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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer HCCI-Verbrennung von Kraftstoff in einem Reaktor einer Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen sind unterschiedliche Verbrennungsverfahren bekannt. Die hier vorgestellte Erfindung befasst sich im Wesentlichen mit der Steuerung und Regelung des sogenannten HCCI-Brennverfahrens für Ottomotoren (Homogeneous Charge Compression Ignition: homogenes Selbstzündungsverfahren, auch gasoline HCCI oder Controlled Auto Ignition – CAI genannt). Mit HCCI wird ein Magerbrennverfahren bezeichnet, welches zum Ziel hat, eine signifikante Verbrauchsreduktion von 10–15% Kraftstoff im Kfz (durch Entdrosseln des Motorbetriebs und eine thermodynamisch günstige Verbrennung) ohne signifikante Stickoxid-Rohemissionen darzustellen (der 3-Wege Katalysator wirkt im Magerbetrieb nicht stickstoffreduzierend) und somit auch keine zusätzlichen Kosten für Abgasnachbehandlung in Kauf nehmen zu müssen.
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Da der Ottokraftstoff und das Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors so ausgelegt sind, dass Selbstzündungen (Klopfen) möglichst vermieden werden, muss die für das HCCI Verfahren nötige thermische Energie anderweitig bereitgestellt werden. Dies kann auf verschiedene Weisen, wie z. B. Rückhalten oder Rücksaugen des heißen internen Restgases oder Heizen der Frischluft, geschehen. Vorliegend wird ein Verfahren mit Abgasrückhaltung bzw. -rückführung zugrunde gelegt.
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Die Durchführung eines HCCI-Brennverfahrens erfordert eine Anzahl von Funktionalitäten der Brennkraftmaschine, insbesondere eine Direkteinspritzung, einen (teil-)variablen Ventiltrieb (z. B. Phasenverstellbarkeit und 2-Punkt Hub) sowie eine Rückmeldung von der Verbrennung (z. B. Brennraumdruck, Körperschall, Ionenstrom, hochaufgelöstes Drehzahlsignal, etc.).
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Einen wichtigen Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die Motorsteuerung dar, welche um spezielle Funktionen sowohl für die stationäre Steuerung und Regelung der HCCI-Verbrennung als auch für die dynamische Steuerung und Regelung (Lastwechsel und Betriebsartenumschaltungen) erweitert werden muss. Die Aufgabe der stationären Steuerung und Regelung besteht im Einhalten/Einstellen des Betriebspunktes, der Zylindergleichstellung sowie der Kompensation von Umwelteinflüssen. Die Aufgabe der dynamischen Steuerung und Regelung besteht darin, möglichst schnelle Lastwechsel zu ermöglichen und dabei weder klopfende noch aussetzende Verbrennungen zuzulassen.
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Das HCCI-Brennverfahren erfordert eine sorgfältige Abstimmung zwischen Steuerung und Regelung der Verbrennung selbst sowie der Luftsystemzustände im Saugrohr, um die beschriebenen Verbrauchsvorteile bei gleichzeitig akzeptablen Schadstoffemissionen zu erzielen.
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Im Zuge der sogenannten Grundapplikation werden entsprechende Werte für die Steuergrößen (z. B. Drosselklappe, AGR-Ventil, Einspritztiming und -menge, Ventilstellungen [z. B. Schließ- und Öffnungswinkel] für die Ein- und Auslassventile etc.) bestimmt.
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Problematisch ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass bereits beim stationären HCCI-Motorbetrieb eine hohe Sensitivität der Verbrennung bzgl. Umweltbedingungen, Kraftstoffqualität bzw. -zusammensetzung, Betriebshistorie (Hoch-/Niedriglast) etc. besteht. Zusätzlich treten zylinderindividuell unterschiedliche Störeinflüsse und Randeffekte (AGR-Ungleichverteilung, unterschiedliche Wandtemperaturen äußere/innere Zylinder) auf. Auch die Steuerkennfelder sind schwierig zu bedaten, da die optimalen Werte sowohl kurzfristigen (z. B. Kraftstoffqualität) als auch langfristigen (z. B. Bauteilalterung) Schwankungen unterworfen sind.
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Beim dynamischen HCCI Betrieb (z. B. Lastwechsel) kommt es zu einem kurzzeitigen Auftreten suboptimaler Betriebsphasen, da die Stelleingriffe hardwarebedingt jeweils einem unterschiedlichen Verzögerungsverhalten unterworfen sind. Dies rührt daher, dass die Luftsystemzustände der Saugrohrdynamik folgen und die Phasensteller Totzeiten unterliegen sowie ratenbegrenzt sind, während das Einspritzsystem von Zyklus zu Zyklus korrigiert werden kann und somit den schnellsten Stelleingriff bietet.
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Es ist wünschenswert, diesen Problematiken zu begegnen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Der Kern der Erfindung betrifft ein grundsätzliches Steuerungs- bzw. Regelkonzept für den HCCI-Betrieb, bei dem Zyklus-zu-Zyklus Kopplungen berücksichtigt werden. Dabei werden insbesondere Varianten eines Betriebspunktreglers, welcher das Mehrgrößensystem Verbrennung auf Basis eines empirisch ermittelten Modells unabhängig von Umweltbedingungen, Kraftstoffqualität, Betriebshistorie etc. einstellt, ein Zylinderausgleichsregler, welcher die prinzipbedingten Zylinderungleichstellungen bzgl. der Verbrennungsmerkmale kompensiert, ein Adaptionskonzept, welches Steuerkennfelder in Abhängigkeit langfristiger Schwankungseffekte anpasst, sowie eine Dynamikkompensation, welche die unterschiedlichen Stellerdynamiken berücksichtigt, beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, die oben genannten, im Stand der Technik auftretenden Probleme zumindest zu reduzieren. Durch die Implementierung einer zyklusgekoppelten Mehrgrößenregelung wird beim stationären HOC-Motorbetrieb die Beeinflussbarkeit der Verbrennung reduziert. Die zylinderindividuell unterschiedlichen Störeinflüsse und Randeffekte werden berücksichtigt. Die Bedatung der Steuerkennfelder wird vereinfacht. Beim dynamischen HCCI Betrieb kann das Auftreten suboptimaler Betriebsphasen verkürzt werden.
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Nachfolgend wird zunächst die der Erfindung zugrunde liegende Mehrgrößenregelung beschrieben.
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Für die Zustandsänderung beim HCCI-Brennverfahren wird vorteilhafterweise bei Vernachlässigung des Systemrauschens folgender Zusammenhang angenommen: Δxk = A·Δxk-1 + B1·Δuk + B2·Auk-1 [I]
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Dabei stellen x den Vektor der Regelgrößen (z. B. Verbrennungsmerkmale und/oder Luftsystemzustände), u den Vektor der Stellgrößen, A die Systemmatrix, B1 und B2 die Eingangsmatrizen und k den Zeitschritt bzw. Zyklus dar. Mit Δ wird eine Differenz zu einem Sollwert (für die Zustände x) bzw. zu einem Vorsteuerwert (für die Stellgrößen u) gekennzeichnet. Existiert keine Vorsteuerung, beschreibt Δu die Stellgrößen an sich.
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Der erste Term A·Δxk-1 beschreibt die beim HCCI-Brennverfahren im Gegensatz zur klassischen ottomotorischen bzw. dieselmotorischen Verbrennung auftretende Zyklus-zu-Zyklus Kopplung. Zudem wurde erkannt, dass die Zustandsänderung Δxk des aktuellen Zyklus k von der Eingangsgrößenänderung im aktuellen sowie auch im vorhergehenden Zyklus abhängt, was in vorteilhafter Ausgestaltung durch die Matrizen B1 und B2 beschrieben wird.
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Im stationären Betrieb im stabilen Betriebspunkt bei kleinen Stelleingriffen zur Zylindergleichstellung können die Einschwingvorgänge vorteilhafterweise vernachlässigt werden, d. h. man nimmt an, dass die Regelabweichung für den k-ten Zyklus im Mittel gut durch die (gemessene) Regelabweichung, des (k – 1)-ten Zyklus approximiert werden kann. Daraus ist abzuleiten:
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Damit lässt sich die für den k-ten Zyklus notwendige Stellgrößenänderung Δuk direkt aus der Regelabweichung Δxk-1 und dem Eingriff Δuk-1 des (k – 1)-ten Zyklus berechnen, wenn man Δxk = 0 fordert (die Regelabweichung im Zyklus k soll verschwinden). Daraus ergibt sich: –(XREF – Xk-1) = B1·Δuk + B2·Δuk-1 [3] wobei XREF Sollwerte und xk-1 Istwerte beschreiben.
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Daraus ergeben sich bei Invertierbarkeit von B1 unmittelbar die notwendigen Stellgrößenänderung Δuk zu: Δuk = –B1 –1·(XREF – xk-1) – B1 –1·B2·Δuk-1 [4] wobei (XREF – xk-1) = Δxk-1
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Am Beispiel einer Mehrgrößenregelung (x: IMEP: mittlerer indizierter Druck, λ: Luftzahl, MFB50: Verbrennungsschwerpunktslage, dpmax; maximaler Druckgradient; u: q: Einspritzmenge, EVC: Schließwinkel des Auslassventils, EGR: AGR-Rate im Saugrohr, SOI: Einspritzwinkel) soll das Verfahren beispielhaft erläutert und exemplarisch konkretisiert werden. Aus GI. [3] ergibt sich in diesem Falle:
wobei 0 als Matrixelement keine oder nur eine vernachlässigbare Abhängigkeit des jeweiligen Merkmals von der jeweiligen Stellgröße angibt.
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Der zur Lösung notwendige Rechenaufwand kann vorteilhaft reduziert werden, wenn eine Entkopplung zylinderindividueller Eingriffe zur Zylindergleichstellung von globalen Eingriffen zur Einregelung des Betriebspunktes durchgeführt wird. in bevorzugter Ausgestaltung wird ein zweistufiges Gleichungssystem, basierend auf [3], vorgeschlagen.
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Die globalen Eingriffe zur Regelung des Betriebspunktes werden beschrieben durch:
mit
jeweils für k und k – 1.
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Die ”gequerten” Größen stellen Mittelwerte über die Zylinder dar. Alternativ lässt sich beispielsweise für die Verbrennungslage auch jeweils der späteste Zylinder (MFB50k max) oder früheste Zylinder (MFB50k max) nutzen.
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Die zylinderindividuellen Eingriffe zur Zylindergleichstellung werden beschrieben durch:
wobei der Mittelwert bzw. maximale oder minimale Wert die neue Referenz beschreibt.
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In der vorliegenden Ausgestaltung kann somit eine 4 × 4-Abhängigkeit durch eine 3 × 3- und eine 2 × 2-Abhängigkeit ersetzt werden. Dadurch kann der Rechenaufwand (das Gleichungssystem muss für jeden Zylinder berechnet werden) sowie der hohe Applikationsaufwand aufgrund von vier unabhängigen Regelgrößen reduziert werden.
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Das bisher dargestellte Verfahren behandelt im Wesentlichen den sogenannten stationären HCCI-Betrieb. Vorteilhafterweise wird eine Stellgrößendynamik berücksichtigt, wobei eine dynamische Kompensation eingeführt wird, um die Anwendbarkeit für den dynamischen HCCI-Betrieb (z. B. in Lastwechselphasen) zu verbessern.
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Die dynamische Kompensation sei mittels der folgenden, in Bezug auf GI. [1] etwas vereinfachten Darstellung erläutert: Δxk = a·Δu1k + b·Δu2k [5]
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Hierbei beschreiben x eine einzelne Regelgröße (ein einzelnes Verbrennungsmerkmal, z. B. MFB50), u1, u2 die Werte zweier Stellgrößen (z. B. EVC und SOI) und a, b die jeweiligen Sensitivitäten. Wenn o. E. u1 (z. B. EVC) einer bekannten Dynamik unterliegt, d. h. es existiert eine Differenz zwischen dem kommandierten und dem aktuellen Wert der Stellgröße u1, so kann diese Differenz durch einen Eingriff auf die (als instantan wirksam) angenommene Stellgröße u2 (z. B. SOI) kompensiert werden. Dazu existiert zweckmäßigerweise zur Beschreibung der Dynamik ein auf Messdaten beruhendes Modell.
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Es ergibt sich dabei aus GI. [5] mit der bereits oben genannten Forderung Δxk = 0 folgender Korrekturwert: Δu2k = – a / b·Δu1k [6]
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In bevorzugter Ausgestaltung wird eine Adaption von Vorsteuerkennfeldern auf Grundlage der Regelung durchgeführt. So ist es möglich, die betriebspunktabhängigen Vorsteuerwerte um die sich langfristig am jeweiligen Betriebspunkt ergebenden, integralen Anteile der Stellgrößenkorrektur des Reglers zu verändern. Zweckmäßigerweise werden diese Änderung abgespeichert. In der Folge können langfristige Veränderungen, z. B. bedingt durch Injektoralterungseffekte, bereits in der Vorsteuerung berücksichtigt werden, und die Regler haben nur noch kurzfristige Umwelt- und Kraftstoffeinflüsse etc. zu kompensieren. Dies erweist sich insbesondere im dynamischen Betrieb als vorteilhaft, bei dem der Regler nur wenige Verbrennungszyklen Zeit hat, um sich einzuschwingen. Ebenso bei Notfallsituationen, z. B. bei Ausfall eines Sensors, in denen unter Umständen gar keine Regelung mehr möglich ist.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann anstelle der Mehrgrößenregelung auch eine SISO-Regelung für ein HCCI-Verfahren durchgeführt werden.
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Um den Applikationsaufwand, d. h. insbesondere den Messaufwand bzgl. der Sensitivitäten zu verringern, kann auch eine entkoppelte Struktur gewählt werden. D. h. man nutzt genau eine Stellgröße zur Regelung genau eines Verbrennungsmerkmals/Luftsystemzustands und vernachlässigt die Quereinflüsse dieser Stellgröße auf die anderen Merkmale/Luftsystemzustände.
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Es hat sich gezeigt, dass dies in der Praxis ausreichend ist, wenn man die Reglerdynamik durch entsprechende Wahl der jeweiligen Verstärkungsfaktoren entsprechend begrenzt. Es kann dazu vorgesehen werden, das den gesamten Anwendungsbereich des HCCI-Brennverfahrens in eine Anzahl von Untermodi zu unterteilen und diesen Modi jeweils eigene Kennfelder bzw. Kennfeldbereiche zuzuordnen.
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Es bietet sich an, drei HCCI-Bereich zu definieren, welche nachfolgend als HCCI1, HCCI2 und HCCI3 bezeichnet werden.
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Ein unterer Lastbereich wird als HCCI1 bezeichnet. Hier wird durch eine Teil-Verbrennung in der Zwischenverdichtung das Restgas zusätzlich angeheizt, um thermische Energie zur Selbstzündung zu generieren.
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Ein mittlerer Lastbereich, der durch einen Magerbetrieb ohne externes Restgas gekennzeichnet ist, wird als HCCI2 bezeichnet.
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Ein oberer Lastbereich wird als HCCI3 bezeichnet. Hier wird heißes internes Restgas durch kühleres externes Restgas ersetzt, was die Brennraumtemperatur reduziert. Zusätzlich wird λ = 1 eingestellt, um dem 3-Wege-Katalysator zu ermöglichen, Stickoxide zu reduzieren. Es kann eine Zündungsunterstützung vorgesehen werden.
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Diese drei Bereiche können vorteilhafterweise, wie nachfolgend beschrieben, geregelt werden.
HCCI1 |
Verbrennungsmerkmal/Luftsystemzustand | Stellgröße |
p22 bzw. p21–p22 [Saugrohrdruck bzw. Differenz zwischen Druck vor Drosselklappe und Druck nach Drosselklappe] | Drosselklappenstellung |
MFB50max [spätester Zylinder] | EVC |
MFB50i [zylinderindividuelle Lage] | SOIPli [zylinderindividueller Einspritzwinkel] oder qPli [zylinderindividuelle Menge der Voreinspritzung] |
IMEPi [zylinderindividueller Mitteldruck] | qi [zylinderindividuelle Gesamt- oder Haupteinspritzmenge] |
HCCI2 |
Verbrennungsmerkmal/Luftsystemzustand | Stellgröße |
p22 bzw. p21–p22 [Saugrohrdruck bzw. Differenz zwischen Druck vor Drosselklappe und Druck nach Drosselklappe] oder | Drosselklappenstellung |
λ [Luftzahl im Grenzbereich zu HCCI3] | |
MFB50max [spätester Zylinder] | EVC |
MFB50i [zylinderindividuelle Lage] | SOIi [zylinderindividueller Einspritzwinkel] |
IMEPi [zylinderindividueller Mitteldruck] | qi [zylinderindividuelle Einspritzmenge] |
HCCI3 |
Verbrennungsmerkmal/Luftsystemzustand | Stellgröße |
p22 bzw. p21–p22 [Saugrohrdruck bzw. Differenz zwischen Druck vor Drosselklappe und Druck nach Drosselklappe] | Drosselklappenstellung |
λ [Luftzahl] | qmean [mittlere Einspritzmenge] |
MFB50max [spätester Zylinder] | AGR-Ventilstellung |
MFB50i [zylinderindividuelle Lage] | SPIGi [zylinderindividueller Zündwinkel] |
IMEPmean [Mittelwert des mittleren indizierten Drucks] | EVC |
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend 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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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät.
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2a zeigt schematisch eine Mehrgrößenkompensationsfunktion gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
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2b zeigt schematisch eine Mehrgrößenkompensationsfunktion gemäß einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
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3 zeigt schematisch das dynamische Verhalten einer Stellgröße.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 auf und ab bewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Reaktor bzw. Brennraum 4 versehen, an den über Ventile 5a und 5b ein Ansaugrohr 6 bzw. ein Abgasrohr 7 angeschlossen sind. Die Ventile 5a, 5b sind mit einem einstellbaren Ventiltrieb ausgerüstet, wobei hier das Einlassventil 5a mit einem Signal IVO und das Auslassventil 5b mit einem Signal EVC ansteuerbar ist. Das Ansaugrohr 6 ist mit einem Luftmassensensor 10 und das Abgasrohr 7 mit einem Lambda-Sensor 11 versehen. Zwischen Ansaugrohr und Abgasrohr befindet sich die Abgasrückführung mit einem Abgasrückführventil 13, welches mittels eines Signals EGR ansteuerbar ist.
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Zum Abgasrücksaugen kann die Ansteuerung des Einlassventils 5a derart erfolgen, dass ein Teil des Abgases durch frühes Öffnen des Einlassventils 5a zurück in das Saugrohr 6 strömt.
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Zur Abgasrückhaltung, welche eine besonders bevorzugte Lösung darstellt, kann die Ansteuerung des Auslassventils 5b derart erfolgen, dass ein Teil des Abgases durch frühes Schließen des Auslassventils 5b zurückgehalten wird. Dabei wird das Einlassventil 5a spät geöffnet, um ein Ausströmen des zurückgehaltenen Abgases in das Saugrohr 6 zu verhindern.
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Des Weiteren sind mit dem Brennraum 4 ein mit Signalen q und SOI ansteuerbares Einspritzventil 8 und eine ansteuerbare Zündkerze 9 verbunden. Bei dem HCCI-Verfahren wird die Zündkerze nicht zur Zündung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum verwendet. Stattdessen findet eine Selbstzündung statt. Die Zündkerze ist für die übrigen Betriebsarten vorgesehen. Der Brennraum weist weiterhin einen Brennraumdrucksensor 15 zum Messen des Brennraumdrucks auf.
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Der Luftmassensensor 10 misst die Luftmasse der dem Ansaugrohr 6 zugeführten Frischluft und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal LM. Der Lambda-Sensor 11 misst den Sauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgasrohr 7 und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal Lambda λ. Des weiteren bevorzugterweise werden aus dem gemessenen Brennraumdruck ein mittlerer indizierter Druck IMEP, eine Verbrennungsschwerpunktslage MFB50 sowie ein maximaler Druckgradient dpmax berechnet. Alternativ lassen sich die Merkmale IMEP und MFB50 auch aus einem hoch aufgelösten Drehzahlsignal oder aus dem Messsignal eines Ionenstromsensors bestimmen.
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In dem Ansaugrohr 6 ist eine Drosselklappe 12 untergebracht, deren Drehstellung mittels eines Signals DK einstellbar ist. Der Lamda-Sonde 11 ist eine Auspuffanlage (nicht gezeigt) einschließlich eines Katalysators, bspw. 3-Wege-Katalysators, nachgeschlossen In einer HCCI-Betriebsart mit Abgasrückhalten der Brennkraftmaschine 1 wird die Drosselklappe 12 in Abhängigkeit von der erwünschten, zugeführten Luftmasse geöffnet, um ein mageres Gemisch zu erzeugen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 8 während der durch das frühe Schließen und späte Öffnen des Aus- und Einlassventils hervorgerufenen Zwischenverdichtung nahe dem Ladungswechsel OT (oberer Totpunkt) in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen kommt es zu einer schnellen Verdampfung des Kraftstoffs und dadurch zu einer sehr guten Gemischbildung im Brennraum 4. In der nachfolgenden Ansaugphase wird frische Luft in den Brennraum 4 gesaugt. Danach wird das Kraftstoff-/Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, bis es durch die dabei ansteigende Temperatur selbst zündet. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben. Durch den angetriebenen Kolben wird eine Kurbelwelle 14 in eine Drehbewegung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden.
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Es versteht sich, dass eine Brennkraftmaschine mehr als einen Zylinder aufweisen kann, die derselben Kurbelwelle sowie demselben Abgasrohr zugeordnet sind und eine Abgasbank bilden.
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Zur Regelung u. a. des HCCI-Verfahrens ist ein Steuergerät 16 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 16 mit einem Mikroprozessor versehen, wobei in einem Speichermedium, insbesondere in einem Read Only Memory (ROM) ein Programm abgespeichert ist, das dazu geeignet ist, die gesamte Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine 1 durchzuführen. Das Steuergerät (ECU) 16 ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
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Das Steuergerät 16 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Luftmassensensor 10, dem Lambda-Sensor 11 usw. verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 16 u. a. mit einem Fahrpedalsensor (nicht gezeigt) verbunden. Das Steuergerät 16 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflusst werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Einspritzventil 8, den Ventilen 5a, 5b, der Zündkerze 9 und der Drosselklappe 12 verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
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In 2a ist eine Mehrgrößenkompensationsfunktion gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung abgebildet und mit 200 bezeichnet. Die Mehrgrößenkompensationsfunktion 200 dient zum Bestimmen von Stellgrößenänderungen Δuk für den k-ten Zyklus. Dazu werden Regelabweichungen Δxk-1, des k – 1-ten Zyklus einem Multiplikationsglied 210 zugeführt, welches eine Multiplikation mit dem negativen der invertierten ersten Eingangsmatrix –B1 –1 durchführt. Das Ergebnis wird einem Additionsglied 220 zugeführt. Dem Additionsglied 220 werden weiterhin die Stellgrößenänderungen Δuk-1 des k – 1-ten Zyklus über ein Multiplikationsglied 230 zugeführt. Das Multiplikationsglied 230 umfasst neben der negativen invertierten ersten Eingangsmatrix auch die zweite Eingangsmatrix 82. Die Rückkopplung der Stellgrößenänderungen Δu von einem Zyklus zum nächsten erfolgt über ein Glied 240, welches ein Verzögerungsglied darstellt, um Stellgrößenänderungen Δuk-1 bereitzustellen.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Mehrgrößenkompensationsfunktion 250 wird anhand 2b erläutert. Das Schema 250 entspricht im Wesentlichen dem Schema 200 und unterscheidet sich von diesem lediglich durch Veränderungen im oberen Ast, d. h. eine Veränderung des Glieds 210, welches in veränderter Form mit 210' bezeichnet ist, und eine Einfügung eines Glieds 245.
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Da die Regelabweichungen Δxk-1 üblicherweise einen signifikanten Rauschanteil aufweisen, wird bei der für die Praxis relevanteren Variante 250 das Rauschen über einen Integrator 245 geglättet. Weiterhin ist in Glied 210' ein applikativ zu bestimmender Verstärkungsfaktor K (0 < K < 1) vorgesehen. Die Sensitivitäten, d. h. die Veränderung der Verbrennungsmerkmale bei Änderung der Stellgrößen, sind betriebspunktabhängig experimentell zu bestimmen.
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In 3 ist in einem Diagramm 300 schematisch eine Stellgrößendynamik dargestellt, die in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt werden kann, indem die Dynamik einer ersten Stellgröße durch einen Eingriff auf eine zweite Stellgröße kompensiert wird. In dem Diagramm 300 ist eine Stellgröße u auf einer Ordinate 302 gegen die Zeit t auf einer Abszisse 301 dargestellt. In dem Diagramm ist ein Soll-Stellwert mit 310 und der sich daraus ergebende Ist-Stellwert mit 320 bezeichnet. Wie zu erkennen ist, wird das zu einem Zeitpunkt t0 kommandierte Signal erst zu einem späteren Zeitpunkt t1 umgesetzt. Vorzugsweise wird diese Differenz zwischen dem kommandierten und dem aktuellen Wert durch einen Eingriff auf eine zweite Stellgröße kompensiert.