DE102017114105B4

DE102017114105B4 - System und Verfahren zur Steuerung eines Motors basierend auf einer Abweichung der Kolbentemperatur

Info

Publication number: DE102017114105B4
Application number: DE102017114105.7A
Authority: DE
Inventors: Jeremy J. Anderson; Jonathan T. Shibata; Sharon X. Li
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: US9816454B1; CN107559098A; DE102017114105A1

Abstract

System (100), Folgendes umfassend:ein Kolbentemperatur-Schätzmodul (406) für Kolbentemperaturen, das eine Kolbentemperatur basierend auf Motorbetriebsbedingungen schätzt;ein Temperaturfiltermodul (408), das die geschätzte Kolbentemperatur mit einem Lag-Filter erster Ordnung filtert, wobei das Temperaturfiltermodul den Lag-Filter basierend auf einer Motordrehzahl und einer Durchgangsrate anpasst;ein Kolbentemperaturabweichungs-Schätzmodul (410), das eine Abweichung der gefilterten Kolbentemperatur von einer Kolbentemperatur im stationären Zustand schätzt; undein Motorsteuergerät, das einen Motorsteuerungsparameter basierend auf der geschätzten Abweichung der Kolbentemperatur bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit einem System und Verfahren zur Steuerung eines Motors basierend auf einer Abweichung der Kolbentemperatur.
HINTERGRUND
Die hier vorliegende Hintergrundbeschreibung dient der generellen Vorstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik.
Verbrennungsmotoren verbrennen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in Zylindern zur Bewegung der Kolben zur Erzeugung des Antriebsmoments. Die Luftzufuhr in den Motor erfolgt über eine Drosselklappe, die zur Regulierung der Luftmenge für den Motor den Drosselklappenbereich anpasst. Ein Kraftstoffregelsystem passt die Kraftstoffeinspritzmenge an, um die Zylinder mit einem erwünschten Kraftstoff-Luft-Gemisch zu versorgen und/oder um ein erwünschtes Abtriebsdrehmoment zu erzielen. Eine Versorgung der Zylinder mit mehr Kraftstoff und Luft erhöht das Abtriebsdrehmoment des Motors.
In Fremdzündungsmotoren löst ein Zündfunke die Verbrennung eines den Zylindern zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs aus. In Selbstzündungsmotoren wird das den Zylindern zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Kompression in den Zylindern gezündet. Der Zündzeitpunkt und die Luftzufuhr können die wesentlichen Faktoren zur Regelung der Drehmomentausgabe von Fremdzündungsmotoren sein, während die Kraftstoffzufuhr der wesentliche Faktor zur Regelung der Drehmomentausgabe von Selbstzündungsmotoren sein kann.
Das durch ein Abgassystem strömende Abgas kann Partikel enthalten. Zur Ausfilterung dieser Partikel wurden Komponenten für die Abgasanlage entwickelt, beispielsweise Partikelfilter. Diese Komponenten machen das Fahrzeug allerdings teurer und schwerer.
Ein in der Druckschrift US 8 989 989 B2 (nachfolgend „das Patent '989'' genannt) beschriebenes System, dessen Beschreibung hier zur Gänze enthalten ist, umfasst ein Schätzmodul für Temperaturen und ein Kraftstoffsteuergerät. Das Temperaturschätzmodul schätzt eine Kolbentemperatur eines Zylinders basierend auf den Motorbetriebsbedingungen. Das Kraftstoffsteuergerät steuert für den Zylinder einen Einspritzzeitpunkt, einen Einspritzdruck, eine Einspritzlage oder die Anzahl der Einspritzimpulse pro Motortakt basierend auf der geschätzten Kolbentemperatur.
Aus der Druckschrift DE 10 2014 103 145 A1 ist ein Verfahren und ein Motorsteuergerät zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt. In der Druckschrift DE 10 2010 019 987 A1 ist eine Einspritz-Vorverstellung zur Kolbenkühlung in Motoren mit Funkenzündung und Direkteinspritzung beschrieben. Die Druckschrift DE 10 2016 123 664 A1 offenbart eine Steuervorrichtung für Maschine mit interner Verbrennung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes System und ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Motors basierend auf einer Abweichung der Kolbentemperatur bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Während allgemein verstanden wird, dass die aktuellen Kolbentemperaturen während des normalen Motorbetriebs schwanken, können konventionelle Systeme diese Schwankungen nur sehr grob ausgleichen. In der Entwicklung wird ein erheblicher Aufwand bei der Kalibrierung eines Motorsteuersystems für jede Motorenfamilie betrieben. Als Teil des Kalibriervorganges können die tatsächlichen Kolbentemperaturen erfasst und die Steuerdaten für den Motor optimiert werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, beispielsweise die Verminderung der Rußemissionen. Der Motor wird betrieben, bis sich die Bedingungen so stabilisiert haben, dass sie im Wesentlichen in einem „stationären“ Zustand sind. Die Motorbetriebsparameter für jeden gewünschten stationären Zustand können dann für die Serienmotoren gespeichert und referenziert werden. In diesen Serienmotoren können die Kolbentemperaturen basierend auf dem Motorbetriebsparameter gefolgert oder geschätzt werden und der Motor wird im Hinblick auf ein gewünschtes Ergebnis gesteuert. Die im Patent '989 beschriebene Erfindung nutzt diesen Kalibrierungsprozess zur Anpassung der Motorbetriebsparameter. Obwohl das die Partikelemissionen wesentlich reduziert, kann das im Patent '989 offenbarte System auf die Kolbentemperaturen nur grob durch eine Einstellung der Motorparameter in einer binären Art reagieren. Die Kolbentemperatur wird geschätzt, gefiltert und anschließend mit einem Grenzwert verglichen. Die Motorparameter werden nur als Reaktion auf den einfachen Auslöser der Überschreitung dieses Grenzwerts angepasst. Die Erfinder des vorliegenden Konzepts haben erkannt, dass durch weitere Verfeinerung und kontinuierliche Einstellung der Motorparameter erhebliche Vorteile erzielt werden können. Auf diese Weise können eine deutliche Reduzierung der Partikel und zahlreiche andere Vorteile erreicht werden.
Ein Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung justiert Motorsteuersignale nicht nur basierend auf den Kolbentemperaturen im stationären Zustand, es wird auch eine Interpolation zwischen Werten einer „ersten“ Nachschlagetabelle, die sich sonst aus einem stationären Zustand ergeben hätten (wie durch das Patent '989) und Werten in einer neu erstellten „zweiten“ Nachschlagetabelle durchgeführt. Die Werte der „zweiten“ Nachschlagetabelle werden während der Kalibrierung abgeleitet und durch Werte vervollständigt, die abgeleitet werden, wenn die Kolbentemperatur auf einem bekannten Wert liegt, der von der Kolbentemperatur im stationären Zustand abweicht. So kann beispielsweise die Kolbentemperatur eines Kalibrierungs-Motors auf einer Temperatur gehalten werden, die von zuvor abgeleiteten Kolbentemperaturen im stationären Zustand während der Erfassung von Betriebsbedingungen des Motors und der Optimierung der Motorbetriebsparameter abweicht, beispielsweise um reduzierte Partikelemissionen zu erreichen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung berechnet dann eine Abweichung der Kolbentemperatur, das ermöglicht eine Interpolation zwischen den Werten dieser beiden Tabellen, um wesentlich bessere, kontinuierlich optimierte Ergebnisse zu erhalten. Auf diese Weise können eine wesentliche Verringerung der Partikelemissionen nebst anderen Nutzen und Vorteilen erreicht werden, was zuvor nicht möglich war.
In einem Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung enthält das System ein Temperaturschätzmodul zur Schätzung der Kolbentemperatur basierend auf den Motorbetriebsbedingungen, ein Schätzmodul für eine Abweichung der Kolbentemperatur, das basierend auf den Motorbetriebsbedingungen eine Abweichung von der geschätzten Kolbentemperatur im stationären Zustand erstellt und ein Motorsteuergerät, das die Werte der „ersten“ und „zweiten“ Tabelle interpoliert, um Steuerungssignale zum Motor zu schicken.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung. Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und es nicht beabsichtigt ist, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin:

1 ein Funktionsblockdiagramm eines Beispiels für eine Ausführungsform eines Motorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2A ein Diagramm ist, das ein Beispiel für die Anpassung von Steuerungsparametern für den Motor als Reaktion auf eine Änderung eines Motorbetriebszustandes nach einem konventionellen System und Verfahren darstellt;
2B ein Diagramm ist, das ein Beispiel für die Anpassung von Steuerungsparametern für den Motor als Reaktion auf eine Änderung eines Motorbetriebszustandes basierend auf einer geschätzten Kolbentemperatur in Übereinstimmung mit einem weiteren konventionellen System und Verfahren darstellt;
2C ein Diagramm ist, das ein Beispiel für die Anpassung von Steuerungsparametern für den Motor als Reaktion auf eine Änderung eines Motorbetriebszustandes basierend auf einer geschätzten Abweichung einer Kolbentemperatur in Übereinstimmung mit einem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ein Funktionsblockdiagramm zur Darstellung einer Interpolation von Werten basierend auf einer Abweichung einer Kolbentemperatur in Übereinstimmung mit einem Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung ist;
4 ein Funktionsblockdiagramm eines Motorsteuersystems in Übereinstimmung mit einem Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung ist; und
5 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Motorsteuerverfahrens in Übereinstimmung mit einem Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wenn Kraftstoff mit einem kalten Kolben in Kontakt kommt, bildet der Kraftstoff Pfützen am Kolben, wodurch der Kraftstoff nicht verdampfen kann, um sich mit der Ladeluft im Motor vollständig zu vermischen. Verbrennung von flüssigem Kraftstoff erzeugt örtlich fette Brennzonen, wodurch sich unerwünschte Rußemissionen bilden. Dadurch kann die produzierte Partikelmenge bei kalten Kolben in einem Motor größer sein, als das bei Kolben, die bei einer typischen Betriebstemperatur arbeiten, der Fall ist. Die Kolben können nach Stoppen der Kraftstoffeinspritzung in den Motor kalt sein. So kann beispielsweise die Kraftstoffeinspritzung im Verzögerungszustand des Motors unterbrochen werden, um eine höhere Kraftstoffeinsparung zu erzielen.
Ein Motorsteuersystem und Verfahren nach einem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung passt die Parameter der Motorsteuerung basierend auf einer Abweichung einer Kolbentemperatur von einer geschätzten Kolbentemperatur im stationären Zustand an. So können beispielsweise die Parameter der Kraftstoffeinspritzung basierend auf der Kolbentemperaturabweichung inklusive Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck, Einspritzlage, und/oder einer Anzahl von Einspritzimpulsen pro Motortakt angepasst werden. Der Einspritzzeitpunkt kann verzögert werden, der Einspritzdruck justiert, die Einspritzlage eingestellt und/oder es können mehrere Einspritzimpulse pro Motortakt basierend auf einer geschätzten Abweichung der Kolbentemperatur von einer geschätzten Kolbentemperatur im stationären Zustand angefordert werden. Die Kolbentemperatur im stationären Zustand und die Abweichung der Kolbentemperatur werden basierend auf den Motorbetriebsbedingungen, wie Motordrehzahl, Motorlast, Ansauglufttemperatur, Motorkühlmitteltemperatur, Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, Zündzeitpunkt und dergleichen, geschätzt. Das Verhältnis zwischen der Kolbentemperatur und den Motorbetriebsbedingungen kann unter stationären Bedingungen (z. B. bei konstanter Geschwindigkeit) erarbeitet werden und die Kolbentemperatur kann mit einem Lag-Filter gefiltert werden. Eine Anpassung der Verstellung der Parameter für die Motorsteuerung kann durch eine Interpolation einer herkömmlich abgeleiteten „ersten“ Tabelle für Parameter der Motorsteuerung und einer neuen „zweiten“ Tabelle für Parameter der Motorsteuerung zum Erhalt eines Parameters für die Motorsteuerung mit erheblichen zusätzlichen Vorteilen erfolgen.
So kann beispielsweise eine weitere Anpassung der Kraftstoffeinspritzung basierend auf einer Abweichung der Kolbentemperatur die Bildung von Kraftstoffpfützen auf den Kolbenoberflächen verringern. Diese Vermeidung der Bildung von Kraftstoffpfützen auf den Kolbenoberflächen kann die Menge der vom Motor produzierten Partikel verringern. Außerdem kann die Verhinderung von Kraftstoffpfützen auf den Kolbenoberflächen andere negative Effekte wie beispielsweise eine Ölverdünnung vermeiden.
Mit Verweis auf 1 wird ein Funktionsblockdiagramm eines exemplarischen Motorsystems 100 präsentiert. Das Motorsystem 100 umfasst einen Motor 102, der ein Kraftstoff-Luftgemisch verbrennt, um ein Antriebsmoment für ein Fahrzeug, basierend auf Fahrereingaben von einem Fahrereingabemodul 104, zu erzeugen. Zu den Fahrereingaben können beispielsweise eine Fahrpedalstellung, eine Bremspedalstellung und Eingaben in eine Geschwindigkeitsregelanlage gehören. Die Fahrereingabe kann von dem Geschwindigkeitsregelungssystem erfasst werden, das ein adaptives Geschwindigkeitsregelungssystem sein kann, das die Fahrzeuggeschwindigkeit so reguliert, dass ein zuvor festgelegter Fahrzeugabstand eingehalten wird.
Luft wird durch ein Einlasssystem 108 in den Motor 102 gezogen. Das Ansaugsystem 108 kann einen Ansaugkrümmer 110 und eine Drosselklappe 112 enthalten, die ein Klappenventil mit einer drehbaren Klappe enthalten kann. Ein Motorsteuergerät (Engine Control Module, ECM) 114 steuert ein Drosselstellgliedmodul 116, das wiederum die Öffnung der Drosselklappe 112 zur Regulierung der in den Ansaugkrümmer 110 angesaugten Luftmenge steuert.
Die Luft vom Ansaugkrümmer 110 wird in die Zylinder des Motors 102 gesaugt. Obwohl der Motor 102 mehrere Zylinder beinhalten kann, ist hier zu Veranschaulichungszwecken nur ein einzelner repräsentativer Zylinder 118 dargestellt. Nur als Beispiel kann der Zylinder 102 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und/oder 12 Zylinder beinhalten. Das ECM 114 kann einige der Zylinder deaktivieren, was die Kraftstoffeffizienz unter bestimmten Betriebsbedingungen des Motors verbessern kann.
Der Motor 102 kann nach dem Viertaktprinzip betrieben werden. Die vier Takte sind der Einlasstakt, Verdichtungstakt, Verbrennungstakt und der Auslasstakt. Während jeder Umdrehung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) erfolgen zwei der vier Takte innerhalb des Zylinders 118. Demzufolge sind zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich, damit der Zylinder 118 alle vier Takte ausführen kann.
Während des Einlasstakts wird die Luft aus dem Ansaugkrümmer 110 durch ein Einlassventil 122 in den Zylinder 118 gesaugt. Das ECM 114 steuert ein Injektorstellgliedmodul 124 an, mit dem die Einspritzdüse 126 reguliert wird, um ein gewünschtes Luft-/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen. Wie gezeigt, spritzt die Einspritzdüse 126 den Kraftstoff direkt in die Zylinder ein. Zusätzlich oder alternativ kann der Kraftstoff in den Zylindern zugeordnete Mischkammern eingespritzt werden. Weiterhin kann der Kraftstoff in den Ansaugkrümmer 110 zentral oder an mehreren Stellen, z. B. nahe am Einlassventil 122 eines jeden Zylinders eingespritzt werden. Das Kraftstoffstellgliedmodul 124 kann das Einspritzen von Kraftstoff in die deaktivierten Zylinder stoppen.
Während des Verdichtungstaktes komprimiert ein Kolben 128 im Zylinder 118 das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Der Motor 102 kann ein Selbstzündermotor sein, wobei in diesem Fall die Kompression in Zylinder 118 das Luft-Kraftstoff-Gemisch zündet. Alternativ kann der Motor 102 ein Motor mit Fremdzündung sein (z. B. ein Benzin-Direkteinspritzmotor (SIDI)), wobei in diesem Fall ein Zündstellgliedmodul 130 basierend auf einem Signal vom ECM 114 Spannung an eine Zündkerze 132 im Zylinder 118 legt, um so das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden. Der Zeitpunkt des Zündfunkens kann so gelegt werden, dass sich der Kolben in diesem Moment in seiner als oberer Totpunkt (TDC) bezeichneten obersten Stellung befindet.
Das Zündstellgliedmodul 130 kann durch ein Zeitsignal gesteuert werden, das festlegt, wie lange vor oder nach dem TDC der Funke ausgelöst werden soll. Weil die Kolbenstellung direkt von der Kurbelwellendrehung abhängt, kann die Funktion des Zündstellgliedmoduls 130 mit dem Kurbelwellenwinkel synchronisiert werden. In verschiedenen Anwendungen kann das Zündstellgliedmodul 130 die Funkenerzeugung für deaktivierte Zylinder stoppen.
Die Erzeugung des Zündfunkens wird auch als ein Zündereignis bezeichnet. Das Zündstellgliedmodul 130 kann die Fähigkeit haben, den Zündzeitpunkt für jedes Zündereignis zu variieren. Das Zündstellgliedmodul 130 kann sogar in der Lage sein, den Zündzeitpunkt für das nächste Zündereignis zu variieren, wenn das Zündzeitpunktsignal zwischen einem letzten und dem nächsten Zündereignis geändert wird. In verschiedenen Umsetzungen kann der Motor 102 möglicherweise mehrere Zylinder haben und das Zündstellgliedmodul 130 kann den Zündzeitpunkt im Verhältnis zum TDC für alle Zylinder des Motors 102 um dieselbe Größe variieren.
Während des Verbrennungstakts treibt die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs den Kolben nach unten und treibt dadurch die Kurbelwelle an. Der Verbrennungstakt kann als die Zeitspanne definiert werden, die zwischen dem Moment liegt, in welchem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht und dem, in welchem der Kolben zum unteren Totpunkt zurückkehrt. Während des Auslasstakts beginnt der Kolben, sich vom unteren Totpunkt (BDC) nach oben zu bewegen und stößt dabei die Nebenprodukte der Verbrennung durch ein Auslassventil 134 aus. Die Verbrennungsabfallprodukte werden über ein Abgassystem 136 aus dem Fahrzeug ausgestoßen.
Das Motor-System 100 kann die Position der Kurbelwelle mit einem Kurbelwellenstellungssensor (CKP) 180 messen. Die Temperatur des Motorkühlmittels kann mit einem Kühlmitteltemperatursensor (ECT) 182 gemessen werden. Der ECT-Sensor 182 kann innerhalb des Motors 102 oder an anderen Stellen angeordnet sein, an denen das Kühlmittel umgewälzt wird wie beispielsweise ein Radiator (nicht dargestellt).
Der Druck im Ansaugkrümmer 110 kann mit einem Einlasskrümmerdrucksensor (MAP) 184 gemessen werden. In verschiedenen Ausführungen kann der aus der Differenz zwischen dem Umgebungsluftdruck und dem Druck im Ansaugkrümmer 110 bestehende Motorunterdruck gemessen werden. Der Massenstromdurchsatz der in den Ansaugkrümmer 110 strömenden Luft wird mit einem Massenluftstromsensor (MAF) 186 gemessen. In unterschiedlichen Implementierungen kann der MAF-Sensor 186 in einem Gehäuse positioniert sein, das auch die Drosselklappe 112 beinhaltet.
Das Drosselstellgliedmodul 116 kann die Stellung der Drosselklappe 112 unter Verwendung eines oder mehrerer Drosselstellungssensoren (TPS) 190 überwachen. Die Temperatur der in den Motor 102 gezogenen Umgebungsluft kann mit einem Sensor für die Einlasslufttemperatur (IAT) 192 gemessen werden. Das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases vom Motor 102 wird mit einem Sensor für das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis (AFR) 194 gemessen. Das ECM 114 kann Signale von den Sensoren nutzen, um Steuerungsentscheidungen für das Motorsystem 100 zu treffen. Beispielsweise schätzt das ECM 114 eine Kolbentemperatur im stationären Zustand und eine Abweichung der Kolbentemperatur von der Temperatur im stationären Zustand und stellt dann beispielsweise Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck, Einspritzlage und/oder eine Anzahl von Einspritzimpulsen pro Motortakt basierend auf der Kolbentemperatur ein.
Mit Verweis auf die 2A bis 2C wird ein Vergleich von Systemen und Verfahren für Steuerungssysteme von Motorparametern gezeigt. 2A ist ein Diagramm zur Darstellung der Annäherung der tatsächlichen Kolbentemperatur 204 als Reaktion auf eine Änderung der Motorlast 202 über einen Zeitraum. Die Linie der Motorlast 202 und die Linie der tatsächlichen Kolbentemperatur 204 sind in allen 2A-2C identisch. Die Linie der Motorlast 202 erfährt zum Zeitpunkt 216 einen Lastschrittwechsel. In Reaktion versteht sich die allmähliche Änderung der tatsächlichen Kolbentemperatur in Richtung einer anderen Temperatur „stationären Zustands“ in Reaktion der durch den Lastschrittwechsel bedingten Betriebsbedingungen. Bei den unterschiedlichen Systemen variieren in den Abbildungen zur Darstellung der Differenzen lediglich die Reaktionen auf diese Bedingungen. Die exemplarische Systemreaktion in 2A zeigt eine Sprungreaktion in einem Motorsteuerungsparameter 206 als Reaktion auf die Schrittänderung der Motorlast 202. So kann beispielsweise ein Kraftstoffsteuergerät schrittweise den Einspritzbeginn des Kraftstoffs in den Zylinder basierend auf Kolbentemperaturen im stationären Zustand einstellen, die eventuell nach Ablauf einer Zeitdauer nach der Lastschrittänderung 202 zum Zeitpunkt 216 erreicht werden können. Da sich die tatsächliche Kolbentemperatur 204 nicht schrittweise ändert, erreichen die Kolbentemperaturen die Temperatur des stationären Zustands nicht unmittelbar. Vielmehr benötigt die tatsächliche Kolbentemperatur 204 einige Zeit, um zu reagieren und bewegt sich lediglich in Richtung auf die Temperatur des stationären Zustands zu. So kann zum Beispiel der Kolben kälter als die Temperatur des stationären Zustands sein, es können sich Kraftstoffpfützen bilden und für einen Anstieg der Partikelemissionen sorgen.
Die 2B zeigt eine Verbesserung gegenüber dem System in 2A. Die 2B zeigt eine Annäherung der Reaktion von System und Verfahren, die im Patent '929 beschrieben werden. In diesem System wird eine Annäherung der gefilterten/geschätzten Kolbentemperatur so berechnet, wie durch die Reaktionslinie 208 dargestellt wird. Basierend auf der gefilterten/geschätzten Kolbentemperatur vergleicht das System die gefilterte Temperatur mit einem Grenzwert, wird dieser überschritten, justiert das System entsprechend schrittweise einen Motorsteuerungsparameter, der der Kolbentemperatur im stationären Zustand gemäß der neuen Last entspricht. Eine Annäherung des eingestellten Motorsteuerungsparameters wird durch die Linie 210 dargestellt. So kann beispielsweise der Beginn der Kraftstoffeinspritzung zum Zeitpunkt 216 um eine Schrittgröße verzögert werden, bis die gefilterte/geschätzte Kolbentemperatur bei 218 einen Grenzwert übersteigt, zu diesem Zeitpunkt wird der Motorsteuerungsparameter schrittweise angepasst. Auf diese Weise kann der Motorsteuerungsparameter beispielsweise zweimal schrittweise geändert werden, um die Leistung des gesteuerten Motors zu verbessern. Obwohl dieses System verglichen mit dem in 2A verbesserte Systemreaktionen aufweist, ist klar, dass die Reaktion nur eine sehr grobe Antwort auf den Lastwechsel in einer Art ist, die sich den tatsächlichen Verhältnissen besser annähert.
2C zeigt eine Einstellung eines Motorsteuerungsparameters in Übereinstimmung mit einem Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Diagramm 2C zeigt die Lastschritteinleitung bei 216 für die angeforderte Last 202 und eine Annäherung der tatsächlichen Kolbentemperatur bei 204, wie auch in den 2A und 2B gezeigt. Wie zuvor erläutert, kann die geschätzte Kolbenabweichung auf eine gefilterte/geschätzte Kolbentemperatur bauen (die in diesem Fall in der Linie 208 in 2B angenähert werden kann). Im starken Gegensatz zu der vorstehenden Reaktion bestimmt ein Beispielsystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Abweichung der Kolbentemperatur, was durch die Linie 212 in 2C dargestellt wird. Dieses System nutzt dann diese Abweichung der Kolbentemperatur 212 zur Interpolation einer ersten und einer zweiten Tabelle von Motorparametern, um ein kontinuierliches, optimiertes Steuerungssignal für einen Motorparameter 214 zu liefern, das ein wesentlich verbessertes Ansprechverhalten des Motors ergibt. Auf diese Weise kann beispielsweise der Ausstoß von Partikeln durch den Motor reduziert werden.
3 zeigt schematisch einen Interpolationsverfahren 300 von Werten einer „ersten“ Nachschlagetabelle 302 und einer „zweiten“ Nachschlagetabelle 304. Die erste Nachschlagetabelle 302 ähnelt der, die vom System der Patentschrift '989 genutzt wird. Diese erste Nachschlagetabelle 302 wird durch die Optimierung der Parameter für die Motorsteuerung nach Erreichen des stationären Zustandes durch den Motor bei erfassten Motorbetriebszuständen kalibriert oder abgeleitet. Wie in der Patentschrift '989 erläutert, wird eine geschätzte und gefilterte Kolbentemperatur in Übereinstimmung mit den Motorbetriebsbedingungen verwendet, um einen Motorsteuerungsparameter unter Verwendung der ersten Nachschlagetabelle 302 auszugeben. Eine neue, zweite Nachschlagtabelle 304 kann erstellt werden, die optimierte Parameter für Motorsteuerungswerte bei Motorbetriebsbedingungen bereitstellt, in denen die Kolbentemperatur von der in der Tabelle 302 abweicht. Das Wissen um die Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen ermöglicht eine Interpolation entlang eines Kontinuums von Werten die sich mit denen der Tabellen 302 und 304 überschneiden. Eine Abweichung der Kolbentemperatur wird innerhalb eines Kontinuums von Werten zwischen einer geschätzten/gefilterten Kolbentemperatur und der Kolbentemperatur im stationären Zustand berechnet (der Kolbentemperatur, die nur dann erreicht wird, wenn die Motorbetriebsbedingungen der neuen Last für eine Zeitspanne gehalten werden, die der während der Kalibrierung entspricht). Diese Abweichung der Kolbentemperatur bestimmt eine Position im Kontinuum 306 der Werte aus der ersten und zweiten Tabelle 302 und 304 und kann verwendet werden, um einen kontinuierlich angepassten und optimierten Motorsteuerungsparameter zu erhalten.
Mit Bezug auf 4 enthält ein Umsetzungsbeispiel des ECM 114 je ein Modul zur Drehzahlbestimmung 402, Lasterfassung 404, Temperaturschätzung 406 und Temperaturfilterung 408. Das Motordrehzahlmodul 402 bestimmt die Drehzahl des Motors basierend auf der Eingabe des CKP-Sensors 180. So kann beispielsweise das Motordrehzahlmodul 402 die Motordrehzahl basierend auf der Zeit berechnen, die die Kurbelwelle braucht, um eine oder mehrere Umdrehung(en) zu vollenden. Das Motordrehzahlmodul 402 gibt die Motordrehzahl aus.
Das Lasterfassungsmodul 404 bestimmt die Motorlast basierend auf der Eingabe des MAF-Sensors 186. Die Lasterfassungsmodul 404 kann eine Luftstrommenge pro Zylinder basierend auf dem Massendurchsatz von Luft und der Anzahl der Zylinder des Motors 102 bestimmen. Die Motorlast kann direkt proportional zur Luftstrommenge pro Zylinder sein. Das Lasterfassungsmodul 404 gibt die Motorlast aus.
Das Temperaturschätzmodul 406 schätzt eine Kolbentemperatur im stationären Zustand basierend auf den Motorbetriebsparametern. Die Motorbetriebsparameter können beispielsweise die Motordrehzahl, die Motorlast, die Ansauglufttemperatur, die Motorkühlmitteltemperatur, ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis und/oder der Zündzeitpunkt sein. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis und/oder der Zündzeitpunkt können auf alle Zylinder im Motor 102 bzw. den einzigen Zylinder bezogen werden, mit denen/dem die Kolbentemperatur assoziiert ist.
Das Temperaturschätzmodul 406 kann das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis vom AFR-Sensor 194 erhalten. Zusätzlich oder alternativ kann das Temperaturschätzmodul 406 das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis basierend auf den einem Drosselklappensteuerungsmodul 412 und einem Kraftstoffsteuergerät 414 erhaltenen Eingaben bestimmen. Die erhaltene Eingabe kann einen Soll-Drosselbereich und eine Soll-Impulsbreite umfassen. Das Temperaturschätzmodul 406 bestimmt den Zündzeitpunkt basierend auf der von einem Zündfunken-Steuermodul 418 erhaltenen Eingabe. Die Eingabe kann einen Soll-Zündzeitpunkt enthalten.
Das Temperaturschätzmodul 406 kann die Kolbentemperatur im stationären Zustand basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors unter Anwendung einer festgelegten Beziehung schätzen. Das zuvor festgelegte Verhältnis kann in einem mathematischen Modell und/oder einer Nachschlagetabelle enthalten sein. Die vorgegebene Beziehung kann Gewichtungsfaktoren auf die Motorbetriebsbedingungen anwenden. Die auf einige der Motorbetriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl, Motorlast, Luft-/Kraftstoff-Verhältnis) angewendeten Gewichtungsfaktoren können größer als andere Gewichtungsfaktoren für andere Motorbetriebsbedingungen sein (z. B. Ansauglufttemperatur, Zündfunken Zündzeitpunkt).
Die vorgegebene Beziehung kann entwickelt werden, wenn der Motor 102 im stationären Zustand arbeitet. Daher produziert das Temperaturschätzmodul 406 nur eine „stationäre“ Kolbentemperatur. Der Motor 102 kann im stationären Zustand arbeiten, wenn der Motor 102 warm ist (z. B. bei einer Betriebstemperatur) und/oder bei einer relativ konstanten Geschwindigkeit. Die Schätzung der Kolbentemperatur wird unter Verwendung der vorgegebenen Beziehung vorgenommen und kann als Temperatur im stationären Zustand bezeichnet werden. Das Temperaturschätzmodul 406 gibt die Kolbentemperatur im stationären Zustand aus.
Das Temperaturfiltermodul 408 filtert die Kolbentemperatur mit einem Lag-Filter, um den Betrieb des Motors 102 im transienten Zustand auszuweisen. Der Motor 102 kann im transienten Zustand arbeiten, wenn der Motor 102 kalt ist (z. B. bei einer Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur) und/oder wenn der Motor 102 schnell beschleunigt oder verzögert. Wenn der Motor 102 im transienten Zustand arbeitet, ändert sich die Kolbentemperatur möglicherweise nicht so schnell wie sich die Motorbetriebsbedingungen ändern. Somit kann der Lag-Filter verwendet werden, um die Differenzen zwischen einer Änderungsrate der Kolbentemperatur und Änderungsraten der Betriebsbedingungen des Motors zu berücksichtigen. Die gefilterte Kolbentemperatur kann als Temperatur im transienten Zustand bezeichnet werden.
Das Temperaturfiltermodul 408 kann die Kolbentemperatur mit einem Lag-Filter der ersten Ordnung filtern. So kann beispielsweise das Temperaturfiltermodul 408 die gefilterte Kolbentemperatur (Tf)pres in einem aktuellen Durchlauf mit der folgenden Gleichung ermitteln: ${(T_{f})}_{pres} = {(T_{f})}_{prev} + k * [{(T_{ss})}_{pres} - {(T_{f})}_{prev})]$
dabei ist (T_f)_prev eine gefilterte Temperatur aus einem vorherigen Durchlauf, keine Konstante und (T_ss)_pres die Temperatur im stationären Zustand im gegenwärtigen Durchlauf. Die Konstante k kann ein vorbestimmter Wert im Bereich zwischen Null und Eins sein.
Der Lag-Filter kann durch Modellierung, Tests und/oder Kalibrierung entwickelt werden. Der Lag-Filter kann auf Basis der Betriebsbedingungen des Motorsystems 100 angepasst werden. So kann beispielsweise die Konstante k basierend auf der Motordrehzahl und/oder einer Durchgangsrate des ECM 114 eingestellt werden. In verschiedenen Anwendungen ist die Konstante k direkt proportional zur Motordrehzahl und der Durchgangsrate des ECM 114. Das Temperaturfiltermodul 408 gibt die Kolbentemperatur als gefiltert aus.
Das Modul der Kolbentemperaturabweichung 410 bestimmt eine Abweichung der Kolbentemperatur PTD mit der folgenden Gleichung: $PTD = {(T_{ss})}_{pres} - {(T_{f})}_{pres}$
Dabei ist: (T_f)_pres die ausgegebene gefilterte Kolbentemperatur des Temperaturfiltermoduls 408 und (T_ss)_pres die Kolbentemperatur im stationären Zustand vom Temperaturschätzmodul 406.
Das Kraftstoffsteuergerät 414 kann dann eine Interpolation der Werte aus den oben beschriebenen ersten und zweiten Nachschlagetabellen zur Ausgabe eines Steuerungssignals für den Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck, die Einspritzlage und/oder eine Anzahl von Einspritzimpulsen pro Motortakt basierend auf der Abweichung der Kolbentemperatur durchführen. Das Kraftstoffsteuergerät 414 kann basierend auf der Abweichung der Kolbentemperatur den Einspritzzeitpunkt verzögern, den Einspritzdruck, die Einspritzlage anpassen, und/oder mehrere Einspritzimpulse pro Motortakt anfordern. Das Kraftstoffsteuergerät 414 kann die Einspritzlage durch Umschalten der Kraftstoffeinspritzung über den Einlasskanal und die Direkteinspritzung zur alleinigen Einspritzung über den Einlasskanal anpassen. Das Kraftstoffsteuergerät 414 kann basierend auf der Abweichung der Kolbentemperatur die Verzögerung des Zündzeitpunkts und die Direkteinspritzung von Kraftstoff beenden und/oder einen einzelnen Einspritzimpuls pro Motortakt anfordern.
Alternativ können andere Module der Motorsteuerung ohne Einschränkung unterschiedliche Parameter für die Motorsteuerung in einer ähnlichen Weise durch Interpolation zwischen entsprechenden ersten und zweiten Tabellenbasierend auf der Abweichung der Kolbentemperatur ausgeben. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf bestimmte Motorbetriebsparameter beschränkt. Weiterhin ist die Interpolation nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt, beispielsweise kann die Interpolation linear oder nichtlinear sein.
Das Kraftstoffsteuergerät 414 gibt eine gewünschte Impulsbreite aus. Das Kraftstoffsteuergerät 414 kann eine gewünschte Impulsbreite basierend auf einer Drehmomentanforderung durch den Fahrer ausgeben, die auf einer Fahrereingabe basieren kann. Wenn das Kraftstoffsteuergerät 414 mehrere Einspritzimpulse pro Motortakt anfordert, kann das Kraftstoffsteuergerät 414 die gewünschte Impulsbreite durch die Anzahl der Einspritzimpulse teilen, um eine Impulsbreite pro Einspritzimpuls zu erhalten.
Das Kraftstoffsteuergerät 414 gibt auch einen Soll-Kurbelwellenwinkel aus, der ein Kurbelwellenwinkel entsprechend der gewünschten Startzeit eines Einspritzvorgangs ist. Das Kraftstoffsteuergerät 414 kann beispielsweise den Soll-Kurbelwellenwinkel für die Einspritzung in den Zylinder 118 auf den Abschluss eines Saughubs durch den Kolben 128 abstimmen. Somit kann der Soll-Kurbelwellenwinkel in einer Gradzahl vor dem TDC festgelegt werden. Wenn das Kraftstoffsteuergerät 414 den Einspritzzeitpunkt verzögert, kann das Kraftstoffsteuergerät 414 den Soll-Kurbelwellenwinkel zur Verzögerung des Einspritzbeginns herabsetzen.
Das Drosselsteuermodul 412 weist das Drosselstellgliedmodul 116 an, die Drosselklappe 112 basierend auf der Soll-Drosselfläche anzusteuern. Das Kraftstoffsteuergerät 414 weist das Kraftstoffstellgliedmodul 124 an, die Einspritzdüse 126 basierend auf der gewünschten Impulsbreite und des Soll-Kurbelwellenwinkels anzusteuern. Das Zündfunken-Steuermodul 416 weist das Zündfunkenstellgliedmodul 130 an, die Zündkerze 132 basierend auf dem Soll-Zündzeitpunkt anzusteuern.
Mit Bezug auf 5 wird in einem Ablaufdiagramm 500 beginnend mit Schritt 502 ein Verfahren zur Anpassung eines Motorsteuerungsparameters dargestellt. In Schritt 504 schätzt das Verfahren die Kolbentemperatur basierend auf den Motorbetriebsbedingungen. Die Motorbetriebsbedingungen können Motordrehzahl, Motorlast, Ansauglufttemperatur, Motorkühlmitteltemperatur, Luft-/Kraftstoff-Verhältnis, Zündzeitpunkt und dergleichen einschließen. Das Verfahren kann die Kolbentemperatur basierend auf einem zuvor festgelegten Verhältnis zwischen den Motorbetriebsbedingungen und der Kolbentemperatur schätzen. Das zuvor festgelegte Verhältnis kann in einem mathematischen Modell und/oder einer Nachschlagetabelle enthalten sein. Das festgelegte Verhältnis kann empirisch entwickelt werden, wenn ein Motor im stationären Zustand läuft, wodurch eine Schätzung einer „stationären“ Kolbentemperatur entsteht.
Bei 506 passt das Verfahren einen Lag-Filter basierend auf einer Durchgangsrate und/oder einer Motordrehzahl an. Der Lag-Filter kann ein Filter erster Ordnung sein, wie der erste Filter in der zuvor erörterten Gleichung (1). Das Verfahren kann die Konstante k basierend auf einer Durchgangsrate und/oder einer Motordrehzahl anpassen. So kann beispielsweise das Verfahren die Konstante k vergrößern, wenn sich die Durchgangsrate und/oder die Motordrehzahl erhöhen. Bei 508 filtert das Verfahren die Kolbentemperatur mit dem Lag-Filter.
Bei 510 schätzt das Verfahren eine Abweichung der Kolbentemperatur gemäß der Gleichung (2), wie zuvor erläutert. Im Schritt 512 bestimmt das Verfahren einen Motorsteuerungsparameter durch die Interpolation eines ersten Motorsteuerungsparameters aus der ersten Nachschlagetabelle und eines zweiten Motorsteuerungsparameters aus der zweiten Nachschlagetabelle.
Bei 514 passt das Verfahren Parameter für die Motorsteuerung an. Zum Beispiel kann das Verfahren den Einspritzzeitpunkt verzögern, den Einspritzdruck, die Einspritzlage anpassen, und/oder mehrere Einspritzimpulse pro Motortakt anfordern. Das Verfahren kann die Einspritzlage durch Umschalten der Kraftstoffeinspritzung über den Einlasskanal und die Direkteinspritzung zur alleinigen Einspritzung über den Einlasskanal anpassen. Das Verfahren kann die Verzögerung des Zündzeitpunkts und die Direkteinspritzung von Kraftstoff beenden und/oder einen einzelnen Einspritzimpuls pro Motortakt anfordern, wenn die Kolbentemperatur den Temperaturgrenzwert übersteigt. Nochmals, die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Motorsteuerungsparameter beschränkt.

Claims

System (100), Folgendes umfassend: ein Kolbentemperatur-Schätzmodul (406) für Kolbentemperaturen, das eine Kolbentemperatur basierend auf Motorbetriebsbedingungen schätzt; ein Temperaturfiltermodul (408), das die geschätzte Kolbentemperatur mit einem Lag-Filter erster Ordnung filtert, wobei das Temperaturfiltermodul den Lag-Filter basierend auf einer Motordrehzahl und einer Durchgangsrate anpasst; ein Kolbentemperaturabweichungs-Schätzmodul (410), das eine Abweichung der gefilterten Kolbentemperatur von einer Kolbentemperatur im stationären Zustand schätzt; und ein Motorsteuergerät, das einen Motorsteuerungsparameter basierend auf der geschätzten Abweichung der Kolbentemperatur bestimmt.
System nach Anspruch 1, worin das Motorsteuergerät einen ersten Wert aus einer ersten Nachschlagetabelle, der einer ersten vorbestimmten Kolbentemperatur entspricht, und einen zweiten Wert aus einer zweiten Nachschlagetabelle, der einer zweiten vorbestimmten Kolbentemperatur entspricht, zum Bestimmen des Motorsteuerungsparameters interpoliert.
System nach Anspruch 1, worin das Motorsteuergerät ein Kraftstoffsteuergerät ist und der Motorsteuerungsparameter ein Signal für die Kraftstoffsteuerung umfasst und worin das Signal für die Kraftstoffsteuerung entweder ein Signal für den Start der Einspritzung, den Einspritzdruck, eine Einspritzlage, eine Impulsbreite pro Einspritzung und eine Anzahl von Einspritzimpulsen pro Verbrennungszyklus enthält.
System nach Anspruch 1, worin das Motorsteuergerät eine Zündsteuerung und der Motorsteuerungsparameter ein Steuerungssignal für den Zündfunken enthält.
Verfahren (500), umfassend: das Schätzen (504) einer Kolbentemperatur basierend auf Motorbetriebsbedingungen, das Filtern (508) der geschätzten Kolbentemperatur mit einem Lag-Filter erster Ordnung, der basierend auf einer Motordrehzahl und einer Durchgangsrate angepasst (506) wird; das Schätzen (510) einer Abweichung der gefilterten Kolbentemperatur, wobei sich dies auf eine Abweichung der geschätzten Kolbentemperatur von einer entsprechenden Kolbentemperatur im stationären Zustand bezieht; und das Bestimmen (512) eines Motorsteuerungsparameters basierend auf der geschätzten Abweichung der Kolbentemperatur.
Verfahren nach Anspruch 5, worin das Bestimmen (512) der Motorsteuerungsparameter das Interpolieren eines ersten Wertes aus einer ersten Nachschlagetabelle, der einer ersten vorbestimmten Kolbentemperatur entspricht, und eines zweiten Wertes aus einer zweiten Nachschlagetabelle, der einer zweiten vorbestimmten Kolbentemperatur entspricht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, worin der Motorsteuerungsparameter ein Kraftstoffsteuersignal umfasst und worin das Kraftstoffsteuersignal entweder ein Signal für den Start der Einspritzung, den Einspritzdruck, eine Einspritzlage, eine Impulsbreite pro Einspritzung oder eine Anzahl von Einspritzimpulsen pro Verbrennungszyklus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, worin der Motorsteuerungsparameter ein Steuerungssignal für den Zündfunken enthält.