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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Lastaufbaus eines Verbrennungsmotors sowie ein Steuergerät und einen Verbrennungsmotor zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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In modernen Motorsteuerungen von Verbrennungsmotoren wird der Fahrerwunsch über diverse Stellelemente umgesetzt. Mit manchen Stellelementen kann eine schnelle Systemreaktion bewirkt werden und andere reagieren verzögert auf Anforderungen durch die Motorsteuerung. Dies kann sowohl physikalische als auch technische Gründe haben (z.B. Materialauswahl, Hardwareaufbau). Werden diese Stellelemente mit demselben Fahrerwunsch-Signal versorgt, ergeben sich Zielkonflikte. Schnelle Stellelemente benötigen eine Formung respektive Filterung des Fahrerwunsches, um ein harmonisches Fahrverhalten des durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeuges zu erzielen. Dabei gehen Informationen verloren, die sich bei langsamen Stellelementen positiv auf die Reaktionszeit auswirken. Darüber hinaus werden Querwirkungen der Stellelemente auf das System untereinander nicht berücksichtig.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen werden die Stellelemente im Ansaug- und Abgastrakt des Verbrennungsmotors mit einem einheitlichen Sollwert angesteuert. Dieser Sollwert unterliegt einer Formung durch das Fahrverhalten. Durch die einheitliche Ansteuerung der luftbeeinflussenden Stellelemente im Ansaugtrakt werden die unterschiedlichen Systemträgheiten nicht berücksichtigt. Dabei ist beispielsweise die Systemreaktion der Ladedruckregelung im Vergleich zur Reaktion auf eine Verstellung der Drosselklappe deutlich langsamer. Durch die fahrverhaltensbedingte Formung des Sollwertes ergibt sich ein verzögertes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors mit einer Verzögerung von bis zu 130 ms.
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Eine mögliche Optimierung besteht darin, die Reaktion der Stellelemente und somit das Ansprechverhalten durch eine entsprechende Optimierung der Bauteilkomponenten zu verbessern. Dies kann beispielswies durch den Einsatz von leichteren Werkstoffen und/oder durch elektrische Unterstützung, insbesondere durch eine elektrische Unterstützung des Abgasturboladers erfolgen. Solche Maßnahmen erhöhen jedoch die Kosten für das Luftversorgungssystem deutlich oder verringern die Dauerhaltbarkeit der Komponenten.
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Aus der
DE 10 2007 062 171 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ein primäres Stellglied eines Luftsystems des Verbrennungsmotors, insbesondere eine Drosselklappe vorgesehen ist, und bei dem mindestens ein zusätzliches zu dem primären Stellglied vorgesehenes sekundäres Stellglied des Luftsystems in Abhängigkeit eines Sollwertes angesteuert wird. Es ist vorgesehen, dass der Sollwert für das sekundäre Stellglied in Abhängigkeit mindestens zweier Kennfelder gebildet wird, denen jeweils dieselben Eingangsgrößen zugeführt werden.
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Die
DE 10 2014 224 534 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben des Verbrennungsmotors. Dabei ist ein Füllungssteller zwischen einer Abgasrückführung und einem Brennraum des Verbrennungsmotors angeordnet. Eine Regelgröße zum Betrieb des Füllungsstellers wird in Abhängigkeit von einer ersten Ist-Füllung und in Abhängigkeit von einer zweiten Ist-Füllung ermittelt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Lastaufbau eines Verbrennungsmotors zu verbessern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Optimierung des Lastaufbaus eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst. Dem Verbrennungsmotor sind mindestens zwei unterschiedliche Mittel zur Steuerung eines den Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführten Gasstroms zugeordnet, wobei mindestens eines der Mittel ein Stellelement mit einer schnellen Systemreaktion und mindestens ein weiteres Mittel ein Stellelement mit einer langsamen Systemreaktion auf eine Änderung des Gasstroms ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Ermitteln eines Signals zur Momentenänderung des Verbrennungsmotors,
- - Übertragenen eines ungefilterten Signals auf das Stellelement mit langsamer Systemreaktion auf die Änderung des Gasstroms, und
- - Übertragen eines gefilterten Signals auf das Stellelement mit schneller Systemreaktion auf die Änderung des Gasstroms.
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Das Verfahren ermöglicht ein verbessertes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors, bei der die langsamsten Stellelemente mit dem schnellstmöglichen Signal angesteuert werden und somit im Vergleich zu bekannten Lösungen schneller eine Änderung des den Brennräumen zugeführten Gasstroms bewirken können. Um den Fahrkomfort zu erhöhen und die Regelbarkeit zu vereinfachen, wird das dem Stellelement mit schnellem Ansprechverhalten zugeführte Signal gefiltert. Dabei sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die Begriffe „schnelle Systemreaktion“ und „langsame Systemreaktion“ relativ zueinander zu verstehen, das heißt das Stellelement mit der schnellen Systemreaktion weist ein Ansprechverhalten auf, das schneller ist und eine kürzere Ansprechzeit aufweist als das des Stellelement mit der langsamen Systemreaktion.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Optimierung des Lastaufbaus eines Verbrennungsmotors möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Signalübertragung auf das Stellelement mit langsamer Systemänderung durch einen Begrenzung des Gradienten des Signals des Stellelements gefiltert wird. Durch die Begrenzung des Gradienten werden starke Sprünge bei den Stellelementen mit schnellem Ansprechverhalten vermieden, wodurch das Fahrverhalten verbessert und insgesamt komfortabler ausgestaltet werden kann.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Signalübertragung auf das Stellelement mit langsamer Systemänderung durch eine Mittelwertbildung gefiltert wird. Durch eine Mittelwertbildung über ein festes Zeitintervall können starke Sprünge im Signal für die schnell reagierenden Stellelemente ebenfalls verhindert werden, da die Mittelwertbildung zu einer Begrenzung des Gradienten im Signal führt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Signalübertragung auf das Stellelement mit langsamer Systemänderung durch eine Multiplikation mit einem Korrekturfaktor erfolgt, wobei der Korrekturfaktor typischerweise im Bereich 0,1 < Korrekturfaktor k < 15.0 liegt. Durch einen Korrekturfaktor kann das Signal entsprechend „verstärkt“ werden, wodurch eine schnellere Systemreaktion hervorgerufen wird. Es wird eine ungefilterte Führungsgröße gebildet.
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In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens sind mindestens drei Stellelemente vorgesehen, wobei in Abhängigkeit der Gaslauflänge von dem jeweiligen Stellelement zum Brennraum des Verbrennungsmotors eine gewichtete Filterung erfolgt. Dabei wird das am langsamsten wirksame Stellelement mit einem ungefilterten Signal beaufschlagt und die schnelleren Stellelemente entsprechend mit gefilterten Signalen beaufschlagt, wobei das am schnellsten wirksame Stellelement mit dem stärksten Filter beaufschlagt wird. Dadurch kann die Sollerfüllung einer Änderung des Fahrsignals besonders schnell umgesetzt und an den Verbrennungsmotor weitergegeben werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Signalübertragung an die Stellelemente durch vom Signal eines Fahrpedals eines Kraftfahrzeuges individuell abhängige Luftsollwerte erfolgt. Dadurch wird das Brennverfahren von der Fahrverhaltensformung durch das Signal des Fahrpedals im Wesentlichen entkoppelt und die Abhängigkeit von der Fahrverhaltensformung reduziert. Dies führt zu einer verbesserten Momentenentfaltung des Verbrennungsmotors mit einem direkteren Ansprechverhalten ohne Komforteinbußen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass aus einer Differenz zwischen dem gefilterten Signal und dem ungefilterten Signal ein Fahrverhaltensfaktor berechnet wird, wobei das gefilterte Signal für das Stellelement mit der schnellen Systemreaktion mittels dieses Fahrverhaltensfaktors in das Signal für das Stellelement mit der langsamen Systemreaktion auf die Änderung des Gasstroms umgerechnet wird. Dadurch kann eine Einheitenübergreifende Umrechnung in Sollwerte ohne Fahrverhaltensformung erfolgen. Mittels dieser dimensionslosen Verhältniszahl können auch andere Stellgrößen, beispielsweise ein Solldruck oder ein Sollmassenstrom, entsprechend umgerechnet werden, wodurch die Ressourcen in der Recheneinheit des Steuergeräts optimiert werden können. Alternativ kann auch das gefilterte Signal für das Stellelement mit schneller Systemreaktion aus einem ungefilterten Signal für das Stellelement mit langsamer Systemreaktion berechnet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrpedal zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Einlass mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei sind dem Verbrennungsmotor mindestens zwei unterschiedliche Mittel zur Steuerung eines den Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführten Gasstroms zugeordnet, wobei mindestens eines der Mittel ein Stellelement mit einer schnellen Systemreaktion auf eine Änderung des Gasstroms und mindestens ein weiteres Mittel ein Stellelement mit einer langsamen Systemreaktion auf eine Änderung des Gasstroms ist. Das Kraftfahrzeug weist ein Steuergerät auf, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch eine Recheneinheit des Steuergeräts ausgeführt wird.
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Bei der Umsetzung des Verfahrens in einem Kraftfahrzeug kann das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors verbessert werden. So kann bei einem Beschleunigungsvorgang aus einem niedrigen Drehzahlbereich von etwa 1200 - 1800 U/min der Lastaufbau des Verbrennungsmotors um ca. 150 ms beschleunigt werden. Zudem können die Kosten für die Hardware des Steuergeräts durch die Optimierung der Ressourcen in der Recheneinheit verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs ist vorgesehen, dass das Stellelement mit der schnellen Systemreaktion auf eine Änderung des Gasstroms eine Drosselklappe, ein Nockenwellenversteller oder ein Steller für einen vollvariablen Ventiltrieb der Einlassventile und/oder der Auslassventile des Verbrennungsmotors ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellelement mit der langsamen Systemreaktion auf eine Änderung des Gasstroms des Verdichters eines Abgasturboladers oder ein Abgasrückführungsventil ist.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, welcher mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage verbunden ist; und
- 2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung des Lastaufbaus eines solchen Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine Kraftfahrzeug 100 mit einem Fahrpedal 102 zur Ansteuerung eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotors 10 ist mit seinem Einlass 28 mit einem Luftversorgungssystem 30 und mit seinem Auslass 52 mit einer Abgasanlage 50 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 12 auf, wobei an jedem der Brennräume 12 ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffs in den jeweiligen Brennraum 12 und eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet sind. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile 24 und Auslassventile 26 angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 30 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 50 geöffnet oder verschlossen werden kann. Die Einlassventile 24 werden durch eine oder mehrere Einlassnockenwelle(n) 20 angesteuert. Die Auslassventile 26 werden durch eine oder mehrere Auslassnockenwellen 22 angesteuert. Die Öffnungszeiten der Einlassventile 24 und/oder der Auslassventile 26 können durch einen Nockenwellenversteller 18 verändert werden, wobei die Verstellung des Nockenwellenverstellers 18 elektrisch oder hydraulisch erfolgen kann. Alternativ können die Öffnungszeiten der Einlassventile 24 und/oder der Auslassventile 26 auch durch einen vollvariablen Ventiltrieb verändert werden. Der Verbrennungsmotor 10 kann ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung 44 mit einer Abgasrückführungsleitung 48 und einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 46 umfassen, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 52 zum Einlass 28 zurückgeführt werden kann.
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Das Luftversorgungssystem 30 umfasst eine Ansaugleitung 32, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch die Ansaugleitung 32 ein Luftfilter 38, stromabwärts des Luftfilters 38 ein Luftmassenmesser, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers ein Verdichter 36, eine variable Turbinengeometrie oder ein Wastegate eines Abgasturboladers 94, und stromabwärts des Verdichters 36 ein Ladeluftkühler 40 angeordnet sind. Stromabwärts des Verdichters 36 und stromaufwärts des Einlasses 28 ist eine Drosselklappe 34 angeordnet, mit welcher die Luftversorgung für die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 gesteuert werden kann. Der Luftmassenmesser kann auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 38 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 38 und der Luftmassenmesser eine Baugruppe ausbilden. Stromabwärts des Luftfilters 38 und stromaufwärts des Verdichters 36 ist eine Einmündung 42 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 72 einer Niederdruck-Abgasrückführung 70 in die Ansaugleitung 32 mündet.
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Die Abgasanlage 50 umfasst einen Abgaskanal 54, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 54 eine Turbine 56 des Abgasturboladers 94 angeordnet ist, welche den Verdichter 36 im Luftversorgungssystem 30 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 94 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 94 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 56 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 56 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 56 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 58, 60, 62, 64 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 56 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Drei-Wege-Katalysator 60 vorgesehen. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 60 ist ein Vier-Wege-Katalysator 62 oder ein Partikelfilter 64 angeordnet.
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Stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 62 oder des Partikelfilters 64 ist in dem Abgaskanal 54 eine Abgasstauklappe 68 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals 54 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im Abgaskanal 54 zu erhöhen. Stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 62 oder des Partikelfilters 64 und stromaufwärts der Abgasstauklappe 68 ist am Abgaskanal 54 eine Verzweigung 66 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 72 einer Niederdruck-Abgasrückführung 70 aus dem Abgaskanal 54 abzweigt.
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Die Niederdruck-Abgasrückführung 70 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 72 einen Niederdruck-Abgasrückführungskühler 74 und ein Abgasrückführungsventil 76, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 72 steuerbar ist. Ferner ist in der Niederdruck-Abgasrückführung 70 stromabwärts der Verzweigung 66 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 74 ein Filter 78 angeordnet.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Steuergerät 80 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit Druck-, Abgas- und Temperatursensoren in der Abgasanlage 50 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 18, 34, 36, 46, 56, 76 des Luftversorgungssystems 30 sowie der Abgasanlage 50 verbunden ist.
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In modernen Motorsteuerungen von Verbrennungsmotoren 10 wird der Fahrerwunsch, welcher dem Steuergerät 80 durch das Fahrpedal 102 übermittelt wird, über diverse Stellelemente 88, 90 umgesetzt. Mit manchen Stellelementen 88 kann eine schnelle Systemreaktion bewirkt werden, während andere Stellelemente 90 verzögert auf Anforderungen durch das Steuergerät 80 reagieren. Werden diese Stellelemente 88, 90 mit dem selben Fahrerwunsch-Signal versorgt, so ergeben sich Zielkonflikte. Schnelle Stellelemente 88 benötigen eine Formung oder Filterung des Fahrerwunschsignal, um ein harmonisches Fahrverhalten des durch den Verbrennungsmotor 10 angetriebenen Kraftfahrzeugs 100 zu erzielen. Durch die Filterung gehen Informationen verloren, die sich bei den langsamen Stellelementen 90 negativ auf die Reaktionszeit auswirken. Durch eine einheitliche Adressierung der Stellelemente 88, 90 werden die unterschiedlichen Systemträgheiten, insbesondere die unterschiedlichen Gaslauflängen, nicht berücksichtigt. So ist beispielsweise die Systemreaktion der Ladedruckregelung des Abgasturboladers 94 deutlich langsamer als die Systemreaktion der Drosselklappe 34. Durch die fahrverhaltensbedingte Formung des Sollwertes für die Stellelemente 88, 90 würde sich ein verzögertes Ansprechverhalten mit einer Verzögerung von mehr als 100 ms ergeben.
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Durch die Weitergabe des ungefilterten Signals an die Stellelemente 90 mit langsamer Reaktionszeit und einer gefilterten Weitergabe des Signals an die schnellen Stellelemente 88 kann das Ansprechverhalten deutlich verbessert werden, ohne das harmonische Fahrverhalten zu verschlechtern.
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In 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung des Ansprechverhaltens eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem Verfahrensschritt <100> wird ein Fahrerwunsch auf das Fahrpedal 102 des Kraftfahrzeugs 100 übertragen. In einem Verfahrensschritt <110> wird daraus ein Signal zur Momentenänderung des Verbrennungsmotors 10 generiert, wobei das Signal in einem Verfahrensschritt <120> ungefiltert an ein Stellelemente 90 mit langsamer Systemreaktion übertragen wird. In einem parallelen Verfahrensschritt <130> wird das Signal mit einem Filter beaufschlagt und das gefilterte Signal in einem Verfahrensschritt <140> an ein Stellelement 88 mit schneller Systemreaktion übertragen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Zündkerze
- 18
- Nockenwellenversteller
- 20
- Einlassnockenwelle
- 22
- Auslassnockenwelle
- 24
- Einlassventil
- 26
- Auslassventil
- 28
- Einlass
- 30
- Luftversorgungssystem
- 32
- Ansaugleitung
- 34
- Drosselklappe
- 36
- Verdichter
- 38
- Luftfilter
- 40
- Ladeluftkühler
- 42
- Einmündung
- 44
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 46
- Abgasrückführungsventil
- 48
- Abgasrückführungsleitung
- 50
- Abgasanlage
- 52
- Auslass
- 54
- Abgaskanal
- 56
- Turbine
- 58
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 60
- Drei-Wege-Katalysator
- 62
- Vier-Wege-Katalysator
- 64
- Partikelfilter
- 66
- Verzweigung
- 68
- Abgasstauklappe
- 70
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 72
- Abgasrückführungskanal
- 74
- Abgasrückführungskühler
- 76
- Abgasrückführungsventil
- 78
- Filter
- 80
- Steuergerät
- 82
- Recheneinheit
- 84
- Speichereinheit
- 86
- Programmcode
- 88
- Stellelement
- 90
- Stellelement
- 92
- Gasstrom
- 94
- Abgasturbolader
- 100
- Kraftfahrzeug
- 102
- Fahrpedal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062171 A1 [0005]
- DE 102014224534 A1 [0006]
