DE-102020130369-B4 - System und Verfahren zur Wärmeflussberechnung in einem physikalisch basierten Kolbentemperaturmodell

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Abstract

Ein Verfahren (100) zum Bereitstellen einer Echtzeitberechnung des Wärmeflusses in einem Motor (10), der einen Motorblock mit einem Zylinder (14) und einer Wand, die den Zylinder (14) umgibt, aufweist, wobei ein Kolben in dem Zylinder (14) angeordnet und relativ zu der Wand des Zylinders (14) in Erwiderung auf den Zeitpunkt der Verbrennung in einer Verbrennungskammer innerhalb des Zylinders (14) beweglich ist, und der Kolben (28) über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Temperatur der Verbrennung im Inneren des Zylinders (14); Bestimmen einer durchschnittlichen Temperatur der Zylinderwand; Bestimmen einer Oberfläche der Zylinderwand auf der Grundlage des Zeitpunkts der Verbrennung; Berechnen in Echtzeit, über eine Steuerung, eines Wärmeanteils am Kolben (28) auf der Grundlage der ermittelten Verbrennungstemperatur, der ermittelten Durchschnittstemperatur der Zylinderwand und der ermittelten Oberfläche der Zylinderwand; und Steuern eines Zustands des Motors (10) auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur des Kolbens (28), die aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben abgeleitet wird, wobei das Bestimmen der Oberfläche der Zylinderwand ferner das Bestimmen einer Verschiebung des Kolbens (28) auf der Grundlage einer Winkelposition der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt umfasst, wobei die Winkelposition definiert ist als die Winkelstellung der Kurbelwelle nach Abgabe von fünfzig Prozent der Verbrennungswärme (CA50).

Inventors

James A. Goodall
Vignesh Vivek

Assignees

GM Global Technology Operations LLC

Dates

Publication Date: 20260507
Application Date: 20201117
Priority Date: 20191223

Claims (9)

Ein Verfahren (100) zum Bereitstellen einer Echtzeitberechnung des Wärmeflusses in einem Motor (10), der einen Motorblock mit einem Zylinder (14) und einer Wand, die den Zylinder (14) umgibt, aufweist, wobei ein Kolben in dem Zylinder (14) angeordnet und relativ zu der Wand des Zylinders (14) in Erwiderung auf den Zeitpunkt der Verbrennung in einer Verbrennungskammer innerhalb des Zylinders (14) beweglich ist, und der Kolben (28) über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Temperatur der Verbrennung im Inneren des Zylinders (14); Bestimmen einer durchschnittlichen Temperatur der Zylinderwand; Bestimmen einer Oberfläche der Zylinderwand auf der Grundlage des Zeitpunkts der Verbrennung; Berechnen in Echtzeit, über eine Steuerung, eines Wärmeanteils am Kolben (28) auf der Grundlage der ermittelten Verbrennungstemperatur, der ermittelten Durchschnittstemperatur der Zylinderwand und der ermittelten Oberfläche der Zylinderwand; und Steuern eines Zustands des Motors (10) auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur des Kolbens (28), die aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben abgeleitet wird, wobei das Bestimmen der Oberfläche der Zylinderwand ferner das Bestimmen einer Verschiebung des Kolbens (28) auf der Grundlage einer Winkelposition der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt umfasst, wobei die Winkelposition definiert ist als die Winkelstellung der Kurbelwelle nach Abgabe von fünfzig Prozent der Verbrennungswärme (CA50).
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1 : ferner umfassend das Bestimmen einer oberen Oberfläche des Kolbens (28); und wobei das Berechnen des Wärmeanteils am Kolben (28) in Echtzeit auch auf der ermittelten oberen Oberfläche des Kolbens (28) basiert.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 2 , wobei das Berechnen des Wärmeanteils am Kolben (28) in Echtzeit weiterhin die kontinuierliche Aktualisierung der geschätzten Temperatur des Kolbens bei jedem nächsten Zeitschritt einschließt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 3 : ferner umfassend das Bestimmen einer Gesamtkonvektionsrate der verbrannten Gaswärme; und wobei das Berechnen des Wärmeanteils zum Kolben in Echtzeit auch auf der ermittelten Gesamtkonvektionsrate der verbrannten Gaswärme basiert.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei das Steuern des Motorzustands das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer auf der Grundlage der geschätzten Temperatur des Kolbens, wie sie aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben (28) abgeleitet wird, einschließt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei das Steuern des Motorzustands das Steuern eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Brennkammer auf der Grundlage der geschätzten Temperatur des Kolbens, wie sie aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben (28) abgeleitet wird, einschließt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei das Steuern des Motorzustands das Einspritzen von Öl in den Zylinder um den Kolben (28) herum auf der Grundlage der geschätzten Temperatur des Kolbens, wie sie aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben abgeleitet wird, einschließt.
Das Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei das Berechnen des Wärmeanteils am Kolben (28) in Echtzeit weiterhin die kontinuierliche Aktualisierung der geschätzten Temperatur des Kolbens bei jedem nächsten Zeitschritt einschließt.
Ein Motorsystem für eine bewegliche Plattform; das System umfasst: einen Motor (10) mit einem Motorblock mit einem Zylinder (14) und einer Wand, die den Zylinder umgibt; eine Kurbelwelle (24), die über den Motorblock gelagert und relativ zu einer Längsachse drehbar ist; einen Kolben, der über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle (24) verbunden ist, wobei der Kolben im Zylinder (14) angeordnet und relativ zur Wand des Zylinders (14) in Erwiderung auf den Zeitpunkt der Verbrennung in einer Verbrennungskammer im Inneren des Zylinders (14) beweglich ist; und eine Steuerung, die eingerichtet ist: eine Temperatur der Verbrennung im Inneren des Zylinders (14) zu bestimmen; eine durchschnittliche Temperatur der Zylinderwand zu bestimmen; eine Oberfläche der Zylinderwand auf der Grundlage des Zeitpunkts der Verbrennung zu bestimmen; über die Steuerung in Echtzeit einen Wärmeanteil am Kolben auf der Grundlage der ermittelten Verbrennungstemperatur, der ermittelten Durchschnittstemperatur der Zylinderwand und der ermittelten Oberfläche der Zylinderwand zu berechnen; und einen Zustand des Motors (10) auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur des Kolbens (28) zu steuern, die aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben abgeleitet wird, wobei das Bestimmen der Oberfläche der Zylinderwand ferner das Bestimmen einer Verschiebung des Kolbens (28) auf der Grundlage einer Winkelposition der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt umfasst, wobei die Winkelposition definiert ist als die Winkelstellung der Kurbelwelle nach Abgabe von fünfzig Prozent der Verbrennungswärme (CA50).

Description

EINLEITUNG Es wurden verschiedene Fahrzeuge entwickelt, zu denen ein Verbrennungsmotor gehört, der ein Drehmoment erzeugt, um letztendlich die Räder anzutreiben, die die Fahrzeuge antreiben. Der Verbrennungsmotor kann einen Motorblock mit einem Zylinder und einer Wand umfassen, die zusammen eine Brennkammer definieren. Ein Kolben ist im Zylinder angeordnet und in Erwiderung auf die Verbrennung relativ zur Wand beweglich. Die Temperatur des Kolbens ändert sich in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, wie z.B. Aufwärmen usw. Im Allgemeinen wird eine Kalibriertabelle verwendet, um die Temperatur des Kolbens vorherzusagen, aber eine solche Kalibriertabelle verwendet eine Konstantentabelle, um einen Anteil der Wärme aus der Verbrennung vorherzusagen, um die Temperatur des Kolbens abzuschätzen. DE 10 2014 103 145 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, bei dem bei Erkennen eines transienten Betriebszustands Soll- und Ist-Temperaturen des Brennraums und/oder Kolbens eines Zylinders ermittelt werden. Anschließend wird die Temperaturdifferenz berechnet und die Verbrennungsbedingungen zeitabhängig angepasst, um Partikelemissionen, Abgaswerte und Verbrauch zu optimieren. DE 10 2016 203 433 A1 zeigt ein Verfahren zur Ermittlung eines Einspritzmodus zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, bei dem die Drehzahl (N) der Brennkraftmaschine und die Zylinderwandtemperatur (ZT) des Zylinders ermittelt und der Einspritzmodus abhängig von diesen Werten bestimmt wird. US 2017 / 0 123 392 A1 zeigt ein System und Verfahren zur Modellierung eines Zylindersystems eines Motors, wobei das Zylindersystem mehrere Komponenten umfasst, darunter einen Zylinder und einen darin verschieblich angeordneten Kolben. Das Verfahren beinhaltet das Bewegen des Kolbens im Zylinder, das Erfassen mindestens eines ersten Motorbetriebsparameters während des Kolbenbetriebs und das Berechnen mindestens eines zweiten Motorbetriebsparameters basierend auf dem ersten Parameter. Auf Grundlage dieser beiden Parameter werden der Wärmestrom für mindestens eine der Komponenten sowie der Betriebszylinderdruck berechnet. BESCHREIBUNG Aufgabe der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Echtzeitberechnung des Wärmeflusses bereit zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die vorliegende Offenbarung bietet ein Verfahren zur Echtzeitberechnung des Wärmeflusses in einem Motor. Der Motor umfasst einen Motorblock mit einem Zylinder und einer Wand, die den Zylinder umgibt. Der Motor umfasst auch einen Kolben, der im Zylinder angeordnet und relativ zur Zylinderwand in Reaktion auf den Zeitpunkt der Verbrennung in einer Brennkammer innerhalb des Zylinders beweglich ist. Der Kolben ist über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden. Die Temperatur der Verbrennung im Inneren des Zylinders wird bestimmt. Eine durchschnittliche Temperatur der Zylinderwand wird bestimmt. Eine Oberfläche der Zylinderwand wird auf der Grundlage des Zeitpunkts der Verbrennung bestimmt. Ein Wärmeanteil am Kolben wird in Echtzeit über eine Steuerung auf der Grundlage der ermittelten Verbrennungstemperatur, der ermittelten Durchschnittstemperatur der Zylinderwand und der ermittelten Oberfläche der Zylinderwand berechnet. Ein Zustand des Motors wird auf der Grundlage einer geschätzten Temperatur des Kolbens gesteuert, die aus der Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben abgeleitet wird. Das Verfahren umfasst optional einen oder mehrere der folgenden Punkte:Das Bestimmen einer oberen Fläche des Kolbens; Das Berechnen des Wärmeanteils am Kolben in Echtzeit basiert ebenfalls auf der ermittelten oberen Oberfläche des Kolbens; Die Echtzeitberechnung des Wärmeanteils am Kolben umfasst ferner die kontinuierliche Aktualisierung der geschätzten Temperatur des Kolbens bei jedem nächsten Zeitschritt; Das Bestimmen der Gesamtkonvektionsrate der verbrannten Gaswärme; Das Berechnen des Wärmeanteils zum Kolben in Echtzeit basiert ebenfalls auf der ermittelten Gesamtkonvektionsrate der verbrannten Gaswärme; Das Bestimmen der Oberfläche der Zylinderwand umfasst ferner das Bestimmen einer Verschiebung des Kolbens auf der Grundlage einer Winkelposition der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt; Das Bestimmen der Oberfläche der Zylinderwand umfasst ferner das Bestimmen eines Radius der Kurbelwelle und einer Länge der Pleuelstange; Das Bestimmen der Oberfläche der Zylinderwand umfasst ferner die Echtzeitberechnung der Verschiebung des Kolbens auf der Grundlage der Winkelposition der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt, des Radius der Kurbelwelle und der Länge der Pleuelstange;die Winkelstellung der Kurbelwelle nach dem oberen Totpunkt ist weiter definiert als die Winkelstellung der Kurbelwelle nach Abgabe von fünfzig Prozent der Verbrennungswärme; Das Steuern des Motorzustands umfasst die Einsp