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Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik:
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Die Regelung von Ottomotoren erfolgt in der Regel luftgeführt. Das bedeutet, dass die Einstellung des Motordrehmoments und damit der Motordrehzahl im Leerlauf über die Stellung einer im Frischlufttrakt des Motors angeordneten Drosselklappe erfolgt, welche die Menge der dem Motor zugeführten Luft regelt.
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Die Menge des eingespritzten Kraftstoffs wird dabei so dosiert, dass mit einem vorgegebenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, insbesondere λ = 1, verbrannt wird. Der Druck im Ansaugtrakt (Saugrohrdruck) hängt bei dieser Vorgehensweise bei konstanter Motordrehzahl unmittelbar von der Stellung der Drosselklappe ab. Leerlaufdrehzahl und Saugrohrdruck können daher nicht unabhängig voneinander eingestellt werden.
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Bei der Diagnose von Saugmotoren ist es wünschenswert, den Saugrohrdruck bei vorgebbarer, konstanter Leerlaufdrehzahl beliebig einstellen zu können.
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Offenbarung der Erfindung:
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Motorsteuerung bereitzustellen, die es ermöglichen, die Leerlaufdrehzahl und den Saugrohrdruck unabhängig voneinander einzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Kraftstoff pulsweitenmoduliert in den Ansaugtrakt oder in eine Brennkammer des Motors eingespritzt wird.
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Eine erfindungsgemäße Motorsteuerung weist eine Einspritzvorrichtung auf, die ausgebildet ist, den Kraftstoff pulsweitenmoduliert in den Ansaugtrakt oder die Brennkammer des Verbrennungsmotors einzuspritzen.
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Auf diese Weise kann die Drehzahl des Motors unabhängig von der Stellung der Drosselklappe konstant gehalten werden und die Drosselklappe kann benutzt werden, um bei vorgegebener Drehzahl den Saugrohrdruck beliebig einzustellen. Dies ist zu Diagnosezwecken, insbesondere zum Erkennen von Lecks im Frischlufttrakt, vorteilhaft.
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Insbesondere kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors durch Einstellen der Pulsweite der Kraftstoffeinspritzung eingestellt werden. Es kann ein Regelkreis vorgesehen sein, der eine gemessene Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors mit einer vorgegebenen Soll-Drehzahl vergleicht und die Pulsweite der Kraftstoffeinspritzung so einstellt, dass sich die Ist-Drehzahl der vorgegebenen Soll-Drehzahl annähert. Auf diese Weise kann die gemessene Ist-Drehzahl unabhängig von der Einstellung der Drosselklappe im Frischlufttrakt auf die vorgegebene Soll-Drehzahl eingestellt werden.
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Vorzugsweise wird die während eines Einspritzimpulses eingespritzte Kraftstoffmenge so gewählt, dass ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht wird. Durch ein definiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird eine optimierte Verbrennung unter kontrollierten Bedingungen erreicht. Insbesondere kann verhindert werden, dass ein im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordneter Katalysator durch eine zu hohe Abgastemperatur und/oder unverbrannten Kraftstoff, der in den Abgasen enthalten ist, beschädigt oder zerstört wird.
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Vorzugsweise wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchometrisches Verhältnis (λ = 1) eingestellt, um eine optimale Verbrennung zu erreichen.
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Eine erfindungsgemäße Motorsteuerung weist vorzugsweise einen Drehzahlregler auf, der ausgebildet ist, die Einspritzvorrichtung so anzusteuern, dass der Verbrennungsmotor mit einer vorgegebenen Drehzahl rotiert. Mit einem derartigen Drehzahlregler kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors zuverlässig und mit hoher Genauigkeit auf einen gewünschten Wert eingestellt und unabhängig von der Stellung der Drosselklappe im Frischlufttrakt auf diesem Wert gehalten werden.
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In einer Ausführungsform ist eine Vorrichtung vorgesehen, die zur Berechnung oder Messung der von dem Verbrennungsmotor angesaugten Luftmenge ausgebildet ist. Die Kenntnis der von dem Verbrennungsmotor angesaugten Luftmenge ermöglicht es, die Kraftstoffmenge zu berechnen, die einzuspritzen ist, um eine optimale Verbrennung zu erreichen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Saugmotors mit einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung; und
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Die 2a bis 2d zeigen Beispiele für charakteristische Signale, wie sie in der in der 1 gezeigten Motorsteuerung im Betrieb typischerweise auftreten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Saugmotors 2 mit einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung 1.
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Der Saugmotor 2 weist einen Frischlufttrakt 10, durch den dem Saugmotor 2 die zur Verbrennung des Kraftstoffs notwendige Luft zugeführt wird, und einen Abgastrakt 14 auf, durch den die beim Betriebs des Saugmotors 2 entstehenden Abgase abgeführt werden.
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In dem Frischlufttrakt 10 ist eine verstellbare Drosselklappe 12 angeordnet. Durch Verstellen der Drosselklappe 12 ist der effektive Querschnitt des Frischlufttraktes 10 variierbar. Dadurch sind der Druck im Bereich des Frischlufttraktes 10 stromabwärts der Drosselklappe 12, der als Ansaugtrakt 11 bezeichnet wird, und die durch den Ansaugtrakt 4 in den Verbrennungsmotor 2 eingesaugte Luftmenge einstellbar. Die Motorsteuerung 1 weist außerdem eine Einspritzvorrichtung 5 auf, die ausgebildet ist, im Betrieb Kraftstoff in den Ansaugtrakt 11 bzw. in die Brennkammern 3 (Zylinder) des Verbrennungsmotors 2 einzuspritzen.
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Die Einspritzvorrichtung 5 wird von einer Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 angesteuert, wobei die Einspritzvorrichtung 5 nur dann Kraftstoff in den Ansaugtrakt 11 bzw. in die Brennkammern 3 des Verbrennungsmotors 2 einspritzt, wenn und solange sie einen elektrischen Impuls von der Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 erhält.
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Die Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 wird ihrerseits von einem Drehzahlregler 6 angesteuert, dem eine vorgegebene Soll-Drehzahl nsoll und die aktuelle Drehzahl n(t) des Verbrennungsmotors 2 zugeführt werden. Der Drehzahlregler 6 vergleicht die Soll-Drehzahl nsoll mit der aktuellen Drehzahl n(t) und ermittelt basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs das Tastverhältnis rPWM für die Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 so, dass sich die aktuelle Drehzahl n(t) möglichst nahe an die vorgegebene Soll-Drehzahl nsol annähert.
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Das Tastverhältnis rPWM bestimmt das Verhältnis der Zeiten normaler Einspritzung Tinj und Schubbetrieb Tcoast rPWM = Tinj/(Tinj + Tcoast), deren Summe gleich der Periodendauer TC der Pulsweitenmodulation ist: TC = Tinj + Tcoast.
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Die Kraftstoffmenge, die während eines Einspritzvorgangs, der durch die Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 ausgelöst worden ist, eingespritzt wird, wird von Berechnungseinheiten 8, 9 berechnet. Dabei wird die während eines Einspritzvorgangs einzuspritzende Kraftstoffmenge derart berechnet, dass ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis (z. B. λ = 1) eingestellt wird.
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Diese Berechnung beruht einerseits auf dem aktuellen, z. B. von einer Lambdasonde 15 am bzw. im Abgastrakt 14 des Verbrennungsmotors 2 gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ und der vom Verbrennungsmotor 2 angesaugten Luftmasse m'Eng.
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Die vom Motor 2 angesaugte Luftmasse m'Eng kann aus einzelnen oder Kombinationen der Größen Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2, Druck im Ansaugtrakt pIn, Temperatur im Ansaugtrakt TIn und dem Messwert eines im Ansaugtrakt 11 angeordneten Luftmassenstromsensors m'HFM berechnet werden. In einer groben Näherung, in der die Dynamik des Ansaugtrakts vernachlässigt wird, die aber zumindest im stationären Betrieb hinreichend exakt ist, gilt: m'Eng(t) = m'HFM(t).
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Basierend auf m'Eng wird die Kraftstoffmenge, die ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ergibt, von der Berechnungseinheit 9 berechnet. Um tatsächlich eine Verbrennung mit dem vorgegebenen λ zu erzielen, wird der Wert der während eines Einspritzvorgangs einzuspritzenden Kraftstoffmenge m'Fuel mit dem von der Lambdasonde 15 für λ gemessenen Wert korrigiert.
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Der derart berechnete Wert des einzuspritzenden Kraftstoffs m'Fuel wird mit den Ausgangsimpulsen der Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 moduliert, um die tatsächlich von der Einspritzvorrichtung 5 eingespritzte Kraftstoffmenge m'Inj zu erhalten.
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Auf diese Weise kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 unabhängig von der Stellung der Drosselklappe 12 im Frischlufttrakt 10 auf einen gewünschten Soll-Wert nsoll eingestellt werden.
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2 zeigt einen typischen Verlauf charakteristischer Größen in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Funktion der Zeit t (Abszissenachse).
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Dabei zeigt 2a den zeitlichen Verlauf des Wertes rPWM, mit dem die Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 von dem Drehzahlregler 6 angesteuert wird.
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2b zeigt die von der Berechnungseinheit 9 berechnete Kraftstoffmenge m'Fuel, die jeweils während eines Impulses eingespritzt wird als Funktion der Zeit t,
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2c zeigt die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge m'Inj als Funktion der Zeit t, und
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2d zeigt das daraus resultierende Drehmoment Meng des Motors 2 als Funktion der Zeit t.
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In einem ersten Intervall 0 < t < Tc wird konstant (rPWM = 1) die maximal mögliche Kraftstoffmenge (m'Fuel = max) eingespritzt, so dass der Verbrennungsmotor 2 mit dem maximalen Drehmoment (Meng = Mmax) läuft.
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In einem zweiten Intervall Tc < t < 2Tc wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge m'Fuel auf die Hälfte des Maximalwertes max reduziert. Dies hat auch eine Halbierung des Drehmoments (Meng = ½Mmax) zur Folge.
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In einem dritten Intervall 2Tc < t < 3Tc wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge m'Fuel erneut (auf ein Viertel des Maximalwertes max) halbiert, so dass das Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 auf ein Viertel des maximalen Wertes reduziert wird (Meng = ¼Mmax).
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In einem vierten Intervall 3Tc < t < 4Tc wird bei unveränderter Einspritzmenge m'Fuel das Tastverhältnis rTWM halbiert (rTWM = ½), was eine weitere Halbierung des Drehmoments MEng zur Folge hat (Meng = ⅛ Mmax).
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Die Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 entscheidet auf der Grundlage des von dem Drehzahlregler 6 vorgegebenen Tastverhältnisses rPWM, ob zu einem bestimmten Zeitpunkt Kraftstoff eingespritzt wird, oder nicht. Die Pulsweiten-Modulationssteuerung 4 stellt so einen Zusammenhang zwischen der von der Berechnungseinheit 9 berechneten Kraftstoffmenge m'Fuel und der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge m'Inj her. Auf diese Weise kann die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 durch pulsweitenmoduliertes Einspritzen von Kraftstoff eingestellt werden. Dabei führt die Trägheit der Schwungmasse des Verbrennungsmotors 2 zu einer zeitlichen Mittlung, so dass die Drehzahl bzw. das Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 keine wahrnehmbaren Schwankungen aufweisen.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Drehzahlregler 6 weggelassen werden und die Steuerung erfolgt in einem offenen Kreis ohne Regelung der Drehzahl.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt keine Korrektur der einzuspritzenden Kraftstoffmenge durch den aktuell gemessenen Wert λ. Dies bringt jedoch die Gefahr einer möglichen Schädigung eines nachgeschalteten Abgaskatalysators mit sich, wenn Kraftstoffmengen eingespritzt werden, die zu einer Verbrennung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ ≠ 1 führen.
