DE102006003131B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Z1 bis Z4), in dem ein Brennraum ausgebildet ist und dem Gaswechselventile (12, 13) zugeordnet sind, abhängig von deren Stellung der Brennraum mit einem Ansaugtrakt (1) und/oder einem Abgastrakt (4) kommuniziert, und mit mindestens einem Phasensteller (14, 15) der einem der Gaswechselventile (12, 13) zugeordnet ist und mit einer Drosselklappe (5), die in dem Ansaugtrakt (1) angeordnet ist, bei dem
– ein Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum abhängig von mindestens einer einen Fahrerwunsch repräsentierenden Betriebsgröße (BG) ermittelt wird,
– ein Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) abhängig von einem Istwert (MAF_AV) des Luftmassenstroms in den Brennraum ermittelt wird,
– ein Sollwert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich einer Gaswechselventilphase abhängig von dem Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum und dem Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) ermittelt wird,
– mindestens ein Phasensteller abhängig von dem Sollwert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase angesteuert wird,...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist und dem Gaswechselventile zugeordnet sind, abhängig von deren Stellung er mit einem Ansaugtrakt und/oder einem Abgastrakt kommuniziert. Ferner ist mindestens ein Phasensteller mindestens einem der Gaswechselventile zugeordnet zum Einstellen einer Gaswechselventilphase.
  • Steigende Energiekosten und Verschärfungen gesetzlicher Bestimmungen bezüglich des zulässigen Kraftstoffverbrauchs oder der zulässigen Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, in denen Brennkraftmaschinen angeordnet sind, machen es erforderlich, Maßnahmen zu ergreifen, um einerseits den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen zu senken und andererseits sicherzustellen, dass die von dem Kraftfahrzeug ausgestoßenen Schadstoffemissionen geringe Werte einnehmen. Zu diesem Zweck sind viele Brennkraftmaschinen mit Phasenstellern ausgestattet, die jeweils mindestens einem der Gaswechselventile zugeordnet sind und mittels derer ein Restgasanteil in dem jeweiligen Brennraum des jeweiligen Zylinders variierbar ist und so insbesondere in geeigneten Lastpunkten entsprechend hoch einstellbar ist. Derart hohe Restgasraten werden beispielsweise bei selbstzündenden Brennverfahren zum Bereitstellen einer reaktiven Energiemenge in dem Brennraum des Zylinders zum Einleiten der Selbstzündung genutzt. Gegebenenfalls kann darüber hinaus auch eine Zündunterstützung mittels einer Zündkerze erfolgen.
  • Für konventionell gezündete Ottomotoren ist es bekannt, im unteren und mittleren Teillastbereich die Brennkraftmaschine mit einer hohen Abgasrückführrate zu betreiben, um die Verbrennung in dem jeweiligen Brennraum bezüglich des Verbrauchs und/oder der Schadstoffemissionen zu optimieren. Die zu diesem Zweck bevorzugt eingesetzten Phasensteller wirken bevorzugt auf eine Nockenwelle oder mindestens eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein und sind dort ausgebildet, die Gaswechselventilphase, insbesondere eine Einlassphase und/oder eine Auslassphase, während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu verändern. Auf diese Weise kann eine Füllung des Brennraums des Zylinders mit Gas verändert werden und es kann ein internes Rückführen von Abgas, das auch als Restgas bezeichnet werden kann, in den jeweiligen Brennraum realisiert werden.
  • Eine drehmomentbasierte Funktionsstruktur für Motorsteuerungen ist aus dem Fachbuch „Handbuch Verbrennungsmotor", Herausgeber Richard von Basshuysen, Vieweg Verlag, zweite Auflage, 2002, Seiten 554 bis 557 bekannt. Schnittstellen innerhalb von Einzelfunktionen sind hier als Drehmomente oder Wirkungsgrade definiert. Der Drehmomentwunsch wird von der Fahrpedalstellung abgeleitet. Die Drehmomentstruktur umfasst zwei Pfade und zwar einen Füllungspfad und einen kurbelwellensynchronen Zündungspfad. Der Füllungspfad nimmt alle füllungsbeeinflussenden Stelleingriffe der Drosselklappe vor. Der kurbelwellensynchrone Zündungspfad nimmt alle Eingriffe vor, die direkt auf den Verbrennungswirkungsgrad einwirken.
  • Ferner ist aus dem Fachbuch „ Handbuch Verbrennungsmotor" (s. o.), Seiten 557 bis 559, auch ein Saugrohrfüllungsmodell bekannt. Das Saugrohrfüllungsmodell ist ausgebildet eine in den Zylinder abfließende Luftmasse abhängig von in Tabellen abgelegten Schluckkennlinien zu ermitteln, die abhängig sind von einem modellierten Saugrohrdruck. Der modellierte Saugrohrdruck wird über eine Differentialgleichung aus der allgemeinen Gasgleichung berechnet. Die über die Drosselklappe in das Saugrohr einströmende Luftmasse wird aus der Stellung der Drosselklappe abgeleitet.
  • Aus der DE 196 18 385 A1 ist eine Steuereinrichtung mit einer Steuereinheit bekannt, die über Ausgangsleitungen und eine Ausgangsschaltung eine Brennkraftmaschine steuert. Über eine erste Ausgangsleitung wird eine elektrisch betätigbare Drosselklappe zur Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine betätigt. Eine Nockenverstellung ist vorgesehen, die über eine weitere Ausgangsleitung von der Steuereinheit angesteuert wird. Eine Luftzufuhr wird nach Maßgabe eines vom Fahrer oder wenigstens eines anderen Steuer- beziehungsweise Regelsystems vorgegebenen Sollwertes für das Drehmoment gesteuert und zwar im Sinne einer Annäherung des Istwertes an den Sollwert. Aus einem Sollmomentenwert wird ein Sollwert für die Zylinderfüllung ermittelt, der wiederum in einen Sollwert für die Stellung der Drosselklappe umgewandelt wird.
  • Aus der DE 103 52 851 A1 ist ein Verfahren zur Regelung des Verstellvorgangs des Verdrehwinkels einer Nockenwelle gegenüber dem Verdrehwinkel einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine mittels einer elektromechanischen Stellvorrichtung bekannt. Die Geschwindigkeit des Verstellvorgangs des Verdrehwinkels wird geregelt und der Verstellvorgang wird in einer Kaskade von mindestens zwei Regelkreisen geregelt.
  • Aus der DE 43 15 885 C1 ist ein Verfahren zur Drehmomenteinstellung an einer Brennkraftmaschine bekannt. Aus einem vor gegebenen Sollausgangsdrehmoment wird ein Last-Sollwert ermittelt. Mittels eines Luftströmungssensors wird der Luftmassenstrom gemessen. In einer Regeleinrichtung wird die Abweichung des gemessenen Istwertes von dem berechneten Sollwert durch Steuerung des Drosselklappenwinkels auf Null reduziert. Aus dem Last-Sollwert wird mit Hilfe eines invers getakteten Lastfilters ein mittlerer Luftmassenstrom berechnet und der mittlere Luftmassenstrom wird als korrigierter Sollwert und der gemessene Luftmassenstrom als Istwert zur Verfügung gestellt.
  • Aus der nachveröffentlichten DE 10 2004 061 110 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Einlassventil, das von einer Einlassnockenwelle betätigt wird und einem Auslassventil, das von einer Auslassnockenwelle betätigt wird. Die Einlassnockenwelle ist mit einer Nockenwellen-Verstelleinrichtung, die Auslassnockenwelle mit einer Nockenwellen-Verstelleinrichtung verbunden. Der Betrieb der Brennkraftmaschine wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung gesteuert beziehungsweise geregelt. Die Drosselklappe und die beiden Nockenwellen-Verstelleinrichtungen werden von der Steuer- und Regeleinrichtung angesteuert. Zur Realisierung einer Betriebsstrategie wird eine große Ventilüberschneidung benötigt, bei der im Übergang von einem Ausstoßtakt zu einem Ansaugtakt das Einlassventil und das Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind. Dies führt zu einem Scavenging-Effekt. Zur Realisierung einer weiteren Betriebsstrategie werden eine kleine Ventilüberschneidung sowie entsprechend ein höherer Ladedruck eingestellt, um das zu erzielende Drehmoment zu erreichen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die ein präziseres Steuern der Brennkraftmaschine ermöglichen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist und dem Gaswechselventile zugeordnet sind, abhängig von deren Stellung er mit einem Ansaugtrakt und/oder einem Abgastrakt kommuniziert. Ferner ist mindestens ein Phasensteller einem der Gaswechselventile zugeordnet. Eine Drosselklappe ist in dem Ansaugtrakt angeordnet. Ein Sollwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum wird abhängig von mindestens einer einen Fahrerwunsch repräsentierende Betriebsgröße ermittelt. Ein Korrekturwert wird abhängig von einem Istwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum ermittelt. Ein Sollwert des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase wird abhängig von dem Sollwert des Luftmassenstroms in den Brennraum und dem Korrekturwert ermittelt. Mindestens ein Phasensteller wird abhängig von dem Sollwert des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase angesteuert und die Drosselklappe wird abhängig von dem Sollwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum angesteuert.
  • Auf diese Weise kann die in den jeweiligen Brennraum einströmende Luftmasse äußerst präzise eingestellt werden und insbesondere auch in einem instationären Betrieb der Brennkraftmaschine im Hinblick auf ein Gütekriterium optimiert eingestellt werden, also insbesondere auch im Hinblick auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad und/oder geringe Schadstoffemissionen und/oder auf besten Komfort unter Minimierung der Laufunruhe und/oder auch höchstes Drehmoment und/oder maximale Leistung.
  • Durch das separate Vorsehen des Sollwertes des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase können die jeweiligen Phasensteller insbesondere bei sehr schnellen Änderungen des Sollwertes des Luftmassenstroms in dem Brennraum einfach in geeigneter Weise angesteuert werden mit der Folge, dass einfach ein Erfüllen der Gütekriterien auch in einem derartigen instationären Betrieb möglich ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in einem quasi-stationären Betrieb der Brennkraftmaschine der Korrekturwert als Stellsignal eines Integralreglers ermittelt, dessen Regeldifferenz abhängig von dem Istwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum und dem Sollwert des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase ermittelt wird. Auf diese Weise können Abweichungen des Sollwertes des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventile von dem Istwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum stationär sehr präzise kompensiert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein geglätteter Istwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum abhängig von dem Istwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum ermittelt und die Regeldifferenz durch Bilden der Differenz des geglätteten Istwertes des Luftmassenstroms in dem Brennraum und des Sollwertes des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase ermittelt. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Mitkopplung zwischen dem Istwert des Luftmassenstroms in den Brennraum und der Gaswechselventilphase vermieden werden. Es ist somit also eine geeignete Regelkreisstabilität bei dem Integralregler gewährleistet.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine der Korrekturwert abhängig von der Differenz des Sollwertes des Luftmassenstroms in dem Brennraum und des Istwertes des Luftmassenstroms in dem Brennraum ermittelt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch in einem transienten Betrieb mit einem sehr plötzlich veränderten Sollwert des Luftmassenstroms in dem Brennraum, der im Wesentlichen den Fahrerwunsch repräsentiert, ein besonders gut geeignetes Anpassen und zwar insbesondere auf den Verlauf des Anpassens hin der Gaswechselventilphase erfolgen kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einem Erzeugen eines Stellsignals die Drosselklappe ein Istwert der Gaswechselventilphase und/oder der Korrekturwert und/oder ein Schätzwert einer Abgasrückführrate berücksichtigt. Dies ist insbesondere bei Stellern von Vorteil, deren Stellgeschwindigkeit kleiner ist als in etwa 250 Grad Kurbelwellenwinkel pro Sekunde, wie dies beispielsweise bei elektrohydraulischen Phasenstellern der Fall sein kann. Derartige im Vergleich zu beispielsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigten Phasenstellern langsame Phasensteller können einer Veränderung des Öffnungsgrades der Drosselklappe nur so langsam folgen, dass ohne weitere Maßnahmen die Gefahr besteht, dass gegebenenfalls Zündaussetzer auftreten können. Durch das Berücksichtigen des Istwertes der Gaswechselventilphase und/oder des Korrekturwertes und/oder des Schätzwertes der Abgasrückführrate kann dann der Verlauf des Öffnungsgrades der Drosselklappe so angepasst werden, dass das gewünschte Gütekriterium auch in diesem transienten Betrieb eingehalten werden kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig von dem Istwert der Gaswechselventilphase und/oder dem Korrekturwert und/oder dem Schätzwert einer Abgasrückführrate aktiv eine Lastaufschaltung oder Wirkungsgradverschlechterung gesteuert. So kann insbesondere bei langsamen Gaswechselventilstellern bei starken negativen Sprüngen des Sollwertes des Luftmassenstroms in den Brennraum sehr schnell so eine letztlich gewünschte Drehmomentreduzierung an dem Abtrieb erreicht werden und dennoch ein gewünschter schadstoffemissionsarmer Übergang hin zu der verringerten Luftmasse gewährleistet werden. Die Lastaufschaltung kann beispielsweise ein Aufschalten eines Generators sein. Die Wirkungsgradverschlechterung kann beispielsweise eine Zündwinkelverstellung oder eine Änderung der Einspritzmenge sein.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuervorrichtung,
  • 2 ein Blockschaltbild der Steuervorrichtung und
  • 3 Ventilhubverläufe von Gaseinlass- und Gasauslassventile.
  • Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Eine Brennkraftmaschine umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst bevorzugt eine Drosselklappe 5, ferner einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Z1 über einen Einlasskanal in den Motorblock 2 geführt ist. Der Motorblock 2 umfasst ferner eine Kurbelwelle 8, welche über eine Pleuelstange 10 mit dem Kolben 11 des Zylinders Z1 gekoppelt ist.
  • Der Zylinderkopf 3 umfasst einen Ventiltrieb mit einem Gaseinlassventil 12 und einem Gasauslassventil 13. Das Gaseinlassventil 12 und das Gasauslassventil 13 sind Gaswechselventile. Ferner ist dem Ventiltrieb bevorzugt jeweils für das Gaseinlassventil 12 und gegebenenfalls auch für das Gasauslassventil 13 ein Phasenversteller 14, 15 zugeordnet, mittels dessen eine Phase des Gaseinlassventilhubverlaufs beziehungsweise des Gasauslassventilhubverlaufs über den Kurbelwellenwinkel bezogen auf eine Referenzstellung der Kurbelwelle verstellbar ist.
  • Der Zylinderkopf 3 umfasst ferner ein Einspritzventil 18 und eine Zündkerze 19. Alternativ kann das Einspritzventil 18 auch einem Saugrohr 7 angeordnet sein.
  • In dem Abgastrakt 4 ist ein Abgaskatalysator 21 angeordnet, der bevorzugt als Dreiwegekatalysator ausgebildet ist.
  • Eine Steuervorrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Wert der Messgröße ermitteln. Betriebsgrößen BG umfassen neben den Messgrößen auch von diesen abgeleitete Größen. Die Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen BG Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuervorrichtung 25 kann auch als Vorrichtung zum Steuern der Brennkraftmaschine bezeichnet werden.
  • Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber, welcher eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein erster Temperatursensor 32, welcher eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksensor 34, welcher einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, welcher einen Kurbelwellenwinkel CRK erfasst, dem dann eine Drehzahl N zugeordnet wird. Ferner ist bevorzugt ein zweiter Temperatursensor 38 vorgesehen, der eine Kühlmitteltemperatur erfasst. Ein Zylinderdrucksensor 39 ist vorgesehen, der einen Druckverlauf in dem Brennraum des Zylinders Z1 erfasst. Ferner ist eine Abgassonde 42 vorgesehen, die stromaufwärts des Abgaskatalysators 21 angeordnet ist und den Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und deren Messsignal charakteristisch ist für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Brennraum des Zylinders Z1 und stromaufwärts der Abgassonde vor der Oxidation des Kraftstoffs.
  • Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
  • Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, die Phasensteller 14, 15, das Einspritzventil 18 oder die Zündkerze 19.
  • Neben dem Zylinder Z1 sind bevorzugt auch noch weitere Zylinder Z2 bis Z4 vorgesehen, denen dann auch entsprechende Stellglieder und gegebenenfalls Sensoren zugeordnet sind.
  • Ein Block B1 (2) der Steuervorrichtung 25 umfasst ein Saugrohrfüllungsmodell des Ansaugtraktes 1. Das Saugrohrfüllungsmodell ist in dem Fachbuch „Handbuch Verbrennungsmotor", das bereits eingangs zitiert wurde, offenbart und dessen Inhalt ist hiermit diesbezüglich einbezogen. Mittels des Saugrohrfüllungsmodells wird abhängig von mindestens einer Betriebsgröße BG ein Istwert MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum des jeweiligen Zylinders Z1 bis Z4 ermittelt. Bevorzugt wird in diesem Zusammenhang als Betriebsgröße BG mindestens ein Öffnungsgrad der Drosselklappe 5 und auch die Drehzahl N berücksichtigt. Bevorzugt werden jedoch beispielsweise auch noch der mittels des Luftmassensensors 28 erfasste Luftmassenstrom und/oder der mittels des Saugrohrdrucksensor 34 erfasste Saugrohrdruck berücksichtigt. Das Saugrohrfüllungsmodell modelliert das dynamische Verhalten des Ansaugtraktes 1.
  • Block B2 umfasst ein Drehmomentmodell, das dazu ausgebildet ist, in einem langsamen Füllungspfad einen Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den jeweiligen Brennraum des jeweiligen Zylinders abhängig von mindestens einer der Betriebsgrößen BG zu ermitteln. Dabei ist bevorzugt mindestens eine der genutzten Betriebsgrößen repräsentativ für einen Fahrerwunsch eines Fahrers eines Kraftfahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine anordenbar ist. Bevorzugt wird somit zum Ermitteln des Sollwertes MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum die Pedalstellung des Fahrpedals 27 herangezogen. Die grundsätzliche Struktur eines derartigen Drehmomentenmodells ist in dem Fachbuch „Handbuch Verbrennungsmotor" auf den Seiten 554 bis 557 offenbart, dessen Inhalt hiermit diesbezüglich einbezogen ist. Das über die Drosselklappe einzustellende indizierte Drehmoment wird bevorzugt abhängig von mindestens einem Kennfeld unter Berücksichtigung gegebenenfalls weiterer Rechenvorschriften in den Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum umgerechnet.
  • Ferner sind Blöcke B3 und B4 vorgesehen, die jeweils ausgebildet sind zum Ermitteln eines Korrekturwertes DIF_MAF_IVVT_I, wobei ein "n" jeweils den aktuellen Berechnungszyklus, so zum Beispiel innerhalb eines aktuellen Zylindersegments bezeichnet, und "n – 1" denjenigen Berechnungszyklus der dem aktuellen vorangegangen ist. Ein Zylindersegment ist gegeben durch denjenigen Kurbelwellenwinkel der einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine dividiert durch die Anzahl der Zylinder Z1–Z4 entspricht.
  • Der Block B3 ist aktiv, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem quasi-stationären Betrieb befindet und ist ansonsten inaktiv. Der quasi-stationäre Betrieb ist bevorzugt dann gegeben, wenn der Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum im wesentlichen konstant ist, und zwar insbesondere, wenn seine Änderung unter einem vorgebbaren Betrag liegt.
  • Durch den Block B3 ist ein Integralregler ausgebildet, dessen Regeldifferenz abhängig von dem Istwert MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum und einem Sollwert MAF_IVVT eines Luftmassenstroms bezüglich einer Gaswechselventilphase ermittelt wird. Die Größe des Sollwertes MAF_IVVT des Luftmassen stroms bezüglich der Gaswechselphase ist zusätzlich zu dem Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum vorgegeben und wird insbesondere eingesetzt zum Ermitteln zumindest eines Stellsignals für zumindest einen der Phasensteller 14, 15 der Gaswechselventile.
  • Bevorzugt wird abhängig von dem Istwert MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum ein geglätteter Istwert MAF_MMV des Luftmassenstroms in den Brennraum ermittelt. Dies erfolgt bevorzugt durch eine Tiefpassfilterung des Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum oder durch eine gleitende Mittelwertbildung abhängig von dem Istwert MAF_AV des Luftmassenstroms in dem Brennraum. Auf diese Weise kann bei geeigneter Wahl einer Filterkonstanten des Tiefpassfilters oder auch eines Wichtungsfaktors im Rahmen der gleitenden Mittelwertbildung eine unerwünschte Mitkopplung im Rahmen der Regelung vermieden werden, insbesondere kann die Gefahr der Mitkopplung zwischen dem Istwert MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum und einer Gaswechselventilphase, wie beispielsweise einer Auslassphase des Gasauslassventils 15 oder einer Einlassphase des Gaseinlassventils 14 vermieden werden.
  • Durch eine geeignete Wahl der Funktion f der Rechenvorschrift des Blockes 23 kann eine Reglerverstärkung des Integralreglers geeignet eingestellt werden.
  • Der Block 24 ist aktiv, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem transienten Betrieb befindet und ist ansonsten inaktiv. Der transienten Betrieb ist bevorzugt dann gegeben, wenn sich der Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum ändert, und zwar insbesondere mindestens um einen vorgebbaren Betrag, und liegt dann vor für eine vorgebbare Zeitdauer bis wieder im Wesentlichen stationäre Verhältnisse vorliegen be züglich des Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum des Zylinders.
  • Der Block B4 ist dazu ausgebildet, den Korrekturwert DIF_MAF_IVVT_I mittels der in dem Block B4 dargestellten Berechnungsvorschrift zu ermitteln. KF bezeichnet dabei ein Kennfeld, dessen Eingangsgröße eine Differenz des Sollwertes MAF_SP_TQI und des Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum ist und dessen Ausgangsgröße ein Faktor ist, mit dem die Differenz des Sollwertes MAF_SP_TQI und des Istwertes MAF_AV des Luftmassenstroms in den Brennraum multipliziert wird und so dem Korrekturwert DIF_MAF_IVVT_I zugeordnet wird. Das Kennfeld KF ist bevorzugt durch entsprechende Versuche an einem Motorprüfstand oder auch durch Simulationen ermittelt und in der Steuervorrichtung 25 gespeichert.
  • Ein Block B6 ist dazu ausgebildet, den Sollwert MAF_IVVT des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase zu ermitteln. Dies erfolgt bevorzugt mittels der in dem Block B6 angegebenen Berechnungsvorschrift, also durch Bilden der Differenz zwischen dem Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum und des Korrekturwertes DIF_MAF_IVVT_I.
  • Ein Block B7 ist dazu ausgebildet, Sollwerte für mindestens eine Gaswechselventilphase abhängig von dem Sollwert MAF_IVVT des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase und bevorzugt zumindest abhängig von der Drehzahl N und gegebenenfalls auch weiteren Betriebsgrößen BG zu ermitteln. Bevorzugt wird so in dem Block B7 ein Sollwert CAM_IN_SP der Einlassphase zum Ansteuern des Phasenstellers 14 ermittelt, der dem Gaseinlassventil 12 zugeordnet ist. Ferner wird so bevorzugt in dem Block B7 zusätzlich oder alternativ ein Sollwert CAM_EX_SP einer Auslassphase zum Ansteuern des Phasenstellers 15 ermittelt, der dem Gasauslassventil 13 zugeordnet ist. In dem Block B7 werden dann auch entsprechende Stellsignale zum Ansteuern der jeweiligen Phasensteller 14, 15 abhängig von dem Sollwert CAM_IN_SP der Einlassphase beziehungsweise dem Sollwert CAM_EX_SP der Auslassphase ermittelt.
  • Zu jeder Drehzahl N und sich insbesondere in dem dynamischen Betrieb einstellenden Istwerten MAF_AV des Luftmassenstroms in dem Zylinder existiert genau eine Kombination der Einlassbeziehungsweise Auslassphasen, bei der unter Einhaltung eines optimalen Zündwinkels die Brennkraftmaschine ihr maximales Drehmoment liefert. Dies hat zur Folge, dass bei einer fallenden Last die in dem Brennraum pro Arbeitszyklus strömende Luftmasse möglichst rasch verringert werden sollte und bei steigender Last diese möglichst rasch erhöht werden sollte und darüber hinaus in jedem Arbeitszyklus mit einem optimalen Verbrennungswirkungsgrad die Brennkraftmaschine betrieben werden sollte. In diesem Zusammenhang wird in einem Block B8 ein Stellsignal SG_THR für die zum Einstellen des Öffnungsgrades der Drosselklappe 5 abhängig von dem Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in dem Brennraum ermittelt und der Öffnungsgrad der Drosselklappe dann entsprechend eingestellt.
  • Durch die Funktionalität der Blöcke B1 bis B7 kann zum Erzeugen der Stellsignale für die Phasensteller 14, 15 der Sollwert MAF_IVVT des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase herangezogen werden, der nicht direkt und ausschließlich an den aktuellen Wert des Sollwertes MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum gekoppelt ist. Es ist somit ein weiterer Freiheitsgrad gegeben, der dazu genutzt wird, dass insbesondere durch die so eingestellte Einlassphase beziehungsweise Auslassphase eine optimale Brennraumfüllung un ter den gegebenen Randbedingungen und somit ein optimaler Ladungswechselwirkungsgrad erreicht wird. Das Stellsignal für den jeweiligen Phasensteller 14, 15 wird in diesem Zusammenhang bevorzugt entsprechend geeignet vorauseilend unter Berücksichtigung der Dynamik der entsprechenden relevanten Teile des Ansaugtraktes oder auch der Phasensteller 14, 15 und eines gegebenenfalls prädizierten Verlaufs der Drehzahl N und zwar derart ermittelt, dass die zu einem Zeitpunkt n prädizierte in den jeweiligen Brennraum strömende Luftmasse exakt der realen zu einem Zeitpunkt n + x in den Brennraum strömenden Luftmasse entspricht. Der Platzhalter x berücksichtigt hierbei die endliche Stellgeschwindigkeit des jeweiligen Phasenstellers 14, 15.
  • Bevorzugt ist als Phasensteller 14, 15 ein Phasensteller mit hoher Verstellgeschwindigkeit, also beispielsweise größer als 400 Grad Kurbelwellenwinkel pro Sekunde, also insbesondere ein elektrischer Phasensteller oder gegebenenfalls auch ein piezoelektrischer Phasensteller im Einsatz. Bei elektrischen Phasenstellern ist das dynamische Verhalten weitgehend temperaturunabhängig und somit leicht beherrschbar.
  • Durch das Ermitteln des Korrekturwertes DIF_MAF_IVVT_I mittels des Integral-Reglers des Blocks B3 in dem Quasi-Stationärbetrieb kann auch eine gegebenenfalls andernfalls bleibende Abweichung zwischen dem geglätteten Istwert MAF_MMV des Luftmassenstroms in den Brennraum und des Sollwertes MAF_IVVT des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase stationär genau kompensiert werden und somit ausgeglichen werden.
  • Das dynamische Verhalten der Phasensteller kann so insbesondere bei der jeweiligen Vorgabe des Sollwertes CAM_IN_SP der Einlassphase beziehungsweise des Sollwertes CAM_EX_SP der Auslassphase derart berücksichtigt werden, dass sich die Phasensteller 14, 15 für einen jeweils zu erwartenden Betriebspunkt an einer vorgegebenen optimalen Einlassphase beziehungsweise Auslassphase befinden.
  • Im Falle eines langsamen Phasenstellers mit einer geringeren Verstellgeschwindigkeit, wie zum Beispiel kleiner als 100 Grad Kurbelwellenwinkel pro Sekunde, wie dies beispielsweise für einen hydraulisch betätigten Phasensteller 14, 15 der Fall ist, ist bevorzugt statt dem Block B8 ein Block B10 vorgesehen. Der Block B10 ist dazu ausgebildet das Stellsignal SG_THR zum Einstellen des Öffnungsgrades der Drosselklappe abhängig von dem Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms und mindestens einer der folgenden Größen zu ermitteln: einen Schätzwertes der Abgasrückführrate EGR, den Sollwert CAM_EX_SP der Auslassphase, den Sollwert CAM_IN_SP der Einlassphase, den Istwert CAM_EX_AV der Auslassphase, den Istwert CAM_IN_AV der Einlassphase und den Korrekturwert DIF_MAF_IVVT_I. Auf diese Weise kann die Realisierung des Fahrerwunsches, insbesondere repräsentiert durch den Sollwert MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum, verzögert erfolgen. Insofern ist das Ansteuern der Drosselklappe 5 von dem Fahrerwunsch entkoppelt und kann an das Erreichen des Istwertes CAM_EX_AV der Auslassphase und/oder des Istwertes CAM_IN_AV der Einlassphase oder einer vorgegebenen Abgasrückführrate gekoppelt sein, und so können verbrennungstechnisch kritische Beladungen des Brennraums wirkungsvoll vermieden werden. Der Schätzwert der Abgasrückführrate wird bevorzugt abhängig von mindestens einer Betriebsgröße BG, bevorzugt mittels eines Restgasmodells der Brennkraftmaschine ermittelt, wie es regelmäßig bei modernen Motorsteuerungen im Einsatz ist.
  • Insbesondere bei einem hoch dynamischen negativen Lastsprung, also bei einem sehr schnellen Verringern des Sollwertes MAF_SP_TQI des Luftmassenstroms in den Brennraum, kann das dadurch repräsentierte gewünschte Verringern des Drehmoments abtriebsseitig der Brennkraftmaschine dadurch sehr schnell erreicht werden, dass in diesem Falle eine externe Lastaufschaltung oder eine temporäre Wirkungsgradverschlechterung aktiv durchgeführt wird, um insbesondere den Fahrerwunsch anderweitig zu realisieren als über eine sofortige Reduzierung des tatsächlich in dem jeweiligen Brennraum befindlichen Luftmasse. Die externe Lastaufschaltung, kann beispielsweise durch Aufschalten eines Generators erfolgen, der durch die Kurbelwelle 8 angetrieben wird. Die Wirkungsgradverschlechterung kann beispielsweise auch durch einen Zündwinkelverzug erfolgen.
  • Gaswechselventilverläufe sind anhand der 3 näher dargestellt. Dabei ist 50 der Gaseinlassventilhubverlauf, 52 der Gasauslassventilhubverlauf, CRK der Kurbelwellenwinkel und TDC ein oberer Totpunkt des Kolbens 11.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Z1 bis Z4), in dem ein Brennraum ausgebildet ist und dem Gaswechselventile (12, 13) zugeordnet sind, abhängig von deren Stellung der Brennraum mit einem Ansaugtrakt (1) und/oder einem Abgastrakt (4) kommuniziert, und mit mindestens einem Phasensteller (14, 15) der einem der Gaswechselventile (12, 13) zugeordnet ist und mit einer Drosselklappe (5), die in dem Ansaugtrakt (1) angeordnet ist, bei dem – ein Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum abhängig von mindestens einer einen Fahrerwunsch repräsentierenden Betriebsgröße (BG) ermittelt wird, – ein Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) abhängig von einem Istwert (MAF_AV) des Luftmassenstroms in den Brennraum ermittelt wird, – ein Sollwert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich einer Gaswechselventilphase abhängig von dem Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum und dem Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) ermittelt wird, – mindestens ein Phasensteller abhängig von dem Sollwert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase angesteuert wird, und bei dem – die Drosselklappe abhängig von dem Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum angesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem quasi-stationären Betrieb der Brennkraftmaschine der Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) als Stellsignal eines Integralreglers ermittelt wird, dessen Regeldifferenz abhängig von dem Istwert (MAF_AV) des Luftmassenstroms in den Brennraum und dem Soll wert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein geglätteter Istwert (MAF_MMV) des Luftmassenstroms in den Brennraum abhängig von dem Istwert (MAF_AV) des Luftmassenstroms in den Brennraum ermittelt wird, und die Regeldifferenz durch Bilden der Differenz des geglätteten Istwerts (MAF_MMV) des Luftmassenstroms in den Brennraum und des Sollwertes (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in einem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine der Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) abhängig von der Differenz des Sollwertes (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum und des Istwertes (MAF_AV) des Luftmassenstroms in den Brennraum ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei dem Erzeugen des Stellsignals für die Drosselklappe (5) ein Istwert der Gaswechselventilphase und/oder der Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) und/oder ein Schätzwert einer Abgasrückführrate berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem abhängig von dem Istwert der Gaswechselventilphase und/oder dem Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) und/oder dem Schätzwert einer Abgasrückführrate aktiv eine Lastaufschaltung oder Wirkungsgradverschlechterung gesteuert wird.
  7. Vorrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (Z1 bis Z4), in dem ein Brennraum aus gebildet ist und dem Gaswechselventile (12, 13) zugeordnet sind, abhängig von deren Stellung der Brennraum mit einem Ansaugtrakt (1) und/oder einem Abgastrakt (4) kommuniziert, und mit mindestens einem Phasensteller (14, 15) der einem der Gaswechselventile (12, 13) zugeordnet ist und mit einer Drosselklappe (5), die indem Ansaugtrakt (1) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist: – einen Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum abhängig von mindestens einer einen Fahrerwunsch repräsentierenden Betriebsgröße (BG) zu ermitteln, – einen Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) abhängig von einem Istwert (MAF_AV) des Luftmassenstroms in den Brennraum zu ermitteln, – einen Sollwert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich einer Gaswechselventilphase abhängig von dem Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum und dem Korrekturwert (DIF_MAF_IVVT_I) zu ermitteln, – mindestens einen Phasensteller abhängig von dem Sollwert (MAF_IVVT) des Luftmassenstroms bezüglich der Gaswechselventilphase anzusteuern, und – die Drosselklappe abhängig von dem Sollwert (MAF_SP_TQI) des Luftmassenstroms in den Brennraum anzusteuern.
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