DE10216315B4

DE10216315B4 - Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffmengenzufuhr bei einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10216315B4
Application number: DE10216315.4A
Authority: DE
Inventors: Erhard Otto
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: DE10216315A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffmengenzufuhr in einen Ansaugtrakt eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die für ein Arbeitsspiel in den Ansaugtrakt einzubringende Kraftstoffmenge ermittelt und bemessen wird in Abhängigkeit von – der für das Arbeitsspiel im Zylinder tatsächlich für die Verbrennung benötigten Kraftstoffmenge und – einer aus dem unmittelbar vorangegangenen Arbeitsspiel (AS – 1) gegebenenfalls im Ansaugtrakt verbliebenen Kraftstoffmenge (mRückströmen(AS–1)) und dass der Verbrennungsmotor in einer ersten Betriebsart (FES) und einer zweiten Betriebsart (SES) betreibbar ist, wobei ein Einlassventil des Verbrennungsmotors in der ersten Betriebsart (FES) schließt, sobald in den Zylinder die für das Arbeitsspiel erforderliche Kraftstoffmenge (mESV_Stationär(AS)) angesaugt ist und das Einlassventil in der zweiten Betriebsart (SES) solange geöffnet ist, dass zunächst Kraftstoff in den Zylinder gesaugt und ein Teil (mRückströmen(AS)) der angesaugten Kraftstoffmenge wieder durch das Einlassventil aus dem Zylinder gedrückt wird, bis das Einlassventil schließt, wobei die zurückgedrückte Kraftstoffmenge (mRückströmen(AS)) ermittelt und bei der Steuerung der im nächstfolgenden Arbeitsspiel (AS) in den Ansaugtrakt einzubringenden Kraftstoffmenge (mESV(AS)) als die aus dem unmittelbar vorangegangenen Arbeitsspiel im Ansaugtrakt verbliebene Kraftstoffmenge (mRückströmen(AS–1)) berücksichtigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffmengenzufuhr in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Verbrennungsmotor mit einer nach diesem Verfahren arbeitenden Motorsteuerung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 4.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der DE 195 39 536 A1 (dort insbesondere Seite 3, Zeilen 36 bis 50) bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählen die DE 41 21 396 A1 , DE 40 00 531 A1 , DE 198 25 729 A1 und die DE 100 14 756 A1 .
Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren werden die Öffnungs- und Schließzeiten der Einlass- und Auslassventile durch die Nockenwelle gesteuert. Bereits bekannt sind variable Nockenwellensteuerungen, mit denen Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile in Bezug auf die Phasenlage des Arbeitsspiels vor bzw. zurückverlagert werden können. Wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Ventilsteuerungen ermöglichen elektromechanische Ventilsteuerungen bzw. elektromechanische Ventiltriebe (EVT), bei denen die Einlass- und Auslassventile durch Elektromagneten geöffnet bzw. geschlossen werden.
Elektromagnetisch gesteuerte Ventile benötigen in Abhängigkeit von ihrer konstruktiven Gestaltung und der Auslegung der Elektromagneten eine gewisse Mindestzeitdauer zum Öffnen bzw. Schließen. Bei hohen Motordrehzahlen ist es schwierig, exakt die in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und dem Motordrehmoment erforderliche Menge an Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder einzubringen, weil bei hohen Motordrehzahlen elektromagnetisch gesteuerte Ventile häufig zu träge, d. h. zu langsam sind, was dazu führen kann, dass ungewollt zu viel Kraftstoffluftgemisch in den Zylinder gelangt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffmengenzufuhr und einen nach diesem Verfahren arbeitender Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem ein einwandfreier Betrieb des Motors sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt für die Erfindung ist die Überlegung, bei Verbrennungsmotoren mit elektromechanischem Ventiltrieb die Schließzeiten der Einlassventile in Abhängigkeit von der Motordrehzahl zeitlich vor- bzw. zurückzuverlagern. Grundsätzlich lassen sich zwei verschiedene Betriebsarten unterscheiden, nämlich

– ”frühes Einlassschließen”, im Folgenden als FES bezeichnet und
– ”spätes Einlassschließen”, im Folgenden als SES bezeichnet.

Bei FES werden die Einlassventile in Bezug auf die Phasenlage des Kolbens bzw. des Arbeitsspiels früher geschlossen als bei SES. Bei kleineren Drehzahlen wird der Motor in der Betriebsart FES und bei größeren Drehzahlen in der Betriebsart SES betrieben. Bei FES wird wie bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor Kraftstoffluftgemisch angesaugt und am Schluss des Ansaugvorgangs wird das Einlassventil geschlossen. Das heißt, bei FES werden die Einlassventile geschlossen, sobald die notwendige Füllmenge bzw. Kraftstoffmenge angesaugt wurde.
Bei SES hingegen wird ebenfalls Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt. Im Unterschied zu FES bleibt bei SES das Einlassventil aber deutlich länger nach dem ”unteren Tot-Punkt” des Kolbens offen. Dies führt dazu, dass bei SES über das offene Einlassventil ein Teil des angesaugten Kraftstoff-Luftgemischs durch den Kolben wieder in das Ansaugrohr zurückgedrückt wird.
Bei FES treten nur sehr geringe Ladungswechselverluste auf, was hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs günstig ist. Bei SES sind zwar die Ladungswechselverluste etwas größer. SES hat aber im Hinblick auf elektromagnetisch gesteuerte Einlassventile Vorteile. Bei hohen Drehzahlen ermöglicht nämlich das SES-Verfahren trotz der systembedingt vorgegebenen Mindestöffnungsdauer der Einlassventile die Füllung weiter zu verringern. Beim SES-Verfahren wird der Zylinder zunächst maximal gefüllt, d. h. es wird zunächst die für Vollastbetrieb erforderliche Kraftstoffmenge in den Zylinder eingesaugt. Die für den aktuellen Lastzustand nicht benötigte Kraftstoffmenge wird nach dem unteren Tot-Punkt in das Saugrohr zurückgeschoben und erst dann wird das Einlassventil geschlossen. Mann kann also durch SES auch mit relativ „trägen” Einlassventilen die optimale Zylinderfüllmenge erreichen.
Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass beim Übergang von FES auf SES zunächst kein Kraftstoff-Luftgemisch im Saugrohr ”vorgelagert”, d. h. vorhanden ist. Im ersten Arbeitsspiel mit SES muss auch für einen Teillastbetriebspunkt die Kraftstoffmenge für maximale Füllung (Volllast) eingespritzt werden. Bei SES wird nämlich zunächst der Zylinder vollständig mit Kraftstoff-Luftgemisch gefüllt. Anschließend wird die nicht benötigte Gemischladung in das Saugrohr zurückgeschoben. Im nachfolgenden Arbeitsspiel ist dann bereits Kraftstoff-Luftgemisch im Saugrohr ”vorgelagert”, so dass die stationäre Kraftstoffmasse eingespritzt werden muss.
Beim Übergang von SES auf FES ist Kraftstoff vom letzten Arbeitsspiel vorgelagert. Bei FES wird kein Gemisch ins Saugrohr zurückgeschoben. In diesem Fall muss daher die Einspritzmenge reduziert werden; im Extremfall auf Null, um ein überfettes Gemisch zu vermeiden.
Kern der Erfindung ist es, bei der Steuerung der in den Ansaugtrakt einzuspritzenden Kraftstoffmenge zum einen die während des betrachteten Arbeitsspiels im Zylinder für die Verbrennung tatsächlich benötigte Kraftstoffmenge zu berücksichtigen und zusätzlich die aus dem unmittelbar vorangegangenen Arbeitsspiel gegebenenfalls im Ansaugtrakt verbliebene Kraftstoffmenge zu berücksichtigen.
Vereinfacht ausgedrückt wird ständig überwacht, ob der Motor im vorangegangenen Arbeitsspiel in der Betriebsart SES betrieben wurde und aufgrund dessen Kraftstoff-Luftgemisch im Ansaugrohr ”vorgelagert” ist. In diesem Fall muss für das aktuelle Arbeitsspiel entsprechend weniger Kraftstoff eingespritzt werden.
Die Kompensation der instationären Übergänge innerhalb der Betriebsart SES und die Übergänge in und aus dieser Betriebsart werden durch ein rekursives Bilanzmodell der vorgelagerten Kraftstoffmasse ermittelt. Bei Übergängen werden die Anfangsbedingungen jeweils neu initialisiert. Im Folgenden wird der ”Algorithmus” zur Bestimmung der Kraftstoffmassen in den einzelnen Zuständen bzw. beim Übergang von einem Zustand zum anderen angegeben.

Wenn (Übergang von FES auf SES) dann m_ESV(AS) = m_VL_λ=1(AS) m_{Rückströmen(AS)} = 0 m_Zylinder(AS) = m_{ESV_Stationär(AS)} m_{Rückströmen(AS)} = m_VL_λ=1(AS) – m_Zylinder(AS) Wenn (SES) dann m_ESV(AS) = m_VL_λ=1(AS) – m_{Rückströmen(AS–1)} m_Zylinder(AS) = m_{ESV_Stationär(AS)} m_{Rückströmen(AS)} = m_VL_λ=1(AS) – m_Zylinder(AS) Wenn (Übergang von SES auf FES) dann m_ESV(AS) = m_{ESV_Stationär(AS)} – m_{Rückströmen(AS–1)} Wenn (m_ESV(AS) < 0) dann m_ESV(AS) := 0 m_Zylinder(AS) = m_{ESV_Stationär(AS)} m_{Rückströmen(AS)} = 0 Wenn (FES) dann m_ESV(AS) = m_{ESV_Stationär(AS)} – m_{Rückströmen(AS–1)} m_{Rückströmen(AS)} = 0.

Bedeutung der einzelnen Variablen:

m_ESV(AS)	Die für das Arbeitsspiel AS einzuspritzende Kraftstoffmenge
m_VL_λ=1(AS)	Die einzuspritzende Kraftstoffmenge für Volllastbetrieb und ein Luftverhältnis von λ = 1, d. h. für stöchiometrische Bedingungen
m_{Rückströmen(AS)}	Die im Arbeitsspiel AS in den Ansaugtrakt zurückgeschobene Kraftstoffmenge
m_Zylinder(AS)	Die tatsächlich im Zylinder verbleibende Kraftstoffmasse
m_{ESV_Stationär(AS)}	Die für einen stationären Motorbetrieb einzuspritzende Kraftstoffmenge. Sie steht aus dem in der Motorsteuerung hinterlegten Kennfeld zur Verfügung
m_{Rückströmen(AS–1)}	Die im vorangegangenen Arbeitsspiel AS – 1 in den Ansaugtrakt zurückgeschobene Kraftstoffmenge, d. h. die im Arbeitsspiels AS vorgelagerte Kraftstoffmenge

Der oben beschriebene Algorithmus gilt auch für Motoren, bei denen einzelne Zylinder abschaltbar sind, da hier je nach Steuerstrategie Kraftstoffgemisch zurückgeschoben und vorgelagert wurde. Diese Berechnung läuft bei allen Betriebszuständen in der Motorsteuerung ab, wobei z. B. bei FES die in den Ansaugtrakt zurückgeströmte Kraftstoffmenge zu Null gesetzt wird.
Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
In den 1 und 2 ist auf der horizontalen Achse jeweils die Anzahl der Zyklen bzw. Arbeitsspiele und auf der vertikalen Achse die Kraftstoffmasse (Kraftstoffmenge) aufgetragen.
1 zeigt den Verlauf der Volllast-Kraftstoffmenge und der stationären Einspritzmenge. Die Kurve der Volllast-Kraftstoffmenge weist hier mehrere trapezartige ”Maxima” auf. Dieser Kurve liegt ein Versuchsablauf zugrunde, bei dem bei Volllast die Motordrehzahl zyklisch variiert wurde, wodurch sich die eingespritzte Volllast-Kraftstoffmenge entsprechend ändert.
Die in 1 eingezeichnete stationäre Einspritzmenge hat einen treppenartigen Verlauf. Jede ”Stufe” entspricht einer Laständerung. Im Bereich zwischen den einzelnen Stufen liegt ein stationärer Betrieb vor. Folglich ist dort die stationäre Einspritzmenge konstant.
2 zeigt den Verlauf der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge (Einspritzmenge), den Verlauf der angesaugten Kraftstoffmenge (Ansaugen) sowie den Verlauf der in den Ansaugkanal zurückgeschobenen Kraftstoffmenge (Rückströmen).
Bis zum 4. Arbeitsspiel ist die Rückströmmenge 0. Das heißt bis zum 4. Arbeitsspiel wird der Motor in der Betriebsart FES betrieben. Ab dem 4. Arbeitsspiel bis zum 64. Arbeitsspiel wird der Motor in der Betriebsart SES betrieben, was zur Folge hat, dass stets die Volllast-Kraftstoffmenge angesaugt wird. Dementsprechend ist die in 2 dargestellte Ansaugkurve in diesem Bereich identisch mit der in 1 dargestellten Volllast-Kraftstoffmengenkurve.
Wie aus 2 ersichtlich ist, wird im Bereich zwischen dem 4. und dem 64. Arbeitsspiel jeweils wieder ein Teil der angesaugten Kraftstoffmenge in den Ansaugtrakt zurückgeschoben, weil nicht die angesaugte Volllast-Kraftstoffmenge benötigt wird, sondern je nach „Gasvorgabe” durch den Fahrer nur ein Teil der Volllast-Kraftstoffmenge. Die „überschüssige” Kraftstoffmenge wird über das Einlassventil in den Ansaugtrakt zurückgeschoben. Wenn die erforderliche Kraftstoffmenge im Zylinder erreicht ist, wird das Einlassventil geschlossen. So kann auch bei hohen Drehzahlen mit relativ trägen Einlassventilen eine optimale Zylinderfüllmenge erreicht werden. Im Bereich zwischen dem ca. 13. und 64. Arbeitsspiel ist die zurückgeschobene Kraftstoffmenge größer als die Einspritzmenge, d. h. es wird mehr Kraftstoff zurückgeschoben als im Zylinder für die Verbrennung verbleibt.
Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass die Einspritzmenge sich auf die in 1 dargestellte stationäre Einspritzmenge einschwingt. Die Einspritzmenge nähert sich also bereits nach wenigen Arbeitsspielen nach einer Laständerung der stationären Einspritzmenge an. Die ”Zacken” in der in 2 dargestellten Einspritzmengenkurve rühren aus der oben erwähnten im Versuch vorgenommenen Drehzahlvariierung bei Volllast her.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffmengenzufuhr in einen Ansaugtrakt eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die für ein Arbeitsspiel in den Ansaugtrakt einzubringende Kraftstoffmenge ermittelt und bemessen wird in Abhängigkeit von – der für das Arbeitsspiel im Zylinder tatsächlich für die Verbrennung benötigten Kraftstoffmenge und – einer aus dem unmittelbar vorangegangenen Arbeitsspiel (AS – 1) gegebenenfalls im Ansaugtrakt verbliebenen Kraftstoffmenge (m_{Rückströmen(AS–1)}) und dass der Verbrennungsmotor in einer ersten Betriebsart (FES) und einer zweiten Betriebsart (SES) betreibbar ist, wobei ein Einlassventil des Verbrennungsmotors in der ersten Betriebsart (FES) schließt, sobald in den Zylinder die für das Arbeitsspiel erforderliche Kraftstoffmenge (m_{ESV_Stationär(AS)}) angesaugt ist und das Einlassventil in der zweiten Betriebsart (SES) solange geöffnet ist, dass zunächst Kraftstoff in den Zylinder gesaugt und ein Teil (m_{Rückströmen(AS)}) der angesaugten Kraftstoffmenge wieder durch das Einlassventil aus dem Zylinder gedrückt wird, bis das Einlassventil schließt, wobei die zurückgedrückte Kraftstoffmenge (m_{Rückströmen(AS)}) ermittelt und bei der Steuerung der im nächstfolgenden Arbeitsspiel (AS) in den Ansaugtrakt einzubringenden Kraftstoffmenge (m_ESV(AS)) als die aus dem unmittelbar vorangegangenen Arbeitsspiel im Ansaugtrakt verbliebene Kraftstoffmenge (m_{Rückströmen(AS–1)}) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der zweiten Betriebsart (SES) sowie bei einer Umschaltung von der ersten Betriebsart (FES) in die zweite Betriebsart (SES) die in den Ansaugtrakt einzubringende Kraftstoffmenge nach der Formel m_ESV(AS) = m_VL_λ=1(AS) – m_{Rückströmen(AS–1)} ermittelt wird, wobei m_ESV(AS) die einzuspritzende Kraftstoffmenge ist, m_VL_λ=1(AS) die bei Volllast für stöchiometrische Bedingungen einzubringende Kraftstoffmenge ist und m_{Rückströmen(AS–1)} die in den Ansaugtrakt zurückgedrückte Kraftstoffmenge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der ersten Betriebsart (FES) sowie bei einer Umschaltung von der zweiten Betriebsart (SES) in die erste Betriebsart (FES) die in den Ansaugtrakt einzubringende Kraftstoffmenge (m_ESV(AS)) nach folgender Formel berechnet wird m_ESV(AS) = m_{ESV_Stationär(AS)} – m_{Rückströmen(AS–1)}, wobei m_ESV(AS) die einzuspritzende Kraftstoffmenge ist, m_{ESV_Stationär(AS)} die für einen stationären Motorbetrieb einzubringende Einspritzmenge ist und m_{Rückströmen(AS–1)} die in den Ansaugtrakt zurückgedrückte Kraftstoffmenge ist.
Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, dem mindestens ein hinsichtlich seiner Öffnungs- und Schließzeiten variabel steuerbares Einlassventil zugeordnet ist, und einer elektronischen Motorsteuerung zur Steuerung der Öffnungs- und Schließzeiten des Einlassventils und zur Steuerung der in einen Ansaugtrakt des Zylinders einzuspritzenden Kraftstoffmenge (m_ESV(AS)), wobei in der Motorsteuerung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 implementiert ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei der Motor einen elektromechanischen Ventiltrieb aufweist.