Titel

DREHZAHLBASIERTE SCHÄTZUNG DER FRISCHLUFTFÜLLUNG DES ZYLINDERS IN EINEM EINZYLINDERVERBRENNUNGSMOTOR

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur jeweiligen Schätzung von mit einer Füllung eines Zylinders zusammenwirkenden Größen in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder. Ferner wird eine entsprechende Anordnung zur jeweiligen Schätzung von mit einer Füllung eines Zylinders zusammenwirkenden Größen in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder bereitgestellt.

Stand der Technik

Für PKW-Anwendungen sind diverse drehzahlbasierte Verfahren Stand der Technik. So gibt es beispielsweise eine Einspritzmengenkalibrierung, eine Verbrennungslageschätzung, eine Aussetzererkennung etc. Aufgrund einer Überlagerung von Einflüssen mehrerer Zylinder bei einem mehrzylindrigen Motor sind Auswertemöglichkeiten stark eingeschränkt.

Aus der DE 10 2010 03841 1 geht eine Luft-Kraft-Verhältnis- Abschätzungserfassungseinrichtung hervor, welche die Verwendung eines Sauerstoffsensors oder dergleichen, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis direkt zu erfassen, beseitigt, indem ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von Verbrennungsgas, basierend auf einer Signalausgabe eines Impulsgeberrotors abgeschätzt und erfasst wird.

Bei Zweirad-Anwendungen, d. h. bei Verwendung bzw. Einsatz eines Verbrennungsmotors mit nur einem Zylinder, entfällt eine Überlagerung von Einflüssen mehrerer Zylinder, so dass gegebenenfalls ein drehzahlbasiertes Verfahren einfacher auszuwerten ist. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nunmehr, eine jeweilige Schätzung von mit einer Füllung eines Zylinders zusammenwirkenden Größen in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder basierend auf einer Drehzahl des Verbrennungsmotors bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 8 bereitgestellt. Weitere

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur jeweiligen Schätzung von mit einer Fül- lung eines Zylinders zusammenwirkenden Größen in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder bereitgestellt. Dabei wird eine jeweilige Größe aus einem Merkmal hergeleitet, das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors basiert. Das Merkmal wird dabei für Werte der Drehzahl in mindestens einem jeweiligen größenspezifischen Bereich eines Arbeitsspiels der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors berechnet.

Erfindungsgemäß erfolgt demnach eine Bestimmung bzw. eine Schätzung einer jeweiligen Größe eines mindestens einen Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotors durch eine modellbasierte Auswertung eines Drehzahlsignals.

Zu den zu schätzenden Größen ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Füllung eines Zylinders, d. h. eine Luftfüllung des Zylinders, ein Abgasgegendruck, ein Umgebungsdruck und ein Saugrohrdruck zu zählen. All dies sind Größen, die auf bestimmte Art und Weise zusammenwirken und alle durch eine spezifische Auswertung eines Drehzahlsignals ermittelt bzw. zumindest geschätzt werden können.

Das Verfahren ist insbesondere anwendbar für einen Verbrennungsmotor mit nur einem Zylinder. Aufgrund der Tatsache, dass bei einem 1 -Zylinder-Motor keine Überlagerung von Zylindereinflüssen auf eine entsprechende Kurbelwelle stattfindet, kann zur Auswertung des Drehzahlsignals nicht nur die Verbrennungs- phase ausgewertet werden und einem bestimmten Zylinder zugeordnet werden, sondern es können auch in anderen Bereichen eines jeweiligen Arbeitsspiels wie beispielsweise einer Kompressionsphase, einer Ansaugphase sowie einer Ausstoßphase Korrelationen zwischen einer jeweiligen Drehzahl und anderen Grö- ßen ohne Einfluss aus Verbrennungstakten weiterer Zylinder ausgewertet werden. Die Bereiche, die bei einem Arbeitsspiel der Kurbelwelle des entsprechenden Verbrennungsmotors zu betrachten sind, sind dabei größenspezifisch auszuwählen. Bei Schätzung einer Füllung eines Zylinders ist beispielsweise insbesondere die Kompressionsphase zu betrachten. Bei Schätzung eines Abgasdru- ckes in einer Ladungswechselarbeit ist insbesondere die Ausstoßphase zu betrachten. Zur Schätzung eines Saugrohrdrucks, welcher sowohl in Ladungswechselarbeit wie auch in Kompressionsarbeit steckt, sind vorzugsweise sowohl eine Ansaugphase wie eine entsprechende Kompressionsphase einzeln oder in Kombination aufeinanderfolgender Phasen zu betrachten.

Allgemein wurde festgestellt, dass die in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespeiste Kraftstoffmenge unter bestimmten Rand- bzw. Betriebsbedingungen sowohl mit einem sogenannten pmi (indicated mean effect pressure, indizierter Mitteldruck) als auch mit einem auf einer Auswertung des Drehzahlsig- nals basierenden Merkmal MWF (Mechanical Work Feature, Merkmal für mechanische Arbeit) des jeweiligen Zylinders korreliert. Bestimmte Rand- bzw. Betriebsbedingungen sind beispielsweise eine magere Verbrennung, damit eine Menge von Kraftstoff, die in den Zylinder eingeführt wurde, sicher vollständig umgesetzt wird.

Das drehzahlbasierte Merkmal MWF wird erfindungsgemäß nunmehr herangezogen, um Korrelationen mit den zu schätzenden Größen wie beispielsweise Füllung, Saugrohrdruck etc. zu erkennen. Für die Beschaffung der Korrelationen sind verschiedene Ansätze denkbar. Verwendet werden könnten beispielsweise verschiedene Zahnzeiten oder Segmentzeiten, welche unmittelbar proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle sind, aber auch Winkelgeschwindigkeitsänderungen und Winkelbeschleunigungen oder Änderungen der Winkelbeschleunigung, bekannt als Laufunruhe. Diese Drehsignalwerte können dann als Eingangsgrößen für eine Berechnung gesehen werden, aus der als Ausgangsgröße das drehzahlbasierte Merkmal zur Bestimmung des Drehmomentes folgt. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass ein sogenannter MAP-Sensor, der derzeit serienmäßig in Kraftfahrzeugen verbaut wird, vollständig entfallen kann. Bei einem MAP-Sensor (Manifold Air Pressure) handelt es sich um einen Sensor, der dazu nötig ist, eine Füllung in einem Zylinder bestimmen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach insbesondere für einen sogenannten Low-Cost-Markt relevant. Zusätzlich können, wie bereits eingangs erwähnt, auch andere Größen abgeleitet werden, so beispielsweise Größen zur Änderung eines Ansaug- und Ausstoßverhaltens, wie Undichtigkeiten und Änderungen von Strömungswiderständen durch verstopfte Luftfilter oder angeschmolzene Abgaskatalysatoren.

Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne zusätzliche Hardware aus, es handelt sich um eine reine Software-Lösung.

Dabei ist der vorgenannte pmi ein allgemein bekannter indizierter Mitteldruck, der ein Maß für eine von dem jeweiligen Zylinder geleistete Arbeit bezogen auf ein Hubvolumen darstellt. Dieser ist wie folgt definiert: wobei V _h für ein Hubvolumen eines Zylinders, p für den in dem Zylinder herrschenden Druck und φ für den Winkel zwischen Kurbelwelle und Mittelachse des Zylinders steht.

Es muss zusätzlich angegeben werden, ob der pmi über ein gesamtes Arbeitsspiel oder nur über eine entsprechende Hochdruck- bzw. Niederdruckschleife berechnet wird. Für eine pmi-Berechnung ist ein Brennraumdrucksensor pro Zylinder notwendig. Falls kein Brennraumdrucksensor verbaut ist, kann, wie erfindungsgemäß auch vorgeschlagen, ein drehzahlbasiertes Merkmal MWF ersatzweise verwendet werden.

Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kommt das bereits voranstehend erwähnte MWF (Mechanical Work Feature) zum Einsatz. Dies berechnet sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren allgemein als Differenz von Rotationsenergien am jeweiligen Stand der Kurbelwelle wie folgt: MWF = E r,ot y ^■ '°KWnZOT -E r,ot Ix' °KWvZOT (2)

Dabei beschreibt y°KWnZOT beschreibt den Wert y des Winkels um den sich die Kurbelwelle (KW) im Vergleich zu ihrem Stand, an dem sich ein entsprechender Kolben im zentralen oberen Totpunkt (ZOT) befindet, weitergedreht hat. Analog hierzu beschreibt x°KWvZOT den Wert des Winkels vor dieser Position. Verglichen wird durch MWF der Energieunterschied zwischen einem Zustand des entsprechenden Kurbelwellen-Systems vor der Zündung und einem Zustand des Kurbelwellen-Systems nach der Zündung. Folglich ist MWF ein mit geringem Rechenaufwand bestimmbares Merkmal für eine abgegebene Arbeit aufgrund einer Verbrennung in dem Verbrennungsmotor.

Bei genauerer Betrachtung beruht eine Änderung von Rotationsenergie der Kurbelwelle über einen Verbrennungstakt bzw. einer Verbrennungsphase nicht nur auf den an ihr angreifenden Momenten bzw. Energieströmen von Seiten des Brennraums, entsprechend der Expansionsarbeit aus zuvor verdichtetem Arbeitsgas und der Verbrennung selbst, und auf innerer Motorreibung der Kurbelwelle selbst, durch Kolbenringe, Kurbelwellenlager etc., sondern wird auch an- triebsseitig durch eine anliegende Motorlast, wie bspw. Fahrwiderstand im Fahrzeug, Bremsmoment am Motorenprüfstand etc., beeinflusst. Ohne äußere Motorlast käme es über die Verbrennung zu einer stärkeren Beschleunigung der Kurbelwelle. Mit stationärer Motorlast, d. h. die Motordrehzahl wird konstant gehalten, würde eine kontinuierliche Abbremsung der Kurbelwelle über alle vier Arbeitstakte stattfinden, welche nur im Verbrennungstakt durch eine starke Beschleunigung infolge der Expansionsarbeit überdeckt wird. Um eine genauere Korrelation von Mitteldruck (pmi) und Kurbelwellen-Rotationsenergieänderung über den Verbrennungstakt zu bestimmen, wird die als kontinuierlich über alle Arbeitstakte angenommene Abbremsung infolge äußerer Motorlast abgezogen. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, korreliert MWF sehr gut mit pmi, so dass MWF als Ersatzmerkmal verwendet werden kann. Für den speziellen Fall eines Verbrennungsmotors mit einem Zylinder, indem es im Gegensatz zu mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren zu keiner Überlagerung zwischen Verbrennungstakten verschiedener Zylinder kommen kann, wird erfindungsgemäß die Berechnung des Merkmals auf einen Winkelbereich von mehreren Arbeitsbereichen eines Arbeitsspiels ausgeweitet. Es ist anzumerken, dass das Verfahren auch in gleicher Weise für Zweizylinderverbrennungsmotoren mit symmetrischem Zündabstand verwendet werden kann Für unsymmetrische Zündabstände sind die Winkelbereiche für minimale Überlagerungen der beiden Zylinder entsprechend zu wählen.

In analoger Weise können Energieänderungen für die Arbeitstakte Ansaugen, Verdichten und Ausschieben ermittelt werden, die in jeweils eigenen Merkmalen abgebildet werden.

Betrachtet man beispielsweise als zu schätzende Größe eine Füllung eines Zylinders, so sind prinzipiell verschiedene Ansätze für eine Füllungserfassung denkbar.

Erfindungsgemäß wird das in Formel 2 beschriebene Merkmal MWF nunmehr z.B. bei einem Wert für den Winkel x von 0° KW und einem Wert für den Winkel von -180° KW bestimmt werden. Dabei wird die Kompressionsphase bspw. von 180° KW bis 0° KW betrachtet. Dies sieht wie folgt aus:

Merkmall = E rot 0°K„W _r -E ^rot -U0 ^a KW (2')

Alternativ dazu kann auch eine Drehzahldifferenz betrachtet werden, die sich wie folgt bestimmt:

Merkmal! = ( ³ ) Dabei ist φ die aus den Zahnzeiten berechnete Winkelgeschwindigkeit.

Mit winkelsynchroner Erfassungs- und etwas größerem Rechenaufwand kann aus einer Berechnung des Drehmoments, das sich wie folgt berechnet:

Μ(φ) = Θ(φ)* φ(φ) , (4) wobei Θ dem Trägheitsmoment entspricht, entweder das Drehmomentintegral (Merkmal 3) ermittelt werden, welches einer Arbeit entspricht: Merkmal 3 = (5) oder ein maximaler Betrag des Drehmoments (Merkmal 4) zwischen -180° KW und 0° KW, welches also ein Momentenmaximum darstellt:

Dabei ist zu beachten, dass die Grenzen des zu betrachtenden Winkelbereichs, d. h. die Werte für x und y, nicht fest, sondern applizierbar sind. Die Grenzen des Winkelbereichs können an relevante Zeitpunkte im Ladungswechsel eines vorliegenden Verbrennungsmotors angepasst werden, etwa für die voranstehend genannte Füllungsschätzung in einer Kompressionsphase zwischen„Einlass schließt" und Zündzeitpunkt, d. h. vor Beginn von chemischer Energiefreisetzung.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das berechnete Merkmal der jeweiligen Kurbelwinkelintervalle mit Hilfe applizierter Kennlinien oder Kennfelder auf die jeweilige Größe abgebildet. Dadurch wird eine absolute Genauigkeit der vorzunehmenden Schätzung nochmals verbessert.

In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Drehzahl über Zahnzeiten eines entsprechend vorgesehenen Drehzahlgebers bestimmt. Dabei ist es vorteilhaft, vor einer Verarbeitung der Drehzahl, bzw. eines entsprechenden Drehzahlsignals durch den Drehzahlgeber entstehende Signalstörung mit einem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu kompensieren.

Wie oben bereits erwähnt, ist es auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren für 2-Zylinder-Verbrennungsmotoren anzuwenden. Bei 2-Zylinder- Verbrennungsmotoren mit symmetrischem Zündabstand kann das erfindungsgemäße Verfahren von dem gesamten Winkelbereich von Beginn der Kompressionsphase bis nach Ende der Verbrennung angewendet werden. Für unsymmetrische Zündabstände sind die Winkelbereiche, d. h. der Bereich von Beginn der Kompressionsphase bis zum Ende der Verbrennung ggf. dahingehend einzu- schränken, eine minimale Überlagerung der beiden Zylinder zu erhalten und somit eine möglichst geringe gegenseitige Beeinflussung der Zylinder zu haben.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zur jeweiligen Schät- zung von mit einer Füllung eines Zylinders zusammenwirkenden Größen in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder. Die erfindungsgemäße Anordnung weist Mittel auf, die dazu konfiguriert sind, eine Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zu bestimmen und ferner Mittel, die damit in kommunikativer Verbindung stehen und dazu konfiguriert sind, die jeweilige Grö- ße aus einem Merkmal herzuleiten, das auf einer Auswertung der Drehzahl basiert, wobei das Merkmal für Werte der Drehzahl jeweils in mindestens einem größenspezifischen Bereich des jeweiligen Betriebstaktes (Ansaugen, Verdichten, Ausschieben) eines Arbeitsspiels der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors berechnet wird.

Es ist denkbar, dass die Anordnung eine Speichereinrichtung umfasst, in welcher oben genannte Kennlinien und/oder oben genannte Kennfelder hinterlegt sind, mit deren jeweiliger Hilfe die berechneten Merkmale auf die jeweilige Größe abgebildet werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- Schreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh- ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt in einem Graph eine Korrelation zwischen einer Einspritzmenge von Kraftstoff in einen Injektor eines Zylinders eines Verbrennungsmotors und den Größen MWF bzw. pmi. Figur 2 zeigt in einem Graphen einen Drehzahlverlauf für einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder während eines Arbeitsspiels.

Figur 3 zeigt in einem Graphen einen prinzipiellen Drehmomentverlauf.

Figur 4 zeigt einen Drehzahlverlauf mit einem Arbeitsspiel für zwei unterschiedliche Lastpunkte.

Figur 5 zeigt einen Graphen eines prinzipiellen Drehmomentverlaufs bzw. dessen betragsmäßigen Verlauf.

Figur 6 zeigt in einem Graphen einen Druckverlauf an einem Einlassventil an einem Zylinder eines Verbrennungsmotors.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

In Figur 1 ist in einem Graphen eine Korrelation einer Einspritzmenge zu den Größen MWF und pmi dargestellt. Dabei sind an einer Ordinate 10 Werte für MWF (12) und pmi (14) über eine Menge kmaz [mg/WC] an einer Abszisse 16 aufgetragen.

Diesem Graphen ist zu entnehmen, dass die in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors eingespritzte Kraftstoffmenge, insbesondere unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie magere Verbrennung, damit die Menge sicher vollständig umgesetzt wird, direkt mit dem pmi 14 (indicated mean effected pressure, indizierter Mitteldruck) bzw. MWF 12 (mechanical work feature, drehzahlbasiertes Merkmal für mechanische Arbeit) des jeweiligen Zylinders korreliert.

Dabei ist pmi der allgemein bekannte indizierte Mitteldruck, der ein Maß für eine von einem jeweiligen Zylinder geleistete Arbeit bezogen auf ein entsprechendes Hubvolumen darstellt. Dieser wird wie folgt definiert: wobei V ür das Hubvolumen eines Zylinders steht. Es muss zusätzlich angegeben werden, ob der pmi über ein gesamtes Arbeitsspiel oder nur über eine Hochdruck- bzw. Niederdruckschleife berechnet wird. Für die pmi-Berechnung ist ein Brennraumdrucksensor pro Zylinder notwendig. Falls kein Brennraumdruck- sensor verbaut ist, kann das oben bereits beschriebene drehzahlbasierte Merkmal MWF verwendet werden.

Hierzu sind verschiedene Ansätze denkbar, bspw. könnten verschiedene Zahnzeiten oder Segmentzeiten verwendet werden, aber auch Winkelgeschwindigkeitsänderungen und Winkelbeschleunigungen oder Änderungen der Winkelbeschleunigung, bekannt als Laufunruhe. Das hier in Figur 1 dargestellte Merkmal MWF berechnet sich wie folgt:

MWF = E r,ot 96° KWnZOT -E r,ot \ _TDC ( 2 )

Verglichen wird hier ein Energieunterschied vor und nach einer jeweiligen Verbrennung in dem Verbrennungsmotor, wobei hier eine Winkeleinstellung von 96° KWnZOT und eine Winkelstellung \m TDC (top dead center) betrachtet wird. Wie bereits eingangs erwähnt ist MWF ein mit geringem Rechenaufwand bestimmbares Merkmal für die abgegebene Arbeit aufgrund der Verbrennung. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, korreliert MWF sehr gut mit pmi, so dass es als Ersatzmerkmal verwendet werden kann.

Wie bereits eingangs erwähnt wurde in Erweiterung zur voranstehend genannten Formel ( 2 ) das Merkmal MWF leicht modifiziert und entspricht nun allgemein der Differenz von Rotationsenergien £ _rof der Kurbelwelle zu verschieden Winkelständen vor und nach einer Winkelstellung, zu der der entsprechende Kolben sich im ZOT befindet:

MWF = E r,ot y° KWnZOT -E r,ot x°KWvZOT (2) Figur 2 zeigt einen prinzipiellen Verlauf 25 einer Drehzahl eines 1 -Zylinder- Motors über ein Arbeitsspiel. Ein Arbeitsspiel entspricht dabei einem Winkelbereich 21 von insgesamt 720°KW (KW: Kurbelwelle). Auf einer Abszisse 20 sind Winkelwerte der Kurbelwelle KW aufgetragen. Auf einer Ordinate 22 ist die Ge- schwindigkeit der Kurbelwelle in der Einheit [rpm] aufgetragen. Die Geschwindigkeit der Kurbelwelle entspricht der Drehzahl der Kurbelwelle. Eine gestrichelte Linie 23 zeigt eine mittlere Drehzahl an.

Gezeigt sind hier verschiedene Phasen, welche von der Kurbelwelle während ei- nes Arbeitsspiels durchlaufen werden. Phase 1 bezeichnet hier Kompression,

Phase 2 Verbrennung, Phase 3 Ausstoß, Phase 4 Ansaugen, gefolgt wiederum von einer Wiederholung der Phase 1 , nämlich der Kompression. Auf der Abszisse 20 sind die Winkeleinstellungen in °KW aufgetragen, wobei eine Einheit auf der Abszisse 20 einem Intervall von 180° entspricht, beginnend mit -180°. Dies ist bezogen auf eine Winkelstellung der Kurbelwelle, die als 0° gewählt wird, wenn sich der betrachtete Kolben im oberen Totpunkt zu Beginn von Phase 2 Verbrennung befindet.

Bei einem vierzylindrigen Motor wären in einem Arbeitsspiel, entsprechend 720°KW vier Beschleunigungen zu sehen, während, wie in Figur 2 dargestellt, bei einem 1 -Zylinder-Motor nur eine Beschleunigung erkennbar ist, nämlich in Phase 2, im Bereich zwischen 0°KW und 180°KW, in welchem die Drehzahl von einem Minimum 24 zu einem Maximum 26 innerhalb eines Arbeitsspiels 21 stark ansteigt. Aufgrund dieser Tatsache kann bei einem einzylindrigen Motor zur Be- rechnung des Merkmals MWF bzw. zu der darin zum Ausdruck gebrachten

Energiedifferenz zusätzlich zur Phase Verbrennung (Combustion) entsprechend Phase 2 auch die Phase Verdichtung (Compression) entsprechend Phase 1 ausgewertet werden. Das in oben genannter Formel ( 2 ) beschriebene Merkmal MWF betrachtet allerdings nur die Verbrennung.

Demgegenüber kann nunmehr, wie in Formel (2) dargelegt, im Fall eines einzylindrigen Verbrennungsmotors, in dem es keine Überlappung zwischen den Verbrennungstakten von verschiedenen Zylindern wie bei mehrzylindrigen Motoren gibt, die Berechnung des Merkmals auf einem Winkelbereich inklusive bspw. der Kompressionsphase 1 ausgeweitet werden. Als Merkmal kann somit die

Energiedifferenz zwischen einem Zustand des Kurbelwellen-Systems in der Kompressionsphase und bspw. einem Zustand des Kurbelwellen-Systems in der Verbrennungsphase verwendet werden.

Wie voranstehend bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren in gleicher Weise auch für einen Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern erfolgen, wenn ein symmetrischer Zündabstand vorliegt. Für unsymmetrische Zündabstände bei einem Verbrennungsmotor mit zwei Zylindern sind demgegenüber die zur Berechnung des Merkmals verwendeten Winkelbereiche für eine minimale Überlagerung der beiden Zylinder entsprechend zu wählen bzw. einzuschränken.

Figur 3 zeigt schematisch einen Verlauf eines Drehmoments M, welches durch einen entsprechenden Kolben eines Zylinders auf eine Kurbelwelle während einer Verdichtung und einer Verbrennung in dem Zylinder ausgeübt wird. Auf einer Ordinate 32 sind Werte des Drehmoments M aufgetragen. Auf einer Abszisse 30 sind Winkelwerte bzw. Winkelstellungen der Kurbelwelle in Bezug auf eine Kurbelwellenstellung, in welcher sich der entsprechende Kolben im zentralen oberen Totpunkt (ZOT) befindet, aufgetragen. Die Ordinate 32 kennzeichnet eine Stellung der Kurbelwelle von 180° vor ZOT, die vertikale Achse 34 kennzeichnet eine Stellung der Kurbelwelle von 0° bezogen auf ZOT, und die vertikale Achse 36 bezeichnet eine Stellung der Kurbelwelle von 180° nach ZOT. Dabei ist darauf zu achten, dass die gezeigte waagerechte Linie 30 nicht der Nulllinie entspricht (Drehmoment wäre Null im oberen, bzw. unteren Totpunkt), sondern vielmehr den Verlauf des Drehmoments in Bezug auf ZOT zeigt. Das Schubmoment in der Kompressionsphase M _s ist dabei mit einer durchgezogenen Linie 38 dargestellt, das Moment im Falle einer Verbrennung M _v ist mit einer gestrichelten Linie 37 dargestellt und mit gepunkteter Linie 39 ist der Anteil des Drehmoments M _dm dargestellt, der durch die Verbrennung alleinig verursacht wird:

M _diff = M _v - M _s (7)

Eine weitere alternative Möglichkeit, ein Drehmoment bzw. pmi eines Verbrennungsmotors auszuwerten, besteht darin, aus einem Drehzahlsignal einen Verlauf eines Wechselanteils, d. h. nur der Schwankung des Drehmoments entsprechend der nachfolgenden Gleichung zu berechnen:

Hierbei ist φ der Winkel der Kurbelwelle und Θ ( <p ) das winkelabhängige Trägheitsmoment des Kurbelwellen-Systems, das aus den rotierenden und oszillierenden Massenanteilen besteht. Ein Beispiel für einen solchen Momentenverlauf ist in Figur 3 zu sehen. Da im oberen Totpunkt (OT) und unteren Totpunkt (UT) kein Drehmoment entstehen kann, weil die Kolben des entsprechenden Kolbens ganz oben bzw. unten angeordnet sind, können diese Punkte des geschätzten Drehmomentverlaufs dazu verwendet werden, einen Absolutwert der Kurve zu schätzen. Dieser wird dabei so bestimmt, dass Mittelwerte im/um OT/UT Null ergeben, pmi kann somit durch eine anschließende Integration über das dadurch berechnete Drehmoment bestimmt werden.

Figur 4 zeigt einen Drehzahlverlauf φ ^' (φ) über ein Arbeitsspiel. Auf einer Abszisse 40 ist dabei ein Arbeitsspiel in einer Einheit °KW von -360 bis +360 aufgezeigt.

Auf einer Ordinate 42 ist in einer Einheit n[1/min] die Drehzahl aufzutragen. Dargestellt sind nunmehr ein Drehzahlverlauf φ ^' (φ) 44 über ein Arbeitsspiel für einen ersten Lastpunkt und einen Drehzahlverlauf 46 für einen zweiten, vom ersten verschiedenen Lastpunkt. Diese wurden per Off-Set auf einen niedrigsten Punkt zusammengeschoben. Die verschiedenen Phasen sind entsprechend zu Figur 2 bezeichnet.

Figur 5 zeigt einen Verlauf eines Drehmomentes, welches auf die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors über den Kolben des mindestens einen Zylinders des Verbrennungsmotors ausgeübt wird. Auf einer Ordinate sind Werte des Drehmoments M aufgetragen. Auf einer Abszisse 50 sind Winkelwerte bzw. Winkelstellungen der Kurbelwelle in Bezug auf eine Kurbelwellenstellung, in welcher sich der entsprechende Kolben im zentralen oberen Totpunkt (ZOT) befindet, aufgetragen. Die Ordinate 52 kennzeichnet eine Stellung der Kurbelwelle von 180° vor ZOT, die vertikale Achse 54 kennzeichnet eine Stellung der Kurbelwelle von 0° bezogen auf ZOT und die vertikale Achse 56 bezeichnet eine Stellung der Kurbelwelle vor 180° nach ZOT. Das Drehmoment selbst berechnet sich nach folgender Formel:

Μ(φ)= Θ(φ) *φ(φ) (4) Figur 5 zeigt ein Schubmoment M _s in einer Kompressionsphase als durchgezogene Linie 58, ein Moment M _v \m Falle einer Verbrennung als gepunktete Linie 59 und den Betrag des Schubmoments M _s als Linie 57. Ferner zeigt Figur 5 in der schraffierten Fläche 53 das Drehmomentintegral in einer Kompressionsphase des Arbeitsspiels einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, d. h. im Bereich von -180° KW bis 0° KW. Ferner zeigt Figur 5 in schematischer Darstellung das betragsmäßige Maximum 60 des Drehmoments im gleichen Bereich nämlich der Kompressionsphase, d. h. im Bereich von -180° KW bis 0° KW, was wie folgt ausgedrückt werden kann:

Demnach ist es möglich, eine Füllung eines Zylinders, d. h. eine Luftfüllung eines Zylinders anhand verschiedener Merkmale zu betrachten, wobei jedes dieser Merkmale anhand der Ermittlung bzw. der Bestimmung der Drehzahl ausgewertet werden kann. Das bedeutet, dass der Drehzahlverlauf, wie er in Figur 2 dargestellt ist, die wesentliche Grundlage zur Auswertung der verschieden heranzuziehenden Merkmale ist, um letztlich eine der Größen wie bspw. die Luftfüllung eines Zylinders schätzen bzw. im groben Rahmen bestimmen zu können. Die vorgenannten Grenzen des Winkelbereichs sind nicht fest, sondern in geeigneter Weise anpassbar. Beispielsweise können die Grenzen des Winkelbereichs an relevante Zeitpunkte im Ladungswechsel eines vorliegenden Verbrennungsmotors angepasst werden, beispielsweise für eine Füllungsschätzung in einer Kompressionsphase 1 zwischen Einlass-, Schließ- und Zündzeitpunkt, d. h. vor Beginn von chemischer Energiefreisetzung. In gleicher weise können auch weitere Arbeitsphasen wie bspw. Ansaugen 2 und Ausschieben 4 (Exhaust) betrachtet werden, wie sie in Figur 4 kenntlich gemacht sind.

Bei Mehrzylinder-Motoren ist ein Saugrohrdruck über das Arbeitsspiel deutlich gleichmäßiger als bei 1 -Zylinder-Motoren. Der Saugrohrdruck ergibt sich aus den Strömungsbilanzen von abgesaugter Luft und nachströmender Luft über die Drosselklappe und Leckagen. Exemplarisch ist der Druck in einer Kurve 61 an einem Einlassventil eines 1 -Zylinder-Motors in Figur 6 dargestellt. Auf einer Abszisse 60 sind Winkelwerte der Kurbelwelle KW aufgetragen. Auf einer Ordinate 62 ist der Saugrohrdruck aufgetragen. Es wird ein Winkelbereich der Kurbelwelle über alle Phasen eines Arbeitsspiels betrachtet, nämlich eine Ansaugphase 1 , eine Kompressionsphase 2, eine Verbrennung 3 und eine Ausstoß- bzw. Ausschiebephase 4. Während einer Ansaugphase 1 fällt der Druck sehr stark ab. Nach Schließen des Einlassventils baut der Druck sich in einer Kompressionsphase 2 langsam über nachströmende Luft wieder auf. Die Frischluftfüllung im Zylinder hängt demnach direkt vom Saugrohrdruck ab. Es gilt:

άφ

Aus der Motorgeometrie ist der Quotient ^(ψ) ^Q^Q^ Daher kann mit dem άφ

aus Θ und der Drehzahl berechneten Moment auf einen Absolutwert des Saugrohrdrucks geschlossen werden. Änderungen des Saugrohrdrucks können dann über Änderungen der oben genannten Merkmale, Merkmal 1 bis Merkmal 4, entsprechend Formeln (2'), (3), (5) und (6) bestimmt werden.

Da in dem für die Merkmale jeweils angegebenen Kurbelwinkel-Bereich keine Verbrennung wirkt (zumindest bei einzylindrigen Motoren), korrelieren diese Merkmale mit der Füllung bzw. dem Saugrohrdruck. Je höher der Saugrohrdruck, umso mehr Arbeit muss für die Kompression geleistet werden.

Prinzipiell geht in die Drehzahl bzw. die Rotationsenergie der Kurbelwelle während einer Kompression nur der Druck im Zylinder sowie die Kalorik des verdichteten Arbeitsgases ein. Dies gilt zumindest gemäß der Verdichtungsarbeit für eine vereinfachend als adiabatisch angenommene Zustandsänderung.

Für eine Füllungsschätzung, also eine Schätzung der Luftmasse in einem Zylinder, ist ferner auch die Temperatur der angesaugten Frischluft relevant, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht explizit aus der Drehzahl gewonnen werden kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die rein aus der Drehzahl gewonnene Füllung mit einem Korrekturterm zu versehen, damit Effekte aus der Temperatur der angesammelten Frischluft berücksichtigt werden können.

Für Korrekturen bzw. für den Korrekturterm gibt es nun verschiedene Möglichkeiten: 1 . Korrekturterm basiert auf einem Temperatursensor im Einlasskanal.

2. Korrekturterm wird aus einem Lambdasignal berechnet. Ausgenutzt wird dabei die Tatsache, dass sich die Einlasstemperatur nur langsam ändert.

Prinzipbedingt werden Fehler in der Einspritzung dann auch eingelernt, weshalb die Korrektur zumindest in Abhängigkeit der Last erfolgen muss.

3. Korrekturterm basiert auf dem Verlauf des aus der Drehzahl berechneten Momentes während einer Kompression unter Zuhilfenahme einer modellierten Verdichtungsarbeit.

4. Korrekturterm basiert auf der Motortemperatur und einer mittleren Drehzahl.

5. Korrekturterm wird aus einer Variation von Einspritzmenge bei konstanter Drehzahl und DK-Stellung unter Berücksichtigung des MWF-Merkmals der Verbrennung (d. h. y = 0°kW, x « 96° kWn ZOT) bestimmt. Dabei wird wiederum berücksichtigt, dass sich die Einlasstemperatur und somit auch der darauf aufbauende einlasstemperaturabhängige Korrekturterm nur langsam ändern kann.

6. Korrekturterm aus vom Last-Drehzahlkollektiv abhängigen Aufheizverhalten.

Da die Kompressionsarbeit bei gegebener Luftmasse (Füllung) auch von der Kalorik des Arbeitsgases (Adiabatenexponent Kappa) abhängt und diese sich mit der Kraftstoffkonzentration ändert (Kappa sinkt mit steigender Kraftstoffkonzentration), ist eine weitere Korrektur auf Basis von Kraftstoffmenge, welche näherungsweise aus Vorsteuerung bekannt ist, und/oder auf Basis eines

Lambdasondensignals notwendig. Darüber hinaus ist die Drehzahl- oder Rotationsenergieänderung im Kompressionstakt bzw. in der Kompressionsphase nicht nur eine Funktion der Kompressionsarbeit, sondern wird, analog zum Verbrennungstakt, von der alle vier Arbeitstakte überlagernden Abbremsung infolge der äußeren Motorlast beeinflusst. Zur genaueren Korrelation von Füllung, welche bereits temperaturkorrigiert und kraftstoffkonzentrationskorrigiert ist, und Rotationsenergieänderung während eines Kompressionstaktes ist also eine zusätzliche Korrektur in Abhängigkeit der mittleren Motorlast, Drehzahl, d.h. dem mittleren Fahrwiderstand notwendig.