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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem Brennraum von den Betriebsbedingungen bzw. dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt.
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Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes elektrisches Speichermedium für ein Steuergerät, sowie ein Steuer- und/oder Regelgerät.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist vom Markt her bekannt. Es wird bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-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.
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Für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem NOx-Speicherkatalysator ist es jedoch erforderlich, von Zeit zu Zeit von dieser ersten ”mageren” Betriebsart in eine zweite ”fette” Betriebsart und umgekehrt zu wechseln. In der fetten Betriebsart wird der NOx-Speicherkatalysator möglichst vollständig von in ihm gespeicherten Stickoxiden entladen. Andere bekannte Verfahren, insbesondere bei der Steuerung von Dieselmotoren, nutzen als zentrale Größe für die Steuerung des Motormoments die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Dabei erfolgt die Umrechnung des auf der Basis des Fahrerwunschmoments bestimmten und mit anderen Anforderungen, beispielsweise einer Getriebesteuerung, koordinierten Soll-Drehmoments in die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch ein spezielles Umwandlungsmodul. Die Kraftstoffmenge wird dabei durch eine vom Soll-Drehmoment abhängige Kennlinie mit der aktuellen Drehzahl als Kennlinienparameter bestimmt (Kennlinienschar).
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In der
DE 100 30 936 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem aus den Eingangsgrößen Kraftstoffmasse im Magerbetrieb, Luftmasse im Magerbetrieb, für das Regenerieren vorteilhaftes Lambda und tatsächliche Luftmasse, eine Soll-Luftmasse und eine Soll-Kraftstoffmasse bestimmt werden. Hierzu werden in drei unterschiedlichen Verarbeitungsblöcken Lambda-Werte in Wirkungsgradwerte und umgekehrt umgewandelt.
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Dieses Verfahren ist jedoch nicht geeignet für die Umwandlung des Soll-Drehmoments in die einzuspritzende Kraftstoffmasse bei hohem Luftüberschuss (Magerbetrieb) der Brennkraftmaschine, da in dieser Betriebsart das Drehmoment und die Kraftstoffmenge nicht in einfacher Weise zusammenhängen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es möglichst einfach appliziert werden kann und die beiden Stellgrößen Kraftstoffmenge und Luftmasse in physikalisch korrekter Weise ermittelt werden, auch wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gezielt verändert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mittels eines Datenmodells aus einem gewünschten Drehmoment und einer anhand eines Modells oder eines Messwerts ermittelten Luftmasse eine Größe, welche ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, und weiter eine in den Brennraum einzuspritzende Soll-Kraftstoffmenge ermittelt wird, und mittels des gleichen Datenmodells aus dem gewünschten Drehmoment und einer Größe, welche ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum ausdrückt, eine dem Brennraum zuzuführende Soll-Luftmasse bestimmt wird.
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Aus der
DE 101 08 788 A1 ist ein Kraftfahrzeug-Steuerungssystem bekannt, das die Einlassluftdurchflussmenge auf der Grundlage der Kraftstoffeinspritzmenge steuert.
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Aus der
DE 196 37 395 C1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der einer Brennkraftmashcine zuzuführenden Krafstoffmenge bekannt.
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Vorteile der Erfindung
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Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass über ein zentrales Datenmodell der Zusammenhang zwischen Luftmasse, Kraftstoffmasse und Drehmoment der Brennkraftmaschine hergestellt und die für die Ermittlung der beiden zentralen Sollgrößen verwendet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind daher, wenn überhaupt, nur noch zwei Umwandlungsblöcke erforderlich, welche dazu hin noch das gleiche Datenmodell verwenden. Die Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher sehr einfach und kann schnell ablaufen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist darüber hinaus auch bei unterschiedlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen physikalisch korrekt, da die Ermittlung der einzuspritzenden Soll-Kraftstoffmenge über die Verwendung der ermittelten Luftmasse mit dem Berechnungspfad der Soll-Luftmasse rückgekoppelt ist. Die Ermittlung der Soll-Kraftstoffmenge über eine Größe, welche ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, führt ferner zu einem sehr stabilen Verfahren ohne Schwingungsneigung.
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Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das gewünschte Drehmoment, die Luftmasse, etc., auch durch entsprechende Größen ausgedrückt werden können, beispielsweise eine Gaspedalstellung, eine Spannung eines HFM-Sensors, oder ähnliches.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das auf einem Speichermedium gespeichert ist und dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Steuergerät einer Brennkraftmaschine, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, beispielsweise, indem auf ihm das vorgenannte Computerprogramm gespeichert ist.
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In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Größe, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, die Inverse der Luftzahl Lambda ist. Dies vereinfacht das Datenmodell und die damit zusammenhängenden Berechnungen.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn bei der Bestimmung der Soll-Kraftstoffmenge die Größe, welche das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, durch einen emissionsspezifischen Grenzwert begrenzt wird. Dieser auch aus ”Rauchgrenze” bezeichnete Grenzwert verhindert eine unzulässige Rußbildung im Betrieb der Brennkraftmaschine. Dadurch, dass nicht die einzuspritzende Kraftstoffmenge, sondern die Größe, welche das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, begrenzt wird, wird verhindert, dass die Soll-Kraftstoffmenge hart begrenzt wird, was zu Schwingungen des Systems und hochfrequenten Anregungen des Antriebsstranges führen kann. Ursache hierfür ist zum Einen die hohe Dynamik der Rauchgrenze.
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Zum Anderen besteht bisher eine Gefahr von Oszillationen aufgrund von Modellungenauigkeiten bei der Modellierung der Luftmenge (Füllung), denn diese hängt insbesondere bei Turbomotoren von der Drehzahl bzw. vom Moment ab. Auch dies wird erfindungsgemäß vermieden, da eine Berechnungsschleife über ein Füllungsmodell vermieden wird.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der emissionsspezifische Grenzwert aus der anhand eines Modells oder eines Messwerts ermittelten Luftmasse, aus der Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, und gegebenenfalls aus der Lage des Beginns der Kraftstoffeinspritzung relativ zum Winkel der Kurbelwelle ermittelt wird. In diesem Fall weist die Rauchgrenze zwar eine sehr hohe Dynamik auf, so dass eine Rußbildung zuverlässig verhindert wird, dies ist aufgrund der weiter oben beschriebenen Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einer auch hochdynamischen Rauchgrenze möglich.
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In Weiterbildung hierzu wird auch vorgeschlagen, dass ein vom Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschtes Drehmoment gefiltert wird. Somit bleiben andere dynamische Eingriffe auf das gewünschte Drehmoment, beispielsweise durch ein Stabilitätsprogramm oder durch ein an die Brennkraftmaschine angebautes Getriebe, ungefiltert, was für deren ordnungsgemäße Wirksamkeit wichtig ist. Dies ist erfindungsgemäß ohne komplexe Abfragen möglich, sondern allein durch die Platzierung des Filters an einer Stelle im Verfahrenspfad, bevor die besagten Eingriffe wirksam werden. Durch die Filterung werden abrupte Änderungen des vom Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschten Drehmoments abgemindert und so Schwingungsanregungen des Antriebssystems vermieden.
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Möglich ist auch, dass bei der Bestimmung der Soll-Kraftstoffmenge die Größe, welche das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, durch mindestens einen betriebsartenabhängigen Grenzwert begrenzt wird. Diese Begrenzung kann dabei nach oben oder nach unten erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Datenmodell in der Nähe der Begrenzung der Größe, welche das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, so bedatet ist, dass ein weicher Übergang zur Begrenzung hingeschaffen wird. Hierdurch wird die Gefahr von Schwingungsanregungen des Antriebssystems nochmals vermindert und der Komfort beim Betrieb der Brennkraftmaschine erhöht.
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Wenn das Datenmodell eine Kennlinienschar oder ein Kennfeld umfasst, kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach realisiert werden.
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Zeichnungen
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug;
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2 ein Ablaufschema zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1;
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3 ein Diagramm eines Datenmodells, welches die Inverse der Luftzahl Lambda, ein Drehmoment, und eine Luftmenge miteinander verknüpft, zur Erläuterung eines ersten Verfahrensschritts des Verfahrens von 2;
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4 ein Diagramm ähnlich 3 zur Erläuterung eines zweiten Verfahrensschritts des Verfahrens von 2;
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5 ein Diagramm zur Erläuterung eines emissionsspezifischen Grenzwerts für die Luftzahl Lambda;
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6 ein Diagramm ähnlich 3 zur Erläuterung eines dritten Verfahrensschritts des Verfahrens von 2;
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7 eine Alternative zu dem Diagramm von 6.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie ist in ein nur schematisch durch eine strichpunktierte Linie angedeutetes Kraftfahrzeug 12 eingebaut.
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Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 aus Darstellungsgründen nur einer dargestellt ist. Er umfasst einen Brennraum 14, dem Verbrennungsluft über ein Strömungsrohr 16 und ein Einlassventil 18 zugeführt wird. Die heißen Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 20 und ein Abgasrohr 22 abgeleitet. Die in den Brennraum 14 gelangende Luftmenge kann über eine Drosselklappe 24 eingestellt werden; sie wird von einem HFM-Sensor 26 erfasst. Die Verbrennungsabgase werden in einem Katalysator 28 gereinigt. Dieser verfügt über eine Lambda-Sonde 30.
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Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 über einen Injektor 32, der von einem Kraftstoffsystem 34 versorgt wird. Das im Brennraum 14 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von einer Zündkerze 36 entzündet, die mit einem Zündsystem 38 verbunden ist. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass das nachfolgend beschriebene Verfahren in gleicher Weise auch bei Dieselbrennkraftmaschinen verwendet werden kann, welche dann über keine Zündkerze verfügen. Die Drehzahl einer Kurbelwelle 40 wird von einem Sensor 42 erfasst.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Steuer- und Regelgerät 44 gesteuert bzw. geregelt. So sind unter anderem die Drosselklappe 24, das Zündsystem 38 und der Injektor 32 mit dem Steuer- und Regelgerät 44 verbunden. Informationen erhält das Steuer- und Regelgerät 44 von HFM-Sensor 26, dem Drehzahlsensor 42, dem Katalysator 28 sowie von einem Getriebe 46 und einem Stabilisierungssystem 48. Die Stellung eines Gaspedals 50 wird von einem Pedalwertgeber 52 abgegriffen, welcher ebenfalls Signale an das Steuer- und Regelgerät 44 liefert.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 wird in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben, welche sich jeweils durch das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des im Brennraum 14 vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches unterscheiden. Um das gewünschte Drehmoment bei einer bestimmten, der jeweiligen Betriebsart entsprechenden Gemischzusammensetzung einstellen zu können, wird gemäß einem Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 im Detail erläutert wird. Das Verfahren ist als Computerprogramm in einem Speicher 53 des Steuer- und Regelgeräts 44 abgelegt.
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Je nach Betriebsart wird vom Steuer- und Regelgerät 44 eine bestimmte Luftzahl LV vorgegeben. Ein Signal MDRS vom Pedalwertgeber 52 wird in einen Filter 54 eingespeist und führt zu einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 12 gewünschten Drehmoment MDS. Dieses und die Inverse 1/LV der Luftzahl LV werden einer Kennlinienschar (Block 56) zugeführt. Das entsprechende Diagramm ist in 3 dargestellt. Die Kennlinienschar im Block 56 verknüpft die Inverse 1/L der Luftzahl L, das Drehmoment MD und die entsprechende Luftmasse ML. Die Kennlinienschar 56 gibt eine Soll-Luftmasse MLS aus, welche letztlich zu einer entsprechenden Ansteuerung der Drosselklappe 24 führt.
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Die tatsächlich über das Strömungsrohr 16 in den Brennraum 14 gelangende Luftmasse MLI wird vom HFM-Sensor 26 erfasst und, zusammen mit dem gewünschten Drehmoment MDS, in eine Kennlinienschar 58 (vergleiche 4) eingespeist. Die Kennlinienschar 58 ist im Grunde identisch zur Kennlinienschar 56, entspricht also dem gleichen Datenmodell. Die Kennlinienschar 58 gibt die Inverse 1/LS einer Soll-Luftzahl LS aus, welche in einen Minimalwertblock 60 eingespeist wird.
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In diesen wird auch eine Inverse 1/LG einer Grenz-Luftzahl LG eingespeist. Diese wird mit Hilfe eines Kennfelds 62 bestimmt, in das wiederum ein mittels des HFM-Sensors 26 bestimmter Frischluftmassenstrom MLI, eine vom Drehzahlsensor 42 ermittelte Drehzahl N der Kurbelwelle 40, und gegebenenfalls die aktuelle Lage TI des Beginns einer Kraftstoffeinspritzung relativ zum Winkel der Kurbelwelle 40 eingespeist wird. Physikalisch wird durch die Grenz-Luftzahl LG eine sogenannte ”Rauchgrenze” definiert, also eine Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, welche im Hinblick auf die Emissionen gerade noch zulässig ist (vgl. 5). Der Block 60 gibt den kleineren der beiden Werte 1/LG bzw. 1/LS aus.
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Die Begrenzung der Inversen 1/LSG durch die Inverse 1/LG der Grenzluftzahl LG geht besonders gut aus 6 hervor. Man sieht, dass ein (zeitlich) ansteigendes gewünschtes Drehmoment MD bei gegebener Ist-Luftmasse MLI in einen ansteigenden Sollwert für die Inverse 1/L umgesetzt wird, bis der Grenzwert 1/LG erreicht ist. Ein weiterer Anstieg des gewünschten Drehmoments MD bewirkt dann keine Erhöhung der Inversen 1/L.
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Der aus dem Block 60 hervorgehende Wert wird in einen Block 64 eingespeist, in dem nochmals obere und untere Grenzen definiert werden. Durch diese werden weitere Randbedingungen bzw. Betriebsarten der Brennkraftmaschine 10 berücksichtigt, welche beispielsweise durch die Betriebsbedingungen des Katalysators 28 (beziehungsweise ganz allgemein vom Abgassystem) vorgegeben werden. Auch andere Betriebsarten und Betriebsartenübergänge können hier berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist eine Inverse 1/LSG einer begrenzten Soll-Luftzahl LSG. Diese wird in 66 mit der tatsächlichen Luftmasse MLI multipliziert, die mittels eines Kennfelds 68 auf der Basis der Messwerte der Sensoren 26 und 42 bestimmt wird. Dies führt zu der in den Brennraum 14 einzuspritzenden Soll-Kraftstoffmenge MKS.
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In 7 ist eine Alternative zu der Vorgehensweise in 6 dargestellt. Diese Alternative dient zur Vermeidung der Anregung von Ruckelschwingungen im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs 12. Bei einem differenzierbaren Verlauf der Kennlinien der Kennlinienschar wird ein differenzierbarer (gefilterter) Verlauf des gewünschten Drehmoments MD auf einen differenzierbaren Verlauf der Inversen 1/L abgebildet. Hierdurch werden Anregungen durch ein ”hartes” Abschneiden der Inversen 1/L und in der Folge der einzuspritzenden Kraftstoffmasse MKS vermieden.
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Alternativ kann bei einem nicht differenzierbaren Verlauf der Kennlinie eine Gradientenbegrenzung für jene Werte der Inversen 1/L vorgesehen werden, welche im Bereich der Inversen 1/LG liegen. Dies ist möglich, da bei dem beschriebenen Verfahren der Zustand auch in der Nähe der ”Rauchgrenze” sehr einfach bestimmt werden kann.
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Man erkennt, dass die zentrale Größe für die Bestimmung der Sollwerte für die einzuspritzende Kraftstoffmasse MKS und für die zuzuführende Luftmasse MLS aus einem gewünschten Drehmoment MDS die Inverse 1/L der Luftzahl L ist, und dass bei den zentralen Berechnungen bzw. Bestimmungen ein einziges Datenmodell zum Einsatz kommt.