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DE10218736A1 - Diesel engine regulation method detects combustion pressure for calculation of effective engine torque used for regulation of at least one engine operating parameter - Google Patents

Diesel engine regulation method detects combustion pressure for calculation of effective engine torque used for regulation of at least one engine operating parameter

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Publication number
DE10218736A1
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DE
Germany
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engine
combustion chamber
internal combustion
torque
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10218736A
Other languages
German (de)
Inventor
Jens Jeschke
Juergen Gloger
Hans Georg Nitzke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE10218736A priority Critical patent/DE10218736A1/en
Priority to EP03006785A priority patent/EP1365129B1/en
Priority to AT03006785T priority patent/ATE388315T1/en
Priority to DE50309293T priority patent/DE50309293D1/en
Publication of DE10218736A1 publication Critical patent/DE10218736A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The regulation method detects the combustion chamber pressure within an engine cylinder (2) in dependence on the crank angle of the crankshaft (4) controlling the movement of the reciprocating piston (3), with derivation of a corresponding engine torque, combined with the angular velocity of the crankshaft for providing the effective engine torque, used for regulation of at least one operating parameter of the engine (1). An Independent claim for a regulating device for a diesel engine is also included.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, in Abhängigkeit von dem in den einzelnen Brennräumen oder Zylindern des Verbrennungsmotors erfassten Brennraumdruck. The present invention relates to a method and an apparatus for controlling a Internal combustion engine, for example a diesel engine, depending on that in the individual combustion chambers or cylinders of the internal combustion engine detected combustion chamber pressure.

Für eine insbesondere emissionsoptimale Regelung eines Verbrennungsmotors, z. B. eines aufgeladenen Dieselmotors, ist die genaue Kenntnis einer möglichst großen Anzahl von Betriebsparametern des Motorsystems von entscheidender Bedeutung. Ein derartiger Betriebsparameter ist bei einem Verbrennungsmotor beispielsweise das effektive Motormoment, d. h. das tatsächlich auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragene und somit an der Kupplung eines entsprechenden Kraftfahrzeugs verfügbare Moment, welches dem eigentlichen Fahrerwunsch entspricht. Das effektive Motormoment unterscheidet sich von dem in dem Verbrennungsmotor durch die Verbrennung indizierten Motormoment durch ein negatives Verlustmoment, welches neben Reibungsverluste z. B. an den Kolben und dem Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors auch Antriebsmomente aller am Hilfs- oder Riementrieb angeschlossenen Verbraucher (z. B. für den Betrieb des Klimakompressors, der Einspritzpumpen, der Servopumpe, der Lichtmaschine etc. des Kraftfahrzeugs) umfasst. For a particularly optimal emission control of an internal combustion engine, for. B. one supercharged diesel engine, is the exact knowledge of as large a number as possible Operating parameters of the engine system are of crucial importance. Such one Operating parameters are the effective, for example, in an internal combustion engine Engine torque, d. H. that actually transmitted to the crankshaft of the internal combustion engine and thus torque available on the clutch of a corresponding motor vehicle, which corresponds to the actual driver request. The effective engine torque differs from that indicated in the internal combustion engine by the combustion Motor torque due to a negative torque loss, which in addition to friction losses such. B. on the pistons and crank mechanism of the internal combustion engine also drive torques of all Auxiliary or belt drive connected consumers (e.g. for the operation of the Air conditioning compressor, the injection pumps, the servo pump, the alternator etc. of the Motor vehicle) includes.

Aus der DE 197 49 815 A1 ist ein Motormanagementsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei durch Erfassung des Brennraumdrucks in jedem Zylinder oder Brennraum des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kurbelwinkel das in jedem Brennraum indizierte Motormoment ermittelt und für die Drehmomentregelung des Kraftfahrzeugs verwendet wird. DE 197 49 815 A1 describes an engine management system for an internal combustion engine known, by detecting the combustion chamber pressure in each cylinder or combustion chamber of the internal combustion engine depending on the crank angle in each Engine torque indexed combustion chamber determined and for the torque control of the Motor vehicle is used.

In Motorsteuergeräten herkömmlicher Motormanagementsysteme werden hierzu Kennfelder abgelegt, welche für die Drehmomentregelung erforderliche Motordrehmomentdaten umfassen. Durch Zugriff auf diese Kennfelder können dann in Abhängigkeit von dem erfassten bzw. ermittelten indizierten Motormoment entsprechende Einstellungen geeigneter Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, z. B. der eingespritzten Kraftstoffmenge oder des Zündzeitpunkts etc., für eine möglichst optimale Drehmomentregelung des Verbrennungsmotors vorgenommen werden. In engine control units of conventional engine management systems, characteristic maps are used for this filed, which motor torque data required for torque control include. By accessing these maps, depending on the appropriate settings detected or ascertained indicated appropriate engine torque Operating parameters of the internal combustion engine, e.g. B. the amount of fuel injected or the ignition timing, etc., for the best possible torque control of the Internal combustion engine are made.

Bei den herkömmlichen Motormanagementsystemen erfolgt jedoch keine Erfassung des zuvor erwähnten augenblicklichen effektiven Motormoments. Insbesondere werden in Kennfeldern der zuvor beschriebenen Art lediglich relativ ungenaue Momentmittelwerte verwendet und das Ist-Verhalten des Verbrennungsmotors nicht oder nur unzureichend berücksichtigt. Das effektive Motormoment und auch das ebenfalls zuvor erwähnte Verlustmoment spielen bei den herkömmlichen Motorregelkreisen keine Rolle. However, the conventional engine management systems do not record the previously mentioned instantaneous effective engine torque. In particular, in Characteristic maps of the type described above only relatively imprecise mean torque values used and the actual behavior of the internal combustion engine is not or only insufficient considered. The effective engine torque and also the one previously mentioned Torque loss does not play a role in conventional motor control loops.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Regelung eines Verbrennungsmotors vorzuschlagen, wobei das effektive Motormoment berücksichtigt werden kann. Dabei soll das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise auch eine Bestimmung des Verlustmoments, durch welches sich das effektive Motormoment von dem in dem Verbrennungsmotor durch Verbrennung indizierten Motormoment unterscheidet, ermöglichen. The present invention is therefore based on the object of a method and a To propose a device for regulating an internal combustion engine, the effective Engine torque can be taken into account. The method or the device according to the invention preferably also a determination of Torque loss by which the effective motor torque differs from that in the Internal combustion engine by combustion indicated engine torque, enable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. This object is achieved by a method with the features of Claim 1 and a device with the features of claim 11 solved. The Sub-claims each define preferred and advantageous embodiments of the present invention.

Zur effektiven Regelung eines Verbrennungsmotors wird erfindungsgemäß die Bestimmung des an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auftretenden effektiven Motormoments vorgeschlagen. Hierzu wird der in einem Brennraum des Verbrennungsmotors auftretende Brennraumdruck in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel erfasst und daraus das indizierte Motormoment in dem Brennraum abgeleitet. Aus dem indizierten Motormoment und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle kann dann das effektive Motormoment abgeleitet werden, wobei dabei insbesondere auch das Verlustmoment des Verbrennungsmotors ermittelt und für Diagnosezwecke verwendet werden kann. According to the invention, the determination is used to effectively control an internal combustion engine the effective engine torque occurring on the crankshaft of the internal combustion engine proposed. For this purpose, the one occurring in a combustion chamber of the internal combustion engine Combustion chamber pressure as a function of the crank angle recorded and the indexed from it Engine torque derived in the combustion chamber. From the indicated engine torque and the The angular velocity of the crankshaft can then be derived from the effective engine torque be, in particular the torque loss of the internal combustion engine can be determined and used for diagnostic purposes.

Aus den Brennraumdruckdaten kann als Zwischengröße auch ein indizierter Mitteldruckwert abgeleitet und zur Regelung des Verbrennungsmotors, beispielsweise zur Verbesserung des Leerlaufs, eingesetzt werden. An indexed medium pressure value can also be used as an intermediate variable from the combustion chamber pressure data derived and for controlling the internal combustion engine, for example to improve the Idling.

Mit Hilfe der Erfindung ist durch die Verwendung neuer Regelgrößen eine verbesserte Regelung des Verbrennungsmotors möglich, was wiederum zu einer Verbesserung des Komforts, des Emissionsaustosses und des Kraftstoffverbrauchs führt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung brennraumbasierte Regelkreise und ein brennraumbasiertes Motormanagement. With the help of the invention is improved by using new control variables Regulation of the internal combustion engine possible, which in turn leads to an improvement in Comfort, emissions and fuel consumption. Furthermore The invention enables combustion chamber-based control loops and a combustion chamber-based one Engine management.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher anhand der beigefügten Zeichnung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Zylinder- bzw. Brennraumdruckerfassung in einem Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung. The present invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawing Explained with reference to a preferred embodiment. The only one shows Figure a simplified representation to explain the cylinder or Combustion chamber pressure detection in an internal combustion engine according to the present invention.

In der Figur ist ein Zylinder oder Brennraum 2 bzw. das entsprechende Zylindergehäuse eines Verbrennungsmotors 1, beispielsweise eines Dieselmotors, dargestellt. Ein in dem Brennraum 2 befindlicher Kolben 3 wird über eine Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 angetrieben. Wird beispielsweise angenommen, dass der Verbrennungsmotor mit vier Takten arbeitet, erreichen die Kurbelwelle 4 und der Kolben 3 innerhalb eines Arbeitszyklusses genau zweimal den so genannten oberen Totpunkt OT und den unteren Totpunkt UT, was zwei vollständigen Umdrehungen der Kurbelwelle 4 entspricht. In der Kraftfahrzeugtechnik werden die Drehwinkel φ der Kurbelwelle 4 in Grad Kurbelwinkel (°KW) angegeben. In the figure, a cylinder or combustion chamber 2 or the corresponding cylinder housing of an internal combustion engine 1 , for example a diesel engine, is shown. A piston 3 located in the combustion chamber 2 is driven via a crankshaft 4 of the internal combustion engine 1 . If, for example, it is assumed that the internal combustion engine works with four cycles, the crankshaft 4 and the piston 3 reach the so-called top dead center OT and the bottom dead center UT exactly twice within one working cycle, which corresponds to two complete revolutions of the crankshaft 4 . In automotive engineering, the angles of rotation φ of the crankshaft 4 are specified in degrees crank angle (° KW).

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Zylinderkopfs oder der Zylinderkopfdichtung ein Drucksensor 5 angeordnet, mit dessen Hilfe der in dem Brennraum 2 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 auftretende Brennraumdruck erfasst werden kann. Zu diesem Zweck umfasst der Drucksensor 5 beispielsweise eine Messmembran, welche abhängig von dem in dem Brennraum herrschenden Brennraumdruck unterschiedlich gedehnt bzw. verformt wird, wobei das Ausmaß der Dehnung bzw. Verformung dieser Messmembran als Maß für den in dem Brennraum 2 augenblicklich herrschenden Brennraumdruck von einem Steuergerät 7 ausgewertet wird. In the exemplary embodiment shown, a pressure sensor 5 is arranged in the region of the cylinder head or the cylinder head gasket, with the aid of which the combustion chamber pressure occurring in the combustion chamber 2 during operation of the internal combustion engine 1 can be detected. For this purpose, the pressure sensor 5 comprises, for example, a measuring membrane, which is expanded or deformed differently depending on the combustion chamber pressure prevailing in the combustion chamber, the extent of the expansion or deformation of this measurement membrane as a measure of the combustion chamber pressure currently prevailing in the combustion chamber 2 Control unit 7 is evaluated.

Der auf diese Weise in dem Brennraum 2 herrschende Brennraumdruck wird zu der augenblicklichen Stellung der Kurbelwelle 4, d. h. zu dem augenblicklichen Drehwinkel φ der Kurbelwelle 4, in Beziehung gesetzt. Zu diesem Zweck ist ein Kurbelwellensensor 6 vorgesehen, welcher kontinuierlich die augenblickliche Stellung der Kurbelwelle 4 erfasst und diese dem Steuergerät 7 zuführt. Auf diese Weise kann das Steuergerät 7 den Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit von dem Drehwinkel φ der Kurbelwelle 4 ermitteln. The combustion chamber pressure prevailing in this way in the combustion chamber 2 is related to the instantaneous position of the crankshaft 4 , ie to the instantaneous angle of rotation φ of the crankshaft 4 . For this purpose, a crankshaft sensor 6 is provided, which continuously detects the current position of the crankshaft 4 and feeds it to the control unit 7 . In this way, the control unit 7 can determine the course of the combustion chamber pressure as a function of the angle of rotation φ of the crankshaft 4 .

Für eine Vielzahl der hierin vorgeschlagenen numerischen Auswertungen ist eine Zuordnung des augenblicklich erfassten Brennraum- oder Zylinderdrucks zu dem Brennraumvolumen erforderlich. Hierzu sollen nachfolgend die wesentlichen Grundlagen erläutert werden. There is an assignment for a large number of the numerical evaluations proposed here of the combustion chamber or cylinder pressure currently recorded to the combustion chamber volume required. The basic principles are explained below.

Das gesamte Hubvolumen VH des Verbrennungsmotors ist in Abhängigkeit von dem Brennraumhubvolumen Vh und der Zylinder- oder Brennraumzahl z wie folgt definiert:

VH = Vh.z. (1)
The total stroke volume V H of the internal combustion engine is defined as a function of the combustion chamber stroke volume V h and the number of cylinders or combustion chambers z as follows:

V H = V h .z. (1)

Das Verdichtungsvolumen VC jedes Brennraums ist folgendermaßen über das Verdichtungsverhältnis ε mit dem Hubvolumen des jeweiligen Brennraums verknüpft:


The compression volume V C of each combustion chamber is linked to the stroke volume of the respective combustion chamber via the compression ratio ε as follows:


Das jeweils augenblickliche Brennraumvolumen V(φ) ergibt sich aus dem kurbelwinkelabhängigen Kolbenweg χ(φ) (gemessen ausgehend vom oberen Totpunkt OT) und der Kolbenfläche Ak, wobei r den Radius der Kurbelwelle 4 bezeichnet:


The instantaneous combustion chamber volume V (φ) results from the crank angle-dependent piston travel χ (φ) (measured from top dead center OT) and the piston area A k , where r denotes the radius of the crankshaft 4 :


Bei Betrachtung der einzigen Figur können folgende geometrischen Zusammenhänge ermittelt werden, wobei l die Länge des den Kolben 3 mit der Kurbelwelle 4 verbindenden Pleuels und β den Pleuelwinkel wie in der Figur gezeigt bezeichnen:

r.sin(φ) = l.sin(β)

l2 = (l.cos(β))2 + (l.sin(β))2

χ(φ) = r.(1 - cos(φ)) + l.(1 - cos(φ)) (4)
When considering the single figure, the following geometric relationships can be determined, l denoting the length of the connecting rod connecting the piston 3 to the crankshaft 4 and β the connecting rod angle as shown in the figure:

r.sin (φ) = l.sin (β)

l 2 = (l.cos (β)) 2 + (l.sin (β)) 2

χ (φ) = r. (1 - cos (φ)) + l. (1 - cos (φ)) (4)

Mit der Definition des so genannten Schubstangenverhältnisses λS = r/l ergibt sich der Kolbenweg (bezogen auf den oberen Totpunkt OT) somit zu:


With the definition of the so-called pushrod ratio λ S = r / l, the piston travel (based on the top dead center OT) results in:


Das Brennraumvolumen V(φ) ist somit in Abhängigkeit von der Hubfunktion




The combustion chamber volume V (φ) is therefore dependent on the stroke function




Die Ableitung der Hubfunktion


erlaubt die Berechnung der kurbelwinkelabhängigen Veränderung des Brennraumvolumens wie folgt:


Aufbauend auf den zuvor beschriebenen Grundlagen sollen nachfolgend die im Rahmen der vorliegenden Erfindung relevanten Zusammenhänge zur Bestimmung des effektiven Motormoments sowie des Verlustmoments des Verbrennungsmotors erläutert werden.
Deriving the lifting function


allows the calculation of the change in the combustion chamber volume depending on the crank angle as follows:


Building on the principles described above, the relationships relevant in the context of the present invention for determining the effective engine torque and the lost torque of the internal combustion engine will be explained below.

Der effektive Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses ηe wird durch die Umsetzung der im Kraftstoff gespeicherten Energie QB in eine an der Kurbelwelle 4 verfügbare Nutzarbeit We definiert. Mit dem so genannten unteren Heizwert Hu des Kraftstoffs und der Kraftstoffmasse mk ergibt sich somit folgende Beziehung:


The effective efficiency of the combustion process η e is defined by the conversion of the energy Q B stored in the fuel into a useful work W e available on the crankshaft 4 . With the so-called lower heating value H u of the fuel and the fuel mass m k , the following relationship thus results:


Mit Hilfe der zuvor erwähnten Brennraumdruckmessung kann der Hochdruckprozess in dem jeweiligen Brennraum oder Zylinder 2 des Verbrennungsmotors 1 beobachtet werden. Somit lassen sich die mechanischen Verluste (mechanischer Wirkungsgrad ηm) von den inneren Verlusten (innerer Wirkungsgrad ηi) trennen. Für den effektiven Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses gilt mit der indizierten oder inneren Arbeit Wi:


The high-pressure process in the respective combustion chamber or cylinder 2 of the internal combustion engine 1 can be observed with the aid of the aforementioned combustion chamber pressure measurement. The mechanical losses (mechanical efficiency η m ) can thus be separated from the internal losses (internal efficiency η i ). With the indicated or internal work W i, the following applies to the effective efficiency of the combustion process:


Aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik ergibt sich für die Energiebilanz des Systems folgende Differentialgleichung:

dWi + dQW + dQB + dHE + dHA + dHB = dU. (11)
From the 1st law of thermodynamics, the following differential equation results for the energy balance of the system:

dW i + dQ W + dQ B + dH E + dH A + dH B = dU. (11)

Der Term dWi beschreibt die Volumenänderungsarbeit und ist gemäß dem Zusammenhang dWi = -p.dV durch den Brennraumdruck p sowie die Volumenveränderung dV definiert. The term dW i describes the volume change work and is defined in accordance with the relationship dW i = -p.dV by the combustion chamber pressure p and the volume change dV.

Der Term dQW beschreibt die dem System entzogene Wandwärmeenergie, und der Term dQB beschreibt die umgesetzte Kraftstoffenergie bzw. den Brennverlauf des eingespritzten Kraftstoffs. The term dQ W describes the wall heat energy extracted from the system, and the term dQ B describes the converted fuel energy or the combustion process of the injected fuel.

Mit dHE ist die Enthalpieänderung der in das System einströmenden Masse, mit dHA die Enthalpieänderung der ausströmenden Masse, und mit dHB die Enthalpieänderung des eingespritzten Kraftstoffs bezeichnet. With dH E is the enthalpy change of the mass flowing into the system, with dH A the enthalpy change of the outflowing mass, and with dH B the enthalpy change of the injected fuel.

Der Term dU beschreibt schließlich die Änderung der inneren Energie des Systems. The term dU finally describes the change in the internal energy of the system.

Gleichung (11) ist die Grundlage für die energetische Beurteilung der in einem Brennraum 2 des Verbrennungsmotors 1 ablaufenden Vorgänge. Die im Brennraumdruck p beobachtbare Wärmeänderung im Arbeitsgas ergibt den Heizverlauf dQH als Summe der umgesetzten Kraftstoffenergie dQB und der negativen Wandwärmeenergie dQW:

dQH = dQB + dQW. (12)
Equation (11) is the basis for the energetic assessment of the processes taking place in a combustion chamber 2 of the internal combustion engine 1 . The heat change in the working gas observed in the combustion chamber pressure p results in the heating curve dQ H as the sum of the converted fuel energy dQ B and the negative wall heat energy dQ W :

dQ H = dQ B + dQ W. (12)

Bei Verbrennungsmotoren entspricht der Mitteldruck pm in einem Brennraum der auf das entsprechende Hubvolumen Vh bezogenen Arbeit W eines Arbeitsspiels:


In internal combustion engines, the mean pressure p m in a combustion chamber corresponds to the work W of a work cycle based on the corresponding stroke volume V h :


Die aus einer Verbrennung resultierende effektive spezifische Arbeit kann an der Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 1 abgenommen und in Form des effektiven Mitteldrucks pme, des effektiven Motormoments Me oder der effektiven Leistung Pe ausgedrückt werden. Diese effektive spezifische Arbeit entspricht der Differenz zwischen der spezifischen inneren Arbeit, ausgedrückt durch den indizierten Mitteldruck pmi, dem indizierten Motormoment Mi oder der indizierten Leistung Pi, und der spezifischen mechanischen Verlustarbeit (Verlust- oder Reibungsmitteldruck pmv, Verlustmoment Mv, Verlustleistung Pv). Der mechanische Wirkungsgrad ηm verknüpft die effektiven und induzierten Größen wie folgt:


The effective specific work resulting from a combustion can be taken from the crankshaft 4 of the internal combustion engine 1 and expressed in the form of the effective mean pressure p me , the effective engine torque M e or the effective power P e . This effective specific work corresponds to the difference between the specific internal work, expressed by the indicated mean pressure p mi , the indicated engine torque M i or the indicated power P i , and the specific mechanical loss work (loss or friction mean pressure p mv , loss torque M v , Power loss P v ). The mechanical efficiency η m links the effective and induced quantities as follows:


Aus Gleichung (14) ist ersichtlich, dass die zuvor erwähnten Mitteldrücke, Momente und Arbeiten bzw. Leistungen ineinander umgerechnet werden können. From equation (14) it can be seen that the previously mentioned mean pressures, moments and Work or services can be converted into each other.

Der indizierte Mitteldruck pmi lässt sich direkt aus dem mit Hilfe des Drucksensors 5 gemessenen Brennraumdruck bestimmen. Er wird aus der Volumenänderungsarbeit abgeleitet und charakterisiert die Energieumsetzung des Arbeitsgases in dem jeweiligen Brennraum:


The indicated mean pressure p mi can be determined directly from the combustion chamber pressure measured with the aid of the pressure sensor 5 . It is derived from the volume change work and characterizes the energy conversion of the working gas in the respective combustion chamber:


Der indizierte Mitteldruck pmi entspricht somit der auf das jeweilige Hubvolumen Vh bezogenen Volumenänderungsarbeit. The indicated mean pressure p mi thus corresponds to the volume change work related to the respective stroke volume V h .

Die indizierte Arbeit entspricht der in dem jeweiligen pV-Diagramm von der Kennlinie eingeschlossenen Fläche. Sie unterteilt sich bei Viertakt-Motoren in einen Hochdruck- und einen Ladungswechselanteil. Der indizierte Mitteldruck pmi_HD der Hochdruckphase kann als Kenngröße für die Verbrennung der einzelnen Brennräume verwertet werden und wird zwischen den beiden unteren Totpunkten UT des Kurbelwegs in Abhängigkeit von dem gemessenen Brennraumdruck p wie folgt definiert:


The indicated work corresponds to the area enclosed by the characteristic curve in the respective pV diagram. In four-stroke engines, it is divided into a high-pressure and a gas exchange component. The indicated mean pressure p mi_HD of the high pressure phase can be used as a parameter for the combustion of the individual combustion chambers and is defined between the two bottom dead centers UT of the crank path as a function of the measured combustion chamber pressure p as follows:


Der indizierte Mitteldruck pmi_HD der Hochdruckphase wird vorzugsweise für die Regelung und Steuerung des Verbrennungsmotors 1 ausgewählt, da er die innere Arbeit jedes Brennraums 2 physikalisch beschreibt. The indicated medium pressure p mi_HD of the high pressure phase is preferably selected for the regulation and control of the internal combustion engine 1 , since it physically describes the internal work of each combustion chamber 2 .

Der innere Wirkungsgrad ηi beschreibt die Verbrennungsgüte, da er die eingesetzte Brennstoffenergie QB mit der indizierten Energie Wi vergleicht:


The internal efficiency η i describes the quality of combustion, since it compares the fuel energy Q B used with the indicated energy W i :


Das Drehmoment M des Verbrennungsmotors 1 ist proportional zu dem (zwischen den einzelnen Brennräumen oder Zylindern 2 gemittelten) Mitteldruck ≙ des Verbrennungsmotors:

M ~ VH. ≙. (18)
The torque M of the internal combustion engine 1 is proportional to the average pressure ≙ of the internal combustion engine (averaged between the individual combustion chambers or cylinders 2 ):

M ~ V H. ≙. (18)

Das indizierte Motormoment ist eine Umrechnung der indizierten Arbeit in ein (virtuelles) Moment (vgl. Gleichung (18) mit dem Index i). Das momentane indizierte Motormoment eines Brennraums lässt sich näherungsweise wie folgt bestimmen:


The indexed engine torque is a conversion of the indexed work into a (virtual) moment (see equation (18) with the index i). The current indicated engine torque of a combustion chamber can be determined approximately as follows:


Aus der kontinuierlichen Betrachtung der indizierten Arbeit gemäß Gleichung (19) kann das momentane indizierte Motormoment durch Überlagerung der Verläufe aller z Brennräume berechnet werden:


The current indicated engine torque can be calculated from the continuous observation of the indicated work according to equation (19) by superimposing the curves of all z combustion chambers:


Da die Funktion


für die numerische Bestimmung des indizierten Mitteldrucks durch das Steuergerät 7 ohnehin berechnet wird, stellt die Bestimmung des maximalen und minimalen indizierten Motormoments sowie deren Kurbelwinkellagen φMimax, φMimin lediglich einen unwesentlichen Mehraufwand dar.
Because the function


for the numerical determination of the indicated mean pressure by the control unit 7 anyway, the determination of the maximum and minimum indicated engine torque and their crank angle positions φ Mimax , φ Mimin only represent an insignificant additional effort.

Das indizierte Motormoment ist über eine beispielsweise in "Berechnung des Brennraumdruckverlaufs aus Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit von Verbrennungsmotoren", Fehrenbach H., Fortschrittsberichte VDI Reihe 6, Energieerzeugung Nr. 255, VDI-Verlag Düsseldorf, 1991, beschriebene Differentialgleichung des Kurbeltriebs mit der Motordrehzahl verknüpft, wobei diesbezüglich an dieser Stelle ausdrücklich auf die Ausführungen in dieser Veröffentlichung verwiesen wird. Das (momentane) indizierte Motormoment kann wie beschrieben aus dem Brennraumdruck mit einer Auflösung von 1°KW abgeleitet werden. Des Weiteren liegt auch die Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit mit einer zeitlichen Auflösung von 1°KW vor. Somit sind die Eingangs- und Ausgangsgrößen des in dieser Veröffentlichung beschriebenen Modells des Kurbeltriebs vorhanden, und es können daraus das effektive Motormoment Me(φ) und das Verlustmoment MV(φ) bestimmt werden, da gemäß dieser Differentialgleichung folgender Zusammenhang gilt:


The indicated engine torque is linked to the engine speed via a differential equation of the crank mechanism described in, for example, "Calculation of the combustion chamber pressure curve from crankshaft angular velocity of internal combustion engines", Fehrenbach H., progress reports VDI series 6, energy generation No. 255, VDI publishing house Düsseldorf, 1991, in this regard, reference is expressly made to the statements in this publication. As described, the (momentary) indicated engine torque can be derived from the combustion chamber pressure with a resolution of 1 ° KW. Furthermore, the crankshaft angular velocity is also available with a temporal resolution of 1 ° KW. Thus, the input and output variables of the model of the crank mechanism described in this publication are available, and the effective engine torque M e (φ) and the loss torque M V (φ) can be determined therefrom, since the following relationship applies according to this differential equation:


Die Herleitung der Ausdrücke für J und J' kann ebenfalls der zuvor beschriebenen Veröffentlichung entnommen werden. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist lediglich von Bedeutung, dass die rechte Seite der Gleichung (21) in Abhängigkeit von der Kubelwellen-Winkelgeschwindigkeit bekannt ist, so dass bei zusätzlicher Herleitung von Mi(φ) wie zuvor beschrieben aus dem Brennraumdruck auf das Verlustmoment Mv(φ) und das effektive Motormoment Me(φ) geschlossen werden kann. The derivation of the expressions for J and J 'can also be found in the publication described above. In connection with the present invention, it is only important that the right side of equation (21) is known as a function of the angular velocity of the cube shaft, so that if M i (φ) is also derived from the combustion chamber pressure as described above, the loss torque M v (φ) and the effective engine torque M e (φ) can be concluded.

Wie bereits erwähnt worden ist, geht das Verlustmoment Mv(φ) auf die negative Arbeit durch Reibungsverluste am jeweiligen Kolben und Kurbeltrieb sowie auf Momentverluste aufgrund von ebenfalls über die Kurbelwelle angetriebenen Verbrauchern des jeweiligen Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise dem Klimakompressor, den Einspritzpumpen, der Servopumpe, der Lichtmaschine etc., zurück. Dabei gilt zwischen den einzelnen Momenten der folgende Zusammenhang:

Me(φ) = Mi(φ) + Mv(φ) ∧ Mv(φ) < 0. (22)
As has already been mentioned, the loss torque M v (φ) relates to the negative work due to friction losses on the respective piston and crank mechanism, as well as torque losses due to consumers of the respective motor vehicle also driven via the crankshaft, such as the air conditioning compressor, the injection pumps and the servo pump , the alternator etc., back. The following relationship applies between the individual moments:

M e (φ) = M i (φ) + M v (φ) ∧ M v (φ) <0. (22)

Im Betriebszustand "Leerlauf"/"Motor ausgekuppelt" ist das effektive Motormoment Null. Daher kann in diesem Betriebszustand das Verlustmoment aus den obigen Zusammenhängen sowie in Abhängigkeit von dem aus dem Brennraumdruck abgeleiteten indizierten Motormoment ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann über die Mitteldruckwerte auch das zylinder- oder brennraumindividuelle Schleppmoment bestimmt werden. Dabei gilt zwischen den Mitteldruckwerten folgender Zusammenhand:

pms = pmi_HD - pme. (23)
In the operating state "idle" / "engine disengaged", the effective engine torque is zero. Therefore, the loss torque can be determined in this operating state from the above relationships and as a function of the indicated engine torque derived from the combustion chamber pressure. Alternatively or additionally, the drag torque specific to the cylinder or combustion chamber can also be determined via the medium pressure values. The following relationship applies between the medium pressure values:

p ms = p mi_HD - p me . (23)

Aus dem Schleppmitteldruck pms kann das Schleppmoment über Gleichung (18) bestimmt werden. The drag torque can be determined from equation (18) from the drag medium pressure p ms .

Mit Hilfe der zuvor beschriebenen zusätzlich gewonnenen Informationen, insbesondere dem effektiven Motormoment Me, dem Verlustmoment Mv und dem indizierten Mitteldruck pmi, können die vorhandenen Regelkreise des Motormanagementsystems verbessert werden, da diese zusätzlichen Informationen in die Steuerung bzw. Regelung des Verbrennungsmotors mit einfließen können. Bestimmte Stellgrößen, z. B. die Kraftstoff-Einspritzmenge, der Kraftstoff-Förderbeginn oder der Kraftstoff-Einspritzverlauf, können beispielsweise in Form einer zylinderindividuellen Verbrennungsbeginn- oder Momentenregelung derart verändert werden, dass die jeweils aus dem Brennraumdruck extrahierten Kenngrößen erreicht werden. Dabei findet insbesondere eine Regelung auf Basis der in dem jeweiligen Brennraum tatsächlich ablaufenden Verbrennung statt. With the help of the additionally obtained information described above, in particular the effective engine torque M e , the loss torque M v and the indicated mean pressure p mi , the existing control loops of the engine management system can be improved, since this additional information flows into the control or regulation of the internal combustion engine can. Certain manipulated variables, e.g. B. the fuel injection quantity, the start of fuel delivery or the fuel injection curve can be changed, for example in the form of a cylinder-specific combustion start or torque control, in such a way that the parameters extracted from the combustion chamber pressure are achieved. In particular, regulation takes place on the basis of the combustion actually taking place in the respective combustion chamber.

So kann insbesondere der Leerlauf des Verbrennungsmotors verbessert werden. Im unteren Drehzahlbereich kann auch die Laufruhe des Verbrennungsmotors verbessert werden. Es können zylinderindividuelle Sollwerte für den indizierten Mitteldruck vorgegeben werden, wenn unterschiedliche Moment- oder Reibverluste für die einzelnen Zylinder oder Brennräume festgestellt werden, um somit eine zylinderindividuelle Regelung zu erhalten. Durch die Erfassung des (zylinderindividuellen) indizierten Mitteldrucks wird ein absolutes Maß für das in der Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder entstehende Moment gewonnen, so dass in Kombination mit einer hochaufgelösten Kurbelwinkelmarkierung sehr genaue und effektive zylinderindividuelle Regelkreise geschaffen werden können. In particular, the idling of the internal combustion engine can be improved. At the bottom Speed range, the smooth running of the internal combustion engine can also be improved. It cylinder-specific setpoints for the indicated medium pressure can be specified, if different torque or friction losses for the individual cylinders or Combustion chambers are determined in order to obtain a cylinder-specific control. By recording the (cylinder-specific) indexed mean pressure, an absolute Measure of the torque generated in the combustion in the respective cylinder, so that in combination with a high-resolution crank angle marking very precise and effective cylinder-specific control loops can be created.

Mit dem effektiven Motormoment steht erstmals eine Modellgröße hoher Güte für die Fahrverhaltensfunktionen "Leerlauf", "Ruckeldämpfung" etc. zur Verfügung. Das effektive Motormoment wird - wie zuvor beschrieben worden ist - kurbelwinkelaufgelöst erfasst und kann auch anderen Komponenten oder Teilnehmern des Triebstrangs, z. B. dem Getriebe oder den Nebenaggregaten, zur Steuerung/Regelung zur Verfügung gestellt werden. With the effective engine torque, a model size of high quality stands for the first time Driving behavior functions "idle", "bucking damping" etc. are available. The effective one As previously described, engine torque is recorded and resolved crank angle can also other components or participants in the drive train, e.g. B. the transmission or the ancillary units can be made available for control.

Dadurch, dass bei der zuvor beschriebenen Differentialgleichung des Kurbeltriebs, welche die Grundlage für die Bestimmung des Verlustmoments und des effektiven Moments des Verbrennungsmotors darstellt, aufgrund der Ermittlung des indizierten Motormoments in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck im Prinzip sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsgrößen bekannt sind, kann bei bekannten Betriebszuständen die Drehzahlinformation auch zur Überprüfung der Richtigkeit der Drucksensoren der einzelnen Brennräume des Verbrennungsmotors verwendet werden. The fact that in the differential equation of the crank mechanism described above, which the basis for determining the loss torque and the effective torque of the Combustion engine represents, based on the determination of the indicated engine torque in In principle, depending on the combustion chamber pressure, both the input and the Output variables are known, the can in known operating conditions Speed information also for checking the correctness of the pressure sensors of the individual Combustion chambers of the internal combustion engine are used.

Die Leerlaufregelung und die Ruckeldämpfung des Verbrennungsmotors können durch Identifikation der Parameter dieser Differentialgleichung in einem weiteren Schritt adaptiert werden, so dass diese Parameter nicht mehr in einem langwierigen Prozess für verschiedene Betriebszustände appliziert werden müssen. The idle control and the bucking damping of the internal combustion engine can by Identification of the parameters of this differential equation adapted in a further step so these parameters are no longer in a lengthy process for different operating conditions must be applied.

Mit dem Verlustmoment steht eine Modellgröße zur Verfügung, mit deren Hilfe zylinderindividuell zu Diagnosezwecken die Reibung sowie sonstige Verluste im Motor überwacht werden können und auf geeignete Weise darauf reagiert werden kann. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Verbrennungsmotor
2 Zylindergehäuse
3 Kolben
4 Kurbelwelle
5 Drucksensor
6 Kurbelwellensensor
7 Steuergerät
8 Einspritzventil
OT Oberer Totpunkt
UT Unterer Totpunkt
φ Kurbelwinkel
β Pleuelwinkel
l Pleuellänge
r Kurbelwellenradius
With the torque loss, a model size is available, with the aid of which the friction and other losses in the engine can be monitored individually for diagnostic purposes and can be reacted to in a suitable manner. REFERENCE SIGN LIST 1 internal combustion engine
2 cylinder housings
3 pistons
4 crankshaft
5 pressure sensor
6 crankshaft sensor
7 control unit
8 injection valve
OT top dead center
UT bottom dead center
φ crank angle
β connecting rod angle
l connecting rod length
r crankshaft radius

Claims (12)

1. Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors, wobei der in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) durch einen Verbrennungsvorgang auftretende Brennraumdruck in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel (φ) einer Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors (1) erfasst und für die Regelung mindestens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennraumdruck ein durch den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum (2) indiziertes Motormoment abgeleitet wird, und dass aus dem indizierten Motormoment und einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein aufgrund der Verbrennung an der Kurbelwelle (4) auftretendes effektives Motormoment abgeleitet und für die Regelung des mindestens einen Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird. 1. A method for controlling an internal combustion engine, the combustion chamber pressure occurring in a combustion chamber ( 2 ) of the internal combustion engine ( 1 ) as a result of a combustion process being detected as a function of a crank angle (φ) of a crankshaft ( 4 ) of the internal combustion engine ( 1 ) and at least for the control an operating parameter of the internal combustion engine ( 1 ) is used, characterized in that an engine torque indicated by the combustion process in the combustion chamber ( 2 ) is derived from the combustion chamber pressure, and that an engine torque and an angular velocity of the crankshaft ( 4 ) result from the combustion Effective engine torque occurring on the crankshaft ( 4 ) is derived and used to control the at least one operating parameter of the internal combustion engine ( 1 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennraumdruck ein indizierter Mitteldruck abgeleitet und für die Regelung des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that an indexed mean pressure is derived from the combustion chamber pressure and is used for the control of the internal combustion engine ( 1 ). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Brennraumdruck der indizierter Mitteldruck für eine Hochdruckphase in dem Brennraum abgeleitet und für die Regelung des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the indicated average pressure for a high pressure phase in the combustion chamber is derived from the combustion chamber pressure and used for the control of the internal combustion engine ( 1 ). 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der indizierte Mitteldruck pmi_HD in Abhängigkeit von dem Brennraumdruck p und einem Hubvolumen Vh eines in dem Brennraum (2) befindlichen Kolbens (3) des Verbrennungsmotors (1) wie folgt bestimmt wird:


4. The method according to claim 3, characterized in that the indicated mean pressure p mi_HD is determined as a function of the combustion chamber pressure p and a displacement V h of a piston ( 3 ) of the internal combustion engine ( 1 ) located in the combustion chamber ( 2 ) as follows:


5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das indizierte Motormoment aus dem indizierten Mitteldruck abgeleitet wird. 5. The method according to any one of claims 2-4, characterized in that the indicated engine torque is derived from the indicated medium pressure. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leerlaufverhalten des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit von dem indizierten Mitteldruck geregelt wird. 6. The method according to any one of claims 2-5, characterized in that an idling behavior of the internal combustion engine ( 1 ) is regulated in dependence on the indicated medium pressure. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das indizierte Motormoment Mi in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel φ der Kurbelwelle (4) aus dem Brennraumdruck p und einem Volumen V des Brennraums (2) gemäß der Beziehung


abgeleitet wird.
7. The method according to any one of claims 1-4, characterized in that the indicated engine torque M i as a function of the crank angle φ of the crankshaft ( 4 ) from the combustion chamber pressure p and a volume V of the combustion chamber ( 2 ) according to the relationship


is derived.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leerlauf-Betriebszustand oder einem ausgekoppelten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (1) aus dem indizierten Motormoment und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein Verlustmoment des Verbrennungsmotors (1) abgeleitet wird, und dass aus dem indizierten Motormoment und dem Verlustmoment das effektive Motormoment bestimmt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in an idle operating state or a decoupled operating state of the internal combustion engine ( 1 ) from the indicated engine torque and the angular velocity of the crankshaft ( 4 ) a loss torque of the internal combustion engine ( 1 ) is derived, and that the effective engine torque is determined from the indicated engine torque and the loss torque. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verlustmoment zur Diagnose eines fehlerhaften Zustands des Verbrennungsmotors (1) verwendet wird. 9. The method according to claim 8, characterized in that the torque loss is used to diagnose a faulty state of the internal combustion engine ( 1 ). 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für mehrere Brennräume (2) des Verbrennungsmotors (1) brennraumspezifisch durchgeführt wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method for a plurality of combustion chambers ( 2 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is carried out specific to the combustion chamber. 11. Vorrichtung zur Regelung eins Verbrennungsmotors,
mit Kurbelwinkelerfassungsmittel (6) zum Erfassen eines Kurbelwinkels (φ) einer Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors,
mit Brennraumdruckerfassungsmittel (5) zum Erfassen des in einem Brennraum (2) des Verbrennungsmotors (1) auftretenden Brennraumdrucks, und
mit einer Regelungseinrichtung (7) zur Regelung mindestens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) in Abhängigkeit von dem durch die Brennraumdruckerfassungsmittel (7) erfassten Brennraumdruck und dem durch die Kurbelwinkelerfassungsmittel (6) erfassten Kurbelwinkel (φ),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regelungseinrichtung (7) derart ausgestaltet ist, dass sie aus dem Brennraumdruck ein durch den Verbrennungsvorgang in dem Brennraum (2) indiziertes Motormoment ableitet, um aus dem indizierten Motormoment und einer Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle (4) ein aufgrund der Verbrennung an der Kurbelwelle (4) auftretendes effektives Motormoment abzuleiten und für die Regelung des mindestens einen Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) zu verwenden.
11. Device for regulating an internal combustion engine,
with crank angle detection means ( 6 ) for detecting a crank angle (φ) of a crankshaft ( 4 ) of the internal combustion engine,
with combustion chamber pressure detection means ( 5 ) for detecting the combustion chamber pressure occurring in a combustion chamber ( 2 ) of the internal combustion engine ( 1 ), and
with a control device ( 7 ) for controlling at least one operating parameter of the internal combustion engine ( 1 ) as a function of the combustion chamber pressure detected by the combustion chamber pressure detection means ( 7 ) and the crank angle (φ) detected by the crank angle detection means ( 6 ),
characterized,
that the control device ( 7 ) is designed in such a way that it derives an engine torque indicated by the combustion process in the combustion chamber ( 2 ) from the combustion chamber pressure in order to derive an engine torque from the indexed engine torque and an angular velocity of the crankshaft ( 4 ) due to the combustion on the crankshaft ( 4 ) to derive the effective engine torque that occurs and to use it to regulate the at least one operating parameter of the internal combustion engine ( 1 ).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (7) zur Regelung des Verbrennungsmotors (1) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 ausgestaltet ist. 12. The device according to claim 11, characterized in that the control device ( 7 ) for controlling the internal combustion engine ( 1 ) is designed according to the method according to any one of claims 1-10.
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