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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen Brennraum-individueller Ist-Werte
einer Verbrennungen charakterisierenden Kenngröße
zwischen mehreren Brennräumen eines mit homogener Brennraumfüllung
und Kompressionszündung betriebenen Ottomotors, der mit
einer Kraftstoff-Direkteinspritzung und einem variablen Ventiltrieb
arbeitet, wobei die Brennraum-indivduellen Ist-Werte in Abhängigkeit
von Signalen Brennraum-individueller Sensoren gebildet werden und wobei
Abweichungen der Brennraum-individuellen Ist-Werte von einem Sollwert
zu Stellgrößen verarbeitet werden, mit denen eine
Ventilerhebung eines Gaswechselventils eines Brennraums verändert wird.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein zur Durchführung
des Verfahrens eingerichtetes Steuergerät, ein entsprechend
programmiertes Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt
mit einem solchen Computerprogramm.
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Neue
Ottomotorische Brennverfahren, welche in der Literatur als gasoline
HCCI-(Homogeneous Charge Compression Ignition) oder CAI-Verfahren
(Controlled Auto Ignition) bezeichnet werden, zeichnen sich durch
ein signifikantes Potential zur Kraftstoffersparnis gegenüber
dem herkömmlichen Fremdzündungsbetrieb aus. Die
Kraftstoffersparnis stellt sich insbesondere in (testzyklusrelevanten) Teillastbereichen
ein.
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Weiterhin
ergeben sich bei dieser Art der Verbrennung weitere Vorteile wie
sehr geringe Schadstoff-Rohemissionen, insbesondere im Vergleich
mit dem ebenfalls kraftstoffsparenden Schichtbetrieb. Somit kann
auf zusätzliche, relativ teure Abgasnachbehandlungssysteme
wie NOx-Speicherkatalysatoren verzichtet wenden. Diese Vorteile
ergeben sich durch die Kombination verschiedener Effekte wie niedrige
Verbrennungstemperaturen und eine sehr homogene Gemischbildung,
was zu einer Vielzahl exothermer Zentren im Brennraum und damit
zu einer sehr gleichmäßig und schnell ablaufenden
Verbrennung führt.
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CAI-Motoren
sind in der Regel mit einem variablen Ventiltrieb und Benzin-Direkteinspritzung
ausgestattet. Zur Erzeugung des CAI-Betriebs existieren verschiedene
Strategien, die alle zum Ziel haben, einen relativ großen
Restgasanteil an Brennraumfüllungen des Ottomotors bereitzustellen.
Durch das heiße Restgas wird die Temperatur der Brennraumfüllung
erhöht, so dass während der Kompressionsphase
die Selbstzündtemperatur erreicht wird und eine Verbrennung
eingeleitet wird, ohne dass ein weiteres auslösendes Ereignis
wie ein Zündfunken wie bei herkömmlichen ottomotorischen
Brennverfahren oder eine Einspritzung wie bei dieselmotorischen Brennverfahren
erforderlich ist.
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Der
große Restgasanteil wird zum Beispiel dadurch realisiert,
dass der Verbrennungsmotor ohne Ventilüberschneidung der
Einlassventile und Auslassventile seiner Brennräume betrieben
wird, was auch als negative Ventilüberschneidung bezeichnet
wird. Dadurch wird eine bestimmte Restgasmenge im Zylinder gehalten,
die eine Zwischenverdichtung erfährt. Alternativ kann das
Restgas extern zurückgeführt oder durch kurzfristiges Öffnen
des Auslassventils während der Ansaugphase auch rückgesaugt
wenden.
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Bei
den CAI-Brennverfahren spielt die optimierte Steuerung bzw. die
Regelung der Verbrennung auf Basis eines Brennraumsignals eine entscheidende
Rolle.
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Bei
dem aus der
DE
10 2004 032 986 A1 bekannten Verfahren wird die Lage eines
50%-Massenumsatzpunktes als Verbrennungen charakterisierende Kenngröße
verwendet. Dieser Punkt zeichnet sich daduch aus, dass 50% des Kraftstoffanteils
einer Brennraumfüllung verbrannt sind. Die Ermittlung des 50%-Massenumsatzpunkts
erfolgt dabei für alle Brennräume gemeinsam aus
dem Signal eines im Summenabgas der Brennräume angeordneten Lambdasensors und/oder
Brennraum-individuell aus den Signalen zylinderindividueller Drucksensoren oder
Ionenstromsensoren.
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Der
50%-Massenumsatzpunkt wird bei dem bekannten Verfahren in einem
ersten Regelkreis auf einen nicht-Brennraum-individuellen Sollwert
geregelt. In einem zweiten Regelkreis erfolgt ergänzend eine
Angleichung von Brennraum-individuell erfassten Kenngrößen
aneinander.
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Die
Verwendung des zweiten Regelkreises wird in der
DE 10 2004 032 986 damit begründet, dass
sich bei eingeschwungenem ersten Regelkreis noch ein vom optimalen
Brennverhalten abweichendes tatsächliches Brennverhalten
in einzelnen Zylindern ergeben kann, das zu störenden Ergebnissen führt.
Als mögliche Ursache solcher Abweichungen werden unterschiedliche
Verschleißzustände der Zylinder angegeben.
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Insgesamt
wird in dem ersten Regelkreis ein von allen Brennräumen
beeinflusster Mittelwert der Kenngröße erfasst
und mit einer auf alle Brennräume einwirkenden Stellgröße
auf einen für alle Brennräume gleichen Sollwert
geregelt. Im zweiten Regelkreis werden Brennraum-individuell erfasste
Kenngrößen durch Brennraum-individuell gebildete
Stellgrößen geregelt.
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Als
Stellgröße zur Veränderung der Lage des 50%-Massenumsatzpunktes
werden im ersten Regelkreis Phasenlagen der Öffnung von
Auslassventilen der Brennräume und im zweiten Regelkreis
Einspritzimpulsbreiten von Voreinspritzungen oder Haupteinspritzungen
von Kraftstoff in die Brennräume verwendet. Der eingangs
genannte Eingriff auf Gaswechselventile bezieht sich daher auf Auslassventile.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in einer weiteren Verbesserung des
Ausgleichs von Unterschieden zwischen Verbrennungsprozessen, die
in mehreren Brennräumen eines mit homogener Brennraumfüllung
und Kompressionszündung betriebenen Ottomotors ablaufen,
der mit einer Kraftstoff-Direkteinspritzung und einem variablen
Ventiltrieb arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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Die
Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass als Verbrennungen
charakterisierende Größe ein Merkmal gebildet
wird, in dem sich Brennraum-individuelle Ladungswechselverluste
abbilden und dass als Stellgröße eine Ventilerhebung eines
Einlassventils des Brennraums verändert wird.
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Unter
Ladungswechselverlusten versteht man Verschlechterungen des Wirkungsgrades
der motorischen Verbrennung, die durch die physikalische Arbeit
bedingt sind, die für den Ladungswechsel erforderlich ist.
Diese Arbeit hängt von Widerständen im Ansaugsystem
und/oder im Abgassystem ab. Für alle Brennräume
gleiche Widerstände im Ansaugsystem ergeben sich zum Beispiel
als Strömungswiderstände der Drosselklappe, des
Luftfilters und des Luftmassenmesser. Brennraum-individuelle Widerstände
ergeben sich durch Asymmetrien in der Ansaugtraktgeometrie und durch
einen nicht-idealen variablen Ventiltrieb, bei dem sich der tatsächliche Öffnungs-
oder Schließwinkel und/oder die zwischen dem jeweiligen Öffnungswinkel
und dem zugehörigen Schließwinkel liegenden Ventilhubkurven
von Brennraum zu Brennraum unterscheiden. Die auf den nicht-idealen
Ventiltrieb zurückgehenden Einflüsse werden durch
Fertigungsstreuungen und im Betrieb durch eine Bauteilalterung hervorgerufen.
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In
der Praxis kann der Verbrauchs-sparende HCCI-Betrieb nur in einem
Teilbereich aller möglichen Betriebspunkte des Verbrennungsmotors durchgeführt
werden. Durch die Erfindung wird dieser Teilbereich vergrößert.
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Dadurch,
dass als Verbrennungen charakterisierende Größe
ein Merkmal gebildet wird, in dem sich Brennraum-individuelle Ladungswechselverluste
abbilden, erlaubt die Erfindung eine Berücksichtigung dieser
Einflüsse bei der Steuerung des Verbrennungsmotors.
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Dadurch,
dass als Stellgröße eine Ventilerhebung eines
Einlassventils des Brennraums verändert wird, erlaubt die
Erfindung eine Kompensation dieser Einflüsse. Vorteilhaft
ist auch, dass zusätzlich Eingriffe auf die Ventilerhebung
von Auslassventilen möglich bleiben, die unabhängig
von den Eingriffen auf die Ventilerhebung der Einlassventile erfolgen können
und durch andere Funktionen oder Regelkreise vorgenommen werden
können.
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Dadurch
wird z. B. eine Entkopplung des Ausgleichs Brennraum-individueller
Unterschiede von der Einstellung eines für alle Brennräume
gemeinsamen 50%-Umsatzpunktes erreicht Als Folge werden konkurrierende
Regeleingriffe vermieden.
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Dies
muss unabhängig von den Eingriffen auf das Auslassventil,
insbesondere auf den Schließwinkel EVC des Auslassventils
[EVC = Exhaust Valve Closed] sein, da dieser Parameter in der Regel
als Eingriffsgröße für die Regelung der
Verbrennungslage MFB50 (Lage des Verbrennungsschwerpunktes [Mass
Fraction Burnt 50%]) benötigt wird.
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Umgekehrt
kann die Beschränkung auf die Einlassventil-Eingriffe aber
auch als Vorteil gesehen werden, da sie gerade eine Kombination
mit einer Verbrennungslageregelung erlaubt, wobei letztere auf das
Auslassventil eingreift.
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Weiterhin
kommt das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere
beim derzeitig favorisierten HCCI-Motorbetrieb mit negativer Ventilüberschneidung
(d. h. mit rückgehaltenem Restgas und Zwischenverdichtung)
zum Einsatz.
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Zusätzlich
kann das Verfahren auch im SI-Betrieb [SI = Spark Ignition] zum
Einsatz kommen. Sollte ein voll-variables Ventilsystem existieren,
so wird es in der Regel bereits im SI-Betrieb zur Reduktion der
Ladungswechselverluste eingesetzt. Dies geschieht bei geringer/keiner
Androsselung mittels eines frühen Schließens des
Einlassventils (FES: Früher Einlass Schluss).
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen,
der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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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.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 das
technische Umfeld der Erfindung;
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2 den
Verlauf eines Brennraumdrucks im CAI-Betrieb des Verbrennungsmotors
aus der 1;
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3 eine
Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
in Form einer Anordnung von Funktionsblöcken; und
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4 eine
weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens in einer Funktionsblockdarstellung.
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Im
Einzelnen zeigt die 1 das technische Umfeld der
Erfindung in Form eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 weist
mehrere Brennräume auf, von denen in der Darstellung der 1 ein
Brennraum 12 in der Zeichnungsebene liegt und damit erkennbar
ist. Die anderen Brennräume liegen bei der gewählten
Darstellung oberhalb oder unterhalb der Zeichnungsebene. Der Brennraum 12 wird
von einem Kolben 14 beweglich abgedichtet und aus einem
Ansaugsystem 16 mit Luft gefüllt. Nach Füllung
des Brennraums 12 mit Luft wird Kraftstoff 18 mit
einem Injektor 20 direkt in den Brennraum 12 eingespritzt.
Bei einem geeigneten Brennverfahren entzündet sich die
Brennraumfüllung bei der im Arbeitszyklus stattfindenden
Verdichtung in kontrollierter Weise selbst. In Betriebspunkten,
in denen keine kontrollierte Selbstzündung möglich
ist, wird der Verbrennungsmotor 10 wie ein üblicher
Otto-Motor mit Fremdzündung betrieben. In diesem Fall erfolgt
die Zündung der Brennraumfüllung durch einen von
einer Zündkerze 22 erzeugten Zündfunken 24.
Die aus der Verbrennung der Brennraumfüllung resultierenden
Restgase werden über ein Abgassystem 26 abgeführt.
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Zur
Steuerung des auch als Gaswechsel oder Ladungswechsel bezeichneten
Wechsels der Brennraumfüllung ist der Verbrennungsmotor 10 mit wenigstens einem
Einlassventil 28 und wenigstens einem Auslassventil 30 für
jeden Brennraum 12 ausgestattet. Dabei wird das Einlassventil 28 von
einem Einlassventilstellglied 32 und das Auslassventil 30 von
einem Auslassventilstellglied 34 betätigt. Bei dem
Einlassventilstellglied 32 und dem Auslassventilstellglied 34 handelt
es sich in einer Ausgestaltung um elektrohydraulische oder andere
Aktoren, z. B. elektromotorische etc., die eine vollvariable Steuerung
der Öffnungen der Ventile 28 und 30 erlauben, also
eine Beeinflussung des jeweiligen Öffnungszeitpunktes,
des jeweiligen Schließzeitpunktes und des zwischen Öffnungszeitpunkt
und Schließzeitpunkt liegenden Verlaufs der Ventilöffnung.
Es versteht sich, dass die Öffnung der Ventile 28, 30 jeweils
mit der Bewegung des Kolbens 14 im Zylinder, zu dem der
Brennraum 12 gehört, synchronisiert werden muss.
Die Bewegung des Kolbens 14 bildet sich in der Drehbewegung
einer Kurbelwelle 36 ab, die mit dem Kolben 14 über
ein Pleuel 37 verbunden ist.
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Die
Steuerung des Verbrennungsmotors 10 über eine
Ansteuerung der hier exemplarisch genannten Stellglieder erfolgt
duch ein Steuergerät 38. Das Steuergerät 38 gibt
insbesondere Signale S_20 zur Steuerung einer Kraftstoffzufuhr über
den Injektor 20, Signale S_22 zur Auslösung einer
Verbrennung durch Ansteuerung der Zündkerze 22,
und Signale zur Steuerung des Wechsels der Füllungen des Brennraums 12 durch
Ansteuern des Einlassventilstellglieds 32 mit einem Signal
S_32 und durch Ansteuerung des Auslassventilstellglieds 34 mit
einem Signal S_34 aus.
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Zur
Bildung der Stellsignale S_20, S_22, S_32, S_34 und gegebenenfalls
weiterer Ansteuersignale für nicht im Einzelnen dargestellte
Stellglieder wie Drosselklappen, Resonanzklappen, Drallklappen,
Abgasrückführventile, Ladedruckstellglieder bei aufgeladenen
Motoren usw., verarbeitet das Steuergerät 38 Signale,
in denen sich Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 10 und
Drehmomentanforderungen durch einen Fahrer und/oder andere Steuergeräte
wie Steuergeräte zur Verbesserung der Fahrstabilität
usw., abbilden. In der Ausgestaltung, die in der 1 dargestellt
ist, sind dies Signale S_40 eines Brennraum-individuellen Brennraumdrucksensors 40 und/oder
Signale S_42 eines Brennraum-individuellen Abgassensors 42,
Signals S_44 eines Winkelsensors 44, der die Winkellage
der Kurbelwelle 36 und damit die aktuelle Position des Kolbens 14erfasst,
und das Signal S_46 eines Fahrerwunschgebers 46, der eine
Drehmomentanforderung durch den Fahrer erfasst. Es versteht sich,
dass diese Aufzählung nicht abschließend gemeint
ist und moderne Verbrennungsmotoren 10 auch mehr, weniger
oder andere Sensoren aufweisen können. Wesentlich ist jedoch,
dass die verwendeten Sensoren eine Erfassung Brennraum-individueller
Werte einer Verbrennungen charakterisierenden Größe
erlauben.
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Im übrigen
ist das Steuergerät 38 dazu eingerichtet, insbesondere
dazu programmiert, das erfindungsgemäße Verfahren
oder eine seiner hier vorgestellten Ausgestaltungen durchzuführen,
wobei unter einer Durchführung eine Steuerung des Verfahrensablaufs
verstanden wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Einrichtung des Steuergeräts 38 durch
Laden eines Computerprogramms mit den Merkmalen des unabhängigen
Computerprogramm-Anspruchs von einem Computerprogramm-Produkt mit
den Merkmalen des unabhängigen Computerprogramm-Produktanspruchs.
Unter einem Computer-Programm-Produkt wird insofern jede Datei oder
Sammlung von Dateien verstanden, die das Computerprogramm in gespeicherter
Form enthalten, sowie jeder Träger, der ein solche Datei
oder Sammlung von Dateien enthält.
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Durch
den Injektor 20, der eine direkte Einspritzung von Kraftstoff
in den Brennraum 12 erlaubt und durch die Möglichkeit,
die Öffnung des Einlassventils 28 in weiten Grenzen
beeinflussen zu können, ist der Verbrennungsmotor 10 für
ein HCCI-Brennverfahren geeignet. Ein Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit
HCCI-Brennverfahren ist in der Regel nicht in allen Betriebspunkten
des Verbrennungsmotors 10 möglich. Durch die Zündkerze 22 kann
der Verbrennungsmotor 10 in den übrigen Betriebspunkten
mit einem stabil ablaufenden ottomotorischen Fremdzündungs-Brennverfahren
betrieben werden.
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2 veranschaulicht
den Verlauf 48 des Brennraumdrucks p im CAI-Betrieb des
Verbrennungsmotors 10 mit negativer Ventilüberschneidung über
zwei Kurbelwellenumdrehungen, also über einen vollen Arbeitszyklus,
in Grad Kurbelwellenwinkel (abgekürzt °KWW). Der
von –180°KWW bis 0°KWW reichende Abschnitt
ist der Aufwärtsbewegung des Kolbens 14 beim Ausstoßen
zugeordnet. Der Wert 0°KWW gibt den oberen Totpunkt an,
der dem Ladungswechsel zugeordnet ist (Ladungswechsel-OT). Der von
0°KWW bis 180°KWW reichende Abschnitt ist der
Abwärtsbewegung des Kolbens 14 beim Ansaugen zugeordnet.
Der von 180°KWW bis 360°KWW reichende Abschnitt
ist der Aufwärtsbewegung des Kolbens 14 beim Verdichten
zugeordnet. Beim Wert 360°KWW liegt der der Zündung
zugeordnete obere Totpunkt der Kolbenbewegung (Zündungs-OT).
Der von 360°KWW bis 540°KWW reichende Abschnitt
ist der Abwärtsbewegung des Kolbens 14 beim Verbrennen
zugeordnet Die hohen Pegel der Signale S_32 und S_34 repräsentieren
jeweils Kurbelwellenwinkelintervalle, beziehungsweise zugeordnete
Zeitintervalle, in denen das Einlassventil 28 beziehungsweise
das Auslassventil 30 geöffnet ist Sie stellen
also keine Druckverläufe dar.
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Die
in der 2 dargestellte Situation repräsentiert
dabei eine sogenannte negative Ventilüberschneidung, bei
der sich die Öffnungsintervalle des Einlassventils 28 und
des Auslassventils 30 im Ladungswechsel-OT nicht überschneiden,
so dass durch den vor dem Gaswechsel-OT aufwärts laufenden
Kolben 14 eine Zwischenverdichtung der Brennraumfüllung
erfolgt, die zu dem lokalen Druckmaximum 50 führt.
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Das
zweite Druckmaximum 52 ergibt sich durch die im regulären
Verdichtungstakt erfolgende Verdichtung und anschließende
ottomotorische Selbstzündung und Verbrennung der Brennraumfüllung.
Für die ottomotorische Selbstzündung wird ein homogenes
Kraftstoff/Luft-Gemisch verdichtet. Dieses entzündet sich
selbst, sobald ausreichend hohe Temperatur- und Druckwerte im Brennraum 12 erreicht
werden. Der zum Erreichen dieser Werte erforderliche Zustand der
Brennraumfüllung wird mit Hilfe der variablen Steuerung
der Gaswechselventile 28, 30 erreicht, durch die
bei den in der 2 dargestellten Signalen S_32
und S_34 heißes Abgas im Brennraum 12 zurückbehalten
wird. Dabei wird das Auslassventil 30 deutlich vor dem
Ladungswechsel-OT geschlossen und das im Brennraum verbleibende heiße
Restgas verdichtet. Das Einlassventil 28 öffnet erst,
wenn im Brennraum 12 wieder Saugrohrdruck herrscht, um
Strömungsverluste zu vermeiden. Die Direkteinspritzung
von Kraftstoff bietet dabei eine Möglichkeit, den Selbstzündzeitpunkt
zu steuern, indem der Kraftstoff bereits in das heiße Restgas
im Bereich des Maximums 50 eingespritzt wird.
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Am
Ende des Verdichtungstaktes, also bei auf den Zündungs-OT
bei 360°KWW zulaufenden Kolben 14 wird dann die
Zündtemperatur erreicht und das Gemisch beginnt an vielen
Orten gleichzeitig im Brennraum 12 zu reagieren. Eine durch
das Gemisch laufende Flammenfront wird dadurch vermieden. Als Folge
werden auch lokale Temperaturspitzen vermieden, die bei mit Flammenfronten
arbeitenden Brennverfahren die Entstehung hoher Stickoxidemissionen begünstigen.
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Als
die Verbrennungen charakterisierende Größen werden
bei einer Ausgestaltung der Erfindung Merkmale pmi_ZV_j, j = 1 bis
4, verwendet. Dabei nummeriert der Index j jeweils die Zylinder
und damit die Brennräume des Verbrennungsmotors 10.
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Jedes
Merkmal pmi_ZV_j, j = 1 bis 4, repräsentiert einen mittleren
indizierten Druck pmi während einer Zwischenverdichtungsphase
ZV. Dabei wird unter dem indizierten Druck der Verlauf des gemessenen
Brennraumdrucks über dem Kurbelwellenwinkel °KWW
verstanden. Die Darstellung der 2 entspricht
insofern dem Ergebnis einer Druckindizierung. Der mittlere indizierte
Druck pmi während einer Zwischenverdichtungsphase ZV ergibt sich
in einer Ausgestaltung als auf das Hubvolumen VH normiertes Volumenintegral
des indizierten Brennraumdrucks p_zyl in der Zwischenverdichtungsphase.
Als Integrationsgrenzen werden in einer Ausgestaltung die Werte
180°KWW vor dem Gaswechsel-OT und 180°KWW nach
dem Gaswechsel-OT verwendet, was in der Darstellung der 2 dem
Bereich von –180°KWW bis +180°KWW entspricht.
Diese Bereichsangaben stellen eine bevorzugte Ausgestaltung dar.
Es sind aber auch davon abweichende Bereichsgrenzen möglich.
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Je
größer die Gaswechselverluste sind, desto niedriger
wird der Druck p insbesondere im °KWW-Abschnitt mit geöffnetem
Einlassventil
28, also bei hohem Pegel des Signals S_32
ausfallen. Bei niedrigeren oder sogar negativen Druckwerten wird
auch der Wert des Integrals kleiner ausfallen, so dass der Wert
des Integrals
jeweils ein Maß für
den Brennraum-individuellen Gaswechselverlust darstellt. Dabei ist
p_zyl_j der Brennraum-individuell erfasste Brennraumdruck, wie er
sich im Signal S_40 aus der
1 abbildet.
Ferner ist φ = 0 beim oberen Totpunkt des Gaswechsels.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens, mit dem eine Stellgröße S_32 einer
Ventilerhebung eines Einlassventils 28 im Brennraum 12 als Funktion
einer Verbrennungen charakterisierenden Größe
verändert wird, in der sich Brennraum-individuelle Ladungswechselverluste
abbilden. Dabei ist j = 4, so dass sich die in der 3 dargestellte
Ausgestaltung auf einen Vierzylindermotor bezieht. Selbstverständlich
ist die Erfindung aber auch bei Verbrennungsmotoren mit anderen
Zylinderzahlen anwendbar.
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Beim
Gegenstand der 3 werden am Verbrennungsmotor 10 zylinderindividuelle
Brennraumdruckwerte p_zyl_j, j = 1 bis 4, und eine Winkelinformation
S_44 erfasst. Die gestrichelte Linie 54 trennt in der 3 dem
Steuergerät 38 zugeordnete Funktionen von Funktionen,
die dem Verbrennungsmotor 10 zuzuordnen sind. In dem Block 56 erfolgt
eine Verarbeitung der Zylinder-individuellen Druckwerte p_zyl_j,
mit j = 1 bis 4, zu zylinderindividuellen Merkmalen oder Kenngrößen
pmi_ZV_j, mit j = 1 bis 4. Diese zylinderindividuell gebildeten
Kenngrößen werden im Block 58 gemittelt.
Der Mittelwert wird zum Beispiel durch Aufsummieren der für
einen vollständigen Arbeitszyklus ermittelten Kenngrößen
und Division durch die Zahl der summierten Kenngrößen
gebildet. Anschließend wird in Verknüpfungen 60, 62, 64, 66 jeweils
eine Zylinder-individuell gebildete Kenngröße,
also ein Ausgangssignal des Block 56, von dem gebildeten
Mittelwert subtrahiert. Die so gebildete Differenz wird als Zylinder-individuelle
Regelabweichung delta_pmi_ZV_j, j = 1 bis 4, einem Zylinder-individuellen
Regler R_j, j = 1 bis 4, zugeführt und von diesem zu einer
Zylinder-individuellen Korrekturgröße delta_IVO_j,
j = 1 bis 4 verarbeitet. IVO steht dabei für Intake Valve
Open und bezeichnet den Öffnungszeitpunkt des Einlassventils 28 oder
den zugeordneten Kurbelwellenwinkelwert °KWW.
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Parallel
wird fortlaufend ein für alle Zylinder gemeinsamer Basiswert
IVO_Steuerwert ermittelt. Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen,
dass ein Kennfeld 68 mit einer aus dem Signal S_44 gebildeten
Drehzahlinformation und einem auf dem Fahrerwunsch S_46 basierenden
Signal adressiert wird.
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Anschließend
erfolgt in Zylinder-individuellen Verknüpfungen 70, 72, 74, 76 jeweils
eine Verknüpfung des Basiswerts IVO_Steuerwert mit einem
Zylinder-individuell bestimmten Korrekturwert delta_IVO_j, j = 1
bis 4.
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Das
Ergebnis dieser Verknüpfung wird in der 3 mit
IVO_j, j = 1 bis 4, bezeichnet. Für jeden Zylinder stellt
das zugehörige Ergebnis IVO in einer Ausgestaltung jeweils
die steigende Flanke des Signals S_32 dar, mit der das zugehörige
Einlassventil 28 aufgesteuert wird.
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Die
Regelung ist dabei so ausgestaltet, dass die Brennraum-individuellen
Stelleingriffe S_32 jeweils die Abweichung des Brennraum-individuell
gebildeten Merkmals
vom über alle Brennräume
gebildeten Mittelwert dieser Merkmale verringern. Wenn das Integral
vergleichsweise klein ist, wird dies in einer Ausgestaltung über
die Regelung zu einem früheren Öffnen des Einlassventils
führen, wenn das frühere Öffnen des Einlassventils
eine vergrößernde Wirkung auf das Integral besitzt.
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Die
so beschriebene Regelung erfolgt unter stationären Betriebsbedingungen.
Zur Erkennung stationärer Betriebsbedingungen wertet ein
Block 78 die aus dem Signal S_44 ermittelte Drehzahl und
die aus dem Signal S_46 ermittelte Last des Verbrennungsmotors 10 aus
und erlaubt bei hinreichender Konstanz von Last und Drehzahl eine
Regelung durch Aktivieren der Regler R_j, j = 1 bis 4.
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Im
Ergebnis repräsentiert die Verbindung der 3 mit
der 1 daher eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum
Ausgleichen Brennraum-individueller Ist-Werte einer Verbrennungen
charakterisierenden Kenngröße zwischen mehreren
Brennräumen eines mit homogener Brennraumfüllung
und Kompressionszündung betriebenen Ottomotors, der mit
einer Kraftstoff-Direkteinspritzung und einem variablen Ventiltrieb
arbeitet.
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Bei
dieser Ausgestaltung werden als Verbrennung charakterisierende Größe
Integralwerte eines Zylinderdrucksignals für jeden Zylinder
gebildet.
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Diese
Integralwerte stellen ein Beispiel eines Merkmals dar, in dem sich
Brennraum-individuelle Ladungswechselverluste abbilden.
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Dabei
ist die Integration nicht auf die als Beispiel angegebenen Integrationsgrenzen
begrenzt zu verstehen. Es wird jedoch bevorzugt, dass Integrationsintervalle
den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung zwischen einem Ausstoßtakt
und einem Ansaugtakt umgeben.
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Bei
der bis hier beschriebenen Ausgestaltung wird das Merkmal pmi_ZV,
also der mittlere indizierte Druck der Zwischenverdichtungsphase,
welche von 180°KWW vor Gaswechsel OT bis 180°KWW
nach Gaswechsel OT reicht, als Maß für die zylinderindividuellen
Ladungswechselverluste ausgewertet Als Alternative kann die Integration
auch von EVO [Exhaust Valve Opened] bis IVC [Intake Valve Closed]
gebildet werden. In jedem Fall wird das entsprechend gebildete Merkmal
als Führungsgröße einer Zylinderausgleichsregelung
benutzt.
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Das
Verfahren kann ferner zur Korrektur von Toleranzen eines vollvariablen
Ventilsystems verwendet werden. Dies kann zum einen durch Korrektur
des Schließzeitpunktes des Einlassventils (IVC) erfolgen.
Falls diese Korrektur von IVC zum Beispiel bereits über
die Auswertung anderer Brennraumdruckmerkmale oder anderer Sensorsignale
(Körperschall) erfolgt, kann alternativ eine Korrektur
des Ventilhubes des Einlassventils (IVL) erfolgen.
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Schließlich
ist bei Einsatz des Verfahrens im FES-Betrieb mit Fremdzündung
durch die Zündkerze 22 zu beachten, dass das Merkmal
pmi_ZV aufgrund der speziellen Ventilsteuerung möglicherweise
nicht mehr aussagekräftig genug ist (der Zylinderdruck zeigt
nur einen – in der Regel stark verrauschten – Verlauf
ohne signifikanten Druckhub, da es keine Zwischenverdichtung gibt).
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Der
Zylinderdruck sinkt nach dem Schließen des Einlassventils
in der Expansionsphase der Zwischenverdichtung ab. In diesem Fall
bietet sich die Auswertung eines alternativen Druckmerkmals an. Intuitiv
würde man den Druck an einem bestimmten Kurbelwinkel betrachten.
Allerdings ist ein einzelner Druckwert in der Regel starkem Rauschen
unterworfen, so dass es günstiger ist von IVC bis zum Unteren Totpunkt
(bzw. in einem Unterintervall) eine Adiabate nach dem Verfahren
der kleinsten Quadrate zu identifizieren. pvkappa = C
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Als
Merkmal kann dann entweder die Konstante C direkt oder aber ein
aus ihr abgeleiteter Druckwert zu einem bestimmten Winkel herangezogen
werden. Auch der Druckeinbruch (Differenz zwischen mittlerem Druckwert
vor dem Schließen und dem über die Adiabate berechneten
Druck nach dem Schließen des Einlassventils zu einem bestimmten Winkel)
ist potentiell als Merkmal geeignet.
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Der
Korrektureingriff erfolgt analog zum HCCI-Betrieb zylinderindividuell,
jedoch auf den Steuerparameter IVC_i bzw. IVL i.
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In
der Ausgestaltung, die unter Bezug auf die 3 erläutert
worden ist, werden die Integralwerte individuell für jeden
Zylinder gebildet und es wird ein Mittelwert der zylinderindividuellen
Integralwerte ermittelt. Dieser Mittelwert wird als Sollwert für
eine Regelung jedes einzelnen der zylinderindividuellen Integralwerte
verwendet.
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Als
Stellgröße wird ein Zeitpunkt beeinflusst, zu
dem ein Einlassventil öffnet. Alternativ oder ergänzend
wird ein Zeitpunkt beeinflusst, zu dem ein Einlassventil schließt,
und/oder es wird ein Maximalwert einer Ventilerhebung, also ein
maximaler Ventilhub, beeinflusst.
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Eine
weitere alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Integralwerte
individuell für jeden Zylinder gebildet werden, ein vorbestimmter
Sollwert der zylinderindividuellen Integralwerte ermittelt wird
und eine Regelung jedes einzelnen der zylinderindividuellen Integralwerte
auf den gemeinsamen Sollwert erfolgt.
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Diese
Ausgestaltung wird durch die 4 repräsentiert.
Der Gegenstand der 4 unterscheidet sich vom Gegenstand
der 3 durch eine geänderte Bildung des Sollwerts.
Beim Gegenstand der 4 erfolgt dies durch einen Zugriff
auf ein Kennfeld 80, das in der dargestellten Ausgestaltung
mit Last und Drehzahl adressiert wird. Das Kennfeld ersetzt insofern
die Mittelwertbildung Im Block 58 der 3.
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Diese
Ausgestaltung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Gaswechselverluste
unabhängig von den gegenwärtigen Umweltbedingungen
(Atmosphärendruck, -temperatur, Kraftstoffqualität)
absolut immer gleich eingestellt werden. Nachteilig wäre
die Notwendigkeit zur zusätzlichen Applikation des pmi_ZV-Sollwertkennfeldes.
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Die
im stationären HCCI-Motorbetrieb ermittelten Korrekturwerte
können schließlich betriebspunktabhängig
in entsprechende Korrekturkennfelder abgespeichert werden, um anschließend
direkt (d. h. ohne Einschalten der Regelung) in der Steuerung verwendet
zu werden. Dies kann auch als Kalibrierung des Ventilsystems verstanden
werden. Dieses Vorgehen empfiehlt sich insbesondere dann, wenn primär
Bauteiltoleranzen und Alterungseffekte kompensiert werden sollen.
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Bei
beiden Ausgestaltungen werden die Brennraum-individuellen Ist-Werte
in Abhängigkeit von Signalen Brennraum-individueller Sensoren
gebildet. Abweichungen der Brennraum-individuellen Ist-Werte von
einem Sollwert werden zu Stellgrößen verarbeitet,
mit denen eine Ventilerhebung eines Einlassventils in der Gaswechselphase
eines Verbrennungsmotors verändert wird.
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In
einer zur Auswertung Brennraum-individueller Brennraumdruckwerte
alternativen Ausgesatltung werden als Verbrennung charakterisierende Größe
zylinderindividuelle Lambdawerte erfasst und verarbeitet. Die Ladungswechselverluste
werden sich in Füllungsverlusten und damit in zylinderindividuellen
Lambda-Werten abbilden. Diese können daher alternativ als
Führungsgrößen der Zylinderausgleichsregelung
herangezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004032986
A1 [0002, 0008]
- - DE 102004032986 [0010]
