DE102016206491A1 - A method and apparatus for operating an internal combustion engine with a VCR controller and for verifying a function of a VCR controller - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (2) mit einem VCR-Steller (6) zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder (3) des Verbrennungsmotors (2), insbesondere basierend auf einer Angabe eines tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses (εEst), mit folgenden Schritten: – Bestimmen eines modellierten Ist-Motormoments (MMdl), eines modellierten Kompressionswirkungsgrads (ηMdl) und eines tatsächlichen Ist-Motormoments (MEst); – Bestimmen eines tatsächlichen Kompressionswirkungsgrads (ηEst) basierend auf einer Momentenbilanz; und – Ermitteln des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses (εEst) abhängig von dem tatsächlichen Kompressionswirkungsgrad (ηEst).The invention relates to a method for operating an internal combustion engine (2) with a VCR actuator (6) for setting a compression ratio in a cylinder (3) of the internal combustion engine (2), in particular based on an indication of an actual compression ratio (εEst), with the following Steps: determining a modeled actual engine torque (MMdl), a modeled compression efficiency (ηMdl) and an actual actual engine torque (MEst); Determining an actual compression efficiency (ηEst) based on a moment balance; and - determining the actual compression ratio (εEst) depending on the actual compression efficiency (ηEst).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Hubkolben-Verbrennungsmotoren, mit VCR-Stellern (VCR: Variable Compression Ratio), die eine variable Anpassung eines Verdichtungsverhältnisses von Brennräumen des Verbrennungsmotors ermöglichen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller, insbesondere zum Überprüfen einer Funktion eines VCR-Stellers.The invention relates to internal combustion engines, in particular reciprocating internal combustion engines, with VCR (Variable Compression Ratio VCR), which allow a variable adjustment of a compression ratio of combustion chambers of the internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to methods for operating an internal combustion engine with a VCR actuator, in particular for checking a function of a VCR actuator.
Technischer HintergrundTechnical background
Für Hubkolben-Verbrennungsmotoren besteht die Möglichkeit, durch verschiedene Maßnahmen ein Verdichtungsverhältnis in den Brennräumen der Zylinder einzustellen. Das Verdichtungsverhältnis gibt ein Verhältnis zwischen einem maximalen Volumen des Brennraums und einem minimalen Volumen des Brennraums während eines Arbeitstakts des Verbrennungsmotors an. Das Verdichtungsverhältnis kann durch geeignete so genannte VCR-Steller variabel durch Vorgabe einer VCR-Stellgröße eingestellt werden.For reciprocating internal combustion engines, it is possible to set a compression ratio in the combustion chambers of the cylinder by various measures. The compression ratio indicates a ratio between a maximum volume of the combustion chamber and a minimum volume of the combustion chamber during a power stroke of the internal combustion engine. The compression ratio can be adjusted variably by suitable so-called VCR controller by specifying a VCR control variable.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift
Weiterhin ist aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Überprüfen einer Funktion eines VCR-Stellers in einem Verbrennungsmotor, eine Vorrichtung und ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for operating an internal combustion engine with a VCR actuator according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, insbesondere basierend auf dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bestimmen eines modellierten Ist-Motormoments, eines modellierten Kompressionswirkungsgrads und eines tatsächlichen Ist-Motormoments;
- – Bestimmen eines tatsächlichen Kompressionswirkungsgrads basierend auf einer Momentenbilanz; und
- – Ermitteln eines tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses abhängig von dem tatsächlichen Kompressionswirkungsgrad.
- Determining a modeled actual engine torque, a modeled compression efficiency, and an actual actual engine torque;
- Determining an actual compression efficiency based on a moment balance; and
- - Determining an actual compression ratio depending on the actual compression efficiency.
Verbrennungsmotoren mit VCR-Stellern ermöglichen eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Optimierung der Ladungswechselverluste durch Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in den Brennräumen der Zylinder. Da der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors von dem Verdichtungsverhältnis abhängt, kann für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ein geeignetes Verdichtungsverhältnis betriebspunktabhängig eingestellt werden. Insbesondere kann in Niedrig- und Teillastbetriebspunkten eine hohe thermodynamische Effizienz durch ein hohes Verdichtungsverhältnis erreicht werden, während in Betriebspunkten hoher Last das Verdichtungsverhältnis verringert wird, um eine Klopfneigung des Verbrennungsmotors zu reduzieren.Combustion engines with VCR controllers allow a reduction in fuel consumption by optimizing the charge cycle losses by adjusting a compression ratio in the combustion chambers of the cylinders. Since the thermal efficiency of an internal combustion engine depends on the compression ratio, a suitable compression ratio can be set operating point-dependent for the operation of internal combustion engines. In particular, at low and part load operating points, high thermodynamic efficiency can be achieved through a high compression ratio, while at high load operating points the compression ratio is reduced to reduce knock tendency of the internal combustion engine.
Um einen größtmöglichen Wirkungsgrad bezüglich der gewonnenen mechanischen Energie zu erhalten, wird das Verdichtungsverhältnis im laufenden Betrieb, d. h. im Normalbetrieb, üblicherweise so hoch wie möglich gewählt, d. h. nahe an der Klopfgrenze (Betriebsbereichsgrenze, ab dem ein Klopfen des Verbrennungsmotors auftritt). In einer Aufheizbetriebsart, bei der der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass der Katalysator im Abgasabführungsabschnitt bevorzugt auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt wird, besteht ein Ziel jedoch darin, bei der Umsetzung der Kraftstoffenergie einen möglichst hohen Anteil an Abgasenergie zur Aufheizung des Katalysators bereitzustellen. Daher ist in der Regel vorgesehen, den Verbrennungsmotor während der Aufheizbetriebsart mit einer höheren Motorlast zu betreiben und den Zündzeitpunkt zu verzögern, um einen erhöhten thermischen Energieeintrag ins Abgassystem zur schnellen Aufheizung des Katalysators zu erreichen. Unter Umständen wird dieser Effekt noch verstärkt, wenn die Motordrehzahl erhöht wird.In order to obtain the greatest possible degree of efficiency with regard to the mechanical energy obtained, the compression ratio during normal operation, ie in normal operation, is usually selected as high as possible, ie close to the knock limit (operating range limit from which knocking of the internal combustion engine occurs). In a Aufheizbetriebsart in which the internal combustion engine is operated so that the catalyst in the Abgasabführungsabschnitt is preferably heated to an operating temperature, there is a goal, however, in the implementation of the fuel energy as possible provide high proportion of exhaust energy for heating the catalyst. Therefore, it is usually provided to operate the internal combustion engine during the Aufheizbetriebsart with a higher engine load and to delay the ignition timing to achieve increased thermal energy input into the exhaust system for rapid heating of the catalyst. Under certain circumstances, this effect is exacerbated when the engine speed is increased.
Das Verdichtungsverhältnis kann mit Hilfe von sogenannten VCR-Stellern variabel durch Vorgabe einer VCR-Stellgröße eingestellt werden. Eine Diagnose des Stellverhaltens des VCR-Stellers ist in der Regel jedoch nur mit Hilfe eines Stellungssensors möglich, der eine Stellungsrückmeldung des VCR-Stellers bereitstellt. Ein solches Vorsehen eines solchen Stellungssensors für einen VCR-Steller stellt jedoch einen zusätzlichen Aufwand dar.The compression ratio can be adjusted variably by means of so-called VCR controllers by specifying a VCR control variable. However, a diagnosis of the positioning behavior of the VCR actuator is usually only possible with the aid of a position sensor which provides a position feedback of the VCR actuator. However, such provision of such a position sensor for a VCR actuator represents an additional expense.
Das obige Verfahren sieht nun eine Ermittlung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses zur Überprüfung einer Funktion eines VCR-Stellers oder einer Adaption des VCR-Stellers vor, ohne eine sensorisch erfasste Stellungsangabe eines Stellungssensors zu benötigen. Dazu wird der tatsächliche Kompressionswirkungsgrad aus einer Momentenbilanz hergeleitet und anschließend aus dem Kompressionswirkungsgrad das tatsächliche Verdichtungsverhältnis bestimmt. Die Momentenbilanz basiert auf einem aus dem Momentenberechnungspfad berechneten Ist-Motormoment, aus einem aus dem Momentenberechnungspfad berechneten Kompressionswirkungsgrad und einem aus dem Mitteldruck der Verbrennung abgeleiteten tatsächlichen Motormoment. Durch Vergleich der auf verschiedenen Wegen ermittelten Motormomente kann ein tatsächlicher Kompressionswirkungsgrad abgeleitet werden.The above method now provides a determination of the actual compression ratio to verify a function of a VCR actuator or an adaptation of the VCR actuator, without requiring a sensory detected position indication of a position sensor. For this purpose, the actual compression efficiency is derived from a moment balance and then determined from the compression efficiency, the actual compression ratio. The torque balance is based on an actual engine torque calculated from the torque calculation path, a compression efficiency calculated from the torque calculation path, and an actual engine torque derived from the average pressure of the combustion. By comparing the engine torques determined in various ways, an actual compression efficiency can be derived.
Zusätzlich kann die Auswirkung des jeweiligen Verdichtungsverhältnisses auf die Motorparameter berücksichtigt werden. Ein weiterer Vorteil des obigen Verfahrens besteht darin, dass es unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors angewendet werden kann. Dadurch muss zum Durchführen der Diagnose kein besonderer Betriebszustand des Verbrennungsmotors eingestellt werden.In addition, the effect of the respective compression ratio on the engine parameters can be taken into account. Another advantage of the above method is that it can be applied independently of the operating condition of the internal combustion engine. As a result, no special operating state of the internal combustion engine has to be set in order to carry out the diagnosis.
Weiterhin kann ein Fehler signalisiert werden, wenn das tatsächliche Verdichtungsverhältnis von einem vorgegebenen Soll-Verdichtungsverhältnis, insbesondere um mehr als einen vorgegebenen Toleranzwert abweicht. Dadurch kann eine permanente Diagnose des VCR-Stellers durchgeführt werden.Furthermore, an error can be signaled if the actual compression ratio deviates from a predetermined target compression ratio, in particular by more than a predetermined tolerance value. This allows a permanent diagnosis of the VCR controller.
Auch kann eine VCR-Stellgröße zum Stellen des VCR-Stellers basierend auf dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis adaptiert werden. Dadurch können Bauteiltoleranzen und alterungsbedingte Änderungen des VCR-Stellers ausgeglichen werden.Also, a VCR manipulated variable for setting the VCR controller may be adapted based on the actual compression ratio. As a result, component tolerances and aging-related changes in the VCR controller can be compensated.
Gemäß einer Ausführungsform kann die VCR-Stellgröße abhängig von dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis und dem Soll-Verdichtungsverhältnis geregelt werden.According to an embodiment, the VCR manipulated variable may be regulated depending on the actual compression ratio and the target compression ratio.
Weiterhin kann das tatsächliche Ist-Motormoment aus einer Angabe des Zylindermitteldrucks insbesondere abhängig von einem Hubvolumen eines Zylinders bestimmt werden.Furthermore, the actual actual engine torque can be determined from an indication of the cylinder center pressure, in particular depending on a stroke volume of a cylinder.
Insbesondere kann der Zylindermitteldruck mithilfe eines Verlaufs eines gemessenen Zylinderdrucks oder mithilfe eines Verlaufs der Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bestimmt werden.In particular, the cylinder center pressure can be determined by means of a curve of a measured cylinder pressure or by means of a profile of the rotational speed of a crankshaft of the internal combustion engine.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem VCR-Steller zur Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – ein modelliertes Ist-Motormoment, einen modellierten Kompressionswirkungsgrad und ein tatsächliches Ist-Motormoment zu bestimmen;
- – einen tatsächlichen Kompressionswirkungsgrad basierend auf einer Momentenbilanz zu bestimmen; und
- – ein tatsächliches Verdichtungsverhältnis abhängig von dem tatsächlichen Kompressionswirkungsgrad zu bestimmen.
- To determine a modeled actual engine torque, a modeled compression efficiency, and an actual actual engine torque;
- To determine an actual compression efficiency based on a moment balance; and
- To determine an actual compression ratio depending on the actual compression efficiency.
Weiterhin kann eine Adaptionseinheit ausgebildet sein, um eine VCR-Stellgröße zur Ansteuerung des VCR-Stellers mithilfe einer Regelung abhängig von einem Unterschied zwischen dem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis und einem vorgegebenen Soll-Verdichtungsverhältnis zu ermitteln.Furthermore, an adaptation unit may be configured to determine a VCR manipulated variable for driving the VCR actuator by means of a control depending on a difference between the actual compression ratio and a predetermined target compression ratio.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor und der obigen Vorrichtung vorgesehen.In another aspect, an engine system including an internal combustion engine and the above apparatus is provided.
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Der Verbrennungsmotor
Der Verbrennungsmotor
Die Kopplung zwischen der Kurbelwelle
Der Verbrennungsmotor
Ein Vorteil der Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses ε ergibt sich aus der Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades ηTH eines Verbrennungsmotors vom Verdichtungsverhältnis, wie folgt:
Dabei beschreibt ε das Verdichtungsverhältnis, das bei Ottomotoren üblicherweise zwischen 8 und 14 liegt, und κ den Isentropenexponenten des Gemisches, der für eine homogene Verbrennung mit etwa 1,3 angenommen werden kann. Damit wird über den gesamten Verstellbereich des Verdichtungsverhältnisses bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von einem minimalen Wert zu einem maximalen Wert der thermische Wirkungsgrad ηTH um ca. 10% erhöht.Here, ε describes the compression ratio, which is usually between 8 and 14 in gasoline engines, and κ the isentropic exponent of the mixture, which can be assumed to be about 1.3 for homogeneous combustion. Thus, the thermal efficiency η TH is increased by about 10% over the entire adjustment range of the compression ratio with an increase in the compression ratio from a minimum value to a maximum value.
Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors verringert werden.Thereby, the fuel consumption of the internal combustion engine can be reduced.
Im Normalbetrieb wird das Verdichtungsverhältnis im Wesentlichen so eingestellt, dass es größtmöglich ist, jedoch ein Klopfen des Verbrennungsmotors vermieden wird. Dies bedeutet, dass in Niedriglastbetriebspunkten und Teillastbetriebspunkten ein hohes bzw. ein maximales Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, während in Hochlastbetriebspunkten das Verdichtungsverhältnis entsprechend verringert wird, damit in dem Verbrennungsmotor kein Klopfen auftritt.In normal operation, the compression ratio is substantially adjusted so that it is as large as possible, but knocking of the internal combustion engine is avoided. This means that at high load operating points and partial load operating points, a high and a maximum compression ratio is set, while in high load operating points, the compression ratio is reduced accordingly, so that no knocking occurs in the internal combustion engine.
Der VCR-Steller
In
Dazu wird in Schritt S1 zunächst ein Zylindermitteldruck pmi mithilfe einer Zylinderdrucksensorik gemessen oder mit einem MWF-Verfahren (MWF: Mechanical Work Feature) aus einem Drehzahlsignal der Kurbelwelle abgeschätzt. Wie beispielsweise aus der
Der Zylindermitteldruck pmi wird als Mittelwert des Druckverlaufs in einem Zylinder während eines Arbeitstaktes bestimmt. Weiterhin kann eine Verbrennungsschwerpunktlage ermittelt werden. Die Verbrennungsschwerpunktlage entspricht demjenigen Kurbelwellenwinkel, bei dem die Hälfte des insgesamt während eines Arbeitstaktes verbrennenden Kraftstoffs verbrannt ist.The cylinder mean pressure p mi is determined as the mean value of the pressure curve in a cylinder during a power stroke. Furthermore, a focal point of combustion can be determined. The center of gravity of the combustion corresponds to that crankshaft angle at which half of the total fuel burning during a power stroke is burnt.
Die Verbrennungsschwerpunktlage kann aus einem Zylinderdruckverlauf in an sich bekannter Weise abgeleitet werden. Ein Zylinderdruckverlauf kann direkt bei Vorsehen eines Brennraumdrucksensors gemessen werden. Ist jedoch, wie üblich, kein Brennraumdrucksensor vorgesehen, kann die Schwerpunktlage und der Mitteldruck einer Verbrennung basierend auf der Auswertung eines Drehzahlsignals des Verbrennungsmotors abgeschätzt werden.The combustion focus position can be derived from a cylinder pressure curve in a conventional manner. A cylinder pressure profile can be measured directly when providing a combustion chamber pressure sensor. However, if, as usual, no combustion chamber pressure sensor is provided, the center of gravity and the mean pressure of a combustion can be estimated based on the evaluation of a speed signal of the internal combustion engine.
Der Zylindermitteldruck pmi entspricht einer Größe, um den Wirkungsgrad und den Ladungswechsel von Hubkolbenmotoren zu beurteilen. Der indizierte Zylindermitteldruck pmi lässt sich aus dem angegebenen Drehmoment bzw. der bei einem vollständigen Arbeitsspiel im Brennraum abgegebenen Arbeit WI errechnen. wobei Vh dem Hubvolumen im Zylinder entspricht.The cylinder center pressure p mi corresponds to a size to judge the efficiency and the charge cycle of reciprocating engines. The indicated cylinder mean pressure p mi can be calculated from the specified torque or the work W I delivered in the combustion chamber during a complete working cycle. where V h corresponds to the displacement in the cylinder.
In Schritt S2 wird aus dem Zylindermitteldruck pmi das tatsächliche Ist-Drehmoment MEst entsprechend obiger Formel berechnet.In step S2, the actual actual torque M Est is calculated from the cylinder mean pressure p mi in accordance with the above formula.
In Schritt S3 werden aus einer an sich bekannten Modellrechnung basierend auf Stellgrößen für Stellgeber in dem Motorsystem, wie beispielsweise einer Drosselklappenstellung, eines Saugrohrdrucks und dergleichen, ein Modellwert des Ist-Motormoments MMdl des Verbrennungsmotors
Diese Größen weisen eine Genauigkeit auf, die sich aus der Modellgenauigkeit ergibt. Es wurde erkannt, dass ein Fehler eines modellierten Ist-Motormoments MMdl sich in gleicher Weise auch auf einen Fehler des modellierten Kompressionswirkungsgrades ηMdl abbildet. Somit kann eine Momentenbilanz erstellt werden wie folgt:
Basierend auf der obigen Formel für den thermischen Wirkungsgrad lässt sich der tatsächliche Kompressionswirkungsgrad ηEst ableiten Based on the above thermal efficiency formula, the actual compression efficiency η Est can be derived
Somit ergibt sich für das tatsächliche Verdichtungsverhältnis εEst: Thus, for the actual compression ratio ε Est :
In Schritt S4 wird auf Basis des tatsächlichen Kompressionswirkungsgrads ηEst das Verdichtungsverhältnis εEst berechnet.In step S4, the compression ratio ε Est is calculated based on the actual compression efficiency η Est .
Basierend auf dem so berechneten Verdichtungsverhältnis εEst kann in Schritt S5 eine Fehlerbehandlung durchgeführt werden. Das berechnete Verdichtungsverhältnis εEst kann insbesondere zur Überprüfung der Stellerposition des VCR-Stellers
Insbesondere kann dieses Verfahren zur Plausibilisierung eines etwaig eingesetzten VCR-Stellungssensors verwendet werden. Alternativ kann bei nicht vorhandenem VCR-Stellungssensor eine Rückmeldung über das Erreichen der tatsächlichen Position des VCR-Stellers abgeleitet werden.In particular, this method can be used to check the plausibility of any VCR position sensor used. Alternatively, if there is no VCR position sensor, a Feedback on reaching the actual position of the VCR controller are derived.
In
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