DE102006033484B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von Eingangsgrößen eine den Verbrennungsablauf charakterisierende Brennraumgröße ermittelt wird, wobei dies unter Verwendung eines Polytropenexponenten erfolgt, wobei die Brennraumgröße mittels einer Exponentialfunktion ermittelt wird, wobei die Exponentialfunktion mittels eines quadratischen Terms angenähert wird.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von Eingangsgrößen eine den Verbrennungsablauf charakterisierende Brennraumgröße ermittelt wird.
• Die Entstehung von Schadstoffen im Abgas einer Verbrennungsmaschine kann durch die Optimierung der Kraftstoffverbrennung reduziert werden. Für die Optimierung der einzelnen Verbrennungsschritte ist eine genaue Kenntnis verschiedener Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine notwendig. Dies sind insbesondere, die den Verbrennungsablauf charakterisierenden Brennraumgrößen, wie beispielsweise den Druck im Brennraum und die Temperatur im Brennraum. Diese Größen verändern sich über die Hubbewegung des Kolbens der Brennkraftmaschine abhängig von der Wärmeverlusteigenschaft des Motors und der Gaszusammensetzung. Die Gaseigenschaft der Luft im Brennraum werden beispielsweise durch die Zumischung von Abgas, insbesondere durch eine Abgasrückführung, und/oder durch Wasser bzw. Wasserdampf verändert.
• Aus der DE 10 2004 038 122 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Polytropenexponent bestimmt wird. Basierend auf diesem werden mehrere Brennraumgrößen berechnet.
• Die DE 103 06 903 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln von Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine. Dabei wird ebenfalls ein Polytropenexponent bestimmt, ausgehend von diesem wird dann eine kurbelwellenwinkelabhängige Druckverlaufskurve in einem Brennraum ermittelt.
• Offenbarung der Erfindung
• Vorteile der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass eine Echtzeitberechnung, der den Verbrennungsablauf charakterisierenden Brennraumgrößen, wie beispielsweise Brennraumdruck und Brennraumtemperatur in der Kompressionsphase während des Motorbetriebs möglich ist. Dabei ist auch eine Berechnung mit einer von reiner Luft abweichenden Gaszusammensetzung, wie es beispielsweise bei einer aktiven Abgasrückführung der Fall ist, möglich. Dadurch ist eine vorausschauende Verbrennungsoptimierung unter Zuhilfenahme von den Verbrennungsablauf charakterisierenden Brennraumgrößen wie Druck und Temperatur möglich. Dadurch ist eine vorausschauende Regelung und/oder Steuerung möglich. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine und
• 2 eine detaillierte Darstellung der Berechnung einzelner Größen,
• Ausführungsformen der Erfindung
• In der 1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine dargestellt. In 1 ist ein Steller mit 100 bezeichnet. Dieser wird von einer Steuerung 110 mit einem Ansteuersignal A beaufschlagt. Die Steuerung 110 berechnet das Ansteuersignal A ausgehend von verschiedenen Größen, wie beispielsweise dem Ausgangssignal S eines Sensors 156 sowie dem Ausgangssignal P einer Druckberechnung 120. Dieser Druckberechnung werden verschiedene Signal, wie die Größe V, die von einer Vorgabe 154 bereitgestellt wird und einer Größe K, die von einem Modell 130 bereitgestellt wird. Das Modell 130 berechnet die Größe K ausgehend von verschiedenen Betriebskenngrößen wie beispielsweise der Drehzahl N der Brennkraftmaschine und/oder von einem Luftmengenwert ML. Die Drehzahl N der Brennkraftmaschine wird von einem Drehzahlsensor 150 bereitgestellt. Der Luftmengenwert ML wird ebenfalls von einem Sensor 152 bereitgestellt.
• Bei alternativen Ausgestaltungen kann vorgesehen werden, dass anstelle der Sensoren 150, 152, 154 und/oder 156 diese Größen ausgehend von anderen Größen ermittelt werden. Insbesondere können Modelle vorgesehen sein, die einzelne oder mehrere Größen ausgehend von anderen Betriebskenngrößen oder intern in der Steuerung vorliegenden Steuergrößen berechnen. Des weiteren können neben diesen dargestellten Größen noch weitere Größen von der Steuerung 110, von der Druckberechnung 120 und/oder von dem Modell 130 berücksichtigt und verwendet werden.
• Ferner ist es möglich andere Größen, die den Verbrennungsablauf charakterisieren mit der selben oder mit einer modifizierten Vorgehensweise zu ermitteln.
• Die Druckberechnung 120 berechnet den Brennraumdruck P gemäß der folgenden Formel: $$Pz=p_0{\left(\frac{V0}{Vz}\right)}^K$$

  
• Der jeweils aktuelle Brennraumdruck ist mit Pz bezeichnet. Mit P0 ist der Ausgangswert des Brennraumdrucks, mit V0 das Ausgangsvolumen des Zylinders und mit Vz das jeweils aktuelle Zylindervolumen bezeichnet. Mit K ist der polytrope Exponent bezeichnet.
• Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Polytropenexponent K von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängt. Dies sind unter Anderem die Abgasrückführrate EGR, die Kühlwassertemperatur T, die Drehzahl N und die Luftmasse ML. Ferner ist mit PHI der fortlaufende Kurbelwellenwinkel und mit ti die verstrichene Zeit seit dem Schließen des Einlassventils bezeichnet. Unter Berücksichtigung dieser Größen ergibt sich der polytrope Exponent K gemäß der folgenden Formel: $$\text{K}=\text{A1}+\text{A2*PHI/ti}+\text{A3*T/ti}+\text{A4*N/ti}+\text{A5*EGR*ti}+\text{A6*PHI}+\text{A7*ML/ti}$$

  
• Bei den Größen A1 bis A7 handelt es sich um Parameter, die für die jeweilige Brennkraftmaschine charakteristisch sind und die zumindestens einmalig im Leben der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Bei einer verbesserten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass diese Parameter in bestimmten Abständen und/oder bei Vorliegen bestimmter Betriebszustände jeweils neu berechnet werden.
• Bei vereinfachten Ausführungsformen können eine oder mehrere der Größen als Konstante angenommen werden. Dies bedeutet dass der jeweilige Faktor Ai zu Null wird und die Größe im Faktor A1 berücksichtigt wird.
• Zur Ermittlung der Parameter wird bei unterschiedlichen Drehzahlen, Motortemperaturen und Abgasrückführraten und Zylinderbefüllung, d. h. unterschiedlichen Luftmengen der Druck im Brennraum aufgezeichnet. Zu jedem gemessenen Druck lässt sich durch Umstellung der Gleichung der Polytropenexponent K ermitteln.
• Nach der Arbeitspunktzuordnung werden die Parameter mittels Minimierung des Fehlerquadrats bestimmt. Dabei wird auch der maximale Fehler minimiert. Des weiteren ist vorgesehen, dass die einzelnen Gradienten über die einzelnen Eingangsgrößen bewertet werden. Dies erfolgt vor dem Hintergrund, dass bei der Berechnung im Motorsteuergerät toleranzbehaftete Eingangsgrößen verwendet werden. Der hierdurch entstehende Fehler darf eine vorgegebene Grenze nicht überschreiten.
• Dies bedeutet, dass der Polytropenexponent K abhängig von der Winkelstellung oder der Zeit berechnet wird. Zur Berechnung des Polytropenexponenten werden als Betriebskenngrößen wenigstens einer der Größen Luftmenge, Kühlwassertemperatur, Drehzahl, Abgasrückführrate verwendet. Vorzugsweise wird der Polytropenexponent K für alle Winkelstellungen oder für bestimmte diskrete Werte der Winkelstellung oder der Zeit ermittelt. D. h. es wird der zeitliche Verlauf bzw. der Verlauf über der Winkelstellung ermittelt. Dabei wird als Startwert der Zeitpunkt oder die Winkelstellung verwendet, bei dem das Einlassventil des jeweils betrachteten Brennraums schließt. Dies bedeutet, dass die Ermittlung abhängig von der Winkelstellung oder der Zeit erfolgt.
• Dabei besteht vorzugsweise ein linearer Zusammenhang zwischen dem Polytropenexponenten und den jeweiligen Betriebskenngrößen.
• Dieser Polytropenexponent K wird unter anderem benötigt um Größen zu berechnen, die den Verbrennungsablauf charakterisieren. Dies ist vorzugsweise der Brennraumdruck und/oder die Brennraumtemperatur. Ausgehend von verschiedenen Eingangsgrößen wird die Größe berechnet, die den Verbrennungsablauf charakterisiert. Eine dieser Größen ist der Polytropenexponent K, der ausgehend von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Als Betriebskenngrößen werden wenigstens eine der großen Luftmenge, Kühlwassertemperatur, Drehzahl der Brennkraftmaschine, Abgasrückführrate, Zeit oder Winkelstellung seit dem Schließen des Einlassventils verwendet.
• Mit der beschriebenen Vorgehensweise wird eine genaue aber einfache Vorgehensweise bereitgestellt mit der der Polytropenexponent K im Kraftfahrzeug berechnet werden kann. Dadurch steht der Polytropenexponent die Berechnung weiterer Größen im Kraftfahrzeug, insbesondere zur Steuerung der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
• Die Druckberechnung 120 berechnet den Brennraumdruck gemäß der obigen Formel. Die Steuerung 110 berechnet dann ausgehend von diesem berechneten Brennraumdruck P und weiteren Größen S das Ansteuersignal A zur Beaufschlagung eines Stellelementes. Bei diesem Stellelement kann es sich zum Einen um ein Stellelement zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung wie beispielsweise um einen Injektor eines Common-Rail-Systems handeln. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass andere Stellelemente wie beispielsweise ein Stellelement zur Beeinflussung der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluftmenge oder anderen Stellgrößen, die den Verbrennungsablauf einer Brennkraftmaschine beeinflussen, erfolgt.
• Die Druckberechnung 120 ist in 2 detaillierter dargestellt. Bereits in 1 beschriebenen Elemente sind in 2 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
• Bei der Berechnung des Zylinderdrucks gemäß der obigen Formel ergibt sich die Problematik, dass der Exponent K bekannt sein muss oder als konstant vorausgesetzt werden kann. Ferner ergibt sich die Problematik, dass die Berechnung mit einfachen algebraischen Gleichungen durchzuführen ist, die in einem Steuergerät durchführbar sind.
• In obige Formel $Pz=p_0{\left(\frac{V0}{Vz}\right)}^K$

  

  ist der Ausdruck ${\left(\frac{V0}{Vz}\right)}^K={\nu }^K$

  

  zu berechnen.
• Mit Pz ist der jeweilige Zylinderdruck bei einer bestimmten Winkelstellung oder eines bestimmten Zeitpunktes bezeichnet. Mit V0 ist das Zylindervolumen beim Schließen des Einlassventils bezeichnet. Mit Vz ist das Zylindervolumen bei der bestimmten Winkelstellung oder Zeitpunkt, bei dem der Druck Pz berechnet wird, bezeichnet. Die Größen V0 bzw. der Verlauf Vz über den fortlaufenden Kurbelwinke sind konstant oder können aus der Geometrie des Brennraums und der jeweiligen Winkelstellung berechnet werden. Das Verhältnis v = V0/Vz wird auch als Verdichtungsverhältnis bezeichnet. Erfindungsgemäß wird der Ausdruck v^K als Exponentialfunktion e^K*ln(ν) berechnet. Besonders vorteilhaft ist es wenn der Polytropenexponent mittels der oben beschriebenen Vorgehensweise ermittelt wird. Bei einer Ausgestaltung der Vorgehensweise kann auch vorgesehen sein, dass der Polytropenexponent mittels anderer Vorgehensweisen ermittelt wird oder als annährend konstant angenommen wird.
• Eine solcher Exponentialterm kann üblicher Weise in einer Reihe entwickelt werden, die konvergiert. Problematisch hierbei ist, dass der Logarithmus nur in beschränkten Bereichen konvergiert, wenn zu dessen Berechnung eine Reihenentwicklung herangezogen wird. In der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergibt sich ein sehr geringer Rechenaufwand, so dass dieser in einem Steuergerät im Fahrzeug mit vertretbarem Aufwand berechnet werden kann. Gleichzeitig ergibt sich eine hohe Genauigkeit der Berechnung.
• Üblicher Weise bewegt sich die Größe V in der Größenordnung zwischen dem Wert l und Wert 20. Eine Reihenentwicklung des Logarithmus mit diesen Werten ist wohl möglich, führt aber bei einem vertretbaren Aufwand an Rechenschritten nicht zu einer zufrieden stellenden Genauigkeit. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass der Logarithmus der Größe V in einem Kennfeld abgelegt wird. Dieses Kennfeld wird vorzugsweise im Rahmen der Applikation bedatet.
• Zur Berechnung des Exponentialtermes wird eine Reihenentwicklung herangezogen. Eine solche Reihenentwicklung konvergiert immer, insbesondere bei kleinen Exponenten kann die Reihe schon nach wenigen Termen abgebrochen werden. Bei den angegebenen Größen von der Größe V liegt der Exponent im Bereich zwischen 0 und ca. 5. Um in diesem Bereich eine hohe Genauigkeit zu erzielen darf die Reihe erst nach dem siebten Term abgebrochen werden, dies erfordert einen sehr hohen Rechenaufwand. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass die Größe gemäß der folgenden Formel berechnet wird: $${\text{V}}^{\text{K}}={\text{V e}}^{\left(K-1\right)*\text{ln}\left(\mathrm{\nu }\right)}$$

  
• Der Term im Exponent nimmt nun Werte im Bereich von 0 und ca. 1,8 an. Bei diesen Zahlen ist eine quadratische Reihenentwicklung ausreichend. Wird der Ausdruck (K - 1) * ln(V) durch die Größe t ersetzt, so ergibt sich für den Term V^K die Formel: $${\text{V}}^{\text{K}}=\text{V*}\left(1+\text{t}+{\text{t}}^2/2\right).$$

  
• Erfindungsgemäß erfolgt diese Berechnung in der Druckberechnung. Die Berechnung ist detailliert in 2 dargestellt. Die Größe K gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 210 an dessen zweitem Eingang der Konstantwert 1 von der Vorgabe 215 anliegt. Die Ausgangsgröße des Verknüpfungspunktes 210, die der Größe K - 1 entspricht, gelangt zu dem Verknüpfungspunkt 220, an dessen zweiten Eingang und Ausgang eines Kennfeldes 225 liegt, an dessen Eingang wiederum die Größe V anliegt. Die Größe V wird von der Vorgabe 154 bereitgestellt. Diese ist vorzugsweise als Kennfeld ausgebildet, in dem das Verdichtungsverhältnis V über der Winkelstellung bzw. der Zeit abgelegt ist.
• Am Ausgang des Verknüpfungspunktes 220 liegt das Produkt aus dem Logarithmus der Größe V und dem Wert (K - 1). Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 220 entspricht der Größe t. Die Größe t gelangt zu dem Verknüpfungspunkt 230 an dessen zweiten Eingang ebenfalls die Größe t angelegt. Am Ausgang des Verknüpfungspunkt 230 liegt somit das Produkt t * t an. Dieses wird im Verknüpfungspunkt 240 mit dem Ausgangssignal der Konstantwertvorgabe 245 damit mit dem Wert 0,5 multipliziert. Das Ausgangssignal des Verknüpfungspunkt 240 gelangt zum Verknüpfungspunkt 250, wo das Signal t zu dieser Größe addiert wird. Im Verknüpfungspunkt 260 wird zu dieser Größe noch der Konstantwert 1 der Konstantwertvorgabe 265 hinzuaddiert. Im anschließenden Verknüpfungspunkt 270 wird das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 260 mit der Größe V multipliziert. Somit steht am Ausgang des Verknüpfungspunktes 270 die Größe V^K zur Verfügung. Durch Multiplikation im Verknüpfungspunkt 280 mit dem Druckwert P0 steht am Ausgang des Verknüpfungspunktes 280 der aktuelle Brennraumdruck zur Verfügung.
• Mit dieser Vorgehensweise kann für jede Winkelstellung bzw. jeden Zeitpunkt der aktuelle Brennraumdruck ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe K gemäß der obigen Formel berechnet wird. Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann diese Größe auch als Konstante angenommen oder aus einem Kennfeld entnommen werden.
• Dies bedeutet, dass ausgehend von Eingangsgrößen eine den Verbrennungsablauf charakterisierende Brennraumgröße ermittelt wird. Dies erfolgt unter Verwendung eines Polytropenexponenten. Die Brennraumgröße wird mittels einer Exponentialfunktion ermittelt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Exponentialfunktion mittels eines quadratisehen Terms angenähert wird. Besonders vorteilhaft ist es wenn der Brennraumdruck als Brennraumgröße ermittelt wird. Dabei wird der Brennraumdruck ausgehend von dem Verdichtungsverhältnis V und dem Polytropenexponenten K ermittelt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von Eingangsgrößen eine den Verbrennungsablauf charakterisierende Brennraumgröße ermittelt wird, wobei dies unter Verwendung eines Polytropenexponenten erfolgt, wobei die Brennraumgröße mittels einer Exponentialfunktion ermittelt wird, wobei die Exponentialfunktion mittels eines quadratischen Terms angenähert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennraumgröße der Brennraumdruck ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraumdruck ausgehend von einem Verdichtungsverhältnis und dem Polytropenexponenten ermittelt wird.
4. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die ausgehend von Eingangsgrößen eine den Verbrennungsablauf charakterisierende Brennraumgröße ermittelt, mit Mitteln, die dies unter Verwendung eines Polytropenexponenten durchführen und die die Brennraumgröße mittels einer Exponentialfunktion ermitteln, wobei die Exponentialfunktion mittels eines quadratischen Terms angenähert wird.

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