DE102014210849A1

DE102014210849A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung einer Laufunruhe bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014210849A1
Application number: DE102014210849.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Steinbrecher; Bastian Reineke; Wolfgang Fischer; Henning Heikes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-17
Also published as: CN105317612B; CN105317612A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine eingespritzte Kraftstoffmenge von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus variiert 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 zur Kompensation der dabei entstehenden Laufunruhe eine zyklische Anpassung eines Zündwinkels durchgeführt wird. Damit kann erreicht werden, dass insbesondere bei Einzylinder-Brennkraftmaschinen, wie sie bei Krafträdern zum Einsatz kommen, einerseits eine Leistungssteigerung, eine Reduzierung von Schadstoffemissionen oder ein möglichst optimaler Kompromiss zwischen allen Kriterien erzielt werden kann. Andererseits kann zudem die Laufunruhe infolge der Einspritzmengenvariation reduziert werden, woraus eine höhere Kundenakzeptanz resultiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine eingespritzte Kraftstoffmenge von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus variiert 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, 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 die Einstellung eines gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mittels Applikationen an einem oder mehreren sogenannten Applikationsfahrzeugen. Die sich ergebenden betriebspunktabhängig applizierten Einspritzmengen 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, so dass Abweichungen von dem gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis auftreten. Im Hinblick auf die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten ist die Einhaltung definierter Luft-Kraftstoff-Verhältnisse jedoch zwingend erforderlich.
Für PKW-Anwendungen sind diverse Verfahren bekannt, wie beispielsweise eine Einspritzmengenkalibrierung 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 bevorratetem 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 mindestens 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 dass ein drehzahlbasiertes Verfahren eher einfacher auszuwerten ist.
In noch nicht veröffentlichten Anmeldungen der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.343279, R.340722, R.340723 und R.340726 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.
In einer weiteren Anmeldung mit dem internen Aktenzeichen R.340726 wird ein Verfahren zur Schätzung einer Verbrennungslage für eine Verbrennung in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder beschrieben, wobei die Verbrennungslage aus einem Merkmal hergeleitet wird, das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors basiert, wobei das Merkmal für Werte der Drehzahl aus einer Kompressionsphase und einer Verbrennungsphase in dem mindestens einen Zylinder des Verbrennungsmotors berechnet wird. Ferner wird eine entsprechende Anordnung bereitgestellt.
Darauf aufbauend wird in einer weiteren ebenfalls noch nicht veröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen R.350424 ein Verfahren zur Lambda- und Zündwinkelregelung für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder beschrieben, 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. 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. Als nachteilig hat sich herausgestellt, dass durch diese Maßnahmen eine erhöhte Laufunruhe induziert werden kann.
Aus der DE 10 2011 004 068 B3 ist ein Verfahren zum Gleichstellen von abgegebenen Drehmomenten und/ oder Lambda-Werten beim verbrennen von Kraftstoff in wenigstens zwei Zylindern einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei für wenigstens einen Zylinder ein Wert abhängig vom Druck im Zylinder ermittelt wird, und wobei abhängig vom Wert wenigstens ein Steuerparameter der Brennkraftmaschine für den wenigstens einen Zylinder in der Weise verändert wird, dass die Drehmomente und/ oder Lambda-Werte, die durch die Verbrennungen in den zwei Zylindern erzeugt werden, einander angenähert werden, wobei für wenigstens zwei Zylinder jeweils ein erster Wert abhängig vom Druck im jeweiligen Zylinder während eines Schubbetriebes der Brennkraftmaschine ohne Einspritzung von Kraftstoff während eines Verdichtungstaktes ermittelt wird, um eine dem jeweiligen Zylinder zugeführte Luftmenge zu bewerten, abhängig von den zwei ersten Werten wenigstens ein Korrekturwert für die wenigstens einem Zylinder zugeführte Luftmenge ermittelt wird, eine Schwerpunktlage der Verbrennungen in den zwei Zylindern gleich gestellt wird, daraufhin für wenigstens zwei Zylinder jeweils ein zweiter Wert abhängig vom Druck in dem jeweiligen Zylinder während eines Verdichtungstaktes und während eines folgenden Arbeitstaktes nach dem Zünden des Kraftstoffes erfasst wird, um eine Kraftstoffmenge abzuschätzen, die für die Verbrennung dem jeweiligen Zylinder zugeführt wurde, und abhängig von den zwei zweiten Werten und abhängig von dem Korrekturwert wenigstens ein Parameter für die Zuführung von Kraftstoff für eine folgende Verbrennung in wenigstens einem der zwei Zylindern angepasst wird. Um die Laufruhe einander anzugleichen, wird in einer Verfahrensvariante der Zündwinkel zwischen zwei unterschiedlichen Zylindern gegeneinander verstellt.
Die DE 10333994 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, das einen Schichtbetrieb umfasst, in dem zum Erreichen einer möglichst guten Laufruhe eine Zylindergleichstellung der einzelnen Zylinder hinsichtlich ihres Momentenbeitrages eingeregelt wird, und einen Homogenbetrieb umfasst, in dem zum Erreichen möglichst guter Lambdawerte eine Einzelzylinder-Lambdaregelung durchgeführt wird, wobei im Homogenbetrieb gleichzeitig zu der Einzelzylinder-Lambdaregelung die Funktion der Zylindergleichstellung aktiviert wird oder bleibt, wobei für die Zylindergleichstellung im Homogenbetrieb als Stellgröße mindestens eine von der Einspritzmenge unterschiedliche momentenbeeinflussende Stellgröße geändert wird. Dabei ist auch vorgesehen, dass als Stellgröße für die Zylindergleichstellung im Homogenbetrieb mindestens ein betreffender Zündwinkel geändert wird. Auch in dieser Schrift wird der Zündwinkel zur Erzielung der Laufruhe verwendet ohne jedoch die Einspritzmenge gezielt zu variieren und die Zündwinkelverstellung als Regelgröße zu verwenden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, basierend auf den zuvor genannten, noch nicht veröffentlichten Schriften der Anmelderin und als Weiterentwicklung der R.350424 bei einem Verbrennungsmotor das Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien zu optimieren und zusätzlich ein hohes Maß an Laufruhe zu gewährleisten.
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 zur Kompensation der dabei entstehenden Laufunruhe eine zyklische Anpassung eines Zündwinkels durchgeführt wird. Gegenüber der R.350424 kann eine verbesserte Laufruhe und damit eine höhere Kundenakzeptanz bei gleichbleibend guten Adaptionsmöglichkeiten des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erzielt werden.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die zyklische Variation des Zündwinkels jeweils um einen definierten Referenzwert durchgeführt wird, wobei ausgehend von diesem Referenzwert der Zündwinkel jeweils abwechselnd um einen definierten und applizierbaren Wert in die eine Richtung und anschließend in die andere Richtung variiert wird, wobei eine Drehmomentdifferenz zwischen dem Drehmoment zweier direkt oder indirekt aufeinanderfolgenden Zyklen oder eine entsprechende Schwankung einer anderen physikalischen Größe, welche als Maß für das Drehmoment gilt, ausgewertet wird. Eine derartige Ersatzgröße ist beispielsweise ein indizierter Mitteldruck (imep), welcher, wie dies die R. 340722 beschreibt, als Merkmal zur Drehmoment-Schätzung dienen kann. Alternativ kann die Drehmomentschätzung natürlich auch aus einem Brennraumdruck berechnet werden, falls das Zielfahrzeug einen Brennraumdrucksensor verbaut hat.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Zündwinkel gleichzeitig zu der Einspritzmengenvariation derart von Zyklus zu Zyklus variiert wird, dass die Differenz zwischen dem Drehmoment zweier aufeinander folgender Zyklen im Mittel gleich Null ist. Damit ergibt sich eine besonders gute Laufruhe der Brennkraftmaschine.
In einer besonders vorteilhaften Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die für den Laufunruheausgleich notwendige Zündwinkelvariation als Regelgröße mit einer zu definierenden Führungsgröße in einem Regler implementiert werden, mit dem charakteristische Zündwinkelvariationen und damit definierte Lambdawerte eingestellt werden und so folglich ein Zielwert für Lambda eingestellt werden kann. Dieser Regler kann Bestandteil der Motorsteuerung sein.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass in den zuvor beschriebenen Optimierungs- oder Regelszenarien in einem eingeregelten Zustand eine eingeregelte und/ oder optimierte Stellgröße und/ oder Adaptionswerte in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld für z.B. Drehzahl, Luftmenge und ggf. Drehmoment gespeichert werden, so dass diese Werte auch bei inaktiver Regelung für eine optimale Einstellung der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren im Leerlauf der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Da in dieser Betriebsphase der Brennkraftmaschine relativ konstante Bedingungen vorherrschen, kann hier eine schnelle und fehlerfreie Optimierung der Parameter erfolgen.
Diese Regelung muss nicht dauerhaft aktiv sein, sondern kann, wie dies eine Verfahrensvariante vorsieht, Betriebspunkt- und/ oder Fahrsituationsabhängig ein oder ausgeschaltet werden.
Die große Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt sich, wenn, abhängig vom Regelziel, unterschiedliche Werte für die Führungsgröße vorgegeben werden. Damit können unterschiedliche Optimierungsaufgaben, wie eine Maximierung des Drehmoments, eine Effizienzsteigerung oder eine Minimierung von Schadstoffemissionen realisiert werden. Damit kann eine universelle Lambda-Adaption bei gleichzeitiger Kompensation der daraus resultierenden Laufunruhe realisiert werden.
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 bei hoher Laufruhe erzielt werden.
Ein weitere bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es zuvor in seinen verschiedenen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz bei Dieselmotoren vor, wobei zur Kompensation der Laufunruhe infolge der Einspritzmengenvariation eine zyklische Anpassung anstelle des Zündwinkels eine zum Zündwinkel äquivalente zyklische Anpassung eines Einspritzzeitpunktes für den Diesel-Kraftstoff durchgeführt wird.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Motorsteuereinheit aufweist, mit der eine eingespritzte Kraftstoffmenge von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus variierbar ist und ein Drehmoment oder eine für das Drehmoment charakteristische physikalische Größe bestimmbar ist, wobei die Motorsteuereinheit mindestens eine Reglereinheit, mit der das Verfahren mit seinen zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten durchführbar ist, insbesondere eine Adaptionseinheit zur Adaption der Laufruhe über einen Zündwinkel 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 in einem Verlaufsdiagramm die Abhängigkeit eines Drehmoments vom Zündwinkel,
2 in einem zweiten Verlaufsdiagramm die Abhängigkeit des Drehmoments vom Lambdawert,
3 in einem dritten Verlaufsdiagramm die Abhängigkeit des Drehmoments von einer Lambdawertvariation,
4 in einem vierten Verlaufsdiagramm die Abhängigkeit des Drehmoments von einer Zündwinkelvariation,
5 in einem fünften Verlaufsdiagramm eine mögliche Variation einer relativen Kraftstoffmenge zur Lambdaregelung,
6 in einem sechsten Verlaufsdiagramm den Einfluss einer Lambda- und Zündwinkelvariation auf einen indizierten Mitteldruck,
7 in einem siebten Verlaufsdiagramm eine mögliche Zündwinkelvariation zum Ausgleich einer Laufunruhe und
8 in einem Regeldiagramm einen allgemeinen Aufbau einer Regeleinheit.
1 zeigt schematisch in einem ersten Verlaufsdiagramm 10 die Abhängigkeit des Drehmoments 11 vom Zündwinkel 12 bei konstantem Lambdawert 13.
In 2 ist in einem zweiten Verlaufsdiagramm 10 schematisch die Abhängigkeit des Drehmomentes 11 vom Lambdawert 13 bei konstantem Zündwinkel 12 dargestellt.
Die drehzahlbasierte Funktion zur Lambdaregelung 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 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 Stellgröße Einspritzmenge, und damit des Lambdawertes 13, 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 Einspritzmenge liefern ein sich zyklisch änderndes Drehmoment 11, wobei diese Drehmomentänderungen von den jeweiligen Absolutwerten bzw. von den Referenzwerten der Stellgröße abhängen. Als charakteristisches Merkmal bzw. als Regelgröße zur Laufruheregelung dient die Differenz zwischen dem Drehmoment 11 zweier aufeinanderfolgender Zyklen und damit der Drehmomentdifferenz ∆T, die durch die Variation der Einspritzmenge hervorgerufen wird.
Zur Bestimmung der Drehmomentdifferenzen ∆T 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 geschätzte Drehmoment und imep (engl.) oder auch pmi (deutsch) steht für einen indizierten Mitteldruck 21. Das geschätzte Drehmoment 14 (MWF_imep) korreliert dabei direkt mit dem indizierten Mitteldruck 21, 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, 5, 6 und 7 ist das beschriebene Vorgehen sowie die Zusammenhänge 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 20 um einen Referenzwert für eine relative Kraftstoffmenge 17 (rK_ref) dargestellt, wobei die relative Kraftstoffmenge 16 (rK) (siehe 5) abhängig von einer Zykluszahl 15 um den Referenzwert für die relative Kraftstoffmenge 17 (rK_ref) zwischen einem Maximalwert für die relative Kraftstoffmenge 18 (rK_odd) und einem Minimalwert für die relative Kraftstoffmenge 19 (rK_even) variiert wird, wie dies das Verlaufsdiagramm 10 in 5 zeigt. Typischerweise erfolgt dabei die charakteristische Variation 20 innerhalb von definierten Grenzen von rK_odd > rK_ref und rK_even < rK_ref.
In 6 ist in dem Verlaufsdiagramm 10 der Einfluss der zuvor beschriebenen Variation der relativen Kraftstoffmenge 16 (rK), abhängig von der Zykluszahl 15, auf den indizierten Mitteldruck 21 (imep oder pmi) dargestellt.
Im Gegensatz zu dem in der R.350424 beschriebenen Verfahren wird in der vorliegenden Erfindung die Differenz zwischen dem Drehmoment zweier aufeinanderfolgender Zyklen nicht als charakteristisches Merkmal zur Lambdaadaption verwendet. Stattdessen wird die zyklische Drehmomentdifferenz über eine zyklische Variation des Zündwinkels ausgeglichen, wie dies in 4 dargestellt ist. Hierbei ist eine charakteristische Variation 20 um einen Zündwinkel-Referenzwert 22 (ZWout_ref) dargestellt, wobei der Zündwinkel 12 (siehe 7) abhängig von der Zykluszahl 15 um den Zündwinkel-Referenzwert 22 (ZWout_ref) zwischen einem Maximalwert für den Zündwinkel 24 (ZWout_odd) und einem Minimalwert für den Zündwinkel 23 (ZWout_even) variiert wird.
Der Zündwinkel 12 wird dazu zeitgleich zu der Einspritzmengenvariation derart von Zyklus zu Zyklus variiert, dass die Differenz zwischen dem Drehmoment zweier aufeinander folgender Zyklen im Mittel gleich Null ist. Die durch die zyklische Einspritzmengenvariation erzeugte Laufunruhe wird somit durch die zyklische Zündwinkelvariation ausgeglichen, wie dies 6 im rechten Abschnitt des Verlaufs des indizierten Mitteldrucks 21 (imep) zeigt. Erfindungsgemäß ist jetzt die notwendige Variation des Zündwinkels, die notwendig ist, um die Laufruhe durch die Einspritzmengenvariation auszugleichen, das Maß für das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Relevante Voraussetzung ist an dieser Stelle, dass die Verbrennungslage beispielsweise über das in der R.340726 beschriebene Verfahren bekannt ist und auf einen definierten Wert eingeregelt werden kann.
Mit der für den Laufruheausgleich notwendigen Zündwinkelvariation als Regelgröße und der Definition einer Führungsgröße lässt sich durch das beschriebene Vorgehen sehr einfach ein Regler implementieren, durch den charakteristische Zündwinkelvariationen und damit gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnisse 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 die Einspritzung gespeichert, mit denen dann eine Adaption erfolgen kann, ohne die Regelung ständig aktiv zu halten.
Zur weiteren Verbesserung der Laufruhe des Motors ist es von Vorteil, die Einspritzmengenvariation bei Aktivierung nach und nach zu erhöhen, so dass die Zündwinkelvariation direkt eine zu groß werdende Laufunruhe verhindern kann.
Der Regelansatz wird im Folgenden näher erläutert. Dazu beschreibt 8 in einem Regeldiagramm 30 schematisch einen allgemeinen Aufbau eines Reglers, wie er erfindungsgemäß für eine Lambda-Regelung zum Einsatz kommt. Dargestellt ist ein Regler, wobei eingangsseitig des Reglers von einer zeitabhängigen Führungsgröße 31 w_(t) eine zyklische Zündwinkeldifferenz 52 ∆ZWout_(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 uR_(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 uZ_(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 nmot_(t) und zum anderen auch ein Drosselklappenwinkel 40 φthrottle_(t) sowie eine geschätzte Luftmenge 41 mair_(t) abgeleitet, welche der Speichereinheit 49 zugeführt werden. Diese Werte werden auch zur Aktivierungseinheit 44 rückgekoppelt. Zudem kann eine betriebspunktabhängige Stellgröße 36 uS_(t), welche in der Speichereinheit 49 gespeichert ist, der Aktivierungseinheit 44 eingangsseitig aufgeschaltet werden. Aus der hochaufgelösten Motordrehzahl 39 nmot_(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 Lambdawertes 13. Ist die Regelung deaktiviert, werden die Aktivitäten in der Reglereinheit 42 gestoppt und die Stellgrößen, hier die betriebspunktabhängigen Stellgrößen 36 uS_(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 können dabei beispielsweise eine Regelung auf ein maximales Drehmoment, eine Regelung auf einen minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch oder eine Regelung auf bestmöglichen Kompromiss aus Leistung, Verbrauch und Emissionen sein.
Ergänzend zum Aufbau der Reglereinheit gemäß 8, wie sie bereits in der R.350424 beschrieben ist, ist erfindungsgemäß eine Adaptionseinheit 50 vorgesehen, mit der eine Adaption der Laufruhe über den Zündwinkel 12 ermöglicht wird. Als Ausgangssignal der Adaptionseinheit 50 wird dabei eine Zündwinkel-Stellgröße 51 (ZWout_(t)) ausgegeben, welche der Regelstrecke 45 aufgeschaltet wird. Zudem wird die zyklische Zündwinkeldifferenz 52 ∆ZWout_(t) ausgegeben und anstatt der Drehmomentendifferenz als Regelgröße für die Lambdaadaption verwendet.
Bei dem beschriebenen Regelszenario besteht die Möglichkeit, die eingeregelte bzw. optimierte Stellgröße 33 u_(t) in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld, welches z.B. über die Drehzahl, die Luftmenge und ggf. über das Drehmoment aufgespannt sein kann, 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.
Das Erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls bei Dieselmotoren eingesetzt werden. Anstatt der Laufruheregelung über den Zündwinkel 12, kann hierbei der Einspritzzeitpunkt variiert werden. Als charakteristisches Merkmal zur Lambdaadaption kann hierbei die notwendige Einspritzzeitpunktvariation herangezogen werden, welche notwendig wäre, um die über die Einspritzmengenvariation hervorgerufenen Laufunruhe auszugleichen.
In weiteren Ausgestaltungsvarianten des zuvor beschriebenen Verfahrens kann statt der Rückmeldung der Motordrehzahl 39 nmot_(t) auch eine entsprechende Rückmeldung über einen Brennraumdruck erfolgen. Zudem kann das Verfahren auch zur Diagnose der Funktion eines Brennraumdrucksensors bei einem Benzinmotor verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002096 A1 [0007]
DE 102011004068 B3 [0015]
DE 10333994 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine eingespritzte Kraftstoffmenge von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der dabei entstehenden Laufunruhe eine zyklische Anpassung eines Zündwinkels (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische Variation des Zündwinkels (12) jeweils um einen definierten Referenzwert durchgeführt wird, wobei ausgehend von diesem Referenzwert der Zündwinkel (12) jeweils abwechselnd um einen definierten und applizierbaren Wert in die eine Richtung und anschließend in die andere Richtung variiert wird, wobei eine Drehmomentdifferenz zwischen dem Drehmoment (11) zweier direkt oder indirekt aufeinanderfolgenden Zyklen oder eine entsprechende Schwankung einer anderen physikalischen Größe, welche als Maß für das Drehmoment gilt, ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel (12) gleichzeitig zu der Einspritzmengenvariation derart von Zyklus zu Zyklus variiert wird, dass die Differenz zwischen dem Drehmoment zweier aufeinander folgender Zyklen im Mittel gleich Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für den Laufunruheausgleich notwendige Zündwinkelvariation als Regelgröße mit einer zu definierenden Führungsgröße (31) in einem Regler implementiert werden, mit dem charakteristische Zündwinkelvariationen eingestellt werden und so folglich ein Zielwert für Lambda eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem eingeregelten Zustand eine eingeregelte und/ oder optimierte Stellgröße (33) und/ oder Adaptionswerte in einem betriebspunktabhängigen Kennfeld gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler Betriebspunkt- und/ oder Fahrsituationsabhängig ein oder ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Regelziel unterschiedliche Werte für die Führungsgröße (31) vorgegeben werden.
Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 bei Brennkraftmaschinen für Krafträder mit maximal einem Zylinder.
Verwendung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 bei Dieselmotoren, wobei zur Kompensation der Laufunruhe eine zyklische Anpassung anstelle des Zündwinkels (12) eine zum Zündwinkel (12) äquivalente zyklische Anpassung eines Einspritzzeitpunktes für den Diesel-Kraftstoff durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei eine eingespritzte Kraftstoffmenge von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus variierbar ist und ein Drehmoment oder eine für das Drehmoment charakteristische physikalische Größe mittels einer Motorsteuereinheit bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuereinheit mindestens eine Reglereinheit (42) aufweist, mit der das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 durchführbar ist, insbesondere eine Adaptionseinheit (50) zur Adaption der Laufruhe über einen Zündwinkel (12) sowie mindestens eine Speichereinheit (49), insbesondere mindestens einen Kennfeldspeicher, aufweist, in den betriebspunktabhängige optimierte Stellgrößen nach erfolgter Einregelung speicherbar sind.