Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
sowie ein Computerprogramm zur Steuerung eines
Verbrennungsmotors.
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Aus der DE 42 39 711 A1 (US-Patent 5,558,178) ist zur
Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt, einen Sollwert für
ein Drehmoment des Verbrennungsmotors in eine Stellgröße zur
Beeinflussung der Luftzufuhr zum Verbrennungsmotor, zum
Einstellen des Zündwinkels und/oder zum Ausblenden bzw.
Zuschalten der Kraftstoffzufuhr zu einzelnen Zylindern des
Verbrennungsmotors umzusetzen. Darüber hinaus ist aus der
WO-A 95/24550 (US-Patent 5,692,471) zusätzlich die
Beeinflussung des Kraftstoff-/Luftverhältnisses zur Realisierung
des vorgegebenen Drehmomentenwertes bekannt. Ferner wird bei
den bekannten Lösungen das Istmoment des Verbrennungsmotors
unter Berücksichtigung der aktuellen Motoreinstellung
(Füllung, Kraftstoffzumessung und Zündwinkel) berechnet. Dabei
werden u. a. Motordrehzahl, Last (Luftmasse, Druck, etc.)
und ggf. die Abgaszusammensetzung herangezogen.
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Im Rahmen dieser Berechnungen wird ein Momentenmodell für
den Verbrennungsmotor verwendet, welches sowohl zur
Bestimmung der Stellgrößen als auch zur Bestimmung der Istgrößen
eingesetzt wird. Kernpunkt dieses Modells ist, daß
betriebspunktabhängig Werte für ein optimales Drehmoment des
Verbrennungsmotors und für einen optimalen Zündwinkel
bestimmt werden, die dann mittels Wirkungsgradwerten
entsprechend der aktuellen Einstellung des Verbrennungsmotors
korrigiert werden.
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Zur Optimierung dieses Modells ist aus der DE 195 45 221 A1
(US-Patent 5,832,897) vorgesehen, den Wert für den optimalen
Zündwinkel abhängig von den Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine beeinflussenden Größen wie Abgasrückführrate,
Motortemperatur, Ansauglufttemperatur,
Ventilüberschneidungswinkel, etc. zu korrigieren.
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In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß diese bekannte
Lösung noch optimiert werden kann, insbesondere hinsichtlich
der Einfachheit der Applikation, der Optimierung der
Rechenzeit und/oder der Berücksichtigung der
Arbeitspunktabhängigkeit der Korrektur des optimalen Zündwinkels, insbesondere
der Abhängigkeit von der Inertgasrate. Insbesondere zeigt
das bekannte Momentenmodell in einigen Betriebszuständen
nicht zufriedenstellende Ergebnisse. Derartige
Betriebszustände sind insbesondere Zustände mit hohen Inertgasraten,
d. h. Zustände mit einem großen Anteil an Inertgas (durch
externe oder innere Abgasrückführung), der durch
Überschneidung von Ein- und Auslaßventilöffnungszeiten hervorgerufen
wird und vor allem bei kleinen bis mittleren
Frischgasfüllungen. Außerdam sind es Betriebszustände mit hoher
Ladungsbewegung. Die berechneten Basisgrößen führen dazu, daß mit
der bekannten Vorgehensweise eine genaue Momentberechnung
nicht erreicht wird, da diese Effekte nicht ausreichend
berücksichtigt sind.
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Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass das bekannte
Modell zwar wesentliche Einflüsse auf den Zündwinkel bei
Bestimmung des maximalen Moments berücksichtigt, jedoch nicht
die unterschiedliche Steilheit des Zusammenhangs zwischen
Zündwinkel und dem im aktuellen Betriebspunkt des Motors
erreichbarem maximalen Motormoment bei unterschiedlichen
Gemischen. Bei der Optimierung des bekannten Modells muss also
ein Kompromiss gefunden werden, der in der Regel darin
besteht, dass der optimale Zündwinkel nicht mehr mit dem
Zündwinkel des besten Moments zusammenfällt. So liegt bei sehr
gut brennbaren Gemischen, die bei Erzeugung des besten
Moments einen sehr späten Zündwinkel haben, der optimale
Zündwinklel deutlich später als dieser Zündwinkel, während er
bei schlecht brennbaren Gemischen deutlich früher liegt als
der Zündwinkel, bei dem das maximale Moment erzeugt wird.
Dieses Verhalten ist in Fig. 3 skizziert. Dort ist
gestrichelt die durch die Optimierung des bekannten Modells
bereitgestellte Kurve dargestellt. Man sieht, dass Ist- und
Modellkurve nicht mehr exakt übereinstimmen. In einem
Anwendungsbeispiel hat sich bei bestmöglichem, optimalem
Zündwinkel ein resultierender Momentenfehler von bis zu 20%
ergeben, bezogen auf das optimale Moment MIopt.
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Es zeigt sich also, dass je größer die Steilheit der
Zündhaken (Zusammenhang zwischen dem optimalen Zündwinkel ZWopt
und dem Moment MI in Bezug auf den oberen Totpunkt der
Zündungsphase Zünd-OT für einen Betriebspunkt des Motors)
variiert, desto mehr weichen optimaler Zündwinkel und maximaler
Zündwinkel, bei dem das maximale Moment erreicht wird, bei
extrem gut und schlecht brennbaren Gemischen voneinander ab
und desto größer werden die Fehler des Momentenmodells.
Durch den bekannten Optimierer der Modellparameter gelingt
es nicht, eine Bedatung des Modells, insbesondere des
optimalen Zündwinkels, zu finden, so dass das Momentenmodell im
gesamten Zündwinkelbereich eine geringe Toleranz aufweist.
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Es besteht daher Bedarf an einer weiteren Optimierung des
Momentenmodells, insbesondere mit Blick auf
Motorsteuersysteme mit hohen Inertgasraten, beispielsweise bei
Motorsteuersystemen mit variabler Ventilverstellung und/oder
Ladungsbewegungsklappe.
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Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
101 49 477.7 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung sowie
ein Computerprogramm zur Steuerung eines Verbrennungsmotors
bekannt, wobei im Rahmen der Berechnung von Istgrößen
und/oder Stellgrößen ein Momentenmodell Verwendung findet.
Dabei wird eine Korrektur eines unter Normbedingungen
ermittelten Basiswertes in Abhängigkeit der Inertgasrate und/oder
des Ventilüberschneidungswinkels vorgenommen. Ferner wird
zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Modells der
Wirkungsgrad für die Umsetzung der chemischen in mechanische
Energie, mit dem der optimale Momentenwert korrigiert wird,
abhängig von der Abweichung zwischen optimalem Zündwinkel
und einem aktuellem Zündwinkel sowie einer weiteren, die
Brennwilligkeit des Gemisches repräsentierenden Größe
bestimmt. Letztere ist dabei der optimale Zündwinkel.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße
Vorrichtung, das erfindungsgemäße Computerprogramm und das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen der
unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass
der Wirkungsgrad für die Umsetzung der chemischen in
mechanische Energie mindestens in Abhängigkeit von einer den
Verbrennungsschwerpunkt charakterisierenden Größe und von einer
den Öffnungszeitpunkt eines auslaßseitigen Gaswechselventils
charakterisierenden Größe bestimmt wird. Auf diese Weise
wird die mit einem frühen Öffnen des auslaßseitigen
Gaswechselventils verbundene Abnahme des indizierten Motormoments
im Momentenmodell berücksichtigt. Somit läßt sich eine hohe
Genauigkeit des mittels des Momentenmodells berechneten
indizierten Motormoments auch bei sehr früh öffnendem
Auslaßventil erzielen. Dadurch läßt sich eine Verbesserung,
insbesondere eine Vereinfachung der Applikation des
Momentenmodells realisieren.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im
Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Wirkungsgrad zusätzlich
abhängig von der Füllung bestimmt wird. Durch die
Berücksichtigung der Füllung wird die Genauigkeit des
Momentenmodells noch weiter erhöht.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass als den
Verbrennungsschwerpunkt charakterisierende Größe die Abweichung
zwischen einem optimalen Zündwinkel und einem aktuellen
Zündwinkel gewählt wird. Bei einer Invertierung des
Momentenmodells läßt sich sowohl eine Berechnung eines
Sollzündwinkels bei gegebenem Sollmoment und gegebener Füllung sowie
die Berechnung einer Sollfüllung bei gegebenem Sollmoment
und gegebenem Basiszündwinkelwirkungsgrad als auch eine
Berechnung des Istmoments realisieren.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Wirkungsgrad in
einen ersten Teilwirkungsgrad und in einen zweiten
Teilwirkungsgrad aufgeteilt wird, wobei der erste Teilwirkungsgrad
in Abhängigkeit von der den Verbrennungsschwerpunkt
charakterisierenden Größe und der zweite Teilwirkungsgrad in
Abhängigkeit von der den Öffnungszeitpunkt des auslaßseitigen
Gaswechselventlis charakterisierenden Größe bestimmt wird.
Auf diese Weise ist eine vereinfachte Realisierung für den
Fall möglich, dass kein extrem frühes Öffnen des
auslaßseitigen Gaswechselventils vorkommt. Der Wirkungsgrad kann dann
als Produkt der beiden Teilwirkungsgrade bestimmt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. In Fig. 1
ist ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführung des
verwendeten Modells dargestellt. Fig. 2 zeigt ein Übersichtbild
einer Motorsteuerung, bei der das skizzierte Modell Anwendung
findet. In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Momentenmodells zur Bestimmung eines Istmoments dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für ein Kennfeld zur Ermittlung
des Wirkungsgrades für die Umsetzung der chemischen in
mechanische Energie und Fig. 5 zeigt ein inverses
Momentenmodell zur Berechnung eines Sollzündwinkels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1 ist ein Ablaufdiagramm eines ersten
Ausführungsbeispiels zur Verbesserung des Momentenmodells dargestellt.
Fig. 1 beschreibt dabei ein Programm eines Mikrocomputers,
wobei die einzelnen Elemente der Darstellung in Fig. 1
Programme, Programmschritte oder Programmteile darstellen,
während die Pfeile den Informationsfluß beschreiben.
Dargestellt ist die Berechnung des Istbasismoments, d. h. das
Moment, was sich bei Einstellen des Basiszündwinkels, der
drehzahl- und lastabhängig aus einem Kennfeld ausgewählt
wird, einstellt.
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Wesentlich ist, daß bei dem in Fig. 1 dargestellten Modell
eine Korrektur des optimalen Momentenwertes unter
Berücksichtigung der Inertgasrate sowie der Ladungsbewegung und
eine Korrektur des optimalen Zündwinkelwertes unter
Berücksichtigung der Inertgasrate und der Ladungsbewegung, somit
des aktuellen Arbeitspunkts, stattfindet.
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In einem ersten Kennfeld 100 wird abhängig von Motordrehzahl
nmot und Istfüllung rl, die unter Berücksichtigung eines
Saugrohrmodells aus dem gemessenen Luftmassenstrom bestimmt
wird, ein Wert mioptl1n für das optimale Drehmoment
ausgelesen. Die Kennfeldwerte des Kennfeld 100 sind dabei unter
definierten, optimalen Randbedingungen ermittelt, insbesondere
wenn der Lambdawert einen Normwert (z. B. 1) aufweist, ein
optimaler Zündwinkel eingestellt ist und der Wirkungsgrad
etarri für die Ventilüberschneidung (Inertgasrate und
Ladungsbewegung) einen Normwert (z. B. 1) aufweist. Der
optimale Momentenwert wird in einer Multiplikationsstelle 102 mit
dem Wirkungsgrad etarri multipliziert, der die Abweichung
bezüglich der Ventilüberschneidung vom Normwert beschreibt.
Der Wirkungsgradwert etrarri wird in dem Kennfeld 104 in
Abhängigkeit von Signalen gebildet, die eine Inertgasrate
durch interne und externe Abgasrückführung sowie die
Ladungsbewegung repräsentieren. Als geeignet hat sich ein
Signal rri für die interne und externe Inertgasrate erwiesen,
welches in Abhängigkeit der Stellung des
Abgasrückführventils und der Ein- und Auslaßventilstellung berechnet wird.
Die Inertgasrate beschreibt dabei den Anteil des Inertgases
an der gesamten angesaugten Gasmasse. Eine andere Art der
Berechnung der Inertgasrate beruht auf der Temperatur des
rückgeführten Abgasstromes, Lambda, der aktuellen
Luftfüllung und dem Abgasdruck. Zur Berücksichtigung der
Ladungsbewegung hat sich ein Signal wnw als geeignet erwiesen,
welches den Öffnungswinkel (bezogen auf Kurbelwelle oder
Nockenwelle) des Einlaßventils repräsentiert. In anderen
Ausführungsbeispielen wird die Stellung einer
Ladungsbewegungsklappe oder eine Größe herangezogen, die den Hub und die
Phase der Öffnung der Einlaßventile repräsentiert.
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Abhängig von diesen Istgrößen wird der Wirkungsgrad etarri
bestimmt, der die durch Inertgas und Ladungsbewegung
zustandekommenden Abweichungen im Momentenwert von dem unter
Normbedingungen ermittelten Momentenwert, der der Bestimmung des
Kennfeldes 100 zugrunde liegt, beschreibt. Der durch die
Korrektur in der Multiplikationsstelle 102 gebildete
optimale Momentenwert mioptl1 wird in einer weiteren
Multiplikationsstelle 106 mit dem Lambdawirkungsgrad etalam
multipliziert. Dieser wird in einer Kennlinie 108 abhängig von der
aktuellen Abgaszusammensetzung Lambda ermittelt. Ergebnis
ist ein optimaler Momentenwert miopt, der den aktuellen
Betriebszustand des Verbrennungsmotors und dessen Abweichung
von den Normwerten, der bei der Bestimmung der optimalen
Momentenwerte zugrundegelegt wird, berücksichtigt. miopt ist
somit der optimale Wert für das indizierte Moment bei
optimalem Zündwinkel. Zur Bildung des Basismomentes mibas, aus
dem dann das Istmoment abgeleitet werden kann, ist somit die
Basiszündwinkeleinstellung in Bezug auf die optimale
Zündwinkeleinstellung zu berücksichtigen. Dies erfolgt in der
Multiplikationsstelle 110, in dem der optimale Momentenwert
miopt mit dem Zündwinkelwirkungsgrad etadzw korrigiert wird.
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Der Zündwinkelwirkungsgrad etadzw wird aus einer Kennlinie
112 in Abhängigkeit der in 114 gebildeten Abweichung
zwischen Basiszündwinkel zwbas und optimalem Zündwinkel zwopt
gebildet. Der Wirkungsgrad etadzw bestimmt daher die
Auswirkung der Abweichung des Basiszündwinkels vom optimalen
Zündwinkelwert auf das Moment des Verbrennungsmotors. Der
Basiszündwinkel entspricht dabei dem Zündwinkel, der in
Abhängigkeit von Drehzahl und Last aus einem Basiszündwinkelkennfeld
ausgelesen wird. Er entspricht nicht notwendigerweise dem
tatsächlich eingestellten Zündwinkel, der bei der Bestimmung
des Istmomentes in Abhängigkeit des Basismomentes in Form
eines weiteren Wirkungsgrades zu berücksichtigen ist. Der
optimale Zündwinkelwert wird in Abhängigkeit von
Motordrehzahl nmot und Füllung rl aus dem Kennfeld 116 ausgelesen.
Der ausgelesene optimale Zündwinkelwert zwoptl1n wird einer
Verknüpfungsstelle 118 zugeführt, in der dieser Wert mit dem
Korrekturwert dzworri korrigiert wird. Dieser Korrekturwert
wird in einem Kennfeld 120 gebildet in Abhängigkeit der
Inertgasrate rri, des Signals wnw zur Berücksichtigung der
Ladungsbewegung, sowie von den aktuellen Betriebspunkt
repräsentierenden Signalen Motordrehzahl nmot und Istfüllung
rl. Der auf diese Weise korrigierte optimale Zündwinkelwert
zwoptl1 wird in einer weiteren Verknüpfungsstelle 122 mit
einem Korrekturwert dzwola korrigiert. Dieser stellt einen
Lambdakorrekturwert dar, der im Kennfeld 124 in Abhängigkeit
von Lambda und Istfüllung RL ermittelt wird. Die Korrekturen
in den Verknüpfungsstellen 118 und 122 werden vorzugsweise
durch Addition durchgeführt. Diese Vorgehensweise hat sich
als geeignet erwiesen, da dann auch bei den Korrekturwerten
der aktuelle Betriebspunkt des Verbrennungsmotors
berücksichtigt werden muß. Der in 122 sich ergebende Wert zwopt
stellt den optimalen Zündwinkelwert dar, der in der
Verknüpfungsstelle 114 mit dem Basiszündwinkel verglichen wird.
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Durch das beschriebene Modell werden auch die oben genannten
Betriebszustände mit hohen Inertgasraten und
Ladungsbewegungen und kleinen bis mittleren Frischgasfüllungen
zufriedenstellend beherrscht. Wesentlich ist hierbei, daß im
Momentenmodell eine Korrektur des optimalen Zündwinkels und eine
Korrektur des optimalen Momentes stattfindet. Der optimale
Zündwinkel setzt sich dabei zusammen aus einem last- und
drehzahlabhängigen Grundwert und additiven Korrekturen in
Abhängigkeit der Inertgasrate, der Ein- bzw.
Auslaßventilstellung bzw. der Ventilüberschneidung, von Lambda, Last und
Drehzahl. Das optimale Moment setzt sich zusammen aus einer
last- und drehzahlabhängigen Grundgröße und multiplikativen
Korrekturen abhängig von der Inertgasrate und der Ein- und
Auslaßventilstellung, von Lambda und vom
Zündwinkelwirkungsgrad in Bezug auf den Basiszündwinkel.
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Zur Bestimmung der Parameter des Modells wird ein
Softwaretool eingesetzt, welches in der Lage ist, aus den gemessenen
Eingangsgrößen und dem gemessenen Moment die Parameter des
Modells so zu optimieren, daß das Fehlerquadrat über die
gesamten Meßpunkte am kleinsten bleibt. Ein Beispiel für ein
solches Softwaretool ist aus der DE 197 45 682 A1 bekannt.
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Das mittels des Modells bestimmte Basismoment mibas wird auf
verschiedene Weise weiterverarbeitet. Unter Berücksichtigung
des Wirkungsgrads der tatsächlichen Zündwinkeleinstellung
wird das Istmoment berechnet. Eine andere Auswertung besteht
in der Bestimmung der Zündwinkeleinstellung, wobei der
Unterschied zwischen Sollmoment und Basismoment zur Korrektur
der Zündwinkeleinstellung herangezogen werden kann.
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Das in Fig. 1 beschriebene Modell zeigt die Berechnung des
Istmoments aus verschiedenen Betriebsgrößen. Durch Umkehrung
des Modells wird analog zum Modell des eingangsgenannten
Stand der Technik das Modell auch zur Bestimmung der
Stellgrößen (z. B. Zündwinkel, Lambda, etc.) abhängig vom
Sollmomentenwert oder von der Abweichung zwischen Sollmoment und
Basismoment oder Istmoment verwendet.
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Das Modell lässt sich auch wie folgt formulieren:
mibas = f1(nmot, rl).f21(rri).f22(wnw).f3(lambda).f4(zwopt -
zwbas)
oder bezogen auf das Istmoment:
miist = f1(nmot, rl).f21(rri).f22(wnw).f3(lambda).f4(zwopt -
zwist)
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Mit einer Umkehrung des Modells lassen sich dann Stellgrößen
ableiten, z. B. einen Zündwinkelsollwert zwsoll:
zwsoll = zwopt - f4-1[misoll/(f21(rri).f22(wnw).f3(lambda))]
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Die zur Berechnung des Modells verwendeten Kennfelder und
Kennlinien werden im Rahmen der Applikation für jeden
Motortyp ggf. unter Verwendung des oben erwähnten Softwaretool,
bestimmt.
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Fig. 2 zeigt eine Steuereinheit 400, welche eine
Eingangsschaltung 402, eine Ausgangsschaltung 404 und einen
Mokrocomputer 406 umfasst. Diese Komponenten sind mit einem
Bussystem 408 verbunden. Über Eingangsleitungen 410 und 412 bis
416 werden die zur Motorsteuerung auszuwertenden
Betriebsgrößen, die von Messeinrichtungen 418, 420 bis 424 erfasst
werden zugeführt. Die zur Modellbereichnung notwendigen
Betriebsgrößen sind dabei oben dargestellt. Die erfassten und
ggf aufbereiteten Betriebsgrößensignalen werden dann über
das Bussystem 408 vom Mikrocomputer eingelesen. Im
Mikrocomputer 406 selbst, dort in seinem Speicher sind die Befehle
als Computerprogramm abgelegt, die zu Modellberechnung
verwendet werden. Dies ist in Fig. 2 mit 426 symbolisiert, die
Modellergebnisse, die ggf noch in anderen, nicht
dargstellten Programmen weiterverarbeitet werden, werden dann vom
Mikrocomputer über das Bussystem 408 der Ausgangsschaltung 404
zugeführt, welche dann Ansteuersignal als Stellgrößen z. B.
zur Einstellung des Zündwinkels und der Luftzufuhr sowie
Messgrößen wie z. B. das Istmoment MIist ausgibt.
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In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm für ein Momentenmodell
unter Verwendung der oben genannten Zusammenhänge für einen
Basisbetriebspunkt dargestellt. Neben der Differenz aus
optimalem Zündwinkel und Basiszündwinkel (Istzündwinkel) geht
auch noch die den Öffnungszeitpunkt des auslaßseitigen
Gaswechselventils charakterisierende Größe des Verstellwinkels
wnwaö der Nockenwelle in den Block 510 zur Berechnung eines
erweiterten Zündwinkelwirkungsgrades ein.
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Wie oben erwähnt wird im Kennfeld 500 abhängig von
Motordrehzahl Nmot und Istfüllung rl sowie in der Kennlinie
502 in Abhängigkeit der Inertgasrate rri ein Wirkungsgrad
gebildet, welcher in der Multiplikationsstelle 504 mit dem
im Kennfeld 500 gebildeten unter Normbedingungen optimalen
Momentenwert multipliziert wird. Der daraus ermittelte
optimale Momentenwert mioptl1 wird in einer
Multiplikationsstelle 506 mit einem Lambda-Wirkungsgrad multipliziert. Dieser
wird in der Kennlinie 508 in Abhängigkeit des Basis-
Lambdawertes lambas gebildet, welcher im jeweiligen
Betriebspunkt ohne ggf. von aussen vorgegebene Korrekturen
einzustellen ist. Das Ergebnis der Multiplikation in 506 ist
ein optimaler Momentenwert miopt und wird einer weiteren
Multiplikation in 508 unterzogen, in der der optimale
Momentenwert miopt mit dem Zündwinkelwirkungsgrad etazwist, der
in 510 gebildet wird, multipliziert wird. Ergebnis ist das
Basismoment mibas für den aktuellen Betriebspunkt.
Entsprechend der oben genannten Darstellung wird der
Zündwinkelwirkungsgrad in Abhängigkeit der in 512 gebildeten Differenz
zwischen optimalem Zündwinkel zwopt und Basiszündwinkel
zwbas sowie dem direkt zugeführten Verstellwinkel wnwa der
Nockenwelle bestimmt. Der optimale Zündwinkelwert wird dabei
in einem Kennfeld 514 abhängig von Motordrehzahl und Füllung
gebildet, dieser optimale ZÜndwinkel in einer
Summationsstelle 516 abhängig von einem in Abhängigkeit der
Ladungsbewegung LB, der Inertgasrate rri, der Motordrehzahl Nmot und
der Füllung rl bestimmten Korrekturwert korrigiert. Der
korrigierte optimale Zündwinkel wird in einer weiteren
Korrekturstelle 518 mit einem Lambda-Wert abhängigen Korrekturwert
korrigiert, der in der Kennlinie 520 in Abhängigkeit des
Basis-Lambdawertes gebildet wird. Der auf diese Weise
korrigierte, optimale Zündwinkelwert zwopt wird dann zur Bildung
des Zündwinkelwirkungsgrades in 510 und zur Bestimmung des
Istmomentes ausgewertet.
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Das gemäß dem Ablaufdiagramm nach Fig. 3 realisierte
Momentenmodell ist somit auch für Verbrennungsmotoren mit früh
oder sehr früh öffnenden auslaßseitigen Gaswechselventilen
bzw. Auslaßventilen geeignet. Es liefert ausgehend vom
Basismoment mibas das Istmoment als indiziertes Motormoment
mit hoher Genauigkeit auch bei früh oder sehr früh öffnenden
Auslaßventilen und späten Zündwinkeln. Ein frühes Öffnen
eines Auslaßventils kann dabei beispielsweise durch eine
entsprechende Phasenverstellung der Auslaßnockenwelle erreicht
werden.
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Ein Auslaßventil gilt hier dann als früh öffnend, wenn es
vor Erreichen des unteren Totpunktes der Zündungsphase Zünd-
UT öffnet und als sehr früh öffnend, wenn es noch weniger
als einem Kurbelwinkel bzw. einer Phasenverstellung der
Auslaßnockenwelle von 120° nach dem oberen Totpunkt der
Zündungsphase Zünd-OT und somit mehr als einem Kurbelwinkel von
60° vor Erreichen des unteren Totpunkts der Zündungsphase
Zünd-UT öffnet.
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Entscheidend für die Umsetzung von chemischer in mechanische
Energie und somit zur Bildung des indizierten Moments ist die
Ausnutzung der Wärmeenergie, die beim Verbrennungsprozess frei
wird.
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Vernachlässigt man die Wandwärmeverluste im Brennraum, so ist
neben dem sogenannten Verbrennungsschwerpunkt und dem Verlauf
der Verbrennung, der als Fibe-Funktion bezeichnet ist, auch noch
der Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Auslaßventils entscheidend
für diese Ausnutzung der Wärmeenergie.
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Der Verbrennungsschwerpunkt ist dabei als der Kurbelwinkel
definiert, bei dem die Hälfte der Verbrennungsenergie umgesetzt ist.
Die Fibe-Funktion beschreibt die zeitliche Umsetzung der
chemischen Energie über dem Kurbelwinkel.
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Ein sehr frühes Öffnen des jeweiligen Auslaßventils führt zu
einem schnellen Abbau des Drucks im Brennraum zu einem Zeitpunkt,
wo der Kolben sich noch nennenswert nach unten bewegt und damit
zu einem geringeren mittleren indizierten Moment. Der Anteil des
"verlorenen" Moments hängt nicht nur vom Zeitpunkt des Öffnens
des jeweiligen Auslaßventils, also beispielsweise dem
Kurbelwinkel, bei dem das jeweilige Auslaßventil öffnet, sondern noch von
anderen Größen ab.
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Insbesondere spielt der Verbrennungsschwerpunkt eine
entscheidende Rolle. Bei einem späten Verbrennungsschwerpunkt, der
beispielsweise durch späte Zündwinkel charakterisiert ist, ist der
Druck z. B. bei einem Kurbelwinkel von 120° nach dem oberen
Totpunkt der Zündungsphase Zünd-OT deutlich höher. Der
Arbeitsanteil des in der zweiten Hälfte der Abwärtsbewegung des Kolbens
geleisteten mechanischen Energie ist bei späten Zündwinkeln
größer.
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Je kleiner die Füllung im Brennraum, desto geringer ist auch der
Verbrennungsspitzendruck und um so schneller fällt der
Brennraumdruck beim Herablaufen des Kolbens ab. Bei sehr kleinen
Lasten fällt der Brennraumdruck unter den Umgebungsdruck, so dass
ein frühes Öffnen des jeweiligen Auslassventils hier zu einer
Erhöhung des indizierten Moments führt, da der negative Anteil
der Expansionsarbeit wegfällt.
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Bei späten Zündwinkeln erhält man jedoch auch bei kleinen
Füllungen ein maximales indiziertes Moment beim Öffnen des
jeweiligen Auslaßventils im unteren Totpunkt der Zündungsphase Zünd-UT
oder kurz vor dem unteren Totpunkt der Zündungsphase Zünd-UT.
Simulationsergebnisse zeigen jedoch, dass bezogen auf die
relativen Größen sich kaum etwas in Abhängigkeit der Füllung rl
ändert. Die Füllung rl wird daher nicht unbedingt zur
Berücksichtigung der Verluste eines früh öffnenden jeweiligen
Auslaßventils benötigt. Ihre Berücksichtigung würde aber die Genauigkeit
des Momentenmodells noch etwas verbessern. Deshalb ist in Fig.
3 als weitere Eingangsgröße in den Block 510 gestrichelt die
Füllung rl vorgesehen.
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Die in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
101 49 477.7 beschriebene Struktur des Momentenmodells wird hier
gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 erweitert. Dabei wird der
bisher definierte Zündwinkelwirkungsgrad etadzw = f(dzw) in
seiner Bedeutung erweitert. Er bekommt eine zusätzliche
Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wnwaö, bei dem das jeweilige Auslaßventil
öffnet. Er beschreibt damit den Gesamtwirkungsgrad der Umsetzung
der chemischen Energie in mechanische Energie unter
Berücksichtigung auch der Verluste, die durch ein frühes Öffnen des
jeweiligen Auslaßventils entstehen.
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Das Ablaufdiagramm nach Fig. 3 zeigt eine beispielhafte
Realisierung. Gegenüber dem Bekannten ist nun im Block 510 ein
Kennfeld KFETADZW realisiert, das beispielsweise aus dem
Kurbelwinkel wnwaö, bei dem das jeweilige Auslaßventil öffnet und der dem
Verstellwinkel der Auslaß-Nockenwelle entspricht, und der
Abweichung dzw des Zündwinkels von seinem optimalen Wert zwopt, bei
dem sich das größte induzierte Moment einstellt, den
Gesamtwirkungsgrad etadzw der Umsetzung der chemischen Energie in
mechanische Energie ermittelt. Das Kennfeld KFETADZW ist in Fig. 4
als Ergebnis einer Simulation dargestellt. Die Reduktion des
indizierten Moments, also die Verringerung des
Gesamtwirkungsgrades etadzw wird dabei bei gleichzeitiger Verspätung der Zündung,
also für größer werdende Werte für die Abweichung dzw des
Zündwinkels von seinem optimalen Wert zwopt, und Verfrühung des
Öffnungszeitpunktes des jeweiligen Auslaßventils, das heißt
Verringerung des Kurbelwinkels wnwaö, bei dem das jeweilige
Auslaßventil öffnet, in Bezug auf den oberen Totpunkt der
Zündungsphase Zünd-OT.
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Anstelle der Abweichung des Zündwinkels von seinem optimalen
Wert zwopt kann genauso gut aber auch der
Verbrennungsschwerpunkt oder eine andere Größe als Eingangsgröße des Kennfeldes
KFETADZW verwendet werden, die die Lage der Verbrennung über dem
Kurbelwinkel beschreibt.
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Anstelle des Verstellwinkels wnwaö der Auslass-Nockenwelle kann
als Eingangsgröße des Kennfeldes KFETADZW auch eine andere
Größe, die den Zeitpunkt des Öffnens des jeweiligen Auslaßventils
charakterisiert, verwendet werden.
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Bei einer vereinfachten Realisierung für den Fall, in dem
kein extrem bzw. sehr frühes Öffnen des Auslaßventils
vorkommt, kann man unter Einbuße von Genauigkeit auch das
Kennfeld KFETADZW in das Produkt zweier Kennlinien reduzieren.
Dies entspricht der Aufteilung des Gesamtwirkungsgrades in
zwei Teilwirkungsgrade. Ein erster Teilwirkungsgrad wird in
Abhängigkeit von einer den Verbrennungsschwerpunkt
charakterisierenden Größe, also beispielsweise der Abweichung des
Zündwinkels von seinem optimalen Wert zwopt bestimmt. Ein
zweiter Teilwirkungsgrad wird in Abhängigkeit von der den
Öffnungszeitpunkt des jeweiligen Auslaßventils
charakterisierenden Größe bestimmt. Der erste Teilwirkungsgrad ist
somit in diesem Beispiel der bisherige reine
Zündwinkelwirkungsgrad und der zweite Teilwirkungsgrad ist in diesem
Beispiel der Wirkungsgrad des Öffnungszeitpunktes des
jeweiligen Auslaßventils.
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Dabei soll der Einfachheit halber bei dieser Betrachtung der
Einfluß der Füllung rl auf den Gesamtwirkungsgrad nicht
berücksichtigt werden.
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Eine Berücksichtigung der Füllung rl würde zu einem
dreidimensionalen Kennfeld führen. Dabei kann es sich bei der
Füllung rl um eine Frischluftfüllung oder um eine
abgasangereicherte Gesamtfüllung handeln, sofern eine externe
Abgasrückführung vorgesehen ist oder die interne Abgasrückführung von
Bedeutung ist. In diesem Fall könnte auch noch zusätzlich
zur Füllung rl die Inertgasrate rri als Eingangsgröße für
das Kennfeld KFETADZW dienen, das dann sogar vierdimensional
oder fünfdimensional werden würde. Um alle Einflüsse auf den
Gesamtwirkungsgrad zu berücksichtigen, könnte auch die
Ladungsbewegung lb zusätzlich mit eingehen. Die Inertgasrate
rri und die Ladungsbewegung lb sind in Fig. 3 ebenfalls
gestrichelt weil optional als Eingangsgrößen des Kennfeldes
510 dargestellt.
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Mit dem verbesserten Momentenmodell gemäß dem Ablaufdiagramm
nach Fig. 3 wird eine hohe Genauigkeit für die Berechnung
des indizierten Moments auch bei sehr früh öffnendem
jeweiligen Auslaßventil und späten Zündwinkeln erreicht. Eine
frühe Öffnung des jeweiligen Auslaßventils kann gewünscht
sein, um frühzeitig die heißen Verbrennungsgase in das
Abgassystem zu schieben und dadurch die Aufheizung des
Katalysators deutlich zu beschleunigen.
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Zur Berechnung des Sollzündwinkels muß das obige
Momentenmodell nach Fig. 3 invertiert werden. Ein entsprechendes
Blockschaltbild zeigt Fig. 5.
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In einem Block 1000 wird der Sollwert etazwsoll für den
erweiterten Zündwinkelwirkungsgrad bzw. den Gesamtwirkungsgrad
durch Bildung des Quotienten aus dem einzustellenden
Sollmoment misoll und dem optimalen Moment miopt nach folgender
Formel bestimmt:
etazwsoll = misoll/miopt
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Dem inversen Kennfeld 1100, das auch als KFDZWETA bezeichnet
wird, werden dann der Sollwert etazwsoll für den
Gesamtwirkungsgrad und der Kurbelwinkel wnwaö, bei dem das jeweilige
Auslaßventil öffnet, als Eingangsgrößen zugeführt. Optional
kann zusätzlich wiederum ein Wert für die Füllung rl
gegebenenfalls mit Berücksichtigung der Inertgasrate rri und der
Ladungsbewegung lb als Eingangsgröße dem Kennfeld KFDZWETA
zugeführt werden. Als Ausgangsgröße ergibt sich dann eine
Abweichung dzwsoll des Sollzündwinkels zwsoll vom optimalen
Zündwinkelwert zwopt. Zur Bestimmung des Sollzündwinkels
zwsoll wird dann die Abweichung dzwsoll des Sollzündwinkels
vom optimalen Zündwinkelwert zwopt in einem
Subtraktionspunkt 1200 abgezogen.