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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von Eingangsgrößen eine
den Verbrennungsablauf charakterisierende Brennraumgröße ermittelt
wird.
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Die
Entstehung von Schadstoffen im Abgas einer Verbrennungsmaschine
kann durch die Optimierung der Kraftstoffverbrennung reduziert werden. Für die Optimierung
der einzelnen Verbrennungsschritte ist eine genaue Kenntnis verschiedener
Zustandsgrößen der
Brennkraftmaschine notwendig. Dies sind insbesondere, die den Verbrennungsablauf charakterisierenden
Brennraumgrößen, wie
beispielsweise den Druck im Brennraum und die Temperatur im Brennraum.
Diese Größen verändern sich über die
Hubbewegung des Kolbens der Brennkraftmaschine abhängig von
der Wärmeverlusteigenschaft
des Motors und der Gaszusammensetzung. Die Gaseigenschaft der Luft
im Brennraum werden beispielsweise durch die Zumischung von Abgas, insbesondere
durch eine Abgasrückführung, und/oder
durch Wasser bzw. Wasserdampf verändert.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
hat den Vorteil, dass eine Echtzeitberechnung, der den Verbrennungsablauf charakterisierenden
Brennraumgrößen, wie
beispielsweise Brennraumdruck und Brennraumtemperatur in der Kompressionsphase
während
des Motorbetriebs möglich
ist. Dabei ist auch eine Berechnung mit einer von reiner Luft abwei chenden
Gaszusammensetzung, wie es beispielsweise bei einer aktiven Abgasrückführung der
Fall ist, möglich.
Dadurch ist eine vorausschauende Verbrennungsoptimierung unter Zuhilfenahme
von den Verbrennungsablauf charakterisierenden Brennraumgrößen wie
Druck und Temperatur möglich.
Dadurch ist eine vorausschauende Regelung und/oder Steuerung möglich. Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
und
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2 eine
detaillierte Darstellung der Berechnung einzelner Größen,
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
der 1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine dargestellt. In 1 ist ein
Steller mit 100 bezeichnet. Dieser wird von einer Steuerung 110 mit
einem Ansteuersignal A beaufschlagt. Die Steuerung 110 berechnet
das Ansteuersignal A ausgehend von verschiedenen Größen, wie
beispielsweise dem Ausgangssignal S eines Sensors 156 sowie
dem Ausgangssignal P einer Druckberechnung 120. Dieser Druckberechnung
werden verschiedene Signal, wie die Größe V, die von einer Vorgabe 154 bereitgestellt wird
und einer Größe K, die
von einem Modell 130 bereitgestellt wird. Das Modell 130 berechnet
die Größe K ausgebend
von verschiedenen Betriebskenngrößen wie
beispielsweise der Drehzahl N der Brennkraftmaschine und/oder von
einem Luftmengenwert ML. Die Drehzahl N der Brennkraftmaschine wird
von einem Drehzahlsensor 150 bereitgestellt. Der Luftmengenwert
ML wird ebenfalls von einem Sensor 152 bereitgestellt.
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Bei
alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen werden, dass anstelle
der Sensoren 150, 152, 154 und/oder 156 diese
Größen ausgehend
von anderen Größen ermittelt
werden. Insbesondere können
Modelle vorgesehen sein, die einzelne oder mehrere Größen ausgehend
von anderen Betriebskenngrößen oder
intern in der Steuerung vorliegenden Steuergrößen berechnen. Des weiteren
können neben
diesen dargestellten Größen noch
weitere Größen von
der Steuerung 110, von der Druckberechnung 120 und/oder
von dem Modell 130 berücksichtigt
und verwendet werden.
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Ferner
ist es möglich
andere Größen, die den
Verbrennungsablauf charakterisieren mit der selben oder mit einer
modifizierten Vorgehensweise zu ermitteln.
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Die
Druckberechnung 120 berechnet den Brennraumdruck P gemäß der folgenden
Formel: Pz = p0(V0Vz )K
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Der
jeweils aktuelle Brennraumdruck ist mit Pz bezeichnet. Mit P0 ist
der Ausgangswert des Brennraumdrucks, mit V0 das Ausgangsvolumen
des Zylinders und mit Vz das jeweils aktuelle Zylindervolumen bezeichnet.
Mit K ist der polytrope Exponent bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass der Polytropenexponent K von verschiedenen Betriebsparametern
der Brennkraftmaschine abhängt.
Dies sind unter Anderem die Abgasrückführrate EGR, die Kühlwassertemperatur
T, die Drehzahl N und die Luftmasse ML. Ferner ist mit PHI der fortlaufende Kurbelwellenwinkel
und mit ti die verstrichene Zeit seit dem Schließen des Einlassventils bezeichnet. Unter
Berücksichtigung
dieser Größen ergibt
sich der polytrope Exponent K gemäß der folgenden Formel: K = A1 + A2 * PHI/ti + A3 * T/ti + A4 * N/ti
+ A5 * EGR*ti + A6 * PHI + A7 * ML/ti
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Bei
den Größen A1 bis
A7 handelt es sich um Parameter, die für die jeweilige Brennkraftmaschine charakteristisch
sind und die zumindestens einmalig im Leben der Brennkraftmaschine
ermittelt werden. Bei einer verbesserten Ausgestaltung ist vorgesehen,
dass diese Parameter in bestimmten Abständen und/oder bei Vorliegen
bestimmter Betriebszustände jeweils
neu berechnet werden.
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Bei
vereinfachten Ausführungsformen
können
eine oder mehrere der Größen als
Konstante angenommen werden. Dies bedeutet dass der jeweilige Faktor
Ai zu Null wird und die Größe im Faktor
A1 berücksichtigt
wird.
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Zur
Ermittlung der Parameter wird bei unterschiedlichen Drehzahlen,
Motortemperaturen und Abgasrückführraten
und Zylinderbefüllung,
d. h. unterschiedlichen Luftmengen der Druck im Brennraum aufgezeichnet.
Zu jedem gemessenen Druck lässt sich
durch Umstellung der Gleichung der Polytropenexponent K ermitteln.
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Nach
der Arbeitspunktzuordnung werden die Parameter mittels Minimierung
des Fehlerquadrats bestimmt. Dabei wird auch der maximale Fehler
minimiert. Des weiteren ist vorgesehen, dass die einzelnen Gradienten über die
einzelnen Eingangsgrößen bewertet
werden. Dies erfolgt vor dem Hintergrund, dass bei der Berechnung
im Motorsteuergerät
toleranzbehaftete Eingangsgrößen verwendet
werden. Der hierdurch entstehende Fehler darf eine vorgegebene Grenze
nicht überschreiten.
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Dies
bedeutet, dass der Polytropenexponent K abhängig von der Winkelstellung
oder der Zeit berechnet wird. Zur Berechnung des Polytropenexponenten
werden als Betriebskenngrößen wenigstens einer
der Größen Luftmenge,
Kühlwassertemperatur, Drehzahl,
Abgasrückführrate verwendet.
Vorzugsweise wird der Polytropenexponent K für alle Winkelstellungen oder
für bestimmte
diskrete Werte der Winkelstellung oder der Zeit ermittelt. D. h.
es wird der zeitliche Verlauf bzw. der Verlauf über der Winkelstellung ermittelt.
Dabei wird als Startwert der Zeitpunkt oder die Winkelstellung verwendet,
bei dem das Einlassventil des jeweils betrachteten Brennraums schließt. Dies
bedeutet, dass die Ermittlung abhängig von der Winkelstellung
oder der Zeit erfolgt.
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Dabei
besteht vorzugsweise ein linearer Zusammenhang zwischen dem Polytropenexponenten und
den jeweiligen Betriebskenngrößen.
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Dieser
Polytropenexponent K wird unter anderem benötigt um Größen zu berechnen, die den Verbrennungsablauf
charakterisieren. Dies ist vorzugsweise der Brennraumdruck und/oder
die Brennraumtemperatur. Ausgehend von verschiedenen Eingangsgrößen wird
die Größe berechnet,
die den Verbrennungsablauf charakterisiert. Eine dieser Größen ist
der Polytropenexponent K, der ausgehend von Betriebskenngrößen der
Brennkraftmaschine ermittelt wird. Als Betriebskenngrößen werden
wenigstens eine der großen
Luftmenge, Kühlwassertemperatur, Drehzahl
der Brennkraftmaschine, Abgasrückführrate,
Zeit oder Winkelstellung seit dem Schließen des Einlassventils verwendet.
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Mit
der beschriebenen Vorgehensweise wird eine genaue aber einfache
Vorgehensweise bereitgestellt mit der der Polytropenexponent K im
Kraftfahrzeug berechnet werden kann. Dadurch steht der Polytropenexponent
die Berechnung weiterer Größen im Kraftfahrzeug,
insbesondere zur Steuerung der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
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Die
Druckberechnung 120 berechnet den Brennraumdruck gemäß der obigen
Formel. Die Steuerung 110 berechnet dann ausgehend von
diesem berechneten Brennraumdruck P und weiteren Größen S das
Ansteuersignal A zur Beaufschlagung eines Stellelementes. Bei diesem
Stellelement kann es sich zum Einen um ein Stellelement zur Beeinflussung
der Kraftstoffzumessung wie beispielsweise um einen Injektor eines
Common-Rail-Systems
handeln. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass andere Stellelemente
wie beispielsweise ein Stellelement zur Beeinflussung der der Brennkraftmaschine
zugeführten
Frisch luftmenge oder anderen Stellgrößen, die den Verbrennungsablauf
einer Brennkraftmaschine beeinflussen, erfolgt.
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Die
Druckberechnung 120 ist in 2 detaillierter
dargestellt. Bereits in 1 beschriebenen Elemente sind
in 2 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
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Bei
der Berechnung des Zylinderdrucks gemäß der obigen Formel ergibt
sich die Problematik, dass der Exponent K bekannt sein muss oder
als konstant vorausgesetzt werden kann. Ferner ergibt sich die Problematik,
dass die Berechnung mit einfachen algebraischen Gleichungen durchzuführen ist, die
in einem Steuergerät
durchführbar
sind.
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In
obige Formel Pz = p0(V0Vz )K ist
der Ausdruck (V0Vz )K = νK zu
berechnen.
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Mit
Pz ist der jeweilige Zylinderdruck bei einer bestimmten Winkelstellung
oder eines bestimmten Zeitpunktes bezeichnet. Mit V0 ist das Zylindervolumen
beim Schließen
des Einlassventils bezeichnet. Mit Vz ist das Zylindervolumen bei
der bestimmten Winkelstellung oder Zeitpunkt, bei dem der Druck
Pz berechnet wird, bezeichnet. Die Größen V0 bzw. der Verlauf Vz über den
fortlaufenden Kurbelwinke sind konstant oder können aus der Geometrie des
Brennraums und der jeweiligen Winkelstellung berechnet werden. Das
Verhältnis
v = V0/Vz wird auch als Verdichtungsverhältnis bezeichnet.
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Erfindungsgemäß wird der
Ausdruck vK als Exponentialfunktion eK*ln(ν) berechnet.
Besonders vorteilhaft ist es wenn der Polytropenexponent mittels der
oben beschriebenen Vorgehensweise ermittelt wird. Bei einer Ausgestaltung
der Vorgehensweise kann auch vorgesehen sein, dass der Polytropenexponent
mittels anderer Vorgehensweisen ermittelt wird oder als annährend konstant
angenommen wird.
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Eine
solcher Exponentialterm kann üblicher Weise
in einer Reihe entwickelt werden, die konvergiert. Problematisch
hierbei ist, dass der Logarithmus nur in beschränkten Bereichen konvergiert,
wenn zu dessen Berechnung eine Reihenentwicklung herangezogen wird.
In der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergibt sich ein sehr geringer Rechenaufwand, so dass dieser in einem
Steuergerät
im Fahrzeug mit vertretbarem Aufwand berechnet werden kann. Gleichzeitig
ergibt sich eine hohe Genauigkeit der Berechnung.
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Üblicher
Weise bewegt sich die Größe V in der
Größenordnung
zwischen dem Wert 1 und Wert 20. Eine Reihenentwicklung des Logarithmus
mit diesen Werten ist wohl möglich,
führt aber
bei einem vertretbaren Aufwand an Rechenschritten nicht zu einer zufrieden
stellenden Genauigkeit. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass
der Logarithmus der Größe V in
einem Kennfeld abgelegt wird. Dieses Kennfeld wird vorzugsweise
im Rahmen der Applikation bedatet.
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Zur
Berechnung des Exponentialtermes wird eine Reihenentwicklung herangezogen.
Eine solche Reihenentwicklung konvergiert immer, insbesondere bei
kleinen Exponenten kann die Reihe schon nach wenigen Termen abgebrochen
werden. Bei den angegebenen Größen von
der Größe V liegt
der Exponent im Bereich zwischen 0 und ca. 5. Um in diesem Bereich
eine hohe Genauigkeit zu erzielen darf die Reihe erst nach dem siebten
Term abgebrochen werden, dies erfordert einen sehr hohen Rechenaufwand.
Erfindungsgemäß ist deshalb
vorgesehen, dass die Größe gemäß der folgenden
Formel berechnet wird: VK =
V eK*ln(ν)
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Der
Term im Exponent nimmt nun Werte im Bereich von 0 und ca. 1,8 an.
Bei diesen Zahlen ist eine quadratische Reihenentwicklung ausreichend. Wird
der Ausdruck (K – 1)
* ln(V) durch die Größe t ersetzt,
so ergibt sich für
den Term VK die Formel: VK = V * (1 + t + t2/2).
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Erfindungsgemäß erfolgt
diese Berechnung in der Druckberechnung. Die Berechnung ist detailliert
in 2 dargestellt. Die Größe K gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 210 an
dessen zweitem Eingang der Konstantwert 1 von der Vorgabe 215 anliegt.
Die Ausgangsgröße des Verknüpfungspunktes 210,
die der Größe K – 1 entspricht,
gelangt zu dem Verknüpfungspunkt 220,
an dessen zweiten Eingang und Ausgang eines Kennfeldes 225 liegt,
an dessen Eingang wiederum die Größe V anliegt. Die Größe V wird
von der Vorgabe 154 bereitgestellt. Diese ist vorzugsweise
als Kennfeld ausgebildet, in dem das Verdichtungsverhältnis V über der
Winkelstellung bzw. der Zeit abgelegt ist.
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Am
Ausgang des Verknüpfungspunktes 220 liegt
das Produkt aus dem Logarithmus der Größe V und dem Wert (K – 1). Das
Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 220 entspricht
der Größe t. Die Größe t gelangt
zu dem Verknüpfungspunkt 230 an dessen
zweiten Eingang ebenfalls die Größe t angelegt.
Am Ausgang des Verknüpfungspunkt 230 liegt somit
das Produkt t * t an. Dieses wird im Verknüpfungspunkt 240 mit
dem Ausgangssignal der Konstantwertvorgabe 245 damit mit
dem Wert 0,5 multipliziert. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunkt 240 gelangt
zum Verknüpfungspunkt 250,
wo das Signal t zu dieser Größe addiert
wird. Im Verknüpfungspunkt 260 wird
zu dieser Größe noch
der Konstantwert 1 der Konstantwertvorgabe 265 hinzuaddiert.
Im anschließenden
Verknüpfungspunkt 270 wird
das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 260 mit der
Größe V multipliziert.
Somit steht am Ausgang des Verknüpfungspunktes 270 die
Größe VK zur Verfügung. Durch Multiplikation
im Verknüpfungspunkt 280 mit
dem Druckwert P0 steht am Ausgang des Verknüpfungspunktes 280 der
aktuelle Brennraumdruck zur Verfülgung.
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Mit
dieser Vorgehensweise kann für
jede Winkelstellung bzw. jeden Zeitpunkt der aktuelle Brennraumdruck
ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe K gemäß der obigen
Formel berechnet wird. Bei einer vereinfachten Ausführungsform
kann diese Größe auch
als Konstante angenommen oder aus einem Kennfeld entnommen werden.
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Dies
bedeutet, dass ausgehend von Eingangsgrößen eine den Verbrennungsablauf
charakterisierende Brennraumgröße ermittelt
wird. Dies erfolgt unter Verwendung eines Polytropenexponenten. Die
Brennraumgröße wird
mittels einer Exponentialfunktion ermittelt. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Exponentialfunktion mittels eines quadrati schen
Terms angenähert
wird. Besonders vorteilhaft ist es wenn der Brennraumdruck als Brennraumgröße ermittelt
wird. Dabei wird der Brennraumdruck ausgehend von dem Verdichtungsverhältnis V
und dem Polytropenexponenten K ermittelt.