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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader.
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Durch eine hohe Umgebungstemperatur
und erhöhte
Lastzustände
wird die Klopfneigung eines Verbrennungsmotors, der beispielsweise
zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, erhöht. Die
Klopfregelung verstellt bei auftretendem Klopfen die Zündung in
Richtung „spät". Vermehrtes Verstellen
der Zündung
in Richtung „spät", sogenannte Zündungsspätzüge, führt dazu,
dass sich die Abgastemperatur erhöht und der Verbrennungswirkungsgrad sinkt.
Um einer Drehmomentanforderung zu genügen, werden bei verschlechtertem
Verbrennungswirkungsgrad von einer Motorsteuerung Luftzufuhr und/oder
Kraftstoffzufuhr in einem der Wirkungsgradverschlechterung entsprechenden
Verhältnis
angehoben. Dadurch wird ein Drehmomentenrückgang verhindert. Die Motorsteuerung
steuert hierzu z.B. die Aktoren Drosselklappe und, bei Verbrennungsmotoren
mit Abgasturboaufladung, Turboladerwastegate und/oder Abgasrückführventil
an. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader muss zusätzlich eine
Anfettung des Verbrennungsgemisches zur Absenkung der Abgastemperatur
geschehen, um eine Turbine des Abgasturboladers vor Überhitzung
zu schützen. Übersteigt
der Grad der Anfettung ein gewisses Maß, so hat dies zur Folge, dass
der Verbrennungswirkungsgrad weiter absinkt. Eine weitere Steigerung
der Luft- und/oder
Kraftstoffzufuhr bzw. Füllung
durch die Motorsteuerung führt zu
einem noch späteren
Zündzeitpunkt
und somit zu einer späteren
Verbrennungslage und damit wiederum zu einer höheren Abgastemperatur. Unterschreitet
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
der so genannte Lambda-Wert, einen gewissen Grenzwert, so senkt die
Motorsteuerung den. Ladedruck des Verbrennungsmotors durch entsprechende
Ansteuerung des Turboladers bis unterhalb eines bestimmten Sollwerts,
welcher sich an der Klopfgrenze orientiert, ab (siehe unter anderem
die
DE 32 04 918 A1 ,
DE 3303 350 C2 )
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein schnelles und effizientes Verfahren zum Betreiben eines
Verbrennungsmotors mit einem Turbolader zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein indizierter Kraftstoffverbrauch vorausberechnet, welcher
sich bei dem angeforderten Motormoment einstellen wird. Übersteigt
der vorausberechnete Kraftstoffverbrauchs einen gewissen Grenzwert
bzw. Sollwert, so führt
dies zu einer Limitierung und ggf. zu einer Reduzierung der Motormomentenanforderung und
somit implizit zu einer Limitierung der Kraftstoffzufuhr, welches
wiederum eine Limitierung von Verbrauch und Abgasemissionen zur
Folge hat. Eine weitere Anfettung des Verbrennungsgemisches wird nicht
benötigt,
da eine Limitierung der Motormomentenanforderung auch den Lastzustand,
und somit die Klopfneigung, limitiert. Die Zündzeitpunkte brauchen nicht
nach „spät" verstellt zu werden
und eine Erhöhung
der Abgastemperatur und eine thermische Belastung des Abgasturboladers
werden vermieden.
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Die Berechnung der indizierten Kraftstoffzufuhr
kann bereits früh
mittels einer Motorsteuerung innerhalb der Arbeitsspiele des Verbrennungsmotors erfolgen,
insbesondere vor einer Auswertung des Lambda-Wertes. Es kann daher
frühzeitig
erkannt werden, wenn eine Erhöhung
der Kraftstoffzufuhr bzw. des Kraftstoffmassenstroms zwar zu einer
Erhöhung
des Verbrauchs führt,
jedoch nicht zu einer Erhöhung
des durch den Verbrennungsmotor in Nutzarbeit umgesetzten Motormoments.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass für
die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben den üblicherweise
für eine
Motorsteuerung vorgesehenen Sensoren kein zusätzlicher Sensor erforderlich
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann auf einfache Weise in eine Motorsteuerung bzw. ein Steuergerät integriert
werden und benötigt
wenig Speicherbedarf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der
Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild, welches die Vorausberechnung des Kraftstoffverbrauchs
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
darstellt,
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2 ein
Blockschaltbild, welches eine gegenüber der Darstellung in 1 vereinfachte Vorausberechnung
des Kraftstoffverbrauchs darstellt,
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3 ein
Blockschaltbild, welches eine gegenüber der Darstellungen in den 1 und 2 vereinfachte Vorausberechnung des Kraftstoffverbrauchs
darstellt, und
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4 ein
Blockschaltbild, welches eine Ermittlung des aktuellen Motormomentensollwerts
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
darstellt.
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Funktionell gleiche Blöcke sind
in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einheiten
sind in den Figuren in eckigen Klammern angegeben. Konstanten sind
umrahmt dargestellt.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild, welches die Vorausberechnung des Kraftstoffverbrauchs
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
darstellt. Die Vorausberechnung des Kraftstoffverbrauchs dient als
Basis für
eine Begrenzung des angeforderten Motormoments und somit des Kraftstoffverbrauchs.
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Der vorausberechnete, indizierte
Kraftstoffverbrauch KVvor wird aus einem Kraftstoffmassenstromsollwert
KMsoll bzw. KMsollges und einem aktuellen Motormomentenwert Mist
ermittelt. Hierzu wird in einem Funktionsblock 1 aus einem
Kraftstoffmassenstromsollwert pro Zylinder KMsoll, welcher die Einheit
[mg/stk] bzw. [mg] pro Zylinderhub hat, ein von der Anzahl der Zylinder
bzw. der Anzahl Zylinderhübe
nZyl unabhängiger
Kraftstoffmassenstromsollwert KMsollges in der Einheit [g/h] berechnet.
Die Einheit [stk] steht für „stroke" und repräsentiert
den Ansaughub eines Zylinders. Alternativ kann die Einheit [1] verwendet
werden, welche die Anzahl der Zylinder angibt. Der Kraftstoffmassenstromsollwert
pro Zylinder KMsoll hängt
vorzugsweise von dem momentanen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors ab.
Neigt der Verbrennungsmotor beispielsweise wegen einer hohen Umgebungstemperatur
zum Klopfen und sind daher die Zündzeitpunkte
nach „spät" verschoben, so hat
dies eine Absenkung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors zur
Folge, auf welche durch die Motorsteuerung mit einer Erhöhung des
Kraftstoffmassenstromsollwerts reagiert wird.
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In einem nicht näher bezeichneten, weiteren Funktionsblock
werden die Anzahl der Zylinder bzw. die Ansaughübe nZyl durch der Anzahl der
Umdrehungen einer Kurbelwelle bzw. Triebwelle des Verbrennungsmotors
pro Arbeitsspiel (2) geteilt. Der ermittelte Wert, welcher
die Anzahl zündender
Zylinder bzw. die Ansaughübe
pro Kurbelwellenumdrehung angibt und die Einheit [stk/U] bzw. [l/U]
hat, wird mit dem Kraftstoffmassenstromsollwert pro Zylinder KMsoll
und der Drehgeschwindigkeit n der Kurbelwelle multipliziert. Durch
die Relatierung zur Kurbelwellenumdrehung fließt der Unterschied zwischen
einem Zwei-Takt-Motor und einem Vier-Takt-Motor ein. Die Drehzahl
n hat die Einheit [U/min], wobei [U] die Umdrehungen der Kurbelwelle
bezeichnet. Um einen zylinder- unabhängigen Kraftstoffmassenstromsollwert KMsollges
in der Einheit [g/h] zu erhalten, wird der bisher ermittelte Wert
mit der Konstante 60 in der Einheit [min/h] multipliziert
und durch die Konstante 1000 in der Einheit [mg/g] geteilt.
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In einem Funktionsblock 2 wird
aus einem aktuellen Motormomentenwert bzw. Drehmomentenwert Mist
der Kurbelwelle eine Leistung P des Verbrennungsmotors in [kW] ermittelt.
Das aktuelle Drehmoment Mist hat die Einheit [Nm], welche der Einheit
[Ws] entspricht. Das aktuelle Motormoment Mist wird mit der Drehzahl
n, der Anzahl der Umdrehungen pro Arbeitsspiel (2), und,
wegen der Rotation der Triebwelle im Betrieb, mit der Konstanten
n, welche gerundet einem Wert von 3,14159 entspricht, multipliziert.
Um eine Motorleistung P in der Einheit [kW] zu erhalten, wird der
bisher ermittelte Wert durch die Konstante 60 in der Einheit
[s/min] und durch die Konstante 1000 in der Einheit – [W/kW]
dividiert.
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Die Ausgangsgröße des Funktionsblocks 1, der
zylinderunabhängige
Kraftstoffmassenstromsollwert KMsollges in [g/h], wird in einem
Funktionsblock 3 durch die Ausgangsgröße des Funktionsblocks 2, die
Motorleistung P pro Arbeitsspiel in [kW], dividiert. Als Ausgangsgröße des Funktionsblocks 3 erhält man den
vorausschauend berechneten bzw. vorausberechneten Kraftstoffverbrauch
KVvor in der Einheit [g/kWh].
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Der Kraftstoffmassenstromsollwert
pro Zylinder KMsoll, die Drehzahl n und der aktuelle Motormomentenwert
Mist liegen als gemessene Größen einer Motorsteuerung
vor, welche vorzugsweise in einem Steuergerät integriert ist. Sollten keine
entsprechenden Messwerte, z.B. wegen eingesparter Sensoren, zur
Verfügung
stehen, zu können
diese Größen aus anderen
Zustandsgrößen des
Verbrennungsmotor, insbesondere mittels eines Beobachters, ermittelt bzw.
geschätzt
werden. So können
beispielsweise die Drehzahl n aus einer Winkelposition der Kurbelwelle,
z. B. mittel Differenzierung, und der Kraftstoffmassenstromsollwert
pro Zylinder KMsoll aus einem zeitlich vorhergehenden Sollwert für die Einspritzdauer
und der Einspritzdüsengeometrie
ermittelt werden.
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Selbstverständlich können anstelle der oben beschriebenen
Konstanten und Einheiten auch andere, diesen äquivalente Einheiten und Umrechnungsgrößen bzw.
Konstanten verwendet werden.
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Das in 2 dargestellte
Blockschaltbild entspricht dem Blockschaltbild der 1. Es ist jedoch gegenüber diesem
vereinfacht. Die Drehzahl n, welche eine Eingangsgröße in beide
Funktionsblöcke 1 und 2 ist,
hebt sich durch die Division im Funktionsblock 3 selbst
auf. Ebenso heben sich die Konstante 1000 mg/g, welche
eine Eingangsgröße des Funktionsblocks 1 ist,
und die Konstante 1000 W/kW, welche eine Eingangsgröße des Funktionsblocks 2 ist,
gegenseitig auf. Diese Größen brauchen
also bei der vorausschauenden Berechnung des Kraftstoffverbrauchs
KVvor nicht berücksichtigt
zu werden. Dies führt
zu einer Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches nun
weniger Rechenleistung benötigt.
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Das in der 3 dargestellte Blockschaltbild entspricht
den Blockschaltbildern in den 1 und 2. Es ist jedoch gegenüber diesen
weiter vereinfacht. Die Funktionsblöcke 1, 2 und 3 der 1 und 2 sind in der 3 durch einen Funktionsblock 4 ersetzt. Weiterhin
sind die Konstanten bzw. die Umrechnungsgrößen der 1 und 2 zusammen
mit ihren Einheiten in einer einzigen Konstanten, nämlich 286,48,
welche die Einheit [g*Ws/(mg*kWh)] hat, zusammengefasst. Diese Konstante
wird in dem Funktionsblock 4 mit dem Kraftstoffmassenstromsollwert pro
Zylinder KMsoll und der Zylinderanzahl nZyl multipliziert und durch
den aktuellen Wert des Drehmoments Mist dividiert. Die einzige Ausgangsgröße des Funktionsblocks 4 ist,
den in den 1 und 2 dargestellten Blockschaltbildern
entsprechend, der vorausschauend berechnete Kraftstoffverbrauch
KVvor. Dies führt
zu einer weiteren Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
welches nun noch weniger Rechenleistung benötigt. Die in der 3 dargestellte Version des
erfindungsgemäßen Verfahren
ist daher bei einer Implementierung zu bevorzugen.
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In der 4 ist
ein Blockschaltbild dargestellt, in welchem der vorausberechnete
Kraftstoffverbrauch KVvor zur Ermittlung eines aktuellen Motormomentensollwerts
Msollakt herangezogen wird. In einem Funktionsblock 5 wird
der vorausberechnete Kraftstoffverbrauch KVvor von einem Kraftstoffverbrauchssollwert
KVsoll, auch Verbrauchssollwert genannt, unter Bildung einer Differenz
bzw. Regelabweichung Δ subtrahiert.
Der Verbrauchsollwert KVsoll liegt vorzugsweise als Kennfeld einer
Motorsteuerung vor. Er stellt den maximalen, indizierten Kraftstoffverbrauch
dar, der sich beim momentanen Betriebszustand einstellen darf. Die
Regelabweichung Δ wird
einem Regler 6 zugeführt,
welcher aus der Regelabweichung Δ einen
maximalen Motormomentensollwert Msollmax erzeugt, welcher dem Verbrauchssollwert
KVsoll entspricht. Als Regler 6 wird vorzugsweise ein sogenannter
PI-Regler verwendet, welcher aus einer parallelen Anordnung von
einem Proportional-Glied P und einem Integral-Glied I und einer nicht näher bezeichneten
Summationsstelle besteht. In der nicht näher bezeichneten Summationsstelle
werden die Ausgangsgrößen des
Proportional-Glieds P und des Integral-Glieds I unter Bildung des
maximalen Motormomentensollwerts Msollmax addiert.
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Der maximale Motormomentensollwert Msollmax
wird in einem Funktionsblock 7 mit einem ursprünglichen
Motormomentensollwert Msollurspr verglichen. Der ursprüngliche
Motormomentensollwert Msollurspr ist die Momentenanforderung, welche
bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug der Beschleunigung, Verzögerung und
Geschwindigkeitskonstanthaltung entspricht. Der ursprüngliche Motormomentensollwert
Msollurspr ist bevorzugterweise eine Ausgangsgröße einer Momentenkoordinationsstufe,
deren Eingangsgrößen Momentenanforderungen
von unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise einem
Gaspedal, einem Bremspedal, einem Tempomat, einem Abstandsregler
und einer Getriebesteuereinrichtung, sind. Die Momentenkoordinationsstufe
ist bevorzugterweise in einer Motorsteuerung integriert. In dem
Funktionsblock 7 wird die kleinere der Eingangsgrößen maximaler
Motormomentensollwert Msollmax und ursprünglicher Motormomentensoll wert
Msollurspr ausgewählt
und als aktueller Motormomentensollwert Msollakt zur Ansteuerung
des Verbrennungsmotors verwendet.
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Der aktuelle Motormomentensollwert
Msollakt wird in entsprechende Signale für Aktoren des Verbrennungsmotor,
für Aktoren
einer eventuell dem Antriebsstrang zugeordneten elektrischen Maschine und
für Aktoren
einer Kraftfahrzeug-Bremseinrichtung umgewandelt. Aktoren für einen
Verbrennungsmotor dienen beispielsweise der Ansteuerung einer Drosselklappe,
der Einstellung der Zündung und/oder
der Einspritzung des Verbrennungsmotors. Aktuatoren für eine elektrische
Maschine sind insbesondere solche, welche deren generatorischen
oder motorischen Betrieb steuern, wie zum Beispiel Leistungshalbleiterschalter
eines Wechselrichters. Aktuatoren für eine Bremseinrichtung können hydraulischer,
elektrohydrodynamischer und/oder elektrischer Natur sein, je nach
Art des verwendeten Bremssystems.
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Ist der ursprüngliche Motormomentensollwert
Msollurspr größer als
der maximale Motormomentensollwert Msollmax, so wird zur Bildung
des aktuellen Motormomentensollwerts Msollakt der ursprüngliche
Motormomentensollwert Msollurspr in dem Funktionsblock 7 auf
den maximalen Motormomentensollwert Msollmax begrenzt. Anstelle
des Reglers 6 kann die Ermittlung des maximalen Motormomentensollwerts
Msollmax aus der Regelabweichung Δ auch
anhand eines geeigneten Modells erfolgen. Dieses Modell kann in
Form eines Kennfeld und/oder eines physikalischen und/oder mathematischen
Modells vorliegen. Dieses Modell wird bevorzugterweise aus den bekannten
Parametern einer Grenzabgastemperatur, eines Grenzzündwinkels, bei
dem noch eine stabile Verbrennung abläuft, und des Verbrennungswirkungsgrads
des Verbrennungsmotors ermittelt bzw. berechnet. Diese Parameter
liegen z.B. als Kenngrößen und/oder
als Messgrößen vor.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise
eingesetzt, um Betriebszustände
zu vermeiden, bei denen bei einer geringen Motormomentserzeugung
verhältnismäßig viel
Kraftstoff verbraucht wird. In diesen Betriebszuständen wird
der Motormomen tensollwert gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
begrenzt oder reduziert.
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Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Begrenzung des Kraftstoffverbrauchs ohne nennenswerten Verlust
an Fahrleistung bei Kraftfahrzeugen mit Ottomotoren und Abgasturboladern,
welche bei Volllast unter ungünstigen
Bedingungen betrieben werden. Ungünstige Bedingungen sind beispielsweise
eine hohe Ladelufttemperatur, eine hohe Wassertemperatur, große Entfernung
vom Erdmittelpunkt und/oder niedriger Luftdruck. Selbstverständlich kann
das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei anderen Verbrennungsmotoren, z.B. Dieselmotoren, bei Verbrennungsmotoren ohne
Abgasturbolader und in anderen Betriebszuständen eingesetzt werden.