DE19727793C2 - Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Ab­ gasrückführung.

Aus der EP 0 485 089 A2 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennkraftmaschine umfaßt ei­ nen Ansaugtrakt mit einer Drosselklappe, einen Abgastrakt und eine Abgasrückführeinrichtung mit einem Abgasrückführrohr und einem Abgasrückführventil. Eine Steuereinrichtung ist vorge­ sehen, die das Abgasrückführventil steuert. Ein Sollwert der Abgasrückführrate wird aus einem Kennfeld abhängig von der Drehzahl und der Last ermittelt. Das Abgasrückführventil wird abhängig von dem Sollwert der Abgasrückführrate angesteuert.

Durch rückgeführtes Abgas wird die Verbrennungs-Spitzentem­ peratur während der Verbrennung des Luft-Kraftstoff Gemisches im Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine gesenkt. Je höher der Anteil des rückgeführten Abgases ist, desto mehr wird der Ausstoß an Stickoxiden reduziert. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigt mit der Menge des rückgeführten Abgases, da weniger Wärme an die Zylinderwände abgegeben wird und Pumpverluste verringert werden. Ab einer bestimmten hohen Abgasrückführrate steigt die Häufigkeit von Zündaussetzern stark an, so daß auch die HC-Emissionen unzulässig stark an­ steigen. Ein Maß für die Häufigkeit von Zündaussetzern und nur teilweiser Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches in den Zylindern ist die Laufunruhe.

Bei dem bekannten Verfahren wird ein Grenzwert der Abgasrück­ führrate ermittelt durch ein Erhöhen der Abgasrückführrate bis die Laufunruhe der Brennkraftmaschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Sollwert der Abgasrückführ­ rate wird dabei schrittweise jeweils um einen vorgegebenen Erhöhungswert erhöht bis die Laufunruhe der Brennkraftmaschi­ ne den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dem Grenz­ wert der Abgasrückführrate wird dann der zuletzt ermittelte Sollwert der Abgasrückführrate abzüglich des Erhöhungswertes zugewiesen. Der Grenzwert wird in dem Kennfeld abhängig von der aktuellen Drehzahl und Last fest gespeichert. Bei dem be­ kannten Verfahren muß die Ermittlung der Grenzwerte für jeden Kennfeldwert einzeln erfolgen. Zudem muß zu einem sicheren Erkennen der Laufgrenze der Brennkraftmaschine in der Praxis der Schwellenwert sehr hoch gewählt werden. Dies hat jedoch zur Folge, daß jedesmal, wenn der Grenzwert ermittelt wird, ein unangenehmes Ruckeln der Brennkraftmaschine auftritt. Dies kann dazu führen, daß ein Fahrer eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist, unberechtigterweise eine Fehlfunktion der Brennkraftmaschine annimmt und eine Werkstatt aufsucht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die Brennkraft­ maschine mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben wird, die Emission sehr gering sind und gleichzeitig ein hoher Fahrkomfort gewährleistet ist.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der jeweilige aktuelle Sollwert der Abgasrückführra­ te, der abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine ermittelt wird, mit einem Korrekturfaktor korrigiert wird. Der Korrekturfaktor wird abhängig von der Laufunruhe der Brennkraftmaschine ermittelt, wenn eine vorge­ gebene Bedingung erfüllt ist. Dies hat den Vorteil, daß der Korrekturfaktor nur selten ermittelt werden muß, da die Soll­ werte unabhängig von den Werten der Betriebsgröße mit dem Korrekturfaktor korrigiert werden - also global adaptiert werden. Durch den Korrekturfaktor werden wesentliche Einfluß­ größen auf die jeweils optimale Abgasrückführrate berücksich­ tigt. Diese wesentlichen Einflußgrößen sind fertigungsbeding­ te Toleranzen einer Brennkraftmaschine, Alterungseffekte, die Kraftstoffqualiät, der Umgebungsluftdruck und die Ansaugtem­ peratur. Die Werte dieser Einflußgrößen ändern sich alle nur langsam, so daß eine Ermittlung des Korrekturfaktors nur sel­ ten erfolgen muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenüber­ greifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Eine Brenn­ kraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1, mit einer Drosselklappe 10 und einen Motorblock 2, der einen Zylinder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Einen Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuel­ stange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 ver­ bunden.

Des Weiteren ist ein Zylinderkopf 3 vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb mit mindestens einem Einlaßventil 30, einem Aus­ laßventil 31 und jeweils ein dem Einlaßventil 30 zugeordneten Ventilantrieb 32a und ein dem Auslaßventil 31 zugeordneter Ventilantrieb 32b angeordnet ist. Die Ventilantriebe 32a, 32b umfassen jeweils eine nicht dargestellte Nockenwelle mit ei­ ner Übertragungseinrichtung, die den Nockenhub auf das Ein­ laßventil 30 beziehungsweise das Auslaßventil 31 überträgt. Es können auch Einrichtungen zum Verstellen der Ventilhubzei­ ten und des Ventilhubverlaufs vorgesehen sein. Alternativ kann auch je ein elektromagnetischer Aktor vorgesehen sein, der den Ventilhubverlauf des Ein- beziehungsweise Auslaßven­ tils 30, 31 steuert.

In den Ansaugtrakt 1 ist ein Einspritzventil 11 eingebracht, das so angeordnet ist, daß der Kraftstoff in den Ansaugtrakt 1 zugemessen wird. Das Einspritzventil kann alternativ jedoch auch in den Zylinderkopf 3 eingebracht sein und dort so ange­ ordnet sein, daß der Kraftstoff direkt in den Innenraum des Zylinders 20 zugemessen wird.

Eine Zündkerze 34 ist in eine Ausnehmung des Zylinderkopfes 3 eingebracht. Die Brennkraftmaschine kann auch als selbstzün­ dende Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Dann ist keine Zündkerze 34 vorgesehen und statt des Einspritzventils ist gegebenenfalls eine Einspritzdüse vorgesehen. Die Brennkraft­ maschine ist in der Fig. 1 mit einem Zylinder dargestellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zylinder umfassen.

Die Brennkraftmaschine umfaßt des Weiteren einen Abgastrakt 4 mit einem Katalysator 40. Die Brennkraftmaschine hat eine Ab­ gasrückführeinrichtung 5 mit einem Abgasrückführrohr 50, das von dem Abgastrakt 4 zu dem Ansaugtrakt 1 geführt ist. In dem Abgasrückführrohr 50 ist ein Abgasrückführventil 51 angeord­ net. Eine Steuereinrichtung 6 für die Brennkraftmaschine ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße er­ mitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt abhängig von mindestens einer Betriebsgröße ein oder mehrere Steilsignale, die jeweils ein Stellgerät steuern.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 71, der einen Pe­ dalwert PV des Fahrpedals 7 erfaßt, ein Drosselklappenstel­ lungsgeber 12, der einen Öffnungsgrad THR der Drosselklappe 10 erfaßt, ein Luftmassenmesser 13, der einen Luftmassenstrom MAF erfaßt und/oder ein Saugrohrdrucksensor 14, der einen Saugrohrdruck MAP in dem Abgastrakt erfaßt, ein Temperatur­ sensor 15, der eine Ansauglufttemperatur TAL erfaßt, ein Drehzahlgeber 24, der eine Drehzahl N der Kurbelwelle 23 er­ faßt, eine Sauerstoffsonde 41, die den Restsauerstoffgehalt des Abgases erfaßt und die diesem eine Luftzahl LAM zuordnet und ein Stellungsgeber 52, der den Öffnungsgrad EGRV des Ab­ gasrückführventils erfaßt. In der Ausführungsform der Erfin­ dung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Betriebsgrößen umfassen die Meßgrößen sowie von diesen abge­ leitete Größen, wie ein Umgebungsdruck, die über einen Kenn­ feldzusammenhang oder von einem Beobachter ermittelt werden, der Schätzwerte der Betriebsgrößen berechnet.

Die Steuergeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ein elektromotorischer Antrieb, ein elektromagnetischer Antrieb, ein mechanischer oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Drosselklappe 10, als Abgasrückführventil 51, als Einspritzventil 11, als Zündkerze 34 oder als eine an sich bekannte Verstelleinrichtung zum Verstellen des Ventilhubs der Ein- oder Auslaßventile 30, 31 ausgebildet. Auf die Stellgeräte wird im folgenden jeweils mit dem zugeordneten Stellglied bezug genommen.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise als elektronische Mo­ torsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steu­ ergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbun­ den sind, so zum Beispiel über ein Bussystem.

Die Fig. 2a und 2b zeigen ein Flußdiagramm des Verfahrens zum Steuern der Brennkraftmaschine. Das Verfahren wird in ei­ nem Schritt S1 (Fig. 2a) gestartet. In dem Schritt S1 wird der Wert eines Zählers CTR aus einem Speicher eingelesen.

In einem Schritt S2 wird ein Sollwert EGRR_SP der Abgasrück­ führrate aus einem ersten Kennfeld abhängig von dem Luft­ massenstrom MAF und der Drehzahl N ermittelt. Alternativ kön­ nen in dem ersten Kennfeld jedoch auch Sollwerte EGRR_SP der Abgasrückführrate abhängig von einem gewünschten Drehmoment an einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine und der Dreh­ zahl N aufgetragen sein.

In einem Schritt S3 wird der Sollwert EGRR_SP der Abgasrück­ führrate mit einem Korrekturfaktor KFAC korrigiert. Dazu wird einem korrigierten Sollwert EGRR_SP_OCR der Abgasrückführrate das Produkt aus dem Korrekturfaktor KFAC und dem Sollwert EGRR_SP der Abgasrückführrate zugewiesen.

In einem Schritt S4 wird ein Sollwert EGRV_SP des Öffnungs­ grades des Abgasrückführventils 51 aus einem zweiten Kennfeld ermittelt und zwar abhängig von dem korrigierten Sollwert EGRR_SP_COR der Abgasrückführrate und mindestens einer Be­ triebsgröße - bevorzugt der Drehzahl N. Der Sollwert EGRV_SP des Öffnungsgrades des Abgasrückführventils 51 wird dann über eine an sich bekannte Vorsteuerung und/oder Regelung des Öff­ nungsgrades des Abgasrückführventils 51 eingestellt. Bevor­ zugt wird der Sollwert EGRV_SP des Öffnungsgrades des Abgas­ rückführventils 51 abhängig von einem physikalischen Modell der Abgasrückführeinrichtung und des Ansaugtraktes ermittelt.

Ein derartiges Modell des Ansaugtraktes 1 und der Abgasrück­ führeinrichtung 5 ist in der nicht vorveröffentlichten inter­ nationalen Patentanmeldung derselben Anmelderin (amtl. Akten­ zeichen PCT/DE 97/00529 - unser Zeichen GR 96 P 1259 P) be­ schrieben, deren Inhalt diesbezüglich miteinbezogen ist. Das Modell wird hierzu aus der Zustandsgleichung idealer Gase, der Durchflußgleichung idealer Gase durch Drosselstellen, und einer linearen Zuordnung zwischen dem Saugrohrdruck und einem Massenstrom in den Zylinder 20 ermittelt. Eingangsgrößen des Modells sind die Drehzahl N, der Luftmassenstrom MAF, der Saugrohrdruck MAP, der Abgasgegendruck und der korrigierte Sollwert EGRR_SP_COR der Abgasrückführrate.

In einem Schritt S5 wird zuerst ein Betriebszustand BZ der Brennkraftmaschine ermittelt. Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise den Betriebszustand des Motorstarts ST, des Leerlaufs IS, der Teillast PL, der Vollast, des Schubs oder des Motorstops einnehmen. Zusätzlich wird in dem Schritt S5 geprüft, ob der bei der letzten Abarbeitung des Schrittes S5 ermittelte Betriebszustand BZ_n-1 der Motorstart ST ist und ob der aktuelle Betriebszustand BZ_n der Leerlauf IS oder die Teillast PL ist. Ist dies der Fall, so wird in einen Schritt S6 verzweigt, in dem der Zähler CTR um den Änderungswert DEC verringert wird. Der Zähler CTR wird demnach einmal pro Mo­ torlauf dekrementiert.

In einem Schritt S7 wird ein Laufunruhewert mit einem an sich bekannten Verfahren zum Ermitteln der Laufunruhe einer Brenn­ kraftmaschine ermittelt. Ein derartiges Verfahren ist bei­ spielsweise in der eingangs zitierten EP 0 485 089 A2 be­ schrieben. Alternativ kann jedoch beispielsweise auch das Meßsignal des Drehzahlgebers 24 ausgewertet werden. Der Lau­ funruhewert ER steigt, wenn die Anzahl der Arbeitszyklen mit unvollständiger Verbrennung oder auch Zündaussetzern zunimmt.

In einem Schritt S8 wird geprüft, ob der Laufunruhewert ER größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert SW1. Der Schwellenwert SW1 ist derart vorgegeben, daß ein sicheres Er­ kennen einer Laufgrenze der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Ist die Bedingung des Schritts S8 erfüllt, so wird in den Schritt S9 verzweigt, in dem der Zähler CTR mit einem Re­ ferenzwert REF belegt wird.

In einem Schritt S10 wird geprüft, ob der Zähler CTR den Re­ ferenzwert REF hat. Ist dies nicht der Fall, so wird das Ver­ fahren in dem Schritt S11 beendet und der Wert des Zählers CTR in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert.

Ist die Bedingung des Schritts S10 jedoch erfüllt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S12 fortgesetzt, in dem ge­ prüft wird, ob ein Merker M gesetzt ist. Ist dies der Fall, so wird in einen Schritt S13 verzweigt, in dem einem aktuel­ len Sollwert EGRR_SP_AC der Sollwert EGRR_SP der Abgasrück­ führrate zugewiesen wird. Außerdem wird in dem Schritt S13 der Merker M zurückgesetzt.

In einem Schritt S14 wird geprüft, ob der Laufunruhewert ER größer ist als der Schwellenwert SW1. Ist dies nicht der Fall, so wird in den Schritt S15 verzweigt, in dem der Soll­ wert EGRR_SP der Abgasrückführrate um einen Inkrementierwert AW erhöht wird. Die Bearbeitung wird dann in dem Schritt S3 fortgesetzt und zwar gegebenenfalls nach einer vorgegebenen Verzögerungszeitdauer.

Ist der Laufunruhewert ER in dem Schritt S14 größer als der Schwellenwert SW1, so wird in einem Schritt S16 der Korrek­ turfaktor KFAC neu ermittelt. Dazu wird dem Korrekturfaktor KFAC der Quotient des korrigierten Sollwertes EGRR_SP_COR und des aktuellen Sollwertes EGRR_SP_AC multipliziert mit einem Sicherheitsfaktor SF zugewiesen. Der Sicherheitsfaktor SF ist dabei vorteilhafter Weise derart gewählt, daß der im Schritt S3 zu berechnenden korrigierte Sollwert EGRR_SP_COR der Ab­ gasrückführrate so klein ist, daß ein komfortabler der Brenn­ kraftmaschine ohne Ruckeln gewährleistet ist.

In einem Schritt S17 wird ein Initialisierungswert IN des Zählers CTR ermittelt. Der Initialisierungswert kann ein fest vorgegebener Wert sein, vorzugsweise wird er jedoch abhängig von einem Anstieg der Laufunruhewerte ER während des Zeit­ raums ermittelt, in dem der Zähler CTR durchgehend den Refe­ renzwert REF hat. Dadurch wird der Fahrkomfort noch weiter erhöht, da bei einer hohen Empfindlichkeit der Brennkraftma­ schine auf ein Erhöhen der Abgasrückführrate bezüglich der Laufunruhe die Adaption dann beispielsweise seltener erfolgen kann, um zu verhindern, daß ein Fahrer eines Fahrzeugs, in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist, unnötiger Weise eine Werkstatt aufsucht. Der Initialisierungswert wird dabei vorzugsweise aus einem Kennfeld ermittelt. Das Kennfeld kann dabei auch so abgestimmt sein, daß bei starken Veränderungen des Umgebungsdrucks oder der Ansauglufttemperatur der Korrek­ turfaktor KFAC häufiger neu ermittelt wird.

Der Korrekturfaktor KFAC kann in dem Schritt S16 auch mit ei­ ner alternativen Berechnungsmethode bestimmt werden. So kann er beispielsweise abhängig von dem korrigierten Sollwert EGRR_SP, einem korrigierten aktuellen Sollwert, dem Sicher­ heitsfaktor und dem zuletzt ermittelten Korrekturfaktor KFAC neu ermittelt werden.

In einem Schritt S18 wird der Zähler CTR dann mit dem Initia­ lisierungswert IN initialisiert. Außerdem wird der Merker M gesetzt. Das Verfahren wird dann in dem Schritt S11 beendet.

Der Initialisierungswert IN hat beispielsweise Werte von eins bis zehn, der Änderungswert DEC hat beispielsweise den Wert eins und der Referenzwert REF hat beispielsweise den Wert null. Ein Ermitteln des Korrekturfaktors KFAC erfolgt dann jeweils nach eins bis zehn Motorläufen, jedoch sofort, wenn der Laufunruhewert ER den Schwellenwert überschreitet.

Das Flußdiagramm wird vorzugsweise in der Steuereinrichtung 6 als ein Programm realisiert. Es kann aber auch alternativ als eine festverdrahtete Schaltungsanordnung realisiert werden. Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt. Beispielsweise kann als zusätzliches Stell­ glied zum Einstellen der Abgasrückführrate auch die Drossel­ klappe 10 vorgesehen sein. Der Korrekturfaktor kann auch als additiver Korrekturfaktor ausgebildet sein. Demnach erfolgt dann eine additive Korrektur des Sollwertes EGRR_SP der Ab­ gasrückführrate in dem Schritt S3. In dem Schritt S10 kann zusätzlich geprüft werden, ob die Brennkraftmaschine in einem stationären Betrieb ist oder ob die Drehzahl N und die Last innerhalb eines vorgegebenen Bereichs sind oder ob die Abgas­ rückführrate innerhalb eines vorgegebenen Bereichs ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Stellglied zum Einstellen einer Abgasrückführrate, bei dem:
ein aktueller Sollwert (EGRR_SP) der Abgasrückführrate ab­ hängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftma­ schine ermittelt wird,
der Sollwert (EGRR_SP) der Abgasrückführrate mit einem Kor­ rekturfaktor (KFAC) korrigiert wird,
das Stellglied abhängig von dem korrigierten Sollwert (EGRR_SP_COR) der Abgasrückführrate angesteuert wird und
der Korrekturfaktor (KFAC) abhängig von der Laufunruhe der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (CTR) mit einem vorgegebenen Initialisierungswert (IN) initialisiert wird, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, daß der Zähler (CTR) um einen vorgegebenen Änderungswert (AW) innerhalb eines Motorlaufs verändert wird und daß die vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wenn der Zähler (CTR) ei­ nen vorgegebenen Referenzwert (REF) hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß In­ itialisierungswert (IN) abhängt von dem Anstieg der Laufunru­ he während des Ermittelns des Korrekturfaktors (KFAC).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zähler (CTR) auf den Referenzwert (REF) gesetzt wird, wenn die Laufunruhe der Brennkraftmaschine grö­ ßer ist als ein vorgegebener Schwellenwert (SW1).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zähler (CTR) um den Änderungswert in­ nerhalb eines Motorlaufs verringert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß folgende Schritte durchgeführt werden, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist:
der Sollwert (EGRR_SP) der Abgasrückführrate wird erhöht, bis die Laufunruhe den vorgegebenen Schwellenwert (SW1) über­ schreitet, und
der Korrekturfaktor (KFAC) wird aus dem korrigierten erhöh­ ten Sollwert (EGRR_SP_COR) und dem aktuellen Sollwert (EGRR_SP_AC) ermittelt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Stellglied ein Abgasrückführventil (51) ist.