DE10351203B4 - Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment - Google Patents

Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Berechnung einer Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine basierend auf einem zylinderinternen Ionisationssignal, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend:
a. Erfassen des Ionisationsstromsignals als Funktion einer Kurbelwinkels,
b. Ermitteln einer Wellenform des Ionisationsstromsignals,
c. Auswählen eines Algorithmus zur Ermittelung eines optimalen Zündzeitpunkts PMOD aus einer Menge vorgegebener Algorithmen auf Basis der ermittelten Wellenform des Ionisationsstromsignals,
d. Ermitteln der Winkellagen eines oder mehrerer der folgenden Punkte im erfassten Ionisationsstromsignal, die einen Verbrennungsvorgang charakterisieren:
i. P163: Punkt einer maximalen Flammenbeschleunigung (163), der durch den ersten Wendepunkt nach dem ersten Maximum (162) des Ionisationsstromsignals gegeben ist,
ii. P165: Punkt einer maximalen Wärmefreisetzung (165), der durch den letzten Wendepunkt vor dem zweiten Maximum (166) des Ionisationsstromsignals gegeben ist,
iii. P166: Lage des Maximums eines zweiten Peaks (166) des Ionisationsstromsignals, und
e. Ermitteln des optimalen Zündzeitpunkts PMOD auf Basis des ausgewählten Algorithmus und der ermittelten...

Description

  • Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der US-Provisional Patentanmeldungen 60/423,163, angemeldet am 1. November 2002, und 60/467,660, angemeldet am 2. Mai 2003, wobei die Offenbarung dieser Patentanmeldungen hiermit zum Bestandteil der vorliegenden Patentanmeldung gemacht und vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird. Weitere Prioritäten ergeben sich aus dem Antrag.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) mit Ionisationssignalauswertung.
  • Unter Regelung soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen eine rückgekoppelte Regelung mit einer geschlossenen (closed-loop) Rückkopplungsschleife verstanden werden. Unter Steuerung soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hingegen im Allgemeinen eine Steuerung verstanden werden, die nicht rückgekoppelt ist oder auf einer offenen (open-loop) Rückkopplungsschleife beruht. Abweichungen von dieser Grundregel sind explizit im Text benannt oder ergeben sich für den Fachmann aus dem technischen Kontext in selbsterklärender Weise.
  • In der technischen Anwendung sind verschiedene Verfahren zur Ermittlung und Auswertung des Ionisationsstroms in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors bekannt. Diese herkömmlichen Systeme weisen jedoch Mängel auf. So sind die zur Ermittlung des Ionisationsstroms eingesetzten Schaltungen in der Regel zu langsam und erzeugen ein Stromsignal mit geringem Rauschabstand.
  • So ist aus der DE 42 32 845 C2 eine Einrichtung zur Erfassung des Verbrennungszustandes in Verbrennungsmotoren bekannt. Diese umfasst eine Innenstrom-Erfassungsschaltung, die in mehreren Zeitintervallen, die ein Zeitintervall enthalten, in dem der Zylinderinnendruck eines Zylinders des Motors in einem normalen Verbrennungszustand maximal ist, die Spannung auf der Seite der Sekundärwicklung einer Zündspule misst. In einem ROM ist eine Verbrennungszustand-Kennzeichentabelle gespeichert, die den Verbrennungszustand angibt, der den in den einzelnen Zeitintervallen integrierten Werten entspricht. Eine CPU bestimmt auf der Grundlage der integrierten Werte in den einzelnen Zeitintervallen und der Verbrennungszustand-Kennzeichentabelle den Verbrennungszustand, um die Anzahl fehlerhafter Beurteilungen abzusenken und eine bessere Verbrennungszustand-Erfassung auszuführen.
  • Aus der DE 34 08 749 A1 ist eine Anordnung zum Regeln der Zündpunkteinstellung eines Motors bekannt, die eine Sonde aufweist, die an der Wand eines Zylinders des Motors gegenüber dem Kolben in dem Zylinder vorgesehen ist. Eine erste Schaltung ist zum Messen des Kurbelwinkels des Motors vorgesehen, und eine zweite Schaltung ist zum Messen der Geschwindigkeit der Flammenausbreitung in dem Zylinder durch Feststellen des Ionisationsstroms, der zwischen einer Sonde und dem Zylinder fließt, und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die Geschwindigkeit sehr hoch ist, vorgesehen. Eine Zündpunkteinstellregelschaltung spricht auf das Ausgangssignal der zweiten Schaltung an, um die Zündpunkteinstellung nachzustellen, um das Klopfen des Motors zu verhindern.
  • Aus der DE 39 21 616 ist eine Vorrichtung zum Feststellen einer abnormen Verbrennung und eine Verbrennungssteuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt. Der Zündzeitpunkt für die Zylinder wird nach Maßgabe der Maschinenarbeitsverhältnisse festgelegt. Der festgelegte Zündzeitpunkt wird für wenigstens einen der Zylinder verzögert, wenn die Maschine unter bestimmten Arbeitsverhältnissen läuft. Eine abnorme Verbrennung, die durch eine Nachzündung in wenigstens einen Zylinder verursacht wird, wird wahrgenommen, während der festgelegte Zündzeitpunkt verzögert ist. Wenn eine abnorme Verbrennung in dem wenigstens einen Zylinder festgestellt wird, dann wird die Temperatur in den Zylindern herabgesetzt, um sicher ein mögliches Auftreten einer Vorzündung zu verhindern.
  • Die DE 32 49 614 A1 offenbart ein Regelsystem zur Verbrennungsablaufverstellung und zur Beeinflussung der Zusammensetzung der in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu verbrennenden Ladungen. Das Regelsystem beruht auf der Erfassung der Lage der während des Verbrennungsvorgangs in einem Zylinder fortschreitenden Flammenfront durch einen Flammenfrontfühler. Insbesondere dient das Regelsystem zur zuverlässigen Detektion einer klopfenden Verbrennung in der Brennkraftmaschine.
  • Der DE 689 18 216 T2 kann eine Vielzahl von Informationen über die Erfassung von Brenndaten einer Brennkraftmaschine sowie zu deren Steuerung entnommen werden. Insbesondere basiert die Steuerung der Brenndaten auf einer Messung des Zylinderinnendrucks während des Brennvorgangs sowie auf einer Beschleunigungsmessung am Motorblock der Brennkraftmaschine zur Detektion einer klopfenden Verbrennung.
  • Die DE 37 04 838 C2 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zum Regeln des Zündzeitpunkts einer Brennkraftmaschine. Sie basiert auf der Erfassung des Zylinderinnendrucks während des im Zylinder ablaufenden Verbrennungsvorgangs.
  • Die DE 100 13 826 A1 betrifft eine Klopfunterdrückungs-Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die eine fehlerhafte Klopferfassung und somit eine fehlerhafte Klopfunterdrückungssteuerung vermeiden kann, um dadurch eine Klopfunterdrückungssteuerung mit hoher Zuverlässigkeit sicherzustellen. Die Klopfunterdrückungs-Steuervorrichtung umfasst eine Innenstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ionenstroms, der mit Hilfe einer Zündkerze auf eine Verbrennung eines in den Zylinder geladenen Luft-Kraftstoff-Gemischs hin fließt. Eine Filtereinrichtung dient zum Extrahieren eines Klopfsignals aus einem Ausgangssignal der Ionenstrom-Erfassungseinrichtung. Weiterhin ist eine Klopfentscheidungseinrichtung zum Entscheiden eines Auftretens eines Klopfereignisses in der Maschine auf Grundlage des Klopfsignals vorgesehen.
  • Die DE 39 34 488 C2 offenbart eine Zündverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, die auf dem Signal eines Zylinderinnendrucksensors sowie eines Drucksensors, der z. B. im Ansaugkrümmer der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann, basiert. Die Einrichtung erlaubt es, den Zündzeitpunk zu bestimmen, ohne dass hierzu auf einen separat ausgebildeten Kurbelwinkelsensor zurückgegriffen werden muss.
  • Der DE 29 39 580 A1 sind grundlegende Informationen zu Verfahren zur Regelung des Zündzeitpunktes einer Brennkraftmaschine auf Basis des Verlaufs eines zylinderinternen Ionisationsstroms als Funktion des Kurbelwinkels zu entnehmen.
  • Weitere allgemeine Informationen zur Regelung des Zündzeitpunkts in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine entnimmt der Fachmann der DE 25 57 530 A1 , der DE 100 09 606 A1 , der DE 32 07 455 C2 , der DE 28 01 641 C3 , der DE 33 90 140 T1 , der DE 38 52 259 T2 , der EP 0 152 604 B1 , der EP 0 154 710 B1 , der US 5,836,285 A , der US 6,234,146 B1 sowie der US 6,311,672 B1 .
  • Ein Ziel eines Zündsystems eines Verbrennungsmotors besteht darin, die Zündzeit so einzustellen, dass der Motor mit einer gegebenen Luft/Kraftstoff-Mischung ein maximales Drehmoment erzielt. Diese Zündzeiteinstellung wird als Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) bezeichnet. Bei herkömmlichen MOD-Systemen basiert die MOD-Regelung in erster Linie auf der Ermittlung des Nachzündungsmaximums. Das Nachzündungsmaximum tritt in der Regel beim Punkt des maximalen Drucks auf. Die MOD-Einstellung wird erzielt, wenn der Punkt des maximalen Drucks bei ca. 15° nach dem oberen Totpunkt (NOT) liegt. Daher wird in der Regel davon ausgegangen, dass die Zündzeit zum Erreichen der MOD-Einstellung so verstellt werden muss, dass das zweite Maximum des Ionisationssignals bei ca. 15° NOT den höchsten Wert erreicht. Es muss allerdings berücksichtigt werden, dass sich bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen wie Schwachlast, magerem Gemisch oder hoher Abgasrückführungsrate kein zweites Maximum des Ionisationssignals 100 in der Wellenform abzeichnet.
  • Die Merkmale der vorliegenden Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf ein oder mehrere verbesserte Systeme, Verfahren und/oder Vorrichtungen zur Ermittlung und/oder Auswertung eines Ionisationsstroms in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors.
  • In einer Ausführungsform handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein Verfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) mit Ionisationssignalauswertung.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur MOD-Berechnung außerdem das Abstimmen eines Ionisationssignals mit einem Zylinderdrucksignal.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur MOD-Berechnung außerdem das Kombinieren eines oder mehrerer der folgenden Kriterien: Punkt der maximalen Flammenbeschleunigung, Punkt der maximalen Wärmefreisetzung und Punkt des zweiten Maximums.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zur MOD-Berechnung außerdem das Auswerten der Wellenform eines Ionisationssignals und das Berechnen der MOD-Einstellung.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung einen MOD-Kalkulator, der Folgendes umfasst: einen Regler, mit dem Regler verbundenen Speicher, im Speicher gespeicherte Software und einen mit dem Regler verbundenen Ionisationsdetektor.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der MOD-Speicher Anweisungen zur Auswertung der Wellenform eines Ionisationssignals und Anweisungen zur Berechnung der MOD-Einstellung.
  • Der weitere Umfang der vorliegenden Erfindung ist aus den folgenden Beschreibungen und Ansprüchen sowie den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibungen und spezifischen Beispiele lediglich zur Veranschaulichung dienen und sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung in ihrer Gesamtheit wird für den Fachmann aus der Beschreibung, den Patentansprüchen sowie den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
  • 1 zeigt ein Regelungssystem mit Ionisationsrückkopplung;
  • 2 zeigt ein Ionisationssignal;
  • 3 zeigt einen Vergleich von sekundären Signalen und Ionisationssignalen;
  • 4 zeigt ein Ionisationssignal bei verunreinigter Zündkerze und überhitztem Isolator;
  • 5 zeigt die Auswirkung einer Frühzündung auf ein Ionisationssignal;
  • 6 ist ein Flussdiagramm der Schritte, die in der vorliegenden Ausführungsform eines Diagnoseverfahrens zur Überwachung der Zündungseffizienz durchgeführt werden;
  • 7 ist ein Flussdiagramm der Schritte, die in der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt werden, um die Zündung anhand des Ionisationssignals zu diagnostizieren;
  • 8 ist ein Schaltplan einer zur Messung des Ionisationsstroms in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors eingesetzten Schaltung;
  • 9a zeigt das vom Motorsteuerungsmodul PCM zum IGBT gesendete Steuersignal VEIN versus Zeit;
  • 9b zeigt den Stromfluss IPW durch die Primärwicklung der Zündspule versus Zeit;
  • 9c zeigt ein durch ein normales Verbrennungsereignis erzeugtes Ausgangsspannungssignal VAUS;
  • 10a ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Zünddiagnose- und -regelungssystems;
  • 10b ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Zünddiagnose- und -regelungssystems mit den Merkmalen der einzelnen Subsysteme;
  • 11 zeigt ein mit einem Ladestrom-Rückkopplungssignal gemultiplextes Ionisationssignal;
  • 12 zeigt das erfindungsgemäße Subsystem für die Zünddiagnose;
  • 13 ist ein Blockdiagramm der Systemarchitektur des erfindungsgemäßen Zünddiagnose- und -regelungssystems;
  • 14 zeigt einen Durchlauf des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses versus Kurbelwinkel;
  • 15 zeigt die mittlere Ionisation (gemittelt über 300 Zyklen) bei Volllast für einen Durchlauf des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei MOD und Lambda = 1,2, 1,1, 1,0, 0,95, 0,9, 0,85, 0,8;
  • 16 zeigt einen Durchlauf des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast;
  • 17 zeigt einen Durchlauf des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast, 3.000 U/min und 20° VOT;
  • 18 zeigt die erfindungsgemäße Störgröße des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses;
  • 19 zeigt die erfindungsgemäße Optimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses;
  • 20 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Echtzeitoptimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast;
  • 21 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Echtzeitoptimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast;
  • 22 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Echtzeitoptimierungsreglers des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast;
  • 23 zeigt die erfindungsgemäße Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsstrom-Rückkopplung;
  • 24 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer früh- oder spätverstellten Zündung;
  • 25a zeigt das Kaltstartregelungsverfahren bei inaktivem Teilverbrennungsindex und Fehlzündungsindex;
  • 25b zeigt das Kaltstartregelungsverfahren bei aktivem Teilverbrennungsindex und inaktivem Fehlzündungsindex;
  • 25c zeigt das Kaltstartregelungsverfahren bei aktivem Fehlzündungsindex;
  • 26 ist ein Blockdiagramm eines adaptiven Systems;
  • 27 zeigt die Wellenform des Ionisationssignals für drei verschiedene Fälle;
  • 28 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Mehrkriterienverfahrens zur MOD-Berechnung;
  • 29 ist ein Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung;
  • 30 ist ein Flussdiagramm der von erfindungsgemäßen Mehrkriterienverfahren und -system zur MOD-Berechnung durchgeführten Schritte;
  • 31 ist ein Blockdiagramm eines zylinderspezifischen MOD-Reglers;
  • 32 ist ein Flussdiagramm der vom erfindungsgemäßen PI-Regler durchgeführten Schritte;
  • 33 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen PI-Reglers für die MOD-Einstellung;
  • 34 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Klopfbegrenzungsregelung;
  • 35 ist ein Flussdiagramm der von der erfindungsgemäßen Regelung bei Klopfbegrenztem Motor durchgeführten Schritte;
  • 36 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Spätzündungsregelung;
  • 37 ist ein Flussdiagramm der von der erfindungsgemäßen Regelung bei Fehlzündungsbegrenztem Motor durchgeführten Schritte;
  • 38 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Mittelwertverfahren-MOD-Reglers;
  • 39 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Mischverfahren-MOD-Reglers;
  • 40 zeigt die Beziehung zwischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und MOD-Einstellung;
  • 41 zeigt die Beziehung zwischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und MOD-Einstellung für die einzelnen Zylinder eines 2,0-Liter-Vierzylindermotors;
  • 42 zeigt die lineare Beziehung zwischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis und MOD-Einstellung für die einzelnen Zylinder eines 2,0-Liter-Vierzylindermotors;
  • 43 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen zylinderspezifischen Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses;
  • 44 ist ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen zylinderspezifischen Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses;
  • 45 zeigt die Verweistabelle für die Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten KRVK;
  • 46 ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses;
  • 47 zeigt die Kovarianz des indizierten mittleren Arbeitsdrucks versus MOD-Einstellung als Funktion der ARF-Rate;
  • 48 zeigt die erfindungsgemäße Klopfbegrenzte ARF-Rate;
  • 49 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen ARF-Reglers;
  • 50 ist ein Flussdiagramm der vom erfindungsgemäßen ARF-Regler durchgeführten Schritte;
  • 51a ist ein Flussdiagramm der Schritte, die von den in 49 dargestellten Logikblöcken durchgeführt werden;
  • 51b ist ein Flussdiagramm der Schritten, die von den in 49 dargestellten Logikblöcken durchgeführt werden;
  • 52 zeigt die Verbrennung des Massenanteils sowie ihre erste und zweite Ableitung;
  • 53 zeigt den Nettodruck und seine erste und zweite Ableitung versus Kurbelwinkel;
  • 54 zeigt das Drehmoment bei unterschiedlichen Zündzeiteinstellungen;
  • 55 zeigt die Nettodruckbeschleunigung bei unterschiedlichen Zündzeiteinstellungen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Ionisationsdetektor eingesetzt, um ein Ionisationssignal in einem Verbrennungsraum eines Motors zu ermitteln. Das ermittelte Ionisationssignal wird bei dem hier beschriebenen System und den dazugehörigen Subsystemen eingesetzt, um die Zündungsparameter zu überwachen, die betroffenen Zylinder zu identifizieren, die Motorleistung zu diagnostizieren und zu verbessern, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis sowie die Spätzündungszeiteinstellung, die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment und die Abgasrückführung zu regeln. Weitere Merkmale der Erfindung werden in den Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen erläutert. In Abschnitt D wird das erfindungsgemäße Verfahren und System zur Auswertung eines Ionisationssignals zur Optimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsgemischs für den Volllastbetrieb eines Motors detailliert erläutert.
  • Diese Beschreibung umfasst mehrere erfindungsgemäße Merkmale, die sich im Allgemeinen auf die Ermittlung und/oder Auswertung eines Ionisationsstroms beziehen. Diese Merkmale können einzeln oder zusammen mit anderen beschriebenen Merkmalen eingesetzt werden. Weitere Merkmale, die in den anliegenden Ansprüchen nicht beschrieben werden, können in den Ansprüchen einer oder mehrerer separater Patentanmeldungen enthalten sein, die der Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung oder ein in dessen Auftrag Handelnder zeitgleich einreicht.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird jedes Merkmal der vorliegenden Erfindung in einem separaten Abschnitt erläutert. In Abschnitt A wird beschrieben, wie in einer zukünftigen ”intelligenten” Zündsystemregelung ein von einem Ionisationsdetektor ermitteltes Ionisationssignal zur Überwachung von Zündungsparametern wie der Primärladezeit (oder Primärladezeiteinstellung), der Primärladedauer, der Zündzeiteinstellung und der Zünddauer eingesetzt wird.
  • In Abschnitt B wird eine Schaltung zur Messung des Ionisationsstroms in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors beschrieben, wobei Zündstrom und Ionisationsstrom in derselben Richtung durch die Sekundärwicklung der Zündspule fließen und die Schaltung durch Anlegen einer Vorspannung an einen Elektrodenabstand ein Ionisationssignal bestimmt. Ungeachtet der beschriebenen bevorzugten Schaltung ist für den Fachmann ersichtlich, dass viele Merkmale der vorliegenden Erfindung auch durch andere Ionisationsdetektoren bzw. Ionisationsermittlungsverfahren implementiert werden können, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen, wie er in den aufgeführten Ansprüchen beschrieben ist.
  • In Abschnitt C wird ein auf Grundlage des in einem Zylinder ermittelten Ionisationsstroms arbeitendes Zünddiagnose- und -regelungssystem beschrieben. Das System ist in zwei Subsysteme unterteilt: das Subsystem für die Zünddiagnose und das Subsystem für die Zündregelung. Beide Subsysteme werden eingesetzt, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren und den Emissionsausstoß sowie den Kalibrieraufwand zu verringern.
  • In Abschnitt D wird die Auswertung eines Ionisationssignals zur Optimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Verbrennungsgemischs für den Volllastbetrieb eines Motors beschrieben. Anhand des Ionisationssignals wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ermittelt, mit dem bei Volllast das höchste Drehmoment erzielt wird. Im Volllastbetrieb des Motors wird außerdem ein Regler zum Regulieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingesetzt.
  • In Abschnitt E wird beschrieben, wie ein Zündzeitpunktregler zum Regeln der Spätzündungszeiteinstellung bei Kaltstarts verwendet wird, um den Zündzeitpunkt unter Vermeidung von Fehlzündungen und bei minimaler Teilverbrennung so weit wie möglich nach spät zu verstellen. Durch die erhöhte Abgastemperatur wird der Katalysator schnell erhitzt, so dass die Kohlenwasserstoffemissionen verringert werden.
  • In Abschnitt F wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment bei aktuellen Betriebsbedingungen unter Auswertung eines Ionisationssignals bestimmt wird. Hierbei handelt es sich um ein Mehrkriterienverfahren, bei dem die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment anhand des Punkts der maximalen Flammenbeschleunigung, des Punkts der 50%igen Verbrennung und des Punkts des zweiten Maximums berechnet wird.
  • In Abschnitt G wird ein Subsystem beschrieben, das einen Regler umfasst, der die Zündzeiteinstellung des Motors anhand der auf Grundlage eines Ionisationssignals und/oder eines Zylinderinnendrucksignals berechneten Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment sowie anhand der Zünddiagnose (Klopfen, Teilverbrennung und Fehlzündungen) regelt. Es werden drei verschiedene Ausführungsformen der Systemarchitektur des Reglers für die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment beschrieben. Der Unterschied zwischen diesen Ausführungsformen besteht darin, ob die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment zylinderspezifisch oder global geregelt wird. Bei der ersten Ausführungsform wird die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment für jeden Zylinder individuell geregelt, das heißt, die Regelung erfolgt für jeden Zylinder anhand der jeweiligen zylinderspezifischen Daten zu Mindestzeit, Klopfen und Fehlzündungen. Bei der zweiten Ausführungsform werden Mittelwerte verwendet, und bei der dritten Ausführungsform wird ein Mischverfahren eingesetzt.
  • In Abschnitt H wird beschrieben, wie die zylinderspezifischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisse anhand der linearen Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) ausgeglichen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Regler eingesetzt, um den Kraftstoff für die einzelnen Zylinder so einzustellen, dass das MOD-Kriterium für alle Zylinder identisch ist.
  • In Abschnitt I wird beschrieben, wie anhand des Ionisationssignals und der Regelung der Abgasrückführung die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment oder Klopfbegrenzung bereitgestellt und die durch die Abgasrückführung erzielte Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimiert wird.
  • In Abschnitt J wird beschrieben, wie die Zündzeiteinstellung anhand der Maximalbeschleunigung der durch die Verbrennung in einem Zylinder entstehenden Nettodruckzunahme geregelt wird.
  • Abschnitt A: Zünddiagnose mit Ionisationssignalauswertung
  • Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht im Einsatz eines von einem Ionisationsdetektor ermittelten Ionisationssignals zur Überwachung von Zündungsparametern wie Primärladezeiteinstellung (oder Primärladezeit), Primärladedauer, Zündzeiteinstellung und Zünddauer für einen zukünftigen „intelligenten” Zündregler. Darüber hinaus werden anhand des Ionisationssignals unerwünschte Zustände wie Zündkerzenverrußung, Überhitzung des Isolators, Frühzündung oder fehlerhafte Ionisationsschaltung bzw. Zündspule ermittelt.
  • Die Leistung eines Motors hängt in großem Maße von der Leistung seines Zündsystems ab, insbesondere bei Niedriglast und intensiver Abgasrückführung (ARF). Eine Analyse des Verhaltens des Zündsystems bei unterschiedlichen Motorzuständen ist eine wichtige Voraussetzung für die Implementierung einer ”intelligenten” Regelung des Zündsystems. In der Regel wird die Primärspule eines Zündsystems in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen wie dem lokalen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis), dem Druck, der Temperatur und der ARF-Konzentration aufgeladen, bis eine Energiemenge erreicht ist, die im Bereich eines Sollwerts liegt. Die tatsächlich auf die Primärspule geladene Energie und die entladene Energie der Sekundärspule sind unbekannt. Zündsysteme dieses Typs sind nicht robust gegenüber Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors oder wechselnde Motorbetriebsbedingungen. Um die Robustheit des Zündsystems zu erhöhen, ist ein ”intelligentes” Zündsystems wünschenswert, bei dem die aufgeladene Energie so variiert werden kann, dass eine bestimmte Entladungsenergie erzielt wird. Aus diesem Grund sind die Daten zur Sekundärentladung besonders wichtig. Da die Durchschlagspannung und die Zünddauer zum Entladungszeitpunkt von Zyklus zu Zyklus unterschiedlich sein können, ist eine Überwachung einiger dieser Parameter wünschenswert.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird das Zündkerzen-Ionisationssignal eingesetzt, um durch Überwachung der Primärladezeit (oder Primärladezeiteinstellung 146) und der Primärladedauer sowie der Sekundärentladungszeit und -dauer die Grundlage für eine ”intelligente” Regelung des Zündsystems bereitzustellen 110. Darüber hinaus wird das Zündkerzen-Ionisationssignal bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt, um unerwünschte Zustände wie Zündkerzenverrußung oder Überhitzung des Isolators 197, Frühzündung 190 oder fehlerhafte Ionisationsschaltung bzw. Zündspule zu ermitteln.
  • Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Subsystem eines Zünddiagnose- und -regelungssystems mit Ionisationsstrom-Rückkopplung. Die Beziehung dieses Subsystems zum Diagnose- und -regelungssystem wird in 1 im oberen Feld für die Zündsystemdiagnose 140, 150, 146, 160, 170 und 197 dargestellt. Dieses Feld umfasst die folgenden Zündungsparameter: Zünddauer 170, Ladedauer 150, Warnsignal 197, Primärladezeit 146, Zündzeiteinstellung 160 und Vorladung 140. Die folgenden vier Blöcke des Zünddiagnose- und -regelungssystems mit Ionisationsstrom-Rückkopplung beziehen sich auf die Zündzeiteinstellung 1480: Klopfbegrenzungsregler 1450 (Frühzündung), MOD-Regler 1430, 1490 und 1495, Fehlzündungs- und Teilverbrennungs-Begrenzungsregler 1460 (Spätzündung) und Kaltstart-Spätbegrenzungsregler 1000. Der Einzelzylinder-L/K-Regler 1300 und die Volllast-L/K-Optimierung 1900 beziehen sich auf den Kraftstoffregelungsvektor 975. Der Block der ARF-Raten-Optimierung 1600 bezieht sich auf die gewünschte ARF-Rate 1630. Bei den anderen drei in 1 dargestellten Blöcken handelt es sich um einen Analogsignal-Verarbeitungsblock ASV, einen Analog-Digital-Wandler A/D und einen Parameterberechnungsblock 1800. Der dargestellte Parameterberechnungsblock gibt ein Klopfsignal 1404, ein MOD-Signal 1435 und ein Fehlzündungssignal 1414 aus. Das Eingangssignal des Analogsignal-Verarbeitungsblocks ASV ist ein Ionisationssignal 100.
  • In 2 wird ein typisches Ionisationssignal 100 gegen den Kurbelwinkel dargestellt. Das dargestellte Spannungssignal ist proportional zum ermittelten Ionisationsstrom. Beim Vergleich der Sekundärspannung 120 mit den Stromkurven 130 (3) ist vor der zum Zündzeitpunkt auftretenden deutlichen Änderung des Ionensignals ein anfänglicher Anstieg zu erkennen. Bei diesem anfänglichen Anstieg handelt es sich um die Vorladung (bzw. den Ladebeginn) der Primärspule 140 (siehe 2). Wenn die Aufladung der Primärspule abgeschlossen ist, fällt das Signal zunächst und steigt dann fast vertikal (also stufenförmig) gegen den Kurbelwinkel an. Da der Durchschlag an der Anstiegsflanke der Stufe stattfindet, kann die Zündzeiteinstellung anhand dieses Punkts ermittelt werden. Der Zündzeitpunkt 160 liegt also beim stufenförmigen Anstieg des Ionisationssignals. Der Zeitunterschied zwischen dem ersten Anstieg und dem stufenförmigen Anstieg ist die Primärladedauer 150. Wenn der über die Funkenstrecke laufende Lichtbogen abklingt, nimmt das Signal schnell ab und der durch der Funken erzeugte Sekundärstrom 130 geht auf null zurück (siehe 3). Da der Zeitraum zwischen dem stufenförmigen Anstieg und der anschließenden Abnahme des Signals der Zünddauer 170 entspricht, können anhand des Ionisationssignals die Primärladezeit 146, die Primärladedauer 150, die Zündzeiteinstellung 160 und die Zünddauer 170 ermittelt werden. Diese Parameter können für jeden Zylinder und für jeden Zyklus des Motors überwacht werden.
  • Wenn eine Zündkerze verrußt bzw. durch den Kraftstoffstrahl verunreinigt ist oder wenn der Isolator der Zündkerze überhitzt ist, wird der Isolator zum Leiter. In diesem Fall kann die Grundlinie 180 des Ionisationssignals in Abhängigkeit vom Ausmaß der Verunreinigung bzw. Überhitzung von der Vorspannung 105 abweichen (4). Da die während der Primärladevorgangs aufgebaute Zündenergie hierbei teilweise über die verrußte Zündkerze bzw. den Isolator abgeführt wird, reicht die verbleibende Energie unter Umständen nicht mehr aus, um die Funkenstrecke zu überspringen, so dass Fehlzündungen auftreten können (196) (6). In bestimmten Fällen wird die Grundlinie so weit angehoben, dass sie die Begrenzung des Ionisationssignals erreicht, so dass das Signal nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden kann. Aus diesem Grund wird bei Verrußung bzw. Überhitzung ein Warnsignal ausgegeben 197 (6), wenn die Grundlinie einen bestimmten Schwellenwert erreicht bzw. übersteigt. (Als Schwellenwert kann zum Beispiel eine Erhöhung um 20% oder 1 Volt gegenüber der anfänglichen Grundlinie festgelegt werden.)
  • Wenn Frühzündungen 190 im Zylinder auftreten, wird bereits vor der Zündung ein Ionisationssignal 100 gemessen (5). Eine erste Frühzündung kann dazu führen, dass im nachfolgenden Zyklus eine noch vorzeitigere Zündung auftritt, die dann zu einem Motorschaden führen könnte. Daher ist es wünschenswert, kühlere Motorbetriebsbedingungen einzustellen, wenn eine Frühzündung erkannt wird.
  • Um offene oder kurzgeschlossene Ionisationsschaltungen zu ermitteln, wird die Vorspannung (105) in großer Entfernung von den Zündungs- und Verbrennungsereignissen abgetastet (zum Beispiel 180 Grad nach dem oberen Totpunkt). Wenn die abgetastete Vorspannung einen gegebenen Schwellenwert (zum Beispiel 0,5 Volt) unterschreitet, wird eine offene Ionisationsschaltung oder ein Masseschlussfehler gemeldet 198 (6). Wenn die Vorspannung hingegen einen bestimmten Schwellenwert (zum Beispiel 4,5 Volt) überschreitet, wird eine zur Batterie kurzgeschlossene Ionisationsschaltung gemeldet 199 (6). Anhand der Daten der offenen bzw. kurzgeschlossenen Schaltung kann anschließend der Zustand des Zündsystems diagnostiziert werden (6 und 7).
  • Abschnitt B: Schaltung zur Messung des Ionisationsstroms
  • 8 ist ein Schaltplan einer zur Messung des Ionisationsstroms in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors eingesetzten Schaltung 10. Zunächst werden die Komponenten und die Konfiguration der Schaltung 10 beschrieben und anschließend die Funktionsweise dieser Schaltung.
  • Die Schaltung 10 umfasst eine Zündspule 12 und eine in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors positionierte Zündkerze 14. Die Zündspule 12 umfasst eine Primärwicklung 16 und eine Sekundärwicklung 18. Die Zündkerze 14 ist in Reihe zwischen einem ersten Ende der Sekundärwicklung 18 und dem Erdpotential geschaltet. Die elektrischen Verbindungen mit einem zweiten Ende der Sekundärwicklung 18 werden weiter unten beschrieben. Ein erstes Ende der Primärwicklung 16 ist elektrisch mit einer positiven Elektrode einer Batterie 20 verbunden. Ein zweites Ende der Primärwicklung ist elektrisch mit einem Kollektoranschluss eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT) oder einem anderen Transistor oder Schalter 22 sowie einem ersten Ende eines ersten Widerstands 24 verbunden. Der IGBT 22 wird über ein in 8 als VEIN gekennzeichnetes und am Basisanschluss des IGBT eingehendes Steuersignal eines (nicht abgebildeten) Motorsteuerungsmoduls PCM gesteuert. Ein zweiter Widerstand 25 ist in Reihe zwischen einem Emitteranschluss des IGBT 22 und der Erde geschaltet. Das zweite Ende des ersten Widerstands 24 ist elektrisch mit der Anode einer ersten Diode 26 verbunden.
  • Darüber hinaus umfasst die Schaltung 10 einen Kondensator 28, dessen erstes Ende elektrisch mit der Kathode der ersten Diode 26 und einer Stromspiegelschaltung 30 verbunden ist. Das zweite Ende des Kondensators 28 ist geerdet. Eine erste Z-Diode 32 ist in Parallelschaltung mit dem ersten Ende des Kondensators 28 verbunden, wobei die Kathode der ersten Z-Diode 32 mit dem ersten Ende des Kondensators 28 verbunden und die Anode der ersten Z-Diode 32 geerdet ist.
  • Die Stromspiegelschaltung 30 umfasst einen ersten pnp-Transistor 34 und einen zweiten pnp-Transistor 36. Der erste pnp-Transistor 34 weist dieselben elektrischen Eigenschaften auf wie der zweite pnp-Transistor 36. Die Emitteranschlüsse der pnp-Transistoren 34 und 36 sind elektrisch mit dem ersten Ende des Kondensators 28 verbunden. Die Basisanschlüsse der pnp-Transistoren 34 und 36 sind außerdem elektrisch miteinander verbunden, so dass sie einen ersten Knoten 38 bilden. Da der Kollektoranschluss des ersten pnp-Transistors 34 elektrisch mit dem ersten Knoten 38 verbunden ist, werden der Kollektoranschluss und der Basisanschluss des ersten pnp-Transistors 34 kurzgeschlossen, so dass der erste pnp-Transistor als Diode arbeitet. Ein dritter Widerstand 40 ist in Reihe zwischen dem Kollektoranschluss des zweiten pnp-Transistors 36 und der Erde geschaltet.
  • Die Schaltung 10 umfasst außerdem eine zweite Diode 42. Die Kathode der zweiten Diode 42 ist elektrisch mit dem ersten Ende des Kondensators 28 und den Emitteranschlüssen des ersten und zweiten pnp-Transistors 34 und 36 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 42 ist elektrisch mit dem ersten Knoten 38 verbunden.
  • Die Schaltung 10 umfasst ferner einen vierten Widerstand 44. Ein erstes Ende des vierten Widerstands 44 ist elektrisch mit dem ersten Knoten 38 verbunden. Das zweite Ende des vierten Widerstands 44 ist elektrisch mit dem zweiten Ende der Sekundärwicklung 18 (gegenüber der Zündkerze 14) sowie mit der Kathode einer zweiten Z-Diode 46 verbunden. Die Anode der zweiten Z-Diode 46 ist geerdet.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 8 und 9 die Funktionsweise der Schaltung 10 beschrieben. 9a zeigt das vom Motorsteuerungsmodul zum IGBT 22 gesendete Steuersignal VEIN versus Zeit. 9b zeigt den Stromfluss IPW durch die Primärwicklung 16 der Zündspule 12 versus Zeit. 9c zeigt ein Ausgangsspannungssignal der Schaltung 10 versus Zeit. Wie bereits erwähnt, steuert der IGBT 22 anhand des vom Motorsteuerungsmodul empfangenen Steuersignals VEIN die Zeiteinstellung für 1) die Zündung bzw. Verbrennung und 2) die Aufladung des Kondensators 28. In dieser Schaltungskonfiguration wird der IGBT 22 als Schalter mit den Zuständen AUS (nicht leitend) und EIN (leitend) eingesetzt.
  • Anfänglich, das heißt bei t0, ist der Kondensator 28 nicht vollständig aufgeladen. Das Steuersignal VEIN des Motorsteuerungsmoduls ist NIEDRIG (siehe 9a), so dass der IGBT 22 im Zustand AUS (nicht leitend) betrieben wird. Durch die Primärwicklung 16 fließt kein Strom, da der Stromkreis offen ist.
  • Bei t1 wechselt das Steuersignal VEIN des Motorsteuerungsmoduls von NIEDRIG zu HOCH (siehe 9a), so dass der IGBT 22 im Zustand EIN (leitend) betrieben wird. Ein Stromfluss von der Batterie 20 durch die Primärwicklung 16 der Zündspule 12, den leitenden IGBT 22 und den zweiten Widerstand 25 zur Erde setzt ein. Es können verschiedene Schalter bzw. Schaltmechanismen eingesetzt werden, um den Stromfluss durch die Primärwicklung 16 zu ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein IGBT 22 eingesetzt. Zwischen t1 und t2 setzt eine Zunahme des Primärwicklungsstroms IPW ein. (Der Primärwicklungsstrom wird in 8 als punktierte Linie dargestellt.) Das Zeitintervall zwischen t1 und t2 beträgt ca. eine Millisekunde. Der genaue Wert hängt vom Typ der eingesetzten Zündspule ab.
  • Bei t2 wechselt das Steuersignal VEIN des Motorsteuerungsmoduls von HOCH zu NIEDRIG (siehe 9a), so dass der IGBT 22 im Zustand AUS (nicht leitend) betrieben wird. Wenn der IGBT 22 zum Zustand AUS wechselt, wird der Kondensator 28 durch eine Rücklaufspannung der Primärwicklung 16 der Zündspule 12 schnell auf die erforderliche Vorspannung geladen. Zwischen t2 und t3 steigt die Spannung am ersten, mit der Zündkerze 14 verbundenen Ende der Sekundärwicklung 18 auf den Spannungspegel, bei dem die Zündung einsetzt. Das Zeitintervall zwischen t2 und t3 beträgt ca. zehn Mikrosekunden. Der Ladestrom zum Kondensator 28 wird durch den ersten Widerstand 24 begrenzt. Der Widerstandswert des ersten Widerstands 24 wird so gewählt, dass sichergestellt ist, dass der Kondensator 28 vollständig aufgeladen ist, wenn die Rücklaufspannung den Wert der Z-Diode übersteigt.
  • Bei t3 wird eine Zündspannung von der Sekundärwicklung 18 der Zündspule 12 an die Zündkerze 14 angelegt, und die Zündung setzt ein. Zwischen t3 und t4 setzt die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs ein, und ein Zündstrom IZÜN (in 8 als strichpunktierte Linie dargestellt) fließt durch die zweite Z-Diode 46, die Sekundärwicklung 18 der Zündspule 12 und die Zündkerze 14 zur Erde. Bei t4 ist die Zündung abgeschlossen, aber die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemischs dauert an.
  • Bei t5 legt der aufgeladene Kondensator 28 bei andauerndem Verbrennungsvorgang eine Vorspannung an die Elektroden der Zündkerze 14 an, so dass aufgrund der bei der Verbrennung freigesetzten Ionen ein vom Kondensator 28 fließender Ionisationsstrom IION erzeugt wird. Die Stromspiegelschaltung 30 erzeugt einen isolierten Spiegelstrom ISPIEGEL, der identisch mit dem Ionisationsstrom IION ist. Ein vom Kondensator 28 zum zweiten Kondensator 48 fließender Vorstrom IVOR (in 8 als Kurzstrich-Langstrich-Linie dargestellt) entspricht der Summe aus Ionisationsstrom IION und isolierten Spiegelstrom ISPIEGEL (d. h. IVOR = IION + ISPIEGEL).
  • Der Ionisationsstrom IION (in 8 als gestrichelte Linie dargestellt) fließt vom zweiten Knoten 48 durch den ersten pnp-Transistor 34, den ersten Knoten 38, den vierten Widerstand 44, die Sekundärwicklung 18 der Zündspule 12 und die Zündkerze 14 zur Erde. So wird der aufgeladene Kondensator 28 als Stromquelle eingesetzt, um über die Zündkerze 14 eine Vorspannung von ca. 80 Volt anzulegen, so dass der Ionisationsstrom IION erzeugt wird. Die Vorspannung wird durch die Sekundärwicklung 18 und den vierten Widerstand 44 an die Zündkerze 14 angelegt. Die Bandbreite des Ionisationsstroms wird durch die Induktion der Sekundärwicklung, den vierten Widerstand 44 und die Betriebskapazität der Zündspule eingeschränkt. Daher wird der Widerstandswert des vierten Widerstands 44 so gewählt, dass eine maximale Bandbreite des Ionisationssignals, ein optimaler Frequenzgang und eine Begrenzung des Ionisationsstroms erzielt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Widerstand 44 einen Widerstandswert von 330 Kiloohm auf, so dass die maximale Bandbreite des Ionisationsstroms 20 Kilohertz beträgt.
  • Die Stromspiegelschaltung 30 wird eingesetzt, um den ermittelten Ionisationsstrom IION und die Ausgangsschaltung zu isolieren. Der isolierte Spiegelstrom ISPIEGEL (in 8 als Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt) ist identisch mit dem Ionisationsstrom IION, das heißt, er spiegelt den Ionisationsstrom. Der isolierte Spiegelstrom ISPIEGEL fließt vom zweiten Knoten 48 durch den zweiten pnp-Transistor 36 und den dritten Widerstand 40 zur Erde. Um ein isoliertes Spiegelstromsignal ISPIEGEL zu erzeugen, das proportional zum Ionisationsstrom IION ist, muss der pnp-Transistor 34 dieselben elektrischen Eigenschaften aufweisen wie der pnp-Transistor 36. Dies kann zum Beispiel erzielt werden, indem zwei auf demselben Siliziumchip angeordnete Transistoren eingesetzt werden. Das isolierte Spiegelstromsignal ISPIEGEL liegt in der Regel unter 300 Mikroampere. Der dritte Widerstand 40 wandelt das isolierte Spiegelstromsignal ISPIEGEL in ein entsprechendes, in 8 mit VAUS gekennzeichnetes Ausgangsspannungssignal um. Der Widerstandswert des dritten Widerstands 40 wird so gewählt, dass die Stärke des Ausgangsspannungssignals VAUS eingestellt wird. Die zweite Diode 42 schützt die Spiegeltransistoren 34 und 36, indem sie einen Erdungspfad bereitstellt, wenn die Spannung am Knoten 38 einen Schwellenwert übersteigt. Der Spiegeltransistor kann auch durch Einsatz eines dritten Transistors geschützt werden.
  • 9c zeigt ein durch ein normales Verbrennungsereignis erzeugtes Ausgangsspannungssignal VAUS. Der bei t5 beginnende Bereich des Ausgangsspannungssignals kann zur Diagnose des Brennverhaltens herangezogen werden. Um das Brennverhalten für den gesamten Motor zu bestimmen, kann der Ionisationsstrom in einem oder mehreren Verbrennungsräumen und mit einer oder mehreren Schaltungen 10 gemessen werden.
  • Bei der vorliegenden Schaltung 10 fließen der Zündstrom IZÜN und der Ionisationsstrom IION in derselben Richtung durch die Sekundärwicklung 18 der Zündspule 12. Dies führt dazu, dass der Fluss des Ionisationsstroms schnell einsetzt und schnell erkannt wird. Bei der vorliegenden Schaltung 10 dient der aufgeladene Kondensator 28 als Stromquelle. Die Schaltung 10 ist daher passiv, das heißt, sie benötigt keine separate Stromquelle. Der aufgeladene Kondensator 28 stellt eine relative hohe Vorspannung aus dem Ionisationsdetektor und der Stromspiegelschaltung 30 bereit. Dies bewirkt eine große Stärke des gespiegelten, isolierten Stromsignals ISPIEGEL und somit einen hohen Rauschabstand.
  • Abschnitt C: Zünddiagnose- und Verbrennungsregelungssystem mit Ionisationssignalauswertung
  • Der Verbrennungsvorgang in einem Fremdzündungsmotor hängt von verschiedenen Faktoren ab, zum Beispiel vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) im Zylinder, von Temperatur und Druck, von der Abgasrückführungsrate (ARF-Rate) sowie vom Zündzeitpunkt und der Zünddauer. Der Emissionsausstoß und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors wiederum hängen vom Verbrennungsvorgang ab. Um eine gleichmäßige Verbrennung zu erzielen, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) üblicherweise anhand eines Rückkopplungssignals geregelt, das entweder von einer beheizten Lambdasonde oder von einer Universal-Lambdasonde ausgegeben wird. Bei der Einstellung der Abgasrückführungsrate (ARF-Rate) wird ein gemessener Deltadruck (Δ-Druck oder Differenzdruck) ausgewertet. Aufgrund der hohen Kosten eines Sensors für den Zylinderinnendruck wird der Zündzeitpunkt des Motors in einem offenen Regelkreis gesteuert und mit Hilfe von Klopferkennungsergebnissen korrigiert. Da der Verbrennungsvorgang in einem offenen Regelkreis gesteuert wird, wird er durch Faktoren wie unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors, motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors usw. beeinflusst. Diese hohe Beeinflussbarkeit führt zu einem komplizierten Kalibrierverfahren, da eine aufwendige Kennfelderstellung erforderlich ist und verschiedene Verweistabellen für die Zündzeiteinstellung sowie Trimmer und Addierer kalibriert werden müssen. Diese Tabellen werden eingesetzt, um die Zündzeit als Funktion der Motordrehzahl und Motorlast einzustellen, und die Trimmer und Addierer dienen zur Anpassung der Zündzeiteinstellung an besondere Betriebsbedingungen des Motors (zum Beispiel Übergangsbetrieb). Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Zünddiagnose- und -regelungssystem mit Ionisationsstrom-Rückkopplung, bei dem ein Ionisationsstrom als Rückkopplungssignal eingesetzt wird, um die Robustheit des Zündsystems gegenüber Faktoren wie unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors, motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors usw. zu erhöhen und so den Kalibrieraufwand zu verringern.
  • Die in der technischen Anwendung bekannten Zündsysteme weisen verschiedene Nachteile auf. Zum Beispiel wird die Zündung in einem offenen Regelkreis gesteuert und der tatsächliche Zündzeitpunkt sowie die entsprechende Zünddauer sind unbekannt. Darüber hinaus wird der Soll-Zündzeitpunkt anhand von Verweistabellen als Funktion der Motordrehzahl und Motorlast usw. und unter Einsatz von Trimmern und Addierern in einem offenen Regelkreis gesteuert, um die Zündzeiteinstellung an unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors anzupassen. Außerdem kann der Fremdzündungsmotor aufgrund der beschleunigungsmessungsbasierten Klopferkennung nicht an der Klopfgrenze betrieben werden, so dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeit nicht optimal ist.
  • Im Gegensatz zu den in der technischen Anwendung bekannten Systemen weist die vorliegende Erfindung Merkmale zur zylinderspezifischen Diagnose in den folgenden Bereichen auf: Zündsystemdiagnose (Ladezeiteinstellung 146, Ladedauer 145, Zündzeiteinstellung 160, Zünddauer 170, Zündkerzenverrußung 197, Frühzündung 190 usw.), Fehlzündungserkennung (Fehlzündungskennzeichen 414, Teilverbrennungskennzeichen 412 usw.), Klopferkennung (Klopfkennzeichen 404 und Klopfintensität 402) sowie MOD-Erkennung (robuster Mehrkriterien-MOD-Kalkulator 200).
  • Darüber hinaus weist die vorliegende Erfindung die folgenden Regelungsfunktionen auf: Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsrückkopplung 1000; MOD-Regelung mit Ionisationsrückkopplung 1430, 1490, 1495; Regelung des zylinderspezifischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses 1300; Regelung des optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast 1900 und Regelung der Abgasrückführung mit Ionisationssignalauswertung 1600.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ein auf Grundlage des in einem Zylinder 801 ermittelten Ionisationsstroms arbeitendes Zünddiagnose- und -regelungssystem 800. Das System 800 ist in zwei Subsysteme unterteilt, wie in den 10a und 10b dargestellt wird. Das Subsystem für die Zünddiagnose 802 und das Subsystem für die Zündregelung 803 werden beide eingesetzt, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren und den Emissionsausstoß sowie den Kalibrieraufwand zu verringern.
  • In 11 wird ein typisches Ionisationssignal 100 dargestellt. Dieses Signal kann in ein Ladungszündungssignal 141 und ein Nachzündungssignal 143 unterteilt werden.
  • Die Architektur des in 12 dargestellten Subsystems für die Zünddiagnose 802 umfasst vier Hauptmerkmale. Mit dem ersten Merkmal, der Zündsystemdiagnose, werden anhand des Ladungszündungsbereichs 141 des Ionisationssignals 100 folgende Daten bereitgestellt: Primärladezeiteinstellung 146, Ladedauer 145, Sekundärspulen-Entladungszeit (das heißt Zündzeiteinstellung 160), Zünddauer 170 und fehlerhaftes Zündsystem (zum Beispiel Mängel an Spule oder Zündkerze). Darüber hinaus wird anhand des Nachzündungs-Ionisationssignals 143 ermittelt, ob eine Zündkerzenverrußung 197 vorliegt.
  • Mit dem zweiten Merkmal, der Fehlzündungserkennung, werden anhand des Nachzündungs-Ionisationssignals 143 und der Ergebnisse der Zündsystemdiagnose zylinderspezifische Fehlzündungsdaten 1410 (zum Beispiel Fehlzündung oder Teilverbrennung) bereitgestellt. Die hierdurch erzielte Fehlzündungserkennung ist insbesondere unter Verzögerungsbedingungen wesentlich präziser als bei herkömmlichen, motordrehzahlbasierten Fehlzündungserkennungssystemen. Beim Einsatz herkömmlicher. motordrehzahlbasierter Fehlzündungserkennungssysteme für Motoren mit mehr als acht Zylindern ist die Fehlzündungserkennung besonders unzuverlässig.
  • Mit dem dritten Merkmal, der Klopferkennung, werden anhand eines bandpassgefilterten Nachzündungsbereichs des Ionisationssignals 100 Klopfintensitätssignale 1402 und Klopfkennzeichensignale 1404 bereitgestellt. Die Klopferkennung unter Auswertung eines Ionisationssignals 100 ermöglicht die Diagnose einzelner Zylinder und erzeugt ein klareres Klopfsignal als herkömmliche, beschleunigungsmessungsbasierte Klopferkennungsverfahren, bei denen aufgrund der Ventilgeräusche eine aufwendige Kalibrierung erforderlich ist.
  • Mit dem vierten Merkmal, dem robusten Mehrkriteriensystem und -verfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment 200 (MOD), wird anhand des Nachzündungs-Ionisationssignals 143 ein kombinierter Index für einzelne Zylinder bereitgestellt. In diesem Index werden mehrere MOD-Indexe kombiniert, um besonders zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Zur Erstellung dieser Indexe werden folgende Daten des Ionisationsstromsignals 100 ausgewertet: Punkt der Verbrennung von 10% des Massenanteils, Punkt der Verbrennung von 50% des Massenanteils und Punkt des maximalen Zylinderdrucks. Wenn der Motor nicht klopfbegrenzt ist, kann der Index zur Regelung der Zündzeiteinstellung eingesetzt werden, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren und den Emissionsausstoß sowie den Kalibrieraufwand zu verringern.
  • Die Architektur des in 13 dargestellten Subsystems für die Zündregelung 803 umfasst vier Hauptmerkmale: (1) Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsrückkopplung 1000, (2) MOD-Regelung mit Ionisationsrückkopplung 1430, 1490, 1495, (3) zylinderspezifische Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses 1300, (4) Regelung des optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast 1900 und (5) Regelung der Abgasrückführung mit Ionisationssignalauswertung 1600.
  • Hinsichtlich des ersten Hauptmerkmals, der Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsrückkopplung 1000, wird darauf hingewiesen, dass bei FTP-Prüfverfahren 70% der Kohlenwasserstoffemissionen in der Kaltstartphase verursacht werden, da der Katalysator nicht schnell genug die Betriebstemperatur erreicht. Inder Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um den Katalysator bei Kaltstarts schneller zu erhitzen. Bei einem dieser Verfahren wird die Zündzeit stark nach spät verstellt, so dass der Katalysator aufgrund der höheren Abgastemperatur schneller erhitzt wird. Da eine Spätverstellung der Zündzeit zu Fehlzündungen und Teilverbrennung führen kann, wird sie bei herkömmlichen, ungeregelten Systemen sehr vorsichtig eingesetzt, denn diese Systeme bieten keine ausreichende Robustheit gegenüber Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors, unterschiedliche Betriebsbedingungen usw. Aufgrund der geregelten Spätzündungszeiteinstellung der vorliegenden Erfindung kann die Spätzündung bei Kaltstarts effektiver genutzt werden, so dass der Katalysator schneller erhitzt wird und die Kohlenwasserstoffemissionen verringert werden.
  • Hinsichtlich des zweiten Hauptmerkmals, der MOD-Regelung mit Ionisationsrückkopplung 1430, 1490, 1495, wird darauf hingewiesen, dass bei zufrieden stellenden Emissionswerten die MOD-Einstellung zur Optimierung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit eingesetzt wird, wenn die Zündzeit weder klopfbegrenzt noch fehlzündungs- bzw. teilverbrennungsbegrenzt ist. Bei herkömmlichen MOD-Systemen wird die Regelung der Zündzeit in einem offenen Regelkreis anhand von Kennfelddaten eingestellt. Bei diesem Verfahren werden Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors, unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen usw. nicht berücksichtigt. Daher müssen zur Anpassung der Zündzeiteinstellung an diese Faktoren zahlreiche Zündzeitkorrekturen (so genannte Addierer und Trimmer) hinzugefügt werden, um die Motorleistung zu erhöhen. Wenn der Motor 161 nicht klopf- oder fehlzündungsbegrenzt ist, wird das MOD-Regelungsverfahren der vorliegenden Erfindung zur Anpassung der Zündzeiteinstellung eingesetzt, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Ist der Motor 161 klopfbegrenzt, wird die Zündzeiteinstellung mit dem erfindungsgemäßen Regelungssystem so angepasst, dass der Motor 161 an der Klopfgrenze betrieben wird, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und ein hohes Ausgangsdrehmoment zu erzielen.
  • Das dritte Hauptmerkmal ist die zylinderspezifische Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses 1300. Da die Luftkanäle eines Ansaugrohrs für jeden Zylinder unterschiedlich geformt sind, unterscheiden sich auch die Volumina und Strömungsbilder der Ladeluft für die einzelnen Zylinder, und zwar auch bei stationären Betriebsbedingungen. Dies bedeutet, dass das durchschnittliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis aller Zylinder bei herkömmlichen Systemen unter Umständen stöchiometrisch bleibt, obwohl das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einzelner Zylinder nicht stöchiometrisch ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Kraftstoffeinspritzung für jeden Zylinder individuell angepasst, um sicherzustellen, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei allen Zylindern gleich ist. Beim erfindungsgemäßen System und Verfahren zur zylinderspezifischen Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wird die bei der MOD-Regelung berechnete MOD-Einstellung eingesetzt, um die Kraftstoffmengen für die einzelnen Zylinder anhand von zylinderspezifischen Multiplikatoren anzupassen. Darüber hinaus wird ein mit einer beheizten Lambdasonde oder einer Universal-Lambdasonde arbeitender Regler eingesetzt, um ein stöchiometrisches durchschnittliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen. Da die MOD-Einstellung bei einem Zylinder mit fettem L/K-Verhältnis im Vergleich zu einem Zylinder mit stöchiometrischem L/K-Verhältnis nach spät und bei einem Zylinder mit fettem L/K-Verhältnis im Vergleich zu einem Zylinder mit stöchiometrischem L/K-Verhältnis nach früh verstellt ist, können die zylinderspezifischen Kraftstoffmultiplikatoren anhand des ermittelten MOD-Zündzeiteinstellungsindex oder anhand der resultierenden MOD-Regelung so geändert werden, dass die relativen L/K-Verhältnisse der einzelnen Zylindern ausgeglichen werden.
  • Das vierte Hauptmerkmal ist die Regelung des optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast 1900. In der Regel wird das L/K-Verhältnis bei Volllast so angepasst, dass das Ausgangsdrehmoment des Motors maximiert wird. Hierbei wird der Motor 161 bei minimal Frühverstellter MOD-Einstellung betrieben. Bei herkömmlichen Systemen wird das L/K-Verhältnis bei Volllast in einem offenen Regelkreis anhand von Kennfelddaten optimiert. Beim erfindungsgemäßen System und Verfahren hingegen wird das L/K-Verhältnis bei Volllast so angepasst, dass die MOD-Frühzündung minimiert wird.
  • Das fünfte Hauptmerkmal ist die Regelung der Abgasrückführung mit Ionisationssignalauswertung 1600, wobei ein Ionisationssignal 100 zur Berechnung eines Verbrennungsstabilitätsindexes eingesetzt wird. Der Verbrennungsstabilitätsindex kann sich auf die Verbrennungsgeschwindigkeit oder auf die Verbrennungsdauer beziehen und wird eingesetzt, um die Abgasrückführungsrate (ARF-Rate) so einzustellen, dass ein verstärkter ARF-Verdünnungseffekt erzielt wird. Wenn der Verbrennungsstabilitätsindex unter einen Schwellenwert fällt, wird die ARF-Rate so weit erhöht, dass die Verbrennungsstabilität gewährleistet wird. Auf diese Weise wird die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert und der Emissionsausstoß verringert.
  • Abschnitt D: Regelung des optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast
  • Bei diesem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Ionisationssignal zur Optimierung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis (L/K-Verhältnis) eines Verbrennungsgemischs für den Volllastbetrieb eines Motors ausgewertet. Auf diese Weise wird der höchste mittlere Arbeitsdruck (MAD) erzielt, das heißt, das Ausgangsdrehmoment des Motors wird bei optimierter Kraftstoffwirtschaftlichkeit maximiert. Die Zündzeiteinstellung wird ebenfalls optimiert.
  • In der Regel werden Motoren bei stöchiometrischem L/K-Verhältnis betrieben, um die Katalysatorleistung zu optimieren. (Für Benzinmotoren liegt dieses Verhältnis bei ca. 14,7 zu 1.) Wenn der Motor mit einem fetten L/K-Verhältnis (unter 14,7 zu 1) betrieben wird, verbrennt der Kraftstoff nicht vollständig, so dass der Katalysator aufgrund der resultierenden Emissionen verstopfen kann. Wird der Motor hingegen mit einem mageren L/K-Verhältnis (über 14,7 zu 1) betrieben, weisen die Emissionen einen erhöhten Sauerstoffanteil auf. Dies führt zu einer erhöhten Betriebstemperatur des Katalysators, so dass die Umwandlung der Stickoxide (NOx) eingeschränkt wird. Außerdem kann der Katalysator beschädigt werden, wenn er über einen längeren Zeitraum bei erhöhter Temperatur betrieben wird.
  • In der Regel werden bei der Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses Lambdasonden zur Messung des Sauerstoffanteils eingesetzt. Wenn der Motor allerdings bei Volllast (VL) betrieben wird, liegt das Luft/Kraftstoff-Gemisch außerhalb (in der Regel unterhalb) des stöchiometrischen Bereichs. Bei Volllastbetrieb werden aufwendige Kalibrierverfahren für die Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Zündzeiteinstellung eingesetzt, um ein optimales Ausgangsdrehmoment zu erzielen. Aufgrund des nicht stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann das Fett- bzw. Mager-Signal der Lambdasonde bei Volllastbetrieb nicht eingesetzt werden, so dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in diesem Fall nicht in einem geschlossenen Regelkreis eingestellt wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung 900 wird anhand des Ionisationssignals das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ermittelt, mit dem bei Volllast (VL) das höchste Drehmoment bzw. der höchste mittlere Arbeitsdruck (MAD) erzielt wird. Im Volllastbetrieb des Motors wird außerdem ein Regler zum Regulieren des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eingesetzt. Darüber hinaus wird die Zündzeiteinstellung des Motors so optimiert, dass die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) für die jeweiligen Bedingungen erzielt wird.
  • Die Erkennung des optimalen Volllast-L/K-Verhältnisses umfasst die Optimierung des L/K-Verhältnisses bei Volllastbetrieb. Wird ein Motor mit Volllast betrieben, soll der maximale mittlere Arbeitsdruck (MAD) bzw. das maximale Drehmoment erzielt werden. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis außerhalb des stöchiometrischen Bereichs liegen darf, hängt der maximale MAD für die jeweiligen Motorbetriebsbedingungen nicht nur von der Zündzeiteinstellung ab, sondern auch vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
  • Wenn eine geeignete Zündzeiteinstellung für die aktuellen Betriebsbedingungen verfügbar ist, wird der maximale MAD beim höchsten Verbrennungswirkungsgrad erzielt. Der höchste Verbrennungswirkungsgrad wird bei der maximalen laminaren Flammengeschwindigkeit des Gemischs erreicht. Bei den meisten Kraftstoffen wird die maximale laminare Flammengeschwindigkeit bei einem Äquivalenzverhältnis ϕ von 1,1 (das heißt λ ≡ 1/ϕ = 0,9) erzielt. Bei der Luftüberschusszahl λ handelt es sich um einen Faktor, der das Verhältnis des aktuellen L/K-Verhältnisses zur stöchiometrischen Mischung angibt. Bei λ = 1,0 ist das Luft/Kraftstoff-Gemisch stöchiometrisch, und bei λ = 1,3 liegt es bei 130% der stöchiometrischen Mischung, also 30% darüber.
  • Da das Fett- bzw. Mager-Signal einer Lambdasonde bei stark von der stöchiometrischen Mischung abweichenden L/K-Verhältnissen wenig hilfreich ist, wird bei herkömmlichen Systemen die Steuerung im offenen Regelkreis durch aufwendige Kalibrierverfahren ergänzt, wenn ein Motor bei Volllast betrieben wird. Bei der Steuerung des Volllast-L/K-Verhältnisses im offenen Regelkreis muss ein Sensor zur Ermittlung des Verbrennungswirkungsgrads eingesetzt werden.
  • 11 zeigt den Ladungszündungsbereich 141 und den Nachzündungsbereich 143 eines typischen Ionisationssignals 100 einer Zündkerze 104 in einem Verbrennungsraum. Nach dem Funkendurchschlag bildet sich ein Flammenkern in der Funkenstrecke. Das erste Maximum 162 des Ionisationssignals 100 ist das Ergebnis der anfänglichen Flammenbildung. Aufgrund der durch die Flammenbildung ausgelösten chemischen Reaktion steigt die Anzahl der Ionen im Zylinder. Wenn der Flammenkern gut ausgebildet ist, breitet sich die Flammenfront allmählich aus und das Ionisationssignal 100 nimmt nach und nach ab. Vor und hinter der Flammenfront wird Druck auf unverbrannte und verbrannte Gase ausgeübt, so dass die lokale Temperatur in der Umgebung der Funkenstrecke sowie der Zylinderdruck ansteigen. Da die Mischung im Bereich der Funkenstrecke zuerst verbrannt und verdichtet wird, ist die lokale Temperatur in der Umgebung der Funkenstrecke stets am höchsten. Wenn sich die Flamme ausbreitet, steigt das Ionisationssignal 100 aufgrund der erhöhten Temperatur erneut. Wenn der Zylinderdruck das Maximum erreicht, wird auch die maximale Temperatur im Bereich der Funkenstrecke erreicht. Aufgrund der mit dieser hohen Temperatur verbundenen Sekundärionisation weist das Ionisationssignal 100 ein zweites Maximum 166 auf.
  • In US-Patent Nr. 6,029,627 wird beschrieben, dass das erste Maximum 162 den höchsten Wert erreicht, wenn die Luftüberschusszahl λ zwischen 0,9 und 0,95 liegt. Das zweite Maximum 166 erreicht den höchsten Wert, wenn λ bei ca. 1,1 liegt. Bei Schwachlast liegt der höchste Wert des ersten Maximums 162 ungefähr bei λ = 0,9, wie in 14 gezeigt wird. Bei höherer Last nimmt das erste Maximum 162 jedoch noch bei λ-Werten über 0,9 zu. Der Grund für diese Zunahme des ersten Maximums 162 bei höherer Last ist der aufgrund der erhöhten Temperatur verstärkt auftretende Zerfall von Kohlenstoffverbindungen. Das zweite Maximum 166 erreicht den höchsten Wert in der Regel nicht wie in US-Patent Nr. 6,029,627 beschrieben bei λ = 1,1 sondern ungefähr bei λ = 0,9.
  • Im Bereich von λ = 0,9 wird die maximale Flammengeschwindigkeit und Flammentemperatur erreicht. Die maximale Flammengeschwindigkeit ist ein Indikator für den höchsten Verbrennungswirkungsgrad. Form und Position des zweiten Maximums 166 hängen von der jeweiligen Last sowie den Funken und Luft/Kraftstoff-Verhältnissen ab. Bei bestimmten Betriebsbedingungen tritt kein zweites Maximum auf. Bei Volllastbetrieb allerdings tritt stets ein zweites Maximum 166 auf, wenn die aktuelle Mischung fetter ist als das stöchiometrische L/K-Verhältnis.
  • Die Maximierung des Talwerts 164 oder des zweites Maximums 166 gegen das L/K-Verhältnis kann als Kriterium für die Suche nach der intensivsten Verbrennung eingesetzt werden. Die intensivste Verbrennung findet in der Regel statt, wenn λ zwischen 0,9 und 0,925 liegt. In den 15 und 17 wird deutlich, dass dieses Kriterium zutrifft, wenn die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) für jede L/K-Bedingung eingesetzt wird. In 17 beträgt das zweite Maximum 166 ca. 2,6 Volt, wenn λ zwischen 0,9 und 0,925 liegt, und der Talwert 164 beträgt ca. 1,3 Volt. Sowohl das zweite Maximum 166 als auch der Talwert 164 werden maximiert. Wie in 14 bzw. 16 dargestellt wird, trifft dieses Kriterium auch dann zu, wenn eine feste Zündzeiteinstellung bei Volllast mit 1.500 U/min bzw. 2.000 U/min eingesetzt wird.
  • Um das optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis besonders zuverlässig zu ermitteln, werden der Talwert 164 und der Wert des zweiten Maximums 166 bei Volllastbetrieb kombiniert. CLKV = (VTAL + V2.-MAX)/2, (Gleichung 1)
  • VTAL + V2.-MAX wird in 17 dargestellt. Ein Höchstwert wird bei ca. λ = 0,9 erreicht.
  • Algorithmus für die Echtzeitregelung des L/K-Verhältnisses: Aus dem L/K-Verhältnis-Index CLKV geht nicht hervor, ob das jeweilige L/K-Verhältnis des Motors optimal ist. Das bevorzugte L/K-Verhältnis bei Volllastbetrieb wird anhand einer abgeschlossenen Beziehung zwischen CLKV und L/K-Verhältnis ermittelt. Da diese Beziehung jedoch durch zahlreiche Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors und unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen (Höhe, Feuchtigkeit usw.) beeinflusst wird, ist die Optimierung des Volllast-L/K-Verhältnisses im Offlineverfahren sehr schwierig.
  • Durch dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das Volllast-L/K-Verhältnis daher im Onlineverfahren anhand der Beziehung zwischen CLKV und L/K-Verhältnis optimiert. Ähnlich wie bei einem Regelungssystem für ein stöchiometrisches L/K-Verhältnis wird dem gewünschten durchschnittlichen L/K-Verhältnis hierbei eine Störgröße bzw. ein Offset hinzugefügt. In 18 werden die Stärke und das Intervall dieser Störgröße bzw. dieses Offsets mit ΔLKV und TI gekennzeichnet. Die Stärke ΔLKV der Störgröße beträgt typischerweise 0,05, und das Intervall TI der Störgröße liegt typischerweise zwischen einer halben und einer viertel Sekunde (mit 50%igem Arbeitszyklus). Ein Gradientenparameter für das optimale L/K-Verhältnis bei Volllast kann wie folgt definiert werden: PLKV = (CLKV(H) – CLKV(T))/ΔLKV, (Gleichung 2)
  • Hierbei gilt: CLKV(H) ist der Index für maximales L/K-Verhältnis, der erzielt wird, wenn das L/K-Verhältnis durch Addieren von ΔLKV modifiziert wird, und CLKV(T) ist der Index für minimales L/K-Verhältnis, der erzielt wird, wenn das L/K-Verhältnis durch Subtrahieren von ΔLKV modifiziert wird. In einem typischen Fall mit nominellem λ = 0,925, ΔLKV = 0,05 und Volllast-Motordrehzahl = 3.000 U/min beträgt CLKV(H) 1,85 und CLKV(T) 1,95. Da es sich bei dem L/K-Verhältnis-Index CLKV um eine konvexe Funktion des L/K-Verhältnisses handelt (siehe 16 und 17), sind drei Verhältnisgradienten für PLKV möglich (siehe 19):
    • PLKV > 0:
    Das Gesamt-L/K-Verhältnis des Motors ist im Vergleich zum optimalen Volllast-L/K-Verhältnis fett.
    PLKV = 0:
    Das Gesamt-L/K-Verhältnis des Motors ist für optimales Drehmoment optimiert.
    PLKV < 0:
    Das Gesamt-L/K-Verhältnis des Motors ist im Vergleich zum optimalen Volllast-L/K-Verhältnis mager.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das L/K-Verhältnis durch die Echtzeitregelung anhand des Gradientenparameters für das L/K-Verhältnis eingestellt. Im Volllastbetrieb wird der gewünschte durchschnittliche Luftüberschuss-Korrekturfaktor Δλ wie folgt aktualisiert: ΔλSOLL(k + 1) = ΔλSOLL (k) + α·PLKV, (Gleichung 3)
  • Hierbei ist α > 0 ein kalibrierbarer konstanter Koeffizient für den Echtzeit-Optimierungsalgorithmus. Wenn PLKV größer als 0 ist (fettes L/K-Verhältnis), wird eine positive Korrektur (αPLKV > 0) zum gewünschten durchschnittlichen Luftüberschuss-Korrekturfaktor (ΔλSOLL) hinzugefügt, indem die gewünschte Kraftstoffmenge verringert wird, so dass das durchschnittliche L/K-Verhältnis des Motors und somit der Luftanteil erhöht wird. Wenn PLKV größer als 0 ist (mageres L/K-Verhältnis), wird eine negative Korrektur (αPLKV < 0) hinzugefügt, um den gewünschten durchschnittlichen Luftüberschuss-Korrekturfaktor Δλ zu verringern, so dass die gewünschte Kraftstoffmenge erhöht und der Luftanteil verringert wird. Wenn PLKV gleich 0 ist, ist keine Anpassung erforderlich.
  • 20 ist ein Diagramm des oben beschriebenen Regelungsverfahrens für das L/K-Verhältnis bei Volllast. Jeder Schritt ist mit einer Nummer gekennzeichnet und wird nachfolgend erläutert. In Schritt 910 werden der Talwert und der Wert des zweiten Maximums ermittelt. Hierbei werden der Talwert 164 und der Wert des zweiten Maximums 166 anhand des Ionisationssignals berechnet wie oben beschrieben. Die Definitionen des Talwerts 164 und des zweiten Maximums 166 werden in den 14 und 16dargestellt. Dieser Schritt wird bei jedem Zündereignis aktualisiert.
  • In Schritt 920 werden CLKV(H) und CLKV(T) anhand von Gleichung 1 berechnet. Wie in der Beschreibung zu 18 erläutert, wird dem gewünschten durchschnittlichen Luftüberschuss-Korrekturfaktor Δλ eine positive oder negative Störgröße hinzugefügt. Wenn die positive Störgröße hinzugefügt wird, wird CLKV(H) berechnet, und beim Hinzufügen der negativen Störgröße wird CLKV(T) berechnet. Da dieser Schritt die Durchschnittswerte von CLKV(H) und CLKV(T) für ein Störgrößenintervall ausgibt, wird der Schritt bei jedem Zündereignis durchgeführt, aber die Ausgabe erfolgt für jedes Störgrößenintervall (TI). Bei Motoren mit Einlasskanaleinspritzung wird die Berechnung aufgrund der Kraftstoffförderverzögerung so lange verzögert, bis der Übergang abgeschlossen ist.
  • In Schritt 930 wird der Gradientenparameter für das optimale L/K-Verhältnis PLKV berechnet. Dieser Schritt wird bei jedem Störgrößenzyklus für das L/K-Verhältnis durchgeführt. Um sicherzustellen, dass das Volllast-L/K-Verhältnis bei einer gegebenen Motordrehzahl optimiert wird, wird PLKV in diesem Schritt bei einer Motordrehzahl berechnet, die innerhalb eines kalibrierbaren Schwankungsbereichs liegt.
  • In Schritt 940 wird der aktualisierte gewünschte Korrekturfaktor für das L/K-Verhältnis ΔλSOLL(k + 1) anhand von Gleichung 3 berechnet. Dieser Schritt wird bei jedem Störgrößenintervall für das L/K-Verhältnis durchgeführt. Wenn PLKV aufgrund eines zu großen Schwankungsbereichs der Motordrehzahl nicht berechnet wird, wird ΔλSOLL(k + 1) auf null gesetzt.
  • In Schritt 950 wird das Vorwärtskopplungs-L/K-Verhältnis λVK berechnet. Das Vorwärtskopplungs-L/K-Verhältnis basiert auf einer Verweistabelle, die eine Funktion der Motordrehzahl 135 und anderer Faktoren darstellt. Mit dieser Tabelle wird in einem offenen Regelkreis ein gewünschtes L/K-Verhältnis für das Motorsystem bereitgestellt. In der Regel wird diese Tabelle bei der Motorkalibrierung erstellt. Beim herkömmlichen Kalibrierverfahren wird die Vorwärtskopplungstabelle erstellt, indem zunächst das Volllast-Ausgangsdrehmoment des Motors bei jeder gegebenen Motordrehzahl als Funktion des L/K-Verhältnisses abgebildet wird. Anschließend wird die Vorwärtskopplungstabelle aufgebaut, indem für die verschiedenen Motordrehzahlen das L/K-Verhältnis ausgewählt wird, bei dem das maximale Volllast-Ausgangsdrehmoment erzielt wird. In Schritt 960 aktualisiert ein adaptives Regelungssystem die Vorwärtskopplungstabelle anhand des für ΔλSOLL(k + 1) berechneten Werts, um einen Ausgleich für Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors usw. bereitzustellen.
  • In Schritt 960 wird die Vorwärtskopplungskomponente des Volllast-L/K-Verhältnisses aktualisiert. Hierbei wird die Differenz zwischen der aktuellen Vorwärtskopplung und dem gewünschten L/K-Verhältnis ΔλSOLL(k +1) berechnet und zur graduellen Aktualisierung der Vorwärtskopplungstabelle eingesetzt. Ein Motordrehzahlsignal 135 wird von einem im Motor 161 positionierten Motordrehzahlsensor 136 empfangen. Die auf diese Weise gewonnenen Daten zur Motordrehzahl werden in die Vorwärtskopplungstabelle übernommen. Dieser Schritt wird bei jedem Störgrößenintervall durchgeführt.
  • In Schritt 970 wird das Sollwertsignal für den Kraftstoffdurchsatz berechnet. Diese Berechnung basiert zum einen auf dem gewünschten L/K-Verhältnis λSOLL(k + 1) = ΔλSOLL(k + 1) + λVK und zum anderen auf dem aktuellen Luftdurchsatz ṁLUFT 137, der mit einem im Motor 161 positionierten Luftdurchsatzsensor 138 ermittelt wird. Der gewünschte Kraftstoffdurchsatz ṁKRST(k + 1) ist der Quotient aus dem aktuellen Luftdurchsatz ṁLUFT und dem gewünschten L/K-Verhältnis λSOLL(k + 1). Dieser Schritt zur Aktualisierung des Sollwerts für den Kraftstoffdurchsatz wird bei jedem Verbrennungsereignis oder im Takt der Kraftstoffzufuhr ausgeführt.
  • Ein Ziel des vorliegenden Regelungsverfahrens besteht darin, den Gradienten für das optimale L/K-Verhältnis PLKV bei null zu halten. Da es sich bei CLKV um eine konvexe Funktion des Volllast-L/K-Verhältnisses handelt, wird mit diesem Gradientenverfahren ein ordnungsgemäß kalibriertes α erzielt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die in den 20 und 21 dargestellten Schritte (bzw. Anweisungen) in einer im Speicher 111 befindlichen Software oder Firmware 107 (siehe 22) gespeichert. Die Schritte werden von einem Steuergerät 121 durchgeführt. Bei dem Speicher 111 kann es sich um RAM- oder ROM-Speicher handeln, und der Speicher kann sich innerhalb oder außerhalb des Steuergeräts 121 befinden. Bei dem Steuergerät 121 kann es sich um einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder ein anderes digitales oder analoges Verarbeitungssystem handeln. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Steuergerät 121 um ein Motorsteuergerät 121.
  • Das Motorsteuergerät 121 empfängt ein Ionisationssignal 100 von einem Ionisationsdetektor 10 und führt die im Speicher 111 gespeicherten Anweisungen 107 aus, um ein gewünschtes L/K-Verhältnis zu bestimmen. Anschließend übergibt das Motorsteuergerät 121 die Anweisung für den gewünschten Kraftstoffdurchsatz 975 an einen Kraftstoff-Steuerungsmechanismus, bei dem es sich zum Beispiel um eine Kraftstoff-Einspritzdüse 151 des Motors 161 handeln kann.
  • Abschnitt E: Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsrückkopplung
  • Die in Kraftfahrzeugabgasen enthaltenen Kohlenwasserstoffe (HC) tragen zur Luftverschmutzung bei. Mit Hilfe eines Katalysators können diese Schadstoffe in ungefährliche Stoffe umgewandelt werden. Da der Katalysator erst bei Erreichen seiner Betriebstemperatur zu arbeiten beginnt, werden bei FTP-Prüfverfahren 70% der Kohlenwasserstoffemissionen in der Kaltstartphase verursacht. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um den Katalysator bei Kaltstarts schneller zu erhitzen. Bei einem dieser Verfahren wird die Zündzeiteinstellung nach spät verstellt, so dass der Katalysator in der Kaltstartphase aufgrund der höheren Abgastemperatur schneller erhitzt wird und die HC-Emissionen verringert werden. Da eine Spätverstellung der Zündzeit zu Fehlzündungen und Teilverbrennung führen kann, wird sie bei ungeregelten Systemen sehr vorsichtig kalibriert, denn diese Systeme bieten keine ausreichende Robustheit gegenüber Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors, unterschiedliche Betriebsbedingungen usw.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Spätzündung in der Kaltstartphase mit einem Zündzeitpunktregler (also in einem geschlossenen Regelkreis) eingestellt. Das Ziel hierbei ist es, den Zündzeitpunkt in der Kaltstartphase unter Vermeidung von Fehlzündungen und Teilverbrennung so weit wie möglich nach spät zu verstellen, so dass der Katalysator schnell erhitzt wird und die HC-Emissionen verringert werden.
  • Das in diesem Abschnitt beschriebene Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Subsystem des in 13 dargestellten Zünddiagnose- und -regelungssystems. Dieses Subsystem arbeitet mit Ionisationsstrom-Rückkopplung und wird eingesetzt, um die Katalysatortemperatur möglichst schnell zu erhöhen. Die Beziehung der Kaltstart-Spätzündungsregelung zum Diagnose- und -regelungssystem wird in 13 dargestellt. Die Kaltstart-Spätzündungsregelung wird in dieser Figur als Logikblock 1000 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird die Spätzündungszeit bei Kaltstarts in einem geschlossenen Regelkreis eingestellt, um den Zündzeitpunkt unter Vermeidung von Fehlzündungen und bei minimaler Teilverbrennung so weit wie möglich nach spät zu verstellen. Durch die erhöhte Abgastemperatur wird der Katalysator schnell erhitzt, so dass die HC-Emissionen verringert werden.
  • Die Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsrückkopplung 1010 des logischen Blocks 1000 wird in 23 dargestellt. Die Regelung wird durch ein Kaltstartkennzeichen 1020 (bzw. eine Kaltstartanweisung oder ein Kaltstartsignal) aktiviert. Das Kaltstartkennzeichen 1020 wird erstellt, wenn die (gemessene oder berechnete) Katalysatortemperatur unter einem Schwellenwert (1015) liegt. Dieser Schwellenwert liegt in der Regel bei ca. 400 Grad Celsius.
  • Als Eingangssignale für das Regelungssystem 1010 können die nachfolgend beschriebenen Signale dienen (Teilverbrennungsindex 1030, Fehlzündungsindex 1040, Motordrehzahl 135, Motorlast 1060 und Kühlmitteltemperatur 1070). In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zusätzliche Eingangssignale verwendet werden. Das Teilverbrennungsindex-Signal 1030 wird durch Parameterberechnungen zur Fehlzündungserkennung ermittelt. Das Fehlzündungsindex-Signal 1040 wird durch Berechnungen zur Fehlzündungserkennung ermittelt, bei denen der während des Verbrennungsvorgangs gemessene Ionisationsstrom und/oder das Maximum dieses Ionisationsstroms einbezogen werden. Bei der Fehlzündungsberechnung wird ein Schwellenwert verwendet. Die aktuelle Motordrehzahl 135 wird gemessen. Die Motorlast 1060 wird als Prozentsatz der Maximallast, der Kraftstoffzufuhr oder des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (IMAD) berechnet. Das Kühlmitteltemperatur-Signal 1070 ist ein aufbereitetes Signal.
  • Das Ausgangssignal des Reglers ist ein Kaltstart-Zündzeitsignal 1080, durch das eine Zündkerze nach dem oberen Totpunkt (NOT) eines Kurbelwinkels gezündet wird. Normalerweise wird eine Zündkerze gemäß ihrer MOD-Einstellung gezündet. Diese Zündzeit liegt in der Regel vor dem oberen Totpunkt (VOT). Die Zündzeiteinstellung kann jedoch auch nach spät (auf eine Zeit nach dem oberen Totpunkt) verstellt werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen und den Katalysator schneller zu erhitzen.
  • Die Kaltstart-Spätzündungsregelung mit Ionisationsrückkopplung 1010 umfasst die folgenden vier Hauptkomponenten bzw. -funktionen (siehe 23): Abweichungs- und Verstärkungsgenerator 1100, Verarbeitungsblock für die Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) 1200, Prozessor für die Einstellung der Referenzzündzeit 1210 und adaptives System 1220. Diese Komponenten werden nachstehend ausführlich beschrieben.
  • In 23 werden die vier Hauptkomponenten des erfindungsgemäßen Reglers 1010 dargestellt. Die erste Hauptkomponente ist der Abweichungs- und Verstärkungsgenerator 1100. Das Teilverbrennungsindex-Signal 1030 und das Fehlzündungsindex-Signal 1040 sind Eingangssignale des Abweichungs- und Verstärkungsgenerators 1100. In einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem Abweichungs- und Verstärkungsgenerator 1100 um einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder ein anderes Verarbeitungssystem handeln. Der Fehlzündungsindex wird anhand des Ionisationssignals berechnet (siehe Abschnitt A), und der Teilverbrennungsindex kann anhand der bei der Fehlzündungserkennung gewonnenen Daten berechnet werden (zum Beispiel Bereichsintegration des Ionisationsstroms und Maximum im Verbrennungsfenster). Indem geeignete, oberhalb der Fehlzündungswerte liegende Schwellenwerte eingestellt werden, kann der Teilverbrennungsindex durch Vergleichen der Schwellenwerte mit dem berechneten Wert ermittelt werden. Der Abweichungs- und Verstärkungsgenerator 1100 gibt zwei Signale aus, Reg_Abweichung 1090 und Reg_Verstärkung 1095, wobei Reg_Verstärkung Proportional- und Integralverstärkungen umfasst. Bei den ausgegebenen Signalen Reg_Abweichung 1090 und Reg_Verstärkung 1095 kann es sich je nach Status des Teilverbrennungsindexes und Fehlzündungsindexes um minus eins, eins oder einen kalibrierbaren positiven Wert handeln.
  • Das Teilverbrennungsindex-Signal 1030 und das Fehlzündungsindex-Signal 1040 sind Eingangssignale des Abweichungs- und Verstärkungsgenerators 1100 (siehe 24). In Schritt 1115 wird der Status der Signale geprüft. Wenn sowohl der Teilverbrennungsindex 1030 als auch der Fehlzündungsindex 1040 inaktiv sind 1120, wird das Abweichungssignal Reg_Abweichung 1090 auf eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Verstärkungssignals Reg_Verstärkung 1095 auf null und die Integralverstärkung von Reg_Verstärkung auf einen kalibrierbaren positiven Wert 1130. Der kalibrierbare positive Wert liegt in der Regel im Bereich zwischen 0,01 und 2. Als Reaktion auf diese Eingänge verstellt der Reglerausgang 1205 des Verarbeitungsblocks für die Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) 1200 das Zündzeiteinstellungs-Ausgangssignal 1080 nach spät. Dies führt dazu, dass die Zündkerze des betreffenden Zylinders bei einem späteren Kurbelwinkel zündet als beim vorherigen Zündungsereignis. In 25a wird das in diesem Fall (Fall 1) eingesetzte Regelungsverfahren dargestellt.
  • Wenn der Teilverbrennungsindex aktiv ist und der Fehlzündungsindex inaktiv 1150, wird das Abweichungssignal Reg_Abweichung 1090 auf minus eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Verstärkungssignals Reg_Verstärkung 1095 auf null und die Integralverstärkung von Reg_Verstärkung auf einen kalibrierbaren positiven Wert 1160, der in einem ähnlichen Bereich liegt wie in Fall 1. Als Reaktion auf diese Eingänge verstellt der Reglerausgang 1205 des Verarbeitungsblocks für die Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) 1200 das Zündzeiteinstellungs-Ausgangssignal 1080 und nach früh 1170. Dies führt dazu, dass die Zündkerze des betreffenden Zylinders früher zündet als beim vorherigen Zündungsereignis. In 25b wird das in diesem Fall (Fall 2) eingesetzte Regelungsverfahren dargestellt.
  • Wenn das Fehlzündungsindex-Signal 1040 aktiv ist, wird Reg_Abweichung 1090 auf minus eins gesetzt, die Proportionalverstärkung von Reg_Verstärkung 1095 auf null und die Integralverstärkung von Reg_Verstärkung 1095 auf einen kalibrierbaren positiven Wert, der größer ist als in den Fällen 1 und 2. Die Obergrenze des kalibrierbaren positiven Werts, der zur Vermeidung einer Fehlzündung beim nächsten Verbrennungsereignis eingestellt wird, liegt bei 4. Als Reaktion auf diese Eingänge fügt der Verarbeitungsblock für die Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) dem PI-Integrator einen kalibrierbaren negativen Wert (zum Beispiel –5 Grad) hinzu, so dass der Reglerausgang 1205 das Zündzeiteinstellungs-Ausgangssignal 1080 nach früh verstellt, um Fehlzündungen zu vermeiden und die Bedingungen von Fall 1 oder 2 herzustellen (1195). Wenn eine Fehlzündung auftritt, wird der PI-Integrator nachgestellt, indem dem aktuellen Integratorregister ein kalibrierbarer Frühzündungswert (negativer Wert) hinzugefügt wird, so dass die Fehlzündung schnell beseitigt wird. In 25c wird das in diesem Fall (Fall 3) eingesetzte Regelungsverfahren dargestellt.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst die Zündzeiteinstellung an der Spätbegrenzung. Hierbei wird die maximal zulässige Spätverstellung ohne Fehlzündungen und bei minimaler Teilverbrennung eingestellt. Dies bedeutet: 1) wenn keine Teilverbrennung vorliegt, wird die Zündzeiteinstellung mit einer bestimmten Geschwindigkeit (zum Beispiel ein viertel Grad Kurbelwinkel) nach spät verstellt 1140; 2) wenn eine Teilverbrennung vorliegt, wird die Zündzeiteinstellung mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach früh verstellt 1170 (analog zu Fall 1) und 3) wenn eine Fehlzündung auftritt, wird dem PI-Integrator ein Korrekturwert hinzugefügt, um die Zündzeit schnell nach früh zu verstellen und weitere Fehlzündungen zu verhindern 1195.
  • Die zweite Hauptkomponente des erfindungsgemäßen Reglers 1010 ist der Verarbeitungsblock für die Proportional-Integral-Regelung (PI-Regelung) 1200. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur die Integralkomponente des PI-Reglers 1200 bzw. des Integralreglers 1200 zur geregelten Spätzündungszeiteinstellung bei Kaltstarts eingesetzt. Das Integralverstärkungssignal Reg_Verstärkung 1095 und das Integralabweichungssignal Reg_Abweichung 1090 werden vom Abweichungs- und Verstärkungsgenerator 1100 an den PI-Regler 1200 übergeben.
  • Die dritte Hauptkomponente des erfindungsgemäßen Reglers 1010 ist der Prozessor für die Einstellung der Referenzzündzeit 1210. Die Referenzzündzeiteinstellung wird in einer Verweistabelle 1213 als Funktion der Motordrehzahl 135, der Motorlast 1060, der Kühlmitteltemperatur 1070 und anderer Faktoren gespeichert. In der Regel wird diese Tabelle bei der Motorkalibrierung erstellt. Die Verweistabelle 1213 kann im Speicher des Prozessors für die Einstellung der Referenzzündzeit 1210 oder in einem separaten Speicherchip gespeichert sein. Die Verweistabelle für die Referenzzündzeiteinstellung 1213 wird durch den Eingang 1225 (das heißt das Ausgangssignal des adaptiven Systems 1220) so modifiziert, dass das Signal für die Referenzzündzeiteinstellung 1215 durch den Prozessor für die Einstellung der Referenzzündzeit 1210 (Referenzzündzeit-Einsteller 1210) an Faktoren wie motorspezifische Unterschiede und Alterung des Motors angepasst wird. Ein Summierer 1230 erzeugt das Kaltstart-Zündzeitsignal 1080 durch Addieren des Referenzsignals 1215 (Ausgang des Referenzzündzeit-Einstellers 1210) und des Ausgangs 1205 des PI-Reglers 1200.
  • Die vierte Hauptkomponente des erfindungsgemäßen Reglers 1010 ist das adaptive System 1220. Ein Komparator 1224 des adaptiven System 1220 vergleicht das aktuelle Kaltstart-Zündzeitsignal ZZAKTUELL 1080 mit einem in einer Verweistabelle 1223 gespeicherten Referenz-Zündzeitsignal für Kaltstarts ZZREFERENZ 1221. Auf diese Weise werden die als Eingänge des adaptiven Systems 1220 verwendeten Daten zu den aktuellen Motorbetriebsbedingungen (135, 1060, 1070) berücksichtigt. Die Verweistabelle 1223 kann im Speicher des Prozessors 1222 oder in einem separaten Speicherchip gespeichert sein. Wenn der Betriebszustand des Motors in der Nähe einer Stützstelle der Verweistabelle für das Referenz-Zündzeitsignal 1223 liegt, wird der Zündzeitwert ZZTABELLE(ALT) im Punkt ZZTABELLE der Verweistabelle 1223 anhand der folgenden Formel durch den Wert ZZTABELLE(NEU) ersetzt: ZZTABELLE(NEU) = ZZTABELLE(ALT) + β·(ZZAKTUELL – ZZREFERENZ) 1226
  • In dieser Formel steht β für einen kalibrierbaren positiven Koeffizienten, der typischerweise einen Wert von 0,02 aufweist. Da der Wert von ZZTABELLE(NEU) 1226 nicht zu stark von der Referenzkalibrierung abweichen darf (unter anderem aus Sicherheitsgründen), wird eine Obergrenze für die zulässige Abweichung festgelegt. Wenn der für ZZTABELLE(NEU) 1226 berechnete Wert diese Obergrenze überschreitet, wird anstelle des berechneten Werts der Randwert übernommen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das adaptive System 1220 einen Prozessor 1222, einen Komparator 1224 und im Speicher befindliche Software, die Anweisungen 1227 enthält. Bei dem Speicher kann es sich um den Speicher handeln, in dem auch die Verweistabelle 1223 gespeichert ist, oder um separaten Speicher. Die Verweistabelle für das Referenz-Zündzeitsignal ist in 23 mit dem Bezugszeichen 1223 gekennzeichnet. Zu den Betriebsbedingungen zählen die Motordrehzahl 135, die Motorlast 1060 und die Kühlmitteltemperatur 1070. Das adaptive System 1220 bildet zusammen mit dem Prozessor für die Einstellung der Referenzzündzeit 1210 die Rückkopplungskomponente 1217 des Regelungssystems 1010.
  • Abschnitt F: Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment mit Ionisationssignalauswertung
  • Ein Ziel eines Zündsystems eines Verbrennungsmotors besteht darin, die Zündzeit so einzustellen, dass der Motor mit einer gegebenen Luft/Kraftstoff-Mischung ein maximales Drehmoment erzielt. Diese Zündzeiteinstellung wird als Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) bezeichnet. Das Drehmoment eines Verbrennungsmotors hängt von vielen Faktoren ab. Hierzu zählen unter anderem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die Zündzeiteinstellung sowie die Temperatur der Ansaugluft und des Kühlmittels. Wenn die Zündzeiteinstellung innerhalb eines bestimmten Bereichs variiert, handelt es sich beim Drehmoment um eine konvexe Funktion der Zündzeiteinstellung, wobei die MOD-Einstellung dem Maximum der konvexen Funktion entspricht. Ist die Zündzeit relativ zur MOD-Einstellung nach spät oder nach früh verstellt, wird weder das maximale Ausgangsdrehmoment noch die optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzielt. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, Kriterien für eine zuverlässige Berechnung der MOD-Einstellung zu ermitteln. Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren, bei dem die MOD-Einstellung bei aktuellen Betriebsbedingungen unter Auswertung eines Ionisationssignals bestimmt wird.
  • Im Unterschied zu einem Zylinderdrucksignal, das weitgehend unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen des Motors ist und daher in einer relativ stabilen Kurve verläuft, kann sich die Wellenform eines Zündkerzen-Ionisationssignals bei unterschiedlichen Lasten, Drehzahlen, Zündzeiteinstellungen, Luft/Kraftstoff-Verhältnissen, Abgasrückführungsraten (ARF-Raten) usw. ändern. Das in der Regel beim Punkt des maximalen Drucks auftretende Nachzündungs-Ionisationsmaximum ist kein zuverlässiges Kriterium für die MOD-Einstellung, da es bei geringer Last, später Zündung, magerem L/K-Verhältnis oder hohen ARF-Raten ausbleiben kann. Dieses Problem wird bei der vorliegenden Erfindung durch ein robustes Mehrkriterienverfahren zur MOD-Berechnung gelöst, bei dem mehrere Ionisationssignal-Wellenformen identifiziert werden, die bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen auftreten.
  • Das Zündkerzen-Ionisationssignal 100 ist ein Indikator für die Leitfähigkeit des lokalen Verbrennungsgemischs zwischen den Zündkerzenelektroden während des Verbrennungsvorgangs. Dieses Signal 100 wird zum einen durch die bei der Verbrennung auftretenden komplexen chemischen Reaktionen beeinflusst und zum anderen durch die lokale Temperatur und die Turbulenz in der Funkenstrecke. Das Ionisationssignal 100 ist in der Regel weniger stabil als das Zylinderdrucksignal, das die globalen Druckänderungen im Zylinder widerspiegelt.
  • Bei herkömmlichen MOD-Systemen basiert die MOD-Regelung in erster Linie auf der Ermittlung des Nachzündungsmaximums. Das Nachzündungsmaximum tritt in der Regel beim Punkt des maximalen Drucks auf. Die MOD-Einstellung wird erzielt, wenn der Punkt des maximalen Drucks bei ca. 15° nach dem oberen Totpunkt (NOT) liegt. Daher wird in der Regel davon ausgegangen, dass die Zündzeit zum Erreichen der MOD-Einstellung so verstellt werden muss, dass das zweite Maximum des Ionisationssignals bei ca. 15° NOT den höchsten Wert erreicht.
  • Es muss allerdings berücksichtigt werden, dass sich bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen wie Schwachlast, magerem Gemisch oder hoher ARF-Rate kein zweites Maximum des Ionisationssignals 100 in der Wellenform abzeichnet. Unter diesen Umständen ist es nahezu unmöglich, die MOD-Einstellung anhand des zweiten Maximums des Ionisationssignals 100 zu berechnen.
  • Dieses Problem wird bei der vorliegenden Erfindung durch Einsatz eines robusten und zuverlässigen, auf den Wellenformen des Zündkerzen-Ionisationssignals 100 basierenden Mehrkriterienverfahrens zur MOD-Berechnung gelöst. Daher wird die Zündzeiteinstellung beim vorliegenden Verfahren durch Auswertung des Ionisationssignals optimiert, so dass das Verbrennungsereignis in dem der MOD-Einstellung entsprechenden Zyklus stattfindet.
  • In 11 wird ein typisches Ionisationssignal 100 gegen den Kurbelwinkel dargestellt. In der Wellenform eines Ionisationssignals 100 werden mehr Details des Verbrennungsvorgangs abgebildet als in der Wellenform eines Zylinderdrucksignals. Die Wellenform des Ionisationssignals 100 zeigt zum Beispiel, wann sich ein Flammenkern bildet und ausbreitet, wann die Verbrennung stark beschleunigt wird, wann die maximale Verbrennungsgeschwindigkeit erzielt wird und wann die Verbrennung endet. Ein Ionisationssignal 100 weist in der Regel zwei Maxima auf. Das erste Maximum 162 des Ionisationssignals 100 wird durch die Bildung und Ausbreitung des Flammenkerns verursacht, und das zweite Maximum 166 durch den aus der Druckzunahme im Zylinder resultierenden Temperaturanstieg.
  • Der Verbrennungsvorgang in einem Verbrennungsmotor 161 wird in der Regel anhand der Verbrennung des Massenanteils gegen den Kurbelwinkel beschrieben. Die Verbrennung des Massenanteils ist ein Indikator für die maximale Beschleunigung sowie die maximale Geschwindigkeit der Verbrennung. Um den höchsten Verbrennungswirkungsgrad zu erzielen, müssen diese Ereignisse bei bestimmten Kurbelwinkeln stattfinden. Dies bedeutet, dass anhand dieser Ereignisse die MOD-Einstellung bestimmt werden kann. Der Wendepunkt 163 nach dem ersten Maximum 162 korreliert mit dem Punkt der Maximalbeschleunigung des Zylinderdrucksignals. Dieser Punkt liegt in der Regel im Bereich der Verbrennung von 10 bis 15% des Massenanteils (siehe 27, Fall 1, Punkt 163). Der Wendepunkt 165 vor dem zweiten Maximum 166 korreliert mit dem Punkt der maximalen Wärmefreisetzung des Zylinderdrucksignals und liegt im Bereich der Verbrennung von 50% des Massenanteils (siehe 27, Fall 1, Punkt 165). Das zweite Maximum 166 korreliert mit dem Punkt des maximalen Drucks des Zylinderdrucksignals (siehe 27, Fall 1, Punkt 166).
  • Bei der MOD-Einstellung liegt der Punkt der maximalen Flammenbeschleunigung beim oberen Totpunkt (OT), der Punkt der Verbrennung von 50% des Massenanteils bei ca. 8–10° nach dem oberen Totpunkt (NOT) und der Punkt des maximalen Drucks bei ca. 15° NOT. Durch die Kombination der drei MOD-Kriterien wird ein besonders robustes und zuverlässiges Berechnungsverfahren für die MOD-Einstellung erzielt.
  • In 27 werden drei Wellenformen des Ionisationssignals dargestellt, die bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen auftreten (Fall 1 – 1.500 U/min, 2,62 bar MAD, ARF = 0%; Fall 2 – 1.500 U/min, 2,62 bar MAD, ARF = 15%; Fall 3 – 3.000 U/min, VL, Zylinder 3). In Fall 1 wird eine normale Wellenform mit beiden Maxima 162, 166 dargestellt. In Fall 2 fehlt das zweite Maximum 166, da die Temperatur aufgrund einer hohen ARF, einer niedrigen Last und/oder einer mageren Mischung relativ niedrig ist. In Fall 3 fällt das erste Maximum 162 aufgrund einer bei hohen Motordrehzahlen relativ konstanten Zünddauer bei großem Kurbelwinkel mit dem Zündungssignal zusammen.
  • Die Punkte 162 bis 166 in 28 werden wie folgt definiert: 162 ist das zweite Maximum des Ionisationssignals, 163 ist der Punkt der maximalen Flammenbeschleunigung (korreliert bei MOD-Einstellung mit dem oberen Totpunkt); 164 ist das Tal des Ionisationssignals, 165 ist der Punkt der maximalen Wärmefreisetzung (korreliert bei MOD-Einstellung mit dem Punkt der 50%igen Verbrennung und liegt bei ca. 8–10° nach dem oberen Totpunkt) und 166 ist das zweite Maximum (korreliert bei MOD-Einstellung mit dem Punkt des maximalen Drucks des Zylinderdrucksignals und liegt bei ca. 15–17° nach dem oberen Totpunkt).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für die MOD-Einstellung ein Berechnungskriterium verwendet, das durch Kombination der in den Fällen 1 bis 3 von 27 dargestellten Punkte der maximalen Flammenbeschleunigung 163, der 50%igen Verbrennung und des zweiten Maximums 166 gebildet wird.
  • Wenn das Ionisationssignal 100 die in Fall 1 dargestellte Wellenform aufweist, werden alle drei Kriterien für die MOD-Einstellung verwendet: PMOD – (P163 + (P165 – P50%VERBR) + (P166 – PZDM))/3, (Gleichung 1)
  • Hierbei gilt: PMOD ist die berechnete MOD-Einstellung, P163 ist der Punkt der maximalen Flammenbeschleunigung, P165 ist der Punkt der maximalen Wärmefreisetzung, P50%VERBR ist der Punkt der 50%igen Verbrennung, P166 ist der Punkt des zweiten Maximums und PZDM ist der Punkt des maximalen Zylinderdrucks. P50%VERBR liegt in der Regel bei ca. 8–10° nach dem oberen Totpunkt und PZDM bei ca. 15–17° nach dem oberen Totpunkt. Da die MOD-Einstellung für P50%VERBR und PZDM in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors variiert, wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine Verweistabelle mit Werten für P50%VERBR und PZDM eingesetzt, um die richtige MOD-Einstellung für die jeweiligen Betriebsbedingungen zu berechnen.
  • In Fall 2 kann nur der Punkt 163 zur Berechnung der MOD-Einstellung herangezogen werden. Die entsprechende Gleichung lautet daher: PZDM = P163, (Gleichung 2)
  • Hierbei gilt: PMOD ist die berechnete MOD-Einstellung.
  • In Fall 3 sind die Punkte P165 und P166 verfügbar. Die MOD-Einstellung wird in diesem Fall anhand der folgenden Gleichung berechnet: PMOD = ((P165 – P50%VERBR) + (P166 – PZDM))/2, (Gleichung 3)
  • Wie in Fall 1 können für P50%VERBR und PZDM entweder konstante Werte (8–10° bzw. 15–17°) ausgewählt oder Verweistabellen eingesetzt werden, um Schwankungen durch unterschiedliche Betriebsbedingungen des Motors zu berücksichtigen. Die Verweistabellen 113 können im Speicher 111 gespeichert werden. Bei dem Speicher 111 kann es sich um RAM- oder ROM-Speicher oder um analogen Speicher (zum Beispiel Magnetband) handeln. Der Zugriff auf die Verweistabelle erfolgt durch einen Prozessor, Mikroprozessor, Regler, ein Motorsteuergerät oder ein anderes Verarbeitungs- oder Steuerungssystem 122.
  • 28 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen robusten Mehrkriterienverfahrens zur MOD-Berechnung. 29 ist ein Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung 1800. Das Motorsteuergerät 121 empfängt das Ionisationssignal 100 von einem Ionisationsdetektor 10 (Schritt 1801). (Siehe 30.) Anschließend führt der Prozessor 122 des Motorsteuergeräts die im Speicher befindliche Software oder Firmware 107 aus. (Bei diesem Speicher kann es sich um separaten Speicher handeln oder um den Speicher 111, in dem die Verweistabelle 113 gespeichert ist.) Die Software 107 enthält Anweisungen, mit denen ermittelt wird, ob die Wellenform des Ionisationssignals 100 Fall 1, 2 oder 3 entspricht (1810). Wenn das Ionisationssignal 100 Fall 1 entspricht (1815), werden die Punkte P163, P165 und P166 berechnet (1817). Anschließend berechnet die Software 107 anhand von Gleichung 1 die MOD-Einstellung: PMOD = (P163 + (P165 – P50%VERBR) + (P166 – PZDM))/3 (1820)
  • Wenn das Ionisationssignal 100 Fall 2 entspricht (1825), wird der Punkt P163 berechnet (1827). Anschließend berechnet die Software 107 anhand von Gleichung 2 die MOD-Einstellung: PMOD = P163 (1830). Wenn das Ionisationssignal 100 Fall 3 entspricht (1835), werden die Punkte P163 und P166 berechnet (1837). Anschließend berechnet die Software 107 anhand von Gleichung 3 die MOD-Einstellung: PMOD = ((P165 – P50%VERBR) + (P166 – PZDM))/2 (1840)
  • Das Motorsteuergerät 121 berechnet unter Einsatz des in Abschnitt G beschriebenen MOD-Reglers ein Zündzeiteinstellungssignal VEIN und übergibt dieses Signal an eine Treiberschaltung 10 (1850). Die Treiberschaltung 10 lädt die Zündspule 12 mit Strom auf, der Zur Zündkerze 14 geleitet wird. Aufgrund des gut leitenden Luft/Kraftstoff-Gemischs zwischen den Elektroden der Zündkerze 14 wird die in der Zündspule 12 gespeicherte Energie schnell im Elektrodenabstand entladen, so dass das Luft/Kraftstoff-Gemisch im Zylinder entzündet wird.
  • Abschnitt G: MOD-Regelung mit Ionisationsrückkopplung
  • Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren und System zur Regelung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) unter Einsatz von Ionisations- oder Druckrückkopplung. Bei der Berechnung eines oder mehrerer MOD-Kriterien für jeden Zylinder kann sowohl ein Ionisationssignal als auch ein Zylinderdrucksignal ausgewertet werden. Die MOD-Kriterien geben die relative Abweichung der aktuellen Zündzeiteinstellung von der MOD-Einstellung an. (Siehe Abschnitt F, ”Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment mit Ionisationssignalauswertung”, und Abschnitt J, ”Bestimmung der MOD-Einstellung anhand der Nettodruckbeschleunigung des Verbrennungsvorgangs”.) Wenn die Zündzeit des Motors weder klopfbegrenzt (das heißt relativ zur Klopfbegrenzten Zündzeiteinstellung Frühverstellte Einstellung) noch fehlzündungs- bzw. teilverbrennungsbegrenzt ist (das heißt relativ zur fehlzündungs- bzw. teilverbrennungsbegrenzten Zündzeiteinstellung Spätverstellte Einstellung), wird der Motor unter Verwendung von MOD-Kriterien in einem MOD-Regelungsmodus betrieben.
  • Ist der Motor klopfbegrenzt, wird er durch einen Klopfbegrenzungsmanager an der Klopfgrenze geregelt, so dass kein hörbares Klopfen auftritt. Wenn der Motor fehlzündungs- bzw. teilverbrennungsbegrenzt ist, wird er an der Fehlzündungs- bzw. Teilverbrennungsgrenze geregelt. Dies kann zum Beispiel in der Kaltstartphase der Fall sein, wenn der Zündzeitpunkt so weit wie möglich nach spät verstellt wird, um den Katalysator schnell zu erhitzen. (Siehe Abschnitt E.)
  • Zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit ist es wünschenswert, einen Verbrennungsmotor nach Möglichkeit mit der MOD-Einstellung zu betreiben. Da herkömmliche Systeme kein Verbrennungsregelungssystem aufweisen, wird die Zündzeit dort in einem offenen Regelkreis anhand einer auf Kennfelddaten basierenden MOD-Einstellungstabelle gesteuert. Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass hierbei ein aufwendiges Kalibrierverfahren erforderlich ist und dass das MOD-Einstellungssystem durch Änderungen der Systemparameter beeinflusst wird. Dies bedeutet, dass Änderungen der MOD-Einstellung, die aus Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors und unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen (Höhe, Feuchtigkeit usw.) resultieren, bei herkömmlichen Systemen nicht ausgeglichen werden. Darüber hinaus führt das aufwendige Kalibrierverfahren zu einer längeren und kostspieligeren Entwicklungsphase. Darüber hinaus wird die Zündzeit bei ungeregelten Systemen sehr vorsichtig kalibriert, so dass der Motor nicht an seiner physikalischen Grenze (zum Beispiel an der Klopfgrenze) betrieben wird. Dies führt zu einer Verringerung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird eine robuste MOD-Regelung mit Klopf- und Fehlzündungs- bzw. Teilverbrennungs-Grenzregelung eingesetzt. Auf diese Weise wird der Kalibrieraufwand verringert und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ein Subsystem eines Zünddiagnose- und -regelungssystems mit Ionisationsstrom-Rückkopplung. Die Beziehung dieses Subsystems zum Diagnose- und Regelungssystem wird in 13 dargestellt. Die betreffenden Logikblöcke sind in dieser Figur mit den Bezugszeichen 1450, (1430, 1490, 1495) und 1460 gekennzeichnet. Dieses Subsystem umfasst einen Regler, der die Zündzeiteinstellung des Motors anhand der auf Grundlage eines Ionisationssignals 100 und/oder eines Zylinderinnendrucksignals berechneten MOD-Kriterien sowie anhand der Zünddiagnose (Klopfen, Teilverbrennung und Fehlzündungen) regelt. Wenn der Motor nicht klopfbegrenzt ist, wird die MOD-Regelung eingesetzt, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren. Ist der Motor klopfbegrenzt, wird er so geregelt, dass kein hörbares Klopfen auftritt und das Ausgangsdrehmoment maximiert wird. Wenn der Motor fehlzündungs- bzw. teilverbrennungsbegrenzt ist, wird er an der Fehlzündungs- bzw. Teilverbrennungsgrenze geregelt.
  • Nachfolgend werden drei Ausführungsformen der Systemarchitektur des MOD-Reglers beschrieben: a) ein zylinderspezifisches Verfahren, b) ein Mittelwertverfahren und c) ein Mischverfahren. Ein Unterschied zwischen diesen Ausführungsformen besteht darin, ob die MOD-Einstellung zylinderspezifisch oder global geregelt wird. Bei der ersten Ausführungsform wird die MOD-Einstellung für jeden Zylinder individuell geregelt, das heißt, die Regelung erfolgt für jeden Zylinder anhand der jeweiligen zylinderspezifischen Daten zu Mindestzeit, Klopfen und Fehlzündungen. Bei der zweiten Ausführungsform werden Mittelwerte verwendet, das heißt, alle Zylinder werden anhand eines einzigen MOD-Regelungsparameters geregelt. Bei der dritten Ausführungsform wird ein Mischverfahren eingesetzt. Hierbei erfolgt die Fehlzündungs- und Klopfregelung zylinderspezifisch, und die MOD-Einstellung wird global geregelt. Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungsformen ausführlich beschrieben.
  • Beim zylinderspezifischen Verfahren werden das MOD-Kriterium 1435, die Klopfdaten 1400 und die Fehlzündungsdaten 1410 für jeden Zylinder separat berechnet, und der zylinderspezifische MOD-Regler 1430 regelt die Zündzeiteinstellung (siehe 31). Der zylinderspezifische Regler 1430 wird bei jedem Zündungsereignis aktiv. Dieser Regler gibt ein Signal zur MOD-Einstellung 1480 für die einzelnen Zylinder aus. Die Eingänge des Reglers 1430 werden nachstehend beschrieben.
  • Das zylinderspezifische MOD-Kriterium 1435 wird anhand eines unter Einsatz eines Parameterberechnungsverfahrens erzeugten Ionisationssignals 100 oder Zylinderinnendrucksignals berechnet. (Siehe Abschnitt F, ”Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment mit Ionisationssignalauswertung”, und Abschnitt J, ”Bestimmung der MOD-Einstellung anhand der Nettodruckbeschleunigung des Verbrennungsvorgangs”.) Dieser Parameter gibt an, ob die aktuelle Zündzeiteinstellung vor oder nach der MOD-Einstellung für den betreffenden Zylinder liegt.
  • Die zylinderspezifischen Klopfdaten 1400 umfassen einen Klopfintensitätsparameter 1402 und ein Klopfkennzeichen 1404. Der Klopfintensitätsparameter 1402 gibt an, wie stark das Klopfen ist, und das Klopfkennzeichen 1404 gibt an, ob ein hörbares Klopfen auftritt. Der Klopfintensitätsparameter 1402 und das Klopfkennzeichen 1404 können entweder anhand eines Ionisationssignals 100 oder anhand eines Zylinderinnendrucksignals berechnet werden.
  • Die zylinderspezifischen Fehlzündungsdaten 1410 umfassen Teilverbrennungskennzeichen 1412 und Fehlzündungskennzeichen 1414. Auch das Teilverbrennungskennzeichen 1412 und das Fehlzündungskennzeichen 1414 können entweder anhand eines Ionisationssignals 100 oder anhand eines Zylinderinnendrucksignals berechnet werden.
  • Der zylinderspezifische MOD-Regler 1430 der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden drei Subsysteme: 1) Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) für die MOD-Einstellung 1440, 2) Klopfbegrenzungs-Frühzündungsmanager 1450 und 3) Fehlzündungsbegrenzungs-Spätzündungsmanager 1460. Das MOD-Kriterium 1435 wird mit dem MOD-Referenzsignal 1437 verglichen (1500), und die resultierende Abweichung 1438 wird an den PI-Regler 1440 übergeben (1510). (Siehe 32.) Der Ausgang 1442 des PI-Reglers 1440 stellt die gewünschte MOD-Einstellung bereit, wenn der Motor 161 weder klopfbegrenzt noch fehlzündungsbegrenzt ist. Der Sättigungsmanager 1470 gibt das Zündzeitsignal 1480 für den betreffenden Zylinder aus. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sättigungsmanager 1470 einen Ausgangsüberlauf verhindern.
  • Der Klopfbegrenzungsmanager 1450 gibt ein Klopfbegrenzungssignal 1452 aus, um die maximale Frühzündung für die aktuellen Betriebsbedingungen des Motors 161 festzulegen. Wenn der Motor 161 nicht klopfbegrenzt ist, basiert das vom Klopfbegrenzungsmanager 1450 ausgegebene Frühzündungsbegrenzungssignal 1452 auf der physikalischen Konfiguration und Kalibration des Motors 161. Ist der Motor 161 klopfbegrenzt, gibt der Klopfbegrenzungsmanager 1450 ein Frühzündungsbegrenzungssignal 1452aus, durch das der Motor 161 an der Klopfgrenze, das heißt mit leichtem oder nicht hörbarem Klopfen betrieben wird.
  • Anlog hierzu gibt der Fehlzündungsmanager 1460 ein Fehlzündungsbegrenzungssignal 1462 aus. Wenn der Motor 161 ohne Teilverbrennung bzw. Fehlzündung läuft, basiert das ausgegebene Spätzündungsbegrenzungssignal 1462 auf der physikalischen Konfiguration und Kalibration des Motors 161. Ist der Motor 161 fehlzündungsbegrenzt, wird ein Spätzündungsbegrenzungssignal 1462 ausgegeben, durch das der Motor 161 an der Fehlzündungs- bzw. Teilverbrennungsgrenze betrieben wird. Das Spätzündungsbegrenzungssignal 1462 wird an den Sättigungsmanager 1470 übergeben.
  • Wenn der Motor 161 klopfbegrenzt oder fehlzündungsbegrenzt ist (das heißt, der Sättigungsmanager 1470 ist aktiv), werden die Klopfbegrenzungsdaten 1452 bzw. Spätzündungsbegrenzungsdaten 1462 an den Sättigungsmanager 1470 übergehen und zur Nachstellung des PI-Integrators eingesetzt (siehe unten, Integrationsnachstellung), um einen Integrationsrücklauf zu vermeiden.
  • Der PI-Regler 1440 (siehe 31 und 33) umfasst einen Proportionalregler 1441, einen Integralregler 1444, einen adaptiven 1447 Vorwärtsregler 1446 und einen Integrationsnachstellungsmanager 1448 zur Vermeidung von Überlauf- und Rücklaufbedingungen. Die Funktionalität dieser Logikbauelemente wird nachstehend beschrieben.
  • Der Vorwärtsregler 1446 wird zur Modifizierung der kennfeldbasierten MOD-Steuerung eingesetzt. Darüber hinaus wird ein adaptives System 1447 eingesetzt, um Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors und unterschiedliche Betriebsbedingungen auszugleichen. Der Vorwärtsregler 1446 gibt ein Vorwärtskopplungssignal 1449 aus.
  • Der Proportionalregler 1441 gibt ein Proportionalregelungssignal 1443 aus und der Integralregler 1444 ein Integralregelungssignal 1445. Das ausgegebene Proportionalregelungssignal 1443 (bzw. das Proportionalabweichungssignal 1443) wird durch Multiplizieren des MOD-Abweichungseingangs 1438 mit der Proportionalverstärkung (1520) erzeugt. Der Wert der Proportionalverstärkung beträgt in der Regel ca. 0,2. Das Integralregelungssignal 1445 (bzw. das Integralabweichungssignal 1445) wird durch Multiplizieren der integrierten MOD-Abweichung 1438 mit der Integralverstärkung (1530) erzeugt. Der Wert der Integralverstärkung beträgt in der Regel ca. 0,1. Das Integralabweichungssignal kann nachgestellt werden, wenn der Motor klopfbegrenzt oder fehlzündungsbegrenzt ist (siehe unten). Die Summe aus Proportionalabweichungssignal 1443, Integralabweichungssignal 1445 und Vorwärtskopplungssignal 1449 ergibt das Zündzeitsignal 1442.
  • Beim Integrationsnachstellungsmanager 1448 handelt es sich um ein Logikbauelement, das aktiviert wird, wenn der Motor 161 klopfbegrenzt oder fehlzündungsbegrenzt ist. Das Integralabweichungssignal wird nachgestellt, indem die Summe 1442 aus Vorwärtskopplungssignal 1449, Proportionalregelungssignal 1443 und Integralregelungssignal 1445 durch den Klopfbegrenzungsmanager 1450 oder den Fehlzündungsmanager 1460 begrenzt wird. Wenn der Motor klopfbegrenzt oder fehlzündungsbegrenzt ist, wird das Integralabweichungssignal so nachgestellt (1540), dass der resultierende Ausgang an der Klopfgrenze bzw. an der Fehlzündungs-/Teilverbrennungsgrenze liegt.
  • Das zweite Subsystem, der Klopfbegrenzungs-Frühzündungsmanager 1450 (siehe 34) regelt die Klopfgrenze. Dieses Subsystem umfasst einen PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447, einen Klopfabweichungs- und -verstärkungsgenerator 1454 und einen Sättigungsmanager 1470.
  • Die Klopfbegrenzungsregelung 1450 erfolgt nur durch die Integralkomponenten des PI-Reglers (hierzu zählen die Blöcke 51441, 51444, 51446, 51448 und 51447 des Klopfmanagers 1450), da die Proportionalverstärkung stets auf null gesetzt wird. Die vom Klopfabweichungs- und -verstärkungsgenerator 1454 ausgegebenen Integralverstärkungs- und -abweichungssignale werden vom PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 eingesetzt (1552) (siehe 35). Das Integralnachstellungs-Logikbauelement 51448 wird zur Nachstellung des Ausgangs 51445 der Integralverstärkung und des Integratorreglers 51444 eingesetzt, um Überlauf- und Rücklaufbedingungen bei gesättigtem Ausgang zu vermeiden (1540).
  • Der Klopfbegrenzungs-Frühzündungsmanager 1450 umfasst einen mit dem PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 verbundenen Klopfabweichungs- und -verstärkungsgenerator 1454 (siehe 34).
  • Bei den Eingängen des Klopfabweichungs- und -verstärkungsgenerators 1454 handelt es sich um die in einer bevorzugten Ausführungsform anhand des Ionisationsstromsignals 100 berechneten Klopfintensitätssignale 1402 und Klopfkennzeichensignale 1404. Der Generator 1454 gibt zwei Signale aus, ”Abweichung” 1455 und ”Verstärkung” 1459, wobei ”Verstärkung” 1459 Proportional- und Integralverstärkungen umfasst. Die Ausgänge ”Abweichung” 1455 und ”Verstärkung” 1459 werden anhand der Klopfintensitätssignale 1402 und Klopfkennzeichensignale 1404 erzeugt und können die folgenden drei Zustände aufweisen: A) kein Klopfen, B) unhörbares Klopfen und C) hörbares Klopfen.
  • Der Zustand ”kein Klopfen” tritt auf, wenn das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und das Klopfintensitätssignal 1402 unterhalb des Klopffrei-Schwellenwerts liegt. In diesem Fall (1554) wird der Ausgang ”Abweichung” 1455 auf eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 1459 auf null und die Integralverstärkung auf einen kalibrierbaren positiven Wert (1556) wie 0,2. Der Proportionalregelungsausgang 51443 des PI-Reglers 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 ist also null und der Integralregelungsausgang 51445 ein positiver Wert. Der Klopfabweichungs- und -verstärkungsgenerator 1454 verstellt den Regelungsausgang 51442 im Bereich zwischen der Frühzündungs-Untergrenze 1456 und der Frühzündungs-Obergrenze 1458 in Richtung früh, da die Integrationsnachstellungslogik 51448 den Integrator bei Verlassen des durch die Grenzen 1456 und 1458 definierten Bereichs so nachstellt, dass der resultierende Ausgang innerhalb dieses Bereichs liegt.
  • Der Zustand ”unhörbares Klopfen” tritt auf, wenn das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und das Klopfintensitätssignal 1402 oberhalb des Klopffrei-Schwellenwerts liegt. Wenn der Motor 161 klopfbegrenzt ist, stellt dieser Zustand die gewünschte Betriebsbedingung dar. Wenn das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und das Klopfintensitätssignal 1402 oberhalb des Schwellenwerts ”unhörbares Klopfen” liegt (1560), wird der Ausgang ”Abweichung” 1455 auf null gesetzt, die Proportionalverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 1459 auf null und die Integralverstärkung auf einen kalibrierbaren positiven Wert (1562). Die Werte der Proportionalverstärkung und der Integralverstärkung entsprechen also dem Zustand ”kein Klopfen”. Der Proportionalregelungsausgang 51443 des PI-Reglers 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 ist also null und der Integralregelungsausgang 51445 ein positiver Wert. Das Frühzündungsbegrenzungssignal 1452 muss deshalb nicht geändert werden.
  • Der Zustand ”hörbares Klopfen” tritt auf, wenn das Klopfkennzeichensignal 1404 aktiv wird. In diesem Fall (1565) wird der Ausgang ”Abweichung” 1455 auf minus eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 1459 auf null und die Integralverstärkung auf einen kalibrierbaren Wert (1567) wie 0,4. Darüber hinaus wird dem Integrator ein kalibrierbarer negativer Wert hinzugefügt, um die Zündzeiteinstellung nach spät zu verstellen, so dass das Klopfen unterbunden wird und der Zustand A oder B sofort wiederhergestellt wird.
  • Das Grundprinzip der Klopfbegrenzungsregelung besteht darin, den Motor möglichst nah an der Frühzündungsbegrenzung (Frühzündungs-Obergrenze 1458) zu betreiben. Wenn der Motor 161 klopfbegrenzt ist, wird er daher mit unhörbarem Klopfen an der Frühzündungs-Obergrenze betrieben (Fall B, Zeiteinstellung an der Klopfgrenze VOT). Ist der Motor 161 nicht klopfbegrenzt, wird das Zündzeitsignal 1452 mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach früh verstellt, bis die Obergrenze erreicht wird. Wenn der Motor 161 exakt an der Begrenzung für unhörbares Klopfen betrieben wird, bleibt das Frühzündungsbegrenzungssignal 1452 unverändert. Wenn ein hörbares Klopfen auftritt, wird dem PI-Integrator 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 ein Korrekturwert hinzugefügt, um die Zündzeit schnell nach spät zu verstellen und das Klopfen zu unterbinden.
  • Der Vorwärtskopplungs-Klopfbegrenzungsregler 51446 und der adaptive Klopfbegrenzungsregler 51447 legen eine Vorwärtskopplungs-Zündungsbegrenzung fest, die eine Funktion der Motordrehzahl 135 und der Motorlast 1060 darstellt. In der Regel werden die entsprechenden Werte bei der Motorkalibrierung ermittelt. Da der Regler 51447 adaptiv ist, wird die Vorwärtskopplungs-Zündungsbegrenzung anhand des Ausgangs des Adaptivverfahrens so modifiziert, dass Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors usw. ausgeglichen werden. Der adaptive Regler 51447 vergleicht die aktuelle Zündungsbegrenzung mit dem Vorwärtskopplungs-Regelungssignal 51442 bei den aktuellen Motorbetriebsbedingungen (zum Beispiel Motordrehzahl und Motorlast), um das Signal 51442 adaptiv zu korrigieren.
  • Das dritte Subsystem, der Fehlzündungsbegrenzungs-Spätzündungsmanager 1460 (siehe 36), wird zur Regelung des Fehlzündungsverhaltens eingesetzt und umfasst einen Fehlzündungs-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator 1463. Der PI-Regler 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 dieses Subsystems erzeugt ein Frühzündungsbegrenzungssignal. Die vom PI-Regler 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 eingesetzten Integralverstärkungs- und -abweichungssignale werden vom Fehlzündungs-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator 1463 ausgegeben (1572) (siehe 37).
  • Die Zündungsbegrenzung erfolgt nur durch die Integralkomponenten 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 des PI-Reglers. Die Integralverstärkungs- und -abweichungssignale werden vom Abweichungs- und Verstärkungsgenerator 1463 ausgegeben. Wenn eine Fehlzündung auftritt, wird der PI-Integrator 61444 nachgestellt, indem dem aktuellen Integratorregister ein kalibrierbarer Frühzündungswert (positiver Wert) hinzugefügt wird, so dass die Fehlzündung schnell beseitigt wird.
  • Bei den Eingängen des Fehlzündungs-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerators 1463 handelt es sich um das in einer bevorzugten Ausführungsform anhand des Ionisationsstromsignals 100 berechnete Teilverbrennungskennzeichen 1412 und Fehlzündungskennzeichen 1414. Der Generator gibt zwei Signale aus, ”Abweichung” 61455 und ”Verstärkung” 61459, wobei das Signal ”Verstärkung” Proportional- und Integralverstärkungen umfasst. Es wird unter den folgenden drei Zuständen unterschieden: D) das Teilverbrennungskennzeichen 1412 und das Fehlzündungskennzeichen 1414 sind inaktiv, E) das Teilverbrennungskennzeichen 1412 ist aktiv und das Fehlzündungskennzeichen 1414 ist inaktiv und F) das Fehlzündungskennzeichen 1414 ist aktiv.
  • Wenn sowohl das Teilverbrennungskennzeichen 1412 als auch das Fehlzündungskennzeichen 1414 inaktiv ist (1574), wird der Ausgang ”Abweichung” 61455 auf minus eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 61459 auf null und die Integralverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 61459 auf einen kalibrierbaren positiven Wert (1576) wie 0,2. Der Proportionalregelungsausgang 61443 des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 ist also null und der Integralregelungsausgang 61445 ein negativer Wert. Auf diese Weise wird der Regelungsausgang 1462 nach spät verstellt, bis er die Spätzündungs-Obergrenze 1468 erreicht. Wenn der Ausgang 1462 den durch die Obergrenze 1468 und die Untergrenze 1466 definierten Bereichs verlässt, wird der Integrator durch die Nachstellungslogik 61448 so nachgestellt, dass der resultierende Ausgang innerhalb dieses Bereichs liegt.
  • Wenn das Teilverbrennungskennzeichen 1412 aktiv ist und das Fehlzündungskennzeichen 1414 inaktiv (1578), wird der Ausgang ”Abweichung” 61455 auf eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 61459 auf null und die Integralverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 61459 auf einen kalibrierbaren positiven Wert (1580). Der Proportionalregelungsausgang 61443 des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 ist also null und der Integralregelungsausgang 61445 ein positiver Wert. Auf diese Weise wird der Regelungsausgang 1462 nach früh verstellt.
  • Wenn das Fehlzündungskennzeichen 1414 aktiv ist (1582), wird der Ausgang ”Abweichung” 61455 auf eins gesetzt, die Proportionalverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 61459 auf null und die Integralverstärkung des Ausgangs ”Verstärkung” 61459 auf einen kalibrierbaren positiven Wert, der größer ist als in Fall e (1584), zum Beispiel 0,4. Der Proportionalregelungsausgang 61443 des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 ist also null und der Integralregelungsausgang 61445 wird nach früh verstellt. Dem PI-Integrator 61444 wird ein kalibrierbarer positiver Wert hinzugefügt, um den Regelungsausgang 1462 nach früh zu verstellen, so dass der Zustand E oder D sofort wiederhergestellt wird.
  • Das Grundprinzip der Fehlzündungsbegrenzungsregelung besteht darin, ein Zündzeiteinstellungssignal 1462 bereitzustellen, das unmittelbar an der Spätbegrenzung liegt. Der Motor wird daher mit der maximal zulässigen Spätverstellung ohne Fehlzündungen und bei minimaler Teilverbrennung betrieben. Wenn keine Teilverbrennung vorliegt, wird die Zündzeiteinstellung 1462 nach spät verstellt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch die in Zustand D kalibrierte Integralverstärkung bestimmt wird. Wenn eine Teilverbrennung vorliegt, wird die Zündzeiteinstellung 1462 nach früh verstellt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch die in Zustand B definierte Integralverstärkung bestimmt wird. Wenn eine Fehlzündung auftritt, wird dem PI-Integrator 61444 ein Korrekturwert hinzugefügt, um die Zündzeit 1462 schnell nach früh zu verstellen und weitere Fehlzündungen zu verhindern.
  • Der Vorwärtskopplungs-Spätbegrenzungsregler 61446 und der adaptive Spätbegrenzungsregler 61447 legen eine Vorwärtskopplungs-Zündungsbegrenzung fest, die eine Funktion der Motordrehzahl 135 und der Motorlast 1060 darstellt. In der Regel werden die entsprechenden Werte bei der Motorkalibrierung ermittelt. Da der Regler 61447 adaptiv ist, wird die Vorwärtskopplungs-Zündungsbegrenzung anhand des Ausgangs des Adaptivverfahrens so modifiziert, dass Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors usw. ausgeglichen werden. Der adaptive Regler 61447 vergleicht die aktuelle Spätbegrenzung mit der Referenzbegrenzung für die aktuellen Motorbetriebsbedingungen (zum Beispiel Motordrehzahl und Motorlast), um die Vorwärtskopplungs-Spätbegrenzung adaptiv zu korrigieren.
  • In einer zweiten Ausführungsform der Systemarchitektur des MOD-Reglers wird ein Mittelwertverfahren eingesetzt. In dieser Ausführungsform werden anhand der zylinderspezifischen Klopfdaten 1400 und Fehlzündungsdaten 1410 Extrem-Klopfdaten 1406 sowie Extrem-Fehlzündungsdaten 1416 berechnet, die anschließend an den Frühzündungsmanager 1450 und den Spätzündungsmanager 1460 übergeben werden. Die Berechnungen werden von einem Klopfprozessor 1408 und einem Fehlzündungsprozessor 1418 durchgeführt. Darüber hinaus wird das aktuelle MOD-Kriterium 1435 des Motors zur Regelung der Zündzeiteinstellung verwendet (siehe 38).
  • Die Extrem-Klopfdaten 1406 umfassen ein Extrem-Klopfkennzeichen 1407 und ein Extrem-Klopfintensitätssignal 1409. Das Extrem-Klopfkennzeichen 1407 ist aktiv, wenn das Klopfkennzeichen 1404 eines Zylinders während eines Motorzyklus aktiv ist. Das Extrem-Klopfintensitätssignal 1409 entspricht dem Maximum aller Klopfintensitätssignale 1402 für alle Zylinder während eines Motorzyklus.
  • Die Extrem-Fehlzündungsdaten 1416 umfassen ein Extrem-Teilverbrennungskennzeichen 1417 und ein Extrem-Fehlzündungskennzeichen 1419. Wenn während eines Motorzyklus ein Teilverbrennungskennzeichen 1412 oder ein Fehlzündungskennzeichen 1414 aktiv ist, wird das Extrem-Teilverbrennungskennzeichen 1417 oder das Extrem-Fehlzündungskennzeichen 1419 für einen Motorzyklus auf aktiv gesetzt.
  • Der MOD-Regler 1490 des Mittelwertverfahrens weist eine ähnliche Funktion auf wie der MOD-Regler 1430 des zylinderspezifischen Verfahrens (siehe 31 und 38). Beim Mittelwertverfahren wird nur ein PI-Regler 1440, ein Klopfbegrenzungsmanager 1450 und ein Fehlzündungsmanager 1460 eingesetzt, um ein Durchschnitts-MOD-Signal 1480 zur Zündregelung für alle Zylinder zu erzeugen. Ein Unterschied zwischen diesem Verfahren und dem zylinderspezifischen Verfahren besteht darin, dass hier die Extrem-Klopfdaten 1406 und die Extrem-Fehlzündungsdaten 1416 an den Klopfbegrenzungs-Frühzündungsmanager 1450 bzw. den Fehlzündungsbegrenzungs-Spätzündungsmanager 1460 übergeben werden (siehe 38). Als Eingang des MOD-PI-Reglers 1440 dient das aktuelle MOD-Kriterium 1435 für den aktuellen Zylinder. Der Vorteil des Mittelwertverfahrens besteht darin, dass nur ein PI-Regler 1440 für alle Zylinder verwendet wird, so dass die Durchsatzanforderungen verringert werden. Da dieses Verfahren allerdings keine zylinderspezifische Klopf- und Fehlzündungsregelung umfasst, sondern ein Durchschnittssignal 1480 für alle Zylinder eingesetzt wird, erfolgt die Regelung relativ vorsichtig und nicht an der physikalischen Grenze des Motors.
  • In einer dritten Ausführungsform der Systemarchitektur des MOD-Reglers wird ein Mischverfahren eingesetzt. In dieser Ausführungsform werden die zylinderspezifischen Klopfdaten 1400 und Fehlzündungsdaten 1410 an den MOD-PI-Regler 1440 übergeben. Die Zündzeiteinstellung wird bei diesem Verfahren anhand des aktuellen MOD-Kriteriums 1435 des aktuellen Zylinders geregelt (siehe 39).
  • Das gemischte MOD-Regelungsverfahren 1495 wird bei jedem Verbrennungsereignis ausgeführt. Die Klopf- und Fehlzündungsgrenze des aktuellen Zylinders wird durch den Klopfbegrenzungsmanager 1450 bzw. den Fehlzündungsmanager 1460 bestimmt und unter Einsatz des Klopfprozessors 1408 und des Fehlzündungsprozessors 1418 zur PI-Sättigung eingesetzt. Der PI-Integrator wird jedoch mit der Klopf- und Fehlzündungsgrenze des nächsten Zylinders nachgestellt. Wenn der Ausgang durch die Klopf- oder Fehlzündungsgrenze des nächsten Zylinders gesättigt werden kann, wird der Integrator auf den entsprechenden Randwert nachgestellt.
  • Der MOD-Regler des gemischten Verfahrens 1495 (siehe 39) ähnelt dem MOD-Regler des Mittelwertverfahrens (siehe 38). Sowohl beim gemischten Verfahren als auch beim Mittelwertverfahren wird nur ein PI-Regler 1440 eingesetzt. Der Unterschied zwischen diesen Verfahren besteht darin, dass beim Mittelwertverfahren nur ein Klopfmanager 1450 und ein Fehlzündungsmanager 1460 eingesetzt wird und beim gemischten Verfahren mehrere, so dass das ausgegebene Begrenzungssignal 1480 individuelle Klopf- und Fehlzündungsgrenzen aufweist. Der Vorteil des gemischten Verfahrens besteht darin, dass nur ein PI-Regler 1440 für alle Zylinder verwendet wird, so dass die Durchsatzanforderungen verringert werden. Darüber hinaus wird durch den Einsatz mehrerer Klopfmanager 1450 und Fehlzündungsmanager 1460 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimiert.
  • Abschnitt H: Zylinderspezifische Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
  • Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur zylinderspezifischen Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (L/K-Verhältnis) in einem geschlossenen Regelkreis 1300 und unter Auswertung eines Ionisationssignals 100. Ein zylinderspezifisches Ionisationssignal 100 wird eingesetzt, um die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD) für den betreffenden Zylinder zu berechnen. Anhand der berechneten MOD-Daten 1320 wird anschließend in einem geschlossenen Regelkreis 1300 das L/K-Verhältnis für den Zylinder berechnet. Die Regelung basiert auf der Beziehung zwischen den MOD-Daten und dem L/K-Verhältnis. Darüber hinaus wird ein Adaptivverfahren zur Modifizierung (bzw. Aktualisierung) des Vorwärtskopplungs-Logikblocks der vorliegenden Erfindung eingesetzt.
  • Die zylinderspezifische L/K-Verhältnis eines Verbrennungsmotors 161 variiert aufgrund der Tatsache, dass der Luftstrom durch das Ansaugrohr nicht gleichmäßig auf die einzelnen Zylinder verteilt wird, und zwar selbst dann nicht, wenn das globale L/K-Verhältnis (das heißt das durchschnittliche L/K-Verhältnis aller Zylinder) stöchiometrisch ist. Die unterschiedlichen L/K-Verhältnisse der Zylinder haben unter anderem Auswirkungen auf den Emissionsausstoß, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, die Leerlaufstabilität sowie die NVH-Merkmale (Noise, Vibration, Harshness = Geräusche, Vibrationen und Rauheit) des Kraftfahrzeugs.
  • Bei der erfindungsgemäßen zylinderspezifischen Regelung des L/K-Verhältnisses wird das MOD-Kriterium zum Ausgleichen der L/K-Verhältnisse der Zylinder eingesetzt. Das MOD-Kriterium wird entweder anhand des Ionisationssignals bestimmt (siehe Abschnitt F, ”Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment mit Ionisationssignalauswertung”) oder anhand des Zylinderinnendrucksignals (siehe Abschnitt J, ”Bestimmung der MOD-Einstellung anhand der Nettodruckbeschleunigung des Verbrennungsvorgangs”).
  • Diese Erfindung ist ein Subsystem eines Zünddiagnose- und -regelungssystems mit Ionisationsstrom-Rückkopplung (siehe 13). In 13 ist dieses Subsystem mit dem Bezugszeichen 1300 gekennzeichnet. Wenn der Motor 161 in der Nähe der MOD-Einstellung betrieben wird, ist das anhand des Zylinderinnendrucksignals oder des Ionisationssignals 100 berechnete MOD-Kriterium eine Funktion des L/K-Verhältnisses des Motors 161. Wenn das L/K-Verhältnis magerer wird, wird die MOD-Einstellung nach früh verstellt. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Entwicklung der Flamme bei mageren L/K-Verhältnissen längere Zeit beansprucht. 40 zeigt eine Beispielkurve der Beziehung zwischen MOD-Einstellung und L/K-Verhältnis für einen 2,0-Liter-Vierzylindermotor bei 3.000 U/min und Volllast (VL).
  • Wenn der Motor 161 in der Nähe der MOD-Einstellung betrieben wird, besteht eine entsprechende Beziehung zwischen L/K-Verhältnis und MOD-Einstellung (ermittelt anhand des Ionisationssignals 100 oder des Zylinderinnendrucksignals) auch auf Ebene der einzelnen Zylinder. Die MOD-Einstellung eines Zylinders mit relativ magerem L/K-Verhältnis ist aus den oben beschriebenen Gründen im Vergleich zu Zylindern mit relativ fettem L/K-Verhältnissen nach früh verstellt.
  • 41 zeigt eine Beispielkurve des Verhältnisses zwischen MOD-Daten und L/K-Verhältnis für die einzelnen Zylinder eines 2,0-Liter-Vierzylindermotors bei 1.500 U/min, 2,62 bar mittlerem Arbeitsdruck (MAD), 20% Abgasrückführungsrate (ARF-Rate) und einer Zündzeiteinstellung von 47° vor dem oberen Totpunkt (VOT). Der Motor 161 wird in diesem Beispiel mit einem nahezu stöchiometrischem L/K-Verhältnis von 14,54 betrieben. Das MOD-Kriterium des Zylinders mit dem magersten L/K-Verhältnis (Zylinder 4, L/K-Verhältnis 14,96) ist im betreffenden Beispiel relativ zum durchschnittlichen MOD-Kriterium um 2 Grad nach früh verstellt. Analog hierzu ist das MOD-Kriterium des Zylinders mit dem fettesten L/K-Verhältnis (Zylinder 3, L/K-Verhältnis 14,13) relativ zum durchschnittlichen MOD-Kriterium um 1 Grad nach spät verstellt.
  • 42 zeigt die zylinderspezifische Beziehung zwischen L/K-Verhältnis und MOD-Kriterien für das bereits in 41 dargestellte Beispiel. Wie in 42 dargestellt wird, ist die Beziehung zwischen L/K-Verhältnis und MOD-Kriterien im Allgemeinen linear, obwohl die verwendeten Daten zylinderspezifisch sind. 42 zeigt, dass auch auf Ebene der einzelnen Zylinder eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen den MOD-Daten und dem L/K-Verhältnis besteht, wenn der Motor in der Nähe der MOD-Einstellung betrieben wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Beziehung zum Ausgleichen der L/K-Verhältnisse der einzelnen Zylinder eingesetzt. Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Regler eingesetzt, um den Kraftstoff für die einzelnen Zylinder so einzustellen, dass das MOD-Kriterium für alle Zylinder identisch ist. Die L/K-Verhältnisse der einzelnen Zylinder werden anhand der in den 40 und 42 dargestellten Beziehungen ausgeglichen. 43 zeigt das erfindungsgemäße Regelungsverfahren für das Ausgleichen der L/K-Verhältnisse der einzelnen Zylinder.
  • Dieses Regelungsverfahren umfasst die folgenden sieben Logikblöcke bzw. Schritte: a) Berechnen eines durchschnittlichen MOD-Koeffizienten 1320, b) Berechnen einer Unausgeglichenheitsabweichung 1330, c) Abweichungsintegration der zylinderspezifischen Unterschiede 1340, d) Berechnen zylinderspezifischer Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten 1350, e) Skalieren der zylinderspezifischen Kraftstoffregelungskoeffizienten 1360, f) adaptives Aktualisieren der Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten 1370 und g) Berechnen der zylinderspezifischen End-Kraftstoffregelungskoeffizienten 1380. Das Regelungsverfahren der vorliegenden Erfindung gleicht die uneinheitlichen L/K-Verhältnisse der einzelnen Zylinder aus. (Diese Uneinheitlichkeit wird durch Faktoren wie motorspezifische Unterschiede oder ungleichmäßigen Luftstrom verursacht.) Wenn der Motor klopfbegrenzt oder fehlzündungsbegrenzt ist, wird dieser Regler deaktiviert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Regelungsverfahren bei jedem Motorzyklus einmal ausgeführt, so dass die MOD-Daten für jeden Zylinder aktualisiert werden.
  • Als Eingänge des vorliegenden Regelungsverfahrens dienen die MOD-Kriterien, die anhand des in Abschnitt F, ”Robustes Mehrkriterienverfahren zur Berechnung der Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment mit Ionisationssignalauswertung”, beschriebenen Verfahrens ermittelt wurden. Der Ausgang des erfindungsgemäßen Regelungssystems 1300 wird als Multiplikator für eine zylinderspezifische Kraftstoffanweisung verwendet, um die L/K-Verhältnisse der einzelnen Zylinder zu korrigieren. Nachfolgend werden die sieben Schritte bzw. Funktions- oder Logikblöcke des Regelungssystems 1300 des vorliegenden Verfahrens und Systems (siehe 44) beschrieben.
  • Im ersten Schritt wird ein durchschnittlicher MOD-Koeffizient berechnet 1320. Der Ausgang der anhand eines Zylinderinnendrucksignals oder anhand eines Ionisationssignals durchgeführten MOD-Berechnung wird in Grad nach dem oberen Totpunkt (NOT) angegeben und kann als Vektor dargestellt werden, dessen Größe der Anzahl der Zylinder entspricht. Das MOD-Kriterium PMOD(i) wird anhand der in Abschnitt F beschriebenen MOD-Berechnung ermittelt, wobei der Index i für die Zylindernummer steht. Das durchschnittliche MOD-Kriterium für alle Zylinder kann anhand der folgenden Formel berechnet werden: PMOD-DURCH = 1/nΣPMOD(i), (Gleichung 1) 1320
  • Hierbei steht n für die Anzahl der Zylinder und PMOD(i) wird von 1 bis n aufsummiert.
  • Im zweiten Schritt wird eine Unausgeglichenheitsabweichung 1330 berechnet. Die durch die Unausgeglichenheit der Zylinder verursachte Abweichung des MOD-Koeffizienten PMOD-ABW(i) wird durch Subtrahieren des durchschnittlichen MOD-Koeffizienten PMOD-DURCH vom MOD-Kriterium PMOD(i) berechnet: PMOD-ABW(i) = PMOD(i) – PMOD-DURCH, I = 1, 2, ..., n (Gleichung 2) 1330
  • Im dritten Schritt wird eine Abweichungsintegration der zylinderspezifischen Unterschiede 1340 durchgeführt. Die Integration der MOD-Abweichung, das heißt die zylinderspezifische MOD-Koeffizienten-Integrationsabweichung ABWMOD(k + 1), kann anhand der folgenden Gleichung berechnet werden: ABWMOD(k + 1) = K1·(ABWMOD(k) + PMOD-ABW(k)], (Gleichung 3) 1340
  • Hierbei gilt: k ist ein Zeitstufenindex, der für den Motorzyklus k steht, PMOD-ABW(k) ist der durch Schritt b beim Motorzyklus k ermittelte Abweichungsvektor, K1 ist der Integralverstärkungskoeffizient, der typischerweise einen Wert von 0,001 aufweist und als Kalibrierkoeffizient für das erfindungsgemäße Regelungsverfahren eingesetzt werden kann.
  • Im vierten Schritt werden die zylinderspezifischen Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten 1350 berechnet. Der Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizient KRVK (jedes Element steht für einen Zylinder) ist der Ausgang einer Verweistabelle 1352. Es handelt sich hierbei um eine Funktion der Motordrehzahl und Motorlast. Aufgrund der Geometrie des Ansaugrohrs ändert sich die Unausgeglichenheit der Zylinder bei Änderungen des Luftdurchsatzes. Diese Schwankung wird anhand der Verweistabelle 1352 ausgeglichen. Der kombinierte Kraftstoffregelungskoeffizient wird als Roh-Kraftstoffregelungskoeffizient KRROH bezeichnet und durch Addieren der Integration der MOD-Abweichung ABWMOD und des Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten KRVK 1350 berechnet: KRROH = ABWMOD + KRVK, (Gleichung 4) 1350
  • Wenn der Motor 161 mit anomalen Verbrennungsbedingungen (zum Beispiel Klopfen, Fehlzündung/Teilverbrennung usw.) betrieben wird, wird das MOD-Kriterium nicht für die Regelung der L/K-Verhältnisse berechnet, da die MOD-Berechnung 1353 unter diesen Bedingungen nicht zuverlässig ist. In diesem Fall wird der integrierte Wert nicht aktualisiert, und der Roh-Kraftstoffregelungskoeffizient KRROH wird auf den Wert des Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten KRVK 1354 gesetzt.
  • 45 zeigt ein Beispiel der im Speicher 112 gespeicherten Verweistabelle 1352. Bei dem Speicher kann es sich um RAM- oder ROM-Speicher handeln. Auf der Vertikalachse wird die in 12 Inkremente unterteilte Motordrehzahl im Bereich von 650 U/min (Leerlauf) bis 6.500 U/min (Nenndrehzahl) angegeben, und auf der Horizontalachse die normalisierte Motorlast in 10 Inkrementen von 0 bis 1. Die Verweistabelle 1352 enthält für jede in dieser Matrix erfasste Kombination von Motordrehzahl und Motorlast den Wert des Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizienten KRVK. In der Regel wird die Verweistabelle 1352 bei der Motorkalibrierung erstellt.
  • Im fünften Schritt werden die zylinderspezifischen Kraftstoffregelungskoeffizienten skaliert 1360. Die Summierung des Roh-Kraftstoffregeiungskoeffizienten KRROH muss nicht der Anzahl der Zylinder entsprechen, um einen unveränderten Kraftstoffdurchsatz zu gewährleisten. Dies wird vielmehr mit Hilfe einer Skalierung 1360 des Roh-Kraftstoffregelungskoeffizienten KRROH erzielt. Das Ergebnis dieser Skalierungsoperation ist der skalierte Kraftstoffregelungskoeffizient KRSKALIERT: KRSKALIERT(k) = (n·KRROH(k))/(ΣKRROH(k)), (Gleichung 5) 1360
  • Hierbei steht der Index k für den Zylinder k, n steht für die Anzahl der Zylinder und KRROH(k) wird von 1 bis n aufsummiert. Der skalierte Kraftstoffregelungskoeffizient KRSKALIERT wird also berechnet, indem das Produkt aus Roh-Kraftstoffregelungskoeffizient KRROH und Anzahl der Zylinder des Motors 161 durch die Summe aller Roh-Kraftstoffregelungskoeffizienten KRROH für alle Zylinder des Motors dividiert wird 1360.
  • Durch diesen Schritt wird gewährleistet, dass der Kraftstoffdurchsatz eines Motorzyklus dem Sollwert entspricht und zum Ausgleichen der einzelnen Zylinder angepasst wird. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit werden Sättigungsvektoren (Obergrenzen KROB und Untergrenzen KRUNT) auf die Kraftstoffregelungsvektoren der einzelnen Zylinder 1362 angewandt. Bei KROB und KRUNT handelt es sich um Kalibrierkoeffizienten. In der Regel werden die Sättigungsvektoren KROB und KRUNT so gewählt, dass genügend Spielraum bleibt, um das L/K-Verhältnis für alle Zylinder innerhalb eines ausreichenden Variationsbereichs auszugleichen. Typische Werte für KROB und KRUNT sind 0,9 und 1,1. Diese Werte ermöglichen den Ausgleich des L/K-Verhältnisses innerhalb eines Variationsbereichs von 10 Prozent. Wenn ein Element von KRSKALIERT außerhalb des durch KROB und KRUNT definierten Bereichs liegt, wird es auf den entsprechenden Randwert gesetzt, und die verbundenen ungesättigten Elemente werden anhand des Verfahrens von Gleichung 5 so skaliert, dass der durchschnittliche Kraftstoffregelungsvektor der Anzahl der Zylinder des Motors 161 entspricht. Der gesättigte Kraftstoffregelungsvektor wird als End-Kraftstoffregelungsvektor KREND bezeichnet.
  • Nachdem der End-Kraftstoffregelungsvektor KREND durch Skalieren der ungesättigten Elemente von KRSKALIERT berechnet wurde 1364, wird ABWMOD(k + 1), der zylinderspezifische Abweichungsintegrator für den Motorzyklus (k + 1), unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Skalierungs- und Sättigungsverfahrens nachgestellt 1366. Der zylinderspezifische Abweichungsintegrator ABWMOD(k + 1) wird berechnet, indem zunächst der Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizient KRVK vom End-Kraftstoffregelungsvektor KREND subtrahiert wird und die resultierende Differenz durch den Integralverstärkungskoeffizienten K1 dividiert wird: ABWMOD(k + 1) = [KREND(k + 1) – KRVK(k + 1)]/K1, (Gleichung 6) 1366
  • Durch das Nachstellen des zylinderspezifischen Abweichungsintegrators ABWMOD(k + 1) 1366 werden Überlauf- und Rücklaufbedingungen verhindert.
  • Im sechsten Schritt wird der Vorwärtskopplungs-Kraftstoffregelungskoeffizient adaptiv aktualisiert 1370. In einer bevorzugten Ausführungsform modifiziert bzw. aktualisiert die adaptive Komponente des Regelungsverfahrens die Vorwärtskopplungs-Verweistabelle 1352 anhand der aktuellen Motorbetriebsbedingungen 1372 (Motordrehzahl und Motorlast). Wenn der Betriebszustand des Motors in der Nähe einer Stützstelle der Verweistabelle liegt, berechnet der adaptive Algorithmus den neuen Stützstellenwert KRS: KRSNEU(k) = KRSALT(k) + ABWMOD(k)
  • Hierbei gilt: k steht für den Motorzyklus, KRSNEU(k) steht für den aktualisierten Stützstellenwert und KRSALT(k) steht für den bisherigen Stützstellenwert. Das Ziel dieses Schritts besteht darin, dass das Vorwärtskopplungssignal den End-Kraftstoffregelungskoeffizienten bereitstellt, wenn das L/K-Verhältnis für alle Zylinder ausgeglichen ist.
  • Im siebten Schritt wird der zylinderspezifische End-Kraftstoffregelungskoeffizient berechnet 1380. Die End-Kraftstoffanweisung (KRSTEND) für jeden Zylinder wird berechnet, indem die Kraftstoffanweisung (KRSTANW) mit dem End-Kraftstoffregelungskoeffizienten KREND des entsprechenden Zylinders multipliziert wird: KRSTEND(i) 140 = KRSTANW·KREND(i), i = 1, 2, ..., n (Gleichung 7) 1380
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden die in 43 dargestellten Schritte (bzw. Anweisungen) in einer im Speicher 111 befindlichen Software oder Firmware 107 gespeichert. (Siehe das in 46 dargestellte Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Regelung des L/K-Verhältnisses.) Die Schritte werden von einem Steuergerät 121 durchgeführt. Bei dem Speicher 111 kann es sich um RAM- oder ROM-Speicher handeln, und der Speicher kann sich innerhalb oder außerhalb des Steuergeräts 121 befinden. Bei dem Steuergerät 121 kann es sich um einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder ein anderes digitales oder analoges Verarbeitungssystem handeln. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Steuergerät 121 um ein Motorsteuergerät 121.
  • Das Motorsteuergerät 121 empfängt ein Ionisationssignal 100 von einem Ionisationsdetektor 10 und führt die im Speicher 111 gespeicherten Anweisungen 107 aus, um ein gewünschtes L/K-Verhältnis für jeden Zylinder zu bestimmen. Anschließend übergibt das Motorsteuergerät 121 die Anweisung für den gewünschten Kraftstoffdurchsatz 975 an einen Kraftstoff-Steuerungsmechanismus, bei dem es sich zum Beispiel um eine Kraftstoff-Einspritzdüse 151 des Motors 161 handeln kann.
  • Abschnitt I: Regelung der Abgasrückführung mit Ionisationssignalauswertung
  • Die NOx-Emissionen eines Verbrennungsmotors 161 können durch eine Rückführung der Abgase effektiv verringert werden. In herkömmlichen Systemen wird die externe Abgasrückführung (ARF) in der Regel anhand von Kennfelddaten kalibriert. Hierbei werden die gewünschten ARF-Raten für unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen (zum Beispiel Motordrehzahl und Motorlast) bestimmt. Die ARF-Rate beeinflusst die Emissionen und die Verbrennungsstabilität des Motors. Um die NOx-Emissionen möglichst stark zu reduzieren, ohne den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen, ist eine hohe ARF-Rate erforderlich; allerdings kann eine zu hohe ARF-Rate zu einem instabilen Verbrennungsvorgangs führen. Daher ist es in bestimmten Fällen wünschenswert, eine möglichst hohe ARF-Rate bei stabiler Verbrennung zu erzielen. Die gewünschte ARF-Rate wird bei ungeregelten Systemen sehr vorsichtig kalibriert, denn diese Systeme bieten keine ausreichende Robustheit gegenüber Faktoren wie motorspezifische Unterschiede, Alterung des Motors, unterschiedliche Motorbetriebsbedingungen usw. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Regler eingesetzt, um die externe Abgasrückführung so einzustellen, dass Kraftstoffverbrauch und Emissionsausstoß minimiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die interne Abgasrückführung durch das Regelungssystem 1600 eingestellt.
  • Da die Abgasrückführung zu einer Reduzierung der Flammengeschwindigkeit und zu einer Verlangsamung des Verbrennungsvorgangs führt, wird sie nicht eingesetzt, wenn der Motor bei Schwachlast oder im Leerlauf betrieben wird. Die Abgasrückführung ist besonders effektiv, wenn unter Teillastbedingungen der Pumpverlust durch eine größere Drosselklappenöffnung reduziert wird. Für den Verbrennungsvorgang ist eine größere Drosselklappenöffnung ebenfalls vorteilhaft.
  • Da bei Volllast der Pumpverlust minimal ist und das Ausgangsdrehmoment die Priorität darstellt, wird die Abgasrückführung unter Volllastbedingungen nicht eingesetzt. Bei herkömmlichen, ungeregelten Systemen werden aufwendige Kalibrierverfahren eingesetzt, um die gewünschte ARF-Rate für unterschiedliche Teillastbedingungen festzulegen. Wenn die Abgasrückführung und die Zündzeiteinstellung in einem offenen Regelkreis erfolgen, wird die gewünschte ARF-Rate in der Regel zu vorsichtig eingestellt, so dass keine optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeit erzielt wird. Darüber hinaus wird die ARF-Rate 1610 typischerweise anhand der Stellung des ARF-Ventils 1620 gesteuert. Da das ARF-Ventil mit zunehmendem Alter des Motors 161 durch die Abgasablagerungen immer stärker verunreinigt wird, kann die erzielte ARF-Rate stark von der gewünschten abweichen.
  • Bei diesem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD-Einstellung) oder Klopfbegrenzung anhand des Ionisationssignals 100 und des Regelungssystems 1600 der Abgasrückführung bereitgestellt, so dass die durch die Abgasrückführung erzielte Kraftstoffwirtschaftlichkeit optimiert wird.
  • Die Abgasrückführung wird zu zwei Zwecken eingesetzt: 1) Verringerung der NOx-Emissionen und 2) Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei gegebenem NOx-Emissionsniveau. Die Bildung von NOx hängt von zwei Faktoren ab: Zum einen muss genügend Sauerstoff zum Oxidieren der Stickstoffmoleküle verfügbar sein, und zum anderen muss eine ausreichend hohe Temperatur vorliegen, um die NOx-Bildung zu beschleunigen. Das in den Verbrennungsraum zurückgeführte Abgas agiert als Inertgas und nimmt die Hitze der Verbrennungsreaktion auf, so dass die Verbrennungstemperatur durch den ARF-Verdünnungseffekt verringert wird. Durch diese niedrigere Temperatur wird die NOx-Bildung verlangsamt. Je höher die ARF-Rate, das heißt je größer das Volumen des in den Motor zurückgeführten Abgases im Verhältnis zum Volumen der Frischluft, desto stärker wird die NOx-Bildung unterdrückt.
  • Bei aktiver Abgasrückführung strömt weniger Frischluft in den Verbrennungsraum, da das heiße Abgas ein größeres Volumen beansprucht. Dies führt zu einem dünneren Luft/Kraftstoff-Gemisch (das heißt zu einem Verdünnungseffekt), da weniger Sauerstoff in den Zylinder strömen kann. Um eine gegebene Lastanforderung zu erfüllen, muss die Drosselklappenöffnung vergrößert werden, so dass der durch die Abgasrückführung angestiegene Ansaugrohrdruck ausgeglichen und der Luftstrom auf dem ohne Abgasrückführung erzielten Niveau gehalten wird. Die größere Drosselklappenöffnung führt nicht nur zu einem reduzierten Pumpverlust, sondern aufgrund der durch den größeren Ansaugrohrdruck erhöhten Turbulenz auch zu einem schnelleren Verbrennungsvorgang.
  • Der durch die erhöhte Turbulenz erzielten Beschleunigung des Verbrennungsvorgangs steht eine Verlangsamung der Verbrennung durch den mit der Abgasrückführung verbundenen Verdünnungseffekt entgegen. Bei zunehmender Erhöhung der ARF-Rate 1610 überwiegen die Auswirkungen des Verdünnungseffekts, so dass die Verbrennung allmählich verlangsamt wird. Wenn die Abgasrückführung in den Verbrennungsraum ein bestimmtes Niveau übersteigt, wird die Verbrennung instabil. Deshalb muss die ARF-Rate so geregelt werden, dass die Verringerung der NOx-Emissionen nicht mit einer Instabilität des Verbrennungsvorgangs einhergeht.
  • Ein Indikator der Verbrennungsstabilität ist die bei zunehmender Instabilität der Verbrennung wachsende Kovarianz des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (KOV IMAD). Um eine optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen, muss eine möglichst starke Abgasrückführung ohne Verringerung der Verbrennungsqualität erzielt werden. In herkömmlichen Systemen wird die Kovarianz des indizierten mittleren Arbeitsdrucks anhand eines Zylinderinnendrucksignals berechnet. Bei Serienmotoren ist dieses Verfahren zur Messung der Verbrennungsstabilität aufgrund eines Mangels an produktionsreifen, preiswerten und zuverlassigen Zylinderinnendrucksensoren problematisch. Bei der vorliegenden Erfindung wird daher ein durch das Ionisationssignal 100 erzeugtes Verbrennungsstabilitätskriteriums eingesetzt, um die ARF-Rate 1610 zu maximieren und eine optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei gegebenem Emissionsniveau zu erzielen.
  • Bei zunehmender ARF-Rate 1610 wird die Zündzeit nach früh verstellt, um durch eine längere Verbrennungsdauer die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren, das heißt die Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment (MOD-Einstellung) zu erzielen. Wenn die Zündzeiteinstellung nicht klopfbegrenzt ist, nimmt die MOD-Einstellung bei wachsender ARF-Rate 1610 zu. Mit zunehmender Verbrennungsdauer wird die Verbrennung allerdings zunehmend instabil. Wenn der Bereich von 0 bis 90% der Brenndauer mehr als 70 Grad Kurbelwinkel beansprucht, erreicht die Verbrennungsinstabilität in der Regel ein nicht akzeptierbares Niveau. Unter diesen Bedingungen nimmt der Kraftstoffverbrauch aufgrund der verringerten Verbrennungsqualität zu. Mit zunehmender ARF-Rate nehmen aufgrund des unverbrannten Kraftstoffs außerdem die Kohlenwasserstoffemissionen zu. Die Instabilitätsgrenze wird erreicht, wenn die MOD-Einstellung über einen bestimmten Wert hinaus (typischerweise 40 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt) nach früh verstellt wird. Um dies zu verhindern, wird die ARF-Rate 1610 so eingestellt, dass die MOD-Einstellung unterhalb eines kalibrierbaren Werts liegt (zum Beispiel 40 Grad vor dem oberen Totpunkt). Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Kalibrierung sehr vorsichtig erfolgt da die tatsächliche ARF-Rate 1610 aufgrund von Faktoren wie Alterung des Motors usw. variiert.
  • Der ARF-Regler 1600 verwendet die Beziehung zwischen der ARF-Einstellung des Motors und der Kovarianz des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (KOV IMAD). In der Regel gelten Werte von KOV IMAD unter 3% als Indikator guter Verbrennung. Wenn die ARF-Rate erhöht wird, nimmt mit der MOD-Einstellung auch der Wert von KOV IMAD zu (siehe 47). Nimmt KOV IMAD einen Wert von über 3% ein, liegt die MOD-Einstellung ca. 43 Grad vor dem oberen Totpunkt (VOT) und die ARF-Rate 1610 bei ca. 20%.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird anstelle von KOV IMAD die MOD-Einstellung als Maß der maximalen Verdünnungsrate (ARF-Rate 1610) eingesetzt. In 47 wird die Korrelation zwischen KOV IMAD und der MOD-Einstellung für einen 2,0-Liter-Vierzylindermotor bei 1.500 U/min und 2,62 bar mittlerem Arbeitsdruck (MAD) dargestellt.
  • Wenn Abgas in einen Zylinder zurückgeführt wird, steigt die Anfangstemperatur der unverbrannten Mischung aufgrund der hohen Abgastemperatur. Die unverbrannte Mischung neigt daher verstärkt zu Selbstzündungen, so dass der Motor unter Umständen klopft. Aus diesem Grund wird bei zunehmender ARF-Rate gegebenenfalls eine Klopfbegrenzung der MOD-Einstellung erforderlich. Da bei zunehmender ARF-Rate die Mischung immer heißer und das Klopfen immer stärker wird, wird die Zündzeiteinstellung nach spät verstellt, um das Klopfen zu unterbinden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
  • Da durch eine erhöhte ARF-Rate andererseits der Pumpverlust reduziert wird, wird die optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei einer ARF-Rate 1606 erzielt, die ein wenig oberhalb der Klopfbegrenzten ARF-Rate 1608 liegt (siehe 48). Da eine direkte Messung der ARF-Rate sehr kostspielig ist, werden bei der vorliegenden Erfindung durch ein Ionisationssignal 100 erzeugte MOD-Kriterien eingesetzt, um die bevorzugte Klopfbegrenzte Zündzeiteinstellung zu berechnen. Wenn der Motor aufgrund der Abgasrückführung klopfbegrenzt ist, wird er mit einer relativ zur MOD-Einstellung 1612 spätverstellten Einstellung betrieben. Die Spätverstellung wird als MOD-Offset 1614 bezeichnet und durch das MOD-Kriterium quantifiziert (siehe 48). Die ARF-Rate wird gemäß der Klopfbegrenzten Zündzeiteinstellung verringert.
  • Beim vorliegenden Verfahren wird also zunächst ermittelt, ob der Motor 161 klopfbegrenzt ist (siehe 50). Wenn die ARF-Rate 1610 nicht klopfbegrenzt ist, wird eine optimale ARF-Rate 1606 eingestellt, so dass der Motor 161 an der Abgasrückführungs-MOD-Einstellungsbegrenzung (ARF-MOD-Einstellungsbegrenzung) betrieben wird (1607). Wenn die ARF-Rate hingegen klopfbegrenzt ist, wird eine Klopfbegrenzte ARF-Rate 1608 eingestellt, so dass der Motor 161 mit einer Spätverstellten MOD-Einstellung betrieben wird (1609). Die Spätverstellte MOD-Einstellung wird anhand eines kalibrierbaren MOD-Kriteriums ermittelt. Die Differenz zwischen der Spätverstellten MOD-Einstellungsbegrenzung und der ARF-MOD-Einstellungsbegrenzung wird als MOD-Offset 1614 bezeichnet.
  • 49 ist ein Blockdiagramm des zur Maximierung der Verdünnungsrate eingesetzten ARF-Reglers 1600. Dieser Regler ist eine Komponente des in Abschnitt C beschriebenen Regelungssystems mit Ionisationssignalauswertung. Der ARF-Regler 1600 kooperiert mit dem MOD-Regler 1430, 1490, 1495. Der Regler 1600 weist fünf Eingänge und sieben Logikblöcke bzw. Logikbauelemente auf. Der Ausgang des Reglers 1600 ist die ARF-Ventil-Anweisung 1630. Nachfolgend wird die Funktion der fünf Eingangssignale (Motordrehzahl 135, Motorlast 1060, Klopfkennzeichen 1404, MOD-Einstellung 1480 und MOD-Abweichung 1438) beschrieben.
  • Bei der aktuellen Motordrehzahl 135 handelt es sich um die gefilterte stationäre Motordrehzahl. Die Motorlast 1060 wird als Prozentsatz der Maximallast, der Kraftstoffzufuhr oder des indizierten mittleren Arbeitsdrucks (IMAD) berechnet. Das Klopfkennzeichen 1404 wird durch den MOD-Regler 1430, 1490, 1495 ermittelt. (Siehe Abschnitt G, ”MOD-Regelung mit Ionisationsrückkopplung”.) Wenn das Klopfkennzeichen 1404 bzw. die Klopfintensität 1402 den Zustand ”Klopfen” oder ”unhörbares Klopfen” meldet, erkennt der Klopfbegrenzungsmanager 1450, dass der Motor klopfbegrenzt ist. Das MOD-Einstellungssignal 1480 wird ebenfalls durch den MOD-Regler 1430, 1490, 1495 ermittelt (siehe Abschnitt G). Wenn der Absolutwert der Abweichung 1438 des MOD-Kriteriums unter einem kalibrierbaren Wert liegt, wird die aktuelle Zündzeiteinstellung als MOD-Einstellung bewertet. Der Regler 1600 verwendet eine gefilterte MOD-Einstellung. Bei der MOD-Abweichung 1438 handelt es sich um die Abweichung des MOD-Reglers 1430, 1490, 1495. Das zylinderspezifische MOD-Kriterium 1435 wird anhand eines unter Einsatz eines Parameterberechnungsverfahren erzeugten Ionisationssignals 100 oder Zylinderinnendrucksignals berechnet (siehe Abschnitte F und J). Dieser Parameter gibt an, ob die aktuelle Zündzeiteinstellung vor oder nach der MOD-Einstellung 1612 für den betreffenden Zylinder liegt. Die MOD-Abweichung 1438 wird gefiltert, um den verbrennungsspezifischen Ungleichmäßigkeitsfaktor zu eliminieren.
  • Nachfolgend wird die Funktionalität der einzelnen Logikblöcke bzw. Logikbauelemente beschrieben (ARF-MOD-Begrenzungstabelle 1640, PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator 1650, PI-Regler 1660, Vorwärtskopplungstabelle für ARF-Raten 1670, adaptive ARF-Raten-Anpassungseinheit 1680, Sättigungsmanager 1690 und ARF-Ventil-Regler).
  • Die ARF-MOD-Begrenzungstabelle 1640 weist die Eingänge Motordrehzahl 135 und Motorlast 1060 auf und wird als Verweistabelle eingesetzt. Diese Tabelle kann in RAM- oder ROM-Speicher bzw. auf Band, CD oder anderen digitalen oder analogen Speichervorrichtungen gespeichert werden. Jeder Punkt der Verweistabelle kann kalibriert werden, indem die ARF-Rate 1610 für die jeweilige Motordrehzahl 135 und Motorlast 1060 bestimmt wird (siehe Schritt 1700 in 51a). Die Verweistabelle übergibt ein mit einem Verbrennungsstabilitätskriterium wie KOV IMAD korrelierendes Signal zur empfohlenen ARF-MOD-Einstellungsbegrenzung 1642 an den PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator 1650 (1710). Anhand eines Kriteriums für die gewünschte Verbrennungsstabilität (zum Beispiel KOV IMAD unter 2,5%) kann eine MOD-Einstellungsbegrenzung bestimmt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator 1650 um einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder ein anderes Verarbeitungssystem handeln. Dieses Logikbauelement kann bei den Motorzuständen ”klopfbegrenzt” und ”nicht klopfbegrenzt” arbeiten. Bei welchem dieser Zustände der PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator arbeitet, wird anhand des Klopfkennzeicheneingangs 1404 bestimmt (1720). Das Ausgangssignal 1652 des PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerators 1650 umfasst die (proportionalen und integralen) Ausgänge PI_Verstärkung des PI-Reglers 1660 sowie die Eingangsabweichung PI_Abweichung des PI-Reglers 1660. Die Proportionalverstärkung wird stets auf null gesetzt.
  • Beim Zustand ”klopfbegrenzt” werden die PI-Verstärkung und die PI-Abweichung anhand des MOD-Abweichungseingangs 1438 berechnet. Im ersten Schritt dieser Berechnung wird ermittelt, ob die MOD-Abweichung 1438 unterhalb einer kalibrierbaren MOD-Spätbegrenzung (zum Beispiel 3 Grad) liegt (1730). Wenn die MOD-Abweichung 1438 geringer ist als die kalibrierbare MOD-Spätbegrenzung, liegt die Zündzeiteinstellung unterhalb der Offset-MOD-Einstellung. Daher kann die ARF-Rate erhöht werden, bis die klopfbegrenzte ARF-Rate 1608 erreicht wird (siehe 48).
  • Wenn die MOD-Abweichung 1438 unterhalb einer kalibrierbaren MOD-Spätbegrenzung liegt, so dass eine höhere ARE-Rate erforderlich ist, wird die PI-Abweichung auf eins gesetzt und die Integralverstärkung der PI-Verstärkung auf einen kalibrierbaren Wert wie 0,1 (1732). Als Ergebnis wird der PI-Regelungsausgang 1662 und somit auch die ARF-Rate 1610 erhöht.
  • Wenn die MOD-Abweichung 1438 größer/gleich der kalibrierbaren MOD-Spätbegrenzung ist, liegt die Zündzeiteinstellung oberhalb der Offset-MOD-Einstellung. Die ARE-Rate ist in diesem Fall zu verringern, bis die Zündzeiteinstellung der Offset-MOD-Einstellung oder der ARF-MOD-Einstellung entspricht. Daher kann die ARE-Rate verringert werden, bis die klopfbegrenzte ARF-Rate 1608 erreicht wird (siehe 48).
  • Wenn die MOD-Abweichung 1438 oberhalb einer kalibrierbaren MOD-Spätbegrenzung liegt, so dass eine niedrigere ARF-Rate erforderlich ist, wird die PI-Abweichung auf minus eins gesetzt und die Integralverstärkung der PI-Verstärkung auf einen kalibrierbaren Wert (1734). Als Ergebnis wird der PI-Regelungsausgang 1662 und somit auch die ARE-Rate 1610 verringert.
  • Beim Zustand ”nicht klopfbegrenzt” wird das PI-Abweichungs- und -Verstärkungs-Ausgangssignal 1652 anhand des MOD-Signals 1480 des MOD-Reglers 1440, 1490, 1495 erzeugt. Im ersten Schritt wird ermittelt, ob das MOD-Signal 1480 unter der ARF-MOD-Zündbegrenzung liegt (1735). Ist dies der Fall, wird die PI-Abweichung auf eins gesetzt und die Integralverstärkung der PI-Verstärkung auf einen kalibrierbaren Wert. Als Ergebnis wird der PI-Regelungsausgang 1662 und somit auch die ARF-Rate 1610 erhöht, bis eine optimale ARF-Rate 1606 erzielt wird. Wenn das MOD-Signal 1480 größer/gleich der ARF-MOD-Begrenzung ist, wird die PI-Abweichung auf minus eins gesetzt und die Integralverstärkung der PI-Verstärkung auf einen kalibrierbaren Wert (1739). Als Ergebnis wird der PI-Regelungsausgang 1662 und somit auch die ARF-Rate 1610 verringert, bis die optimale ARF-Rate 1606 erzielt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerator 1660 um einen Prozessor, einen Mikroprozessor oder ein anderes Verarbeitungs- oder Steuerungssystem handeln. Wie bereits erwähnt, dient das Ausgangssignal 1652 des PI-Abweichungs- und -Verstärkungsgenerators 1650 als Eingang des PI-Reglers 1660. Dieses Ausgangssignal 1652 umfasst die (proportionalen und integralen) Ausgänge PI_Verstärkung des PI-Reglers 1660 sowie die Eingangsabweichung PI_Abweichung des PI-Reglers 1660 (1740). Der Ausgang 1662 des PI-Reglers 1660 ist die Summe aus Proportional- und Integralregelungsausgang. Der Proportionalregelungsausgang ist das Produkt aus PI-Abweichung und Proportionalverstärkung (1742), und der Integralregelungsausgang ist das Produkt aus Integralverstärkung und Integration der PI-Abweichung (1744).
  • Ein innovatives Merkmal dieses Reglers besteht darin, dass der integrierte Wert nachgestellt wird, wenn der kombinierte Ausgang (Vorwärtskopplungsausgang und PI-Ausgang) gesättigt ist. Wenn diese Bedingung eintritt, wird der PI-integrierte Wert so nachgestellt, dass der kombinierte Ausgang dem gesättigten Wert entspricht (siehe unten), um Überlauf- und Rücklaufbedingungen zu vermeiden.
  • Die Vorwärtskopplungstabelle für ARF-Raten 1670 ist eine Funktion der Motordrehzahl 135 und Motorlast 1060. Die Tabelle 1670 kann erstellt werden, indem der maximalen ARF-Rate 1610 des Motors ein Kriterium für zufrieden stellende Verbrennungsstabilität (zum Beispiel KOV IMAD) zugeordnet wird 1750 (siehe 51b). Die Genauigkeit dieses Zuordnungsverfahrens kann durch die adaptive ARF-Raten-Anpassungseinheit 1680 korrigiert werden (siehe unten). Die Tabelle kann in RAM- oder ROM-Speicher bzw. auf Band, CD oder anderen digitalen oder analogen Speichervorrichtungen gespeichert werden. Der Ausgang der Tabelle 1670 ist eine Vorwärtskopplungs-ARF-Rate 1672 (1752), die durch einen Summierer 1663 zum Ausgang 1662 des PI-Reglers 1660 hinzugefügt wird, um ein Signal für die gewünschte ARF-Rate 1664 zu erzeugen (1754).
  • Wie bereits erwähnt, vergleicht die adaptive ARF-Raten-Anpassungseinheit 1680 die gewünschte ARF-Rate 1664 mit einer Referenz-ARF-Rate, die anhand der als Eingang der Anpassungseinheit 1680 eingesetzten aktuellen Betriebsbedingungen (Motordrehzahl 135 und Motorlast 1060) des Motors 161 berechnet wird (1756). (In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das adaptive System 1680 daher einen Prozessor und einen Komparator.) Das adaptive System 1680 erzeugt ein Korrekturwertsignal 1682 für die Vorwärtskopplungstabelle 1670 (1758). Wenn der Motor über ein kalibrierbares Zeitintervall bei den aktuellen Betriebsbedingungen läuft, wird der aktualisierte Wert für die betreffenden Betriebsbedingungen an die Vorwärtskopplungstabelle 1670 übergeben, um die Werte in der Tabelle 1670 adaptiv zu korrigieren. Das adaptive System 1680 bildet zusammen mit der Vorwärtskopplungstabelle für ARF-Raten 1670 die Rückkopplungskomponente des Regelungssystems 1600.
  • Der Sättigungsmanager 1690 ist ein Logikbauelement, das eine Ober- und Untergrenze für die zulässige gewünschte maximale ARF-Rate 1610 festlegt. Der Integralausgang des PI-Reglerausgangs 1662 wird nachgestellt, wenn das kombinierte Ausgangssignal 1664 (Vorwärtskopplungsausgang 1672 und PI-Ausgang) gesättigt ist (1760), das heißt, wenn die gewünschte ARF-Rate außerhalb des durch diese Ober- und Untergrenze definierten Bereichs liegt. Wenn diese Bedingung eintritt, wird der PI-integrierte Wert so nachgestellt, dass der kombinierte Ausgang dem gesättigten Wert entspricht 1692. Die Untergrenze liegt in der Regel bei null, und die Obergrenze hängt von verschiedenen Faktoren wie der maximalen Öffnung des ARF-Ventils, dem Druckunterschied zwischen Abgaskrümmer und Ansaugrohr usw. ab. Die Obergrenze kann auch als Funktion der Betriebsbedingungen des Motors 161 festgelegt werden.
  • Der ARF-Ventil-Regler 1695 wandelt die gewünschte ARF-Rate 1664 durch Ausgeben einer ARF-Ventil-Anweisung 1630 in eine gewünschte Ventilöffnung 1620 um (1764). Aufgrund des geschlossenen Regelkreises ist für diese Umwandlung eine wesentlich geringere Präzision erforderlich als bei herkömmlichen, ungeregelten ARF-Systemen.
  • Abschnitt J: Bestimmung der MOD-Einstellung anhand der Nettodruckbeschleunigung des Verbrennungsvorgangs
  • Die Bestimmung der MOD-Einstellung (Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment) für verschiedene Motorbetriebsbedingungen erfordert eine aufwendige Kennfelderstellung. Bekannte Verfahren zur Steuerung der MOD-Einstellung (zum Beispiel Punkt des maximalen Drucks, Punkt der Verbrennung von 50% des Massenanteils und Druckverhältnismanagement) basieren auf der Überwachung von Drucksignalen und erfordern einen gewissen Kalibrieraufwand.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Zündzeiteinstellung anhand der Maximalbeschleunigung der durch die Verbrennung in einem Zylinder entstehenden Nettodruckzunahme geregelt. Wenn die Maximalbeschleunigung des Nettodrucks beim oberen Totpunkt (OT) auftritt, entspricht die Zündzeit der MOD-Einstellung. Die vorliegende Erfindung vereinfacht die Zündzeiteinstellung und ermöglicht eine zuverlässigere Ermittlung der MOD-Einstellung.
  • Die MOD-Einstellung wird auch als Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment oder als Zündzeiteinstellung für maximales Drehmoment bezeichnet. Wenn die Zündzeiteinstellung bei einer gegebenen Motorbetriebsbedingung nicht klopfgegrenzt oder aufgrund einer bestimmten Bedingung verzögert ist, gibt es stets eine optimale Einstellung, bei der mit einer gegebenen Menge eines Luft/Kraftstoff-Gemischs die maximale Arbeit erbracht wird. In einem vereinfachten Modell des Verbrennungszyklus erfolgt die Verbrennung verzögerungsfrei, und die Zündung, die Entwicklung des Flammenkerns sowie die Ausbreitung der Flamme finden gleichzeitig statt. Idealerweise findet die Verbrennung am oberen Totpunkt statt. In der Realität erstreckt sich die Verbrennung jedoch über ein bestimmtes Zeitintervall, und die MOD-Einstellung ist das Ergebnis der durch die Kolbenbewegung verursachten ständigen Änderung des Verbrennungsraumvolumens und des tatsächlichen nichtidealen Verbrennungsvorgangs.
  • Herkömmlicherweise wird die MOD-Einstellung anhand von Funkendurchläufen ermittelt. Sofern nicht aufgrund bestimmter Betriebszustände eine Spätverstellung erforderlich ist, muss für jeden Kalibrierpunkt anhand eines Funkendurchlaufs ermittelt werden, ob der Motor mit der MOD-Einstellungsbedingung betrieben werden kann. Anderenfalls ist eine bestimmte Sicherheitsspanne zur Vermeidung von Frühzündungen und Klopfen erforderlich. Bei der Kennfelderstellung im offenen Regelkreis kann nur mit sehr großem Aufwand eine zufrieden stellende Kalibrierung erzielt werden.
  • In den letzten Jahren wurden verschiedene auf Messungen des Zylinderdrucks oder der Funkenionisation basierende Regelungsverfahren für die Zündzeiteinstellung vorgestellt. Durch Auswertung umfangreicher Testdaten wurde ermittelt, dass bei MOD-Einstellung der Punkt des maximalen Drucks in der Regel bei ca. 15 Grad nach dem oberen Totpunkt (NOT) liegt und der Punkt der Verbrennung von 50% des Massenanteils zwischen 7 und 9 Grad NOT. Bei dem in SAE 2000-01-0932 publizierten Algorithmus beträgt der Zielwert des Druckverhältnismanagements (DVM) für die MOD-Einstellung 0,55. Da die Kriterien auf Messungen basieren und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen variieren können, ist für jeden Algorith mus ein gewisser Kalibrieraufwand erforderlich. Es ist offensichtlich, dass der Verbrennungsvorgang auf die Änderungen des Zylindervolumens abgestimmt werden muss, um das optimale Drehmoment zu erzielen. Hingegen gibt es keine schlüssige Theorie, die erklärt, warum der Punkt des maximalen Drucks bei ca. 15 Grad NOT liegt, der Punkt der Verbrennung von 50% des Massenanteils bei ca. 8 Grad NOT und der DVM-Wert für die MOD-Einstellung bei ca. 0,55.
  • Eine Verbrennung ist kein rein chemischer Vorgang, sondern auch ein physikalischer Vorgang. Verbrennungsvorgänge in einem Verbrennungsmotor werden in der Regel anhand der Verbrennung des Massenanteils (VMA) gegen den Kurbelwinkel beschrieben. Die Verbrennung des Massenanteils gibt nicht nur die Menge der chemischen Energie an, die während einer Verbrennung bei jedem Kurbelwinkel freigesetzt wird, sondern auch die Geschwindigkeit dieser Energiefreisetzung. Die VMA-Kurve weist eine charakteristische S-Form auf und verläuft von Beginn bis Ende des Verbrennungsvorgangs von null zu eins. 52 zeigt die Verbrennung des Massenanteils sowie ihre erste und zweite Ableitung. Die erste Ableitung dient als Maß der Wärmefreisetzungsrate bzw. der Verbrennungsgeschwindigkeit, und die zweite Ableitung dient als Maß der Beschleunigung des Verbrennungsvorgangs. Nach der Funkenentladung beginnt die Bildung des Flammenkerns. Wenn der Flammenkern stabil wird, entwickelt er sich sehr schnell und der Verbrennungsvorgang erreicht den Punkt der Maximalbeschleunigung. Anschließend beginnt die Phase der schnellen Verbrennung, und nach Erreichen der maximalen Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit wird der Verbrennungsvorgang verlangsamt und erreicht schließlich den Punkt der maximalen Verzögerung. Da die Verbrennung sich über ein bestimmtes Zeitintervall erstreckt und das Volumen des Verbrennungsraums sich ständig ändert, kann die Ausrichtung dieser kritischen Punkte gegen den Kurbelwinkel entscheidenden Einfluss auf die während des Verbrennungsvorgangs erbrachte Arbeit haben. Wenn die Mischung zu früh gezündet wird, erzeugt die durch die Wärmefreisetzung vor dem OT verursachte Druckzunahme negative Arbeit. Wird die Mischung zu spät gezündet, werden die Volumenvorteile beim oder kurz nach dem OT nicht genutzt. Daher ist es zum Erzielen des optimalen Drehmoments bei einer bestimmten Zündzeiteinstellung von entscheidender Bedeutung, bei welchem Kurbelwinkel die Zündung erfolgt.
  • Die Verbrennung des Massenanteils wird in der Regel anhand des 1938 vorgestellten Rassweiler-Withrow-Verfahrens ermittelt, indem die Druckwerte gemessen werden. Hierbei wird das Volumen des Verbrennungsraums bei der Verbrennung als Referenz verwendet und die Nettodruckzunahme bei jedem Kurbelwinkel für den gesamten Verbrennungsvorgang berechnet. Anschließend wird der Druck anhand der maximalen Druckzunahme zum Ende der Verbrennung normalisiert. Bei diesem Verfahren wird der während der Verbrennung auftretende Wärme- und Mischungsverlust nicht berücksichtigt. Jeder prozentuale Druckanstieg steht für die Verbrennung eines prozentualen Massenanteils.
  • Anstelle der Verbrennung des Massenanteils wird beim vorliegenden Verfahren die Nettodruckänderung sowie ihre erste und zweite Ableitung eingesetzt, um Distanz, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Verbrennung zu bestimmen. Der Nettodruck wird wie folgt abgeleitet:
    Bei jedem Kurbelwinkel nach der Zündung wird der Druck P(i + 1) mit dem Druck beim vorherigen Kurbelwinkel P(i) vergleichen. Die Differenz zwischen diesen Druckwerten besteht aus zwei Teilen. Ein Teil des Druckunterschieds wird durch die Volumenänderung verursacht und kann anhand der folgenden Differenz bestimmt werden: P(i)·(V(i)/V(i + 1))1,3 – P(i). Hierbei wird die Annahme zugrunde gelegt, dass eine isentrope Komprimierung oder Ausdehnung erfolgt. Der andere Teil des Druckunterschieds resultiert aus der Verbrennung zwischen den zwei Kurbelwinkeln: P(i + 1) – P(i)·(V(i)/V(i+ 1))1,3. Diese Differenz wird für das Volumen V(i) berechnet. Um den Nettodruck ohne Berücksichtigung der Volumenänderung seit dem Zündzeitpunkt zu ermitteln, wird die ermittelte Differenz mit dem Volumen beim Zündzeitpunkt verglichen, so dass die während der Verbrennung auftretende Volumenänderung nicht berücksichtigt wird. Die Nettodruckänderung zwischen zwei Kurbelwinkeln wird somit wie folgt berechnet: dP(i) = (P(i + 1) – P(i)·(V(i)/V(i + 1))1,3)·V(i)/VZÜND
  • Der Nettodruck bei jedem Kurbelwinkel wird schließlich wie folgt bestimmt: PNETTO(i) = PNETTO(i – 1) + dP(i)
  • Hierbei gilt: P ist der Druck, V das Volumen und VZÜND das Volumen des Verbrennungsraums beim Zündzeitpunkt. Wenn der Nettodruck des gesamten Verbrennungsvorgangs ermittelt wurde, dienen dessen erste und zweite Ableitung als Maß der Geschwindigkeit und Beschleunigung von Nettodruck und Verbrennungsvorgang (siehe 53). Nach der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der ARF-Rate ändern sich die maximale Geschwindigkeit und die maximale Beschleunigung mit der Zündzeiteinstellung nicht mehr in großem Umfang. Das Ergebnis des Verbrennungsvorgangs hängt davon ab, wo die maximale Beschleunigung und die maximale Geschwindigkeit erzielt wird. Bei der vor dem oberen Totpunkt (VOT) erzeugten Arbeit handelt es sich um Leerlaufarbeit, die gegen die Kolbenbewegung wirkt und Wärme erzeugt. Diese Arbeit ist zwar erforderlich, um die Flammenbildung und die weitere Entwicklung der Flamme zu ermöglichen, die Nutzarbeit allerdings wird nach dem oberen Totpunkt (NOT) geleistet. In den 52 und 53 wird deutlich, dass die Maximalbeschleunigung des Verbrennungsvorgangs relativ früh erreicht wird, was darauf schließen lässt, dass die frühe Flammenentwicklung zu diesem Zeitpunkt abgeschlossen ist. Wenn der Punkt der Maximalbeschleunigung vor dem OT liegt, wird während eines Teils der Phase der schnellen Verbrennung keine Nutzarbeit geleistet. Liegt der Punkt der Maximalbeschleunigung hingegen nach dem OT, ist das Zylindervolumen während der Phase der schnellen Verbrennung relativ groß, so dass der Verbrennungswirkungsgrad nicht optimal ist. Daher sollte die Phase der schnellen Verbrennung exakt beim oberen Totpunkt einsetzen, so dass der größte Wirkungsgrad bei der Erzeugung der Nutzarbeit erzielt wird. Dies bedeutet, dass die erbrachte Arbeit maximiert und die MOD-Einstellung erzielt wird, wenn die Zündzeit so weit nach früh verstellt wird, dass der Punkt der Maximalbeschleunigung beim oberen Totpunkt liegt.
  • 54 zeigt das Drehmoment bei unterschiedlichen Zündzeiteinstellungen für 2.500 U/min und 7,86 bar MAD, und 55 zeigt die entsprechenden Kurven für die Nettodruckbeschleunigung bei unterschiedlichen Zündzeiteinstellungen. In 54 wird deutlich, dass die MOD-Einstellung bei 28 Grad VOT liegt. Die in 55 gezeigten Punkte der Maximalbeschleunigung wandern mit zunehmender Frühverstellung der Zündzeit in Richtung früh. Bei 28 Grad VOT liegt der Punkt der maximalen Druckbeschleunigung in der Nähe des oberen Totpunkts.
  • Die bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen durchgeführten Tests haben ebenfalls erwiesen, dass die MOD-Einstellung erzielt wird, wenn der Punkt der Maximalbeschleunigung beim oberen Totpunkt liegt. Diese Regel gilt für Verbrennungsvorgänge mit nur einem Maximum in der Wärmefreisetzungskürve über dem Kurbelwinkel, also zum Beispiel für Motoren mit Einlasskanaleinspritzung sowie für Erdgasmotoren und Direkteinspritzungs-Benzinmotoren mit einmaliger Einspritzung.
  • Die Erfindung wurde in illustrativer Weise anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehen ist, da für den Fachmann ersichtlich ist, dass Modifikationen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne den im Umfang der aufgeführten Ansprüchen und deren Entsprechungen liegenden Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Berechnung einer Mindestzeiteinstellung für optimales Drehmoment einer fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine basierend auf einem zylinderinternen Ionisationssignal, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend: a. Erfassen des Ionisationsstromsignals als Funktion einer Kurbelwinkels, b. Ermitteln einer Wellenform des Ionisationsstromsignals, c. Auswählen eines Algorithmus zur Ermittelung eines optimalen Zündzeitpunkts PMOD aus einer Menge vorgegebener Algorithmen auf Basis der ermittelten Wellenform des Ionisationsstromsignals, d. Ermitteln der Winkellagen eines oder mehrerer der folgenden Punkte im erfassten Ionisationsstromsignal, die einen Verbrennungsvorgang charakterisieren: i. P163: Punkt einer maximalen Flammenbeschleunigung (163), der durch den ersten Wendepunkt nach dem ersten Maximum (162) des Ionisationsstromsignals gegeben ist, ii. P165: Punkt einer maximalen Wärmefreisetzung (165), der durch den letzten Wendepunkt vor dem zweiten Maximum (166) des Ionisationsstromsignals gegeben ist, iii. P166: Lage des Maximums eines zweiten Peaks (166) des Ionisationsstromsignals, und e. Ermitteln des optimalen Zündzeitpunkts PMOD auf Basis des ausgewählten Algorithmus und der ermittelten Winkellagen.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei einer der vorgegebenen Algorithmen die folgenden Schritte umfasst: a. Berechnen einer ersten Differenz durch Subtrahieren einer Winkellage P50%VERBR des Punkts der 50%igen Verbrennung von der Winkellage P165 des Punkts der maximalen Wärmefreisetzung (165); b. Berechnen einer zweiten Differenz durch Subtrahieren einer Winkellage PZDM des Punkts des maximalen Zylinderdrucks von der Winkeltage P166 des Maximums (116) des zweiten Peaks des Ionisationsstromsignals während des Verbrennungsprozesses; c. Berechnen einer Summe durch Addieren der ersten Differenz, der zweiten Differenz und der Winkellage P163 des Punkts der maximalen Flammenbeschleunigung; und d. Dividieren der Summe durch drei.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei einer der vorgegebenen Algorithmen die folgenden Schritte umfasst: a. Berechnen einer ersten Differenz durch Subtrahieren der Winkellage P50%VERBR des Punkts der 50%igen Verbrennung von der Winkellage P165 des Punkts der maximalen Wärmefreisetzung (165); b. Berechnen einer zweiten Differenz durch Subtrahieren der Winkellage PZDM des Punkts des maximalen Zylinderdrucks von der Winkellage P166 des Maximums (116) des zweiten Peaks des Ionisationsstromsignals während des Verbrennungsprozesses; c. Berechnen einer Summe durch Addieren der ersten Differenz, der zweiten Differenz; und d. Dividieren der Summe durch zwei.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei einer der vorgegebenen Algorithmen den Schritt des Gleichsetzens der Winkellage P163 des Punkts der maximalen Flammenbeschleunigung mit dem optimalen Zündzeitpunkt PMOD umfasst.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Winkellage P50%VERBR des Punkts der 50%igen Verbrennung und der Wert der Winkellage PZDM des Punkts des maximalen Zylinderdrucks einer Verweistabelle entnommen werden, die abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors ist.
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