DE102011011371A1

DE102011011371A1 - Adaptive Dieselmotorsteuerung bei Cetanschwankungen

Info

Publication number: DE102011011371A1
Application number: DE102011011371A
Authority: DE
Inventors: Ibrahim Haskara; Yue-Yun Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: CN102162405A; US20110208408A1; US8532911B2; DE102011011371B4; CN102162405B

Abstract

Ein Verfahren und ein System zur adaptiven Steuerung eines Dieselmotors, um Schwankungen bei der Cetanzahl des verwendeten Dieselkraftstoffs zu berücksichtigen. Ein Motorcontroller umfasst verschiedene Steuermodule mit Algorithmen zum Schätzen der Kraftstoffcetanzahl oder zum Bestimmen der Zündverzögerung, welche der Motor aufweist, oder für beides. Mit diesen Informationen kann der Controller die verwendete Menge an Abgasrückführung justieren, womit die Menge an Sauerstoff variiert wird, die in der Ansaugladung verfügbar ist, um den Kraftstoff zu verbrennen. Der Controller kann als einen anderen Weg zur Veränderung der Natur der Verbrennung auch den Zeitpunkt des Kraftstoffeinspritzereignisses justieren. Unter Verwendung dieser Techniken kann der Controller den Motorbetrieb auf der Grundlage des aktuell verwendeten Kraftstoffs optimieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen adaptiven Dieselmotorcontroller und insbesondere ein Verfahren und ein System zur adaptiven Steuerung des Einspritzzeitpunkts und anderer Parameter in einem Dieselmotor, um Schwankungen bei der Cetanzahl des Kraftstoffs zu kompensieren.
2. Erörterung der verwandten Technik
Dieselmotoren sind für ihre Vorteile bei der Kraftstoffsparsamkeit gegenüber Funkenzündungsmotoren gut bekannt. Zusätzlich zu ihrer seit langem andauernden Verwendung bei mittelschweren und schweren Lastwagen sind Dieselmotoren eine populäre Motorwahl bei Personenautos und Kleinlastwagen geworden. Moderne Dieselmotoren sind leiser und leichter zu starten als ihre Vorgänger und erzeugen auch weniger Ruß und andere störende Emissionen. Diese Faktoren haben den Anreiz von Dieselmotoren für die Fahrer von Alltagsfahrzeugen wie Personenautos und Kleinlastwagen weiter erhöht.
Während Dieselmotoren an Popularität gewonnen haben, haben sich Schwankungen beim Typ und der Qualität von Dieselkraftstoff stark vermehrt. Diese starke Vermehrung erfolgt aufgrund einer Vielfalt von Faktoren, die temporäre oder regionale Erdölengpässe, welche die Verwendung von erdölbasierten Dieselkraftstoffen mit niedrigerer Qualität erforderlich machen, und einen Anstieg bei der Verwendung von Biodieselkraftstoff und Erdöl-Biodiesel-Mischungen umfassen. Als Folge dieser Faktoren kann ein Fahrer feststellen, dass der einzige im Bedarfsfall verfügbare Dieselkraftstoff eine niedrigere oder höhere Cetanzahl aufweist als diejenige, die empfohlen ist. Abweichungen bei der Cetanzahl, welche die Zündbarkeit eines Dieselkraftstoffs misst, können neben weiteren ungewünschten. Effekten Probleme mit der Motorleistung, mit dem Wirkungsgrad und mit Emissionen verursachen.
Ein Fahrzeugsystem, das sich an Schwankungen bei der Cetanzahl des Dieselkraftstoffs anpassen kann, würde dem Fahrzeugbesitzer einen wesentlichen Nutzen bereitstellen. Ein derartiges System könnte nicht nur die Betriebsparameter eines Motors in Echtzeit justieren, um die Leistung, den Wirkungsgrad und Emissionen unabhängig von der Cetanzahl des Kraftstoffs zu optimieren, sondern das System könnte auch den Fahrer davon befreien, sich darum kümmern zu müssen, mit welchem Kraftstofftyp das Fahrzeug betankt werden kann oder nicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und ein System zur adaptiven Steuerung eines Dieselmotors zur Berücksichtigung von Schwankungen bei der Cetanzahl des verwendeten Kraftstoffs offenbart. Das System umfasst einen Motorcontroller, der verschiedene Module mit Algorithmen zum Schätzen der Kraftstoffcetanzahl oder zur Ermittlung der Zündverzögerung, die der Motor erfährt, oder für beides aufweist. Mit diesen Informationen kann der Controller die verwendete Menge an Abgasrückführung justieren, womit die Menge an Sauerstoff variiert wird, die in der Ansaugladung verfügbar ist, um den Kraftstoff zu verbrennen. Als einen weiteren Weg zur Veränderung der Natur der Verbrennung kann der Controller auch den Zeitpunkt des Kraftstoffeinspritzereignisses justieren. Unter Verwendung dieser Techniken kann der Controller den Motorbetrieb auf der Grundlage des Kraftstoffs optimieren, der gegenwärtig verwendet wird.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Zeichnung eines turbogeladenen Dieselmotors;
2 ist ein Blockdiagramm eines ersten Moduls in einem Motorcontroller, das einen Einspritzzeitpunkt auf der Grundlage einer geschätzten Kraftstoffcetanzahl justiert;
3 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Moduls in einem Motorcontroller, das eine Abgasrückführung auf der Grundlage einer geschätzten Kraftstoffcetanzahl justiert;
4 ist ein Blockdiagramm eines dritten Moduls in einem Motorcontroller, das ein Turboladerstellglied und ein Abgasrückführungsventil auf der Grundlage einer geschätzten Kraftstoffcetanzahl steuert;
5 ist ein Blockdiagramm eines vierten Moduls in einem Motorcontroller, das ein Turboladerstellglied und ein Abgasrückführungsventil auf der Grundlage einer gemessenen Zündverzögerung steuert; und
6 ist ein Blockdiagramm eines fünften Moduls in einem Motorcontroller, das ein Turboladerstellglied und ein Abgasrückführventil auf der Grundlage einer geschätzten Kraftstoffcetanzahl, einer gemessenen Zündverzögerung und einer Verbrennungsphase steuert.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren und ein System zur adaptiven Steuerung eines Dieselmotors gerichtet ist, ist rein beispielhaft und keinesfalls dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken.
Während Dieselmotoren in Personenautos und Kleinlastwagen in den letzten Jahren zunehmend populär geworden sind, haben auch Schwankungen beim Typ und der Qualität verfügbarer Dieselkraftstoffe zugenommen. Das Spektrum von Dieselkraftstoffoptionen umfasst viele verschiedene Formeln von erdölbasierten Dieseln (Petrodieseln), die von Paraffinen mit hoher Cetanzahl bis zu Aromastoffen mit niedriger Cetanzahl schwanken können. Auch sind auf Biologie beruhende Dieselkraftstoffe (Biodiesel) und Petrodiesel-Biodiesel-Mischungen verfügbar. Die weite Vielfalt von Kraftstoffformeln kann Fahrzeugbesitzern Probleme bereiten, wenn die Cetanzahl der Kraftstoffe signifikant schwankt.
Die Cetanzahl (CN) ist ein Maß für die Verbrennungsqualität eines Dieselkraftstoffs während einer Kompressionszündung. Speziell ist die Cetanzahl ein Maß für die Zündverzögerung eines Kraftstoffs, welche die Zeitspanne zwischen dem Start der Einspritzung und dem Start der Verbrennung (Zündung) des Kraftstoffes ist. Bei einem speziellen Dieselmotor werden Kraftstoffe mit einer höheren Cetanzahl kürzere Zündverzögerungszeitspannen aufweisen als Kraftstoffe mit einer niedrigeren Cetanzahl. Cetanzahlen werden nur für die Dieselöle mit relativ leichtem Destillat und für Biodieselkraftstoffe verwendet. Dieselmotoren laufen im Allgemeinen gut mit einer CN von 40 bis 55. Kraftstoffe mit einer höheren Cetanzahl, die kürzere Zündverzögerungen aufweisen, stellen mehr Zeit bereit, damit der Kraftstoffverbrennungsprozess abgeschlossen werden kann. Folglich arbeiten Diesel mit höherer Drehzahl bei Kraftstoffen mit höherer Cetanzahl effektiver. Es gibt keine Leistungs- oder Emissionsvorteile, wenn die CN über etwa 55 hinaus erhöht wird; nach diesem Punkt trifft die Leistung des Kraftstoffs auf ein Plateau. Die Cetanzahl eines Kraftstoffs kann gemessen werden, indem der Kraftstoff in einem speziellen Dieselmotor mit variablem Kompressionsverhältnis verbrannt wird, der als der Cooperative Fuel Research-Motor (CFR-Motor) bekannt ist. Die Cetanzahl kann auch unter Verwendung einer Testvorrichtung bestimmt werden, die als der Zündqualitätstester [engl.: Ignition Quality Tester] bekannt ist.
Die meisten Kraftfahrzeugdieselmotoren sind konstruiert, um mit Kraftstoffen mit einer Cetanzahl in einem Mittelbereich von etwa 46 zu arbeiten. Obwohl derartige Motoren gewöhnlich mit Kraftstoffen laufen können, die eine Cetanzahl bis hinunter zu etwa 40 aufweisen, verursachen diese Kraftstoffe mit niedriger Cetanzahl aufgrund ihrer hohen Zündverzögerung Probleme. Diese Probleme umfassen eine schlechte Motorleistung, eine verringerte Kraftstoffeffizienz und erhöhte Emissionen. Auf ähnliche Weise kann ein typischer Dieselmotor mit Kraftstoffen mit einer Cetanzahl über 50 gut laufen. Aber auch diese Kraftstoffe mit hoher Cetanzahl können ein Problem dadurch darstellen, dass die kurze Zündverzögerung zu höheren Spitzenverbrennungstemperaturen führt, was die Bildung von Stickstoffoxiden (NO_x), einer ungewünschten Komponente der Emissionen, erhöht.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Lösung für das Problem der Cetanzahlschwankung von Kraftstoff zu Kraftstoff in der Form eines Controllers bereit, der auf diese Schwankungen adaptiv reagieren kann, indem er bestimmte Motoreingabeparameter modifiziert. Der Controller kann auf Kraftstoffe mit niedriger Cetanzahl reagieren, indem er entweder die Menge an Sauerstoff in der Ansaugladung erhöht oder den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt vorverstellt oder beides unternimmt, um die gewünschten Verbrennungseigenschaften zu erreichen. Der Controller kann die Eingabeparameter in Ansprechen auf die Verwendung eines Kraftstoffs mit hoher Cetanzahl auch umgekehrt modifizieren. Weder die Sauerstoffkonzentration noch der Einspritzzeitpunkt allein genügen, um den Verbrennungsprozess bei allen Bedingungen zu optimieren, und es ist daher vorteilhaft, eine Steuerstrategie einzusetzen, die zur Justierung dieser beiden Parameter in Ansprechen auf die Kraftstoffcetanzahl und andere Faktoren in der Lage ist.
1 ist eine schematische Zeichnung eines typischen turbogeladenen 4-Zylinder-Dieselmotors 10. Ansaugluft läuft durch einen Turboladerkompressor 12 und einen Ladeluftkühler 14, bevor sie ein Drosselventil 16 erreicht. Die Ansaugluft strömt zu einem Ansaugkrümmer 18, der mit Sensoren 20 ausgestattet ist, um verschiedene Parameter zu messen, wie etwa einen Druck und eine Temperatur. Die Ansaugluft strömt dann in Zylinder 22 hinein, wobei Kraftstoffeinspritzventile 24 Kraftstoff in die Zylinder 22 zur Verbrennung einspritzen. Jeder Zylinder 22 ist mit einem Drucksensor 26 ausgestattet, der mit einer (nicht gezeigten) Glühkerze zusammengebaut sein kann, die für jeden Zylinder 22 benötigt wird. Abgase strömen an einen Abgaskrümmer 28, der mit Sensoren 30 ausgestattet ist. Ein Teil des Abgases kann mit Hilfe eines Abgasrückführventils (AGR-Ventils) 32 und eines AGR-Kühlers 34 zurück in die Ansaugluftströmung umgeleitet werden. Der Rest des Abgases läuft durch eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) 36, welche den Kompressor 12 antreibt. Schließlich strömt das Abgas an einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor (AFR-Sensor) 38 vorbei und durch ein Auspuffrohr 40 hinaus. Ein Motorcontroller 44 ist mit vielen Elementen des Motors 10 verbunden. Beispielsweise empfängt der Controller 44 Rückmeldungen von den Sensoren 20, 26, 30 und 38 und wird verwendet, um die Kraftstoffeinspritzventile 24 und das AGR-Ventil 32 zu steuern.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Prozess zum Schätzen der Cetanzahl des gegenwärtig verwendeten Kraftstoffs und zur Verwendung der geschätzten Cetanzahl, um entweder das AGR-Ventil 32 oder den Einspritzstartzeitpunkt (SOI-Zeitpunkt) oder beide zu justieren. Das Schätzen der Cetanzahl des aktuellen Kraftstoffs kann während einer Fahrzeugverzögerung vorgenommen werden, wenn vom Fahrer gerade keine Motorleistung angefordert wird. Unter diesen Bedingungen kann der Motorcontroller 44 die Einspritzventile 24 anweisen, einige Einspritzzyklen zu überspringen. Dies ermöglicht dem Controller 44, unter Verwendung von Zylinderdruckdaten von den Drucksensoren 26 einen Druckverhältnismittelwert (PRA) für die gezündeten Zyklen mit einem PRA für die nicht gezündeten Zyklen zu vergleichen. Der Druckverhältnismittelwert ist ein Messwert des Drucks im Zylinder 22 über einen vollständigen Kompressions/Verbrennungszyklus. Der PRA für nicht gezündete Zyklen wird einfach die Kompression beim Mitbewegen wiederspiegeln, und der PRA für gezündete Zyklen wird auf vorhersagbare Weise auf der Grundlage der Cetanzahl des Kraftstoffs schwanken. Unter Verwendung einer vorbestimmten Korrelationsfunktion f kann der Controller 44 eine indizierte Cetanzahl für das aktuelle Detektionsereignis auf der Grundlage der Druckverhältnismittelwerte für die gezündeten und nicht gezündeten Zyklen berechnen, wie in Gleichung (1) gezeigt ist. Der Controller 44 kann dann eine geschätzte Cetanzahl für den aktuellen Kraftstoff unter Verwendung der indizierten Cetanzahl aus Gleichung (1) in einer Gewichtungsfunktion mit der zuvor geschätzten Cetanzahl berechnen, wie in Gleichung (2) gezeigt ist.
CN_est,k = a·CN_ind,k + (1 – a)·CN_{est,k – 1} (2) wobei CN_ind,k eine durchschnittliche Cetanzahlanzeige pro Detektionsereignis ist (k: Detektionsereignisindex), PRA_i der Druckverhältnismittelwert für einen gegebenen Verbrennungszyklus ist (i: Verbrennungszyklusindex), f eine Korrelation zwischen PRA und CN_ind ist, a eine Filterzeitkonstante ist (Vergessensfaktor) und CN_est,k der Cetanzahlschätzwert ist (zwischen den Detektionsereignissen Nummer k und (k + 1)).
Die geschätzte Cetanzahl des Kraftstoffs kann in einem Optimalwertmodus von dem Controller 44 verwendet werden, um entweder den Einspritzstartzeitpunkt (SOI) oder die Menge an Abgasrückführung (AGR) zur Vermischung mit der Ansaugluft oder beides zu justieren. 2 ist ein Blockdiagramm eines Moduls 50 des Controllers 44, das zeigt, wie die geschätzte Cetanzahl des aktuellen Kraftstoffs zum Justieren des SOI-Zeitpunkts verwendet werden kann. Bei Kästchen 52 wird die geschätzte Cetanzahl des aktuellen Kraftstoffs verwendet, um eine Justierung ΔSOI für den SOI-Zeitpunkt zu berechnen. Diese Berechnung beruht auf dem aktuellen Kraftstoffbedarf und der Motordrehzahl zusammen mit der geschätzten Cetanzahl des Kraftstoffs und ist eine Funktion des Betrags, um den die Cetanzahl von der Basiscetanzahl abweicht, wie in Gleichung (3) gezeigt ist. Ein Basis-SOI-Zeitpunkt wird bei Kästchen 54 aus einer Kalibrierungstabelle geholt und dieser Basis-SOI-Zeitpunkt ist auch eine Funktion des aktuellen Kraftstoffbedarfs und der Motordrehzahl. Wie in 2 und in Gleichung (4) gezeigt ist, wird die Justierung ΔSOI am SOI-Zeitpunkt (die positiv oder negativ sein kann) bei einer Summenfunktion 56 zum Basis-SOI-Zeitpunkt addiert, um den Einspritzzeitpunkt SOI zu erhalten, der von den Kraftstoffeinspritzventilen 24 verwendet werden soll.
SOI = SOI_base + ΔSOI (4)
3 ist ein Blockdiagramm eines Moduls 60 des Controllers 44, das zeigt, wie die geschätzte Cetanzahl des aktuellen Kraftstoffs auch verwendet werden kann, um die Menge an Abgasrückführung (AGR) zur Vermischung mit der Ansaugluft zu justieren. Bei Kästchen 62 wird die geschätzte Cetanzahl des aktuellen Kraftstoffs verwendet, um einen Justierungsfaktor g_AGR für die AGR zu berechnen. Diese Berechnung beruht auf dem aktuellen Kraftstoffbedarf und der Motordrehzahl zusammen mit der geschätzten Cetanzahl des Kraftstoffs und ist eine Funktion des Betrags, um den die Cetanzahl von der Basiscetanzahl abweicht, wie in Gleichung (5) gezeigt ist. Bei Kästchen 64 wird eine Basis-AGR-Menge aus einer Kalibrierungstabelle geholt und diese Basis-AGR-Menge ist auch eine Funktion des aktuellen Kraftstoffbedarfs und der Motordrehzahl. Wie in 3 und Gleichung (6) gezeigt ist, wird der Justierungsfaktor g_AGR bei einer Produktfunktion 66 mit der Basis-AGR-Menge multipliziert, um die AGR-Menge zu erhalten, die von dem AGR-Ventil 32 verwendet werden soll.
AGR = g_AGR·AGR_base (6)
Die vorstehend beschriebenen Figuren und Berechnungen ermöglichen, dass der Controller 44 entweder den Einspritzstartzeitpunkt oder die Menge an Abgasrückführung auf der Grundlage der geschätzten Cetanzahl des aktuellen Kraftstoffs justiert. Immer noch unter Verwendung der geschätzten Cetanzahl besteht eine andere Variante dieser Ausführungsform darin, dass eine Zielsauerstoffkonzentration in der Ansaugluftströmung berechnet wird und die Zielsauerstoffkonzentration zusammen mit einem geschätzten Sauerstoffkonzentrations-Rückkopplungswert verwendet wird, um das AGR-Ventil 32 in Echtzeit zu justieren. Für diese Zwecke ist es nützlich, über eine Beziehung zwischen der Zündverzögerung, der Cetanzahl und der Sauerstoffkonzentration zu verfügen. Eine derartige Beziehung ist in den nachstehenden Gleichungen (7) und (8) auf der Grundlage empirischer Daten gegeben.
E_a = g / CN + h (8)
Wobei E_a eine anscheinende Aktivierungsenergie ist – die mit zunehmender Kraftstoffcetanzahl abnimmt, R die universelle Gaskonstante ist, p, T der Druck und die Temperatur zum Zündzeitpunkt sind, [O₂] die Ansaugsauerstoffkonzentration ist und A, n, b, h, g Kalibrierungskonstante sind.
Unter Verwendung der Zündverzögerungsbeziehungen von Gleichung (7) und (8) ist es möglich, die vorstehend beschriebene Optimalwertkorrekturstrategie zu definieren, indem die Sauerstoffkonzentration verändert wird, um die gleiche Zündverzögerung für eine veränderte Cetanzahl beizubehalten. Das Anwenden einer Kleinsignal-Analyse um einen Arbeitspunkt herum liefert Gleichungen (9) und (10). τ_ign = f(CN, [O₂]) ≈ f(CN + δ_CN, [O₂] + δ_O₂) (9)
Gleichung (10) kann verwendet werden, um eine geeignete Sauerstoffkonzentrationsjustierung zu bestimmen, die in Ansprechen auf eine bestimmte Schwankung bei der Kraftstoffcetanzahl angewendet werden soll. 4 ist ein Blockdiagramm eines Moduls 80 des Controllers 44, das zur Steuerung des gesamten Ansaugluftstroms einschließlich sowohl des Turboladerverstärkungsdrucks als auch der Sauerstoffkonzentration verwendet werden kann. Bei Kästchen 82 wird ein Sauerstoffkonzentrationsfaktor G_O₂ als eine Funktion von δ_CN berechnet, welches der Betrag ist, um den die geschätzte aktuelle Cetanzahl von der Basiscetanzahl abweicht. Diese Berechnung ist nachstehend in Gleichung (11) gezeigt, die eine Variante der vorstehend erläuterten Gleichung (10) ist. Es wird angemerkt, dass der Wert von G_O₂ negativ ist, wenn δ_CN positiv ist, das heißt, der aktuelle Kraftstoff eine Cetanzahl aufweist, die höher als die Basiscetanzahl ist, und umgekehrt.
Wobei R die universelle Gaskonstante ist, T_int die Ansauglufttemperatur ist, CN die Basiscetanzahl ist, δ_CN die Abweichung der aktuellen Cetanzahl von der Basiscetanzahl ist und b, h, g Kalibrierungskonstante sind.
Die Ausgabe des Kästchens 82 ist der Wert (G_O₂ + 1), welcher bei der Produktfunktion 86 mit einem Sauerstoffkonzentrations-Basisziel von Kästchen 84 multipliziert wird. Dies erzeugt eine Sauerstoff-Zielkonzentration, die bei Kästchen 88 mit einem geschätzten Rückkopplungs-Sauerstoffkonzentrationswert verglichen werden kann. Die Ausgabe des Kästchens 88 wird verwendet, um das AGR-Ventil 32 wie folgt zu steuern. Wenn die Sauerstoff-Zielkonzentration beim Kästchen 88 größer als die geschätzte Rückkopplungs-Sauerstoffkonzentration ist, dann wird das AGR-Ventil 32 angewiesen, sich in eine geschlossenere Position zu bewegen, was zu einem niedrigeren Anteil von AGR im Ansaugluftstrom führt und die Sauerstoffkonzentration erhöht. Die Justierung des AGR-Ventils 32 wird in der Weise einer Regelung fortgesetzt, um den Fehler zwischen der Sauerstoff-Zielkonzentration und der geschätzten Rückkopplungs-Sauerstoffkonzentration auf Null zu treiben. Der geschätzte Rückkopplungs-Sauerstoffkonzentrationswert beim Kästchen 88 wird durch Berechnungen unter Verwendung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und des Prozentsatzes an Abgasrückführung, der im Ansaugluftstrom verwendet wird, erhalten. Diese Berechnungen beruhen auf grundlegenden physikalischen Prinzipien, sind in der Industrie bekannt und werden hier nicht im Detail dargelegt.
Kästchen 90 und 92 in 4 stellen die Steuerblöcke für den Turbolader dar. Das Kästchen 90 berechnet einen Zielverstärkungsdruck oder einen Krümmerabsolutdruck (MAP) auf der Grundlage des Kraftstoffbedarfs und der Motordrehzahl. Der Ziel-MAP wird im Kästchen 92 zusammen mit einem MAP-Rückkopplungs-Signal von den Sensoren 20 verwendet. Die Ausgabe des Kästchens 92 ist ein Steuersignal für die Turbine 36 mit variabler Geometrie, das die Turbine 36 anweist, sich so zu justieren, dass der Verstärkungsdruck im Kompressor 12 entweder zunimmt oder abnimmt.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwenden alle eine geschätzte Kraftstoffcetanzahl, um Motoreingabeparameter zu justieren um die gewünschten Verbrennungseigenschaften zu erreichen. Es ist auch möglich, eine Zündverzögerung im Motor 10 direkt zu überwachen und diese Zündverzögerungsinformationen zu verwenden, um Motoreingabeparameter zu justieren. 5 ist ein Blockdiagramm eines Moduls 100 des Controllers 44, welches verwendet werden kann, um das AGR-Ventil 32 und somit die Ansaugsauerstoffkonzentration auf der Grundlage der Zündverzögerung, die der Motor 10 tatsächlich aufweist, zu justieren. Das Modul 100 ist eine Modifikation des in 4 gezeigten Moduls 80 insofern, als das Kästchen 82, das im Modul 80 einen Justierungsfaktor für die Sauerstoffkonzentration auf der Grundlage einer Cetanzahlabweichung von einem Basiswert berechnete, in dem Modul 100 durch eine Sauerstoffkonzentrations-Justierungsberechnung auf der Grundlage der Zündverzögerung ersetzt ist. Andere Elemente des Moduls 100 behalten ihre Bezugszeichen, wie sie im Modul 80 verwendet werden.
Bei Kästchen 102 wird die tatsächliche Zündverzögerung, die der Motor 10 aufweist, auf der Grundlage von Rückmeldungen von den Zylinderdrucksensoren 26 berechnet. Die Zündverzögerung in jedem Zylinder wird als die Zeit berechnet, die zwischen dem Start der Einspritzung, der bekannt ist, und dem Start der Verbrennung vergangen ist, der vom Zylinderdrucksensor 26 bestimmt werden kann. Der Start der Verbrennung kann auf eine beliebige Weise definiert werden, die für den Zweck geeignet ist – etwa als der Punkt, bei dem 1% der Wärmeenergie des Kraftstoffs freigesetzt worden ist. Bei jeder Definition des Starts der Verbrennung führt die schnelle Veränderungsrate beim Zylinderdruck dazu, dass der Start der Verbrennung leicht identifizierbar ist. Wie erläutert wurde, stellt das Kästchen 102 eine berechnete tatsächliche Zündverzögerung bereit. Kästchen 104 stellt eine Zündverzögerungsreferenz bereit – das heißt die gewünschte Zündverzögerung bei den aktuellen Motorbetriebsbedingungen. Die Werte der tatsächlichen und der Zündverzögerungsreferenz werden dem Kästchen 106 zugeführt. Die Funktion des Kästchens 106 besteht darin, einen Multiplikationsfaktor G_O₂ zu berechnen, der verwendet werden kann, um die Sauerstoff-Zielkonzentration zu justieren, und dies auf der Grundlage der Zündverzögerungsdaten von den Kästchen 102 und 104 durchzuführen. Das erste Element des Kästchens 106 ist eine Summenfunktion 108, die ein Fehlersignal erzeugt, das gleich der Differenz zwischen der Zündverzögerungsreferenz und der berechneten Zündverzögerung ist. Dieses Fehlersignal gelangt zu einem Integrierer 110 und das integrierte Signal wird dann bei Verstärkungsblock 112 mit einer negativen Adaptionsverstärkungskonstante a multipliziert. Der Vorzeichenwechsel wird verwendet, um einen Multiplikationsfaktor G_O₂ zu erzeugen, der negativ ist (was zu einer Reduktion der Sauerstoffkonzentration führen wird), wenn das Zündverzögerungs-Fehlersignal positiv ist (was bedeutet, dass die tatsächliche Zündverzögerung kleiner als die Zündverzögerungsreferenz ist). Schließlich wird im Kästchen 106 die Ausgabe des Verstärkungsblocks 112 durch eine Sättigungsgrenze 114 geleitet, die den Wert von G_O₂ sowohl im Positiven als auch im Negativen auf eine Maximalgröße begrenzt.
Wie es beim Kästchen 82 im Modul 80 der Fall war, ist die Ausgabe des Kästchens 106 der Wert (G_O₂ + 1), der bei der Produktfunktion 86 mit dem Sauerstoffkonzentrations-Basisziel multipliziert werden kann. Der Rest des Moduls 100 einschließlich der Elemente 84, 86, 88, 90 und 92 arbeitet so, wie es vorstehend für das Modul 80 beschrieben wurde, wodurch schließlich sowohl das AGR-Ventil 32 als auch der Verstärkungsdruck über die Turbine 36 gesteuert werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Moduls 120 des Controllers 44. Das Modul 120 verkörpert eine adaptive Motorsteuerungs-Gesamtstrategie einschließlich sowohl einer Cetanzahlschätzung als auch einer Zündverzögerungsmessung. Viele Elemente des Moduls 120 sind die gleichen wie diejenigen, die vorstehend im Modul 100 beschrieben wurden, einschließlich der Verstärkungsdruckziel- und Turboladercontrollerkästchen 90 und 92, des Sauerstoffkonzentrations-Basiszielkästchens 84, der Produktfunktion 86, des O₂-basierten AGR-Controllers 88 und der zündverzögerungsbasierten O₂-Zieladaptionskästchen 102, 104 und 106. Das Modul 120 fügt jedoch andere Funktionen zu der Steuerstrategie hinzu. Kästchen 122 ist eine Optimalwert-Sauerstoffkonzentrations-Zieljustierung auf der Grundlage der geschätzten Cetanzahl. Das Kästchen 122 arbeitet auf die gleiche Weise wie das Kästchen 82 im Modul 80 – das heißt, es stellt auf der Grundlage der geschätzten Cetanzahl des Kraftstoffs, der verwendet wird, einen Multiplikator bereit, der ein wenig größer oder ein wenig kleiner als die Zahl 1 ist, und der zur Justierung der Sauerstoffkonzentration verwendet werden soll. Die Ausgabe des Kästchens 122 wird bei der Produktfunktion 124 mit der Ausgabe des zündverzögerungsbasierten Sauerstoffkonzentrations-Adaptionskästchens 106 multipliziert, um einen Sauerstoffkonzentrations-Gesamtjustierungsfaktor bereitzustellen. Dieser Sauerstoffkonzentrations-Gesamtjustierungsfaktor wird bei der Produktfunktion 86 mit dem Sauerstoffkonzentrations-Basisziel vom Kästchen 84 multipliziert und das Ergebnis wird beim Kästchen 88 verwendet, um das AGR-Ventil 32 zu steuern.
Das Modul 120 fügt auch eine zweistufige Justierung für den Einspritzstartzeitpunkt (SOI) hinzu. Kästchen 126 ist eine Optimalwert-SOI-Zeitpunktkorrektur auf der Grundlage der geschätzten Kraftstoffcetanzahl. Das Kästchen 126 arbeitet auf die gleiche Weise wie das zuvor beschriebene Modul 50 – das heißt, es justiert den Einspritzstartzeitpunkt auf der Grundlage der Differenz der Kraftstoffcetanzahl von einem Basiswert, wobei der SOI-Zeitpunkt für Kraftstoffe mit niedriger CN vorverstellt wird und für Kraftstoffe mit hoher CN spät verstellt wird. Die SOI-Ausgabe des Kästchens 126 wird an eine Einzelzylinder-Phasensteuerung bei Kästchen 128 weitergeleitet, das eine weitere Justierung am SOI-Zeitpunkt für jeden Zylinder auf der Grundlage von Zylinderdruckdaten von den Sensoren 26 durchführt. Die Zylinderdruckdaten werden speziell verwendet, um eine Verbrennungsphase zu bestimmen, die als die Kurbelwinkelposition definiert ist, bei der ein bestimmter Prozentsatz des Kraftstoffs in einem speziellen Zylinder verbrannt worden ist. Beispielsweise wird ein Verbrennungsphasenwert, der als CA₅₀ bezeichnet wird, die Kurbelwinkelposition in Grad nach dem oberen Totpunkt darstellen, bei dem 50% des Kraftstoffs eines Zylinders verbrannt worden sind. Die Verbrennungsphase ist ein sehr wichtiger Leistungsparameter insofern, als er mit Bezug auf die Kurbelposition in absoluten Werten definiert ist, wohingegen die Zündverzögerung ein zeitbasierter Parameter relativ zum Einspritzstartzeitpunkt ist. Es ist möglich, Verbrennungsphasen aus Zylinderdruckdaten zu bestimmen, indem sowohl der Druck selbst als auch die Änderungsrate des Drucks analysiert werden. Tests haben gezeigt, dass der Zeitpunkt der maximalen Wärmefreisetzung während eines Zylinderverbrennungsereignisses sehr eng mit CA₂₀ und oder dem Kurbelwinkel, bei dem 20% des Kraftstoffs im Zylinder verbrannt worden sind, korreliert. Diese und andere Analysetechniken ermöglichen es, die Verbrennungsphase für verschiedene interessierende Verbrennungsprozentsätze zu bestimmen. Dann kann eine Steuerstrategie verwendet werden, um die Verbrennungsphase zu optimieren, indem der SOI-Zeitpunkt justiert wird. Zum Beispiel kann eine Steuerstrategie definiert werden, um CA₅₀ in einem bestimmten Bereich von Kurbelwinkelpositionen zu halten, was durchgeführt werden kann, indem der SOI-Zeitpunkt früh verstellt wird, wenn CA₅₀ zu spät auftritt und umgekehrt. Die Ausgabe de Kästchens 128 ist der SOI-Zeitpunkt, der verwendet wird, um die Kraftstoffeinspritzventile 24 zu steuern.
Wie bei dieser Ausführungsform beschrieben wurde, stellt das Modul 120 eine vollständige adaptive Steuerung des Motors 10 einschließlich einer Verwaltung der Turboladerverstärkung, der Abgasrückführung und der Einspritzzeitpunktfunktionen bereit. Diese Steuerungen beruhen auf der geschätzten Cetanzahl des gegenwärtig verwendeten Kraftstoffs sowie der tatsächlichen Zündverzögerung und der wahrgenommenen Verbrennungsphase. Die Verwendung der Verbrennungsphase auf einer Einzelzylinderbasis als ein endgültiger Faktor zur Justierung des Einspritzzeitpunkts, während die Zündverzögerung als ein endgültiger Faktor zur Justierung der Abgasrückführung verwendet wird, stellt die mächtigste und flexibelste Steuerung der Motorleistung bereit. Die Steuerstrategie ist ausgelegt, um die Motorleistung über einen Bereich von Kraftstoffcetanzahlen hinweg zu optimieren, indem sie beide Eingabesteuerungen verwendet, die für eine vollständige Verwaltung des Verbrennungsprozesses notwendig sind, nämlich die Sauerstoffkonzentration und den Einspritzzeitpunkt.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird aus dieser Erörterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht erkennen, dass darin verschiedene Veränderungen, Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne den Geist und Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Verbrennung in einem Dieselmotor, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Motor mit einem Kraftstoff mit unbekannter Cetanzahl betrieben wird; die Cetanzahl des Kraftstoffs auf der Grundlage von Motorleistungsdaten und der Zündverzögerung geschätzt wird; und die geschätzte Cetanzahl in einem Controller verwendet wird, um Justierungen an Motoreingängen vorzunehmen, um die Verbrennung im Motor zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Cetanzahl des Kraftstoffs bei Bedingungen mit Motorverzögerung durchgeführt wird, indem die Kraftstoffeinspritzung bei einigen Zyklen in einigen Zylindern übersprungen wird, Druckverhältnisse für Zyklen mit Kraftstoffeinspritzung und Zyklen ohne Kraftstoffeinspritzung berechnet werden und die Druckverhältnisse verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vornehmen von Justierungen an Motoreingängen zur Verbesserung der Verbrennung im Motor umfasst, dass der Einspritzstartzeitpunkt justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vornehmen von Justierungen an Motoreingängen zur Verbesserung der Verbrennung im Motor umfasst, dass die Verwendung einer Abgasrückführung justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Justieren der Verwendung der Abgasrückführung umfasst, dass ein Sauerstoffkonzentrations-Zielwert und ein Sauerstoffkonzentrations-Rückkopplungswert verwendet werden, um ein Abgasrückführungsventil zu justieren.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Vornehmen von Justierungen an Motoreingängen zur Verbesserung der Verbrennung im Motor umfasst, dass der Einspritzstartzeitpunkt justiert wird.
System zur Steuerung der Verbrennung in einem Dieselmotor, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Sensoren zum Messen von Bedingungen an verschiedenen Stellen im Motor; Kraftstoffeinspritzventile mit der Eigenschaft eines justierbaren Einspritzzeitpunkts; ein justierbares Abgasrückführungsventil; und einen Controller zur Überwachung von Daten von den Sensoren und zur Durchführung von Justierungen am Motor, um Verbrennungseigenschaften zu verbessern, wobei der Controller ausgestaltet ist, um eine Zündverzögerung in mindestens einem Zylinder im Motor durch Berechnen der verstrichenen Zeit zwischen einem Start einer Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder und einem Start der Verbrennung zu bestimmen und eine Kraftstoffcetanzahl des Kraftstoffs auf der Grundlage der Zündverzögerung zu schätzen, wobei der Controller ferner ausgestaltet ist, um eine Kraftstoffcetanzahl zu schätzen.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller die geschätzte Kraftstoffcetanzahl verwendet, um den Einspritzstartzeitpunkt durch die Kraftstoffeinspritzventile zu justieren.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller die geschätzte Kraftstoffcetanzahl verwendet, um das Abgasrückführungsventil zu justieren, um eine gewünschte Ansaugsauerstoffkonzentration zu erreichen.
System nach Anspruch 7, wobei einer der Sensoren ein Drucksensor ist, der den Druck in einem Motorzylinder misst, wobei der Controller den Druckmesswert verwendet, um den Start der Verbrennung zu bestimmen.