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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei denen ein Zündwinkel für eine Auslösung einer Verbrennung in dem Brennraum ermittelt wird. Dazu wird zunächst ein Grundzündwinkel aus statischen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ermittelt. Dabei kann insbesondere auch eine Veränderung einer Temperatur, beispielsweise der Ansauglufttemperatur der Brennkraftmaschine, berücksichtigt werden. Weiterhin ist es bekannt, dass ein derartiger Grundzündwinkel durch weitere Korrekturterme, beispielsweise aus einer Klopfregelung, korrigiert wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine haben demgegenüber den Vorteil, dass ein dynamischer Korrekturbeitrag berücksichtigt wird, der durch eine Modellierung einer Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur der Brennkraftmaschine ermittelt wurde. Eine derartige Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur hat den Vorteil, dass dynamische Vorgänge, insbesondere Vorgänge die sich von Verbrennungsvorgang zu Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine ändern, besonders gute berücksichtigt werden können. Es kann so eine verbesserte Anpassung des Zündwinkels an die realen Betriebsbedingungen im Brennraum der Brennkraftmaschine angepasst werden. In dynamischen Betriebszuständen, bei denen die reale Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur kälter ist als bei einem statischen Betrieb, kann so ein früherer Zündwinkel und somit eine effizientere Verbrennung gewährleistet werden. Bei einem dynamischen Betriebszustand, bei dem die reale Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur wärmer ist als bei einem statischen Betrieb, kann ein späterer Zündwinkel verwendet werden und insbesondere das Auftreten von Klopfereignissen oder Frühzündungsereignissen vermieden werden. Es wird so die Effizienz der Verbrennung verbessert, wodurch ein geringerer Verbrauch bzw. eine größere Dynamik der Brennkraftmaschine erreicht wird.
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Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach erfolgt die erfindungsgemäße Steuerung indem bei aktuellen dynamischen Betriebsbedingungen einen Vergleich der modellierten Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur mit entsprechenden Werten bei einem statischen Betrieb verglichen werden. Es kann so eine besonders einfache Modellierungsfunktion insbesondere ein Kennfeld oder mehrere verknüpfte Kennfelder verwendet werden bzw. eine einfache Applikation an die jeweilige Brennkraftmaschine erfolgen. Zusätzlich zum dynamischen Korrekturbeitrag kann noch ein Beitrag einer Klopfregelung zur Berechnung des Zündwinkels verwendet werden. Der dynamische Korrekturbeitrag in Richtung einer früheren Zündung soll nur dann erfolgen, wenn die Klopferkennung oder Klopfregelung aktiv geschaltet ist. Weiterhin können auch noch geeignete Betriebsparameter für quasistatische Beiträge zur Ermittlung des Zündwinkels berücksichtigt werden. Typische Betriebsparameter für eine quasistatische Veränderung sind beispielsweise die Lufttemperatur, die Kühlmitteltemperatur, die Öltemperatur, die Kraftstofftemperatur oder die Kraftstoffqualität. Eine zusätzliche Absicherung bzgl. max. zul. Zylinderspitzendruckj -Gradient kann durch eine Begrenzung des Zündwinkels in Richtung einer früheren Zündung erreicht werden. Ebenso wir dadurch verhindert, dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei zu früher Zündung wieder abnimmt. Für die Modellierung der Brennraumtemperatur bzw. der Kolbentemperatur ist es erforderlich in einer Applikationsphase die thermischen Zeitkonstanten des jeweiligen Typs der Brennkraftmaschine zu ermitteln. In dieser Applikationsphase wird dazu eine Messung der Brennraumtemperatur bzw. der Kolbentemperatur in Abhängigkeit von sich dynamisch ändernden Betriebsparametern gemessen. Anhand dieser thermischen Zeitkonstanten des jeweiligen Typs von Brennkraftmaschine kann dann eine Modellierung der Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur in Abhängigkeit von sich dynamisch ändernden Betriebsparametern erfolgen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Steuerung und
- 2 Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einer Motorsteuerung 2 gezeigt. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Zylinder 3 auf, in dem sich ein Kolben 4 befindet. Der von dem Zylinder 3 oberhalb des Kolben 4 frei gelassene Raum bildete den Brennraum 5, dem durch die Luftzuführung 6 ein Gemisch von Luft und Kraftstoff zugeführt wird. Alternativ kann der Kraftstoff auch direkt in den Brennraum eingespritzt werden. Durch Verbrennen von Luft und Kraftstoff im Brennraum 5 wird der Druck im Brennraum 5 erzeugt und der Kolben 4 zu Bewegungen in dem Zylinder 5 veranlasst. Der Kolben 4 ist durch einen Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden, wodurch die Auf- und Ab-Bewegung des Kolben 4 im Zylinder 5 in eine Drehbewegung umgesetzt wird.
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Die Verbrennung des Luft-Kraftstoff Gemisches im Brennraum 5 wird durch einen Zündfunken an der Zündkerzen 8 ausgelöst. Die Ansteuerung der Zündkerzen 8 erfolgt durch die Motorsteuerung 2, wobei die dazu notwendigen weiteren Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Zündspule aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt sind. Der Zeitpunkt der Auslösung des Zündfunkens wird üblicherweise als Zündwinkel d.h. als der Winkel relativ zur Drehung der Kurbelwelle dargestellt. Durch Wahl des Zündwinkels kann dabei die Verbrennung in dem Brennraum 5 so optimiert werden, dass eine optimale Umsetzung der durch die Verbrennung entstehenden Wärme in mechanische Arbeit der Kurbelwelle sichergestellt wird. Problematisch ist dabei, dass der optimale Zündwinkel sehr nahe an einem kritischen Betriebspunkt liegt, ab dem ein Klopfen in dem Brennraum 5 auftritt, durch den es zu einer Zerstörung der Brennkraftmaschine 1 kommen kann. Aus diesem Grund werden üblicherweise Zündwinkel mit einem Sicherheitsabstand vom Optimum so gewählt, dass in allen Betriebszuständen das Auftreten von Klopfen vermieden wird. Ein derartiges Klopfen kann durch einen Klopfsensor 9, der auf der Außenseite des Zylinders 3 angebracht ist, festgestellt werden. Das Signal des Klopfsensors 9 wird dazu, durch eine nicht dargestellte Leitung, zur Motorsteuerung 2 geleitet.
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Der optimale Zündwinkel für eine Verbrennung im Brennraum 5 hängt dabei insbesondere von den Temperaturen des Brennraums 5 oder des Kolbens 4 ab. Insbesondere in einem dynamischen Betrieb, beispielsweise wenn die Belastung der Brennkraftmaschine 1 schlagartig erhöht wird, wird sich die Temperatur des Brennraums 5 oder des Kolbens 4 von Verbrennungsvorgang zu Verbrennungsvorgang erhöhen, wobei jedoch die Temperatur einen Zeitversatz gegenüber der Temperatur eines statischen Betriebszustandes aufweist. Die Temperaturänderungen durch einen dynamischen Betrieb erfolgen dabei mit typischen Zeitkonstanten, die sich aus einem thermischen Beharrungsvermögen des Brennraums 5 oder des Kolbens 4 ergeben. Um zu einem Modell zu gelangen welches diese thermischen Zeitkonstanten widerspiegelt, ist daher eine Applikationsphase notwendig, bei dem eine Messung der Temperatur des Brennraums 5 oder des Kolbens 4 erfolgt. Es werden dann dynamische Betriebszustände erzeugt und die Änderung der Temperatur im Brennraum 5 oder Kolben 4 durch Messung ermittelt. Mit den so ermittelten Zeitkonstanten kann dann in einem Betrieb der Brennkraftmaschine eine Modellierung der Temperatur erfolgen, ohne dass bei einem derartigen Betrieb dann Sensoren zur Messung der Temperatur des Brennraums 5 oder des Kolbens 4 vorgesehen sind.
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In der 2 wird schematisch die Steuerung einer Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Insbesondere wird durch den Ablauf der 2 ein Zündwinkel ermittelt, an dem der Zündfunken ausgelöst wird. In einem Berechnungsblock 22 erfolgt die Ermittlung eines Grundzündwinkels 23 in Abhängigkeit von Betriebsparametern 21. Der Berechnungsblock 22 geht dabei von Betriebsparametern 21 aus, die im Wesentlichen unabhängig von Umgebungsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 sind. Weiterhin gibt der Berechnungsblock 22 nur die statischen Abhängigkeiten dar. Alle Zusammenhänge zwischen der Betriebsparametern 21 und dem Grundzündwinkel sich für einen statischen Betriebsfall ermittelt, d.h. für einen Betrieb bei dem sich die Betriebsparameter 21 nur sehr langsam oder gar nicht ändern. Derartige Betriebsparameter 21 sind beispielsweise die Last oder Drehzahl der Brennkraftmaschine 1. Weitere Betriebsparameter 21 sind beispielsweise das Ausmaß einer Abgasrückführung, Ansteuerung der Lufteinlassventile und Auslassventile, eine grundlegende Betriebsart der Brennkraftmaschine 1 (beispielsweise Normalbetrieb oder Heizbetrieb für einen Katalysator) und andere. Wesentlich ist das diese Betriebsparameter 21 nicht von Umgebungsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 abhängen. Der Berechnungsblock 22 kann besonders einfach als einfaches Kennfeld ausgebildet sein, bei dem im einfachsten Fall eine einzelne Eingangsgröße durch eine Zuordnungstabelle mit einer Ausgangsgröße verknüpft ist. Es sind aber auch komplexere Funktionen darstellbar, beispielsweise durch Kennfelder mit mehreren Betriebsparametern 21 oder mehrere derartige Kennfelder, die in Abhängigkeit von Bedingungen miteinander verknüpft werden oder komplexe mathematische Funktionen. Der Grundzündwinkel 23 stellt somit einen geeigneten Zündwinkel bei einem statischen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 dar.
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Weiterhin wird in Abhängigkeit von Betriebsparametern 21 in einem weiteren Berechnungsblock 24 ein quasistatischer Zündwinkel 41 ermittelt. Bei den Betriebsparametern 21, die dem Berechnungsblock 24 zugeführt werden, handelt es sich um quasistatische Betriebsparameter wie beispielsweise die Temperatur der Luft, die der Brennkraftmaschine zugeführt wird, der Luftdruck, die Kühlwassertemperatur, die Öltemperatur, die Kraftstofftemperatur oder die Kraftstoffqualität. Diese quasistatischen Betriebsparameter 21 ändern sich nur mit einer langsamen Zeitkonstante und führen zu einem quasistatischen Zündwinkel 41. Der Grundzündwinkel 23 und der quasistatische Zündwinkel 41 werden im Verknüpfungsblock 25 zu einem korrigierten Grundzündwinkel 26 verknüpft.
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In einem Berechnungsblock 42 erfolgt eine Modellierung der aktuellen Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dynamischen Betriebsparametern 21 der Brennkraftmaschine. Dass in dem Berechnungsblock 42 abgelegte Modell ist durch die oben beschriebene Applikation an der Brennkraftmaschine durch Ausmessen der Kolbentemperatur oder Brennraumtemperatur und Ermittlung der Zeitkonstanten des Typs der Brennkraftmaschine ermittelt worden. Als Ausgangspunkt liefert der Berechnungsblock 42 zum einen eine aktuelle Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur 44, die vor allen Dingen auch einen zeitlichen Verlauf der Betriebsparameter 21 berücksichtigt. Insbesondere wird so berücksichtigt wie sich die entsprechende Temperatur zeitlich verhält, wenn es zu einer Änderung, insbesondere einer starken Änderung, der Betriebsparameter 21 gekommen ist. Weiterhin liefert der Berechnungsblock 42 auch noch eine statische Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur 45, wobei für diese Berechnung nur der aktuelle Zustand der Betriebsparameter 21 berücksichtigt wird. Für die statische Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur 45 wird daher eine Temperatur angegeben, die sich ergibt, wenn die Brennkraftmaschine 1 statisch d.h. über einen längeren Zeitraum gleichförmig mit diesen der Betriebsparametern 21 betrieben wird. Die aktuelle und die statische Brennraumtemperatur Kolbentemperatur 44, 45 werden einem Subtraktionsblock 43 zugeführt in dem sie voneinander abgezogen werden. Als Ausgangspunkt des Subtraktionsblock 43 liegt somit die Differenz 46 zwischen der aktuellen Temperatur unter der statischen Temperatur des Brennraums oder des Kolbens vor.
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Diese Differenz 46 bildet dann den Eingang des Berechnungsblock 29 in dem dieser Differenz ein dynamischer Korrekturbeitrag 50 für den Zündwinkel zugeordnet wird. Das Ausgangssignal des Berechnungsblock 29 wird dann einem Multiplikationsblock 31 zugeführt. In einem weiteren Berechnungsblock 30 wird in Abhängigkeit von Betriebsparameter 21 ein Gewichtungsfaktor 47 berechnet. Durch diesen Gewichtungsfaktor 47 kann der Einfluss des dynamischen Korrekturbeitrags 50 noch in Abhängigkeit von den Betriebsparameter 21 gewichtet werden. Der Gewichtungsfaktor 47 weist dazu einen Wertebereich zwischen 0 und 1 auf und wird mit dem dynamischen Korrekturbeitrag 50 multipliziert.
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Der dynamische Korrekturbeitrag 50 wird nach dieser Gewichtung noch einem Schalter 32 zugeführt. Der Schalter 32 wird in Abhängigkeit von einem Signal 48 den dynamischen Korrekturbeitrag 50 an einen Verknüpfungsblock 27 weiterleiten oder nicht. Durch das Eingangssignal 48 wird dabei angegeben ob eine Klopfregelung, d.h. eine Auswertung eines Klopfsensors 9 zur Verhinderung von klopfenden Verbrennungen, aktiv geschaltet ist oder nicht. Wenn eine Klopfregelung nicht aktiviert ist, beispielsweise, weil ein Klopfsensor 9 nicht betriebsbereit ist oder weil für bestimmte Betriebsbereiche eine Klopfregelung nicht zugelassen ist, so sollte ein dynamischer Korrekturbeitrag 50 für eine Frühverstellung des Zündwinkels nicht berücksichtigt werden. Dazu kann neben dem Eingangssignal 48, welches eine Aktivierung der Klopfregelung anzeigt, zusätzlich auch noch ein Vorzeichen des dynamischen Korrekturbeitrags zu 50 berücksichtigt werden.
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Im Verknüpfungsblock 27 werden dann der korrigierte Grundzündwinkel 26 und der dynamische Korrekturbeitrag 50 zu einem dynamisch korrigierten Zündwinkel 51 verknüpft. Trivialerweise besteht die Verknüpfung des Verknüpfungsblock 27 einfach in einer Addition, d.h. der korrigierte Grundzündwinkel 26 und der dynamische Korrekturbeitrag 50 werden addiert um den dynamisch korrigierten Zündwinkel 51 zu erzeugen.
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Durch das so beschriebene Vorgehen lässt sich ein Zündwinkel ermitteln der sowohl statische Betriebsbedingungen wie auch quasistatische Betriebsbedingungen und dynamische Betriebsbedingungen berücksichtigt. Die dynamischen Betriebsbedingungen werden dabei durch eine Brennraumtemperatur oder eine Kolbentemperatur berücksichtigt. Es lässt sich so ein deutlich verbesserter, dynamisch korrigierter Zündwinkel 51 erzeugen, der insbesondere in dynamischen Übergangsphasen eine bessere Steuerung der Brennkraftmaschine 1 bewirkt. Durch die Modellierung der Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur wird dabei eine besonders genaue Anpassung an die realen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 erreicht, die deutlich besser ist als fest vorgegebene Betriebsstrategien für dynamische Betriebszuständen.
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Weiterhin kann noch eine zusätzlicher Berechnungsblock 33 vorgesehen sein bei dem in Abhängigkeit von Betriebsparameter 21 der Brennkraftmaschine absolute Grenzen für den Zündwinkel 51 vorgegeben werden. Diese Grenzen sind dabei insbesondere für eine Frühverstellung des Zündwinkels von Bedeutung. Der Berechnungsblock 33 enthält somit Daten bezüglich eines optimal früh-verstellten Winkels in Abhängigkeit von den Betriebsparametern 21. Der Berechnungsblock 33 gibt somit einen optimalen Zündwinkel 52 aus. Eine Frühverstellung des Zündwinkel 51 über diesen optimalen Zündwinkel 52 des Berechnungsblock 33 hinaus, bewirkt keine Verbesserung der Verbrennung der Brennkraftmaschine 1. Es erfolgt daher im Verknüpfungsblock 28 eine Minimalauswahl dahingehend, dass der spätere Zündwinkel ausgewählt wird. Als Ergebnis des Verknüpfungsblock 28 wird somit entweder der optimale Zündwinkel 52 (frühgrenze) oder der dynamisch korrigierte Zündwinkel 51 ausgegeben.
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Die gezeigte Berechnung des dynamischen Korrekturbeitrags 50 der 2 ist als ein Beispiel einer Berechnung zu verstehen. Beispielsweise kann die Gewichtung durch den Berechnungsblock 30 auch durch eine andere Modellierung 42 erfolgen, beispielsweise indem bestimmte Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine 1 für eine Modellierung ausgenommen werden. Ebenso könnte statt der Differenz 46 zwischen einem statischen Betrieb und einem dynamischen Betrieb auch einfach ein Gradient der Temperatur des Brennraum 5 oder des Kolben 4 Verwendung finden. Es lassen sich somit viele unterschiedliche Arten der Ermittlung des dynamischen Korrekturbeitrags 50 finden. Wesentlich ist, dass der dynamische Korrekturbeitrag 50 aufgrund einer Modellierung der Brennraumtemperatur oder Kolbentemperatur basierend auf realen Messungen erfolgt ist. Es lässt sich so der reale Einfluss von dynamischen Betriebszuständen auf eine Temperatur im Inneren der Brennkraftmaschine 1 ausreichend abbilden. Eine Berechnung des Zündwinkels ausgehend von dieser Modellierung liefert immer einen sinnvollen dynamischen Korrekturbeitrag 50, der zu einer Verbesserung der Steuerung der Brennkraftmaschine führt.
