DE102004017052A1

DE102004017052A1 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004017052A1
Application number: DE102004017052A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. Baldauf; Jörg Dipl.-Ing. Remele; Michael Dr. Eckstein; Christian Dipl.-Ing. Rehm; Martin Dipl.-Ing. Schönle; Johannes Dr. Kech; Andreas Dr. Kunz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-11-10
Also published as: US7293556B2; US20070023010A1; EP1738065A1; WO2005098224A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1), bei dem ein Spritzbeginn (SB) zumindest in Abhängigkeit einer Ist-Drehzahl (nM(IST)) berechnet wird, ein Korrektur-Spritzbeginn berechnet wird und ein resultierender Spritzbeginn (SB(RES)) aus dem Spritzbeginn (SB) und dem Korrektur-Spritzbeginn zur Steuerung der Brennkraftmaschine (1) bestimmt wird, wobei der Korrektur-Spritzbeginn aus der Abweichung einer Soll-Luftmasse zu einer Ist-Luftmasse berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bei der ein Spritzbeginn über einen Korrektur-Spritzbeginn verändert wird nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei einer Brennkraftmaschine bestimmen der Spritzbeginn, die eingespritzte Kraftstoff-Masse und das Spritzende maßgeblich die Güte der Verbrennung und die Zusammensetzung des Abgases. Um die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten, werden diese Kenngrößen üblicherweise von einem elektronischen Steuergerät überwacht und gesteuert. Besonders kritisch sind hierbei die Übergänge von einem stationären zu einem instationären Betriebszustand, z. B. bei einer Laderzuschaltung oder die Änderung von einem konstanten Drehzahl-Wert auf einen höheren Drehzahl-Wert.

Aus der DE 199 37 139 C1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem Drehzahl-Regelkreis überwacht wird und mit Erkennen einer signifikanten Laständerung am Abtrieb der Brennkraftmaschine der Spritzbeginn nach Spät verstellt wird. Als signifikante Laständerung ist das Austauchen des Schiffsantriebs oder eine Lastabschaltung bei einer Generator-Anwendung ausgeführt.

Aus der DE 44 46 246 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung des Lastannahmeverhaltens und Beschleunigungsverhaltens einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern bekannt. Bei diesem Verfahren wird mit Erkennen einer Lastaufschaltung zusätzlich zur Drehzahl-Regelung der Spritzbeginn nach früh verstellt. Die Verstellung erfolgt hierbei in Abhängigkeit des Zylinder-Innendrucks oder eines Ladeluft-Drucks des Abgasturboladers. Das Verfahren ist jedoch aufwendig in der Abstimmung und nur für instationäre Betriebszustände ausgelegt.

Aus der DE 199 08 726 C2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Spritzbeginn über ein Kennfeld zumindest in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine berechnet wird. Zur Verbesserung der Laufruhe wird zusätzlich ein Korrektur-Spritzbeginn berechnet. Die Steuerung der Brennkraftmaschine erfolgt auf der Grundlage eines resultierenden Spritzbeginns, welcher aus dem Spritzbeginn und dem Korrektur-Spritzbeginn gebildet wird. Das darin beschriebene Verfahren ist bei einem Dieselmotor nur bedingt verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, hier Dieselmotor, zu entwerfen, welches einfach abzustimmen ist und die unterschiedlichen Betriebszustände der Brennkraftmaschine entsprechend berücksichtigt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Erfindung sieht vor, dass der Korrektur-Spritzbeginn aus der Abweichung einer Soll-Luftmasse zu einer Ist-Luftmasse berechnet wird. Die Soll-Luftmasse wird hierbei in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl und einem Soll-Moment berechnet. Anstelle des Soll-Moments kann alternativ ein gefiltertes Soll-Moment verwendet werden. Ebenfalls berücksichtigt wird bei der Berechnung der Soll-Luftmasse ein Betriebszustand der Abgasturbolader, z. B. einen Ein-Laderbetrieb oder Mehr-Laderbetrieb.

Die Vorteile der Erfindung sind, dass auf Luftmassen-Abweichungen, z. B. auf Grund eines verstopften Luftfilters oder eines defekten Waste-Gates, gezielt reagiert wird. Beispielsweise bewirkt ein defektes Waste-Gate ein zu hohes Ladeluft-Volumen. Durch die Erfindung wird als Reaktion der Spritzbeginn nach Spät verstellt. Hierdurch wird die Sicherheit entscheidend verbessert. Im instationären Betrieb wird zusätzlich eine Verbesserung von Abgas- und Lastannahmeverhalten erreicht.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spritzbeginn bei einer betriebskalten Brennkraftmaschine über ein erstes Kennfeld berechnet wird. Bei einer betriebswarmen Brennkraftmaschine wird der Spritzbeginn über ein zweites Kennfeld berechnet. Beim Übergang von einer betriebskalten zu einer betriebswarmen Brennkraftmaschine wird der Spritzbeginn gemäß einer Übergangsfunktion berechnet. Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil eines harmonischeren Übergangs und damit verbesserten Abgaswerten erzielt.

In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:
1 ein Systemschaubild;
2 ein Blockschaltbild zur Berechnung des resultierenden Spritzbeginns;
3 ein Blockschaltbild zur Berechnung des Spritzbeginns;
4 einen Programmablaufplan eines Unterprogramms;
5 einen Programmablaufplan eines Unterprogramms.
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 kann jedem Injektor 7 ein Einzelspeicher zugeordnet sein.
Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird durch das elektronische 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, eine Ansaugluft-Temperatur 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 einen resultierenden Spritzbeginn SB(RES) und eine Spritzdauer SD.
In der 2 ist ein Blockschaltbild zur Berechnung des resultierenden Spritzbeginns SB(RES) dargestellt. Der resultierende Spritzbeginn SB(RES) berechnet sich im Wesentlichen aus dem Spritzbeginn SB und dem Korrektur-Spritzbeginn dSB. Der Spritzbeginn SB wird über eine Berechnung Spritzbeginn 8 bestimmt. Die Eingangsgrößen sind die Ist-Drehzahl nM(IST), ein Soll-Moment MSW alternativ ein gefiltertes Soll-Moment MSW(F), eine Ladeluft-Temperatur TLL und eine Ansaugluft-Temperatur TAN. Alternativ zur Ladeluft- und Ansaugluft-Temperatur können auch eine Kühlmittel- und Öl-Temperatur verwendet werden. Die Berechnung des Spritzbeginns SB wird in Verbindung mit der 3 erläutert. Die Berechnung des Korrektur-Spritzbeginns dSB erfolgt über eine Berechnung 13 aus der Abweichung dLM einer Soll-Luftmasse LM(SL) zu einer Ist-Luftmasse LM(IST), Punkt B. Die Ist-Luftmasse LM(IST) wird über eine Berechnung 9 mittels der Gasgleichung aus der Ladeluft-Temperatur TLL, einem Ladeluft-Druck pLL und dem Zylinder-Volumen VZYL bestimmt. Die Soll-Luftmasse LM(SL) wird über ein Kennfeld 10 aus der Ist-Drehzahl nM(IST) und dem Soll-Moment MSW alternativ dem gefilterten Soll-Moment MSW(F) berechnet. In Abhängigkeit eines Betriebszustands der Abgasturbolader MOD(ATL) kann ein erstes Kennfeld 10 oder weitere Kennfelder 10 ausgewählt werden. Unter Betriebszustand der Abgasturbolader ist der Ein-Laderbetrieb oder Mehr-Laderbetrieb zu verstehen.
In 2 ist als Ergänzung eine sogenannte Höhen-Korrektur dH eingezeichnet. Bei dieser wird aus dem Umgebungs-Druck pAN über eine Kennlinie 11 eine Größe F1 berechnet. Diese wird an einer Stelle C mit einer Größe F2 multipliziert. Die Größe F2 wird aus der Ist-Drehzahl nM(IST) über eine Kennlinie 12 bestimmt. Das Ergebnis entspricht der Höhen-Korrektur dH. Diese kann an einem Punkt A zum resultierenden Spritzbeginn SB(RES) addiert werden.
Das Blockschaltbild der 2 besitzt folgende Funktionalität:
Aus der Luftmassen-Abweichung dLM kann eine Abweichung vom Normalzustand detektiert werden. Der Normalzustand wird vom Hersteller der Brennkraftmaschine bei Prüfstands-Versuchen festgelegt, zum Beispiel bei einer Umgebungs-Temperatur von 25°C, einer konstanten Ist-Drehzahl sowie Last und einem Umgebungs-Druck von 1013 Hektopascal. Eine Abweichung kann durch einen verstopften Luftfilter oder ein defektes Waste-Gate verursacht werden. Ein defektes Waste-Gate bewirkt ein zu hohes Ladeluft-Volumen. Als Reaktion hierauf wird der resultierende Spritzbeginn SB(RES) nach Spät verstellt. Ebenso kann eine Abweichung der Luftmasse bei instationären Betriebszuständen, z. B. Laständerung, auftreten.
In 3 ist die Berechnung 8 zur Berechnung des Spritzbeginns SB dargestellt. Als wesentliche Elemente umfasst diese ein erstes Kennfeld 14 zur Berechnung eines ersten Spritzbeginns SB1, ein zweites Kennfeld 16 zur Berechnung eines zweiten Spritzbeginns SB2 und ein Signalpfad zur Bestimmung einer Größe k. Die Eingangsgrößen des ersten Kennfelds 14 und des zweiten Kennfelds 16 sind identisch, entsprechend der Ist-Drehzahl nM(IST) und dem Soll-Moment MSW alternativ dem gefilterten Soll-Moment MSW(F). Das erste Kennfeld 14 wird bei einer betriebskalten Brennkraftmaschine verwendet, z. B. bei einer Temperatur kleiner als Null Grad Celsius. Das zweite Kennfeld 16 wird bei einer betriebswarmen Brennkraftmaschine verwendet, z. B. oberhalb von 25 Grad Celsius. Aus der Ladeluft-Temperatur TLL und der Ansaugluft-Temperatur TAN wird über eine Berechnung 15 eine virtuelle Temperatur TV bestimmt, aus welcher wiederum über eine Kennlinie 17 die Größe k gebildet wird. Alternativ zur Ladeluft-Temperatur TLL und der Ansaugluft-Temperatur TAN können auch Kühlmittel-Temperatur und Öl-Temperatur verwendet werden. Die virtuelle Temperatur TV kann hierbei mittels einer Berechnungsvorschrift bestimmt werden, welche z. B. aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2004 001 913.4 bekannt ist. Die Größe k wird an einer Stelle A mit dem zweiten Spritzbeginn SB2 multipliziert. An einem Punkt C wird vom Wert 1 diese Größe k subtrahiert und an einem Punkt D das Ergebnis mit dem zweiten Spritzbeginn SB2 multipliziert. Das Ergebnis aus dieser Multiplikation wird an einem Punkt B mit dem Ergebnis der Multiplikation am Punkt A addiert. Das Ergebnis entspricht dem Spritzbeginn SB. Durch das Blockschaltbild der 3 wird folgende Übergangsfunktion dargestellt: SB = k·SB2 + (1 – k) SB1mit:

SB: Spritzbeginn
k: Faktor
SB1: erster Spritzbeginn
SB2: zweiter Spritzbeginn

Diese Übergangsfunktion bestimmt die Werte des Spritzbeginns SB beim Übergang vom betriebskalten zum betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine.
Die 4 zeigt einen Programmablaufplan für ein Unterprogramm zur Berechnung des resultierenden Spritzbeginns SB(RES). Bei S1 wird der Spritzbeginn SB aus einem Unterprogramm Spritzbeginn (5) eingelesen. Danach wird bei S2 die Ist-Luftmasse LM(IST) über die Gasgleichung aus der Ladeluft-Temperatur TLL, dem Umgebungs-Druck pLL und dem Zylinder-Volumen VZYL berechnet. Bei S3 wird die Soll-Luftmasse LM(SL) aus der Ist-Drehzahl nM(IST) und dem Soll-Moment bzw. dem gefilterten Soll-Moment MSW(F) berechnet. Bei S4 wird die Soll-Luftmasse LM(SL) mit der Ist-Luftmasse LM(IST) verglichen, z. B. über Quotientenbildung. Hieraus resultiert die prozentuale Luftmassen-Abweichung dLM. Aus dieser Luftmassen-Abweichung dLM wird danach der Korrektur-Spritzbeginn dSB bestimmt, S5. Als Ergänzung kann bei S6 die Höhen-Korrektur dH berechnet werden. Der resultierende Spritzbeginn SB(RES) berechnet sich aus dem Spritzbeginn SB, dem Korrektur-Spritzbeginn dSB und der Höhen-Korrektur dH, S7. Danach wird zum Hauptprogramm zurückgekehrt.
In 5 ist ein Programmablaufplan für ein Unterprogramm zur Berechnung des Spritzbeginns SB dargestellt. Bei S1 wird der erste Spritzbeginn SB1 entsprechend der 3 bestimmt. Bei S2 wird die Größe k aus der Ladeluft-Temperatur TLL und der Ansaugluft-Temperatur TAN berechnet. In S3 wird der zweite Spritzbeginn SB2 entsprechend über das zweite Kennfeld 16 der 3 berechnet. Danach wird bei S4 der Spritzbeginn SB gemäß folgender Beziehung berechnet: SB = k·SB2 + (1 – k) SB1
Nachdem der Spritzbeginn SB berechnet wurde, wird zum Unterprogramm des resultierenden Spritzbeginns SB(RES), hier Schritt S1, zurückgekehrt. Damit ist der Programmablauf beendet.
Aus der Beschreibung ergeben sich für die Erfindung folgende Vorteile:

– eine Abweichung der Luftmasse vom Normalzustand wird zweifelsfrei erkannt und durch die Veränderung des resultierenden Spritzbeginns darauf reagiert;
– der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bleibt über deren Lebensdauer harmonisch;
– der Übergang bei Laderschaltvorgängen wird verkürzt;
– das Verfahren ist einfach zu applizieren und abzustimmen.

1: Brennkraftmaschine
2: Kraftstofftank
3: Pumpen mit Saugdrossel
4: Elektronisches Steuergerät (ADEC)
5: Rail-Drucksensor
6: Rail
7: Injektor
8: Berechnung Spritzbeginn
9: Berechnung (Gasgleichung)
10: Kennfeld, Soll-Luftmasse
11: Kennlinie
12: Kennlinie
13: Berechnung Korrektur-Spritzbeginn
14: erstes Kennfeld
15: Berechnung virtuelle Temperatur
16: zweites Kennfeld
17: Kennlinie

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) bei dem ein Spritzbeginn (SB) zumindest in Abhängigkeit einer Ist-Drehzahl (nM(IST)) berechnet wird, ein Korrektur-Spritzbeginn (dSB) berechnet wird und ein resultierender Spritzbeginn (SB(RES)) aus dem Spritzbeginn (SB) und dem Korrektur-Spritzbeginn (dSB) zur Steuerung der Brennkraftmaschine (1) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrektur-Spritzbeginn (dSB) aus der Abweichung (dLM) einer Soll-Luftmasse (LM(SL)) zu einer Ist-Luftmasse (LM(IST)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Luftmasse (LM(SL)) in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl (nM(IST)) und einem Soll-Moment (MSW) alternativ einem gefilterten Soll-Moment (MSW(F)) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Soll-Luftmasse (LM(SL)) ein Betriebszustand der Abgasturbolader berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des Korrektur-Spritzbeginns (dSB) die Ist-Drehzahl (nM(IST)) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzbeginn (SB) bei einer betriebskalten Brennkraftmaschine (1) über ein erstes Kennfeld (14) berechnet wird, der Spritzbeginn (SB) bei einer betriebswarmen Brennkraftmaschine (1) über ein zweites Kennfeld (16) berechnet wird und der Spritzbeginn (SB) beim Übergang von betriebskalter zu betriebswarmer Brennkraftmaschine (1) gemäß einer Übergangsfunktion berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgrößen des ersten Kennfelds (14) und des zweiten Kennfelds (16) der Ist-Drehzahl (nM(IST)) und dem Soll-Moment (MSW) alternativ dem gefilterten Soll-Moment (MSW(F)) entsprechen.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhen-Korrektur (dH) zur Korrektur des Spritzbeginns (SB) vorgesehen wird.