DE102017215566A1 - Method for operating an internal combustion engine during warm-up - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors während eines Warmlaufens, wobei wenigstens zwei Regelgrößen ausgewählt aus einer eine Motordrehzahl (ω) kennzeichnenden Größe, einer ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Verbrennung (λ) kennzeichnenden Größe sowie einer eine Verbrennungslage (COC) kennzeichnenden Größe jeweils im Rahmen einer Mehrgrößenregelung auf einen Sollwert geregelt werden, wobei im Rahmen der Mehrgrößenregelung wenigstens zwei Stellgrößen ausgewählt aus einer eine Luftmenge charakterisierenden Größe (u), einer eine Einspritzmenge charakterisierenden Größe (u) und einer einen Zündwinkel charakterisierenden Größe (u) bestimmt werden.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine during warm-up, wherein at least two controlled variables selected from a variable indicative of an engine speed (ω), a characterizing an air-fuel ratio during combustion (λ) and a combustion position (COC) in the context of multivariable control, at least two manipulated variables selected from a variable (u) characterizing an air quantity, a quantity (u) characterizing an injection quantity and a variable (u) characterizing an ignition angle become.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors während eines Warmlaufens sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine during warm-up, as well as to a computing unit and a computer program for carrying it out.
Stand der TechnikState of the art
Ein Kaltstart, d.h. eine Betriebsaufnahme, ohne dass vorher Kühlwasser und/oder Öl vorgewärmt wurden, belastet einen Verbrennungsmotor in besonderem Maße und kann auch zu erhöhter Schadstoffabgabe führen. Ein möglichst rasches Erreichen der optimalen Betriebstemperatur durch motorische Maßnahmen, Zusatzheizungen oder angemessene Belastung des Motors minimiert Schadstoffausstoß, Verschleiß und spezifischen Verbrauch.A cold start, i. A start-up operation, without previously cooling water and / or oil were preheated, loads an internal combustion engine to a particular extent and may also lead to increased pollutant emissions. Achieving the optimum operating temperature as quickly as possible by means of engine measures, additional heating or adequate engine load minimizes pollutant emissions, wear and specific consumption.
Die Drehzahlregelung während des Motorwarmlaufs kann dabei beispielsweise im gesteuerten Betrieb umgesetzt werden. Die Motordrehzahl kann über Anpassung des Zündwinkels, unter langsamer Änderung der Drosselklappe, eingeregelt werden. Eine Änderung der Drosselklappe ändert die zur Verfügung stehende Luftmenge, während der Zündwinkel direkt die Effizienz der Verbrennung beeinflusst. Beide Kanäle haben unter anderem über ihre Wirkung auf die Drehzahl einen Einfluss auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Zylinder. Dieses kann wiederum über einen separaten Eingrößen-Regler (single input single output, SISO) geregelt werden, welcher die eingespritzte Kraftstoffmasse ändert.The speed control during engine warm-up can be implemented, for example, in controlled operation. The engine speed can be adjusted by adjusting the ignition angle, with slow throttle change. Changing the throttle will change the amount of air available while the ignition angle will directly affect the combustion efficiency. Both channels have, inter alia, on their effect on the speed of an influence on the air-fuel ratio in the cylinder. This can in turn be controlled via a separate single-input controller (SISO), which changes the injected fuel mass.
Im Warmlauf kann der Zündwinkel vorgesteuert relativ spät angesetzt werden, was zwar zu einer schlechten Verbrennungseffizienz bei späten Verbrennungslagen führt, jedoch erwünschterweise zu heißen Abgasen führt, was den Effekt eines schnellen Aufheizens des Katalysators hat.During warm-up, the firing angle can be pre-controlled relatively late, which leads to a poor combustion efficiency in late combustion situations, but desirably leads to hot exhaust gases, which has the effect of rapid heating of the catalyst.
Bei späten Zündwinkeln ergibt sich jedoch eine relativ hohe Variabilität in der Verbrennung, was zu einer hohen Variabilität in der Drehzahl führen kann. Da der Drehzahlregler wie oben erwähnt auch einen Einfluss auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat, wird die entsprechende Feedback-Regelung erschwert.At late firing angles, however, there is a relatively high variability in the combustion, which can lead to a high variability in the rotational speed. Since the speed controller as mentioned above also has an influence on the air-fuel ratio, the corresponding feedback control is made more difficult.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund vor, für den Motorwarmlauf eine Mehrgrößenregelung mit Rückführung (Feedback) basierend auf Verbrennungscharakteristiken einzusetzen. Erfindungsgemäß werden daher ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors während eines Warmlaufens sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes to use a multi-variable feedback control based on combustion characteristics for engine warm-up. According to the invention, therefore, a method for operating an internal combustion engine during warm-up as well as a computing unit and a computer program for carrying it out with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Mit einer Mehrgrößenregelung im Motorwarmlauf wird darauf abgezielt, den Motor selbst bei späten Verbrennungslagen mit wenigen Quereinflüssen von Drehzahl und Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einander zu regeln. Die drei bevorzugten Regelpfade (Luftpfad, Kraftstoffpfad und Zündwinkelpfad) können dann in koordinierter Weise verändert werden. Erfindungsgemäß werden daher als Ausgabegrößen der Regelung (Stellgrößen) wenigstens zwei Größen aus einer eine Luftmenge kennzeichnenden Größe (z.B. die Luftmenge selbst oder eine Drosselklappenstellung), einer eine Einspritzmenge kennzeichnenden Größe (z.B. die Einspritzmenge selbst oder eine Einspritzzeit) und einer einen Zündwinkel kennzeichnenden Größe (z.B. der Zündwinkel selbst) verwendet.With multi-variable control in engine warm-up, the aim is to control the engine even with late combustion conditions with little cross-flow of speed and air-fuel ratio on each other. The three preferred control paths (air path, fuel path and ignition angle path) can then be changed in a coordinated manner. According to the invention therefore as output variables of the control (manipulated variables) are at least two variables from a size characterizing an air quantity (eg the air volume itself or a throttle position), a size characterizing an injection quantity (eg the injection quantity itself or an injection time) and a variable characterizing an ignition angle ( eg the ignition angle itself) used.
Erfindungsgemäß werden als Regelgrößen (d.h. Größen, deren Istwert auf einen Sollwert geregelt wird) wenigstens zwei Größen aus einer eine Motordrehzahl kennzeichnenden Größe (z.B. die Motordrehzahl selbst oder ein indizierter Mitteldruck), einer ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Verbrennung kennzeichnenden Größe (z.B. Lambda-Wert) sowie eine eine Verbrennungslage kennzeichnenden Größe (z.B. Zündwinkel) verwendet. Die Istwerte dieser Größen bilden die Rückführung der Regelung (Istwerte) und können z.B. sensorisch oder rechnerisch ermittelt werden. Eine sensorische Ermittlung der Drehzahl und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (Lambda) ist üblich. Die Verbrennungslage kann beispielsweise über zylinderindividuelle Drucksensoren im Brennraum oder mittelbar über das Drehzahlsignal erworben werden, beispielsweise indem sie aus dem Drehzahlverlauf mittels einer Energieberechnung vor und nach der Verbrennung bestimmt wird. Da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sowie die Verbrennungslage zylinderindividuelle Größen sind, kann eine zylinderindividuelle Regelung umgesetzt werden. Dies schließt eine nicht zylinderindividuelle Regelung jedoch nicht aus. Grundsätzlich kann jedoch jede der Regelgrößen zylinderindividuell oder zylinderübergreifend geregelt werden.According to the invention, controlled variables (ie variables whose actual value is regulated to a desired value) are at least two variables from a variable characterizing an engine speed (eg the engine speed itself or an indicated mean pressure), a variable characterizing an air-fuel ratio during combustion (eg Lambda value) as well as a combustion characteristic characterizing size (eg ignition angle) used. The actual values of these variables form the feedback of the control (actual values) and can be e.g. sensory or computationally determined. A sensory determination of the speed and the air-fuel ratio (lambda) is common. The combustion position can be acquired, for example, via cylinder-specific pressure sensors in the combustion chamber or indirectly via the speed signal, for example, by determining it from the speed curve by means of an energy calculation before and after the combustion. Since the air-fuel ratio and the combustion position are cylinder-specific variables, a cylinder-specific control can be implemented. However, this does not preclude a non-cylinder-specific regulation. In principle, however, each of the controlled variables can be regulated individually for each cylinder or across cylinders.
Der Vorteil einer Mehrgrößenregelung besteht darin, dass durch ein koordiniertes Betreiben der Aktuatoren eine genauere Regelung vor allem in transienten Phasen möglich ist. Da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis einen großen Einfluss auf die Schadstoffemissionen im Warmlauf hat (der Katalysator funktioniert bei tiefen Temperaturen noch nicht), kann dieser Vorteil zu einer Reduktion der Emissionen führen. Der Motorwarmlauf als Anwendungsbereich der Erfindung umfasst dabei insbesondere einen Betriebszustand, bei dem der Katalysator noch nicht auf eine Betriebstemperatur aufgewärmt ist. Der Verbrennungsmotor wird somit insbesondere erfindungsgemäß betrieben, so lange der Katalysator noch nicht auf eine Betriebstemperatur aufgewärmt ist und/oder so lange das vom Fahrer gewünschte Moment in einem erfindungsgemäßen Betrieb darstellbar ist. Wünscht der Fahrer mehr Drehmoment, als der spät gestellte Zündwinkel zulässt, muss dieser früh gestellt werden und der der erfindungsgemäße Betrieb wird beendet.The advantage of a multi-variable control is that a coordinated operation of the actuators a more precise control is possible, especially in transient phases. Since the air-fuel ratio has a major impact on pollutant emissions during warm-up (the catalyst does not work at low temperatures), this benefit can lead to a reduction in emissions. The engine warm-up as an area of application of the invention comprises in particular an operating state in which the catalyst is still not warmed up to an operating temperature. The internal combustion engine is thus operated in particular according to the invention, as long as the catalyst is not warmed up to an operating temperature and / or as long as the driver desired torque in an operation according to the invention can be displayed. If the driver wishes more torque than the late-set ignition angle allows, it must be set early and the operation according to the invention is terminated.
Die Vorteile der Erfindung zeigen sich vor allem im transienten Motorenbetrieb, welcher durch sich schnell ändernde Sollwerte der Regelgrößen gekennzeichnet ist.The advantages of the invention are particularly evident in transient engine operation, which is characterized by rapidly changing setpoint values of the controlled variables.
Die Mehrgrößenregelung ermöglicht das Einhalten engerer Grenzen der Regelgrößen um die entsprechenden Sollwerte dadurch, dass die Aktuatoren in koordinierter Weise verändert werden können und somit Quereinflüsse der unterschiedlichen Regelpfade reduziert werden können. Des Weiteren führt die Mehrgrößenregelung zu einem stabileren Motorenbetrieb bei späten Verbrennungslagen und mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen, welche im Motorenwarmlauf durchaus erforderlich sind. Diese Betriebspunkte zeichnen sich durch eine hohe Variation konsekutiver Verbrennungsvorgänge aus und entsprechend ist die Einhaltung engerer Grenzen um die Sollwerte hilfreich zur Stabilisierung des Motorenbetriebs. Als Konsequenz erlaubt die Mehrgrößenregelung eine Reduktion der Emissionen im Warmlauf, da Abweichungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom entsprechenden Sollwert, welche zu erhöhten Emissionen führen, reduziert werden.The multi-variable control makes it possible to maintain narrower limits of the controlled variables by the corresponding setpoint values in that the actuators can be changed in a coordinated manner and thus cross-influences of the different control paths can be reduced. Furthermore, the multi-variable control leads to a more stable engine operation in late combustion situations and lean air-fuel ratios, which are quite necessary in engine warm-up. These operating points are characterized by a high variation of consecutive combustion processes and, accordingly, compliance with narrower limits around the setpoints is helpful in stabilizing engine operation. As a consequence, the multi-variable control allows a reduction in emissions during warm-up, as deviations of the air-fuel ratio from the corresponding setpoint, which lead to increased emissions, are reduced.
Die Regelung zylinderindividueller Verbrennungscharakteristiken, wie z.B. des indizierten Mitteldrucks, der Verbrennungslage oder des zylinderindividuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, erlaubt es, eine, mehrere oder alle dieser Charakteristiken in jedem Zylinder gleichzustellen, d.h. auf denselben Sollwert zu regeln. Dies unterstützt einen stabilen Motorenbetrieb in Bereichen, wo eine nicht zylinderindividuelle Regelung durch das natürliche Auftreten von zylinderindividuellen Unterschieden beeinträchtigt wird. Der stabilere Motorenbetrieb wiederum erlaubt eine spätere Verbrennungslage, was zu einem schnelleren Aufheizen des Katalysators führt. Die Gleichstellung des zylinderindividuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses führt zusätzlich zu einer Reduktion der Schadstoffemissionen.The control of cylinder individual combustion characteristics, e.g. of the indicated mean pressure, combustion position, or cylinder-individual air-fuel ratio, allows one, several, or all of these characteristics to be equalized in each cylinder, i. to the same setpoint. This supports stable engine operation in areas where non-cylinder control is affected by the natural occurrence of individual cylinder differences. The more stable engine operation in turn allows a later combustion position, which leads to a faster heating of the catalyst. The equalization of the cylinder-individual air-fuel ratio leads in addition to a reduction of pollutant emissions.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.An arithmetic unit according to the invention, e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also, the implementation of the method in the form of a computer program is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of embodiments in the drawing and will be described below with reference to the drawing.
Figurenlistelist of figures
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Steuergerät.1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a control unit. -
2 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines Reglers mit vorteilhaften Eingabe- und Ausgabegrößen zur Implementierung der Erfindung.2 Fig. 2 shows schematically in a block diagram a preferred embodiment of a controller with advantageous input and output variables for implementing the invention. -
3 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erweiterten Reglers mit vorteilhaften Eingabe- und Ausgabegrößen zur Implementierung der Erfindung.3 Figure 3 shows schematically in a block diagram a preferred embodiment of an extended controller with advantageous input and output sizes for implementing the invention. -
4 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines Reglers mit vorteilhaften Eingabe- und Ausgabegrößen zur Implementierung der Erfindung, wobei eine Gleichstellung einer umgesetzten mechanischen Energie pro Verbrennung stattfindet.4 schematically shows in a block diagram a preferred embodiment of a controller with advantageous input and output variables for implementing the invention, wherein an equalization of a converted mechanical energy per combustion takes place. -
5 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines Reglers mit vorteilhaften Eingabe- und Ausgabegrößen zur Implementierung der Erfindung.5 Fig. 2 shows schematically in a block diagram a preferred embodiment of a controller with advantageous input and output variables for implementing the invention. -
6 zeigt schematisch in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines Reglers mit vorteilhaften Eingabe- und Ausgabegrößen zur Implementierung der Erfindung, wobei eine Gleichstellung einer Verbrennungslage stattfindet.6 schematically shows in a block diagram a preferred embodiment of a regulator with advantageous input and output variables for implementing the invention, wherein an equalization of a combustion position takes place.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In
Das Ansaugrohr
Des Weiteren sind mit dem Brennraum
Der Brennraum
In dem Ansaugrohr
Das Ansaugrohr
Im Betrieb wird durch den angetriebenen Kolben eine Kurbelwelle
Es versteht sich, dass eine Brennkraftmaschine mit Fremd- oder Selbstzündung mehr als einen Zylinder aufweisen kann, die derselben Kurbelwelle sowie demselben Abgasrohr zugeordnet sind und eine Abgasbank bilden.It is understood that an internal combustion engine with external or self-ignition may have more than one cylinder, which are assigned to the same crankshaft and the same exhaust pipe and form an exhaust bank.
Das Steuergerät
Das Steuergerät
Das Steuergerät
In den
Gewisse Verbrennungscharakteristiken, wie z.B. die Verbrennungslage (engl. center of combustion,
Jedoch können durch Unterschiede in der Zusammensetzung der Füllung der individuellen Zylinder nicht alle Verbrennungs-Charakteristiken gleichzeitig in allen Zylindern auf denselben Wert geregelt werden. Bei unterschiedlicher Füllung führt z.B. ein identisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei einer identischen Verbrennungslage zu unterschiedlichen indizierten Arbeiten pro Arbeitsspiel. Die Anforderung, unter diesen Bedingungen trotzdem eine Regelung unterschiedlicher Verbrennungscharakteristiken gleichzeitig durchzuführen, kann damit erfüllt werden, dass eine gewisse Charakteristik, wie z.B. die Verbrennungslage, nur im Mittel über alle Zylinder geregelt wird, während andere Charakteristiken zylinderindividuell geregelt werden.However, due to differences in the composition of the filling of individual cylinders, not all combustion characteristics can be controlled to the same value simultaneously in all cylinders. In the case of different filling, for example, an identical air-fuel ratio leads to different indicated work per working cycle with an identical combustion position. The requirement under these conditions nevertheless a regulation of different To perform combustion characteristics simultaneously, it can be satisfied that a certain characteristic, such as the combustion position, is controlled only in the middle over all cylinders, while other characteristics are controlled individually for each cylinder.
Folglich sind unterschiedliche Arten vorstellbar, in welchen die Mehrgrößenregelung basierend auf Verbrennungscharakteristiken umgesetzt werden kann, wovon nachfolgend einige Beispiele erläutert werden.Consequently, different types are conceivable in which the multi-variable control can be implemented based on combustion characteristics, of which some examples are explained below.
Die hier dargestellte Reglerstruktur basiert drauf, dass die Verbrennungscharakteristiken über alle Zylinder gemittelt erworben werden können. Die Stellgrößen werden entsprechend für alle Zylinder auf die gleichen Werte gestellt. Somit existiert ein einziger Regler für eine Mehrzahl individueller Zylinder. Der Vorteil dieser Reglerstruktur ist die Möglichkeit, die Aktuatoren in koordinierter Weise zu verändern.The controller structure shown here is based on the fact that the combustion characteristics can be acquired averaged over all cylinders. The manipulated variables are set to the same values for all cylinders. Thus, there is a single controller for a plurality of individual cylinders. The advantage of this controller structure is the ability to change the actuators in a coordinated manner.
Diese Reglerstruktur setzt voraus, dass die Verbrennungscharakteristiken
Die Möglichkeit, spezifische Verbrennungscharakteristiken individuell zu regeln, während andere gemittelt über mehrere Zylinder eingeregelt werden, erlaubt die Verwendung zylinderindividueller Regler, welche jedoch alle die gleiche Struktur haben können.The ability to individually control specific combustion characteristics, while others are averaged over multiple cylinders, allows the use of individual cylinder regulators, all of which may have the same structure.
Eine beispielhafte Ausführungsform wird nachfolgend anhand der
Die in
Ein Regler
Die Verbrennungslage
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
Da die Drosselklappe, welche den Aktuator für den Luftpfad darstellt, üblicherweise nicht zylinderindividuell eingestellt werden kann, werden die Anforderungen
Ein Vorteil dieser Reglerstruktur ist, dass ein identischer, relativ einfacher Regler (in diesem Falle der Dimension 3×3) für alle Zylinder verwendet werden kann. D.h. unabhängig von der Anzahl Zylinder, die der Motor hat, kann der gleiche Regler verwendet werden, je einer pro Zylinder.An advantage of this regulator structure is that an identical, relatively simple regulator (in this case the 3 × 3 dimension) can be used for all cylinders. That regardless of the number of cylinders that the engine has, the same controller can be used, one per cylinder.
Die durch diese Reglerstruktur erreichte Gleichstellung der indizierten Arbeit pro Arbeitsspiel führt zu einem ruhigen Motorenbetrieb da die Drehmomenterzeugung gleichmäßig über alle Zylinder verteilt ist.The equality of indicated work per cycle achieved by this regulator structure results in quiet engine operation since torque generation is evenly distributed across all cylinders.
Ein beispielhafter Aufbau eines solchen Reglers
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform wird nachfolgend anhand von
Die in
Der Einsatz dieser Reglerstruktur ist einfach, da der Aufbau der einzelnen Regler identisch ist und das System somit einfach skalierbar ist. Bei Motoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Zylindern kann die entsprechende Anzahl der Regler einfach angepasst werden. Die Möglichkeit, die Verbrennungslage in allen Zylinder auf einen identischen (und insbesondere späten) Wert zu regeln, erlaubt ein schnelles Aufheizen des Katalysators.The use of this controller structure is simple, since the structure of the individual controllers is identical and the system is therefore easily scalable. For engines with a different number of cylinders, the appropriate number of controls can be easily adjusted. The ability to control the combustion position in all cylinders to an identical (and especially late) value allows rapid heating of the catalyst.
Claims (13)
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