DE102007004265A1 - Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zur Regelung des Verbrennungsmotors zumindest zwei Regelgrößen, nämlich eine Lage und eine Form der Verbrennung erfasst und ausgewertet werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines mehrere Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Aus der DE 100 11 630 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors bekannt, bei welchem zumindest in einem der Zylinder des Verbrennungsmotors während einer Vorverbrennung, die durch mindestens eine vor einer Haupteinspritzung stattfindenden Voreinspritzung verursacht ist, eine die Vorverbrennung beschreibende Folge von Messwerten bestimmt wird. Anschließend wird die Folge von Messwerten ausgewertet und auf Grundlage der Auswertung zumindest einer der Einspritzparameter der nachfolgenden Arbeitsspiels entsprechend nachgeregelt.
• Bei heutigen Verbrennungsmotoren läuft ein Verbrennungsvorgang im gesteuerten Betrieb, in welchem keine direkte Messung und Regelung eines innerzylindrischen Zustands auf einem Einspritz- und Luftpfad möglich ist. Die Ungenauigkeiten, Ungleichverteilungen und Alterungseffekte, die z.B. in einem Luftsystem, Einspritzsystem und in einer Kraftstoffqualität vorhanden sind, werden hierbei nicht erfasst und können meist auch nicht genügend kompensiert werden. Diese Tatsache muss durch größere Toleranzbänder bzw.
• Grenzwertabstände in der Applikation des Motors kompensiert werden, um sicher zu stellen, dass trotz der eingangs genannten Probleme die Anforderungen an das Motorsystem eingehalten werden können. Größere Toleranzbänder bzw. Grenzwertabstände wirken sich dabei jedoch nachteilig auf Verbrauch, Agilität, Emission und das Geräuschverhalten aus, insbesondere bei instationären Vorgängen. Darüber hinaus sind Applikationsvorgänge aufwändig und zeitintensiv.
• Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiter zu entwickeln, dass die Verbrennung bezüglich Form und Lage reproduzierbar stattfindet.
• Gelöst wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Regelung des Verbrennungsmotors nicht nur wie bisher eine Lage der Verbrennung zu erfassen und auszuwerten, sondern auch brennraumspezifische Informationen, d.h. eine Form der Verbrennung zu erfassen und auszuwerten und dadurch den gesamten Verbrennungsverlauf bzw. die Verbrennungsform in einen Regelkreis einbeziehen zu können. Dabei wird die Lage der Verbrennung durch einen Verbrennungsumsatzpunkt charakterisiert, während die Form der Verbrennung durch eine Verbrennungsformkennzahl charakterisiert wird.
• Es wird somit erstmals eine Mehrgrößenregelung geschaffen, um sowohl einen gewünschten Zeitpunkt als auch die Form der Energiefreisetzung unter Berücksichtigung von Querkopplungen sicherstellen zu können. Dabei wird ein Signal der Verbrennung ausgewertet, um in einem geschlossenen Regelkreis die Verbrennung optimal formen zu können.
• Aus einem Verbrennungssignal wird in einem ersten Schritt ein Massenumsatz berechnet, der dabei gleichzeitig als Eingangsgröße des Regelkreises der Lage der Verbrennung dient (Beispiel: H₅₀-Merkmal und Regelung). Als Erweiterung zu diesem Lage-Regelkreis wird erfindungsgemäß die Form der zeitlichen Wärmefreisetzung in einer charakteristischen Größe, d.h. in Form einer Verbrennungsformkennzahl, erfasst, um mittels dieser Größe die Wärmefreisetzung zu beschreiben.
• Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt dabei im Einsatz mindestens einer Kennzahl, welche aus mindestens einer verbrennungsbezogenen Messgröße einzelner Zylinder sowie ggf. anderer Steuergerätegrößen ermittelt wird. Mit dieser Kennzahl wird die Form eines Verbrennungsverlaufs beschrieben. Durch Beeinflussung dieser Kennzahl(en) kann somit in einer echtzeitfähigen Verbrennungsregelung die wunschgemäße Verformung des Verbrennungsverlaufs bewirkt werden kann.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Mehrgrößenregelung, wodurch die Verbrennung in Lage und Form eingestellt werden kann.
• Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
• Dabei zeigen, jeweils schematisch:
• 1 in drei Diagrammen den zeitlichen Verlauf von drei verschiedenen Einspritzvorgängen (1a, 1c, 1e) und in drei weiteren Diagrammen den Verlauf jeweils zugehöriger Verbrennungsverläufe (1b, 1d, 1f) über einem Kurbelwinkel α,
• 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf einer Funktion der Verbrennung über dem Kurbelwinkel α zur Ermittlung einer Formkennzahl und
• 3 einen Teil einer Reglerstruktur mit einem Regler und einer Reglerstrecke.
• Die Erfindung eignet sich zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug.
• Zweck der Erfindung ist ein gezielt ablaufender und optimaler Verbrennungsvorgang im Brennraum (oder Verbrennungsraum) einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine. Besonders die Art der Einspritzung eines Brennstoffs, d.h. die Aufteilung der einzuspritzenden Brennstoffmenge in eine oder mehrere Voreinspritzungen und in eine oder mehrere Haupteinspritzungen, die jeweilige Einspritzmenge, der jeweilige Einspritzbeginn und die jeweilige Einspritzdauer sowie der Einspritzdruck(verlauf) bzw. Spritzratenverlauf, haben entscheidenden Einfluss auf den Verbrennungsvorgang und seinen Verlauf, wie dies anhand der 1a-f exemplarisch dargestellt ist. Somit kann mittels dieser so genannten „Einspritzungsparameter" die Verbrennung bzw. der Verbrennungsvorgang gezielt beeinflusst werden.
• Eine Beurteilung einer Verbrennung und ihres Verlaufs erfolgt beispielsweise durch geeignete Verbrennungsmerkmale, die direkt oder indirekt, beispielsweise durch entsprechende Sensoren erfasst oder auf eine andere Art und Weise, beispielsweise rechnerisch ermittelt und zum Zwecke der Verbrennungsregelung weiterverarbeitet werden. Ein derartiges Verbrennungsmerkmal ist die hier beschriebene erfindungsgemäße Formkennzahl.
• Ergebnisse eines derart geregelten Verbrennungsvorgangs sind reproduzierbares Durchbrennverhalten für jeden Zylinder des Motors sowie baugleicher Motoren.
• Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist eine Struktur einer Verbrennungsregelung insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine dargestellt, die auf Grundlage der ermittelten Formkennzahl die Verbrennungsparameter gezielt beeinflusst.
• Die 1 in drei Diagrammen den zeitlichen Verlauf von drei verschiedenen Einspritzvorgängen (1a, 1c, 1e) und in drei weiteren Diagrammen den Verlauf jeweils zugehöriger Verbrennungsverläufe (1b, 1d, 1f) über einem Kurbelwinkel α. Dabei ist in den Diagrammen der 1a, 1c und 1e jeweils auf einer ersten Achse 1 die Zeit (t) und auf einer zweiten Achse 2 ein Ansteuerstrom (I_Injektor) für einen zu einem Zylinder gehörenden Injektor aufgetragen. In den Diagrammen der 1b, 1d und 1f ist jeweils auf einer ersten Achse 11 der Kurbelwinkel (α) einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und auf einer zweiten Achse 12 ein Brennverlauf (dQ/dα) im zugehörigen Zylinder aufgetragen. Anstelle der Zeit (t) kann auf der Achse 1 auch der Kurbelwinkel α aufgetragen sein.
• Bei den Einspritzvorgängen (1a, 1c, 1e) und bei den jeweils zugehörigen Verbrennungsverläufen (1b, 1d, 1f) wurden bei identischen Bezügen als Bezugszeichen identische Ziffern, ergänzt mit dem jeweiligen Buchstaben der betreffenden Figur vergeben.
• In 1a wird gemäß einer Kurve 1a vor einer Haupteinspritzung 4a eine Voreinspritzung 3a durchgeführt. Alternativ hierzu können auch mehrere Voreinspritzungen oder mehrere Haupteinspritzungen durchgeführt werden. Die Voreinspritzung 3a erfolgt von einem Einspritzanfangszeitpunkt 5a bis zu einem Einspritzendzeitpunkt 10a, die Haupteinspritzung 4a erfolgt zu einem Einspritzzeitpunkt 6a, zwischen dem Ende der Voreinspritzung 3a und dem Beginn 6a der Haupteinspritzung 4a liegt ein Zeitintervall (ΔT, ΔT₁) 7a. Zu einem Zeitpunkt (ZOT) 8a hat ein Zylinder in einem Brennraum eine obere Totpunktstellung erreicht. Zu einem Zeitpunkt 9a ist die Haupteinspritzung 4a beendet.
• Aufgrund der Voreinspritzung 3a zum Zeitpunkt 5a (1a) erfolgt eine Vorverbrennung 13b (1b), aufgrund der Haupteinspritzung 4a erfolgt eine Hauptverbrennung 14b. Ein so genannter Verbrennungs- oder Energieumsatzschwerpunkt (H₅₀) 15b gibt an, dass 50 % der eingespritzten Brennstoffmenge verbrannt sind. Dieser H₅₀-Verbrennungs- oder Energieumsatzschwerpunkt 15b ist ein markantes Merkmal zur Beurteilung des Brennverlaufs, an seiner Stelle oder ergänzend kann jedoch auch jeder weitere beliebige Verbrennungs- oder Energieumsatzpunkt (H_XX, mit 0 kleiner XX kleiner 100) zur Beurteilung des Brennverlaufs herangezogen werden.
• Die in 1a gemäß der Kurve 1a dargestellte Art der Einspritzung, wie sie üblicherweise abläuft, mit einer Voreinspritzung 3a und einer Haupteinspritzung 4a und bestimmten Einspritzzeitpunkten 5a, 6a, führt zu dem in 1b gemäß einer Kurve 1b dargestellten typischen Brennverlauf.
• In 1c wird die Einspritzung, welche mit einer Kurve 1c dargestellt ist, gegenüber der Kurve 1a der 1a dahingehend verändert, dass lediglich die Einspritzanfangszeitpunkte 5c und 6c und die Einspritzendzeitpunkte 10c und 9c gegenüber den Einspritzanfangszeitpunkten 5a und 6a und den Einspritzendzeitpunkten 10a und 9a gleichmäßig gegenüber dem ZOT 8a oder 8c vorverlegt werden.
• Die Einspritzmengen bei der Voreinspritzung 3c und der Haupteinspritzung 4c bleiben demnach gegenüber den Einspritzmengen der 1a (Voreinspritzung 3a, Haupteinspritzung 4a) unverändert, da bei Voreinspritzung 3c und Haupteinspritzung 4c genau so lange der Injektor mit Strom beaufschlagt wird wie bei der Voreinspritzung 3a und der Haupteinspritzung 4a. Ebenso sind die zeitlichen Abstände 7a und 7c zwischen der Voreinspritzung 3a, 3c und der Haupteinspritzung 4a, 4c gleich lange. Die Veränderungen der Kurve 1c erfolgte in Form einer so genannten „Blockverschiebung" gegenüber der Kurve 1a.
• Als Ergebnis des Einspritzvorgangs gemäß der Kurve 1c lässt sich anhand der Kurve 1d der 1d feststellen, dass die Vorverbrennung 13d gegenüber der Vorverbrennung 13b (1b) entsprechend der Blockverschiebung bei der Einspritzung (Kurve 1c, 1c gegenüber Kurve 1a, 1a) früher stattfindet und weniger ausgeprägt ist, d.h. dass bei der Vorverbrennung 13d ein geringerer Energieumsatz statt findet als bei der Vorverbrennung 13b.
• Die Hauptverbrennung 14d ist jedoch stärker ausgeprägt als die Hauptverbrennung 14b, der Energieumsatz ist also höher und findet früher statt, was daran zu erkennen ist, dass der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15d bei einem früheren Kurbelwinkel α erreicht ist als der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15b. Die Flanken der Kurve 1d bei der Hauptverbrennung 14d sind zudem im Vergleich zur Hauptverbrennung 14b der Kurve 1b steiler, was bedeutet, dass es sich bei der Hauptverbrennung 14d um eine „harte" Verbrennung handelt, mit einem sehr starken Druckanstieg in Brennraum und mit einem daraus resultierenden stärkeren Verbrennungsgeräusch.
• Im Unterschied zur Kurve 1c in 1c wird in der Kurve 1e der 1e für eine längere Zeitdauer eine Voreinspritzung 3e und für eine kürzere Zeitdauer eine Haupteinspritzung 4e durchgeführt. Die Voreinspritzung 3e endet jetzt zu einem späteren Zeitpunkt 10e (als die Voreinspritzung 3c zum Zeitpunkt 10c). Nach einem zeitlichen Abstand 7e, welcher gleich groß ist wie die zeitlichen Abstände 7a und 7c, beginnt die Haupteinspritzung 4e zu einem Zeitpunkt 6e, der näher am ZOT 8e liegt als der Zeitpunkt 6c am ZOT 8c, und dauert bis zu einem Zeitpunkt 9e, der dem Zeitpunkt 9c entspricht. Der ZOT 8e entspricht hierbei dem ZOT 8c und dem ZOT 8a.
• Es wird bei der Einspritzung gemäß 1e eine so genannte Mengenanpassung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge durchgeführt, also eine geänderte Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf Voreinspritzung und Haupteinspritzung, wobei beispielsweise bei der Voreinspritzung 3e eine bestimmte Menge an Kraftstoff mehr (im Vergleich zum Einspritzvorgang der 1a oder 1c), und bei der Haupteinspritzung 4e diese bestimmte Menge an Kraftstoff entsprechend weniger eingespritzt wird. Es wird also die gesamte einzuspritzende Brennstoffmenge in einem anderen Verhältnis auf Voreinspritzung 3e und Haupteinspritzung 4e aufgeteilt.
• Als Ergebnis des Einspritzvorgangs gemäß der 1e ist dem Brennverlauf der 1f in Form der Kurve 1f zu entnehmen, dass die Vorverbrennung 13f ungefähr beim gleichen Kurbelwinkel α stattfindet als die Vorverbrennung 13d, aber deutlich stärker ausgeprägt ist als die Vorverbrennung 13d. Der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15f als Hauptregelgröße befindet sich beim gleichen Kurbelwinkel α wie der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15d, jedoch verläuft die Kurve 1f im Bereich der Hauptverbrennung 14f weniger steil als die Kurve 1d, zudem ist der Energieumsatz im Extrempunkt nicht ganz so hoch. Bei der Verbrennung gemäß der Kurve 1f ist der gesamte Energieumsatz mehr auf die Vorverbrennung 13f und weniger auf die Hauptverbrennung 14f konzentriert (im Unterschied zur Kurve 1d), so dass in Folge der Einspritzung mit Mengenanpassung (Kurve 1e) eine weichere Verbrennung (Kurve 1f) mit einem weniger intensiven Verbrennungsgeräusch stattfindet.
• Werden die in 1c gezeigte Blockverschiebung und die in 1e gezeigte Mengenanpassung für jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine angewendet, so lassen sich damit zylinderindividuell unterschiedliche Verbrennungsvorgänge und Energieumsätze aneinander angleichen und somit komfortmindernde Störgeräusche, welche ansonsten aus dem Gesamtgeräuschspektrum deutlich heraus zu hören sind, wirksam eliminieren. Alternativ kann dies auch durch eine Anpassung einer jeweiligen Menge, eines Zeitabstandes oder einer Zeitdauer bei Voreinspritzung(en), Haupteinspritzung(en) und gegebenenfalls Nacheinspritzung(en) erreicht werden.
• 2 zeigt ein Diagramm 16, bei welchem eine Funktion der Verbrennung, Achse 17, über dem Kurbelwinkel α, Achse 18, aufgetragen ist. Im Diagramm 16 zeigt eine Kurve 19 den zeitlichen Verlauf der Funktion der Verbrennung, wobei diese Funktion mit der Energiefreisetzung bei der Verbrennung korreliert. Beispielsweise handelt es sich bei der Kurve 19, welche zur Ermittlung einer erfindungsgemäßen Verbrennungsformzahl VFZ dient, um die Gesamtenergiefreisetzung.
• Auf der Achse 17 sind ein erster Energieumsatzpunkt H_XX1 (z.B. H₂₀) und ein zweiter Energieumsatz H_XX2 (z.B. H₅₀) eingetragen, die auf der Achse 18 einem ersten Kurbelwinkel α_HXX1 bzw. einem zweiten Kurbelwinkel α_HXX2 entsprechen. Ein weiterer Punkt H_XXmax stellt beispielsweise die maximale Gesamtenergiefreisetzung dar. Für eine bestimmte Einspritzcharakteristik stellt sich beispielsweise ein zugehöriger Kurbelwinkel α_E ein, wobei dieser Kurbelwinkel α_E zur Ermittlung der Verbrennungsformzahl VFZ herangezogen wird.
• Anhand des Verlaufs der Kurve 19 ist die Verbrennungsformzahl VFZ als

  

  definiert. An Stelle des Winkels α_E kann auch ein Ansteuerbeginn einer Haupteinspritzung, beispielsweise einer der Einspritzzeitpunkte 6a, 6c oder 6e (1a, 1c bzw. 1e) bzw. der jeweils zugehörige Kurbelwellenwinkel Verwendung finden.
• Die Verbrennungsformzahl VFZ spiegelt als ein Verbrennungsmerkmal sowohl den Umsatzgradienten als auch eine Verbrennungsgeschwindigkeit als auch den Brennverzug wider. Sie beschreibt somit eine Verbrennungsform und eignet sich daher als Regelgröße für eine Verbrennungsregelung. Das Merkmal Verbrennungsformzahl VFZ kann dabei in Echtzeit berechnet werden und beschreibt die Form (Verlauf der Wärmefreisetzung) des Heizverlaufes, den Anstieg und die zeitliche Kopplung in einer Weise, die eine Regelung ermöglichen.
• In der 3 ist eine Regelungsstruktur 20 dargestellt, welche einen Regler 21 und eine Regelstrecke 22 aufweist. Dem Regler 21 werden zwei Eingangsgrößen e₁ und e₂ zugeführt, bei denen es sich um zwei Regelfehler oder -abweichungen handelt. Die beiden Ausgänge der Strecke 22 (also des Systems Zylinder) y₁ und y₂ sind zwei Mess- bzw. -Regelgrößen (Istwerte). Sie werden aus dem Zylinderdrucksignal (H₅₀) bzw. aus dem Zylinderdrucksignal (H_xx1 und H_xx2) sowie dem Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung berechnet. Die beiden Regelfehler e₁ bzw. e₂ sind hierbei definiert als
  e₁ = w₁ – y₁ (H₅₀-Regelfehler = H₅₀-Sollwert – H₅₀-Istwert) und
  e₂ = w₂ – y₂ (VFZ-Regelfehler = VFZ-Sollwert – VFZ-Istwert).
• Ausgangsgrößen des Reglers 21 und Eingangsgrößen der Strecke 22 sind eine erste Größe u₁ (Ansteuerbeginn Haupteinspritzung) und eine zweite Größe u₂ (z.B. Voreinspritzmenge) sind die Stellgrößen (also die Ausgangsgrößen des Reglers).
• In die Stellgrößen gehen neben den Istwerten [also H₅₀-Wert (berechnet aus dem Zylinderdrucksignal) und VFZ-Wert (berechnet aus dem Zylinderdrucksignal (H_xx1, H_xx2) und dem Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung)] auch Motordrehzahl (n) und eingespritzte Kraftstoffmenge (M) ein.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Verbrennungsmotors zumindest zwei Regelgrößen, nämlich eine Lage und eine Form der Verbrennung erfasst und ausgewertet werden, wobei die Lage der Verbrennung durch einen Verbrennungsumsatzpunkt (H_XX-Wert) charakterisiert wird, während die Form der Verbrennung durch eine Verbrennungsformzahl (VFZ) charakterisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsformzahl (VFZ) aus einem Energiefreisetzungsverlauf der einzelnen Zylinder ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsumsatzpunkt (H_XX-Wert) ein Umsatzpunkt verwendet wird, bei welchem ein entsprechender Prozentsatz (XX %) der Energie der zur Verfügung stehenden Kraftstoffmenge durch die Verbrennung umgesetzt wurde.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des Verbrennungsumsatzpunktes (H_XX-Wert) und der Formkennzahl eine Anpassung von Motor-, insbesondere von Einspritzparametern erfolgt.