DE102007056406B4

DE102007056406B4 - Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102007056406B4
Application number: DE102007056406.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Livshiz; Jeffrey M. Kaiser; Layne K. Wiggins; John A. Jacobs; Richard B. Jess; James L. Worthing
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2027-11-24
Also published as: CN101220780B; US7440838B2; US20080121211A1; CN101220780A; DE102007056406A1

Abstract

Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Verbrennungsmotors, das umfasst: Überwachen eines Krümmer-Absolutdrucks (MAP), einer gemessenen Ist-Luft pro Zylinder (APC) und einer Einlasslufttemperatur des Motors; Berechnen eines Motordrehmoments anhand des MAP, indem der MAP durch ein MAP-basiertes Drehmomentmodell verarbeitet wird; Berechnen einer geschätzten APC anhand des Drehmoments, indem das Motordrehmoment durch ein invertiertes APC-basiertes Drehmomentmodell verarbeitet wird; Bestimmen eines volumetrischen Wirkungsgrads des Motors anhand der geschätzten APC; und Regeln des Betriebs des Motors auf der Grundlage des volumetrischen Wirkungsgrads.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Motoren und insbesondere auf ein Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Verbrennungsmotors.
HINTERGRUND
Verbrennungsmotoren verbrennen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in Zylindern, um Kolben anzutreiben, die ein Antriebsmoment erzeugen. Der Luftdurchfluss in den Motor wird über eine Drosselklappe reguliert. Genauer stellt die Drosselklappe eine Drosselfläche ein, die den Luftdurchfluss in den Motor erhöht oder verringert. Wenn die Drosselfläche zunimmt, nimmt der Luftdurchfluss in den Motor zu. Ein Kraftstoffsteuersystem stellt die Rate, mit der Kraftstoff eingespritzt wird, so ein, dass den Zylindern ein gewünschtes Luft/Kraftstoff-Gemisch bereitgestellt wird. Wie erkennbar ist, erhöht das Vermehren der Luft und des Kraftstoffs für die Zylinder die Drehmomentabgabe des Motors.
Es sind Motorsteuersysteme entwickelt worden, die die Motordrehzahlleistung genau steuern, um eine Soll-Motordrehzahl zu erreichen. Beispielsweise beschreibt die DE 103 44 035 A1 ein Ladedrucksteuerverfahren, bei dem ein gewünschtes Drehmoment in einen Wert der Luft pro Zylinder umgewandelt wird. Dieser umgewandelte Wert der Luft pro Zylinder wird dann in einen mittleren effektiven Zylinderdruck umgewandelt, der seinerseits dann wiederum in einen Ladedruck umgewandelt wird. Aus diesem Ladedruck wird dann die Drosselfläche bestimmt, die zur Erzielung des gewünschten Drehmometns vonnöten ist. Ferner beschreibt die DE 102 34 706 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Wirkungsgrads eines Verbrennungsmotors mit einem drehmomentbasierten Modell. Aus der US 7,069,905 B1 gehen Hinweise hervor, wonach sich aus dem MAP ein Motormoment errechnen lässt. Letztlich beschreibt die US 6,508,233 B1 eine Motorregelung mittels MAP, APC und volumetrischem Wirkungsgrad.
Herkömmliche Motorsteuersysteme steuern jedoch die Motordrehzahl nicht so genau wie erwünscht. Außerdem sprechen herkömmliche Motorsteuersysteme auf Steuersignale nicht so schnell wie erwünscht an oder koordinieren die Motordrehmomentsteuerung unter verschiedenen Vorrichtungen so, dass die Motordrehmomentabgabe beeinträchtigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Standes der Technik zu mindern.
ZUSAMMENFASSUNG
Daher schafft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß einem weiteren Merkmal wird der Betrieb des Motors ferner auf der Grundlage der APC geregelt.
Gemäß weiteren Merkmalen umfasst das Verfahren ferner das Bestimmen eines Korrekturfaktors anhand einer Ist-APC und das Korrigieren der APC anhand des Korrekturfaktors. Ferner umfasst das Verfahren das Ermitteln, ob der Motor stabil arbeitet. Der Schritt des Korrigierens der APC wird ausgeführt, wenn der Motor stabil arbeitet.
Der volumetrische Wirkungsgrad wird des Weiteren auf den MAP und die Einlasslufttemperatur gestützt.
Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal umfasst der Schritt des Schätzens einer APC das Verarbeiten des Motordrehmoments durch ein invertiertes APC-basiertes Drehmomentmodell.
Weitere Vorteile und Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenbarung werden aus der im Folgenden gegebenen genauen Beschreibung deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird umfassender verständlich aus der genauen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen; in diesen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Motorsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 einen Ablaufplan, der Schritte zeigt, die von der Steuerung mit drehmomentbasierter Bestimmung des volumetrischen Wirkungsgrads (VE) und der Luft pro Zylinder (APC) der vorliegenden Offenbarung ausgeführt werden; und
3 einen Blockschaltplan, der Module zeigt, die die Steuerung mit drehmomentbasierter VE- und APC-Bestimmung der vorliegenden Offenbarung ausführen.
GENAUE BESCHREIBUNG
Der Klarheit wegen werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung von gleichartigen Elementen benutzt. Der Begriff ”Modul”, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, eigens zugewiesen oder für eine Gruppe) mit Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität verschaffen.
In 1 umfasst ein Motorsystem 10 einen Motor 12, der ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff verbrennt, um ein Antriebsmoment zu erzeugen. Durch eine Drosselklappe 16 wird Luft in einen Einlasskrümmer 14 angesaugt. Die Drosselklappe 16 reguliert den Massen-Luftdurchfluss in den Einlasskrümmer 14. Die Luft in dem Einlasskrümmer 14 wird in Zylinder 18 verteilt. Obwohl ein einziger Zylinder 18 gezeigt ist, kann das System für koordinierte Drehmomentsteuerung der vorliegenden Erfindung wohlgemerkt in Motoren implementiert sein, die mehrere Zylinder einschließlich, jedoch nicht darauf begrenzt, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12 Zylinder enthalten.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (nicht gezeigt) spritzt Kraftstoff ein, der mit der Luft, wenn sie durch einen Ansaug- bzw. Einlasskanal in den Zylinder 18 angesaugt wird, vereinigt wird. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung kann eine Einspritzvorrichtung sein, die einem elektronischen oder mechanischen Kraftstoffeinspritzsystem 20, einer Düse oder einem Schlitz eines Vergasers oder einem anderen System zum Vermischen von Kraftstoff mit Einlassluft zugeordnet ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird so gesteuert, dass sie ein Soll-Luft/Kraftstoff-(L/K)-Verhältnis in jedem Zylinder 18 bereitstellt.
Ein Einlassventil 22 öffnet und schließt sich wahlweise, um den Eintritt des Luft/Kraftstoff-Gemischs in den Zylinder 18 zu ermöglichen. Die Einlassventilstellung wird durch eine Einlassnockenwelle 24 reguliert. Ein Kolben (nicht gezeigt) komprimiert das Luft/Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder 18. Eine Zündkerze 26 löst die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs aus, die den Kolben in dem Zylinder 18 antreibt. Der Kolben treibt seinerseits eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) an, um ein Antriebsmoment zu erzeugen. Verbrennungsabgas in dem Zylinder 18 wird aus einem Auslasskanal gezwungen, wenn sich ein Auslassventil 28 in einer geöffneten Stellung befindet. Die Auslassventilstellung wird durch eine Auslassnockenwelle 30 reguliert. Das Abgas wird in einem Abgassystem behandelt und an die Umgebung abgegeben. Obwohl ein einziges Einlassventil 22 und ein einziges Auslassventil 28 gezeigt sind, kann der Motor 12 wohlgemerkt mehrere Einlass- und Auslassventile 22, 28 pro Zylinder 18 aufweisen.
Das Motorsystem 10 kann einen Einlassnockenwellen-Phasensteller 32 und einen Auslassnockenwellen-Phasensteller 34 umfassen, die die rotatorische Steuerung der Einlass- bzw. Auslassnockenwellen 24, 30 regulieren. Genauer kann die Steuerzeit oder der Phasenwinkel der Einlass- und Auslassnockenwellen 24, 30 zueinander oder in Bezug auf einen Ort des Kolbens in dem Zylinder 18 oder die Kurbelwellenstellung verzögert oder vorverlegt werden. In dieser Weise kann die Stellung der Einlass- und Auslassventile 22, 28 zueinander oder in Bezug auf einen Ort des Kolbens in dem Zylinder 18 reguliert werden. Durch Regulieren der Stellung des Einlassventils 22 und des Auslassventils 28 wird die in den Zylinder 18 aufgenommene Luft/Kraftstoff-Gemischmenge und daher das Motordrehmoment reguliert.
Das Motorsystem 10 kann außerdem ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) 36 umfassen. Das AGR-System 36 umfasst ein AGR-Ventil, das den Abgasdurchfluss zurück in den Einlasskrümmer 14 reguliert. Das AGR-System ist im Allgemeinen implementiert, um Emissionen zu regulieren. Jedoch kann die Abluftmasse, die in den Einlasskrümmer 14 zurückgeführt wird, auch die Motordrehmomentabgabe negativ beeinflussen.
Ein Steuermodul 40 betreibt den Motor auf der Grundlage der drehmomentbasierten Motorsteuerung der vorliegenden Offenbarung. Genauer erzeugt das Steuermodul 40 anhand einer Soll-Motordrehzahl (RPM_DES) ein Drosselklappensteuersignal und ein Frühverstellungssteuersignal. Von einem Drosselklappenstellungssensor (TPS) 42 wird ein Drosselklappenstellungssignal erzeugt. Eine Bedienereingabe 43 wie etwa ein Fahrpedal erzeugt ein Bedienereingabesignal. Das Steuermodul 40 befiehlt die Drosselklappe 16 in eine statische bzw. stationäre Stellung, um eine Soll-Drosselklappenfläche (A_THRDES) zu erreichen, und befiehlt den Zündzeitpunkt, um einen Soll-Zündzeitpunkt (S_DES) zu erreichen. Ein Drosselklappenstellglied bzw. Drosselklappenaktor (nicht gezeigt) stellt die Drosselklappenstellung anhand des Drosselklappensteuersignals ein.
Ein Einlasslufttemperatur-(IAT)-Sensor 44 spricht auf eine Temperatur des Einlassluftstroms an und erzeugt ein Einlasslufttemperatur-(IAT)-Signal. Ein Massen-Luftdurchfluss-(MAF)-Sensor 46 spricht auf die Masse des Einlassluftstroms an und erzeugt ein MAF-Signal. Ein Krümmer-Absolutdruck- bzw. Absolutladedruck-(MAP)-Sensor 48 spricht auf den Druck in dem Einlasskrümmer 14 an und erzeugt ein MAP-Signal. Ein Motorkühlmitteltemperatursensor 50 spricht auf eine Kühlmitteltemperatur an und erzeugt ein Motortemperatursignal. Ein Motordrehzahlsensor 52 spricht auf eine Umdrehungsgeschwindigkeit, d. h. eine Drehzahl (RPM), des Motors 12 an und erzeugt ein Motordrehzahlsignal. Jedes der von den Sensoren erzeugten Signale wird von dem Steuermodul 40 empfangen.
Das Motorsystem 10 kann außerdem einen Turbo oder Lader 54 umfassen, der durch den Motor 12 oder Motorabgas angetrieben wird. Der Turbolader 54 komprimiert von dem Einlasskrümmer 14 angesaugte Luft. Genauer wird Luft in eine Zwischenkammer des Turboladers 54 angesaugt. Die Luft in der Zwischenkammer wird in einen Kompressor (nicht gezeigt) angesaugt und darin komprimiert. Die komprimierte Luft strömt zur Verbrennung in den Zylindern 18 durch einen Kanal bzw. eine Leitung 56 zu dem Einlasskrümmer 14 zurück. In dem Kanal 56 ist ein Umgehungsventil 58 angeordnet, das den Durchfluss von komprimierter Luft zurück in den Einlasskrümmer 14 reguliert.
Die Steuerung mit drehmomentbasierter VE- und APC-Bestimmung der vorliegenden Offenbarung bestimmt eine geschätzte Luft pro Zylinder (AP-C_EST) und einen volumetrischen Wirkungsgrad (VE) des Motors anhand des gemessenen MAP oder Ist-MAP (MAP_ACT). Genauer ist zum Bestimmen eines MAP-basierten Drehmoments (T_MAP) ein MAP-basiertes Drehmomentmodell implementiert, das durch die folgende Beziehung beschrieben wird: T_MAP = (a_P1(RPM, I, E, S)·MAP_ACT + a_P0(RPM, I, E, S) + a_P2(RPM, I, E, S)·B))·η(IAT) (1) wobei:

S: der Zündzeitpunkt ist;
I: der Einlassnocken-Phasenwinkel ist;
E: der Auslassnocken-Phasenwinkel ist;
B: der barometrische Druck ist; und
η: ein Faktor für den thermischen Wirkungsgrad ist, der auf IAT basiert.

Die Koeffizienten a_P sind im Voraus bestimmte Werte. Zum Bestimmen eines APC-basierten Drehmoments (T_APC) kann ein APC-basiertes Drehmomentmodell verwendet werden, das durch die folgende Beziehung beschrieben wird: T_APC = a_A1(RPM, I, E, S)APC + a_A0(RPM, I, E, S) (2)
Die Koeffizienten a_A sind im Voraus bestimmte Werte. Da T_MAP gleich T_APC ist, kann das APC-basierte Drehmomentmodell invertiert werden, um AP-C_EST anhand von MAP_ACT gemäß der folgenden Beziehung zu berechnen:
Wenn der Motor stabil arbeitet, wird APC_EST anhand einer gemessenen APC oder Ist-APC (APC_ACT) korrigiert, um ein korrigiertes APC_EST bereitzustellen. APC_EST wird gemäß der folgenden Beziehung korrigiert: APC_EST = APC_EST + k_I·∫(APC_EST – APC_ACT)dt (4)
k_I ist ein im Voraus bestimmter Korrekturkoeffizient. MAP_ACT wird überwacht, um zu ermitteln, ob der Motor stabil arbeitet. Der Motor arbeitet beispielsweise dann, wenn die Differenz zwischen einem momentanen MAP_ACT und einem vorher aufgezeichneten MAP_ACT kleiner als eine Schwellendifferenz ist, stabil. VE wird anschließend anhand von APC_EST gemäß der folgenden Beziehung bestimmt:
k ist ein Koeffizient, der anhand von TAT unter Verwendung beispielsweise einer im Voraus gespeicherten Verweistabelle bestimmt wird. Der Motor wird dann auf der Grundlage von VE und APC_EST betrieben.
Mit Bezug auf 2 werden nun beispielhafte Schritte, die von der Steuerung mit drehmomentbasierter VE- und APC-Bestimmung ausgeführt werden, im Einzelnen beschrieben. Im Schritt 200 ermittelt die Steuerung, ob der Motor läuft. Wenn der Motor nicht läuft, endet die Steuerung. Wenn der Motor läuft, überwacht die Steuerung im Schritt 202 MAP. Im Schritt 204 bestimmt die Steuerung T_MAP mittels des MAP-basierten Drehmomentmodells, wie oben im Einzelnen beschrieben worden ist. Die Steuerung bestimmt APC_EST anhand von T_MAP mittels des inversen APC-Drehmomentmodells, wie oben im Einzelnen beschrieben worden ist.
Im Schritt 208 bestimmt die Steuerung, ob der Motor stabil arbeitet. Wenn der Motor stabil arbeitet, setzt die Steuerung mit dem Schritt 210 fort. Wenn der Motor nicht stabil arbeitet, setzt die Steuerung mit dem Schritt 212 fort. Im Schritt 210 korrigiert die Steuerung APC_EST anhand von APC_ACT, wie oben im Einzelnen beschrieben worden ist. Im Schritt 212 bestimmt die Steuerung VE anhand von APC_EST, MAP und IAT, wie oben im Einzelnen beschrieben worden ist. Im Schritt 214 regelt die Steuerung den Motorbetrieb auf der Grundlage von VE und APC_EST, worauf die Steuerung endet.
Mit Bezug auf 3 werden nun beispielhafte Module, die die Motordrehmomentsteuerung ausführen, im Einzelnen beschrieben. Die beispielhaften Module umfassen ein Modul für MAP-basiertes Drehmomentmodell 300, ein Modul für inverses APC-basiertes Drehmomentmodell 302, ein Korrekturmodul 304, ein Modul für das Ermitteln eines stabilen Zustands 306, ein Summierermodul 308, ein VE-Modul 310 und ein Motorsteuermodul (ECM) 314. Das Modul für MAP-basiertes Drehmoment 300 bestimmt T_MAP unter Verwendung des oben beschriebenen MAP-basierten Drehmomentmodells. Das Modul für inverses APC-basiertes Drehmomentmodell 302 bestimmt APC_EST unter Verwendung des oben beschriebenen inversen APC-basierten Drehmomentmodells.
Das Korrekturmodul 304 bestimmt APC_CORR anhand von APC_EST, APC_ACT und eines Signals von dem Modul für das Ermitteln eines stabilen Zustands 306. Genauer bestimmt das Modul für das Ermitteln eines stabilen Zustands 306 anhand von MAP_ACT, ob der Motor stabil arbeitet. Wenn der Motor stabil arbeitet, wird von dem Korrekturmodul 304 ein Korrekturfaktor ausgegeben. Wenn der Motor nicht stabil arbeitet, wird der Korrekturfaktor auf null gesetzt. Das Summierermodul 308 bildet die Summe aus APC_EST und dem Korrekturfaktor, um ein korrigiertes APC_EST zu liefern. Das VE-Modul 310 bestimmt VE anhand von APC_EST, MAP_ACT und IAT, wie oben im Einzelnen beschrieben worden ist. Das ECM 324 erzeugt anhand von APC_EST und VE Motorsteuersignale, um den Motorbetrieb zu regeln.
Die Steuerung mit drehmomentbasierter VE- und APC-Bestimmung ermöglicht die Bestimmung sowohl des VE- als auch des APC-Wertes aus einem bekannten Datensatz. Der Datensatz wird im Zuge der Motorentwicklung unter Verwendung eines Werkzeugs wie etwa DYNA-AIR erzeugt. Da diese Werte aus bekannten Werten bestimmt werden können, wird der Aufwand von Dynamometerzeit reduziert, weil die VE- und APC-Werte während der Motorentwicklung nicht ermittelt werden müssen, während der Motor an einem Dynamometer läuft. Dies trägt dazu bei, die Gesamtzeit und die Gesamtkosten der Motorentwicklung zu reduzieren. Ferner stellt die Steuerung mit drehmomentbasierter VE- und APC-Bestimmung einen automatisierten Prozess zum Schätzen der VE- und APC-Werte bereit.

Claims

Verfahren zum Regeln des Betriebs eines Verbrennungsmotors, das umfasst: Überwachen eines Krümmer-Absolutdrucks (MAP), einer gemessenen Ist-Luft pro Zylinder (APC) und einer Einlasslufttemperatur des Motors; Berechnen eines Motordrehmoments anhand des MAP, indem der MAP durch ein MAP-basiertes Drehmomentmodell verarbeitet wird; Berechnen einer geschätzten APC anhand des Drehmoments, indem das Motordrehmoment durch ein invertiertes APC-basiertes Drehmomentmodell verarbeitet wird; Bestimmen eines volumetrischen Wirkungsgrads des Motors anhand der geschätzten APC; und Regeln des Betriebs des Motors auf der Grundlage des volumetrischen Wirkungsgrads.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Betrieb des Motors ferner auf der Grundlage der geschätzten APC geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bestimmen eines Korrekturfaktors anhand der Ist-APC; und Korrigieren der geschätzten APC anhand des Korrekturfaktors.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner das Ermitteln, ob der Motor stabil arbeitet, umfasst, wobei der Schritt des Korrigierens der geschätzten APC ausgeführt wird, wenn der Motor stabil arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der volumetrische Wirkungsgrad des Weiteren auf den MAP und die Einlasslufttemperatur gestützt wird.