WO2003033893A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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    • F02D2200/1004—Estimation of the output torque

Definitions

  • the invention relates to a method and a control device for operating an internal combustion engine and an internal combustion engine according to the preambles of the independent claims.
  • Internal combustion engines generally use the torque delivered by the internal combustion engine to the crankshaft to control and regulate the internal combustion engine.
  • the reference variable is a target torque.
  • This setpoint torque can be specified by the driver through a specific position of the accelerator pedal or various systems of the motor vehicle, such as an electronic stability program, an anti-slip control or the control of an automatic transmission.
  • the open-loop and closed-loop control of the internal combustion engine sets the target torque in corresponding control interventions, for example the throttle valve, the ignition angle, fuel injection suppression and the like. a. around .
  • the torque given off by the internal combustion engine is not measured directly in these internal combustion engines, but rather, for example, via an air mass meter and the Lambda sensor and corresponding models of
  • the air mass is not a measure of the torque delivered by the internal combustion engine, since only the injected fuel determines the tight torque.
  • the torque-influencing manipulated variables in internal combustion engines with direct injection are more numerous.
  • the start of injection, the exhaust gas recirculation rate, the lambda value and the position of a throttle valve must be taken into account.
  • the calculation of the torque M eff output by the internal combustion engine on the basis of the above-mentioned measured influencing variables can only be implemented with the aid of numerous model configurations and a complex application of these functions in a control unit.
  • the accuracy of the determination of the torque delivered by the internal combustion engine is unsatisfactory, so that, for example, in cooperation with a Automatic transmission drivability problems of the motor vehicle can result.
  • the inaccuracies in the determination of the torque delivered by the internal combustion engine can lead to increased fuel consumption, since large safety distances have to be observed when applying operating limits for different operating modes.
  • the invention is based on the object of providing a simple and more precise method for controlling and regulating the torque of an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine with PDA or an internal combustion engine operating according to the diesel method.
  • This object is achieved according to the invention by a method in which the time course of the pressure in the combustion chamber of at least one cylinder of the internal combustion engine is measured with high temporal resolution, the time course of the angle of rotation of the crankshaft Internal combustion engine is also measured with high resolution, the indexed work and the internal torque of the internal combustion engine are calculated from these values and the torque output by the internal combustion engine is controlled as a function of the internal torque.
  • the regulation or control of the internal combustion engine can also be carried out very quickly and with very high control quality.
  • the control unit of the internal combustion engine is relieved and the application of a control unit operating according to the inventive method to different internal combustion engines is significantly simplified.
  • an impermissibly high delivered torque can also be applied to impermissible operating states of the internal combustion engine, such as ringing or knocking be closed anymore. No additional facilities are required for this. It is only necessary that the control device has suitable routines in order to evaluate the measured signals.
  • the amount of fuel to be injected, the start of injection and / or the ignition angle of the internal combustion engine are influenced in order to control the torque output by the internal combustion engine.
  • other manipulated variables of the internal combustion engine such as, for example, the boost pressure, can also be controlled in the control of the internal combustion engine.
  • the internal moment which was determined by the method according to the invention, can be used as the main or weaving load signal.
  • the method according to the invention can be used in particular for controlling internal combustion engines operating according to the Otto method, in particular with direct injection and / or variable valve lift, and for controlling internal combustion engines operating according to the diesel method.
  • an internal combustion engine in particular an internal combustion engine with direct injection and / or variable valve lift, which operates according to the Otto method, or an internal combustion engine which operates according to the diesel method, with at least one Cylinder and solved with a control device for controlling the internal combustion engine in that a pressure sensor is provided in at least one cylinder for the temporally high-resolution detection of the pressure in the combustion chamber, that a device for the temporally high-resolution detection of the angle of rotation of the crankshaft of the internal combustion engine is present, and that the control unit determines the internal torque of the internal combustion engine from the pressure in the combustion chamber and the angle of rotation of the crankshaft and uses it to control the torque output by the internal combustion engine.
  • a control unit 1 is shown schematically in the single figure.
  • the control unit 1 receives a target torque M soll specified as a reference variable.
  • Setpoint formation takes place in block 3.
  • An important factor in the formation of the setpoint is the driver's request, which is expressed in the position of the accelerator pedal. This driver request (not shown) can be overlaid by torque requests, for example, the electronic stability program of the vehicle or an anti-slip control or the like (not shown).
  • a torque detection device is summarized in a block 5.
  • This moment detection device contains at least one pressure sensor in a combustion chamber of the internal combustion engine, an angle sensor for detecting the angle of rotation of the crankshaft and a corresponding evaluation device for calculating the internal torque of the internal combustion engine.
  • a module can be provided in block 5, which determines the drag torque of the internal combustion engine (not shown) depending on the load condition or setpoint torque, the speed and possibly other influencing variables.
  • the drag torque of an internal combustion engine is the torque necessary to overcome the frictional forces. If one subtracts the drag torque from the indicated torque M ⁇ , one obtains the torque M eff given by the internal combustion engine.
  • control unit 1 determines manipulated variables for various actuators, which are summarized in a block 7 in the figure.
  • the various manipulated variables which are controlled by control unit 1 have been designated V j in the figure.
  • the block 7 can, for example, the ignition angle, the amount of fuel to be injected, the injection timing, the recirculation rate of the exhaust gas, etc. Include manipulated variables.
  • the internal moment Mi of the internal combustion engine is calculated from the pressure curve in at least one cylinder of the internal combustion engine. This makes it possible to recognize inadmissible operating states of the internal combustion engine, such as excessive torque M eff , knocking or ringing of the internal combustion engine, among other things, and to initiate appropriate remedial measures. This is possible without additional equipment.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Steuern der Brennkraftmaschine vorgestellt, welches auf der Basis des von einem Drucksensor in mindestens einem Zylinder der Brennkraftmaschine und einem Drehwinkelgeber zur Erfassung des Drehwinkels der Kurbelwelle das von der Brennkraftmaschine erzeugte innere Moment berechnet, so dass eine schnelle und genaue Regelung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Moments Meff erreicht werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung- zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuergerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche .
Brennkraftmaschinen benutzen zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine in der Regel das von der Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle abgegebene Drehmoment . Bei diesem Regelungskonzept ist die Führungsgröße ein Sollmoment . Dieses Sollmoment kann vom Fahrer durch eine bestimmte Stellung des Fahrpedals oder verschiedene Systeme des Kraftfahrzeugs , wie beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm, eine Antischlupf regelung oder die Steuerung eines Automatikgetriebes , vorgegeben werden . Die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine setzt das Sollmoment in entsprechende Stelleingriffe beispielsweise der Drosselklappe , des Zündwinkels , Einspritzausblendungen u . a . um .
Das von der Brennkraftmaschine abgegebene Moment wird bei diesen Brennkraftmaschinen nicht direkt gemessen, sondern beispielsweise über einen Luftmassenmesser und die Lambdasonde und entsprechende Modelle der
Brennkraftmaschine berechnet. Diese Berechnung ist jedoch nur bei Otto-Motoren mit Saugrohreinspritzung ausreichend genau. Bei Otto-Motoren mit Benzin-Direkt-Einspritzung oder bei Diesel-Motoren besteht kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse und dem von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoment .
Bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkt-Einspritzung bestehen im Schichtbetrieb (Lambda > 1) und homogenem Magerbetrieb folgende, gegenüber einer Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung geänderte Randbedingungen:
Die Luftmasse ist kein Maß für das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment, da nur die eingespritzte Kraftstoff enge momentenbestimmend ist.
Eine Messung der AbgasZusammensetzung mit einer stetigen Lambdasonde ist zu ungenau.
Die momentenbeeinflussenden Stellgrößen bei Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sind zahlreicher. Insbesondere müssen der Einspritzbeginn, die Abgasrückführungsrate, der Lambdawert und die Stellung einer Drosselklappe berücksichtigt werden.
Infolgedessen ist die Berechnung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Moments Meff auf der Basis der obengenannten gemessenen Einflussgrößen nur mit Hilfe zahlreicher Modellbildungen und einer aufwändigen Applikation dieser Funktionen in einem Steuergerät realisierbar. Trotzdem ist die Genauigkeit der derart durchgeführten Ermittlung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments unbefriedigend, so dass sich beispielsweise in Zusammenwirkung mit einem Automatikgetriebe Fahrbarkeitsprobleme des Kraftfahrzeugs ergeben können. Außerdem können die Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch führen, da große Sicherheitsabstände bei der Applikation von Betriebsgrenzen für verschiedene Betriebsarten einzuhalten sind. Schließlich kann eine Überwachung der
Brennkraftmaschine im Hinblick auf ein ungewollt hohes, von der Brennkraftmaschine abgegebenes Drehmoment kaum durchgeführt werden.
Aus d.er DE 198 12 485 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem das von der Brennkraf maschine abgegebene Drehmoment an der Kurbelwelle oder am Ausgang eines nachgeschalteten Getriebes gemessen wird. Zur Regelung dieses Drehmoments ist es notwendig, aus dem gemessenen, von der Brennkraftmaschine abgegebenen Moments über verschiedene Modelle und in mehreren Schritten auf die tatsächliche Zylinderfüllung oder das innere Moment der Brennkraftmaschine zurückzurechnen, um daraus die entsprechenden Stellgrößen wie Luftzufuhr, einzuspritzende Kraftstoffmenge, Zündwinkeleinstellung u.a. mehr zu ermitteln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und genauer arbeitendes Verfahren zur Steuerung und Regelung des Drehmoments einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit BDE oder einer nach dem Diesel-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei welchem der zeitliche Verlauf des Drucks im Brennraum mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine zeitlich hoch aufgelöst gemessen wird, der zeitliche Verlauf des Drehwinkels der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ebenfalls zeitlich hoch aufgelöst gemessen wird, aus diesen Werten die indizierte Arbeit und das innere Moment der Brennkraftmaschine berechnet wird und das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment in Abhängigkeit des inneren Moments gesteuert wird.
Vorteile der Erfindung
Bei diesem Verfahren kann auf eine umfangreiche und mehrstufige Modellbildung der Brennkraftmaschine zur Ermittlung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments verzichtet werden. Durch die direkte Messung .von Druck im Brennraum und Drehwinkel der Kurbelwelle kann das innere Moment der Brennkraftmaschine sehr genau erfasst werden. Wenn in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein Drucksensor vorhanden ist, kann das innere Moment der Brennkraftmaschine sogar zylinderselektiv ermittelt werden. Infolgedessen kann auch das von der Brennkraftmaschine abgegebene Moment sehr genau bestimmt werden, da lediglich das Schleppmoment, welches ein Maß für die Reibungsverluste der Brennkraftmaschine sind, von dem inneren Moment subtrahiert werden muss .
Wenn das von der Brennkraftmaschine abgegebene Moment sehr genau und schnell erfasst wird, kann auch die Regelung bzw. Steuerung der Brennkraftmaschine sehr schnell und mit sehr hoher Regelgüte erfolgen. Außerdem wird, wegen des Wegfalls verschiedenener Modelle und Kennfelder, das Steuergerät der Brennkraftmaschine entlastet und die Applikation eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Steuergeräts an verschiedene Brennkraftmaschinen deutlich vereinfacht.
Schließlich kann aus der weiteren Auswertung des inneren Moments auch auf unzulässige Betriebszustände der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Klingeln oder Klopfen, einem unzulässig hohen abgegebenen Drehmoment u.a. mehr geschlossen werden. Dazu sind keine zusätzlichen Einrichtungen erforderlich. Es ist lediglich erforderlich, dass das Steuergerät geeignete Routinen aufweist, um die gemessenen Signale auszuwerten.
Weitere Ergänzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass bei der Steuerung des von der Brennkraf maschine abgegebenen Drehmoments das Schleppmoment der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird, so dass die Steuerung der Brennkraftmaschine verbessert wird.
Außerdem ist vorgesehen, dass zur Steuerung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs, der Einspritzbeginn und/oder der Zündwinkel der Brennkraftmaschine beeinflusst werden. Selbtverständlich können auch noch andere Stellgrößen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise der Ladedruck, bei der Steuerung der Brennkraftmaschine, gesteuert werden.
Da moderne Steuergeräte redundant arbeiten, kann das innere Moment, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde, als Haupt- oder Webenlastsignal verwendet werde .
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Steuerung von nach dem Otto-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Direkteinspritzung und/oder variablem Ventilhub, und zur Steuerung von nach •dem Dieselverfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen einsetzbar .
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere nach dem Otto-Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung und/oder variablem Ventilhub oder nach dem Dieselverf hren arbeitende Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder und mit einem Steuergerät zur Steuerung der Brennkraftmaschine dadurch gelöst, dass mindestens in einem Zylinder ein Drucksensor zur zeitlich hoch aufgelösten Erfassung des Drucks im Brennraum vorgesehen ist, dass eine Vorrichtung zur zeitlich hoch aufgelösten Erfassung des Drehwinkels der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorhanden ist, und dass das Steuergerät aus dem Druck im Brennraum und dem Drehwinkel der Kurbelwelle das innere Moment der Brennkraftmaschine ermittelt und zur Steuerung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments nutzt .
Bei dieser Brennkraftmaschine kommen die zuvor genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens voll zum Tragen.
Zeichnung
In der einzigen Figur ist ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild dargestellt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der einzigen Figur ist ein Steuergerät 1 schematisch dargestellt. Das Steuergerät 1 erhält ein Solldrehmoment Msoll als Führungsgröße vorgegeben. In einem Block 3 findet eine Sollwertbildung statt . Eine wichtige Größe bei der Sollwertbildung ist der Fahrerwunsch, der sich in der Stellung des Fahrpedals ausdrückt . Dieser Fahrerwunsch (nicht dargestellt) kann überlagert werden durch Momentenanforderungen beispielsweise des elektronischen Stabilitätsprogramms des Fahrzeugs oder einer Antischlupfregelung o.a. mehr (nicht dargestellt).
In einem Block 5 ist eine Momentenerfassungseinrichtung zusammengefasst . Diese Momentenerfassungseinrichtung beinhaltet mindestens einen Drucksensor in einem Brennraum der Brennkraftmaschine, einen Winkelgeber zur Erfassung des Drehwinkels der Kurbelwelle und eine entsprechende Auswerteeinrichtung zur Berechnung des inneren Moments der Brennkraftmaschine. Des Weiteren kann in dem Block 5 ein Modul vorgesehen sein, welches das Schleppmoment der nicht dargestellten Brennkraftmaschine abhängig vom Lastzustand oder Sollmoment, der Drehzahl und möglicherweise anderer Einflussgrößen ermittelt . Das Schleppmoment einer Brennkraftmaschine ist das zur Überwindung der Reibungskräfte notwendige Moment. Wenn man vom indizierten Moment M± das Schleppmoment subtrahiert, erhält man das von der Brennkraftmaschine abgegebene Moment Meff.
Aus dem Vergleich des Solldrehmoments Msoll und des tatsächlich von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments Meff ergibt sich die Regeldifferenz. Abhängig von der Regeldifferenz und anderen Parametern, die in der Figur mit P± bezeichnet sind, ermittelt das Steuergerät 1 Stellgrößen für verschiedene Stellglieder, die in der Figur in einem Block 7 zusammengefasst sind. Die verschiedenen Stellgrößen, welche von dem Steuergerät 1 angesteuert werden, sind in der Figur mit Vj bezeichnet worden.
Der Block 7 kann beispielsweise den Zündwinkel, die einzuspritzende Kraftstoffmenge, den Einspritzzeitpunkt, die Rückführrate des Abgases u.a. Stellgrößen umfassen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie bereits erwähnt , das innere Moment Mi der Brennkraftmaschine aus dem Druckverlauf in mindestens einem Zylinder der Brennkraftmaschine berechnet. Dadurch ist es möglich, unzulässige Betriebszustände der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise zu hohe abgegebene Drehmomente Meff, Klopfen oder Klingeln der Brennkraftmaschine u.a. mehr zu erkennen und entsprechende Abhilfemaßnahmen einzuleiten. Dies ist ohne zusätzlichen apparativen Aufwand möglich.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung des Drehmoments einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :
- Messen des zeitlichen Verlaufs des Drucks (p(t)) im Brennraum mindestens eines Zylinders der Brennkraftmaschine ,
- Messen des zeitlichen Verlaufs des Drehwinkels (θ(t)) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine,
- Berechnen der indizierten Arbeit (wind) und eines inneren Moments (M aus dem Druck (p(t)) und dem Drehwinkel (ö(t)) der Brennkraftmaschine, -Steuern des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments (Mef£) in Abhängigkeit des inneren Moments
(M .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Steuerung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments (Meff) das Schleppmoment (MSchlepp) der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments (Meff) die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs, der Einspritzbeginn und/oder der Zündwinkel der Brennkraftmaschine beeinflußt werden .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Moment (Mx) als Haupt- oder Nebenlastsignal verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung von nach dem Otto-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Direkt-Einspritzung und/oder variablem Ventilhub, eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Steuerung von nach dem Diesel -Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen, insbesondere mit Direkt-Einspritzung, eingesetzt wird.
7. Steuergerät für eine Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.
8. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 geeignet ist.
9. Computerprogramm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm auf einem Speichermedium, insbesondere einer CD-Rom, abspeicherbar ist .
10. Brennkraftmaschine, insbesondere nach dem Otto- Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine mit Direkt- Einspritzung und/oder variablem Ventilhub oder nach dem Diesel-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder und mit einem Steuergerät zur Steuerung der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einem Zylinder ein Drucksensor zur zeitlich hoch aufgelösten Erfassung des Drucks (p(t)) im Brennraum vorgesehen ist, dass eine Vorrichtung zur zeitlich hoch aufgelösten Erfassung des Drehwinkels (ö(t)) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vorhanden ist, und dass das Steuergerät aus dem Druck (p(t)) im Brennraum und dem Drehwinkel (0(t)) der Kurbelwelle das innere Moment (Mi) der Brennkraftmaschine ermittelt und zur Steuerung des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments (Meff) nutzt .
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