Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
sowie ein Computerprogramm zur Steuerung eines
Verbrennungsmotors.
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Aus der DE 42 39 711 A1 (US-Patent 5,558,178) ist zur
Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt, einen Sollwert für
ein Drehmoment des Verbrennungsmotors in eine Stellgröße zur
Beeinflussung der Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor, zum
Einstellen des Zündwinkels und/oder zum Ausblenden bzw.
Zuschalten der Kraftstoffzufuhr zu einzelnen Zylindern des
Verbrennungsmotors umzusetzen. Darüber hinaus ist aus der
WO-A 95/24550 (US-Patent 5,692,471) zusätzlich die
Beeinflussung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses zur Realisierung
des vorgegebenen Drehmomentenwertes bekannt. Ferner wird bei
den bekannten Lösungen das Istmoment des Verbrennungsmotors
unter Berücksichtigung der aktuellen Motoreinstellung
(Füllung, Kraftstoffzumessung und Zündwinkel) berechnet. Dabei
werden u. a. Motordrehzahl, Last (Luftmasse, Druck, etc.)
und ggf. die Abgaszusammensetzung herangezogen.
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Im Rahmen dieser Berechnungen wird ein Momentenmodell für
den Verbrennungsmotor verwendet, welches sowohl zur
Bestimmung der Stellgrößen als auch zur Bestimmung der Istgrößen
eingesetzt wird. Kernpunkt dieses Modells ist, daß
betriebspunktabhängig ein optimales Drehmoment des
Verbrennungsmotors und ein optimaler Zündwinkel bestimmt wird, die
dann mittels Wirkungsgradwerten entsprechend der aktuellen
Einstellung des Verbrennungsmotors korrigiert werden.
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Zur Optimierung dieses Modells ist aus der DE 195 45 221 A1
(US-Patent 5,832,897) vorgesehen, den Wert für den optimalen
Zündwinkel abhängig von den Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine beeinflussenden Größen wie Abgasrückführrate,
Motortemperatur, Ansauglufttemperatur,
Ventilüberschneidungswinkel, etc. zu korrigieren.
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In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß diese bekannte
Lösung noch optimiert werden kann, insbesondere hinsichtlich
der Einfachheit der Applikation, der Optimierung der
Rechenzeit und/oder der Berücksichtigung der
Arbeitspunktabhängigkeit der Korrektur des optimalen Zündwinkels, insbesondere
der Abhängigkeit von der Inertgasrate. Insbesondere zeigt
das bekannte Momentenmodell in einigen Betriebszuständen
nicht zufriedenstellende Ergebnisse. Derartige
Betriebszustände sind insbesondere Zustände mit hohen Inertgasraten im
Brennraum, d. h. Zustände mit einem großen Anteil von
Inertgas (durch externe oder innere Abgasrückführung), die durch
Überschneidung von Ein- und Auslaßventilöffnungszeiten
hervorgerufen werden und vor allem bei kleinen bis mittleren
Frischgasfüllungen auftreten. Außerdem sind es
Betriebszustände mit hoher Ladungsbewegung. Die berechneten
Basisgrößen führen dazu, daß mit der bekannten Vorgehensweise eine
genaue Momentberechnung nicht erreicht wird, da diese
Effekte nicht ausreichend berücksichtigt sind.
Vorteile der Erfindung
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Durch die Berücksichtigung der Lage des
Verbrennungsschwerpunktes, d. h. des Kurbelwellenwinkels, an dem ein bestimmter
Teil (z. B. die. Hälfte) der Verbrennungsenergie umgesetzt
ist, im Rahmen der Modellberechnungen wird die Genauigkeit
des mit dem Modell berechneten Motormoments bei hohen
Inertgasraten und kleinen Füllungen verbessert, die
Applizierbarkeit vereinfacht und das Momentenmodell auf Motoren mit
magerer Verbrennung oder Motoren mit Ladungsbewegungsklappe
oder Motoren mit steuerbaren Ein- und Auslaßventilen
angepaßt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. In den
Fig. 1 bis 4 sind Ablaufdiagramme für eine bevorzugte
Ausführung eines Momentenmodells mit Berücksichtigung des
Verbrennungsschwerpunkts dargestellt. Fig. 5 zeigt ein
Übersichtbild einer Motorsteuerung, bei der das skizzierte
Modell Anwendung findet.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In den Fig. 1 bis 4 sind Ablaufdiagramme dargestellt,
welche ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Optimierung
eines Momentenmodells für einen Verbrennungsmotor
darstellen. Die einzelnen Blöcke stellen dabei Programme,
Programmteile oder Programmschritte eines Mikrocomputers einer
elektronischen Motorsteuereinheit dar, während die Pfeile den
Informationsfluß repräsentieren.
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Dieses Modell ist insbesondere auf Systeme mit variabler
Ventilsteuerung zugeschnitten, bei denen hohe Inertgasraten,
insbesondere interne Inertgasraten, bei nennenswerter
Ventilüberschneidung vorkommen können. Wesentlich bei diesem
Momentenmodell ist der Verbrennungsschwerpunkt, welcher als
der Kurbelwellenwinkel bezeichnet wird, an dem eine
bestimmte Menge der Verbrennungsenergie umgesetzt ist, vorzugsweise
die Hälfte der Verbrennungsenergie. Es hat sich gezeigt, daß
die Lage des Verbrennungsschwerpunktes einen entscheidenden
Einfluß auf die Umsetzung der chemischen Verbrennungsenergie
in indiziertes Motormoment hat. Messungen zeigen, daß es
einen allgemeinen Zusammenhang zwischen
Verbrennungsschwerpunkt und indiziertem Moment gibt, der im Wesentlichen
unabhängig ist von Motordrehzahl, Motorlast und Restgasgehalt.
Dabei hat sich ergeben, daß eine vollständige Information
über den Verlauf der Momentencharakteristik in einer
Kennlinie des Verbrennungsschwerpunktes über dem Zündwinkel
enthalten ist. Diese Kennlinien lassen sich mit einer
mathematischen Näherungsfunktion beschreiben, die nur wenige
Parameter enthält, beispielsweise mit einem Polynom zweiter
Ordnung:
vbs = a.zw2 + b.zw + c
(vbs Verbrennungsschwerpunkt [°KW], zw Zündwinkel [°KW], a,
b, c Koeffizienten)
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Die Koeffizienten eines solchen Polynoms enthalten dabei die
charakteristische Information des im Brennraum sich
befindlichen Gemisches hinsichtlich Gasmasse, Zusammensetzung,
Temperatur und Ladungsbewegung. Wird, wie oben beschrieben,
der Verbrennungsschwerpunkt als Zwischengröße eingeführt, so
ergeben sich für den Zündwinkelwirkungsgrad zwei
Abhängigkeiten: zum einen für alle Lasten, Drehzahlen und
Restgasraten eine feste Beziehung zum Verbrennungsschwerpunkt und zum
anderen eine betriebspunktabhängige Beziehung des
Verbrennungsschwerpunktes in Abhängigkeit des Zündwinkels. Es läßt
sich also durch Einführung des Verbrennungsschwerpunktes als
Zwischengröße der Zusammenhang des Zündwinkelwirkungsgrades
über dem Zündwinkel ermitteln.
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Da das Modell sowohl für die Bestimmung von Steuergrößen aus
Sollgrößen als auch zur Bestimmung von Istgrößen aus
gemessenen Betriebsgrößen eingesetzt wird, hat sich das Polynom
zweiter Ordnung wegen seiner einfachen Invertierbarkeit als
eine geeignete Beschreibung der Beziehung zwischen
Verbrennungsschwerpunkt und Zündwinkel herausgestellt. In anderen
Anwendung werden jedoch auch Polynome höherer Ordnung oder
andere mathematische Funktionen zur näherungsweisen
Beschreibung der Beziehung herangezogen, wenn diese sich im
jeweiligen Umfeld als geeignet erweisen (z. B. erhöhte
Genauigkeit, etc.).
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Die Ablaufdiagramme der Fig. 1 bis 4 zeigen ein
Realisierungsbeispiel, wie diese Erkenntnis hinsichtlich des
Verbrennungsschwerpunktes umgesetzt wird.
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Fig. 1 zeigt dabei die Bestimmung des indizierten
Istmomentes miist. In einem ersten Kennfeld 200 wird abhängig von
Motordrehzahl nmot und Last rl der optimale Momentenwert
gebildet. Dieser wird in einer Korrekturstelle 202 mit dem
Wirkungsgrad etarm korrigiert, vorzugsweise korrigiert.
Dieser ist drehzahl- und restgasratenabhängig und wird im
Kennfeld 204 ermittelt. Der Wirkungsgrad etarm beschreibt
die Abweichung bezüglich der Ventilüberschneidung vom
Normwert. Der Wirkungsgradwert etarm wird im Kennfeld 204 in
Abhängigkeit von Signalen gebildet, die eine Inertgasrate
durch interne und externe Abgasrückführung repräsentieren.
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Als geeignet hat sich ein Signal rri für die interne und
externe Inertgasrate erwiesen, welches in Abhängigkeit der
Stellung des Abgasrückführventils und der Ein- und
Auslaßventilstellung berechnet wird. Die Inertgasrate beschreibt
dabei den Anteil des Inertgases an der gesamten angesaugten
Gasmasse. Eine andere Art der Berechnung der Inertgasrate
beruht auf der Temperatur des rückgeführten Abgasstromes,
Lambda, der aktuellen Luftfüllung und dem Abgasdruck. In
Abhängigkeit dieses Signals rri und der Motordrehzahl nmot
wird der Wirkungsgrad etarm aus dem Kennfeld 204
ausgelesen. Zur Berücksichtigung der Ladungsbewegung hat sich ein
Signal wnw als geeignet erwiesen, welches den Öffnungswinkel
(bezogen auf Kurbelwelle oder Nockenwelle) des Einlaßventils
repräsentiert. In anderen Ausführungsbeispielen wird die
Stellung einer Ladungsbewegungsklappe oder eine Größe
herangezogen, die den Hub und die Phase der Öffnung der
Einlaßventile repräsentiert.
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Der auf diese korrigierte optimale Momentenwert wird dann in
einer weiteren Korrekturstufe 205 mit dem Lambdawirkungsgrad
etalam korrigiert (vorzugsweise multipliziert), der in einer
Kennlinie 206 abhängig von dem gemessenen Lambdawert
ermittelt wird. Der optimale Momentenwert wird dann in der
Korrekturstufe 208 mit dem Zündwinkelwirkungsgrad etazwist
korrigiert (multipliziert), welcher in einer nachfolgend
beschriebenen Vorgehensweise (210) in Abhängigkeit von Last
rl Mötordrehzahl nmot, Inertgasrate rri und dem
eingestelltem Zündwinkel zwist ermittelt wird. Wird anstelle des
Istzündwinkels der Basiszündwinkel eingesetzt, so wird als
Ausgangsgröße der Korrekturstufe 208 nicht das indizierte
Istmoment miist, sondern wie oben das Basismoment mibas
erscheinen.
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Die Bestimmung des Zündwinkelwirkungsgrades etazwist unter
Berücksichtigung des Verbrennungsschwerpunktes ist im
Ablaufdiagramm der Fig. 3 an einem Beispiel dargestellt. Das
dort gezeigte Beispiel zeigt einen Näherungsansatz über ein
Polynom zweiter Ordnung. Zunächst werden in 250 in
Abhängigkeit von Betriebsgrößen wie Last, Motordrehzahl und
Inertgasrate die Faktoren A, B und C des Polynoms bestimmt. Dies
erfolgt im Rahmen von vorgegebenen Kennfeldern. Daraufhin
wird der eingestellte Istzündwinkel in einer
Multiplikationsstufe 252 mit dem Parameter B multipliziert. In einer
Multiplikationsstufe 254 wird das Quadrat des Istzündwinkels
gebildet, welches dann in der Multiplikationsstufe 256 mit
dem Koeffizienten A multipliziert wird. Die Ergebnisse der
Multiplikationsstufen 252 und 256 werden in 258 addiert. Die
Summe wird in 260 zum Koeffizienten C addiert. Ergebnis ist
der Winkel des Verbrennungsschwerpunktes, der mittels einer
Kennlinie 262 in den Zündwinkelwirkungsgrad etazwist
umgewandelt wird. Die Kennlinie 262 ist dabei vorgegeben und
stellt die allgemein gültige Kennlinie des
Zündwinkelwirkungsgrades über dem Winkel des Verbrennungsschwerpunktes
dar.
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Das gezeigte Momentenmodell eignet sich nicht nur zur
Bestimmung von Istgrößen aus Betriebsgrößen, sondern auch
umgekehrt zur Bestimmung von Stellgrößen aus Sollgrößen. Diese
Vorgehensweise ist anhand der Ablaufdiagramme der Fig. 2
und 4 dargestellt. Fig. 2 zeigt dabei ein Ablaufdiagramm
zur Bestimmung des Sollfüllungswertes, der dann unter
Berücksichtigung eines Saugrohrmodells in einen Sollwert für
die Drosselklappenstellung der Brennkraftmaschine umgesetzt
wird. Dieser wird dann im Rahmen einer Lageregelung
eingestellt. Der vorgegebene Sollmomentenwert misoll wird in der
Divisionsstufe 300 durch den Lambdawirkungsgrad etalam, der
entsprechend der Vorgehensweise nach Fig. 1 bestimmt wird,
dividiert. Der auf diese Weise korrigierte Sollmomentenwert
wird in einer weiteren Divisionsstufe 302 durch den
Wirkungsgrad des Sollzündwinkels etazwsoll dividiert. Dieser
Sollzündwinkelwirkungsgrad wird dabei vorgegeben,
beispielsweise als Momentenreserve im Leerlauf, als Momentenreserve
zum Katalysatorheizen, etc. Das in 302 korrigierte
Sollmoment wird dann in einem Kennfeld 304 nach Maßgabe der
Motordrehzahl nmot in den Füllungssollwert rlsoll umgerechnet,
der dann zur Einstellung der Luftzufuhr zur
Brennkraftmaschine dient.
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Die Bestimmung des einzustellenden Sollzündwinkels ist in
Fig. 4 dargestellt. Dabei wird als Zwischengröße wieder der
Verbrennungsschwerpunkt verwendet, wobei die Annäherung
mittels des bereits aus Fig. 3 bekannten Polynomansatzes
abgeleitet ist. Die Berechnung des Sollzündwinkels wird bei
gegebenem Sollzündwinkelwirkungsgrad, Motordrehzahl und
gegebener Frischgas- und Restgasfüllung durchgeführt, wobei eine
Umkehrung der Polynomfunktion verwendet wird. Ferner wird
eine Kennlinie verwendet, die den Winkel des
Verbrennungsschwerpunktes über dem Zündwinkelwirkungsgrad darstellt.
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Der vorgegebene Sollzündwinkelwirkungsgrad wird also in der
Kennlinie 350 in einen Sollwinkel für den
Verbrennungsschwerpunkt wvbsoll umgesetzt. Entsprechend der Darstellung
in Fig. 3 werden in 352 in Abhängigkeit von Betriebsgrößen
wie Last, Drehzahl und Inertgasrate rri, die Koeffizienten
C, B und A der Polynomfunktion nach Maßgabe von Kennfeldern,
Kennlinien oder Tabellen ermittelt. Der Koeffizient C wird
in der Verknüpfungsstelle 354 mit dem Sollwert des
Verbrennungsschwerpunktes verknüpft. Vorzugsweise wird der Sollwert
des Verbrennungsschwerpunktes vom Koeffizienten abgezogen.
In der Divisionsstufe 356 wird dann das Ergebnis dieser
Verknüpfung durch den Koeffizienten A dividiert. Letzterer wird
in einer Multiplikationsstufe 358 mit dem Faktor -2
multipliziert. In der darauf folgenden. Divisionsstufe 360 wird
der Koeffizient B durch den mit dem Wert -2 multiplizierten
Koeffizienten A dividiert. Das Ergebnis wird dann durch die
Multiplikationsstufe 362 quadriert und der
Verknüpfungsstelle 364 zugeführt. Dort wird der quadrierte Ausdruck mit dem
Ergebnis der Divisionsstufe 356 verknüpft, insbesondere wird
letzterer Wert von ersterem abgezogen. In 366 wird die
Wurzel aus dem Ergebnis gezogen und diese einer weiteren
Verknüpfungsstelle 368 zugeführt. Dort wird die Wurzel von dem
Ergebnis der Divisionsstelle 360 abgezogen und auf diese
Weise den einzustellenden Sollzündwinkel zwsoll gebildet.
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Bei der Bestimmung der Koeffizienten A bis C werden außer
den genannten Betriebsgrößen auch weitere Betriebsgrößen,
insbesondere die Ventilüberschneidungswinkel bzw. die
Öffnungswinkel der Einlaßventile oder die Stellung einer
Ladungsbewegungsklappe oder Hub und Phase des Einlaßventils
mit einbezogen.
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Die zur Berechnung des Modells verwendeten Kennfelder und
Kennlinien werden im Rahmen der Applikation für jeden
Motortyp ggf. unter Verwendung des oben erwähnten Softwaretool,
bestimmt.
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Fig. 5 zeigt eine Steuereinheit 400, welche eine
Eingangsschaltung 402, eine Ausgangsschaltung 404 und einen
Mokrocomputer 406 umfasst. Diese Komponenten sind mit einem
Bussystem 408 verbunden. Über Eingangsleitungen 410 und 412 bis
416 werden die zur Motorsteuerung auszuwertenden
Betriebsgrößen, die von Messeinrichtungen 418, 420 bis 424 erfasst
werden zugeführt. Die zur Modellberechnung notwendigen
Betriebsgrößen sind dabei oben dargestellt. Die erfassten und
ggf aufbereiteten Betriebsgrößensignalen werden dann über
das Bussystem 408 vom Mikrocomputer eingelesen. Im
Mikrocomputer 406 selbst, dort in seinem Speicher sind die Befehle
als Computerprogramm abgelegt, die zu Modellberechnung
verwendet werden. Dies ist in Fig. 5 mit 426 symbolisiert, die
Modellergebnisse, die ggf noch in anderen, nicht
dargstellten Programmen weiterverarbeitet werden, werden dann vom
Mikrocomputer über das Bussystem 408 der Ausgangsschaltung 404
zugeführt, welche dann Ansteuersignal als Stellgrößen z. B.
zur Einstellung des Zündwinkels und der Luftzufuhr sowie
Messgrößen wie z. B. das Istmoment miist ausgibt.