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Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung eines Hubkolbenmotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Zur Steuerung eines Verbrennungsmotors wird eine Zusammensetzung der Gasladung und eine Füllung eines Verbrennungsraums mit der Gasladung durch das Stellen externer Aktuatoren wie Drosselklappen, Abgasrückführventile, Abgasklappen etc. gezielt beeinflusst. Sowohl die Zusammensetzung als auch die Menge der Gasfüllung des Verbrennungsraums hat erheblichen Einfluss auf das mögliche Drehmoment und die Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors. Die Steuerung des Verbrennungsmotors erfolgt üblicherweise nicht nur bezüglich seiner abgegebenen Leistung, sondern auch bezüglich einer Schadstoffmenge im Abgas. Eine übliche Motorsteuerung strebt daher eine möglichst genaue Einstellung der Ladungsmenge und der Beschaffenheit der Ladung sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors an.
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Um die Ladungszusammensetzung und die Ladungsmenge eines Verbrennungsmotors zu steuern, wird im Allgemeinen eine direkte oder indirekte Regelung auf messbare Zielgrößen wie einen Luftmassenstrom am Luftmassenmesser oder einen Lade- oder Saugrohrdruck im Einlasssystem des Verbrennungsmotors durchgeführt. Ein Ladungswechsel des Verbrennungsmotors, also ein Ansaugen eines brennbaren Gasgemischs und ein Ausstoßen von verbranntem Gasgemisch, wird dabei üblicherweise modelliert, um beispielsweise aus einem gewünschten Ladungsdurchsatz auf einen dazu korrespondierenden Lade-/Saugrohrdruck zu schließen. Der solchermaßen bestimmte Druck wird dann über einen Aktuator eingestellt. In ähnlicher Weise erfolgt eine Einstellung der Gaszusammensetzung im Verbrennungsraum.
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Üblicherweise ist es nicht möglich, die Gasmenge oder die Zusammensetzung des Gases im Verbrennungsmotor direkt zu bestimmen. Eine übliche Motorsteuerung regelt daher entweder messbare Ersatzgrößen wie eine Frischluftmenge oder einen Ladedruck, oder regelt auf eine modellierte Größe, die auf die Verhältnisse im Verbrennungsmotor, insbesondere in dessen Brennraum, hinweist. Die modellierte Größe erfordert ein physikalisches Modell des Verbrennungsmotors, um beispielsweise die Ladungsmenge und die Gaszusammensetzung rechnerisch bestimmen zu können. Durch das Regelverhalten einer solchen Steuerung ist in jedem Fall eine zeitverzögerte Einstellung der gewünschten Führungsgrößen bedingt. Ein Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors und die Regelgenauigkeit bei Übergängen zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen können daher verbesserungsbedürftig sein.
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DE 10 2005 026 503 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei eine Anzahl Steller, die einen Gasluftmassenstrom in die Brennkraftmaschine beeinflussen, gesteuert und ihre Positionen anschließend überprüft werden.
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DE 199 63 358 A1 schlägt vor, eine Brennkraftmaschine mit einem Luftsystem zu steuern, wobei eine Größe, die das Luftsystem beeinflusst, mittels eines Modells auf der Basis einer Stellgröße bestimmt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine anzugeben, die eine direktere oder genauere Steuerung der Maschine erlauben. Die Erfindung löst diese Aufgaben durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Hubkolbenmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen Zylinder, durch den ein Gasstrom verläuft. Der Zylinder enthält ein abschließbares Volumen, in dem eine Verbrennung eines Teils des Gasstroms herbeigeführt werden kann, um die dabei entstehende Expansionsenergie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs zu nutzen. Ein Verfahren zum Steuern der Brennkraftmaschine umfasst Schritte des Bereitstellens eines physikalischen Modells zum Bestimmen von Flussparametern des Gasstroms an unterschiedlichen Stellen des Gasstroms in Abhängigkeit einer Stellung eines Stellglieds im Gasstrom, des Bestimmens, auf der Basis des invertierten Modells, einer Stellung des Stellglieds, die zu einem vorbestimmten Flussparameter an einer vorbestimmten Stelle korrespondiert, des Steuerns des Stellglied in die bestimmte Stellung, des Bestimmens einer Abweichung des vorbestimmten Flussparameters vom Flussparameter des Gasstroms an der vorbestimmten Stelle und des Abgleichens des Modells auf der Basis der Abweichung. Dabei umfasst das physikalische Modell eine Abgasrückführung zur Rückführung von verbranntem Gas in den Zylinder.
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Durch die Berücksichtigung der Abgasrückführung kann eine Beimischung von verbranntem oder teilverbranntem Abgas zu dem in den Zylinder eintretenden Frischgas gezielt durchgeführt werden, um eine erwünschte Ladungszusammensetzung für eine folgende Verbrennung im Zylinder bereitzustellen. Die Gasmenge und die Gaszusammensetzung im Zylinder können so verbessert unabhängig voneinander gesteuert werden. Der Verbrennungsmotor kann dadurch genauer an einen vorbestimmten Betriebspunkt geführt werden. Dadurch kann eine Emission von Schadstoffen im Abgas verringert werden, während ein vorbestimmtes Drehmoment bzw. eine vorbestimmte Leistung durch den Verbrennungsmotor bereitgestellt werden.
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Durch die Aufnahme der Abgas-Rückführstrecken in das physikalische Modell ist es möglich, die Brennkraftmaschine auch dann genau zu steuern, wenn eine Drossel zur Steuerung einer Frischgaszufuhr vollständig geöffnet oder bauartbedingt gar nicht vorgesehen ist. So können sowohl Otto- als auch Dieselmotoren in verbesserter Weise und über einen erweiterten Bereich von Verbrennungszuständen in ihrer Leistungsabgabe und der Emission von Schadstoffen gesteuert werden.
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Die vorbestimmte Stelle kann beispielsweise an einem Einlass in den Zylinder liegen. Bevorzugterweise liegt die vorbestimmte Stelle im Zylinder. Die Steuerung erfolgt somit unmittelbar auf eine modellierte Größe im Brennraum der Brennkraftmaschine. Bestimmungs- und Steuerungsfehler können so verringert werden. In einer Ausführungsform betrifft der vorbestimmte Flussparameter beispielsweise eine Gaszusammensetzung, wobei die vorbestimmte Stelle etwa einen Einlass in den Zylinder, insbesondere nach einer möglichen Einleitung einer Hochdruck-Abgasrückführung, oder den Zylinder-Innenraum betrifft. In einer weiteren Ausführungsform soll eine Füllung des Zylinders, also eine im Zylinder befindliche Gasmasse gesteuert werden. Dabei kann als vorbestimmter Flussparameter ein einfließender Gasmassenstrom und als vorbestimmte Stelle der Einlass verwendet werden. Alternativ kann auch eine im Zylinder verbleibende Gasmasse als Flussparameter verwendet werden, wobei die vorbestimmte Stelle der Zylinder ist.
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In einer ersten Variante umfasst der rückgeführte Strom eine Hochdruck-Abgasrückführung (HD-AGR) von einer Auslassseite des Zylinders zu einer Einlassseite des Zylinders. Dabei kann das Stellglied ein AGR-Ventil zur Steuerung des rückgeführten Stroms umfassen. Ferner kann ein Kühler zur Kühlung des rückgeführten Stroms vorgesehen sein. Diese Art der Abgas-Rückführung kann kostengünstig aufgebaut werden und eine einfache Beeinflussung der Gaszusammensetzung in der Brennkraftmaschine erlauben.
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In einer anderen Variante, die mit der letztgenannten Variante kombinierbar ist, umfasst die Brennkraftmaschine einen Turbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter, wobei der rückgeführte Strom eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) von der Niederdruckseite der Abgasturbine zur Niederdruckseite des Verdichters umfasst. Es ist natürlich auch möglich, einen Turbolader vorzusehen, ohne eine Niederdruck-Abgasrückführung zu verwenden.
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Das Stellglied kann hierbei ein Niededruck-Abgasrückführungsventil umfassen. Durch die Niederdruck-Abgasrückführung kann eigenständig oder in Verbindung mit der Hochdruck-Abgasrückführung die Gaszusammensetzung in der Brennkraftmaschine beeinflusst werden.
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In noch einer weiteren Variante, die mit den beiden letztgenannten Varianten kombinierbar ist, wird eine vorbestimmte Menge verbrannten oder teilverbrannten Gases beim Ladungswechsel im Zylinder belassen. Diese Technik wird auch interne Abgasrückführung genannt. Es können beliebige Kombinationen von interner, Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung verwendet werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst der Flussparameter eine Gaszusammensetzung oder eine Gasmenge im Zylinder. Zusätzlich oder alternativ können auch eine Temperatur, eine Ladungsbewegung oder ein Füllgrad im Zylinder modelliert werden.
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Das physikalische Modell kann zum Bestimmen des Durchflussverhaltens des Gasstroms auf der Basis der Stellungen einer Vielzahl Stellglieder in Gasstrom eingerichtet sein. So kann der Flussparameter auf unterschiedliche Weisen beeinflusst werden. Nebeneffekte, die beispielsweise eine Temperatur des Gasstroms an einer vorbestimmten Stelle umfassen können, können so gezielt ausgenutzt werden.
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Das physikalische Modell kann zum Bestimmen des Durchflussverhaltens des Gasstroms auf der Basis von Flussparametern des Gasstroms an einer oder mehreren Stellen eingerichtet sein. Dabei können die Flussparameter direkt bestimmt sein, insbesondere durch eine Messung mittels eines Sensors, oder indirekt durch eine rechnerische Ableitung aus einem oder mehreren anderen Werten, insbesondere Flussparametern. Die physikalische Modellierung des Gasstroms durch die Brennkraftmaschine kann so in verbesserter Weise der tatsächlichen Brennkraftmaschine entsprechen. Die Flussparameter können insbesondere eine Temperatur und/oder einen Druck des Gasstroms umfassen.
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Prinzipiell ist es möglich, beliebige Vielzahlen von Stellungen von Stellgliedern in Gasstrom und Flussparametern des Gasstroms an unterschiedlichen Stellen in das physikalische Modell mit einzubeziehen. Üblicherweise steigt die Genauigkeit des physikalischen Modells mit der Anzahl von Flussparametern, die als Eingangsgrößen fungieren, gleichzeitig steigt jedoch auch der Verarbeitungsaufwand zur Bestimmung weiterer Flussparameter wie der Stellung der Stellglieder. Mit steigender Anzahl Stellglieder steigen die Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Brennkraftmaschine und potenziell die Genauigkeit der Steuerung. Allerdings ist mit einer steigenden Anzahl Stellglieder üblicherweise auch ein erhöhter Bestimmungsaufwand verbunden.
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Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger abgespeichert ist.
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Eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, durch den ein Gasstrom verläuft, ist dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Steuermodells an der Brennkraftmaschine von 1, und
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3 ein Verfahren zum Steuern der Brennkraftmaschine von 1 auf der Basis des Steuermodells von 2 darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 100. Dabei ist in erster Linie ein Gasstrom 105 dargestellt, der durch die Brennkraftmaschine 100 verläuft. Komponenten zur Bildung eines Gasgemischs für den Gasstrom 105, wie beispielsweise eine Einspritzanlage zum Einspritzen von Kraftstoff oder Komponenten zur Initiierung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eine Zündanlage, sind nicht dargestellt. Die dargestellte Brennkraftmaschine 100 ist als rein exemplarisch zu verstehen; nicht alle der im Folgenden beschriebenen Komponenten müssen an der Brennkraftmaschine 100 vorgesehen sein und ggf. können zusätzliche Komponenten verwendet werden.
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Der Gasstrom 105 tritt zunächst durch einen Luftfilter 110 und durchläuft dann einen Luftmassenmesser 115 zur Bestimmung der Masse der durchströmenden Luft. Vorliegend ist ein Turbolader 120 mit einem Verdichter 125 und einer Abgasturbine 130 vorgesehen. Der Gasstrom 105 wird im Verdichter 125 komprimiert und durchläuft dann einen Ladeluftkühler 135. Eine Drossel 140 kann zur Drosselung des Gasstroms 105 vorgesehen sein. Anschließend durchläuft der Gasstrom 105 einen Einlass 145 in einen von potenziell mehreren Zylindern 150. Im Zylinder 150 erfolgt eine Verbrennung von sauerstoffhaltigem Gas und Kraftstoff in einem abgeschlossenen Volumen. Nach der Verbrennung tritt der Gasstrom 105 durch einen Auslass 155 aus.
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Danach durchläuft der Gasstrom 105 die Abgasturbine 130 des Turboladers 120 und einen Katalysator 158. Anschließend kann ein Partikelfilter 160 durchlaufen werden, bevor der Gasstrom 105 durch eine Abgasklappe 162 und einen Schalldämpfer 164 in eine Umgebung austritt.
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Zur Steuerung der Zusammensetzung von Gas im Zylinder 150 sind eine oder mehrere Abgasrückführungen vorgesehen. Eine interne Abgasrückführung bewirkt einen Verbleib eines Teils des verbrannten Gases im Zylinder 150 während eines Ladungswechsels. Eine Hochdruck-Abgasrückführung 166 umfasst einen rückgeführten Strom 168, der als Nebenstrom des Gasstroms 105 vom Auslass 155 durch einen optionalen Kühler 170 und ein optionales Hochdruck-Abgasrückführungsventil 172 zurück zum Einlass 145 verläuft. Eine Niederdruck-Abgasrückführung 180 umfasst einen rückgeführten Strom 182, der ebenfalls ein Nebenstrom des Gasstroms 105 ist und von der Niederdruckseite der Abgasturbine 130 zur Niederdruckseite des Verdichters 125 des Turboladers 120 verläuft. Dabei durchläuft der rückgeführte Strom 182 einen optionalen Kühler 184 und ein optionales Niededruck-Abgasrückführungsventil 186. Bevorzugterweise wird der rückgeführte Niederdruck-Strom 182 nicht unmittelbar hinter der Abgasturbine 130, sondern stromabwärts, insbesondere nach dem Katalysator 158 und dem Partikelfilter 160 aus dem Gasstrom 105 abgezweigt.
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Eine Steuereinrichtung 188 ist zur Steuerung der Brennkraftmaschine 100 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 188 umfasst insbesondere eine Verarbeitungseinrichtung für ein Computerprogrammprodukt, beispielsweise einen programmierbaren Mikrocomputer. Zur Steuerung werden an der Brennkraftmaschine 100 bevorzugterweise an mehreren Stellen 190 Flussparameter des Gasstroms 105 per Messung bestimmt. Einige besonders bevorzugte Stellen 190 sind in 1 eingezeichnet, es können jedoch auch zusätzliche oder andere Stellen 190 verwendet werden. Aus den gemessenen Flussparametern können weitere Flussparameter abgeleitet werden. Auf der Basis aller Flussparameter bestimmt die Steuereinrichtung 188 die Stellung eines oder mehrerer veränderbarer Stellglieder 192, zu denen beispielsweise die Drossel 140, die Abgasklappe 162 und die Abgasrückführungsventile 172 und 186 zählen können.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Steuermodells 200 an der Brennkraftmaschine 100 von 1. Das Steuermodell 200 kann insbesondere innerhalb der Steuereinrichtung 188 abgebildet bzw. durchgeführt werden. Mit Hilfe des Steuermodells 200, das auch als „Vorwärts-Modell” bezeichnet wird, ist es möglich, auf der Basis eines oder mehrerer Flussparameter einen oder mehrere weitere Flussparameter an der Brennkraftmaschine 100 zu bestimmen.
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In einem ersten Schritt 205 werden einer oder mehrere Flussparameter des Gasstroms 105 bzw. eines seiner Nebenströme 168 oder 182 an der Brennkraftmaschine 100 bestimmt. Die Flussparameter können insbesondere eine Temperatur oder einen Druck umfassen. In weiteren Ausführungsformen können auch eine Strömungsrichtung, eine Strömungsgeschwindigkeit oder ein anderer Parameter bestimmt sein. Unabhängig davon werden in einem Schritt 210 die Stellungen eines oder mehrerer Stellglieder 192 im Gasstrom 105 bestimmt. Dann werden in einem physikalischen Modell 215, das beispielsweise ein Strömungsverhalten des Gasstroms 105 durch die einzelnen Komponenten der Brennkraftmaschine 100 modelliert, weitere Flussparameter der Brennkraftmaschine 100 an einer oder mehreren Stellen 190 bestimmt. Auf der Basis der nun vorliegenden Flussparameter des Gasstroms 105 wird in einem weiteren Schritt 220 ein Durchflussverhalten des Gasstroms 105 durch die Brennkraftmaschine 100 an einer oder mehreren vorbestimmten Stellen 190 bestimmt. Eine der vorbestimmten Stellen 190 kann insbesondere den Zylinder 150, also den Brennraum der Brennkraftmaschine 100 betreffen.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern der Brennkraftmaschine 100 von 1 auf der Basis des Steuermodells 200 von 2. Das Verfahren 200 ist insbesondere zum Ablaufen auf der Steuereinrichtung 188 von 1 eingerichtet.
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In einem ersten Schritt 305 wird ein physikalisches Modell entsprechend dem von Schritt 215 in 2 bereitgestellt. Nachfolgend wird das Modell in einem Schritt 310 invertiert. Das invertierte Modell ist dazu eingerichtet, zu einem Zielparameter, insbesondere einem Flussparameter an einer vorbestimmten Stelle 190, etwa dem Zylinder 150, eine oder mehrere Lösungen zu bestimmen, die jeweils einer Anzahl von Flussparametern entsprechend denen von Schritt 205 und eine Anzahl von Stellungen von Stellgliedern 192 entsprechend denen von Schritt 210 umfassen. Mittels des invertierten Modells können also Stellungen der Stellglieder 192 bestimmt werden, die zu vorbestimmten Flussparametern an einer vorbestimmten Stelle, insbesondere einem Druck und einer Temperatur des Gasstroms 105 im Zylinder 150, korrespondieren.
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In einem Schritt 315 werden die gewünschten Flussparameter, insbesondere ein Druck und eine Temperatur an einer vorbestimmten Stelle 190, erfasst. In einem nachfolgenden Schritt 320 können optional noch weitere Flussparameter erfasst werden, die insbesondere an der Brennkraftmaschine 100 mittels eines Sensors bestimmt oder aus sensorisch bestimmten Werten abgeleitet werden können. In einem Schritt 325 werden Stellungen eines oder mehrerer Stellglieder 192 erfasst.
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Dann werden in einem Schritt 330 auf der Basis des im Schritt 310 invertierten physikalischen Modells die Stellungen eines oder mehrerer Stellglieder 192 im Gasstrom 105 bestimmt, die zu.
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Die eine oder mehreren Stellungen werden in einem Schritt 335 eingestellt, das heißt, die entsprechenden Stellglieder 192 werden dazu angesteuert, in die vorbestimmten Stellungen zu fahren. Danach wird in einem Schritt 340 anhand des Vorwärts-Modells aus dem Schritt 305 auf der Basis der aktuell vorliegenden Stellungen der Stellglieder 192 sowie der aktuellen Messwerte der tatsächliche Flussparameter bestimmt, der sich an einer vorbestimmten Stelle 190 einstellt.
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In einem Schritt 345 erfolgt ein Vergleich des im Schritt 340 bestimmten Flussparameters mit dem gewünschten Flussparameter aus dem Schritt 315. Da das physikalische Modell allgemein nicht perfekt ist, wird der Flussparameter aus dem Schritt 340 in der Regel nicht genau den gewünschten Wert aus dem Schritt 315 reflektieren. Eine Abweichung zwischen den Werten liegt üblicherweise im Bereich von unter 2 bis 5 Prozent des jeweiligen Flussparameters. Auf der Basis dieser Abweichung wird in einem Schritt 350 das physikalische Modell angepasst. Bei einem erneuten Durchlauf des Verfahrens 300 wird diese Anpassung im Schritt 310 in das invertierte Modell propagiert.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennkraftmaschine
- 105
- Gasstrom
- 110
- Luftfilter
- 115
- Luftmassenmesser
- 120
- Turbolader
- 125
- Verdichter
- 130
- Abgasturbine
- 135
- Ladeluftkühler
- 140
- Drossel
- 145
- Einlass
- 150
- Zylinder
- 155
- Auslass
- 158
- Katalysator
- 160
- Partikelfilter
- 162
- Abgasklappe
- 164
- Schalldämpfer
- 166
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 168
- rückgeführter Strom
- 170
- Kühler
- 172
- Hochdruck-Abgasrückführungsventil
- 180
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 182
- rückgeführter Strom
- 184
- Kühler
- 186
- Niederdruck-Abgasrückführungsventil
- 188
- Steuereinrichtung
- 190
- Stelle
- 192
- Stellglied
- 200
- Steuermodell
- 205
- Flussparameter
- 210
- Stellungen
- 215
- physikalisches Modell
- 220
- Durchflussverhalten
- 225
- Flussparameter an vorbest. Stelle
- 300
- Verfahren
- 305
- Bereitstellen Modell
- 310
- Invertieren Modell
- 315
- Erfassen gewünschter Flussparameter
- 320
- Erfassen weitere Flussparameter
- 325
- Erfassen Stellungen von Stellgliedern
- 330
- Bestimmen Stellung eines Stellglieds
- 335
- Stellen Stellglied
- 340
- Bestimmen Flussparameter
- 345
- Vergleichen gemessener und gewünschter Flussparameter
- 350
- Modell anpassen
