DE102020205452B4 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem,- wobei ein dem Verbrennungsmotor zugeführtes Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ) mit einem bekannten Anregungsmuster (10) moduliert wird,- bei welchem ein resultierendes Ausgangssignal (18) des Verbrennungsmotors erfasst wird,- wobei aus dem Anregungsmuster (10) und dem Ausgangssignal (18) ein Ähnlichkeitsmaß (corr) bestimmt wird,- wobei zur Bestimmung des Ähnlichkeitsmaßes (corr) das Anregungssignal (10) und das Ausgangssignal (18) miteinander zu einem Korrelationssignal (22) korreliert werden,- wobei das Ähnlichkeitsmaß (corr) mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen wird, und- wobei das Anregungsmuster (10) anhand des Vergleichsergebnisses derart variiert wird, dass eine Abweichung zwischen dem Ähnlichkeitsmaß (corr) und dem Grenzwert minimiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem und einen Verbrennungsmotor sowie eine Software auf einem Datenträger.
• Bei Betrieb eines Verbrennungsmotors wird der für die Verbrennung notwendige Kraftstoff mittels einer Kraftstoffpumpe zu einem Injektor oder Einspritzventil eines Kraftstoffeinspritzsystems geführt, und mit diesem beispielsweise in einen Zylinder (Brennkammer) eingespritzt.
• Zur Kostenreduzierung ist bei derartigen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Kleinmotoren, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren für einen Rasenmäher oder einen Stromgenerator, ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem, zum Beispiel in Form einer auch als Einpunkteinspritzung bezeichneten Zentralpunkteinspritzung (engl. Single Point Injection, SPI), vorgesehen. Unter einem Kleinmotor wird hier und im Folgenden insbesondere ein Viertakt-Motor mit mindestens einem Zylinder und einem Hubraum bis 1000 cm³ beziehungsweise 1000 ccm (Kubikzentimeter), insbesondere bis etwa 400 ccm, verstanden.
• Im Zuge der steigenden Anforderungen für Kleinmotoren hinsichtlich Emissionsrichtlinien und Funktionalitäten ist es wünschenswert, ein integriertes (Kraftstoff-) Einspritzsystem mit möglichst vollständigem Funktionsumfang bereitzustellen. Der Anwendungsbereich liegt insbesondere bei kleinen bis mittleren Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise handgetragenen Arbeitsgeräten, Stromgeneratoren, Rasenmähern oder kleinen Motorrädern, und weist eine entsprechend günstige Kostenstruktur, eine ausreichende Kompaktheit und einen hohen Integrationsgrad auf.
• Der Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere dessen Verbrennungsverlauf, Temperatur, Schadstoffemission und Wirkungsgrad, ist abhängig von dem aktuellen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch das Verbrennungsluftverhältnis, nachfolgend auch als Lambda (λ) bezeichnet, charakterisiert. Lambda ist eine dimensionslose Kennzahl, welche das Massenverhältnis von Luft zu Kraftstoff relativ zum stöchiometrisch idealen Verhältnis für einen theoretisch vollständigen Verbrennungsprozess angibt. Für eine vollständige Verbrennung ergibt sich somit ein Wert von λ = 1, wobei ein Wert kleiner Eins (λ < 1) einen „Luftmangel“ anzeigt, dies wird auch als ein fettes oder reiches Gemisch bezeichnet, und wobei ein Wert größer Eins (λ > 1) einen „Luftüberschuss“ anzeigt, welcher auch als mageres oder armes Gemisch bezeichnet wird.
• Ottomotoren werden in der Regel bei einer Gemischzusammensetzung von λ = 1 betrieben, so dass eine Abgasreinigung mit einem Drei-Wege-Katalysator möglich ist. Typischerweise ist hierbei vor dem Katalysator eine Lambda-Sonde oder ein Lambda-Sensor zur Erfassung der Gemischzusammensetzung angeordnet, deren(dessen) Signale an einen Gemischregler eines Motorsteuergeräts (Electronic Control Unit, ECU) gesendet werden. Der Gemischregler steuert und/oder regelt das Kraftstoffeinspritzsystem während des Motorbetriebs derart, dass die Gemischzusammensetzung möglichst bei λ = 1 ist. Der effizienteste Betrieb stellt sich hierbei bei einem leicht mageren Gemisch von etwa λ = 1,05 ein, wobei die höchste Motorleistung bei einem fetten Gemisch von circa λ =0,85 erreicht wird.
• Um bei Einspritzsystemen im Bereich der Kleinmotoren sinkende Emissionsgrenzwerte einzuhalten, insbesondere auch unter dem Aspekt einer attraktiven Kostenstruktur, können breitbandige oder auch schmalbandige Lambdasonden eingesetzt werden, was jedoch mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Denkbar sind auch gesteuerte Systeme mit einem offenen Regelkreis (Open Loop), beispielsweise in Form von Kennfeldern oder Abhängigkeiten, die für einen Motortyp vermessen und charakterisiert werden und somit im Betrieb keine kostenintensive Sensorik benötigen.
• Bei einem Verfahren zur Detektion der Gemischzusammensetzung ohne Lambda-Sensor (Lambda-Sonde) kann beispielsweise die Gemischzusammensetzung angeregt und die Stellung der Drosselklappe (Drosselstellung) beobachtet werden. Auch ist ein Verfahren denkbar, bei dem, insbesondere bei Zwei-Takt-Motoren, die Gemischzusammensetzung (Luft oder Kraftstoff) geändert und die Aktivität einer Drehzahlregelschaltung (z.B. der P-Anteil) beobachtet und interpretiert werden. Des Weiteren ist ein Verfahren denkbar, bei dem die Gemischzusammensetzung bei konstanter Last durch eine Drosselklappenstellung angeregt und ein Geschwindigkeitssignal interpretiert (ausgewertet) wird.
• Ferner könnte die Gemischzusammensetzung durch Muster-Anregung der Kraftstoffanteile bei aufeinander folgenden Arbeitstakten bestimmt werden. Dabei wird dem Drehzahlsignal ein charakteristisches Muster aufgeprägt, wobei aus dem charakteristischen Muster der absolute Wert des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses (Lambdawert) herausgelesen wird.
• Zur Detektion der Gemischzusammensetzung von Kleinmotoren können zur Anregung der Gemischzusammensetzung einzelne Sprünge oder periodische Muster verwendet werden, wobei im Anschluss entweder das Geschwindigkeitssignal des Motors direkt, das Geschwindigkeitssignal mit charakteristischer Form, die Reaktion der Drosselklappe (unter bestimmten Umständen) oder die Parameter einer Regeleinrichtung bei aktivem Drehzahlregler ausgewertet werden.
• Bei einer Anregung mit einem periodischen Anregungsmuster werden die Massenanteile von Kraftstoff und Luft während der Verbrennung periodisch variiert. Bei einer konstanten Motorbelastung führt dies im Idealfall zu einer periodischen Änderung der Motorgeschwindigkeit. Die Variation der Gemischzusammensetzung kann jedoch lediglich in einem schmalen Bereich durchgeführt werden, ohne dass der Verbrennungsmotor zu weit von einem gewünschten Betriebspunkt entfernt wird, wodurch auch die resultierende Geschwindigkeitsänderung begrenzt ist. Weiterhin wird die Motorgeschwindigkeit von weiteren Faktoren, wie beispielsweise durch eine ungleichmäßige Verbrennung, beeinflusst, so dass die Auswertung der Motorgeschwindigkeit als Reaktion auf das Anregungsmuster vergleichsweise schwierig ist.
• Aus der DE 10 2008 001 670 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zur sensorlosen Lambdaregelung bekannt. Dabei wird Kraftstoff zur Verbrennung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt. Eine erste Größe der Brennkraftmaschine wird ermittelt, die einen Rückschluss auf das Verhalten einer Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine, insbesondere eines Drehmoments, zulässt. Hierbei wird eine erste einzuspritzende Kraftstoffmenge vorgegeben und ein erster Wert der ersten Größe ermittelt, der sich infolge einer Kraftstoffeinspritzung gemäß der ersten einzuspritzenden Kraftstoffmenge ergibt. Ausgehend von der ersten einzuspritzenden Kraftstoffmenge wird die einzuspritzende Kraftstoffmenge im Verhältnis zu einer der Brennkraftmaschine zuzuführenden Luftmenge verändert, wobei ein zweiter Wert der ersten Größe ermittelt wird, der sich infolge der Änderung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge ergibt. Der erste Wert der ersten Größe wird mit dem zweiten Wert der ersten Größe verglichen. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird ein Wert für ein vor der Veränderung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge für die erste einzuspritzende Kraftstoffmenge vorliegendes Luft-/Kraftstoffgemischverhältnis unabhängig von einem Messwert eines den Sauerstoffgehalt im Abgas messenden Sensors ermittelt.
• In der DE 10 2013 218 903 A1 Verfahren zur Lambda- und Zündwinkelregelung für eine Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei ein optimiertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder ein optimierter Zündwinkel aus einem Merkmal, mit dem ein Schätzwert für ein Drehmoment bestimmt werden kann und das auf einer Auswertung einer Drehzahl einer Kurbelwelle in der Brennkraftmaschine basiert, bestimmt wird. Die Erfindung sieht weiterhin eine entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Motorsteuereinheit mit mindestens einer Reglereinheit und einer Speichereinheit zur Durchführung des Verfahrens vor. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass als Stellgröße eine eingespritzte Kraftstoffmenge oder der Zündwinkel von einem Verbrennungszyklus zu einem direkt oder indirekt folgenden nächsten Verbrennungszyklus zwischen verschiedenen Werten variiert und die Änderung des drehzahlbasierten Merkmals zur Drehmoment-Schätzung ausgewertet wird. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann erreicht werden, dass insbesondere bei Einzylinder-Brennkraftmaschinen, wie sie bei Krafträdern zum Einsatz kommen können, die Effizienz oder die maximale Leistung gesteigert oder die Emission von Schadstoffen reduziert oder ein möglichst optimaler Kompromiss zwischen allen Kriterien erzielt werden kann, insbesondere wenn beispielsweise keine zusätzlichen Sensoren, wie eine Lambdasonde, zur Verfügung stehen und/ oder sich Umgebungsbedingungen ändern
• Die DE 196 80 104 C2 offenbart ein Verfahren und ein System zum Steuern von Verbrennungsmotoren durch Bestimmen des momentanen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in den Brennräumen des Verbrennungsmotors, wobei ein lonisationssensor im Brennraum angeordnet ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Viertakt-Kleinmotors, anzugeben. Insbesondere soll ein geeignetes Verfahren zur sensorlosen Ermittlung der Zusammensetzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches eines Verbrennungsmotors realisiert werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem und einen besonders geeigneten Verbrennungsmotor mit einem solchen Kraftstoffeinspritzsystem sowie eine besonders geeignete Software auf einem Datenträger anzugeben.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftstoffeinspritzsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich des Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und hinsichtlich der Software mit den Merkmalen des Anspruchs 11 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen für das Kraftstoffeinspritzsystem und/oder für den Verbrennungsmotor und/oder für die Software insbesondere dadurch, dass diese ausgebildet sind, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Der Verbrennungsmotor ist hierbei beispielsweise ein Viertakt-Motor oder eine Viertakt-Maschine, vorzugsweise ein Kleinmotor, insbesondere ein Kleinmotor mit kleiner oder gleich 400 ccm und mit mindestens einem Zylinder, beispielsweise mit zwei oder vier Zylindern, und weist ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem auf.
• Verfahrensgemäß wird ein dem Verbrennungsmotor zugeführtes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem bekannten Anregungsmuster moduliert. Mit anderen Worten wird mittels des Kraftstoffeinspritzsystems eine bekannte Störung auf das zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch aufgeprägt oder aufgeschaltet. Vorzugsweise wird hierbei ein periodisches Anregungsmuster, also ein sich zeitlich wiederholendes Anregungsmuster, verwendet.
• Durch das insbesondere periodische Anregungsmuster wird die Gemischzusammensetzung, also das Masseverhältnis zwischen zugeführten Kraftstoff und Luft variiert, wodurch eine Veränderung der Motorleistung bewirkt wird. In der Folge tritt eine Änderung der Motorgeschwindigkeit oder Motordrehzahl auf. Erfindungsgemäß wird hierbei ein resultierendes Ausgangssignal des Verbrennungsmotors, beispielsweise ein Geschwindigkeitssignal, erfasst.
• Erfindungsgemäß werden das Anregungsmuster und das dadurch bewirkte Ausgangssignal gemeinsam ausgewertet. Als Anregungsmuster wird beispielsweise die zugeführte Kraftstoffmenge oder eine gleichwertige Filtermaske verwendet. Insbesondere wird hierbei aus dem Anregungsmuster und dem Ausgangssignal ein Ähnlichkeitsmaß bestimmt. Mit anderen Worten wird die Ähnlichkeit zwischen der Anregung der Gemischzusammensetzung und der resultierenden Veränderung eines Motorparameters bestimmt. Es wird also eine Übereinstimmung, Abweichung und/oder ein Zusammenhang zwischen dem Anregungsmuster und dem Ausgangssignal bestimmt.
• Das Ähnlichkeitsmaß wird anschließend mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen, wobei das Anregungsmuster anhand des Vergleichsergebnisses derart variiert wird, dass eine Abweichung zwischen dem Ähnlichkeitsmaß und dem Grenzwert minimiert wird. Der Grenzwertvergleich und die Variation werden vorzugsweise für jede Periode des Anregungsmusters durchgeführt, mit anderen Worten wird das Anregungsmuster periodisch verändert oder variiert. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors sowie insbesondere auch zur Ermittlung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisiert.
• Der Grenzwert charakterisiert insbesondere einen gewünschten oder vorgegebenen Arbeitspunkt. Dies bedeutet, dass durch das Verfahren im Betrieb des Verbrennungsmotors ein gewünschter oder vorgegebener Arbeitspunkt realisiert wird. Insbesondere erfolgt hierbei durch den Grenzwertvergleich eine adaptive Optimierung mittels welcher der Verbrennungsmotor zu einem gewünschten Arbeitspunkt gesteuert und/oder geregelt wird.
• Hierzu charakterisiert der Grenzwert beispielsweise einen Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors, bei welchem der Verbrennungsmotor die maximale Motorleistung liefert. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass der Grenzwert einen Magerpunkt oder Fettpunkt, also einen Arbeitspunkt mit einer gewünschten mageren oder fetten Gemischzusammensetzung charakterisiert. Weiterhin ist denkbar, dass der Grenzwert einem charakteristischen Lambda-Wert entspricht, welcher sich aus dem Fettpunkt, dem Magerpunkt und dem Arbeitspunkt der maximalen Motorleistung beispielsweise durch Mittelung bestimmt.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Gemischzusammensetzung in jedem beliebigen Arbeitspunkt detektiert werden kann. Bei einem periodischen Anregungsmuster ist weiterhin eine Auswertung mehrerer Perioden, insbesondere durch eine Aufsummierung oder Mittelung über mehrere Perioden, des Anregungsmusters möglich, wodurch die Gemischzusammensetzung nur gering angeregt werden muss. Mit anderen Worten ist lediglich eine geringe Störung des Motorbetriebs notwendig, um ein für die Steuerung und/oder Regelung geeignetes Ähnlichkeitsmaß zu bestimmen.
• Nachdem die Gemischzusammensetzung angeregt worden ist, wird in jedem Fall eine Änderung zu detektieren sein, die sich auf die abgegebene Leistung des Motors zurückführen lässt. Abhängig von der aktuellen Gemischzusammensetzung wird durch die Anregung eine größere oder eine kleine Änderung der abgegebenen Leistung hervorgerufen. Die Erkenntnisse aus der Leistungsänderung sind für eine bestimmte Anregung der Gemischzusammensetzung auf die Lambda-Leistungskurve anwendbar, so dass die aktuelle Gemischzusammensetzung ermittelbar ist.
• Grundlage des Verfahrens, bei dem keine zusätzlichen Sensoren zur Bestimmung der Gemischzusammensetzung benötigt werden, ist eine Anregung des Motorlaufs durch eine definierte Störgrößenaufschaltung der Einspritzmenge. Während der Anregung werden die Reaktion des Motorlaufs beispielsweise durch einen Algorithmus analysiert und Rückschlüsse auf das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis gezogen. Somit kann, ohne die Notwendigkeit eines Hardware-Sensors, ein Motorbetrieb im applikationsbestimmen Lambda-Bereich realisiert werden.
• Das Verfahren kann unter anderem mit einem mechanischen und mit einem elektronischen Drehzahlregler sowie bei unterschiedlichen Trägheitsmomenten der Schwungscheibe hinsichtlich Funktion, Genauigkeit und benötigter Zeit an einem Einzylinder 4-Takt Ottomotor durchgeführt werden.
• Hauptziel dieses Verfahrens ist es, bei Motoren ohne Lambdasonde den Einflüssen während der Produktlebensdauer entgegenzuwirken und diese zu kompensieren, sodass die kalibrierten und gewünschten Luftzahlen, also die hinterlegten Grenzwerte, für die jeweiligen Betriebszustände über die gesamte Produktlebensdauer gewährt werden können.
• Allgemein können Auswirkungen von Fertigungstoleranzen, Verschleiß und Alterung reduziert werden. Speziell können Fehlern in der Kraftstoffzufuhr (wie zum Beispiel ein Abfall des Kraftstoffdrucks oder eine zugesetzte Einspritzdüse) und Abweichungen in der Luftversorgung (wie zum Beispiel ein verstopfter Luftfilter oder Höhenkompensation) entgegengewirkt oder aber eine Veränderung der Kraftstoffqualität kompensiert werden.
• Erfindungsgemäß werden das Anregungssignal und das Ausgangssignal zur Bestimmung des Ähnlichkeitsmaßes miteinander zu einem Korrelationssignal korreliert. Mit anderen Worten ist das Ähnlichkeitsmaß im Wesentlichen durch das Korrelationssignal gebildet, welches sich bei einer mathematischen Korrelation des Anregungssignals und des Ausgangssignals ergibt. Dadurch ist der Einfluss oder die Auswirkung des Anregungssignals beziehungsweise der Änderung der Gemischzusammensetzung auf das Ausgangssignal einfacher bestimmbar, wodurch in der Folge eine zuverlässigere Bestimmung und Ermittlung der Gemischzusammensetzung ermöglicht ist. Zudem gehen durch die Korrelation über einen längeren Zeitraum ein Rauschen und zyklische Drehzahl- oder Geschwindigkeitsänderungen geringer gewichtet in die Bewertung der Gemischzusammensetzung ein. Insgesamt ist dadurch ein System mit robusteren Eigenschaften gegeben.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt mittels des Anregungsmusters insbesondere eine periodische Anregung der Gemischzusammensetzung in definierter Form. Zur Interpretation der aktuellen Gemischzusammensetzung wird durch mathematische Korrelation zweier Signalverläufe die Ähnlichkeit zwischen diesen Signalen bewertet.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Bestimmung des Ähnlichkeitsma-ßes eine Kreuzkorrelation zwischen dem Anregungsmuster und dem Ausgangssignal durchgeführt. Insbesondere wird hierbei eine diskrete Kreuzkorrelation (cross-correlation series, CCS) verwendet.
• Aus dem berechneten Korrelationssignal, welches die Ähnlichkeit zwischen der Anregung der Gemischzusammensetzung und dem Geschwindigkeitssignal darstellt, können die benötigten Informationen entnommen werden. Grundsätzlich lässt sich durch die Position der Maxima und Minima auf ein fettes oder mageres Gemisch schließen, d. h. ob der aktuelle Betriebspunkt des Motors über oder unter dem maximalen Leistungspunkt liegt. Die genauere Zuordnung der Gemischzusammensetzung kann durch die Auswertung der Korrelationsamplituden umgesetzt werden. Vorzugsweise wird daher die Amplitude des Korrelationssignals mit dem Grenzwert verglichen.
• In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird als Anregungsmuster eine periodische Variation einer Einspritzdauer (Einspritzzeit) oder Injektionsdauer des Kraftstoffeinspritzsystems verwendet. Bei einer längeren Einspritzdauer wird eine entsprechend größere Menge an Kraftstoff zugeführt. Das Anregungsmuster ist somit insbesondere eine Folge von rechteckförmigen Einspritzpulsen, deren zeitliche Breite variiert wird. Mit anderen Worten erfolgt die Veränderung der Einspritzmenge insbesondere nach Art einer Pulsweitenmodulation (PWM). Dadurch ist eine einfache und zuverlässige Änderung der Gemischzusammensetzung realisierbar.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung wird während jeder Periode des Anregungsmusters für eine erste Anzahl von Einspritzzyklen eine erste Einspritzdauer, also eine erste Gemischzusammensetzung, und für eine darauffolgende zweite Anzahl von Einspritzzyklen eine zweite Einspritzdauer verwendet, welche sich von der ersten Einspritzdauer unterscheidet. Eine Periode des Anregungsmusters umfasst somit zwei unterschiedliche Gemischzusammensetzungen, welche aufeinanderfolgend jeweils für mehrere Einspritzzyklen wiederholt wird. Das Anregungsmuster weist somit einen rechteckartigen oder stufenförmigen Verlauf auf. Dadurch ist ein hinsichtlich der Bestimmung des Ähnlichkeitsmaßes, insbesondere hinsichtlich der Bestimmung des Korrelationssignals, besonders vorteilhaftes Anregungsmuster realisiert.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der ersten Einspritzzyklen gleich der Anzahl der zweiten Einspritzzyklen ist. Mit anderen Worten werden gleich viele Wiederholungen mit der ersten Einspritzdauer als auch mit der zweiten Einspritzdauer, beispielsweise jeweils zehn Wiederholungen, ausgeführt. Eine Periode des Anregungssignals ist somit in zwei gleiche Periodendauern unterteilt. Dadurch ist eine besonders einfache und aufwandsreduzierte Bestimmung des Ähnlichkeitsmaßes beziehungsweise des Korrelationssignals ermöglicht.
• Um die für die Berechnung des Korrelationswertes oder Korrelationssignals benötigte Zeit zu optimieren, wird für die Injektionsdauer geeigneterweise eine repräsentative Signalreihe der gleichen Form genommen. Die Periodendauer ist in beiden Signalen identisch, wobei die Amplitudenwerte als minus eins für die erste Hälfte der Periode und plus eins für die zweite Hälfte der Periode definiert sind. Auf diese Weise bleibt die Signalform erhalten, während die Korrelationsrechnung mit zeitoptimierten Rechenverfahren daraus abgeleitet werden kann.
• Zur Detektion der Gemischzusammensetzung wird beispielsweise eine Ähnlichkeit zwischen der Anregung der Gemischzusammensetzung und des resultierenden Geschwindigkeitsverlaufs bewertet. Mit anderen Worten ist das Ausgangssignal beispielsweise ein Geschwindigkeitssignal des Verbrennungsmotors.
• In einer bevorzugten Anwendung wird insbesondere ein Drehzahlsignal einer resultierenden Drehzahl als Ausgangssignal verwendet. Mit anderen Worten wird zur Detektion der Gemischzusammensetzung beispielsweise eine Drehzahlregeleinrichtung beobachtet. Die Beobachtung erfolgt während der Anregung der Gemischzusammensetzung. Bewertet werden insbesondere Regelanteile und/oder eine Stellgröße.
• In einer besonders geeigneten Ausbildung des Verfahrens wird das Anregungsmuster zusätzlich zum Vergleichsergebnis anhand einer aktuellen Motorbelastung variiert. Durch die zusätzliche Bewertung der aktuellen Belastung des Verbrennungsmotors wird eine besonders genaue Detektion der Gemischzusammensetzung erreicht. Dies bedeutet, dass im Zuge der Ermittlung der Gemischzusammensetzung zusätzlich die vom Motor abgeforderte Leistung in Relation gesetzt wird. Dadurch kann die ermittelte Zusammensetzung mit deutlich verbesserter Genauigkeit angegeben werden. Des Weiteren wird die benötigte Zeitdauer zur Minimierung der Abweichung deutlich reduziert. Grund hierfür ist das nicht konstante Verhalten der Lambda-Leistungskurve bei verschieden angeforderten Lasten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für eine adaptive Optimierung der Gemischzusammensetzung geeignet. Mit anderen Worten wird das Verfahren vorzugsweise im Zuge des Betriebs des Verbrennungsmotors zu dessen Steuerung und/oder Regelung verwendet. Hierbei sind im Wesentlichen zwei Varianten denkbar.
• In der ersten Variante wird ein Arbeitspunkt der maximalen Motorleistung bestimmt. Dies bedeutet, dass der hinterlegte Grenzwert insbesondere dem Arbeitspunkt maximaler Motorleistung entspricht. Hierzu wird ausgehend von einem beliebigen Arbeitspunkt das periodische Anregungsmuster ausgeführt. Anhand der Positionen der Maxima des Korrelationssignals kann bestimmt werden, ob der Anfangswert beziehungsweise der anfängliche Arbeitspunkt im mageren oder im fetten Bereich liegt. Verfahrensgemäß wird dann die Grundeinspritzmenge nach jeder Anregungs- oder Stimulationsperiode so verändert, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch zum Punkt der maximalen Leistung hin tendiert. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis sich die Korrelationsamplitude dem Grenzwert nähert. Die Lambda-Leistungskurve weist ein Plateau bei der maximalen Leistung auf, so dass der Grenzwert insbesondere gleich Null ist. Im Zuge der Minimierung der Abweichung zwischen der Korrelationsamplitude und dem Grenzwert wird dieses Plateau aus einer Richtung erreicht. Um die Ergebnisse zu verbessern, wird nun das Maximum überschritten, gefolgt von einer iterativen Konvergenz aus der anderen Richtung. Aus den beiden so ermittelten Betriebspunkten kann schließlich der gewünschte Punkt der maximalen Leistung berechnet werden.
• In der zweiten Variante wird ein Arbeitspunkt im mageren oder fetten Bereich des Verbrennungsmotors bestimmt. Dies bedeutet, dass der hinterlegte Grenzwert insbesondere einem mageren oder fetten Arbeitspunkt entspricht. Es wird also eine Magersuche oder Fettsuche durchgeführt. Diese Variante beginnt ebenfalls bei einem willkürlichen Anfangs-Lambda mit periodischer Anregung der Kraftstoffmenge. Mit Beginn des Suchlaufs beziehungsweise des Verfahrens wird nach jeder Anregungsperiode die Einspritzdauer und somit die Grundeinspritzmenge erhöht, bis eine Information über das aktuelle Luft-Kraftstoff-Gemisch gewonnen werden kann. Nun wird eine Auswertung über die Abfolge von Korrelationsmaxima und -minima durchgeführt, um zu sehen, ob die gesuchte Kombination in dieser Richtung zu finden ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Gemisch iterativ magerer gemacht, bis die gesuchten Kriterien im Korrelationssignal, der Reihenfolge und der Amplitude der Maxima erreicht sind. Da das Ergebnis der Korrelation beziehungsweise des Grenzwertvergleichs erst nach einer gewissen Zeit interpretiert werden kann, werden die gesuchten Kriterien mehrfach mit immer kleineren Schwankungen der Basiseinspritzmenge überprüft. Nachdem diese alternierende Konvergenz in kleinen Schritten abgeschlossen ist, kann der Korrekturwert beibehalten und der Motor mit einem neuen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden.
• In einer möglichen Weiterbildung ist eine elektronisch geregelte und/oder gesteuerte Drosselklappe des Verbrennungsmotors oder des Kraftstoffeinspritzsystems vorgesehen, welche während des Verfahrens festgestellt wird. Dabei wird geeigneterweise ein Verhalten eines (mechanischen) Drehzahlreglers aus den Untersuchungen ausgeschlossen.
• Während der Anregung, also während das Verfahren aktiv ist, wird die elektronische Drosselklappe „festgestellt“. Mit anderen Worten wird die Drehzahl während dieser Zeit nicht ausregelt. Das hat den Vorteil, dass das Ausgangs- oder Antwortsignal, also das resultierende Signal aufgrund des Anregungsmusters größer wird, da die Drehzahlregelfunktion ausgeschaltet ist. Für das Ähnlichkeitsmaß bedeutet dies eine Vergrößerung des Nutzsignales, so dass das Verfahren bei gleicher Anregungshöhe und Grenzwerten schneller durchgeführt werden kann, da weniger Arbeits- oder Einspritzzyklen durchlaufen werden müssen, oder dass bei gleicher Anzahl von Arbeitszyklen die Anregungshöhe verringert werden kann, wodurch der Motorenlauf weniger gestört wird beziehungsweise die Amplitude der Anregung beziehungsweise des Anregungsmusters verringerbar ist.
• Wenn während des Verfahrens eine starke Drehzahlschwankung erfolgt, welche nicht durch die Anregung hervorgerufen wird, dann ist dies in der Regel durch starke Lasteinwirkungen zu erklären, wobei das Verfahren vorzugsweise beendet oder abgebrochen oder unterbrochen (pausiert) wird, so dass und die Drehzahlregelung den Lastsprung ausregeln kann. Das Verfahren wird anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer erneut gestartet oder fortgeführt.
• Das erfindungsgemäße elektronische Kraftstoffeinspritzsystem ist für einen Verbrennungsmotor vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Das Kraftstoffeinspritzsystem weist hierbei einen Controller (das heißt eine Steuereinheit) zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens auf. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Kraftstoffeinspritzsystem übertragbar und umgekehrt.
• Dadurch ist ein besonders geeignetes Kraftstoffeinspritzsystem realisiert. Insbesondere ist hierbei ein integriertes Kraftstoffeinspritzsystem mit hohem Funktionsumfang bereitgestellt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, dass stets ein gewünschter Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors realisierbar ist, so dass Anforderungen des Verbrennungsmotors hinsichtlich Emissionsrichtlinien und Funktionalitäten zuverlässig eingehalten werden.
• Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, das Anregungsmuster zu erzeugen und das resultierende Ausgangssignal zu erfassen, und aus diesen Signalen ein Ähnlichkeits- oder Korrelationsmaß zu bestimmen. Das berechnete oder bestimmte Ähnlichkeitsmaß wird anschließend mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen, und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses das Anregungsmuster derart variiert, dass die Abweichung zum Grenzwert minimal wird.
• In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
• Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist insbesondere als ein Viertakt-Kleinmotor, insbesondere kleiner oder gleich 400 ccm, mit mindestens einem Zylinder, beispielsweise mit zwei oder vier Zylindern, ausgeführt. Der Verbrennungsmotor ist hierbei beispielsweise in handgetragenen Arbeitsgeräten, Stromgeneratoren, Rasenmähern oder kleinen Motorrädern einsetzbar.
• Der Verbrennungsmotor weist hierbei ein vorstehend beschriebenes elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem auf. Die im Hinblick auf das Verfahren und/oder das Kraftstoffeinspritzsystem angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Verbrennungsmotor übertragbar und umgekehrt. Dadurch ist ein besonders geeigneter Verbrennungsmotor realisiert.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Software auf einem Medium oder Datenträger zur Durchführung oder Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor. Dies bedeutet, dass die Software auf einem Datenträger hinterlegt ist, und zur Ausführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen, sowie dafür geeignet und ausgestaltet ist. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder dem Kraftstoffeinspritzsystem und/oder dem Verbrennungsmotor sinngemäß auch für die Software und umgekehrt. Dadurch ist eine besonders geeignete Software für den Betrieb eines Verbrennungsmotors realisiert, mit welcher die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch implementiert wird. Die Software ist somit insbesondere eine Betriebssoftware (Firmware), wobei der Datenträger beispielsweise ein Datenspeicher des Controllers ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
• 1 in schematischer und vereinfachter Darstellung ein Diagramm hinsichtlich dem Zusammenhang aus Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Motordrehzahl bei einer gleichbleibenden Motorlast,
• 2 in schematischer und vereinfachter Darstellung eine Bestimmung eines Korrelationssignals,
• 3 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf von Lambda, Einspritzdauer und Korrelationssignal bei einem erfindungsgemäßen Verfahren,
• 4 ein Lambda-Drehzahl-Diagramm für unterschiedliche Motorlasten,
• 5 ein Lambda-Drehzahl-Motorlast-Diagramm, und
• 6 ein Diagramm für den zeitlichen Verlauf von Lambda, Drosselklappenstellung, Einspritzdauer und Drehzahl mit und ohne erfindungsgemäßen Verfahren.
• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 zeigt in schematischer und vereinfachter Darstellung den Zusammenhang aus Kraftstoff-Luft-Gemisch λ zur abgegebenen Leistung P respektive der Motordrehzahl n eines nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors bei gleicher Motorlast. Dieser Zusammenhang liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gemischregulierung und zum Betrieb des Verbrennungsmotors zugrunde. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird nachfolgend auch als Lambda oder Gemischzusammensetzung λ bezeichnet.
• Das Diagramm der 1 umfasst vier Abschnitte 2, 4, 6 und 8. Der Abschnitt 2 zeigt ein schematisches und vereinfachtes Einspritzdauer-Zeit-Diagramm, bei welchem horizontal, also entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Zeit t, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) eine Einspritz- oder Injektionsdauer tein eines Kraftstoffeinspritzsystems des Verbrennungsmotors aufgetragen ist. Der Abschnitt 4 zeigt ein schematisches und vereinfachtes Einspritzdauer-Lambda-Diagramm, bei welchem horizontal die Gemischzusammensetzung λ und vertikal die Einspritzdauer tein aufgetragen ist. In dem Abschnitt 6 ist ein schematisches und vereinfachtes Motorleistung-Lambda-Diagramm dargestellt, bei welchem horizontal die Gemischzusammensetzung λ und vertikal die Motorleistung P gezeigt ist. Der Abschnitt 8 zeigt ein schematisches und vereinfachtes Motordrehzahl-Zeit-Diagramm, bei welchem horizontal die Zeit t und vertikal die Motordrehzahl n aufgetragen ist.
• Durch eine gezielte Beeinflussung der Gemischzusammensetzung, hier dargestellt durch eine periodische Stimulierung der Einspritzzeit oder Einspritzdauer tein mittels eines Anregungsmusters 10, bewegt sich ein Betriebspunkt auf den schematisch dargestellten strichlinierten Linien. Für den dargestellten Fall ergibt sich bei höherer Einspritzzeit oder Einspritzdauer tein ein fetteres Gemisch. Der Betriebspunkt entfernt sich damit vom maximalen Leistungspunkt. Als Resultat reduziert sich für die Zeit t mit erhöhter Einspritzzeit tein die Motordrehzahl n.
• Es können z. B. zyklische Änderungen der Einspritzzeit, im 2-Taktbereich z. B. mit der Drehzahlbegrenzung oder der Variation des Zündzeitpunktes, vorgenommen werden. Im Anschluss werden entweder das Geschwindigkeitssignal des Motors direkt, die Geschwindigkeitsdiskrepanz zwischen einzelnen Zylindern, die Reaktion der Drosselklappe unter bestimmten Randbedingungen oder aber die Parameter einer Regeleinrichtung bei aktivem Drehzahlregler herangezogen, um Informationen zu gewinnen bzw. das Systemverhalten zu beurteilen.
• Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Signalauswertung. Die 2 umfasst drei Abschnitte 12, 14 und 16.
• In dem Abschnitt 12 ist ein schematisches und vereinfachtes Motordrehzahl-Zeit-Diagramm dargestellt, bei welchem horizontal die Zeit t, und vertikal die Motordrehzahl n gezeigt ist. Die Zeit t ist beispielsweise in Sekunden (s) und die Motordrehzahl n in Einheiten von Umdrehungen pro Minute (engl.: rounds per minute, RPM) aufgetragen. In dem Abschnitt 12 ist ein periodischer Verlauf 18 der Motordrehzahl n aufgrund des Anregungsmusters 10 gezeigt. Der Verlauf 18 ist hierbei für fünf Perioden T dargestellt, wobei lediglich eine Periode T beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen ist.
• Der Abschnitt 14 zeigt eine Periode des periodischen Anregungsmusters 10 oder einer gleichwertigen Filtermaske beziehungsweise eines Ersatzsignals, welches die Einspritzdauer tein darstellt. Entlang der horizontalen Achse ist eine Anzahl von Einspritzzyklen Nein aufgetragen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird für zehn Einspritzzyklen Nein eine vergleichsweise kurze Einspritzdauer tein und anschließend für zehn Einspritzzyklen Nein eine vergleichsweise lange Einspritzdauer tein ausgeführt.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Interpretation des Systemverhaltens nicht durch die Betrachtung des Drehzahlsignals 18 allein, sondern durch die Korrelation von Einspritzsignal 10 zu resultierendem Drehzahlsignal 18. Mit anderen Worten wird die Ähnlichkeit zwischen diesen Signalen beurteilt.
• Das Anregungsmuster 10 beziehungsweise die Einspritzdauerreihe und das dadurch bewirkte Drehzahlsignal 18 werden mittels einer diskreten Kreuzkorrelation 20 zu einem Korrelationssignal 22 als Ähnlichkeitsmaß korreliert, um die insbesondere lineare Beziehung zwischen den Signalen und somit den Einfluss der periodischen Änderung der Massenverhältnisse besser erkennen zu können. Beispielsweise wird hierbei eine Kreuzkorrelation ohne Normierung verwendet. Das Korrelationssignal 22 berechnet sich hierbei nach der Beziehung: $$coor\left[N\right]={\displaystyle \sum _{i=1+N-FT}^{N}tein\left[i\right]\ast n\left[i\right]}$$

  

  wobei coor[N] der Korrelationswert und N der Arbeitszyklus ist, für welchen die Korrelation berechnet wird, und wobei T die Periodendauer der Berechnung und F die Anzahl der berücksichtigten Perioden ist.
• Veranschaulicht man sich die Berechnung, so wird das idealisierte Drehzahlsignal 18 des Motors mit einer Filtermaske 10 korreliert, so stellt sich im Ergebnis in idealisierter Form das in Abschnitt 16 dargestellte Dreiecksignal dar. Die Filtermaske wird bildlich über das Motorsignal 18 von links nach rechts geschoben. Die Länge der Maske hat Einfluss auf die Filterwirkung, aber auch auf die Performance der Berechnung.
• Um die für die Berechnung des Korrelationswertes corr benötigte Zeit zu optimieren, wird eine repräsentative Signalreihe der gleichen Form für die Einspritzdauer tein genommen. Die Periodendauer T ist in beiden Signalen 10, 18 identisch, wobei die Amplitudenwerte als minus eins für die erste Hälfte der Periode und plus eins für die zweite Hälfte der Periode definiert sind. Auf diese Weise bleibt die Signalform erhalten, während die Korrelationsrechnung mit zeitoptimierten Rechenverfahren daraus abgeleitet werden kann.
• Hinsichtlich der Totzeit des Korrelationssignals 22 beim Start, für die kein Korrelationswert corr berechnet wird, sei angemerkt, dass die Berechnung des Korrelationswertes corr eines Arbeitszyklus N stets aus der Summe der zu berücksichtigenden Vorperioden gebildet wird. Im gezeigten Beispiel wird eine Periode T, die zwanzig (20) Arbeits- oder Einspritzzyklen entspricht, zur Berechnung herangezogen. Dies bedeutet, dass die erste Berechnung erst nach einer Periode T erfolgen kann.
• Durch die Analyse des berechneten Korrelationssignals 22 ist es möglich Informationen über das aktuelle Luft-Kraftstoff-Gemisch λ abzuleiten. Es wird hierbei vorzugsweise stets lediglich eine (gemittelte) Periode T interpretiert. Auf diese Weise kann die Reihe von Maxima und Minima als Indikator für ein mageres oder fettes Gemisch verwendet werden. Die Höhe oder Amplitude des Korrelationssignals 22 gibt hierbei Auskunft darüber, wie weit der aktuelle Betriebspunkt von der maximalen Motorleistung (Plateau in Abschnitt 6 der 1) entfernt ist.
• Erfindungsgemäß wird das Ähnlichkeitsmaß beziehungsweise das Korrelationssignal 22, insbesondere dessen Amplitude, mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen, wobei das Anregungsmuster 10 anhand des Vergleichsergebnisses derart variiert wird, dass eine Abweichung zwischen der Amplitude des Korrelationssignals 22 und dem Grenzwert minimiert wird. Der nicht näher bezeichnete Grenzwert charakterisiert insbesondere einen gewünschten oder vorgegebenen Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors.
• Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Gemischzusammensetzung λ in jedem beliebigen Arbeitspunkt detektiert werden kann. Zudem muss die Gemischzusammensetzung λ nur gering angeregt werden, da nicht das Geschwindigkeitssignal direkt ausgewertet wird und durch die Korrelation 20 über einen längeren Zeitraum Rauschen und zyklische Drehzahländerungen geringer gewichtet in die Bewertung der Gemischzusammensetzung λ eingehen, was der Robustheit des Systems zugutekommt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für eine adaptive Optimierung der Gemischzusammensetzung λ während des Motorbetriebs geeignet. Hierbei sind im Wesentlichen zwei Varianten denkbar.
• In der ersten Variante wird ein Arbeitspunkt der maximalen Motorleistung bestimmt. Dies bedeutet, dass der hinterlegte Grenzwert insbesondere dem Arbeitspunkt maximaler Motorleistung entspricht. Hierzu wird ausgehend von einem beliebigen Arbeitspunkt das periodische Anregungsmuster 10 ausgeführt. Anhand der Positionen der Maxima des Korrelationssignals 22 wird bestimmt, ob der Anfangswert beziehungsweise der anfängliche Arbeitspunkt im mageren oder im fetten Bereich liegt. Verfahrensgemäß wird dann die Grundeinspritzmenge nach jeder Anregungs- oder Stimulationsperiode T so variiert, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch λ zum Punkt der maximalen Leistung hin tendiert. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis sich die Korrelationsamplitude dem Grenzwert nähert. Die Lambda-Leistungskurve (Abschnitt 6 der 1) weist ein Plateau bei der maximalen Motorleistung P auf, so dass der Grenzwert insbesondere im Wesentlichen gleich Null oder zumindest minimal ist. Im Zuge der Minimierung der Abweichung zwischen der Korrelationsamplitude und dem Grenzwird wird dieses Plateau aus einer Richtung erreicht. Um die Ergebnisse zu verbessern, wird nun das Maximum überschritten, gefolgt von einer iterativen Konvergenz aus der anderen Richtung. Aus den beiden so ermittelten Betriebspunkten wird schließlich der gewünschte Punkt der maximalen Leistung berechnet. Abschließend wird die Einspritzdauer tein so eingestellt, dass der Verbrennungsmotor an dem Arbeitspunkt der maximalen Motorleistung P betrieben wird.
• In der zweiten Variante wird ein Arbeitspunkt im mageren oder fetten Bereich des Verbrennungsmotors eingestellt und/oder geregelt. Dies bedeutet, dass der hinterlegte Grenzwert insbesondere einem mageren oder fetten Arbeitspunkt entspricht. Es wird also eine Magersuche oder Fettsuche durchgeführt. Diese Variante beginnt ebenfalls bei einem aktuellen Anfangs-Lambda mit periodischer Anregung der zugeführten Kraftstoffmenge. Mit Beginn des Verfahrens wird nach jeder Anregungsperiode T die Einspritzdauer tein und somit die Grundeinspritzmenge erhöht, bis eine Information über das aktuelle Luft-Kraftstoff-Gemisch λ vorliegt. Anschließend wird eine Auswertung über die Abfolge von Korrelationsmaxima und - minima im resultierenden Korrelationssignal 22 durchgeführt, um zu sehen, ob die gesuchte Kombination in dieser Richtung zu finden ist. Ist dies nicht der Fall, wird das Gemisch iterativ magerer gemacht, bis die gesuchten Kriterien im Korrelationssignal 22, der Reihenfolge und der Amplitude der Maxima erreicht sind. Da das Ergebnis der Korrelation beziehungsweise des Grenzwertvergleichs erst nach einer gewissen Zeit interpretiert werden kann, werden die gesuchten Kriterien mehrfach mit immer kleineren Variationen zu der Basiseinspritzmenge überprüft. Nachdem diese alternierende Konvergenz in kleinen Schritten abgeschlossen ist, kann der entsprechende Korrekturwert der Einspritzdauer beibehalten und der Motor mit einem neuen Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ betrieben werden.
• Das vorstehend beschriebene Verfahren gemäß der ersten Variante ist nachfolgend anhand der 3 beispielhaft für einen Einzylinder 4-Takt Ottomotor kleiner bis mittlerer Motorklasse (ca. 400ccm) näher erläutert.
• Die 3 umfasst drei Abschnitte 24, 26 und 28, welche vertikal übereinander angeordnet sind. Die in den Abschnitten 24, 26 und 28 gezeigten Diagramme weisen eine gemeinsame horizontale Achse auf, entlang welcher die Zeit t in Einheiten von Sekunden aufgetragen ist. Der Abschnitt 24 zeigt ein Lambda-Zeit-Diagramm in welchem ein zeitlicher Verlauf 30 für die Gemischzusammensetzung λ während des Verfahrens dargestellt ist. in dem Abschnitt 26 ist das Anregungssignal 10 der Einspritzdauer tein in einem Einspritzdauer-Zeit-Diagramm gezeigt. Der unterste Abschnitt 28 zeigt das Korrelations-Zeit-Diagramm mit dem Verlauf des Korrelationssignals 22 für das Verfahren.
• Während einer ersten Zeitdauer dt1 befindet sich der Motor in seinem Ausgangszustand, der sich im fetten Bereich befindet. Am Ende der Zeitdauer dt1 wird der erfindungsgemäße Algorithmus aktiviert, und somit das Verfahren gestartet. Beispielsweise wird das Verfahren mittels einer (Betriebs-)Software eines Controllers, beispielsweise eines Motorsteuergeräts oder des Kraftstoffeinspritzsystems, ausgeführt. Während der Zeitdauer dt2 wird das Verfahren mit einer zyklischen Kraftstoffanreicherung in Richtung fettere Betriebspunkte ausgeführt, bis die Software Rückschlüsse auf die aktuelle Arbeitspunkt-Position ziehen kann. Hierbei wird die Kraftstoffmenge schrittweise zyklisch erhöht. Wird von dem Algorithmus erkannt, dass er sich im fetten Bereich befindet, wird anschließend während einer Zeitdauer dt3 das Gemisch schrittweise abmagert, bis durch Auswertung des Korrelationssignals 22 die eingestellten Grenzwerte erreicht werden. Dies ist zu Beginn der Zeitdauer dt4 der Fall. Ab hier wird in feineren Schrittweiten um die definierten Grenzwerte gependelt, bis der Optimierungslauf durchlaufen ist und ein neuer Betriebspunkt eingestellt wurde. Somit wurde das Luft-Kraftstoffgemisch von einem Startwert von ca. 0,775 Lambda (λ) auf ca. 0,83 Lambda (λ) optimiert.
• Geeigneterweise wird das Anregungsmuster 10 in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses der Korrelationsamplitude und des Grenzwerts sowie in Abhängigkeit einer aktuellen Motorbelastung MB variiert. Mit anderen Worten wird bei der Ermittlung der Gemischzusammensetzung und bei der Variation des Anregungsmusters 10 zusätzlich die Motorleistung in Relation gesetzt wird. Durch die zusätzliche Bewertung der aktuellen Belastung des Verbrennungsmotors wird eine besonders genaue Detektion der Gemischzusammensetzung λ erreicht. Die 4 zeigt hierbei ein Drehzahl-Lambda-Diagramm, in welchem vier Verläufe 32, 34, 36, 38 für unterschiedliche Motorbelastungen MB dargestellt sind. Der Verlauf 32 entspricht hierbei einer vergleichsweise niedrigen Motorlast, wobei die Verläufe 34 und 36 zwei unterschiedliche mittlere Motorbelastungen zeigen, und wobei der Verlauf 38 eine hohe Last zeigt.
• In der 5 ist ein dreidimensionales Korrelations-Motorbelastung-Lambda-Diagramm gezeigt, bei welchem entlang der Abszissenachse (X-Achse), die Gemischzusammensetzung λ, und entlang der Ordinatenachse (Y-Achse) die Motorbelastung MB in Prozent, sowie entlang der Applikatenachse (Z-Achse) die Korrelation corr aufgetragen ist. Die darin gezeigte Fläche 40 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der Korrelationsamplitude als Funktion der Motorbelastung MB und der aktuellen Gemischzusammensetzung λ.
• Durch die Berücksichtigung der Motorbelastung MB können für weitere Optimierungsläufe die Abbruchkriterien in Abhängigkeit der aktuellen Motorlast MB definiert werden. Dies wirkt sich positiv auf die Reproduzierbarkeit aus und schafft zudem die Möglichkeit, ein frei wählbares Lambda λ über den gesamten Leistungsbereich des Motors einzustellen. Des Weiteren wurde eine Optimierung der von Anregehöhe zu Anregedauer vorgenommen, was maßgeblichen Einfluss auf die Dauer eines Optimierungsvorgangs haben kann.
• Ein Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, Veränderungen in der Kraftstoff- oder Luftzufuhr zu kompensieren. Dies ist nachfolgend anhand der 6 näher erläutert. Die 6 zeigt hierbei ein Szenario für eine Verringerung des Luftpfades, wie es beispielsweise durch zeitlich langandauerndes Zusetzten eines Luftfilters auftreten kann.
• Die 6 weist vier vertikal übereinander angeordnete Abschnitte 42, 44, 46 und 48 auf. Die Abschnitte 42, 44, 46 und 48 weisen eine gemeinsame horizontale Zeitachse auf, wobei die Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. In dem Abschnitt 42 ist ein Lambda-Zeit-Diagramm gezeigt. Der Abschnitt 44 stellt den zeitlichen Verlauf eines Positionssignals TPS einer Drosselstellung (engl.: throttle positioning signal) dar, wobei in dem Abschnitt 46 ein Einspritzdauer-Zeit-Diagramm in Einheiten von Millisekunden (ms), und wobei in dem Abschnitt 48 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm in Einheiten von RPM gezeigt ist.
• In den Diagrammen der Abschnitte 42, 44, 46 und 48 sind jeweils zwei Signalverläufe 50, 52 gezeigt. Die Signalverläufe 50 entsprechen hierbei den Signalverläufen im Betrieb des Verbrennungsmotors ohne das erfindungsgemäße Verfahren, also ohne eine Optimierung des Arbeitspunktes. Wie in der 6 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, fettet der Motor etwa ab Sekunde 82 auf ein Lambda von 0,7 an. Die resultierenden Signale der Drossel TPS, Einspritzzeit tein und Motordrehzahl n sind ergänzend dargestellt.
• Die Signalverläufe 52 entsprechen dem gleichen Versuch mit aktivierter Optimierung. Etwa ab Sekunde 190 fettet auch hier der Motor kurzzeitig bis auf ein Lambda von 0,7 an. Anschließend reguliert die erfindungsgemäße Optimierung das Kraftstoff-Luft-Gemisch λ aber wieder auf seinen Ausgangszustand. Zusätzlich zum Luftpfad kann der Kraftstoffpfad beeinflusst und/oder der Ethanolanteil variiert werden.
• Um bei standardmäßig verbautem mechanischem Drehzahlregler das Verhalten des mechanischen Drehzahlreglers aus den Untersuchungen auszuschließen, kann eine elektronisch geregelte Drosselklappe verwendet werden. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad ist es möglich, für jeden Arbeitspunkt des Motors das resultierende Korrelationssignal zu messen.
• Während der Anregung, also während der Algorithmus aktiv ist, wird die elektronische Drosselklappe „festgestellt“. Mit anderen Worten wird die Drehzahl während dieser Zeit nicht ausregelt. Das hat den Vorteil, dass die Drehzahlantwort, also der resultierende Drehzahlunterschied durch die Einspritzmengenanregung größer wird, da die Drehzahlregelfunktion ausgeschaltet ist. Für das Korrelationssignal 22 bedeutet dies eine Vergrößerung des Nutzsignales, so dass der Algorithmus bei gleicher Anregungshöhe und Korrelationsgrenzen (Grenzwerte) schneller durchlaufen werden kann, oder dass bei gleicher Auswertezeit die Anregungshöhe verringert werden kann, wodurch der Motorenlauf weniger gestört wird beziehungsweise die Amplitude der Anregung beziehungsweise des Anregungsmusters 10 verringert ist.
• Wenn während des Algorithmus eine starke Drehzahlschwankung erfolgt, welche nicht durch die Anregung hervorgerufen wird, dann ist dies in der Regel durch starke Lasteinwirkungen zu erklären, wobei der Algorithmus vorzugsweise beendet oder abgebrochen wird, so dass und die Drehzahlregelung den Lastsprung ausregeln kann. Der Algorithmus wird anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer erneut gestartet.
• Die Erfindung ist besonders geeignet für die Entwicklung eines Einspritzsystems mit sensorlosem AFR-Feedback für Einzylinder 4-Takt Ottomotoren kleiner bis mittlerer Motorklassen (ca. 400ccm).
• Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
• So betrifft die Erfindung auch eine Lambda-Schätzung durch periodische Störgrößenaufschaltung, um zum Betrieb eines Verbrennungsmotors das Verhältnis von Luft und Kraftstoff (Lambda) entsprechend einzustellen. Dieses Verhältnis wird u.a. beeinflusst durch den Luftdruck sowie durch die Temperatur und den Ethanolgehalt des Kraftstoffs. Einem Steuergerät, das die Kraftstoffmenge regelt, werden die zum Lambda (Lambda-Wert) benötigten Informationen zugeführt.
• Das Steuergerät, das die Kraftstoffmenge regelt, erhält die Information über Lambda entweder aus einer Lambda-Sonde oder mit einem Schätzverfahren, z. B. in Form einer Störgrößenaufschaltung, wobei die unmittelbare Reaktion ausgewertet wird. Dabei sollte die Störgröße muss groß genug sein, um die Reaktion des Motors klar erkennen zu können. Andere Störungen können die Schätzung leicht beeinflussen. Deshalb sollten Plausibilisierungen vorgenommen werden.
• Es werden daher vorteilhafterweise nicht einzelne Störsignale, sondern eine (periodische) Folge von Störsignalen aufgeschaltet. Die Störanregung bleibt für einen längeren Zeitraum bestehen, und es wird die sich einstellende Veränderung des Motors bewertet.
• Durch Signalverarbeitung (Mittelung, Kreuzkorrelation, Matched-Filter) kann dann über einen längeren Zeitraum die (periodische) Reaktion des Motors beobachtet werden, die synchron mit der gleichen Frequenz wie die Aufschaltung auftritt. Durch die Beobachtung über einen längeren Zeitraum kann die Größe (Amplitude) des Störsignals klein gehalten werden, und der Einfluss äußerer Störgrößen mittelt sich heraus.
• Die Folge von Störsignalen muss nicht notwendigerweise periodisch sein. Es kann z.B. auch bei jeder Wiederholung die Amplitude verändert werden. Entscheidend sind die Folge von Störsignalen und die kombinierte Verarbeitung der Folge.
• Durch die mehrfache oder periodische Anwendung kann eine Mittelung oder Standard-Signalverarbeitung angewandt werden. Es sind keine isolierten Betrachtungen und Plausibilisierungen notwendig. Durch die größere (zeitliche) Länge der Störanregung bekommt werden auch bei kleineren Änderungen entsprechende Antworten erhalten.
• Bezugszeichenliste

2,4,6,8

Abschnitt

10

Anregungsmuster

12, 14, 16

Abschnitt

18

Verlauf/Drehzahlsignal

20

Korrelation

22

Korrelationssignal

24, 26, 28, 30

Abschnitt

32, 34, 36, 38

Verlauf

40

Fläche

42, 44, 46, 48

Abschnitt

50,52

Signalverlauf

λ

Kraftstoff-Luft-Gemisch/Gemischzusammensetzung

P

Motorleistung

n

Motordrehzahl

t

Zeit

tein

Einspritzdauer

T

Periode/Periodendauer

Nein

Anzahl Einspritzzyklen

corr

Korrelationswert

N

Arbeitszyklus

F

Periodenanzahl

dt1, dt2, dt3, dt4, dt5

Zeitdauer

TPS

Drosselstellung

MB

Motorbelastung

Claims (11)

1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem, - wobei ein dem Verbrennungsmotor zugeführtes Kraftstoff-Luft-Gemisch (λ) mit einem bekannten Anregungsmuster (10) moduliert wird, - bei welchem ein resultierendes Ausgangssignal (18) des Verbrennungsmotors erfasst wird, - wobei aus dem Anregungsmuster (10) und dem Ausgangssignal (18) ein Ähnlichkeitsmaß (corr) bestimmt wird, - wobei zur Bestimmung des Ähnlichkeitsmaßes (corr) das Anregungssignal (10) und das Ausgangssignal (18) miteinander zu einem Korrelationssignal (22) korreliert werden, - wobei das Ähnlichkeitsmaß (corr) mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen wird, und - wobei das Anregungsmuster (10) anhand des Vergleichsergebnisses derart variiert wird, dass eine Abweichung zwischen dem Ähnlichkeitsmaß (corr) und dem Grenzwert minimiert wird.
2. Verfahren Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude des Korrelationssignals (22) mit dem Grenzwert verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungsmuster (10) eine periodische Variation einer Einspritzdauer (tein) des Kraftstoffeinspritzsystems verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während jeder Periode (T) für eine erste Anzahl von Einspritzzyklen eine erste Einspritzdauer und für eine darauffolgende zweite Anzahl von Einspritzzyklen eine zweite Einspritzdauer verwendet wird, welche sich von der ersten Einspritzzeit unterscheidet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anzahl von Einspritzzyklen gleich der zweiten Anzahl von Einspritzzyklen ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangssignal (18) ein Drehzahlsignal einer aus dem Anregungsmuster (10) resultierenden Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungsmuster (10) zusätzlich zum Vergleichsergebnis anhand einer aktuellen Motorbelastung (MB) variiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronisch regelbare Drosselklappe vorgesehen ist, welche während des Verfahrens festgestellt wird.
9. Elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, aufweisend einen Controller zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Verbrennungsmotor aufweisend ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 9.
11. Software auf einem Datenträger zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

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