DE102013200542A1

DE102013200542A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei ein Zylinderinnendruck in mindestens einem Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt wird

Info

Publication number: DE102013200542A1
Application number: DE201310200542
Authority: DE
Inventors: Vincenzo Rosito; Joachim Paul; Sebastian-Paul Wenzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-07-17
Also published as: WO2014111354A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) beschrieben, wobei ein Zylinderinnendruck (127) in mindestens einem Zylinder (112) der Brennkraftmaschine (100) ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird ein Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127) abhängig von einer Drehzahl (133) und/oder einem Drehzahlsignal (136) der Brennkraftmaschine (100), einem indizierten Mitteldruck (602), einem Anteil (502) einer verbrannten Kraftstoffmenge und einem Drehwinkel (406) einer Kurbelwelle (132) ermittelt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, ein Computerprogramm und ein Speichermedium nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Im Betrieb einer Brennkraftmaschine kann es erforderlich sein, einen Maximalwert eines Zylinderinnendrucks zu ermitteln, um die Brennkraftmaschine gegebenenfalls präziser betreiben zu können. Beispielsweise erfolgt dies unter Verwendung von einem oder mehreren Zylinderdrucksensoren. Allerdings ist es häufig unwirtschaftlich, sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine damit auszurüsten.
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, ein Computerprogramm und ein Speichermedium nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass ein Maximalwert für einen Zylinderinnendruck in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine unter Verwendung von einer Drehzahl und/oder einem Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine, einem indizierten Mitteldruck, einem Anteil einer verbrannten Kraftstoffmenge und einem Drehwinkel einer Kurbelwelle ("Kurbelwellenwinkel") vergleichsweise einfach, präzise und kostengünstig ermittelt werden kann. Dies kann besonders aufwandsarm mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung für die Brennkraftmaschine erfolgen. Zusätzliche den Betrieb der Brennkraftmaschine charakterisierende Größen brauchen dabei im Allgemeinen nicht ermittelt oder gemessen werden. Dadurch kann der Betrieb der Brennkraftmaschine besser überwacht und/oder gesteuert bzw. geregelt werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine, wobei ein Zylinderinnendruck in mindestens einem Zylinder der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird der Maximalwert für den Zylinderinnendruck in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine, dem indizierten Mitteldruck, dem Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel der Kurbelwelle ermittelt. Diese Abhängigkeit kann durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden: PzMax[iZyl] = f(N, PMI[iZyl], MFBxy%[iZyl], CA) (1), wobei

PzMax: = Maximalwert des Zylinderinnendrucks;
f(...): = Funktion;
N: = Drehzahl der Brennkraftmaschine in upm (Umdrehungen pro Minute);
PMI: = indizierter Mitteldruck (Einheit: bar);
MFBxy: = Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge, wobei "xy" ein Prozentwert ist;
[iZyl]: = Index für den jeweiligen Zylinder; und
CA: = Drehwinkel der Kurbelwelle.

Erfindungsgemäß wird der Maximalwert des Zylinderinnendrucks vorzugsweise unter Verwendung der Gleichung (1) auf indirekte Weise ermittelt, also ohne dass es erforderlich ist, an jedem Zylinder der Brennkraftmaschine einen Zylinderdrucksensor anzuordnen. Der indizierte Mitteldruck (PMI) und der Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge (MFBxy) – welche beides Eingangsgrößen der Gleichung (1) sind – können verfahrensgemäß mittels zweier Varianten ermittelt werden, wie weiter unten noch beschrieben werden wird. Durch Ermittlung des Kurbelwellenwinkels CA kann der Verbrennungsprozess in dem jeweiligen Zylinder spezifisch ausgewertet werden.
Vorzugsweise ist mindestens ein Zylinder der Brennkraftmaschine als so genannter "Leitzylinder“ ausgeführt. Der Leitzylinder weist einen Zylinderdrucksensor auf, mit dem ein Zeitverlauf des Zylinderinnendrucks in dem Leitzylinder ermittelt werden kann. Das Verfahren ist jedoch auch ohne die Verwendung des Leitzylinders bzw. des Zylinderdrucksensors durchführbar, siehe die weiter unten beschriebene "Variante 1". Weiterhin kann das Drehzahlsignal für das Verfahren verwendet werden, indem ein Zeitverlauf des Drehzahlsignals und/oder ein Mittelwert des Drehzahlsignals und/oder eine Beschleunigung der Drehzahl oder sogar höhere zeitliche Ableitungen der Drehzahl bzw. des Drehzahlsignals verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für einen druckgesteuerten Betrieb (engl. CPP, "cylinder pressure processing") der Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei ein Zeitverlauf und/oder charakteristische Werte des Zylinderinnendrucks ermittelt und für eine besonders präzise Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine verwendet werden können.
Stark vereinfacht kann das erfindungsgemäße Verfahren auch wie folgt beschrieben werden: Abhängig davon, ob eine Verbrennung des in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs vergleichsweise "hart" oder "weich" erfolgt, ist ein vorgebbarer Anteil der Kraftstoffmenge schon bei einem vergleichsweise kleinen oder erst bei einem vergleichsweise großen Kurbelwellenwinkel verbrannt. Entsprechend ist der Maximalwert des Zylinderinnendrucks vergleichsweise hoch oder vergleichsweise niedrig. Unter Verwendung des zugehörigen indizierten Mitteldrucks sowie der Drehzahl und/oder des Drehzahlsignals kann dieser Maximalwert erfindungsgemäß quantifiziert werden.
Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die beschriebene Abhängigkeit für eine jeweilige Bauart der Brennkraftmaschine bzw. für eine jeweilige Bauart des Zylinders in einem Vorversuch ermittelt wird. Dies erfolgt vorzugsweise unter Verwendung der Gleichung (1). Während einer so genannten "Applikation“ oder in einem Eichbetrieb oder Prüfbetrieb der Brennkraftmaschine können die jeweiligen Größen gemessen bzw. ermittelt werden. Dies erfolgt insbesondere auf einer Prüfbank eines Herstellers der Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Dieselmotor oder ein Ottomotor eines Kraftfahrzeugs. Die derart ermittelte Abhängigkeit kann – unter Verwendung der dabei ermittelten Größen – dauerhaft in einem Datenspeicher für die Brennkraftmaschine gespeichert werden. In einem anschließenden normalen Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. des Kraftfahrzeugs können die gespeicherten Daten gelesen und erfindungsgemäß verarbeitet und so für die Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine verwendet werden, wodurch der Betrieb der Brennkraftmaschine verbessert werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Abhängigkeit mittels einer datenbasierten Modellierung, insbesondere unter Verwendung von einem ASCMO-Modell ermittelt. Das ASCMO-Modell ermöglicht eine besonders präzise Durchführung des Verfahrens unter Verwendung von einer Vielzahl den Betrieb der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größen. Der Begriff "ASCMO“ umfasst eine Erzeugung eines globalen Modells, welches eine Vielzahl von Variablen und/oder Größen und deren jeweilige Beziehungen oder Korrelationen umfasst, um die Brennkraftmaschine in einer Vielzahl von Betriebszuständen zu betreiben. Dadurch wird es möglich, ein mathematisches Modell zu ermitteln, welches die oben beschriebene Gleichung (1) umfasst oder erzeugt. Ergänzend kann vorgesehen sein, dass das besagte globale Modell und/oder die Gleichung (1) mittels eines oder mehrerer Parameter, wie beispielsweise einer Temperatur, einem Luftdruck, einer Kraftstoffsorte und dergleichen ergänzt werden.
Der Vorgang der Kraftstoffverbrennung ("Verbrennung") in der Brennkraftmaschine erzeugt einen Druckanstieg in dem jeweiligen Zylinder. Als Ergebnis wird ein Drehmoment an der Kurbelwelle mittels mechanischer Komponenten erzeugt, wobei eine Drehbewegung der Kurbelwelle beschleunigt wird. Dabei ergibt sich eine Beziehung zwischen einerseits thermodynamischen und/oder mechanischen Größen, und andererseits die Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder charakterisierenden Größen.
In einer ersten Variante des Verfahrens wird der indizierte Mitteldruck und/oder der Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge zylinderindividuell mittels einer polytropen Beziehung abhängig von einem Ladedruck und abhängig von einem zeitlichen Verlauf des Drehzahlsignals der Brennkraftmaschine ermittelt. Dazu ist eine Ermittlung des Zylinderinnendrucks in dem Leitzylinder nicht erforderlich, wodurch Aufwand und Kosten gespart werden können. Allgemein kann ein polytroper Prozess als thermodynamischer Prozess beschrieben werden, der beispielsweise durch die folgende allgemein bekannte Gleichung (2) beschrieben wird: p·Vⁿ = C, (2) wobei bei einer Brennkraftmaschine

p: = Zylinderinnendruck ("Pumpdruck");
V: = durch einen Kolben bestimmtes aktuelles Volumen des Zylinders;
n: = polytroper Index; und
C: = Konstante.

Mittels Gleichung (2) kann ein thermodynamischer Prozess, welcher eine Kompression und/oder Expansion von Gas umfasst, genau beschrieben werden. Der Pumpdruck p wird mittels der Gleichung (2) unter Verwendung des Zylindervolumens V und in Bezug auf den Ladedruck in Abwesenheit eines Verbrennungsprozesses ermittelt. Der Pumpdruck p und das aktuelle Zylindervolumen V sind beides dynamische Größen. Eine Abweichung des gemessenen Zylinderinnendrucks in Bezug auf den mittels Gleichung (2) berechneten Pumpdruck p kann somit auf Verbrennungsvorgänge in dem jeweiligen Zylinder zurückgeführt werden. Mittels einer Auswertung des Drehzahlsignals können der zugehörige indizierte Mitteldruck und der aktuelle Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge daraus ermittelt werden. Diese Größen können dann in der Gleichung (1) als Eingangsgrößen verwendet werden. Der Vorteil dabei ist, dass der Pumpdruck p bzw. der Zylinderinnendruck ermittelt anstatt unter Verwendung des Zylinderdrucksensors gemessen wird. Dadurch können Aufwand und Kosten reduziert werden. Diese erste Variante wird weiter unten mittels der 3 noch näher erläutert werden.
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird der indizierte Mitteldruck und/oder der Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge abhängig von einem Zeitverlauf des Zylinderinnendrucks in einem Leitzylinder der Brennkraftmaschine und abhängig von einem Zeitverlauf des Drehzahlsignals der Brennkraftmaschine ermittelt. Der derart ermittelte indizierte Mitteldruck und/oder der ermittelte Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge wird dazu verwendet, um auf den indizierten Mitteldruck und/oder den Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge in den übrigen Zylindern der Brennkraftmaschine zu schließen. Dabei kann der aktuelle Zylinderinnendruck in dem Leitzylinder mittels des Zylinderdrucksensors vergleichsweise genau ermittelt und somit der indizierte Mitteldruck und der Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge für den Leitzylinder als Eingangsgrößen in der Gleichung (1) verwendet werden. Für die übrigen Zylinder, welche keinen Zylinderdrucksensor aufweisen, kann der jeweilige Zylinderinnendruck unter Verwendung des Drehzahlsignals von dem Zylinderinnendruck des Leitzylinders abgeleitet werden. Aus dem jeweiligen Zylinderinnendruck können dann auch für die übrigen Zylinder der indizierte Mitteldruck sowie der Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge ermittelt und als Eingangsgrößen für die Gleichung (1) verwendet werden. Diese zweite Variante ist in Bezug auf die oben beschriebene erste Variante im Allgemeinen genauer und wird weiter unten mittels der 4 noch näher erläutert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahren wird die Abhängigkeit zwischen dem Maximalwert für den Zylinderinnendruck, dem indizierten Mitteldruck, dem Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel der Kurbelwelle ermittelt, wobei die Abhängigkeit mittels einer von der Drehzahl der Kurbelwelle abhängigen Funktion korrigiert wird. Daraus ergibt sich eine vereinfachte Darstellung der Gleichung (1), welche mit der folgenden Gleichung (3) beschrieben werden kann: PzMax = f(PMI, MFBxy%, CA)·g(N), (3) wobei

PzMax: = Maximalwert des Zylinderinnendrucks;
f(...): = Funktion, welche einem ersten Faktor in Gleichung (3) entspricht;
g(...): = Funktion, welche einem zweiten Faktor in Gleichung (3) entspricht;
N: = Drehzahl der Kurbelwelle;
PMI: = indizierter Mitteldruck;
MFBxy: = Anteil (Prozentwert) der verbrannten Kraftstoffmenge; und
CA: = Drehwinkel der Kurbelwelle.

Auf diese Weise wird die Aufgabe der Gleichung (1), nämlich vier unabhängige Größen auf eine davon abhängige Größe abzubilden, vereinfacht, indem nur drei unabhängige Größen auf die abhängige Größe abgebildet werden und die vierte unabhängige Größe lediglich für eine Korrekturfunktion verwendet wird. Vorzugsweise wird die Korrekturfunktion derart gebildet, dass sich eine der Gleichung (1) entsprechende Genauigkeit ergibt.
Die zweite Gleichung g (N) stellt einen Korrekturfaktor für die erste Funktion f(...) in Abhängigkeit von der Drehzahl N dar. Dadurch kann ggf. eine Gesamtzahl von Berechnungen vermindert werden, wodurch Kosten gespart werden können. Beispielsweise können die Funktionen f (...) und/oder g (N) mittels Modellen und/oder Kennfeldern und/oder Tabellen und dergleichen ausgeführt sein. Dadurch wird sozusagen eine "Oberflächenform“ für den Maximalwert des Zylinderinnendrucks definiert. Diese Oberflächenform ist abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und kann deshalb mittels des Korrekturfaktors bzw. mittels der Funktion g (N) korrigiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Abhängigkeit zwischen dem Maximalwert für den Zylinderinnendruck, dem indizierten Mitteldruck, dem Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel der Kurbelwelle ermittelt, wobei die Abhängigkeit mittels der Drehzahl der Kurbelwelle parametriert wird. Dadurch ist es – ähnlich wie oben beschrieben – möglich, lediglich drei unabhängige Größen auf eine davon abhängige Größe abzubilden, und die vierte unabhängige Größe als Parameter zu verwenden. Dies kann mittels der folgenden Gleichung (4) beschrieben werden: PzMax = f(PMI, MFBxy%, CA)/N, (4) wobei

PzMax: = Maximalwert des Zylinderinnendrucks;
f(...): = Funktion;
PMI: = indizierter Mitteldruck;
MFBxy: = Prozentwert der verbrannten Kraftstoffmenge;
CA: = Drehwinkel der Kurbelwelle; und
/N: = Parametrierung der Funktion f(...) mit Werten der Drehzahl N der Brennkraftmaschine in einer jeweils geeigneten Stufung.

Dadurch ergibt sich ebenfalls eine Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wodurch ein entsprechender Aufwand in den Berechnungen und somit Kosten vermindert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Maximalwert für den Zylinderinnendruck unter Verwendung von mindestens einer Polynomfunktion und/oder mindestens eines Kennfelds in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Drehzahlsignal, dem indizierten Mitteldruck, dem Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel der Kurbelwelle ermittelt. Dies kann beispielsweise unter Verwendung von Gleichung (1) erfolgen, wobei die Funktion f (...) unter Verwendung der mindestens einen Polynomfunktion ausgeführt wird. Vorzugsweise werden die jeweiligen Koeffizienten dieser Polynomfunktion im Voraus ermittelt. Dies kann beispielsweise mittels einer so genannten MATLAB-Software (eingetragenes Warenzeichen) oder dergleichen erfolgen. Danach können die ermittelten Polynomkoeffizienten in dem Datenspeicher der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gespeichert werden. Durch die optionale Verwendung der Polynomfunktion – im Vergleich zu großen Datentabellen – kann eine zu speichernde Datenmenge reduziert werden. Durch die optionale Verwendung eines oder mehrerer Kennfelder kann die Abhängigkeit besonders einfach und genau beschrieben werden. Dadurch können sich in der Gesamtheit niedrigere Kosten ergeben.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem ersten Schritt mittels eines neuronalen Netzwerks die Abhängigkeit zwischen dem Maximalwert für den Zylinderinnendruck, der Drehzahl und/oder dem Drehzahlsignal, dem indizierten Mitteldruck, dem Anteil der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel der Kurbelwelle ermittelt. Beispielsweise erfolgt dies unter Verwendung von Korrelationen zwischen den jeweiligen Größen. In einem zweiten Schritt wird mittels des neuronalen Netzwerks der Maximalwert für den Zylinderinnendruck unter Verwendung der ermittelten Abhängigkeit ermittelt. Beispielsweise ist das neuronale Netzwerk in der Lage, eine vergleichsweise große Anzahl von Größen (Variable) zu ermitteln und/oder zu berechnen und/oder auszutauschen und/oder zu verarbeiten und/oder zu korrelieren. Diese Größen sind beispielsweise auf Sensoren oder Signale oder Bauelemente oder Zustände der Brennkraftmaschine rückführbar. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren weiter vereinfacht und verbilligt werden. Der besagte erste Schritt erfolgt vorzugsweise in einer so genannten "Applikationsphase“ an einer entsprechend mit Sensoren und dergleichen ausgerüsteten Brennkraftmaschine. Der besagte zweite Schritt erfolgt vorzugsweise an einer serienmäßig ausgeführten Brennkraftmaschine während des normalen Betriebs, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
Ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass die Abhängigkeit mittels des neuronalen Netzwerks in dem ersten Schritt unter Verwendung von mindestens einer sonstigen einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine charakterisierenden Größe ermittelt wird, wobei in dem zweiten Schritt die mindestens eine sonstige Größe entsprechend berücksichtigt wird. Abhängig von den in dem ersten Schritt ermittelten Korrelationen kann es sogar möglich sein, dass eine direkte Ermittlung des indizierten Mitteldrucks und/oder des Anteils der verbrannten Kraftstoffmenge (in dem zweiten Schritt) nicht erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach und genau mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung für die Brennkraftmaschine durchführbar. Vorzugsweise erfolgt dies unter Verwendung eines Computerprogramms, welches in dem Datenspeicher der Steuer- und/oder Regeleinrichtung oder in einem sonstigen Speichermedium abgespeichert ist.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein vereinfachtes Schema einer Brennkraftmaschine und einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung;
2 ein Flussdiagramm zum Betreiben der Brennkraftmaschine nach 1;
3 ein Blockdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine;
4 drei Diagramme mit einem Zylinderinnendruck in einem Zylinder, einem Zylinderinnendruck in allen Zylindern und einem Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine über einem Kurbelwellenwinkel;
5 ein Diagramm mit einem Anteil einer verbrannten Kraftstoffmenge über dem Kurbelwellenwinkel;
6 ein dreidimensionales Diagramm mit einem ersten Wert einer Drehzahl als Parameter;
7 ein dreidimensionales Diagramm mit einem zweiten Wert der Drehzahl als Parameter;
8 ein dreidimensionales Diagramm mit einem dritten Wert der Drehzahl als Parameter;
9 ein dreidimensionales Diagramm mit einem vierten Wert der Drehzahl als Parameter;
10 ein dreidimensionales Diagramm mit einem fünften Wert der Drehzahl als Parameter;
11 ein erstes Flussdiagramm für das Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine; und
12 ein zweites Flussdiagramm für das Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Die nachfolgend beschriebenen 1 sowie 3 bis 12 zeigen beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren. Die 2 zeigt eine bevorzugte Anwendung für einen ermittelten Maximalwert für den Zylinderinnendruck.
1 zeigt ein vereinfachtes Schema einer Brennkraftmaschine 100, die vorliegend vier Zylinder 112a, 112b, 112c und 112d aufweist. Die Brennkraftmaschine 100 weist ferner einen Ansaugtrakt 114 zur Versorgung mit Frischluft beziehungsweise einem Luft-/Kraftstoffgemisch sowie einen Abgastrakt 116 auf.
In dem Ansaugtrakt 114 ist ein Drucksensor 118 ("Ladedrucksensor") angeordnet, der einen Ladedruck P22 des Frischgases in dem Ansaugtrakt 114 ermitteln und ein den Ladedruck P22 charakterisierendes Signal an eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 für die Brennkraftmaschine 100 weiterleiten kann. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 umfasst einen Datenspeicher 124 ("Speichermedium") sowie ein in dem Datenspeicher 124 gespeichertes Computerprogramm 122. Weiterhin ist an dem Abgastrakt 116 ein Abgastemperatursensor 126 angeordnet, der eine Abgastemperatur T3 in dem Abgastrakt 116 ermitteln und ein die Abgastemperatur T3 charakterisierendes Signal an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 übermitteln kann.
Alternativ oder ergänzend zu dem Abgastemperatursensor 126 kann auch ein Rechenmodell verwendet werden, das die Abgastemperatur T3 in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 100 ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von einer Frischluftmenge und/oder dem Ladedruck P22 und/oder der Temperatur T22 in dem Ansaugtrakt 114 der Brennkraftmaschine 100.
Der Zylinder 112a ist vorliegend als so genannter "Leitzylinder" ausgeführt, wobei ein Zylinderinnendruck 127 mittels eines an dem Zylinder 112a angeordneten Zylinderdrucksensors 128 ermittelt wird. Ein den Zylinderinnendruck 127 charakterisierendes Signal 130 wird an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 übermittelt. Ergänzend werden mehrere weitere Signale zwischen Einrichtungen der Brennkraftmaschine 100 und der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 übermittelt. Dies ist in der 1 durch einen Doppelpfeil 131 angedeutet.
Die Brennkraftmaschine 100 kann selbstzündend ("Dieselmotor") oder auch fremdgezündet ("Ottomotor") sein. Insbesondere kann der Brennkraftmaschine 100 auch eine Vorrichtung zum Aufladen der Brennkraftmaschine 100, insbesondere ein Turbolader (nicht gezeigt), zugeordnet sein. Dies ist für die Funktion der nachstehend beschriebenen Erfindung jedoch nicht zwingend erforderlich.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 100 erzeugen die Zylinder 112 durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches ein Drehmoment 138 an einer Kurbelwelle 132. Das Drehmoment 138 charakterisiert ein im Schwerpunkt der Verbrennung (engl. CoC, "Center of Combustion") erzeugtes Drehmoment. Eine Drehzahl 133 der Kurbelwelle 132 kann mittels eines Geberrads 134 ermittelt werden, wobei ein Drehwinkel 406 (siehe 4) und ein Drehzahlsignal 136 an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 übermittelt werden. Weitere Elemente der Brennkraftmaschine 100, wie beispielsweise Einspritzventile, Aktoren und dergleichen sind in der 1 nicht mit dargestellt. Weitere Einzelheiten zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100 werden in den folgenden 2 bis 12 näher erläutert werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100 in einer bevorzugten Anwendung. In einem Startblock 196 in einem oberen Bereich der Zeichnung beginnt die dargestellte Prozedur. In einem folgenden Block 198 werden mehrere Größen und/oder Parameter, wie beispielsweise ein oberer Schwellwert PZa für den Zylinderinnendruck 127, ein oberer Schwellwert T3w für die Abgastemperatur T3 im Abgastrakt 116, obere Schwellwerte T22max und P22max für eine Temperatur T22 und den Ladedruck P22 in dem Ansaugtrakt 114, sowie ein Schwellwert 242 ("∆PmaxCyl") für einen zulässigen Streubereich von Maximalwerten PZmax des Zylinderinnendrucks 127 in den Zylindern 112a bis 112d, vorgegeben bzw. ermittelt. Vorzugsweise sind zumindest einige der vorgenannten Schwellwerte PZa, T3w, T22max, P22max und/oder der Schwellwert 242 von einem aktuellen Betriebszustand ("Betriebspunkt") der Brennkraftmaschine 100 abhängig. Der Schwellwert PZa entspricht einem "erlaubten" Höchstwert für den Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127.
In einem folgenden Block 200 werden der jeweilige Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127 in den Zylindern 112a bis 112d, sowie die Abgastemperatur T3, die Temperatur T22 und der Ladedruck P22 in dem Ansaugtrakt 114 ermittelt. Der Block 200 ist zugleich ein Ausgangspunkt für einen jeweiligen Durchlauf (Zyklus) von entsprechenden Verfahrensschritten, welche für jeden der Zylinder 112 jeweils einzeln beziehungsweise für alle Zylinder 112 zusammen ausgeführt werden können.
In einem folgenden Abfrageblock 240 kann für mindestens zwei Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100, vorzugsweise jedoch für alle vier Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100, jeweils eine den Zylinderinnendruck 127 in dem betreffenden Zylinder 112 charakterisierende Größe, insbesondere ein Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127 des betreffenden Zylinders 112, ermittelt werden. Die Ermittlung des Maximalwerts PZmax wird mittels der 3 bis 12 weiter unten noch näher erläutert werden. Der Abfrageblock 240 ist optional und daher in der 2 nur gestrichelt gezeichnet. Mittels des Abfrageblocks 240 kann ermöglicht werden, dass ein nachfolgender Abfrageblock 210 und sich daran anschließende Verfahrenszweige 220 und 230 nur dann durchlaufen werden, wenn die jeweilige Abweichung der Maximalwerte PZmax des Zylinderinnendrucks 127 der Zylinder 112 untereinander nicht größer als der vorgebbare Schwellwert 242 ist. Andernfalls wird zu nachfolgenden Blöcken 2410 und 2420 verzweigt, welche ein Fehlerrisiko bzw. ein Betriebsrisiko der Brennkraftmaschine 100 begrenzen können.
Aus den verschiedenen Maximalwerten PZmax der Zylinder 112 kann im Abfrageblock 240 ein Maß für die Abweichung dieser Maximalwerte PZmax untereinander gebildet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Maximalwerte PZmax für alle Zylinder 112 jeweils voneinander subtrahiert werden, ggf. mit anschließender Betragsbildung der erhaltenen Differenz, um jene beiden Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100 zu identifizieren, deren Maximalwerte PZmax die größte Differenz zueinander aufweisen. Diese Differenz wird im Abfrageblock 240 ausgewertet.
Sofern gemäß der Überprüfung im Abfrageblock 240 die größte Differenz dieser Maximalwerte PZmax, also eine Abweichung der Maximalwerte PZmax der betreffenden Zylinder 112 voneinander, den vorgebbaren Schwellwert 242 übersteigt, verzweigt das Verfahren in die nachfolgenden Blöcke 2410 und 2420.
Im Block 2410 wird das maximal von der Brennkraftmaschine 100 abzugebende Drehmoment 138 begrenzt, beispielsweise mithilfe eines so genannten "Drehmomentenkoordinators". Im folgenden Block 2420 kann eine weitere Diagnosefunktion ausgeführt werden, die beispielsweise einen Fehlerspeichereintrag in einem Fehlerspeicher der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 (2) veranlasst und/oder eine Signalisierung eines Wartungsbedarfs der Brennkraftmaschine 100 zum Gegenstand hat. Dies erfolgt beispielsweise akustisch und/oder optisch an einen Benutzer der Brennkraftmaschine 100 bzw. an einen Fahrer eines von der Brennkraftmaschine 100 angetriebenen Kraftfahrzeugs.
Sofern gemäß der Überprüfung im Abfrageblock 240 die Abweichung der Maximalwerte PZmax der betreffenden Zylinder 112 untereinander den vorgebbaren Schwellwert 242 jedoch nicht übersteigt, wird in den folgenden Abfrageblock 210 verzweigt.
Im Abfrageblock 210 wird für den jeweiligen Zylinder 112 der Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127 mit dem Schwellwert PZa verglichen. Diese Abfrage ist vorliegend durch die in dem Abfrageblock 210 aufgeführte Ungleichung PZmax > PZa symbolisiert. Abhängig davon, ob der Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127 in dem jeweiligen Zylinder 112 größer ist als der vorgebbare Schwellwert PZa oder nicht, wird anschließend in einen der Verfahrenszweige 220 oder 230 verzweigt, die jeweils eine – weitgehend unterschiedliche – Beeinflussung des weiteren Betriebs der Brennkraftmaschine 100 zur Folge haben.
Sofern beispielsweise für den betrachteten Zylinder 112 in dem Abfrageblock 210 festgestellt worden ist, dass sein Maximalwert PZmax kleiner oder gleich dem vorgebbaren Schwellwert PZa ist, wird in den Verfahrenszweig 220 verzweigt. Dieser ist durch eine gestrichelte Umrandung in einem rechten Bereich der Zeichnung dargestellt.
In einem ersten Abfrageblock 2210 des Verfahrenszweigs 220 erfolgt eine Überprüfung, ob die Abgastemperatur T3 der Brennkraftmaschine 100 größer ist als der Schwellwert T3w. Der Schwellwert T3w wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 100 vorgegeben, beispielsweise in der gleichen Weise wie der betriebspunktabhängig gewählte Schwellwert PZa des Zylinderinnendrucks 127.
Sofern die Überprüfung im Abfrageblock 2210 ergibt, dass die Abgastemperatur T3 größer ist als der Schwellwert T3w, wird in einen Block 2212 verzweigt, der eine Verschiebung eines Einspritzzeitpunkts bzw. eines Zündzeitpunkts der Brennkraftmaschine 100 nach früh vorsieht, um der zu hohen Abgastemperatur T3 entgegenzuwirken. Danach verzweigt das Verfahren wiederum in den Block 200 und beginnt z.B. mit einem neuen Zyklus für denselben Zylinder 112 oder einen anderen Zylinder 112.
Sofern die Überprüfung in dem Abfrageblock 2210 jedoch ergibt, dass die Abgastemperatur T3 kleiner oder gleich dem Schwellwert T3w ist, wird in einen nachfolgenden Abfrageblock 2220 verzweigt. In dem Abfrageblock 2220 wird überprüft, ob ein Fahrerwunschmoment PWG – entsprechend einem Wert zwischen 0% und 100% – einen vorgegebenen Schwellwert PWG1 überschreitet oder nicht. Der Schwellwert PWG1 kann beispielsweise zu etwa 100 % oder mindestens etwa 90 % eines maximal möglichen Fahrerwunschmoments PWG gewählt werden. Das Fahrerwunschmoment PWG wird vorzugsweise mittels eines Fahrpedalgebers (nicht gezeigt) ermittelt, der an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 (1) angeschlossen ist.
Sofern die Überprüfung im Abfrageblock 2220 gemäß 2 beispielsweise ergibt, dass das Fahrerwunschmoment PWG kleiner als der Schwellwert PWG1 ist, verzweigt das Verfahren gemäß 2 wiederum zu dem Block 200 für einen neuen Durchlauf. Falls jedoch die Überprüfung im Abfrageblock 2220 ergibt, dass das aktuelle Fahrerwunschmoment PWG größer ist als der Schwellwert PWG1, so wird in weitere Abfrageschritte 2230 und 2240 verzweigt.
In diesem Fall wird aus dem Abfrageblock 2220 also nur dann in die nachfolgenden Abfrageschritte 2230 und 2240 verzweigt, wenn das aktuelle Fahrerwunschmoment PWG verhältnismäßig große Werte annimmt, weil der Fahrer des von der Brennkraftmaschine 100 angetriebenen Kraftfahrzeugs ein entsprechend hohes Drehmoment 138 anfordert.
Im Abfrageschritt 2230 wird geprüft, ob die Temperatur T22 in dem Ansaugtrakt 114 (1) der Brennkraftmaschine 100 den oberen Schwellwert T22max überschreitet oder nicht. Ferner wird im Abfrageschritt 2240 überprüft, ob der Ladedruck P22 in dem Ansaugtrakt 114 der Brennkraftmaschine 100 den Schwellwert P22max überschreitet oder nicht. Sofern weder die Temperatur T22 noch der Ladedruck P22 die jeweiligen Schwellwerte T22max und P22max überschreiten, so wird in den nachfolgenden Block 2250 verzweigt.
Im Block 2250 wird eine dem jeweiligen Zylinder 112 zugeordnete einzuspritzende Kraftstoffmenge erhöht. Dies ist vorliegend möglich, da die Temperaturen T3 und T22 in dem Abgastrakt 116 und dem Ansaugtrakt 114 unter den zugehörigen Schwellwerten T3w und T22max liegen und der Ladedruck P22 in dem Ansaugtrakt 114 ebenfalls unter dem zugehörigen Schwellwert P22max liegt. Daher sind bezüglich dieser Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 100 noch Reserven zu höheren Temperaturen T3 und T22 beziehungsweise zu dem Ladedruck P22 hin vorhanden.
Ferner ist in dem Abfrageblock 2220 – wie oben bereits beschrieben – überprüft worden, ob ein verhältnismäßig großes Fahrerwunschmoment PWG ≥ PWG1 angefordert worden ist. In diesem Fall wird daher im Block 2250 die einzuspritzende Kraftstoffmenge des betreffenden Zylinders 112 um ein vorgebbares Maß erhöht, um ein gesteigertes Drehmoment 138 der Brennkraftmaschine 100 zu bewirken.
Auf diese Weise kann die Einspritzmenge der Brennkraftmaschine 100 auch über das statisch beispielsweise durch ein Kennfeld vorgegebene Maß hinaus gesteigert werden, sofern die entsprechenden Betriebsgrößen T3, T22 und P22 der Brennkraftmaschine 100 nicht bereits ihre jeweiligen vorgebbaren Schwellwerte T3w, T22max und P22max überschritten haben. Das bedeutet, dass dann, wenn die Temperaturen T3 und T22 in dem Abgastrakt 116 und in dem Ansaugtrakt 114 sowie der Ladedruck P22 in dem Ansaugtrakt 114 nicht bereits die zugehörigen Schwellwerte T3w, T22max und P22max überschritten haben und zugleich der Fahrer ein besonders hohes Drehmoment 138 anfordert, im Block 2250 die Einspritzmenge erhöht werden kann. Dies ist insbesondere über das bei einem konventionellen System statisch vorgegebene Maximalmaß hinaus möglich, so dass die Brennkraftmaschine 100 tatsächlich auch das vom Fahrer angeforderte höhere Drehmoment 138 abgibt. Nach dem Block 2250 wird wiederum zu dem Block 200 des Verfahrens verzweigt.
Sofern in den Abfrageschritten 2230 oder 2240 jedoch festgestellt wird, dass die Temperatur T22 bzw. der Ladedruck P22 in dem Ansaugtrakt 114 die zugehörigen Schwellwerte T22max bzw. P22max überschreitet, so wird die vorstehend beim Block 2250 beschriebene Erhöhung der Einspritzmenge nicht durchgeführt, sondern es wird wiederum zu dem Block 200 für einen erneuten Durchlauf verzweigt.
Die vorstehend beschriebenen Schritte des Verfahrenszweigs 220 können für einen Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100, für mehrere, oder auch für alle Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100 durchgeführt werden. Dies kann entweder sequentiell oder auch gleichzeitig bzw. zeitlich überlappend und z.B. synchron mit einem jeweiligen Arbeitszyklus des betrachteten Zylinders 112 erfolgen.
Beim Vorhandensein hinreichender Reserven hinsichtlich der aktuellen Temperaturwerte bzw. Druckwerte in dem Ansaugtrakt 114 bzw. in dem Abgastrakt 116 kann mithilfe des Verfahrenszweigs 220 in der vorliegenden Ausführungsform eine individuelle Überhöhung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge je Zylinder 112 vorgenommen werden, sofern zusätzlich der Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127 nichts bereits über dem Schwellwert PZa liegt, vergleiche die beschriebene Überprüfung in dem Abfrageblock 210.
Sofern in dem Abfrageblock 210 für einen betrachteten Zylinder 112 jedoch ermittelt worden ist, dass der Maximalwert PZmax größer oder gleich dem Schwellwert PZa ist, wird in den Verfahrenszweig 230 mit den nachstehend näher erläuterten Schritten verzweigt. Der Verfahrenszweig 230 ist durch eine gestrichelte Umrandung in einem linken Bereich der Zeichnung von 2 dargestellt.
Generell ist anzumerken, dass der vorgebbare Schwellwert PZa, der in dem Vergleich des Abfrageblocks 210 verwendet wird, bevorzugt für alle Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100 gleich ist. Alternativ kann er jedoch für unterschiedliche Zylinder 112 der Brennkraftmaschine 100 unterschiedlich gewählt werden.
In einem ersten Abfrageblock 2310 des Verfahrenszweigs 230 wird – vergleichbar zu dem Abfrageblock 2210 – die Abgastemperatur T3 der Brennkraftmaschine 100 mit dem Schwellwert T3w verglichen. Dabei kann der Schwellwert T3w im Abfrageblock 2310 gleich oder auch abweichend zu dem entsprechenden Schwellwert T3w des Abfrageblocks 2210 gewählt sein. Falls die Abgastemperatur T3 größer ist als der Schwellwert T3w, dann wird zu einem Block 2360 verzweigt, in welchem die einzuspritzende Kraftstoffmenge für den betrachteten Zylinder 112 reduziert wird. Nach dem Block 2360 wird in den Block 200 zurück verzweigt.
Falls jedoch die Abgastemperatur T3 unterhalb des Schwellwerts T3w liegt, so wird in einen Abfrageblock 2320 verzweigt, in welchem, vergleichbar zu dem Abfrageblock 2220, das Fahrerwunschmoment PWG mit dem Schwellwert PWG1 verglichen wird. Dabei kann der Schwellwert PWG1 im Abfrageblock 2320 gleich oder auch abweichend zu dem entsprechenden Schwellwert PWG1 des Abfrageblocks 2220 gewählt sein. Falls das Fahrerwunschmoment PWG größer ist als der Schwellwert PWG1, so wird in einen Block 2330 verzweigt, in welchem ein Einspritzzeitpunkt beziehungsweise ein Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine 100 nach spät verstellt wird. Nach dem Block 2330 wird in den Block 200 zurück verzweigt.
Falls das Fahrerwunschmoment PWG jedoch kleiner ist als der Schwellwert PWG1, so wird in einen Block 2340 verzweigt, in welchem eine Diagnosefunktion ausgeführt wird. Diese Diagnosefunktion dient vorzugsweise zur Überprüfung des Drucksensors 118 ("Ladedrucksensor") und/oder – sofern vorhanden – zur Überprüfung mindestens eines Stellglieds einer Vorrichtung zum Aufladen der Brennkraftmaschine 100, beispielsweise eines Turboladers (nicht gezeigt).
Anschließend wird in einem Block 2350 das maximal von der Brennkraftmaschine 100 abzugebende Drehmoment 138 begrenzt. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Signalisierung eines maximal zulässigen Drehmoments 138 an den Drehmomentenkoordinator (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 100. Der Drehmomentenkoordinator kann beispielsweise in Form einer Softwarefunktion in dem Computerprogramm 122 der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 der Brennkraftmaschine 100 implementiert sein. Ebenso können beliebige sonstige Teile und/oder Ausführungsformen des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100 nach 2 ganz oder teilweise mittels des Computerprogramms 122 durchgeführt werden.
3 zeigt ein Blockdiagramm 300 mit Blöcken bzw. Verfahrensschritten zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100. Ein jeweiliger Signalfluss bzw. eine jeweilige Abfolge von Verfahrensschritten erfolgt in der Zeichnung im Wesentlichen von links nach rechts.
In einem in der Zeichnung linken Bereich wird eine Drehzahl 302 bzw. das Drehzahlsignal 136 einem Block 304 als Eingangsgröße zugeführt. Der Block 304 repräsentiert rotierende Massen der Brennkraftmaschine 100, welche einen Zeitverlauf 403 (siehe 4) der Drehzahl 302 beeinflussen können. Zwei Diagramme 306 und 308 zeigen Zeitverläufe der Drehzahl 302 bzw. eines Ausgangssignals 310 des Blocks 304 wie sie von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 120 verfahrensgemäß verwendet bzw. ermittelt werden. Das Ausgangssignal 310 ist einem nachfolgenden Block 312 als Eingangsgröße zugeführt.
Der Block 312 bildet eine erste zeitliche Ableitung ("d/dt") des Ausgangssignals 310. Ein Ausgangssignal 313 des Blocks 312 wird einem ersten Eingang eines Addierers 314 zugeführt. Das Ausgangssignal 313 bildet einen ersten Beitrag zu dem Drehmoment 138, wobei der erste Beitrag mechanische Effekte an bzw. in den Zylinder 112 und der Kurbelwelle 132 charakterisiert.
In einem in der Zeichnung oberen Bereich von 3 wird ein den Ladedruck P22 charakterisierendes Drucksignal 316 einem Block 318 als Eingangsgröße zugeführt. Der Block 318 umfasst ein Kompressionsmodell eines jeweiligen Zylinders 112 unter Verwendung einer polytropen Beziehung zur Ermittlung eines "Pumpdrucks" (entsprechend einem Kompressionsmoment, M_KOMPRESSION, siehe weiter unten) aufgrund thermodynamischer Effekte bei einer Kompression und/oder Expansion von Gas. Ein Diagramm 320 zeigt einen Zeitverlauf eines Ausgangssignals 322 des Blocks 318. Das Ausgangssignal 322 bildet einen zweiten Beitrag zu dem Drehmoment 138 und charakterisiert also eine Gaskompression als Folge einer Bewegung eines Kolbens in dem jeweiligen Zylinder 112.
Das Ausgangssignal 322 wird einem zweiten (inversen) Eingang des Addierers 314 zugeführt. Somit bildet der Addierer 314 eine Differenz des besagten ersten und zweiten Beitrags, siehe die unten stehende Gleichung (5). Ein Ausgangssignal 326 – siehe das Diagramm 324 – des Addierers 314 wird in einem folgenden Block 328 gefiltert. Ein Ausgangssignal (ohne Bezugszeichen) des Blocks 328 ist einem folgenden Block 330 als Eingangsgröße zugeführt. In dem Block 330 können gegebenenfalls ergänzende Operationen oder Korrekturen erfolgen.
Am Ausgang des Blocks 330 wird schließlich das durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches erzeugte Drehmoment 138 (M_VERBRENNUNG, inneres Moment) der Brennkraftmaschine 100 ermittelt. Insgesamt kann zu dem Blockdiagramm 300 der 3 die folgende Gleichung (5) angegeben werden: M_VERBRENNUNG = Θ· dω / dt– M_KOMPRESSION, (5) wobei

M_VERBRENNUNG: = durch die Verbrennung im Zylinder 112 erzeugtes Antriebsmoment;
Θ: = Trägheitsmoment der rotierenden Massen der Brennkraftmaschine 100;
ω: = Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 132; und
M_KOMPRESSION: = Kompressionsmoment, welches durch die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder 112 charakterisiert ist.

4 zeigt drei Diagramme 400, 402 und 404 mit Signalen in Abhängigkeit von dem Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132, wobei der Drehwinkel 406 auf einer jeweiligen Abszisse eingetragen ist. Es versteht sich, dass der Drehwinkel 406 unter Verwendung der Drehzahl 302 optional in eine Zeit umgerechnet werden kann.
In dem Diagramm 400 im oberen linken Bereich der Zeichnung von 4 ist ein Zeitverlauf 401 des Zylinderinnendrucks 127 für einen einzelnen Zylinder 112 über dem Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132 aufgetragen. Ausgehend von einem vergleichsweise niedrigen Wert steigt der Zylinderinnendruck 127 steil an und erreicht den – für den jeweiligen Zylinder 112 spezifischen – Maximalwert PZmax. Danach fällt der Zylinderinnendruck 127 steil auf einen wiederum vergleichsweise niedrigen Wert ab. Die dargestellte Kurve weist eine Periode von 720° des Drehwinkels 406 auf.
In dem Diagramm 402 im oberen rechten Bereich der Zeichnung von 4 ist ein Zeitverlauf 403 des Drehzahlsignals 136 über dem Drehwinkel 406 aufgetragen. Der Zeitverlauf 403 des Drehzahlsignals 136 entspricht im Wesentlichen einer Sinuskurve, wobei fortwährend "Unregelmäßigkeiten" mit einer vergleichsweise kleinen Amplitude überlagert sind. Die dargestellte Kurve weist eine Periode von 180° des Drehwinkels 406 auf.
In dem Diagramm 404 im unteren Bereich der Zeichnung von 4 sind Zeitverläufe 401 für einen jeweiligen Zylinderinnendruck 127 über dem Drehwinkel 406 für alle vier Zylinder 112a bis 112d zeitlich nacheinander überlagert aufgetragen. Vorliegend weisen die jeweiligen Maximalwerte PZmax1, PZmax2, PZmax3 und PZmax4 zueinander unterschiedliche Werte auf. Ein Pfeil 408 symbolisiert die Ermittlung des Zylinderinnendrucks 127 für die übrigen Zylinder 112b bis 112d, welche nicht mit dem Zylinderdrucksensor 128 ausgeführt sind.
Diese Ermittlung erfolgt vorzugsweise derart, dass in einem ersten Schritt für den Leitzylinder 112a eine Beziehung zwischen dem Zeitverlauf 401 des Zylinderinnendrucks 127 und dem Zeitverlauf 403 des Drehzahlsignals 136 in dem zugehörigen Zeitabschnitt ermittelt wird. In einem zweiten Schritt wird dann die ermittelte Beziehung dazu verwendet, um aus einem jeweiligen Zeitabschnitt des Drehzahlsignals 136 für jeweils einen der übrigen Zylinder 112b bis 112d den zugehörigen Zeitverlauf 401 des Zylinderinnendrucks 127 zu ermitteln. Dabei gehen insbesondere die oben erwähnten "Unregelmäßigkeiten" des Drehzahlsignals 136 mit ein. Daraus können unter Verwendung des Drehwinkels 406 ein indizierter Mitteldruck 602 (siehe 6) und ein Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge (siehe 5) ermittelt werden.
5 zeigt ein Diagramm 500 mit dem Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge (Ordinate) über dem Drehwinkel 406 (Abszisse) der Kurbelwelle 132. Drei horizontale gestrichelte Linien entsprechen Anteilen 502 der verbrannten Kraftstoffmenge von 20%, 50% und 100%. Der Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge kann beispielsweise unter Verwendung einer integralen Wärmefreisetzung oder einer integralen Energiefreisetzung des in dem Zylinder 112 ablaufenden Verbrennungsprozesses ermittelt werden.
In einer Umgebung eines oberen Totpunkts des Kolbens – entsprechend einem Wert von 0° des Drehwinkels 406 – setzt eine Verbrennung des Kraftstoffs in dem jeweiligen Zylinder 112 ein. Dabei nimmt der Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge über dem Drehwinkel 406 monoton zu, bis er einen Wert von in etwa 100% erreicht, also der in den Zylinder 112 eingespritzte Kraftstoff im Wesentlichen verbrannt ist.
Vorliegend beträgt der Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge bei einem Drehwinkel 406a vorliegend 20% und bei einem Drehwinkel 406b vorliegend 50%. Man erkennt, dass ein umkehrbar eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132 besteht. Dieser Zusammenhang ist jedoch abhängig von dem jeweiligen Verlauf der Verbrennung in dem Zylinder 112. Unterschiedlich ablaufende Verbrennungen ergeben somit einen jeweils unterschiedlichen (numerischen) Zusammenhang zwischen dem Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel 406.
6 zeigt ein dreidimensionales Diagramm 600 des Maximalwerts PZmax des Zylinderinnendrucks 127 in Abhängigkeit von dem indizierten Mitteldruck 602 in dem Zylinder 112 (die Achse verläuft in der Zeichnung schräg nach links-hinten) und in Abhängigkeit von dem Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132 (die Achse verläuft in der Zeichnung schräg nach rechts-hinten). Die in der Zeichnung vordere untere Ecke des Diagramms 600 beginnt jeweils mit einem endlichen Wert des indizierten Mitteldrucks 602 und des Drehwinkels 406. Ein jeweiliger Nullpunkt ist in der 6 also nicht sichtbar.
Eine in dem Diagramm 600 dargestellte teilweise leicht gekrümmte Fläche zeigt eine Abhängigkeit 604 des Maximalwerts PZmax des Zylinderinnendrucks 127 von dem indizierten Mitteldruck 602 und dem Drehwinkel 406. Dabei ist die Abhängigkeit 604 mit einem – für die 6, 7, 8, 9 und 10 jeweils spezifischen – Wert der Drehzahl 133 parametriert. In der 6 weist die Drehzahl 133 beispielhaft einen Wert von 1200 upm (Umdrehungen pro Minute) auf.
Ein weiterer Parameter des Diagramms 600 ist der Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge. In der 6 sowie in den nachfolgenden 7, 8, 9 und 10 weist der Anteil 502 konstant beispielhaft einen Wert von 50% auf. Dieser Wert charakterisiert somit ebenfalls die jeweilige Abhängigkeit 604. Für unterschiedlich gewählte Werte des Anteils 502 der verbrannten Kraftstoffmenge können sich entsprechend unterschiedliche Abhängigkeiten 604 des Maximalwerts PZmax des Zylinderinnendrucks 127 in Bezug auf die übrigen das Diagramm 600 charakterisierenden Variablen bzw. Parameter ergeben. Das Verfahren zur Ermittlung des Maximalwerts PZmax des Zylinderinnendrucks 127 funktioniert jedoch auch mit von 50% abweichenden Werten für den Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge in vergleichbarer Weise.
Die Abhängigkeit 604 kann allgemein durch eine folgende Gleichung (1) dargestellt werden: PzMax[iZyl] = f(N, PMI[iZyl], MFBxy%[iZyl], CA), (1) wobei

PzMax: = Maximalwert PZmax des Zylinderinnendrucks 127;
f(...): = Funktion;
N: = Drehzahl 133 der Brennkraftmaschine 100 in upm (Umdrehungen pro Minute);
PMI: = indizierter Mitteldruck 602 (Einheit: bar);
MFBxy: = Anteil 502 (Prozentwert) der verbrannten Kraftstoffmenge;
[iZyl]: = Index für den jeweiligen Zylinder 112; und
CA: = Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132.

Alternativ zu der Parametrierung mittels diskreter Werte für die Drehzahl 133 kann die in der 6 dargestellte Abhängigkeit 604 mittels einer von der Drehzahl 133 abhängigen Funktion korrigiert werden. Dies ist in der 6 jedoch nicht dargestellt.
Vorliegend wird die Abhängigkeit 604 mittels eines (mehrdimensionalen) Kennfelds in dem Datenspeicher 124 gespeichert. Alternativ oder ergänzend ist die Abhängigkeit 604 mittels einer oder mehrerer Tabellen gespeichert oder wird mindestens teilweise mittels einer oder mehrerer Polynomfunktionen erzeugt.
Weiterhin ist es möglich, die Abhängigkeit 604 unter Verwendung von einem neuronalen Netzwerk zu ermitteln. Ein neuronales Netzwerk kann eine vergleichsweise große Anzahl von Größen (Variable) relativ einfach ermitteln und/oder berechnen und/oder austauschen und/oder verarbeiten und/oder korrelieren.
Die Abhängigkeit 604 wird für eine jeweilige Bauart der Brennkraftmaschine 100 bzw. für eine jeweilige Bauart des Zylinders 112 in einem Vorversuch ermittelt, beispielsweise auf einer so genannten "Prüfbank" bei einem Hersteller des Kraftfahrzeugs. Vorliegend wird die Abhängigkeit 604 mittels einer datenbasierten Modellierung unter Verwendung von einem ASCMO-Modell ermittelt. Der Begriff "ASCMO“ umfasst eine Erzeugung eines globalen Modells, welches eine Vielzahl von Variablen und/oder Größen und deren jeweilige Beziehungen oder Korrelationen umfasst, um die Brennkraftmaschine 100 in einer Vielzahl von Betriebszuständen zu betreiben.
Die 7, 8, 9 und 10 zeigen ähnlich zu der 6 die Abhängigkeit 604 des Zylinderinnendrucks 127 von der Drehzahl 133, dem indizierten Mitteldruck 602, dem Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132. Der für die 7, 8, 9 und 10 jeweilige Wert der Drehzahl 133 beträgt in der angegebenen Reihenfolge beispielhaft 1600 upm, 2000 upm, 2400 upm und 2800 upm.
11 zeigt ein erstes Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100, welches insbesondere in einer Applikationsphase ("Vorversuch") für die Brennkraftmaschine 100 durchgeführt werden kann. In einem Startblock 700 beginnt die in der 11 dargestellte Prozedur. In einem folgenden Block 702 wird die Abhängigkeit 604 zwischen dem Maximalwert PZmax, dem Drehzahlsignal 136 bzw. der Drehzahl 133, dem indizierten Mitteldruck 602, dem Anteil 502 der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel 406 der Kurbelwelle 132 ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise unter Verwendung des Blockdiagramms 300 der 3 oder den Diagrammen 400, 402 und 404 der 4.
Die ermittelte Abhängigkeit 604 wird in einem folgenden Block 704 in dem Datenspeicher 124 gespeichert und steht somit für einen "normalen" Betrieb der Brennkraftmaschine 100 bereit. In einem Endeblock 706 endet die in der 11 dargestellte Prozedur.
12 zeigt ein zweites Flussdiagramm zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 100, welches insbesondere in einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 100 durchgeführt werden kann. In einem Startblock 708 beginnt die in der 12 dargestellte Prozedur.
In einem folgenden Block 710 werden unter Verwendung von der gespeicherten Abhängigkeit 604 die aktuellen (betriebspunktabhängigen) Maximalwerte PZmax für die Zylinder 112a bis 112d ermittelt. In einem folgenden Block 712 wird unter Verwendung der derart ermittelten aktuellen Maximalwerte PZmax der Betrieb der Brennkraftmaschine 100 gesteuert bzw. geregelt. Dies erfolgt beispielsweise entsprechend dem in der 2 gezeigten Flussdiagramm. In einem Endeblock 714 endet die in der 12 dargestellte Prozedur, welche beliebig oft und für beliebige Zylinder 112 durchgeführt werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100), wobei ein Zylinderinnendruck (127) in mindestens einem Zylinder (112) der Brennkraftmaschine (100) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127) in Abhängigkeit (604) von einer Drehzahl (133) und/oder einem Drehzahlsignal (136) der Brennkraftmaschine (100), einem indizierten Mitteldruck (602), einem Anteil (502) einer verbrannten Kraftstoffmenge und einem Drehwinkel (406) einer Kurbelwelle (132) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit (604) für eine jeweilige Bauart der Brennkraftmaschine (100) bzw. für eine jeweilige Bauart des Zylinders (112) in einem Vorversuch ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit (604) mittels einer datenbasierten Modellierung, insbesondere unter Verwendung von einem ASCMO-Modell ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der indizierte Mitteldruck (602) und/oder der Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge zylinderindividuell mittels einer polytropen Beziehung abhängig von einem Ladedruck (P22) und abhängig von einem Zeitverlauf (403) des Drehzahlsignals der (136) Brennkraftmaschine (100) ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der indizierte Mitteldruck (602) und/oder der Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge abhängig von einem Zeitverlauf (401) des Zylinderinnendrucks (127) in einem Leitzylinder (112a) der Brennkraftmaschine (100) und abhängig von einem Zeitverlauf (403) des Drehzahlsignals (136) der Brennkraftmaschine (100) ermittelt wird, und dass der derart ermittelte indizierte Mitteldruck (602) und/oder der ermittelte Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge dazu verwendet wird, um auf den indizierten Mitteldruck (602) und/oder den Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge in den übrigen Zylindern (112b, 112c, 112d) der Brennkraftmaschine (100) zu schließen.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit (604) zwischen dem Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127), dem indizierten Mitteldruck (602), dem Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel (406) der Kurbelwelle (132) ermittelt wird, wobei die Abhängigkeit (604) mittels einer von der Drehzahl (133) der Kurbelwelle (132) abhängigen Funktion korrigiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit (604) zwischen dem Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127), dem indizierten Mitteldruck (602), dem Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel (406) der Kurbelwelle (132) ermittelt wird, wobei die Abhängigkeit (604) mittels der Drehzahl (133) der Kurbelwelle (132) parametriert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127) unter Verwendung von mindestens einer Polynomfunktion und/oder mindestens eines Kennfelds in Abhängigkeit (604) von der Drehzahl (133) und/oder dem Drehzahlsignal (136), dem indizierten Mitteldruck (602), dem Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel (406) der Kurbelwelle (132) ermittelt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mittels eines neuronalen Netzwerks die Abhängigkeit (604) zwischen dem Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127), der Drehzahl (133) und/oder dem Drehzahlsignal (136), dem indizierten Mitteldruck (602), dem Anteil (502) der verbrannten Kraftstoffmenge und dem Drehwinkel (406) der Kurbelwelle (132) ermittelt wird, und dass in einem zweiten Schritt mittels des neuronalen Netzwerks der Maximalwert (PZmax) für den Zylinderinnendruck (127) unter Verwendung von der ermittelten Abhängigkeit (604) ermittelt wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (120) für eine Brennkraftmaschine (100) dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Computerprogramm (122), dadurch gekennzeichnet, dass es dazu programmiert ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Computerprogramm (122) nach Anspruch 11 umfasst.