DE19931826A1

DE19931826A1 - Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19931826A1
Application number: DE19931826A
Authority: DE
Inventors: Michael Oder; Werner Hess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: DE19931826B4; ES2221621T3; DE50006516D1; EP1200724A1; WO2001004482A1; EP1200724B1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff in wenigstens einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Kompressionsphase direkt in einen Brennraum (4) eingespritzt wird und die in Abhängigkeit von der Betriebsart unterschiedlich gesteuert und/oder geregelt wird. Zur Verbesserung der Umschaltung zwischen zwei Betriebsarten wird die Drehzahl N der Brennkraftmaschine (1) während des Umschaltvorgangs geregelt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff in wenigstens einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Kompressionsphase direkt in einen Brennraum eingespritzt wird und die in Abhängigkeit von der Betriebsart unterschiedlich gesteuert und/oder geregelt wird. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit Mitteln, die in wenigstens einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Kompressionsphase Kraftstoff direkt in einen Brennraum einspritzen und weiteren Mitteln, die in Abhängigkeit von der Betriebsart die Brennkraftmaschine unterschiedlich steuern und/oder regeln.

Derartige Systeme zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind allgemein bekannt. Es wird dabei als erste Betriebsart ein sog. Schichtbetrieb und als zweite Betriebsart ein sog. Homogenbetrieb unterschieden. Der Schichtbetrieb wird insbesondere bei kleinen bis mittleren Lasten verwendet, während der Homogenbetrieb bei größeren, an der Brennkraftmaschine anliegenden Lasten zur Anwendung kommt.

Aus der noch unveröffentlichten Patentanmeldung DE 19 81 33 77 wird eine Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Die Brennkraftmaschine ist mit einem Einspritzventil versehen, mit dem Kraftstoff entweder in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase direkt in einen Brennraum einspritzbar ist. Desweiteren ist ein Steuergerät vorgesehen zur Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten und zur unterschiedlichen Steuerung und/oder Regelung in den beiden Betriebsarten der das Ist- Moment der Brennkraftmaschine beeinflussenden Betriebsgrößen in Abhängigkeit von einem Sollmoment. Eine Änderung des Ist- Moments während eines Umschaltvorgangs wird von dem Steuergerät ermittelt und in Abhängigkeit davon wird zumindest eine der Betriebsgrößen von dem Steuergerät beeinflußt.

Beim Umschalten zwischen den beschriebenen Betriebsarten ist ein Rucken infolge einer Drehmomentenänderung der Brennkraftmaschine über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine nicht ganz zu vermeiden. Insbesondere im unteren Drehzahl-/Lastbereich und im "kleinen Gang" ist ein Umschaltruck deutlich vom Fahrer spürbar, besonders, wenn durch die Momentenänderung der Brennkraftmaschine eine Schwingung im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeregt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem der Umschaltvorgang zwischen den Betriebsarten verbessert wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der besonders große Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß mit einfachen Mitteln ein ruckfreies Umschalten zwischen den Betriebsarten über die gesamte Lebensdauer einer Brennkraftmaschine erreicht wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehzahlregelung.

Die Fig. 3 zeigt detaillierter ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drehzahlregelung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist mit einem Brennraum 4 versehen, an den über Ventile 5 ein Ansaugrohr 6 und ein Abgasrohr 7 angeschlossen sind. Desweiteren sind dem Brennraum 4 ein mit einem Signal TI ansteuerbares Einspritzventil 8 und eine mit einem Signal ZW ansteuerbare Zündkerze 9 zugeordnet.

Das Ansaugrohr 6 ist mit einem Luftmassensensor 10 und das Abgasrohr 7 kann mit einem Lambdasensor 11 versehen sein. Der Luftmassensensor 10 mißt die Luftmasse der dem Ansaugrohr 6 zugeführten Frischluft und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal LM. Der Lambdasensor 11 mißt den Sauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgasrohr 7 und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Signal λ.

In dem Ansaugrohr 6 ist eine Drosselklappe 12 untergebracht, deren Drehstellung mittels eines Signals DK einstellbar ist.

In einer ersten Betriebsart, dem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 12 weit geöffnet. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Verdichtungsphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Dann wird mit Hilfe der Zündkerze 9 der Kraftstoff entzündet, so daß der Kolben 2 in der nunmehr folgenden Arbeitsphase durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs angetrieben wird.

In einer zweiten Betriebsart, dem Homogenbetrieb der Brennkraftmaschine 1, wird die Drosselklappe 12 in Abhängigkeit von der erwünschten, zugeführten Luftmasse teilweise geöffnet bzw. geschlossen. Der Kraftstoff wird von dem Einspritzventil 8 während einer durch den Kolben 2 hervorgerufenen Ansaugphase in den Brennraum 4 eingespritzt. Durch die gleichzeitig angesaugte Luft wird der eingespritzte Kraftstoff verwirbelt und damit in dem Brennraum 4 im wesentlich gleichmäßig verteilt. Danach wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Verdichtungsphase verdichtet, um dann von der Zündkerze 9 entzündet zu werden. Durch die Ausdehnung des entzündeten Kraftstoffs wird der Kolben 2 angetrieben.

Im Schichtbetrieb wie auch im Homogenbetrieb wird durch den angetriebenen Kolben eine Kurbelwelle 14 in eine Drehbewegung versetzt, über die letztendlich die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben werden. Der Kurbelwelle 14 ist ein Drehzahlsensor 15 zugeordnet, der in Abhängigkeit von der Drehbewegung der Kurbelwelle 14 ein Signal N erzeugt.

Die im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb von dem Einspritzventil 8 in den Brennraum 4 eingespritzte Kraftstoffmasse wird von einem Steuergerät 16 insbesondere im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine geringe Schadstoffentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem Zweck ist das Steuergerät 16 mit einem Mikroprozessor versehen, der in einen Speichermedium, insbesondere in einem Read-Only-Memory (ROM) ein Programm abgespeichert hat, das dazu geeignet ist, die gesamte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.

Das Steuergerät 16 ist von Eingangssignalen beaufschlagt, die mittels Sensoren gemessene Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine darstellen. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Luftmassensensor 10, dem Lambdasensor 11 und dem Drehzahlsensor 15 verbunden. Desweiteren ist das Steuergerät 16 mit einem Fahrpedalsensor 17 verbunden, der ein Signal FP erzeugt, daß die Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit das von dem Fahrer angeforderte Moment angibt. Das Steuergerät 16 erzeugt Ausgangssignale, mit denen über Aktoren das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 entsprechend der erwünschten Steuerung und/oder Regelung beeinflußt werden kann. Beispielsweise ist das Steuergerät 16 mit dem Einspritzventil 8, der Zündkerze 9 und der Drosselklappe 12 verbunden und erzeugt die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale TI, ZW und DK.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Block 16 stellt schematisch das Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 dar. Die innerhalb des Blocks 16 dargestellten Blöcke werden i. d. R. im Steuergerät als Softwarefunktionen realisiert. Üblicherweise sind eine Vielzahl mehr an Softwarefunktionen in einem Steuergerät 16 realisiert, der Übersicht halber sind hier nur einige erfindungswesentliche Funktionen dargestellt. Prinzipiell ist es auch möglich die dargestellten Funktionen als reine Hardware zu realisieren.

Ein Block 18 zur Erkennung eines Umschaltvorgangs beaufschlagt, bzw. aktiviert einen Block 19 zur Prädiktion der Soll-Drehzahl N_SOLL und einen Block 20 zur Regelung der Drehzahl N. Block 19 wird an seinem Eingang auch von einem Drehzahlsignal N beaufschlagt. Der Ausgang des Blocks 19 beaufschlagt eine Vergleichsstelle 21. Die Vergleichsstelle 21 wird zusätzlich auch vom Drehzahlsignal N beaufschlagt. In der Vergleichsstelle 19 wird die Drehzahldifferenz ΔN aus der Soll-Drehzahl N_SOLL und der Ist-Drehzahl N gebildet. Der Ausgang der Vergleichsstelle 19 wird dem Drehzahlregler 20 zugeführt. Der Ausgang des Drehzahlreglers 20 beaufschlagt einen Block 22 zur Momentenkoordination und -umsetzung. Weitere hier nicht dargestellte Funktionen können auch den Eingang der Momentenkoordination und -umsetzung 22 beaufschlagen. Beispielsweise beaufschlagt der Ausgang eines Fahrpedals 17 auch den Block Momentenkoordination und -umsetzung 22. Die Ausgangssignale des Blocks 22 werden als Stellgrößen direkt der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.

Wird ein Umschaltvorgang von einer Betriebsart in die andere erkannt, so erzeugt Block 18 ein Signal, wodurch die Blöcke 19 und 20 aktiviert werden. Im Block 19 wird die Soll- Drehzahl N_SOLL prädiziert, die während des Umschaltvorgangs als Führungsgröße für die Drehzahlregelung verwendet wird. Die Soll-Drehzahl N_SOLL kann beispeilsweise aus dem Drehzahlverlauf vor der Umschaltung NO sowie aus dem aktuellen Verlauf des Sollmomentes M der Brennkraftmaschine 1 gebildet werden. In der Vergleichssstelle 21 wird die Regeldifferenz ΔN zwischen aus der prädizierten Drehzahl N_SOLL und der aktuellen Drehzahl N gebildet und dem Drehzahlregler 20 zugeführt. Der Drehzahlregler 20 hat die Aufgabe, die Abweichungen zwischen der Soll-Drehzahl N_SOLL und der Ist-Drehzahl N durch Bilden einer entsprechenden Ausgangsgröße bzw. Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine MU zu minimieren. Die Momentenanforderung MU wird in der Momentenkoordination und -umsetzung 22 weiterverarbeitet.

Die Momentenkoordination und -umsetzung 22 hat die Aufgabe, die verschiedenen Momentenwünsche der einzelnen Verbraucher und Funktionen zu koordinieren, um daraus die erforderlichen Stelleingriffe für die Brennkraftmaschine abzuleiten, wobei als Hauptstellgrößen vorzugsweise der Zündwinkel ZW, die Drosselklappenstellung DK und die Einspritzzeit TI zur Verfügung stehen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, daß die einzelnen Leistungsverbraucher unabhängig vom aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 ihren Momentenwunsch an die Momentenkoordination und -umsetzung 22 äußern können. Sie brauchen sich um den Stelleingriff nicht zu kümmern und benötigen auch keine Informationen über den Zustand anderer Funktionen. Damit ist eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Funktionen auf Ebene der Stellgrößen ausgeschlossen.

Die Fig. 3 stellt detaillierter die erfindungsgemäße Drehzahlregelung dar. Ein Block 15 zur Drehzahlerfassung beaufschlagt gleichzeitig einen Block 23 zur Differenzierung des Drehzahlsignals und einen Block 24 zur linearen Extrapolation. Mit Hilfe der Blöcke 23 und 24 wird die Prädiktion der Soll-Drehzahl N_SOLL durchgeführt. Der Ausgang des Blocks lineare Extrapolation 24 beaufschlagt die Vergleichsstelle 21, die gleichzeitig vom Drehzahlsignal N beaufschlagt wird. In der Vergleichsstelle 21 wird die Drehzahldifferenz ΔN gebildet. Der Ausgang der Vergleichsstelle 21 beaufschlagt einen Verstärker 25, der die Drehzahldifferenz ΔN um einen Faktor K verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 25 wird gleichzeitig einem Schalter 27 und einem Block 26 zum rampenförmigen Abschalten zugeführt. Der Block 27 wird zusätzlich von Block 18 beaufschlagt. Der Ausgang des Blocks 27 beaufschlagt die Momentenkoordination und -umsetzung 22.

Der in der Fig. 2 dargestellte Drehzahlregler 20 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe des Verstärkungsblocks 25, des Blocks rampenförmiges Abschalten 26 und des Blocks Schalter 27 realisiert.

Wird zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Umschaltvorgang eingeleitet, so werden mit Hilfe des Blocks 18 die Blöcke lineare Extrapolation 24 und Schalter 27 aktiviert. Die vom Drehzahlsensor 15 erfaßte Drehzahl N wird im Block 23 differenziert, wodurch ein Maß für die Änderung der Drehzahl bzw. des Gradienten der Drehzahl dN am Ausgang des Blocks 23 anliegt. Im Block 24 wird mit Hilfe der erfaßten Änderung der Drehzahl dN durch lineare Extrapolation von vergangenen Werten der Drehzahl N ein zukünftiger Wert der Drehzahl N_SOLL gebildet. Hierbei wird die Steigung der Extrapolationsgeraden durch den Gradienten der Drehzahl dN und der Ausgangswert der Extrapolationsgeraden zum Umschaltzeitpunkt wird mit Hilfe von vergangenen Drehzahlwerten gebildet. Hierbei wird jedoch angenommen, daß das von der Brennkraftmaschine 1 abzugebende Moment konstant ist. Diese Annahme ist hier zulässig, da die Umschaltvorgänge i.d.R. nur eine sehr kurze Zeit andauern.

In der Vergleichsstelle 21 wird die Differenz ΔN aus der geschätzten Drehzahl N_SOLL und die vom Drehzahlsensor 15 aktuell ermittelte Drehzahl N gebildet. Die Drehzahldifferenz ΔN wird anschließend einem Verstärker 25 zugeführt, der den eingentlichen Drehzahlregler darstellt. Hier ist beispielsweise ein P-Regler gewählt worden.

Im Verstärker 25 wird die ermittelte Drehzahldifferenz ΔN verstärkt. Die verstärkte Drehzahldifferenz ΔN wird im Falle eines Umschaltvorganges mit Hilfe des Schalters 17 der Momentenkoordination und -umsetzung 22 als Momentenanforderung MU zugeführt. Der Schalter 17 befindet sich während des Umschaltvorgangs in der in Fig. 3 dargestellten ersten Stellung. Nach dem Umschaltvorgang wird der Schalter 27 von der ersten in die zweite Schaltstellung gebracht, wodurch Block 26 aktiviert wird. Mit Hilfe des Blocks 26 wird die verstärkte Drehzahldifferenz rampenförmig auf den Wert Null gefahren. Hierdurch wird verhindert, daß nach des Umschaltvorgangs durch eine harte Abschaltung der Drehzahlregelung ein Ruck bzw. ein Drehzahlsprung verursacht wird. Vor und nach dem Umschaltvorgang wird der Schalter 17 in die zweite Schaltstellung gebracht, wodurch erreicht wird, daß die Drehzahlregelung während dieser Zeit nicht aktiv ist.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, bei dem Kraftstoff in wenigstens einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Kompressionsphase direkt in einen Brennraum (4) eingespritzt wird und die in Abhängigkeit von der Betriebsart unterschiedlich gesteuert und/oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während eines Umschaltvorgangs zwischen zwei Betriebsarten die Drehzahl N der Brennkraftmaschine (1) geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Umschaltvorgangs eine Soll-Drehzahl N_SOLL aus dem Verlauf einer Ist-Drehzahl vor dem Umschaltvorgang NO und dem Verlauf eines Soll-Moments M_SOLL ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Soll-Moment M_SOLL als konstant angenommen wird (M_SOLL = konst.).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Drehzahl N_SOLL durch lineare Extrapolation der Ist-Drehzahl vor dem Umschaltvorgang NO ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung einer Extrapolationsgeraden durch einen Drehzahlgradienten dN vor der Umschaltung und der Ausgangswert der Extrapolationsgeraden zum Umschaltzeitpunkt mit Hilfe von vergangenen Drehzahlwerten gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl N der Brennkraftmaschine (1) mit Hilfe eines P- Reglers 20 geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregler 20 zu Beginn einer Umschaltung eingeschaltet und nach Beendigung der Umschaltung, sobald stationäre Bedingungen vorliegen, abgeschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße am Drehzahlreglerausgang nach dem Abschalten des Drehzahlreglers 20 rampenförmig auf Null gefahren wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße bzw. Ausgangsgröße des Drehzahlreglers 20 als Momentenanforderung einer Momentenkoordination und -umschaltung 22 zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Momentenkoordination und -umschaltung 22 in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsart die Momentenanforderung MU in entsprechende Werte der Einflußgrößen (TI, ZW, DK) der Brennkraftmaschine (1) umsetzt.

11. Computer-Programm das während eines Ablaufs auf einem Computer wenigstens einen der Schritte nach den Ansprüchen 1 bis 9 ausführen kann.

12. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit Mitteln die in wenigstens einer ersten Betriebsart während einer Ansaugphase oder in einer zweiten Betriebsart während einer Kompressionsphase Kraftstoff direkt in einen Brennraum (4) einspritzen und weiteren Mitteln die in Abhängigkeit von der Betriebsart die Brennkraftmaschine (1) unterschiedlich steuern und/oder regeln, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel während eines Umschaltvorgangs zwischen zwei Betriebsarten die Drehzahl N der Brennkraftmaschine (1) regeln.