Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzmodus zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Einspritzmodus zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Er- findung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzmodus zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.

Bei zunehmender Schärfe an gesetzlichen Anforderungen bezüglich Emission von limitierten Schadstoffen ist es erforderlich, den Kraftstoff exakt zum richtigen Zeitpunkt in der idealen Weise in die Brennkammer einzubringen.

Die DE 10 2006 010 094 AI offenbart ein Verfahren zur Tempe- raturbestimmung im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung, wobei ausgehend von mindestens einer Betriebsgröße eine Temperatur bzw. ein Temperaturverlauf eines Abgases im Abgassystem aus einer Energiebilanzierung berechnet wird .

Die DE 10 2008 020 933 B4 offenbart ein Verfahren zur Plau- sibilitätsprüfung einer Temperaturmessung bei einer Brennkraftmaschine . Die DE 44 33 631 AI offenbart ein Verfahren zur Bildung eines Signals, bezüglich einer Temperatur im Abgassystem einer Brennkraftmaschine. Mit dem Verfahren kann beispielsweise ein Signal für die Abgastemperatur stromauf des Katalysators ge- bildet werden oder ein Signal für die Temperatur im Katalysator oder ein Signal für die Temperatur stromab des Katalysators.

Die DE 10 2007 006 341 AI offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen mit Bestimmung von verschiedenen Einstellparametern mittels eines elektronischen Steuergeräts in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wobei die Einstellparameter aus einem Grundwert und mindestens einem Korrekturwert gebildet wird und ein Korrekturwert in Abhän- gigkeit von einer geschätzten Brennraumwandtemperatur bestimmt wird .

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es dazu beizutragen Emissionen zu vermindern.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Einspritzmodus zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Die Er ^¬ findung zeichnet sich des Weiteren aus durch eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzmodus zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.

Bei dem Verfahren wird eine Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt. Eine Zylinderwandtemperatur des Zylinders wird ermittelt. Abhängig von der Drehzahl und der Zylinderwand- temperatur wird der Einspritzmodus ermittelt. Anschließend kann der Einspritzmodus eingestellt werden.

Der Einspritzmodus bezeichnet hierbei die Art des Einspritzens. Derartige Einspritzmodi sind beispielsweise eine Mehrfach- einspritzung oder eine Einfacheinspritzung. Die Mehrfacheinspritzung ist beispielsweise eine Zweifacheinspritzung oder eine Dreifacheinspritzung. Weitere Einspritzmodi sind beispielsweise eine geschichtete Einspritzung für einen Kompressionstakt, eine Saugrohreinspritzung oder eine Direkteinspritzung.

Wird der Einspritzmodus nur durch Parameter wie Drehzahl bestimmt, so ist dieser Parameter nur für bestimmte Brennraumtemperaturen gültig. Bei Änderung der Temperatur wird zum Beispiel das Abdampfverhalten des Kraftstoffs verändert und es kommt zu einer unvollständigen Verbrennung. Die Folge ist eine Überschreitung der Partikelgrenzwerte. Alternativ kann der Einspritzmodus abhängig von einer Kühlmitteltemperatur ermittelt werden. Allerdings stellt diese Temperatur nicht die in der Brennkammer relevante Bezugsgröße dar. Insbesondere moderne Fahrzeugen weisen ein Thermomanagement auf. Somit gibt die Kühlmitteltemperatur nur begrenzt Aufschluss über die Temperatur in der Brennkammer. Durch obiges Verfahren kann durch Verwenden der Zylinderwandtemperatur eine Verbesserung in der Emissionierung, insbesondere eine Verminderung der Partikelanzahl und Partikelgröße erreicht werden, insbesondere im Vergleich zu einer Ermittlung abhängig von der Kühlmitteltemperatur.

Gemäß einer optionalen Ausgestaltung wird eine Kolbenbodentemperatur des Zylinders ermittelt und abhängig von der Kol ^¬ benbodentemperatur wird der Einspritzmodus ermittelt. Die Kolbenbodentemperatur kann beispielsweise mittels eines ge- eigneten Modells ermittelt werden.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird ein Drehzahlschwellenwert vorgegeben und abhängig von einem Vergleich der Drehzahl mit dem Drehzahlschwellenwert wird der Ein ^¬ spritzmodus ermittelt.

Mittels eines Schwellenwerts ist eine sehr einfache Ermittlung des Einspritzmodus möglich.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird bei Unterschreiten des Drehzahlschwellenwerts ein erster Ein ^¬ spritzmodus ausgewählt und bei Überschreiten des Drehzahl ^¬ schwellenwerts ein zweiter Einspritzmodus ausgewählt.

Hierdurch ist es sehr einfach möglich zwischen zwei Einspritzmodi zu wechseln. Optional können noch weitere Drehzahlschwellenwerte verwendet werden um zwischen mehr als zwei Einspritzmodi zu wechseln .

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird ein Zylinderwandtemperaturschwellenwert vorgegeben und abhängig von einem Vergleich der Zylinderwandtemperatur mit dem Zylinderwandtemperaturschwellenwert wird der Einspritzmodus ermittelt.

Mittels eines Schwellenwerts ist eine sehr einfache Ermittlung des Einspritzmodus möglich.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird bei Unterschreiten des Zylinderwandtemperaturschwellenwerts ein erster Einspritzmodus ausgewählt und bei Überschreiten des Zylinderwandtemperaturschwellenwerts ein zweiter Einspritz ^¬ modus ausgewählt.

Hierdurch ist es sehr einfach möglich zwischen zwei Einspritzmodi zu wechseln. Optional können noch weitere Zylinderwandtempe ^¬ raturschwellenwerte verwendet werden um zwischen mehr als zwei Einspritzmodi zu wechseln. Das Auswählen des ersten oder zweiten Einspritzmodus kann alternativ oder zusätzlich abhängig von weiteren Bedingungen, wie zum Beispiel Stabilitätsbedingungen und/oder einer Hysterese erfolgen .

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist der erste Einspritzmodus repräsentativ für eine Mehrfacheinspritzung und der zweite Einspritzmodus repräsentativ ist für eine Einfa ^¬ cheinspritzung .

Gerade bei einem Lastwechsel ist ein Wechsel von einer Ein ^¬ facheinspritzung zu einer Mehrfacheinspritzung, insbesondere zu einer Zweifacheinspritzung, vorteilhaft um die Emissionen zu reduzieren .

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Zylinderwandtemperatur mittels eines vorgegebenen Zylinderwandtemperaturmodells ermittelt. Hierdurch ist kein Referenzsensor notwendig. Durch die Verwendung eines Zylinderwandtemperaturmodells kann die reale Zylinderwandtemperatur sehr exakt nachgebildet werden.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist das Zylin- derwandtemperaturmodell ein thermodynamisches Temperaturmo ^¬ dell.

Gerade mit einem thermodynamischen Modell, welches bei ^¬ spielsweise auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik basiert, kann die reale Zylinderwandtemperatur sehr exakt nachgebildet werden .

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung ist die ermittelte Zylinderwandtemperatur repräsentativ für eine dynamische Zy- linderwandtemperatur, die abhängig von einer statischen Zylinderwandtemperatur ermittelt wird.

Durch die Ermittlung einer dynamischen Zylinderwandtemperatur kann die thermische Trägheit des Zylinderkopfs und des Mo ^¬ torblocks berücksichtigt werden, so dass die reale Zylinder ^¬ wandtemperatur sehr exakt nachgebildet werden kann.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Zy- linderwandtemperatur abhängig von einem ermittelten Zylinderdruck, einem ermittelten Hubvolumen des Zylinders, einer ermittelten Luftmasse und einem ermittelten indizierten Motormoment ermittelt. Diese Größen, also der Zylinderdruck, das Hubvolumen des Zylinders, die Luftmasse und das indizierte Motormoment, sind sehr einfach durch meist schon vorhandene Sensorik und/oder durch Motordaten ermittelbar, so dass hiermit das Zylinderwandtemperatur sehr einfach und kostengünstig realisiert werden kann.

Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung wird die Zylinderwandtemperatur abhängig von einer ermittelten Abgastemperatur ermittelt. Durch die Ermittlung abhängig von einer ermittelten Abgastemperatur kann die Zylinderwandtemperatur sehr exakt bestimmt werden .

Alternativ kann die Zylinderwandtemperatur auch frei von der Abgastemperatur ermittelt werden, die Abgastemperatur ist also für die Bestimmung der Zylinderwandtemperatur nicht notwendig. Es ist somit auch keine exakte Modellierung der Abgastemperatur bzw. ein Abgastemperatursensor notwendig. Gemäß einer weiteren optionalen Ausgestaltung umfasst das Zylinderwandtemperaturmodell die modularen Zwischengrößen mittlere Gastemperatur im Zylinderraum, indizierten Mitteldruck des Zylinders, Wärmeübergangskoeffizient im Brennraum und statische Zylinderwandtemperatur.

Der Vorteil eines solchen Zylinderwandtemperaturmodells liegt in der modularen physikalischen Modellierung. Somit können komponentenabhängig Zwischengrößen bestimmt werden. Dies erlaubt eine einfache Kalibrierung der Zylinderwandtemperatur, da keine mehrdimensionalen Abhängigkeiten in Kennfeldern für die Ermittlung der Zylinderwandtemperatur bestimmt werden müssen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ablaufdiagramm zum Ermitteln eines Einspritzmodus,

Figur 2 ein Diagramm zum Auswählen des Einspritzmodus und

Figur 3 ein Graph mit Werten von ermittelten Zylinderwandtemperaturen .

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figuren- übergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Ermitteln eines Einspritzmodus. Das Programm kann beispielsweise von einer Steuervorrichtung 50 abgearbeitet werden. Die Steuervorrichtung 50 weist hierfür insbesondere eine Recheneinheit, einen Programm- und Daten ^¬ speicher, sowie beispielsweise eine oder mehrere Kommunika ^¬ tionsschnittstellen auf. Der Programm- und Datenspeicher und/oder die Recheneinheit und/oder die Kommunikations ^¬ schnittstellen können in einer Baueinheit und/oder verteilt auf mehrere Baueinheiten ausgebildet sein. Auf dem Daten- und Programmspeicher der Steuervorrichtung 50 ist hierfür insbe- sondere das Programm gespeichert.

Die Steuervorrichtung 50 kann auch als Vorrichtung zum Ermitteln eines Einspritzmodus zum Einspritzen eines Kraftstoffs in einen Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bezeichnet werden.

In einem Schritt Sl wird das Programm gestartet und es werden gegebenenfalls Variablen initialisiert. In einem Schritt S3 wird eine Drehzahl N der Brennkraftmaschine ermittelt .

In einem Schritt S5 wird eine Zylinderwandtemperatur ZT des Zylinders ermittelt. In einem Schritt S7 wird abhängig von der Drehzahl N und der Zylinderwandtemperatur ZT der Einspritzmodus ermittelt.

In einem Schritt S9 wird das Programm beendet und kann gege ^¬ benenfalls wieder in dem Schritt Sl gestartet werden. Alternativ wird das Programm wieder in dem Schritt S3 fortgesetzt und nicht beendet .

Figur 2 zeigt ein Diagramm einer beispielhaften Ermittlung des Einspritzmodus, also insbesondere des Schrittes S7.

Beispielsweise wird ein Drehzahlschwellenwert vorgegeben und bei Unterschreiten des Drehzahlschwellenwerts wird ein erster Einspritzmodus EMI ausgewählt und bei Überschreiten des Drehzahlschwellenwerts ein zweiter Einspritzmodus EM2 ausge ^¬ wählt .

Alternativ oder zusätzlich wird ein Zylinderwandtemperatur- Schwellenwert vorgegeben und bei Unterschreiten des Zylinderwandtemperaturschwellenwerts wird der erste Einspritzmodus EMI ausgewählt und bei Überschreiten des Zylinderwandtempe ^¬ raturschwellenwerts der zweite Einspritzmodus EM2 ausgewählt. Alternativ oder zusätzlich können jeweils noch weitere

Schwellenwerte vorgegeben werden um zwischen mehr als 2 Einspritzmodi auszuwählen. Das Auswählen des ersten oder zweiten Einspritzmodus EMI, EM2 kann alternativ oder zusätzlich abhängig von weiteren Bedingungen, wie zum Beispiel Stabilitätsbedin- gungen und/oder einer Hysterese erfolgen.

Der erste Einspritzmodus EMI ist beispielsweise repräsentativ für eine Mehrfacheinspritzung und der zweite Einspritzmodus EM2 ist repräsentativ für eine Einfacheinspritzung. Die Mehrfa- cheinspritzung ist beispielsweise eine Zweifacheinspritzung oder eine Dreifacheinspritzung. Alternativ ist der erste Einspritzmodus EMI oder der zweite Einspritzmodus EM2 eine geschichtete Einspritzung für einen Kompressionstakt, eine Saugrohreinspritzung oder eine Direkteinspritzung.

Die Zylinderwandtemperatur ZT wird beispielsweise mittels eines vorgegebenen Zylinderwandtemperaturmodells ermittelt.

Zur Ermittlung des Zylinderwandtemperaturmodells kann bei ^¬ spielsweise der erste Hauptsatz der Thermodynamik angewende werden :

Die Summe aus der über den Kraftstoff zugeführten Wärme

entspricht dem Wandwärmestrom

der technischen Arbeit

dem über Einlassventile eintretenden Enthalpiestrom

dem entsprechenden über Auslassventile austretenden Enthalpiestrom

und dem Leckagaeenthalpiestrom

Als Vereinfachung kann diese Energiebilanzierung beispielsweise in eine Bilanzierung der Wärmeströme überführt werden. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem konvektiven Wärmestrom an die Zylinderwandtemperatur, der durch die Zylinderwand durch Wärmeleitung transportierten und wiederum durch Konvektion übertragenen Wärmestrom an das Kühlmittel hergestellt:

A

Hierbei werden folgende Abkürzungen verwendet:

Daraus kann ein Berechnungsmodell für den Stationärfall her ^¬ geleitet werden, welches im Prinzip aus drei Teilen besteht. Der erste Teil ist die Bestimmung der gasseitigen Modellparameter. Der dritte Teil beschäftigt sich mit Berechnungen aus dem Thermomanagement . Im zweiten Teil werden diese Berechnungen durch die Berechnung der Wandübergänge zusammengeführt.

Die mittlere Gastemperatur kann unter Kenntnis des Zylin

derdrucks des Hubvolumens der Luftmasse MAF und der

Gaskonstante R berechnet werden:

Hierbei muss die Einlasstemperatur berücksichtigt werden.

Die Parameter al und a2 müssen empirisch ermittelt werden. Optional kann auch noch die Abgastemperatur gewichtet durch den Parameter a3 in die Gleichung einbezogen werden. Die Gastemperatur kann noch durch den Lambdawert korrigiert werden, da die Brenntemperatur bei Lambdawerten kühler ist.

Der indizierte Mitteldruck wird über das indizierte

tormoment TQI und dem Hubvolumen V berechnet

Die Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten a _G im Brennraum kann nach Woschni bestimmt werden

Die Geschwindigkeit der Ladungsbewegung wird im ersten Ansatz anhand der Kolbengeschwindigkeit approximiert. Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann auch die Ladungsbewegung durch Swirl, Tumble, etc. berücksichtigt werden.

Das Thermomanagement einer Brennkraftmaschine ist sehr komplex aufgrund einer Vielzahl an hydraulischen Steuerelementen (diverse Pumpen und Schaltventile) . Somit ist es vorteilhaft auf vereinfachte Modelle bzw. Schätzungen zurückzugreifen.

Ein Ansatz ist eine Dimensionsanalyse, beispielsweise durch eine Regressionsanalyse auf Basis des Leven ^¬ berg-Marquardt-Algorithmus. Aufgrund dieser empirischen Her- angehensweise kann die Kühlmittelgeschwindigkeit und die ki ^¬ nematische Viskosität geschätzt werden. Diese Abhängigkeit kann als Polynom bzw. als Kennfeld in der Motorsteuerung approximiert werden. Die Reynoltszahl kann anschließend aus dem In

nendurchmesser des Kühlkanals und der Kühlmittelgeschwin-

digkeit sowie der kinematischen Viskosität n berechnet

werden. Die kinematische Viskosität n ist ein Ausdruck für die innere Reibung einer Flüssigkeit. Die kinematische Viskosität ist der Quotient aus der dynamischen Viskosität und der Dichte der Flüssigkeit.

Die Prantlzahl besitzt eine starke Temperaturabhängigkeit und kann auch als eine Polynomentwicklung bzw. mit Hilfe eines Kennfelds bestimmt werden. Aus der Prantlzahl und der Rey- noldtszahl kann die Nusselt-Zahl ermittelt werden. Aus der der Wärmeleitfähigkeit des Kühl ^¬

mittels λ und des Durchmesses des Kühlkanals D. kann der Wärmeübergangskoeffizient berechnet werden

Als letzter Schritt wird aus diesen Zwischengrößen die statische Zylinderwandtemperatur bestimmt

U stellt hier den Ersatzwärmeleitwert dar

Zur Bestimmung der dynamischen Zylinderwandtemperatur Γ _; muss noch die thermische Trägheit des Zylinderkopfs berücksichtigt werden. Der Parameter k wird dabei aus der wirksamen thermischen Masse des Zylinders und der spezifischen Wärmekapazität er- mittelt steht hierbei für die dynamische Zylindertemperatur aus

einem vorigen Berechnungszyklus. Figur 3 zeigt einen Graph mit Werten von ermittelten Zylinderwandtemperaturen ZT. Die obersten beiden Linien sind repräsentativ für die mittels des obigen Zylinderwandmodells ermittelte (dynamische) Zylinderwandtemperatur ZT und eine mittels Sensorik ermittelte Referenztemperatur RT . Die Referenztemperatur RT ist hierbei die Linie mit dem stärkeren Rauschen. Die dritte Linie von oben ist repräsentativ für die Kühlmitteltemperatur KT. Die vierte Linie von oben ist repräsentativ für das Drehmoment M und die fünfte Linie für die Drehzahl N.

Wie in Figur 3 zu sehen ist, folgt die dynamische Zylinder ^¬ wandtemperatur ZT der Referenztemperatur RT im dargestellten Instationärfall , wo hingegen die Kühlmitteltemperatur KT nur sehr langsam absinkt.

Somit kann durch Verwenden der Zylinderwandtemperatur ZT eine Verbesserung in der Emissionierung insbesondere bei der Partikelanzahl und Partikelgröße erreicht werden, insbesondere im Vergleich zu einer Ermittlung abhängig von der Kühlmitteltemperatur KT. Wird die Zylinderwandtemperatur ZT frei von der Abgastemperatur ermittelt, so ist keine exakte Modellierung der Abgastemperatur bzw. ein Abgastemperatursensor notwendig. Ein Vorteil des obig beschriebenen Zylinderwandtemperaturmodells liegt in der modularen physikalischen Modellierung. Somit können komponentenabhängig Zwischengrößen bestimmt werden. Dies erlaubt eine einfache Kalibrierung der Zylinderwandtemperatur ZT, da keine mehrdimensionalen Abhängigkeiten in Kennfeldern für die Ermittlung der Zylinderwandtemperatur ZT bestimmt werden müssen.

Zusätzlich kann eine Kolbenbodentemperatur des Zylinders ermittelt werden und abhängig von der Kolbenbodentemperatur der Einspritzmodus ermittelt werden. Die Kolbenbodentemperatur kann beispielsweise ebenfalls ähnlich wie die Zylinderwandtemperatur mittels eines geeigneten Modells ermittelt werden. Insbesondere kann somit optional auch abhängig von der Zylinderwandtemperatur und der Kolbenbodentemperatur ein Gesamttemperaturwert ermittelt werden und mit einem Temperaturschwellenwert verglichen werden anstelle des Vergleichs der Zylinderwandtemperatur mit dem Zylinderwandtemperaturschwellenwert .

Bezugs zeichenliste

S1-S9 Schritte

50 Steuervorrichtung

EMI erster Einspritzmodus

EM2 zweiter Einspritzmodus

KT Kühlmitteltemperatur

M Drehmoment

N Drehzahl

RT Referenztemperatur

ZT Zylinderwandtemperatur