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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft eine Motorsteuerung auf der Grundlage von Zylinderdruck,
welche die als Druckverhältnis-Management
bezeichnete Methodik verwendet. In dem Kontext dieser Erfindung
bezieht sich der Ausdruck "Druckverhältnis" auf das Verhältnis des
Drucks des gezündeten
Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Motorzylinder bei einem gegebenen
Kurbelwellenwinkel (d.h. einer Kolbenstellung) zu dem Druck eines motorisierten
Motors (keine Zündung),
wenn der Zylinder das gleiche Gemisch bei dem gleichen Volumen enthält. Der
Begriff "Druckverhältnis-Management" betrifft, wie sich
zeigen wird, die Verwendung solcher Verhältnisse in einem programmierten
Motorsteuerungscomputer, um gewisse Parameter handzuhaben, welche
sich auf den Motorbetrieb auswirken. Genauer gesagt betrifft diese
Erfindung die Verwendung eines Druckverhältnis-Managements eines Verbrennungsmotors,
um Situationen unvollständiger
Verbrennung und Fehlzündung in
einem Zylinder zu erkennen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Entwicklung fortschrittlicher Motorsteuerungssysteme für den modernen
Viertakt-Benzinmotor wird durch die Forderung nach höherer Kraftstoffwirtschaftlichkeit
und zunehmend strenger werdende Abgasemissionsstandards getrieben.
Darüber
hinaus wird die weitere Entwicklung solcher Systeme durch Anforderungen
in den Vereinigten Staaten, beispielsweise nach einer An-Bord-Diagnose
(OBD II, OBD von on-board diagnosis) von Motorbetriebsereignissen,
die den Katalysator oder andere Geräte zur Emissionskontrolle nachteilig
beeinflussen könnten,
angetrieben.
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Eine
druckbasierte Einzelzylinder-Rückführung ist
ein geeignetes Verfahren zur Optimierung eines Motorbetriebs, weil
der Motorzylinderdruck eine grundlegende Verbrennungsvariable ist,
welche verwendet werden kann, um den Verbrennungsprozess für jedes
Verbrennungsereignis zu charakterisieren. Es wurde zum Beispiel
gezeigt, dass eine optimale Motorsteuerung durch Überwachen
des Drucks in jedem Zylinder und Verwenden dieser Information zur
Regelung des Zündfunkenzeitverhaltens,
der Abgasrückführung (AGR),
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
(A/F von air-fuel ratio), des Kraftstoffausgleichs zwischen Zylindern
und des Verbrennungsklopfens aufrecht erhalten werden kann.
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Frederic
Matekunas hat gezeigt (siehe US-Patente 4,621,603; 4,622,939 und
4,624,229), dass eine "Druckverhältnis-Management" genannte Methodik
bei einer computerbasierten Motorverbrennungsregelung verwendet
werden kann, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (einschließlich des
Kraftstoffausgleichs zwischen Zylindern) und das Zündungszeitverhalten
bzw. die AGR-Verdünnung
besser handzuhaben. Matekunas' Druckverhältnis-Management
(PRM von pressure-ratio management) umfasst computerbasierte Motorsteuerungen
und Steuerungsalgorithmen, welche durch die Verfügbarkeit eines produktionsreifen,
zuverlässigen Zylinderdrucksensors
erleichtert werden. Die PRM-Verfahren benötigen nur ein Signal, welches
eine lineare Beziehung zu dem Zylinderdruck aufweist, ohne eine
Kenntnis des Verstärkungsfaktors
oder des systematischen Fehlers des dem Zylinderdruck verwandten
Signals. Dies schafft das Potenzial zur Anwendung von Sensoren,
die nicht kalibriert werden müssen
und die einen Druck durch Mittel messen können, welche weniger direkt
als jene Sensoren sind, die den Verbrennungsgasen in dem Motorzylinder
ausgesetzt sein müssen. Solch
ein Sensor ist die "Zündkerzennabe"-Zylinderdrucksensor genannte, nicht
eindringende Einrichtung, wie sie in dem US-Patent 4,969,352 an
Mark Sellnau offenbart ist. Einige Merkmale von PRM werden hier
zusammengefasst, weil sie in Kombination mit den Prozessen dieser
Erfindung verwendet werden können.
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PRM
verwendet Druckdaten von einem oder mehreren einzelnen Motorzylindern
bei spezifizierten Kolbenstellungen und entsprechenden bekannten
Zylindervolumina. Die Daten werden in der Form des Verhältnisses
des Drucks in einem gezündeten
Zylinder zu dem "motorisierten
Druck" (d.h. der
Druck, der in dem Zylinder aufgrund der Anwesenheit eines Luft- und Kraftstoffgemisches
vorherrschen würde,
wenn keine Verbrennung auftreten würde) verwandt. Ein Druckverhältnis wird
für eine
Kolbenstellung im Hinblick auf die aktuelle Kurbelwellenwinkelstellung θ gemäß der folgenden
Gleichung 1 berechnet.
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PR(θ) = P(θ)/Pmot(θ) (1)
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In 1A sind
Diagramme von Daten für
gezündeten
Druck und motorisierten Druck für
einen Zylinder über
einen Bereich von Kurbelwellenwinkelstellungen vor und nach der
oberen Totpunktstellung des Kolbens gezeigt. 1B ist
eine Darstellung von Druckverhältnissen
(PR von pressure ratio), die den Druckdaten von 1A entsprechen.
Wie in 1B zu sehen ist, weist das PR
vor der Verbrennung den Wert 1 auf und steigt während der Verbrennung auf ein
Enddruckverhältnis
(FPR von final pressure ratio) an, welches von der Menge an Wärmefreisetzung
je Einheit der Beladungsmasse an brennbarem Luft- und Kraftstoffgemisch
abhängt.
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Der
Anstieg auf das Enddruckverhältnis
wird das modifizierte Druckverhältnis,
MPR (MPR von modified pressure ratio) genannt. MPR = FPR – 1 (2)
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Der
partielle Anstieg in dem Druckverhältnis ist eine Schätzung des
Massenverbrennungsanteils in dem Zylinder während eines einzelnen Verbrennungsereignisses.
Wie in den Matekunas-Patenten beschrieben, wird die Genauigkeit
der Schätzung
nur geringfügig
durch Wärmetransfer
und Kolbenbewegung beeinflusst. Da das Druckverhältnis per Definition ein ratiometrisches
Maß von
Zylinderdrücken
ist, benötigen PRM-Algorithmen den Verstärkungsfaktor
des Drucksensors nicht. Der systematische Fehler des Drucksignals (Spannung)
wird unter Verwendung von zwei Kompressionsmessungen unter der Annahme
eines polytropen Verhaltens berechnet, die erfüllt ist, ob das Signal ein
Absolutdruck ist oder nicht. Daher ist PRM inhärent unempfindlich gegenüber vielen
der gängigen
Fehler beim Messen von Druck. Wichtigerweise ermöglicht dies eine Verwendung
von kostengünstigen
Drucksensoren für
praktische Umsetzungen des Systems.
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Eine
Umsetzung von PRM (bei einem unkalibrierten und willkürlich versetzten
Drucksignal) erfordert eine Signalmessung an mindestens vier diskreten
Kurbelwellenwinkelstellen, bei denen das Zylindervolumen bekannt
ist. [Bei einem Absolutdruck-Messwertaufnehmer wird nur ein einzelner
früher
Messpunkt benötigt. Der
hier beschriebene Mechanismus basiert auf einem Auslösen der
Druckmessungen unter Verwendung eines Kurbelrads mit 24 Zähnen, welches
die Möglichkeit
zur Abtastung in 15 Grad Intervallen schafft. Das Rad ist so ausgerichtet,
dass es einen Messwert bei 10 Grad zur Verfügung stellt (ATDC von after
top dead center).] Geeigneterweise werden zwei Messungen vor einer
wesentlichen Freisetzung von Wärme
durchgeführt,
typischerweise 35 und 50 Kurbelwellenwinkelgrad vor der oberen Totpunktstellung
(BTDC von before top dead center) des Kolbens beim Verdichtungshub,
um die Kurvenform des Motorisierungsdrucks (siehe 1A)
und den systematischen Fehler des Drucksensorsignals zu bestimmen,
beide aus polytropen Beziehungen. Eine Messung, die durchgeführt wird,
nachdem die Verbrennung abgeschlossen ist, typischerweise an der
Kolbenstellung, die durch 55 Kurbelwellenwinkelgrad nach dem oberen
Totpunkt (ATDC) charakterisiert ist, wird benötigt, um das FPR zu bestimmen,
das durch die Größe B in 1B dargestellt
ist. Eine bei 10 Kurbelwellenwinkelgrad ATDC (während der Verbrennung) durchgeführte Messung
liefert das Druckverhältnis
an diesem Messpunkt. Der partielle Anstieg im Druckverhältnis ist
eine Schätzung
des Massenverbrennungsanteils in dem Zylinder, in welchem der Druck
gemessen wird. An dem 10 Grad ATDC-Punkt wird dies durch die Größe A/B in 1B dargestellt
und auch von Matekunas als ein PRM-Verbrennungszeitverhaltensparameter
verwendet, bezeichnet als PRM10. PRM 10 = [PR(10) – 1]/[FPR – 1] (3)
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Der
PRM10-Zeitverhaltensparameter (Gleichung 3) ist ein sehr empfindliches
Maß bei
einer Synchronisation der Verbrennung und er ist nützlich für eine minimale
Zündungs-(Zündfunken)-Frühverstellung
zur Steuerung des Zündfunkenverhaltens
für ein
bestes Drehmoment (MBT).
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Werte
für PRM10
liegen zwischen 0 und 1. Bei funkengezündeten Motoren liefert ein
MBT-Zündfunkenzeitverhalten
gewöhnlich
einen PRM10-Wert von etwa 0,55 mit einer nur geringen Empfindlichkeit
gegenüber
der Stärke
der Mischung und der Motordrehzahl. Wie in 1B gezeigt
ist, ist ein beispielhafter Wert für das MBT-Zeitverhalten eine
Funkenzündung
bei 40 Grad BTDC. Ein spätverstelltes
Zündfunkenzeitverhalten liefert
niedrigere Werte für
PRM10; ein frühverstelltes
Zeitverhalten liefert höhere
Werte für
PRM10. Typischerweise entspricht eine Änderung von 0,1 bei PRM10 einer
Kurbelwellenwinkeländerung
beim Zündfunkenzeitverhalten
von 3 bis 5 Grad. Da die Massenverbrennungsrate und der Anstieg
der PR-Kurve bei 10 Grad ATDC (siehe z.B. 1B) nahe
bei ihrem Maximum liegen, bleibt der PRM10-Parameter auch bei hohen
Verdünnungsraten
ein empfindliches Maß bei
der Verbrennungssynchronisation.
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Bei
einer Verbrennung mit MBT-Zündfunkenzeitverhalten
weist der Wert für
FPR bei stöchiometrischen
Mixturen ohne Verdünnung
ein Maximum auf, und er nimmt ab, wenn überschüssige Luft, AGR oder Rückstände erhöht werden.
Daher ist FPR nützlich
bei der Anzeige der Gesamtbeladungsverdünnung, und es kann bei Systemen
mit magerer Verbrennung, mit Verwendung einer großen Menge
an AGR oder mit Veränderung
der Menge an Rückständen durch
variable Ventiltriebsysteme zur Steuerung der Mischungsverdünnung verwendet
werden. Bei funkengezündeten
Motoren mit MBT-Zündfunkenzeitverhalten
weist FPR einen typischen Bereich zwischen 2,8 und 4,0 auf. FPR = PR(55) (4)
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Der
FPR-Wert ändert
sich mit dem Zykluszeitverhalten, höher bei Spätverstellung relativ zum besten Zeitverhalten
und niedriger bei Frühverstellung.
Wie in den ursprünglichen
PRM-Patenten besprochen, ermöglicht
die durch PRM10 gemessene Korrelation von FPR mit den Zykluszeitverhalten
die Berechnung des erwarteten Werts beim besten Zeitverhalten auf
der Grundlage des Betrags an Spätverstellung
oder über
Frühverstellung
aus dem besten Zeitverhalten. Dies ermöglicht eine individuelle Zyklusschätzung des
Gemisches auf der Grundlage von FPR(MBT), obwohl das Zykluszeitverhalten
nicht beim besten Zeitverhalten liegt. Das unter Verwendung dieser
Korrelation berechnete FPR(MBT)-1,0 wird der Verdünnungsparameter
oder DILPAR genannt. (Ein Abziehen von 1,0 von dem FPR-Wert schafft
einen Parameter, der zu dem Verhältnis
von ver branntem Kraftstoff zu gesamter Verdünnungsmasse direkt proportional
ist.) DILPAR = FPR
+ (0,5·PRM10) – 1,275 (5)
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DILPAR
liefert eine Schätzung
der Gesamtbeladungsverdünnung
für einen
beliebigen Zyklus, der vollständig
verbrennt. DILPAR weist eine niedrigere zyklische Veränderbarkeit
als FPR (oder MPR) auf, welche die Auswirkungen der Verbrennungssynchronisation
umfassen. Da die Gesamtbeladungsverdünnung, welche ein Verbrennungssystem
tolerieren kann, über
den gesamten Betriebsbereich nahezu konstant bleibt, ist DILPAR
für eine
Verbrennungssteuerung mit mageren A/F-Verhältnissen oder hoher AGR ein
sehr nützlicher Schätzwert.
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Aus
diesem Verständnis
des Druckverhältnisses
von Matekunas und seiner Verwendung zur Charakterisierung des Verbrennungsvorgangs
wurden verschiedene Motordiagnose- und Steuerungsstrategien konzipiert.
Die Motorsteuerungsgesamtstrategie für dieses System bestand darin,
für eine
maximale Kraftstoffwirtschaftlichkeit und minimale Emissionen über die
Lebensdauer jedes Fahrzeugs ein AGR nahe an der Verdünnungsgrenze
zu liefern, das Zündfunkenzeitverhalten
der Einzelzylinder zu optimieren und das A/F-Verhältnis zwischen
den Zylindern adaptiv auszugleichen.
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Obwohl
die Lehren der oben erwähnten
Matekunas-Patente die Grundlage für deutliche Verbesserungen
bei Motorregelungen schaffen, bleibt ein Bedarf für weitere
Verbesserungen bezüglich
einer Erkennung von unvollständigen
Verbrennungen des brennbaren Gemisches in einem Zylinder, der Erkennung
von Fehlzündungen
und einer Steuerung der Zündfunkenspätverstellung
bei verschiedenen Motorzuständen
bestehen. Für
die US Bundes-OBD II-Diagnoseanforderungen zum Schutz des Fahrzeugkatalysators über den
gesamten Bereich der Motorbetriebsdrehzahl und -last ist eine zuverlässige Fehlzündungserkennung
notwendig. Situationen mit unvollständiger Verbrennung können jedoch
auch zur Verschlechterung des Katalysators beitragen, und sie treten
oft auf, bevor eine Fehlzündung
auftritt. Darüber
hinaus würde
eine genaue und zuverlässige Erkennung
von unvollständiger
Verbrennung eine effizientere Verwendung von Motorsteuerungsstrategien
bei Motorkaltstarts und während
Getriebeschaltvorgängen
und Motorleerlaufzeiten ermöglichen.
Für solche
Bedingungen können
hohe Spätverstellungspegel
absichtlich Zyklen mit sehr später
Verbrennung oder unvollständiger
Verbrennung verursachen, welche durch Drehzahländerung oder Ionenfühler-Fehlzündungserkennungsschemen
fehlerhafterweise als "Fehlzündungszyklen" betrachtet werden
könnten.
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Prozess unter Verwendung
von PRM zu schaffen, der dessen Fähigkeit erhöht, so dass er zum zuverlässigen Messen
von unvollständigen
Verbrennungen und Fehlzündungen
auf einer Basis von Zylinder zu Zylinder verwendet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen Prozess derart
zu schaffen, der robust ist, wenn das Verbrennungsereignis schwerwiegend
spätverstellt
wird, und eine Zündfunkenzeitverhaltenssteuerung
unter diesen Bedingungen zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
oben beschriebenen Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
besteht diese Erfindung aus einem Prozess, der ein Zylinderdruckverhältnis (wie
es in Gleichung 1 definiert ist), welches bei einem geeigneten Kurbelwellenwinkel
während
des Arbeitshubs eines Verbrennungsmotors ausgewertet wird, als ein
Maß für den Anteil
des verbrannten Kraftstoffs verwendet. Diese Bewertung ermöglicht für jeden
Zylinder und für
jeden Motorzyklus eine Berechnung des unverbrannten Kraftstoffs,
der in das Abgas gelangt. Als eine Folge von Gleichungen ausgedrückt besteht diese
Ausführungsform
der Erfindung aus einem Prozess, der die folgenden Berechnungsschritte
umfasst: Anteil des verbrannten Kraftstoffs =
[PR(Kurbelwellenwinkel 1) – 1,0]/[PR(vollständige Verbrennung) – 1,0] Anteil des unverbrannten Kraftstoffs = 1,0 – Anteil
des verbrannten Kraftstoffs Unverbrannter
Kraftstoff/Zyklus/Zylinder = Anteil des unverbrannten Kraftstoffs·pro Zyklus
gelieferter Kraftstoff
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PR(Kurbelwellenwinkel
1) ist das Druckverhältnis,
welches bei dem gewählten
Kurbelwellenwinkel ausgewertet wird. Ein Beispiel eines geeigneten
Kurbelwellenwinkels 1 ist 55 Kurbelwellengrad ATDC.
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Das
PR(vollständige
Verbrennung) ist der Wert des Druckverhältnisses, wenn die Verbrennung
bei dem Kurbelwellenwinkel 1 zum Abschluss gekommen wäre, z.B.
ein FPR. Dieser Wert kann für
den speziellen Betriebszustand experimentell bestimmt oder auf der
Grundlage der relativen Verdünnung
der Beladung durch verbleibende Verbrennungsgase, überschüssige Luft
oder AGR für
den Betriebszustand geschätzt
werden. Bei schwachen Gemischen, welche hohen Pegeln der Beladungsverdünnung entsprechen
[durch Rückstände (leichte
Last), überschüssige Luft
(mager) oder AGR], entspricht das PR für eine vollständige Verbrennung
bei herkömmlichen
Benzinmotoren einer Zahl in der Nähe von 3,0. Bei Motoren, die
zu sehr magerem Betrieb (Schichtbeladung oder Dieselmotoren) fähig sind,
wird das PR für
eine vollständige
Verbrennung niedriger sein und näherungsweise
durch die Beziehung beschrieben: PR(vollständige Verbrennung) – 1 = Konstante·Kraftstoffmasse/(Luftmasse
+ AGR-Masse + Kraftstoffmasse)
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Das
PR für
eine vollständige
Verbrennung bei Betriebszuständen
mit relativ niedriger Beladungsverdünnung (hohe Last, kein AGR,
stöchiometrische
Gemische) liegt etwas über
4,0.
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Die
kumulierte Menge an Kraftstoff, welche in einer gegebenen Zeitspanne
aus allen Zylindern in das Abgas gelangt, wird durch ein Summieren
der Schätzwerte
für nicht
verbrannten Kraftstoff für
einzelne Zyklen und einzelne Zylinder über eine Zeitspanne oder eine
Anzahl von Zyklen berechnet. Dieser Betrag wird mit einem kritischen
Wert verglichen, der zu einer Beschädigung des Katalysators führen würde, wie
er für
das spezielle Motorsystem und für
einen Bereich von Betriebszuständen
durch Testen oder Kalibrieren begründet ist. (Beispielsweise könnte während des
Motortests ein Thermoelement in den Katalysator eingebracht werden,
um festzustellen, ob kritische Temperaturen erreicht werden und
eine Beschädigung
des Katalysators auftreten könnte).
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Sollte
die Strömungsrate
an unverbranntem Kraftstoff den kritischen Wert überschreiten, könnte das zu
zwei Aktionen führen.
Eine Diagnose des Motorbetriebszustands wird durchgeführt, und
ein geeigneter "korrigierender
Eingriff" wird durchgeführt, zum
Beispiel ein Frühverstellen
des Zündfunkenzeitverhaltens,
um die Rate an unverbranntem Kraftstoff zu vermindern und/oder den
Katalysator zu schützen.
Abhängig
davon, ob ein Fahrzeugmotorcontroller eine Einzelzylindersteuerung
zur Verfügung
stellt, wird die Korrektur an einzelnen Zylindern oder auf der Grundlage
von Mittelwerten an einer Gruppe von Zylindern durchgeführt. Wenn
ein korrigierender Eingriff für
den Zustand erfolglos oder nicht annehmbar ist, wird der Fahrer über ein
Licht an dem Armaturenbrett benachrichtigt. Das Ziel dieses Vorgangs
zur Berechnung von unverbranntem Kraftstoff besteht darin, eine
Beschädigung
des Katalysators in so vielen Fällen
wie möglich
zu verhindern.
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Die
Erfindung kann auch gemäß einer
verwandten Ausführungsform
ausgeführt
werden. Anstatt ein gewähltes
Druckverhältnis
zur Berechnung der Masse an unverbranntem Kraftstoff, die einen
Zylinder oder eine Gruppe von Zylindern verlässt, zu verwenden, kann ein
modifiziertes Druckverhältnis
(Gleichung 2) gewählt
werden, welches ein geeignetes Enddruckverhältnis verwendet und eine vollständige Verbrennung,
eine unvollständige
Verbrennung oder eine Fehlzündung
kennzeichnet. Das Enddruckverhältnis
wird unter Verwendung eines gezündeten
Drucks berechnet, der bei einem Kurbelwellenwinkel gemessen wird,
an dem eine Verbrennung aufgetreten sein sollte. Unter diesen Umständen zeigt
bei dem getesteten Zyklus ein MPR nahe bei Null eine Fehlzündung an,
und ein Wert kleiner als etwa zwei kann eine unvollständige Verbrennung
anzeigen. Wenn solch ein niedriger MPR bei einem Zylinder detektiert
wird, wird der Test ein paar Zyklen lang wiederholt, um sicher zu
gehen, dass aktuelle Motorbetriebsparameter oder eine Fehlzündung Verbrennungsprobleme verursachen.
Wie bei der vorausgehenden Ausführungsform
beschrieben, wird ein korrigierender Eingriff der Motorsteuerung,
zum Beispiel eine Frühverstellung
des Zündfunkens,
durchgeführt
und/oder dem Fahrzeugbediener ein Hinweis auf die mögliche Beschädigung des
Katalysators gegeben.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einer nachfolgenden
genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
offenbar werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine grafische Darstellung des motorisierten Zylinderdrucks und
des gezündeten
Zylinderdrucks über
einen Bereich von Kurbelwellenwinkelstellungen von –50 Grad
nach der oberen Totpunktstellung des Kolbens (Grad ATDC) bis 85
Grad ATDC.
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1B ist
eine grafische Darstellung der Druckverhältnisse der motorisierten und
gezündeten
Zylinderdrücke,
die in 1A dargestellt sind, über den
gleichen Bereich von Kurbelwellenwinkelstellungen.
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2 ist
ein Diagramm eines Motors und eines Motorsteuerungssystems, das
einen mikroprozessorbasierten Controller umfasst, um diese Erfindung
auszuführen.
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3 ist
eine grafische Darstellung von modifizierten Druckverhältnisdaten
bei 55 Grad ATDC, MPR(55), über
einen zyklusgenau angezeigten mittleren Efffektivdruck (IMEP) in
kPa für
einen 2,4 Liter Motor, der bei einem stöchiometrischen Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis und
bei einem sehr mageren Kraftstoffverhältnis betrieben wird.
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4 ist
eine grafische Darstellung von MPR(120)-Daten über den MPR(55)-Daten von 3.
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BESCHREIBUNG
VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 stellt
einen Kraftfahrzeugverbrennungsmotor 10 und ein Mikroprozessorbasiertes
Motorsteuerungsmodul (ECM von engine control module) 12 dar.
Zu Veranschaulichungszwecken ist der Motor 10 mit vier Zylindern 14,
einem Ansaugkrümmer 16 mit
einem Drosselventil 18 und einem Abgaskrümmer 20 mit
einem Dreiwegekatalysator 22 abgebildet. Ein Abgasrückführungsventil
(AGR-Ventil) 24 führt
einen Teil des Abgases von dem Abgaskrümmer 20 an den Ansaugkrümmer 16 zurück. Jeder
Zylinder 14 ist mit einer Zündkerze 26, einem
mit dem Ansaugkrümmer 16 gekoppelten
Einlassventil 28 und einem mit dem Abgaskrümmer 20 gekoppelten
Auslassventil 30 versehen. Kraftstoff wird durch einen
jeweiligen Kraftstoff-Injektor 32 bei jedem Einlassventil 28 an
den Ansaugkrümmer 16 geliefert.
Bei einigen Motoren wird Kraftstoff direkt in jeden Zylinder des
Motors eingespritzt, was nicht gezeigt ist.
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Obwohl
es in 2 nicht gezeigt ist, beherbergt jeder Zylinder 14 einen
Kolben, der mechanisch mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, welche
wiederum das Fahrzeug durch ein Getriebe und einen Antriebsstrang mit
Bewegungsenergie versorgt. Während
einer Drehung der Kurbelwelle bewegt sich der Kolben in dem Zylinder
durch Stellungen hin und her, welche üblicherweise durch den Kurbelwellenwinkel
bezüglich
der oberen Totpunktstellung des Kolbens beschrieben sind.
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Das
ECM 12 empfängt
eine Anzahl von Eingangssignalen, die verschiedene Motor- und Umgebungsparameter
darstellen, und erzeugt Steuerungs signale F1–F4 für die Kraftstoff-Injektoren 32,
S1–S4
für die Zündkerzen 26 und
AGR für
das AGR-Ventil 24, alle auf der Grundlage der Eingangssignale.
Herkömmlicherweise
umfassen die Eingänge
eine Kurbelwellen-(oder
Nockenwellen)-Stellung, wie sie durch einen Sensor 34 für variablen
magnetischen Widerstand bereitgestellt wird, ein Abgas-Luft/Kraftstoffverhältnis, wie
es durch einen Sauerstoffsensor 36 bereitgestellt wird,
und einen Ansaugkrümmerabsolutdruck
(MAP), wie er durch einen Drucksensor 38 bereitgestellt
wird. Andere typische Eingänge
umfassen die Krümmerabsoluttemperatur (MAT),
den Umgebungsdruck (barometrischen Druck) (BARO), den Kraftstoffleitungsdruck
(FRP) und die Luftmassenströmung
(MAF).
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Das
ECM 12 empfängt
auch Eingangssignale von ein oder mehreren Drucksensoren 40,
welche einen Zylinderdruck anzeigen. Wenn die Prozesse dieser Erfindung
mit Bezug auf jeden Zylinder des Motors angewandt werden sollen,
wie es bevorzugt ist, wird ein geeigneter Druck anzeigender Sensor 40 an
jedem Zylinder vorgesehen, wie es in 2 gezeigt
ist. Wie oben erwähnt
wurde, ist der Sensor vom Typ der Zündkerzennabe bei der Anwendung
dieser Erfindung zum Anzeigen eines Zylinderdrucks sehr nützlich,
weil er anspricht, indem er zeitgenaue Signale bereitstellt, ohne
in den Zylinder einzudringen. Bei dieser Ausführungsform würde ein Druck
anzeigender Sensor 40 vom Zündkerzennabentyp natürlich um
jede Zündkerze 26 herum
angeordnet sein. Das ECM 12 verwendet Druck anzeigende
Signale bei geeigneten Kurbelwellenwinkelstellungen in jedem Zylinder,
um Zylinderdruckverhältnisse
zur Verwendung bei der praktischen Umsetzung der Erfindung zu berechnen.
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Die
Steuerungsalgorithmen zum Erzeugen der Kraftstoff- und Zündfunkensteuerungssignale
sind größtenteils
herkömmlich
und wohlbekannt. Beispielsweise kann Kraftstoff auf der Grundlage
von MAF oder durch ei nen Drehzahl-Dichte-Algorithmus mit Regelschleifenkorrektur
auf der Grundlage der Rückmeldung des
Sauerstoffsensors 36 bereitgestellt werden. Dieses Verfahren
arbeitet am besten bei Motoren, die dafür ausgelegt sind, in der Nähe des stöchiometrischen
Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnisses
zu arbeiten. Das Zündfunkenzeitverhalten
kann auf der Grundlage der Motordrehzahl und der Drosselstellung
und/oder durch die PRM-Praktiken
(mit Signalen von den Sensoren 40), die in den Matekunas-Patenten offenbart
sind, relativ zu der Kurbelwellenstellung gesteuert werden. PRM-Praktiken
sind auch besonders nützlich
bei der Steuerung eines Motors mit verdünnter Verbrennung, der ein
großes
AGR und/oder ein hohes Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis verwendet. Unter stationären Zuständen und
Zuständen
mit aufgewärmtem
Motor ermöglichen
es die aktuellen Regelschleifenrückführungsprozesse
dem ECM 12, den Motor 10 vernünftig zu steuern, um Emissionen
zu minimieren während
die Leistungsfähigkeit
und Fahrtauglichkeit aufrecht erhalten wird.
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Während eines
Kaltstarts treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn sich der Sauerstoffsensor
nicht auf seine Betriebstemperatur aufgewärmt hat und ein Regelschleifenbetrieb
nicht möglich
ist. Bei einem Kaltstart ist es gewünscht, den Zündzeitpunkt
so nach spät
zu verstellen, dass die Verbrennung der Luft-Kraftstoff-Beladung
kurz vor dem Öffnen
des Auslassventils abgeschlossen ist. Aufgrund dieser späten Verbrennung
tritt ein Leistungsverlust auf, aber die heißen Abgase dienen dazu, den
Katalysator und den Sauerstoffsensor schneller zu erwärmen. Vor
dieser Erfindung gab es keinen geeigneten Prozess zur Steuerung
einer Zündzeitpunktspätverstellung
bei gleichzeitigem Vermeiden des Ausstoßens von übermäßigem unverbranntem Kraftstoff
an den Katalysator oder von fälschlichem
Detektieren einer Fehlzündung,
das durch Abweichungen bei der Lieferung von kaltem Kraftstoff und
einer Unsicherheit bei den resultierenden Verbrennungsraten verursacht
wird. Folglich wurden konservative pro zessparallele (open loop)
Zündfunkenkalibrierungen
verwendet, die eine verzögerte
Verbrennung zur Erwärmung
des Katalysators nicht bestmöglich
verwenden.
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Zusätzlich zu
dem Kaltstartproblem gibt es andere Motorbetriebszustände, bei
denen es wünschenswert
wäre, das
Zündfunkenzeitverhalten
weiter nach spät
zu verstellen, ohne eine fälschliche
Detektion einer Fehlzündung
zu riskieren. Diese Situationen umfassen ein Drehmoment-Management unter
Verwendung einer Zündzeitpunktspätverstellung
während
eines Getriebegangwechsels und während
der Steuerung eines Motorleerlaufs. In diesen beiden Situationen
wäre es
vorzuziehen, eine wesentliche Zündzeitpunktspätverstellung präzise anzuwenden,
ohne Grenzen für
die Menge unverbrannten Kraftstoffs in dem Abgas zu überschreiten oder
ohne fälschlicherweise
eine Fehlzündung
zu detektieren. Vor dieser Erfindung gab es keinen robusten Motorregelungsprozess
zur Diagnose des Spätverstellungsgrads
zur Drehmomentverminderung und zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl.
Dies erforderte mühsame
prozessparallele Kalibrierungen mit niedrigeren Beträgen von
Zündzeitpunktspätverstellung.
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Detektion von Fehlzündungen
und unvollständiger
Verbrennung unter Verwendung von Zylinderdrucksensoren und Druckverhältnis-Management (PRM)
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Eine
grundlegende Aufgabe des vorliegenden Fehlzündungsdetektionssystems besteht
in der Erfüllung
der OBD II-Anforderungen zum Katalysatorschutz über den kompletten Bereich
von Motorbetriebsdrehzahlen und -lasten. Es ist nun erwiesen, dass
ein System unter Verwendung von Zylinderdrucksensoren und Druckverhältnis-Managementalgorithmen
implementiert werden kann, welches eine Schätzung des unverbrannten Kraftstoffs,
der jeden Zylinder bei jeder Motorzündung verlässt, bereitstellt. Das Verfahren
ermöglicht eine
Klassifizierung von Zyklen auf der Grundlage einer Verwendung des
modifizierten Druckverhältnisses (MPR),
welches, wie oben ausgeführt,
definiert ist als MPR = FPR – 1wobei FPR das Enddruckverhältnis ist
und im Wesentlichen eine Anzeige der Wärmefreisetzung pro Massenbeladungseinheit
darstellt. Das Verfahren stellt eine Schätzung der Menge unverbrannten
Kraftstoffs bereit, welche den Zylinder verlässt. Das Gesamtverfahren ist
in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst. Die benötigte Genauigkeit
von MPR beträgt
nominal +/– 0,3.
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Ein
Beispiel für
die Verwendung und Gültigkeit
des Algorithmus wurde durch einen Motortest unter Verwendung eines
2,4 Liter, L4, funkengezündeten
Vierventil-Benzinmotors mit doppelter obenliegender Nockenwelle
gezeigt. In dem Zylinder wurde ein Druckmessfühler von Kistler verwendet,
um den angezeigten mittleren Effektivdruck (IMEP) sowie die PRM-Parameter
für jeden
Verbrennungszyklus zu messen. Während
des Tests wurde der Motor unter Teildrosselung bei 2000 U/min mit
einem festen Zündzeitpunkt
von 10 Grad BTDC betrieben. Zuerst wurde der Motor für etwa 50
Zyklen bei einem stöchiometrischen
A/F-Verhältnis
(14,7/1) betrieben. Dann wurde der Motor durch eine Verringerung
der Kraftstoffströmung
für etwa
100 Zyklen bei einem sehr mageren A/F von 23/1 betrieben. Schließlich wurde
der stöchiometrische
Pegel des A/F wiederhergestellt und Druckdaten für weitere 50 Zyklen aufgenommen.
Die Daten sind in 3 als eine Aufzeichnung der
200 MPR(55)-Werte über
die entsprechenden IMEP-Werte in kPa zusammengefasst. Auf der Grundlage
der Druckverhältnis-Managementbetriebserfahrung
mit dem Testmotor fallen normale Verbrennungswerte von MPR(55) für mageres
bis stöchiometrisches
A/F in den Bereich von etwa 2 bis 3 (oder höher), und diese Erfahrung ist
in 3 angezeigt. MPR(55)-Werte unter 2 zeigen einen
Zyklus mit später
Verbrennung oder einen Zyklus mit unvollständiger Verbrennung an, und
Werte nahe Null zeigen eine totale Fehlzündung an.
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Mit
Bezugnahme auf 3 zeigt sich, dass ein Betrieb
bei einem stöchiometrischen
Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis
eine Ansammlung normaler Verbrennungszyklen mit vollständiger Verbrennung
erzeugte, wie durch geeignete IMEP- und MPR(55)-Werte angezeigt
wird. Das magere A/F verbrennt im Gegensatz dazu langsamer, zeigt
eine hohe zyklische Veränderlichkeit
und ist auch ausreichend mager, um einen Anteil von Zyklen zu liefern,
die eine totale Fehlzündung
zeigen. Trotz eines Betriebs bei konstantem Kraftstoffverhältnis und
Zündzeitpunkt
variieren die Verbrennungsergebnisse über die 100 Zyklen in großem Maß, wie durch
die MPR(55)- und IMEP-Daten angezeigt wird. Man beobachtet, dass
der MPR-Wert eine
direkte Korrelation zu der Zyklus-IMEP bereitstellt. Wenn man MPR
als ein Maß für das Ausmaß der Verbrennung
bei dem 55 Grad Messpunkt verwendet, zeigen die Daten an, dass ein
beliebiges Verbrennen, welches nach diesem Zeitpunkt auftritt, nur
wenig zu der Arbeitsausgabe des Zyklus beiträgt.
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Bei
normalen Verbrennungsbedingungen in Benzinmotoren ist die Wärmefreisetzung
typischerweise vor dem 55 CAD ATDC Messpunkt abgeschlos sen, welcher
für Druckverhältnisberechnungen
verwendet wird. Bei anormalen Verbrennungszyklen mit sehr späten Verbrennungscharakteristiken
besteht die Möglichkeit
für Zyklen,
welche die Verbrennung bei 55 CAD ATDC noch nicht notwendigerweise
beendet haben. Um zu dem Betrag an Verbrennung Zugang zu bekommen,
der nach 55 CAD ATDC auftritt, wurden MPR bei 55 ATDC sowie MPR
bei 120 ATDC aus den gemessenen Drücken errechnet. Der 120 CAD
ATDC Messpunkt entspricht einer Kurbelwellenstellung direkt bevor
das Auslassventil öffnet.
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4 zeigt
eine Aufzeichnung von MPR(120) über
MPR(55). Die geneigte gestrichelte Linie entspricht gleichen Druckverhältnissen
für beide
Messpunkte. Für
Zyklen auf dieser Linie sind die Druckverhältnisse gleich, und es gibt
kein Verbrennen nach 55 CAD ATDC. Für Zyklen entlang oder nahe
der oberen horizontalen Linie wird die Verbrennung beim Öffnen des
Auslassventils als abgeschlossen angenommen [1,8 < MPR(55) < 2,0]. Für Zyklen
mit MPR(55) zwischen 0,5 und 1,8 war die Verbrennung unvollständig, und
die meisten Zyklen wiesen einen gewissen Grad an Verbrennung nach
dem 55 Grad Messpunkt auf, da MPR(120) größer als MPR(55) ist. Für Zyklen
mit MPR(55) unterhalb von etwa 0,5 wurde nicht mehr als 25 % der
Beladung verbrannt, und die Verbrennung wurde gelöscht. Man
kann die Schlussfolgerung ziehen, dass der MPR(55)-Wert besonders
in dem Bereich unterhalb 0,5 einen vernünftigen und konservativen Schätzer des
Anteils an verbranntem Kraftstoff, der den Zylinder verlässt, zum
Zwecke des Schätzens
einer Katalysatorerwärmungsrate darstellt.
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Tests
wie die zuvor beschriebenen wurden unter Verwendung des Zündkerzennabendrucksensors, welcher
in dem Sellnau-Patent beschrieben ist, über einen weiten Bereich von
Motordrehzahlen bei "Nullbremsdrehmoment" (Neutralgang) durchgeführt. Die
Mischung war sehr verdünnt,
wodurch eine Verteilung von Zyklen mit totaler Fehlzündung, unvollständi ger Verbrennung
oder später
Verbrennung und vollständiger Verbrennung
erzeugt wurde. 100 Zyklen wurden bei Drehzahlen von 1250, 2000,
3000 bzw. 4000 U/min gemessen. Ein in jedem Zylinder montierter
Kistler-Druckmessfühler wurde
als eine Referenz verwendet. Die Daten zeigten, dass Zyklen mit
unvollständiger
Verbrennung und Zyklen mit totaler Fehlzündung durch den Prozess leicht
detektiert wurden.
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Detektion einer späten Verbrennung
zur Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
während
des Kaltstarts zur Erwärmung
des Katalysators und während
Getriebeschaltvorgängen
zur Verminderung des Drehmoments
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Wie
in dem Hintergrundabschnitt oben beschrieben, entspricht der Zündzeitpunkt,
welcher die beste thermische Effizienz erzeugt, bei herkömmlichen
Benzinmotoren einem 50 % Massenverbrennungsanteil (MBF) bei etwa
10 Grad nach dem oberen Totpunkt (CA50 ∼ 10 ATDC). Dieser Zündzeitpunkt
wird "minimale Zündzeitpunktfrühverstellung
für bestes
Drehmoment" (MBT)
genannt. Um einen MBT-Zündzeitpunkt
unter Verwendung einer Regelung zu erreichen, wurde ein Algorithmus
auf der Grundlage des Zylinderdruckverhältnisses entwickelt. Gemäß den PRM-Grundlagen ist das
anteilige Druckverhältnis
eine gute Näherung
des Massenverbrennungsanteils. Aus diesem Grund hat sich das anteilige
Druckverhältnis
bei 10 ATDC (PRM10) mit einem nominellen Ziel von 0,5 als ein robuster
Zeitpunktparameter für
die MBT-Zündfunkensteuerung
erwiesen (siehe vorangehende Gleichung 3). Er wird der PRM10-Zeitpunktparameter
genannt. Der Zylinderdruck, das Druckverhältnis und PRM10 sind in den 1A und 1B für einen
Verbrennungszyklus gezeigt.
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Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
unter Verwendung von PRM25
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Eine
Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
ist nützlich,
um NOx-Emissionen
zu vermindern (etwas zu Lasten des Kraftstoffverbrauchs) und um
Knall zu unterdrücken.
Eine Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
kann durch ein Steuern des PRM10-Zeitpunktparameters auf Ziele unterhalb
0,5 erreicht werden.
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Für Betriebszustände, in
denen es wünschenswert
ist, den Zündzeitpunkt
weiter nach spät
zu verstellen, als es unter Verwendung von PRM10 (d.h. bei Verwenden
des 10 Grad ATDC-Punkts) genau gemessen werden kann, kann ein späterer Druckmesspunkt
definiert werden, um einen "zusätzlichen
Zeitpunktparameter" zu
berechnen. Diese Betriebszustände
umfassen einen Kaltbetrieb, bei dem eine große Zündfunkenverzögerung zur
Erhöhung
der Abgastemperatur für
ein schnelles Aufwärmen
des Katalysators verwendet werden kann, eine Getriebeschaltsteuerung
mit vorübergehender
Zündfunkenverzögerung,
um das Motordrehmoment zu reduzieren (Motordrehmoment-Management)
und eine Leerlaufdrehzahlsteuerung. Der Nutzen während des Kaltstarts und des
Aufwärmens
ist ein optimales Aufwärmen
des Katalysators ohne die Grenze der Fahrtauglichkeit zu überschreiten.
Bei der Getriebeschaltsteuerung kann das Drehmoment während des Schaltens
für eine
verbesserte Schaltqualität
gesteuert werden.
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Bei
Motorsteuerungssystemen mit einer Druckmessung, die durch ein 24x-Zeitsteuerungs-Kurbelrad ausgelöst wird,
sind Drucksignale nur in Intervallen von 15 Kurbelwellenwinkelgrad
verfügbar.
Wenn dementsprechend festgestellt wird, dass PR-Daten bei 10 Grad
ATDC nicht geeignet sind, liegt der nächste verfügbare Messpunkt bei 25 Grad
ATDC (spätere
Messzeitpunkte sind möglicherweise
auch nützlich).
Der PRM25- Zeitpunktparameter
ist unter Verwendung dieses Messpunkts definiert und in 1B dargestellt.
Ein zusätzlicher "späterer Endmesspunkt" (d.h. bei 70 oder
85 oder sogar 100 Grad ATDC) kann für sinnvolle Berechnungen von
PRM25 unter hohen Zündfunkenverzögerungszuständen wünschenswert
sein. Der Endmesspunkt ist typischerweise auf den Arbeitshub gesetzt,
nachdem die Verbrennung beendet ist.
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Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
unter Verwendung von MPR
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Ein
anderes Verfahren zur Schaffung einer Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
besteht darin, die Regelschleife auf das Druckverhältnis selbst
zu schließen
(MPR). Dies kann bei Systemarchitekturen nützlich sein, die einen Endmesspunkt
nach Beendigung der Verbrennung nicht brauchbar unterstützen. Wie
in dieser Beschreibung bei der Detektion einer unvollständigen Verbrennung
früher
diskutiert wurde, korreliert MPR(55) direkt mit der Verminderung
der Zyklusarbeit (IMEP).
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Eine
Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
kann durch ein Nachstellen des Zündzeitpunkts
realisiert werden, um einen gezielten Wert von MPR(55) zu erzeugen.
Aktuelle Regelungsziele können
durch Kalibrierung für
Betriebszustände,
bei denen eine solche Spätverstellung
nützlich
ist, bestimmt werden. Die parallele Berechnung einer Rate an unverbranntem
Kraftstoff an das Abgas auf der Grundlage des MPR-Werts schafft eine
geeignete Spätverstellung,
ohne die Grenzen für
Kohlenwasserstoffemissionen oder eine übermäßige Erwärmung des Katalysators zu überschreiten,
welche zwei potenzielle Grenzen für den Pegel einer extremen Spätverstellung
darstellen. Ein drittes Kriterium kann die Stabilität des Motordrehmoments
sein, welche dazu neigen wird, bei niedrigeren Zielen für MPR(55)
anzusteigen, und die Fahrtauglichkeit beeinflussen wird.
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Entwicklungswerkzeug
für Motor
und Fahrzeug
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Die
beiden oben beschriebenen Parameter, PRM25 (oder ähnlich PRMxx)
und MPR(55) (oder ähnlich MPR(xx))
können
verwendet werden, um die Motorentwicklung und die Fahrzeugkalibrierungsprozesse
zu erweitern und zu verbessern. Die Parameter können in ein Entwicklungswerkzeug
zur Verbrennungsanalyse und -diagnose auf der Grundlage des Druckverhältnis-Managements
integriert sein.
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Systemrealisierung
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In
der Praxis würde
eine Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
wahrscheinlich unter Verwendung sowohl des PRM-Zeitpunktparameters
(zum Beispiel PRM25) als auch der MPR-Detektion realisiert werden. Im
Allgemeinen wird dies die meisten Informationen zur Verfügung stellen,
durch welche eine genaue Regelung erreicht werden kann.
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Bei
der Realisierung einer Zündzeitpunktspätverstellungsregelung
muss bei dem Entwurf und der Kalibrierung des Regelungssystems die
Veränderlichkeit
der Verbrennung berücksichtigt
werden. Während
Getriebeschaltvorgängen
kann es vorkommen, dass keine ausreichende Anzahl von Zyklen für eine direkte
Regelung zur Verfügung
steht. Unter diesen Umständen
können
die MPR-Werte für
den Schaltvorgang beobachtet werden, mit Beobachtungen für andere
Schaltvorgänge
in einem ähnlichen
Betriebsbereich gemittelt werden und verwendet werden, um den Zündzeitpunkt
für zukünftige Schaltvorgänge zu modifizieren.
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Diese
Erfindung wurde im Hinblick auf einige spezifische Ausführungsformen
beschrieben. Es ist offensichtlich, dass andere Formen der Erfindung
von Fachleuten leicht angepasst werden könnten.
