DE19812485B4

DE19812485B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19812485B4
Application number: DE19812485A
Authority: DE
Inventors: Juergen Gerhardt; Werner Hess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-03-21
Filing date: 1998-03-21
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2018-03-22
Also published as: JPH11315749A; US6148795A; DE19812485A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, deren Drehmoment nach Maßgabe von wenigstens einer Vorgabegröße gesteuert wird, wobei eine die Motorlast repräsentierende Größe ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die die Motorlast repräsentierende Größe aus dem gemessenen Drehmoment an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine und/oder an einer Ausgangswelle eines Getriebes ermittelt wird und dass die Ermittlung der die Last repräsentierenden Größe aus dem gemessenen Drehmoment nach Maßgabe eines Momentenmodells erfolgt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 196 18 385 A1 bekannt. Dort wird ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei welchem auf der Basis der Drehzahl und einer Meßgröße, die die Last der Brennkraftmaschine repräsentiert die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluftfüllung, das heißt die von der Brennkraftmaschine pro Zylinder angesaugte Luftmasse, ermittelt und bei der Steuerung der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei der Bestimmung eines Sollwertes für die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine, bei der Zündwinkelberechnung und/oder bei der Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse ausgewertet. Als die Last repräsentierende Größen stehen Größen wie die angesaugte Luftmasse, der Saugrohrdruck, die Drosselklappenstellung, etc. zur Verfügung. Bei heutigen Steuersystemen werden wenigstens zwei Meßeinrichtungen eingesetzt, beispielsweise ein Sensor zur Erfassung der Drosselklappenstellung und ein Sensor zur Erfassung der zuströmenden Luft masse oder aber ein Sensor zur Erfassung des Saugrohrdrucks. Vor allem bei drosselfrei betriebenen Brennkraftmaschinen sind einige dieser Signale (z.B. Drosselklappenstellung, Saugrohrdruck) kein zuverlässiges Maß für die Last.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei der Füllungs- oder Lasterfassung bei einer Brennkraftmaschine Sensoren einzusetzen, deren Signal auch unter diesen Betriebszuständen zuverlässig ist die Füllung bzw. Last umgewandelt werden kann.
Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
Es ist der Einsatz von Sensoren, die an der Kurbelwelle des Motors direkt das effektive Drehmoment messen, bekannt. Ein derartiger Sensor wird beispielsweise in der ATZ/MTZ Sonderausgabe System Partners 97, Seite 28 bis 31 beschrieben.
Aus der DE 44 07 475 A1 ist ein Momentenmodell bekannt, welches die Abhängigkeit des Drehmoments einer Brennkraftmaschine von dem eingestellten Lastzustand, der Zündwinkeleinstellung, der aktuellen Einstellung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses sowie der Anzahl der ausgeblendeten bzw. stillgelegten Zylinder beschreibt.
Aus der DE 43 04 779 A1 sind Maßnahmen bekannt, mit deren Hilfe das Verlustmoment einer Brennkraftmaschine ermittelt wird, das heißt das zur Kompensation der inneren Verluste, der Heizleistungen und der Momentenanforderungen von zusätzlichen Verbrauchern aufzubringende Verbrennungsmoment.
Aus der DE 690 07 902 T2 ist eine Ansaugleistungssteuerung für Verbrennungsmotoren bekannt. Dabei wird ein Sollwert für eine Ansaugluftmenge abhängig von einer Regelabweichung zwischen einem Solldrehmoment und einem Istdrehmoment mit Hilfe eines PID-Reglers eingeregelt, wobei die Reglerverstärkungen mit Hilfe eines mathematischen Modells aus der Motordrehzahl, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Istansaugluftmenge bestimmt werden.
Vorteile der Erfindung
Durch die Berechnung der Füllung aus dem vom Drehmomentensensor ermittelten Drehmomentensignal kann ein Lastsensor, entweder der Drosselklappenstellungssensor, der Heißfilmluftmassenmesser zur Erfassung der zuströmenden Luftmasse oder der Saugrohrdruckfühler entfallen. Dadurch werden erhebliche Kostenreduzierungen erreicht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das aus dem Drehmomentensignal ermittelte Lastsignal das Nebenlastsignal ersetzt, welches die Redundanz zum Hauptlastsignal bildet und für Notlauf- bzw. Fehlerüberwachungszwecke ausgewertet wird. Dieses Signal bedarf nicht der für das Hauptlastsignal geforderte Genauigkeit. Damit kann bei einem System, welches auf der Basis der Drosselklappenstellung als Hauptlastsignal arbeitet, das redundante Signal des Saugrohrdrucks bzw. des Luftmassenmessers und der entsprechende Sensor entfallen.
Besonders vorteilhaft ist, daß durch Verwendung eines konsistenten Momentenmodells die Füllung der Brennkraftmaschine aus dem Momentensignal zurückgerechnet werden kann. Dadurch wird auch bei drosselfrei betriebenem Motor, z.B. bei einem Dieselmotor, bei einem Benzindirekteinspritzer, bei einem Ottomotor mit variablem Ventilhub oder elektromagnetischer Ventilverstellung die Erzeugung eines zusätzlichen Lastsignals im drosselfreien Betrieb ermöglicht. Dort versagen die bisherigen Lastsignalprinzipien, die auf der Erfassung der Drosselklappenstellung oder des Saugrohrdrucks beruhen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines konsistenten Momentenmodells, dessen inverse Benutzung die Berechnung der Zylinderfüllung bzw. der Motorlast auf der Basis des gemessenen Drehmoments erlaubt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt 1 eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, während 2 ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung eines die Motorlast repräsentierenden Signals aus den gemessenen Drehmomentensignal darstellt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Drehmoments bzw. der Leistung einer Brennkraftmaschine. Die Steuereinheit 10 umfaßt dabei eine Eingangschaltung 12, wenigstens einen Mikrocomputer 14 und eine Ausgangsschaltung 16. Eingangschaltung, Mikrocomputer und Ausgangsschaltung sind über ein Bussystem 18 zum gegenseitigen Datenaustausch verbunden. Der Eingangsschaltung 12 der Steuereinheit 10 sind Eingangsleitungen 20, 22 und 24 bis 26 zugeführt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese Eingangsleitungen in einem Bussystem, z.B. CAN, zusammengefaßt. Dabei verbindet die Eingangsleitung 20 die Steuereinheit 10 mit einem Drehmomentensensor, welcher das Drehmoment an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Kurbelwelle, erfaßt. Der Drehmomentensensor kann alternativ oder zusätzlich das Drehmoment an einer Ausgangswelle eines Getriebes erfassen. Dieser Drehmomentensensor ist beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Die Eingangsleitung 22 verbindet die Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 30 zur Erfassung des Betätigungsrades eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements, eines Fahrpedales. Ferner sind Meßeinrichtungen 32 bis 34 vorgesehen, die weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs erfassen und entsprechende Meßsignale über die Leitungen 24 bis 26 zur Steuereinheit 10 übermitteln. Bei spiele für derartige Meßgrößen sind Motordrehzahl, Abgaszusammensetzung (Lambda), Drosselklappenstellung, etc. Über die Ausgangsschaltung 16 steuert die Steuereinheit 10 die Leistungsgrößen der Brennkraftmaschine. Über eine erste Ausgangsleitung 36 wird eine elektrisch betätigbare Drosselklappe 38 zur Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine gesteuert. Ferner werden über Ausgangsleitungen 40 und 42 die Kraftstoffzufuhr sowie der Zündwinkel eingestellt. Ferner sind je nach Ausstattung der Brennkraftmaschine Ausgangsleitungen 40, 46 und/oder 48 vorgesehen, über die die Steuereinheit 10 ein Tankentlüftungsventil 50, ein Abgasrückführventil 52, den Antrieb 54 für eine Nockenwellenverstellung und/oder einen Lader ansteuert.
Je nach Typ der Brennkraftmaschine (Diesel, Saugrohreinspritzer, Benzindirekteinspritzer) und dem verwendeten Steuermodell wird die Leistung bzw. das Drehmoment der Brennkraftmaschine abhängig vom Fahrerwunsch unter Berücksichtigung von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs gesteuert. Auf jeden Fall ist zur Steuerung der Brennkraftmaschine ein die Motorlast repräsentierende Signal notwendig. Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel ist dies die Zylinderfüllung. In anderen Ausführungsbeispielen ist sie der Saugrohrdruck, die Luftmassenströmung, etc. Wie nachfolgend beschrieben, werden diese Größen aus dem gemessenen Drehmoment abgeleitet. Die die Last repräsentierende Größe findet bei der Steuerung der Brennkraftmaschine Anwendung bei der Einstellung des Zündwinkels, der Kraftstoffzumessung, der Luftzufuhr, etc.. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Steuerkonzept zur Steuerung der Brennkraftmaschine um eine drehmomentenorientierte Steuerung. Wie im Eingangs genannten Stand der Technik beschrieben wird dabei aus dem Betätigungsgrad des Bedienelements des Fahrers unter Berücksichtigung wenigstens der Motordrehzahl ein vom Fahrer vorgegebener Sollmomentenwert ge bildet, der gegebenenfalls mit den von anderen Steuer- bzw. Regelsystemen gebildeten Momentenwerten verglichen und ein Sollmomentenwert ausgewählt wird, der zur Einstellung des Drehmoments der Brennkraftmaschine dient. Bezüglich der Einstellung der Luftzufuhr wird dabei, wie aus dem Stand der Technik bekannt, der Soll-Momentenwert in einen Sollwert für die Zylinderfüllung umgewandelt, der wiederum in einen Sollwert für die Stellung der Drosselklappe umgewandelt wird. Zur Regelung des Ist-Moments auf das Sollmoment werden dann neben der Luftzufuhr in der aus der Stand der Technik bekannten Weise auch in die Zündwinkeleinstellung, die Kraftstoffzufuhr, etc. eingegriffen.
Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel werden aus Redundanzgründen zwei Lastgrößen gebildet. Die eine wird abhängig von der Drosselklappenstellung und der Motordrehzahl bestimmt, die andere nach Maßgabe eines Momentenmodells aus dem gemessenen Drehmomentensignal abgeleitet.
Neben dem Einsatz bei einem Saugeinspritzer wird die Vorgehensweise zur Bestimmung der Lastgröße aus dem gemessenen Drehmomentensignal auch bei anderen Brennkraftmaschinen, bei Dieselbrennkraftmaschinen, Benzindirekteinspritzer, Ottomotoren mit variablen Ventilhub oder Ottomotoren mit elektromagnetischer Ventilverstellung eingesetzt. Die aus dem gemessenen Drehmoment ermittelte Lastgröße kann als Hauptlastgröße oder als Nebenlastsignal im drosselfreien Betrieb, wo die Lastsignalbildungen auf der Basis der Drosselklappenstellung oder dem Saugrohrdruck versagen, dienen.
Das Drehmomentenmodell läßt sich vereinfacht beschreiben durch: mi = mi_opt·eta_zw·eta_lam·eta_ausbl (1)
Dabei ist mi das innere Moment des Motors, d.h. das durch Verbrennung in der Hochdruckphase erzeugte Drehmoment; mi_opt das optimale Moment bei lam = 1, optimaler Zündwinkeleinstellung (maximales Drehmoment) und wenn alle Zylinder befeuert sind; eta_zw der Wirkungsgrad des Zündwinkels, d.h. die auf das Drehmoment bezogene Abweichung des tatsächlichen Zündwinkels vom optimalen; eta_lam der entsprechende Wirkungsgrad für die Gemischzusammensetzung und eta_ausbl der Wirkungsgrad der Zylinderausblendung.
Wie im eingangs genannten Stand der Technik dargestellt sind die Anzahl der auszublendenden Zylinder und der eingestellte Zündwinkel sowie dessen Abweichung vom optimalen Wert bekannt. Ebenso ist, wenn ein Betrieb der Brennkraftmaschine außerhalb des stöchiometrischen Bereichs vorgesehen ist, die Abweichung der aktuellen Gemischzusammensetzung vom stöchiometrischen Wert bekannt, z.B. durch Einsatz einer Breitband-Lambda-Sonde.
Aus dem gemessenen effektiven Moment mf kann bei Kenntnis des Verlustmoments mverlust ebenfalls das innere Moment berechnet werden: mi = mf + mverlust (2)
Daraus folgt, daß mf+mverlust = mi_opt (rl_ist,nmot)·eta_zw·eta_lam·eta_ausbl (3)(rl_st: Istzylinderfüllung; nmot: Drehzahl)
Im stationären Betrieb kann also die tatsächliche Zylinderfüllung rl_ist aus Gleichung (3) ermittelt werden.
Beim Saugrohreinspritzer muß beachtet werden, daß auch der Zündwinkelwirkungsgrad von der Ist-Füllung abhängig ist. Diese Abweichung ist jedoch in weitem Kennfeldbereichen (z.B. bei hohen Lasten) gering und in anderen Bereichen über ein langsam laufenden Abgleich beherrschbar.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, welches die geschilderte Vorgehensweise zur Berechnung der Füllung rl_ist aus dem gemessenen effektiven Moment mf darstellt.
Das gemessene effektive Drehmoment mf an einem Ausgang der Brennkraftmaschine wird in einer Operation 200 mit dem Verlustmoment mverlust verknüpft. Diese Operation stellt im bevorzugtem Ausführungsbeispiel eine Addition dar. Das Verlustmoment mverlust faßt alle Momentenbeiträge zusammen, welche kein Drehmoment an der Ausgangswelle der Brennkraftmaschine erzeugen, also beispielsweise Drehmomentenanteile, die zur Überwindung der inneren Verluste aufgebracht werden müssen, die zum Betreiben von Nebenaggregaten wie Servolenkung, Klimaanlage, etc. aufzubringen sind, Wärmeverluste, etc. Das Verlustmoment wird beispielsweise auf die aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise in 202 aus Betriebsgrößen wie Motordrehzahl nmot, Motortemperatur tmot, dem Status der Nebenaggregate, dem Abgasgegendruck etc. bestimmt. Die Summe aus gemessenen Drehmoment und Verlustmoment wird dann durch die Abweichungen der aktuellen Einstellungen der Brennkraftmaschine von den optimalen Werten korrigiert. Dazu wird eine Verknüpfungsoperation 204, insbesondere einer Division, durchgeführt, in der die Summe durch den Wirkungsgrad der Zylinderausblendung eta_ausbl dividiert wird. Dieser wird aus der Wirkungsgradkennlinie 206 abhängig von der Anzahl X der ausgeblendeten Zylinder bestimmt. Das auf diese Weise korrigierte Drehmoment wird in einer weiteren Verknüpfungsoperation 208, auch hier insbesondere durch eine Division, mit dem Wirkungsgrad der lambda-Einstellung eta_lam verknüpft. Dieser stellt die Abweichung der aktuellen lamda-Einstellung vom optimalen Wert lamda 1 dar und wird abhängig vom aktuellen lamda-Wert in der Wirkungsgradkennlinie 210 ermittelt. Das korrigierte Drehmoment wird dann einer Verknüpfungsoperation 212 unterzogen, in der das Drehmoment durch den Wirkungsgrad eta_zw der Zündwinkeleinstellung dividiert wird. Dieser wird in der Wirkungsgradkennlinie 214 gebildet abhängig von der Abweichung dzw der aktuellen Zündwinkeleinstellung vom optimalen Wert zw_opt, bei dem das Drehmoment der Brennkraftmaschine maximal ist. Ergebnis der Verknüpfungsoperationen 204, 208 und 212 ist das innere Ist-Moment mi_ist, welches in 216 wenigstens mit der Motordrehzahl nmot verknüpft wird. Ergebnis dieser Verknüpfung ist die Ist-Zylinderfüllung rl_ist der Brennkraftmaschine. Diese Operation ist aus dem Stand der Technik bekannt ebenso wie die in 218 erfolgende Auswertung der Ist-Füllung rl_ist mit Verbindung mit anderen Größen wie Fahrerwunschmoment mfa, Motordrehzahl nmot, etc. zu den Steuergrößen für die Luftzufuhr, die Kraftstoffzumessung, der Zündwinkeleinstellung, etc..
Neben der Berechnung der Ist-Füllung rl_ist aus dem inneren Ist-Moment mi_ist, welches nach Maßgabe eines Momentenmodells aus dem gemessenen effektiven Drehmoment ermittelt worden ist, oder alternativ dazu werden in anderen Ausführungsbeispielen andere die Last repräsentierenden Größen bestimmt, beispielsweise ein Luftmassenstrom oder ein Saugrohrdruckwert. Die physikalischen Grundlagen hierfür sind dem Fachmann bekannt.
Neben der Verwendung des geschilderten, auf optimalen Werten basierenden Momentenmodells werden in anderen Ausführungsbeispielen andere Momentenmodelle eingesetzt, beispielsweise Modelle, die einen anderen, nicht optimalen Bezugspunkt haben. Wesentlich ist, daß das Momentenmodell konsistent ist, d.h., daß sowohl der Ist-Wert des Drehmoments aus den Einstellgrößen als auch die Sollwerte für die Einstellgrößen aus dem Sollwert des Drehmoments nach Maßgabe der gleichen Modellgleichungen ermittelt werden kann.
Bei Systemen, bei denen keine eindeutige Beziehung zwischen der Füllung und der Last besteht, ist zusätzlich eine Größe zu berücksichtigen, die die Konzentration an Sauerstoff im Abgas charakterisiert. So ist bei Systemen mit Schichtladung und/oder bei Dieselbrennkraftmaschinen zusätzlich ein Ausgangssignal einer Lambda-Sonde auszuwerten.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, deren Drehmoment nach Maßgabe von wenigstens einer Vorgabegröße gesteuert wird, wobei eine die Motorlast repräsentierende Größe ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die die Motorlast repräsentierende Größe aus dem gemessenen Drehmoment an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine und/oder an einer Ausgangswelle eines Getriebes ermittelt wird und dass die Ermittlung der die Last repräsentierenden Größe aus dem gemessenen Drehmoment nach Maßgabe eines Momentenmodells erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Last repräsentierende Größe die Zylinderfüllung, ein Luftmassenstrom oder ein Saugrohrdruckwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Drehmoment mf mit den von der Brennkraftmaschine zu überwindenden Momentenverlusten mverlust verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Momentenmodell Abweichungen von optimalen Werten berücksichtigt werden, insbesondere Abweichungen der Anzahl der befeuerten Zylinder, der Einstellung des Luft-/Kraftstoffgemisches und/oder des Zündwinkels von vorgegebenen Werten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Saugrohreinspritzung, eine Benzindirekteinspritzung aufweist oder ein Dieselmotor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der die Last repräsentierenden Größe im drosselfreien Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Motorlast repräsentierende Größe, die aus dem Drehmomentensignal ermittelt wird, ein Nebenlastsignal ist, welches zur Überprüfung eines Hauptlastsignals, wel ches z.B. aus der Drosselklappenstellung abgeleitet ist, und/oder als Ersatz des Hauptlastsignals verwendet wird.
Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuereinheit, welche das Drehmoment der Brennkraftmaschine abhängig von wenigstens einem Vorgabewert steuert und bei dieser Steuerung eine die Last repräsentierende Größe auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Erfassungsmittel aufweist, die ein an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine und/oder an einer Ausgangswelle eines Getriebes auftretendes Drehmoment erfassen und dass die Steuereinheit Mittel aufweist, welche die die Last repräsentierende Größe aus dem gemessenen Drehmomentenwert ermitteln, wobei die Ermittlung der die Last repräsentierenden Größe aus dem gemessenen Drehmoment nach Maßgabe eines Momentenmodells erfolgt.