DE102008027344A1

DE102008027344A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008027344A1
Application number: DE102008027344A
Authority: DE
Inventors: Simon Dipl.-Ing. Binder; Yuriy Dipl.-Ing. Bogachik; Alfred Dipl.-Ing. Frommelt; Michael Dipl.-Ing. Klier (FH); Thomas Dipl.-Ing. Liebscher; Werner Mayer; Michael Dr. sc. tech. Mladek; Rüdiger Dipl.-Ing. Pfaff; Horst Dipl.-Ing. Prilop; Josef Dr. Steuer; Michael Ufken; Jens Dr. Vortisch; Matthias Dipl.-Ing. Wolf
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-06-07
Filing date: 2008-06-07
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Verbrennung einer Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors (4) in einen Zylinder (1) des Dieselmotors eingespritzt und selbsttätig gezündet wird, wobei ein Kurbelwinkel (alpha) in verschiedenen Kurbelwinkelbereichen des Dieselmotors bestimmt wird, bei dem mindestens eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bestimmen eines ersten, den Ansteuerbeginn (ABHE) der Haupteinspritzung (HE) repräsentierenden Wertes (Kurbelwinkel alpha1) einer vorgegebenen Betriebsgröße (Kurbelwinkel alpha), - Ermitteln eines zweiten, die 50%-ige Betriebsposition eines normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs Q50norm) repräsentierenden Wertes (Kurbelwinkel alpha2) der vorgegebenen Betriebsgröße (Kurbelwinkel alpha), - Ermitteln eines geometrischen Zwischenwertes (MW) aus dem ersten und zweiten Wert (alpha1, alpha2) der Betriebsgröße (alpha), - Ermitteln einer Verbrennungsformzahl (VFZ) als Führungsgröße für die Verbrennungsregelung (Vr) anhand des ermittelten geometrischen Zwischenwertes (MW) der Betriebsgröße (alpha).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkt einspritzenden Dieselmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Personenkraftwagen werden verbreitet selbst zündende Brennkraftmaschinen mit innerer Gemischbildung eingesetzt, die auch als Dieselmotor bezeichnet werden. Die für die Verbrennung erforderliche Luft wird dabei im Brennraum hoch verdichtet. Dabei entstehen hohe Temperaturen, bei denen sich der eingespritzte Dieselkraftstoff selbst entzündet.
Der Dieselmotor enthält einen oder mehrere Zylinder. Der Dieselmotor umfasst einen Injektor, mittels dessen eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Zylinder des Dieselmotors vorgenommen wird. Mit in den Zylinder angesaugter Frischluft entsteht ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, welches selbsttätig gezündet wird. Durch einen Druckaufnehmer wird der Zylinderdruckverlauf gemessen, aus dem z. B. der Heizverlauf ermittelt wird.
Die Verbrennungsvorgänge im Dieselmotor hängen in entscheidendem Maße von der Aufbereitung des Luft-Kraftstoff-Gemisches ab. Durch die Steuerung des Verbrennungsablaufs durch Steuerung und/oder Regelung von Einspritzparametern für Vor- und Haupteinspritzungen werden dabei Abgas- und Geräuschemissionen wesentlich beeinflusst, insbesondere reduziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Verbrennung einer Brennkraftmaschine über einen weiten Betriebsbereich anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Dazu wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors in einen Zylinder des Dieselmotors eingespritzt und selbsttätig gezündet wird, wobei ein Kurbelwinkel in verschiedenen Kurbelwinkelbereichen des Dieselmotors bestimmt wird, bei dem mindestens eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung von Kraftstoff erfolgt. Erfindungsgemäß werden ein erster, den Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung repräsentierender Wert einer vorgegebenen Betriebsgröße und ein zweiter, die 50%-ige Betriebsposition eines normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs repräsentierender Wert der vorgegebenen Betriebsgröße bestimmt, wobei anhand des ersten und zweiten Wertes der Betriebsgröße ein geometrischer Zwischenwert und anhand dieses Zwischenwertes eine Verbrennungsformzahl als Führungsgröße für die Verbrennungsregelung ermittelt werden.
Durch eine derartige, den Heizverlauf verschiedener Einspritzbereiche, wie Voreinspritzung und Haupteinspritzung, und somit die meisten Betriebspunkte berücksichtigende Verbrennungsformzahl für die Verbrennungsregelung kann diese über einen Motorbetriebsbereich, in dem mindestens eine Voreinspritzung aktiv ist, aktiviert bleiben. Durch eine derartige, auf einer vom Kurbelwinkel und normierten oder nicht normierten Integralheizverlauf abhängigen Verbrennungsformzahl basierten Verbrennungsregelung kann die Verbrennung durch kontrollierte Anpassung der Voreinspritzung stabilisiert werden. Dadurch werden Zündaussetzer vermieden. Zudem werden die Emission von Verbrennungsgeräusch und Stickoxiden sowie der Kraftstoffverbrauch verbessert. Auch kann eine höhere AGR-Rate eingestellt werden.
Dabei wird für die Bestimmung der Regelgröße vorzugsweise mindestens ein Wert eines Kurbelwinkels eines Zylinders ermittelt. Insbesondere werden mehrere Werte ermittelt, die verschiedene Kurbelwinkelbereiche des Dieselmotors repräsentieren. Die Verbrennungsformzahl kann dabei sowohl bei einem Kaltstart, einem Kaltlauf als auch bei einem betriebswarmen Dieselmotor verwendet werden. Dabei beschreibt die Verbrennungsformzahl als aus dem ermittelten Kurbelwinkelwert bestimmter Q-Wert des normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs den Umsatz oder die Einspritzmenge der Voreinspritzung insbesondere im Bereich des Plateaus, das sich aus der Verbrennung bei einer Voreinspritzung ergibt.
Im Detail werden ein erster, den Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung repräsentierender Kurbelwinkel des Zylinders und ein zweiter, die 50%-ige Betriebsposition des normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs (auch kurz H50-Wert genannt) repräsentierender Kurbelwinkel für den Zylinder bestimmt, anhand derer ein geometrischer Zwischenwert ermittelt wird, wobei anhand dieses Zwischenwertes eine Verbrennungsformzahl als Führungsgröße für die Verbrennungsregelung ermittelt wird. Somit repräsentiert die Verbrennungsformzahl die an der ermittelten Kurbelwinkelstelle auftretende Betriebsposition des normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs (auch kurz Hxx-Wert genannt) und den Umsatz oder die Einspritzmenge der Einspritzung im betreffenden Kurbelwinkelbereich, z. B. den erforderlichen Umsatz bei der Voreinspritzung.
Darüber hinaus können anhand des ermittelten Wertes des Heizverlaufs Einspritzmengen für die verschiedenen Einspritzphasen, beispielsweise für eine oder mehrere Voreinspritzungen, ermittelt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist zumindest eine der vorgenannten Einspritzungen als Mehrfacheinspritzung, insbesondere als Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt. Bei einem entsprechenden, beispielsweise in Piezobauweise ausgeführten Injektor können eine oder mehrere der vorgenannten Einspritzungen in kurze, nur wenige Millisekunden lange Teileinspritzungen aufgeteilt werden. Dies erlaubt eine präzise Anpassung der Einspritzung an den jeweiligen Lastfall.
Insgesamt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Einsparung von Kraftstoff durch den Betrieb des direkt einspritzenden Dieselmotors mit fortlaufend ermittelter Verbrennungsformzahl für die Verbrennungsregelung erreicht werden. Es ergibt sich eine Erweiterung des Betriebsbereiches des Dieselmotors, in dem der direkt einspritzende Dieselmotor bei akzeptablen Schadstoffemissionen betrieben werden kann. Nach einem Kaltstart bei extrem niedrigen Temperaturen ist zudem ein sicherer Betrieb bei reduzierter Partikel-, Stickstoff-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonooxidemission infolge der fortlaufend angepassten Voreinspritzmenge aufgrund der fortlaufend ermittelten Heizverlauf-Verbrennungsformzahl möglich. Hierdurch sind auch Verbrauchsvorteile unter anderem infolge einer geringeren Anzahl notwendiger Regenerationen des NO_x-Speicherkatalysators und des Partikelfilters erzielbar.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1 schematisch einen Teil einer Brennkraftmaschine im Bereich eines angedeuteten Zylinders mit einem Injektor, einer Glühstiftkerze und einem Steuergerät,
2 schematisch eine Blockdarstellung einer Verbrennungsregelung für die Brennkraftmaschine, und
3 eine Diagrammdarstellung der in erfindungsgemäßer Weise bei verschiedenen Kurbelwinkeln in der Anordnung nach 1 vorgesehenen Heizverlauf-Werte als Verbrennungsformzahl.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ausschnittsweise einen direkt einspritzenden Dieselmotor im Bereich eines Zylinders 1.
Der Dieselmotor kann einen oder mehrere Zylinder 1 mit je einem darin zyklisch auf und ab bewegten Kolben 2 aufweisen. Der Zylinder 1 ist in seiner Längsrichtung auf der dem Kolben 2 gegenüber liegenden Seite durch einen Zylinderkopf 3 verschlossen, wobei dessen Innenraum in Gegenrichtung durch den Kolben 2 begrenzt ist.
Durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens 2 und daran gekoppelte Steuerzeiten von nicht dargestellten Ein- und Auslassventilen können beispielsweise zwei oder vier in zyklischer Abfolge aneinander gereihte Verfahrenstakte des Dieselmotors vorgegeben werden.
Zur Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder 1 ist ein Injektor 4 vorgesehen, der mittels eines schematisch angedeuteten Steuergerätes 5 betätigt wird. Der in den Zylinder 1 eingespritzte Kraftstoff bildet zusammen mit in einem nicht näher dargestellten Ansaugtakt angesaugtem Frischluftvolumen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch (im Weiteren Gasgemisch genannt), welches selbsttätig gezündet wird.
Dabei wird die Einspritzung durch den Injektor 4 in verschiedenen Betriebsbereichen, wie Voreinspritzung VE und Haupteinspritzung HE mittels des Steuergerätes 5 gesteuert. Die selbsttätige Zündung bewirkt eine Entflammung und Verbrennung des im Zylinder 1 befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches. Das daraus entstehende Abgas wird mittels eines oder mehrerer nicht dargestellter Auslassventile durch einen Abgaskanal 7 aus dem Zylinder 1 herausgeleitet und zur Nachbehandlung durch mindestens einen Abgaskatalysator 8 hindurchgeführt. Der Abgaskatalysator 8 kann von beliebiger geeigneter Bauweise sein.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Verbrennungsregelung anhand eines in 2 dargestellten Reglers und eines in 3 dargestellten Heizverlaufs-Kurbelwinkel-Diagramms näher beschrieben. Aus der Zusammenschau der 1 bis 3 ergibt sich ein mögliches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Verbrennungsregelung Vr für die Brennkraftmaschine. Dabei wird einem Regler 9 eine Verbrennungsformzahl VFZ als Führungsgröße zugeführt. Die Verbrennungsformzahl VFZ ist ein vom Kurbelwinkel α abhängiger Wert und wird aus dem normierten oder nicht normierten Integralheizverlauf Q1_norm mittels mehrerer, verschiedene Betriebspositionen, wie z. B. Ansteuerbeginn ABHE der Haupteinspritzung HE und die so genannte H50-Lage des Kolbens 2 des Zylinders 1, repräsentierende Kurbelwinkeln α1, α2 bestimmt.
Unter dem Heizverlauf Q wird dabei insbesondere die durch die Verbrennung an das Arbeitsgas, das Gasgemisch übergehende Wärme pro Kurbelwinkel α verstanden. Die Einheit des Wertes des Heizverlaufes Q ist üblicherweise [J/grad] oder entsprechende Umrechnungen. Dabei kann der Heizverlauf Q unter Anwendung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik bei Kenntnis kalorischer Daten von Verbrennungsgas und Kraftstoff sowie Daten der Motorgeometrie und unter Zuhilfenahme vom gemessenen Zylinderdruckverlauf ermittelt werden. Der normierte Integralheizverlauf Q_norm ist insbesondere das normierte Integral über dem Kurbelwinkel α. Für das erfindungsgemäße Verfahren kann der normierte oder nicht normierte Integralheizverlauf verwendet werden.
Der Ausgang A des Reglers 9 wird auf ein Stellglied 10 gegeben. Das Stellglied 10 bei der vorliegenden Verbrennungsregelung ist insbesondere der Injektor 4. Als Ausgangs- und Stellgröße des Stellglieds 10 wird beispielsweise eine Voreinspritzmenge des über den Injektor 4 einströmenden Kraftstoffs ermittelt und dem Brennraum des Zylinders 1 zugeführt. Als Regelgröße wird die aktuelle Verbrennungsformzahl VFZ ermittelt, danach wird die Regelabweichung ermittelt und die Voreinspritzmenge E über den Regler 9 angepasst. Bei einer positiven Regelabweichung wird in der Voreinspritzung VE mehr Kraftstoff eingespritzt, bei negativer Regelabweichung weniger. Das Gesamteinspritzvolumen, d. h. das Einspritzvolumen aller Voreinspritzungen VE und der Haupteinspritzung HE, bleibt dabei gleich. Mit anderen Worten: Bei einer Erhöhung des Voreinspritzvolumens wird die entsprechende Kraftstoffmenge von der Haupteinspritzmenge abgezogen.
Im Detail wird, wie beispielhaft für einen Kurbelwinkelbereich in 3 anhand des Diagramms dargestellt, zunächst ein erster Wert α1, z. B. –0.5°, des Kurbelwinkels α zum Ansteuerbeginn ABHE einer Haupteinspritzung HE bestimmt. Anschließend wird ein zweiter Wert α2, z. B. 11°, des Kurbelwinkels α bestimmt, der die 50%-ige Betriebsposition oder H50-Lage des ermittelten normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs Q1_norm repräsentiert. Nachfolgend wird der geometrische Zwischenwert MW aus dem ersten und zweiten Kurbelwinkel α1 bzw. α2 des Zylinders 1 bestimmt.
Als geometrischer Zwischenwert MW wird in einer möglichen Ausführungsform ein geometrischer Mittelwert aus den Kurbelwinkeln α1, α2 zum Ansteuerbeginn ABHE der Haupteinspritzung HE und zur H50-Lage bestimmt, d. h. MW(α) = (α1(ABHE) + (α1(H50) – α2(ABHE))·0.5). [1]
Dabei kann der geometrische Mittelwert für eine vorgegebene Anzahl von vorangegangenen Arbeitsspielen, beispielsweise der letzten sechs Arbeitsspiele ermittelt werden.
Alternativ kann der Zwischenwert MW als ein anderer geeigneter Wert ermittelt werden, z. B. MW(α) = (α1(ABHE) + (α1(H50) – α2(ABHE))·0.4). [2]
Zu dem ermittelten geometrischen Zwischenwert MW in Grad Kurbelwinkel α wird in einem nächsten Schritt aus dem normierten oder nicht normierten Integralheizverlauf Q1_norm die Verbrennungsformzahl VFZ, z. B. VFZ = 0.12, ermittelt. Anhand der ermittelten Verbrennungsformzahl VFZ wird dann die Regelabweichung bestimmt und zur Anpassung des Volumens der Voreinspritzung VE, d. h. der Einspritzmenge E, genutzt.
Durch die Führung der Verbrennungsregelung Vr anhand der Verbrennungsformzahl VFZ erfolgt eine Stabilisierung der Verbrennung durch eine kontrollierte Anpassung der Voreinspritzung VE. Dadurch können unter anderem Zündaussetzer vermieden, das Verbrennungsgeräusch angepasst und höhere AGR-Raten eingestellt werden, so dass eine bessere NOx-Emission erzielt wird.
Dabei kann die Verbrennungsformzahl VFZ fortlaufend ermittelt werden. Insbesondere bei mehrere Teileinspritzungen umfassenden Voreinspritzungen VE wird der jeweilige Kurbelwinkel α und daraus resultierend die Verbrennungsformzahl VFZ insbesondere wertkontinuierlich bestimmt und somit für die verschiedenen Lastbereiche bestimmt.

1: Zylinder
2: Kolben
3: Zylinderkopf
4: Injektor
5: Steuergerät
6: Glühstiftkerze
7: Abgaskanal
8: Abgaskatalysator
9: Regler
10: Stellglied
A: Ausgangsgröße des Reglers
ABHE: Ansteuerbeginn Haupteinspritzung
E: Einspritzmenge
Q: Heizverlauf
HE: Haupteinspritzung
Q_norm: normierter Heizverlauf
Q1_norm: ermittelter normierten Heizverlauf
Q50_norm: 50%-iger normierten Heizverlauf
MW: geometrischer Zwischenwert
VE: Voreinspritzung
VFZ: Verbrennungsformzahl (= Wert des dem geometrischen Zwischenwert des Kurbelwinkels entsprechenden Heizverlaufs)
Vr: Verbrennungsregelung
α: Kurbelwinkel
α1: Kurbelwinkel zu Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung
α2: Kurbelwinkel zum 50%-igen Heizverlauf
H50: Winkellage des 50%-igen Umsatzes des Heizverlaufs

Claims

Verfahren zur Regelung einer Verbrennung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines direkt einspritzenden Dieselmotors, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors (4) in einen Zylinder (1) des Dieselmotors eingespritzt und selbsttätig gezündet wird, wobei ein Kurbelwinkel (α) in verschiedenen Kurbelwinkelbereichen des Dieselmotors bestimmt wird, bei dem mindestens eine Einspritzung von Kraftstoff in einer Voreinspritzung (VE) und einer Haupteinspritzung (HE) erfolgt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bestimmen eines ersten, den Ansteuerbeginn (ABHE) der Haupteinspritzung (HE) repräsentierenden Wertes (Kurbelwinkel α1) einer vorgegebenen Betriebsgröße (Kurbelwinkel α), – Ermitteln eines zweiten, die 50%-ige Betriebsposition eines normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs (Q50_norm) repräsentierenden Wertes (Kurbelwinkel α2) der vorgegebenen Betriebsgröße (Kurbelwinkel α), – Ermitteln eines geometrischen Zwischenwertes (MW) aus dem ersten und zweiten Wert (α1, α2) der Betriebsgröße (α), – Ermitteln einer Verbrennungsformzahl (VFZ) als Führungsgröße für die Verbrennungsregelung (Vr) anhand des ermittelten geometrischen Zwischenwertes (MW) der Betriebsgröße (α).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsgröße mindestens ein Wert (α1, α2) eines Kurbelwinkels (α) eines Zylinders (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsformzahl (VFZ) anhand eines Zylinder (1) spezifischen, insbesondere Kurbelwinkel (α) spezifischen normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs (Q1_norm, Q50_norm) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, verschiedene Kurbelwinkelbereiche des Dieselmotors repräsentierende Werte (α1, α2) des Kurbelwinkels (α) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bestimmen eines ersten, den Ansteuerbeginn (ABHE) der Haupteinspritzung (HE) repräsentierenden Kurbelwinkels (α1), – Ermitteln eines zweiten, die 50%-ige Betriebsposition eines normierten oder nicht normierten Integralheizverlaufs (Q50_norm) repräsentierenden Kurbelwinkels (α2), – Ermitteln eines geometrischen Zwischenwertes (MW) aus dem ersten und zweiten Kurbelwinkel (α1, α2), – Ermitteln der Verbrennungsformzahl (VFZ) als Führungsgröße für die Verbrennungsregelung (Vr) anhand des ermittelten geometrischen Zwischenwertes (MW) der Kurbelwinkel (α1, α2).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ermittelten Verbrennungsformzahl (VFZ) die erforderliche Einspritzmenge (E) für die Voreinspritzung (VE) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Voreinspritzung (VE) und/oder Haupteinspritzung (HE) eine Mehrfach-, insbesondere Zweifach- oder Dreifacheinspritzung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als geometrischer Zwischenwert ein geometrischer Mittelwert oder ein anderer geeigneter geometrischer Wert ermittelt wird.
Vorrichtung zur Regelung einer Verbrennung eines direkt einspritzenden Dieselmotors, bei dem Kraftstoff mittels eines Injektors (4) in einen Zylinder (1) des Dieselmotors einspritzbar und selbsttätig zündbar ist, wobei ein Kurbelwinkel (α, α1, α2) in verschiedenen Kurbelwinkelbereichen des Dieselmotors bestimmbar ist, bei dem mindestens eine Voreinspritzung (VE) und eine Haupteinspritzung (HE) von Kraftstoff erfolgt, nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.