DE102018207467A1

DE102018207467A1 - Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder und Steuerung

Info

Publication number: DE102018207467A1
Application number: DE102018207467.4A
Authority: DE
Inventors: Andre Shurkewitsch; Jan Vogelsang; Elmar Millich; Nikolaus Zimbalist
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21
Also published as: WO2019219384A1; EP3794226A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder (2) einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend:Ermitteln (36) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einer Wand (2a) des Zylinders (2), wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert; undBerechnen (41) der Frischluftmasse der Frischluft (7) in dem Zylinder (2) basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine und eine Steuerung, die dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.
Beim Ottomotor ist es allgemein bekannt, die Luftmenge im Brennraum eines Zylinders möglichst genau zu bestimmen, damit die richtige Kraftstoffmenge für die Einspritzung berechnet werden kann. Die im Brennraum verbleibende Luftmenge ist von vielen thermodynamischen Größen abhängig und es ist bekannt, dass unter anderen Umgebungstemperaturen Füllungsfehler bei der berechneten Luftmenge auftreten können.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 58 261 A1 ist ein Motormanagementsystem bekannt, bei dem zur Bestimmung verschiedener Zustandsgrößen ein physikalisch basiertes Modell angewendet wird. Die Zustandsgrößen sind auf einen Verbindungsabschnitt bezogen, der zwischen einer Mischstelle, an der rückgeführtes Abgas mit angesaugter Frischluft gemischt wird, und Einlassventilen eines Verbrennungsmotors liegt. Das physikalische Modell bildet das Verhalten dieses Verbindungsabschnitts nach, sodass mithilfe dieses Modells verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors gesteuert werden können, wie bspw. die Frischluftmasse in dem Verbindungsabschnitt und die Gastemperatur. Nachteilig daran ist, dass nur der Einfluss des Verbindungsabschnitts auf die Frischluftmasse berücksichtigt wird, andere Einflüsse auf die Frischluftmasse aber außer Acht bleiben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine und eine entsprechende Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 und die Steuerung nach Anspruch 15 gelöst.
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine bereit, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einer Wand des Zylinders, wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert; und Berechnen der Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine bereit, die wenigstens einen Zylinder, ein Saugrohr, einen Saugrohrtemperatursensor, ein Einlassventil am Zylinder und einen Einlasskanal vor dem Einlassventil hat, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird eine Erhöhung der Frischlufttemperatur ausgehend von einem Temperatursensor im Saugrohr bis zum Einlassventil berechnet, wobei der Wärmeaustausch über die Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Frischluft errechnet wird. Außerdem hat bei manchen Ausführungsbeispielen die Verbrennungskraftmaschine einen geregelten Kühlwassermassenstrom (KFKM) und damit einen zusätzlichen Freiheitsgrad und es wurde erkannt, dass dieser Freiheitsgrad bei im Stand der Technik bekannten Lösungen bzw. Füllungserfassungsmodellen nicht ausreichend berücksichtigt wurde. Außerdem wurde erkannt, dass bei dynamischen Änderungen bzw. Vorgängen Abweichungen bei der berechneten Frischluftfüllung auftreten können, wobei diese Abweichungen immer dann signifikant sein können, wenn es zuvor eine längere Phase im unbefeuerten Motorbetrieb (Kraftstoffeinspritzung aus) gegeben hat.
Es wurde außerdem erkannt, dass bekannte Korrekturen Wärmeübergänge mit der Zylinderwand nicht berücksichtigen können, sodass bei sehr heißen oder sehr kalten Ansaugtemperaturen Dichteänderungen der Frischluft im Brennraum aufgrund des nicht berücksichtigten Effekts zu stark korrigiert werden. Dies kann zu größeren Fehlern bei der Frischluftberechnung führen. Zusätzlich wurde erkannt, dass bei Motoren mit kennfeldgeregelten Kühlwasserströmen die reine Kühlwassertemperatur nicht immer vollends aussagekräftig ist, da der Wärmeübergang an der Zylinderwand durch Wärmekonvektion in Abhängigkeit vom Wassermassenstrom nicht berücksichtigt werden kann. Ferner wurde erkannt, dass bekannte Korrekturen der Einspritzmenge den zeitlichen Verlauf der notwenigen Gemischkorrektur weder qualitativ noch quantitativ korrekt abbilden können und nicht unterschieden werden kann, ob der dynamische Lastwechsel aus dem befeuerten oder unbefeuerten Motorbetriebspunkt erfolgte. Aufgrund verschärfter Emissionsgrenzwerte neuer Abgastestzyklen sowie der gestiegenen Anforderungen unter allen Umgebungsbedingungen geringste Emissionswerte zu erzielen, wird bei manchen Ausführungsbeispielen die Erwärmung der Frischluft durch die Zylinderwand berücksichtigt.
Dementsprechend betreffen manche Ausführungsbeispiele ein Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Verfahren das Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einer Wand des Zylinders umfasst, wobei sich die Temperatur der Wand des Zylinders dynamisch verändert, und das Berechnen der Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse umfasst.
Die Verbrennungskraftmaschine kann ein Ottomotor oder Dieselmotor oder dergleichen sein und bspw. für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein (wie ein Auto, Motorrad, grundsätzlich aber auch andere Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeuge). Die Anzahl der Zylinder ist beliebig und kann je nach Ausführungsbeispielen 1, 2, 3, 4, 5, 6, etc. betragen.
Die Frischluftmasse ist bei manchen Ausführungsbeispielen direkt die Masse der im Zylinder befindlichen Frischluft, bspw. direkt nach einem Ansaugvorgang, ohne dass die Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt sein soll, wohingegen bei anderen Ausführungsbeispielen die Frischluftmasse durch eine oder mehrere Größen repräsentiert wird, wie bspw. Dichte, Temperatur, Volumen, etc.
Das Verfahren ermittelt nun die Erwärmung der Frischluft im Zylinder an einer Wand des Zylinders auch bei einer sich dynamischen ändernden Temperatur der Wand des Zylinders. Dabei wird typischerweise der Abschnitt der Zylinderwand berücksichtigt, der Kontakt mit der Frischluft hat, die bspw. durch einen Ansaugvorgang in den Zylinder für eine nachfolgende Verbrennung gelangt, da das Ziel bei manchen Ausführungsbeispielen ist, die richtige einzuspritzende Kraftstoffmenge basierend auf der im Zylinder vorhandenen Frischluftmasse zu ermitteln. Dieser Abschnitt kann bspw. der Abschnitt der Zylinderwand im Verbrennungsraum des Zylinders sein, der Zylinderboden (bzw. Kolbenfläche), etc.
Das Verfahren berechnet dann die Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
Damit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, dass die Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand auch bei dynamischen Änderungen der Temperatur der Zylinderwand während der Ansaugphase berücksichtigt wird und damit die Genauigkeit der berechneten Frischluftmasse steigt. Dadurch kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine höhere Gemischgenauigkeit zwischen Luft und Kraftstoff bei vom Normzustand abweichenden Ansaugtemperaturen, Kühlmitteltemperaturen und Kühlmittelmassenströmen durch das Zylinderkurbelgehäuse bzw. durch den Zylinderkopf erreicht werden. Diese Temperaturkorrektur geht über Temperaturkorrekturen hinaus, bei denen nur die Erwärmung bis zum Einlassventil modelliert wird. Die zusätzliche Einbindung der Zylinderwandtemperatur als Wärmekontaktfläche hat den Vorteil, dass insbesondere die Füllungsfehler unter anderen Umgebungstemperaturen reduziert werden. Auch ein Kühlmittelmassenstrom kann bei manchen Ausführungsbeispielen bei der Wärmeübertragung mittels Wärmekonvektion mit eingebunden werden. Ziel des Verfahrens ist es folglich bei manchen Ausführungsbeispielen, die Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand während der Ansaugphase zu berücksichtigen. Dazu wird, wie erwähnt, die aktuelle hochdynamische Zylinderwandtemperatur ermittelt, denn z. B. gerade nach Abkühlphasen im unbefeuerten Schub oder in einem Niedrigst-Lastbereich sinkt die Temperatur der Zylinderwand stark ab. Bei einem dynamischen Wechsel des Motorbetriebspunktes bzw. des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine in einen höheren Lastbereich erwärmt sich die Zylinderwand verzögert an einen stationären Zustand an. Bei manchen Ausführungsbeispielen werden diese Aufwärm- und Abkühlvorgänge möglichst genau modelliert und deren Einfluss auf die Frischluftfüllung berücksichtigt. Damit stellen manche Ausführungsbeispiel eine höhere Fahrzeugdynamik und ruckärmere Lastwechsel bereit sowie geringere Abgasemissionen bei Lastwechseln insbesondere aus Schubphasen und bei FMA-Konzepten („Freilauf-Motor-aus“). Außerdem haben manche Ausführungsbeispiele den Vorteil, dass die dynamische Korrektur der Frischlufttemperatur basierend auf den Aufwärm- und Abkühlvorgängen der Zylinderwand die Gemischgenauigkeit in der Dynamik verbessert. Die Abgasemissionen können verstärkt in der Dynamik auftreten, auf die Regelsysteme wie die Lambdaregelung und die Gemischadaption teilweise nur verzögert reagieren, um die Füllungsfehler auszugleichen, sodass manche Ausführungsbeispiele durch die dynamische Korrektur der Frischlufttemperatur Füllungsfehler reduzieren können.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders. Eine konstante Temperatur der Zylinderwand entspricht bei manchen Ausführungsbeispielen auch einem stationären Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine. Die Ermittlung der Erwärmung bei einer angenommenen konstanten Temperatur der Zylinderwand ist einfacher und kann als Startpunkt für die Berechnung der Erwärmung der Frischluft bei einer dynamischen Temperaturänderung der Zylinderwand verwendet werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann sich die stationäre Zylinderwandtemperatur bei einem Betriebspunktwechsel der Verbrennungskraftmaschine stark unterscheiden, z. B. um 180 K, ohne dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht beschränkt sein soll. Da sich der stationäre Zustand typischerweise erst nach einigen Sekunden einstellt, wirkt sich die noch nicht eingeschwungene Zylinderwandtemperatur auf die angesaugte Frischluftmasse aus. Bei Lastwechseln von einem „kalten“ auf einen „warmen“ Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine stellt sich ein Dichtevorteil ein und bei umgekehrten Lastwechseln stellt sich ein Dichtenachteil ein, der sich bis zum Erreichen der stationären Zylinderwandtemperatur auswirken kann. Dies kann, wenn der Effekt nicht berücksichtigt wird, zu Füllungsfehlern führen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die ermittelte Erwärmung der Frischluft bei Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders durch einen Filter gefiltert, um eine dynamische Korrektur der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders zu ermitteln. Wenn die Erwärmung der Frischluft unter der Annahme einer konstanten Temperatur der Zylinderwand, d. h. bei einem stationären Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, ermittelt wird, führt dies zu einem Verlauf der Temperatur der Frischluft, der näher an einem realen Verlauf ist, wie auch 1 veranschaulicht.
In 1 ist die Zylinderwandtemperatur „T_Zyl-w“ in Kelvin auf der Ordinate und die Zeit „t“ auf der Abszisse in Sekunden aufgetragen. 1 zeigt einen Verlauf 100 einer Temperatur der Frischluft in Abhängigkeit der Zylinderwandtemperatur und der Zeit, wie er sich ergibt, wenn eine konstante Temperatur der Zylinderwand für die Berechnung der Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand angenommen wird. Der Verlauf 100 zeichnet sich durch einen instantanen steilen bzw. vertikalen Temperatursprung von 320 K auf 500 K aus, also um eine Differenz von 180 K (d. h. 180 °C). Dies liegt daran, dass bei der Annahme einer konstanten Temperatur der Zylinderwand für die Berechnung der Temperaturerhöhung der Frischluft keine kontinuierliche Temperaturerhöhung möglich ist, was zu diesem künstlichen Sprung im Verlauf 100 führt. Im Gegensatz dazu zeigt ein Verlauf 101 eine Simulation, wie theoretisch ein natürlicher Verlauf der Zylinderwandtemperatur aussehen könnte, wobei der Verlauf 101 auf einer Simulation einer dynamischen Änderung der Zylinderwandtemperatur beruht. Ein Verlauf 102 veranschaulicht nun die Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand, wenn sie durch einen Filter entsprechend gefiltert wird, der den Sprung im Verlauf 100 so verändert, dass die Erwärmung der Frischluft nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich erfolgt und sich an einen natürlichen Verlauf annähert.
Durch das Vorsehen eines solchen Filters ist eine einfache und kostengünstige Korrektur der dynamischen Erwärmung der Frischluft an der sich dynamisch verändernden Temperatur der Zylinderwand möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Filter wenigstens einen PT1-Filter auf. PT1-Filter sind grundsätzlich bekannt und sind einfach und kostengünstig vorzusehen. Bei manchen Ausführungsbeispielen weist der Filter zwei hintereinandergeschaltete PT1-Filter auf, die einen besonders guten Verlauf der Temperatur der Frischluft bei einer dynamischen Zylinderwandtemperatur erzeugen.
Der Filter wird bei manchen Ausführungsbeispielen empirisch, bspw. auf einem Prüfstand ermittelt, sodass er an eine konkrete Verbrennungskraftmaschine bzw. ein konkretes Modell einer Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen hängt der Filter von wenigstens einem Parameter ab, der charakteristisch für die Temperatur der Wand des Zylinders ist, sodass auf diese Art und Weise für unterschiedlichste Temperaturen und Temperaturverläufe der Zylinderwandtemperatur eine gut angepasste dynamische Erwärmung der Frischluft erzielt werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen repräsentiert der Parameter eine während der Verbrennung eingebrachte Wärmemenge, eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Wärmeübertragung von Kühlwasser auf die Wand des Zylinders. Anhand dieser Parameter kann die Temperaturveränderung der Zylinderwand und damit die Temperaturveränderung der Frischluft gut ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird, wie auch weiter unten noch erläutert wird, die gefilterte Erwärmung mit einem effektiven und dynamischen Wärmeübergangskoeffizienten multipliziert. Dadurch kann eine Korrekturtemperatur erhalten werden, welche eine dynamische Temperaturänderung der Zylinderwand berücksichtigt. Außerdem berücksichtigt der dynamische Wärmeübertragungskoeffizient die Wärmeübertragung von der Zylinderwand an die Frischluft bei dynamischer Temperaturänderung.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der effektive und dynamische Wärmeübertragungskoeffizient empirisch ermittelt, sodass er in einer Steuerung nicht kompliziert berechnet werden muss, sondern bspw. als Kennfeld vorliegt. Der effektive und dynamische Wärmeübertragungskoeffizient kann bspw. auf einem Prüfstand für einen konkreten Typ der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders, wobei sich die Temperatur der Wand des Zylinders dynamisch verändert, die Addition aus der ermittelten Erwärmung der Frischluft unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders und der dynamischen Korrektur der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders. Damit ist eine sehr einfache Berücksichtigung der dynamischen Erwärmung der Zylinderwand und damit auch der Frischluft möglich.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren weiter das Ermitteln einer Referenz-Erwärmung der Frischluft der Wand des Zylinders, basierend auf wenigstens einem Referenzparameter, wie auch weiter unten noch weiter ausgeführt wird. Die Referenz-Erwärmung kann einfach empirisch auf einem Prüfstand ermittelt werden und vereinfacht so insgesamt die Ermittlung der Erwärmung der Frischluft.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse und der ermittelten Referenz-Erwärmung berechnet, wie auch weiter unten noch ausführlicher dargestellt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird folglich die bereits bestehende Temperaturkorrektur der Frischluft(masse) in der Ansaugstrecke bis hinter das Einlassventil um den Wandwärmeaustausch zwischen Zylinderwand und der Frischluft erweitert und insbesondere auch um die dynamische Temperaturveränderung durch die dynamische Temperaturveränderung der Zylinderwand korrigiert.
Allgemein kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Temperaturerhöhung der Frischluft auf dem Weg in den Zylinder auf Grundlage der folgenden Gleichung ermittelt werden: $T_{Luft_kor,i} = α_{w,i} \cdot (T_{w,l} - T_{Luft,i - 1}) + T_{Luft,i - 1}$
Der Parameter „i“ repräsentiert dabei ein Bauteil, das Wärme an die Frischluft auf ihrem Weg in den Zylinder abgibt, sodass „i-1“ das nächste, stromaufwärtsliegende Bauteil kennzeichnet, von dem die Frischluft kommt.
Der Parameter „T_w,i“ repräsentiert die Temperatur der Wandfläche „w“ des Bauteils „i“, für das gerade die abgegebene Wärme auf die Frischluft bestimmt werden soll.
Der Parameter „T_Luft, _i-1“ stellt die Temperatur (oder Temperaturerhörung) der Frischluft an dem nächsten, stromaufwärtsliegenden Bauteil „i-1“ dar.
Der Parameter „α_w,i“ stellt einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für einen Wandabschnitt bzw. eine Kontaktfläche A_i des Bauteils i dar, der in Kontakt mit der Frischluft kommt: $α_{w,l} = (Q_{w} \cdot α_{i} \cdot A_{i}),$
wobei „Q_w“ die abgegebene Wärme an der Wand „w“ darstellt, „α_i“ den Wärmeübertragungskoeffizienten des Bauteils „i“ und „A_i“ die Kontaktfläche des Bauteils „i“:
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der effektive Wärmeübertragungskoeffizient empirisch, bspw. auf einem Prüfstand, und/oder modellbasiert ermittelt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft das Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einem Einlasskanal zum Zylinder vor einem Einlassventil des Zylinders (wobei von einem stationären Betriebszustand ausgegangen wird). Bei manchen Ausführungsbeispielen gibt es bspw. einen Temperatursensor in einem Saugrohr, das sich vor dem Zylinder befindet und durch welches Frischluft angesaugt wird, sodass die Temperatur der Frischluft im Saugrohr an der Stelle des Temperatursensors mit Hilfe dieses Temperatursensors ermittelt werden kann. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist nach diesem Temperatursensor kein weiterer Temperatursensor vorgesehen, sodass durch die Einbeziehung der Erwärmung der Frischluft am Einlasskanal zum Zylinder die Erwärmung der Frischluft auf dem Weg von dem Saugrohr an der Stelle des Temperatursensors bis in den Zylinder genauer berechnet werden kann.
Das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an dem Einlasskanal kann auf dem folgenden Zusammenhang beruhen: $T_{Luft_v_EV} = (T_{EV} - T_{Luft_Sgr}) \cdot α_{w 1} + T_{Luft_Sgr},$
wobei T_{Luft_v_EV} die Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders repräsentiert, T_EK die Temperatur des Einlasskanals repräsentiert, T_{Luft_Sgr} die Temperatur der Frischluft in einem Saugrohr zum Einlasskanal des Zylinders repräsentiert und α_w1 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlasskanals repräsentiert.
Gleichung (3) lässt folglich die Bestimmung der Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders zu, wobei die Temperatur T_{Luft_Sgr} der Frischluft in einem Saugrohr zum Einlasskanal des Zylinders bspw. durch einen Temperatursensor in dem Saugrohr ermittelt wird, sodass diese Temperatur als Messwert vorliegt. Die Temperatur T_EK des Einlasskanals kann bspw. modellbasiert ermittelt werden und/oder auf Grundlage einer Kühlwassertemperatur ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der effektive Wärmeübertragungskoeffizient α_w1 ein Kennfeld, das die Wärmeübertragung des Einlasskanals in Abhängigkeit einer Drehzahl und/oder eines Saugrohrdrucks repräsentiert. Dadurch ist eine genaue Bestimmung der Erwärmung der Frischluft bzw. der Wärmeübertragung des Einlasskanals auf die Frischluft möglich.
Der effektive Wärmeübertragungskoeffizient α_w1 kann durch Messung auf einem Prüfstand ermittelt werden, sodass die Wärmeübertragung für die Verbrennungskraftmaschine besonders genau bestimmt werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Temperatur der Frischluft in dem Saugrohr mit Hilfe eines Temperatursensors in dem Saugrohr ermittelt, sodass als Startpunkt der Berechnungen für die Erwärmung der Frischluft in der Ansaugstrecke ein Messwert und bspw. kein modellbasierter Wert für die Frischlufttemperatur vorliegt, wodurch die Genauigkeit verbessert werden kann.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft das Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft an einem Einlassventil des Zylinders. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das Einlassventil das nächste Bauteil in der Ansaugstrecke welches maßgeblich an der Erwärmung der angesaugten Frischluft auf dem Weg in den Zylinder nach dem oben genannten Einlasskanal beteiligt ist, sodass die Genauigkeit der Ermittlung der Erwärmung weiter erhöht werden kann.
Das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil des Zylinders kann auf dem Zusammenhang beruhen: $T_{Luft_h_EV} = (T_{EV} - T_{Luft_v_EV}) \cdot α_{w 2} + T_{Luft_v_EV},$
wobei T_{Luft_h_EV} die Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlassventil des Zylinders repräsentiert, T_EV die Temperatur des Einlassventils repräsentiert, T_{Luft_v_EV} die Temperatur der Frischluft im Einlasskanal vorm Einlassventil des Zylinders repräsentiert und α_w2 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlassventils repräsentiert.
Gleichung (4) lässt folglich die Bestimmung der Temperaturerhöhung T_{Luft_h_EV} der Frischluft am Einlassventil des Zylinders zu, wobei die Temperatur T_{Luft_v_EV} auf Grundlage der Gleichung (3) oben ermittelt werden kann, sodass sie bei manchen Ausführungsbeispielen besonders genau vorliegen kann. Die Temperatur T_EV des Einlassventils kann bspw. modellbasiert ermittelt werden und/oder auf Grundlage einer Kühlwassertemperatur oder Öltemperatur der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der effektive Wärmeübertragungskoeffizient α_w2 ein Kennfeld, das die Wärmeübertragung des Einlassventils in Abhängigkeit einer Drehzahl und/oder eines Saugrohrdrucks repräsentiert. Dadurch ist eine genaue Bestimmung der Erwärmung der Frischluft bzw. der Wärmeübertragung des Einlassventils auf die Frischluft möglich.
Der effektive Wärmeübertragungskoeffizient α_w2 kann durch Messung auf einem Prüfstand ermittelt werden, sodass die Wärmeübertragung für die Verbrennungskraftmaschine besonders genau bestimmt werden kann oder er kann auch modellbasiert ermittelt werden und entsprechend als Kennfeld abgelegt sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen beruht das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders für den stationären Betriebszustand auf dem Zusammenhang: $T_{Luft_Zyl_stationär} = (T_{Zyl_Wand} - T_{Luft_h_EV}) \cdot α_{w 3} + T_{Luft_h_EV},$
wobei T_{Luft_Zyl_stationär} die Temperaturhöhung der Frischluft an der Wand des Zylinders repräsentiert, T_{Zyl_Wand} die Temperatur der Wand des Zylinders ist, T_{Luft_h_EV} die Temperatur der Frischluft nach dem Einlassventil des Zylinders ist und α_w3 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Wand des Zylinders repräsentiert (der empirisch auf dem Prüfstand und/oder modellbasiert ermittelt wird und bspw. als Kennfeld abgelegt ist).
Gleichung (5) lässt folglich die Bestimmung der Temperaturerhöhung T_{Luft_Zyl_stationär} der Frischluft an der Wand des Zylinders bei einem stationären Betriebszustand zu, wobei die Temperatur T_{Luft_h_EV} auf Grundlage der Gleichung (4) oben ermittelt werden kann, sodass sie bei manchen Ausführungsbeispielen besonders genau vorliegen kann. Die Temperatur T_{Zyl_Wand} der Wand des Zylinders kann bspw. modellbasiert ermittelt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen basiert die Ermittlung der Temperatur T_{Zyl_Wand} der Wand des Zylinders auf einer Simulationsberechnung, wobei ein thermodynamisches Modell der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, sodass die Temperatur in Abhängigkeit zum Beispiel einer Frischluftfüllung und einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine angegeben werden kann und bspw. als Kennfeld abgelegt werden kann. Entsprechend liegt bei manchen Ausführungsbeispielen die Temperatur T_{Zyl_Wand} der Wand des Zylinders als Kennfeld vor, das diese Temperatur bspw. in Abhängigkeit der Frischluftfüllung und/oder der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine angibt. Damit ist eine sehr genaue Ermittlung der Temperatur der Wand des Zylinders und damit der Erwärmung der Frischluft möglich.
Um nun auch die dynamische Temperaturveränderung der Frischluft an der Zylinderwand zu berücksichtigen, bei der sich die Temperatur dynamisch verändert, wird ein Korrekturfaktor T_{Luft_Zyl_kor_dyn} ermittelt. Dazu wird zunächst die aus Gleichung (5) stammende Temperaturerhöhung T_{Luft_Zyl_stationär} der Frischluft an der Zylinderwand für einen angenommen stationären Betriebszustand durch einen Filter, bspw. zwei hintereinandergeschaltete PT1-Filter gefiltert, sodass man eine gefilterte Temperaturerhöhung T_{Luft_Zyl_PT1} der Frischluft erhält. Diese gefilterte Temperaturerhöhung T_{Luft_Zyl_PT1} wird nun mit dem effektiven und dynamischen Wärmübertragungskoeffizient adyn multipliziert, der die dynamische Wärmeübertragung an die Frischluft von der Zylinderwand darstellt und der bspw. als Kennfeld dargestellt sein kann und von wenigstens einem der Parameter abhängt: Menge der einströmenden Frischluft und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine.
Damit kann der Korrekturfaktor T_{Luft_Zyl_kor_dyn} wie folgt ermittelt werden: $T_{Luft_Zyl_kor_dyn} = T_{Luft_Zyl_PT 1} \cdot α_{dyn}$
Durch die Multiplikation der Temperaturdifferenz der Zylinderwand mit dem effektiven dynamischen Wandwärmeübergangskoeffizienten ergibt sich eine Temperaturdifferenz für die Frischluft in dynamischen Betriebszuständen, die bei der Berechnung der aktuellen Frischlufttemperatur nach Einlass-Ventil-schließt bei manchen Ausführungsbeispielen Berücksichtigung findet.
Die insgesamte Erwärmung T_{Luft_Zyl} der Frischluft an der Zylinderwand, wobei die dynamische Veränderung der Temperatur der Zylinderwand berücksichtigt wird, ergibt sich aus der Addition aus der ermittelten Erwärmung T_{Luft_Zyl_stationär} der Frischluft unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand des Zylinders nach Gleichung (5) und der dynamischen Korrektur der Erwärmung T_{Luft_Zyl_kor_dyn} der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (6): $T_{Luft} = T_{Luft_Zyl_stationär} + T_{Luft_Zyl_kor_dyn}$
oder ausgeschrieben, das heißt T_{Luft_Zyl_stationär} ersetzt durch die Gleichung (5) oben: $T_{Luft_Zyl} = (T_{Zyl_Wand} - T_{Luft_h_EV}) \cdot α_{w 3} + T_{Luft_h_EV} + T_{Luft_Zyl_kor_dyn}$
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren das Ermitteln einer Referenz-Erwärmung der Frischluft an einer Wand des Zylinders, basierend auf wenigstens einem Referenzparameter, wobei der Referenzparameter bspw. Referenztemperaturen von Ansaug-, Einlasskanal-, Einlassventil- und/oder Zylinderwandtemperatur umfassen kann. Die Referenztemperaturen können dabei beliebig gewählt werden und der Fachmann wird begrüßen, dass er die Temperaturen je nach Ausführungsbeispiel entsprechend wählen kann.
Die Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders erfolgt bei manchen Ausführungsbeispielen grundsätzlich auf Grundlage der gleichen Berechnungsvorschriften wie für die oben diskutierte Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders, insbesondere die Gleichungen (1) bis (5), nur mit dem Unterschied, dass die genannte(n) ReferenzTemperaturen) verwendet wird (werden).
Entsprechend werden bei manchen Ausführungsbeispielen folgende Zusammenhänge für die Berechnung der Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders verwendet:
Das Ermitteln der Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlasskanal kann auf dem folgenden Zusammenhang beruhen: $T_{Luft_v_EV_ref} = (T_{EK_ref} - T_{Luft_Sgr_ref}) \cdot α_{w 1} + T_{Luft_sgr_ref},$
wobei T_{Luft_v_EV_ref} die Referenz-Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlasskanal vor dem Einlassventil des Zylinders repräsentiert, T_{EK_ref} die Referenz-Temperatur des Einlasskanals repräsentiert (und bspw. der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht), T_{Luft_Sgr_ref} die Referenz-Temperatur der Frischluft in einem Saugrohr zum Einlasskanal des Zylinders repräsentiert und α_w1 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlasskanals repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (3)).
Das Ermitteln der Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil des Zylinders kann auf dem Zusammenhang beruhen: $T_{Luft_h_EV_ref} = (T_{EV_ref} - T_{Luft_v_EV_ref}) \cdot α_{w 2} + T_{Luft_v_EV_ref}$
wobei T_{Luft_h_EV_ref} die Referenz-Temperaturerhöhung der Frischluft am Einlassventil des Zylinders repräsentiert, T_{EV_ref} die Referenz-Temperatur des Einlassventils repräsentiert (und z. B. der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht), T_{Luft_v_EV_ref} die Referenz-Temperatur der Frischluft im Einlasskanal vor dem Einlassventil des Zylinders repräsentiert (und z. B. nach Gleichung (9) berechnet) und α_w2 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Einlassventils repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (4)).
Bei manchen Ausführungsbeispielen beruht das Ermitteln der Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Wand des Zylinders auf dem Zusammenhang: $T_{Luft_Zyl_ref} = (T_{Zyl_Wand_ref} - T_{Luft_h_EV_ref}) \cdot α_{w 3} + T_{Luft_h_EV_ref}$
wobei T_{Luft_Zyl_ref} die Referenz-Temperaturhöhung der Frischluft an der Wand des Zylinders repräsentiert, T_{Zyl_Wand_ref} die Referenz-Temperatur der Wand des Zylinders ist, T_{Luft_h_EV_ref} die - Referenz-Temperatur der Frischluft nach dem Einlassventil des Zylinders ist (bspw. nach Gleichung (10) berechnet) und α_w3 einen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten der Wand des Zylinders repräsentiert, wie auch schon oben diskutiert (Gleichung (5)).
Wie erwähnt, wird bei manchen Ausführungsbeispielen die Frischluftmasse der Frischluft in dem Zylinder basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse und der ermittelten Referenz-Erwärmung berechnet, wodurch die Frischluftmasse besonders exakt berechnet werden kann.
Die oben genannten Berechnungen basieren bei manchen Ausführungsbeispielen auf der Annahme, dass die Verbrennungskraftmaschine in einem stationären Zustand ist und dementsprechend stabile Temperaturverhältnisse vorherrschen (das heißt bspw., dass sich die Verbrennungskraftmaschine (stabil) an einem Betriebspunkt befindet), wobei dann, wie oben ausgeführt, die Erwärmung der Frischluft entsprechend um die dynamische Erwärmung korrigiert wird (siehe oben auch Gleichungen (6) bis (8)).
Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse im Zylinder auf einem Prüfstand ermittelt und als Kennfeld hinterlegt, wobei bspw. das Kennfeld mehrdimensional ist und von einem oder mehreren der folgenden Parameter abhängt: Drehzahl, Saugrohrdruck, Nockenwellenstellung am Einlass und Auslass, etc.
Diese am Prüfstand ermittelte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse wird dann anhand der ermittelten Temperatur(-erwärmung) der Frischluft an der Zylinderwand (nach Gleichung (7) bzw. (8)) und der Referenz-Temperatur(erwärmung) der Frischluft an der Zylinderwand (nach Gleichung (11)) korrigiert.
Entsprechend wird bei manchen Ausführungsbeispielen ein Korrekturfaktor ermittelt: ${FAC}_{T_kor} = T_{Luft_Zyl_ref} {/T}_{Luft_Zyl}$
wobei die Referenz-Temperatur(erhöhung) T_{Luft_Zyl_ref} der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (11) berechnet wird und die Temperatur(erhöhung) T_{Luft_Zyl} der Frischluft an der Wand des Zylinders nach Gleichung (7) bzw. (8) berechnet wird und somit die Korrektur für die dynamische Temperaturerhöhung der Frischluft aufgrund der dynamischen Temperaturerhöhung der Zylinderwand enthält.
Dann ergibt sich eine korrigierte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse „Luftmasse_kor“ in dem Zylinder wie folgt, wobei hier die Korrektur für die dynamische Temperaturänderung der Frischluft nach Gleichungen (7) bzw. (8) enthalten ist: ${Luftmasse}_{kor} = {Luftmasse}_{Kennfeld} \cdot {FAC}_{T_kor}$
wobei Luftmasse_Kennfeld die oben erwähnte am Prüfstand ermittelte und im Kennfeld abgelegte Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse ist und der Korrekturfaktor FAC_{T_kor} nach Gleichung (9) berechnet wird.
Damit ist bei manchen Ausführungsbeispielen eine sehr einfache, aber exakte Korrektur der Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse, die im Kennfeld abgelegt ist, unter Berücksichtigung dynamischer Temperaturerhöhungen der Zylinderwand und damit auch der Frischluft möglich, ohne dass komplexe und aufwändige Berechnungen notwendig sind, um die Frischluftmenge bzw. Frischluftmasse zu ermitteln.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen eine Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine, die wenigstens einen Zylinder, ein Saugrohr, einen Saugrohrtemperatursensor, ein Einlassventil am Zylinder und einen Einlasskanal vor dem Einlassventil hat, wobei die Steuerung dazu eingerichtet ist, das hierin beschriebene Verfahren auszuführen. Die Steuerung kann bspw. als Motorsteuergerät ausgestaltet sein und dementsprechend typische Elemente eines Motorsteuergeräts aufweisen, wie einen oder mehrere Prozessoren, einen flüchtigen und einen nichtflüchten Speicher, eine Schnittstelle zu einem Kraftfahrzug-Bussystem, etc.
Manche Ausführungsbeispiele betreffen ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Steuerung und einer Verbrennungskraftmaschine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:

1 schematisch Verläufe für die Frischlufttemperaturerhöhung veranschaulicht;
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Steuerung der Verbrennungskraftmaschine von 1 veranschaulicht; und
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Berechnung einer Frischluftmasse gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Ein Ausführungsbeispiel einer Verbrennungskraftmaschine 1 ist in 2 schematisch veranschaulicht, wobei die Verbrennungskraftmaschine 1 ein Ottomotor ist und vier Zylinder hat, wobei in 2 eine Schnittansicht eines Zylinders 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 veranschaulicht ist.
Der Zylinder 2 hat ein Einlassventil 3, ein Auslassventil 4 und einen Verbrennungsraum 5, der durch einen Zylinderkolben 6 komprimiert werden kann, wie es grundsätzlich bekannt ist und eine Zylinderwand 2a. Die Zylinderwand 2a ist die Innenwand des Verbrennungsraums 5 und in der Schnittansicht in 1 ist eine linke und eine rechte Seite der Zylinderwand 2a gezeigt.
Im Verbrennungsraum 5, wie in 2 veranschaulicht, befindet sich während der Ansaugphase typischerweise angesaugte Frischluft 7 und Restgas 8, das von einem vorherigen Takt im Verbrennungsraum 5 verblieben ist.
Die Frischluft 7 wird durch ein Saugrohr 9 angesaugt und gelangt über einen Einlasskanal 10, der zwischen dem Einlassventil 3 und dem Saugrohr 9 angeordnet ist, durch das in 2 geöffnete Einlassventil 3 in den Verbrennungsraum 5.
Nach der Verbrennung gelangt bspw. das Abgas durch das geöffnete Auslassventil 4 in einen Auslasskanal 11, wie es allgemein bekannt ist.
Kühlwasser 12 fließt durch entsprechende Kühlwasserkanäle, wobei in 2, ein Kühlwasserkanal 13a nahe des Einlasskanals 10 und des Einlassventils 3 gezeigt ist, ein Kühlwasserkanal 13b nahe des Auslassventils 4 und des Auslasskanals 11 und jeweils ein Kühlwasserkanal 13c bzw. 13d nahe der linken bzw. rechten Seite Zylinderwand 2a.
Ferner befindet sich im Saugrohr 9 kurz vor dem Einlasskanal 10 ein Temperatursensor 14 zum Erfassen der Temperatur der Frischluft 7 im Saugrohr 9.
Die Frischluft 7 nimmt auf ihrem Weg in den Zylinder 2 Wärme an verschiedenen Stellen auf und erwärmt sich dadurch, was zu einer Temperaturerhöhung und einer Dichteänderung der Frischluft 7 führt.
Zunächst erfolgt eine Wärmeaufnahme der Frischluft 7 auf dem in den Zylinder 2 an der Stelle des Pfeils 15a im Bereich des Einlasskanals 10 vor dem Einlassventil 3. Dann gibt das Einlassventil 3 Wärme an die Frischluft 7 ab (siehe Pfeil 15b) und schlussendlich gibt die Zylinderwand 2a Wärme an die Frischluft 7 ab (siehe Pfeile 15c und 15d).
Die Temperaturen der Kontaktflächen am Einlasskanal 10 und am Einlassventil 3 sind bei diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch die Kühlwassertemperatur geprägt. Diese ändert sich zeitlich gesehen langsam (d. h. mehrere Sekunden) und bewegt sich bei betriebswarmen Motor 1 typischerweise im Bereich 85-115 Grad Celsius.
Im Gegensatz dazu können die Temperaturen der Zylinderinnenflächen (Zylinderwand 2a, Kolbenboden etc.) stark von dem Wärmeeintrag der stattgefundenen Verbrennung beeinflusst werden. Der Wärmeeintrag durch die Verbrennung kann stark last- und drehzahlabhängig sein und in Schubphasen gar nicht vorhanden sein (Abkühlung) und kann sich binnen weniger Verbrennungszyklen ändern. Die Zylinderwandtemperaturen bewegen sich typischerweise zwischen 320K-530K bei einem warmen Motor 1.
3 zeigt nun eine Steuerung 20, die ein Verfahren 30 ausführen kann, welches weiter unten im Zusammenhang mit 4 näher erläutert wird.
Die Steuerung 20 ist als Motorsteuergerät zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgestaltet und hat einen Prozessor 21, einen Arbeitsspeicher 22, einen Festwertspeicher (oder einen anderen nicht flüchtigen Speicher) 23 und eine Schnittstelle 24 zu einem Bussystem des Kraftfahrzeugs (z. B. CAN-Bus oder dergleichen), über die sie mit der Verbrennungskraftmaschine 1 und den Temperatursensor 14 verbunden ist, sodass sie Daten sowohl von der Verbrennungskraftmaschine 1 bzw. für sie relevante Daten (z. B. Drehzahl, Öltemperatur, Kühlwassertemperatur, Nockenwellenstellung, etc.) als auch von dem Temperatursensor 14 empfangen kann.
Im Festwertspeicher 23 sind bspw. Daten, wie Kennfelder, Kennlinien und dergleichen abgespeichert, sowie ein Programm welches Befehle enthält, sodass die Steuerung 20 in der Lage ist, das Verfahren 30 auszuführen.
4 veranschaulicht ein Ablaufschema des Verfahrens 30 zur Berechnung einer Frischluftmasse in dem Zylinder 2 der Verbrennungskraftmaschine 1. Das Verfahren 30 wird typischerweise bei einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 ausgeführt und für jeden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 1 im Takt der Verbrennungskraftmaschine, sodass für die jeweilige Einspritzung im Zylinder die zugehörige Frischluftmasse zur Verfügung steht.
Dazu wird zunächst bei 31 unter Annahme eines stationären Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine 1 die Erwärmung der Frischluft an dem Einlasskanal 10 mit Hilfe von Gleichung (3) oben bei dem entsprechenden aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine ermittelt (bspw. anhand der Drehzahl, Kühlwassertemperatur, Öltemperatur, Nockenwellenstellung, etc.). Dazu ermittelt die Steuerung 20 den effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für den Einlasskanal anhand des Kennfelds α_w1, das im Festwertspeicher 23 abgelegt ist bzw. ermittelt den effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für den aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 anhand des Kennfelds. Außerdem ermittelt die Steuerung 20 die aktuelle Temperatur T_EK des Einlasskanals 10 anhand der Temperatur des Kühlwassers 12 und ermittelt die Temperatur T_{Luft_Sgr} der Frischluft 7 im Saugrohr 9 anhand entsprechender Temperaturdaten, welche die Steuerung 20 von dem Temperatursensor 14 erhält, sodass die aktuelle Temperatur der Frischluft 7 im Saugrohr 9 ermittelt werden kann.
Damit erhält die Steuerung bei 31 die aktuelle Temperatur T_{Luft_v_EV} der Frischluft 7 mittels Gleichung (3) nachdem sie in dem Einlasskanal 9 erwärmt wurde und bevor sie eine weitere Erwärmung durch das Einlassventil 3 erfährt.
Im nächsten Schritt 32, ermittelt die Steuerung 20 eine Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil 3 des Zylinders 2 auf Grundlage der Gleichung (4). Dazu nimmt die Steuerung (20) die aktuelle Temperatur T_{Luft_v_EV} vor dem Einlassventil 3, wie sie in Schritt 31 ermittelt wurde, ermittelt die aktuelle Temperatur T_EV des Einlassventils auf Grundlage der Kühlwassertemperatur und ermittelt den effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für das Einlassventil 3 anhand des Kennfelds α_w2, das im Festwertspeicher 23 abgelegt ist, anhand des aktuellen Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine 1.
Damit erhält die Steuerung bei 32 die aktuelle Temperatur T_{Luft_h_EV} der Frischluft 7 mittels Gleichung (4) nachdem sie durch das Einlassventil 3 erwärmt wurde und mit der sie in den Verbrennungsraum 5 einströmt.
Schließlich ermittelt das Verfahren 30 bei Schritt 33 die Erwärmung der Frischluft 7 durch die Zylinderwand 2a auf Grundlage der Gleichung (5) unter Annahme eines stationären Betriebszustands. Dazu nimmt die Steuerung 20 die aktuelle Temperatur T_{Luft_h_EV} der Frischluft 7, nachdem sie durch das Einlassventil 3 erwärmt wurde und wie sie in Schritt 32 ermittelt wurde. Außerdem ermittelt die Steuerung 20 den aktuellen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für die Zylinderwand 2a (das heißt den Wandabschnitt des Verbrennungsraums 5), mit dem die Frischluft 7 in Kontakt kommt, anhand des aktuellen Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine 1 und auf Grundlage des Kennfelds α_w3, welches im Festwertspeicher 23 abgelegt ist. Wie oben ausgeführt, ergibt sich die Temperatur T_{Zyl_Wand} der Zylinderwand aufgrund eines Kennfelds, das ebenfalls im Festwertspeicher 23 abgelegt ist.
Dadurch erhält die Steuerung 20 bei 33 die aktuelle (stationäre) Temperatur T_{Luft_Zyl_stationär} der Frischluft 7 nachdem sie durch die Zylinderwand 2a erwärmt wurde.
Im Schritt 34 wird die aktuelle Temperatur T_{Luft_Zyl_stationär} durch zwei PT1-Filter gefiltert, sodass eine Temperatur T_{Luft_Zyl_PT1} erhalten wird, die einen Verlauf 102 hat, wie in 1 veranschaulicht ist.
Im Schritt 35 ermittelt die Steuerung 29 den Korrekturfaktor T_{Luft_Zyl_kor_dyn} nach Gleichung (6), der die dynamische Temperaturänderung der Frischluft berücksichtigt, indem sie die aktuelle und gefilterte Temperatur T_{Luft_Zyl_PT1}, die sie in Schritt 34 ermittelt hat, mit einem effektiven und dynamischen Wärmeübertragungskoeffizienten multipliziert, den sie anhand eines entsprechenden Kennfelds auf Grundlage der Menge der einströmenden Frischluft und der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1 ermittelt, das im Festwertspeicher 23 abgelegt ist.
Im Schritt 36 ermittelt die Steuerung 20 die aktuelle Temperatur T_{Luft_Zyl} nach Gleichung (7) bzw. (8), indem sie den Korrekturfaktor T_{Luft_Zyl_kor_dyn} (Schritt 35) zu der aktuellen Temperatur T_{Luft_Zyl_stationär} (Schritt 33) addiert.
Bei Schritt 37 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft bei im Festwertspeicher 23 abgelegten Referenztemperaturen von Ansaug-, Einlasskanal-, Einlassventil- und Zylinderwandtemperatur nach Gleichung (9), wobei die Berechnung beim aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 erfolgt. Die Steuerung 20 ermittelt also eine Referenztemperatur für die Temperatur T_{EK_ref} des Einlasskanals entweder auf Grundlage eines abgelegten Temperaturwerts oder auf Grundlage einer Referenztemperatur des Kühlwassers. Gleiches gilt für die Temperatur der Frischluft 7 im Saugrohr 9 T_{Luft_Sgr_ref}, für die eine abgelegte Referenztemperatur genommen wird. Der zugehörige effektive Wärmeübertragungskoeffizient wird analog zu Schritt 31 ermittelt.
Damit erhält die Steuerung 20 bei 37 eine Referenztemperatur T_{Luft_v_EV_ref} der Frischluft 7, nachdem sie durch den Einlasskanal 10 bei Referenzbedingungen erwärmt wurde.
Bei Schritt 38 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft an dem Einlassventil 3 des Zylinders 2 gemäß Gleichung (10). Dazu wird eine Referenztemperatur T_{EV_ref} des Einlassventils ermittelt, die bspw. im Festwertspeicher 23 abgelegt ist oder der Referenz-Kühlwassertemperatur entspricht und die in Schritt 37 ermittelte Referenztemperatur T_{Luft_v_EV_ref} genommen. Die Ermittlung des zugehörigen effektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für die Wärmeübertragung am Einlassventil geschieht analog zu Schritt 32.
Damit erhält die Steuerung 20 bei 38 eine Referenztemperatur T_{Luft_h_EV_ref} der Frischluft 7, nachdem die durch das Einlassventil 3 bei Referenzbedingungen erwärmt wurde.
Bei Schritt 39 ermittelt die Steuerung 20 eine aktuelle Referenz-Erwärmung der Frischluft an der Zylinderwand 2a des Zylinders gemäß Gleichung (11). Dazu wird eine Referenztemperatur T_{Zyl_Wand_ref} der Zylinderwand ermittelt, die entweder abgelegt oder modellbasiert sein kann (oder auch auf der Kühlwassertemperatur beruhen kann und einen Massenstrom des Kühlwassers berücksichtigen kann), und es wird die in Schritt 35 ermittelte Referenztemperatur T_{Luft_h_EV_ref} der Frischluft 7 genommen, nachdem sie durch das Einlassventil 2 erwärmt wurde. Der zughörige effektive Wärmeübertragungskoeffizient für die Übertragung von Wärme von der Zylinderwand 2a auf die Frischluft 7 wird analog zu Schritt 33 ermittelt.
Damit erhält die Steuerung 20 bei 39 die Temperatur T_{Luft_Zyl_ref} der Frischluft 7, nachdem sie durch die Zylinderwand 2a erwärmt wurde.
Bei 40 ermittelt die Steuerung 20 nun den Korrekturfaktor FAC_{T_kor} für die Frischluftmasse der Frischluft 7 im Verbrennungsraum 5 nach Gleichung (12), indem sie das Verhältnis aus der aktuellen Referenz-Temperatur (Gleichung (11)) der Frischluft 7 beim aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 und der entsprechenden aktuellen Temperatur (Gleichung (7) bzw. (8)) gemäß T_{Luft_Zyl_ref} / T_{Luft_Zyl} berechnet.
Bei 41 ermittelt die Steuerung 20 nun bei dem aktuellen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 1 die aktuelle Frischluftmasse Luftmasse_kor gemäß Gleichung (13), indem sie aus einem im Festwertspeicher 23 abgelegten Kennfeld eine Frischluftmasse Luftmasse_Kennfeld ermittelt, die an einem Prüfstand ermittelt wurde, und diese Frischluftmasse mit dem Korrekturfaktor FAC_{T_kor}, der in Schritt 40 ermittelt wurde, multipliziert.
Damit erhält die Steuerung 20 bei Schritt 41 die korrigierte Frischluftmasse Luftmasse_kor, bei der (auch) die dynamische Erwärmung der angesaugten Frischluft 7 durch die Zylinderwand 2a berücksichtigt ist.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Zylinder
2a: Zylinderwand
3: Einlassventil
4: Auslassventil
5: Verbrennungsraum
6: Zylinderkolben
7: Frischluft
8: Restgas
9: Saugrohr
10: Einlasskanal
11: Auslasskanal
12: Kühlwasser
13a-d: Kühlwasserkanäle
14: Temperatursensor
15a-c: Pfeile (Wärmeaufnahme)
20: Steuerung
21: Prozessor
22: Arbeitsspeicher
23: Festwertspeicher
24: Schnittstelle
30: Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder
31: Ermitteln einer Erwärmung der Frischluft im Einlasskanal zum Zylinder
32: Ermitteln Erwärmung am Einlassventil
33: Ermitteln Erwärmung an Zylinderwand (stationär)
34: Filter der stationären Erwärmung Zylinderwand
35: Ermitteln Korrekturfaktor für dynamische Temperaturerhöhung
36: Ermitteln Erwärmung der Frischluft einschließlich Berücksichtigung dynamischer Temperaturerhöhung
37: Ermitteln Referenz-Erwärmung der Frischluft im Einlasskanal zum Zylinder
38: Ermitteln Referenz-Erwärmung am Einlassventil
39: Ermitteln Referenz-Erwärmung an Zylinderwand
40: Ermitteln Korrekturfaktor
41: Ermitteln korrigierte Frischluftmasse
100: Temperaturverlauf der Frischluft unter Annahme einer konstanten Zylinderwandtemperatur
101: Theoretischer Temperaturverlauf der Frischluft
102: Temperaturverlauf der Frischluft durch Anwendung zweier PT1-Filter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10158261 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Berechnung einer Frischluftmasse in einem Zylinder (2) einer Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend: Ermitteln (36) einer Erwärmung der Frischluft (7) an einer Wand (2a) des Zylinders (2), wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert; und Berechnen (41) der Frischluftmasse der Frischluft (7) in dem Zylinder (2) basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft (7) das Ermitteln der Erwärmung der Frischluft (7) unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand (2a) des Zylinders umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die ermittelte Erwärmung der Frischluft (7) bei Annahme einer konstanten Temperatur der Wand (2a) des Zylinders durch einen Filter gefiltert wird, um eine dynamische Korrektur der Erwärmung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Filter wenigstens einen PT1-Filter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Filter zwei hintereinandergeschaltete PT1-Filter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Filter empirisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Filter von wenigstens einem Parameter abhängt, der charakteristisch für die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Parameter eine während der Verbrennung eingebrachte Wärmemenge repräsentiert, eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Wärmeübertragung von Kühlwasser auf die Wand (2a) des Zylinders (2).
Verfahren nach einem der Anspruch 3 bis 8, wobei die gefilterte Erwärmung mit einem effektiven und dynamischen Wärmeübergangskoeffizienten multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der effektive und dynamische Wärmeübertragungskoeffizient von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder einem Saugrohrdruck abhängt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der effektive und dynamische Wärmeübertragungskoeffizient empirisch ermittelt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 und einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei das Ermitteln (36) der Erwärmung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders (2), wobei sich die Temperatur der Wand (2a) des Zylinders dynamisch verändert, die Addition aus der ermittelten Erwärmung der Frischluft (7) unter Annahme einer konstanten Temperatur der Wand (2a) des Zylinders und der dynamischen Korrektur der Erwärmung der Frischluft (7) an der Wand (2a) des Zylinders umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Ermitteln (39) einer Referenz-Erwärmung der Frischluft (7) der Wand (2a) des Zylinders (2), basierend auf wenigstens einem Referenzparameter.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Frischluftmasse der Frischluft (7) in dem Zylinder (2) basierend auf der ermittelten Erwärmung der Frischluftmasse und der ermittelten Referenz-Erwärmung berechnet wird.
Steuerung für eine Verbrennungskraftmaschine (1), die wenigstens einen Zylinder (2), ein Saugrohr (9), einen Saugrohrtemperatursensor (14), ein Einlassventil (3) am Zylinder (2) und einen Einlasskanal (10) vor dem Einlassventil (3) hat, wobei die Steuerung (20) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.