DE102004011599A1 - Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Für eine Brennkraftmaschine wird ein Verfahren zur momentenorientierten Steuerung vorgeschlagen, bei dem ein Soll-Moment aus einer den Leistungswunsch repräsentierenden Eingangsgröße berechnet wird und der Soll-Moment auf ein luftmassenabhängiges Maximal-Moment begrenzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Aus der DE 197 39 564 A1 ist ein Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Soll-Moment aus einem Fahrerwunsch berechnet wird und das Soll-Moment auf ein maximal zulässiges Moment begrenzt wird. Das maximal zulässige Moment wiederum wird in Abhängigkeit einer Fahrpedalstellung und der Motordrehzahl berechnet. Das Verfahren ist für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern nicht unmittelbar einsetzbar.
  • Aus der DE 100 00 918 A1 ist ein Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei diesem wird aus einer Fahrpedalstellung ein Soll-Moment berechnet, welches über ein Kennfeld in eine Soll-Kraftstoffmasse gewandelt wird. Diese Soll-Kraftstoffmasse wird über einen relativen Wirkungsgrad korrigiert. Die korrigierte Soll-Kraftstoffmasse wiederum wird über ein Kennfeld zur Rauchbegrenzung auf eine Maximal-Kraftstoffmasse limitiert. Problematisch bei dieser momentenbasierten Architektur ist jedoch, dass das Soll-Moment aufgrund der Rauchbegrenzung vom Ist-Moment am Abtrieb der Brennkraftmaschine sich unterscheiden kann.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2004 001 913.4 ist ebenfalls ein Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei diesem wird das Soll-Moment über ein relatives Reib-Moment korrigiert, wobei das relative Reib-Moment maßgeblich aus der Abweichung des aktuellen Zustands der Brennkraftmaschine zu einem Normzustand berechnet wird. Das hieraus resultierende Moment wird über ein entsprechendes Kennfeld in ein leistungsbestimmendes Signal zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine umgesetzt. Der Einfluss eines Abgasturboladers ist bei diesem Verfahren nicht dargestellt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader zu entwerfen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Erfindung sieht für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader vor, dass das Soll-Moment durch ein luftmassenabhängiges Maximal-Moment begrenzt wird. Das luftmassenabhängige Maximal-Moment wird hierbei aus einer Kraftstoffmasse und einem tatsächlichen Wirkungsgrad berechnet. Beim Übergang vom Ein-Laderbetrieb in den Zwei-Laderbetrieb wird das luftmassenabhängige Maximal-Moment aus einem Laderschalt-Moment berechnet. Nach Ablauf einer Zeitstufe wird das luftmassenabhängige Maximal-Moment wieder entsprechend dem aktuellen Motorbetriebszustand berechnet.
  • Die Erfindung bietet als Vorteile, dass im instationären Betrieb, z. B. beim Laderschalten, die Abgaswerte verbessert werden und das Abtriebsmoment dem begrenzten Wunsch-Moment entspricht. Dies bedeutet, dass die Steuerung jederzeit auf das abgegebene Motormoment optimal eingestellt ist.
    •
  • In den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
  • 1 ein Systemschaubild;
  • 2 ein Blockschaltbild zur momentenorientierten Funktionsarchitektur;
  • 3 ein Blockschaltbild zur Berechnung des luftmassenabhängigen Maximal-Moments;
  • 4 Zeitdiagramme;
  • 5 einen Programmablaufplan.
  • Die 1 zeigt ein Systemschaubild einer Brennkraftmaschine 1 mit einem elektronischen Steuergerät 4. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird der Kraftstoff über ein Common-Rail-System eingespritzt. Dieses umfasst folgende Komponenten: Pumpen 3 mit einer Saugdrossel zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank 2, ein Rail 6 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 7 zum Einspritzen des Kraftstoffs aus dem Rail 6 in die Brennräume der Brennkraftmaschine 1. Anstelle des Rails 6 können auch Einzelspeicher vorgesehen sein.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch das elektronisches Steuergerät (ADEC) 4 geregelt. Das elektronische Steuergerät 4 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 4 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: ein Ist-Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 5 gemessen wird, eine Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine 1, ein Signal FP zur Leistungs-Vorgabe durch den Betreiber und eine Eingangsgröße E. Unter der Eingangsgröße E sind beispielsweise der Ladeluftdruck der Turbolader und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel und des Kraftstoffs subsumiert.
  • In 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 4 ein Signal ADV zur Steuerung der Saugdrossel und eine Ausgangsgröße A dargestellt. Die Ausgangsgröße A steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise einem leistungsbestimmenden Signal ve, hier: Einspritzmenge.
  • Die 2 zeigt ein Blockschaltbild einer momentenorientierten Funktionsarchitektur. Die Eingangsgrößen sind: ein Soll-Moment MSW, ein relatives Reibmoment MFr, die Ist-Drehzahl nM(IST) und ein Signal S. Die Ausgangsgrößen sind: das leistungsbestimmende Signal ve und ein tatsächlicher Wirkungsgrad ETAt. Das Soll-Moment MSW wird aus einer den Leistungswunsch repräsentierenden Eingangsgröße, z. B. Fahrpedalstellung FP, ermittelt. An einer Stelle A werden das Soll-Moment MSW und das relative Reibmoment MFr addiert. Das relative Reibmoment MFr wird maßgeblich aus der Abweichung des aktuellen Zustands der Brennkraftmaschine 1 zu einem Normzustand berechnet. Der Normzustand wird vom Her steller der Brennkraftmaschine bei Prüfstandsversuchen vorgegeben. Dieser ist für eine betriebswarme Brennkraftmaschine z. B. durch einen Umgebungs-Luftdruck von 1013 Hektopascal, einer Umgebungs-Temperatur von 25 Grad Celsius und einer konstanten Kraftstoff-Temperatur gekennzeichnet. Befindet sich die Brennkraftmaschine im Normzustand, so ist das relative Reibmoment MFr Null. Die Summe des Soll-Moments MSW und des relativen Reibmoments MFr ist in 2 als Gesamt-Moment MSUM bezeichnet. Das Gesamt-Moment MSUM entspricht einer der Eingangsgrößen für ein Kennfeld 8. Über das Kennfeld 8 wird in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl nM(IST) und des Gesamt-Moments MSUM ein erstes leistungsbestimmendes Signal ve1 berechnet. In der Praxis entspricht das erste leistungsbestimmende Signal ve1 einer Einspritzmenge, Einheit: Milligramm/Einspritzung. Über das Signal S kann vom Betreiber zwischen verschiednen Kennfeldern 8 umgeschaltet werden. Die Kennfelder 8 können als ein abgasoptimiertes oder verbrauchsoptimiertes Kennfeld 8 ausgeführt sein.
  • An einer Stelle B wird das erste leistungsbestimmende Signal ve1 mit einem relativen Wirkungsgrad ETAr multipliziert. Die Berechnung des relativen Wirkungsgrads ETAr erfolgt in einem Funktionsblock 9, z. B. in Abhängigkeit einer Luftmasse, Umgebungs-Temperatur, Kraftstoff-Temperatur, Umgebungs-Luftdruck und der Ist-Drehzahl. Das Produkt des ersten leistungsbestimmenden Signals ve1 mit dem relativen Wirkungsgrad ETAr ergibt ein zweites leistungsbestimmendes Signal ve2. Über einen Funktionsblock 10 wird aus dem zweiten leistungsbestimmenden Signal ve2 und dem Soll-Moment MSW ein tatsächlicher Wirkungsgrad ETAt berechnet. Der tatsächliche Wirkungsgrad ETAt wird zur Berechnung einer luftmassenabhängigen Momenten-Begrenzung nach 3 verwendet. Aus dem zweiten leistungsbestimmenden Signal ve2 wird über einen Funktionsblock 11 in Abhängigkeit einer ersten Betriebsart MOD1 oder einer zweiten Betriebsart MOD2 das leistungsbestimmende Signal ve berechnet. Die Betriebsart entspricht in der Praxis z. B. dem Betrieb der Brennkraftmaschine als Voll-Motor (MOD1) oder Halb-Motor (MOD2). Beim Halb-Motor ist nur die Hälfte der Zylinder befeuert. Das leistungsbestimmende Signal ve entspricht der erforderlichen Kraftstoffmenge zur Darstellung des Soll-Moments MSW am Abtrieb der Brennkraftmaschine 1.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Berechnung des Soll-Moments MSW. Die wesentlichen Elemente des Blockschaltbilds sind eine Berechnung Luftmasse 12, ein Kennfeld Kraftstoffmasse 13, ein Schalter 14, ein Drehzahl-Regler 15 und eine Minimalwert-Auswahl 16. Aus den Eingangsgrößen Ladeluftdruck pLL, Ladelufttemperatur TLL und Zylinderhubvolumen VZyl wird über die Gasgleichung (Berechnung 12) eine Luftmasse mL bestimmt. Über das Kennfeld 13 wird aus der Luftmasse mL und der Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine die Kraftstoffmasse mKR berechnet. An einem Punkt A wird die berechnete Kraftstoffmasse mKR mit einem tatsächlichen Wirkungsgrad ETAt multipliziert. Das Ergebnis entspricht einem Ladedruck-Begrenzungsmoment MLDA. Dieses ist auf einen ersten Eingang des Schalters 14 geführt. Auf einen zweiten Eingang des Schalters 14 wird ein Laderschalt-Moment MAX geführt. Die Ausgangsgröße des Schalters 14 entspricht einem luftmassenabhängigen Maximal-Moment ML(MAX). In Abhängigkeit des Schalters 14 entspricht somit das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) entweder dem Wert MLDA oder dem Wert MAX. Das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) ist auf die Minimal-Auswahl 16 geführt. Als weitere Größe wird der Minimalwert-Auswahl 16 ein erstes Soll-Moment M1SW zugeführt. Das erste Soll-Moment M1SW wird über den Drehzahl-Regler 15 aus der Regelabweichung, d. h. dem Vergleich der Soll-/Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine berechnet. Selbstverständlich kann das erste Soll-Moment M1SW auch unmittelbar aus der Fahrpedalstellung abgeleitet werden. Die Ausgangsgröße der Minimalwert-Auswahl 16 entspricht dem Soll-Moment MSW.
  • Durch das Blockschaltbild wird folgende Funktionalität abgebildet:
    Im Ein-Laderbetrieb befindet sich der Schalter 14 in der gezeichneten Stellung, d. h. das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) entspricht dem Ladedruck-Begrenzungsmoment MLDA, welches wiederum aus der Kraftstoffmasse mKR und dem tatsächlichen Wirkungsgrad ETAt berechnet wird. In dieser Stellung wird das erste Soll-Moment M1SW über die Minimalwert-Auswahl 16 auf den Wert MLDA begrenzt. Mit Erkennen eines Lader-Schaltpunkts, d. h. mit Aktivierung eines zweiten Abgasturboladers, wechselt der zweite Schalter 14 in die gestrichelte Position. In dieser Stellung entspricht das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) dem Laderschalt-Moment MAX. Das erste Soll-Moment M1SW wird in dieser Stellung folglich auf den Wert MAX begrenzt. Das Laderschalt-Moment MAX berechnet sich aus dem Ladedruck-Begrenzungsmoment MLDA vor Beginn der Laderschaltung und einem Faktor, typischerweise zwischen eins und zwei. Nach Ablauf einer Zeitstufe, z. B. 3 Sekunden, wechselt der Schalter 14 wieder in die ursprüngliche Position (durchgezogene Linie).
  • Die 4 besteht aus den beiden 4A und 4B. Diese zeigen jeweils über der Zeit einen Verlauf des Ladeluftdrucks pLL (4A) und einen Momenten-Verlauf (4B). In der 4B sind der Verlauf des luftmassenabhängigen Maximal-Moments ML(MAX) als durchgezogene Linie, der Verlauf des ersten Soll-Moments M1SW als gestrichelte Linie und der Verlauf des Soll-Moments MSW als strichpunktierte Linie dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 wird die Brennkraftmaschine mit ei nem Abgasturbolader betrieben, d. h. im Ein-Laderbetrieb. Das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) entspricht zu diesem Zeitpunkt dem Wert ML1. Das erste Soll-Moment M1SW wird zum Zeitpunkt t1 auf den hohen Wert ML1 begrenzt. Zum Zeitpunkt t2 wird eine Laderschaltung initiiert, d. h. es wird ein zweiter Abgasturbolader hinzugeschaltet. Da der Abgas-Volumenstrom konstant bleibt, sinkt auf der Primärseite der Ladeluftdruck pLL vom Druckniveau p1 in Richtung des Druckniveaus p2 (4A). Mit Initiierung der Laderschaltung wird das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) auf das Laderschalt-Moment MAX gesetzt. Dieses bestimmt sich aus dem zuletzt berechneten Ladedruck-Begrenzungsmoment MLDA vor Initiierung der Laderzuschaltung und einem Faktor, z. B. 1.2. Vor der Laderzuschaltung ist das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) identisch mit dem Ladedruck-Begrenzungsmoment MLDA. Während des Zeitraums t2 bis t3 wird folglich das erste Soll-Moment M1SW auf das Laderschalt-Moment MAX begrenzt. Der Zeitraum t2/t3 entspricht einer vorgebbaren Zeitstufe t, z. B. 3 Sekunden. Nach Ablauf der Zeitstufe t, Zeitpunkt t3, wird das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) wieder über das Kennfeld 13 und dem tatsächlichen Wirkungsgrad ETAt berechnet. Da der Ladeluftdruck pLL zum Zeitpunkt t3 den Wert p2 besitzt, verringert sich daher ebenfalls das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX). Bei dem dargestellten Beispiel in 4B fällt das luftmassenabhängige Maximal-Moment unter den Wert des ersten Soll-Moments M1SW. Durch die Minimalwert-Auswahl 16 wird nunmehr das Soll-Moment MSW entsprechend dem Verlauf des luftmassenabhängigen Maximal-Moments ML(MAX) auf dessen Wert begrenzt.
  • In 5 ist ein Programmablaufplan eines Unterprogramms zur Ladedruck-Begrenzung dargestellt. Bei S1 wird eine Luftmasse mL aus dem Ladeluftdruck, der Ladelufttemperatur und dem Zylinderhubvolumen über die Gasgleichung berechnet. Bei S2 wird über das Kennfeld 13 in Abhängigkeit der Luftmasse mL eine Kraftstoffmasse mKR berechnet. Danach wird der tatsächliche Wirkungsgrad ETAt eingelesen, S3. Aus dem tatsächlichen Wirkungsgrad ETAt und der Kraftstoffmasse mKR wird über Multiplikation das luftmassenabhängige Maximal-Moment MLDA bestimmt, S4. Bei S5 wird geprüft, ob eine Laderzuschaltung initiiert wird. Ist dies nicht der Fall, so wird der Programmablauf bei S7 fortgesetzt. Wird bei S5 eine Laderzuschaltung erkannt, so wird bei S6 geprüft, ob die Zeitstufe t den Maximal-Wert tMAX erreicht hat, z. B. 3 Sekunden. Ist die Zeitstufe t noch nicht abgelaufen, so wird bei S8 das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) auf das Laderschalt-Moment MAX gesetzt und der Programmablauf beim Punkt B fortgesetzt. Ergibt die Prüfung im Schritt S6, dass die Zeitstufe abgelaufen ist, so wird der Programmablauf beim Punkt A fortgesetzt und bei S7 das luftmassenabhängige Maximal-Moment ML(MAX) auf den berechneten Wert MLDA gesetzt. Danach wird ins Hauptprogramm zurückgekehrt.
    • 1
    Brennkraftmaschine
    2
    Kraftstofftank
    3
    Pumpen mit Saugdrossel
    4
    Elektronisches Steuergerät (ADEC)
    5
    Rail-Drucksensor
    6
    Rail
    7
    Injektor
    8
    Kennfeld
    9
    Funktionsblock Berechnung ETAr
    10
    Funktionsblock Berechnung ETAt
    11
    Bestimmung Betriebsart
    12
    Berechnung Luftmasse
    13
    Kennfeld Kraftstoffmasse
    14
    Schalter
    15
    Drehzahl-Regler
    16
    Minimalwert-Auswahl

Claims (7)

  1. Verfahren zur momentenorientierten Steuerung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1), bei dem ein Soll-Moment (MSW) aus einer den Leistungswunsch repräsentierenden Eingangsgröße berechnet wird und ein leistungsbestimmendes Signal (ve) zur Steuerung des Antriebs-Moments der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit des Soll-Moments (MSW) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Moment (MSW) durch ein luftmassenabhängiges Maximal-Moment (ML(MAX)) begrenzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das luftmassenabhängige Maximal-Moment (ML(MAX)) aus einer Kraftstoffmasse (mKR) und einem tatsächlichen Wirkungsgrad (ETAt) berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffmasse (mKR) über ein Kennfeld (13) in Abhängigkeit einer Luftmasse (mL) und einer Ist-Drehzahl (nM(IST)) der Brennkraftmaschine (1) berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der tatsächliche Wirkungsgrad (ETAt) in Abhängigkeit des Soll-Moments (MSW) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuschalten eines weiteren Abgasturboladers das luftmassenabhängige Maximal-Moment (ML(MAX)) aus einem Laderschalt-Moment (MAX) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Laderschalt-Moment (MAX) aus dem luftmassenabhängigen Maximal-Moment (ML(MAX)) vor Initiierung der Laderschaltung mal einem Faktor berechnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer Zeitstufe (t) das luftmassenabhängige Maximal-Moment (ML(MAX)) wieder in Abhängigkeit der Kraftstoffmasse (mKR) und dem tatsächlichen Wirkungsgrad (ETAt) berechnet wird.
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