DE112014001770T5

DE112014001770T5 - Verfahren und System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE112014001770T5
Application number: DE112014001770.1T
Authority: DE
Inventors: Kenan Muric; Ola Stenlåås
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2016-01-14
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: WO2014175820A1; SE537305C2; SE1350508A1; BR112015024987A2; DE112014001770B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (101), wobei der Verbrennungsmotor (101) mindestens einen Brennraum (201) und Elemente (202) für die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Brennraum (201) umfasst, wobei die Verbrennung in dem Brennraum (201) in Verbrennungszyklen auftritt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass während eines ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus mindestens ein erster Parameterwert, der sich auf eine physikalische Größe für die Verbrennung in dem Brennraum (201) bezieht, bestimmt wird, – auf Grundlage des ersten Parameterwerts eine Darstellung einer entstehenden Druckamplitude während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus nach einem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus in dem Brennraum (201) geschätzt wird und – auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude die folgende Verbrennung gesteuert wird, wobei die folgende Verbrennung aus einem folgenden Teil nach dem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus besteht. Die Erfindung betrifft außerdem ein System und ein Fahrzeug.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein System und ein Fahrzeug sowie auf ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, die das Verfahren gemäß der Erfindung ausführen.
Hintergrund der Erfindung
Die nachstehende Beschreibung des Hintergrunds ist eine Beschreibung des Hintergrunds der Erfindung und muss somit nicht unbedingt Stand der Technik darstellen.
In Bezug auf Fahrzeuge im Allgemeinen und mindestens auf einige große Schwerlastfahrzeuge insbesondere entwickelt sich das Streben nach Kraftstoffeffizienz und reduzierten Abgasemissionen konstant weiter. Da für den Staat Verschmutzung und Luftqualität zunehmend eine Rolle spielen, wurden in vielen Ländern Emissionsnormen und -richtlinien für Abgase von Verbrennungsmotoren erlassen. Bei Schwerlastfahrzeugen, wie z. B. Frachtfahrzeugen, Bussen und dergleichen, hat die Fahrzeugindustrie im Laufe der Zeit einen immer größeren Einfluss auf die Rentabilität des Unternehmens gewonnen, in dem das Fahrzeug verwendet wird. Die Hauptkostenpunkte für die Unterhaltung eines Fahrzeugs bestehen neben den Anschaffungskosten des Fahrzeugs und dem Einkommen des Fahrzeugfahrers in den Kosten für Instandsetzung und Wartung sowie für den Kraftstoff zum Antreiben des Fahrzeugs. Somit ist es innerhalb jedes dieser Bereiche wichtig, zu versuchen, die Kosten so weit wie möglich zu reduzieren.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen ökonomischen Aspekten/Umweltaspekten gibt es auch zusätzliche Aspekte, die bei der Konstruktion von Fahrzeugen in Betracht gezogen werden sollten. Beispielsweise ist vielleicht insbesondere bei Schwerlastfahrzeugen Fahrkomfort wichtig und wird auch oft viel Arbeit in die Fahrerumgebung investiert, unter anderem Arbeit in Verbindung mit Lärmkomfort, d. h. Minimierung/Optimierung von hauptsächlich unerwünschten Geräuschen/Lärm, denen der Fahrer ausgesetzt ist, wenn er das Fahrzeug fährt, wobei laute oder anderweitig störende Geräusche eine negative Wirkung auf das Fahrverhalten des Fahrers haben können, z. B. durch Verursachung von Stress und/oder Ermüdungserscheinungen.
Ein anderer Aspekt ist der Lärm, den das Fahrzeug in seiner Umgebung emittiert, d. h., wie die Bewegung des Fahrzeugs in der Umgebung, in der das Fahrzeug gefahren wird, akustisch wahrgenommen wird. Beispielsweise kann es auch Gesetze und Bestimmungen in dieser Hinsicht geben, die zugelassene Lärmemissionen von Fahrzeugen regulieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Steuern eines Verbrennungsmotors. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors, bei dem der Verbrennungsmotor mindestens einen Brennraum und Elemente für die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Brennraum umfasst und bei dem die Verbrennung in dem Brennraum in Verbrennungszyklen auftritt. Das Verfahren ist durch Folgendes gekennzeichnet:

– während eines ersten Teils eines ersten Verbrennungszyklus wird mindestens ein erster Parameterwert bezüglich einer physikalische Größe für Verbrennung in dem Brennraum bestimmt,
– auf Grundlage des ersten Parameterwerts wird eine Darstellung einer entstehenden Druckamplitude während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus nach dem ersten Teil des Verbrennungszyklus und in dem Brennraum, wie beispielsweise eine maximale Druckamplitude, geschätzt,
– auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude wird die folgende Verbrennung gesteuert, wobei die folgende Verbrennung aus einem folgenden Teil des ersten Verbrennungszyklus nach dem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus besteht.

Wie vorstehend erwähnt, ist der Lärm, der beim Fahren des Fahrzeugs erzeugt wird und der oft als stark unerwünschter Lärm betrachtet wird, ein wichtiger Parameter nicht nur bei der Bemühung, eine gute Fahrerumgebung zu erreichen, sondern auch unter dem Aspekt der Umgebung, in der das Fahrzeug gefahren wird.
Bekannterweise gibt es viele Quellen von Geräuschen und Lärm in Fahrzeugen und ist eine Hauptquelle der Verbrennungsmotor. Der Lärm, den ein Verbrennungsmotor erzeugt, hängt in großem Ausmaß von der Verbrennung im Brennraum des Verbrennungsmotors und in erster Linie von der Art, auf die sich der Druck während der Verbrennung ändert, ab. Der entstehende Lärm hängt zumindest teilweise von der maximalen Druckamplitude ab, d. h. dem maximalen Druck, der während der Verbrennung entsteht. Lärm kann auch als ein Ergebnis von Druckänderungen und insbesondere, wenn der Druck schnell zunimmt, entstehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennung in Bezug auf den Druckpegel, der bei der Verbrennung entsteht, gesteuert, z. B. durch eine Steueraktion, deren Ziel die Beschränkung des maximalen Drucks ist, der bei der Verbrennung (Verbrennungszyklus) entstehen kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird auch die Art, auf die sich der Druck während der Verbrennung ändert, insbesondere während einer laufenden Druckzunahme, und insbesondere durch eine Steueraktion, deren Ziel die Beschränkung der maximalen Geschwindigkeit der bei der Verbrennung entstehenden Druckänderung ist, gesteuert.
Die Steuerung der Verbrennung kann so eingerichtet sein, dass sie individuell für jeden Zylinder ausgeführt wird, und die Verbrennung kann für einen folgenden Verbrennungszyklus auf Grundlage von Information von einem oder mehreren vorherigen Verbrennungszyklen gesteuert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Darstellung der maximalen Druckamplitude, die als Ergebnis während eines Verbrennungszyklus erwartet wird, vorhergesagt, so dass die Verbrennung in einem folgenden Verbrennungszyklus auf Grundlage dieser Schätzung gesteuert wird, und kann die Steueraktion in dem folgenden Verbrennungszyklus so angepasst werden, dass z. B. eine unerwünschte hohe Druckamplitude vermieden wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine laufende Verbrennung während eines Verbrennungszyklus so gesteuert, dass die Erfindung eine Steuerung eines laufenden Verbrennungsprozesses schafft, bei der die Steueraktion während einer laufenden Verbrennung ausgeführt werden kann, um z. B. die Entstehung einer unerwünscht hohen Druckamplitude zu vermeiden.
Die Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann während eines ersten Teils eines Verbrennungszyklus, z. B. wenn der Verbrennungszyklus gestartet wurde, durch das Bestimmen eines Parameterwerts erreicht werden, der sich auf eine physikalische Größe für die Verbrennung bezieht, z. B. einen Druck, der im Brennraum herrscht. Auf Grundlage dieses Parameterwerts, z. B. eines herrschenden Drucks, kann ein erwarteter maximaler Druck (maximale Druckamplitude) für einen folgenden Teil des ersten Verbrennungszyklus dann mittels einer Schätzung vorhergesagt werden, wobei die Verbrennung während eines folgenden Teils des Verbrennungszyklus in Bezug auf die erwartete maximale Druckamplitude gesteuert werden kann. Der erste Parameterwert bildet somit eine Darstellung einer tatsächlich herrschenden Bedingung für die physikalische Größe bei einer Zeit/Kurbelwinkelposition, wenn der erste Verbrennungszyklus initiiert wurde, und gemäß einer Ausführungsform bei einer Zeit/Kurbelwinkelposition, wenn die Verbrennung von Kraftstoff initiiert wurde. Der Parameterwert, der dem erstem Parameterwert entspricht, kann auch so eingerichtet sein, dass er bei einer Anzahl von Zeiten/Kurbelwinkelpositionen, nachdem die Verbrennung von Kraftstoff während des ersten Verbrennungszyklus initiiert wurde, zur Verwendung in Verbindung mit Steuerung während des ersten Verbrennungszyklus bestimmt wird. Gemäß einer Ausführungsform wird auch eine erwartete maximale Druckzunahmegeschwindigkeit geschätzt, so dass die Steuerung auch in Bezug auf letztere ausgeführt werden kann. Der erste Parameterwert kann durch die Verwendung von Sensorelementen, z. B. Drucksensorelementen, bestimmt werden.
Die Verbrennung kann z. B. durch Bestimmen einer Einspritzstrategie für die Anwendung bei einer folgenden Einspritzung während des Verbrennungszyklus gesteuert werden, wobei eine erwartete maximale Druckamplitude bei der Bestimmung einer Einspritzstrategie geschätzt werden kann, wobei eine Einspritzstrategie – z. B. eine Einspritzungsstrategie von mehreren Einspritzstrategien – ausgewählt werden kann, wobei eine Einspritzstrategie ausgewählt wird, von der nicht erwartet wird, dass sie zu einer unerwünschten Druckentwicklung während der Verbrennung führt. Beispielsweise kann eine Einspritzstrategie ausgewählt werden, von der erwartet wird, dass sie zu einer maximalen Druckamplitude unterhalb eines anwendbaren Schwellenwert für die Druckamplitude führt, wobei ein solcher Schwellenwert einen anwendbaren maximalen Druck beträgt, von dem z. B. erwartet wird, dass er zu einem emittierten Geräuschpegel führt, der wiederum unterhalb eines anwendbaren Geräuschpegels liegt, oder ein anderes Kriterium erfüllt, das sich auf die Emission von Lärm bezieht.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. mittels einer oder mehrerer FPGA(Field Programmable Gate Array)-Schaltungen und/oder einer oder mehrerer ASIC(Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung)-Schaltungen oder anderer Arten von Schaltungen umgesetzt werden, die die erwünschte Berechnungsgeschwindigkeit bewältigen können.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung und Vorteile davon werden in der ausführlichen Beschreibung von nachstehend dargelegten beispielhaften Ausführungsformen und in den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt schematisch ein Fahrzeug, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
1B zeigt eine Steuervorrichtung in dem Steuersystem für das in 1A gezeigte Fahrzeug.
2 zeigt den Verbrennungsmotor in dem in 1A gezeigten Fahrzeug genauer.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Beispiel für einen geschätzten Druckverlauf für eine Verbrennung und einen tatsächlichen Druckverlauf bis zu einer ersten Kurbelwinkelposition.
5A–B zeigen ein Beispiel für Regelung in Situationen mit mehr als drei Einspritzungen.
6 zeigt ein Beispiel für MPC.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
1A zeigt ein Diagramm eines Antriebsstrangs in einem Fahrzeug 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor 101, der auf eine übliche Art über eine Abtriebswelle an dem Verbrennungsmotor 101, normalerweise über ein Schwungrad 102, über eine Kupplung 106 mit einem Getriebe 103 verbunden ist.
Der Verbrennungsmotor 101 wird von dem Motorsteuersystem über eine Steuervorrichtung 115 gesteuert. Ebenso kann die Kupplung 106, die aus z. B. einer automatisch gesteuerten Kupplung bestehen kann, sowie auch das Getriebe 103 von dem Steuersystem des Fahrzeugs mittels einer oder mehrerer (nicht gezeigten) anwendbaren Steuervorrichtungen gesteuert werden. Natürlich kann der Antriebsstrang des Fahrzeugs auch von einem anderen Typ, wie z. B. einem Typ mit einem herkömmlichen Automatikgetriebe oder einem Typ mit einem Handschaltgetriebe usw., gesteuert werden.
Eine Abtriebswelle 107 von dem Getriebe 103 treibt die Antriebsräder 113, 114 auf eine übliche Art über das Endgetriebe und Antriebswellen 104, 105 an. 1A zeigt nur eine Welle mit Antriebsrädern 113, 114, aber auf eine übliche Art kann das Fahrzeug mehr als eine Welle umfassen, die mit Antriebsrädern versehen ist, oder eine oder mehrere Zusatzwellen, wie eine oder mehrere Tragwellen. Das Fahrzeug 100 umfasst auch eine Abgasanlage mit einer Nachbehandlungsanlage 200 für die übliche Behandlung (Reinigung) von Abgasemissionen, die sich aus der Verbrennung im Brennraum (z. B. Zylinder) des Verbrennungsmotors 101 ergeben.
Ferner sind Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen vom in 1A gezeigten Typ oft mit steuerbaren Einspritzvorrichtungen versehen, um die erwünschte Kraftstoffmenge zum erwünschten Zeitpunkt in dem Verbrennungszyklus, wie z. B. im Fall von einem Kolbenmotor bei einer bestimmten Kolbenposition (Kurbelwinkelgrad), dem Brennraum des Verbrennungsmotors zuzuführen.
2 zeigt schematisch ein Beispiel für ein Kraftstoffeinspritzsystem für den Verbrennungsmotor 101, der in 1A beispielhaft gezeigt ist. Das Kraftstoffeinspritzsystem besteht aus einem so genannten Common-Rail-System, aber die Erfindung ist gleichermaßen für andere Arten von Einspritzsystemen anwendbar. 2 zeigt nur einen Zylinder/Brennraum 201 mit einem Kolben 203, der im Zylinder aktiv ist, aber der Verbrennungsmotor 101 besteht in dem vorliegenden Beispiel aus einem 6-Zylinder-Verbrennungsmotor und kann im Allgemeinen aus einem Motor mit jeglicher Anzahl von Zylindern/Brennräumen bestehen, z. B. jeglicher beliebigen Anzahl von Zylindern/Brennräumen im Bereich von 1–20 oder sogar mehr. Der Verbrennungsmotor umfasst auch mindestens jeweils eine Einspritzvorrichtung 202 für jeden Brennraum (Zylinder) 201. Jede Einspritzvorrichtung wird somit für Einspritzung (Zufuhr) von Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 201 verwendet. Alternativ können zwei oder mehr Einspritzvorrichtungen pro Brennraum verwendet werden. Die Einspritzvorrichtungen 202 werden individuell durch (nicht gezeigte) jeweilige Stellglieder gesteuert, die an den jeweiligen Einspritzvorrichtungen eingerichtet sind, welche auf Grundlage von Steuersignalen, die z. B. von der Steuervorrichtung 115 empfangen werden, das Öffnen/Schließen der Einspritzvorrichtungen 202 steuern.
Die Steuersignale zur Steuerung des Öffnens/Schließens der Einspritzvorrichtungen 202 durch die Stellglieder können von einer anwendbaren Steuervorrichtung erzeugt werden, wie in diesem Beispiel von der Motorsteuervorrichtung 115. Die Motorsteuervorrichtung 115 bestimmt somit die Kraftstoffmenge, die tatsächlich zu jeder gegebenen Zeit eingespritzt werden soll, z. B. auf Grundlage herrschenden Betriebsbedingungen im Fahrzeug 100.
Das in 2 gezeigte Einspritzsystem besteht somit aus einem so genannten Common-Rail-System, was bedeutet, dass alle Einspritzvorrichtungen (und somit alle Brennräume) mit Kraftstoff von einer gemeinsamem Kraftstoffleitung 204 (Common-Rail) beliefert werden, die unter Verwendung einer Kraftstoffpumpe 205 zur gleichen Zeit mit Kraftstoff aus einem (nicht gezeigten) Kraftstofftank gefüllt wird, wie der Kraftstoff in der Leitung 204, auch mittels der Kraftstoffpumpe 205, mit einem gewissen Druck beaufschlagt wird. Der mit hohem Druck beaufschlagte Kraftstoff in der gemeinsamen Leitung 204 wird dann in den Brennraum 201 des Verbrennungsmotors 101 eingespritzt, wenn die jeweilige Einspritzvorrichtung 202 geöffnet wird. Mehrfaches Öffnen/Schließen einer bestimmten Einspritzvorrichtung kann während ein und desselben Verbrennungszyklus ausgeführt werden, so dass mehrere Einspritzungen während der Verbrennung eines Verbrennungszyklus ausgeführt werden können. Ferner ist jeder Brennraum mit einem jeweiligen Drucksensor 206 für das Senden von Signalen bezüglich eines herrschenden Drucks im Brennraum an z. B. die Steuervorrichtung 115 versehen. Der Drucksensor kann z. B. piezo-basiert sein und sollte z. B. schnell genug sein, um in der Lage zu sein, bei jedem zehnten, jedem fünften oder jedem Kurbelwinkelgrad oder mit einem anderen geeigneten Intervall, z. B. häufiger, Kurbelwinkel-aufgelöste Drucksignale zu senden.
Mittels eines Systems vom in 2 gezeigten Typ kann die Verbrennung während eines Verbrennungszyklus in einem Brennraum in einem großen Maß gesteuert werden, z. B. unter Verwendung von mehrfachen Einspritzungen, wobei die Zeiten und/oder die Dauer der jeweiligen Einspritzungen gesteuert werden können und wobei Daten von z. B. den Drucksensoren 206 in Verbindung mit dieser Steueraktion berücksichtigt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennung für einen folgenden Verbrennungszyklus auf Grundlage eines vorherigen Verbrennungszyklus gesteuert, d. h. die Berechnung von einem vorherigen Verbrennungszyklus wird bei der Steuerung eines folgenden Verbrennungszyklus verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden z. B. die Einspritzzeiten und/oder die Dauer der jeweiligen Einspritzungen und/oder die eingespritzte Kraftstoffmenge während eines laufenden Verbrennungszyklus auf Grundlage von Daten des laufenden Verbrennungszyklus angepasst.
Wie vorstehend erwähnt, hängt der Lärm, den der Betrieb eines Verbrennungsmotors im Allgemeinen erzeugt, in einem großen Maß von der Verbrennung im Brennraum des Verbrennungsmotors und insbesondere von der Art, auf die sich der Druck während der Verbrennung ändert, ab. Gemäß der Erfindung wird die Verbrennung in erster Linie in Bezug auf den Druck gesteuert, der bei der Verbrennung maximal im Brennraum entstehen darf. Gemäß einer Ausführungsform wird auch die maximale Druckableitung bei der Verbrennung gesteuert, d. h. die maximale Geschwindigkeit, mit der sich der Druck ändert und insbesondere der Druck zunimmt.
3 zeigt ein beispielhaftes Verfahren 300 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem das Verfahren gemäß dem vorliegenden Beispiel dafür eingerichtet ist, von der in 1A–B gezeigten Motorsteuervorrichtung 115 ausgeführt zu werden.
Im Allgemeinen bestehen Steuersysteme in modernen Fahrzeugen aus einem Kommunikationsbussystem und aus einem oder mehreren Kommunikationsbussen, um eine Anzahl von elektronischen Steuervorrichtungen (ECU), wie z. B. die Steuervorrichtung oder den Controller 115, und verschiedene an dem Fahrzeug eingerichtete Komponenten zu verbinden. Gemäß dem Stand der Technik kann solch ein Steuersystem eine große Anzahl von Steuervorrichtungen umfassen und kann die Zuständigkeit für eine bestimmte Funktion unter mehr als einer Steuervorrichtung aufgeteilt werden.
Der Einfachheit halber zeigen 1A–B nur die Steuervorrichtung 115, in der die vorliegende Erfindung in der gezeigten Ausführungsform ausgeführt ist. Die Erfindung kann jedoch auch in einer der vorliegenden Erfindung zugeordneten Steuervorrichtung oder gänzlich oder teilweise in einer oder mehreren anderen Steuervorrichtungen, die bereits in dem Fahrzeug existieren, ausgeführt sein. Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit, mit der Berechnungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, kann die Erfindung dafür eingerichtet sein, in einer Steuervorrichtung ausgeführt zu werden, die besonders für Echtzeitberechnungen vom nachstehend beschriebenen Typ angepasst ist. Die Umsetzung der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, dass z. B. ASIC und FPGA-Lösungen für Berechnungen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind und mit ihnen gut zurechtkommen.
Die Funktion der Steuervorrichtung 115 (oder der Steuervorrichtung(en), mit denen die vorliegende Erfindung ausgeführt ist) gemäß der vorliegenden Erfindung kann außer von den Sensorsignalen von dem Drucksensor 202 z. B. von Signalen von anderen Steuervorrichtungen oder Sensoren abhängen. Im Allgemeinen sind Steuervorrichtungen vom gezeigten Typ normalerweise eingerichtet, um Sensorsignale sowohl von verschiedenen Teilen des Fahrzeugs als auch von verschiedenen am Fahrzeug eingerichteten Steuervorrichtungen zu empfangen.
Die Steuerung wird oft von programmierten Anweisungen gesteuert. Diese programmierten Anweisungen bestehen normalerweise aus einem Computerprogramm, das, wenn es in einem Computer oder einer Steuervorrichtung ausgeführt wird, bewirkt, dass der Computer/die Steuervorrichtung die erwünschte Steueraktion als einen Verfahrensschritt in dem Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung ausführt.
Das Computerprogramm besteht normalerweise aus einem Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogrammprodukt ein anwendbares Speichermedium 121 (siehe 1B) umfasst, wobei das Computerprogramm in dem Speichermedium 121 gespeichert ist. Das digitale Speichermedium 121 kann z. B. aus irgendeinem aus der folgenden Gruppe bestehen: ROM (Festwertspeicher), PROM (programmierbarer Festwertspeicher), EPROM (löschbarer PROM), Flash, EEPROM (elektrisch löschbarer PROM), Festplatteneinheit usw. und kann in der oder in Verbindung mit der Steuervorrichtung eingerichtet sein, wo das Computerprogramm von der Steuervorrichtung ausgeführt wird. Durch Ändern der Anweisungen des Computerprogramms kann das Verhalten des Fahrzeugs somit in einer bestimmten Situation eingestellt werden.
Eine beispielhafte Steuervorrichtung (Steuervorrichtung 115) ist schematisch in 1B gezeigt und die Steuervorrichtung kann wiederum eine Berechnungseinheit 120 umfassen, die aus z. B. einer geeigneten Art von Prozessor oder Mikrocomputer, z. B. einer Schaltung für digitale Signalverarbeitung (digitaler Signalprozessor, DSP), einer oder mehrerer FPGA(Field Programmable Gate Array)-Schaltungen oder einer oder mehrerer Schaltungen mit einer vorbestimmten speziellen Funktion (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung, ASIC), bestehen kann. Die Berechnungseinheit 120 ist mit einer Speichereinheit 121 verbunden, die der Berechnungseinheit 120 z. B. den gespeicherten Programmcode und/oder die gespeicherten Daten liefert, die die Berechnungseinheit 120 benötigt, um in der Lage zu sein, Berechnungen auszuführen. Die Berechnungseinheit 120 ist auch dafür eingerichtet, Zwischen- oder Endergebnisse von Berechnungen in der Speichereinheit 121 zu speichern.
Ferner ist die Steuervorrichtung mit Vorrichtungen 122, 123, 124, 125 zum Empfangen und Senden von Eingangs- und Ausgangssignalen versehen. Diese Eingangs- und Ausgangssignale können Wellenformen, Impulse oder andere Attribute enthalten, die als Information für die Verarbeitung von der Berechnungseinheit 120 durch die Vorrichtungen 122, 125 zum Empfang von Eingangssignalen detektiert werden können. Die Vorrichtungen 123, 124 für Sendeausgangssignale sind eingerichtet, um das Berechnungsergebnis von der Berechnungseinheit 120 in Ausgangssignale zur Übertragung an andere Teile des Steuersystems des Fahrzeugs und/oder die Komponente(n), für die die Signale vorgesehen sind, umzuwandeln. Jede der Verbindungen zu den Vorrichtungen zum Empfangen und Senden von Eingangs- und Ausgangssignalen kann aus einem oder mehreren der folgenden Elemente: Kabel; Datenbus, wie beispielsweise ein CAN(Controller Area Network)-Bus, MOST(Media Oriented Systems Transport)-Bus oder jegliche andere Buskonfiguration; oder einer drahtlosen Verbindung bestehen.
Wieder mit Bezug auf das in 3 gezeigte Verfahren 300 beginnt das Verfahren bei Schritt 301, in dem bestimmt wird, ob die erfindungsgemäße Steuerung des Verbrennungsprozesses ausgeführt werden sollte. Die erfindungsgemäße Steuerung kann z. B. so eingerichtet sein, dass sie kontinuierlich ausgeführt wird, sobald der Verbrennungsmotor 101 gestartet wird. Alternativ kann die Steueraktion so eingerichtet sein, dass sie z. B. ausgeführt wird, solange die Verbrennung des Verbrennungsmotors nicht entsprechend irgendeinem anderen Kriterium gesteuert wird. Beispielsweise kann es Situationen geben, in denen es wünschenswert ist, dass die Steueraktion auf Grundlage von in erster Linie anderen Faktoren als dem emittierten Lärm ausgeführt wird. Gemäß einer Ausführungsform wird gleichzeitige Steuerung der Verbrennung in Bezug auf den während der Verbrennung emittierten Lärm und mindestens einen zusätzlichen Steuerungsparameter ausgeführt. Beispielsweise kann eine Gewichtung durchgeführt werden, bei der die Priorisierung der Steuerungsparameter zur Erfüllung eines erwünschten Steuerergebnisses z. B. so eingerichtet sein kann, dass entsprechend einer geeigneten Kostenfunktion gesteuert wird.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht somit aus einem Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsmotors 101, während die Verbrennung in dem Brennraum 201 in Verbrennungszyklen stattfindet. Gemäß dem Stand der Technik ist der Ausdruck Verbrennungszyklus als die Schritte definiert, die bei einer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor stattfinden, z. B. die zwei Takte eines Zweitaktmotors und die vier Takte eines Viertaktmotors. Der Ausdruck umfasst auch Zyklen, bei denen kein Kraftstoff tatsächlich eingespritzt wird, aber wo der Verbrennungsmotor immer noch mit einer gewissen Drehzahl betrieben wird, wie beispielsweise mit den Antriebsrädern des Fahrzeugs über den Antriebsstrang, bei z. B. Schleppen. Das heißt, dass, selbst wenn keine Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird, ein Verbrennungszyklus immer noch z. B. alle zwei Umdrehungen (für Viertaktmotoren), oder z. B. jede Umdrehung (Zweitaktmotoren), die die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors sich dreht, durchgeführt wird. Dasselbe gilt für andere Arten von Verbrennungsmotoren.
In Schritt 302 wird bestimmt, ob ein Verbrennungszyklus gestartet wurde oder wird, und wo dies der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt 303 fort, während ein Parameter i, der eine Einspritzzahl darstellt, auf Eins eingestellt wird.
In Schritt 303 wird eine Einspritzzeitplan/Steueralternative, von der erwartet wird, dass sie während des Verbrennungszyklus zu einer erwünschten Druckentwicklung führt, bestimmt, z. B. ein Einspritzzeitplan, von dem erwartet wird, dass er die maximale Druckamplitude in dem Brennraum während der Verbrennung des Verbrennungszyklus begrenzt.
Im Allgemeinen wird die Zufuhr der Kraftstoffmenge, sowohl in Bezug auf Menge und Art der Zufuhr, d. h. die eine oder mehreren Kraftstoffeinspritzungen, die während des Verbrennungszyklus auszuführen sind, normalerweise im Voraus definiert, z. B. je nach der Arbeit (Drehmoment), die der Verbrennungsmotor während des Verbrennungszyklus verrichten muss, da gemäß dem Stand der Technik während eines laufenden Verbrennungszyklus keine Änderung des bestimmten Einspritzzeitplans ausgeführt wird. Vorbestimmte Einspritzpläne können z. B. in Tabellen im Steuersystem des Fahrzeugs für eine große Anzahl von Betriebsarten, wie beispielsweise verschiedene Drehzahlen, verschiedene geforderte Arbeit, verschiedene Verbrennungsluftdruckwerte usw., existieren, wo z. B. mittels entsprechenden Tests/Messungen während z. B. der Entwicklung des Verbrennungsmotors und/oder des Fahrzeugs tabellarisch erfasste Daten erstellt werden können, so dass die anwendbare Einspritzzeitplan/Steueralternative auf Grundlage von herrschenden Bedingungen ausgewählt werden kann, und wobei der Einspritzzeitplan ausgewählt oder im Voraus z. B. angepasst werden kann, um zu einer erwarteten maximalen Druckamplitude zu führen, die unterhalb eines gewissen anwendbaren Schwellenwerts liegt.
Diese Einspritzzeitplan/Steueralternative kann aus der Anzahl von Einspritzungen und ihren jeweiligen Eigenschaften in der Form z. B. der Zeitsteuerung (Kurbelwinkelposition) des Beginns der Einspritzung, der Dauer der Einspritzung, des Einspritzdrucks usw. bestehen und somit für eine große Anzahl von Betriebsarten im Steuersystem des Fahrzeugs gespeichert werden und z. B. mit dem Ziel berechnet/gemessen werden, zu einer maximale Druckamplitude zu führen, die unter einem anwendbaren Druck liegt. Die Einspritzungen können auch mit anderen Zielen erzeugt werden, wie beispielsweise dem Liefern einer geforderten Arbeit, einem gewissen maximalen Wärmeverlust, einer gewissen Abgastemperatur usw., wobei die Einspritzungen somit auf Grundlage einer Gewichtung mehrerer Parameter erzeugt werden können.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird deshalb solch ein vorbestimmter Einspritzzeitplan in Schritt 303 angewendet, wo dieser vorbestimmte Einspritzzeitplan somit, z. B. durch Tabellenabruf, auf Grundlage von herrschenden Bedingungen und einer erwünschten Arbeit, die von dem Verbrennungsmotor zu erreichen ist, ausgewählt wird, wobei die erwünschte (geforderte) Arbeit normalerweise von einem gewissen höheren/anderen Prozess gesteuert (gefordert) wird, z. B. auf Grundlage einer Anforderung bezüglich der Antriebskraft vom Fahrer des Fahrzeugs und/oder von einem Geschwindigkeitsregelungssystem.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Einspritzzeitplan bestimmt, der zum Erreichen von mindestens der Hälfte der erwünschten Arbeit führt, um zu gewährleisten, dass die verrichtete Arbeit nicht auf einem zu niedrigen Pegel gesteuert wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Einspritzzeitplan vollständig entsprechend z. B. den nachstehend gezeigten Berechnungen bestimmt, wobei z. B. verschiedene im Voraus definierte Einspritzpläne miteinander verglichen werden können, um einen am meisten bevorzugten Einspritzzeitplan zu bestimmen, aber in dem nachstehenden Berechnungsbeispiel werden die Berechnungen erst angewendet, nachdem die Einspritzung während des Verbrennungszyklus gestartet wurde. Da bestimmte angenommene Bedingungen wahrscheinlich jedes Mal zu dem gleichen bevorzugten Einspritzzeitplan führen, kann es vorteilhaft sein, einen Einspritzzeitplan durch irgendeine Art von Abruf vor einem Verbrennungszyklus auszuwählen und die Rechenlast somit zu reduzieren, so dass eine Berechnung, wie nachstehend dargelegt, somit erst ausgeführt wird, nachdem die Einspritzung begonnen hat. Zusätzlich zu dem nachstehenden Beispiel dafür, wie der Einspritzzeitplan bestimmt werden kann, können alternativ andere Modelle mit einer ähnlichen Funktion angewendet werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in Schritt 303 somit am Anfang des Verbrennungszyklus ein vordefinierter Einspritzzeitplan bestimmt, wobei die Steueraktion gemäß der Erfindung erst ausgeführt wird, nachdem die Kraftstoffeinspritzung während eines Verbrennungszyklus gestartet worden ist, wie beispielsweise erst, nachdem wenigstens eine Einspritzung während des Verbrennungszyklus abgeschlossen worden ist oder nachdem eine Einspritzung mindestens gestartet worden ist.
Die Kraftstoffeinspritzung wird somit normalerweise entsprechend einem vorbestimmten Zeitplan ausgeführt, wobei mehrere Einspritzungen so eingerichtet sein können, dass sie während ein und desselben Verbrennungszyklus ausgeführt werden. Dies führt dazu, dass die Einspritzungen relativ kurz sein können. Beispielsweise gibt es Einspritzsysteme mit 5–10 Kraftstoffeinspritzungen/Verbrennung, aber die Anzahl von Kraftstoffeinspritzungen kann auch bedeutend höher sein, z. B. im Bereich von 100 Kraftstoffeinspritzungen während eines Verbrennungszyklus. Die Anzahl von möglichen Einspritzungen wird im Allgemeinen von der Geschwindigkeit der Elemente gesteuert, mittels derer Einspritzung ausgeführt wird, d. h. im Fall von einem Common-Rail-System je nachdem, wie schnell die Einspritzvorrichtungen geöffnet und geschlossen werden können.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel werden mindestens drei Einspritzungen insp_i während ein und desselben Verbrennungszyklus ausgeführt, aber wie erwähnt und wie nachstehend dargelegt, kann auch eine größere Anzahl von Einspritzungen sowie auch nur eine ausgeführt werden.
Der Einspritzzeitplan wird somit in dem vorliegenden Beispiel im Voraus mit dem Ziel bestimmt, eine Druckentwicklung zu erlangen, die anwendbaren Kriterien in Bezug auf die während der Verbrennung entstehende maximale Druckamplitude entspricht.
Eine erste Einspritzung insp₁ wird ausgeführt und in Schritt 304 wird bestimmt, ob die erste Einspritzung insp₁ ausgeführt wurde, und wenn ja, fährt das Verfahren mit Schritt 305 fort, wo bestimmt wird, ob alle Einspritzungen i ausgeführt worden sind. Da dies in dem vorliegenden Beispiel noch nicht der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt 306 fort, während i für die nächste Einspritzung um Eins erhöht wird. Ferner wird der herrschende Druck im Brennraum mit der kontinuierlichen Verwendung des Drucksensors 206 y, beispielsweise mit anwendbaren Intervallen, z. B. alle 0.1–10 Kurbelwinkelgrade, bestimmt.
Der Verbrennungsprozess kann im Allgemeinen mit der Druckänderung im Brennraum beschrieben werden, den die Verbrennung bewirkt. Die Druckänderung während eines Verbrennungszyklus kann von einem Druckverlauf, d. h. einer Darstellung, wie der Druck im Brennraum während der Verbrennung variiert/sich ändert, dargestellt werden. Solange die Verbrennung wie erwartet voranschreitet, wird der Druck im Brennraum dem anfangs geschätzten gleich sein, aber sobald der Druck von dem geschätzten Druck abweicht, wird die Art, auf die der der Druck sich geändert hat, und somit sehr wahrscheinlich auch die maximale Druckamplitude, die während der Verbrennung entsteht, auch von den geschätzten Werten abweichen. Außerdem werden der folgende Teil des Verbrennungszyklus und somit die Druckänderung beeinflusst werden, weil im Vergleich zu den erwarteten Bedingungen veränderte Bedingungen im Brennraum bei z. B. einer folgenden Einspritzung herrschen.
Wenn die Verbrennung nach der ersten Einspritzung insp₁ somit genau wie erwartet abgelaufen ist, entsprechen die Bedingungen im Brennraum den für die Einspritzung vorgesehenen Bedingungen und entspricht die bisher entstehende Druckänderung (der Druckverlauf wie nachstehend beschrieben) im Brennraum ebenso der erwarteten Druckänderung bis zu diesem Punkt. Sobald sich die Bedingungen jedoch von den vorgesehenen Bedingungen unterscheiden, weicht die Druckänderung während der Verbrennung von der erwarteten Druckänderung ab. Ebenso wird der folgende Teil der Verbrennung auch beeinflusst, da die Bedingungen, die im Brennraum, z. B. in Bezug auf Druck/Temperatur herrschen, bei der nächsten Einspritzung den erwarteten Bedingungen nicht entsprechen werden.
In der Praxis werden die tatsächlichen Druckänderungen während der Verbrennung (Druckverlauf) aus natürlichen Gründen aufgrund von z. B. Abweichungen von der modellierten Verbrennung sehr wahrscheinlich auch von dem vorhergesagten Druckverlauf während des Verlaufs der Verbrennung abweichen. Dies ist in 4 erläutert, wo ein vorhergesagter Druckverlauf 401 für einen beispielhaften Einspritzzeitplan (sehr schematisch) gezeigt wird, d. h. der erwartete Druckverlauf für den Brennraum, wenn die Einspritzung entsprechend dem ausgewählten Einspritzprofil ausgeführt wird. Diese Vorhersage des Druckverlaufs kann z. B. wie nachstehend beschrieben ausgeführt werden.
4 zeigt auch einen tatsächlichen Druckverlauf 402 bis zur Kurbelwinkelposition φ1, die die herrschende Position bildet, nachdem die erste Verbrennung ausgeführt wurde. In Schritt 306 wird der Druck p_φ1 im Brennraum unter Verwendung des Drucksensors 206 bestimmt, nachdem die erste Einspritzung insp₁ bei der Kurbelwinkelposition φ₁ ausgeführt wurde. Vorzugsweise wird der Druck im Brennraum während der gesamten Verbrennung im Wesentlichen kontinuierlich, z. B. bei jedem Kurbelwinkelgrad, jedem zehnten Kurbelwinkelgrad oder in einem anderen geeigneten Intervall, bestimmt. Wie aus 4 zu sehen ist, weicht der tatsächliche Druckverlauf bis zu φ1 von dem geschätzten Druckverlauf 401 ab und weicht der tatsächliche Druck p_φ1 auch bei φ1 von dem geschätzten Druck p_φ1 entsprechend des Druckverlaufs 401 ab. Vorstehend genannte Situation bedeutet, dass der bis dahin entstehende maximale Druck auch von dem erwarteten maximalen Druck bis zur Kurbelwinkelposition φ1 abgewichen ist.
Da der Druck p_φ1 im Brennraum, nachdem die erste Einspritzung insp₁ ausgeführt wurde, sich von dem entsprechenden geschätzten Druck p_{φ1_est} bei der Kurbelwinkelposition φ1 unterscheidet, werden sich die Bedingungen im Brennraum zum Zeitpunkt der als nächstes folgenden Einspritzung insp₂ von den vorhergesagten Bedingungen unterscheiden, so dass die folgende Verbrennung sich auch von der vorhergesagten Verbrennung unterscheiden wird, wenn der zuvor bestimmte Einspritzzeitplan immer noch verwendet würde.
Somit ist es überhaupt nicht sicher, dass die erwünschte Begrenzung der maximalen Druckamplitude während des Verbrennungszyklus erreicht wird. Deshalb ist es auch nicht sicher, dass es der ursprünglich bestimmte Einspritzzeitplan ist, der bei einer Bemühung, eine Verbrennung mit einer erwünschten Begrenzung der maximalen Druckamplitude zu erreichen, den bevorzugtesten Einspritzzeitplan bildet.
In Schritt 307 wird bestimmt, ob erwartet wird, dass die erwartete maximale Druckamplitude pmax_pred einen anwendbaren Schwellenwert p_thres übersteigt, wo dies im Voraus bestimmt werden kann, und auch so eingerichtet, dass sie abhängig von anderen Umständen, wie beispielsweise der momentanen Last, Fahrzeuggeschwindigkeit usw., variiert. Solange dies nicht der Fall ist, kehrt dann das Verfahren zu Schritt 304 zurück, um die nächste Einspritzung auszuführen, und wird eine neue Schätzung von p ausgeführt. Wenn andererseits erwartet wird, dass pmax_pred p_thres übersteigt, fährt das Verfahren mit Schritt 308 fort, um wieder einen Einspritzzeitplan mit dem Ziel zu bestimmen, die Druckamplitude zu steuern, z. B. mit dem Ziel, zu versuchen, die Druckamplitude so zu begrenzen, dass sie p_thres nicht übersteigt. Die Steuerung kann z. B. entsprechend den nachstehenden Berechnungen, alternativ entsprechend anderen anwendbaren Berechnungen mit einem ähnlichen Ziel, ausgeführt werden und während eines laufenden Verbrennungszyklus wiederholt werden, wie nachstehend dargelegt, um bei Bedarf den Einspritzzeitplan bei laufender Verbrennung zu ändern, wenn sich die tatsächlich herrschenden Bedingungen in dem Brennraum von den vorhergesagten Bedingungen unterscheiden, wie beispielsweise nach jeder Einspritzung oder während einer laufenden Einspritzung.
Bei der Schätzung der erwarteten maximalen Druckamplitude gemäß der Erfindung kann z. B. ein Modell angewendet werden, das die Druckänderung beschreibt, die während der Verbrennung entsteht. Dieses Modell kann von verschiedenen Typen sein und z. B. aus einem computergesteuerten Modell bestehen, wie dp / dt = f(p_old, u_{injection strategy}, γ, dV / dt)
wobei p_old den Druck bei der vorherigen Schätzung darstellt, u_{injection strategy} das Steuersignal, d. h. den Einspritzzeitplan, darstellt,
γ im Allgemeinen das Wärmekapazitätsverhältnis darstellt, d. h.
wobei C_p und/oder C_v allgemein verfügbar und für verschiedene Moleküle tabellarisch erfasst sind, und da die Verbrennungschemie im Voraus bekannt ist, können diese tabellarisch erfassten Werte gemeinsam mit der Verbrennungschemie verwendet werden, um somit die Auswirkung jedes Moleküls auf z. B. den Gesamtwert C_p (z. B. Wasser, Stickstoff, Sauerstoff usw.) zu berechnen, so dass dies für die vorstehenden Berechnungen mit einer hohen Genauigkeit im Voraus oder während z. B. laufender Verbrennung bestimmt werden kann. Alternativ kann sich C_p und/oder C_v auf eine geeignete Art angenähert werden. dp / dt stellt die Volumenänderung des Brennraums im Verlauf der Zeit dar, die z. B. mittels V(φ) bestimmt werden kann.
V(φ) stellt das Volumen des Brennraums als eine Funktion des Kurbelwinkels dar, kann vorteilhaft tabellarisch erfasst im Speicher des Steuersystems verfügbar sein oder auf eine anwendbare Art berechnet werden, wobei dV / dφ und somit dp / dt auch durch Multiplikation mit der herrschenden Drehzahl des Verbrennungsmotors berechnet werden können.
Somit kann die Veränderungsrate des Drucks dp / dt von solch einem Modell dargestellt werden, das durch Bestimmen des Ergebnisses für eine große Anzahl von Eingangsparametern erstellt werden kann, wobei dp / dt dann für eine große Anzahl von Bedingungen, wie beispielsweise verschiedene Lasten, Drehzahlen, Luftdruck usw., tabellarisch erfasst werden kann, wie dem Fachmann bekannt ist. Indem dann dp / dt im Laufe der Zeit kumuliert (integriert) wird, kann der Druck p im Brennraum geschätzt werden und indem für jede Bestimmung von dp / dt der Druck p geschätzt wird und auch indem der erlangte Druck p mit dem vorher bei der Schätzung erlangten maximalen Druck p verglichen wird, wobei der höhere dieser Werte als der neue maximale Druck gespeichert wird, kann der maximale Druck p während der Verbrennung geschätzt werden, wodurch eine Steuerung ausgeführt werden kann, wenn während der Steuerung bestimmt wird, dass erwartet wird, dass der Druck einen Schwellenwert übersteigt.
Eine andere Alternative, die die Alternative bildet, die in dem vorliegenden Beispiel angewendet wird, ist die Verwendung eines physikalischen Modells für die Änderung des Drucks p während der Verbrennung im Brennraum. Dieses Modell kann aus einem anwendbaren Modell bestehen und gemäß dem vorliegenden Beispiel wird eine Wärmeabgabegleichung wie nachstehend dargelegt angewendet.
Die Schätzung der Schwankung des Drucks p während der Verbrennung kann dann wie nachstehend dargelegt ausgeführt werden. Der Druck p, der im Brennraum herrscht, kann unter Verwendung des Drucksensors bestimmt werden, wobei kontinuierliche Sensorsignale gemessene Werte für den Druck p bei Intervallen/Kurbelwinkelgraden mit einer anwendbaren Häufigkeit liefern können. Ferner kann, beispielsweise wenn die Druckänderungsrate auch berücksichtigt wird, dp / dt für den Teil der Verbrennung geschätzt werden, der bereits abgelaufen ist, wobei eine tatsächliche maximale Druckänderungsrate für den Teil der Verbrennung, der bereits abgelaufen ist, auf Grundlage von tatsächlichen Druckdaten geschätzt werden kann. Die Druckänderung kann als eine Funktion von Zeit bestimmt werden, wie z. B. dp / dt , wie vorstehend dargelegt, aber kann auch in Kurbelwinkelgraden φ ausgedrückt werden, d. h. dp / dφ , was zur Aufhebung der Abhängigkeit der Drehzahl des Verbrennungsmotors bei den Berechnungen führt.
In den Fällen, in denen die Druckänderungsrate auch während der Steuerung berücksichtigt wird, kann die erwünschte maximale Druckänderungsrate dp / dφ z. B. für verschiedene Drehzahlen n gespeichert werden, um somit z. B. eine erwünschte Druckänderung im Laufe der Zeit darzustellen. Alternativ kann dp / dφ wie nachstehend dargelegt bestimmt und dann mit der Drehzahl n des Motors multipliziert werden, um dp / dt zu erlangen.
Die vorliegende Erfindung strebt bei Bedarf die aktive Reduzierung der maximalen Druckamplitude in dem Verbrennungsmotor an, was durch Schätzen der erwarteten maximalen Druckamplitude für einen folgenden Teil des Verbrennungszyklus ausgeführt werden kann, wobei z. B. eine maximal erwartete Druckamplitude bestimmt werden kann, wobei die Verbrennung mit dem Ziel gesteuert werden kann, die maximale Druckamplitude unterhalb einer gewissen anwendbaren Druckänderungsrate zu halten.
Dies bedeutet auch, dass die Druckamplitude für mehrere verschiedene Szenarien für Verbrennung, wie beispielsweise unterschiedliche Einspritzzeitpläne, geschätzt werden kann, wobei die entsprechenden Einspritzzeitpläne zu einem speziellen Druckverlauf, z. B. dem in 4 gezeigten Druckverlauf, und somit auch einer anderen maximalen Druckamplitude während der Verbrennung führen.
Bei Schätzung des Druckverlaufs kann ein Modell der Verbrennung verwendet werden und wie der Fachmann weiß, kann die Verbrennung gemäß Gleichung (1) modelliert werden: dQ = K_calibrate(Q_fuel – Q) (1) wobei K_calibrate verwendet wird, um das Modell zu kalibrieren. K_calibrate besteht aus einer Konstanten, die normalerweise im Bereich von 0–1 liegt, aber auch so eingerichtet sein kann, dass sie andere Werte annimmt, und die individuell, Zylinder für Zylinder, oder für einen gewissen Motor- oder Motortyp bestimmt wird und insbesondere von der Gestaltung der Einspritzdüsen (Einspritzvorrichtungen) abhängt.
Q_fuel besteht aus dem Energiewert für die eingespritzte Kraftstoffmenge, Q besteht aus der verbrannten Energiemenge. Die Verbrennung dQ ist somit proportional zu der eingespritzten Kraftstoffmenge abzüglich der bisher verbrauchten Kraftstoffmenge. Die Verbrennung dQ kann alternativ unter Verwendung eines anderen anwendbaren Modells modelliert werden, wobei z. B. auch andere Parameter berücksichtigt werden können. Beispielsweise kann die Verbrennung auch eine Funktion bilden, die von einem Modell der Verwirbelung abhängt, die entsteht, wenn Luft/Kraftstoff zugeführt wird, was die Verbrennung in verschiedenen Ausmaßen betreffen kann, je nach der Menge an Luft/Kraftstoff, die zugeführt wird.
Bezüglich der Kraftstoffeinspritzungen können diese z. B. als Summe von Schrittfunktionen modelliert werden:
Der als die zugeführte Masse m bei einer Einspritzung k gemessene Kraftstoffstrom, d. h., wie der Kraftstoff während des Zeitfensters u in den Brennraum eintritt, wenn die Einspritzung ausgeführt wird, ausgedrückt als die während des Intervalls des Kurbelwinkelgrads φ, während dessen die Einspritzvorrichtung offen ist, vergangene Zeit, kann für eine bestimmte Einspritzung k modelliert werden als: dm / dt = f(m)u (3) wobei m die eingespritzte Kraftstoffmenge darstellt und f(m) z. B. von dem Einspritzdruck usw. abhängt und f(m) z. B. im Voraus gemessen oder geschätzt werden kann.
Der Energiewert Q_LHV für den Kraftstoff, wie beispielsweise Diesel oder Benzin, wird im Allgemeinen so festgelegt, dass solch eine allgemeine Spezifizierung verwendet werden kann. Der Energiewert kann auch ausdrücklich von z. B. dem Kraftstoffhersteller geliefert werden oder für z. B. ein Land oder eine Region angenähert werden. Der Energiewert kann auch so eingerichtet sein, dass er von dem Steuersystem des Fahrzeugs geschätzt wird. Mit dem Energiewert kann die Gleichung (1) gelöst werden und kann die Wärmeabgabe Q bestimmt werden, wenn die Verbrennung voranschreitet.
Ferner kann unter Verwendung einer Gleichung zur Vorhersage der Wärmeabgabe die Druckänderung im Brennraum während der gesamten Verbrennung geschätzt werden als: dp = ( dQ / dφ – γ / γ – 1p dV / dφ)( γ – 1 / V)dφ (4) wobei γ das Wärmekapazitätsverhältnis entsprechend der vorstehenden Erläuterung bildet.
Der Druck p in dem Brennraum kann als eine Integration der Gleichung (4) wie folgt erhalten werden: p = p_initial + ∫dp = p_initial + ∫( dQ / dφ – γ / γ – 1p dV / dφ)( γ – 1 / V)dφ (5) wobei p_initial einen Anfangsdruck darstellt, der vor dem Start des Verdichtungsschrittes der Verbrennung z. B. aus dem Umgebungsdruck bei Verbrennungsmotoren ohne einen Turbolader oder einem herrschenden Verbrennungsluftdruck bei Motoren mit einem Turbolader bestehen kann. Wenn die Schätzung während des Verbrennungszyklus zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt wird, wie beispielsweise eine Schätzung in Schritt 307 nach einer Einspritzung, kann p_initial den dann herrschenden Druck darstellen, wie vom Drucksensor 206 bestimmt, d. h. p_φ1 in dem vorliegenden Beispiel. Somit können sowohl der Druck p (als auch die Druckableitung) im Brennraum für die gesamte Verbrennung geschätzt werden, d. h. eine erwartete Kurve, die der Kurve 401 in 4 entspricht, kann geschätzt werden.
Somit kann p unter Verwendung der Gleichung (4) entweder als eine Funktion des Kurbelwinkels oder der Zeit durch Multiplizieren mit der Drehzahl, wie vorstehend dargelegt, für den Rest des Verbrennungszyklus oder auch für einen gesamten Verbrennungszyklus geschätzt werden, wenn die Schätzung ausgeführt wird, bevor die Kraftstoffeinspritzung gestartet wird, wobei p bei jeder Wiederholung der Gleichungen 4–5 mit p_thres verglichen werden kann, um zu bestimmen, ob erwartet wird, dass p p_thres während der Verbrennung übersteigt. Somit braucht der tatsächliche maximale Druck, von dem erwartet wird, dass er entsteht, nicht geschätzt werden, sondern kann die Schätzung gemäß einer Ausführungsform unterbrochen werden, sobald der Schluss gezogen wurde, dass p p_thres während der Verbrennung übersteigt.
Alternativ kann der maximale Druck, von dem erwartet wird, dass er während der Schätzung erreicht wird, erlangt werden durch Ausführen der Integration solange p(k + 1) > p(k), wobei k, k + 1, usw. aus aufeinanderfolgenden Zeitpunkten/Kurbelwinkelposition bestehen. Solange der Druck zunimmt, wird die Integration somit fortgesetzt, während die Integration unterbrochen werden kann, wenn p(k +1) > p(k), da der Druck dann angefangen hat abzufallen. Der maximale Druck kann mit dem Schwellenwert p_thres verglichen werden.
Wenn dies der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt 308 fort, wie vorstehend dargelegt, um eine neue Einspritzstrategie zu bestimmen, da die Steuerung des Drucks im Brennraum z. B. durch Steuern der Kraftstoffeinspritzung und durch Ausführen einer Schätzung des Drucks für eine Anzahl anderer Einspritzzeitpläne in Schritt 308 mit z. B. variierenden Einspritzzeiten und/oder Einspritzdauern und/oder Anzahl von Einspritzungen und/oder Zeiträumen zwischen Einspritzungen ausgeführt werden kann, können die geschätzten maximalen Druckamplituden für verschiedene Einspritzalternativen verglichen werden und kann somit ein Einspritzzeitplan bestimmt werden, der, wenn möglich, dazu führt, dass dp_thres während der Verbrennung nicht erreicht wird, vorzugsweise mit der zusätzlichen Bedingung, dass die auf der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verrichtete erwünschte Arbeit immer noch erlangt wird.
Somit kann eine bei der Verbrennung geforderte Arbeit auch bestimmt werden, wobei diese Arbeit beispielsweise durch einen höherrangigen Prozess bestimmt werden kann, der beispielsweise für das Vorwärtstreiben des Fahrzeugs verantwortlich ist, wobei die Steuerung als Bedingung haben kann, dass die bei der Verbrennung entstehende Arbeit im Wesentlichen der geforderten Arbeit, oder zumindest einem Teil davon, wie beispielsweise mindestens der Hälfte der geforderten Arbeit, entspricht.
Somit kann in Schritt 308 ein Einspritzzeitplan, wie beispielsweise ein Einspritzzeitplan unter mehreren definierten Einspritzplänen, bestimmt werden, wobei dieser Einspritzzeitplan individuell, Zylinder für Zylinder, auf Grundlage von Sensorsignalen von mindestens einem Drucksensor in dem jeweiligen Brennraum bestimmt werden kann.
In Bezug auf den Einspritzzeitplan kann es z. B. mehrere im Voraus definierte Einspritzzeitpläne geben, wobei Berechnungen vom vorstehend beschriebenen Typ für jeden dieser verfügbaren Einspritzzeitpläne ausgeführt werden können. Alternativ können die Berechnungen für die Einspritzzeitpläne ausgeführt werden, von denen aus einem Grund angenommen wird, dass sie am wahrscheinlichsten zu einer erwünschten niedrigen Druckamplitude führen.
Bisher ist der gesamte Einspritzzeitplan für den Rest der Verbrennung ausgewertet worden, aber die Auswertung kann auch so eingerichtet sein, dass er für nur die zukünftige Einspritzung nach einer vorherigen Einspritzung ausgeführt wird, wobei folgende Einspritzungen fortschreitend behandelt werden können. Der in Schritt 308 ausgewählte Einspritzzeitplan kann somit nur aus der nächsten Einspritzung bestehen.
Wenn der Einspritzzeitplan in Schritt 308 ausgewählt wurde, kehrt das Verfahren für den Abschluss der nächsten Einspritzung zu Schritt 304 zurück, so dass diese auch zu einer Verbrennung und somit einer Wärmeabgabe und einem Druckverlauf führt und diese auch wahrscheinlich von dem im Voraus vorhergesagten Druckverlauf abweichen wird. Dies bedeutet auch, dass die Verbrennung auch bei folgenden Einspritzungen wahrscheinlich von den im Brennraum herrschenden Bedingungen beeinflusst wird, wenn mit der Einspritzung begonnen wird.
Somit kann in Schritt 308, nachdem eine neue folgende Einspritzung abgeschlossen wurde, eine weitere neue Einspritzstrategie für die übrigen Einspritzungen, alternativ für die folgende Einspritzung, durch Verwenden der vorstehenden genannten Gleichungen berechnet werden, wobei das Verfahren dann für den Abschluss der folgenden Kraftstoffeinspritzung entsprechend der neuen Einspritzstrategie, die in Schritt 308 berechnet wird, zu Schritt 304 zurückkehrt, während sie immer noch die Arbeit berücksichtigt, die während der Verbrennung erreicht werden muss, was normalerweise von einem höheren Prozess gesteuert wird, z. B. als Antwort auf eine Anforderung einer gewissen Antriebskraft von dem Fahrer des Fahrzeugs oder eine andere Funktion im Steuersystem des Fahrzeugs, z. B. eine Geschwindigkeitsregelungsfunktion. Die Steuerung kann somit so eingerichtet sein, dass sie nach jeder Einspritzung i ausgeführt wird, und wenn dann alle folgenden Einspritzungen i ausgeführt worden sind, kehrt das Verfahren von Schritt 305 zu Schritt 301 zurück, um einen folgenden Verbrennungszyklus zu steuern. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren jedoch unterbrochen, sobald der maximale Druck von der Verbrennung erreicht wurde, der wie nachstehend dargelegt bestimmt werden kann. Der während der Verbrennung emittierte Lärm hängt in erster Linie von dem Druckaufbau und in einem geringeren Ausmaß von dem darauf folgenden Druckabfall ab. Deshalb kann die Steuerung somit unterbrochen werden, wenn der maximale Druck der Verbrennung erreicht wurde.
In den vorstehenden Berechnungen wird nach jeder Einspritzung die aktuelle Druckbestimmung P_φ1 durch die Verwendung des Drucksensors 206 auf die vorstehend beschriebene Art p_initial verwendet, um wieder die maximale Druckamplitude vorherzusagen, um bei Bedarf einen neuen Einspritzzeitplan auf Grundlage der jetzt herrschenden Bedingungen im Brennraum zu bestimmen, aber jetzt mit später im Verbrennungsvorgang erhaltenen Daten. Das heißt, p_φ1 nach der ersten Verbrennung und ähnlich bestimmt p_φ1 für folgende Einspritzungen, wobei sich p_initial somit bei Berechnungen während des Verbrennungszyklus ändert und wobei die Kraftstoffeinspritzung nach jeder Einspritzung entsprechend herrschenden Bedingungen mit der Folge angepasst wird, dass dieser Einspritzzeitplan sich nach jeder Einspritzung ändern kann.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren, das die Verbrennung anpasst, wenn die Verbrennung voranschreitet, und umfasst im Allgemeinen das Steuern eines folgenden Teils der Verbrennung während ein und desselben Verbrennungszyklus auf Grundlage eines ersten Parameterwerts, der bestimmt wird, nachdem ein erster Teil der Verbrennung abgeschlossen wurde, wobei die Verbrennung in Bezug auf den maximalen Druck während des Verbrennungsprozesses gesteuert wird.
Entsprechend der vorstehenden Darlegung kann es sein, dass die maximale Druckamplitude somit für mehrere verschiedene alternative Einspritzpläne für die übrigen Einspritzungen geschätzt wird, wobei ein Einspritzzeitplan, der zu der vorteilhaftesten, z. B. der niedrigsten, Druckamplitude führt, ausgewählt werden kann, wenn die folgende Einspritzung ausgeführt wird. In Fällen, in denen mehrere Einspritzpläne/Steueralternativen die anwendbaren Bedingungen erfüllen, können andere Parameter verwendet werden, um auszuwählen, welche davon verwendet werden sollen. Es kann auch andere Gründe dafür geben, gleichzeitige Steuerung auch auf Grundlage anderer Parameter zu bewirken. Beispielsweise können Einspritzpläne auch teilweise auf Grundlage einer oder mehrerer der Perspektiven Druckänderungsrate, Wärmeverlust, Abgastemperatur, im Brennraum erreichte Arbeit oder während der Verbrennung entwickelte Stickstoffoxide als ein weiteres Kriterium zusätzlich zur Auswahl auf Grundlage der Druckamplitude ausgewählt werden, wobei eine solche Bestimmung entsprechend einigen der nachstehend dargelegten parallelen Patentanmeldungen ausgeführt werden kann. Insbesondere beschreibt die parallele Anmeldung „VERFAHREN UND SYSTEM ZUM STEUERN EINES VERBRENNUNGSMOTORS I” ( schwedische Patentanmeldung, Anmeldungsnummer: 1350506-0 ) ein Verfahren zum Steuern der folgenden Verbrennung auf Grundlage einer geschätzten maximalen Druckänderungsrate.
Außerdem zeigt die parallele Anmeldung „VERFAHREN UND SYSTEM ZUR STEUERUNG EINES VERBRENNUNGSMOTORS II” ( schwedische Patentanmeldung, Anmeldungsnummer: 1350507-8 ) ein Verfahren, um während eines ersten Verbrennungszyklus einen folgenden Teil der Verbrennung während des ersten Verbrennungszyklus in Bezug auf eine Temperatur, die bei der folgenden Verbrennung entsteht, zu steuern.
Ferner zeigt die parallele Anmeldung „VERFAHREN UND SYSTEM ZUR STEUERUNG EINES VERBRENNUNGSMOTORS III” ein Verfahren, um während eines ersten Verbrennungszyklus die Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus in Bezug auf eine während der Verbrennung erreichte Arbeit zu steuern.
Ferner zeigt die parallele Anmeldung „VERFAHREN UND SYSTEM ZUR STEUERUNG EINES VERBRENNUNGSMOTORS IV” ein Verfahren, um während eines ersten Verbrennungszyklus die Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus in Bezug auf eine Darstellung eines Wärmeverlusts, der während der Verbrennung entsteht, zu steuern.
Ferner zeigt die parallele Anmeldung „VERFAHREN UND SYSTEM ZUR STEUERUNG EINES VERBRENNUNGSMOTORS VI” ein Verfahren, um während eines ersten Verbrennungszyklus ein erstes Maß an Stickstoffoxiden, die sich aus der Verbrennung während des ersten Verbrennungszyklus ergeben, zu schätzen und die Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus auf des Grundlage des ersten Maßes zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verbrennung somit während laufender Verbrennung nach Bedarf auf Grundlage von Abweichungen von der vorhergesagten Verbrennung angepasst und wird gemäß einer Ausführungsform eine Auswertung der Verbrennung jedes Mal ausgeführt, wenn eine Einspritzung insp₁ abgeschlossen wurde, solange weitere Einspritzungen ausgeführt werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist der Einspritzzeitplan am Anfang des Verbrennungszyklus auf Grundlage von tabellarisch erfassten Werten bestimmt worden, aber gemäß einer Ausführungsform kann die Einspritzstrategie schon vor Beginn der Kraftstoffeinspritzung auf die vorstehend beschriebene Art bestimmt werden, so dass auch die erste Einspritzung entsprechend einem Einspritzzeitplan ausgeführt wird, der bestimmt wird, wie vorstehend dargelegt.
Die Steuerung ist bisher auf eine Art beschrieben worden, bei der die Eigenschaften für eine folgende Einspritzung auf Grundlage von herrschenden Bedingungen im Brennraum nach der vorherigen Einspritzung bestimmt werden. Die Steuerung kann jedoch auch so eingerichtet sein, dass sie kontinuierlich ausgeführt wird, wobei Druckbestimmungen auch mit Hilfe des Drucksensors während laufender Einspritzung ausgeführt werden können, und wobei der Einspritzzeitplan vollständig berechnet und korrigiert werden kann, bis die nächste Einspritzung initiiert wird. Alternativ kann die laufende Einspritzung von berechneten Änderungen im Einspritzzeitplan sogar auch in den Fällen beeinflusst werden, in denen mehrere kürzere Einspritzungen ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine laufende Einspritzung unterbrochen werden, wenn die Druckamplitude zu hoch ist. Die Einspritzung kann auch aus einer einzigen längeren Einspritzung bestehen, wobei Änderungen an der laufenden Einspritzung kontinuierlich, z. B. mittels einer sogenannten Verlaufsformung (Rate Shaping) vorgenommen werden können, z. B. durch Ändern des Öffnungsbereichs der Einspritzungsdüse und/oder des Drucks, mit dem der Kraftstoff eingespritzt wird, auf Grundlage von Schätzungen und gemessenem Druckwerten während der Einspritzung. Ferner kann die Kraftstoffzufuhr während der Verbrennung zwei Kraftstoffeinspritzungen umfassen, wo z. B. nur die zweite oder beide Einspritzungen gesteuert werden, z. B. mittels Verlaufsformung. Verlaufsformung kann auch in dem Fall angewendet werden, wenn drei oder mehr Einspritzungen ausgeführt werden.
Die Einspritzstrategien, die ausgewertet werden sollen, können auf verschiedene Weisen gestaltet werden. Beispielsweise können verschiedene Verteilungen zwischen Einspritzungen ausgewertet werden und z. B. eine eingespritzte Kraftstoffmenge zwischen folgenden Einspritzungen umverteilt werden und/oder kann die Einspritzzeit für eine oder mehrere folgende Einspritzungen geändert werden, wo potentielle Begrenzungen in Bezug auf z. B. die minimal zugelassene Dauer oder Kraftstoffmenge für eine Kraftstoffeinspritzung einbezogen werden.
Statt eine Anzahl von bestimmten Einspritzplänen auszuwerten, kann das Verfahren so eingerichtet sein, dass z. B. die vorstehenden Berechnungen für eine Anzahl von möglichen Szenarien ausgeführt werden, wobei die Berechnungen für verschiedene Einspritzdauern/Mengen/Zeiten für die verschiedenen Einspritzungen mit entsprechenden Änderungen der abgegebenen Energie ausgeführt werden können.
Je mehr Kraftstoffeinspritzungen während eines Verbrennungszyklus ausgeführt werden, desto mehr Parameter können geändert werden, während erreichte Arbeit gleichzeitig aufrechterhalten werden sollte. Im Fall einer großen Anzahl von Einspritzungen kann es sein, dass die Steuerung deshalb relativ komplex wird, da eine große Anzahl von Parametern variiert werden kann und somit ausgewertet werden müsste. Beispielsweise kann eine sehr große Zahl von Einspritzungen, wie z. B. zehn oder sogar hundert oder dergleichen Einspritzungen, so eingerichtet sein, dass diese während ein und desselben Verbrennungszyklus ausgeführt werden.
In solchen und auch anderen Situationen kann es, wie vorstehend dargelegt, mehrere im Wesentlichen äquivalente Einspritzstrategien geben, die zu im Wesentlichen der gleichen maximalen Druckamplitude führen oder die die Anforderungen/Erfordernisse betreffend die Druckamplitude erfüllen. Dies führt zu einer unerwünschten Komplexität bei den Berechnungen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Steueraktion angewendet, bei der die zeitlich nächste Einspritzung als eine separate Einspritzung betrachtet wird und folgende Kraftstoffeinspritzungen als eine einzige zusätzliche „virtuelle” Einspritzung betrachtet werden, so dass Kraftstoff zwischen diesen „zwei” Einspritzungen auf eine Art verteilt werden kann, die dazu führt, dass nicht erwartet wird, dass der maximale Druck während der ersten Verbrennung die erwünschten Pegel übersteigt. Dies ist in 5 beispielhaft dargestellt, wo die Einspritzung 501 insp₁ entspricht, wie vorstehend dargelegt, die Einspritzung 502 insp₂ entspricht, wie vorstehend dargelegt, und wo die übrigen Einspritzungen 503–505 als eine einzige virtuelle Einspritzung 506 behandelt werden, d. h. die Einspritzung 506 wird als eine Einspritzung mit einer Kraftstoffmenge behandelt, die im Wesentlichen der gesamten Kraftstoffmenge für die Einspritzungen 503–505 entspricht, und wo eine Verteilung zwischen der Einspritzung 502 und der virtuellen Einspritzung 506 ausgeführt werden kann. Durch dieses Vorgehen braucht die Verlagerung, die zwischen insp₂ und folgenden Einspritzungen auftritt, nicht notwendigerweise ausdrücklich zwischen den Einspritzungen 503–505 verteilt werden, sondern wird die Verteilung in dieser Stufe zwischen der Einspritzung 502 und der „virtuellen” Einspritzung 506 ausgeführt.
Wenn die Einspritzung 502 dann abgeschlossen wurde, wird das Verfahren nach Bedarf genau wie vorstehend beschrieben mit einer neuen Bestimmung eines Einspritzzeitplans wiederholt, um bei Bedarf zu versuchen, die Druckamplitude zu reduzieren, aber dieses Mal mit der Einspritzung 503 als einer separaten Einspritzung, siehe 5B, wobei die Einspritzungen 504, 505 gemeinsam eine virtuelle Einspritzung bilden, wenn die Verteilung ausgeführt wird, wie nachstehend dargelegt.
In 5A ist die virtuelle Einspritzung 506 aus drei Einspritzungen gebildet, aber wie offensichtlich ist, kann die virtuelle Einspritzung 506 von Anfang an mehr als drei Einspritzungen, wie beispielsweise zehn- oder hundertfache Einspritzungen umfassen, je nachdem, wie viele Einspritzungen während des Verbrennungszyklus ausgeführt werden sollen, so dass das Verfahren wiederholt wird, bis alle Einspritzungen abgeschlossen worden sind. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren jedoch unterbrochen, wenn der maximale Druck erreicht wurde und der Druck im Brennraum wieder abzufallen beginnt, da die maximale Druckamplitude während der Verbrennung möglicherweise nicht mehr beeinflusst wird.
Es ist auch möglich, z. B. MPC (Model Predictive Control) bei der Steuerung gemäß der Erfindung zu verwenden.
Eine beispielhafte MPC ist in 6 gezeigt, wobei die Bezugskurve 603 der erwarteten Entwicklung des Drucks während der Wärmeabgabe während des Verbrennungszyklus, d. h. dem Ergebnis der vorstehenden Gleichung (5) für den ausgewählten Einspritzzeitplan, entspricht. Die Kurve 603 kann z. B. aus einem (niedrigsten) Pegel bestehen, der während eines Verbrennungszyklus für den maximalen Druck bei der gegebenen Last und herrschenden Drehzahl realistisch erreicht werden kann, und kann z. B. im Voraus, z. B. mit anwendbaren Berechnungen und/oder Messungen an dem Motortyp bestimmt werden, so dass diese Daten im Speicher des Steuersystems als Funktionen von z. B. Drehzahl und Last gespeichert werden können. Dies bringt auch mit sich, dass die Verbrennung nicht nur in Richtung eines Drucks gesteuert werden muss, der zu jeder Zeit herrscht, sondern auch so eingerichtet sein kann, dass sie in Richtung eines erwarteten maximalen Drucks gesteuert wird, z. B. der Kurve 603 in 6, wobei jede Einspritzung als Ziel haben kann, zu einer Verbrennung zu führen, die der Kurve 603 entspricht.
Die durchgezogene Kurve 602 bis zum Zeitpunkt k stellt die tatsächliche Entwicklung des Drucks dar, die sich bis dahin ergeben hat und die wie vorstehend dargelegt mit Hilfe von tatsächlichen Daten von dem Kurbelwinkel-aufgelösten Druckgeber berechnet wurde. Die Kurve 601 stellt die geschätzte, d. h. die erwartete, Entwicklung für den Druck im Brennraum auf Grundlage des vorhergesagten Einspritzprofils dar. Gestrichelte Einspritzungen 605, 606, 607 stellen das vorhergesagte Steuersignal, d. h. das Einspritzprofil, von dem erwartet wird, dass es angewendet wird, dar und 608, 609 stellen bereits abgeschlossene Einspritzungen dar.
Das vorhergesagte Einspritzprofil wird mit entsprechenden Intervallen, z. B. nach jeder abgeschlossenen Einspritzung, aktualisiert, um den erstrebten Endwert zu erreichen, der von der Bezugskurve 603 gegeben ist, und wobei die nächste Einspritzung auf Grundlage von herrschenden Bedingungen in Bezug auf die geschätzte Druckentwicklung bestimmt wird.
Somit schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das eine sehr gute Steuerung eines Verbrennungsprozesses ermöglicht und die Verbrennung während der laufenden Verbrennung ausführt, um eine Verbrennung mit Steuerung der Druckänderung und des in Verbindung damit emittierten Lärms zu erreichen.
Entsprechend der vorstehenden Darlegung kann die Verbrennung während eines laufenden Verbrennungszyklus gesteuert werden. Gemäß einer Ausführungsform wird die Schätzung jedoch für einen Verbrennungszyklus ausgeführt, bei dem ein folgender Verbrennungszyklus dann auf Grundlage der Schätzung für den vorherigen Verbrennungszyklus gesteuert werden kann.
Die Erfindung wurde vorstehenden anhand von Beispielen beschrieben, in denen ein Drucksensor 206 verwendet wird, um einen Druck im Brennraum zu bestimmen. Als Alternative dazu können statt einem (oder mehreren) Drucksensoren andere Sensoren verwendet werden, z. B. hochauflösende Ionenstromsensoren, Klopfsensoren oder Dehnungsmesser, wobei der Druck in dem Verbrennungsmotor unter Verwendung von Sensorsignalen von solchen Sensoren modelliert werden kann. Es ist auch möglich, verschiedene Arten von Sensoren zu kombinieren, z. B. um eine zuverlässigere Schätzung des Drucks im Brennraum zu erhalten, und/oder andere anwendbare Sensoren zu verwenden, wobei die Sensorsignale in entsprechende Druckwerte zur Verwendung bei der Steuerung umgewandelt werden, wie vorstehend dargelegt.
Ferner ist in der vorstehenden Beschreibung nur die Kraftstoffeinspritzung eingestellt worden. Statt nur die zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern, kann der Druck während der Verbrennung so eingerichtet sein, dass er mittels z. B. Abgasventilen gesteuert wird, so dass Einspritzung entsprechend einem vorbestimmten Plan ausgeführt werden kann, aber wo die Abgasventile verwendet werden, um den Druck im Brennraum zu steuern.
Ferner kann die Steuerung mit irgendeiner anwendbaren Art von Regler oder z. B. mittels Zustandsmodell und Zustandsrückkopplung ausgeführt werden (z. B. linearer Programmierung, LQG-Verfahren oder ähnlichem).
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Steuerung des Verbrennungsmotors kann auch mit Sensorsignalen von anderen Sensorsystemen verbunden werden, wo die Auflösung des Kurbelwinkelpegels nicht verfügbar ist, z. B. einem anderen Druckgeber, NO_x-Sensoren, NH₃-Sensoren, PM-Sensoren, Sauerstoffsensoren und/oder Temperatursender usw., deren Eingangssignale z. B. als Eingangsparameter bei der Schätzung von z. B. dem maximalen Druck unter Verwendung des computergesteuerten Modells statt des Modells vom vorstehend beschriebenen Typ verwendet werden können.
Außerdem wurde die vorliegende Erfindung vorstehend beispielhaft in Bezug auf Fahrzeuge beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auch auf Fortbewegungsmittel/Prozesse anwendbar, wo Verbrennungssteuerung, wie vorstehend beschrieben, anwendbar ist, z. B. Wasserfahrzeuge und Flugzeuge mit Verbrennungsprozessen wie den vorstehend beschriebenen.
Es ist auch anzumerken, dass das System gemäß verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung (und umgekehrt) modifiziert werden kann, und dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen im Umfang der anliegenden unabhängigen Ansprüche betrifft und umfasst.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (101), bei dem der Verbrennungsmotor (101) mindestens einen Brennraum (201) und Elemente (202) für die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Brennraum (201) umfasst, wobei Verbrennung in dem Brennraum (201) in Verbrennungszyklen auftritt, wobei das Verfahren durch folgendes gekennzeichnet ist: – während eines ersten Teils des ersten Verbrennungszyklus, Bestimmen mindestens eines ersten Parameterwerts, der sich auf eine physikalische Größe für die Verbrennung in dem Brennraum (201) bezieht, – auf Grundlage des ersten Parameterwerts Schätzen einer Darstellung einer entstehenden Druckamplitude während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus nach einem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus und im Brennraum (201) und – auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude Steuerung der folgenden Verbrennung, wobei die folgende Verbrennung aus einem folgenden Teil des ersten Verbrennungszyklus nach dem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die die geschätzte Druckamplitude aus einer geschätzten maximalen Druckamplitude während des ersten Verbrennungszyklus und im Brennraum (201) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bestimmen mindestens eines Steuerparameters für die Steuerung der folgenden Verbrennung, wobei der Steuerparameter aus einem Steuerparameter besteht, bei dem eine erwartete geschätzte maximale Druckamplitude unter eine erste Druckamplitude bei der Steueraktion entsprechend dem Steuerparameter abfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bestimmen mindestens eines Steuerparameters zur Steuerung der folgenden Verbrennung auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude, wobei der Steuerparameter als ein Steuerparameter bestimmt wird, bei dem eine erwartete geschätzte maximale Druckänderungsrate bei der Steueraktion entsprechend dem Steuerparameter unter eine erste Druckänderungsrate abfällt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Bestimmen einer geforderten Arbeit während der Verbrennung und – Bestimmen mindestens eines Steuerparameters zur Steuerung der folgenden Verbrennung auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude, wobei der Steuerparameter aus einem Steuerparameter besteht, bei dem eine geschätzte entstehende Arbeit während der Verbrennung mindestens der Hälfte der geforderten Arbeit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Steuerparameter einen Steuerparameter darstellt, bei dem eine geschätzte geforderte Arbeit während der Verbrennung im Wesentlichen der geforderten Arbeit entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die geforderte Arbeit während der Verbrennung auf der Grundlage einer Forderung einer durch den Verbrennungsmotor erreichten Arbeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckamplitude unter Verwendung von einem oder mehreren von: einem computergesteuerten Modell, einem empirischen Modell und einem physikalischen Modell geschätzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckamplitude unter Verwendung einer Schätzung einer Wärmeabgabe während der Verbrennung geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die geschätzte Druckamplitude mit einer Schätzung eines während der Verbrennung entstehenden Druckverlaufs geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, ferner umfassend das Schätzen der Wärmeabgabe auf Grundlage der Kraftstoffmenge für die Zufuhr zu der Verbrennung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Parameterwert einen Druck darstellt, der in dem Brennraum (201) herrscht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus durch Steuern der Kraftstoffzufuhr zu dem Brennraum (201).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – unter Verwendung eines ersten Sensorelements Bestimmen des ersten Parameterwerts, der eine physikalische Größe während der Verbrennung in dem Brennraum (201) darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Bestimmen des ersten Parameterwerts, wenn ein Teil des ersten Verbrennungszyklus abgelaufen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Bestimmen des ersten Parameterwerts, wenn die Verbrennung von Kraftstoff während des ersten Verbrennungszyklus begonnen hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Schätzen einer entstehenden Druckamplitude bei Verbrennung während des ersten Verbrennungszyklus bei mehreren verschiedenen Zeitpunkten/Kurbelwinkelpositionen während des ersten Verbrennungszyklus, und – Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus auf Grundlage der jeweiligen geschätzten Druckamplitude.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Bestimmen eines Parameterwerts, der dem ersten Parameterwert entspricht, bei einer Anzahl von Zeitpunkten/Kurbelwinkelpositionen während des ersten Verbrennungszyklus und Schätzen einer jeweiligen entstehenden Druckamplitude für die mehreren Parameterwerte bei der Verbrennung während des ersten Verbrennungszyklus und – Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus nach der Bestimmung des jeweiligen Parameterwerts auf Grundlage einer jeweiligen geschätzten Druckamplitude.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Schätzen einer erwarteten Druckamplitude für mindestens zwei Steueralternativen für die folgende Verbrennung unter Verwendung des ersten Parameterwerts und – Auswählen einer Steueralternative unter mehreren Steueralternativen zur Steuerung der Verbrennung während der folgenden Verbrennung auf Grundlage der erwarteten maximalen Druckamplituden.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: – Bestimmen, ob eine der Steueralternativen eine Steueralternative bildet, bei der die geschätzte maximale Druckamplitude bei Steueraktionen gemäß der Steueralternative unter eine erste Druckamplitude abfällt, und – wenn ja, Auswählen einer Steueralternative, bei der die geschätzte maximale Druckamplitude unter eine erste Druckamplitude abfällt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, ferner umfassend das Auswählen der Steueralternative, von der erwartet wird, dass sie während der folgenden Verbrennung zur niedrigsten maximalen Druckamplitude führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, wobei die Steueralternative aus Alternativen für die Zufuhr von Kraftstoff während des folgenden Teils des Verbrennungszyklus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–22, wobei die Kraftstoffzufuhr zu dem Brennraum (201) durch Steuern der Kraftstoffeinspritzung mit mindestens einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (202) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–23, wobei mindestens eine Kraftstoffeinspritzung während des folgenden Teils des Verbrennungszyklus ausgeführt wird, wobei während der Steuerung die eingespritzte Kraftstoffmenge und/oder die Einspritzdauer- und/oder der Einspritzdruck und/oder der Zeitraum zwischen Einspritzungen für die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–24, wobei mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen während des folgenden Teils des Verbrennungszyklus ausgeführt werden, wobei die Verbrennung auch nach dem ersten der mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–25, wobei während der Steuerung der Verbrennung mindestens drei Kraftstoffeinspritzungen während des folgenden Teils des Verbrennungsprozesses ausgeführt werden, wobei bei der Bestimmung von Steuerparametern für eine erste der mindestens drei Kraftstoffeinspritzungen die übrigen Kraftstoffeinspritzungen als eine Gesamteinspritzung behandelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–26, wobei die Steuerung der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus mindestens teilweise durch Steuern des eingespritzten Kraftstoffs in dem Brennraum (201) während einer laufenden Kraftstoffeinspritzung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–27, ferner umfassend das Ändern einer Verteilung von Kraftstoffmengen zwischen mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen während der Steuerung von in den Brennraum (201) eingespritztem Kraftstoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19–28, ferner umfassend das Anwenden einer vorbestimmten Einspritzung von Kraftstoff am Anfang des Verbrennungszyklus, wobei Steuerung ausgeführt wird, nachdem eine erste Einspritzung mindestens gestartet wurde, aber bevor die Kraftstoffeinspritzung während des ersten Verbrennungszyklus abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend – Ausführen einer ersten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (201) während des ersten Teils des ersten Verbrennungszyklus und mindestens einer zweiten Kraftstoffeinspritzung während des folgenden Teils des Verbrennungszyklus, – Bestimmen des ersten Parameterwerts, wenn die erste Einspritzung mindestens gestartet oder abgeschlossen wurde, wobei Steuerparameter für die zweite Kraftstoffeinspritzung auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude bestimmt werden, nachdem die erste Kraftstoffeinspritzung mindestens teilweise ausgeführt wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Bestimmen, ob der Druck bei der Verbrennung während des Verbrennungszyklus den maximalen Druck während des Verbrennungszyklus erreicht hat, und – Unterbrechen des Verfahrens, wenn der maximale Druck erreicht wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend, wenn eine Druckamplitude für die Verbrennung geschätzt wird: – Unterbrechen der Schätzung, wenn die Schätzung bis zu einem Punkt ausgeführt wird, an dem eine maximale Druckamplitude während der Verbrennung erwartet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus durch Steuern eines oder mehrerer Ventile, die an dem Brennraum (201) arbeiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung für eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklen ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Parameterwert, der sich auf eine physikalische Größe für Verbrennung in dem Brennraum (201) bezieht, mindestens bei jedem Kurbelwinkel, jedem Zehntel Kurbelwinkel oder jedem Hundertstel Kurbelwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Parameterwert unter Verwendung von einem oder mehreren aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: Zylinderdruckgeber, Klopfsensor, Dehnungsmesser, Geschwindigkeitssensor, Ionenstromsensor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Steuern der Verbrennung in dem Brennraum in Richtung einer ersten Druck- oder Temperaturkurve, die sich auf Druck-/Temperaturänderung in dem Brennraum während des ersten Verbrennungszyklus bezieht, auf Grundlage des ersten Parameterwerts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend während mindestens eines Teils des ersten Verbrennungszyklus: – kontinuierliches Bestimmen des ersten Parameterwerts, – kontinuierliches Schätzen einer während der Verbrennung während des ersten Verbrennungszyklus entstehenden Druckamplitude auf Grundlage der Bestimmungen des ersten Parameterwerts, und – kontinuierliches Steuern von Verbrennung während des mindestens eines Teils des ersten Verbrennungszyklus auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude.
Computerprogramm, das einen Programmcode umfasst, der, wenn der Programmcode in einem Computer ausgeführt wird, erreicht, dass der Computer das Verfahren nach einem der Ansprüche 1–38 ausführt.
Computerprogrammprodukt, das ein computerlesbares Medium und ein Computerprogramm nach Anspruch 39 umfasst, wobei das Computerprogramm in dem computerlesbaren Medium enthalten ist.
System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors (101), wobei der Verbrennungsmotor (101) mindestens einen Brennraum (201) und Elemente (202) für die Zufuhr von Kraftstoff zu dem Brennraum (201) umfasst, wobei Verbrennung in dem Brennraum (201) in Verbrennungszyklen stattfindet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das System umfasst: – Elemente, die während eines ersten Teils eines ersten Verbrennungszyklus mindestens einen ersten Parameterwert bestimmen, der sich auf eine physikalische Größe für Verbrennung in dem Brennraum (201) bezieht, – Elemente (115), die auf Grundlage des ersten Parameterwerts eine Darstellung einer entstehenden Druckamplitude während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungszyklus nach einem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus und in dem Brennraum (201) schätzen und – Elemente (115), um auf Grundlage der geschätzten Druckamplitude die folgende Verbrennung zu steuern, wobei die folgende Verbrennung aus einem folgenden Teil des ersten Verbrennungszyklus nach dem ersten Teil des ersten Verbrennungszyklus besteht.
System nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor aus einem aus der folgenden Gruppe besteht: Fahrzeugmotor, Schiffsmotor, Industriemotor.
Fahrzeug (100), dadurch gekennzeichnet, dass es ein System nach einem der Ansprüche 41 oder 42 umfasst.