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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Steuereinrichtung und ein Computerprogrammprodukt, mit deren Hilfe ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs betrieben werden kann, sowie ein Verfahren, mit deren Hilfe eine bestehende Motorsteuerung zum Betrieb eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors nachträglich verändert werden kann.
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Aus
DE 38 33 124 A1 ist es bekannt mit Hilfe eines Drucksensors den Innendruck eines Verbrennungszylinders einer Brennkraftmaschine zu messen sowie einen Kurbelwellenwinkel zu ermitteln, bei dem der maximale Innendruck auftritt. Aus diesen Daten wird eine Zylindertemperatur berechnet. Wenn bei dieser Zylindertemperatur zu hohe NO
x-Emissionen zu erwarten sind, wird der eine dem Verbrennungszylinder zugeführte Kraftstoffzusammensetzung oder ein Zündzeitpunkt des Verbrennungszylinders angepasst.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis einen fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit geringen Emissionen und einem geringen Kraftstoffverbrauch zu betrieben.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen Betrieb eines fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit geringen Emissionen und einem geringen Kraftstoffverbrauch ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine aktuelle Ist-Schwerpunktlage einer Verbrennung in einem Verbrennungszylinder des Verbrennungsmotors ermittelt wird, aus der ermittelten Ist-Schwerpunktlage die Menge zumindest eines Bestandteils einer Abgasemission des Verbrennungszylinders ermittelt wird, eine Soll-Schwerpunktlage der Verbrennung in dem Verbrennungszylinder berechnet wird, bei welcher der Bestandteil der Abgasemission einen vordefinierten Grenzwert einhält und ein Kraftstoffverbrauch des Verbrennungszylinders minimiert ist, und ein Stellsignal zur Einstellung eines zur Erreichung der Soll-Schwerpunktlage geeigneten Zündwinkels für den Verbrennungszylinder generiert wird.
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Die Schwerpunktlage der Verbrennung in dem Verbrennungszylinder ist bei einem Kurbelwinkel erreicht, bei dem in der Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemischs im Verbrennungszylinder ein Energieumsatz um 50% erfolgt ist. Der Kurbelwinkel kann hierbei insbesondere als Drehwinkelabstand zum oberen Totpunkt („OT“) des in dem Verbrennungszylinder geführten Kolbens oder als Drehwinkelabstand zum zwischen dem Kompressionstakt und dem Arbeitstakt des Otto-Kreisprozesses liegenden Zündungsoberen-Totpunkt („ZOT“) angegeben werden. Die Schwerpunktlage ist bei einem Kurbelwinkel erreicht, bei dem der maximale Innendruck und die maximale Temperatur im Verbrennungszylinder noch nicht erreicht ist. Die Schwerpunktlage der Verbrennung kann von der Menge des Kraftstoffs, des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses, dem Innendruck und der Temperatur abhängen. Daher können aus der Schwerpunktlage der Verbrennung sehr genaue Rückschlüsse auf die stattfindenden Verbrennungsvorgänge gezogen werden, die in dieser Form und in dieser Genauigkeit aus der Kenntnis des maximalen Innendrucks und der maximalen Temperatur nicht möglich wären.
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Im Vergleich zu anderen Messgrößen können bei der Bestimmung der Ist-Schwerpunktlage durch Toleranzen der beteiligten Bauteile bedingte Einflüsse auf das Verbrennungsverhalten, beispielsweise eine durch Toleranzen des Kurbeltriebs verursachte Streuung des Verdichtungsverhältnisses über verschiedene in Serie hergestellte Verbrennungsmotoren, eliminiert werden. Die Bestimmung der Ist-Schwerpunktlage erfolgt individuell für den jeweiligen Verbrennungsmotor mit seinen eigenen Randbedingungen, ohne dass Annahmen für toleranzbehaftete Werte getroffen werden müssen. Aus der Kenntnis der tatsächlichen Schwerpunktlage der Verbrennung kann zusammen mit weiteren bekannten oder gemessenen Parametern der zu erwartende Verbrauch und/oder die zu erwartenden Abgasemissionen, insbesondere NOx-Emissionen, ermittelt werden. Dies ermöglicht es beispielsweise den aktuellen Verbrauch und die aktuellen Emissionen mit bei einer veränderten Schwerpunktlage der Verbrennung erreichbaren Verbrauch und Emissionen zu vergleichen und einen Optimierungsprozess vorzunehmen. Bei diesem Optimierungsprozess kann einerseits ein minimaler Kraftstoffverbrauch angestrebt werden, wobei gleichzeitig die zu erwartenden Emissionen dem vordefinierten Grenzwert genügen. Falls in einer bestimmten Betriebssituation eine Überschreitung eines Grenzwerts für einen bestimmten Bestandteil der Abgasemissionen zu befürchten ist, kann das Verfahren in dem Optimierungsprozess eine Schwerpunktlage ansteuern, in der die Grenzwerte eingehalten sind und unter Berücksichtigung des einzuhaltenden Grenzwerts ein möglichst minimaler Kraftstoffverbrauch eingestellt ist. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass beispielsweise bei NOx-Emissionen, besonders hohe Emissionen in einem vergleichsweise sehr schmalen Kurbelwinkelbereich der Schwerpunktlage auftreten, so dass es bereits ausreichend sein kann die Schwerpunktlage der Verbrennung um wenige Winkelgrade zu verschieben. Eine mit der Verschiebung der Schwerpunktlage verbundene Erhöhung der Kraftstoffzufuhr, kann in der Regel so gering sein, dass die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs vernachlässigbar sein kann. Durch die Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung bei zu hohen zu erwartenden Emissionen ist ein Betrieb eines fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit geringen Emissionen und einem geringen Kraftstoffverbrauch ermöglicht.
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Für die Ermittlung der Ist-Schwerpunktlage können insbesondere Sensoren verwendet werden, die für eine herkömmliche Motorsteuerung sowieso vorgesehen sind, wie beispielsweise ein Drucksensor zur Messung des Innendrucks des Verbrennungsmotors. Für die Berechnung der Soll-Schwerpunktlage können analytische oder numerische Berechnungsverfahren eingesetzt werden oder mit Hilfe hinterlegter empirisch ermittelter Daten interpoliert werden. Üblicherweise weist eine Motorsteuerung bereits eine Aktorik auf, um einen Zündzeitpunkt und/oder eine Kraftstoffzufuhr auf aktuelle Betriebssituationen anzupassen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch eine bereits vorhandene Infrastruktur nutzen, um durch eine Interaktion mit den beteiligten Motorkomponenten den gewünschten Regeleigriff zur Erreichung der Soll-Schwerpunktlage vorzunehmen. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren leicht nachträglich in eine bereits vorhandene Motorsteuerung integriert werden, beispielsweise indem das Verfahren über eine Softwareschnittstelle als zusätzliche Regelungsroutine von einem Motormanagementsystem der Motorsteuerung aufgerufen wird. Dies ermöglicht es insbesondere auch ältere für weniger strenge Grenzwerte für die Abgasemissionen ausgelegte fremdgezündete Verbrennungsmotoren nachträglich auch strengerer Grenzwerte einhalten zu lassen, ohne dass hierzu der Antriebsstrang konstruktiv verändert werden müsste.
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Insbesondere wird zur Ermittlung der Ist-Schwerpunktlage ein Drucksensor zur Messung eines Innendrucks des Verbrennungszylinders verwendet, wobei insbesondere ein Verlauf des gemessenen Innendrucks des Verbrennungszylinders zur Ermittlung der Ist-Schwerpunktlage verwendet wird. Über den Druckverlauf des Innendrucks des Verbrennungszylinders kann leicht auf die Ist-Schwerpunktlage rückgeschlossen werden. Aus dem Innendruck als Funktion des Kurbelwinkels und der zugeführten Kraftstoff- und Luftmenge sowie des Zündwinkels kann der Kurbelwinkel der Ist-Schwerpunktlage der Verbrennung berechnet werden.
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Vorzugsweise wird zur Berechnung der Soll-Schwerpunktlage ein Verbrauchsmodell zur Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungszylinders in Abhängigkeit von der Schwerpunktlage verwendet. Der Kraftstoffverbrauch bei der Ist-Schwerpunktlage sowie der Kraftstoffverbrauch bei der Soll-Schwerpunktlage können dadurch leicht und schnell berechnet werden, so dass leicht eine Optimierung während des regulären Betriebs erfolgen kann. Das Verbrauchsmodell kann beispielsweise Kennlinienfelder enthalten, aus denen der Kraftstoffverbrauch schnell ermittelt werden kann.
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Besonders bevorzugt wird zur Berechnung der Soll-Schwerpunktlage ein Emissionsmodell zur Ermittlung von Emissionen, insbesondere von NOx- und/oder HC-Emissionen, des Verbrennungszylinders in Abhängigkeit von der Schwerpunktlage verwendet. Die Emissionen bei der Ist-Schwerpunktlage sowie die Emissionen bei der Soll-Schwerpunktlage können dadurch leicht und schnell berechnet werden, so dass leicht eine Optimierung während des regulären Betriebs erfolgen kann. Das Emissionsmodell kann beispielsweise Kennlinienfelder enthalten, aus denen die Emissionen für einen oder mehrere Bestandteile schnell ermittelt werden können.
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Insbesondere wird zur Erreichung der Soll-Schwerpunktlage eine Kraftstoffmenge und/oder ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis angepasst. Insbesondere wenn eine starke Verlagerung der Schwerpunktlage von der Ist- Schwerpunktlage in die Soll-Schwerpunktlage erforderlich sein sollte, kann es vorteilhaft sein nicht nur den Zündwinkel sondern auch die Kraftstoffmenge und/oder die Luftmenge anzupassen, um die Soll-Schwerpunktlage möglichst effektiv ansteuern zu können.
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Vorzugsweise wird das Stellsignal einem von einer Motorsteuerung erzeugten Basisstellsignal zur Einstellung des Zündwinkels in Abhängigkeit von einer abgeforderten Motorleistung überlagert. Eine reguläre Anpassung des Zündwinkels an die aktuelle Motorleistung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht ersetzt, sondern ergänzt. Dadurch kann der von der Motorsteuerung herkömmlich berechnete Zündwinkel bereits zu einer Ist-Schwerpunktlage führen, die in den meisten Fällen sehr nah an der Soll-Schwerpunktlage liegt oder mit der Soll-Schwerpunktlage identisch ist. Der Berechnungsaufwand und der Regelaufwand für die Soll-Schwerpunktlage ist dadurch reduziert.
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Besonders bevorzugt wird das Stellsignal über einen PI-Regler geregelt. Eine für einen aktuellen Betriebspunkt berechnete Stellgröße des Reglers kann dadurch beibehalten werden, so dass beim Erreichen der Soll-Schwerpunktlage mit einer vernachlässigbaren Regelabweichung der Reglereffekt nicht rückgängig gemacht wird und ein Schwingen der geregelten Ist-Schwerpunktlage vermieden wird. Zudem ist ein Differential-Glied des Reglers weggelassen oder zu Null gesetzt, so dass ein Überschwingen der Regelung in einen Bereich der Schwerpunktlage, in dem ein Grenzwert für eine Emission nicht eingehalten wäre, vermieden ist. Insbesondere sind Zeitverzögerungsglieder vermieden, so dass die Soll-Schwerpunktlage entsprechend schnell erreicht werden kann.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Betrieb eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit Mitteln zur Ausführung des Verfahrens, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Die Steuereinrichtung weist insbesondere einen Dateneingang auf, über den Informationen über beispielsweise den Innendruck des Verbrennungszylinders, der Kraftstoffmenge im Verbrennungszylinder, der Luftmenge im Verbrennungszylinder, des Zündzeitpunkts im Verbrennungszylinder und/oder des aktuellen Kurbelwinkels eingelesen werden können. Die Steuereinrichtung weist insbesondere einen Datenausgang auf, über den ein Stellsignal beispielsweise zur Veränderung des Zündwinkels, der Kraftstoffmenge und/oder der Luftmenge ausgegeben werden kann. Durch die Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung bei zu hohen zu erwartenden Emissionen ist ein Betrieb eines fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit geringen Emissionen und einem geringen Kraftstoffverbrauch ermöglicht.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt zum Betrieb eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit Befehlen, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukt durch eine Steuereinrichtung das Verfahren, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, ausführen. Insbesondere ist das Computerprogrammprodukt durch die vorstehend beschriebene Steuereinrichtung ausführbar. Durch die Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung bei zu hohen zu erwartenden Emissionen ist ein Betrieb eines fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit geringen Emissionen und einem geringen Kraftstoffverbrauch ermöglicht.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur nachträglichen Veränderung einer bestehenden Motorsteuerung zum Betrieb eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Steuereinrichtung, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, und/oder ein Computerprogrammprodukt, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Beeinflussung eines Basisstellsignal zur Einstellung des Zündwinkels in Abhängigkeit von einer abgeforderten Motorleistung mit der Motorsteuerung verbunden wird und/oder in die Motorsteuerung integriert wird. Dadurch kann leicht nachträglich in eine bereits vorhandene Motorsteuerung ein emissionsärmerer Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen werden, beispielsweise indem das Betriebsverfahren über eine Softwareschnittstelle als zusätzliche Regelungsroutine von einem Motormanagementsystem der Motorsteuerung aufgerufen wird. Dies ermöglicht es insbesondere auch ältere für weniger strenge Grenzwerte für die Abgasemissionen ausgelegte fremdgezündete Verbrennungsmotoren nachträglich auch strengerer Grenzwerte einhalten zu lassen, ohne dass hierzu der Antriebsstrang konstruktiv verändert werden müsste. Durch die Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung bei zu hohen zu erwartenden Emissionen ist ein Betrieb eines fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit geringen Emissionen und einem geringen Kraftstoffverbrauch ermöglicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Es zeigen:
- 1: ein schematisches Diagramm der Emissionen eines Verbrennungsmotors bei einem spezifischen Verbrauch in einem exemplarischen Teillastbereich und
- 2: ein schematischer Regelkreis zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In dem in 1 dargestellten Diagramm ist für einen bei einer Drehzahl n = 1500/min und einem effektiven Mitteldruck pme = 2 bar im Teillastbereich betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotor eine NOx-Emission 10 in g/h über einen spezifischen Verbrauch 12 in g/kWh aufgetragen. In einem Emissionsverlauf 14 sind zusätzlich Kurbelwinkel eingetragen, bei denen an dem jeweiligen Betriebspunkt die Schwerpunktlage der Verbrennung vorliegt. Die Kurbelwinkel sind mit dem ZOT als Nullpunkt angegeben. Es ist zu sehen, dass ein Großteil der NOx-Emission 10 vorwiegend bei einem niedrigen spezifischen Verbrauch 12 vorliegt. In dem dargestellten exemplarischen Betriebspunkt im Teillastbereich liegen ca. 25% des Massenstroms der NOx-Emission 10 innerhalb lediglich 1% des spezifischen Verbrauchs 12. Zusätzlich korrespondiert dieser Bereich mit einer Kurbelwinkeldifferenz der Schwerpunktlage der Verbrennung von ca. 4°. Das heißt, dass durch eine Verlagerung der Schwerpunktlage der Verbrennung um wenige Grad Kurbelwinkel die NOx-Emission 10 erheblich reduziert werden kann. Dies kann bereits durch eine leichte Verschiebung des Zündwinkels auf einen späteren Zeitpunkt erreicht werden.
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Wie in 2 dargestellt kann hierzu zunächst die in der aktuellen Betriebssituation bei einem gegebenen Zündwinkel φZW vorliegende Ist-Schwerpunktlage φMFB50,ist in einem Ermittlungsschritt 16 beispielsweise mit Hilfe eines Drucksensors zur Messung des Innendrucks des betrachteten Verbrennungszylinders ermittelt werden. Mit Hilfe eines Emissionsmodells 18 können aus der Ist-Schwerpunktlage φMFB50,ist die aktuellen Emissionen, beispielsweise die aktuelle NOx-Emission NOx,ist ermittelt werden. Zudem ist es möglich mit Hilfe eines Verbrauchsmodells 20 aus der Ist-Schwerpunktlage φMFB50,ist den aktuellen Verbrauch Verbrauchist zu ermitteln. In einem Optimierer kann aus diesen Daten eine Soll-Schwerpunktlage φMFB50,soll berechnet werden, bei der ein bestimmter Grenzwert für die Emissionen eingehalten ist oder sogar darunter liegt und bei dieser Randbedingung für die Emissionen 10 ein möglichst geringer spezifischer Verbrauch 12 vorliegt. Aus der Differenz zwischen der Soll-Schwerpunktlage φMFB50,soll und der Ist-Schwerpunktlage φMFB50,ist wird eine Regelabweichung εMFB50 ermittelt, die einem PI-Regler 24 zugeführt wird. Der PI-Regler 24 gibt eine Stellgröße ΔφMFB50 aus, die einem von einer herkömmlichen Motorsteuerung ermittelten Zündwinkel φZWbas,cor und/oder einem Klopfverstellwinkel φZWKNK überlagert wird, so dass im nachfolgenden Verbrennungstakt das Kraftstoff/Luft-Gemisch im betrachteten Verbrennungszylinder mit einem zur Erreichung der Soll-Schwerpunktlage φMFB50,soll geeigneten Zündwinkel φZW gezündet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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