DE102013218903A1

DE102013218903A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lambda- und Zündwinkelregelung

Info

Publication number: DE102013218903A1
Application number: DE201310218903
Authority: DE
Inventors: Haris Hamedovic; Daniel Ross; Christian Steinbrecher; Bastian Reineke; Wolfgang Fischer; Laurent Nack; Henning Heikes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-26
Also published as: CN104454201B; CN104454201A; IN2014DE02236A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lambda- und Zündwinkelregelung für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei ein optimiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein optimierter Zündwinkel aus einem Merkmal, mit dem ein Schätzwert für ein Drehmoment bestimmt werden kann und das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle in der Brennkraftmaschine basiert, bestimmt wird. Die Erfindung sieht weiterhin eine entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Motorsteuereinheit mit mindestens einer Reglereinheit und einer Speichereinheit zur Durchführung des Verfahrens vor. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass als Stellgröße eine eingespritzte Kraftstoffmenge oder der Zündwinkel von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus zwischen verschiedenen Werten variiert und die Änderung des drehzahlbasierten Merkmals zur Drehmoment-Schätzung ausgewertet wird. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann erreicht werden, dass insbesondere bei Einzylinder-Brennkraftmaschinen, wie sie bei Krafträdern zum Einsatz kommen können, die Effizienz oder die maximale Leistung gesteigert oder die Emission von Schadstoffen reduziert oder ein möglichst optimaler Kompromiss zwischen allen Kriterien erzielt werden kann, insbesondere wenn beispielsweise keine zusätzlichen Sensoren, wie eine Lambdasonde, zur Verfügung stehen und/ oder sich Umgebungsbedingungen ändern.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lambda- und Zündwinkelregelung für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei ein optimiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein optimierter Zündwinkel aus einem Merkmal, mit dem ein Schätzwert für ein Drehmoment bestimmt werden kann und das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle in der Brennkraftmaschine basiert, bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Motorsteuereinheit, zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Reduktion der Emissionen in PKW mit Ottomotoren werden üblicherweise 3-Wege-Katalysatoren als Abgasreinigungsanlagen verwendet, die nur dann ausreichend Abgase konvertieren, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mit hoher Präzision eingeregelt wird. Zu diesem Zweck wird das Luft-Kraftstoffverhältnis λ mittels einer der Abgasreinigungsanlage vorgelagerten Abgassonde gemessen.
Bei Zweirad-Anwendungen, insbesondere bei niedrigpreisigen Krafträdern wie Mopeds oder Motorrollern, mit Verbrennungsmotoren mit einem Zylinder ergibt sich das Problem, dass eine Lambdaregelung oder auch eine Zündwinkelregelung, wie sie üblicherweise bei PKW mit Ottomotoren üblich und auch gesetzlich im Hinblick auf die Einhaltung der Emissionsvorgaben vorgeschrieben ist, aufgrund nicht vorhandener Sensorik oft nicht möglich ist.
Üblicherweise erfolgt hier beispielsweise die Einstellung eines entsprechenden Zündwinkels mittels Applikationen an einem oder mehreren sogenannten Applikationsfahrzeugen. Die sich ergebenden applizierten Zündwinkel sind für Parameter des Verbrauchs, Emissionen, Fahrbarkeit etc. optimiert. Im Serieneinsatz schwanken jedoch betriebsrelevante Motorparameter signifikant von Fahrzeug zu Fahrzeug. Ferner gibt es auch erkennbare Schwankungen über eine Lebensdauer ein und desselben Fahrzeuges. Für einen optimalen Verbrennungswirkungsgrad und damit auch für den Kraftstoffverbrauch ist aber eine feste Phasenlage in der Art erforderlich, dass etwa 50 % der Kraftstoffmasse zu einem Kurbelwinkel von etwa 8° nach dem oberen Totpunkt (OT) des Kolbens im Verbrennungstakt verbrannt ist. Wird diese optimale Phasenlage der Verbrennung aufgrund von Schwankungen bei einem festen Kurbelwinkel nicht eingehalten, dann entstehen Nachteile insbesondere hinsichtlich des Verbrauchs.
Im Hinblick auf die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten ergeben sich ähnliche Probleme, wenn Schwankungen auftreten, sei es infolge unterschiedlicher Betriebsphasen des Verbrennungsmotors oder infolge Schwankungen beim Brennwert des Kraftstoffes, und keine funktionierende Lambdaregelung zur Verfügung steht, wie dies bei den oben genannten Anwendungen oft der Fall ist.
Für PKW-Anwendungen sind diverse Verfahren bekannt, wie beispielsweise eine Einspritzmengenkalibrierung, eine Verbrennungslageschätzung oder eine Aussetzererkennung. Aufgrund einer Überlagerung von Einflüssen von Zylindern sind die Auswertemöglichkeiten jedoch stark eingeschränkt.
Aus der DE 10 2009 002 096 A1 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Zylindern bekannt, welche mit in einem Tank bevorratetem Kraftstoff in unterschiedlicher Kraftstoffqualität und/ oder bevorrateten Kraftstoffgemisch in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen betrieben werden kann und wobei unterschiedliche Kraftstoffqualitäten und/ oder Kraftstoffgemische verschiedener Zusammensetzung unterschiedliche Luft-Kraftstoff-Verhältnisse zur Erreichung einer stabilen Verbrennung erfordern und/ oder ein unterschiedliches Verdampfungsverhalten aufweisen. Gemäß dieser Erfindung ist vorgesehen, dass in einer Nachstartphase der Brennkraftmaschine an mindestens einem ersten Zylinder eine zylinderindividuelle Variation der dem Zylinder zugeführten Kraftstoffmenge zu einem mageren oder zu einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch und an mindesten einem zweiten Zylinder eine entsprechende Variation zu einem fetten oder mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch durchgeführt wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass im Anschluss daran eine Differenz der Laufruhe beider Zylinder ausgewertet wird, wobei der Einfluss der Variation auf die Differenz der Laufunruhe beider Zylinder bewertet wird und daraus eine Kraftstoffadaption für alle Zylinder durchgeführt oder die Kraftstoffzusammensetzung bestimmt wird.
Bei Zweirad-Anwendungen, d.h. bei Verwendung bzw. beim Einsatz eines Verbrennungsmotors mit nur einem Zylinder entfällt eine Überlagerung von Einflüssen mehrerer Zylinder, so das ein drehzahlbasiertes Verfahren eher einfacher auszuwerten ist.
In noch nicht veröffentlichten Anmeldungen der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.343279, R.340722 und R.340723 sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren beschrieben, die einerseits eine Lambdaschätzung, eine Drehmomentschätzung oder eine Zündwinkel-Kennfelderstellung beschreiben, welche dazu dienen, den Kraftstoffverbrauch sowie den Schadstoffausstoß insbesondere bei den zuvor genannten Anwendungen zu minimieren.
So beschreibt die R.343279 ein Verfahren und eine geeignete Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Erstellen eines Zündwinkel-Kennfeldes für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem bei laufendem Motorbetrieb in regelmäßigen Abständen wiederholt ein jeweiliges Drehmoment für eine Verbrennung in dem Verbrennungsmotor aus einem Merkmal hergeleitet wird, das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors basiert. Dabei ist vorgesehen, dass bei Anfahren eines Betriebspunktes ausgehend von einem Startwert für den Zündwinkel der Wert des Zündwinkels um den Startwert systematisch variiert wird und derjenige Wert des Zündwinkels als optimaler Zündwinkelwert in das Kennfeld eingetragen wird, bei dem ein maximales Drehmoment entsteht. Das Verfahren stellt eine Online-Optimierung des Zündwinkels basierend auf einem drehzahlbasierten Merkmal für das Drehmoment bzw. für die Leistung des Verbrennungsmotors bereit.
Die Anmeldeschrift mit dem internen Aktenzeichen R.340722 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Schätzung eines Absolutwertes eines Drehmoments für eine Verbrennung in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, wobei das Drehmoment aus einem Merkmal hergeleitet wird, das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors basiert, und wobei das Merkmal aus Werten der Drehzahl, ermittelt in mindesten einem Bereich vor der Verbrennung, insbesondere zu Beginn oder vor einer Kompressionsphase, und in mindestens einem Bereich nach der Verbrennung, insbesondere am Ende oder nach einer Verbrennungsphase in dem mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors, berechnet wird.
Die Parallel-Anmeldung mit dem internen Aktenzeichen R.340723 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Schätzung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für eine Verbrennung in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus mindestens einem Wert der Drehzahl aus mindestens einem Bereich der Kompressionsphase und mindestens einem Wert der Drehzahl aus mindestens einem Bereich der Verbrennungsphase des mindestens einen Zylinders des Verbrennungsmotors berechnet wird. Dabei wird die Berechnung des Merkmals unter schrittweisen Variation einer dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffmenge durchgeführt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, basierend auf den zuvor genannten, noch nicht veröffentlichten Schriften der Anmelderin, als Weiterentwicklung ein Verfahren zur drehzahlbasierten Lambda- und/ oder Zündwinkelregelung bereitzustellen, mit dem eine Effizienzsteigerung, eine Leistungssteigerung und/ oder eine Reduktion von Schadstoffemissionen oder zumindest ein möglichst guter Kompromiss aus diesen Kriterien herbei geführt werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass als Stellgröße eine eingespritzte Kraftstoffmenge oder der Zündwinkel von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt, z.B. nach jedem n-ten Zyklus, folgenden nächsten Verbrennungszyklus zwischen verschiedenen Werten variiert und die Änderung des drehzahl-basierten Merkmals zur Drehmoment-Schätzung ausgewertet wird. Alternativ kann die Drehmomentschätzung natürlich auch aus einem Brennraumdruck berechnet werden, falls das Zielfahrzeug einen Brennraumdrucksensor verbaut hat. Durch die Zyklus zu Zyklus Variationen ergeben sich drei wesentliche Vorteile. Zum Einen wird eine Betriebspunktänderung, z.B. bei einer Änderung der Kraftstofffüllmenge oder Drehzahl, verhindert und/ oder automatisch berücksichtigt, die eine Störgröße für eine Zündwinkel- und Lambdaregelung darstellt. Zum anderen wird nur die Änderung des Merkmals zur Drehmoment-Schätzung benötigt, was wiederum für eine erhöhte Robustheit gegenüber Störgrößen sorgt. Die Auswertung von Absolutwerten des drehzahlbasierten Merkmals zur Drehmomenten-Schätzung ist fehlerbehaftet und kann speziell von Fahrzeug zu Fahrzeug variieren. Gegenüber dem in der Schrift R.340722 beschriebenen Vorgehen stellt diese Vorgehensweise bereits eine wesentliche Verbesserung dar. Zu guter Letzt kann durch die Zyklus zu Zyklus Variation eine direkte Regelgröße abgeleitet werden, die zur Erfüllung der Optimierungskriterien Verwendung findet. Insgesamt kann so eine schnellere und robustere Einstellung des gewünschten optimalen Zustandes erreicht werden. Gegenüber einer reinen Vorsteuerung von Parametern ohne z.B. dem Einsatz zusätzlicher Sensoren, wie z.B. einer Lambdasonde, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sowie der Zündwinkel hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien optimiert werden können. Damit kann eine Effizienzsteigerung, eine Leistungssteigerung und/ oder eine Reduktion von Schadstoffemissionen oder zumindest ein möglichst guter Kompromiss aus diesen Kriterien erzielt werden.
Da neben dem Lambdawert und dem Zündwinkel auch die Drehzahl und die tatsächliche Luftmenge Einfluss auf das resultierende Drehmoment haben, ist es wichtig, das resultierende Drehmoment für unterschiedliche Zündwinkel oder für unterschiedliche Lambdawerte immer bei gleichbleibenden Betriebspunkten zu vergleichen. Daher ist vorgesehen, dass für die drehzahlbasierte Funktion zur Lambda- und Zündwinkelregelung eine Abhängigkeit des resultierenden Drehmoments von der eingespritzten Kraftstoffmenge, und damit von einem Lambdawert, und vom Zündwinkel oder der daraus resultierenden Schwerpunktlage der Verbrennung genutzt wird, wobei die Änderung des resultierenden Drehmoments in Abhängigkeit vom Lambdawert bei nahezu konstantem Zündwinkel oder in Abhängigkeit vom Zündwinkel bei nahezu konstantem Lambdawert bestimmt wird.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die zyklische Variation der Stellgrößen Einspritzmenge und Zündwinkel jeweils um einen definierten Referenzwert durchgeführt wird, wobei ausgehend von diesem Referenzwert die Stellgröße jeweils abwechselnd um einen definierten und applizierbaren Wert in die eine Richtung und anschließend in die andere Richtung variiert wird, wobei als Regelgröße eine Drehmomentdifferenz zwischen dem Drehmoment zweier direkt oder indirekt aufeinanderfolgenden Zyklen ausgewertet wird. Diese zyklischen Variationen der Stellgrößen liefern ein sich zyklisch änderndes Drehmoment, wobei diese Drehmomentänderungen von den jeweiligen Absolutwerten bzw. von den Referenzwerten der Stellgrößen abhängen.
In einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass ein Regler mit der Drehmomentdifferenz als Regelgröße und der Definition einer Führungsgröße in eine Motorsteuerung implementiert wird, mit dem zumindest zeitweise anhand eines eingeregelten Zustandes Adaptionswerte in Kennfeldern für den Zündwinkel und/ oder der Einspritzmenge gespeichert werden.
Diese Regelung muss nicht dauerhaft aktiv sein, sondern kann, wie dies eine Verfahrensvariante vorsieht, Betriebspunkt- und/ oder Fahrsituationsabhängig ein oder ausgeschaltet wird.
Die große Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt sich, wenn, abhängig vom Regelziel, unterschiedliche Werte für die Führungsgröße vorgegeben werden. Damit kann die Regelung an unterschiedliche Optimierungsaufgaben, wie eine reine Zündwinkeloptimierung, eine Lambdaregelung auf einen vorgebbaren Ziel-Lambdawert oder eine kombinierte Zündwinkel- und Lambdaregelung angepasst werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn für eine Zündwinkeloptimierung als Regelziel eine Drehmomentdifferenz von Null als Führungsgröße vorgegeben wird. Damit kann erreicht werden, dass sich ein Zündwinkel einstellt, bei dem sich ein maximales Drehmoment für diesen Betriebspunkt ergibt. Diese Zündwinkeloptimierung bietet damit sehr gute Möglichkeiten, die Effizienz der Brennkraftmaschine zu steigern.
Für eine Lambdaregelung auf einen vorgebbaren Zielwert kann für den Lambdawert als Regelziel eine von Null verschiedene Drehmomentdifferenz als Führungsgröße oder, auf Grund einer Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen, wie z.B. der Temperatur, der Luftmenge, dem Zündwinkel oder der Schwerpunktlage der Verbrennung, eine von der Drehmomentdifferenz abweichende Führungsgröße vorgegeben werden. Damit ist es möglich, einen bestimmten Lambdawert, z.B. λ = 1, einzuregeln. Durch diesen Regelansatz können Effizienz und Emissionen von Brennkraftmaschinen ohne oder mit nicht funktionierenden oder betriebsbereiten Lambdasonden verbessert werden.
Im Falle einer kombinierten Zündwinkel- und Lambdaregelung ist es vorteilhaft, wenn eine abwechselnde Regelung mit abwechselnden Führungsgrößen, wie sie zuvor beschrieben wurden, durchgeführt wird, wobei der gerade aktive Regeleingriff beendet und der jeweils andere Regler aktiviert wird, wenn durch den aktuellen Regeleingriff der Referenzwert einer der Stellgrößen über einen applizierbaren Grenzwert hinaus geändert wird, oder, falls keine Grenzwertüberschreitung stattfindet, nach einer definierten Logik abwechselnd aktiviert und deaktiviert wird. Damit lassen sich sehr effektiv sowohl der Zündwinkel als auch der Lambdawert und damit die Effizienz der Brennkraftmaschine als auch deren Schadstoffausstoß optimieren.
In einer weiteren Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass bei einer kombinierten Zündwinkel- und Lambdaregelung zur Einregelung eines maximalen Drehmoments die als Führungsgröße verwendete Drehmomentdifferenz den Wert Null oder eine von Null verschiedene Drehmomentdifferenz annimmt. Letzteres kann im Hinblick auf eine Optimierung des Emissionsverhaltens von Vorteil sein. Durch diesen Regelansatz kann die maximale Leistung bei vorgegebener Drosselklappenstellung oder aber auch ein guter Kompromiss aus Leistung und Emission erzielt werden.
Wird, wie dies eine bevorzugte Verfahrensvariante bei einer kombinierten Zündwinkelund Lambdaregelung vorsieht, zur Einregelung einer maximalen Effizienz als Regelgröße eine vom Gradienten aus erzielbarem Drehmoment (T) und eingespritzter Kraftstoffmenge (m_fuel) abhängigen Funktion y = f(∆m_fuel/∆T) verwendet, kann eine Regelung im Hinblick auf einen minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch realisiert werden.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass in den zuvor beschriebenen Optimierungs- oder Regelszenarien die eingeregelte und/ oder optimierte Stellgröße in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld für z.B. Drehzahl, Luftmenge und ggf. Drehmoment gespeichert wird, so dass diese Werte auch bei inaktiver Regelung für eine optimale Einstellung der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zur Lambda- und Zündwinkelregelung vorgesehenen Verfahrensvarianten im Leerlauf der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. Da in dieser Betriebsphase der Brennkraftmaschine relativ konstante Bedingungen vorherrschen, kann hier eine schnelle und fehlerfreie Optimierung der Parameter erfolgen.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es zuvor in seinen verschiedenen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz bei Brennkraftmaschinen für Krafträder mit maximal einem Zylinder vor. Ohne den Mehraufwand zusätzlicher Sensorik konnten gerade bei diesem Einsatzgebiet, wie eingangs erwähnt, in der Regel bisher nur reine Vorsteuerungen der verschiedenen Paramater verwendet werden, was in Hinblick auf sich ändernde Umgebungsbedingungen oder infolge auftretender Serienstreuungen bei den Komponenten der Brennkraftmaschine Nachteile für die Erreichung einer möglichst hohen Effizienz bzw. für die Reduktion von Schadstoffemissionen mit sich brachte. Zudem wird aus Kostengründen oft bei derartigen Anwendungen, z.B. bei Mopeds oder Motorrollern, auf eine zusätzliche Sensorik verzichtet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann demgegenüber eine deutliche Verbesserung in Bezug auf eine Leistungssteigerung und eine Schadstoffminimierung erzielt werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Motorsteuereinheit mindestens eine Reglereinheit aufweist, mit der das zuvor beschriebene Verfahren mit seinen Varianten durchführbar ist, sowie mindestens eine Speichereinheit, insbesondere mindestens einen Kennfeldspeicher, aufweist, in den betriebspunktabhängige optimierte Stellgrößen nach erfolgter Einregelung speicherbar sind. Die Motorsteuereinheit mit ihren Komponenten kann dabei integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung sein. Die Funktionalität des Regelverfahrens kann dabei zumindest teilweise softwarebasiert in dieser implementiert sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 die Abhängigkeit eines Drehmoments vom Zündwinkel,
2 die Abhängigkeit des Drehmoments vom Lambdawert,
3 die Abhängigkeit einer Drehmoment-Schätzung vom Lambdawert,
4 eine Lambdaregelung und deren Einfluss auf eine relative Kraftstoffmenge,
5 eine Lambdaregelung und deren Einfluss auf einen indizierten Mitteldruck,
6 einen allgemeinen Aufbau einer Regeleinheit und
7 den zeitlichen Verlauf verschiedener Parameter als Beispiel einer Lambdaregelung gemäß des erfindungsgemäßen Ansatzes.
1 zeigt schematisch in einem Verlaufsdiagramm 10 die Abhängigkeit des Drehmoments 11 vom Zündwinkel 12 bei konstantem Lambdawert 13.
In 2 ist in einem weiteren Verlaufsdiagramm 10 schematisch die Abhängigkeit des Drehmomentes 11 vom Lambdawert 13 bei konstantem Zündwinkel 12 dargestellt.
Die drehzahlbasierte Funktion zur Lambda- und Zündwinkelregelung nutzt die Abhängigkeit des resultierenden Drehmoments 11 (T) von einer eingespritzten Kraftstoffmenge, welche mit einem Lambdawert 13 korrespondiert, und einem Zündwinkel 12 bzw. der daraus resultierenden Schwerpunktlage der Verbrennung. Da neben dem Lambdawert 13 und dem Zündwinkel 12 auch die Drehzahl 16 (n) sowie die tatsächliche Luftmenge Einfluss auf das resultierende Drehmoment 11 haben, ist es wichtig, das resultierende Drehmoment 11 für unterschiedliche Zündwinkel 12 und/ oder für unterschiedliche Lambdawerte 13 immer bei gleichbleibendem Betriebspunkt zu vergleichen.
Durch eine Variation des Zündwinkels 12 oder des Lambdawertes 13 von Zyklus zu Zyklus oder durch eine Variation jeweils nach jedem n-ten Verbrennungszyklus zwischen verschiedenen definierten Werten kann sichergestellt werden, dass der Betriebspunkt ausreichend konstant gehalten wird bzw. Variationen im Betriebspunkt automatisch mit berücksichtigt werden.
Die zyklischen Variationen der Stellgrößen Einspritzmenge, und damit des Lambdawertes 13, und Zündwinkel 12 erfolgen jeweils um einen definierten Referenzwert. Ausgehend von diesem Referenzwert werden die Stellgrößen jeweils abwechselnd um einen definierten Wert in die eine Richtung und anschließend in die andere Richtung variiert. Die zyklischen Variationen der Stellgrößen liefern ein sich zyklisch änderndes Drehmoment 11, wobei diese Drehmomentänderungen von den jeweiligen Absolutwerten bzw. von den Referenzwerten der Stellgrößen abhängen. Als charakteristisches Merkmal bzw. als Regelgröße dient die Differenz zwischen dem Drehmoment 11 zweier aufeinanderfolgender Zyklen und damit der Drehmomentdifferenz 18 (∆T, siehe 7), die durch die Variation der jeweiligen Stellgröße hervorgerufen wird.
Zur Bestimmung der Drehmomentdifferenzen 18 wird die Differenz des in der R.340722 beschriebenen Merkmals zur Drehmomentschätzung verwendet. Dabei ist vorgesehen, dass ein geschätztes Drehmoment 14 (MWF_imep) als Merkmal für die abgegebene Arbeit aufgrund eines Verbrennungsvorganges bestimmt wird. MWF steht dabei für „mechanical work feature“. Das geschätzte Drehmoment 14 (MWF_imep) steht dabei für das über die Drehzahl 16 geschätzte Drehmoment und imep (engl.) oder auch pmi (deutsch) steht für einen indizierten Mitteldruck 25. Das geschätzte Drehmoment 14 (MWF_imep) korreliert dabei direkt mit dem indizierten Mitteldruck 25, wie dies ebenfalls in der R.340722 beschrieben ist. Hierbei ist vorgesehen, dass zur Berechnung des Merkmals jeweils mindestens ein erster Wert der Drehzahl aus mindestens einem ersten Winkelstellungsbereich der Kurbelwelle und mindestens ein zweiter Wert der Drehzahl aus mindestens einem zweiten Winkelstellungsbereich der Kurbelwelle verwendet wird, wobei der mindestens erste und der mindestens zweite Winkelstellungsbereich der Kurbelwelle in Bezug auf eine Winkelstellung, bei welcher sich der Kolben im zentralen oberen Totpunkt (OT) befindet, zueinander symmetrisch sind. Besonders vorteilhaft ist es, das geschätzte Drehmoment 14 (MWF_imep) zu verwenden, welches aus der Energiedifferenz bei 180° nach OT und 180° vor OT berechnet wird.
In 3, 4 und 5 ist das beschriebene Vorgehen sowie die Zusammenhänge am Beispiel des Lambdawertes 13 grafisch in weiteren Verlaufsdiagrammen 10 dargestellt. Gezeigt ist in 3 der Verlauf des geschätzten Drehmoments 14 (MWF_imep) in Abhängigkeit des Lambdawertes 13. Dabei ist eine charakteristische Variation 24 um einen Referenzwert für eine relative Kraftstoffmenge 21 (rK_ref) dargestellt, wobei die relative Kraftstoffmenge 20 (rK) abhängig von einer Zykluszahl 19 um den Referenzwert für die relative Kraftstoffmenge 21 (rK_ref) zwischen einem Maximalwert für die relative Kraftstoffmenge 22 (rK_odd) und einem Minimalwert für die relative Kraftstoffmenge 23 (rK_even) variiert wird, wie dies das Verlaufsdiagramm 10 in 4 zeigt. Typischerweise erfolgt dabei die charakteristische Variation 24 innerhalb von Grenzen von rK_odd = 110 % von rK_ref und rK_even = 90 % von rK_ref. In 5 ist in einem Verlaufsdiagramm 10 der Einfluss der Variation der relativen Kraftstoffmenge 20 (rK), abhängig von der Zykluszahl 19, auf den indizierten Mitteldruck 25 (imep oder pmi) dargestellt.
Mit der Drehmomentdifferenz 18 (∆T) als Regelgröße und der Definition einer Führungsgröße lässt sich durch das beschriebene Vorgehen sehr einfach ein Regler implementieren, durch den charakteristische Drehmomentdifferenzen 18 eingestellt werden können. Die Regelung muss dazu nicht dauerhaft aktiv sein, sondern wird Betriebspunkt- und/ oder Fahrsituationsabhängig ein- und ausgeschaltet. Anhand des eingeregelten Zustandes werden Adaptionswerte in geeignete Kennfelder für den Zündwinkel 12 und/oder die Einspritzung gespeichert, mit denen dann eine Adaption erfolgen kann, ohne die Regelung ständig aktiv zu halten.
Der Regelansatz und mögliche Regelziele sowie deren erzielbarer Nutzen werden im Folgenden näher erläutert.
Dazu beschreibt 6 in einem Regeldiagramm 30 schematisch einen allgemeinen Aufbau eines Reglers, wie er erfindungsgemäß jeweils für Zündwinkel- und Lambda-Regelung zum Einsatz kommt. Dargestellt ist ein Regler, wobei eingangsseitig des Reglers von einer zeitabhängigen Führungsgröße 31 w_(t) eine geschätzte zyklische Drehmomentdifferenz 38 ∆T_(t) abgezogen und die daraus resultierende Regelabweichung 32 e_(t) einer Reglereinheit 42 und einer Detektionseinheit 48 zur Erkennung eines eingeregelten Sollzustandes zugeführt wird. Als Ausgangssignal der Reglereinheit 42 steht eine Regler-Referenz-Stellgröße 34 u_R(t) zur Verfügung, welche einerseits einer Speichereinheit 49 zur betriebspunktabhängigen Speicherung optimierter Stellgrößen zugeführt und andererseits mit einem Signal aus einer Generierungseinheit 43 zur Generierung zyklischer Stellgrößen-Variationen in einer Additionseinheit verknüpft und damit eine zyklisch variierte Stellgröße 35 u_Z(t) erzeugt wird. In einer Aktivierungseinheit 44 wird aus diesem Signal eine Stellgröße 33 u_(t) generiert. Über eine Regelstrecke 45, welche durch das Fahrzeug bestimmt ist, wird zum einen eine Motordrehzahl 39 n_mot(t) und zum anderen auch ein Drosselklappenwinkel 40 φ_throttle(t) sowie eine geschätzte Luftmenge 41 m_air(t) abgeleitet, welche der Speichereinheit 49 zugeführt werden. Diese Werte werden auch zur Aktivierungseinheit 44 rückgekoppelt. Zudem kann eine betriebspunktabhängige Stellgröße 36 u_S(t), welche in der Speichereinheit 49 gespeichert ist, der Aktivierungseinheit 44 eingangsseitig aufgeschaltet werden. Aus der hochaufgelösten Motordrehzahl 39 n_mot(t) wird in einer Schätzeinheit 46 ein geschätztes Drehmoment 37 T_(t) abgeleitet, welches einerseits der Speichereinheit 49 und andererseits einer Berechnungseinheit 47 zur Berechnung der geschätzten zyklischen Drehmomentdifferenz 38 ∆T_(t) zugeführt wird.
In der Einheit zur Aktivierung der Regelung (Aktivierungseinheit 44) wird über eine Logik entschieden, ob eine Fahrsituation geeignet ist für eine Regelung des Zündwinkels 12 und/oder eine Regelung des Lambdawertes 13. Ist die Regelung deaktiviert, werden die Aktivitäten in der Reglereinheit 42 gestoppt und die Stellgrößen, hier die betriebspunktabhängigen Stellgrößen 36 u_S(t), jeweils aus der Speichereinheit 49 entnommen. In der Speichereinheit 49, welche als Kennfeldspeicher ausgeführt sein können, können noch Werte aus einer Erstapplikation oder aber auch Werte von bereits voran gegangenen Optimierungen oder Regelungen gespeichert sein. Eine Speicherung von Werten kann durch Auswertung, in wie weit ein eingeregelter Sollzustand vorliegt, was in der Detektionseinheit 48 erfolgt, beeinflusst werden. Je nach Regelziel wird für die Führungsgröße 31 w_(t) ein anderer Wert vorgegeben. Mögliche Regelziele werden im Folgenden erläutert.
Man unterscheidet hier folgende Regelziele:

• Zündwinkeloptimierung,
• Lambdaregelung auf definiertem Zielwert sowie
• Kombinierte Zündwinkel- und Lambdaregelung mit den Varianten – Regelung auf maximales Drehmoment – Regelung auf minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch – Regelung auf bestmöglichen Kompromiss aus Leistung, Verbrauch und Emissionen

Bei einer reinen Zündwinkeloptimierung wird nur der Zündwinkel 12 zyklisch variiert. Bei Vorgabe einer Führungsgröße 31 w_(t) von 0 (Drehmomentdifferenz = 0) stellt sich so der Zündwinkel 12 mit dem maximalen Drehmoment 11 für diesen Betriebspunkt ein. Ändert sich der Betriebspunkt durch den Regeleingriff, d.h. Anpassung der Stellgröße bzw. des Referenzzündwinkels, so ist diese Betriebspunktänderung unkritisch, da sich ein stabiler Punkt einstellt. Bei dieser Zündwinkeloptimierung müssen natürlich Klopfgrenzen eingehalten werden. Möglichkeiten zur Einhaltung dieser Grenzen sind bereits in der R.343279 erläutert. Insgesamt bietet die beschriebene Zündwinkeloptimierung eine sehr gute Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz.
Bei einer reinen Lambda- oder Gemischregelung wird nur die Einspritzmenge zyklisch um einen Referenzwert variiert. Durch den charakteristischen Verlauf der in 3 dargestellten Lambda-Effizienz-Kurve können durch das beschriebene Regelverfahren unterschiedliche charakteristische Drehmomentdifferenzwerte vorgegeben werden. So hätte die Vorgabe für ein maximales Drehmoment beispielsweise wie bei der Zündwinkeloptimierung den Wert 0. In Abhängigkeit von weiteren Einflussgrößen, wie z.B. Temperaturen, Luftmenge, Zündwinkel 12 oder eine Schwerpunktlage der Verbrennung (MFB50%) kann so auch eine andere Führungsgröße 31 w_(t) vorgegeben werden, um einen bestimmten Wert für Lambda, wie beispielsweise λ = 1, einzuregeln. Durch den so realisierbaren Regelansatz können Effizienz und Emissionen von Fahrzeugen ohne oder mit nicht funktionierender und/ oder betriebsbereiter Lambdasonde verbessert werden. Die Stellgröße 33 u_(t) ist hier die Einspritzmenge.
Bei der kombinierten Zündwinkel- und Lambdaregelung werden die zuvor beschriebenen Vorgehensweisen abwechselnd durchgeführt. Wird durch einen Regeleingriff der Referenzwert einer der Stellgrößen 33 u_(t) über einen Grenzwert hinaus geändert, so wird der Regeleingriff beendet und der jeweils andere Regler aktiviert. Erfolgt keine Grenzwertüberschreitung, werden die Verfahren nach einer definierten Logik abwechselnd aktiviert und deaktiviert.
Eine Verfahrensvariante der kombinierten Regelung aus Zündwinkel 12 und Lambdawert 13 ist das Einregeln des maximalen Drehmoments 11. Sowohl für den Zündwinkel 12 als auch für den Lambdawert 13 wäre die Führungsgröße 31 w_(t) damit gleich 0. Alternativ könnte es beispielsweise aus Emissionsgründen auch von Vorteil sein, eine beliebige andere Drehmomentdifferenz vorzugeben. Durch diesen Ansatz kann die maximale Leistung bei vorgegebener Drosselklappenstellung bzw. ein guter Kompromiss aus Leistung und Emission erzielt werden. Wie bei der reinen Zündwinkeloptimierung muss auch hier die Klopfgrenze eingehalten werden.
Eine weitere Verfahrensvariante der kombinierten Regelung aus Zündwinkel 12 und Lambdawert 13 ermöglicht es, eine möglichst hohe Effizienz einzuregeln. Als Regelgröße y dient hier in Anlehnung an die Berechnung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs für die Lambdaregelung die Änderung einer Funktion aus erzielter Drehmomentdifferenz 11 T und eingespritzter Kraftstoffmenge m_fuel nach der Beziehung y = f(∆m_fuel/∆T) (1)
Die Optimierung des Zündwinkels 12 erfolgt analog zur reinen Zündwinkeloptimierung.
7 zeigt in einem weiteren Verlaufsdiagramm 10 ein beispielhaftes Ergebnis einer Lambdaregelung gemäß der Erfindung im Leerlauf einer Brennkraftmaschine ohne Lambdasonde. Dargestellt ist abhängig von der Zeit 15 der Verlauf des Lambdawertes 13, die Drehmomentdifferenz 18 in Nm, ein Korrekturfaktor 17 und die Drehzahl 16. Im oberen Teil des Verlaufsdiagramms 10 sind folgende Ereignisse markiert: Aktivierung der Zyklus-zu-Zyklus-Variation 26, negativer Sprung in Referenz-Einspritzmenge 27, was einem Anstieg des Lambdawertes 13 entspricht, Aktivierung Lambda-Adaption 28, positiver Sprung in Referenz-Einspritzmenge 29, was einem Abfall des Lambdawertes 13 entspricht, und erneuter negativer sowie positiver Sprung in Referenz-Einspritzmenge 27, 29. Es zeigt sich dabei, dass jeweils nach einem provozierten Verstimmen des Luft-Kraftstoffgemischs ein Zielwert durch das erfindungsgemäße Vorgehen eingeregelt werden kann.
Bei allen beschriebenen Optimierungs- und Regelszenarien besteht die Möglichkeit, die eingeregelte bzw. optimierte Stellgröße 33 u_(t) in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld, welches aus Drehzahl 16, Luftmenge und ggf. Drehmoment 11 aufgespannt ist, abzulegen und somit für einen späteren Zeitpunkt abzuspeichern.
Besonders vorteilhaft kann es sein, das zuvor beschriebene Verfahren mit seinen Varianten im Leerlauf der Brennkraftmaschine durchzuführen, da hier insbesondere relativ konstante Bedingungen vorliegen.
Dieses Vorgehen ist besonders für Motoren mit nur einem oder zwei Zylindern vorteilhaft, da hier keine bzw. beim 2-Zylinder-Motor nur eine geringfügige Überlappung, verursacht durch die Vorgänge in den jeweiligen Zylindern auf die Drehzahl, vorliegen. Bei Mehrzylindermotoren wäre es auch denkbar, analog zu dem beschriebenen Verfahren, die Stellgrößen 33 u_(t) je Zylinder von Zyklus zu Zyklus zu variieren. Stattdessen können in einer alternativen Ausführungsform jedoch auch die Stellgrößen 33 u_(t) zwischen den einzelnen Zylindern variiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002096 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Lambda- und Zündwinkelregelung für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei ein optimiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein optimierter Zündwinkel (12) aus einem Merkmal, mit dem ein Schätzwert für ein Drehmoment (11) bestimmt werden kann und das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle in der Brennkraftmaschine basiert, bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße (33) eine eingespritzte Kraftstoffmenge oder der Zündwinkel (12) von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus zwischen verschiedenen Werten variiert und die Änderung des drehzahlbasierten Merkmals zur Drehmoment-Schätzung ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die drehzahlbasierte Funktion zur Lambda- und Zündwinkelregelung eine Abhängigkeit des resultierenden Drehmoments (11) von der eingespritzten Kraftstoffmenge, und damit von einem Lambdawert (13), und vom Zündwinkel (12) oder der daraus resultierenden Schwerpunktlage der Verbrennung genutzt wird, wobei die Änderung des resultierenden Drehmoments in Abhängigkeit vom Lambdawert (13) bei nahezu konstantem Zündwinkel (12) oder in Abhängigkeit vom Zündwinkel (12) bei nahezu konstantem Lambdawert (13) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische Variation der Stellgrößen (33) Einspritzmenge und Zündwinkel (12) jeweils um einen definierten Referenzwert durchgeführt wird, wobei ausgehend von diesem Referenzwert die Stellgröße (33) jeweils abwechselnd um einen definierten und applizierbaren Wert in die eine Richtung und anschließend in die andere Richtung variiert wird, wobei als Regelgröße eine Drehmomentdifferenz (18) zwischen dem Drehmoment (11) zweier direkt oder indirekt aufeinanderfolgenden Zyklen ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler mit der Drehmomentdifferenz (18) als Regelgröße und der Definition einer Führungsgröße (31) implementiert wird, mit dem zumindest zeitweise anhand eines eingeregelten Zustandes Adaptionswerte in Kennfeldern für den Zündwinkel (12) und/ oder der Einspritzmenge gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler Betriebspunkt- und/ oder Fahrsituationsabhängig ein oder ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Regelziel unterschiedliche Werte für die Führungsgröße (31) vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Zündwinkeloptimierung als Regelziel eine Drehmomentdifferenz von Null als Führungsgröße (31) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Lambdaregelung auf einen vorgebbaren Zielwert für den Lambdawert (13) als Regelziel eine von Null verschiedene Drehmomentdifferenz (18) als Führungsgröße (31) oder eine von der Drehmomentdifferenz (18) abweichende Führungsgröße (31) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für eine kombinierte Zündwinkel- und Lambdaregelung eine abwechselnde Regelung mit abwechselnden Führungsgrößen (31) gemäß den Ansprüchen 7 oder 8 durchgeführt wird, wobei der gerade aktive Regeleingriff beendet und der jeweils andere Regler aktiviert wird, wenn durch den aktuellen Regeleingriff der Referenzwert einer der Stellgrößen (33) über einen applizierbaren Grenzwert hinaus geändert wird, oder, falls keine Grenzwertüberschreitung stattfindet, nach einer definierten Logik abwechselnd aktiviert und deaktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer kombinierten Zündwinkel- und Lambdaregelung zur Einregelung eines maximalen Drehmoments (11) die als Führungsgröße (31) verwendete Drehmomentdifferenz (18) den Wert Null oder eine von Null verschiedene Drehmomentdifferenz (18) annimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer kombinierten Zündwinkel- und Lambdaregelung zur Einregelung einer maximalen Effizienz als Regelgröße eine vom Gradienten aus erzielbarem Drehmoment (11) und eingespritzter Kraftstoffmenge abhängigen Funktion verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Optimierungs- oder Regelszenarien die eingeregelte und/ oder optimierte Stellgröße (33) in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Lambda- und Zündwinkelregelung vorgesehenen Verfahrensvarianten im Leerlauf der Brennkraftmaschine durchgeführt werden.
Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 bei Brennkraftmaschinen für Krafträder mit maximal einem Zylinder.
Vorrichtung zur Lambda- und Zündwinkelregelung für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein Zündwinkel (12) aus einem Merkmal, mit dem ein Schätzwert für ein Drehmoment (11) bestimmbar ist und das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle in der Brennkraftmaschine basiert, mittels einer Motorsteuereinheit bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuereinheit mindestens eine Reglereinheit (42) aufweist, mit der das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 durchführbar ist, sowie mindestens eine Speichereinheit (49), insbesondere mindestens einen Kennfeldspeicher, aufweist, in den betriebspunktabhängige optimierte Stellgrößen nach erfolgter Einregelung speicherbar sind.