Zylinderdruck-basierte Modellierung des Start-Warmlaufverhaltens von Ottomotoren

Grajewski, Volker

Während der Start- und Warmlaufphase wird ein Großteil der testrelevanten Kohlen- wasserstoff-Emissionen verursacht. Der Grund hierfür liegt in der unbefriedigenden Kraftstoffverdampfung und in der schlechten Gemischbildung, da nur die niedrigsiedenden Bestandteile des Kraftstoffs beim Kaltstart verdampfen und an der Verbrennung teilnehmen können. Da die Information über das Kraftstoff-Luftverhältnis auf Grund der noch nicht betriebsbereiten Lambda-Sonde erst während der Warmlaufphase verfügbar ist, kann die Kraftstoffdosierung nicht immer optimal erfolgen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, den ottomotorischen Kaltstart sowie die anschließende Warmlaufphase mit Hilfe von Zylinderdruckinformationen zu analysieren und die Kohlenwasserstoff-Emissionen zu minimieren. Da starke Temperaturgradienten einen maßgeblichen Einfluss auf die Signalqualität der Messgröße haben, wird ein Thermoschockmodell entwickelt, das die störenden Effekte modelliert und in „Echtzeit“ kompensieren kann. Kaltstartuntersuchungen an einem saugrohreinspritzenden Ottomotor zeigen, dass Verbrennungsaussetzer mit Hilfe der Zylinderdruckinformationen erkannt werden können. Größen aus dem Heizverlauf liefern bei dem Versuchsmotor hingegen kein eindeutiges Kriterium für eine zyklusindividuelle Klassifikation der Gemischbildung. Für die Optimierung der Warmlaufphase wird mit Hilfe der Zylinderdruckinformation ein Verbrennungskennwert als Maß für die Kraftstoffumsetzung berechnet und mit dessen Hilfe ein mittleres Lambdasignal modelliert. Ein zweites Verfahren ist robust gegenüber Änderungen der Kraftstoffqualität. Hierbei identifiziert ein onlinefähiger, rekursiver Modellschätzer die Lambdaeffizienz der Verbrennung und ermöglicht eine Aussage über das Luft-Kraftstoffverhältnis ohne Modelladaption. Ein dritter Ansatz berechnet mit Hilfe von Zylinderdruckinformationen einen Modellwert für die HC-Konzentration der Verbrennung. Mit Hilfe des Modells wird eine Magerlaufregelung realisiert.

Most of the hydrocarbon emissions during FTP cycle testing are generated during cold starting and warm-up. They are caused by inadequate fuel evaporation and poor fuel mixture generation: only the low-boiling components of the fuel evaporate and can participate in combustion during cold starting. Because the oxygen sensor is not operational at this point in time, no air/fuel ratio information is available before the warm-up phase. This means that fuel metering can not yet be optimised at this point. This paper describes the thermodynamic analysis of cold starting and subsequent warm- up of an combustion engine based on cylinder pressure with the aim of optimising hydrocarbon emissions. A thermal shock model was developed to model and provide real-time compensation for the unwanted effects that adiabatic gradients have on the signal quality of the measured variable. Cold-start tests with a spark ignition engine with multipoint injection have shown that misfiring can be identified from the cylinder pressure information. Variables derived from the net heat release rate did not provide definitive criteria for a cycle individual classification of the mixture formation with the test engine. To optimise the warm-up phase, a combustion characteristic was calculated from the cylinder pressure information as a measure for the transformation of the fuel mixture. Because a functional relationship exists between the combustion characteristic and the air/fuel ratio, these values were used to model a mean oxygen signal based on cylinder pressure data. The second method is insensitive to changes in fuel quality. A recursive model estimator identifies the lambda efficiency of combustion and provides information about the air/fuel ratio without the need for model adaptation. In the third modelling approach, the cylinder pressure information is used to calculate a model value for the hydrocarbon concentration of combustion. This model was used to implement a lean limit control.

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Grajewski, Volker: Zylinderdruck-basierte Modellierung des Start-Warmlaufverhaltens von Ottomotoren. 2006.

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