DE10317120A1 - System und Verfahren zum Ermitteln eines Restgasgehaltes in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Adaptionsverfahren und ein entsprechendes System zur Bestimmung des Restgasgehaltes im Brennraum eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors offenbart, was insbesondere im Falle einer inneren Abgasrückführung nützlich eingesetzt werden kann. Ein von einer Lambdasonde ausgegebenes Signal wird mit einem Erwartungswert für das Signal verglichen, wobei der Erwartungswert auf der Grundlage eines Modells (16) berechnet wird. Liegt eine Abweichung zwischen realem Lambdasignal (14) und erwartetem Lambdasignal (20) vor, so erfolgt ein Abgleich (24) des Modells (16).
Description
- Die Erfindung betrifft ein System zum Ermitteln eines Restgasgehaltes in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor beziehungsweise die Peripherie des Verbrennungsmotors eine Abgasrückführung zum Zuführen von Restgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch aufweist, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und eine Lambdasonde zum Ermitteln eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufweist.
- Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ermitteln eines Restgasgehaltes in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor beziehungsweise die Peripherie des Verbrennungsmotors eine Abgasrückführung zum Zuführen von Restgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch aufweist, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und eine Lambdasonde zum Ermitteln eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufweist.
- Im Zusammenhang mit Benzin-Direkteinspritzsystemen sind unterschiedliche Betriebsbedingungen bekannt. Diesen ist gemeinsam, dass eine Direkteinspritzung von Kraftstoff unter Hochdruck direkt in einen Brennraum erfolgt. Die Gemischbildung findet dann innerhalb des Brennraums statt. Herkömmlich unterscheidet man die Betriebsarten Homogenbetrieb und Schicht- beziehungsweise Magerbetrieb. Beim Homogenbetrieb liegt ein homogen über den gesamten Brennraum verteiltes Gemisch vor. Beim Schicht- beziehungsweise Magerbetrieb liegt nur im Bereich der Zündkerze ein Gemisch mit einer Luftzahl λ ≤ 1 vor. Das verbleibende Volumen des Brennraums ist mit angesaugter Frischluft, einem Inertgas aus der Abgasrückführung oder einem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt, so dass sich insgesamt eine Luftzahl von λ > 1 ergibt.
- Neben diesen herkömmlichen Betriebsarten wird vermehrt eine weitere Betriebsart als erfolgversprechend eingeschätzt, die dem Betrieb des selbstzündenden Dieselmotors ähnelt. Diese ist als HCCI-Betriebsart (Homogeneous Charge Compression Ignition) bekannt und stellt ein selbstzündendes Brennverfahren dar, bei dem der Zündzeitpunkt und damit der Verbrennungsverlauf über die reaktive Energiemenge im Zylinder gesteuert wird. Um ein ausreichendes Energieniveau bereitzustellen, bedient man sich üblicherweise einer Abgasrückführung über externe Stellmittel im Rahmen einer externen oder äußeren Abgasrückführung oder durch eine geeignete Gaswechselventilsteuerung im Rahmen einer internen oder inneren Abgasrückführung unter Berücksichtung der Ventilhubkurven und der Ventiltellerflächen. Der Restgasgehalt hat dabei nicht nur Einfluss auf das für die Zündung erforderliche Energieniveau im Brennraum; vielmehr besteht ein Einfluss des Restgehaltes auf den kompletten Verbrennungsverlauf, beispielsweise im Hinblick auf den Verbrennungsschwerpunkt und den Verbrennungsspitzendruck, und damit auch auf die gesamte Motordrehmomentcharakteristik und Motorleistungscharakteristik sowie das Emissionsverhalten und die Akustik.
- Problematisch ist allerdings, dass der Restgasgehalt in einem Zylinder, insbesondere im Falle der inneren Abgasrückführung, messtechnisch kaum beziehungsweise nicht feststellbar ist, so dass bei Systemen des Standes der Technik die wichtige Information des Restgasgehaltes nicht verfügbar ist.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um den Restgasgehalt in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors zu ermitteln und letztlich der Motorsteuerung diese Information zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen System dadurch auf, dass aus einem von der Lambdasonde ausgegebenen Signal eine einen realen Restgasanteil in einem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe ermittelbar ist, dass ein Modell zum Ermitteln einer einen erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierenden Größe auf der Grundlage von dem Modell zuführbaren Eingangsgrößen vorgesehen ist und dass auf der Grundlage eines Vergleichs der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe und der den erwarteten Restgasanteil charakterisierenden Größe das Modell abgeglichen werden kann, so dass nach dem Abgleich die den erwarteten Restgasanteil charakterisierende Größe zumindest im Wesentlichen mit der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe übereinstimmt. Die Erfindung bedient sich insofern einer Prozessregelung, die auf der Grundlage eines Modells erfolgt. Dies ist im Rahmen von modernen Motorsteuerungen bekannt. Das Modell bildet dabei vorzugsweise den Verbrennungsprozess mit seinen Ein- und Ausgangsgrößen nach, so dass im Idealfall das Modell und der reale Prozess bei identischen Eingangsgrößen dieselben Ausgangsgrößen liefern. Im vorliegenden Fall wird der reale Restgasanteil mit dem durch das Modell ermittelten Restgasanteil verglichen. Durch Veränderung von Modellparametern kann ein Abgleich erfolgen, so dass letztlich das Modellergebnis dem Ergebnis des realen Prozesses gleicht.
- Das erfindungsgemäße System ist insbesondere in dem Fall vorteilhaft einsetzbar, in dem die Abgasrückführung eine interne Abgasrückführung ist. Da im Falle einer internen Abgasrückführung der Restgasgehalt im Zylinder nicht oder kaum feststellbar ist, ist die modellmäßige Bestimmung des Restgasgehaltes in diesem Fall von besonderem Vorteil.
- In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, dass die dem Modell zuführbaren Eingangsgrößen die Ventilsteuerzeiten und weitere den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakterisierende Größen umfassen. Da die Ventilsteuerzeiten maßgeblichen Einfluss auf den Restgasanteil haben, sind diese als Eingangsgrößen des Modells geeignet. Da das Modell auch ansonsten den jeweiligen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors bei der Berücksichtigung des erwarteten Restgasgehaltes berücksichtigen muss, ist es sinnvoll, weitere den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakterisierende Größen dem Modell als Eingangsgrößen zuzuführen, zum Beispiel die Motordrehzahl, das Motordrehmoment, etc.
- Das erfindungsgemäße System ist auch dann nützlich einsetzbar, wenn die Abgasrückführung eine äußere Abgasrückführung ist. In diesem Fall ist es zwar eher möglich, die Menge des rückgeführten Abgases direkt real zu bestimmen. Zusätzlich oder alternativ kann aber auch die erfindungsgemäße Bestimmung des Restgasgehaltes auf der Grundlage des Modells nützlich sein.
- Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die von dem Modell ermittelte, den erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe verwendet wird, um einen Verbrennungsprozess, insbesondere einen HCCI-Verbrennungsprozess, zu regeln beziehungsweise zu steuern be ziehungsweise zu kontrollieren. Dem kommt besondere Bedeutung im Zusammenhang mit Instationärvorgängen oder Betriebsmodusvariationen, das heißt dem Umschalten zwischen einem selbstzündenden und einem herkömmlichen Verbrennungsverfahren, zu, bei denen oft nicht allein ein einziger Lambdawert, sondern ein kompletter Signalverlauf als Beurteilungsgröße herangezogen wird. Insbesondere bei schnellen Instationärvorgängen greifen Regelungen und Regelalgorithmen nicht oder nur unzureichend. Gerade an dieser Stelle hilft eine exakte Modellierung, da allein durch Vorsteuerung und Vorsteuerwerte der Prozess kontrolliert werden kann. Da der Restgasgehalt einen großen Einfluss auf das Motorgesamtverhalten hat, ist die Kenntnis dieser Größe entscheidend für eine Beherrschbarkeit des Gesamtprozesses.
- Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass aus einem von der Lambdasonde ausgegebenen Signal eine einen realen Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe ermittelt wird, dass eine einen erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe durch ein Modell auf der Grundlage von dem Modell zuführbaren Eingangsgrößen ermittelt wird und dass auf der Grundlage eines Vergleichs der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe und der den erwarteten Restgasanteil charakterisierenden Größe das Modell abgeglichen wird, so dass nach dem Abgleich die den erwarteten Restgasanteil charakterisierende Größe zumindest im Wesentlichen mit der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe übereinstimmt. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Systems auch im Rahmen eines Verfahrens realisiert. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Das Verfahren ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass dem Modell Ventilsteuerzeiten und weite re den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakterisierende Größen als Eingangsgrößen zugeführt werden.
- Eine besonders nützliche Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die von dem Modell ermittelte, den erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe verwendet wird, um einen Verbrennungsprozess, insbesondere einen HCCI-Verbrennungsprozess, zu regeln beziehungsweise zu steuern beziehungsweise zu kontrollieren.
- Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Motorsteuerung, insbesondere für einen HCCI-fähigen Verbrennungsmotor, mit einem erfindungsgemäßen System zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Motorsteuerung, die in Kenntnis eines auf der Grundlage eines abgeglichenen Modells ermittelten Restgasgehaltes arbeitet, ist in der Lage, einen HCCI-fähigen Verbrennungsmotor unter sämtlichen Betriebsbedingungen zu beherrschen.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das beschriebene Adaptionsverfahren ein Restgasgehalt in zuverlässiger Weise ermittelt werden kann, wobei dies insbesondere im Falle einer internen Abgasrückführung besonders vorteilhaft zum Tragen kommt.
- Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
- Es zeigen:
-
1 ein Funktionsblockdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen System; und -
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
1 zeigt ein Funktionsblockdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Systems. - Einerseits findet auf der Grundlage von Eingangsgrößen, insbesondere den Ventilsteuerzeiten, in einem Verbrennungsmotor ein realer Prozess
10 statt, der das Rückführen von Abgas beinhaltet. Aufgrund des realen Prozesses kommt es zu einem realen Restgasgehalt im Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch. Da das verbrannte Restgas als Inertgas anzusehen ist, hat es keinen direkten Einfluss auf das stöchiometrische Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff. Befindet sich der Motor an einem bestimmten Betriebspunkt, ist das stöchiometrische Verhältnis abhängig vom vorhandenen Frischluftanteil und dem Kraftstoffanteil. Dieses Verhältnis wird mit einer Lambdasonde gemessen, wobei lineare Lambdasonden das Verhältnis in weiten Mischungsbereichen ermitteln, beispielsweise auch in der HCCI-Betriebsart. Kommt es zu Abweichungen des Restgasgehaltes im Zylinder, verändert sich entsprechend der Frischgasanteil. Unter Beibehaltung der eingespritzten Kraftstoffmenge kommt es folglich zu einer Verschiebung des Verhältnisses von Luft zu Kraftstoff, was sich in einer Veränderung des Lambdasondensignals niederschlägt. Der Restgasanteil beeinflusst somit das Lambdasondensignal so dass der aus dem realen Prozess10 resultierende reale Restgasgehalt12 zu einem realen Lambdasignal14 führt. - Andererseits werden einem bestehenden Modell
16 Eingangsgrößen, insbesondere die Ventilsteuerzeiten sowie weitere den Betriebszustand des Motors kennzeichnende Größen, zugeführt. Auf der Grundlage des Modells16 wird ein modellierter Restgasgehalt18 ermittelt, und hieraus wird ein erwartetes Lambdasignal20 berechnet. - Das reale Lambdasignal
14 und das erwartete Lambdasignal20 werden nachfolgend miteinander verglichen. Übersteigt das Sondensignal den erwarteten Wert, das heißt es liegt eine Verschiebung in Richtung eines mageren Gemischs vor, ist der Restgasanteil zu gering, das heißt der Frischgasanteil ist zu hoch. Zeigt die Sonde ein zu geringes Signal an, das heißt es liegt eine Verschiebung in Richtung eines fetten Gemischs vor, ist der Restgasanteil zu hoch, und der Frischgasanteil hat sich verkleinert. Die Differenz des tatsächlichen Sondensignals vom erwarteten Signal ist dabei ein Maß für den Anteil an Restgas. Da der Restgasanteil von den Ventilsteuerzeiten bestimmt wird, kann im Falle einer Lambdasondensignalabweichung darauf geschlossen werden, dass die Ventilsteuerzeiten nicht korrekt gewählt wurden, beziehungsweise das Modell berechnet bei gegebenen Eingangsgrößen eine falsche Ausgangsgröße. Aus der Kenntnis dieses Fehlers, das heißt bei Feststellung einer Abweichung22 kann auf dieser Grundlage ein Abgleich24 des Modells16 erfolgen. -
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem Verfahrensablauf werden gemäß Schritt S01 kontinuierlich Eingangsgrößen, insbesondere Ventilsteuerzeiten, bereitgestellt, um hieraus auf der Grundlage des Modells in Schritt S02 ein erwartetes Lambdasignal zu berechnen. Parallel wird kontinuierlich von einer Lambdasonde ein reales Lambdasignal in Schritt S03 ermittelt. Die so gewonnenen Messwerte werden in Schritt S04 ausgegeben und parallel mit den in Schritt S05 ausgegebenen berechneten Werten einem Entscheidungsschritt S06 zugeführt. In diesem Entscheidungsschritt S06 wird überprüft, ob die Messwerte mit den berechneten Werten übereinstimmen. Ist dies der Fall, so können einerseits die berechneten Werte als Eingangswert für weitere Motorsteuerungsfunktionen (Schritt S07) verwendet werden, andererseits kann das beschriebene Verfahren kontinuierlich fortgesetzt werden. Stimmen die Messwerte nicht mit den berechneten Werten überein, so kann über einen Abgleich Einfluss auf das Modell genommen werden, so dass in Schritt S02 wiederum ein erwartetes Lambdasignal unter Verwendung der in Schritt S01 zur Verfügung gestellten Eingangsgrößen berechnet werden kann, was dann später im Verfahrensablauf gemäß Schritt S06 beziehungsweise nach mehrmaligem Durchlaufen der beschriebenen Schleife (S06-S02-S05) zu einer Übereinstimmung von Messwerten und berechneten Werten führt. In2 ist weiterhin angedeutet, dass die in Schritt S05 ausgegebenen berechneten Werte auch ohne Beachtung des Entscheidungsschrittes S06 als Eingangswerte für weitere Motorsteuerungsfunktionen verwendet werden können (Schritt S07). Es ist mit anderen Worten für die Durchführung der weiteren Motorsteuerungsfunktionen nicht unbedingt erforderlich, dass ein Abgleich bereits erfolgreich durchgeführt wurde. - Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen: Es wird ein Adaptionsverfahren und ein entsprechendes System zur Bestimmung des Restgasgehaltes im Brennraum eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors offenbart, was insbesondere im Falle einer inneren Abgasrückführung nützlich eingesetzt werden kann. Ein von einer Lambdasonde ausgegebenes Signal wird mit einem Erwartungswert für das Signal verglichen, wobei der Erwartungswert auf der Grundlage eines Modells
16 berechnet wird. Liegt eine Abweichung zwischen realem Lambdasignal14 und erwartetem Lambdasignal20 vor, so erfolgt ein Abgleich24 des Modells16 . - Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Claims (9)
- System zum Ermitteln eines Restgasgehaltes in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor beziehungsweise die Peripherie des Verbrennungsmotors – eine Abgasrückführung zum Zuführen von Restgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch aufweist, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und – eine Lambdasonde zum Ermitteln eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass aus einem von der Lambdasonde ausgegebenen Signal eine einen realen Restgasanteil in einem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe (
14 ) ermittelbar ist, – dass ein Modell (16 ) zum Ermitteln einer einen erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierenden Größe (20 ) auf der Grundlage von dem Modell zuführbaren Eingangsgrößen vorgesehen ist und – dass auf der Grundlage eines Vergleichs der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe (14 ) und der den erwarteten Restgasanteil charakterisierenden Größe (20 ) das Modell (16 ) abgeglichen werden kann, so dass nach dem Abgleich (24 ) die den erwarteten Restgasanteil charakterisierende Größe (20 ) zumindest im Wesentlichen mit der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe (14 ) übereinstimmt. - System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung eine interne Abgasrückführung ist.
- System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Modell (
16 ) zuführbaren Eingangsgrößen die Ventilsteuerzeiten und weitere den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakterisierende Größen umfassen. - System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung eine äußere Abgasrückführung ist.
- System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Modell (
16 ) ermittelte, den erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe (20 ) verwendet wird, um einen Verbrennungsprozess, insbesondere einen HCCI-Verbrennungsprozess, zu regeln beziehungsweise zu steuern beziehungsweise zu kontrollieren. - Verfahren zum Ermitteln eines Restgasgehaltes in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines HCCI-fähigen Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor beziehungsweise die Peripherie des Verbrennungsmotors – eine Abgasrückführung zum Zuführen von Restgas eines früheren Verbrennungszyklus zu Frischluft beziehungsweise zu einem Frischluft aufweisenden Gemisch aufweist, um nach Einspritzung von Kraftstoff ein Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch mit einem für die Verbrennung vorteilhaften Energieniveau bereitzustellen, und – eine Lambdasonde zum Ermitteln eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass aus einem von der Lambdasonde ausgegebenen Signal eine einen realen Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe (
14 ) ermittelt wird, – dass eine einen erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe (20 ) durch ein Modell auf der Grundlage von dem Modell zuführbaren Eingangsgrößen ermittelt wird und – dass auf der Grundlage eines Vergleichs der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe (14 ) und der den erwarteten Restgasanteil charakterisierenden Größe (20 ) das Modell (16 ) abgeglichen wird, so dass nach dem Abgleich (24 ) die den erwarteten Restgasanteil charakterisierende Größe (20 ) zumindest im Wesentlichen mit der den realen Restgasanteil charakterisierenden Größe (14 ) übereinstimmt. - Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Modell (
16 ) Ventilsteuerzeiten und weitere den Betriebszustand des Verbrennungsmotors charakterisierende Größen als Eingangsgrößen zugeführt werden. - Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Modell (
16 ) ermittelte, den erwarteten Restgasanteil in dem Luft/Kraftstoff/Restgas-Gemisch charakterisierende Größe verwendet wird, um einen Verbrennungsprozess, insbesondere einen HCCI-Verbrennungsprozess, zu regeln beziehungsweise zu steuern beziehungsweise zu kontrollieren. - Motorsteuerung, insbesondere für einen HCCI-fähigen Verbrennungsmotor, mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
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