DE112014001774B4

DE112014001774B4 - Verfahren und System zum Steuern eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE112014001774B4
Application number: DE112014001774.4T
Authority: DE
Inventors: Ola Stenlåås; Kenan Muric
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: DE112014001774T5; SE1350510A1; WO2014175819A1; BR112015024996A2; SE539031C2

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors (101), wobei der Verbrennungsmotor (101) wenigstens einen Brennraum (201) und Elemente (202) für die Zufuhr von Kraftstoff zum Brennraum (201) umfasst, wobei die Verbrennung im Brennraum (201) in Verbrennungstakten erfolgt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass:
- während eines ersten Teils eines ersten Verbrennungstakts mit einem ersten Sensorelement ein erster Parameterwert bestimmt wird, der eine physikalische Größe für die Verbrennung im Brennraum (201) darstellt, und
- auf der Basis des ersten Parameterwerts die Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts gesteuert wird, so dass bei der Steuerung der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts die Verbrennung in Bezug auf eine Darstellung eines während der Verbrennung resultierenden Wärmeverlusts gesteuert wird,
wobei das Verfahren ferner umfasst:
- auf der Basis des ersten Parameterwerts das Schätzen einer Darstellung eines resultierenden Wärmeverlusts während des ersten Verbrennungstakts, und
- auf der Basis des geschätzten resultierenden Wärmeverlusts das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff zu Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein System und ein Fahrzeug sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, die das Verfahren gemäß der Erfindung implementieren.
Hintergrund der Erfindung
Bei Fahrzeugen allgemein und wenigstens in einem gewissen Umfang bei Schwerlastfahrzeugen im Besonderen wird eine konstante Weiterentwicklung bei Kraftstoffeinsparung und Senkung der Abgasemissionen angestrebt. Da für den Staat Verschmutzung und Luftqualität beispielsweise in Ballungsräumen zunehmend eine Rolle spielen, wurden in vielen Ländern Emissionsnormen und -richtlinien erlassen. Beim Fahren von Schwerlastfahrzeugen wie Lastkraftwagen, Busse u. Ä. spielt die Sparsamkeit des Fahrzeugs mittlerweile zunehmend eine Rolle für die Wirtschaftlichkeit im Unternehmen, in dem das Fahrzeug eingesetzt wird. Die Hauptausgabeposten für den täglichen Betrieb eines Fahrzeugs bestehen neben den Kosten für den Erwerb des Fahrzeugs im Lohn des Fahrers des Fahrzeugs, in den Reparatur- und Wartungskosten sowie im Kraftstoff für das Fahren mit dem Fahrzeug. Daher ist es in jedem einzelnen dieser Bereiche wichtig, die Kosten in einem möglichst großen Umfang zu senken.
Emissionsrichtlinien bestehen häufig in Anforderungen, die zulässige Grenzen für Abgasemissionen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor definieren. Beispielsweise bestehen häufig Vorschriften für Stickoxide (NO_x), Kohlenwasserstoffe (KW) und Kohlenmonoxid (CO). Diese Emissionsrichtlinien können beispielsweise auch das Vorhandensein von Partikeln in Abgasemissionen zum Gegenstand haben.
Um diese Emissionsrichtlinien zu erfüllen, werden die von der Verbrennung des Verbrennungsmotors erzeugten Abgase behandelt (gereinigt). Es kann beispielsweise ein sogenannter katalytischer Reinigungsprozess umfassend einen oder mehrere Katalysatoren verwendet werden. Die Abgasbehandlung kann ebenfalls andere Komponenten wie einen Partikelfilter umfassen.
Das Vorkommen von unerwünschten Stoffen im Abgasstrom vom Verbrennungsmotor wird in einem großen Umfang durch den Verbrennungsprozess im Brennraum des Verbrennungsmotors verursacht, wenigstens teilweise abhängig von der in der Verbrennung verbrauchten Kraftstoffmenge. Aus diesem Grund und weil die Wirtschaftlichkeit insbesondere von Schwerlastfahrzeugen wie zuvor erläutert von der Menge des verbrauchten Kraftstoffs abhängt, werden große Bemühungen unternommen, die Verbrennung von Verbrennungsmotoren effizienter zu gestalten, um Emissionen und Kraftstoffverbrauch zu senken.
Die Druckschrift DE 10 2011 008 210 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen von Kraft-stoffeinspritzmengen in einem Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Verbrennungskammer, Kraftstoffeinspritzeinrichtungen zum Zuführen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer und einen Verbrennungsdrucksensor. In dem Verfahren wird eine verbrannte Kraftstoffmasse eines Verbrennungszyklus nach diesem Verbrennungszyklus bestimmt. Die ermittelte verbrannte Kraftstoffmenge wird verwendet, um Einspritzzeitpunkte oder Einspritzmengen nachfolgender Zyklen einzustellen.
Die Druckschrift DE 11 2008 000 678 T5 offenbart eine Anordnung für einen Verbrennungsmotor und ein entsprechendes Verfahren für einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor umfasst einen Verbrennungsraum, ein Einspritzmittel zum Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum, eine Steuereinheit zum Steuern der Einspritzmittel und einen Sensor. Der Sensor ermittelt einen Parameter, der einen Wert aufweist, welcher in Bezug zu den Verbrennungsabläufen in dem Verbrennungsraum steht. Dabei wird durch den Sensor der Wert des Parameters während eines laufenden Verbrennungsvorgangs ermittelt und basierend auf dem ermittelten Wert wird eine Kraftstoffeinspritzung während des verbleibenden laufenden Verbrennungsvorgangs gesteuert.
Die Druckschrift DE 10 2006 044 866 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erreichen eines Sollwerts einer Verbrennungskenngröße für einen Verbrennungsmotor. Dabei wird Kraftstoff in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt und ein Verbrennungssignal mittels eines Detektors erzeugt, welches eine Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs darstellt. Basierend auf dem Verbrennungssignal wird die Verbrennungskenngröße und eine Abweichung von einem Sollwert bestimmt. Anhand der Abweichung wird ein Einspritzsignalparameter einer späteren Einspritzung gesteuert.
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 erfüllt. Weiter wird diese Aufgabe auch durch ein Computerprogramm nach Anspruch 34, ein Computerprogrammprodukt 35, ein System zum Steuern eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 36 und ein Fahrzeug nach Anspruch 38 gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor wenigstens einen Brennraum und Elemente für die Zufuhr von Kraftstoff zum Brennraum umfasst, wobei die Verbrennung im Brennraum in Verbrennungstakten erfolgt.
Während eines ersten Teils eines ersten Verbrennungstakts wird mit einem ersten Sensorelement ein erster Parameterwert bestimmt, der eine physikalische Größe in Bezug auf die Verbrennung im Brennraum darstellt, und

- auf der Basis des ersten Parameterwerts wird die Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts gesteuert, so dass während der Steuerung die Verbrennung im folgenden Teil des ersten Verbrennungstakts die Verbrennung in Bezug auf eine Darstellung eines während der Verbrennung resultierenden Wärmeverlusts gesteuert wird.

Wie zuvor erwähnt hat die Effizienz des Verbrennungsmotors eine starke Einwirkung auf die Gesamtwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs insbesondere bei Schwerlastfahrzeugen. Aus diesem Grund ist es häufig wünschenswert, dass die Verbrennung auf eine Weise gesteuert wird, die eine möglichst effiziente Verbrennung gewährleistet.
Die Regelung der Verbrennung kann zum einzelnen Ausführen für jeden Zylinder angeordnet sein und es ist ebenfalls möglich, eine Verbrennung während eines folgenden Verbrennungstakts auf der Basis von Informationen von einem oder mehreren vorhergehenden Verbrennungsprozessen zu steuern.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerung des Verbrennungsprozesses, wobei Bedingungen während des Fortschritts eines laufenden Verbrennungstakts bestimmt werden können, wobei die Steuerung während einer laufenden Verbrennung mit dem Ziel der Steuerung der Verbrennung in Richtung eines gewünschten Ergebnisses durchgeführt wird.
Bei der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor führt ein Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Energie zu an der Abtriebswelle des Verbrennungsmotor verrichteter Arbeit, das heißt die Kraft, die zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden kann. Ebenfalls wird ein Teil der Energie der Verbrennung zum Erwärmen der von der Verbrennung resultierenden Abgase verwendet, und ein Teil der während der Verbrennung freigesetzten Energie geht in reinen Wärmeverlusten, das heißt zum Erwärmen des Verbrennungsmotors, verloren. Diese Wärmeverluste haben mehrere Nachteile. Zunächst verringern die Wärmeverluste die Effizienz des Verbrennungsmotors mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch und damit verknüpften Kraftstoffkosten zur Folge. Zusätzlich muss der entstehenden Erwärmung des Verbrennungsmotors von der Kühlung des Fahrzeugs begegnet werden mit einer entsprechenden Belastung von letzterer. Ebenso wird die in den Abgasen der Verbrennung verfügbare Wärmeenergie verringert, die häufig beispielsweise zum Erwärmen von Abgasbehandlungsanlagen wie Katalysatoren, Partikelfiltern usw. wünschenswert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Verlauf der Verbrennung daher in Bezug auf den Wärmeverlust, der während der Verbrennung entsteht, das heißt die Energie, die nicht zum Verrichten von Arbeit oder Erwärmen der Abgase verwendet wird, gesteuert, und die Steuerung kann beispielsweise in Richtung eines Minimierens des während der Verbrennung resultierenden Wärmeverlusts gesteuert werden.
Die Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Bestimmen eines Parameterwerts zu einer physikalischen Größe für die Verbrennung, beispielsweise ein im Brennraum herrschender Druck, während eines ersten Teils eines Verbrennungstakts erzielt werden.
Auf der Basis dieses Parameterwerts, beispielsweise eines herrschenden Drucks, kann anschließend die Verbrennung während eines folgenden Teils des Verbrennungstakts in Bezug auf den entstehenden Wärmeverlust gesteuert werden. Die Verbrennung kann beispielsweise durch Bestimmen einer Einspritzstrategie zur Anwendung auf eine folgende Einspritzung gesteuert werden, wobei bei der Bestimmung der Einspritzstrategie der resultierende Wärmeverlust durch Schätzung vorhergesagt werden kann, so dass eine Einspritzstrategie, beispielsweise eine Einspritzstrategie von mehreren Einspritzstrategien, auf der Basis eines geschätzten Wärmeverlusts für die jeweilige Einspritzstrategie gewählt werden kann.
Beispielsweise kann ein Steuerparameter für die Steuerung der Verbrennung während des folgenden Teils des Verbrennungstakts bestimmt werden, wobei bei der Bestimmung unter Verwendung des ersten Parameterwerts ein erwarteter Wärmeverlust mit einer Schätzung für wenigstens zwei Steuerungsalternativen für den folgenden Teil des Verbrennungstakts vorhergesagt werden kann, wobei die Steuerungsalternative, die voraussichtlich die am besten geeignete ist, für die Steuerung der folgenden Verbrennung verwendet werden kann.
Gemäß der Erfindung kann somit die Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts auf der Basis einer Darstellung eines während des ersten Verbrennungstakts resultierenden Wärmeverlusts, geschätzt mit dem ersten Parameterwert, gesteuert werden, und die Steuerung kann beispielsweise angeordnet sein, in Richtung eines gewünschten Wärmeverlust für den Verbrennungstakt geregelt zu werden.
Ferner kann die Steuerung zum Bestimmen eines gewünschten Wärmeverlusts für den folgenden Teil des Verbrennungstakts auf der Basis der zu verrichtenden Arbeit während des ersten Verbrennungstakts angeordnet sein, so dass die Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts in Richtung des gewünschten Wärmeverlusts gesteuert werden kann.
Der erste Parameter kann angeordnet sein, bestimmt zu werden, wenn ein Teil des ersten Verbrennungstakts verstrichen ist, und beispielsweise wenn die Verbrennung von Kraftstoff während des ersten Verbrennungstakts begonnen hat. Somit ermöglicht der erste Parameter eine gute Schätzung, da die Schätzung mit Ausgangswerten durchgeführt wird, die aus tatsächlich im Brennraum herrschenden Bedingungen bestehen, nachdem der Verbrennungstakt begonnen hat. Gemäß einer Ausführungsform wird der erste Parameterwert bestimmt, wenn die Verbrennung im ersten Brennraum begonnen hat, so dass die Regelung der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts auf der Basis der im Brennraum herrschenden Bedingungen nach Beginn der Verbrennung von Kraftstoff erfolgen kann.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch einen oder mehrere FPGA-(Field-Programmable-Gate-Array-)Kreise und/oder einen oder mehrere anwendungsspezifische Schaltkreise (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) oder andere Arten von Kreisen, welche die gewünschte Rechengeschwindigkeit bieten, implementiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen und in den beigefügten Zeichnungen dargelegt.
Figurenliste

1A zeigt schematisch ein Fahrzeug, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.
1B zeigt ein Steuergerät in der Steuerung für das in 1 dargestellte Fahrzeug.
2 zeigt den Verbrennungsmotor im Fahrzeug, das in 1 detaillierter dargestellt ist.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Beispiel für eine geschätzte Druckkurve für eine Verbrennung und eine tatsächliche Druckkurve bis zu einer ersten Kurbelwinkelstellung.
5A-B zeigen ein Beispiel für eine Regelung in Situationen mit mehr als drei Einspritzungen.
6 zeigt ein Beispiel für eine MPC.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
1A zeigt schematisch einen Antriebsstrang in einem Fahrzeug 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Antriebsstrang umfasst einen Verbrennungsmotor 101, der auf herkömmliche Weise über eine Abtriebswelle am Verbrennungsmotor 101, üblicherweise über ein Schwungrad 102, über eine Kupplung 106 mit einem Getriebe 103 verbunden ist.
Der Verbrennungsmotor 101 wird von der Steuerung des Motors über ein Steuergerät 115 gesteuert. Ebenso werden die Kupplung 106, die beispielsweise aus einer automatisch gesteuerten Kupplung bestehen kann, sowie das Getriebe 103 von der Steuerung des Fahrzeugs mit einem oder mehreren entsprechenden Steuergeräten (nicht dargestellt) gesteuert. Der Antriebsstrang des Fahrzeugs kann auch eine andere Ausführung aufweisen und beispielsweise ein herkömmliches Automatikgetriebe oder ein Handschaltgetriebe umfassen.
Eine Abtriebswelle 107 vom Getriebe 103 treibt die Antriebsräder 113, 114 auf herkömmliche Weise über die Achsantriebe und die Antriebsachsen 104, 105 an. 1A zeigt nur eine Achse mit Antriebsrädern 113, 114, aber auf herkömmliche Weise kann das Fahrzeug mehr als eine mit Antriebsrädern ausgestattete Achse oder eine oder mehrere Zusatzachsen wie eine oder mehrere Stützachsen umfassen. Das Fahrzeug 100 umfasst ebenfalls eine Abgasanlage mit einer Nachbehandlungsanlage 200 zur herkömmlichen Behandlung (Reinigung) von Abgasemissionen aus der Verbrennung im Brennraum (das heißt Zylindern) des Verbrennungsmotors 101.
Ferner sind Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen der in 1A dargestellten Art häufig mit steuerbaren Einspritzdüsen ausgestattet, um die gewünschte Menge an Kraftstoff zum gewünschten Zeitpunkt im Verbrennungstakt wie etwa bei einer bestimmten Kolbenstellung (Kurbelwinkelgrad) im Falle eines Kolbenmotors dem Brennraum des Verbrennungsmotors zuzuführen.
2 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Kraftstoffeinspritzung für den in 1A dargestellten Verbrennungsmotor 101.
Die Kraftstoffeinspritzung besteht aus einem sogenannten Common-Rail-System; die Erfindung kann aber ebenfalls auf andere Arten von Einspritzungen angewendet werden. 2 zeigt nur einen Zylinder / einen Brennraum 201 mit einem im Zylinder wirkenden Kolben 203; aber der Verbrennungsmotor 101 besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Sechszylinder-Verbrennungsmotor und kann im Allgemeinen aus einem Motor mit einer beliebigen Zahl an Zylindern/Brennräumen, beispielsweise einer beliebigen Zahl an Zylindern/Brennräumen im Bereich von 1 bis 20 oder sogar mehr bestehen. Der Verbrennungsmotor umfasst ebenfalls wenigstens eine jeweilige Einspritzdüse 202 für jeden Brennraum (jeden Zylinder) 201. Jede jeweilige Einspritzdüse wird somit zum Einspritzen (Zuführen) von Kraftstoff in einen jeweiligen Brennraum 201 verwendet. Alternativ können zwei oder mehr Einspritzdüsen pro Brennraum verwendet werden. Die Einspritzdüsen 202 werden einzeln durch jeweilige an den entsprechenden Einspritzdüsen angeordnete Stellglieder (nicht dargestellt) gesteuert, die auf der Basis der empfangenen Steuersignale beispielsweise vom Steuergerät 115 das Öffnen/Schließen der Einspritzdüsen 202 steuern.
Die Steuersignale zum Steuern des Öffnens/Schließens der Einspritzdüsen 202 durch die Stellglieder können durch ein entsprechendes Steuergerät wie in diesem Fall vom Motorsteuergerät 115 erzeugt werden. Das Motorsteuergerät 115 bestimmt somit die Kraftstoffmenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt einzuspritzen ist, beispielsweise auf der Basis der herrschenden Betriebsbedingungen im Fahrzeug 100.
Die in 2 dargestellte Einspritzung besteht somit aus einem sogenannten Common-Rail-System, das heißt alle Einspritzdüsen (und somit alle Brennräume) werden aus einer gemeinsamen Kraftstoffleitung 204 (Common Rail) mit Kraftstoff versorgt, die durch eine Kraftstoffpumpe 205 mit Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) gefüllt wird, während gleichzeitig der Kraftstoff in der Leitung 204 ebenfalls durch die Kraftstoffpumpe 205 einem bestimmten Druck ausgesetzt wird. Der stark unter Druck stehende Kraftstoff in der gemeinsamen Leitung 204 wird anschließend in den Brennraum 201 des Verbrennungsmotors 101 gespritzt, wenn die jeweilige Einspritzdüse 202 geöffnet wird. Mehrfaches Öffnen/Schließen einer bestimmten Einspritzdüse kann während desselben Verbrennungstakts erfolgen, so dass mehrere Einspritzungen während der Verbrennung von einem Verbrennungstakt durchgeführt werden können. Ferner ist jeder Brennraum mit einem jeweiligen Drucksensor 206 zum Senden von Signalen in Bezug auf einen im Brennraum herrschenden Druck beispielsweise an das Steuergerät 115 ausgestattet. Der Drucksensor kann beispielsweise piezobasiert sein und muss schnell genug sein, um nach dem Kurbelwinkel aufgelöste Drucksignale beispielsweise bei jedem Kurbelwinkelgrad oder häufiger zu senden.
Mit einem System der Art wie in 2 dargestellt kann die Verbrennung während eines Verbrennungstakts in einem Brennraum in einem großen Umfang gesteuert werden, beispielsweise durch die Verwendung von mehreren Einspritzungen, wobei die Zeiten und/oder die Dauer der Einspritzungen gesteuert werden können und wobei Daten beispielsweise von den Drucksensoren 206 in Bezug auf diese Steuerung berücksichtigt werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden beispielsweise Einspritzzeiten und/oder - dauer für die jeweiligen Einspritzungen und/oder eingespritzten Kraftstoffmengen während der laufenden Verbrennung auf der Basis von Daten von der laufenden Verbrennung angepasst. Wie zuvor erläutert führt die während der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor freigesetzte Energie teilweise zu verrichteter Energie, aber auch zu einer Erwärmung von Abgasen und Wärmeverlusten in Form einer Erwärmung des Verbrennungsmotors. Gemäß der Erfindung wird die Verbrennung in Bezug auf den Wärmeverlust gesteuert, der während der Verbrennung entsteht, beispielsweise durch eine Steuerung, deren Ziel im Minimieren der Wärmeverluste bei der Verbrennung, während die gewünschte Arbeit nach wie vor verrichtet werden kann, besteht.
3 zeigt ein Beispielverfahren 300 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren gemäß dem vorliegenden Beispiel zum Ausführen des in 1A-B dargestellten Motorsteuergeräts 115 angeordnet ist.
Im Allgemeinen bestehen Steuerungen in modernen Fahrzeugen aus einem Kommunikationsbussystem, das einen oder mehrere Kommunikationsbusse zum Verbinden einer Zahl von elektronischen Steuergeräten wie das Steuergerät bzw. den Controller 115 und verschiedenen im Fahrzeug angeordneten Komponenten umfasst. Solch eine Steuerung kann nach dem Stand der Technik eine große Zahl von Steuergeräten umfassen und die Zuständigkeit für eine bestimmte Funktion kann auf mehrere Steuergeräte aufgeteilt sein.
Zur Vereinfachung zeigen die 1A-B nur das Steuergerät 115, in dem die vorliegende Erfindung in der dargestellten Ausführungsform implementiert ist. Die Erfindung kann aber auch in einem speziell für die vorliegende Erfindung vorgesehenen Steuergerät oder vollständig bzw. teilweise in einem oder mehreren anderen Steuergeräten, die bereits im Fahrzeug vorhanden sind, implementiert sein. Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit, mit der Berechnungen gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgen, kann die Erfindung zum Implementieren in einem Steuergerät angeordnet sein, das speziell an Echtzeitberechnungen der nachfolgend beschriebenen Art angepasst ist. Die Implementierung der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, dass beispielsweise ASIC- und FPGA-Lösungen für Berechnungen gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind und diese gut bewältigen.
Die Funktion des Steuergerät 115 (oder des Steuergeräts / der Steuergeräte, in dem/denen die vorliegende Erfindung implementiert ist) gemäß der vorliegenden Erfindung kann abgesehen von Sensorsignalen vom Drucksensoren 202 beispielsweise von Signalen von anderen Steuergeräten oder Sensoren abhängen. Im Allgemeinen sind Steuergeräte der dargestellten Art normalerweise zum Empfangen von Sensorsignalen von verschiedenen Teilen des Fahrzeugs sowie von verschiedenen im Fahrzeug angeordneten Steuergeräten angeordnet.
Die Steuerung wird häufig durch programmierte Anweisungen gesteuert. Diese programmierten Anweisungen bestehen typischerweise aus einem Computerprogramm, das bei Ausführen auf einem Computer oder in einem Steuergerät den Computer / das Steuergerät zum Ausführen der gewünschten Steuerungsaktion als Verfahrensschritt im Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung veranlasst.
Das Computerprogramm besteht üblicherweise aus einem Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogrammprodukt ein entsprechendes Speichermedium 121 (siehe 1B) umfasst und das Computerprogramm auf dem Speichermedium 121 gespeichert ist. Das digitale Speichermedium 121 kann beispielsweise aus einem Element aus der folgenden Gruppe bestehen: ROM (Read-Only Memory), PROM (Programmable Read-Only Memory), EPROM (Erasable PROM), Flash, EEPROM (Electrically Erasable PROM), Festplatteneinheit usw., und kann im Steuergerät oder in Kombination mit diesem ausgebildet sein, wobei das Computerprogramm vom Steuergerät ausgeführt wird. Durch Ändern der Anweisungen des Computerprogramms kann somit das Verhalten des Fahrzeugs in einer bestimmten Situation angepasst werden.
Ein Beispielsteuergerät (Steuergerät 115) ist schematisch in 1B dargestellt und das Steuergerät kann wiederum eine Recheneinheit 120 umfassen, die wiederum beispielsweise aus einem geeigneten Typ von Prozessor oder Mikrocomputer, beispielsweise einem Kreis zur digitalen Signalverarbeitung (Digital Signal Processor, DSP), einen oder mehreren FPGA-(Field-Programmable-Gate-Array-)Kreisen oder einen oder mehreren Kreisen mit einer vorgegebenen spezifischen Funktion (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) bestehen kann. Die Recheneinheit 120 ist mit einer Speichereinheit 121 verbunden, welche die Steuereinheit 120 beispielsweise mit dem gespeicherten Programmcode und/oder den gespeicherten Daten versorgt, welche die Recheneinheit 120 zum Durchführen von Berechnungen braucht. Die Recheneinheit 120 ist ebenfalls zum Speichern von Zwischen- oder Endergebnissen von Berechnungen in der Speichereinheit 121 ausgebildet.
Ferner ist das Steuergerät mit Vorrichtungen 122, 123, 124, 125 zum Empfangen und Senden von Ein- und Ausgangssignalen ausgestattet. Diese Ein- und Ausgangssignale können Wellenformen, Impulse oder andere Attribute umfassen, die von den Vorrichtungen 122, 125 für den Empfang von Eingangssignalen als Informationen zur Verarbeitung durch die Recheneinheit 120 erkannt werden können. Die Vorrichtungen 123, 124 zum Senden von Ausgangssignalen sind zum Umwandeln des Berechnungsergebnisses von der Recheneinheit 120 in Ausgangssignale zur Übertragung an andere Teile der Steuerung des Fahrzeugs und/oder die Komponente(n), für welche die Signale bestimmt sind, angeordnet. Jede einzelne der Verbindungen mit den Vorrichtungen zum Empfangen und Senden von Ein- und Ausgangssignalen können aus einem oder mehreren Elementen der folgenden Gruppe bestehen: Kabel, Datenbus wie ein CAN-(Controller-Area-Network-)Bus, MOST-(Media-Orientated-Systems-Transport-)Bus oder eine andere Buskonfiguration oder eine drahtlose Verbindung.
In Bezug auf das in 3 dargestellte Verfahren 300 beginnt das Verfahren bei Schritt 301, in dem bestimmt wird, ob die Steuerung des Verbrennungsprozesses gemäß der Erfindung erfolgen soll. Die Steuerung gemäß der Erfindung kann beispielsweise zur kontinuierlichen Ausführung angeordnet sein, sobald der Verbrennungsmotor 101 angelassen wird. Alternativ kann die Steuerungsaktion zum Ausführen beispielsweise, während die Verbrennung des Verbrennungsmotors nicht gemäß einem anderen Kriterium zu steuern ist, angeordnet sein. Beispielsweise kann es Situationen geben, in denen es wünschenswert ist, dass die Steuerungsaktion auf der Basis von anderen Faktoren als vor allem der Wärmeverluste erfolgt. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt eine gleichzeitige Steuerung der Verbrennung in Bezug auf die Wärmeverluste und wenigstens einen zusätzlichen Steuerparameter. Beispielsweise kann ein Abwägen erfolgen, wobei die Priorisierung der Steuerparameter zum Erfüllen eines gewünschten Steuerergebnisses beispielsweise zur Steuerung gemäß einer geeigneten Kostenfunktion angeordnet sein kann.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besteht somit aus einem Verfahren zum Steuern des Verbrennungsmotors 101, während die Verbrennung im Brennraum 201 in Verbrennungstakten erfolgt. Nach dem Stand der Technik ist der Begriff „Verbrennungstakt“ als die Schritte definiert, die eine Verbrennung in einem Verbrennungsmotor umfasst, das heißt die zwei Takte eines Zweitaktmotors und die vier Takte eines Viertaktmotors. Der Begriff umfasst auch Takte, in denen effektiv kein Kraftstoff eingespritzt wird, aber der Verbrennungsmotor noch mit einer bestimmten Motordrehzahl läuft, beispielsweise durch die Antriebsräder des Fahrzeugs über den Antriebsstrang beispielsweise beim Abschleppen. Das heißt selbst wenn kein Einspritzen von Kraftstoff erfolgt, wird ein Verbrennungstakt beispielsweise alle zwei Umdrehungen (bei Viertaktmotoren) oder beispielsweise nach jeder Umdrehung (bei Zweitaktmotoren), um die sich die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors dreht, vollzogen. Das gleiche gilt für andere Arten von Verbrennungsmotoren.
In Schritt 302 wird bestimmt, ob ein Verbrennungstakt begonnen wurde oder wird, und, falls dies der Fall ist, fährt das Verfahren mit dem Schritt 303 fort, während ein Parameter i zur Darstellung einer Einspritzzahl auf Eins gesetzt wird.
In Schritt 303 wird eine Einspritzfolge bestimmt, die voraussichtlich zu einen gewünschten Wärmeverlust während der Verbrennung führt, beispielsweise eine Einspritzfolge, die voraussichtlich den resultierenden Wärmeverlust während der Verbrennung des Verbrennungstakts minimiert.
Im Allgemeinen wird die Zufuhr der Menge von Kraftstoff sowohl in Bezug auf die Menge als auch die Weise der Zufuhr, das heißt für die eine oder mehreren Kraftstoffeinspritzungen, die während des Verbrennungstakts auszuführen sind, normalerweise vorab definiert, beispielsweise entsprechend der Arbeit (Drehmoment), die der Verbrennungsmotor während des Verbrennungstakts verrichten muss, da nach dem Stand der Technik keine Änderung der bestimmten Einspritzfolge während eines laufenden Verbrennungstakts erfolgt. Vorgegebene Einspritzfolgen können beispielsweise in Tabellen in der Steuerung des Fahrzeugs für eine große Zahl von Betriebsarten wie unterschiedliche Motordrehzahlen, unterschiedliche angeforderte Arbeit, unterschiedliche Verbrennungsluftdrücke usw. vorliegen, wobei die tabellarischen Daten beispielsweise durch entsprechende Tests/Messungen während beispielsweise der Entwicklung des Verbrennungsmotors und/oder Fahrzeugs erstellt werden können, so dass die entsprechende Einspritzfolge auf der Basis der herrschenden Bedingungen gewählt werden kann, und wobei die Einspritzfolge beispielsweise auf der Basis eines Wunsches eines niedrigen Wärmeverlusts gewählt werden kann.
Diese Einspritzfolgen können aus der Zahl der Einspritzungen und jeweiligen Merkmale in Form von beispielsweise Zeitpunkt (Kurbelwinkelstellung) bei Beginn der Einspritzung, Dauer der Einspritzung, Einspritzdruck usw. bestehen und können somit für eine große Zahl von Betriebsarten in der Steuerung des Fahrzeugs gespeichert und beispielsweise mit dem Ziel, in einem minimalen Wärmeverlust zu resultieren, berechnet/gemessen werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird daher solch eine vorgegebene Einspritzfolge in Schritt 303 angewendet, wobei diese vorgegebene Einspritzfolge auf der Basis von vorherrschenden Bedingungen der vom Verbrennungsmotor geforderten Arbeit und beispielsweise mit einem Tabellenabruf gewählt wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Einspritzfolge vollständig gemäß beispielsweise den nachfolgend dargestellten Berechnungen bestimmt, wobei beispielsweise unterschiedliche Einspritzfolgen vorab miteinander verglichen werden können, um eine am meisten bevorzugte Einspritzfolge zu bestimmen; aber im nachfolgend erläuterten Berechnungsbeispiel werden die Berechnungen jedoch erst nach Beginn der Einspritzung während des Verbrennungstakts angewendet. Da spezifische angenommene Bedingungen vermutlich jedes Mal zur gleichen bevorzugten Einspritzfolge führt, kann es vorteilhaft sein, eine Einspritzfolge durch eine Art von Abruf vor einem Verbrennungstakt zu wählen und somit die Berechnungslast zu verringern, so dass die Berechnung wie nachfolgend erläutert somit nur nach Beginn der Einspritzung erfolgt. Zusätzlich zum folgenden Beispiel, wie die Einspritzfolge bestimmt werden kann, können andere Modelle mit einer ähnlichen Funktion alternativ angewendet werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in Schritt 303 somit eine vorgegebene Einspritzfolge zu Beginn des Verbrennungstakts ermittelt, wobei die Steuerungsaktion gemäß der Erfindung erst nach Beginn der Kraftstoffeinspritzung während eines Verbrennungstakts ausgeführt wird, etwa erst nach Abschluss der wenigstens einen Einspritzung während des Verbrennungstakts oder wenigstens nach Beginn von einer Einspritzung.
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt somit normalerweise gemäß einer vorgegebenen Folge, wobei mehrere Einspritzungen angeordnet sein können, um während des gleichen Verbrennungstakts ausgeführt zu werden. Dies führt dazu, dass die Einspritzungen relativ kurz sein können. Beispielsweise gibt es Einspritzanlagen mit 5 bis 10 Kraftstoffeinspritzungen/Verbrennung; die Zahl der Kraftstoffeinspritzungen kann aber wesentlicher größer sein, beispielsweise im Bereich von 100 Kraftstoffeinspritzungen während eines Verbrennungstakts. Die Zahl der möglichen Einspritzungen wird im Allgemeinen von der Geschwindigkeit der Elemente gesteuert, mit denen die Einspritzung ausgeführt wird, das heißt im Falle eines Common-Rail-Systems von der Geschwindigkeit des Öffnens und Schließens der Einspritzdüsen.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel werden wenigstens drei Kraftstoffeinspritzungen insp₁ während des gleichen Verbrennungstakts durchgeführt, aber wie bereits zuvor erläutert kann eine größere Zahl von Einspritzungen sowie nur eine zum Ausführen angeordnet sein.
Die Einspritzfolge wird somit im vorliegenden Beispiel vorab mit dem Ziel eines Erreichens eines bestimmten Wärmeverlusts bestimmt, beispielsweise unter den herrschenden Bedingungen eines minimalen Wärmeverlusts, das heißt bei der gegebenen Arbeit des Verbrennungsmotors eines möglichst geringen Wärmeverlusts während der Verbrennung. Eine erste Einspritzung insp₁ wird ausgeführt und in Schritt 304 wird bestimmt, ob die erste Einspritzung insp₁ ausgeführt wurde, und falls ja, fährt das Verfahren mit Schritt 305 fort, in dem bestimmt wird, ob alle Einspritzungen i ausgeführt wurden. Da dies im vorliegenden Beispiel noch nicht der Fall ist, fährt das Verfahren mit Schritt 306 fort, während i um Eins für die nächste Einspritzung inkrementiert wird. Ferner wird unter kontinuierlicher Verwendung des Drucksensors 206 etwa in jeweiligen Intervallen, beispielsweise alle 0,1 bis 10 Kurbelwinkelgrade, der im Brennraum herrschende Druck bestimmt.
Der Verbrennungsprozess kann im Allgemeinen mit der Änderung des Drucks im Brennraum beschrieben werden, den die Verbrennung erzeugt. Die Druckänderung während eines Verbrennungstakts kann durch eine Druckkurve, das heißt eine Darstellung, wie sich der Druck im Brennraum während der Verbrennung ändert, dargestellt werden. Solange die Verbrennung wie erwartet fortschreitet, entspricht der Druck im Brennraum dem ursprünglich geschätzten; sobald aber der Druck vom geschätzten Druck abweicht, weicht der tatsächliche Wärmeverlust vom geschätzten Wärmeverlust ab. Zusätzlich werden der folgende Teil des Verbrennungstakts und somit der Wärmeverlust beeinflusst.
Wenn die Verbrennung nach der ersten Einspritzung insp₁ somit wie erwartet fortgeschritten ist, entsprechen die Bedingungen im Brennraum den für die Einspritzung vorgesehenen Bedingungen und ebenso wird die bis dahin resultierende Druckänderung (die Druckkurve wie nachfolgend dargestellt) im Brennraum der erwartetem Druckänderung bis zu diesem Punkt entsprechen. Sobald aber die Bedingungen von den geplanten Bedingungen abweichen, weicht die Druckänderung während der Verbrennung von der erwarteten Druckänderung ab.
Ebenso wird ebenfalls der folgende Teil der Verbrennung beeinflusst, da die im Brennraum herrschenden Bedingungen, beispielsweise in Bezug auf Druck/Temperatur, bei der nächsten Einspritzung nicht den erwarteten Bedingungen entsprechen. Wie nachfolgend erläutert besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druck im Brennraum und den resultierenden Wärmeverlusten, so dass Abweichungen im Druck auch zu Abweichungen von den erwarteten Wärmeverlusten führen.
In der Praxis werden die tatsächlichen Druckänderungen während der Verbrennung (Druckkurve) sehr wahrscheinlich von der vorhergesagten Druckkurve während des Verlaufs der Verbrennung beispielsweise aufgrund von Abweichungen von der modellierten Verbrennung usw. abweichen. Dies ist in 4 dargestellt, in der eine vorhergesagte Druckkurve 401 für eine beispielhafte Einspritzfolge (stark schematisch) abgebildet ist, das heißt die erwartete Druckkurve für den Brennraum, wenn die Einspritzung erfolgt, gemäß dem gewählten Einspritzprofil. Diese Vorhersage der Druckkurve kann beispielsweise wie nachfolgend beschrieben durchgeführt werden.
4 zeigt ebenfalls eine tatsächliche Druckkurve 402 bis zur Kurbelwinkelstellung ϕ₁, welche die Stellung nach erfolgter erster Verbrennung darstellt. In Schritt 306 wird der Druck p_{ϕ1_est} im Brennraum mit dem Drucksensor 206, nachdem die erste Einspritzung insp₁ erfolgt ist, in der Kurbelwinkelstellung ϕ₁ bestimmt. Vorzugsweise wird der Druck im Brennraum im Wesentlichen kontinuierlich während der gesamten Verbrennung, beispielsweise bei jedem Kurbelwinkelgrad, jedem zehnten Kurbelwinkelgrad oder in einem anderen geeigneten Intervall bestimmt. Wie in 4 dargestellt weicht die tatsächliche Druckkurve bis ϕ₁ von der geschätzten Druckkurve 401 ab und der tatsächliche Druck p^ϕ ₁ weicht ebenfalls bei ϕ₁ vom geschätzten Druck p_{ϕ1_est} gemäß der Druckkurve 401 ab. Dies bedeutet, dass der bis dahin resultierende Wärmeverlust mit großer Wahrscheinlichkeit ebenfalls vom erwarteten Wärmeverlust bis zur Kurbelwinkelstellung ϕ₁ abweicht.
Da der Druck p_ϕ1 im Brennraum nach dem Durchführen der ersten Einspritzung insp₁ vom entsprechenden geschätzten Druck p_ϕ1 in der Kurbelwinkelstellung ϕ₁ abweicht, weichen die Bedingungen im Brennraum zum Zeitpunkt für die nächste folgende Einspritzung insp₂ von den vorhergesagten Bedingungen ab, so dass die folgende Verbrennung ebenfalls von der vorhergesagten Verbrennung abweicht, wenn die zuvor bestimmte Einspritzfolge noch verwendet werden soll. Somit ist keinesfalls sichergestellt, dass die gewünschte Minimierung von Wärmeverlusten während des Verbrennungstakts erzielt wird. Daher ist ebenfalls nicht sichergestellt, dass die ursprünglich bestimmte Einspritzfolge die am meisten bevorzugte Einspritzfolge mit dem Ziel des Erreichens des gewünschten Wärmeverlusts ist.
Daher wird in Schritt 307 erneut eine Einspritzfolge bestimmt, um die Wärmeverluste zu verringern, beispielsweise mit dem Ziel eines Versuchs des Minimierens der Wärmeverluste während des Verbrennungstakts oder des restlichen Teils des Verbrennungstakts. Die Steuerung kann beispielsweise gemäß den nachfolgend dargestellten Berechnungen erfolgen, alternativ gemäß anderen entsprechenden Berechnungen mit einem ähnlichen Ziel, und wie nachfolgend dargestellt während eines laufenden Verbrennungstakts wiederholt werden, um bei Bedarf die Einspritzfolge während einer laufenden Verbrennung zu ändern, wenn die tatsächlich im Brennraum herrschenden Bedingungen von den vorhergesagten Bedingungen abweichen, etwa nach jeder Einspritzung oder während einer laufenden Einspritzung.
Beim Schätzen von Wärmeverlusten wird gemäß der Erfindung ein Modell verwendet, das die während der Verbrennung entstehenden Wärmeverluste beschreibt. Dieses Modell kann einen anderen Typ aufweisen und beispielsweise aus einem computerbasierten Modell $\frac{d Q_{h l}}{d t} = f (Q_{h l}, u)$
bestehen, wobei Q_hl die Energie darstellt, die im Wärmeverlust verwendet wird, und wobei u eine Steuervariable darstellt (beispielsweise die Kraftstoffzufuhr für die Verbrennung), das heißt ein Modell, das durch Bestimmen eines Ergebnisses für eine große Zahl von Eingabeparametern erstellt wird, wobei $\frac{d Q_{h l}}{d t}$
anschließend für eine große Zahl von Bedingungen wie verschiedene Lasten, Motordrehzahlen, Luftdrücke usw., die einem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, tabellarisch erfasst werden kann.
Eine andere Alternative, die ebenfalls die im vorliegenden Beispiel angewendete Alternative darstellt, ist die Verwendung eines physikalischen Modells für Wärmeverluste während der Verbrennung im Brennraum. Dieses Modell kann aus einem geeigneten Modell bestehen und gemäß dem vorliegenden Beispiel wird das Woschni-Modell, das einem Fachmann vertraut ist, für die Wärmeverluste hl während der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor verwendet.
Wärmeverluste in einem Verbrennungsprozess werden vor allem durch Temperatur und Druck im Brennraum (in diesem Fall im Zylinder) und die Gasbewegung beschrieben. Temperatur und Druck stehen aber miteinander gemäß dem allgemeinen Gasgesetz in Beziehung, was es wie zuvor erläutert ermöglicht, die Wärmeverluste als eine Funktion des Drucks ohne explizites Wissen über die Temperatur zu beschreiben.
Gemäß Woschni kann die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme wie folgt modelliert werden: $\frac{d Q_{h l}}{d t} = h \cdot S (φ) \cdot Δ T,$
wobei $h = 3.26 B^{- 0.2} p^{0.8} T^{- 0.55} w^{0.8}, w = C_{1} S_{p} .$
Die Berechnung der Parameter ist allgemein nach dem Stand der Technik gut beschrieben und daher werden hier nur einige Parameter kurz beschrieben:

B = Zylinderdurchmesser
p = Zylinderdruck
T = Temperatur im Zylinder
w = charakteristische Gasgeschwindigkeit, hier genähert zu C₁S_p
S_p = Durchschnittsgeschwindigkeit des Kolbens im Zylinder, die beispielsweise in der Steuerung für verschiedene Motordrehzahl tabellarisch erfasst oder aus der Motordrehzahl und dem Kolbenhub berechnet werden kann

C₁ stellt einen definierten Koeffizienten dar, der gemäß einem Beispiel mit 2,28 plus einer Abhängigkeit von der Kolbendurchschnittsgeschwindigkeit angesetzt werden kann. Der Koeffizient wird, wie allgemein bekannt, gemäß den Spezifikationen von Woschni bestimmt/kalibriert.
S(ϕ) = Wandfläche (Zylinderwand und Fläche für Beschränkung des Brennraums jeweils nach oben und unten) im Brennraum als eine Funktion des Kurbelwinkels ΔT stellt die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Gases im Brennraum und der Wandtemperatur des Brennraums dar.
Gemäß der Gleichung (1) besteht somit ein expliziter Zusammenhang zwischen dem Wärmeverlust während der Verbrennung und der Durchschnittstemperatur der Verbrennungsgase. Dieser explizite Temperaturzusammenhang kann durch Schätzung des Wärmeverlustes mit dem allgemeinen Gasgesetz beseitigt werden: $p V = n R T$
Die Gleichung (2) kann mit einer Kurbelwinkelanhängigkeit (ϕ) umformuliert werden, so dass die Verbrennungstemperatur T wie folgt ausgedrückt werden kann: $T = \frac{p (φ) V (φ)}{n (φ) R}$
Somit kann die Gleichung (1) mit der Gleichung (3) wie folgt umformuliert werden: $h = 3.26 B^{- 0.2} p^{0.8} {(\frac{p (φ) V (φ)}{n (φ) B})}^{-}^{0.55} w^{0.8} = 3.26 B^{- 0.2} p^{0.25} {(\frac{V (φ)}{n (φ) R})}^{- 0.55} w^{0.8}$
V(ϕ), das heißt das Volumen des Brennraums als eine Funktion des Kurbelwinkels, kann vorteilhafterweise im Speicher der Steuerung tabellarisch erfasst oder auf eine geeignete Weise berechnet werden, wobei ebenfalls $\frac{d V}{d φ}$
wie nachfolgend verwendet berechnet werden kann.
Die Stoffmenge n, das heißt die Stoffmenge des Gases im Brennraum, ändert sich im Laufe der Zeit (Kurbelwinkel) im Verlauf der Verbrennung. Die Stoffmenge n ändert sich im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen, die während der Verbrennung auftreten. Diese Änderung beträgt jedoch normalerweise nur ein oder wenige Prozent, so dass gemäß einer Ausführungsform die Stoffmenge n(ϕ) als die Stoffmenge vor der Verbrennung angesetzt werden kann, so dass die Stoffmenge n(ϕ) als konstant angenommen werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann aber die Änderung der Stoffmenge während der Verbrennung geschätzt werden, um eine genauere Schätzung von Wärmeverlusten während der Verbrennung zu erzielen. Dies ist nachfolgend beschrieben.
Die Temperatur der Zylinderwand T_wall kann mit guter Näherung als konstant angesetzt und auf geeignete Weise bestimmt werden, beispielsweise mit einem geeigneten Temperatursensor, wobei ΔT wie folgt geschätzt werden kann: $Δ T = \frac{p (φ) V (φ)}{n (φ) R} - T_{w a l l}$
Mit Parametern wie zuvor beschrieben können somit die Wärmeverluste als eine Funktion des Kurbelwinkels gemäß der Gleichung (4) geschätzt werden, wobei bereits entstandene Wärmeverluste mit Sensorsignalen vom Drucksensor geschätzt werden können.
Die Schätzung der gesamten erwarteten Wärmeverluste oder der Wärmeverluste für den folgenden Teil des Verbrennungstakts während der Verbrennung erfordert somit Wissen über die Änderung des Drucks p während der Verbrennung. Der Druck p kann mit dem Drucksensor bestimmt werden, so dass kontinuierliche Sensorsignale gemessene Werte für p in entsprechend häufigen Intervallen/Kurbelwinkelgraden zum Bestimmen von $\frac{dQ}{d φ}$
für den Teil der Verbrennung, der bereits verstrichen ist, liefern können, und so dass ein tatsächlicher Wärmeverlust für den Teil der Verbrennung, der bereits verstrichen ist, auf der Basis der tatsächlichen Druckdaten geschätzt werden kann. Die Druckänderung ist in Kurbelwinkelgrad ϕ ausgedrückt, was ein Beseitigen der Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors bei den Berechnungen bedeutet.
Die vorliegende Erfindung strebt aber eine aktive Steuerung der Wärmeverluste während der Verbrennung, beispielsweise mit dem Ziel des Minimierens oder Steuerns in Richtung eines anderen entsprechenden Werts, an, was durch Vorhersagen der erwarteten Druckkurve im Brennraum für den folgenden Teil des Verbrennungstakts erfolgen kann, so dass der erwartete Wärmeverlust für die gesamte Verbrennung geschätzt wird.
Dies bedeutet ebenfalls, dass der erwartete Wärmeverlust für mehrere verschiedene Szenarien bei der Verbrennung wie verschiedene Einspritzfolgen geschätzt werden kann, wobei die jeweilige Einspritzfolge eine spezifische Druckkurve ergibt, beispielsweise die in 4 dargestellte Druckkurve, die für die spezifische Einspritzfolge geschätzt wird.
Beim Schätzen der Druckkurve kann ein Modell für die Verbrennung verwendet werden, und die Verbrennung kann, wie einem Fachmann vertraut ist, gemäß der Gleichung (6) modelliert werden: $d Q = K_{c a l i b r a t e} (Q_{f u e l} - Q)$
wobei K_calibrate zum Kalibrieren des Modells verwendet wird. K_calibrate besteht aus einer Konstante, die üblicherweise im Bereich von 0 bis 1 liegt, aber auch angeordnet sein kann, andere Werte anzunehmen, und die einzeln Zylinder für Zylinder oder für einen bestimmten Motor oder Motortyp bestimmt wird, und hängt insbesondere von der Gestaltung der Einspritzdüsen (Zerstäuber) ab.
Q_fuel besteht aus dem Energiewert der eingespritzten Kraftstoffmenge, Q besteht aus der Menge der verbrannten Energie. Die Verbrennung dQ entspricht somit der eingespritzten Kraftstoffmenge minus der bis dahin verbrauchten Kraftstoffmenge. Die Verbrennung dQ kann alternativ unter Anwendung eines anderen geeigneten Modells, in dem beispielsweise ebenfalls andere Parameter berücksichtigt werden, modelliert werden. Beispielsweise kann die Verbrennung ebenfalls eine Funktion darstellen, die von einem Modell der Turbulenz bei der Zufuhr von Luft/Kraftstoff abhängt, welche die Verbrennung in einem unterschiedlichen Umfang entsprechend der Menge von zugeführter Luft / zugeführtem Kraftstoff beeinflussen kann.
Die Kraftstoffeinspritzungen können beispielsweise als eine Summe von Schrittfunktionen modelliert werden: $u = \sum_{k = 0}^{n} φ (t - {(t_{inj . start})}_{k}) - φ (t - {(t_{inj . end})}_{k})$
Der als zugeführte Masse m bei einer Einspritzung k gemessene Kraftstoffstrom, das heißt wie viel Kraftstoff in den Brennraum im Zeitfenster u gelangt, wenn die Einspritzung durchgeführt wird, ausgedrückt als Dauer des Kurbelwinkelgrad-ϕ-Intervalls, während dem die Einspritzdüse geöffnet ist, kann für eine spezifische Einspritzung k wie folgt modelliert werden: $\frac{d m}{d t} = f (m) u$
wobei m die eingespritzte Kraftstoffmenge darstellt und f(m) beispielsweise vom Einspritzdruck usw. abhängt. f(m) kann beispielsweise gemessen oder vorab geschätzt werden.
Der Energiewert Q_LHV für den Kraftstoff wie Diesel oder Benzin ist allgemein spezifiziert, so dass eine solche allgemeine Spezifikation verwendet werden kann. Der Energiewert kann ebenfalls spezifisch beispielsweise vom Kraftstoffhersteller bereitgestellt oder beispielsweise für ein Land oder eine Region genähert werden. Der Energiewert kann ebenfalls durch Schätzen durch die Steuerung des Fahrzeugs angeordnet sein. Mit dem Energiewert kann die Gleichung (6) aufgelöst werden und die Wärmefreisetzung Q kann mit dem Fortschritt der Verbrennung ermittelt werden.
Ferner kann durch Verwendung einer prädiktiven Wärmefreisetzungsgleichung, bei der ein Teil der freigesetzten Wärmeenergie für die gewünschte Arbeit verwendet wird und ein anderer Teil aus Wärmeverlusten besteht, die Druckänderung im Brennraum während der gesamten Verbrennung wie folgt geschätzt werden: $d p = (\frac{d Q}{d φ} - \frac{γ}{γ - 1} p \frac{d V}{d φ}) (\frac{γ - 1}{V}) d φ$
Υ ist dabei allgemein das Wärmekapazitätsverhältnis, das heißt $γ = \frac{C_{p}}{C_{v}} = \frac{C_{p}}{C_{v} - R},$
wobei C_p und/oder C_v allgemein ermittelt und für verschiedene Moleküle tabellarisch erfasst sind; da die Verbrennungschemie bekannt ist, können diese tabellarischen Werte zusammen mit der Verbrennungschemie somit zum Berechnen der Auswirkung von jedem Molekül (beispielsweise Wasser, Stickstoff, Sauerstoff usw.) auf beispielsweise den gesamten C_p-Wert verwendet werden, so dass dieser für die zuvor genannten Berechnungen mit hoher Genauigkeit vorab oder während beispielsweise der laufenden Verbrennung bestimmt werden kann. Alternativ können C_p und/oder C_v in geeigneter Weise genähert werden.
Die Integration der Gleichung (9) liefert das folgende Ergebnis: $p = p_{i n i t i a l} + \int d p = p_{i n i t i a l} + \int (\frac{d Q}{d φ} - \frac{γ}{γ - 1} p \frac{d V}{d φ}) (\frac{γ - 1}{V}) d φ$
ρ_initial stellt einen Ausgangsdruck dar, der vor Beginn des Verdichtungsschritts der Verbrennung beispielsweise aus dem Umgebungsdruck für Verbrennungsmotoren ohne einen Turbolader oder einem herrschenden Verbrennungsluftdruck für einen Motor mit einem Turbolader bestehen kann. Wenn die Schätzung zu einem späteren Zeitpunkt während des Verbrennungstakts erfolgt, etwa als Schätzung in Schritt 307 nach Durchführen der Einspritzung, kann P_initial den dann herrschenden Druck darstellen, wie vom Drucksensor 206 bestimmt, das heißt p_ϕ1 im vorliegenden Beispiel. Somit kann der Druck p im Brennraum für die gesamte Verbrennung geschätzt werden, das heißt es kann eine erwartete Kurve entsprechend der Kurve 401 in 4 geschätzt werden, so dass der Wärmeverlust für die gesamte Verbrennung ebenfalls durch die vorhergehenden Gleichungen geschätzt werden kann.
Der Wärmeverlust hängt somit von der Druckkurve ab, die wiederum davon abhängt, wie viel Kraftstoff der Verbrennung zugeführt wird. Im Prinzip kann das Minimierungsproblem beim Minimieren von Wärmeverlusten als Minimierung der Gleichung (11) formuliert werden: $min \sum_{n = 0}^{n} d Q_{h l}^{k} = min \int_{t = I V O}^{t = E V O} h \cdot S (φ) \cdot Δ T d t$
wobei IVO das Öffnen eines Einlassventils darstellt und EVO das Öffnen eines Abgasventils darstellt. Somit stellt vor allem der Druck im Brennraum eine Steuervariable beim Minimieren der Gleichung (11) dar. Die Zylindergeometrie einschließlich Zylinderdurchmesser ist fest und die Gasgeschwindigkeit kann während einer laufenden Verbrennung schwer gesteuert werden. Die Stoffmenge ist während der Verbrennung relativ konstant (und kann wie zuvor erläutert gemäß einer Ausführungsform als konstant angesetzt werden) und darüber hinaus wenigstens als einziger Steuerparameter ungeeignet, da die Stoffmenge in einem großem Umfang vom zugeführten Kraftstoff gesteuert wird, der wiederum zu einem großen Umfang von der geforderten Arbeit gesteuert wird.
Das Minimieren der Gleichung (11) stellt somit ein Minimierungsproblem dar, das im Ermitteln einer Druckkurve besteht, die zu möglichst geringen Wärmeverlusten führt. Dies jedoch unter der Bedingung, dass die an der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verrichtete Arbeit erhalten bleibt, da sonst eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass nur ein geringer Teil der Arbeit oder gar keine erzielt wird, so dass nur der Wärmeverlust minimiert wird und der Wärmewirkungsgrad mit dem Nachteil einer geringen Leistung optimiert wird.
Die Steuerung des Drucks im Brennraum kann somit durch Steuern der Kraftstoffeinspritzung erfolgen und in Schritt 307 durch Ausführen einer Schätzung der Wärmeverluste für eine Zahl von verschiedenen Einspritzfolgen mit Unterschieden in Einspritzzeit / Einspritzdauer / Zahl von Einspritzungen kann somit eine Einspritzfolge bestimmt werden, die in einem geeigneten oder möglichst großen Umfang die Wärmeverluste minimiert oder diese auf einen anderen geeigneten Wert während der Verbrennung steuert.
Somit kann in Schritt 307 eine Einspritzfolge bestimmt werden, etwa eine Einspritzfolge aus mehreren definierten Einspritzfolgen, welche die Wärmeverluste gemäß den vorhergehenden Gleichungen am wirksamsten minimiert, wobei diese Einspritzfolge einzeln, Zylinder für Zylinder, auf der Basis von Sensorsignalen von wenigstens einem Drucksensor im jeweiligen Brennraum bestimmt werden kann.
In Bezug auf die Einspritzfolge können beispielsweise mehrere Einspritzfolgen vorab definiert werden, wobei die Berechnungen der zuvor beschriebenen Art für jede einzelne der verfügbaren Einspritzfolgen durchgeführt werden können.
Alternativ können die Berechnungen für die Einspritzfolgen durchgeführt werden, die aus irgendeinem Grund am wahrscheinlichsten zu einem niedrigen/gewünschten Wärmeverlust führen.
Bisher wurden die gesamten Einspritzfolgen für die restliche Verbrennung bewertet; aber die Minimierung kann auch angeordnet sein, nur für die folgende Einspritzung nach einer vorhergehenden Einspritzung ausgeführt zu werden, so dass folgende Einspritzungen schrittweise gehandhabt werden können. Die in Schritt 307 gewählte Einspritzfolge kann somit aus nur der nächsten Einspritzung bestehen.
Wenn die Einspritzfolge in Schritt 307 gewählt wurde, kehrt das Verfahren zu Schritt 304 zurück, um die nächste Einspritzung durchzuführen, so dass dies ebenfalls zu einer Verbrennung und somit zu einer Wärmefreisetzung und einer Druckkurve führt, wobei diese vermutlich ebenfalls von der vorab vorhergesagten Druckkurve abweicht. Dies bedeutet ebenfalls, dass die Verbrennung bei folgenden Einspritzungen vermutlich durch im Brennraum herrschende Bedingungen beeinflusst wird, wenn die Einspritzung beginnt.
Somit kann in Schritt 307, nachdem eine neue folgende Einspritzung durchgeführt wurde, eine neue Einspritzstrategie für die restlichen Einspritzungen, alternativ die folgende Einspritzung, mit den vorhergehenden Gleichungen berechnet werden und das Verfahren kehrt anschließend zu Schritt 304 zurück, um die folgende Kraftstoffeinspritzung gemäß der in Schritt 307 berechneten neuen Einspritzstrategie durchzuführen, nach wie vor unter Berücksichtigung der während der Verbrennung zu verrichtenden Arbeit, die normalerweise vom gleichen übergeordneten Prozess gesteuert wird, beispielsweise in Reaktion auf eine Anforderung einer bestimmten Antriebskraft vom Fahrer des Fahrzeugs oder einer anderen Funktion in der Steuerung des Fahrzeugs, beispielsweise einer Geschwindigkeitsregelfunktion. Die Steuerung kann somit angeordnet sein, nach jeder Einspritzung i durchgeführt zu werden, und wenn alle folgenden Einspritzungen i abgeschlossen sind, kehrt das Verfahren von Schritt 305 zu Schritt 301 zur Steuerung eines folgenden Verbrennungstakts zurück.
Bei den vorhergehenden Berechnungen wird nach jeder Einspritzung die aktuelle Druckbestimmung p_ϕ1 unter Verwendung des Drucksensors 206 auf die Weise wie zuvor für P_initial beschrieben verwendet, um erneut den Wärmeverlust zu bestimmen, um eine neue Spritzfolge auf der Basis der jetzt im Brennraum herrschenden Bedingungen zu bestimmen, aber jetzt mit später in der Verbrennung ermittelten Daten. Das heißt p_initial nach der ersten Verbrennung und der ähnlich bestimmte Wert p_ϕ1 für folgende Einspritzungen, wobei sich P_initial bei Berechnungen während des Verbrennungstakts ändert und wobei die Kraftstoffeinspritzung gemäß den herrschenden Bedingungen nach jeder Einspritzung angepasst wird, mit der Folge, dass sich die Einspritzfolge nach jeder Einspritzung ändert.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren bereit, das die Verbrennung mit dem Fortschreiten der Verbrennung anpasst und im Allgemeinen auf der Basis eines ersten Parameterwerts, der bestimmt wird, nachdem einer erster Teil der Verbrennung abgeschlossen ist, das Steuern eines folgenden Teils der Verbrennung während des gleichen Verbrennungstakts umfasst, wobei die Verbrennung in Bezug auf Wärmeverluste während des Verbrennungsprozesses gesteuert wird.
Wie zuvor beschrieben kann somit der erwartete Wärmeverlust für mehrere verschiedene alternative Einspritzfolgen für die restlichen Einspritzungen geschätzt, so dass die Einspritzfolge, die zum vorteilhaftesten Wärmeverlust führt, ausgewählt werden kann, wenn die nächste Einspritzung ausgeführt werden soll. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit die Verbrennung während der laufenden Verbrennung auf der Basis von Abweichungen von der vorhergesagten Verbrennung und gemäß einer Ausführungsform jedes Mal, wenn eine Einspritzung insp₁ abgeschlossen ist, angepasst, solange zusätzliche Einspritzungen auszuführen sind.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren wurde die Einspritzfolge zu Beginn des Verbrennungstakts auf der Basis von tabellarischen Werten bestimmt; aber gemäß einer Ausführungsform kann die Einspritzstrategie bereits vor Beginn der Kraftstoffeinspritzung auf die zuvor beschriebene Weise bestimmt werden, so dass somit die erste Einspritzung gemäß einer wie zuvor beschrieben bestimmten Einspritzfolge ausgeführt wird.
Ferner wird wie zuvor beschrieben die Stoffmenge bei der Verbrennung als konstant angesetzt, was als eine gute Näherung betrachtet werden kann. Die Stoffmenge ändert sich aber in der Praxis im Laufe des Fortschreitens der Verbrennung; deshalb wird gemäß einer Ausführungsform die Stoffmenge n wie folgt geschätzt. Die Änderung der Stoffmenge während der Verbrennung kann beispielsweise wie folgt modelliert werden: $n = (1 - \frac{Q_{n o w}}{Q_{t o t a l}}) n_{b e f o r, c o m b} (λ, m_{f u e l}) + \frac{Q_{n o w}}{Q_{t o t a l}} n_{a l l, c o m b} (λ, m_{f u e l})$
Die Stoffmenge n geht von einer vor der Verbrennung bestehenden Stoffmenge n_{before_comb} zu einer Stoffmenge n_{all_comb} über, wenn der gesamte während des Verbrennungstakts eingespritzte Kraftstoff verbrannt ist. n_{before_comb} wird mit λ, das heißt dem Kraftstoff/Luft-Verhältnis, bestimmt und es werden die zugeführte Kraftstoffmenge m_fuel und die gesamte Stoffmenge für Kraftstoff und Verbrennungsluft ermittelt.
Hier kann auch eine AGR berücksichtigt werden, da dies die Stoffmenge im Verbrennungsgas beeinflusst. Q_total gibt die gesamte Kraftstoffenergie an, die der Verbrennung während des Verbrennungstakts zugeführt wird. Q_now stellt die Energiemenge dar, die bis dahin verbrannt wurde, und wird mit der Gleichung (9) und/oder mit den Signalen des Drucksensors und der Wärmefreisetzung gemäß der Gleichung (13) bestimmt: $\frac{d Q}{d φ} = \frac{γ}{γ - 1} p \frac{d V}{d φ} + \frac{1}{γ - 1} V \frac{d p}{d φ}$
Somit können die Wärmefreisetzung Q(ϕ) und daher n(ϕ), wenn n(ϕ) geschätzt werden soll wie zuvor beschrieben, mit dem Fortschreiten der Verbrennung durch Integration von $\frac{d Q}{d φ}$
berechnet werden, wobei ϕ die Kurbelwinkelgrad darstellt.
Ferner wurde die Steuerung bis jetzt auf eine Weise beschrieben, bei der die Merkmale für eine folgende Einspritzung auf der Basis der herrschenden Bedingungen im Brennraum nach der vorhergehenden Einspritzung bestimmt werden. Die Steuerung kann aber auch zum kontinuierlichen Ausführen angeordnet sein, wobei die Druckbestimmungen mit dem Drucksensor auch während einer laufenden Einspritzung durchgeführt werden können, und wobei die Einspritzfolge berechnet und durchgehend korrigiert werden kann, bis die nächste Einspritzung beginnt.
Alternativ kann ebenfalls die laufende Einspritzung durch berechnete Änderungen in der Einspritzfolge beeinflusst werden, auch in den Fällen, in denen mehrere kürzere Einspritzungen durchgeführt werden. Die Einspritzung kann ebenfalls aus einer einzigen längeren Einspritzung bestehen, wobei Änderungen an der laufenden Einspritzung kontinuierlich erfolgen können, beispielsweise durch eine sogenannte Verlaufsformung, beispielsweise durch Ändern der Öffnungsfläche der Einspritzdüse und/oder des Drucks, mit dem der Kraftstoff eingespritzt wird, auf der Basis von Schätzungen und gemessenen Druckwerten während der Einspritzung. Ferner kann die Kraftstoffzufuhr während der Verbrennung zwei Kraftstoffeinspritzungen umfassen, wobei beispielsweise nur die zweite oder beide Einspritzungen beispielsweise mit einer Verlaufsformung gesteuert werden. Eine Verlaufsformung kann ebenfalls erfolgen, wenn drei oder mehr Einspritzungen durchgeführt werden.
Die zu bewertenden Einspritzstrategien können auf unterschiedliche Weisen ermittelt werden. Beispielsweise können verschiedene Verteilungen zwischen Einspritzungen bewertet werden und beispielsweise kann eine eingespritzte Kraftstoffmenge zwischen folgenden Einspritzungen neu verteilt werden und/oder die Einspritzzeit kann für eine oder mehrere folgende Einspritzungen geändert werden, wobei mögliche Beschränkungen in Bezug auf beispielsweise die mindestzulässige Dauer oder Kraftstoffmenge für eine Kraftstoffeinspritzung berücksichtigt werden.
Statt des Bewertens einer Zahl von spezifischen Einspritzfolgen kann das Verfahren zum Ausführen beispielsweise der vorhergehenden Berechnungen für eine Zahl von möglichen Szenarien angeordnet sein, wobei die Berechnungen für verschiedene Einspritzdauern/-mengen/-zeiten für die verschiedenen Einspritzungen mit entsprechenden Änderungen der freigesetzten Energie durchgeführt werden können.
Wenn die Zahl der Kraftstoffeinspritzungen, die während eines Verbrennungstakts durchgeführt werden, zunimmt, nimmt ebenfalls die Zahl der Parameter, die sich ändern können, zu, während die verrichtete Arbeit erhalten bleiben muss. Bei einer großen Zahl von Einspritzungen kann die Steuerung daher relativ komplex werden, da sich eine große Zahl von Parametern ändern kann und somit bewertet werden muss. Beispielsweise kann eine sehr große Zahl von Einspritzungen wie 10 oder sogar 100 Einspritzungen angeordnet sein, während des gleichen Verbrennungstakts ausgeführt zu werden.
In solchen Situationen kann es mehrere entsprechende Einspritzstrategien geben, die somit im Wesentlichen zum gleichen Ergebnis führen, und dies führt zu einer unerwünschten Komplexität der Berechnungen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Steuerungsaktion angewendet, wobei die zeitlich am nächsten gelegene Einspritzung als separate Einspritzung behandelt wird und folgende Kraftstoffeinspritzungen als eine einzige zusätzliche „virtuelle“ Einspritzung behandelt werden, so dass die Wärmeverluste zwischen diesen beiden Einspritzungen optimiert werden können. Dies ist in 5A erläutert, wobei die Einspritzung 501 insp₁ entspricht, wie zuvor erläutert, die Einspritzung 502 insp₂ entspricht, wie zuvor erläutert, und wobei die restlichen Einspritzungen 503 bis 505 als eine einzige virtuelle Einspritzung 506 behandelt werden, das heißt die Einspritzung 506 wird als eine Einspritzung mit einer Kraftstoffmenge behandelt, die im Wesentlichen der Gesamtkraftstoffmenge für die Einspritzungen 503 bis 505 entspricht, wobei eine Verteilung zwischen der Einspritzung 502 und der virtuellen Einspritzung 506 erfolgen kann. Durch eine solche Vorgehensweise muss der Wechsel zwischen insp₂ und folgenden Einspritzungen nicht spezifisch zwischen den Einspritzungen 503 bis 505 verteilt werden, sondern die Verteilung erfolgt auf dieser Stufe jeweils zwischen der Einspritzung 502 und der „virtuellen“ Einspritzung 506.
Sobald die Einspritzung 502 abgeschlossen ist, wird das Verfahren genau wie zuvor beschrieben mit einer neuen Bestimmung einer Einspritzfolge wiederholt, um die Wärmeverluste zu minimieren, jedoch mit der Einspritzung 503 als separate Einspritzung (siehe 5B), und die Einspritzungen 504, 505 stellen gemeinsam eine virtuelle Einspritzung mit einer Verteilung wie zuvor beschrieben dar.
In 5A besteht die virtuelle Einspritzung 506 aus drei Einspritzungen, aber es ist offensichtlich, dass die virtuelle Einspritzung 506 generell mehr als drei Einspritzungen umfassen kann, etwa zehn Einspritzungen oder hunderte Einspritzungen, je nachdem, wie viele Einspritzungen während des Verbrennungstakts durchgeführt werden sollen, so dass das Verfahren wiederholt wird, bis alle Einspritzungen abgeschlossen sind.
Es kann gemäß der Erfindung ebenfalls eine MPC (Model Predictive Control) zur Steuerung verwendet werden.
Ein Beispiel für eine MPC ist in 6 dargestellt, wobei die Referenzkurve 603 der erwarteten Entwicklung für die gesamten Wärmeverluste während der Wärmefreisetzung während des Verbrennungstakts $\int_{t = I V O}^{t = E V O} h \cdot S (φ) \cdot Δ T d t$
für die gewählte Einspritzfolge entspricht. Die Kurve 603 stellt somit die Entwicklung für die gesamten Wärmeverluste dar, die während des Verbrennungstakts angestrebt wird. Diese Kurve kann beispielsweise aus einem (niedrigsten) Wert für den Wärmeverlust bestehen, der realistischerweise während eines Verbrennungstakts bei einer bestimmten Last und bestehenden Motordrehzahl erzielt werden kann, und kann vorteilhafterweise vorab beispielsweise mit entsprechenden Berechnungen und/oder Messungen für den Motortyp bestimmt werden, so dass diese Daten im Speicher der Steuerung als Funktionen von beispielsweise Motordrehzahl und Last gespeichert werden können. Dies bedeutet ebenfalls, dass die Verbrennung nicht nur in Richtung eines zum jeweiligen Zeitpunkt herrschenden Wärmeverlusts gesteuert werden muss, sondern auch angeordnet sein kann, um in Richtung einer erwarteten Entwicklung des Wärmeverlusts, beispielsweise entsprechend der Kurve 603 in 6, gesteuert zu werden, wobei jede Einspritzung das Ziel haben kann, einen bis dahin aufgelaufenen Wärmeverlust zu erreichen, der zu einem gegebenen Zeitpunkt einem entsprechenden Punkt auf der Kurve 603 entspricht. Die Kurve 603 kann in einer Ausführungsform aus einer Kurve bestehen, die den erwarteten Wärmeverlust zu jedem Punkt darstellt, das heißt nicht einen gesamten Wärmeverlust, so dass die Wärmeverluste statt dessen in Richtung dieser Referenzwertkurve gesteuert werden können.
Die durchgezogene Kurve 602 bis zum Zeitpunkt k stellt die tatsächlichen Wärmeverluste bis zu diesem Punkt dar, die wie zuvor beschrieben mit tatsächlichen Daten vom kurbelwinkelaufgelösten Druckgeber berechnet wurden. Die Kurve 601 stellt die vorhergesagte Wärmeverlustentwicklung auf der Basis des vorhergesagten Einspritzprofils dar und bildet somit die Wärmeverlustentwicklung, die erwartet wird. Die gestrichelten Einspritzungen 605, 606, 607 stellen das vorhergesagte Steuersignal dar, das heißt das Einspritzprofil, das voraussichtlich angewendet wird, und 608, 609 stellen die bereits abgeschlossenen Einspritzungen dar.
Das vorhergesagte Einspritzprofil wird in entsprechenden Intervallen aktualisiert, beispielsweise nach jeder abgeschlossenen Einspritzung, um den angestrebten Endwert zu erzielen, der von der Referenzkurve 603 vorgegeben ist, wobei die nächste Einspritzung auf der Basis der herrschenden Bedingungen in Bezug auf die geschätzte Wärmeverlustentwicklung bestimmt wird.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, das eine sehr gute Steuerung eines Verbrennungsprozesses ermöglicht und die Verbrennung während der laufenden Verbrennung anpasst, um eine Verbrennung mit gesteuerten Wärmeverlusten zu erzielen.
Gemäß der vorhergehenden Beschreibung können Wärmeverluste bei der Verbrennung somit für mehrere verschiedene alternative Einspritzfolgen für die restlichen Einspritzungen geschätzt werden, so dass eine Einspritzfolge, die zum vorteilhaftesten, beispielsweise niedrigsten, Wärmeverlust führt, gewählt werden kann, wenn die folgende Einspritzung durchgeführt wird. Wenn mehrere Einspritzfolgen-/Steuerungsalternativen die entsprechenden Bedingungen erfüllen, können andere Parameter zur Wahl verwendet werden, welche von diesen zu verwenden sind. Es kann auch andere Gründe zum gleichzeitigen Durchführen der Steuerung ebenfalls auf der Basis von anderen Parametern geben. Beispielsweise kann eine Einspritzfolge auch teilweise auf der Basis von Druckamplitude, Druckänderungsgeschwindigkeit, Abgastemperatur, im Brennraum verrichtete Arbeit oder während der Verbrennung erzeugte Stickoxide als zusätzliches Kriterium ausgewählt werden, zusätzlich dazu, dass sie auf der Basis der Wärmeverluste ausgewählt kann, wobei die Bestimmung gemäß einer der nachfolgend angeführten parallelen Patentanmeldungen durchgeführt werden kann.
Insbesondere beschreibt die parallele Anmeldung „Verfahren und System zum Steuern eines Verbrennungsmotors V“ (schwedische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer SE 1350508 A1 ) ein Verfahren, das auf der Basis einer geschätzten maximalen Druckamplitude die folgende Verbrennung steuert.
Zusätzlich beschreibt die parallele Anmeldung „Verfahren und System zum Steuern eines Verbrennungsmotors II“ (schwedische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer SE 1350507 A1 ) ein Verfahren zum Steuern eines folgenden Teils der Verbrennung während des ersten Verbrennungstakts in Bezug auf eine in der folgenden Verbrennung resultierenden Temperatur.
Zusätzlich beschreibt die parallele Anmeldung „Verfahren und System zum Steuern eines Verbrennungsmotors III“ (schwedische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer SE 1350509 A1 ) ein Verfahren während eines ersten Verbrennungstakts zum Steuern einer Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts in Bezug auf die während der Verbrennung verrichtete Arbeit.
Zusätzlich beschreibt die parallele Anmeldung „Verfahren und System zum Steuern eines Verbrennungsmotors I“ (schwedische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer SE 1350506 A1 ) ein Verfahren während eines ersten Verbrennungstakts zum Schätzen eines ersten Maßes von Stickoxiden resultierend bei der Verbrennung während des ersten Verbrennungstakts und zum Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts auf der Basis des ersten Maßes.
Ferner beschreibt die parallele Anmeldung „Verfahren und System zum Steuern eines Verbrennungsmotors VI“ (schwedische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer SE 1350511 A1 ) ein Verfahren während eines ersten Verbrennungstakts zum Schätzen eines ersten Maßes von Stickoxiden resultierend bei der Verbrennung während des ersten Verbrennungstakts und zum Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts auf der Basis des ersten Maßes.
Die Erfindung wurde zuvor auf eine Weise erläutert, bei der ein Drucksensor 206 zum Ermitteln des Drucks im Brennraum verwendet wird und mit diesem Druck anschließend die Wärmeverluste geschätzt werden können. Als eine Alternative zum Verwenden von Drucksensoren können ein (oder mehrere) andere Sensoren verwendet werden, beispielsweise hochauflösende Ionenstromsensoren, Klopfsensoren oder Dehnungsmesser, wobei der Druck im Brennraum mit Sensorsignalen von solchen Sensoren modelliert werden kann. Es können auch verschiedene Arten von Sensoren kombiniert werden, um beispielsweise eine zuverlässigere Schätzung des Drucks im Brennraum zu erzielen, und/oder andere entsprechende Sensoren verwendet werden, wobei die Sensorsignale in entsprechende Drücke für die Steuerung wie zuvor beschrieben umgewandelt werden.
Ferner wurde in der vorhergehenden Beschreibung nur die Kraftstoffeinspritzung angepasst. Statt nur die zugeführte Kraftstoffmenge zu steuern, kann der Wärmeverlust bei der Verbrennung angeordnet sein, mit beispielsweise Abgasventilen gesteuert zu werden, so dass die Einspritzung gemäß einer vorgegebenen Folge durchgeführt werden kann, wobei jedoch die Abgasventile zum Steuern des Drucks im Brennraum und somit auch der Wärmeverluste verwendet werden.
Ferner kann die Steuerung mit einem geeigneten Typ von Regler oder beispielsweise mit Zustandsmodellen und einer Zustandsrückmeldung (beispielsweise lineare Programmierung, LQR-Verfahren o. Ä.) ausgeführt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Steuern des Verbrennungsmotors kann ebenfalls mit Sensorsignalen von anderen Sensorsystemen kombiniert werden, bei denen die Auflösung auf Kurbelwinkelebene nicht verfügbar ist, beispielsweise Druckgeber, NO_x-Sensoren, NH₃-Sensoren, Rußsensoren, Sauerstoffsensoren und/oder Temperaturgeber usw., deren Eingabesignale beispielsweise als Eingabeparameter in der Schätzung von beispielsweise der Wärmeverluste mit computerbasierten Modellen statt der Modelle der zuvor beschriebenen Art verwendet werden können.
Zusätzlich wurde die vorliegende Erfindung zuvor in Bezug auf Fahrzeuge erläutert. Die Erfindung ist aber auf jegliche Fortbewegungsmittel/Prozesse anwendbar, auf welche Partikelfiltersysteme wie zuvor beschrieben anwendbar sind, wie beispielsweise Wasserfahrzeuge und Flugzeuge mit Verbrennungsprozessen wie zuvor beschrieben.
Es ist ebenfalls darauf hinzuweisen, dass das System gemäß verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung (und umgekehrt) modifiziert werden kann.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors (101), wobei der Verbrennungsmotor (101) wenigstens einen Brennraum (201) und Elemente (202) für die Zufuhr von Kraftstoff zum Brennraum (201) umfasst, wobei die Verbrennung im Brennraum (201) in Verbrennungstakten erfolgt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: - während eines ersten Teils eines ersten Verbrennungstakts mit einem ersten Sensorelement ein erster Parameterwert bestimmt wird, der eine physikalische Größe für die Verbrennung im Brennraum (201) darstellt, und - auf der Basis des ersten Parameterwerts die Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts gesteuert wird, so dass bei der Steuerung der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts die Verbrennung in Bezug auf eine Darstellung eines während der Verbrennung resultierenden Wärmeverlusts gesteuert wird, wobei das Verfahren ferner umfasst: - auf der Basis des ersten Parameterwerts das Schätzen einer Darstellung eines resultierenden Wärmeverlusts während des ersten Verbrennungstakts, und - auf der Basis des geschätzten resultierenden Wärmeverlusts das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: - auf der Basis der während des ersten Verbrennungstakts zu verrichtenden Arbeit das Bestimmen eines gewünschten Wärmeverlusts für den ersten Verbrennungstakt, und - das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts in Richtung des gewünschten Wärmeverlusts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner umfassend: - auf der Basis der während des ersten Verbrennungstakts zu verrichtenden Arbeit das Bestimmen eines gewünschten Wärmeverlusts für den folgenden Teil des Verbrennungstakts, und - das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts in Richtung des gewünschten Wärmeverlusts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - Bestimmen des ersten Parameterwerts, wenn ein Teil des ersten Verbrennungstakts verstrichen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - das Bestimmen des ersten Parameterwerts, wenn die Verbrennung von Kraftstoff während des ersten Verbrennungstakts begonnen hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - das Schätzen eines erwarteten Wärmeverlusts bei der Verbrennung während des ersten Verbrennungstakts bei einer Zahl von verschiedenen Zeitpunkten oder Kurbelwinkelgraden des ersten Verbrennungstakts, und - das Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts auf der Basis des jeweiligen geschätzten Wärmeverlusts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - das Bestimmen eines Parameterwerts entsprechend dem ersten Parameterwert bei einer Zahl von Zeitpunkten oder Kurbelwinkelgraden während des ersten Verbrennungstakts, - das Schätzen eines jeweiligen während des ersten Verbrennungstakts resultierenden Wärmeverlusts, und - das Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts nach dem Bestimmen des jeweiligen Parameterwerts auf der Basis des jeweiligen geschätzten Wärmeverlusts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - das Schätzen einer Darstellung eines bis dahin resultierenden Wärmeverlusts während des ersten Verbrennungstakts, und - das Steuern des folgenden Teils des Verbrennungstakts wenigstens teilweise auf der Basis der Darstellung des bis dahin resultierenden Wärmeverlusts während des ersten Verbrennungstakts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - das Bestimmen von wenigstens einem Steuerparameter für die Steuerung der Verbrennung während des folgenden Teils des Verbrennungstakts, und - bei der Bestimmung das Schätzen eines erwarteten Wärmeverlusts für wenigstens zwei Steuerungsalternativen für den folgenden Teil des Verbrennungstakts unter Verwendung des ersten Parameterwerts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Steuerung ein während des Verbrennungstakts und/oder laufenden Teils des Verbrennungstakts resultierender Wärmeverlust unter Verwendung eines datenbasierten Modells, eines empirischen Modells und/oder eines physikalischen Modells geschätzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei beim Schätzen des Wärmeverlusts eine Druckänderung für den folgenden Teil des Verbrennungstakts unter Verwendung einer Schätzung einer Wärmefreisetzung während der Verbrennung geschätzt wird, und wobei der Wärmeverlust auf der Basis der geschätzten Druckänderung geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die geschätzte Druckänderung eine geschätzte Druckkurve darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend das Schätzen der Wärmefreisetzung auf der Basis der Menge an Kraftstoff zum Zuführen zur Verbrennung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Parameterwert einen im Brennraum (201) herrschenden Druck darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend das Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts durch Steuern des Kraftstoffs zur Zufuhr zum Brennraum (201).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend während der Steuerung der Verbrennung, während des folgenden Teils der Verbrennung, das Bestimmen eines erwarteten Wärmeverlusts für den Verbrennungstakt und/oder den folgenden Teil des Verbrennungstakts für jeweils wenigstens eine erste und zweite Steuerungsalternative, und - das Auswählen einer Steuerungsalternative aus mehreren Steuerungsalternativen zur Steuerung des folgenden Teils des Verbrennungstakts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - bei der Steuerung das Bewerten von wenigstens jeweils einer ersten und einer zweiten Steuerungsalternative, so dass die erste oder zweite Steuerungsalternative ausgewählt wird, je nachdem, welche voraussichtlich zum geringsten Wärmeverlust führt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, ferner umfassend das Bewerten der jeweils wenigstens ersten und zweiten Steuerungsalternative, wobei die erste oder zweite Steuerungsalternative ausgewählt wird, je nachdem, welche voraussichtlich zum geringsten Wärmeverlust während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Steuerungsalternative Alternativen für die Zufuhr von Kraftstoff während des folgenden Teils des Verbrennungstakts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16 bis 19, wobei die Kraftstoffzufuhr zum Brennraum (201) durch Steuerung der Kraftstoffeinspritzung mit wenigstens einer Kraftstoffeinspritzdüse (202) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei wenigstens eine Kraftstoffeinspritzung während des folgenden Teils des Verbrennungstakts erfolgt, wobei während der Steuerung die Kraftstoffmenge und/oder die Einspritzdauer und/oder der Einspritzdruck für die Kraftstoffeinspritzung gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei wenigstens zwei Kraftstoffeinspritzungen während des folgenden Teils des Verbrennungstakts erfolgen, wobei die Verbrennung ebenfalls nach der ersten der wenigstens zwei Kraftstoffeinspritzungen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei während der Steuerung der Verbrennung wenigstens drei Kraftstoffeinspritzungen während des folgenden Teils des Verbrennungsprozesses durchgeführt werden, wobei bei der Bestimmung von Steuerparametern für eine erste der wenigstens drei Kraftstoffeinspritzungen die restlichen Kraftstoffeinspritzungen als eine gesamte Einspritzung behandelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die Steuerung der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts wenigstens teilweise durch Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (201) während einer laufenden Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, ferner umfassend Ändern einer Verteilung von Kraftstoffmengen zwischen wenigstens zwei Kraftstoffeinspritzungen während der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (201).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, ferner umfassend Anwenden einer vorgegebenen Zufuhr von Kraftstoff bei Beginn des Verbrennungstakts, wobei die Steuerung, nachdem eine erste Einspritzung wenigstens begonnen hat, aber bevor die Kraftstoffeinspritzung während des ersten Verbrennungstakts abgeschlossen ist, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Ausführen einer ersten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (201) während des ersten Teils des ersten Verbrennungstakts und wenigstens einer zweiten Kraftstoffeinspritzung während des folgenden Teils des Verbrennungstakts, wobei die Steuerparameter für die zweite Kraftstoffeinspritzung bestimmt werden, nachdem die erste Kraftstoffeinspritzung wenigstens teilweise abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend Steuern der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts durch Steuern von einem oder mehreren Ventilen, die am Brennraum (201) betätigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung für eine Zahl von aufeinander folgenden Verbrennungstakten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Parameterwert, der eine physikalische Größe für die Verbrennung im Brennraum (201) darstellt, wenigstens bei jedem Kurbelwinkelgrad, jedem Zehntel von jedem Kurbelwinkelgrad oder jedem Hundertstel von jedem Kurbelwinkelgrad bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Parameterwert durch Verwendung von einem oder mehreren Elementen aus der folgenden Gruppe bestimmt wird: Zylinderdruckgeber, Klopfsensor, Dehnungsmesser, Drehzahlmesser, Ionenstromsensor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ebenfalls umfassend: - auf der Basis des ersten Parameterwerts die Steuerung der Verbrennung im Brennraum in Richtung einer ersten Druck- oder Temperaturkurve in Bezug auf die Druck-/Temperaturänderung im Brennraum während des ersten Verbrennungstakts, wobei die Druck- oder Temperaturkurve einen gewünschten Wärmeverlust während der Verbrennung darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend während wenigstens einem Teil des ersten Verbrennungstakts: - das kontinuierliche Bestimmen des ersten Parameterwerts, - das kontinuierliche und auf der Basis der Bestimmungen des ersten Parameterwerts erfolgende Schätzen eines während des ersten Verbrennungstakts während der Verbrennung resultierenden Wärmeverlusts, und - das kontinuierliche Steuern der Verbrennung während des wenigstens einen Teils des ersten Verbrennungstakts auf der Basis des geschätzten Wärmeverlusts.
Computerprogramm umfassend einen Programmcode, das beim Ausführen des Programmcodes auf einem Computer den Computer zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 veranlasst.
Computerprogrammprodukt umfassend ein computerlesbares Medium und ein Computerprogramm nach Anspruch 34, wobei das Computerprogramm im computerlesbaren Medium enthalten ist.
System zum Steuern eines Verbrennungsmotors (101), wobei der Verbrennungsmotor (101) wenigstens einen Brennraum (201) und Elemente (202) für die Zufuhr von Kraftstoff zum Brennraum (201) umfasst, wobei die Verbrennung im Brennraum (201) in Verbrennungstakten erfolgt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das System Folgendes umfasst: - Elemente zum Bestimmen eines ersten Parameterwerts, der eine physikalische Größe für die Verbrennung im Brennraum (201) darstellt, während eines ersten Teils eines ersten Verbrennungstakts mit einem ersten Sensorelement, - Elemente (115) zum auf der Basis des ersten Parameterwerts Steuern der Verbrennung während eines folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts, so dass während der Steuerung der Verbrennung im folgenden Teil des ersten Verbrennungstakts die Verbrennung in Bezug auf eine Darstellung eines während der Verbrennung resultierenden Wärmeverlusts gesteuert wird, - die Elemente (115) zum Schätzen auf der Basis des ersten Parameterwerts einer Darstellung eines resultierenden Wärmeverlusts während des ersten Verbrennungstakts, und - die Elemente (115) zum Steuern auf der Basis des geschätzten resultierenden Wärmeverlusts der Verbrennung während des folgenden Teils des ersten Verbrennungstakts.
System nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Element aus der Gruppe aus einem Fahrzeugmotor, einem Bootsmotor und einem Industriemotor ist.
Fahrzeug (100), dadurch gekennzeichnet, dass es ein System nach Anspruch 36 oder 37 umfasst.