DE102005058820B4

DE102005058820B4 - Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005058820B4
Application number: DE102005058820.4A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ahlin Kristina; Dipl.-Ing. Binder Simon; Dipl.-Ing. Bogachik Yuriy; Dipl.-Ing. Frommelt Alfred; Dr. Kirschbaum Frank; Dipl.-Ing. Michael (FH) Klier; Dr.-Ing. Matassini Lorenzo; Dr. sc. tech. Mladek Michael; Dipl.-Ing. Möckel-Lherbier Heiko; Dipl.-Ing. Münkel Gerhard; Dipl.-Ing. Pfaff Rüdiger; Dipl.-Ing. Scheible Karsten; Dipl.-Ing. Schnabel Martin; Dr. Schorr Jürgen; Dipl.-Ing. Windisch Bernd; Dipl.-Ing. Wolf Matthias
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2025-12-10
Also published as: US20090112449A1; US8032293B2; DE102005058820A1; WO2007065573A1

Abstract

Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, – bei dem zylinderindividuell wenigstens eine Größe (HXX, H50), die einen jeweiligen Verlauf einer Verbrennung in einem zugehörigen Brennraum charakterisiert, gebildet wird und – abhängig von dieser wenigstens einen, den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe (HXX, H50) die Regelung von zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzparametern beeinflusst wird und – aus dem gemessenen Brennraumdruckverlauf in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein indizierter Mitteldruckwert (pmi) und ein indizierter Druckverlauf gebildet werden und – aus dem indizierten Druckverlauf die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe in Form eines (Energie-)Umsatzpunktes oder Verbrennungspunktes (Hxx, H50) oder eines Näherungswertes hiervon gebildet wird und – die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (Hxx, H50) den zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn (5) einer Voreinspritzung (3) und dem Beginn (6) einer Haupteinspritzung (4) beeinflusst.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, nach Patentanspruch 1.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 05 463 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine bekannt. Dabei sollen unzulässig hohe Verbrennungsspitzendrücke vermieden und gleichzeitig Abgasemissionen möglichst nicht verschlechtert werden. Hierzu ist entweder einem oder jedem Zylinder ein Brennraumdrucksensor zugeordnet. Die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt derart, dass möglichst günstige Emissionswerte auftreten. Erreicht der Brennraumdruck jedoch einen maximalen Grenzwert, wird die Einspritzung dahingehend verändert, dass der Brennraumdruck absinkt. Konkret werden als Steuergröße die Einspritzzeiten oder die einzuspritzende Kraftstoffmenge beeinflusst.
Die DE 102 15 674 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, bei dem mittels einer Verstellung von Ventilsteuerzeiten eine im Brennraum zurückgehaltene Abgasmenge betriebspunktabhängig geregelt wird. Mit einer im Brennraum angeordneten Ionenstromsonde wird ein Ionenstromsignal gemessen, wobei aus dem Ionenstromsignalverlauf die Lage des 50%-Massenumsatzpunkts der aktuellen Verbrennung ermittelt wird, um bei einem darauffolgenden Zyklus den Ablauf der Verbrennung mittels einer Anpassung von Betriebsparametern zu steuern.
Die DE 100 11 630 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors. Bei dem Verfahren wird eine Folge von Messwerten bestimmt, die eine Vorverbrennung beschreibt, welche durch eine vor einer Haupteinspritzung statt findenden Voreinspritzung verursacht ist. Anschließend wird die Folge von Messwerten ausgewertet und auf Grundlage der Auswertung zumindest einer der Einspritzparameter der nachfolgenden Voreinspritzung entsprechend nachgeregelt.
Die US 2005/0 039 721 A1 offenbart eine Steuerung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraumdrucksensor und einem Element zur Steuerung der Brennkraftmaschine. Ein Prozessor erhält Daten vom Brennraumdrucksensor und verarbeitet diese, wobei der Prozessor das Element zur Steuerung der Brennkraftmaschine auf Basis der verarbeiteten Daten des Brenraumdrucksensors steuert.
Die DE 102 40 492 A1 offenbart ein Verfahren zur Kalibrierung wenigstens zweier Sensoren zur Erfassung einer den Verbrennungsvorgang in einer wenigstens zwei Zylinder aufweisenden, zylinderindividuell betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, charakterisierenden Größe. Es wird wenigstens ein Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angefahren, in dem eine Gleichstellung der wenigstens zwei Zylinder mittels wenigstens eines Mengengleichstellungsverfahrens mit hoher Genauigkeit durchführbar ist, dass in dem wenigstens einen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Gleichstellung der wenigstens zwei Zylinder mittels des wenigstens einen Mengengleichstellungsverfahrens durchgeführt wird und dass nach erfolgter Gleichstellung der wenigstens zwei Zylinder wenigstens eine Sensorkenngröße der wenigstens zwei Sensoren gegeneinander abgeglichen wird.
Die DE 103 16 113 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem eine zugemessene Kraftstoffmenge mittels der Motorsteuereinrichtung derart in den Brennraum eingespritzt wird, dass ein Schwerpunkt der Verbrennung unabhängig vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine bei einer konstanten und zuvor bestimmten Kurbelwinkelposition liegt. Hierbei wird der Schwerpunkt der Verbrennung mittels Variation der Kraftstoffeinspritzung eingestellt, wobei zur Ermittlung des Schwerpunkts der Verbrennung ein Druckverlauf im Brennraum mittels eines Sensors erfasst wird.
Die DE 103 16 112 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei dem während einer Verbrennung im Brennraum eine mittlere Gastemperatur im Zylinder bestimmt wird, so dass ein Gradient der mittleren Gastemperatur errechnet wird. Hierbei wird dann entweder aus einem Wert des Gradienten der mittleren Gastemperatur und/oder aus einem Maximalwert der mittleren Gastemperatur im Zylinder eine Stickoxid-Rohemission der Brennkraftmaschine ermittelt. Demnach werden die Motorparameter derart eingestellt, dass sich bei der Verbrennung ein Verlauf der mittleren Gastemperatur ergibt, bei dem weniger NOx-Emissionen gebildet werden.
Die DE 103 58 196 A1 offenbart eine Einrichtung zur Klopfregelung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Steuergeräten zur abwechselnden Ansteuerung von Einspritzungen bei jeweils einem Teil der Zylinder und mit mehreren an den Zylindern angeordneten Klopfsensoren. Jeweils ein Teil der Klopfsensoren ist jeweils einem Steuergerät zugeordnet so dass deren Signalausgänge mit einer Klopfregelstufe als Teil dieses Steuergeräts gekoppelt sind.
Die DE 44 15 826 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine. Das Verbrennungsgeräusch wird dadurch vermindert, dass eine Aufteilung der Gesamteinspritzmenge in eine Voreinspritzmenge und eine Haupteinspritzmenge, eine Reduzierung der Ladeluftkühlung, oder eine Abgasrückführung in den Betriebszuständen vorgenommen wird, in denen das Verbrennungsgeräusch vorgebbare Grenzwerte überschreitet.
Aus dem Dokument von Alt, Norbert et al.: „Akustikkalibrierung für den Dieselkaltstart” Motortechnische Zeitschrift (MTZ) 04/2004 Jahrgang 65, S. 270 bis 277 ist bekannt, dass mittels Variation von Parametern wie Vor- und Haupteinspritzbeginn, Voreinspritzmenge, Abgasrückführrate und Raildruck ein Motorlauf im Kaltstart verbessert werden kann.
Nachteilig ist, dass diese Vorgehensweise den Anforderungen an moderne, insbesondere aufgeladene Diesel-Brennkraftmaschinen hinsichtlich eines erhöhten Wirkungsgrades, eines gesteigerten Komforts oder geringeren Emissionen nicht mehr gerecht werden kann, da beispielsweise die Geräuschentwicklung damit nicht zufriedenstellend erfasst oder nachhaltig beeinflusst werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter entwickeltes Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, anzugeben, mit welchem die immer engeren Emissionsgrenzen zuverlässig eingehalten werden und mit welchem gleichzeitig den steigenden Anforderungen an Komfort und Wirkungsgrad Rechnung getragen wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Nach Patentanspruch 1 wird zylinderindividuell wenigstens eine Größe, die einen jeweiligen Verlauf einer Verbrennung in einem zugehörigen Brennraum charakterisiert, gebildet und abhängig von dieser wenigstens einen, den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe die Regelung von zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzparametern beeinflusst. Die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe wird auf Basis eines gemessenen Brennraumdruckverlaufs gebildet. Sensoren, Mess- und Auswerteverfahren für diese physikalischen Größen sind bereits bekannt und erhältlich oder werden derzeit entwickelt, so dass mit bekannten Mitteln verlässliche Aussagen über den Verlauf eines Verbrennungsvorganges gemacht werden können. Aus dem gemessenen Brennraumdruckverlauf wird in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein indizierter Mitteldruckwert (pmi) und aus dem indizierten Druckverlauf eine den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe in Form eines (Energie-)Umsatzpunktes oder eines Näherungswertes gebildet (HXX, MBF [mass burned fraction]). Auch dies sind (z. B. aus der DE 102 18 736 A1 und den darin genannten Dokumenten) bekannte Mess- und Auswerteverfahren, die in Verbindung mit der Erfindung bei einem bezifferbaren und vertretbaren Aufwand eine gute Beurteilung des ablaufenden Verbrennungsprozesses ermöglichen. Wesentlich hierbei ist der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn einer (Vor- oder Haupt-)Einspritzung, die von dem Verbrennungs- oder Umsatzpunkt, insbesondere dem Verbrennungsschwerpunkt beeinflusst wird. Aufgrund von Längen- und Laufzeitunterschieden, Fertigungs- und sonstiger Toleranzen entlang des Luftpfades ist die Lage des Verbrennungsschwerpunktes oder eines anderen Umsatzpunktes von Zylinder zu Zylinder unterschiedlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik die Vorteile auf, dass nicht nur der maximale Brennraumdruck als einziges Kriterium zur Regelung der Kraftstoffzumessung herangezogen wird, sondern hierfür andere oder weitere geeignete Größen miteinbezogen werden können. Dadurch kann der Verbrennungsverlauf besser beurteilt und folglich die ihn hauptsächlich beeinflussenden Parameter der Kraftstoffzumessung besser geregelt werden. Höhere Leistungs- und Drehmomentwerte bei gleichzeitig besseren Verbrauchs- und Emissionswerten sind die daraus folgenden messbaren Vorteile.
In den alternativen Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Ansprüchen 2 bis 7 ist beschrieben, wie die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe optimal zur Beeinflussung des Einspritzvorganges herangezogen wird. Je nach den Vorgaben für den Einspritzvorgang, ob beispielsweise eine oder mehrere Voreinspritzungen stattfinden sollen oder nicht, können Merkmale aus den Ansprüchen 2 bis 7 einzeln oder in Kombination angewendet werden, um den Verbrennungsvorgang zu optimieren. Wesentlich hierbei ist der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn einer (Vor- oder Haupt-)Einspritzung und einem Verbrennungs- oder Umsatzpunkt, insbesondere dem Verbrennungsschwerpunkt. Aufgrund von Längen- und Laufzeitunterschieden, Fertigungs- und sonstiger Toleranzen entlang des Luftpfades ist die Lage des Verbrennungsschwerpunktes oder eines anderen Umsatzpunktes von Zylinder zu Zylinder unterschiedlich.
Durch eine zylinderindividuelle Bestimmung des Verbrennungsschwerpunktes oder eines anderen Umsatzpunktes und die hierauf eingestellte zylinderindividuelle Einspritzung kann eine Angleichung einer zylindertypischen Leistung oder eines zylindertypischen Verbrennungsgeräusches über alle Zylinder hinweg vorgenommen werden, so dass weniger mit Geräuschen verbundene Schwingungen und Vibrationen auftreten und eine gleichmäßigere Leistungsabgabe bei weniger Emissionen erfolgt.
Besonders eine durch Voreinspritzung(en) veranlasste Vorverbrennung hat auch wesentlichen Einfluss auf das beim Verbrennungsvorgang entstehende Verbrennungsgeräusch. Durch die in den Ansprüchen 2 bis 7 enthaltenen Merkmale ist es möglich, anhand eines festgestellten Umsatzpunktes, insbesondere des Verbrennungsschwerpunktes, die Einstellung der Einspritzung dahingehend zu verändern, dass das Verbrennungsgeräusch gezielt verändert wird und Emissionen verringert werden.
Durch eine sogenannte „Mengenanpassung”, bei der die gesamte einzuspritzende Kraftstoffmenge anders auf Vor- und Haupteinspritzung verteilt wird, insbesondere die Voreinspritzungsmenge vergrößert und die Haupteinspritzungsmenge verkleinert wird, kann der Anteil der Vorverbrennung am Energieumsatz vergrößert und der Anteil der Hauptverbrennung verkleinert werden, so dass das Niveau des Verbrennungsgeräusches merklich abgesenkt wird. Dies kann eingesetzt werden, um ein bei einem bestimmten Betriebspunkt höheres Geräuschniveau gezielt abzusenken, um es dem niedrigeren Geräuschniveau benachbarter Betriebspunkte anzugleichen. Zur Rauchreduzierung kann im umgekehrten Fall die Voreinspritzungsmenge verkleinert und die Haupteinspritzungsmenge vergrößert werden.
Schließlich kann es gemäß Patentanspruch 8 vorteilhaft sein, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) eine Abgasrückführrate, eine Luftmasse, eine Drosselklappenstellung oder eine Einstellung eines Laders (Turbo-, E-Lader) entlang des Luftpfades beeinflusst.
Mit dieser Option kann für jeden Betriebspunkt die optimale Menge an rückgeführter Abgasmenge eingestellt werden, so dass die Effizienz des Verbrennungsprozesses weiter gesteigert wird und Emissionen reduziert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Patentanspruch 9 ist vorgesehen, dass auf Basis des gemessenen Brennraumdruckverlaufs eine Geräuschabschätzung vorgenommen wird. Auch hierfür sind Mess- und Auswerteverfahren bekannt oder werden entwickelt, so dass auch hier der Aufwand bezifferbar und vertretbar ist, um eine zuverlässige Aussage über eine wichtige Emissionsgröße machen zu können.
In Verbindung mit einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10, dass eine auf Basis der Geräuschabschätzung gebildete Größe einen Einspritzbeginn, eine Einspritzdauer, eine Aufteilung oder eine Größe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge beeinflusst, kann somit auch direkt und gezielt Einfluss auf das Geräusch, das die Brennkraftmaschine beim Verbrennungsvorgang erzeugt und abstrahlt, genommen werden. Da die gezielte Beeinflussung auf das Geräusch zylinderindividuell erfolgt, kann dadurch eine (akkustische) Gleichstellung, das heißt ein gleichmäßiges Geräusch(-Niveau) bei allen Zylindern hervorgerufen und das gesamte Geräuschniveau gezielt abgesenkt oder erhöht werden.
Es ist dadurch beispielsweise auch möglich, das Geräuschniveau des Motors an den Verlauf der Drehzahl oder der Last anzupassen. Dadurch ist z. B. bei einem Beschleunigungsvorgang eine akustische Rückkopplung bezüglich der zunehmenden Drehzahl und Fahrzeuggeschwindigkeit an den Fahrer möglich.
Einfach realisierbar ist dadurch auch eine komfortsteigernde Glättung, das heißt homogene Verteilung des Verbrennungs- oder Motorgeräusches über alle Drehzahl- oder Betriebsbereiche hinweg. Insbesondere in Drehzahl- oder Betriebsbereichen, bei denen sich bestimmte, hauptsächlich vom Motor stammende Geräuschanteile unangenehm bemerkbar machen, beispielsweise das „Nageln” im Leerlauf oder Anfahrbereich bei noch kaltem Motor oder das „Kleckern” beim Übergang von kleinen zu mittleren Lasten bei noch geringem Ladedruck, kann hier das Geräuschniveau eines bestimmten Drehzahl- oder Betriebsbereichs gezielt abgesenkt und das Geräuschniveau angrenzender Bereiche gezielt angehoben werden, so dass bei sich ändernder Drehzahl oder bei sich änderndem Betriebsbereich eine Änderung des Geräuschniveaus stetig erfolgt, was sich sehr komfortsteigernd auswirkt, da die Homogenität des Geräuschniveaus über Drehzahl- oder Betriebsbereiche hinweg mehr wahrgenommen wird als der Gesamtgeräuschpegel.
Im Zuge sich immer weiter verschärfter Emissionsgrenzen gewinnt dies zunehmend an Bedeutung. Innermotorischen Maßnahmen zur Vermeidung von Schadstoff- oder Partikelausstoß tragen wesentlich dazu bei, dass eine sehr inhomogene, betriebs- und drehzahlbereichtypische Geräuscherzeugung immer weiter zunimmt, dass beispielsweise einerseits bei „harter” Verbrennung sehr geräuschintensive Betriebspunkte entstehen, während andererseits durch eine Abgasrückführung oder den Einsatz eines Partikelfilters das Geräuschniveau merklich abgesenkt wird. Angesichts eines niedriger werdenden Gesamtgeräuschniveaus kommen geräuschintensive Betriebspunkte oder -bereiche immer stärker zur Geltung. Mit den vorgeschlagenen erfinderischen Maßnahmen kann dem wirkungsvoll entgegen gewirkt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen:
1 in drei Diagrammen den zeitlichen Verlauf von drei verschiedenen Einspritzvorgängen (1a, 1c, 1e) und in drei weiteren Diagrammen den Verlauf jeweils zugehöriger Verbrennungsverläufe (1b, 1d, 1f) über einem Kurbelwinkel α,
2 eine erste Regelstruktur zur Regelung der Kraftstoffzumessung und
3 eine zweite, um eine zusätzliche Regelschleife erweiterte Regelstruktur zur Regelung der Kraftstoffzumessung.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug.
Zweck der Erfindung ist ein gezielt ablaufender und optimaler Verbrennungsvorgang im Brennraum (oder Verbrennungsraum) einer insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschine. Besonders durch die Einspritzung eines Brennstoffs, d. h. durch die Aufteilung der einzuspritzenden Brennstoffmenge in eine oder mehrere Voreinspritzungen und eine Haupteinspritzung, die jeweilige Einspritzmenge, der jeweilige Einspritzbeginn und die jeweilige Einspritzdauer, haben entscheidenden Einfluss auf den Verbrennungsvorgang und seinen Verlauf.
Die Beurteilung eines Verbrennungsvorgangs und seines Verlaufs erfolgt zweckmäßigerweise durch geeignete Verbrennungsmerkmale, die direkt oder indirekt, insbesondere durch entsprechende Sensoren erfasst und zum Zwecke der Verbrennungsregelung weiterverarbeitet werden. Ergebnisse eines derart geregelten Verbrennungsvorgangs sind gesteigerte Drehmoment- und Leistungswerte bei gleichzeitig verringerten Verbrauchs- und Emissionswerten. Insbesondere können mit Hilfe der Erfindung die Geräuschemissionen der Brennkraftmaschine verringert und gezielt beeinflusst werden.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist eine Struktur einer Verbrennungsregelung insbesondere für eine selbstzündende Brennkraftmaschine dargestellt.
Die 1 in drei Diagrammen den zeitlichen Verlauf von drei verschiedenen Einspritzvorgängen (1a, 1c, 1e) und in drei weiteren Diagrammen den Verlauf jeweils zugehöriger Verbrennungsverläufe (1b, 1d, 1f) über einem Kurbelwinkel α. Dabei ist in den Diagrammen der 1a, 1c und 1e jeweils auf einer ersten Achse 1 die Zeit (t) und auf einer zweiten Achse 2 ein Ansteuerstrom (I_Injektor) für einen zu einem Zylinder gehörenden Injektor aufgetragen. In den Diagrammen der 1b, 1d und 1f ist jeweils auf einer ersten Achse 11 der Kurbelwinkel (α) einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und auf einer zweiten Achse 12 ein Brennverlauf (dQ/dα) im zugehörigen Zylinder aufgetragen. Anstelle der Zeit (t) kann auf der Achse 1 auch der Kurbelwinkel α aufgetragen sein.
Bei den Einspritzvorgängen (1a, 1c, 1e) und bei den Verbrennungsverläufen (1b, 1d, 1f) wurden bei identischen Bezügen als Bezugszeichen identische Ziffern, ergänzt mit dem jeweiligen Buchstaben der betreffenden Figur vergeben.
In 1a wird gemäß einer Kurve 1a vor einer Haupteinspritzung 4a eine Voreinspritzung 3a durchgeführt. Alternativ hierzu können auch mehrere Voreinspritzungen durchgeführt werden. Die Voreinspritzung 3a erfolgt von einem Einspritzanfangszeitpunkt 5a bis zu einem Einspritzendzeitpunkt 10a, die Haupteinspritzung 4a erfolgt zu einem Einspritzzeitpunkt 6a, zwischen dem Ende der Voreinspritzung 3a und dem Beginn 6a der Haupteinspritzung 4a liegt ein Zeitintervall (ΔT, ΔT₁) 7a. Zu einem Zeitpunkt (ZOT) 8a hat ein Zylinder in einem Brennraum eine obere Totpunktstellung erreicht. Zu einem Zeitpunkt 9a ist die Haupteinspritzung 4a beendet.
Aufgrund der Voreinspritzung 3a zum Zeitpunkt 5a (1a) erfolgt eine Vorverbrennung 13b, aufgrund der Haupteinspritzung 4a erfolgt eine Hauptverbrennung 14b. Ein sogenannter Verbrennungs- oder Energieumsatzschwerpunkt (H₅₀) 15b gibt an, dass 50% der eingespritzten Brennstoffmenge verbrannt sind. Dieser H₅₀-Verbrennungs- oder Energieumsatzschwerpunkt 15b ist ein markantes Merkmal zur Beurteilung des Brennverlaufs, an seiner Stelle oder ergänzend kann jedoch auch jeder weitere beliebige Verbrennungs- oder Energieumsatzpunkt (H_XX, mit 0 ≤ XX ≤ 100) zur Beurteilung des Brennverlaufs herangezogen werden.
Die in 1a gemäß der Kurve 1a dargestellte Art der Einspritzung, wie sie üblicherweise abläuft, mit einer Voreinspritzung 3a und einer Haupteinspritzung 4a und bestimmten Einspritzzeitpunkten 5a, 6a, führt zu dem in 1b gemäß einer Kurve 1b dargestellten typischen Brennverlauf.
In 1c wird die Einspritzung, welche mit einer Kurve 1c dargestellt ist, gegenüber der Kurve 1a der 1a dahingehend verändert, dass lediglich die Einspritzanfangszeitpunkte 5c und 6c und die Einspritzendzeitpunkte 10c und 9c gegenüber den Einspritzanfangszeitpunkten 5a und 6a und den Einspritzendzeitpunkten 10a und 9a gleichmäßig gegenüber dem ZOT 8a oder 8c vorverlegt werden.
Die Einspritzmengen bei der Voreinspritzung 3c und der Haupteinspritzung 4c bleiben demnach gegenüber den Einspritzmengen der 1a (Voreinspritzung 3a, Haupteinspritzung 4a) unverändert, da bei Voreinspritzung 3c und Haupteinspritzung 4c genau so lange der Injektor mit Strom beaufschlagt wird wie bei der Voreinspritzung 3a und der Haupteinspritzung 4a. Ebenso sind die zeitlichen Abstände 7a und 7c zwischen der Voreinspritzung 3a, 3c und der Haupteinspritzung 4a, 4c gleich lange. Die Veränderungen der Kurve 1c erfolgte in Form einer „Blockverschiebung” gegenüber der Kurve 1a.
Als Ergebnis des Einspritzvorgangs gemäß der Kurve 1c lässt sich anhand der Kurve 1d der 1d feststellen, dass die Vorverbrennung 13d gegenüber der Vorverbrennung 13b entsprechend der Blockverschiebung bei der Einspritzung (Kurve 1c, 1c gegenüber Kurve 1a, 1a) früher stattfindet und weniger ausgeprägt ist, d. h. dass bei der Vorverbrennung 13d ein geringerer Energieumsatz statt findet als bei der Vorverbrennung 13b.
Die Hauptverbrennung 14d ist jedoch stärker ausgeprägt als die Hauptverbrennung 14b, der Energieumsatz ist also höher und findet früher statt, was daran zu erkennen ist, dass der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15d bei einem früheren Kurbelwinkel α erreicht ist als der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15b. Die Flanken der Kurve 1d bei der Hauptverbrennung 14d sind zudem im Vergleich zur Hauptverbrennung 14b der Kurve 1b steiler, was bedeutet, dass es sich bei der Hauptverbrennung 14d um eine „harte” Verbrennung handelt, mit einem sehr starken Druckanstieg in Brennraum und mit einem daraus resultierenden stärkeren Verbrennungsgeräusch.
Im Unterschied zur Kurve 1c in 1c wird in der Kurve 1e der 1e für eine längere Zeitdauer eine Voreinspritzung 3e und für eine kürzere Zeitdauer eine Haupteinspritzung 4e durchgeführt. Die Voreinspritzung 3e endet jetzt zu einem späteren Zeitpunkt 10e (als die Voreinspritzung 3c zum Zeitpunkt 10c). Nach einem zeitlichen Abstand 7e, welcher gleich groß ist wie die zeitlichen Abstände 7a und 7c, beginnt die Haupteinspritzung 4e zu einem Zeitpunkt 6e, der näher am ZOT 8e liegt als der Zeitpunkt 6c am ZOT 8c, und dauert bis zu einem Zeitpunkt 9e, der dem Zeitpunkt 9c entspricht. Der ZOT 8e entspricht hierbei dem ZOT 8c und dem ZOT 8a.
Es wird bei der Einspritzung gemäß 1e eine sogenannte (Voreinspritzungs-)Mengenanpassung durchgeführt, bei welcher (beispielsweise im Vergleich zum Einspritzvorgang der 1a oder 1c) bei der Voreinspritzung 3e eine bestimmte Menge an Kraftstoff mehr (oder auch weniger) und bei der Haupteinspritzung 4e diese bestimmte Menge an Kraftstoff entsprechend weniger (oder auch mehr) eingespritzt wird, es wird also die gesamte einzuspritzende Brennstoffmenge in einem anderen Verhältnis auf Voreinspritzung 3e und Haupteinspritzung 4e aufgeteilt.
Als Ergebnis des Einspritzvorgangs gemäß der 1e ist dem Brennverlauf der 1f in Form der Kurve 1f zu entnehmen, dass die Vorverbrennung 13f etwa beim gleichen Kurbelwinkel α stattfindet als die Vorverbrennung 13d, aber deutlich stärker ausgeprägt ist als die Vorverbrennung 13d. Der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15f als Hauptregelgröße befindet sich beim gleichen Kurbelwinkel α wie der Verbrennungsschwerpunkt H₅₀ 15d, jedoch verläuft die Kurve 1f im Bereich der Hauptverbrennung 14f weniger steil als die Kurve 1d, zudem ist der Energieumsatz im Extrempunkt nicht ganz so hoch. Bei der Verbrennung gemäß der Kurve 1f ist der gesamte Energieumsatz mehr auf die Vorverbrennung 13f und weniger auf die Hauptverbrennung 14f konzentriert, im Unterschied zur Kurve 1d, so dass in Folge der Einspritzung gemäß der Kurve 1e bei der Verbrennung gemäß der Kurve 1f eine weichere Verbrennung mit einem weniger intensiven Verbrennungsgeräusch stattfindet.
Werden die in 1c, 1d gezeigte Blockverschiebung und die in 1e, 1f gezeigte (Voreinspritzungs-)Mengenanpassung für jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine angewendet, so lassen sich damit zylinderindividuell unterschiedliche Verbrennungsvorgänge und Energieumsätze aneinander angleichen und somit komfortmindernde Störgeräusche, welche aus dem Gesamtgeräuschspektrum deutlich heraus zu hören sind, wirksam eliminieren. Alternativ kann dies auch durch eine Anpassung einer jeweiligen Menge, eines Zeitabstandes oder einer Zeitdauer bei Voreinspritzung(en), Haupteinspritzung und gegebenenfalls Nacheinspritzung(en) erreicht werden.
2 zeigt eine Regelstruktur 20 zur Regelung der Kraftstoffzumessung. In einem Basiskennfeld 21 sind insbesondere Anfangs- oder Sollwerte für die Kraftstoffzumessung abgelegt, beispielsweise Werte für den Ansteuerbeginn und -dauer von Vor- und gegebenenfalls Nacheinspritzung(en) und Haupteinspritzung und die Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge. Desweiteren können im Basiskennfeld 21 auch eine Anfangs-, Soll- oder sonstige Einspritzmenge oder sonstige Betriebsparameter abgelegt sein. Die Anfangs- oder Sollwerte sind abhängig von aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, weshalb dem Basiskennfeld 21 beispielsweise eine Drehzahl 22 und ein Drehmoment 23 der Brennkraftmaschine als Eingangsgrößen zugeführt werden. Eine Ausgangsgröße 24 des Basiskennfeldes 21 wird einer Summier- oder Additionsstelle 25 zugeführt, ein Ausgangsgröße 26 der Summierstelle 25 einem nachgeschalteten Funktionsblock 27.
Beim Funktionsblock 27 handelt es sich um einen Koordinator für die Einspritzung einschließlich der Regelung hierfür, der für jeden Zylinder die für die Einspritzung notwendigen Kennwerte (Ausgangsgröße 28) vorgibt, unter anderem beispielsweise die Zeitpunkte zur Bestromung der Injektoren. Die Ausgangsgröße 28 wird einem nachfolgenden Funktionsblock 29 zugeführt, mit dem die tatsächliche Einspritzung gesteuert wird. Beispielsweise wird vom Funktionsblock 29 der tatsächliche Ansteuerbeginn von Vor-, Haupt und gegebenenfalls Nacheinspritzung(en) und die Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge veranlasst.
Im Anschluss an die (Vor-, Haupt- oder Nach-)Einspritzung(en) erfolgt die jeweilige (Vor-, Haupt- oder Nach-)Verbrennung, was sich durch einen entsprechenden Druckanstieg im Zylinder bemerkbar macht, dies wurde durch einen strichpunktierten Pfeil 30 symbolisiert. Mit einem nachfolgenden Funktionsblock 31 wird angedeutet, dass der Verlauf des Zylinderdrucks insbesondere zylinderindividuell gemessen wird, beispielsweise direkt mittels geeigneter Drucksensoren. Alternativ kann der Zylinderdruck auch indirekt z. B. mittels Klopf- oder sonstiger Körperschallsensoren ermittelt werden. Eine sich daraus ergebende Ausgangsgröße 32 kann beispielsweise einem Steuergerät zugeführt, wird aber insbesondere einem nachgeschalteten Funktionsblock 33 zur Berechnung von Verbrennungsmerkmalen zugeführt.
Aus dem Ausgangssignal 32 der den Druckverlauf direkt oder indirekt messenden Druck-, Klopf-, Körperschall- oder sonstiger Sensoren wird im Funktionsblock 33 beispielsweise auf bekannte Art und Weise ( DE 102 18 736 A1 , DE 199 31 985 A1 ) der indizierte Druckverlauf und daraus der Brennverlauf bzw. der Energieumsatz bestimmt, der charakteristisch ist für ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine und sich zur Steuerung/Regelung des Verbrennungsvorgangs eignet.
Daraus ergibt sich ein Brennverlauf, wie er in den 1b, 1d und 1f anhand der Kurven 1b, 1d und 1f beispielhaft dargestellt ist. Anhand des Brennverlaufs können einer oder mehrere Umsatzpunkte H_XX, insbesondere der Umsatzschwerpunkt H₅₀, bestimmt werden. Als Ausgangsgröße 34 des Funktionsblocks 33 ergeben sich Verbrennungs-Istwerte in einem Funktionsblock 35.
Zur (zylinderindividuellen) Regelung der Verbrennung werden Ausgangsgrößen 36 vom Funktionsblock 35 der Summier- oder Additionsstelle 25 zugeführt, wo sie von den Sollwerten 24 aus dem Basiskennfeld 21 subtrahiert werden. Damit ist der Regelkreis zur Verbrennungsregelung geschlossen.
In 3 wurde die Regelstruktur 20 der 2 um eine zusätzliche Regelschleife 40 erweitert. Diese Regelschleife 40 dient dem Zweck, dass auf Basis des gemessenen Brennraumdruckverlaufs eine Geräuschabschätzung vorgenommen wird und dass zusätzlich eine auf Basis der Geräuschabschätzung gebildete Größe (Indizierkennwert LVG2) die Parameter der Einspritzung (Einspritzbeginn, Einspritzdauer, Aufteilung oder eine Größe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge) beeinflusst.
Hierzu werden die Drehzahl 22 und das Drehmoment 23 oder die Einspritzmenge der Brennkraftmaschine zusätzlich einem Kennfeld 41 zugeführt, in welchem Sollwerte für das Motorgeräusch abgelegt sind. Diese Sollwerte werden als Ausgangsgröße 42 des Kennfelds 41 einer Summier- oder Additionsstelle 43 mit einer Ausgangsgröße 44 zugeführt. Diese Ausgangsgröße 44 wird nun ebenso wie die Ausgangsgröße 26 dem Koordinator 27 für die Einspritzung zugeführt, so dass im Koordinator 27 zusätzlich die Regelgröße 44 für das Motorgeräusch berücksichtigt wird. Die nachfolgende Prozedur in den Funktionsblöcken 29, 31 und 33 verläuft analog zu derjenigen in 2.
Im Unterschied zur 2 wird die Ausgangsgröße 34 des Funktionsblocks 33 (Verbrennungsmerkmalberechnung) einem weiteren Funktionsblock 45 zugeführt. In diesem Funktionsblock 45 wird auf Basis des direkt oder indirekt gemessenen Verlaufs des Zylinderdrucks (Funktionsblock 31) und den daraus errechneten Verbrennungsmerkmalen (Funktionsblock 33) eine Abschätzung des Motorgeräusches vorgenommen. Alternativ kann die Geräuschabschätzung im Funktionsblock 45 auch auf Basis anderer oder weitere Sensoren und deren Signale durchgeführt werden, beispielsweise mittels Körperschall-, insbesondere Klopfsensoren. Als Ausgangssignal 46 des Funktionsblocks 45 werden Geräusch-Istwerte der Summier- oder Additionsstelle 43 zugeführt und dort von den Sollwerten 42 subtrahiert.
Mit der in 2 und 3 gezeigten Regelstruktur kann ein optimaler Brennverlauf bzw. ein Energieumsatz erreicht werden, wie er in den 1b, 1d, 1f dargestellt ist. Durch eine zylinderindividuelle Regelung wird ein insgesamt niedrigeres Niveau des Verbrennungsgeräusches erzielt. Insbesondere mittels der Regelstruktur nach 3 wird erreicht, dass sich das Verbrennungsgeräusch entsprechend einer Drehzahländerung verhält, so dass der Fahrer eine akustische Rückmeldung insbesondere bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit erhält.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, – bei dem zylinderindividuell wenigstens eine Größe (H_XX, H₅₀), die einen jeweiligen Verlauf einer Verbrennung in einem zugehörigen Brennraum charakterisiert, gebildet wird und – abhängig von dieser wenigstens einen, den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe (H_XX, H₅₀) die Regelung von zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzparametern beeinflusst wird und – aus dem gemessenen Brennraumdruckverlauf in Abhängigkeit von einem Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein indizierter Mitteldruckwert (pmi) und ein indizierter Druckverlauf gebildet werden und – aus dem indizierten Druckverlauf die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe in Form eines (Energie-)Umsatzpunktes oder Verbrennungspunktes (H_xx, H₅₀) oder eines Näherungswertes hiervon gebildet wird und – die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_xx, H₅₀) den zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn (5) einer Voreinspritzung (3) und dem Beginn (6) einer Haupteinspritzung (4) beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) einen Einspritzbeginn (5, 6), eine Einspritzdauer, eine Aufteilung (3, 4) oder eine Größe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) einen zeitlichen Abstand zwischen einem Beginn einer Einspritzung (5, 6) und dem Auftreten (15) der den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größe (H_XX, H₅₀) beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) den zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn (5) einer Voreinspritzung (3) und dem Auftreten (15) der den Verbrennungsverlauf charakterisierenden Größen (H_XX, H₅₀) beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) den zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn (5) der Voreinspritzung (3) und dem Auftreten des Verbrennungs-Schwerpunktes (H₅₀) beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) den zeitlichen Abstand zwischen dem Beginn (5) einer Voreinspritzung (3) und dem Beginn (6) einer Haupteinspritzung (4) beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) die Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge zwischen einer Einspritzungsmenge der Vorverbrennung (3) und einer Einspritzungsmenge der Haupteinspritzung (4) beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verbrennungsverlauf charakterisierende Größe (H_XX, H₅₀) eine Abgasrückführrate, eine Luftmasse oder eine Drosselklappenstellung beeinflusst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des gemessenen Brennraumdruckverlaufs eine Geräuschabschätzung (45) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf Basis der Geräuschabschätzung (45) gebildete Größe (LVG2) einen Einspritzbeginn (5, 6), eine Einspritzdauer, eine Aufteilung (3, 4) oder eine Größe einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge beeinflusst.