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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Zylinderdrucks einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine.
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Die Steuerung des Zylinderdrucks ist für eine gute Verbrennung wesentlich. Hierfür ist aus
DE 10 2007 012 604 bekannt, aufgrund von diversen Eingangsparameter, wie z.B. dem geforderten Gradienten der Rampe des Druckverlaufs, einen Soll-Zylinderdruckverlauf zu bestimmen, der seinerseits der Motorensteuerung zugrunde gelegt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den simulierten Zylinderdruckverlauf zu verbessern, der der Motorsteuerung zugrunde gelegt wird. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einem Verfahren zur Regelung eines Injektors einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine wird ein modellierter Istwert eines Verbrennungsflächenschwerpunkts mit einem Sollwert des Verbrennungsflächenschwerpunkts verglichen und korrigiert, um so einen verbesserten Ist-Zylinderdruckverlauf zu erhalten, der seinerseits der Regelung der Verbrennungskraftmaschine zugrunde gelegt wird. Dabei kann die Regelung insbesondere zumindest einen teilweisen Einspritzverlauf bei wenigstens einem Zylinder umfassen. Bei herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung eines idealen bzw. optimierten Verbrennungsverlaufs konnte der Verbrennungsflächenschwerpunkt nicht für die Berechnungen herangezogen werden, da dieser Wert sich erst aus dem Ist-Zylinderdruckverlauf mit nachfolgend berechneter Ist-Wärmefreisetzung ergibt. Da der Verbrennungsflächenschwerpunkt ein Maß für gute Verbrennung bzw. geringe Geräuschentwicklung ist, ergeben sich durch Verwendung des Verbrennungsflächenschwerpunkts entsprechende Vorteile der Motorsteuerung. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren eines Ist-Zylinderdruckverlaufs kamen lediglich Soll- und Umgebungsbedingungen zum Einsatz, über die der Ist-Zylinderdruckverlauf unmittelbar bestimmbar ist. Erfindungsgemäß wird der berechnete Ist-Zylinderdruckverlauf genommen und überprüft, ob er in Bezug auf den Verbrennungsflächenschwerpunkt optimiert ist und wird ggf. entsprechend angepasst. Eine unmittelbare Berechnung des Zylinderdruckverlaufs ist aus dem Soll-Verbrennungsschwerpunkt nicht möglich. Der Kern der Erfindung liegt insbesondere darin, durch einen Regler, zusätzlich zum induzierten Zylindermitteldruck der Hochdruckphase, der Spitzendrucklimitierung, dem Gradient der Rampe im Druckverlauf und dem Rampenstart, mit Bezug auf die Gesamtenergie des Verbrennungszyklus und dem Verbrennungsflächenschwerpunkt eine Regelung einer Einspritzung eines Injektors einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine zu schaffen.
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Vorteilhaft ist, wenn die Korrektur des Istwerts des Verbrennungsflächenschwerpunkts iterativ durchgeführt wird. Die iterative Methode ist zwar eine im Allgemeinen bekannte mathematische Methode, aber hier kann sie zum Einsatz kommen, da sie auf dem technischen Verständnis beruht, dass hierüber die Abweichungen der Verbrennungsflächenschwerpunkte (Soll und Ist) reduziert werden können. Um eine Konvergenz der Iteration zu erhalten, wird insbesondere eine Regelung verwendet, die bspw. eine PID-Regelung sein kann, die die Abweichung entsprechend verstärkt.
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Insbesondere werden ein indizierter Zylindermitteldruck der Hochdruckphase, eine Spitzendrucklimitierung, ein Gradient der Rampe im Druckverlauf, ein Rampenstart, die Gesamtenergie und der Verbrennungsflächenschwerpunkt des Verbrennungszyklus erfasst und insbesondere synchron erfasst.
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In einem Verfahren zum Regeln eines Injektors einer direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschine basiert die Regelung auf einer korrigierten Gesamtenergie des Verbrennungszyklus. Dabei bestimmt die Regelung einen korrigierten Verbrennungsflächenschwerpunkt, wobei die Regelung zumindest einen teilweisen Einspritzverlauf bei wenigstens einem Zylinder umfasst und ein modellierter Sollwert des Verbrennungsflächenschwerpunkts mit einem berechneten Istwert solange iterativ verglichen und korrigiert wird, bis sich ein Druckverlauf ergibt, der der Lastanforderung entspricht. Diese Formulierung ist eine andere Ausdruckform für den vorstehend beschriebenen erfinderischen Gedanken.
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In dem Verfahren werden als Eingangsgröße zumindest ein indizierter Mitteldruck der Hochdruckphase und ein Sollwert eines Gradienten des Anstiegs des Druckverlaufs vorgegeben. Weiter können insbesondere zudem ein Sollwert eines maximalen Drucks der Hochdruckphase und höchst bevorzugt ein Ladedruck vorgegeben sein. Das Verfahren benötigt nicht sämtliche genannten Eingangssollwerte bzw. Umgebungsbedingungen. Vielmehr ergeben sich die erfinderischen Vorteile bereits bei Verwendung mancher dieser Werte bzw. Bedingungen.
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Insbesondere wird in einer Vorsteuerung zunächst ein Ist-Zylinderdruckverlauf ohne Berücksichtigung des Verbrennungsflächenschwerpunkts bestimmt. Dies ist vorteilhaft, da so die Verbrennungs-Ist-Bedingungen (insbesondere der nachfolgend erläuterte Rampenstart und die Rampenlänge) bereits in einem Wertebereich vorliegen, der dem optimierten Bereich nahe kommt. Deshalb kann die nachfolgende Optimierung mathematisch / technisch weniger umfangreich bzw. rechenintensiv ausgestaltet sein. Vorteilhaft, wenngleich aber nicht technisch notwendig, kann die nachfolgende Bestimmung des Verbrennungsflächenschwerpunkts iterativ ausgestaltet sein. Eine iterative Berechnung konvergiert bei sinnvoll gesetzten Randbedingungen i.d.R. schnell, so dass dies eine einfache Möglichkeit darstellt. Alternativ können vorteilhafte Vorgabewerte auch aus Tabellen herangezogen werden.
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Es kann bevorzugt mit Berücksichtigung der motorischen Randbedingungen, eine Ist-Wärmefreisetzung aus einem Ist-Zylinderdruckverlauf bestimmt und korrigiert werden, um die geforderte Gesamtenergie zu erreichen. Alternativ und/oder zusätzlich wird im Falle einer größeren Ist-Gesamtenergie als eine Soll-Gesamtenergie eine Limitierung der Wärmefreisetzung auf die Soll-Gesamtenergie durchgeführt. Eine derartige Limitierung ist sinnvoll, um insbesondere die mechanische oder thermische Festigkeit des Motors nicht zu überfordern.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn im Falle einer kleineren Ist-Gesamtenergie als die Soll-Gesamtenergie, eine Skalierung der Wärmefreisetzung auf die Soll-Gesamtenergie im Bereich des Ausbrandes durchgeführt wird. Hierdurch kann die Gesamtenergie über den gewünschten Kurbelwellendrehwinkelbereich optimiert werden. Der gewünschte Kurbelwinkeldrehwinkelbereich beginnt bevorzugt ab dem Zeitpunkt des Maximaldrucks. Der Bereich des Ausbrandes beginnt ebenfalls bevorzugt mit dem Maximalwert des Zylinderdrucks und dauert bis zu einem Druckabfall, der so groß ist, dass der vorhandene Druck für die Leistungsbestimmung des Motors nicht mehr relevant ist.
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Es kann der korrigierte Wärmefreisetzungsverlauf mittels inverser Energiebilanz in dazugehörige Zylindergaszustandsverläufe zurückgerechnet werden. Alternativ oder insbesondere wird mit Bezug auf die Differenz zwischen Soll-Verbrennungsflächenschwerpunkt und Ist-Verbrennungsflächenschwerpunkt eine Regelung durchgeführt, es wird eine Korrektur des Rampenstarts des Zylinderdruckanstiegs berechnet und mit dem korrigierten Rampenstart ein Ist-Zylinderdruckverlauf erneut berechnet. Insbesondere wird bei der Berechnung des korrigierten Rampenstarts auch eine Berechnung der Rampenlänge durchgeführt. Die Steigung der Rampe kann bevorzugt linear sein. Andere Formen wie konkav oder konvex sind ebenfalls möglich, wenn auch nicht in jedem Fall bevorzugt. Bevorzugt wird die Regelung solange iterativ durchgeführt, bis die Abweichung zwischen Soll-Verbrennungsflächenschwerpunkt und Ist-Verbrennungsflächenschwerpunkt innerhalb eines Grenzwertes liegt. Dabei kann aus der korrigierten Wärmefreisetzung der Verbrennungsflächenschwerpunkt berechnet werden und mit dem Sollwert des Verbrennungsflächenschwerpunkt verglichen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Zylinderdrucksteuerung,
- 2 ein Diagramm des simulierten Zylinderdrucks in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung mit unterschiedlichen Iterationsphasen und
- 3 zwei unterschiedliche Optimierungen der simulierten Gesamtenergie in Abhängigkeit von der geforderten Soll-Gesamtenergie.
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Das Ziel des hier beschriebenen Verfahrens ist es, einen optimierten simulierten Ist-Zylinderdruckverlauf für die Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere nach dem Selbstzünderprinzip zu erhalten. So zeigt 1 auf der linken Seite einige Eingangsgrößen mit Hilfe derer zunächst eine Vorsteuerung eines Ist-Zylinderdruckverlaufs durchgeführt wird. Als wichtigste Größe wird dabei der indizierte Mitteldruck der Hochdruckphase pmiHD angesehen, der ein Maß für das über dem Zylinder bewirkte Drehmoment ist. Ferner wird ein pmax,sol vorgegeben, der der maximale zulässige Druck im Brennraum ist. Dieser wird nur dann relevant, wenn bei hohen Lasten eine Gefahr der Beschädigung des Motors besteht. Dieser Wert ist für die Simulation nicht zwingend und bei vielen Betriebszuständen irrelevant. Als eine weitere Sollgröße für die Drucksteuerung wird der Gradient αsoll des Zylinderdruckanstiegs angesehen, wie er in 2 gezeigt ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von einem Zylinderdruckanstieg mit einer konstanten Anstiegsrate ausgegangen. Der Gradient αsoll ist wesentlich für die Verbrennungseffizienz und das Geräuschverhalten des Motors. Aber es können abhängig von den Rahmenbedingungen auch andere Zylinderdruckanstiege gewünscht sein. Der hier geforderte lineare Anstieg wird in Bezug auf die thermodynamische Verbrennung als vorteilhaft angesehen. Eine Randbedingung, die der Simulation zugeführt wird, ist der Ladedruck pLade , der der Druck des Beladens des Zylinders mit dem Verbrennungsgas ist.
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Der simulierte Ist-Zylinderdruckverlauf, der in 1 oben rechts gezeigt ist, ist ein mathematisch erzielbares Ergebnis, das aus den vorgenannten Sollbedingungen bzw. Randbedingungen bestimmbar ist. Diese Bestimmung des simulierten Ist-Zylinderdruckverlaufs geschieht zunächst über die Vorsteuerung und wird als eine Art Vorgröße angesehen, die als Eingangsgröße für die nachfolgend erläuterte iterative Optimierung herangezogen wird. Durch die Vorsteuerung wird ermöglicht, dass der iterative Optimierungsaufwand möglichst gering gehalten wird. Diese Bestimmung geschieht zunächst ohne Verwendung eines nachfolgend erläuterten Verbrennungsflächenschwerpunkts, da dieser zu diesem Zeitpunkt noch nicht vorliegt. In der Vorsteuerung werden insbesondere zwei Größen für den Zylinderdruckverlauf als relevant angesehen. Dies sind der Rampenstart RS und die Rampenlänge RL. Der Rampenstart RS ist der Zeitpunkt, an dem der Verbrennungsverlauf der jeweiligen Verbrennung bereits so fortgeschritten ist, dass ein merklicher Druckanstieg beginnt. Dieser liegt bevorzugt um einen gewissen geringen Winkelbereich hinter dem oberen Totpunkt der Kolbenhubbewegung. Wenn keine Verbrennung stattfinden würde, so würde sich nach dem oberen Totpunkt ein Zylinderdruckverlauf gemäß der gestrichelten Linie im Diagramm oben rechts der 1 ergeben. Der Rampenstart RS ist also der Punkt, an dem sich der Ist-Zylinderdruckverlauf von der gestrichelten Linie trennt.
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Der Ist-Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist ist der Flächenschwerpunkt der Brennrate. Die Brennrate ist definiert als die Wärmefreisetzung pro Zeit und kann auch in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung entsprechend bestimmt werden. Über eine integrative Aufakkumulierung der Brennrate erhält man die Kurve der Wärmefreisetzung, über die der Verbrennungsflächenschwerpunkt bestimmt wird. Der Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist lässt sich also nicht unmittelbar aus dem Zylinderdruck oder anderen Sollvorgaben, sondern nur über die aufakkumulierte Brennrate bestimmen. Der Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist wird als ein Maß der Verbrennungseffizienz und/oder des Geräuschverhaltens angesehen. Somit ist es gefordert, dass der Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist auf einem bestimmten Sollwert VFSoll liegt.
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Um die pmiHD -Vorgabe zu erfüllen, muss der Druckanstieg über eine gewisse Länge stattfinden. Dieser Einflussfaktor wird als die Rampenlänge RL bezeichnet. Hierüber kann im Wesentlichen der pmiHD eingestellt werden. Ebenso ist der Rampenstart RS eine wichtige Einflussgröße für den indizierten Mitteldruck pmiHD der Hochdruckphase. Bei einem Rampenstart RS, der bspw. im gezeigten Ist-Zylinderdruckverlauf nach rechts verschoben laufen würde (in den Figuren nicht gezeigt), so würde die Verbrennung weniger effizient ablaufen. Es müsste also mehr Kraftstoff eingespritzt werden, um eine gewünschte Wärmefreisetzung zu erzielen. Somit sind diese beiden Einflussfaktoren signifikant relevant für den sich ergebenden Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist . Es wird eine Zylinderdruckanalyse durchgeführt, die zu dem Ist-Wärmefreisetzungsverlauf führt, der in 1 rechts im zweitobersten Diagramm gezeigt ist. Als eine weitere Vorgabegröße, die insbesondere bevorzugt nicht für die Bestimmung des simulierten Ist-Zylinderdruckverlaufs herangezogen wird, kann optional zusätzlich eine Sollgesamtenergie Qtotal,soll herangezogen werden. Die berechnete Ist-Wärmefreisetzung wird mit der Sollgesamtenergie Qtotal,soll korrigiert, wie dies in 1 im drittobersten Diagramm gezeigt ist und nachfolgend in Bezug auf 3 näher erläutert wird. Aus der Ist-Wärmefreisetzung ergibt sich der berechnete Ist-Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist . Dieser wird anschließend mit dem Soll-Flächenverbrennungsschwerpunkt VFSoll verglichen. Die sich darüber ergebende Abweichung wird der bereits erläuterten Steuerung der Bestimmung des simulierten Ist-Zylinderdruckverlaufs zugeführt. Dies kann optional über eine Regelung, wie, z.B., ein PID-Regelglied geschehen. Hierdurch können insbesondere der Rampenstart RS und/oder die Rampenlänge RL so verändert werden, dass sich in einem iterativen Verfahren eine Minimierung des Unterschieds der Verbrennungsflächenschwerpunkte VFist und VFSoll ergibt.
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Der hier betrachtete und optimierte Ist-Zylinderdruckverlauf ist eine fiktive Größe, die als Eingangsgröße für die Steuerung des Drucks der eigentlichen Verbrennung im Motor herangezogen wird. In anderen Worten: Die Verbrennung selbst wird so optimiert, dass die Abweichung zu dem simulierten Ist-Zylinderdruckverlauf minimiert wird. Das vorstehend erläuterte Verfahren kommt also komplett ohne verbrennungsspezifische Messwerte einer konkreten Verbrennung im Motor aus.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kamen die in 1 gestrichelt gezeichneten Pfeile nicht zum Einsatz, sondern die bislang beschriebene Optimierung geschieht iterativ. Alternativ dazu können der vorgegebene Wert des Soll-Verbrennungsflächenschwerpunkts VFSoll und insbesondere auch die Gesamtenergie Qtotal,soll als Eingangsgrößen der Steuerung zugeführt werden. Die Steuerung kann aus diesen Eingangswerten wie bspw. in einem tabellengestützten Verfahren den optimierten simulierten Ist-Zylinderdruckverlauf bestimmen. Intern kommt dabei bevorzugt ein Wert zum Einsatz, der dem Ist-Verbrennungsflächenschwerpunkt VFist entspricht und der für den Vergleich mit dem Soll-Verbrennungsflächenschwerpunkt herangezogen wird. Dieses Verfahren geschieht dann nicht notwendigerweise iterativ. Bei diesem Verfahren können stattdessen Soll-Zylinderdruckverläufe in einem Speicher abgelegt sein und in Verbindung mit Soll-Verbrennungsflächenschwerpunkten und weiteren bereits erläuterten Rahmen- und Sollbedingungen können daraus aus Tabellen geeignete Werte für den Rampenstart RS und die Rampenlänge RL und somit für den Ist-Zylinderdruckverlauf bestimmt werden.
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Der Verbrennungsflächenschwerpunkt ist, wie bereits erläutert, eine verbrennungsratenspezifische Größe, die nicht unmittelbar aus den vorgenannten Soll- bzw. Randbedingungen der Verbrennungssteuerung, sondern nur aus der Brennrate bestimmbar ist.
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In 2 ist ein Ablauf der iterativen Optimierung dargestellt. Kurz nach dem Kurbelwellenwinkel von 180° steigt der Zylinderdruck an. Dabei ist in hellgrau dargestellt ein erster Iterationsschritt 1 gezeigt. Bei diesen Simulationswerten ist die Ist-Gesamtenergie kleiner als die Soll-Gesamtenergie Qtotal,soll , sodass die Rampenlänge RL in den gezeigten iterativen Schritten bis zu dem dunkel dargestellten vierten Iterationsschritt 4 verlängert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel bleibt der Rampenstart RS unverändert, was aber nicht notwendigerweise bei allen Ausführungsformen so sein muss. Bevorzugt bleibt stets, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, der Gradient, bzw. Winkel αsoll des Druckanstiegs, unverändert. Als mögliche Einflussfaktoren können zudem die Abgasrückführungsrate AGR und der Raildruck variiert werden. Aus diesem Diagramm ist der Einfluss der Rampenlänge RL auf den indizierten Mitteldruck pmiHD der Hochdruckphase erkennbar. Der pmiHD steigt weitgehend linear mit einer ansteigenden Rampenlänge RL. Anders ausgedrückt wird hier gezeigt, dass bei den unterschiedlichen Iterationsstufen die Rampenlänge verändert wird, was seinerseits zu entsprechend unterschiedlichen pmiHD -Werten führt.
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3 zeigt zwei Fälle, die sich bei der Regelung ergeben können. Im oben gezeigten Fall ist die errechnete, bzw. originale Gesamtenergie größer als die Soll-Gesamtenergie Qtotal. In diesem Fall ist die errechnete Gesamtenergie zu reduzieren. Ein Beispiel, wie reduziert werden kann, ist in dieser Figur gezeigt. Dabei wird die originale Gesamtenergie auf den nachfolgenden Kurbelwellenwinkel auf die Sollenergiemenge begrenzt. Dies kann in dem Sinne als ein scharfer Cut bestimmt werden, dass die originale Gesamtenergie so bestimmt wird, dass sie so groß wie die Soll-Gesamtenergie ist.
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Der untere Teil der 3 zeigt den Fall, dass die Soll-Gesamtenergie Qtotal größer als die berechnete originale Gesamtenergie ist. Die notwendige Anpassung kann mathematisch bspw. durch eine Hochskalierung der berechneten Gesamtenergie erreicht werden. Bei einem einfachen Hochskalieren würde sich allerdings auch der Gradient des Druckanstieges αsoll verändern, der, wie bereits erläutert, für Dinge wie das Geräuschverhalten und die Verbrennungseffizienz relevant und somit nicht zu verändern ist. Folglich darf die Anpassung der Gesamtenergie erst ab dem Punkt durchgeführt werden, an dem der simulierte Druckverlauf die gerade Linie des Druckanstiegsgradienten verlässt (siehe dazu 2). Der angepasste Bereich wird auch als der Ausbrandbereich bezeichnet. Die Soll-Gesamtenergie sollte also bevorzugt nur ab diesem Punkt des maximalen Drucks verändert werden.
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Bezugszeichenliste
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- pmiHD
- Indizierter Mitteldruck der Hochdruckphase
- pMax,soll
- Spitzendrucklimitierung (Sollgröße)
- αSoll
- Gradient der Rampe im Druckverlauf (Sollgröße)
- pLade
- Ladedruck
- RS
- Rampenstart
- RL
- Rampenlänge
- VFist
- Ist-Verbrennungsflächenschwerpunkt
- VFsoll
- Soll-Verbrennungsflächenschwerpunkt
- Qtotal,soll
- Soll-Gesamtenergie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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