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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die intermittierend
betätigte
Einlassventile aufweist, bei dem jeweils Kraftstoff in einen Brennraum
eingebracht und ein durch einen Ansaugtrakt in den Brennraum einströmender Verbrennungs-Luftmengenstrom
(MF) eingestellt wird, wobei ein Druck im Ansaugtrakt bestimmt wird
und zum Einstellen des Luftmengenstroms zwei im Ansaugtrakt hintereinander
geschaltete Stellglieder verwendet werden, die jeweils den Luftmengenstrom
beeinflussen.
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Insbesondere bei Brennkraftmaschine
mit äußerer Gemischbildung
ist es bekannt, über
ein im Ansaugtrakt vorgesehenes Stellglied den Verbrennungs-Luftmassenstrom
und damit die Füllung
in den Brennkammern der Brennkraftmaschine zu steuern. Üblicherweise
wird dieses Stellglied als Drosselklappe ausgebildet, mit der der
Querschnitt des Ansaugtraktes abgesperrt werden kann. Die Stellung
der Drosselklappe wirkt sich dann direkt auf die Füllung aus.
Ist die Drosselklappe nicht vollständig geöffnet, so wird die von der Brennkraftmaschine
angesaugte Luft gedrosselt und damit das von der Brennkraftmaschine
abgegebene Drehmoment reduziert. Diese Drosselwirkung hängt von
der Stellung und damit vom Öffnungsquerschnitt
der Drosselklappe ab. Bei vollgeöffneter
Drosselklappe wird von der Brennkraftmaschine das maximale Moment abgegeben.
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Um eine optimale Steuerung der Drosselklappe
zu erreichen, wird diese von einem Stellantrieb mit Lagerückmeldung
betätigt.
Dabei ist ein Steuergerät
vorgesehen, das die erforderliche Öffnung der Drosselklappe unter
Berücksichtigung
des aktuellen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine errechnet
und den Drosselklappenstellantrieb ansteuert. Dazu wird eine Farbpedalstellung über einen
Pedalwertgeber ausgewertet.
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Beim Betrieb der Brennkraftmaschine
kommt der Bestimmung der in die Brennräume der Brennkraftmaschine
einströmenden
Luftmasse entscheidende Bedeutung zu. Die
EP 0 820 559 B1 schlägt diesbezüglich ein
modellgestütztes
Verfahren vor, bei dem eine für
die Füllung
charakteristische Größe, nämlich Luftmassenstrom
oder Ansaugrohrdruck, gemessen und in einer Modellbildung zur genaueren
Bestimmung der Füllung verwendet
wird. Dadurch ist es möglich,
eine Soll-Füllung,
die z.B. aus einem angeforderten Drehmoment errechnet wurde, durch
eine entsprechende Drosselklappeneinstellung exakt zu realisieren.
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Um die an der Drosselklappe auftretenden
Verluste so gering wie möglich
zu halten, ist es bekannt, als zweites Stellglied im Ansaugtrakt
die Einlassventile mit variablem Ventilhub betreiben zu können. Die
Einlassventile öffnen
dann mit einem einstellbaren Hubverlauf, so dass zumindest in einigen
Betriebsphasen der Brennkraftmaschine auf die Wirkung der Drosselklappe
verzichtet werden kann. Die Füllung
der Brennkraftmaschine wird dann ausschließlich über die Einstellung des Ventilhubes
gesteuert. In der
DE
199 54 535 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
mit variabler Hubsteuerung bekannt, wobei ein Füllungsmodell verwendet wird.
Die Veröffentlichung
Konrad H. et al., „Die
Entwicklung der Steuerfunktion für
die BMW VALVETRONIC Motoren",
VDI-BERICHTE NR.
1672, 2002, 15.–16.
April 2002 Mannheim, f. 245–256, beschreibt
ein Modell zur Lasterfassung, wobei die Parameterdrosselklappenstellung,
Druck und Ventilhubstellung zur Bestimmung der Luftmenge herangezogen
werden. Die
DE 199
06 707 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zylinderfüllung bei
ungedrosselten Motoren.
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Bei gemischansaugenden Brennkraftmaschinen
wird das Gemisch außerhalb
des Brennraums gebildet. Beispielsweise wird eine Einzeleinspritzanlage
vorgesehen, bei der jedem Brennraum einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine
ein Einspritzventil zugeordnet ist, das den Kraftstoff direkt vor
das Einlassventil einbringt. Dies ermöglicht eine Steuerung dahingehend,
dass jedem Brennraum die passende Kraftstoffmasse zugeteilt wird.
Durch die Einspritzung einer genau dosierten Kraftstoffmasse direkt
vor das Einlassventil wird die Gemischbildung verbessert und eine
unerwünschte
Wandbenetzung des Ansaugtraktes vermieden.
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Um jedoch die passende Kraftstoffmenge
ermitteln zu können,
muss die Verbrennungs-Luftmenge berücksichtigt werden.
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Dies gilt nicht nur für Systeme
mit äußerer Gemischbildung,
sondern auch bei innerer Gemischbildung, wenn also Kraftstoff direkt
in Brennräume
einer Brennkraftmaschine eingebracht wird.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
dass eine optimale Steuerung der Kraftstoffeinbringung erreicht
wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren
dadurch gelöst,
dass der Druck im Ansaugtrakt zwischen den beiden Stellgliedern
bestimmt und die Lage der Stellglieder gemessen werden, vor der Kraftstoffeinbringung
die nach Abschluss einer Einlassventil-Öffnung in den Brennraum der
Brennkraftmaschine eingeströmte
Luftmenge aus den Messwerten für
Druck und Lage der Stellglieder geschätzt wird und die Menge an einzubringendem
Kraftstoff abhängig
von der geschätzten
Luftmenge gewählt
wird.
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Die Erfindung schätzt also die Luftmenge, die
zur Verbrennung zur Verfügung
stehen wird, zu einem Zeitpunkt bevor der Kraftstoff eingebracht
wird (weshalb dies nachfolgend als „Prognose" bezeichnet wird) und steuert die Menge
an einzubringenden Kraftstoff abhängig von der derart prognostizierten
Luftmenge, die für die
Verbrennung zur Verfügung
stehen wird. Da der Luftmengenstrom durch den Ansaugtrakt in den
Brennraum durch zwei Stellglieder, die unabhängig voneinander ansteuerbar
sind, beeinflusst wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Druck im
Ansaugtrakt zwischen den beiden Stellgliedern zu bestimmen, wobei zweckmäßigerweise
eine Messung vorgenommen werden kann. Optional kann auch ein geeigneter
Modellansatz verwendet werden. Weiter wird die Lage der Stellglieder
ausgewertet. Dies ist erforderlich, um die Brennraumfüllung prognostizieren
zu können.
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Das Verfahren erlaubt einen frei
wählbaren
Einsatz der Stellglieder zur Einstellung der Füllung, ohne dass dabei negative Auswirkungen
auf die korrekte Kraftstoffzuteilung zu befürchten wären.
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Zur Prognose werden die Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine geeignet ausgewertet, beispielsweise kann
die Dynamik der Stellglieder erfasst und geeignet berücksichtigt
werden. Zweckmäßigerweise
ist es vorgesehen, dass zur Prognose die zeitliche Änderung
des Drucks und der Lage mindestens eines Stellgliedes verwendet
werden. Eine gesteigerte Genauigkeit erreicht man, wenn die Dynamik
der Stellglieder ebenfalls einbezogen wird.
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Bei zwei Stellgliedern im Ansaugtrakt,
die den Luftmengenstrom beeinflussen, wirkt regelmäßig ein Stellglied
auf den Druck im Ansaugtrakt, der dann wiederum den Luftmengenstrom
in den Brennraum beeinflusst, während
das andere Stellglied, das gegenüber
dem zuvor erwähnten
stromab im Ansaugtrakt liegt, regelmäßig direkt den Luftmengenstrom
in den Brennraum beeinflusst. Eine besonders einfach auszuführende Prognose
erhält
man dann, wenn zur Prognose ein Modell verwendet wird, das Luftmengenstrom,
Druck und Lage der beiden Stellglieder verknüpft. Dabei kann beispielsweise
ein statisches Modell verwendet werden, das bei Anwendung der Kettenregel
und unter geschickter Vereinfachung eine Prognose auf rechenartsparsame
Weise ergibt.
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Der Rechenaufwand sinkt dabei besonders,
wenn das Modell zwei Teilmodelle aufweist, wobei ein erstes Teilmodell
den Luftmengenstrom in die Brennkammer als Funktion des Druckes
und der Lage des zweiten Stellgliedes und ein zweites Teilmodell
den Druck als Funktion des Luftmengenstroms und der Lage des ersten Stellgliedes
wiedergibt.
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Die Stellglieder werden üblicherweise
als Drosselklappe sowie Einlassventilhubverstelleinrichtung ausgebildet,
da dann zur Vermeidung unnötiger
Drosselverluste ein Betrieb der Brenn kraftmaschine mit möglichst
hohem Wirkungsgrad erreicht werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhalber noch näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Ansaugtraktes einer Otto-Brennkraftmaschine
und
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2 eine
schematische Ablaufdarstellung verschiedener Vorgänge bei
der Steuerung der Brennkraftmaschine.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist
hinsichtlich ihrer Ansaugseite in 1 schematisch
dargestellt. Sie weist einen Ansaugtrakt 2 auf, über den
Verbrennungsluft in die Brennräume
der Brennkraftmaschine 1 gelangt. In 1 ist schematisch ein Brennraum 3 dargestellt.
Abgase der Verbrennung strömen
in einen Abgastrakt 4. Der Brennraum 3 wird zum
Ansaugtrakt 2 über
ein Einlassventil 5 sowie zum Ansaugtrakt 4 über ein
Auslassventil 6 abgeschlossen. In den Brennraum 3 ragt
weiter eine Zündkerze 7,
die angesaugtes und verdichtetes Gemisch entflammt.
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Der Hub des Einlassventils 5 ist über eine
Ventilhubverstelleinheit 8, die in 1 schematisch durch einen Doppelpfeil
angedeutet ist, verstellbar. Dabei vollführt das Einlassventil 5,
das über
einen (nicht dargestellten) Nockenwellenantrieb betätigt wird,
je nach Einstellung der Ventilhubverstelleinheit 8 einen
unterschiedlich großen
Maximalhub, der zwischen einem minimalen und einem maximalen Ventilhubwert
liegt. Es wird der Einfachheit halber hier lediglich von dem „Ventilhub" gesprochen, womit
die maximale Erhebung des Einlassventils 5 während eines Öffnungsvorgangs
gemeint ist. Der Ventilhub wird von einem (in 1 nicht dargestellten) Ventilhubsensor
abgefühlt.
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Im Ansaugtrakt 2 befindet
sich weiter eine Drosselklappe 9, die von einem Stellantrieb
mit Lagerückmeldung
betätigt
wird. Zur Lagerückmeldung
ist ein (in 1 nicht
eingezeichneter) Drosselklappensensor vorgesehen, der einen Messwert über den Öffnungswinkel
der Drosselklappe liefert.
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Der Drosselklappe 9 ist
in Strömungsrichtung
ein Luftmassenflusssensor 10 (Luftmassenmesser) in der
Nähe des
Einlasses des Ansaugtraktes 2 vorgeordnet, der den durch
den Ansaugtrakt 2 strömenden
Luftmassenstroms MF erfasst. Ein solcher Luftmassenflusssensor 10 ist
für luftmassengeführten Steuerungssystem
für Brennkraftmaschinen
bekannt.
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Weiter befindet sich zwischen der
Drosselklappe 9 und dem Einlassventil 5 ein Drucksensor 11,
der dort den Druck im Ansaugtrakt 2 misst. Eine solche
Messung des Ansaugrohrdruckes P ist bei saugrohrdruckgeführten Steuerungskonzepten
ebenfalls bekannt.
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Die Brennkraftmaschine wird von einem
Steuergerät
(nicht dargestellt) gesteuert, dem Messwerte über Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden.
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An der schematisch dargestellten
Brennkraftmaschine 1 wird über den Luftmassenflusssensor 10 der Ist-Wert
des Luftmassenstroms MF erfasst. Der Drucksensor 11 misst
den Ist-Wert des Ansaugrohrdruckes P und ein Ventilhubsensor erfasst
den Ist-Wert des Ventilhubes.
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2 zeigt
ein Ablaufdiagramm verschiedener Vorgänge bei der Brennkraftmaschine 1,
wobei die Auftragung über
einem Kurbelwellenwinkel W erfolgt und nur die Vorgänge für einen
Brennraum 3 einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine 1 dargestellt
sind. Schraffierte Bereiche 11 symbolisieren die Einlassventil-Öffnung,
d.h. diejenige Zeitdauer bzw. Kurbelwellenstellungen, in denen das
Einlassventil 5 geöffnet
ist. Nach dem Schließen
des Einlassventils 5 erfolgt eine Prognose
12 in
der die während
der nächsten
Einlassventil-Öffnung 11 in
den Brennraum 3 einströmende
Luftmasse prognostiziert wird.
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Diese Prognose, die später im Detail
noch beschrieben werden wird, dient dazu, um die bei einer nachfolgenden
Einspritzung 13 für
den Brennraum 3 eingespritzte Kraftstoffmasse optimal zu
bemessen, so dass dann im Brennraum 3 ein wunschgemäßes Gemisch
vorliegt. Bei einer Mager-Brennkraftmaschine 1 wird durch
die Kraftstoffmasse, die mit der Einspritzung 13 eingebracht
wird, das von der Brennkraftmaschine 1 abgegebene Moment
eingestellt. Die während
der Einspritzung 13 zugegebene Kraftstoffmasse ist dabei
direkt an die Luftmasse gekoppelt, die während der Einlassventil-Öffnung 11 in
die Brennkammer 3 gelangte. Dasselbe gilbt bei einer stöchiometrisch
betriebenen Brennkraftmaschine 1, bei der Luftmasse und
die Kraftstoffmasse im stöchiometrischen
Verhältnis
zueinander stehen.
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Die eingespritzte Kraftstoffmasse
wird in der Einspritzung 13 üblicherweise über die
Dauer des Einspritzvorganges eingestellt, da meist der Einspritzdruck
konstant, d.h. nicht veränderbar
ist. Für
Systeme, bei denen der Kraftstofffluss während der Einspritzung 13 verändert werden
kann, ist es dagegen möglich,
die Kraftstoffmasse unabhängig
von der Einspritzdauer zu verändern.
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Ruf die Einspritzung 13 hin
erfolgt eine Auslassventil-Öffnung 14 und
Abgase werden aus dem Brennraum 3 in den Abgastrakt 4 ausgeschoben.
Bei der darauf folgenden Einlassventil-Öffnung 11 strömt dann durch
das Einlassventil 5 Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum 3,
wobei zum Abschluss der Einlassventil-Öffnung 11 eine Luftmasse
in den Brennraum 3 geströmt ist, zu der aufgrund der
Prognose 12 die bereits erfolgte Einspritzung 13 passt.
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Wenn das Einlassventil 5 geschlossen
ist, erfolgt eine Zündung 15 des
Gemisches, und es schließt sich
ein Arbeitstakt mit anschließendem
Ausschieben des verbrannten Gemisches während einer erneuten Auslassventil-Öffnung 14 an.
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Die Prognose
12 ermittelt
die Luftmasse, die nach Abschluss der Einlassventil-Öffnung
11 in
den Brennraum
3 eingeströmt ist. Dafür wird ein Modell verwendet,
das den Luftmassenstrom MF in den Brennraum
3 in Abhängigkeit
des Druckes P im Ansaugtrakt und eines Ventilhubparameters V wiedergibt
MF = F(P,V) (Gleichung 1) ,
wobei F den funktionalen Zusammenhang symbolisiert. Die Ableitung
dieses Modells nach der Zeit mit Hilfe der Kettenregel liefert
in der ∂ die partielle Ableitung darstellt.
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Die Prognose
12 erfolgt,
wie in
2 zu sehen ist,
zeitlich gesehen über
eine Segmentzahl H, beispielsweise in der Ausführungsform der
2 über
vier Segmente. Durch H-fache Anwendung der Trapezregel lässt sich
ausgehend vom Luftmassenstrom des aktuellen Segments MF(n) sowie
dem Luftmassenstrom des vorherigen Segmentes MF(n–1) unter
Berücksichtigung
der Ableitungen der prognostizierte Massenstrom nach H Segmenten
wie folgt annähern
wobei TA der Abtastschrittdauer,
also der Dauer eines Segmentes entspricht.
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Unter Zuhilfenahme der Gleichung
2 ergibt sich damit
Durch Gleichung 4 kann der
Luftmassenstrom, der sich in den nächsten H-Segmenten einstellen
wird, auf Basis des Druckes P im Ansaugtrakt sowie des Ventilhubparameters
V und der zeitlichen Ableitungen aus diesen Größen prognostiziert werden.
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Bestehen weitere Einflussgrößen, kann
dies durch Anwendung der Kettenregel analog Gleichung 2 ebenfalls
Berücksichtigung
finden.
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Für
den Luftmassenstrom MF in den Brennraum 3 kann man ein
volumetrisches Modell ansetzen, bei dem drehzahl- und betriebsparameterabhängige Volumenwirkungsgrade
verwendet werden, so gilt beispielsweise folgende Gleichung: MF=(F1⋅P–F2)VF (Gleichung 5), in
der VF eine vom Ventilhubparameter V abhängige Ventilhubfunktion wiedergibt,
d.h. den Einfluss des Ventilhubparameters V auf den in den Brennraum 3 strömenden Luftmassenstrom
bezeichnet. Der Faktor F1 bezeichnet die Steigung einer Wirkungsgradkurve
und F2 deren Nullwert (Offset).
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Mit diesem Modell erhält man für Gleichung
4
wobei der Kreuzterm der
Ableitungen als zu vernachlässigender
Einfluss höherer
Ordnung weggelassen wurde. Der Faktor
kann
mittels eines geeigneten Kennfeldes ermittelt werden.
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In Gleichung 6 sind alle Parameter
zur Prognose des Luftmassenstromes bekannt. Die numerische Ableitung
des Druckes P kann vielfältig
berechnet werden, dies ist beispielsweise in der
EP 0 820 559 B1 beschrieben.
Sie kann aber auch nach der bekannten Methode der Differenzenbildung
bestimmt werden.
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Die Ableitung für den Ventilhubparameter wird über ein
Differentialgleichungssystem berechnet, wobei folgendes Zeitverhalten
erster Ordnung mit Zeitkonstante T zugrundegelegt wird
mit sV als Sollwert für den Ventilhubparameter.
Eine numerische Integration, z.B. gemäß der bekannten Trapezregel
oder der Fuler'schen
Regel ergibt die Gleichungen
so dass damit die erforderlichen
Größen zur
Auswertung der Gleichung 6 bekannt sind.
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Mittels Gleichung 6 wird dann die
Prognose 12 durchgeführt,
wobei die Segmentzahl H so gewählt wird,
dass die Prognose den Luftmassenstrom zu dem Zeitpunkt angibt, zu
dem die Einlassventil-Öffnung 11 beendet
ist.
kann mittels eines geeigneten Kennfeldes ermittelt werden.
so dass damit die erforderlichen Größen zur Auswertung der Gleichung 6 bekannt sind.