DE10258874A1

DE10258874A1 - Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10258874A1
Application number: DE10258874A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. Frommelt; Christoph Dipl.-Ing. Haag; Sven Dipl.-Ing. Merkle
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine wird mittels eines Steuergerätes mit einer Momentenstruktur durchgeführt. Dabei werden dem Steuergerät Signale über Fahrzeugzustände, Lastanforderungen und dergleichen zugeführt. In dem Steuergerät ist eine für den betreffenden Motortyp entwickelte und auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhende Modellrechnung abgelegt, wobei diese Modellrechnung einen simulierten Hochdruckprozess umfasst. Dabei wird eine zugeführte Energie des Kraftstoff-Luft-Gemisches berücksichtigt, daraus ein Summenbrennverlauf (Q¶SB¶) gebildet und mit Hilfe des Brennverlaufs gemäß der Vibe-Funktion ein Heizverlauf (H¶SH¶) ermitteltet, aus dem der Druckverlauf in der Hochdruckschleife bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei modernen Brennkraftmaschinen, insbesondere als Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge, werden die motorischen Brennverfahren zunehmend komplexer, und zwar bedingt durch die wechselnden Betriebsarten wie Schichtladung, Magerbetrieb oder Raumzündung. In gleichem Maße werden zunehmend komplexere Motorsteuerungen erforderlich, um die unterschiedlichen Betriebsarten und deren Wechsel auf geeignete Weise zu ermöglichen. Die hierzu benutzten Motorsteuerungen basieren auf Kennfeldern, die in entsprechenden Speichern der Steuergeräte abgelegt sind. Die steigende Komplexität der Brennverfahren führt zu einem kaum noch zu bewältigenden Anstieg von Kennfeldern, die enorme Speicherkapazitäten binden. Hierzu kommt, dass für unterschiedliche Motortypen auch unterschiedliche Sammlungen von Kennfeldern zusammengestellt werden müssen und der damit erforderliche Aufwand zu steigenden Kosten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art zu schaffen, durch das die Anzahl benötigter Kennfelder minimiert und der Umfang zu speichernder Daten in erheblichem Maße reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die vorliegende Erfindung wird erreicht, dass ein Ersatzmodell des tatsächlichen Hochdruckprozesses erstellt ist, mit Hilfe dessen ein auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten basierendes Motormodell die für die Motorsteuerung erforderlichen Daten umgehend bestimmt und damit die Motorsteuerung vornehmen kann. Dabei werden an die Prozesssimulation unterschiedliche Anforderungen gestellt wie beispielsweise

– Betriebsarten (homogen, geschichtet, mager)
– Regeln/Steuern (momentenneutrales Umschalten zwischen den Betriebsarten)
– Prozessdaten (p_max, Klopfen, NO_x, Lage der Verbrennung)
- Applikation (Datum mit geometrisch physikalischen Daten).

Bei modernen Motorsteuerungen wird die Bewegung des Gaspedals in elektrische Signale umgewandelt und zuerst an das Steuergerät weitergeleitet. Durch die Ansteuerung der Drosselklappe über das Motormanagement übernimmt die Elektronik die Füllungsregelung der Zylinder und damit auch die Last bzw. das vom Motor zur Verfügung gestellte Moment. Der sich aus der Pedalbewegung ergebende Fahrerwunsch wird dem Steuergerät als Momentenanforderung an den Verbrennungsmotor weitergeleitet. Somit kann die Motorsteuerung auf der Grundlage der Momentenstruktur erfolgen, wobei alle Anforderungen an den Motor ebenfalls als positive oder negative Momente in das Steuergerät eingegeben werden. Aus den verschiedenen Momenten wird dann das Sollmoment des Motors ermittelt und entsprechende, Signale werden zum Motor übertragen.

Für eine derartige Motorsteuerung mit Momentenstruktur ist es zweckmäßig, dass in der Modellrechnung eine Momentenstruktur enthalten ist, die zumindest das Antriebsmoment und den indizierten Mitteldruck der Hochdruckschleife berücksichtigt. Zweckmäßigerweise werden selbstverständlich auch weitere Mo mente einbezogen wie beispielsweise das Lastwechselmoment, das Moment der mechanischen Übertragung, das Moment der Nebenaggregate und ggf. weitere.

Eine besonders einfache Ermittlung des Heizverlaufs ist dadurch gegeben, dass dieser aus der Multiplikation des Summenbrennverlaufs mit dem Wirkungsgrad gebildet wird. Dieser Wirkungsgrad kann aus dem Summenbrennverlauf und den Wandwärmeverlusten ermittelt werden.

Für die Simulation des Hochdruckprozesses wird der Druckverlauf in der Hochdruckschleife zweckmäßigerweise in fünf Abschnitte unterteilt, die sich an physikalischen Messgrößen orientieren, nämlich dem unteren Totpunkt, dem Schließzeitpunkt des Einlassventils, dem Verbrennungsbeginn, dem Verbrennungsende und dem Öffnen des Auslassventils.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Momentenstruktur,
2 eine Darstellung des Druckverlaufs über dem Kurbelwinkel,
3 eine Darstellung des Verlaufs des indizierten Mitteldrucks über dem Kurbelwinkel,
4 eine Darstellung des Heizverlaufs über einen bestimmten Kurbelwinkelbereich,
5 eine Darstellung der Wärmefreisetzung und des Brennverlaufs über einen Bereich des Kurbelwinkels,
6 eine schematische Darstellung des Druckverlaufs über das Zylindervolumen,
7 eine Darstellung des Simulationsmodells für die Motorsteuerung.
In 1 ist schematisch die Momentenstruktur dargestellt, wobei das Bezugszeichen 1 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die in eine Motorsteuerung 2 einbezogen ist. Das Bezugszeichen 3 bedeutet die Einbindung der Momente der Nebenaggregate einer Brennkraftmaschine und eine Antriebsmomentenkoordination ist mit 4 bezeichnet. Der Antriebsmomentenkoordination 4 sind mehrere Eingangsparameter aufgeschaltet wie beispielsweise ein Signal 10 vom Gas- bzw. Farbpedal, ein Signal 11 eines "Elektronischen-Stabilitäts-Programms", ein Signal 12 des Getriebes oder dergleichen.
Die Einstellung bzw. Bewegung des Gaspedals liegt als entsprechendes Eingangssignal 11 an der Momentenkoordination 4 an und wird unter Berücksichtigung der weiteren Parameter als Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine 1 weitergeleitet, wobei das von der Momentenkoordination 4 angeforderte Moment 14 unter Einbindung der Nebenaggregate 3 eine entsprechend höhere Momentenanforderung 8 an die Brennkraftmaschine 1 ergibt. Daraus ergibt sich wiederum die mit 7 bezeichnete zuzuführende Wärmemenge Q_B, aus der die Daten für die Kraft stoff/Luft-Zuführung und Aufbereitung sowie den Zündwinkel usw. bestimmt werden.
Um die Momentenanforderung zu erfüllen, muß somit eine entsprechende Wärmemenge Q_B gemäß Bezugszeichen 6 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden, die unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades n, der Lastwechselmomente und der mechanischen Verluste ihrerseits ein Kurbelwellenmoment 6 liefert. Nach Einbindung der Momente der Nebenaggregate 3 ergibt sich ein reduziertes Moment 13, das der Antriebsmomentenkoordination 4 zur Verfügung steht, wobei in dieser noch die jeweiligen Momente des weiteren Antriebsstranges, beispielsweise vom Getriebe, berücksichtigt werden. Der Gasdruck in der Hochdruckphase der Kolbenbewegung entspricht dem inneren Moment, das die Führungsgröße der Momentenstruktur bildet, d.h., das innere Moment kann auch durch den Gasdruck in der Hochdruckschleife ausgedrückt werden.
Daraus ergibt sich ein Antriebsdrehmoment 7, das am Rad bzw. den Rädern zur Verfügung steht. Aus der in 1 gezeigten Momentenstruktur ergibt sich somit folgende Beziehung: MAntr = QB·ηiHD – MLW – MMech – MNeben.
Das Produkt lautet: Q_B·η_iHD = p_miHD.
Dabei bedeuten:
Q_B Wärmemenge des Brennstoffs
η_iHD indizierter Wirkungsgrad des Hochdruckanteils
p_miHD indizierter Mitteldruck der Hochdruckschleife
M_LW Moment des Lastwechsels
M_Mech mechanisches Moment
M_Neben Moment der Nebenaggregate
M_Antr Antriebsmoment.
Für die Bewertung eines Verbrennungsmotors ist es erforderlich, den Ort zu untersuchen, an dem Leistung und Abgas entstehen, also den Brennraum. Dies wird in geeigneter Weise durch die Messung des Druckes im Zylinder erreicht und zwar sowohl in der Hochdruckphase als auch während des Lastwechsels. Bei dieser Messung handelt es sich um die sogenannte Indizierung. Die Messung des indizierten Mitteldrucks der Hochdruckschleife p_miHD ermöglicht eine Prozesssimulation, die den bereits weiter vorne genannten Anforderungen entspricht.
Die 2 zeigt den Druckverlauf eines kompletten Arbeitsspiels, das heißt aufgetragen über einen Kurbelwinkel von 720°. Aus der Beziehung zwischen dem Brennraumdruck und dem Zylindervolumen ergibt sich die geleistete Arbeit. Hieraus wiederum kann der indizierte Mitteldruck berechnet werden, der für das gesamte Arbeitsspiel durch die Gleichung
und für den Hochdruckabschnitt durch die Gleichung
darstellbar ist.
Für die Vorgänge im Brennraum einer Brennkraftmaschine ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik zugrunde zu legen, der das Gesetz zur Erhaltung der Energie beschreibt. Bei geöffneten Ventilen findet ein Massentransport statt, es handelt sich in dieser Phase um ein offenes System. Keinen Massen transport gibt es bei geschlossenen Ventilen, in dieser Phase spricht man von einem geschlossenen System. Die "momentane Energiebilanz" im geschlossenen System wird wie folgt ausgedrückt:
wobei alle den Brennraum verlassenden Energien negativ (-) sind und alle in den Brennraum eintretenden Energien positiv (+) sind. Zur Vereinfachung wird die Leckage H₁ = 0 gesetzt.
Die 3 zeigt den Druckverlauf des indizierten Mitteldruckes p_mi über den Kurbelwinkel von 720°. Für die Betrachtung des Brennverlaufs ist jedoch lediglich der Kurbelwinkelbereich zwischen 60° und 300° bedeutsam. Aus der Energie des Brennverlaufs und der Energie, die in Wandwärme umgesetzt wird, ergibt sich der Heizverlauf der in 4 über einen Kurbelwinkel von 60° bis 300° dargestellt ist. Dabei bezeichnet Q_SB den Summenbrennverlauf und Q_W den Wandwärmeverlauf. Aus der Differenz Q_SB – Q_W ergibt sich der Heizverlauf Q_SH Ausgehend von der oben genannten Energiebilanz ergibt sich somit für den Brennverlauf
und für den Heizverlauf
Da nach Auswertung der Indiziermessung die Werte des Summenbrennverlaufs Q_SB und der Wandwärmeverluste Q_W bekannt sind, können daraus sowohl der Heizverlauf Q_SH als auch der Wirkungsgrad η_H des Heizverlaufs ermittelt werden, denn es gilt die Beziehung
Die Benutzung des Wirkungsgrades η_H vereinfacht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Berechnung. Die beim Betrieb der Brennkraftmaschine tatsächlich auftretenden Verluste sind sehr schwierig zu ermitteln und erfordern zeitintensive Berechnungen, was durch die erfindungsgemäße Modellberechnung und die Benutzung des Wirkungsgrades η_H vermieden wird.
Die 5 zeigt eine Darstellung der Wärmefreisetzung und des Brennverlaufs über einen Bereich des Kurbelwinkels. Mit Hilfe der Vibe-Funktion kann die Schwerpunktlage der Verbrennung vorausberechnet werden. Der Einfluß des Formfaktors m wird durch die unterschiedlichen Verläufe der Kurven deutlich, wobei die Kurvenschar, die rechts oben endet, die Wärmefreisetzung, die sogenannte Durchbrennfunktion, und die Kurvenschar, die rechts unten endet, den Brennverlauf dQ_B/d_ϕ darstellt.
Der Schwerpunkt des neuen Berechnungsmodells liegt auf der Nachbildung des Druckverlaufs mit Hilfe der im Fahrzeug meßbaren Größen sowie der bei der Motorapplikation ermittelten und programmierten Kennfelder bzw. Kennwerte. Somit ist das p_miHD-Modell ein Ersatz für den tatsächlichen Hochdruckpro zess. Hierfür wird die Hochdruckschleife in eindeutig definierter Abschnitte unterteilt, wie dies aus 6 ersichtlich ist. Die jeweiligen Punkte bezeichnen lediglich die ungefähre Lage, da diese teilweise last- und drehzahlabhängig sind.
1. Abschnitt: Unterer Totpunkt – Einlassventil schließen (UT – ES)
2. Abschnitt: Einlassventil schließen – Verbrennungsbeginn (ES – VB)
3. Abschnitt: Verbrennungsbeginn – Verbrennungsende (VB – VE)
4. Abschnitt: Verbrennungsende – Auslassventil öffnen (VE – AÖ)
5. Abschnitt: Auslassventil öffnen – Unterer Totpunkt (AÖ – UT).
Für jeden der Abschnitte lassen sich die physikalischen Abläufe berechnen und sofort mit den tatsächlichen Werten vergleichen.
Die 7 zeigt ein Simulationsmodell für die Motorsteuerung. Dabei ist links in 7 dargestellt, dass zunächst der Druckverlauf gemessen wird und aufgrund einer Druckverlaufsanalyse der Brenn- bzw. Heizverlauf bestimmt wird.
Daraus erhält man die Ergebnisgrößen beispielsweise für den Verbrennungsbeginn VB, die Verbrennungsdauer VD, den m-Faktor, den Zündzeitpunkt ZZB, die Lage der Verbrennung sowie die Wandwärmeverluste Q_W.
Diese Ergebnisgrößen werden für die rechts in 7 dargestellte Simulation als Eingangsgrößen zugrunde gelegt, aus denen dann der Heizverlauf nach der Vibe-Funktion vorgegeben wird. Unter Berücksichtigung dieser Vorgabe erfolgt die Prozesssimulation für die Motorsteuerung, mit deren Hilfe der Druckverlauf im Brennraum berechnet wird. Als Ergebnisgrößen erhält man beispielsweise den indizierten Mitteldruck der Hochdruckschleife p_imHD, den indizierten Wirkungsgrad der Hochdruckschleife η_iHD sowie werte bezüglich klopfender Verbrennung und Stickoxiden. Das Simulationsmodell umfaßt dabei die in 6 dargestellten Abschnitte, nämlich
UT-ES: Kompression bei schließendem Einlassventil
ES: Brennraumfüllung, Mischtemperatur,
ES-VB: Polytrope Verdichtung
VB-VE: Vibe Wärmefreisetzung
VE-AÖ: Polytrope Expansion
AÖ-UT: Expansion bei öffnendem Auslassventil.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei eine Motorsteuerung (2) verwendet wird, die ein Steuergerät mit einer Momentenstruktur umfaßt und dem Steuergerät Signale über Fahrzeugzustände, Lastanforderungen und dergleichen zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät eine für den betreffenden Motortyp entwickelte und auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhende Modellrechnung abgelegt ist, wobei diese Modellrechnung einen simulierten Hochdruckprozess umfaßt, bei dem eine zugeführte Energie (Q_B) des Kraftstoff-Luft-Gemisches berücksichtigt, daraus ein Summenbrennverlauf (Q_SB) gebildet und mit Hilfe des Brennverlaufs gemäß der Vibe-Funktion ein Heizverlauf (Q_SH) ermittelt wird, aus dem der Druckverlauf in der Hochdruckschleife bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Modellrechnung eine Momentenstruktur enthalten ist, die zumindest das Antriebsmoment (M_Amtr) und den indizierten Mitteldruck der Hochdruckschleife (p_imHD) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Momentenstruktur das Lastwechselmoment (M_LW), das Moment der mechanischen Übertragung (M_Mech) und/oder das Moment der Nebenaggregate (M_Neben) enthalten sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizverlauf (Q_SH) aus der Multiplikation des Summenbrennverlaufs (Q_SB) mit dem Wirkungsgrad (η_H) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (η_H) aus dem Summenbrennverlauf (Q_SB) und den Wandwärmeverlusten (Q_W) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Simulation des Hochdruckprozesses der Druckverlauf in der Hochdruckschleife in fünf Abschnitte unterteilt wird, die sich an physikalischen Meßgrößen orientieren, nämlich: Unterer Totpunkt (UT) bis Einlassventil schließen (ES) Einlassventil schließen (ES) bis Verbrennungsbeginn (VB) Verbrennungsbeginn (VB) bis Verbrennungsende (VE) Verbrennungsende (VE) bis Auslassventil öffnen (AÖ) Auslassventil öffnen (AÖ) bis unterer Totpunkt (UT).