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Die Erfindung geht aus von einem
Verfahren zur Vorhersage eines zukünftigen Lastsignals in Zusammenhang
mit der Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Aus der
EP 0 449 851 B1 ist ein
Verfahren zum Bestimmen der einer Brennkraftmaschine pro Takt zuzuführenden
Kraftstoffmenge bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der stationäre Saugrohrdruck
aus dein Drosselklappenwinkel und der Drehzahl berechnet. Mit Hilfe
einer Rekursionsformel wird der zukünftig erwartete Saugrohrdruck
ermittelt.
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Aus der
DE 4227431 A1 ist ein Verfahren
zur zylinderspezifischen Bestimmung der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine
angesaugten Luftmasse bekannt. Dabei werden in einem Anfangsschritt
pro Arbeitsspiel der Zylinderzahl der betreffenden Brennkraftmaschine
entsprechend viele Kurbelwinkel-Marken definiert. In dein Zeitraum
zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwinkel-Marken wird
das lineare oder linearisierte Ausgangssignal eines Luftmassensensors,
eines Luftvolumensensors oder eines p-korrigierten Luftvolumensensors
von einem fest vorgegebenen Anfangswert, vorzugsweise Null, an aufintegriert.
Deiam Ende des vorgegebenen Intervalls erreichte Wert dieses Integrals
wird zwischengespeichert. Dieser Wert entspricht der anbesaugten
Luftmasse desjenigen Zylinders, dessen An saugphase während des
Integrations-Intervalls gerade wirksain war. Aus der Summe der aufintegrierten
Werte, die den Zylindern während eines
Arbeitsspiels zuzuordnen sind, wird auf die während des Arbeitsspiels insgesamt
angesaugte Luftmasse geschlossen.
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Im Sinne einer möglichst optimalen Steuerung
einer Brennkraftmaschine sollte die Luftfüllung der Zylinder einer Brennkraftmaschine
möglichst
genau bekannt sein, damit eine auf diese Luftfüllung genau abgestimmte Kraftstoffmenge
zugemessen werden kann und somit das gewünschte Drehmoment bei niedriger
Schadstoffemission und niedrigem Kraftstoffverbrauch erreicht werden
kann. Eine optimale Kraftstoffzumessung wird dadurch erschwert, daß zu dem
Zeitpunkt, ab dem die tatsächliche
Luftfüllung
eines Zylinders der Brennkraftmaschine bekannt ist, die Kraftstoffzumessung
für diesen
Zylinder bereits abgeschlossen ist. Mit anderen Worten, für die Kraftstoffzumessung
werden in der Regel veraltete Werte der Luftfüllung verwendet. Falls sich
die Luftfüllung
von Ansaugtakt zu Ansaugtakt nicht oder nur geringfügig ändert, kann
auch mit den veralteten Werten für
die Luftfüllung
eine optimale oder nahezu optimale Kraftstoffzumessung erzielt werden.
In Betriebszuständen,
in denen sich die Luftfüllung
sehr stark ändert,
ist es jedoch günstiger,
die Kraftstoffzumessung auf die jeweils zu erwartende Luftfüllung abzustimmen.
Dazu wird ein Verfahren benötigt,
daß zur
Zeit der Berechnung der zuzumessenden Kraftstoffmenge eine möglichst
genaue Vorhersage der Luftfüllung
des Zylinders ermöglicht,
in den die Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
möglichst
optimale Steuerung der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Insbesondere soll
die Luftfüllung
der Zylinder möglichst
genau vorhergesagt werden.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein zukünftiges
Lastsignal ermittelt, das die zu erwartende Luftfüllung repräsentiert.
Das zukünftige
Lastsignal wird aus einem aktuellen Hauptlastsignal, einem aktuellen
Hilfslastsignal, das dem aktuellen Hauptlastsignal vorauseilt, und
einem Kurbelwinkelintervall ermittelt. Das Kurbelwinkelintervall
ist abhängig
von der in Zeiteinheiten oder Kurbelwinkeleinheiten ausgedrückten Kraftstoff-Vorlagerung,
der Dauer der Kraftstoff-Einspritzung und der Berechnungszeit vorgebbar.
Die Einbeziehung des Kurbelwinkelintervalls hat den Vorteil, daß die Ermittlung
des zukünftigen Lastsignals
zum spätest
möglichen
Zeitpunkt durchgeführt
werden kann und dadurch eine hohe Genauigkeit erreicht wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, daß das zukünftige Lastsignal
mit einem Tiefpaßfilter
ermittelt wird, dessen Filterkonstante lastabhängig vorgebbar ist. Die Filterkonstante
wird bei steigender Last aus einer er sten Kennlinie ausgelesen und
bei fallender Last aus einer zweiten Kennlinie. Dadurch wird eine
besonders rechenzeitsparende Vorausbestimmung der Luftfüllung möglich.
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Das Hilfslastsignal wird aus dem Öffnungswinkel
der Drosselklappe, der Drehzahl der Brennkraftmaschine und einer
gegebenenfalls durch einen Bypaß-Kanal
zur Drosselklappe strömenden
Luftmenge ermittelt und abhängig
von der Temperatur der angesaugten Luft und der barometrischen Höhe korrigiert.
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Bei kleinen Öffnungswinkeln der Drosselklappe
kann das Hilfslastsignal auch aus der mit einem Luftmassenmesser
erfaßten
Luftmasse ermittelt werden, was in der Regel zu einer höheren Genauigkeit
in diesem Betriebsbereich führt.
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Das Hauptlastsignal kann z. B. aus
dem gemessenen Saugrohrdruck und der Drehzahl, aus der mit einem
Luftmassenmesser erfaßten
Luftmasse oder durch Filterung des Hilfslastsignals ermittelt werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß es
sowohl im nichtstationären
Betrieb als auch im stationären
Betrieb eingesetzt werden kann, da bei der Ermittlung des zukünftigen
Lastsignals ein auf das Hauptlastsignal abgeglichenes Hilfslastsignal
verwendet wird. Der für den
Abgleich des Hilfslastsignals benötigte Abgleichwert wird durch
Integration der Abweichung zwischen dem Hauptlastsignal und dem
mit dem Abgleichwert versehenen gefilterten Hilfslastsignal ermittelt.
Das gefilterte Hilfslastsignal wird dabei durch Filterung des korrigierten
Hilfslastsignals erzeugt.
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Besonders vorteilhaft ist es, das
zukünftige Lastsignal
für die
Ermittlung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge zu verwenden. In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel
kann selbst ein Lastanstieg nach der Berechnung des zukünftigen
Lastsignals und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge noch berücksichtigt
werden, indem die Berechnung für
denselben Einspritzvorgang bei wenigstens einem späteren Kurbelwinkel
wieder holt wird. Wenn bei der späteren
Berechnung eine größere Kraftstoffmenge ermittelt
wird, kann die ursprüngliche
Einspritzdauer verlängert
werden oder es kann ein zusätzlicher
Einspritzimpuls abgesetzt werden.
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Noch flexibler ist eine weitere Variante,
bei der die ermittelte Kraftstoffmenge auf einen ersten und einen
zweiten Einspritzimpuls aufgeteilt wird. Der erste Einspritzimpuls
wird sofort freigegeben. Der zweite Einspritzimpuls wird abhängig vom
Ergebnis einer weiteren Ermittlung des zukünftigen Lastsignals und der
einzuspritzenden Kraftstoffmenge korrigiert und danach freigegeben.
Dadurch kann die ursprünglich
berechnete Kraftstoffmenge auch zu kleineren Werten korrigiert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen.
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1 das
technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt wird,
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2 den
Zusammenhang zwischen der Last, der Kraftstoff-Einspritzung und
dem Öffnungsgrad
des Einlaßventils
eines Zylinders, in Abhängigkeit
vom Kurbelwinkel,
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3 den
Verlauf des Hauptlastsignals und des Hilfslastsignals in Abhängigkeit
vom Kurbelwinkel,
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4 ein
Flußdiagramm
für den
prinzipiellen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 ein
Blockschaltbild zur Erzeugung des Hilfslastsignals,
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6 ein
Schema zur Ermittlung des Vorhersagewinkels und
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7 ein
Blockschaltbild zur Erzeugung des zukünftigen Lastsignals.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
schematisch eine Brennkraftmaschine 100 und Komponenten
zur Steuerung der Brennkraftmaschine 100. Über einen
Ansaugtrakt 102 wird der Brennkraftmaschine 100 Luft/Kraftstoff-Gemisch
zugeführt
und die Abgase werden in einen Abgaskanal 104 abgegeben.
Im Ansaugtrakt 102 sind – in Stromrichtung der angesaugten
Luft gesehen – ein
Luftmengenmesser oder Luftmassenmesser 106, beispielsweise
ein Hitzdraht-Luftmassenmesser, ein Temperaturfühler 108 zur Erfassung der
Ansauglufttemperatur, eine Drosselklappe 110 mit einem
Sensor 111 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 110,
ein Drucksensor 112 und eine oder mehrere Einspritzdüsen 113 angebracht.
In der Regel sind der Luftmengenmesser oder Luftmassenmesser 106 und
der Drucksensor 112 alternativ vorhanden. Um die Drosselklappe 110 herum führt ein
Bypaß-Kanal 114,
in dem ein Leerlaufsteller 115 angeordnet ist. Der Bypaß-Kanal 114 und
der Leerlaufsteller 115 können entfallen, wenn die Regelung
der Leerlaufdrehzahl mit Hilfe der Drosselklappe 110 erfolgt.
Gegebenenfalls können
zusätzlich
Bypaß-Ventile
vorhanden sein, die beispielsweise beim Zuschalten einer Klimaanlage
eine ausreichende Leerlaufdrehzahl sicherstellen. Im Abgaskanal 104 ist
ein Sauerstoffsensor 116 angebracht. An der Brennkraftmaschine 100 sind
ein Kurbelwinkelsensor 118 und ein Sensor 119 zur
Erfassung der Temperatur der Brennkraftmaschine 100 angebracht.
Weiterhin besitzt die Brennkraftmaschine 100 zur Zündung des
Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern beispielsweise vier Zündkerzen 120.
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Die Ausgangssignale der beschriebenen Sensoren
werden einem zentralen Steuergerät 122 übermittelt.
Im einzelnen handelt es sich dabei um folgende Signale: Ein Signal
m des Luftmengenmessers oder Luftmassenmessers 106, ein
Signal T des Temperatursensors 108 zur Erfassung der Ansauglufttemperatur,
ein Signal α des
Sensors 111 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 110, ein
Singal p des Drucksensors 112, ein Signal λ des Sauerstoffsensors 116,
ein Signal w des Kurbelwinkelsensors
118 und ein Signal
TBKM des Sensors 119 zur Erfassung der Temperatur der Brennkraftmaschine 100.
Das Steuergerät 122 wertet
die Sensorsignale aus und steuert die Einspritzdüse bzw. Einspritzdüsen 113,
den Leerlaufsteller 115 und die Zündkerzen 120 an.
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2 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Last, der Kraftstoff-Einspritzung,
und dem Öffnungsgrad
des Einlaßventils
eines Zylinders in Abhängigkeit
vom Kurbelwinkel w für
eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern. Dargestellt ist die
Kraftstoffzumessung für
den Zylinder Nr. 4. Die untere durchgezogene Linie gibt den Öffnungsgrad
des Einlaßventils
für den
Zylinder Nr. 4 an, die untere gestrichelte Linie den Öffnungsgrad
der Einlaßventile
der übrigen
Zylinder. Bei einem Kurbelwinkel w von 0° beginnt sich das Einlaßventil
des Zylinders Nr. 4 zu öffnen.
Bei w = 90° ist
das Einlaßventil
des Zylinders Nr. 4 maximal geöffnet
und bei w = 180° ist
das Einlaßventil
wieder geschlossen. Danach durchlaufen die Einlaßventile der Zylinder Nr. 2,
Nr. 1 und Nr. 3 in dieser Reihenfolge den gleichen Öffnungs-
und Schließzyklus
und bei einem Kurbelwinkel w von 720° beginnt sich das Einlaßventil
des Zylinders Nr. 4 wieder zu öffnen.
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Oberhalb der Kurve für den Öffnungsgrad der
Einlaßventile
ist die Kurve für
die Kraftstoffeinspritzung für
den Zylinder Nr. 4 dargestellt. Damit der Kraftstoff ordnungsgemäß in den
Zylinder Nr. 4 gelangen kann, muß die Kraftstoffeinspritzung
um einen Vorlagerungswinkel wV vor Beginn der Öffnung des Einlaßventils
bei w = 720° abgeschlossen
sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Vorlagerungswinkel 180°,
so daß die
Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von 540° abgeschlossen ist. Der Beginn
der Kraftstoffeinspritzung liegt um den Kurbelwinkel wti vor dem
Ende der Kraftstoffeinspritzung. Der Kurbelwinkel wti repräsentiert
die in Kurbelwinkel umgerechnete Einspritzdauer ti. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
beginnt die Kraftstoffeinspritzung bei ca. 315°. Die Berechnung der Einspritzdauer
ti findet einmal pro Segment, das heißt alle 180° Kurbelwinkel statt. Da die
Berechnung der Einspritzdauer ti vor dem Beginn der Einspritzung stattfinden
muß, muß die Berechnung
für die
im Segment zwischen 720 und 900° Kurbelwinkel
in den Zylinder Nr. 4 einge brachte Kraftstoffmenge spätestens im
Segment zwischen 180 und 360° Kurbelwinkel durchgeführt werden.
Der Beginn der Berechnung ist durch eine senkrechte, gestrichelte
Linie bei ca. 260° Kurbelwinkel
markiert.
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Die oberste Kurve der 2 zeigt den Verlauf des
Hauptlastsignals tL. Das Hauptlastsignal tL kann beispielsweise
aus dem vom Drucksensor 112 erzeugten Signal p und der
Drehzahl n ermittelt werden oder aus dem Bemittelten und gefilterten
Signal m des Luftmassenmessers 106. Für die Berechnung der Einspritzdauer
wird die Luftfüllung
des entsprechenden Zylinders (In 2 Zylinder
Nr. 4) benötigt. Das
Hauptlastsignal tL bei einem bestimmten Kurbelwinkel in der Nähe des Kurbelwinkels,
bei dem das Einlaßventil
des Zylinders schließt
(in 2 Zylinder Nr. 4,
ca. 20° vor
dem Schließen
des Einlaßventils
bei 900°),
ist repräsentativ
für die
Luftfüllung.
Dieser bestimmte Kurbelwinkel wird im folgenden als Füllungswinkel
bezeichnet. Der genaue Wert des Füllungswinkels hängt vom
Typ der Brennkraftmaschine 100 ab und kann beispielsweise
empirisch ermittelt werden. Wie oben beschrieben und in 2 dargestellt, muß die Berechnung
der Einspritzdauer lange vor dem Füllungswinkel durchgeführt werden.
Für die Berechnung
wird allerdings die Luftfüllung
benötigt, die
durch das beim Füllungswinkel
vorliegende Hauptlastsignal tL repräsentiert wird. Der zukünftige Verlauf
des Hauptlastsignals tL ist aber in der Regel nicht bekannt, da
er beispielsweise vom Fahrerwunsch abhängt. Verwendet man bei der
Berechnung das zum Zeitpunkt der Berechnung aktuelle Hauptlastsignal
tL, so führt
dies zu einer nicht optimalen Kraftstoffzumessung, wenn sich das
Hauptlastsignal tL bis zum Erreichen des Füllungswinkels ändert (siehe
oberste Kurve in 2),
d. h. im nichtstationären
Betrieb.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine
näherungsweise
Vorhersage des beim Füllungswinkel
vorliegenden Lastsignals tL, das im folgenden als zukünftiges
Lastsignal tLPr bezeichnet wird. Dabei wird insbesondere ausgenutzt,
daß der Haupteinflußfaktor
auf den Verlauf des zukünftigen Lastsignals
tLPr, der Öffnungswinkel α der Drosselklappe 111,
bekannt ist und daß das
Signal α dem
Signal tL um einiges vorauseilt. Näheres hierzu ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt
ein Diagramm, in dem das Hauptlastsignal tL (gestrichelte Linie)
und das Hilfslastsignal tL' (durchgezogene Linie) über dem
Kurbelwinkel w aufgetragen sind. Im stationären Betrieb fallen die Kurven
für tL
und tL' zusammen (links bzw. ganz rechts). Beim Übergang von niedriger zu hoher Last
steigt die Kurve für
tL' wesentlich schneller an als die Kurve für tL, so daß aus aktuellen Werten für tL' und
tL zukünftige
Werte für
tL vorhergesagt werden können,
d. h. aus dem aktuellen Hilfslastsignal tL' und dem aktuellen Hauptlastsignal
tL kann das zukünftige
Lastsignal tLPr ermittelt werden.
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Für
die Ermittlung des zukünftigen
Lastsignals tLPr wird ein einfaches Saugrohrmodell zugrundegelegt,
das durch einen Tiefpaß erster
Ordnung mit einer lastabhängigen
Filterkonstanten beschrieben wird. Beim aktuellen Kurbelwinkel w
wird das beim zukünftigen
Kurbelwinkel w+wPr vorliegende zukünftige Lastsignal tLPr gemäß folgender
Gleichung vorhergesagt: tLPr = tL(w + wPr) = tL(w) + (tL'(w) – tL(w))∙(1 – exp(–wPr/wF))
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Dabei ist wPr der Vorhersagewinkel,
das heißt,
die Differenz aus dem zukünftigen
Kurbelwinkel, für
den das zukünftige
Lastsignal tLPr vorhergesagt wird – in der Regel ist dies der
Füllungswinkel – und dem
augenblicklichen Kurbelwinkel w. Einzelheiten zur Ermittlung des
Vorhersagewinkels wPr sind in 6 dargestellt
und im zugehörigen
Text beschrieben. Einzelheiten zur Ermittlung der mit wF bezeichneten
Filterkonstanten sind in 5 dargestellt
und im zugehörigen
Text beschrieben.
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4 zeigt
ein Flußdiagramm
für den
prinzipiellen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten
Schritt 400 wird der Vorhersagewinkel wPr ermittelt. Das in 6 dargestellte Schema zeigt,
wie das im einzelnen vor sich geht. An Schritt 400 schließt sich
ein Schritt 402 an, in dem das Hilfslastsignal tL' ermittelt wird.
Wie in 5 dargestellt, wird
das Hilfslastsignal tL' in Abhängigkeit
vom Drossel klappenwinkel α,
der Drehzahl n und ggf. der durch einen Bypaß-Kanal 114 und/oder
zusätzliche Bypaß-Ventile
fließenden
Luftmenge qLL aus einem Kennfeld ermittelt. An Schritt 402 schließt sich
ein Schritt 404 an. Im Schritt 404 wird das augenblickliche Hauptlastsignal
tL ermittelt. Das augenblickliche Hauptlastsignal tL kann beispielsweise
durch Filtern der gemessenen und über ein Kurbelwinkel-Segment gemittelten
Luftmasse m mit einem Tiefpaßfilter
erster Ordnung ermittelt werden. Alternativ dazu kann das augenblickliche
Hauptlastsignal tL auch aus dem Saugrohrdruck p und der Drehzahl
n ermittelt werden oder durch Filterung des Hilfslastsignals tL'.
Auf Schritt 404 folgt ein Schritt 406, in dem die lastabhängige Filterkonstante
wF ermittelt wird. Schließlich folgt
noch ein Schritt 410. In Schritt 410 wird aus den in den Schritten
400 bis 408 ermittelten Größen gemäß der weiter
oben genannten Gleichung das zukünftige
Lastsignal tLPr = tL(w + wPr) für
den Kurbelwinkel w + wPr ermittelt. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen,
wird die Gleichung in der Regel in einer in Bezug auf das Hilfslastsignal
tL' geringfügig
abgewandelten Form eingesetzt. Näheres
hierzu ist in 7 dargestellt
und im dazugehörigen
Text beschrieben. Mit Schritt 410 ist der Durchlauf des Flußdiagramms
beendet.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild zur Ermittlung, Korrektur und Filterung des
Hilfslastsignals tL' und zur Ermittlung der Filterkonstanten wF.
In einen Block 500 werden ein Signal für den Öffnungswinkel a der Drosselklappe 110,
ein Signal für
die Drehzahl n und ein Signal für
die durch einen Bypaß-Kanal 114 und/oder
durch zusätzliche
Bypaß-Ventile
fließende Luftmenge
qLL eingespeist. Der Block 500 ermittelt aus diesen Eingangsgrößen ein
Hilfslastsignal tL' und stellt es am Ausgang bereit. Die Ermittlung
erfolgt durch Auslesen aus einem Kennfeld und/oder Berechnung. Der
Ausgang des Blocks 500 ist mit einem ersten Eingang eines
Verknüpfungspunktes 502 verbunden.
In den zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 502 wird
ein von der Temperatur T der von der Brennkraftmaschine 100 angesaugten
Luft abhängiger
Korrekturfaktor FT eingespeist. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 502 ist
mit einem ersten Eingang eines Verknüpfungspunktes 504 verbunden.
In den zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 504 wird
ein höhenabhängiger Korrekturfaktor
FH einge speist. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 504 ist
mit einem ersten Eingang eines Tiefpaßfilters 506 verbunden.
An einem zweiten Eingang des Tiefpaßfilters 506 liegt
ein Signal für
den Kurbelwinkel w an, das beispielsweise vom Kurbelwinkelsensor 118 erzeugt
wird oder aus der Drehzahl n und der Zeit berechnet wird. Der Kurbelwinkel
w stellt die unabhängige
Variable des Tiefpaßfilters 506 dar. Häufig wird
bei Tiefpaßfiltern
die Zeit als unabhängige
Variable gewählt.
Da im vorliegenden Fall der Verfahrensablauf nicht zeitsynchron
sonder kurbelwinkelsynchron abläuft,
vereinfacht sich die mathematische Beschreibung, wenn der Kurbelwinkel
w als unabhängige
Variable des Tiefpaßfilters 506 gewählt wird.
Somit ist auch die Filterkonstante des Tiefpaßfilters 506 keine
Zeit sondern der Kurbelwinkel wF. Die Filterkonstante wF wird über einen
dritten Eingang in das Tiefpaßfilter 506 eingespeist.
Das Tiefpaßfilter 506 erzeugt
aus dem korrigierten Hilfslastsignal tLK', das nur in stationären Betriebszuständen die
Last korrekt wiedergibt, ein gefiltertes Hilfslastsignal tLF', das
auch in dynamischen Betriebszuständen
die Last korrekt wiedergibt. Das gefilterte Hilfslastsignal tLF'
kann am Ausgang des Tiefpaßfilters 506 abgegriffen
werden. Das Tiefpaßfilter 506 kann durch
die folgende Gleichung repräsentiert
werden: tLF'(w2) = tLF'(w1) + (t1K'(w2) – tLF'(w1))∙(1 – exp((w1 – w2)/wF))
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Dabei stellen w1 und w2 aufeinanderfolgende
Kurbelwinkel dar.
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Im folgenden wird beschrieben, wie
die Filterkonstante wF bestimmt wird: Ein erster Eingang eines Verknüpfungspunktes 508 ist
mit dem Ausgang des Blocks 500 verbunden, das heißt in diesen
ersten Eingang wird das Hilfslastsignal tL' eingespeist. In den
zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 508 wird
ein Signal dtL eingespeist. Das Signal dtL stellt ein Maß für die Abweichung
zwischen dem Hauptlastsignal tL und dem gefilterten Hilfslastsignal
tLF' dar und dient dazu, das Hilfslastsignal an das Hauptlastsignal
anzupassen. Einzelheiten hierzu und zur Ermittlung des Signals dtL
sind in 7 dargestellt und
im zugehörigen
Text beschrieben. Im Verknüpfungspunkt 508 werden
die Signale tL' und dtL ad diert und am Ausgang bereitgestellt. Der
Ausgang des Verknüpfungspunktes 508 ist
mit dem Eingang einer Kennlinie 510, dem Eingang einer
Kennlinie 512 und dem ersten Eingang eines Verknüpfungspunktes 513 verbunden.
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 513 liegt
das Hauptlastsignal tL an. Der Verknüpfungspunkt 513 subtrahiert
das Signal am zweiten Eingang vom Signal am ersten Eingang und stellt
die Differenz am Ausgang bereit. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 513 ist
mit dem Eingang einer Auswahlstufe 514 verbunden.
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In der Kennlinie 510 ist
die Filterkonstante wF für
den Fall abgelegt, daß die
Last ansteigt. In der Kennlinie 512 ist die Filterkonstante
wF für
den Fall abgelegt, daß die
Last abnimmt. Der Ausgang der Kennlinie 510 ist mit einem
Kontakt A eines Schalters 516 verbunden und der Ausgang
der Kennlinie 512 mit einem Kontakt B des Schalters 516.
Weiterhin besitzt der Schalter 516 einen dritten Kontakt
C, der wahlweise mit dem Kontakt A oder mit dem Kontakt B verbunden
werden kann. Der Schalter 516 wird von der Auswahlstufe 514 gesteuert.
Falls die Auswahlstufe 514 eine steigende Last erkennt
(Signal am Eingang der Auswahlstufe 514 > 0), steuert sie den Schalter 516 so
an, daß die
Kontakte A und C miteinander verbunden werden, das heißt, der
Kontakt C ist mit dem Ausgang der Kennlinie 510 verbunden.
Erkennt die Auswahlstufe 514 dagegen, daß die Last abnimmt
(Signal am Eingang der Auswahlstufe 514 < 0), so steuert
sie den Schalter 516 so an, daß die Kontakte B und C miteinander
verbunden sind, das heißt
der Ausgang der Kennlinie 512 ist mit dem Kontakt C verbunden.
Somit ist gewährleistet,
daß die
Filterkonstante wF für
steigende und für
abnehmende Last aus unterschiedlichen Kennlinien ausgelesen wird.
Der Kontakt C des Schalters 516 ist mit dem dritten Eingang
des Tiefpaßfilters 506 verbunden, das
heißt
die am Kontakt C anliegende Filterkonstante wF wird in den dritten
Eingang des Tiefpaßfilters 506 eingespeist.
Außerdem
wird die Filterkonstante wF für
weitere Anwendungen (siehe 7)
bereitgehalten.
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In 6 ist
ein Schema zur Berechnung des Vorhersagewinkels wPr dargestellt.
Die Berechnung des Vorhersagewinkels wPr ist erforderlich, da die Vorhersage
der zukünftigen
Luftfüllung
und somit des zukünftigen Lastsignals
tLPr aus Gründen
der Genauigkeit möglichst
spät durchgeführt werden
soll und der spätestmögliche Zeitpunkt
bzw. Kurbelwinkel unter anderem vom Vorlagerungswinkel wV und der Einspritzdauer
ti abhängt
und somit nicht konstant ist. In 6 ist
eine Achse für
den Kurbelwinkel w dargestellt und auf dieser Achse sind Ereignisse
vermerkt, die im Zusammenhang mit der Ermittlung des Vorhersagewinkels
wPr von Bedeutung sind. Die Ermittlung erfolgt durch Zurückrechnung
ausgehend vom Fü1-lungswinkel, für den das
zukünftige
Lastsignal tLPr vorhergesagt werden soll. Der erste Bestandteil des
Vorhersagewinkels wPr ergibt sich durch die Vorlagerung des Kraftstoffs
und das Einbringen des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylinder und wird als
wEE bezeichnet. Das Kurbelwinkelintervall wEE wird gemäß dem Fachmann
bekannten Verfahren festgelegt, die hier nicht näher beschrieben werden. Als
weiterer Anteil wti ist die in Kurbelwinkel umgerechnete Einspritzdauer
ti zu berücksichtigen.
Da die Einspritzdauer ti aber erst nach der Vorhersage des zukünftigen
Lastsignals tLPr ermittelt wird, wird die Einspritzdauer ti der
vorhergehenden Einspritzung verwendet. Als dritter Anteil wB ist
die in Kurbelwinkel umgerechnete Zeit zu berücksichtigen, die zur Berechnung
des zukünftigen
Lastsignals tLPr und der aktuellen Einspritzdauer ti benötigt wird.
Weiterhin ist in 6 noch
ein vierter Anteil von 90°,
das heißt
ein halbes Segment, dargestellt. Dieser vierte Anteil ist immer
dann zu berücksichtigen,
wenn das Hauptlastsignal tL über
ein Segment Bemittelt wird. Eine Mittelung ist dann anzuraten, wenn
das Hauptlastsignal tL aus einem stark schwankenden Signal ermittelt
wird, beispielsweise aus dem Ausgangssignal eines Hitzdraht-Luftmassenmessers.
Durch Addition der in 6 dargestellten
Anteile wEE, wti, wB und ggf. den Wert von 90° erhält man den Vorhersagewinkel wPr.
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In 7 ist
ein Blockschaltbild zur Erzeugung des zukünftigen Lastsignals tLPr dargestellt. Die
Berechnung des zukünftigen
Lastsignals tLPr erfolgt ähnlich
wie bereits im Text zur 3 beschrieben
und wird teilweise in einem Block 700 und teilweise in
einem Block 702 durchgeführt. Die Berechnung erfolgt
gemäß folgender
Gleichung: tLPr = tL + (tLK' + dtL – tL)∙FP
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Dabei wird der Faktor FP folgendermaßen berechnet: FP
= 1 – exp(–wPr/wF)
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Der Faktor FP wird in einem Block 700 berechnet.
In den Block 700 werden ein Signal für den Vorhersagewinkel wPr
und ein Signal für
die Filterkonstante wF eingespeist. Der Ausgang des Blocks 700 ist
mit einem Eingang des Blocks 702 verbunden. Der Block 702 ermittelt
aus dem Faktor FP und weiteren Eingangsgrößen gemäß obiger Gleichung das zukünftige Lastsignal
tLPr und stellt dieses Signal zur weiteren Verarbeitung an seinem
Ausgang bereit. An einem weiteren Eingang des Blocks 702 liegt
das Hauptlastsignal tL an. Der letzte Eingang des Blocks 702 ist
mit dem Ausgang eines Verknüpfungspunktes 704 verbunden.
An einem ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 704 liegt
das vom Verknüpfungspunkt 504 der 5 ausgegebene korrigierte
Hilfslastsignal tLK' an. Der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 704 ist
mit dem Ausgang eines Integrators 706 verbunden. Der Integrator 706 stellt
an seinem Ausgang das Signal dtL bereit. Der Eingang des Integrators 706 ist
mit dem Ausgang eines Verknüpfungspunktes 708 verbunden.
In einen ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 708 wird das
Hauptlastsignal tL eingespeist. Der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 708 ist
mit dem Ausgang eines Verknüpfungspunktes 710 verbunden. Der
Verknüpfungspunkt 708 substrahiert
das am zweiten Eingang anliegende Signal von dem Hauptlastsignal
tL, das am ersten Eingang anliegt. An einem ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 710 liegt
das gefilterte Hilfslastsignal tLF' aus 5, Block 506, an. Der zweite
Eingang des Verknüpfungspunktes 710 ist
mit dem Ausgang des Integrators 706 verbunden, das heißt, in den
zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 710 wird
das Signal dtL eingespeist. Der Integrator 706 und die
beiden Verknüpfungspunkte 708 und 710 dienen
dazu, das gefilterte Hilfslastsignal tLF' und das Hauptlastsignal tL
aufeinander abzugleichen. Dadurch ist gewährleistet, daß das gefilterte
Hilfslastsignal tLF' und das Hauptlastsignal tL im stationären Betrieb übereinstimmen.
Dies ist Voraussetzung dafür,
daß die
Vorhersage des zukünftigen
Lastsignals tLPr immer, das heißt
auch im stationären
Betrieb, aktiv sein kann. Ohne den Abgleich bestünde die Gefahr, daß das gefilterte
Hilfslastsignal tLF' und das Hauptlastsignal tL im stationären Betrieb
voneinander abweichen und folglich müßte abhängig vom Betriebszustand zwischen
den beiden Lastsignalen umgeschaltet werden. Die Funktionsweise
des Abgleichs entspricht der eines I-Reglers, wobei das Hauptlastsignal
tL den Sollwert darstellt, das Signal dtL die Stellgröße und die
Summe aus dem gefilterten Hilfslastsignal tLF' und dem Signal dtL
den Istwert.
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Bei der im Block 702 verwendeten
Formel zur Berechnung des zukünftigen
Lastsignals tLPr wurde vorausgesetzt, daß sich das korrigierte Hilfslastsignal
tLK' nicht mehr ändert,
das heißt
für die Drosselklappe 110 ist
der dynamische Betriebszustand bereits beendet und der Öffnungswinkel α der Drosselklappe 110 und
die Drehzahl n bleiben konstant. Diese Annahme ist in der Regel
in guter Näherung
erfüllt.
In Betriebszuständen,
in denen die Änderungsgeschwindigkeit
des Öffnungswinkels α der Drosselklappe 110 einen
mittelgroßen
Wert annimmt und in denen sich der Öffnungswinkel α insgesamt stark ändert, kann
es allerdings günstig
sein, einen extrapolierten Wert für das korrigierte Hilfslastsignal tLK'
zu verwenden. Im einfachsten Fall können dazu zwei aufeinanderfolgende
tLK'-Signale linear extrapoliert werden.
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Das zukünftige Lastsignal tLPr kann
zur Berechnung der Einspritzdauer ti unter Berücksichtigung des Wandfilmauf-
und -abbaus im Instationärbetrieb
verwendet werden. Dabei kann die Vorhersage des zukünftigen
Lastsignals tLPr zu einem späteren
Kurbelwinkel als der oben beschriebene Vorhersagewinkel wPr wiederholt
werden. Da die zweite Vorhersage sich über ein kleineres Kurbelwinkelintervall
erstreckt, kann damit eine höhere
Genauigkeit erzielt werden. Falls die zweite Vorhersage ergibt,
daß die
ursprüngliche
ermittelte Einspritzdauer ti zu kurz war, so kann die Einspritzdauer
ti verlängert
werden oder falls die Einspritzung bereits abgeschlossen aber das
Einlaßventil
noch nicht geschlossen ist, so kann ein zusätzlicher Einspritzimpuls abgesetzt
werden. Um auch in dem Fall, in dem ursprünglich eine zu große Kraftstoffmenge
ermittelt wurde, noch eine Korrektur vornehmen zu können, kann
folgendermaßen
vorgegangen werden: Die ursprünglich
berechnete Einspritzdauer wird in zwei Einspritz impulse aufgeteilt,
beispielsweise im Verhältnis
2 : 1. Der längere Impuls
wird sofort gestartet. Der kürzere
Impuls wird bis nach der zweiten Vorhersage des Signals tLPr zurückgestellt
und auf der Grundlage dieser zweiten Vorhersage korrigiert.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist
eine Variante bei der in 5 dargestellten
Ermittlung des gefilterten Hilfslastsignals tLF' vorgesehen. Bei
kleinen Öffnungswinkeln α der Drosselklappe 110 liefert
der Sensor 111 in der Regel ein sehr ungenaues Signal.
Deshalb wird in diesem Betriebsbereich statt des korrigierten Hilfslastsignals
tLK' ein mit dem Luftmassenmesser 106 ermitteltes, ungefiltertes Lastsignal
in das Tiefpaßfilter 506 eingespeist.
Außerhalb
dieses Betriebsbereichs wird wie in 5 dargestellt
vorgegangen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel
erfolgen die Berechnung des zukünftigen
Lastsignals tLPr und der Einspritzdauer ti zündungssysnchron. In diesem
Fall wird der gemäß 6 berechnete Vorhersagewinkel
wPr zur Festlegung des Segments benutzt, in dem die Berechnung von
tLPr und ti stattfinden soll. Innerhalb des so ermittelten Segments
ist der Beginn der Berechnung fest vorgegeben.
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Im Gegensatz zur Berechnung der Einspritzimpulse
wird bei der Berechnung des Zündwinkels nicht
das zukünftige
Lastsignal tLPr sondern das aktuelle Hauptlastsignal tL verwendet.