DE10135954A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Schichtlademotors mit Direkteinspritzung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Schichtlademotors mit Direkteinspritzung

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellbasierten Ermittlung von Betriebsparametern sowie zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (10) mit Schichtladebetrieb und Direkteinspritzung (DISC-Motor), welcher eine periodisch zu reinigende Magerbetrieb-NO¶x¶-Falle (20) aufweist. Im Rahmen des Verfahrens werden aus einer Vielzahl von Betriebsparametern des Motors als Eingangsgrößen Werte für das Drehmoment des Motors, die Feedgas-Emissionen und die Abgastemperatur erzeugt. Jeder dieser Ausgangswerte wird jeweils auf der Basis eines Hybridmodells für DISC-Motoren ermittelt, welches ein Modell für das Motordrehmoment, ein Feedgas-Emissions-Modell und ein Abgastemperaturmodell beinhaltet. Das Feedgas-Emissions-Modell und das Abgastemperaturmodell beinhalten wiederum Untermodelle zur Erzeugung von Ausgangswerten, abhängig davon, ob der Motor (10) im Schichtlademodus oder im homogenen Modus betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Motorparametermodell sowie die Steuerung eines Motors. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur modellbasierten Ermittlung von Betriebsparametern für einen Motor mit Schichtladebetrieb und Direkteinspritzung (DISC-Motor, DISC = direct injection stratified charge) sowie eine entsprechende Steuerungsanord­ nung.
Mit der DISC-Benzinmotortechnik kann die Kraftstoffeffizienz durch Einsatz der Schichtverbrennung verbessert werden, bei der eine Verbrennung mit Ladungsschichtung in der Brennkam­ mer erfolgt, wodurch die Magerverbrennungsgrenze (lean burn limit) deutlich ausdehnt werden kann und Pumpverluste im Mo­ tor reduziert werden. Verglichen mit einem herkömmlichen Benzinmotor mit Einlasskanaleinspritzung (port fuel injec­ tion = PFI) ist ein DISC-Motor bezüglich seines Aufbaus und seiner Arbeitsweise wesentlich komplexer. Ähnlich einem PFI- Motor weist ein DISC-Motor ein Ansaugrohr, Verbrennungskam­ mern sowie eine Abgasanlage auf. Die Gestaltung und Konfigu­ ration eines DISC-Motors weist jedoch in einigen wichtigen Aspekten Unterschiede gegenüber einem PFI-Motor auf. Zum ei­ nen ist die Anordnung der Einspritzvorrichtungen unter­ schiedlich, d. h. in einem DISC-Motor wird der Kraftstoff di­ rekt in den Zylinder eingespritzt - im Gegensatz zu einer Einlassöffnung bei einem PFI-Motor. Weiterhin ist die Kraft­ stoff-Zuführeinrichtung unterschiedlich ausgebildet. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der DISC-Technologie ist eine Hochdruck-Kraftstoffzuführeinrichtung, die bei einem Druck betrieben wird, der 10- bis 15-fach höher als der einer PFI- Kraftstoff-Zuführeinrichtung ist. Die Konfiguration der Ver­ brennungskammer von DISC-Motoren beinhaltet ferner nicht ab­ geflachte Kolbendeckel, die derart gestaltete Vertiefungen aufweisen, dass eine Ladungsschichtung sichergestellt wird. Bei der Abgasbehandlungsanordnung eines DISC-Motors ist üb­ licherweise eine Kombination zwischen einem Dreiwegekataly­ sator und einer Magerbetrieb-NOx-Falle (lean NOx trap = LNT) erforderlich, um die Abgasnormen zu erfüllen.
Durch die besondere Gestaltung des Kolbens, durch die Hoch­ druck-Kraftstoffzuführeinrichtung und durch eine genaue Ein­ stellung des Einspritzzeitpunktes im Bezug zu anderen Motor­ betriebsereignissen kann ein DISC-Motor in zwei unterschied­ lichen Betriebsarten betrieben werden. Wenn im Verlauf des Ansaugtaktes früh eingespritzt wird, so verbleibt genug Zeit zum Mischen von Luft und Kraftstoff, um eine homogene Ladung bis zum Zeitpunkt des Zündvorganges herzustellen. Wird dage­ gen erst spät im Verlauf des Verdichtungstaktes einge­ spritzt, führt die besondere Gestaltung der Verbrennungskam­ mer und die Kolbenbewegung zur Bildung eines Schichtladungs­ gemisches. Das Gemisch ist in diesem Fall überall sehr ma­ ger, bis auf einen Bereich um die Zündkerze herum, wo das Gemisch angereichert bzw. fett ist. In einem typischen DISC- Motor kann ein geeignet positioniertes Verwirbelungs-Re­ gulierventil bzw. eine Drallklappe (swirl control valve) da­ zu beitragen, in dem einen Modus die Ladungsschichtung zu beschleunigen bzw. zu verbessern und in dem anderen Modus eine gute Durchmischung sicherzustellen.
Die Charakteristika dieser beiden Modi bezüglich Drehmoment und Emission sind so verschieden, dass unterschiedliche Vor­ gehensweisen erforderlich sind, um die Motorleistung in die­ sen unterschiedlichen Betriebsarten zu optimieren. Darüber hinaus sind zusätzlich zu den Standardvariablen der Motor­ steuerung - wie Drosselung, Kraftstoffzufuhrrate, Zündungs­ einstellung und Abgasrückführung (exhaust gas recirculation = EGR) - zusätzliche Eingangsgrößen wie der Einspritzzeit­ punkt, der Druck im Kraftstoffverteiler und die Einstellung der Drallklappe zu berücksichtigen. Wie andere Motoren mit Magerverbrennungstechnik benötigen DISC-Motoren ferner spe­ zielle Abgasbehandlungseinrichtungen, um die Emissionsbe­ stimmungen erfüllen zu können. Eine Magerbetrieb-NOx-Falle (lean NOx trap = LNT), die üblicherweise für die NOx-Reduktion bei Magerverbrennungsmotoren eingesetzt wird, hat beispiels­ weise ein nur schmales Temperaturfenster und erfordert eine strenge Kontrolle des Luft/Kraftstoffverhältnisses. Die NOx- Falle muss weiterhin periodisch gereinigt bzw. regeneriert werden, um die Abscheidungskapazität wiederherzustellen und die Effizienz der NOx-Falle aufrechtzuerhalten. Bei einem im Schichtmodus betriebenen DISC-Motor ist es üblicherweise er­ forderlich, dass die LNT durch einen Betrieb bei geringer Stöchiometrie für 2 bis 3 Sekunden in Intervallen von ca. 50 Sekunden regeneriert wird. Während dieser Regeneration ist es wichtig, sowohl das Drehmoment des Motors als auch die Arbeitstemperatur des LNT zu regeln, um die Fahreigenschaf­ ten und die Effizienz der Anlage zu erhalten.
Die erhöhte Komplexität der Anlage in Verbindung mit stren­ geren Anforderungen an die Kraftstoffökonomie und Emissionen machen den DISC-Motor zu einer regelintensiven Technologie, bei der es besonders von der Steuerung abhängt, ob die er­ warteten Vorteile erzielt werden. Durch die Vielzahl der Steuereingangsgrößen und Leistungskennzahlen - wie Kraft­ stoffverbrauch, Emissions- und anderen Messwerten des Fahr­ betriebs - hängt die Entwicklung des Steuerungsablaufes und dessen Optimierung besonders von modellbasierten Ansätzen und computergestützten Werkzeugen zur Steuerungsgestaltung ab. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Modellstruktur für einen DISC-Motor, welche sowohl die homogene Betriebs­ weise als auch den Schichtladebetrieb umfasst.
Zusätzlich muss die Steuerungsanlage des Motors den vorste­ hend beschriebenen Reinigungszyklus der LNT regeln, ohne merkliche Störungen des Drehmoments des Fahrzeugs zu verur­ sachen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Verfahren zur Modellierung und Steuerung eines Verbrennungsmotors mit Schichtladebetrieb und Di­ rekteinspritzung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Modellierung und Steuerung eines DISC-Motors gelöst, welcher mit einer Magerbetrieb-NOx-Falle gekoppelt ist, die peri­ odisch gereinigt bzw. regeneriert wird. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Abfrage einer Vielzahl von Be­ triebsparametern des Motors als Eingangsgrößen und Erzeugung der jeweils indizierten bzw. angezeigten Werte für das Drehmoment des Motors, die Feedgas-Emissionen (feedgas emis­ sion) und die Abgastemperatur. Jeder dieser Ausgangswerte wird mittels eines Hybridmodells für DISC-Motoren erzeugt, welches Modelle für das Motordrehmoment, ein Feedgas- Emissions-Modell und ein Abgastemperaturmodell aufweist. Das Feedgas-Emissions-Modell und das Abgastemperaturmodell bein­ halten wiederum Untermodelle zur Erzeugung von Ausgangswer­ ten als Funktion entweder des Schichtladebetriebs oder der homogenen Betriebsweise des Motors.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer DISC-Motoranlage, bei der die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann; und
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines DISC-Motormodells gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung.
In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer DISG-Motoranlage dar­ gestellt. Die DISC-Motoranlage beinhaltet den Motor 10 mit einer Vielzahl von Zylindern, von denen in Fig. 1 lediglich ein Zylinder dargestellt ist. Der Motor 10 wird durch die elektronische Motorsteuerung 12 eingestellt. Die Motorsteue­ rung 12 steuert die Einstellung und Qualität des Luft/Kraft­ stoffgemisches, die Zündung, die Abgasrückführung (EGR) usw. als Funktion der Ausgangswerte der Sensoren, beispielsweise der Ausgangswerte eines Abgassauerstoffsensors 16 oder eines Abgassauerstoffproportionalsensors 24. Der Motor 10 weist ferner gemäß Fig. 1 eine Verbrennungskammer 30 und Zylin­ derwände 32 auf, innerhalb derer ein Kolben 36 angeordnet ist, welcher mit einer Kurbelwelle 40 verbunden ist. Die Verbrennungskammer 30 ist mit einem Ansaugrohr 44 und einem Auslasskrümmer 48 jeweils über das Einlass- bzw. Ansaugven­ til 52 und das Auslass- bzw. Abgasventil 54 verbunden. Das Ansaugrohr 44 steht über eine Drosselklappe 62 mit einem Drosselgehäuse 58 in Verbindung. Die Drosselklappe 62 wird vorzugsweise elektronisch durch einen Antriebsmotor 61 ein­ gestellt. Die Verbrennungskammer 30 steht weiterhin mit ei­ ner Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 66 zur Liefe­ rung von Kraftstoff abhängig von der Pulsdauer des Signals FPW aus der Steuerung 12 in Verbindung. Der Kraftstoff wird durch eine Kraftstoffanlage (nicht dargestellt) an die Ein­ spritzvorrichtung 66 abgegeben. Die Kraftstoffanlage umfasst einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Hoch­ druck-Kraftstoffleitung.
Eine Zündanlage 88 erzeugt in Abhängigkeit von der Steue­ rung 12 einen Zündfunken in der Verbrennungskammer 30 mit­ tels einer Zündkerze 92.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Steuerung 12 als konven­ tioneller Mikrocomputer ausgebildet, welcher aus einer Mi­ kroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Ports (in­ put/output ports) 104, ROM (Read-Only-Memory) 106, RAM (Ran­ dom-Access-Memory) 108 sowie einem herkömmlichen Datenbus besteht. Zusätzlich zu den bereits diskutierten Signalen er­ hält die Steuerung 12 verschiedene Signale von mit dem Mo­ tor 10 verbundenen Sensoren. Hierbei handelt es sich um Mes­ sungen des Einlassluftmassenstroms (mass airflow = MAF) mit­ tels eines mit dem Drosselgehäuse 58 gekoppelten Luftmassen­ stromsensors 110, der Motorkühlmitteltemperatur (engine coo­ lant temperature = ECT) mittels eines mit dem Kühlrohr 114 gekoppelten Temperatursensors 112, des Einlassdrucks (mani­ fold pressure MAP) durch einen mit dem Ansaugrohr 44 ge­ koppelten Rohrsensor 116 und eines Zündprofilsignals (profi­ le ignition pickup signal = PIP) von einem Hall-Effekt- Sensor 118, der mit der Kurbelwelle 40 gekoppelt ist.
Die DISC-Motoranlage gemäß Fig. 1 weist weiterhin eine Lei­ tung 80 auf, durch die der Auslasskrümmer 48 mit dem Ansaug­ rohr 44 zwecks Abgasrückführung (exhaust gas recirculation = EGR) verbindbar ist. Die Abgasrückführung wird durch ein EGR-Ventil 81 in Abhängigkeit von einem EGR-Signal der Steuerung 12 geregelt.
Die DISC-Motoranlage gemäß Fig. 1 weist weiterhin eine Ab­ gasnachbehandlungsanlage 20 auf, welche einen Dreiwegekata­ lysator (three-way catalyst = TWC) und eine Magerbetrieb-NOx- Falle (lean NOx trap = LNT) beinhaltet.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Modells für DISC- Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Modell gemäß Fig. 2 weist u. a. folgende Blöcke auf: Block 200 betreffend ein elektronisches Drosselmodell, Block 202 betreffend ein Ansaugrohrmodell, Block 204 betreffend die Pumpdynamik des Motors, Block 206 betreffend die EGR-Anlage, Block 208 be­ treffend die Luftlaufzeit (air path delay), Block 210 be­ treffend die Kraftstoffweg-Dynamik (fuel path dynamics) so­ wie Block 212 betreffend ein Modell für die Motorträgheit und Rotationsdynamik. Das Hybridmodell für DISC-Motoren ge­ mäß Fig. 2 weist weiterhin ein Modell für die Drehmomenter­ zeugung 214 auf, durch welches das jeweils indizierte bzw. angezeigte Drehmoment, ein Bremsmoment, ein Pumpverlust so­ wie ein Reibungsmoment der mechanischen Reibung basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors vorhergesagt werden. Das Hybridmodell für DISC-Motoren weist weiterhin ein Modell für die Feedgas-Emissionen 216 auf, durch welches die Fluss­ raten der HC-, CO- und NOx Emissionen vorhergesagt werden.
Aufgrund der unterschiedlichen Betriebscharakteristiken für Schichtladebetrieb und homogenen DISC-Motorbetrieb werden getrennte Funktionen verwendet, um das Motorverhalten in diesen verschiedenen Betriebszuständen darzustellen. Dieses Merkmal erfüllt das in Fig. 2 gezeigte Hybridmodell bzw. gemischte Modell in dem Sinne, dass die meisten Bestandteile durch zwei kontinuierlich variable Untermodelle sowie einen unstetigen Schaltmechanismus charakterisiert werden. Dabei wählt der Schaltmechanismus eines der beiden Untermodelle entsprechend der Einspritzeinstellung bzw. des Einspritz­ zeitpunktes aus. Ausnahmen sind das elektronische Drosselmo­ dell 200 und das Ansaugrohrmodell 202, bei denen ein einzi­ ges Modell beide Betriebszustände abdeckt, da das Verhalten dieser Bestandteile nicht durch die Einspritzeinstellung be­ einflusst wird. Die genaue Darstellung dieser Untermodelle durch Funktionen wird nachfolgend beschrieben.
Das Ansaugrohr-Modell 202 beruht zunächst auf dem Gesetz für ideale Gase unter der Annahme isothermer Bedingungen im An­ saugrohr:
wobei Ki von dem Volumen des Ansaugrohrs und der Temperatur abhängt, Wa und Wegr jeweils die Massenstromraten durch das Drosselgehäuse und das EGR-Ventil darstellen, und Wcyl der Mittelwert der in die Zylindern innerhalb eines Motorzyklus einströmenden Ladung ist. Die Flüsse durch das Drosselgehäu­ se 200 und das EGR-Ventil 206 werden durch eine Standard-Öff­ nungsgleichung (standard orifice equation) dargestellt:
wobei Ath und Aegr jeweils die effektiven Flussflächen für den Drosselkörper und das EGR-Ventil, Pi, Pe und Pamb die Ansaug­ rohr-, Auslasskrümmer- und Umgebungsdrücke sowie Tamb und Te die Umgebungs- und Abgastemperaturen darstellen. Die Funkti­ on ϕ stellt die Effekte des Druckverhältnisses über dem Ven­ til beim Fluss durch das Ventil dar:
wobei y das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten ist.
Grundsätzlich ist die Menge der bei einem Ansaugereignis in einen Zylinder eingelassenen Ladung (120 Wcyl/(nN), wobei n die Anzahl der Zylinder ist) proportional zum Druck im An­ saugrohr. Andere Variablen, wie die Motordrehzahl (N) und die Ansaugrohrtemperatur (Ti), beeinflussen ebenfalls die Pumpleistung und die volumetrische Effizienz. Basierend auf Auswertungen von aufgezeichneten Motorendaten für viele ver­ schiedene Motoren, einschließlich DISC-Motoren, wurde die folgende statische Regressionsgleichung verwendet, um die Pumprate des Motors darzustellen:
Wcyl = (f0 1 + f1 1N + f2 1Ti + f3 1P, + f4 1NPi + f5 1TiPi)N (4)
wobei fi 1, i = 0, . . ., 5 Koeffizienten sind, welche durch Re­ gression der Testdaten mittels der Methode der kleinsten Quadrate oder anderer Kurvenfittingtechniken ermittelt wer­ den. Die Ansaugrohrtemperatur hängt von dem Luftmassenfluss und der Abgasrückführung (EGR) wie folgt ab:
Ti = f0 2 + f1 2E + f2 2Wa + f3 2E2 + f4 2EWaf2 5Wa 2 (5)
wobei E der Massen-Prozentanteil der Abgasrückführung ist.
Die volumetrische Effizienz des Motors kann dann wie folgt berechnet werden:
wobei ρa,i entweder die Luftdichte in der Umgebung oder im An­ saugrohr und Vd das Verdrängungsvolumen des Motors ist.
Der Unterschied in der volumetrischen Effizienz zwischen ho­ mogenem und Schichtladebetrieb resultiert aus der Tatsache, dass der Motor in unterschiedlichen Ladedruck-Betriebszu­ ständen arbeitet. Der Betrieb mit Ladungsschichtung führt zu einem höheren Ladedruck und somit zu höherer Pumpeffizienz. Ansonsten ist die funktionale Abhängigkeit der volumetri­ schen Effizienz von den Eingangsgrößen P und N für die un­ terschiedliche Modi ähnlich.
Im folgenden werden die Modelle für die Rotationsdynamik und Drehmomenterzeugung des Motors beschrieben, welche in Fig. 2 durch den Trägheitsblock 212 und den Block für das Drehmoment des Motors 214 angedeutet sind.
Bei gegebenem mittleren Massenträgheitsmoment des Motors Je, welches die Kurbelwelle und das Schwungrad einschließt, folgt die Rotationsdynamik des Motors der folgenden Glei­ chung:
wobei Tb und Tl jeweils das Brems- und Lademoment des Motors darstellen. Das Bremsmoment des Motors, Tb, ist das Net­ todrehmoment, welches an der Kurbelwelle verfügbar ist, um den Rest des Antriebsstranges anzutreiben. Das Bremsmoment kann in drei Terme zerlegt werden:
Tb = Ti - Tmf - Tp (8)
wobei Ti das angezeigte bzw. indizierte Drehmoment, d. h. eine Messung des gesamten durch die Verbrennung des Kraftstoffes auf den Kolben wirkenden Drehmomentes, Tmf das Reibungsmoment zur Überwindung des Widerstands aufgrund der sich bewegenden Teile sowie Tp das Drehmoment darstellt, welches die Pumpar­ beit während der Ansaug- und Ausstoßtakte leistet.
Der Pumpverlust 204 des Motors steht in Beziehung zum durch­ schnittlichen effektiven Pumpdruck (pumping mean effective pressure = pmep):
Im allgemeinen wird pmep aus einem pV-Diagramm berechnet und ist eine Funktion sowohl der Motordrehzahl als auch der Drücke im Ansaugrohr und im Auslasskrümmer. In einfacher Form lassen sich pmep und die mechanische Reibung wie folgt darstellen:
pmep = f0 p + f1 pPi + f2 pN + f3 pPiN + f4 pN2 (10)
Tmf = f0 m + f1 mPi + f2 mN + f3 mNPi + f4 mN2 (11)
Leistungsprüfstand-Testdaten von pmep und Tmf in Abhängigkeit vom Druck im Ansaugrohr haben ergeben, dass bei ansteigendem Pi die Pumparbeit pmep reduziert wird. Der Betrieb im Schichtlademodus führt grundsätzlich zu einem höheren Druck im Ansaugrohr. Dieser Betrieb bei höherem Pi ist verantwort­ lich für die Reduzierung von pmep und bewirkt mehr als die Hälfte der Verbesserung der Kraftstoffökonomie bei DISC- Motoren im Vergleich zu einem PFI-Motor.
Das Modell für das Drehmoment des Motors 214 kann wie folgt dargestellt werden:
Ti = (at + bt(δ - δMBT)2)Wf (12)
wobei Wf die Rate der Kraftstoffzuführung (in g/s) ist, (δ-δMBT) die Abweichung der Zündungseinstellung von ihrer op­ timalen Einstellung beschreibt, und at, bt die Koeffizienten für das Drehmomentmodell sind, welches nachfolgend näher er­ läutert wird.
Bei vorgegebenen Betriebsbedingungen existiert eine optimale Zündungseinstellung (δMBT), welche das maximale Bremsmoment (maximum brake torque = MBT) und somit die beste Kraftstoff­ ökonomie ergibt. Die Einstellung von Bremsmoment und Zündung (MBT spark timing) hängt von Betriebsvariablen des Motors, wie beispielsweise der Motordrehzahl, der Last bzw. Bela­ stung, dem Luft/Kraftstoffverhältnis, der Abgasrückführung EGR und der Einspritzeinstellung ab. δMBT wird in der Drehmo­ mentgleichung dazu benutzt, die Einflüsse der Zündungsein­ stellung auf das Drehmoment des Motors zu normalisieren. Das Modell für δMBT ergibt sich entweder aus einer Kurvenanpassung der δMBT-Zündungseinstellungsdaten in Termen von N, Pi, r, E oder aus einer Regression des Drehmoments des Motors als Funktion von N, Pi, r, E, δ und anschließender analytischer Suche nach der Zündungseinstellung, die dem maximalen Dreh­ moment entspricht (setze dTb/dδ = 0 und löse nach δ auf). Die Koeffizienten in der Drehmomentgleichung at, bt hängen ebenfalls von den Betriebsvariablen des Motors ab. Sie wer­ den durch die folgenden Funktionen dargestellt:
wobei rc, Fr das äquivalente Luft/Kraftstoffverhältnis im Zy­ linder ist, wobei der überschüssige Sauerstoff im rückge­ führten Abgas während des Magerbetriebs mit eingerechnet ist, und wobei Fr den verbrannten Gasanteil darstellt. Die Terme rc und Fr sind jeweils definiert als die Verhältnisse der Luftladung zum Kraftstoff bzw. des verbrannten Gases zur Luftladung. Im stationären Zustand werden diese Terme aus dem gemessenen Verhältnis von Abgasluft zu Kraftstoff (r) und dem EGR-Prozentsatz (E) wie folgt berechnet:
mit rs als stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis.
Die Koeffizienten in den Gleichungen (13) und (14) sind von der Zündungseinstellung abhängig. Minimal werden zwei Sätze von Parametern verwendet, um jeweils den homogenen und den Schichtladungsbetrieb darzustellen. Gemäß dem Drehmomentmo­ dell des Motors (12)-(14) kann die Strategie zur Drehmo­ mentsteuerung durch Umstellung der Gleichungen entwickelt werden. Dabei ist zu beachten, dass rc = Wacyl/Wf ist, wobei Wacyl die gesamte Luftladung innerhalb des Zylinders ist. Das Drehmoment des Motors kann wie folgt ausgedrückt werden:
Ti = a0Wacyl + a1(N)Wf + (b0Wacyl) + b1(N1Fr)Wf)(δ - δMBT)2 (16)
mit:
Die benötigte Kraftstoffzufuhrrate (Wf) und die Zündungsein­ stellung (δ) können zu jedem Zeitpunkt aus der Gleichung (16) ermittelt werden, um das geforderte Drehmoment zu er­ halten, vorausgesetzt, dass die geschätzte Luftladung Wacyl und der verbrannte Gasanteil Fr in Übereinstimmung mit den Ausgangswerten der Modelle aktualisiert werden.
Das Modell für die HC-, CO- und NOx-Feedgas-Emissionser­ zeugung 216 ist für DISC-Motoren kompliziert, weil die Ver­ brennung während des Schichtladebetriebes innerhalb des Zy­ linders mit räumlich unterschiedlich verteilten Luft/Kraft­ stoffverhältnissen erfolgt. Grundsätzlich sind die Emissi­ onseigenschaften eines DISC-Motors weniger stabil und können durch viele Faktoren beeinflusst werden, welche normalerwei­ se in einem typischen phänomenologischen Modell nicht be­ rücksichtigt werden. Derartige Faktoren sind beispielsweise die Ladungsbewegung, der Zylinder, die Kraftstoffdurchdrin­ gung, der augenblickliche Druck innerhalb des Zylinders u. a.
Aufgrund der grundsätzlichen Probleme bei der Vorhersage der Emissionen von Verbrennungsmotoren und insbesondere der ge­ ringen Reproduzierbarkeit der Schichtladungsverbrennung bei DISC-Motoren konzentriert sich das Emissionsmodell der vor­ liegenden Erfindung auf die Abschätzung eines qualitativen Trends, um die Änderung des Emissionsverhaltens als Reaktion auf die Änderungen der Eingangsgrößen vorherzusagen. Folgen­ de Funktionen werden herangezogen, um die Leistungsprüf­ standsdaten zu regressieren:
wobei Wf die Rate der Kraftstoffzuführung ist (homogenous = homogen, stratified = Ladungsschichtung). Die Buchstaben a und b im Emissionsmodell hängen von (P, N, rc, Fr) ab. Im vorliegendem Modell wird ein einfaches Polynom verwendet, um die Abhängigkeit zu erfassen.
Die CO-Emissionen im homogenen Betrieb gleichen denen eines typischen PFI-Motors und sind primär eine Funktion des Luft/Kraftstoffverhältnisses und des Abgasmassenflusses:
Wco = f(rc)(Wa + Wf) (19)
Im Schichtladebetrieb besteht neben der ähnlichen Abhängig­ keit der CO-Emissionen von dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Abgasmassenfluss auch noch ein signifikanter Einfluss durch die Motordrehzahl und die Zündungseinstellung auf die Feedgas-Emissionen. Dies gilt insbesondere, wenn das Ver­ hältnis von Luft zu Kraftstoff relativ angereichert (weniger als 28 : 1), d. h. fett ist. Die HC- und CO-Emissionen sind auf­ grund des lokal angereicherten bzw. fetten Gemisches höher als im homogenen Fall. Daher wird die folgende Funktion ver­ wendet, um die CO-Emissionen für den Schichtladebetrieb dar­ zustellen:
Wco = f(rc)g(N,δ)(Wa + Wf) (20)
wobei rc eingeführt wird, um den Einfluss von N, δ und CO bei relativ angereicherten bzw. fetten Luft/Kraftstoffgemischen im Schichtladebetrieb einzurechnen.
Zusätzlich zu den vorgenannten Emissionsmodellen sowohl für den homogenen als auch den Schichtlade-Betriebsmodus wird vorzugsweise auch die Abgastemperatur des Motors im Modell für die Feedgaserzeugung 216 (feedgas generation model) ein­ bezogen.
Die Abgastemperatur des Motors ist eine wichtige Variable bei einem DISC-Motor, weil im LNT-Betrieb nur ein schmales Temperaturfenster zur Verfügung steht. Die Temperatur muss während der LNT-Regeneration und während eines Entschwefe­ lungsprozesses möglichst genau überwacht und in engen Gren­ zen geregelt werden. Im Feedgaserzeugungsmodell 216 wird die statische Abgastemperatur durch zwei polynomische Funktionen mit unterschiedlichen Eingangsgrößen für homogenen und Schichtladebetrieb dargestellt:
wobei Ff = Wf/(Wf + Wa + Wegr) der Anteil des Kraftstoffes im gesamten Abgas ist (homogenous = homogen, stratified = La­ dungsschichtung). Die Funktionen Ts und Th sind dabei Polynome zweiter Ordnung.
Die Gültigkeit des Modells für DISC-Motoren wurde durch ei­ nen Vergleich der durch das Modell vorhergesagten Ausgangs­ werte mit tatsächlichen Ausgangswerten eines auf einem Lei­ stungsprüfstand befindlichen Produktions-DISC-Motors über­ prüft. Es wurden zwei Datensätze gesammelt bzw. ermittelt, um die Identifikation der Parameter und die Überprüfung des Modells zu ermöglichen. Der erste Datensatz mit Identifika­ tionsdaten wurde zur Ermittlung der Koeffizienten in den je­ weiligen vorstehend aufgeführten Regressionsfunktionen ver­ wendet. Der zweite Datensatz mit Überprüfungsdaten wurde verwendet, um das Modell zu überprüfen und die Eigenschaften der Extrapolationen der Regressionen zu bestätigen. Bei dem Vergleich ergab sich eine enge Korrelation zwischen den durch das Modell vorhergesagten Ausgangswerten und den Lei­ stungsprüfstandsignalen.
Wie ersichtlich, wird mit der Erfindung ein neues und ver­ bessertes Modell für DISC-Motoren bereitgestellt, welches die Entwicklung einer Steuerungsstrategie für DISC-Motoren und eine Optimierung der Einrichtungen durch einen modellba­ sierten Ansatz und eine computergestützte Entwicklung der Steuerungsanlage erlaubt.

Claims (16)

1. Verfahren zur modellbasierten Ermittlung von Betriebs­ parametern bei einem Motor (10) mit Schichtladebetrieb und Direkteinspritzung (DISC-Motor), dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Eingangsgrößen die Kraftstoffzufuhrrate (Wf) des Motors und der Wert der Zündeinstellung (δ) des Motors abgefragt werden,
dass ein angezeigtes bzw. indiziertes Motordrehmoment als Funktion der Kraftstoffzufuhrrate und der Zündein­ stellung erzeugt wird, wobei das Motordrehmoment durch das Modell
Ti = (at + bt(δ - δMBT)2)Wf
definiert wird, in dem Wf die Kraftstoffzufuhrrate, δ - δMBT die Abweichung der Zündeinstellung von einer Solleinstellung ist und at, bt Koeffizienten sind, die durch die Gleichungen
definiert werden, in denen N die Motordrehzahl ist, rc das Verhältnis der Luftladung zum Kraftstoff und Fr das Verhältnis des verbrannten Gases zur Luftladung sind, welche durch die Gleichungen
definiert werden, wobei r das gemessene Luft/Kraft­ stoffverhältnis im Abgas und E der Prozentsatz der Ab­ gasrückführung ist, wobei at und bt vom Verbrennungsmo­ dus des Motors abhängen, und
dass das Motordrehmoment zur Erzeugung von Betriebs- Sollwerten des Motors verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas-Emissionswerte für HC, CO und NOx als Funktion der Kraftstoffzufuhrrate und der Zündeinstellungswerte er­ zeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasemissionswert für HC im Schichtlade- Betriebsmodus des Motors (10) durch die Gleichung
Whc = (ahcs + bhes(δ - δMBT))(Wf + Wa)
definiert wird, und der Abgasemissionswert für HC im homogenen Betriebsmodus des Motors durch die Gleichung
Whc = (ahch + bhch(δ - δMBT))Wf
definiert wird, wobei der Wert der Funktionen a und b vom Druck in einem Auslasskrümmer (48), der Motordreh­ zahl, rc, Fr und der Einspritzeinstellung abhängt, dass der Abgasemissionswert für NOx durch die Gleichung
Wnox = (anox + bnox(δ - δMBT))Wf
definiert ist, wobei der Wert der Funktionen a und b vom Druck im Auslasskrümmer (48), der Motordrehzahl, rc, Fr und der Einspritzzeiteinstellung abhängt, und
dass der Wert der Abgasemission für CO im homogenen Be­ triebsmodus des Motors durch die Gleichung
Wco = f(rc)(Wa + Wf)
definiert ist, wobei Wa die Rate des Abgasluftmassen­ stroms ist,
der Abgasemissionswert für CO im Schichtladebetriebsmo­ dus des Motors durch die Gleichung
Wco = f(rc)g(N, δ)(Wa + Wf)
definiert ist, wobei N die Motordrehzahl ist, und dass diese Abgasemissionswerte zur Erzeugung von Be­ triebs-Sollwerten des Motors verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Wert für die Abgastemperatur zur Überwachung des Betriebs einer Magerbetrieb-NOx-Falle (20) gemäß der Gleichungen
erzeugt wird (homogenous = homogen, stratified = La­ dungsschichtung), wobei Ff = Wf/(Wf + Wa + Wegr) der An­ teil des Kraftstoffes im gesamten Abgas ist und die Funktionen Ts und Th Polynomfunktionen zweiter Ordnung sind.
5. Verfahren zur Steuerung eines DISC-Motors mit einer DISC-Motoranlage (10), die durch eine Antriebsstrang- Steuereinheit (12) geregelt wird, welche als Eingangs­ größen eine Vielzahl von Betriebsparametern des Motors abfragt und eine Vielzahl von Einstellungs-Sollwerten ausgibt, wobei die Antriebsstrang-Steuereinheit einen Mikroprozessor (102) und einen angeschlossenen Speicher (106, 108) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Betriebsparametern des Motors in ein ma­ thematisches Modell des DISC-Motors eingegeben werden, wobei das mathematische Modell einen indizierten bzw. angezeigten Wert für das Motordrehmoment gemäß der Gleichung
Ti = (at + bt (δ - δMBT)2)Wf
beinhaltet, wobei Wf die Kraftstoffzufuhrrate, δ - δMBT die Abweichung der Zündeinstellung von der gewünschten Einstellung ist und at, bt Koeffizienten sind, die durch die Gleichungen
definiert sind, wobei N die Motordrehzahl, rc das Ver­ hältnis der Luftladung zum Kraftstoff und Fr das Ver­ hältnis des verbrannten Gases zur Luftladung ist, wobei rc und Fr durch die Gleichungen
definiert sind, wobei r das gemessene Luft/Kraft­ stoffverhältnis im Abgas und E der Prozentsatz der Ab­ gasrückführung ist, wobei at und bt vom Verbrennungsmo­
dus des Motors abhängen, dass Einstellungs-Sollwerte für das Luft/Kraftstoff­ verhältnis, die Abgasrückführrate und den Zündzeitpunkt des DISC-Motors mit dem mathematischen Modell als Funk­ tion der Vielzahl von Betriebsparametern des Motors er­ rechnet werden, und
dass die Einstellungs-Sollwerte an die jeweils ange­ schlossenen Steueruntereinheiten des Motors ausgegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Abgas-Emissionswerte für HC, CO und NOx als Funktion der Kraftstoffzufuhrrate und der Zündeinstellungswerte er­ zeugt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasemissionswert für HC im Schichtlade-Betriebs­ modus des Motors (10) durch die Gleichung
Whc = (ahcs + bhcs(δ - δMBT))(Wf + Wa)
definiert wird, und der Abgasemissionswert für HC im homogenen Betriebsmodus durch die Gleichung
Whc = (ahch + bhch(δ - δMBT))Wf
definiert wird, wobei der Wert der Funktionen a und b vom Druck im Auslasskrümmer (48), der Motordrehzahl, rc, Fr und der Einspritzeinstellung abhängt,
dass der Abgasemissionswert für NOx durch die Gleichung
Wnox = (anox + bnox (δ - δMBT))Wf
definiert wird, wobei der Wert der Funktionen a und b vom Druck im Auslasskrümmer (48), der Motordrehzahl, rc, Fr und der Einspritzeinstellung abhängt,
dass der Abgasemissionswert für CO im homogenen Be­ triebsmodus des Motors durch die Gleichung
Wco = f(rc)(Wa + Wf)
definiert ist, wobei Wa die Rate des Abgasluftmassen­ stroms ist und der Abgasemissionswert für CO im Schichtlade-Betriebsmodus des Motors durch die Glei­ chung
Wco = f(rc)g(N,δ)(Wa + Wf)
definiert ist, wobei der N die Motordrehzahl ist, und
dass diese Abgasemissionswerte zur Erzeugung von Be­ triebs-Sollwerten des Motors verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Wert für die Abgastemperatur zur Überwachung des Betriebs der Magerbetrieb-NOx-Falle (20) gemäß der Gleichungen
erzeugt wird, wobei Ff = Wf/(Wf + Wa + Wegr) der Anteil des Kraftstoffes im gesamten Abgas ist und die Funktio­ nen Ts und Th Polynomfunktionen zweiter Ordnung sind.
9. Steuerungsanordnung für ein Fahrzeug mit einem Motor (10) mit Schichtladebetrieb und Direkteinspritzung (DISC-Motor), welcher mit einer Magerbetrieb-NOx- Falle (20) gekoppelt ist, die periodisch gereinigt wird, gekennzeichnet durch
ein Modell für das Motordrehmoment, welches die Charak­ teristika des Drehmoments des DISC-Motors abbildet, wo­ bei dieses Drehmomentmodell als Eingangsgröße eine er­ ste Vielzahl von Betriebsparametern des Motors erhält und als Ausgabe einen erwarteten Wert für das Drehmo­ ment des Motors erzeugt, und
ein Modell für die Feedgas-Emissionen, welches die Emissionen aus dem DISC-Motor abbildet, wobei dieses Modell als Eingangsgröße eine zweite Vielzahl von Be­ triebsparametern des Motors erhält und als Ausgabe ei­ nen HC-, CO- und NOx Wert erzeugt, und
ein Modell für die Abgastemperatur, welches die Abgas­ temperatur des Motors (10) abbildet, wobei dieses Abgas­ temperaturmodell als Eingangsgröße eine dritte Viel­ zahl von Betriebsparametern des Motors erhält und als Ausgabe einen Wert für die Abgastemperatur erzeugt.
10. Steuerungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die erste Vielzahl von Betriebsparame­ tern des Motors (10) Werte für die Kraftstoffzuführung und die Zündeinstellung beinhaltet.
11. Steuerungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vielzahl von Betriebs­ parametern des Motors (10) Werte für die Kraftstoffzu­ führung, die Zündeinstellung, das Luft/Kraftstoffver­ hältnis, den Abgasrückführungs-Flusswert (EGR flow va­ lue) und die Motordrehzahl beinhaltet.
12. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell für die Feed­ gas-Emissionen ein Modell für den Schichtladebetrieb des Motors (10) zur Erzeugung von Schichtladewerten für HC und CO und ein Modell für den homogenen Betrieb des Motors zur Erzeugung von homogenen HC- und CO-Werten beinhaltet.
13. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Vielzahl von Betriebsparametern des Motors Werte für die Motordreh­ zahl, einen Kraftstoffanteilwert, den Druck im Ansaug­ rohr, die Zündungseinstellung und ein Bremsmoment des Motors beinhaltet.
14. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell für die Abgas­ temperatur ein Modell für den Schichtladebetrieb des Motors zur Erzeugung eines Schichtladewertes für die Abgastemperatur und ein Modell für den homogenen Be­ trieb des Motors zur Erzeugung eines homogenen Wertes für die Abgastemperatur beinhaltet.
15. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansaugrohr-Modell vor­ gesehen ist, welches die Dynamik im Ansaugrohr (44) des DISC-Motors (10) abbildet, wobei das Ansaugrohr-Modell als Eingangsgrößen eine vierte Vielzahl von Betriebspa­ rametern des Motors erhält und als Ausgabe einen Wert für den Druck im Ansaugrohr (44) erzeugt.
16. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Vielzahl von Betriebsparametern des Motors (10) Werte für den Luft­ massenstrom, die Abgasrückführungs-Flussrate (EGR flow rate) und die Luftladung im Zylinder beinhaltet.
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