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Verfahren
zur Bestimmung eines Betriebsparameters eines Verbrennungsmotors
in Abhängigkeit von
drei Steuerparametern dieses Motors. Insbesondere ermöglicht es
ein solches Verfahren, den Zündwinkel
(α) in Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit des Motors (N), der Motorlast (P Ladedruck)
und des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
(λ Lambda)
zu bestimmen.
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Es
ist bekannt, dass bei Verbrennungsmotoren mit indirekter Einspritzung
der Zündwinkel α in Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit des Motors N und der Menge der zugeführten Luft
P ermittelt werden kann. Tatsächlich
ist es für
die korrekte Funktionsweise dieser Art Motor unerlässlich,
dass der Kraftstoffgehalt des Gemischs R nahezu konstant und gleich
1 ist. Daher variiert der Parameter λ (Lambda), der den Umkehrwert
1/R dieses Gemischs darstellt, nicht oder nur sehr wenig, und es
ist nicht oder in nur sehr geringem Maße erforderlich, diesen Parameter
in die Bestimmung des Zündwinkels α einzubeziehen.
Folglich wird der Zündwinkel α für einen Motor
eines bestimmten Typs auf dem Prüfstand
bestimmt, und dieser Wert wird anschließend auf alle Motoren des gleichen
Typs mithilfe von Kennfeldern angewendet, die den Zündwinkel α, die Motordrehzahl
N und die Luftmenge, die dem Zylinder zugeführt wird P, miteinander in
Beziehung setzen.
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Solche
Kennfelder werden häufig
erstellt, und obwohl für
sie eine Reihe wichtiger Betriebspunkte (N, P) erforderlich ist,
bereiten die Erstellung und die Nutzung dieser Kennfelder keine
wirklichen Probleme.
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Aus
dem Dokument
EP 302 735 ist
bekannt, wie zwei Korrekturkennfelder (so genannte Kennfelder mit
schwachem und starkem Grad) so erstellt werden, dass der Zündzeitpunkt
in jedem Zylinder des Motors bestimmt wird.
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Das
Mischungsverhältnis
von Luft und Kraftstoff wird in Übereinstimmung
mit mindestens einem der Kennfelder verändert. Tatsächlich ermöglichen es diese Kennfelder,
zwischen zwei verschiedenen Oktanzahlen zu wechseln. Allerdings
ermöglichen sie
es nicht, einen Korrekturfaktor zu ermitteln, der von dieser Oktanzahl
abhängt.
Tatsächlich
sind im Rahmen dieses Dokuments nur zwei Oktanzahlen erforderlich.
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Aus
dem Dokument
EP 892 161 ist
darüber hinaus
bekannt, dass man zwei verschiedene Kennfelder einsetzt, um den
Zündzeitpunkt
zu bestimmen. Das erste Kennfeld entspricht dem Betrieb des Motors
bei homogener Verbrennung, das zweite bei Betrieb mit einem fetten
Gemisch (d.h. beim Wechsel zwischen Schichtladung und homogenem
Gemisch). Der Übergang
von einem Kennfeld zum anderen erfolgt durch lineare Interpolation
eines für
den Betrieb des Motors repräsentativen
Parameters. Leider ist es unmöglich,
diese beiden Kennfelder zu verwenden, wenn der Betriebsparameter
des Motors nicht linear variiert, da sich die für diesen Parameter errechneten Werte
ansonsten zu weit von den tatsächlichen
Werten entfernen.
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Für Verbrennungsmotoren,
die eine Kraftstoffdirekteinspritzung für jeden Zylinder einsetzen und/oder
bei Motoren, die ein mageres Gemisch (lean burn) verwenden, können solche
Kennfelder nicht verwendet werden. Denn solche Motoren weisen einen
großen
Variationsbereich von λ (Lambda) auf.
Daher hängt
der Zündwinkel
nicht mehr ausschließlich
von der Motordrehzahl (N) und der Motorlast (P) ab, sondern auch
und in erheblichem Maße von λ. Nun ist
es aber sehr schwierig, die Speicherung von Tabellen in einer vierdimensionalen
Darstellung (α,
N, P, λ)
auf einfache Weise zu realisieren. Standardmikroprozessoren, mit
denen die zentralen Steuereinheiten für den Motorbetrieb ausgerüstet sind,
erlauben es nicht, solche vierdimensionalen Kennfelder zu speichern
und zu verarbeiten. Denn diese Kennfelder benötigen viel Speicherplatz, ihre Verwaltung
erfordert eine lange Rechenzeit und eine spezielle Symbolik für ihre Darstellung,
die in herkömmlichen
Mikroprozessoren nicht verfügbar
ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen vierdimensionalen
Raum so einfach, so präzise
und unter Nutzung von so wenig Rechenzeit wie möglich darzustellen. Bei diesem
Raum definieren drei Achsen die Steuerparameter des Motors (z.B.
N, P, λ)
und erlauben die Bestimmung einer vierten Variablen (z.B. α), die einen
Betriebsparameter dieses Motors darstellt.
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Es
ist bereits bekannt, wie zu diesem Zweck in Abhängigkeit von λ ein additiver
oder proportionaler Korrekturfaktor bestimmt werden kann, der ausgehend
von nur einer Tabelle erstellt wird, die die Korrektur des Zündwinkels α und den
Parameter λ an einem
Betriebspunkt (N, P) in Beziehung setzt. Mit dieser Art der Korrektur
können
jedoch keine großen Variationsbereiche
von λ abgedeckt
werden, vor allem kann man mithilfe einer solchen Korrektur nicht den
Korrekturfaktor definieren, der für alle Betriebspunkte (N, P)
gültig
ist. Daher wird der Zündwinkel unpräzise, wenn
sich λ weiter
vom Lambda-Grundwert entfernt und/oder man sich an einem Betriebspunkt
(N, P) befindet, der in einem großen Maße von jenem abweicht, an dem
der Korrekturfaktor definiert wurde.
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Es
sind ebenfalls bereits Verfahren bekannt, bei denen zwei Kennfelder
erstellt werden, die den Zündwinkel α in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl N und der Motorlast P darstellen, wobei das
erste Kennfeld einem Mindestwert für λ und das zweite einem Höchstwert
für λ entspricht.
Je nach dem Ist-Wert von λ wird
von einem Kennfeld zum anderen gewechselt. Ein solches Verfahren
bietet jedoch keinerlei Präzision
für die
Berechnung des Zündwinkels, der
aktuelle Ist-Wert von λ wird
nicht berücksichtigt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Zündwinkel α tatsächlich in Abhängigkeit
von N, P und λ zu
bestimmen. Genauer gesagt ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung,
auf einfache Weise und unter Nutzung von wenig Rechenzeit und Speicherkapazität eine vierdimensionale
Tabelle zu erstellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Bestimmung
eines Betriebsparameters (α)
eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit
von drei Steuerparametern (N, P, λ)
dieses Motors, und ist dadurch gekennzeichnet, dass:
- – ein
erstes Kennfeld des Betriebsparameters (α) in Abhängigkeit von zwei dieser Steuerparameter (N,
P) erstellt wird, wobei der dritte Steuerparameter (λ) auf einen
ersten Wert festgelegt ist;
- – ein
zweites Kennfeld des Betriebsparameters (α) in Abhängigkeit von den gleichen beiden
Steuerparametern (N, P) erstellt wird, wobei der dritte Steuerparameter
(λ) auf
einen zweiten Wert festgelegt ist,
- – der
Betriebsparameter (α)
und der dritte Steuerparameter (λ) über den
gesamten Variationsbereich dieses Parameters hinweg an mindestens einem
bestimmten Betriebspunkt (N, P) in Beziehung gesetzt werden,
- – diese
Beziehung angewendet wird, um den Betriebsparameter (α) in Abhängigkeit
von den drei Steuerparametern (N, P, λ) an allen Betriebspunkten des
Motors zu bestimmen.
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Es
ist zu beachten, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung
anderer Parameter als der, die im Beispiel angegeben sind, eingesetzt werden
kann, insbesondere erlaubt das Verfahren die Berechnung der AGR-Rate
(Abgasrückführ-Rate), bei der vier
Parameter berücksichtigt
werden müssen,
und auch die Korrektur des Zündwinkels α in Abhängigkeit
von der AGR-Rate oder vom Faktor für die variable Ventilsteuerung
(VTT) und von allen anderen Betriebsparametern, die von mehr als
zwei Steuerparametern abhängig
sind.
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Weitere
Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich
darüber
hinaus aus der folgenden Beschreibung, die keine Begrenzung darstellt,
sowie in Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen, wobei:
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1 eine
Darstellung ist, in der die vier zu speichernden Parameter schematisch
und vereinfacht dargestellt sind, und
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2 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist.
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Die
Erfindung besteht darin, auf eine möglichst einfache Art und Weise
einen vierdimensionalen Raum zu speichern. Als Beispiel wird diese
Art der Speicherung auf die Berechnung des Zündwinkels α für einen Verbrennungsmotor angewendet.
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Dieser
Zündwinkel α (1)
hängt bekanntermaßen von
der Drehgeschwindigkeit des Motors N (die Drehzahl darstellend),
vom Ladedruck P (die in den Zylinder geführte Luft, also die Motorlast
darstellend) und vom Luft-/Krafftstoffverhältnis, das λ genannt wird (die Gemischzusammensetzung
darstellend) ab.
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Es
sind bereits Verfahren bekannt, bei denen Kennfelder erstellt werden,
die die Motordrehzahl N, die Motorlast P und den Zündwinkel α zueinander
in Beziehung setzen. Solche Kennfelder geben für ein gegebenes Paar Drehzahl/Last
(N, P) den anzuwendenden Zündwinkel α an.
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Das
erfindungsgemäße Speicherverfahren für einen
vierdimensionalen Raum (2) besteht aus folgenden Schritten:
- – Erstellen
eines ersten Kennfelds C1, in dem P, N und α miteinander in Beziehung gesetzt
sind, wobei λ auf
einen ersten Wert festgelegt ist (z.B. mageres Gemisch), anschließend
- – Erstellen
eines zweiten Kennfelds C2, in dem P, N und α miteinander in Beziehung gesetzt
sind, wobei λ auf
einen zweiten Wert festgelegt ist (z.B. fettes Gemisch).
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Man
erhält
auf diese Weise zwei Kennfelder C1 und C2, die jeweils für einen
bestimmten λ-Wert erstellt
sind.
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Gemäß der Erfindung
begibt man sich an mindestens einen Betriebspunkt (P1, N1) (1), der
für einen
Motor eines bestimmten Typs, der sich auf einem Prüfstand befindet,
gegebenen ist, und bestimmt den Zündwinkel α für jeden Wert von λ. So wird
eine Beziehung f(λ)
zwischen dem Betriebsparameter (α)
und dem dritten Steuerparameter (λ)
für den
gesamten Variationsbereich dieses Parameters an mindestens einem
bestimmten Betriebspunkt (N1, P1) hergestellt.
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Um
eine größere Präzision bei
der Bestimmung der Beziehung zwischen dem Zündwinkel α und λ zu erreichen, ist es möglich, diese
Kurve für mehrere
unterschiedliche Betriebspunkte, z.B. am Punkt (P2, N2) (1)
zu erstellen.
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Die
Beziehung zwischen α und λ ist nicht
linear und ist in den 1 und 2 als Beispiel
als fette Linie dargestellt. Selbstverständlich ist die grafische Darstellung
dieser Funktion nicht auf die dargestellte Form beschränkt.
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Gemäß der Erfindung
erfolgt die Bestimmung des Betriebsparameters (Zündwinkel α) an einem beliebigen Betriebspunkt
(P, N) in Abhängigkeit von
den drei Steuerparametern N, P und λ nach der folgenden Formel: α = α1 + [α2 – α] × f(λ)wobei:
- – α1 der Wert
des Betriebsparameters (Zündwinkel)
ist, der vom ersten Kennfeld C1 für ein Steuerparameterpaar (N,
P) vorgegeben wurde,
- – α2 der Wert
des Betriebsparameters (Zündwinkel)
ist, der vom zweiten Kennfeld C2 für das gleiche Steuerparameterpaar
(N, P) vorgegeben wurde, und
- – f(λ) die nicht-lineare
Beziehung zwischen dem Betriebsparameter (Zündwinkel α) und dem dritten Steuerparameter λ ist.
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Auf
diese Weise bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass
nur zwei Kennfelder (N, P, α)
erforderlich sind. Sobald die Beziehung α = f(λ) für mindestens einen Betriebspunkt
bestimmt ist, kann sie auf alle Punkte angewendet werden und ermöglicht es,
die drei Steuerparameter auf einfache Weise zum Betriebsparameter α in Beziehung
zu setzen. Die Beziehung α =
f(λ) kann
darüber
hinaus mithilfe eines einfachen eindimensionalen Kennfelds dargestellt
werden.
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Gemäß der Erfindung
handelt es sich bei dem Interpolationsfaktor zwischen den beiden
Kennfeldern um eine nicht-lineare
Funktion, die auf einem Prüfstand
ermittelt wurde. Diese Funktion kann durch ein Kennfeld dargestellt
werden.
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Auf
diese Weise kann die Darstellung eines vierdimensionalen Raums schnell
und unter Nutzung von wenig Rechnerkapazität erfolgen, indem eine Tabelle,
die einen Betriebsparameter α in
Abhängigkeit von
drei Steuerparametern (N, P, λ)
definiert und bekanntermaßen
nicht steuerbar ist, durch zwei Funktionstabellen der Steuerparameter
(N, P) ersetzt wird und eine nicht-lineare Interpolation oder Extrapolation
zwischen den beiden Tabellen in Abhängigkeit von einer dimensionslosen
Darstellung f(λ)
des dritten Steuerparameters λ durchgeführt wird.
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Die
Inter-/Extrapolation zwischen den beiden Diagrammen (Kennfeldern)
wird nicht linear durchgeführt,
da dies keine Möglichkeit
für den
dritten Freiheitsgrad lässt.
Diese Inter-/Extrapolation wird gemäß eines speziellen Gesetzes
durchgeführt,
das in Abhängigkeit
vom dritten Parameter λ definiert
wird. Die Erfindung ermöglicht
es daher, alle Freiheitsgrade zu erhalten, die für die vollständige Ausnutzung des
vierdimensionalen Raums erforderlich sind.
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Es
ist zu beachten, dass zur Bestimmung der nicht-linearen Beziehung
entweder ein vorgegebener und günstiger
Betriebspunkt zugrunde gelegt und anschließend diese Beziehung in allen
Punkten inter-/extrapoliert werden kann oder das optimale Gesetz
ausgehend von einer Reihe verschiedener Betriebspunkte ermittelt
werden kann.
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Es
ist zu beachten, dass (wenn man die λ-Werte kennt, die an einigen
vordefinierten und im Kennfeld aufgeführten Betriebspunkten (N, P)
erforderlich sind) es auch möglich
ist, sich dem Ist-Wert von N und P durch Näherungswerte in jedem Kennfeld
anzunähern,
um durch Extra-/Interpolation einen extrapolierten Wert (λ) zu ermitteln
und anschließend mithilfe
der nicht-linearen Beziehung den entsprechenden Wert von (α) zu erhalten.
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Diese
Variante ermöglicht
es, wie im Rahmen der ersten Ausführungsform, den gesamten Variationsbereich
von λ zu
untersuchen. Die erzielten Ergebnisse sind präziser und zu verlässiger als
ein einfacher Korrekturfaktor. Angesichts der Variationsregeln des
Betriebsparameters in Abhängigkeit
von den Steuerparametern bietet diese Variante solidere Ergebnisse.
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Es
ist zu beachten, dass diese Variante es ermöglicht, die beiden bekannten
Korrekturarten, die einfache additive oder proportionale Korrektur,
von denen bereits die Rede war, perfekt darzustellen, ebenso wie
das einfache und binäre
Wechseln von einer Tabelle zur anderen. Hierfür reicht es aus, die Funktion α = f(λ) sinnvoll
zu wählen.
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Es
ist zu beachten, dass man die beiden Kennfelder C1 und C2, wenn
die sie bereits vorhanden sind, erneut einsetzen kann, ohne mit
der Kalibrierung erneut zu beginnen. Es reicht aus, die Beziehung
zu definieren, die einen Wechsel von einem Kennfeld zum anderen
erlaubt.
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Wenn
sich der Variationsbereich von λ im Laufe
der Entwicklung des Projekts für
die Einstellung eines bestimmten Motors ändert, reicht es aus, den Variationsbereich
von λ zu ändern, ohne
die bereits erfolgte Kalibrierung erneut durchzuführen.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannte Ausführungsform beschränkt, sie
umfasst jedwede Variante, die technisch realisierbar ist. Insbesondere
kann das erfindungsgemäße Verfahren überall dort
angewendet werden, wo eine Speicherung eines vierdimensionalen Raumes
erforderlich ist. So kann das erfindungsgemäße Verfahren für die Berechnung
der AGR-Rate und insbesondere für
die Korrektur des Zündwinkels, die
in Abhängigkeit
von die ser Rate oder von der variablen Ventilsteuerung usw. anzulegen
ist, angewendet werden.
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Desgleichen
ist es nicht zwingend, die Kennfelder C1 und C2 durch die Einstellung
von λ auf
einen Mindest- oder Höchstwert
(fettes Gemisch oder mageres Gemisch) zu erstellen. Beide Kennfelder können für zwei beliebige,
jedoch unterschiedliche Werte von λ erstellt werden.