DE10234849A1

DE10234849A1 - Verfahren, Computerprogramm und Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10234849A1
Application number: DE10234849A
Authority: DE
Inventors: Ralf Kienzle; Andreas Michalske
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-19
Also published as: WO2004016929A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Katalysator wird abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine von einer ersten in eine zweite Betriebsart und umgekehrt gewechselt. Die Betriebsarten unterscheiden sich u. a. durch einen vorgegebenen Lambdawert (Lreg) des Kraftstoff-Luftgemisches im Brennraum. Um sicher zu stellen, dass das Kraftstoff-Luftgemisch mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann, und gleichzeitig bei Störungen keine ungewünschten Drehmomentsprünge auftreten, dass aus einem gewünschten Drehmoment (MDsoll) und dem vorgegebenen Lambdawert (Lreg) eine dem Brennraum zuzuführende Soll-Luftmasse (MLsoll) und unter Berücksichtigung eines Soll-Lambdawerts (Lsoll) eine dem Brennraum zuzuführende Soll-Kraftstoffmenge (MEsoll) ermittelt wird, derart, dass die Einhaltung des gewünschten Drehmoments (MDsoll) Priorität vor der Einhaltung des vorgegebenen Lambdawerts (Lreg) hat, und dass zur Ermittlung der Soll-Kraftstoffmenge (MEsoll) der Soll-Lambdawert (Lsoll) mit einem tatsächlichen Lambdawert (List) verglichen und hieraus eine Korrektur-Kraftstoffmenge (MEkorr) ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Katalysator, insbesondere mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, bei dem abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine von einer ersten in eine zweite Betriebsart und umgekehrt gewechselt wird, wobei sich die Betriebsarten mindestens durch einen vorgegebenen Lambdawert des Kraftstoff-Luftgernisches im Brennraum unterscheiden.
Ein derartiges Verfahren ist vom Markt her bekannt. Es wird bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung eingesetzt. Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird ein NOx--Speicherkatalysator zur Reduktion der Schadstoffemissionen eingesetzt. Normalerweise arbeitet die Brennkraftmaschine in einer Betriebsart, in der das im Brennraum vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch mager ist. Die in dieser Betriebsart entstehenden Stickoxide werden von dem NOx-Speicherkatalysator aufgenommen und zwischengespeichert.
Der NOx-Speicherkatalysator wird also mit den Stickoxiden beladen. Bevor der NOx-Speicherkatalysator vollständig mit den Stickoxiden beladen ist, wird von der ersten mageren Betriebsart in eine zweite Betriebsart der Brennkraftmaschine umgeschaltet, in der das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum insgesamt eher fett ist.
In dieser fetten Betriebsart gelangen unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu dem NOx-Speicherkatalysator. Die in ihm abgespeicherten Stickoxide reagieren dann mit den Kohlenwasserstoffen, dem Kohlenmonoxid und dem Wasserstoff und können unter anderem als molekularer Stickstoff sowie Kohlendioxid und Wasser an die Atmosphäre abgegeben werden. Die fette Betriebsart der Brennkraftmaschine wird solange beibehalten, bis der NOx-Speicherkatalysator wieder möglichst vollständig von den Stickoxiden entladen ist. Dieses Entladen der Stickoxide wird auch als „Regenerieren" des NOx-Speicherkatalysators bezeichnet.
Für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem NOx-Speicherkatalysator ist es also erforderlich, von Zeit zu Zeit von der ersten „mageren" Betriebsart in die zweite „fette" Betriebsart und umgekehrt zu wechseln. Beim Wechsel von einer Betriebsart in die andere und umgekehrt darf aber keine Änderung des von der Brennkraftmaschine geleisteten Drehmoments entstehen.

In der DE 100 30 936 A1 wird ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen, bei dem aus den Eingangsgrößen Kraftstoffmasse im Magerbetrieb, Luftmasse im Magerbetrieb, für das Regegerieren vorteilhaftes Lambda, und tatsächliche Luftmasse eine Soll-Luftmasse und eine Soll-Kraftstoffmasse bestimmt werden. Hierzu werden in drei unterschiedlichen Verarbeitungsblöcken Lambdawerte in Wirkungsgradwerte und umgekehrt umgewandelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in allen Betriebsbedingungen und Betriebsarten mit möglichst hoher Präzision eingestellt werden kann, ohne dass es zu ungewollten Abweichungen des tatsächlichen Drehmoments von dem vom Benutzer gewünschten Drehmoment kommt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass aus einem gewünschten Drehmoment und dem vorgegebenen Lambdawert eine dem Brennraum zuzuführende Soll-Luftmasse und unter Berücksichtigung eines Soll-Lambdawerts eine dem Brennraum zuzuführende Soll-Kraftstoffmenge ermittelt wird, derart, dass die Einhaltung des gewünschten Drehmoments Priorität vor der Einhaltung des vorgegebenen Lambdawerts hat, und dass zur Ermittlung der Soll-Kraftstoffmenge der Soll-Lambdawert mit einem tatsächlichen Lambdawert verglichen und hieraus eine Korrektur-Kraftstoffmenge ermittelt wird.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass die Einhaltung des gewünschten Drehmoments Priorität vor der Einhaltung des vorgegebenen Lambdawerts hat, wird gewährleistet, dass es weder beim Umschalten von einer Betriebsart in die andere noch bei Abweichungen der tatsächlich dem Brennraum zugeführten Luftmasse von der Soll-Luftmasse zu ungewünschten Drehmomentschwankungen kommt. Hierzu wird der Soll-Lambdawert entsprechend eingestellt. Es kann also, beispielsweise bei instationären Bedingungen, durchaus sein, dass der Soll-Lambdawert von dem vorgegebenen Lambdawert abweicht. Darüber hinaus wird jedoch auch sichergestellt, dass die Soll-Kraftstoffmenge mit sehr hoher Präzision eingestellt werden kann, da der Soll-Lambdawert kontinuierlich mit dem tatsächlichen Lambdawert verglichen und die Soll-Kraftstoffmenge entsprechend korrigiert wird.

Grundsätzlich ist eine Lambdaregelung zwar schon bekannt, überraschend bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass als Eingangsgröße für die Lambdaregelung nicht einfach die Differenz aus dem tatsächlichen Lambdawert und dem vorgegebenen Lambdawert sondern aus dem tatsächlichen Lambdawert und modifizierten Soll-Lambdawert verwendet wird. Erst hierdurch ist es möglich, einerseits das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum der Brennkraftmaschine mit hoher Präzision einzustellen, andererseits jedoch beispielsweise bei einer Abweichung der tatsächlich dem Brennraum zugeführten Luftmasse von der Soll-Luftmasse Drehmomentsprünge zu vermeiden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Differenz aus Soll-Lambdawert und Ist-Lambdawert in einen Lambdaregler eingespeist wird, dessen Stellgröße die einzuspritzende Korrektur-Kraftstoffmenge ist, und dass diese zu einer Basis-Kraftstoffmenge addiert und so die einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt wird. Dies ist einfach zu programmieren und führt zu einem guten Verfahrensergebnis.

Dabei ist es möglich, dass die pro Arbeitsspiel einzuspritzende Kraftstoffmenge in eine Mehrzahl von Einzelmengen aufgeteilt wird und die Einzelmengen durch eine Mehrzahl von entsprechenden Einzeleinspritzungen in den Brennraum eingebracht werden. Durch derartige Einzeleinspritzungen kann die Gemischbildung, das Verbrennungsgeräusch, sowie das Emissionsverhalten verbessert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Soll-Lambdawert nach unten durch einen Minimalwert begrenzt wird. Unter bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einer plötzlichen Zunahme des vom Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschten Drehmoments, kann es aufgrund der Trägheit der Einstellung der dem Brennraum zuzuführenden Luftmenge zu einer kurzfristigen ungewollten Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches kommen. Ein zu niedriger Lambdawert führt jedoch zu einer unerwünscht starken Rußemission. Ferner kann bei einem derartig fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch die Verbrennung instabil werden. Dem wirkt die erfindungsgemäße Begrenzung des Lambdawerts nach unten entgegen.

Vorgeschlagen wird ferner, dass der Soll-Lambdawert bei Vorliegen bestimmter Betriebsbedingungen gleich dem vorgegebenen Lambdawert gesetzt wird. Üblicherweise wird der Soll-Lambdawert auf der Basis der dem Brennraum tatsächlich zugeführten Luftmenge ermittelt. Solange jedoch die Abweichungen der tatsächlich zugeführten Luftmenge von der Soll-Luftmenge und die entsprechenden Drehmomentschwankungen so klein sind, dass der Fahrer sie nicht fühlt, ist es nicht erforderlich, dass der Soll-Lambdawert jeder Änderung der Ist-Luftmenge folgt. Unter gewissen Stationaritätsbedingungen ist es daher nicht nur zulässig, sondern vorteilhaft, den Soll-Lambdawert auf den vorgegebenen Lambdawert umzuschalten. Dies beruhigt insgesamt den Sollwertverlauf.

Die Betriebsbedingungen, bei denen der Soll-Lambdawert gleich dem vorgegebenen Lambdawert gesetzt wird, liegen dann vor, wenn der nach unten durch einen Minimalwert begrenzte Soll-Lambdawert und der vorgegebene Lambdawert jeweils höchstens gleich eins sind. Unter diesen Bedingungen kann man davon ausgehen, dass die Drehmomentschwankungen so klein sind, dass die Annahme stationärer Verhältnisse gerechtfertigt ist. Auf diese Weise lassen sich eine für die Regeneration des Katalysators erforderliche stationäre Genauigkeit und gutes Fahrverhalten miteinander kombinieren.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Dabei wird bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory abgespeichert ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei diesem wird vorgeschlagen, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist.

Auch eine Brennkraftmaschine ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Sie umfasst einen Brennraum, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, eine Einrichtung zur Einstellung der in den Brennraum gelangenden Luftmasse, einen Luftmassensensor im Ansaugbereich, einen NOx-Speicherkatalysator, und ein Steuer- oder Regelgerät, welches die Brennkraftmaschine so steuert bzw. regelt, dass Kraftstoff in einer ersten Betriebsart und in einer zweiten Betriebsart in einen Brennraum gelangt, wobei sich ein vorgegebener Lambdawert in der zweiten Betriebsart von jenem in der ersten Betriebsart unterscheidet.

Bei einer solchen Brennkraftmaschine ist es vorteilhaft, wenn sie ein Steuer- und/oder Regelgerät der obigen Art umfasst.

Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1, mit dem eine Soll-Luftmasse und eine Soll-Kraftstoffmasse bestimmt wird, und der Verwendung dieser Größen;
3 ein Diagramm mit zwei Kurven, welche eine Soll-Kraftstoffmasse mit einer Soll-Luftmasse bei jeweils konstantem Drehmoment verknüpfen;
4 ein Diagramm mit zwei Kurven, welche ein Luftmassenverhältnis mit einem Lambdawert bei jeweils konstantem Drehmoment verknüpfen;
5 ein Diagramm, in dem eine Ist- und eine Soll-Luftmasse über der Zeit dargestellt sind;
6 ein Diagramm, in dem ein Lambdawert bei konstantem Drehmoment und ein vorgegebener Lambdawert über der Zeit dargestellt sind;
7 ein Diagramm, in dem eine einzuspritzende Basis-Kraftstoffmasse über der Zeit bei unterschiedlichen Soll-Lambdawerten dargestellt ist;
8 ein Diagramm, in dem ein Drehmoment über der Zeit bei unterschiedlichen Soll-Lambdawerten dargestellt ist;
9 ein schematisches Blockschaltbild ähnlich dem von 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1;
10 ein schematisches Blockschaltbild einer Detaillierung des Verfahrens von 2; und
11 ein schematisches Blockschaltbild ähnlich Figur 10 einer alternativen Ausführungsform der Detaillierung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer dargestellt ist. Er trägt insgesamt das Bezugszeichen 12. Der Zylinder 12 umfasst einen Brennraum 14, dem Verbrennungsluft über ein Einlassventil 16 und ein Ansaugrohr 18 zugeführt wird. Im Ansaugrohr 18 ist eine Drosselklappe 20 und ein Luftmassenmesser 22 angeordnet. Letzterer wird auch als „HFM-Sensor" bezeichnet.
Die heißen Verbrennungsabgase gelangen aus dem Brennraum 14 über ein Auslassventil 24 in ein Abgasrohr 26. In diesem ist ein Katalysator 28 mit zwei Lambdasonden angeordnet, welche nur schematisch dargestellt und insgesamt mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet sind. Von den Lambdasonden 30 ist die eine vor dem Katalysator 28 und die andere hinter dem Katalysator 28 angeordnet. Stromabwärts vom Katalysator 28 kann auch ein kombinierter NOx-02 Sensor eingesetzt werden. Kraftstoff wird dem Brennraum 14 über ein Einspritzventil 32 direkt zugeführt, welches mit einem Kraftstoffsystem 34 verbunden ist. Eine Anlage 36 steuert eine Glüheinrichtung 38.
Ein nicht dargestellter Kolben des Zylinders 12 arbeitet auf eine Kurbelwelle 40, deren Drehzahl von einem Drehzahlsensor 42 abgegriffen wird. Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 44 gesteuert bzw. geregelt. Insbesondere werden die Drosselklappe 20, die Anlage 36 mit der Glüheinrichtung 38 sowie das Einspritzventil 32 vom Steuer- und Regelgerät 44 angesteuert. Signale erhält das Steuer- und Regelgerät 44 vom HFM-Sensor 22, den Lambdasonden 30 sowie dem Drehzahlsensor 42.
Bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um eine Diesel-Brennkraftmaschine (grundsätzlich kann das nachfolgend beschriebene Verfahren aber auch bei einer Benzin-Brennkraftmaschine angewendet werden). Die Brennkraftmaschine 10 umfasst auch ein Abgasrückführventil 46, mit dem Abgase aus dem Abgasrohr 26 in das Ansaugrohr 18 stromabwärts von der Drosselklappe 20 geleitet werden können. Ein Wärmetauscher 48 dient zur Kühlung der rückgeführten Abgase. Die Menge des rückgeführten Abgases kann mit dem Abgasrückführventil 46 eingestellt werden. Gerade bei einer Diesel-Brennkraftmaschine wird die in den Brennraum 14 gelangende Luftmasse oft vorrangig mit einem solchen Abgasrückführventil 46 beeinflusst. Auch ein Abgasturbolader kann vorhanden sein. Dieser wiederum kann eine variable Turbinengeometrie aufweisen.
Das Abgasrückführventil 46 wird ebenfalls vom Steuer- und Regelgerät 44 angesteuert. Eine Drosselklappe ist bei einer Diesel-Brennkraftmaschine standardmäßig nicht vorhanden; sie ist jedoch, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, zusätzlich vorzusehen, wenn ein NOx-Speicherkatalysator 28 zum Einsatz kommt. Eine weiter unten noch im Detail dargelegte Betriebsart „fett" erfordert hohe Abgasrückführraten, die sich in der Regel nur mit einer Drosselklappe darstellen lassen.
Beim Katalysator 28 handelt es sich um einen NOx-Speicherkatalysator. Normalerweise arbeitet die Brennkraftmaschine 10 in einer Betriebsart „mager", in der das Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum 14 eher einen Luftüberschuss aufweist. In dieser entstehen als Verbrennungsabgase u.a. Stickoxide, welche von dem NOx-Speicherkatalysator 28 aufgenommen und zwischengespeichert werden. Der NOx-Speicherkatalysator 28 wird also im mageren Normalbetrieb mit den Stickoxiden beladen.
Bevor der NOx-Speicherkatalysator 28 vollständig mit den Stickoxiden beladen ist, wir die Brennkraftmaschine 10 in eine Betriebsart „fett" umgeschaltet. In dieser „fetten" Betriebsart ist im Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 ein Kraftstoff-Überschuss vorhanden (Lambda < 1). Das entsprechende Abgas enthält nun unverbrannte Kohlenwasserstoffe, sowie Kohlenmonoxid und Wasserstoff, welche über das Abgasrohr 26 zu dem NOx-Speicherkatalysator 28 gelangen. Die dort abgespeicherten Stickoxide reagieren mit den Kohlenwasserstoffen, dem Kohlenmonoxid und dem Wasserstoff und können nun u.a. als Stickstoff sowie als Kohlendioxid und Wasser an die Atmosphäre abgegeben werden.
Die fette Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 wird solange beibehalten, bis der NOx-Speicherkatalysator 28 wieder möglichst vollständig von den Stickoxiden entladen ist. Dieses Entladen von Stickoxiden wird auch als „Regenerieren" des NOx-Speicherkatalysators 28 bezeichnet.
Für den vorstehenden Betrieb der Brennkraftmaschine ist es also erforderlich, zwischen einer Betriebsart „mager" und einer Betriebsart „fett" hin- und herzuschalten. Es versteht sich, dass das vom Benutzer der Brennkraftmaschine geforderte bzw. eingestellte Drehmoment, welches von der Brennkraftmaschine 10 geleistet werden soll bzw. geleistet wird, von den Umschaltvorgängen nicht beeinflusst werden darf. Insbesondere darf bei diesen Umschaltvorgängen kein Momentensprung auftreten.
Ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1 wird nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 im Detail erläutert. Dieses Verfahren ist in Form eines Computerprogramms auf einem Speicher des Steuer- und Regelgeräts 44 abgespeichert.
Die beiden Eingangsgrößen für die Steuerung der Brennkraftmaschine 10 sind einerseits das vom Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschte Drehmoment MDsoll sowie ein vorgegebener Lambdawert Lreg. Letzterer hängt u.a. von den Betriebsbedingungen und der Betriebsart der Brennkraftmaschine ab. Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine hat der vorgegebene Lambdawert Lreg einen Wert, der einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 entspricht.
Für die Regenerierung des NOx-Katalysators 28 wird die Brennkraftmaschine 10 jedoch von Zeit zu Zeit in eine fette Betriebsart umgeschaltet, in welcher der vorgegebene Lambdawert Lreg einen Wert annimmt, welcher einem eher fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 entspricht. Die beiden Eingangsgrößen Soll-Drehmoment MDsoll und vorgegebener Lambdawert Lreg werden in einen Steuerungsblock 50 eingespeist. Dieser ist in 2 nicht weiter detailliert (eine detaillierte Erläuterung findet sich weiter unten im Zusammenhang mit den 10 und 11).
Im Steuerungsblock 50 werden eine Soll-Luftmasse MLsoll und ein Soll-Lambdawert Lsoll bestimmt. Aus diesen werden letztlich die Ansteuersignale UDK für die Drosselklappe 20, UAV für das Abgasrückführventil 46, und UME für das Einspritzventil 32 bestimmt. Hierzu wird die Soll-Luftmasse MLso11 zunächst in einen Differenzblock 51 eingespeist, in dem die tatsächliche Luftmasse MList von ihr abgezogen wird. Die Differenz wird dann einem AGR-Regler 52 (AGR = Abgasrückführung) zugeführt. Dieser steuert das Abgasrückführventil 46 und/oder die Drosselklappe 20 an, welches, wie bereits oben beschrieben wurde, durch die Einstellung des Anteils der rückgeführten Abgasmenge die dem Brennraum 14 zugeführte Frischluftmenge einzustellen hilft. Das Ergebnis ist eine tatsächliche dem Brennraum 14 zugeführte Luftmasse MList, welche vom Luftmassenmesser 22 erfasst wird.
Der Soll-Lambdawert Lsoll wird mittels der stöchiometrischen Konstanten im Block 54 umgerechnet und das Ergebnis im Divisionsblock 56 für die Division der tatsächlichen Luftmasse MList verwendet. Das Ergebnis ist eine einzuspritzende Basis-Kraftstoffmasse MEbas. In 58 wird die Differenz zwischen dem Soll-Lambdawert Lsoll und einem tatsächlichen Lambdawert List, welcher von den Lambdasonden 30 des Katalysators 28 erfasst wird, gebildet.
Die Differenz wird in einen Lambdaregler 60 eingespeist, der eine einzuspritzende Korrekturkraftstoffmasse MEkorr ausgibt. Diese wird in 62 zu der einzuspritzenden Basis-Kraftstoffmasse MEbas addiert, was eine einzuspritzende Soll-Kraftstoffmasse MEsoll ergibt. Diese wird in einen Zumessblock 64 eingespeist, der ein entsprechendes Steuersignal UME ausgibt, mit dem das Einspritzventil 32 des Zylinders 12 angesteuert wird.
Die Wirkungsweise des in 2 dargestellten Verfahrens wird nun unter Bezugnahme auf die Diagramme der 3 bis 8 erläutert:
Es wird ein Fall betrachtet, bei dem der vorgegebene Lambdawert Lreg gleich einem für das Regenerieren des Katalysators 28 erforderlichen fetten Lambdawert Lfett und konstant ist. Gleichzeitig wird ein sog. "positiver Luftmassenfehler" angenommen. Hierunter wird verstanden, dass kurzzeitig die tatsächlich dem Brennraum 14 zugeführte Luftmasse MList die Soll-Luftmasse MLsoll übersteigt (vgl. 5). Wie aus 3 hervorgeht, würde, ohne entsprechende Gegenmaßnahmen, durch eine solche Störung der tatsächliche Lambdawert vom Wert Lfett auf einen magereren Wert L1 ansteigen, und entsprechend würde das Drehmoment von einem Wert MD1 auf einen Wert MD2 ansteigen (vgl. Pfeile 64 in den 3 und 4).
Würde nun zusätzlich der Lambdaregler 60 als Eingangsgröße nicht die Differenz aus dem tatsächlichen Lambdawert List und dem Soll-Lambdawert Lsoll, sondern die Differenz aus dem tatsächlichen Lambdawert List und dem vorgegebenen Lambdawert Lreg verwenden (dies entspräche einer Regelung auf den Regenerierwert Lfett), käme es zu einer proportionalen Erhöhung der Einspritzmasse und das tatsächliche Drehmoment würde noch weiter steigen (gestrichelte Pfeile 66 in den 3 und 4). Ein positiver Luftmassenfehler würde also – ohne entsprechende Gegenmaßnahmen – zu einer vom Benutzer der Brennkraftmaschine 10 nicht gewünschten und deutlich spürbaren Erhöhung des Drehmoments führen.
Dies wird im vorliegenden Fall jedoch durch zwei Maßnahmen verhindert: Zum einen erfolgt im Steuerungsblock 50 die Bildung des Soll-Lambdawerts Lsoll derart, dass die Einhaltung des vom Benutzer gewünschten Drehmoments MDsoll Priorität vor der Einhaltung des vorgegebenen Lambdawerts Lreg hat. Ferner wird für die Bildung der Eingangsgröße des Lambdareglers 60 nicht der vorgegebene Lambdawert Lreg, sondern der Soll-Lambdawert Lsoll verwendet. Bei einem positiven Luftmassenfehler wird also der Soll-Lambdawert Lsoll in 3 auf einen Lambdawert L2 überhöht und so das Drehmoment schnellstmöglich wieder auf den ursprünglich vom Benutzer gewünschten Wert MDl korrigiert. Während die Luftmasse ML eingeregelt wird, wird dann der Soll-Lambdawert Lsoll wieder abgesenkt.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass der Fall eines negativen Luftmassenfehlers von untergeordneter Bedeutung ist. In diesem Fall spielt es praktisch kaum eine Rolle, ob die Lambdaregelung nach dem Soll-Lambdawert Lsoll oder nach dem vorgegebenen Lambdawert Lreg erfolgt. Zwar wird hierdurch ein Zustand erzeugt, bei dem der Soll-Lambdawert Lsoll kleiner als der vorgegebene Lambdawert Lreg ist, aber diese zusätzlich Anfettung würde wegen des herrschenden Luftmangels ohnehin zu keiner nennenswerten Korrektur des Drehmoments führen. Darüber hinaus ist ein negativer Fehler des Drehmoments (also ein Abfall des tatsächlichen Drehmoments gegenüber dem gewünschten Drehmoment) weniger kritisch als ein positiver. Hinzu kommt noch, dass einer weiteren Anfettung emissionsbedingte Grenzen gesetzt sind.
In den 5 bis 8 sind die Verläufe verschiedener Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10 bei dem positiven Luftmassenfehler dargestellt. 5 zeigt die tatsächlich dem Brennraum 14 zugeführte Luftmasse MList (durchgezogene Linie) und die Soll-Luftmasse MLsoll (gestrichelte Linie). Man sieht, dass zum Zeitpunkt Null eine kurzzeitige Störung der Luftmasse beginnt, durch die dem Brennraum 14 mehr Luft zugeführt wird, als an sich erforderlich ist.
In 6 ist gestrichelt der vorgegebene Lambdawert Lreg aufgetragen. Dieser ändert sich durch den positiven Luftmassenfehler nicht. Mit einer durchgezogenen Linie ist ein Lambdawert LMD aufgetragen, der jenem Lambdawert entspricht, bei dem das Drehmoment der Brennkraftmaschine dem gewünschten Drehmoment MDsoll entspricht. Dieser Lambdawert wird also gegenüber dem vorgegebenen Lambdawert deutlich überhöht.
In 7 ist die einzuspritzende Basis-Kraftstoffmasse MEbas aufgetragen, und zwar mit einer durchgezogenen Linie für den Fall, dass der Soll-Lambdawert Lsoll gleich dem Lambdawert LMD von 6 ist und gestrichelt für den Fall, dass der Soll-Lambdawert Lsoll gleich dem vorgegebenen Lambdawert Lreg ist. Wenn der Soll-Lambdawert Lsoll gleich dem Lambdawert LMD gesetzt wird, der für ein konstantes Drehmoment gilt, nimmt die einzuspritzende Basis-Kraftstoffmenge MEbas trotz der zusätzlichen dem Brennraum 14 zugeführten Luftmenge MList ab. Dies führt jedoch, wie aus 8 ersichtlich ist, zu dem mit einer durchgezogenen Linie dargestellten konstanten Drehmomentverlauf MD. Dagegen wäre in jenem Fall, in dem der Soll-Lambdawert Lsoll gleich dem vorgegebenen Lambdawert Lreg gesetzt werden würde (gestrichelte Linie in
7), eine kurzzeitige und unerwünschte Erhöhung des Drehmoments MD der Brennkraftmaschine 10 zu verzeichnen.
In 9 ist eine Variante zu dem in 2 dargestellten Verfahrensablauf aufgezeigt (in 9 tragen solche Blöcke, welche äquivalente Funktionen zu den Blöcken von 2 aufweisen, die gleichen Bezugszeichen; sie sind nicht nochmals im Detail erläutert).
Bei dem in 9 dargestellten Verfahren wird vom Steuerungsblock 50 anstelle eines Soll-Lambdawerts eine einzuspritzende Basis-Kraftstoffmasse MEbas ausgegeben. Diese wird dann in 54 mit der stöchiometrischen Konstante verarbeitet und im Divisionsblock 56 als Divisor für die Division der vom Luftmassenmesser 22 erfassten tatsächlichen Luftmasse MList verwendet. Das Ergebnis ist dann der Soll-Lambdawert Lsoll, von dem in 58 der tatsächliche Lambdawert List abgezogen wird. Dieses Ergebnis wird dann wieder in den Lambdaregler 60 eingespeist, welcher eine einzuspritzende Korrektur-Kraftstoffmasse MEkorr erzeugt, die in 62 zur einspritzenden Basis-Kraftstoffmasse MEbas addiert wird, was als Ergebnis die einzuspritzende Kraftstoffmasse MEsoll liefert.
In Figur 10 ist eine Detaillierung der Bereitstellung des Sollwerts der dem Brennraum 14 zuzuführenden Luftmasse MEsoll und der dem Brennraum 14 zuzuführenden Kraftstoffmasse MEsoll des in 2 dargestellten Verfahrens aufgezeigt:
Das Verfahren geht dabei davon aus, dass die Brennkraftmaschine 10 "luftgeführt" betrieben wird. Dies bedeutet, dass die Drosselklappe 20 und das Abgasrückführventil 46 vom Steuer- und Regelgerät 44 entsprechend dem vom Benutzer gewünschten Drehmoment MDsoll eingestellt werden. Vom HFM-Sensor 22 wird dann die durch das Ansaugrohr 18 in den Brennraum 14 gelangende tatsächliche Luftmasse MList bestimmt. Abhängig von dieser tatsächlichen Luftmasse MList wird das Einspritzventil 32 so angesteuert, dass eine dem Drehmoment MDsoll und, im Stationärbetrieb, eine der vorgegebenen Gemisch-Zusammensetzung Lreg entsprechende Kraftstoffmenge MDsoll in den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 gelangt. Weitere Details hierzu sind in der DE 100 30 936 beschrieben, deren Lehre hiermit ausdrücklich einbezogen wird.
Ausgangspunkt bei dem in 10 dargestellten Verfahren ist eine Luftmasse MLmager und die oben genannte Luftmasse MList. Die Luftmasse MLmager wird vom Steuer- und Regelgerät 44 vorgegeben und entspricht der bei der gegenwärtigen Drehzahl (Drehzahlsensor 42) und dem gegenwärtigen Drehmoment gewünschten Luftmasse in der Betriebsart "mager" der Brennkraftmaschine 10.
Da die Brennkraftmaschine 10 über ein Abgasrückführventil 46 verfügt, wird die Größe MLmager in erheblichem Umfang von einer Regelung für diese Abgasrückführung erzeugt. Bei der Größe MList handelt es sich dagegen um die vom HFM-Sensor 22 erfasste tatsächlich über das Ansaugrohr 18 und das Einlassventil 16 in den Brennraum 14 gelangenden Luftmasse (grundsätzlich ist es möglich, dass das Signal des HFM-Sensors 22 mittels weiterer Messgrößen korrigiert wird).
Über den vorgegebenen Lambdawert Lreg wird ein Luftmassenverhältnis μreg bestimmt. Die Bestimmung erfolgt in einem Kennlinienblock 68. Mit dessen Hilfe kann zu jedem vorgegebenen Lambdawert Lreg jenes Luftmassenverhältnis μreg angegeben werden, bei dem das Drehmoment MD konstant bleibt. Der Kennlinienblock 58 verarbeitet verschiedene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 10. Zu diesen gehören im vorliegenden Fall die Drehzahl n der Kurbelwelle 40 sowie die in der Betriebsart "mager" einzuspritzende Kraftstoffmasse MLmager.
In 70 wird das Luftmassenverhältnis μreg mit der Luftmasse MLmager multipliziert, was eine Soll-Luftmasse MLsoll ergibt. Abhängig von dieser Soll-Luftmasse MLsoll wird vom Steuer- und Regelgerät 44 die Drosselklappe 20 und das Abgasrückführventil 46 angesteuert.
In 72 wird die vom HFM-Sensor 22 erfasst Ist-Luftmasse MList durch die in der Betriebsart "mager" gewünschte Luftmasse MLmager dividiert, was ein tatsächliches Luftmassenverhältnis μist ergibt. Dieses wird in einen Kennlinienblock 74 eingespeist, mit welchem aus dem Luftmassenverhältnis μist jener Lambdawert Lsoll bestimmt wird, bei dem das Drehmoment der Brennkraftmaschine 10 unverändert bleibt. Auch die Funktion des Kennlinienblocks 74 hängt von der Drehzahl n und der in der Betriebsart "mager" in den Brennraum 14 einzuspritzenden Kraftstoffmasse MEmager ab.
Die weitere Verarbeitung des Soll-Lambdawerts Lsoll entspricht jener, wie sie in 2 dargestellt ist. Dabei wird durch den Einsatz des Lambdareglers 60 eine sehr genaue Einstellung der in Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 einzuspritzenden Kraftstoffmasse MLsoll gewährleistet, ohne dass im Störungsfall (positiver Luftmassenfehler) unerwünschte Drehmomentabweichungen zu befürchten sind.
In 11 ist eine Abwandlung des in 10 dargestellten Verfahrens aufgezeigt. Dabei tragen in 11 solche Funktionsblöcke, deren Funktionen äquivalent zu den entsprechenden Blöcken von 10 sind, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind nicht nochmals im Detail erläutert.
Bei dem in 11 dargestellten Verfahren wird der Sollwert Lsoll nach unten hin durch einen Minimalwert Lmin begrenzt. Dies geschieht folgendermaßen: Der im Kennlinienblock 74 erzeugte Lambdawert (dieser gilt für ein dem vom Benutzer gewünschten Drehmoment entsprechendes Drehmoment MD und wird daher als LMD bezeichnet) wird in einen Vergleichsblock 76 eingespeist. In diesem wird der Lambdawert LMD mit dem vorgegebenen und konstanten Minimalwert Lmin verglichen.
Der Block 76 gibt den jeweils größeren der beiden Werte LMD bzw. Lmin als begrenzten Lambdawert Lbg weiter. Dieser wird in einen Schalter 78 eingespeist, der in seiner Ruhestellung den Lambdawert Lbg als Soll-Lambdawert Lsoll für die Blöcke 54 und 58 weitergibt. In einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10, in dem der begrenzte Lambdawert Lbg und der vorgegebene Lambdawert Lreg jeweils höchstens den Wert 1 haben, wird der Schalter 78 jedoch in seine geschaltete Stellung gebracht, in der statt dessen der vorgegebene Lambdawert Lreg als Soll-Lambdawert Lsoll weitergegeben wird.
Im Block 76 wird der Wert des Soll-Lambdawerts Lsoll auf den vorgegebenen Minimalwert Lmin begrenzt. Dies bedeutet, dass der Soll-Lambdawert Lsoll in keinem Betriebszustand einen kleineren Wert als Lmin annehmen kann. Dem liegt folgender Gedanke zugrunde. Das Luftmassenverhältnis μist, welches dem Quotienten MList/MLmager entspricht, kann dadurch abnehmen, dass die tatsächliche Luftmasse MList abnimmt oder aber dass die Luftmasse MLmager zunimmt.
Eine plötzliche Zunahme des vom Benutzer der Brennkraftmaschine 10 gewünschten Drehmoments äußerst sich in einer sehr raschen Zunahme der Luftmasse MLmager, wohingegen sich die tatsächliche Luftmasse MList aufgrund der Trägheit des Luftmassensystems der Brennkraftmaschine 10 nur langsam ändert. In der Folge kann der Quotient μist vorübergehend sehr kleine Werte annehmen, was im Kennlinienblock 74 zu einem vergleichsweise sehr fetten Gemisch, also einem sehr kleinen Lambdawert LMD führt. Würde dieser niedrige Lambdawert als Sollwert weitergegeben, könnte dies zu Problemen mit der Rußemission und zu einer Verbrennungsinstabilität führen. Durch die Begrenzung des Lambdawerts Lsoll mittels des Minimalwerts Lmin im Block 76 wird dem vorgebeugt.
Wenn das Luftmassenverhältnis μist dagegen abnimmt, weil beispielsweise die tatsächliche Luftmasse MList abnimmt, so bedeutet dies, dass bei unverändertem gewünschten Drehmoment des Benutzers das Gemisch angefettet werden muss. Dies kann gewollt sein (beispielsweise bei einer Änderung des vorgegebenen Lambdawerts Lreg zur Durchführung einer Katalysatorregeneration) oder ungewollt (negativer Luftmassenfehler). In beiden Fällen erfolgt die gleiche gewünschte Reaktion. Zusätzliche Funktionsblöcke sind für diesen Fall einer Abnahme des Luftmassenverhältnisses μist nicht erforderlich.
Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle des Vergleichsblocks 76 im Kennlinienblock 74 auch eine Kennlinie verwendet werden könnte, welche bei Erreichen des minimalen Lambdawerts Lmin abknickt und parallel zur Ordinate verläuft.
Die Umschaltung im Block 78 wiederum beruht auf folgendem Gedanken: Solange die durch die Gemischeinstellung verursachten Veränderungen des Drehmoments der Brennkraftmaschine 10 so klein bleiben, dass der Benutzer der Brennkraftmaschine 10 sie nicht spürt, ist es nicht erforderlich, dass der Soll-Lambdawert Lsoll jeder Änderung der tatsächlichen Luftmasse MList folgt. Unter gewissen Stationaritätsbedingungen ist es daher zulässig und vorteilhaft, den Soll-Lambdawert auf den vorgegebenen Lambdawert Lreg umzuschalten. Dies beruhigt den Verlauf des Soll-Lambdawerts Lsoll.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) mit Katalysator (28), insbesondere mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, bei dem abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine (10) von einer ersten in eine zweite Betriebsart und umgekehrt gewechselt wird, wobei sich die Betriebsarten mindestens durch einen vorgegebenen Lambdawert (Lreg) des Kraftstoff-Luftgemisches in einem Brennraum (14) unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem gewünschten Drehmoment (MDsoll) und dem vorgegebenen Lambdawert (Lreg) eine dem Brennraum (14) zuzuführende Soll-Luftmasse (MDsoll) und unter Berücksichtigung eines Soll-Lambdawerts (Lsoll) eine dem Brennraum (14) zuzuführende Soll-Kraftstoffmenge (MEsoll) ermittelt wird, derart, dass die Einhaltung des gewünschten Drehmoments (MDsoll) Priorität vor der Einhaltung des vorgegebenen Lambdawerts (Lreg) hat, und dass zur Ermittlung der Soll-Kraftstoffmenge (MEsoll) der Soll-Lambdawert (Lsoll) mit einem tatsächlichen Lambdawert (List) verglichen und hieraus eine Korrektur-Kraftstoffmenge (MEkorr) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (58) aus Soll-Lambdawert (Lsoll) und Ist-Lambdawert (List) in einen Lambdaregler (60) eingespeist wird, dessen Stellgröße die einzuspritzende Korrektur-Kraftstoffmenge (MEkorr) ist, und dass diese zu einer Basis-Kraftstoffmenge (MEbas) addiert (62) und so die einzuspritzende Kraftstoffmenge (MEsoll) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pro Arbeitsspiel einzuspritzende Kraftstoffmenge in eine Mehrzahl von Einzelmengen aufgeteilt wird und die Einzelmengen durch eine Mehrzahl von entsprechenden Einzeleinspritzungen in den Brennraum eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Lambdawert (Lsoll) nach unten durch einen Minimalwert (Lmin) begrenzt wird (76).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Lambdawert (Lsoll) unter bestimmten Betriebsbedingungen gleich dem vorgegebenen Lambdawert (Lreg) gesetzt wird (78).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsbedingungen, bei denen der Soll-Lambdawert (Lsoll) gleich dem vorgegebenen Lambdawert (Lreg) gesetzt wird (78), dann vorliegen, wenn der nach unten begrenzte Soll-Lambdawert (Lbg) und der vorgegebene Lambdawert (Lreg) jeweils höchstens gleich 1 sind.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
Computerprogramm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regelgerät (44) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 7 oder 8 abgespeichert ist.
Brennkraftmaschine (10), mit einem Brennraum (14), mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (32), mit einer Einrichtung (20) zur Einstellung der in den Brennraum (14) gelangenden Luftmasse, mit einem Luftmassensensor (22) im Ansaugbereich (18), mit einem NOx-Speicherkatalysator (28), und mit einem Steuer- und/oder Regelgerät (44), welches die Brennkraftmaschine (10) so steuert bzw. regelt, dass Kraftstoff in einer ersten Betriebsart und in einer zweiten Betriebsart in einen Brennraum (14) gelangt, wobei sich ein vorgegebener Lambdawert (Lreg) in der zweiten Betriebsart von jenem in der ersten Betriebsart unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuer- und/oder Regelgerät (44) nach Anspruch 9 umfasst.