Zylinderdruckbasierte Füllungserfassung für Verbrennungsmotoren

Abstract

In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, mit welchem die angesaugte Frischluftmasse und die Abgasrückführrate (AGR-Rate) anhand des Zylinderdrucksignals berechnet werden. Zunächst befasst sich Kapitel 2 mit den benötigten Grundlagen für das Verständnis dieser Arbeit. Dabei werden notwendige Begriffsdefinitionen und die Beschreibung des Gesamtsystems erörtert.

Da das gemessene Zylinderdrucksignal mit einem Offsetfehler behaftet ist, werden in Kapitel 3 zwei Zustandsraummodelle zur Korrektur dieses Fehlers vorgestellt. Die Berechnung des Offsetfehlers erfolgt dabei mit Hilfe eines Extended-Kalman-Filters. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren der Offsetfehlerkorrektur gehen die zwei neu entwickelten Verfahren von einem unbekannten Polytropenexponenten aus.

Beim ersten Modell zur Bestimmung von Offsetfehler und Polytropenexponenten, Abschnitt 3.2.1, wird ein Gauß-Markov-Modell für den Polytropenexponenten angenommen. Dieses Modell für den Polytropenexponenten wird in Abschnitt 3.2.2 um einen Markov-Prozess zweiter Ordnung erweitert. Das Extended-Kalman-Filter, welches diesen Markov-2-Prozess nutzt, zeigt deutliche Vorteile in der Genauigkeit der Schätzung im Vergleich zu bestehenden Verfahren. Ein Vergleich erfolgt anhand von umfangreichen Prüfstandsmessungen.

Das vom Offsetfehler korrigierte Zylinderdrucksignal wird in den Kapiteln 4 und 5 zur Bestimmung von Abgasrückführrate und Gesamtmasse im Zylinder benutzt. Der Polytropenexponent wird für die im Abschnitt 2.5.5 beschriebene Schätzung des Heizverlaufs benötigt.

Das Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Abgasrückführung auf den Heizverlauf. Es stellten sich 3 Merkmale des Heizverlaufes heraus, die eine besonders gute Abhängigkeit mit der AGR-Rate zeigen: · der Brennverzug · die Rate der Vormischverbrennung · die Rate der Diffusionsverbrennung Mit Hilfe der gefundenen Merkmale und gemessener AGR-Variationen erfolgte die empirische Beschreibung eines Zustandsraummodells. Das so entstehende Beobachtungsproblem wird anschließend mit einem Extended-Kalman-Filter gelöst.

Mit der gezeigten Methodik ist es möglich, im stationären Betrieb die Abgasrückführrate mit einer absoluten Abweichung von 4 % gegenüber der in Anhang B.2 beschriebenen Referenz zu berechnen. Als nachteilig zeigt sich bei dem Verfahren allerdings, dass Streuungen von Zyklus zu Zyklus in der Schätzung der Abgasrückführrate auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht in dem empirischen Charakter des Modells. Dadurch ist die Übertragbarkeit des Modells zu einem anders applizierten Motor schwierig.

Um einen Ansatz zu erhalten, welcher möglichst unabhängig von der Applikation eines verwendeten Motors ist, wird in Kapitel 5 ein weitgehend physikalisch motivierter Ansatz gewählt, der sich hauptsächlich auf Zylinderdruckwerte vor und nach der Verbrennung stützt.

In Kapitel 5 wird ein thermodynamischer Ansatz zur Bestimmung der externen Abgasrückführrate und der angesaugten Frischluftmasse auf Basis des Zylinderdrucksignals beschrieben. Es stellte sich heraus, dass es sinnvoll ist, den Brennraum bei geschlossenen Einlass- und Auslassventilen und einen zusätzlichen Teil des Luftpfades zu modellieren. Das entwickelte Modell bezieht sich somit auf Zustandsgrößen im Brennraum und auf Größen im Luftpfad. Die Modellierung der Zylinderfüllung im Brennraum erfolgte, um die externe AGR-Rate zu bestimmen. Zur Berechnung der Brennraumtemperatur und der Ansaugmasse wurde die Strecke der Abgasrückführung modelliert. Die Bestimmung der AGR-Rate und der Ansaugmasse findet in einem iterativen Algorithmus statt.

Die AGR-Rate kann anhand der beschriebenen Methode mit einer absoluten Abweichung von 4 % im Vergleich zur Referenz aus Anhang B.2 berechnet werden. Dies entspricht ungefähr der Schätzgenauigkeit des empirischen Ansatzes aus Kapitel 4. Bei der Übertragung dieser Ansätze auf verschiedene Motoren zeigt die thermodynamische Methode einige Vorteile. Zudem können mit dem in Kapitel 5 beschriebenen Verfahren die AGR-Rate und zusätzlich die angesaugte Frischluftmasse im gesamten Kennfeld des verwendeten Motors bestimmt werden. Die Schätzgenauigkeit des physikalischen Ansatzes liegt im Toleranzbereich gebräuchlicher Luftmassenmesser. Die Anwendung des physikalisch basierten Modells hat ein deutliches Potenzial zur Substitution des Heißfilmluftmassenmessers. Der besondere Vorteil des Ansatzes ist – neben der geringen Rechenzeit – die gute Übertragbarkeit des Ansatzes auf verschiedene Motoren.

Alle in dieser Arbeit entwickelten Verfahren konnten sowohl an stationären Prüfstandsdaten als auch im instationären Fahrzeugbetrieb auf einer Daimler-spezifischen Rapid-Prototyping-Plattform validiert werden.