispielsweise ein Zündwinkel,
eine eingespritzte Kraftstoffmasse, ein Öffnungszeitpunkt des Auslassventils,
eine Luftmasse, und so weiter. In 76 wird eine Differenz
d zwischen dem vorhergesagten Gasdruck paopred und dem ermittelten
aktuellen Gasdruck paoact gebildet. In 78 wird abhängig von
der Differenz d die Funktion func_paopred, mittels der im Block 74 der
Gasdruck paopred vorhergesagt worden war, angepasst. Ferner erfolgt
abhängig
von der Differenz d im Block 80 die Ausgabe einer Information
INF. Dies kann beispielsweise einen Eintrag in einen Fehlerspeicher
oder ein Warnsignal beinhalten, wenn die Differenz d einen bestimmten
Wert überschreitet.
Das Verfahren endet im Block 82.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel
wird für
die Berechnung von paoact anstelle der Gleichung (8) eine quadratische
Näherung
des Zusammenhangs von paoact und hact verwendet, die zu folgender
Gleichung (9) führt: paoact = C1·(hact-C0)+C2·(hact-C0)2 (9)
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Die
Abarbeitung kann dabei im Wesentlichen wie bei dem bereits beschriebenen
Ausführungsbeispiel gemäß 3 erfolgen, mit dem Unterschied,
dass paoact im Funktionsblock 70 entsprechend der Gleichung (9)
ermittelt wird.
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In
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
wird der aktuelle Hub hact des Auslassventils 36 nicht
mittels eines Hubsensors, sondern aus der für den Schließvorgang
des Auslassventils 36 erforderlichen Zeit ermittelt. Der
Beginn des Schließvorgangs
kann dabei in guter Näherung
mit dem Öffnungszeitpunkt
eines Schaltventils der hydraulischen Steuereinrichtung 46 gleichgesetzt
werden. Das Ende des Schließvorgangs wiederum
kann beispielsweise durch den Schall detektiert werden, der beim
Auftreffen des Ventilelements des Auslassventils 36 am
entsprechenden Ventilsitz ausgelöst
wird.
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Weitere
zur Bestimmung des Hubes benötigte
Größen wie
z.B. eine Verzugszeit des genannten Schaltventils und eine Schließgeschwindigkeit
des Auslassventils können
mittels Messungen empirisch bestimmt werden. Die entsprechenden
Werte können
beispielsweise tabellarisch als Kennfelder in Abhängigkeit der
Betriebsgrößen Poil
und Toil in einem Speicher 54 des Steuer- und Regelgeräts 52 abgelegt
werden.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, dass anhand des ermittelten aktuellen Gasdrucks
paoact nicht nur die Ermittlung des vorhergesagten Gasdrucks paopred
adaptiert werden kann. Vielmehr kann auch die Steuerung anderer
Größen, von
denen der ermittelte aktuelle Gasdruck paoact abhängt, beispielsweise
die Steuerung eines Zündwinkels,
adaptiert bzw. verbessert werden. Dies ermöglicht es, die Brennkraftmaschine
optimal zu steuern in Bezug auf die vom Fahrer gewünschte Leistung,
den Kraftstoffverbrauch, die Abgasqualität und/oder die Laufruhe.
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In
dem oben ausführlich
beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden die Einlass- und Auslassventile durch elektrohydraulische
Ventilsteller bewegt, die mit hydraulischer Hilfsenergie (Druckkraft)
arbeiten. Die Steuerung des Kraftflusses erfolgt dabei elektrisch
mittels schnell schaltender Hydraulikventile. In alternativen Ausführungen
der Erfindung können
die Motorventilsteller aber auch nach einem anderen Prinzip arbeiten,
solange nur der Ventilhub individuell und vollvariabel eingestellt
wird. Z.B. kann anstelle von hydraulischer auch elektrische oder
pneumatische Hilfsenergie verwendet werden. Die Anwendung der vollvariablen
Motorventilsteuerung kann sich auch auf die Auslassventile beschränken, wobei
die Einlassventile z.B. konventionell mittels einer Nockenwelle
verstellt werden. Des weiteren kann in alternativen Ausführungen
der Erfindung auch von einer selbstzündenden Brennkraftmaschine
und/oder von einer Kraftstoffzuführung
im Einlasskanal ausgegangen werden.
