DE112008001120T5

DE112008001120T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Verbrennungsparameters für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112008001120T5
Application number: DE112008001120T
Authority: DE
Inventors: Jun-Mo Ann Arbor Kang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-03-29
Also published as: US20080264382A1; CN101688489A; WO2008134169A1; DE112008001120B4; CN101688489B; US7506535B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln eines Verbrennungsparameters für einen Verbrennungsmotor, umfassend, dass:
der Zylinderdruck und der Kurbelwinkel während eines Verbrennungszyklus überwacht werden;
ein Zylinder-Spitzendruck und eine Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt werden;
ein Zylindervolumen bei der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt wird;
ein Zylinderdruck bei einem Schließen eines Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird;
ein Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; und
ein Verbrennungsparameter basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft den Betrieb und die Steuerung von Motoren, einschließlich von Motoren mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Motoren).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformation bezogen auf die vorliegende Offenbarung und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, fallen allgemein in eine von zwei Kategorien, Motoren mit Funkenzündung und Motoren mit Kompressionszündung. Herkömmliche Motoren mit Funkenzündung, beispielsweise Benzinmotoren, funktionieren typischerweise durch ein Einleiten eines Kraftstoff/Luftgemischs in die Verbrennungszylinder, das dann in dem Kompressionstakt komprimiert und durch eine Zündkerze gezündet wird. Herkömmliche Motoren mit Kompressionszündung, wie beispielsweise Dieselmotoren, funktionieren typischerweise durch ein Einleiten oder Einspritzen von unter Druck stehendem Kraftstoff in einen Verbrennungszylinder in der Nähe eines oberen Totpunkts (TDC) des Kompressionstakts, welcher Kraftstoff bei der Einspritzung zündet. Die Verbrennung umfasst sowohl für herkömmliche Benzinmotoren als auch Dieselmotoren vorgemischte oder Diffusions flammen, die durch die Fluidmechanik gesteuert werden. Jeder Motortyp weist Vorteile und Nachteile auf. Im Allgemeinen erzeugen Benzinmotoren geringere Emissionen, sind aber weniger effizient, während Dieselmotoren im Allgemeinen effizienter sind, aber mehr Emissionen erzeugen.
Kürzlich wurden andere Typen von Verbrennungsmethodiken für Verbrennungsmotoren eingeführt. Eines dieser Verbrennungskonzepte ist in der Technik als die homogene Kompressionszündung (HCCI) bekannt. Der HCCI-Verbrennungsmodus umfasst einen verteilten, flammenlosen, Selbstzündungs-Verbrennungsprozess, der eher durch die Oxidationschemie als durch die Fluidmechanik gesteuert wird. Bei einem typischen Motor, der in dem Verbrennungsmodus mit gesteuerter Selbstzündung arbeitet, ist die Zylinderladung zu der Einlassventil-Schließzeit nahezu homogen bezüglich der Zusammensetzung, der Temperatur und des Restniveaus. Da die gesteuerte Selbstzündung ein verteilter kinetisch gesteuerter Verbrennungsprozess ist, arbeitet der Motor mit einem sehr verdünnten Kraftstoff/Luftgemisch (d. h. magerer als am Kraftstoff/Luft-Stöchiometriepunkt) und weist eine relativ niedrige Verbrennungs-Spitzentemperatur auf, wodurch extrem niedrige NO_x-Emissionen gebildet werden. Das Kraftstoff/Luftgemisch für die gesteuerte Selbstzündung ist im Vergleich zu den geschichteten Kraftstoff/Luft-Verbrennungsgemischen, die in Dieselmotoren verwendet werden, relativ homogen, und daher werden die fetten Zonen im Wesentlichen beseitigt, die bei Dieselmotoren Rauch und Partikelemissionen bilden. Aufgrund dieses sehr verdünnten Kraftstoff/Luftgemischs kann ein Motor, der in dem gesteuerten Selbstzündungsmodus arbeitet, ungedrosselt arbeiten, um eine dieselähnliche Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen.
Bei einem Betrieb mit mittlerer Motordrehzahl und -last wurde gefunden, dass eine Kombination einer Ventiltiming-Strategie und einer Abgas-Rück atmung (die Verwendung von Abgas, um die in einen Verbrennungsraum eintretende Zylinderladung zum Anregen einer Selbstzündung aufzuheizen) während des Einlasstakts sehr effektiv ist, um für ein adäquates Aufheizen der Zylinderladung zu sorgen, so dass die Selbstzündung während des Kompressionstakts zu einer stabilen Verbrennung mit geringem Geräusch führt. Dieses Verfahren arbeitet jedoch bei oder in der Nähe von Leerlaufdrehzahl- und Leerlauflast-Bedingungen nicht zufriedenstellend. Da die Leerlaufdrehzahl und -last von einer mittleren Drehzahl- und Lastbedingung aus erreicht wird, nimmt die Abgastemperatur ab. In der Nähe der Leerlaufdrehzahl und -last ist nicht genügend Energie in dem zurück geatmeten Abgas vorhanden, um eine zuverlässige Selbstzündung zu erzeugen. Infolgedessen ist die Variabilität des Verbrennungsprozesses von Zyklus zu Zyklus bei der Leerlaufbedingung zu hoch, um eine stabile Verbrennung zu erlauben, wenn in dem HCCI-Modus gearbeitet wird. Folglich war eines der Hauptprobleme für einen effektiven Betrieb eines HCCI-Motors, den Verbrennungsprozess korrekt zu steuern, so dass eine robuste und stabile Verbrennung, die zu geringen Emissionen, einer optimalen Wärmefreigaberate und geringem Geräusch führt, über einen Bereich von Betriebsbedingungen erreicht werden kann. Die Vorteile der HCCI-Verbrennung sind seit vielen Jahren bekannt. Die hauptsächliche Barriere für eine Produktimplementierung war jedoch die Unfähigkeit, den HCCI-Verbrennungsprozess zu steuern.
Der HCCI-Motor kann zwischen dem Betrieb in einem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung bei Bedingungen mit Teillast und niedrigerer Motordrehzahl und in einem herkömmlichen Verbrennungsmodus mit Funkenzündung bei Bedingungen mit hoher Last und hoher Drehzahl wechseln. Diese zwei Verbrennungsmodi erfordern jedoch einen unterschiedlichen Motorbetrieb, um eine robuste Verbrennung aufrecht zu erhalten. Beispielsweise arbeitet der Motor in dem selbstgezündeten Verbrennungsmodus mit mageren Luft-Kraftstoffverhältnissen bei vollständig offener Drossel, um Motor-Pumpverluste zu minimieren. Im Gegensatz dazu wird die Drossel in dem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung gesteuert, um die Einlassluftströmung zu beschränken, und der Motor wird mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben.
Bei dem typischen HCCI-Motor wird die Motor-Luftströmung gesteuert, indem eine Einlass-Drosselposition eingestellt wird oder indem das Öffnen und Schließen von Einlassventilen und Auslassventilen unter Verwendung eines Systems für eine variable Ventilbetätigung (VVA-System) eingestellt werden, das einen auswählbaren mehrstufigen Ventilhub aufweist, beispielsweise mehrstufige Nockennasen, die für zwei oder mehr Ventilhubprofile sorgen. Es besteht eine Notwendigkeit für einen glatten Übergang zwischen diesen zwei Verbrennungsmodi während des laufenden Motorbetriebs, um Motor-Fehlzündungen oder Teilverbrennungen während der Übergänge zu verhindern.
Der Verbrennungsprozess in einem HCCI-Motor hängt stark von Faktoren ab, wie beispielsweise der Zylinderladungs-Zusammensetzung, -Temperatur und dem Zylinderladungsdruck bei dem Schließen des Einlassventils. Daher müssen Steuereingaben an den Motor, wie beispielsweise die Kraftstoffmasse und der Einspritzzeitpunkt sowie das Einlass/Auslass-Ventilprofil, sorgfältig abgestimmt werden, um eine robuste Selbstzündungsverbrennung sicherzustellen. Allgemein gesprochen arbeitet ein HCCI-Motor für die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit ungedrosselt und mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch. Ferner wird die Zylinderladungstemperatur in einem HCCI-Motor gesteuert, der eine Abgaswiederverdichtungs-Ventilstrategie verwendet, indem unterschiedliche Mengen des heißen Restgases aus dem vorhergehenden Zyklus eingefangen werden, indem der Auslassventil-Schließzeitpunkt variiert wird. Typischerweise ist der HCCI-Motor mit einem oder mehreren Zylinderdrucksensoren und einer Zylinderdruck-Verarbeitungseinheit ausgestattet, die den Zylinderdruck von dem Sensor abtastet und die Verbrennungsparameter berechnet, wie beispielsweise den CA50 (die Lage, bei der 50% der Kraftstoffmasse verbrannt sind), den IMEP und den NMEP, unter anderen. Die Aufgabe der HCCI-Verbrennungssteuerung ist es, eine gewünschte Verbrennungs-Phaseneinstellung aufrecht zu erhalten, die durch den CA50 angegeben wird, indem mehrere Eingaben in Echtzeit eingestellt werden, wie beispielsweise das Einlass- und Auslassventiltiming, die Drosselposition, die AGR-Ventilöffnung, der Einspritzzeitpunkt, usw. Daher verwendet die Zylinderdruck-Verarbeitungseinheit allgemein teure DSP-Chips (Digitale Signalverarbeitungschips) mit hoher Leistung, um die riesige Menge von Zylinderdruck-Abtastwerten zu verarbeiten, um die Verbrennungsparameter in Echtzeit zu erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und ein Steuerschema geschaffen, um einen Verbrennungsparameter basierend auf einer unmittelbaren Wärmefreigabe in einem Verbrennungsmotor zu ermitteln, was die Notwendigkeit von DSP-Chips und die Kosten anderer aufwändiger Datenverarbeitungen verringert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um einen Verbrennungsparameter für einen Verbrennungsmotor zu ermitteln. Das Verfahren umfasst, dass der Zylinderdruck und der Kurbelwinkel während eines Verbrennungszyklus überwacht werden und dass ein Zylinder-Spitzendruck und eine Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt werden. Ein Zylindervolumen wird bei der Kur belwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks und bei einem Schließen eines Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt. Ein Verbrennungsparameter wird basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet. Der berechnete Verbrennungsparameter korreliert mit einer unmittelbaren Wärmefreigabe einer Zylinderladung für den Verbrennungszyklus.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die Beschreibung der Ausführungsformen beschrieben.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und einer bestimmten Anordnung von Teilen physikalische Gestalt annehmen, von welchen die Ausführungsformen im Detail beschrieben und in den begleitenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden, dargestellt werden, und wobei:
1 eine schematische Zeichnung eines Motorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
2 und 3 Datengraphiken gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wobei die Darstellungen nur zu dem Zweck dienen, die Erfindung zu veranschaulichen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, stellt 1 ein schematisches Diagramm eines Verbrennungsmotors 10 und eines begleitenden Steuermoduls 5 dar, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurden. Der Motor ist selektiv in einem Modus mit gesteuerter Selbstzündung und einem herkömmlichen Modus mit Funkenzündung betriebsfähig.
Der beispielhafte Motor 10 umfasst einen Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der hin und her gehende Kolben 14 aufweist, die in Zylindern verschiebbar sind, die Verbrennungskammern 16 mit variablem Volumen definieren. Jeder der Kolben ist mit einer rotierenden Kurbelwelle 12 (”CS”) verbunden, durch die dessen linear hin und her gehende Bewegung in eine Drehbewegung übersetzt wird. Es gibt ein Lufteinlasssystem, das Einlassluft an einen Einlasskrümmer liefert, der die Luft in einen Einlasskanal 29 zu jeder Verbrennungskammer 16 leitet und verteilt. Das Lufteinlasssystem umfasst ein Luftströmungs-Kanalsystem und Einrichtungen, um die Luftströmung zu überwachen und zu steuern. Die Einrichtungen umfassen vorzugsweise einen Luftmassenströmungssensor 32, um die Luftmassenströmung (”MAF”) und die Einlasslufttemperatur (”T_IN”) zu überwachen. Es gibt ein Drosselventil 34, vorzugsweise eine elektronisch gesteuerte Einrichtung, welche die Luftströmung zu dem Motor in Ansprechen auf ein Steuersignal (”ETC”) von dem Steuermodul steuert. Es gibt einen Drucksensor 36 in dem Krümmer, der ausgebildet ist, um den Krümmerabsolutdruck (”MAP”) und den barometrischen Druck (”BARO”) zu überwachen. Es gibt einen äußeren Strömungsdurchgang, um Abgase aus dem Motorauslass zu dem Einlasskrümmer zurückzuführen, der ein Strömungssteuerventil aufweist, das als Abgasrückführungsventil (”AGR-Ventil”) 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 dient dazu, die Massenströmung des Abgases zu dem Motorlufteinlass zu steuern, indem das Öffnen des AGR-Ventils gesteuert wird.
Die Luftströmung aus dem Einlasskanal 29 in jede der Verbrennungskammern 16 wird durch ein oder mehrere Einlassventile 20 gesteuert. Die Strömung der verbrannten Gase aus jeder der Verbrennungskammern zu einem Abgaskrümmer über Abgaskanäle 39 wird durch ein oder mehrere Auslassventile 18 gesteuert. Das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile wird vorzugsweise mit einer doppelten Nockenwelle gesteuert (wie dargestellt), deren Drehungen mit der Drehung der Kurbelwelle 12 verknüpft und indiziert sind. Der Motor ist mit Einrichtungen ausgestattet, um den Ventilhub der Einlassventile und der Auslassventile zu steuern, was als variable Hubsteuerung (”VLC”) bezeichnet wird. Das variable Ventilhubsystem umfasst Einrichtungen, die dazu dienen, den Ventilhub oder die Ventilöffnung auf eine von zwei diskreten Stufen zu steuern, z. B. eine Ventilöffnung mit niedrigem Hub (ungefähr 4–6 mm) für einen Betrieb mit niedriger Drehzahl und niedriger Last sowie eine Ventilöffnung mit hohem Hub (ungefähr 8–10 mm) für einen Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Last. Der Motor ist ferner mit Einrichtungen zum Steuern einer Phaseneinstellung (d. h. des relativen Timings) des Öffnens und Schließens der Einlassventile und der Auslassventile ausgestattet, was als variable Nocken-Phaseneinstellung (”VCP”) bezeichnet wird, um die Phaseneinstellung über diejenige hinaus zu steuern, die durch den zweistufigen VLC-Hub bewirkt wird. Es gibt ein VCP/VLC-System 22 für den Motoreinlass und ein VCP/VLC-System 24 für den Motorauslass. Die VCP/VLC-Systeme 22, 24 werden von dem Steuermodul gesteuert und liefern eine Signalrückkopplung an das Steuermodul, die aus einer Kurbelwellen-Drehposition für die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle besteht. Wenn der Motor in einem Selbstzündungsmodus mit einer Abgas-Wiederverdichtungs-Ventilstrategie arbeitet, wird typischerweise der Betrieb mit niedrigem Hub verwendet, und wenn der Motor in einem Verbrennungsmodus mit Funkenzündung arbeitet, wird typischerweise der Betrieb mit hohem Hub verwendet. Wie Fachleuten bekannt ist, weisen VCP/VLC-Systeme einen begrenzten Einflussbereich auf, über den das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile gesteuert werden kann. Variable Nocken-Phaseneinstellungssysteme dienen dazu, die Ventilöffnungszeit relativ zu der Kurbelwellen- und Kolbenposition zu verschieben, was als Phaseneinstellung bezeichnet wird. Das typische VCP-System weist einen Einflussbereich auf die Phaseneinstellung von 30°–50° der Nockenwellendrehung auf, wodurch ermöglicht wird, dass das Steuersystem das Öffnen und Schließen der Motorventile nach früh oder nach spät verstellt. Der Einflussbereich auf die Phaseneinstellung wird durch die Hardware der VCP und das Steuersystem, das die VCP betätigt, definiert und begrenzt. Das VCP/VLC-System wird unter Verwendung einer elektrohydraulischen, hydraulischen oder elektrischen Steuerkraft betätigt, die durch das Steuermodul 5 gesteuert wird.
Der Motor weist ein Kraftstoffeinspritzsystem auf, das mehrere Hochdruck-Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 28 umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um eine Kraftstoffmasse in Ansprechen auf ein Signal (”INJ_PW”) von dem Steuermodul in eine der Verbrennungskammern direkt einzuspritzen. Die Kraftstoff-Einspritzeinrichtungen 28 werden von einem Kraftstoffverteilsystem (nicht gezeigt) mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgt.
Der Motor weist ein Funkenzündungssystem auf, durch das Funkenenergie an eine Zündkerze 26 geliefert wird, um Zylinderladungen in jeder der Verbrennungskammern in Ansprechen auf ein Steuersignal (”IGN”) von dem Steuermodul zu zünden oder bei dem Zünden zu unterstützen. Die Zündkerze 26 verbessert die Zündzeitpunkt-Steuerung des Motors unter bestimmten Bedingungen (beispielsweise während eines Kaltstarts und in der Nähe einer Niedriglast-Betriebsgrenze).
Der Motor ist mit verschiedenen Detektionseinrichtungen zum Überwachen des Motorbetriebs ausgestattet, einschließlich eines Kurbelwellen-Drehzahlsensors 42 mit einer Ausgabe RPM und von Nockenwellen-Drehzahlsensoren für Einlass- und Auslassnockenwellen. Es gibt einen Verbrennungssensor 30, der ausgebildet ist, um den Druck 30 in dem Zylinder zu überwachen, und der eine Ausgabe VERBRENNUNG aufweist, und einen Sensor 40 mit einer Ausgabe EXH, der ausgebildet ist, um Abgase zu überwachen, typischerweise ein Sensor für das Luft/Kraftstoffverhältnis mit weitem Messbereich. Der Verbrennungssensor 30 umfasst eine Druck-Detektionseinrichtung, die ausgebildet ist, um den Verbrennungsdruck in dem Zylinder zu überwachen.
Der Motor ist ausgestaltet, um ungedrosselt mit Benzin. oder ähnlichen Kraftstoffmischungen über einen erweiterten Bereich von Motordrehzahlen und -lasten mit Selbstzündungsverbrennung (”HCCI-Verbrennung”) zu arbeiten. Der Motor arbeitet in dem Funkenzündungs-Verbrennungsmodus mit gesteuertem Drosselbetrieb mit herkömmlichen oder modifizierten Steuerverfahren unter Bedingungen, die dem Betrieb in dem HCCI-Verbrennungsmodus und dem Erreichen der maximalen Motorleistung, um eine Drehmomentanforderung eines Betreibers zu erfüllen, nicht förderlich sind. Die Kraftstoffzufuhr umfasst vorzugsweise eine Kraftstoff-Direkteinspritzung in jede der Verbrennungskammern. Weithin verfügbare Sorten von Benzin und leichten Ethanolmischungen mit diesem sind bevorzugte Kraftstoffe; es können jedoch auch alternative flüssige und gasförmige Kraftstoffe, wie beispielsweise höhere Ethanolmischungen (z. B. E80, E85), reines Ethanol (E99), reines Methanol (M100), Erdgas, Wasser stoff, Biogas, verschiedene Reformate, Synthesegase und andere, bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Das Steuermodul ist vorzugsweise ein Allzweck-Digitalcomputer, der im Wesentlichen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, Speichermedien, die einen nicht flüchtigen Speicher einschließlich eines Festwertspeichers (ROM) und eines elektrisch programmierbaren Festwertspeichers (EPROM) umfassen, einen Arbeitsspeicher (RAM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Schaltungen zur Analog-Digital-Umsetzung (A/D) und zur Digital-Analog-Umsetzung (D/A) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen umfasst. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen in der Form eines maschinenlesbaren Codes auf, der residente Programmanweisungen und Kalibrierungen umfasst, die in dem nicht flüchtigen Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers zu schaffen. Die Algorithmen werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus mindestens einmal in jedem Schleifenzyklus ausgeführt wird. Die Algorithmen werden von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den zuvor erwähnten Detektionseinrichtungen zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb der Aktuatoren unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Die Schleifenzyklen werden typischerweise während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Algorithmen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um die zuvor erwähnten Aktuatoren zum Steuern des Motorbetriebs zu steuern, einschließlich der Drosselposition, des Zündfunkenzeitpunkts, der Masse und des Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung, des Hubs, des Timings und der Phaseneinstellung des Einlass- und/oder Auslassventils und der AGR-Ventilposition, um die Strömung der zurückgeführten Abgase zu steuern. Der Ventilhub, das Ventiltiming und die Ventil-Phaseneinstellung umfassen den zweistufigen Ventilhub und eine negative Ventilüberlappung (NVO). Das Steuermodul 5 ist ausgebildet, um Eingabesignale von einem Betreiber (beispielsweise eine Gaspedalposition und eine Bremspedalposition), um eine Drehmomentanforderung des Betreibers (T_{O_REQ}) zu ermitteln, und von Sensoren zu empfangen, welche die Motordrehzahl (RPM) und die Ansauglufttemperatur (T_IN) sowie die Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen angeben. Das Steuermodul 5 arbeitet, um momentane Steuereinstellungen für den Zündfunkenzeitpunkt (falls erforderlich), für die AGR-Ventilposition, für Einstellpunkte des Einlass- und Auslassventil-Timings und des Übergangs des zweistufigen Hubs sowie für den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung aus Nachschlagetabellen in dem Speicher zu ermitteln, und es berechnet Anteile des verbrannten Gases in den Einlass- und Auslasssystemen.
Nun auf 2 Bezug nehmend, ist eine Näherung der Temperatur in dem Zylinder für einen beispielhaften Verbrennungsmotor als eine Funktion des Kurbelwinkels θ basierend auf einem idealen Verbrennungszyklusmodell bei konstantem Volumen dargestellt. Relevante Temperaturen und andere Parameter umfassen:

T_IVC:: Temperatur bei dem Schließen des Einlassventils;
T_SOC:: Temperatur bei dem Start der Verbrennung;
T_EOC:: Temperatur bei dem Ende der Verbrennung;
p_IVC:: Druck bei dem Schließen des Einlassventils;
p_i:: Einlasskrümmerdruck; messbar mit dem MAP-Sensor;
p_SOC:: Druck bei dem Start der Verbrennung;
p_max:: Zylinder-Spitzendruck, messbar mit dem Verbrennungsdrucksensor;
V_IVC:: Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils, ermittelt unter Verwendung bekannter Schubkurbel-Gleichungen und Eingaben von den Kurbelwellen- und Nockenwellen-Positionssensoren, und
V_LPP:: Zylindervolumen bei der Lage des Spitzendrucks, ermittelt unter Verwendung bekannter Schubkurbel-Gleichungen und Eingaben von den Kurbelwellen- und Nockenwellen-Positionssensoren;
θ_IVC:: Kurbelwinkel bei dem Schließen des Einlassventils, und
θ_LPP:: Kurbelwinkel bei der Lage des Spitzendrucks, messbar unter Verwendung des Kurbelwellen-Positionsensors in Verbindung mit dem Zylinderdrucksensor;
Q_LHV:: unterer Brennwert des Kraftstoffs;
m_f:: Kraftstoffmasse;
R:: die Gaskonstante;
γ:: Verhältnis der spezifischen Wärme; und
C_V:: spezifische Wärme bei konstantem Volumen.

Spezifische Parameter werden wie folgt berechnet oder geschätzt: TSOC = TIVC·rγ-1; r = VIVC/VLPP; TEOC = (rγ-1 + δ)·TIVC = TSOC + δTIVC δ = (QLHV·R·mf)/CV·PIVC·VIVC, d. h.: δ = (TEOC – TSOC)/TIVC.
Die Temperaturen umfassen angenäherte Zylinderladungstemperaturen über einen Motorzyklus, die mittels eines bekannten idealen Verbrennungszyklusmodells bei konstantem Volumen berechnet werden. Das Modell nimmt eine unmittelbare Verbrennung an und ist geeignet, die Selbstzündungsverbrennung zu beschreiben, die normalerweise eine schnellere Kraftstoffverbrennungsrate als eine herkömmliche funkengezündete Verbrennung aufweist. Der Verbrennungsparameter δ umfasst die unmittelbare Wärmefreigabe aufgrund der Verbrennung, normiert auf die Temperatur T_IVC bei dem Schließen des Einlassventils.
Der Verbrennungsparameter δ wird durch Ausführen eines Codes, der einen oder mehrere Algorithmen umfasst, in dem Steuermodul ermittelt, vorzugsweise während jedes Verbrennungszyklus. Der Verbrennungsparameter ist relativ einfach zu berechnen, er erfordert folglich keine teure Signalverarbeitungs- und Datenanalysehardware, um den Zylinderdruck zu überwachen. Der Zylinder-Spitzendruck und die entsprechende Kurbelwellen-Drehlage des Zylinder-Spitzendrucks werden unter Verwendung des Verbrennungsdrucksensors 30 und des Kurbelwellensensors 42 gemessen. Das Schließen des Einlassventils wird, wie oben beschrieben, unter Verwendung der Rückkopplung von dem Einlass-Nockenpositionssensors ermittelt.
Sobald das Einlassventil schließt, bleibt die in dem Zylinder eingefangene Luftmasse gleich, bis das Auslassventil öffnet. Daher kann man unter Verwendung des Gesetzes des idealen Gases eine Beziehung gemäß Gleichung 1 wie folgt ableiten:
Ein Verbrennungsparameter δ, der die normierte unmittelbare Wärmefreigabe umfasst, wird unter Verwendung von Gleichung 2 wie folgt berechnet:
Hierbei wird angenommen, dass das Verhältnis γ der spezifischen Wärme über einen gesamten Motorzyklus konstant ist. Wie in Gleichung 2 gezeigt, wird der Verbrennungsparameter δ leicht durch das Ausführen eines Algorithmus in Echtzeit berechnet, sobald der Zylinder-Spitzendruck p_max, der Zylinderdruck p_IVC bei dem Schließen des Einlassventils und die Lage des Zylinder-Spitzendrucks und das zugeordnete Zylindervolumen V_LPP sowie die Lage des Schließens des Einlassventils und das zugeordnete Zylindervolumen V_IVC detektiert oder ermittelt sind.
Nun auf 3 Bezug nehmend, werden experimentelle und abgeleitete Daten von einem beispielhaften Motor geliefert, die den CA50 (d. h. die Kurbelwinkellage, bei der 50% der Kraftstoffmasse verbrannt sind) und den Verbrennungsparameter δ darstellen, die mittels der experimentellen Daten berechnet werden. Der beispielhafte Motor wurde mit einer festen Kraftstoffzufuhrrate von 7 mg/Zyklus betrieben, wobei sich die Motordrehzahl zwischen 2000 U/min und 3000 U/min änderte. Die Ergebnisse geben an, dass der Zustand des CA50-Parameters sich nach früh verschiebt, wenn die Motordrehzahl zunimmt. Es wird vermutet, dass die Verschiebung der Verbrennungs-Phaseneinstellung nach früh, die durch den Zustand des CA50-Parameters angegeben wird, aus einer Zunahme der Kraftstoffzufuhrrate pro Zeit mit zunehmender Motordrehzahl resul tiert, wodurch die Zylinderwandtemperatur und infolgedessen die Kraftstoff-Verbrennungsrate zunimmt. Das Ansprechen der Verbrennungs-Phaseneinstellung spiegelt sich in dem Verbrennungsparameter δ wieder; das heißt, wenn sich die Verbrennungs-Phaseneinstellung nach früh verschiebt, nimmt der Verbrennungsparameter δ zu, da die unmittelbare Wärmefreigabe aufgrund des schnell verbrennenden Kraftstoffs zunimmt. Dies gibt an, dass die normierte unmittelbare Wärmefreigabe, d. h. der Verbrennungsparameter δ, eine starke Korrelation mit der Verbrennungs-Phaseneinstellung aufweist und daher verwendbar ist, um die Verbrennungs-Phaseneinstellung eines Motors zu steuern, der in dem Selbstzündungsmodus arbeitet, z. B. bei der HCCI-Verbrennungssteuerung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Systemarchitektur beschrieben, welche die Echtzeit-Berechnung des Parameters (δ) möglich macht, ohne eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) des Steuermoduls zu überladen. Zwei Ausführungsformen von Systemarchitekturen werden unter Bezugnahme auf 2 dargestellt. Die Eingaben umfassen die Signalausgaben von dem Zylinderdrucksensor (VERBRENNUNG) und von dem Kurbelwellensensor CS_RPM. Es gibt eine Analog-Spitzendetektionsschaltung, die eine analoge Schaltung umfasst, die einen Maximalwert der analogen Signaleingabe (p_max) von dem Zylinderdrucksensor erfasst. Der Vorteil der Verwendung einer analogen Schaltung, um den Wert des Spitzendrucks zu detektieren, ist die Tatsache, dass die CPU und deren Analog/Digital-Wandler (ADC) bei einer hohen Kurbelwinkelauflösung nicht durch das Sammeln und Speichern von Zylinderdrucksignalen belastet werden. Um den Parameter (δ) zu berechnen, wird jedoch eine Lage des Spitzendrucks benötigt. Ein Allpassfilter und eine Analog-Komparatorschaltung (dargestellt als ein Komparator mit doppeltem Eingang) werden verwendet, um die CPU und Peripheriegeräte, die für die Ermittlung einer Motorposition (CS_RPM) verantwortlich sind, über die Kurbelwinkelposition der Lage des Spitzendrucks zu informieren. Die Funktion des Alipassfilters ist es, die Messung des Zylinder-Spitzendrucks zu verzögern, ohne diese zu verzerren. Die Analog-Komparatorschaltung überwacht das Drucksignal kontinuierlich, um zu ermitteln, wann dieses kleiner als der maximale Wert des Drucksignals ist, das durch den Allpassfilter verzögert wird. Wenn das verzögerte maximale Zylinderdrucksignal größer als das Zylinderdrucksignal ist, wird das Maximum des Drucksignals detektiert, und der Komparator schaltet seinen Digitalausgang um. Das umgeschaltete Signal an dem Ausgang des Komparators triggert das Peripheriegerät in der CPU, das für die Ermittlung der Motorposition verantwortlich ist. Sobald das Triggersignal empfangen wird, erfasst das Peripheriegerät die Motorposition und speichert diese als den Wert der Lage des Spitzendrucks (LPP). Wenn die darauf bezogene Funktion in der CPU-Software die normierte unmittelbare Wärmefreigabe berechnet, liest sie den LPP-Parameter und befiehlt dem ADC-Peripheriegerät, das Analogsignal an dem Ausgang der Analog-Spitzendetektionsschaltung in ein digitales Signal umzuwandeln. Da V_IVC und P_IVC ebenso leicht berechnet bzw. gemessen werden können, führt die Software Gleichung 1 in einer algorithmischen Form aus, sobald die Umwandlung des Spitzendrucks vollständig ist. Um den LPP und p_max des nächsten Zyklus zu detektieren, setzt die Software die Analog-Spitzendetektionsschaltung zurück. Darüber hinaus kann die Software den Fehler, der in dem LPP infolge bekannter Verzögerungen in dem Komparator und/oder digitalen Filter eingeführt wird, unter Verwendung des Kurbelwellenmesswerts (CS_RPM) kompensieren.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass Änderungen innerhalb des Geistes und des Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts durchgeführt werden können. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschrankt ist, sondern dass sie den vollen Umfang aufweist, der durch den Wortlaut der nachfolgenden Ansprüche zugelassen wird.
Zusammenfassung
Es wird ein Verfahren geschaffen, um einen Verbrennungsparameter für einen Verbrennungsmotor zu ermitteln. Das Verfahren umfasst, dass der Zylinderdruck und der Kurbelwinkel während des Verbrennungszyklus überwacht werden, und dass ein Zylinder-Spitzendruck, eine Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks und ein Zylinderdruck bei einem Schließen eines Einlassventils ermittelt werden. Ein Verbrennungsparameter wird basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet. Der Verbrennungsparameter korreliert mit einer unmittelbaren Wärmefreigabe einer Zylinderladung für den Verbrennungszyklus.

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Verbrennungsparameters für einen Verbrennungsmotor, umfassend, dass: der Zylinderdruck und der Kurbelwinkel während eines Verbrennungszyklus überwacht werden; ein Zylinder-Spitzendruck und eine Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt werden; ein Zylindervolumen bei der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt wird; ein Zylinderdruck bei einem Schließen eines Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; ein Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; und ein Verbrennungsparameter basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der berechnete Verbrennungsparameter mit einer unmittelbaren Wärmefreigabe einer Zylinderladung für den Verbrennungszyklus korreliert.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter basierend auf einem Verhältnis der spezifischen Wärme für eine Zylinderladung für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter für jeden Verbrennungszyklus während des laufenden Motorbetriebs berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Erzeugnis umfasst, das ein Speichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm umfasst, das dazu dient, den Verbrennungsparameter zu ermitteln.
Verfahren zum Überwachen einer Verbrennungs-Phaseneinstellung während des Betriebs eines Verbrennungsmotors, umfassend, dass: der Zylinderdruck und der Kurbelwinkel während eines Verbrennungszyklus überwacht werden; ein Zylinder-Spitzendruck und eine Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt werden; ein Zylindervolumen bei der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt wird; ein Zylinderdruck bei einem Schließen eines Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; ein Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; und ein Verbrennungsparameter berechnet wird, der mit einem Kurbelwinkel basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus korrelierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der berechnete Verbrennungsparameter mit einer unmittelbaren Wärmefreigabe einer Zylinderladung für den Verbrennungszyklus korreliert.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter basierend auf einem Verhältnis der spezifischen Wärme für eine Zylinderladung für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Verbrennungsparameter einmal pro Motorzyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner ein Erzeugnis umfasst, das ein Speichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm umfasst, das dazu dient, den Verbrennungsparameter einmal pro Motorzyklus zu berechnen.
Verfahren zum Überwachen einer Verbrennungs-Phaseneinstellung während des Betriebs eines Verbrennungsmotors, der in einem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung arbeitet, umfassend, dass: der Verbrennungsmotor in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung betrieben wird; der Zylinderdruck und der Kurbelwinkel während jedes Verbrennungszyklus überwacht werden; ein Zylinder-Spitzendruck und eine Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt werden; ein Zylindervolumen bei der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks ermittelt wird; ein Zylinderdruck bei einem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; ein Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus ermittelt wird; und ein Verbrennungsparameter basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zy linder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter basierend auf einem Verhältnis der spezifischen Wärme für eine Zylinderladung berechnet wird, wobei der berechnete Verbrennungsparameter mit einer unmittelbaren Wärmefreigabe einer Zylinderladung für den Verbrennungszyklus korrelierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der berechnete Verbrennungsparameter mit dem Kurbelwinkel korrelierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsparameter basierend auf dem Zylinder-Spitzendruck, dem Zylinderdruck bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus, der Kurbelwinkellage des Zylinder-Spitzendrucks, dem Zylindervolumen bei der Lage des Zylinder-Spitzendrucks und dem Zylindervolumen bei dem Schließen des Einlassventils für den Verbrennungszyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Verbrennungsparameter einmal pro Motorzyklus berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner ein Erzeugnis umfasst, das ein Speichermedium mit einem darin codierten Computerprogramm umfasst, das dazu dient, den Verbrennungsparameter einmal pro Motorzyklus zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 13, das ein Steuermodul umfasst, das ausgebildet ist, um einen darin gespeicherten maschinenlesbaren Code auszuführen, um den Verbrennungsmotor in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung zu betreiben, und das ausgebildet ist, um die Verbrennungs-Phaseneinstellung des Verbrennungsmotors während des Betriebs in dem Verbrennungsmodus mit Selbstzündung zu überwachen.