EP0747590A2 - Method and apparatus for controlling the combustion characteristics of a spark ignited combustion engine - Google Patents

Method and apparatus for controlling the combustion characteristics of a spark ignited combustion engine Download PDF

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EP0747590A2
EP0747590A2 EP96106870A EP96106870A EP0747590A2 EP 0747590 A2 EP0747590 A2 EP 0747590A2 EP 96106870 A EP96106870 A EP 96106870A EP 96106870 A EP96106870 A EP 96106870A EP 0747590 A2 EP0747590 A2 EP 0747590A2
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EP
European Patent Office
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blow
actual
unit
work cycle
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EP96106870A
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German (de)
French (fr)
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EP0747590A3 (en
EP0747590B1 (en
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Christoph Reckzügel
Hans-Hubert Hemberger
Winfried Stiltz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler Benz AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0747590A3 publication Critical patent/EP0747590A3/en
Application granted granted Critical
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the combustion process in an Otto engine and to a control device suitable for carrying out such a method.
  • conventional engine combustion control systems it is known to carry out a pilot control by means of a logical query in a large number of characteristic curves and maps to provide the engine manipulated variables, such as the ignition timing, start of injection, end of injection and throttle valve angle.
  • the engine manipulated variables such as the ignition timing, start of injection, end of injection and throttle valve angle.
  • these manipulated variables are calculated during the gas exchange phase.
  • the known knock control and the lambda control there is no comparison with the actual combustion process, which only starts in the high pressure phase. With lambda control, the combustion process is not evaluated, but the exhaust gas is analyzed.
  • the published patent application DE 31 28 245 A1 describes a method for controlling the combustion process in internal combustion engines, in which the course of the combustion chamber pressure is recorded and compared with a stored characteristic curve. Determined system deviations are then corrected by intervening in the mixture formation and / or the ignition system of the internal combustion engine. It is known to store characteristic maps individually for the individual cylinders for cylinder-specific engine control, see laid-open specification DE 42 28 053 A1.
  • a neural network is provided, to which information about the current throttle valve angle and its rate of change is periodically supplied.
  • the neural network pre-calculates the throttle valve opening angle, and this information is used by the control device, among other things, to control a fuel injection unit.
  • US Pat. No. 4,987,888 describes a combustion control in which actual state variables relevant to combustion are recorded and depending on this, the operating conditions are predicted in a later state. In particular, the prediction of the air intake quantity is provided for a subsequent work cycle. The combustion-relevant manipulated variable values are then determined on the basis of the predicted operating conditions.
  • the invention is based on the technical problem of providing a method and a device with which a comparatively precise regulation of the combustion process in a gasoline internal combustion engine that takes the thermodynamics of the combustion process as far as possible is achieved.
  • updated values of the influencing factors on the so-called burn-through function ie the integral of the combustion curve over time or over the crank angle, are used as a basis for determining the manipulated variable values for a subsequent work cycle.
  • These updated influencing factor values are obtained from a comparison of a target blow-through function calculated in advance during the charge change phase of a work cycle with an actual blow-through function determined in real time during the high pressure phase of a work cycle.
  • the target blow-out function for a respective work cycle is calculated in advance with the aid of values of the blow-through function influencing factors which are representative of the actual engine state of a previous work cycle.
  • Control variables to be influenced for the next working cycle can be, in particular, the start of injection, the end of injection, the ignition timing and the throttle valve angle.
  • the engine parameters air mass, temperature and speed as well as further measured variables the residual gas content and the lambda value can be used. With this procedure, the actual fuel conversion into thermal energy is observed and can be regulated taking into account the specified boundary conditions, such as driver request and operating requirements.
  • the method can be used to infer the size of the cyclical fluctuation at the current operating point and to incorporate it into the control strategy.
  • the transition behavior of the motor control in non-stationary operation is significantly improved by this method compared to conventional controls.
  • This type of combustion control also eliminates a large number of characteristic curves and maps, as are required with conventional engine controls.
  • the cylinder-specific control enables the optimization of each individual cylinder, taking cylinder synchronization into account. Due to the real-time determination of the actual blowout function, a separate knock sensor can be omitted.
  • a control device characterized by claim 4 is suitable for carrying out this method.
  • a map-based determination of the center of gravity of the combustion is used on the basis of the actual engine state and the actual blow-through function and for stationary engine control.
  • the control device that carries out the method can have a corresponding unit for determining the center of gravity of the combustion.
  • this stationary control is superimposed on a non-stationary control, for which the information is provided on the input side in addition to the stationary controller output signal be taken into account via the current operating point and / or via the current engine power or engine consumption.
  • This type of control can be carried out by a control device characterized in claim 6.
  • the actual blow-out function is determined by means of a neural network.
  • This enables problem-free determination in real time, for which the generalization and learning ability of the network and its self-organizing function can be used to independently establish a relationship between an input signal to be classified and a desired output signal.
  • the use of such artificial intelligence eliminates the need to solve the thermodynamic equations characteristic of the blow-through function in a complex manner in real time by means of a computer and to iterate over the crank angle.
  • the single figure shows a block diagram of a combustion control for an Otto engine.
  • the control device monitors the actual state of the combustion process on the engine to be controlled (1) by means of an actual state detection unit (2) which detects the measurement variables relevant to the combustion process and calculates the other relevant engine parameters. These are in particular the engine speed, the initial temperature and the initial pressure of a work cycle as well as the residual gas content and the lambda value. By means of these detected quantities, a downstream unit (3) is able to calculate the target blow-through function in the charge change phase of the respective work cycle. As is known, the burn-through function results as an integral of the burn curve over time or over the crank angle. Influencing factor equations are used for the prediction of the blowout function on which the effects of the individual operating parameters are described separately in their effect on the behavior of the engine.
  • the engine type is indicated in advance at suitable operating points and systematic series of measurements are carried out until the influencing factor equations are determined with sufficient certainty.
  • the prediction is based on suitable reference points, of which several are provided over the entire operating range.
  • a neural network (4) is provided, to which one or more detected variables representative of the course of the combustion, for example the course of the combustion chamber pressure as a function of the crank angle and / or the lambda value and the exhaust gas temperature, are supplied on the input side, and from this in the High-pressure phase of the respective work cycle, the associated actual blow-through function is determined in real time.
  • a subsequent comparison stage (5) is supplied with the data of the predicted target blow-through function and the determined actual blow-through function, whereupon this unit (5) carries out a target / actual value comparison of the blow-through functions.
  • this unit (5) determines current values of the influencing factors determining the blow-through function, such as ignition timing, lambda value, initial temperature and initial pressure, residual gas content and speed, depending on the relevant blow-through function parameters, such as the burning time.
  • Apparent ignition delay and shape parameters, ie slope adjustment of the burn-through function curve such that these values match the actual burn-through function determined in real time by the neural network (4).
  • This information about the optimal, instantaneous influencing factor values is fed to a downstream stationary controller (6), which thus provides optimized manipulated variables, i.e.
  • the ignition timing (ZZP), the start of injection (ti), the injection end (ta) and the throttle valve angle (DK), ensures that the ignition timing is determined by the apparent ignition delay and the center of combustion, and for the lambda value the apparent ignition delay, the burning duration and the shape parameters of the blowout function as control criteria used.
  • the knowledge of the center of gravity of the combustion is supplied to it by an upstream unit (6), in which a characteristic map is stored and on the input side the actual burnout function from the neural network (4) as well as the current measured variables and motor parameters of the actual state detection unit (2) are fed.
  • the output signal of the stationary controller (6) is fed to a subsequent non-stationary controller (9), which is designed as a fuzzy controller or as a conventional PI (D) controller.
  • the current output and the current consumption in the respective work cycle serve as further input information, as they are determined by an upstream unit (7) from the actual blow-through function of the neural network (4) and the motor actual state data of the actual state detection unit (2).
  • a parallel unit (8) in which an operating point map is stored, determines the weight factors for the type of engine control desired by the driver, ie for the respective operating point with regard to power, consumption and emissions.
  • the driver's request is recorded by changing the throttle valve and by observing past work cycles and possible prediction of the future work cycle.
  • the transient controller (9) corrects the output signal, if necessary of the stationary controller by taking into account the driving request and the respective operating point requirements, the entire regulation process described above taking into account the cylinder synchronization for each cylinder.
  • the output signal of the transient controller (9) is converted into corresponding motor actuator manipulated variable values, which are made available to the motor (1) for a subsequent working cycle.
  • the control concept described enables controlled multivariable control in which changes in the operating point are assigned to a corresponding change in the manipulated variable.
  • the actual fuel conversion into thermal energy is tracked and regulated in accordance with the specified boundary conditions, such as driver request and operating point requirements, which realizes an optimal adjustment of the manipulated variables.
  • the specified boundary conditions such as driver request and operating point requirements
  • An operating point change based on the driver's request is easily adapted to the requirements with regard to the desired performance, consumption, emissions, smoothness and noise, and the manipulated variable is optimized individually for each cylinder by means of thermodynamic analysis and evaluation of a variable that determines a combustion profile, such as the combustion chamber pressure profile, using the neural network obtained actual blow-through function and the predicted target blow-through function.
  • control units shown individually in the figure do not need to be separate components, but rather are to be regarded as individual functional units for illustrating the control process, which can be combined in a suitable manner into respective control hardware components.

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Abstract

2.1. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor, bei dem die Stellgrößen, welche die Verbrennung festlegen, für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom erfaßten Verbrennungsverlauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus festgelegt werden. 2.2. Es wird vorgeschlagen, die Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszyklus mit Hilfe von in einem vorangegangenen Arbeitszyklus erfaßten Werten zugehöriger Einflußfaktoren im voraus zu berechnen, die Ist-Durchbrennfunktion des jeweiligen Arbeitszyklus in Echtzeit zu ermitteln und die Soll- mit der Ist-Durchbrennfunktion zu vergleichen und daraus aktualisierte Werte für die Durchbrennfunktion-Einflußfaktoren zu gewinnen, um diese der Bestimmung der Stellgrößenwerte für einen nachfolgenden Arbeitszyklus zugrundezulegen. Diese thermodynamische Analyse der Brennfunktion erlaubt eine optimale Stellgrößenanpassung, die besonders auch im Instationärbetrieb zu einem sehr zufriedenstellenden Regelungsverhalten führt. 2.3. Verwendung z. B. in Kraftfahrzeugen. <IMAGE>2.1. The invention relates to a method and a device for controlling the combustion process in a gasoline internal combustion engine, in which the manipulated variables that determine the combustion are determined for a subsequent work cycle by a control device as a function of the detected combustion process of a previous work cycle. 2.2. It is proposed to calculate the target blow-through function for a respective work cycle with the help of values of associated influencing factors acquired in a previous work cycle, to determine the actual blow-through function of the respective work cycle in real time and to compare the target blow-through function with the actual blow-through function and from this to obtain updated values for the blow-through function influencing factors in order to use them as a basis for determining the manipulated variable values for a subsequent work cycle. This thermodynamic analysis of the firing function enables an optimal adjustment of the manipulated variable, which leads to very satisfactory control behavior, especially in non-stationary operation. 2.3. Use e.g. B. in motor vehicles. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor sowie auf eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Regeleinrichtung. Bei herkömmlichen Motorverbrennungssteuerungen ist es bekannt, eine Vorsteuerung mittels logischer Abfrage in einer Vielzahl von Kennlinien und Kennfeldern zur Bereitstellung der Motorstellgrößen, wie Zündzeitpunkt, Einspritzbeginn, Einspritzende und Drosselklappenwinkel, vorzunehmen. Durch Erfassung der Motorparameter, wie Luftmasse, Motortemperatur, Drehzahl usw., werden diese Stellgrößen während der Ladungswechselphase errechnet. Mit Ausnahme der bekannten Klopfregelung und der Lambda-Regelung erfolgt kein Abgleich mit dem wirklichen Verbrennungsablauf, der erst in der Hochdruckphase einsetzt. Bei der Lambda-Regelung wird dabei nicht der Verbrennungsablauf ausgewertet, sondern das Abgas analysiert.The invention relates to a method for controlling the combustion process in an Otto engine and to a control device suitable for carrying out such a method. In conventional engine combustion control systems, it is known to carry out a pilot control by means of a logical query in a large number of characteristic curves and maps to provide the engine manipulated variables, such as the ignition timing, start of injection, end of injection and throttle valve angle. By recording the engine parameters, such as air mass, engine temperature, speed, etc., these manipulated variables are calculated during the gas exchange phase. With the exception of the known knock control and the lambda control, there is no comparison with the actual combustion process, which only starts in the high pressure phase. With lambda control, the combustion process is not evaluated, but the exhaust gas is analyzed.

Spezieller ist es zur Regelung des Verbrennungsablaufs von Ottomotoren bekannt, die Motorstellgrößenwerte für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom anhand entsprechender Istzustandsgrößen erfaßten Verbrennungsverlauf eines vorangangenen Arbeitszyklus unter Benutzung von abgelegten Kennfeldern festzulegen. Herkömmlicherweise dienen dabei die erfaßten Momentanwerte von einer oder mehreren, für den Verbrennungsablauf repräsentativen Meßgrößen direkt als Rückführgrößen, die in der Regeleinheit mit anhand von Kennfeldern abgespeicherten Sollwerten verglichen werden, wonach aus der solchermaßen bestimmten Regelabweichung die Stellglieder für den nächsten Arbeitszyklus im Sinne einer Verkleinerung der Regelabweichung angesteuert werden. So wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 31 28 245 A1 ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufs in Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem der Brennraumdruckverlauf erfaßt und mit einer abgelegten Kennlinie verglichen wird. Festgestellte Regelabweichungen werden dann durch Eingriff in die Gemischbildung und/oder die Zündanlage der Brennkraftmaschine ausgeregelt. Dabei ist es bekannt, zur zylinderspezifischen Motorsteuerung Kennfelder individuell für die einzelnen Zylinder abzuspeichern, siehe die Offenlegungsschrift DE 42 28 053 A1.In order to regulate the combustion process of gasoline engines, it is more particularly known to determine the engine manipulated variable values for a subsequent work cycle by means of a control device as a function of the combustion process of a previous work cycle recorded using corresponding actual state variables, using stored characteristic diagrams. Conventionally, the detected instantaneous values of one or more measurement variables representative of the combustion process serve directly as feedback variables, which are compared in the control unit with target values stored on the basis of characteristic diagrams, according to which the control deviation determined in this way results in Actuators for the next work cycle can be controlled in the sense of reducing the control deviation. For example, the published patent application DE 31 28 245 A1 describes a method for controlling the combustion process in internal combustion engines, in which the course of the combustion chamber pressure is recorded and compared with a stored characteristic curve. Determined system deviations are then corrected by intervening in the mixture formation and / or the ignition system of the internal combustion engine. It is known to store characteristic maps individually for the individual cylinders for cylinder-specific engine control, see laid-open specification DE 42 28 053 A1.

Bei einer in der Patentschrift US 5.200.898 gezeigten Regeleinrichtung für einen Verbrennungsmotor ist ein neuronales Netzwerk vorgesehen, dem periodisch Informationen über den aktuellen Drosselklappenwinkel und dessen Änderungsrate zugeführt werden. Das neuronale Netzwerk nimmt eine Vorausberechnung für den Drosselklappenöffnungswinkel vor, und diese Information wird von der Regeleinrichtung unter anderem für die Ansteuerung einer Kraftstoffeinspritzeinheit verwendet.In a control device for an internal combustion engine shown in US Pat. No. 5,200,898, a neural network is provided, to which information about the current throttle valve angle and its rate of change is periodically supplied. The neural network pre-calculates the throttle valve opening angle, and this information is used by the control device, among other things, to control a fuel injection unit.

Bei einem in der Offenlegungsschrift EP 0 114 490 A2 offenbarten Zündsystem für einen Verbrennungsmotor wird ein für die Kraftstoffbeladung des Arbeitsraumes repräsentativer Parameter jeweils vor der Zündungsauslösung gemessen, um die Verbrennungscharakteristik für diesen Arbeitstakt und den geeigneten Zündzeitpunkt im Hinblick auf eine Reduzierung der Schwankungen im erzeugten Motordrehmoment von Arbeitstakt zu Arbeitstakt vorauszuschätzen.In the case of an ignition system for an internal combustion engine, which is disclosed in the published patent application EP 0 114 490 A2, a parameter representative of the fuel load in the work area is measured before the ignition is triggered, in order to determine the combustion characteristics for this work cycle and the suitable ignition timing with a view to reducing the fluctuations in the engine torque generated to predict from work cycle to work cycle.

Aus der Offenlegungsschrift JP 5-163996 (A) ist eine Motorregelung bekannt, bei der das Motordrehmoment durch entsprechende Einstellung der Lufteinlaßmenge und des Zündzeitpunktes auf einen gewünschten wert geregelt wird.From the published patent application JP 5-163996 (A) an engine control is known in which the engine torque is regulated to a desired value by appropriate adjustment of the air intake quantity and the ignition timing.

In der Patentschrift US 4.987.888 ist eine Verbrennungsregelung beschrieben, bei der verbrennungsrelevante Istzustandsgrößen erfaßt und in Abhängigkeit davon die Betriebsbedingungen in einem späteren Zustand vorausgeschätzt werden. Insbesondere ist die Vorausschätzung der Lufteinlaßmenge für einen nachfolgenden Arbeitszyklus vorgesehen. Anhand der vorausgeschätzen Betriebsbedingungen werden dann die verbrennungsrelevanten Stellgrößenwerte bestimmt.US Pat. No. 4,987,888 describes a combustion control in which actual state variables relevant to combustion are recorded and depending on this, the operating conditions are predicted in a later state. In particular, the prediction of the air intake quantity is provided for a subsequent work cycle. The combustion-relevant manipulated variable values are then determined on the basis of the predicted operating conditions.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Einrichtung zugrunde, mit denen eine vergleichsweise genaue, die Thermodynamik des Verbrennungsvorgangs möglichst weitgehend berücksichtigende Regelung des Verbrennungsablaufs in einem Otto-Verbrennungsmotor erreicht wird.The invention is based on the technical problem of providing a method and a device with which a comparatively precise regulation of the combustion process in a gasoline internal combustion engine that takes the thermodynamics of the combustion process as far as possible is achieved.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Verfahrensgemäß werden zur Bestimmung der Stellgrößenwerte für einen nachfolgenden Arbeitszyklus aktualisierte Werte der Einflußfaktoren auf die sogenannte Durchbrennfunktion, d.h. des Integrals der Brennverlaufskurve über die Zeit bzw. über den Kurbelwinkel, zugrundegelegt. Diese aktualisierten Einflußfaktorwerte werden aus einem Vergleich einer während der Ladungswechselphase eines Arbeitszyklus vorausberechneten Soll- mit einer in Echtzeit während der Hochdruckphase eines Arbeitszyklus ermittelten Ist-Durchbrennfunktion gewonnen. Die Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszyklus wird dabei mit Hilfe von für den Motor-Istzustand eines vorangegangenen Arbeitszyklus repräsentativen, erfaßten bzw. abgeleiteten Werten der Durchbrennfunktion-Einflußfaktoren vorausberechnet. Bei einem Motor mit mehreren Zylindern erfolgt dies vorzugsweise zylinderindividuell. Da die Durchbrennfunktion die Thermodynamik des Verbrennungsvorgangs genauer wiedergibt als einzelne Meßgrößen, wird eine im Vergleich zu Motorregelungen, die auf der Beobachtung lediglich einzelner solcher Meßgrößen beruhen, sehr viel genauere Regelung des Verbrennungsablaufs erzielt. Zu beeinflussende Stellgrößen für den jeweils nächsten Arbeitszyklus können insbesondere der Einspritzbeginn, das Einspritzende, der Zündzeitpunkt und der Drosselklappenwinkel sein. Zur Istzustandsbestimmung können insbesondere die Motorparameter Luftmasse, Temperatur und Drehzahl sowie als weitere Meßgrößen der Restgasgehalt und der Lambdawert herangezogen werden. Mit dieser Vorgehensweise wird die tatsächliche Kraftstoffumsetzung in Wärmeenergie beobachtet und kann unter Berücksichtigung der vorgegebenen Randbedingungen, wie Fahrerwunsch und Betriebsanforderungen, geregelt werden. Mit dem Verfahren kann auf die Größe der zyklischen Schwankung im momentanen Arbeitspunkt geschlossen und diese in die Regelungsstrategie eingearbeitet werden. Besonders das Übergangsverhalten der Motorregelung im Instationärbetrieb wird durch dieses Verfahren gegenüber herkömmlichen Regelungen deutlich verbessert. Bei dieser Art der Verbrennungsregelung entfallen zudem eine Vielzahl von Kennlinien und Kennfeldern, wie sie bei herkömmlichen Motorregelungen erforderlich sind. Die zylinderindividuelle Regelung ermöglicht die Optimierung jedes einzelnen Zylinders unter Beachtung des Zylindergleichlaufs. Durch die Echtzeitbestimmung der Ist-Durchbrennfunktion kann ein separater Klopfsensor entfallen. Serienstreungen, Fertigungstoleranzen, Zündungs- und Entflammungsunterschiede, Alterungserscheinungen sowie Auswirkungen von Brennraumablagerungen können in der Regelung selbst berücksichtigt werden, ohne daß resultierende Sicherheitszuschläge, z.B. eine Zündzeitpunktverschiebung nach spät, erforderlich sind. Eine durch Anspruch 4 charakterisierte Regeleinrichtung eignet sich zur Durchführung dieses Verfahrens.This problem is solved by a method with the features of claim 1 and by a device with the features of claim 4. According to the method, updated values of the influencing factors on the so-called burn-through function, ie the integral of the combustion curve over time or over the crank angle, are used as a basis for determining the manipulated variable values for a subsequent work cycle. These updated influencing factor values are obtained from a comparison of a target blow-through function calculated in advance during the charge change phase of a work cycle with an actual blow-through function determined in real time during the high pressure phase of a work cycle. The target blow-out function for a respective work cycle is calculated in advance with the aid of values of the blow-through function influencing factors which are representative of the actual engine state of a previous work cycle. In the case of an engine with several cylinders, this is preferably done individually for each cylinder. Since the burn-through function reproduces the thermodynamics of the combustion process more precisely than individual measurement variables, a much more precise control of the combustion process is achieved in comparison to engine controls which are based on the observation of only such measurement variables. Control variables to be influenced for the next working cycle can be, in particular, the start of injection, the end of injection, the ignition timing and the throttle valve angle. For determining the current status In particular, the engine parameters air mass, temperature and speed as well as further measured variables the residual gas content and the lambda value can be used. With this procedure, the actual fuel conversion into thermal energy is observed and can be regulated taking into account the specified boundary conditions, such as driver request and operating requirements. The method can be used to infer the size of the cyclical fluctuation at the current operating point and to incorporate it into the control strategy. In particular, the transition behavior of the motor control in non-stationary operation is significantly improved by this method compared to conventional controls. This type of combustion control also eliminates a large number of characteristic curves and maps, as are required with conventional engine controls. The cylinder-specific control enables the optimization of each individual cylinder, taking cylinder synchronization into account. Due to the real-time determination of the actual blowout function, a separate knock sensor can be omitted. Series discrepancies, manufacturing tolerances, ignition and ignition differences, signs of aging and the effects of combustion chamber deposits can be taken into account in the control itself, without the resulting safety surcharges, such as a late shift in ignition timing, being necessary. A control device characterized by claim 4 is suitable for carrying out this method.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine kennfeldbasierte Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage anhand des Motor-Istzustands und der Ist-Durchbrennfunktion und zur stationären Motorregelung verwendet. Die verfahrensdurchführende Regeleinrichtung kann hierzu gemäß Anspruch 5 eine entsprechende Einheit zur Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage aufweisen.In a development of the invention according to claim 2, a map-based determination of the center of gravity of the combustion is used on the basis of the actual engine state and the actual blow-through function and for stationary engine control. For this purpose, the control device that carries out the method can have a corresponding unit for determining the center of gravity of the combustion.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist dieser Stationärregelung eine Instationärregelung überlagert, für die eingangsseitig neben dem Stationärreglerausgangssignal die Information über den momentanen Betriebspunkt und/oder über die momentane Motorleistung oder den Motorverbrauch berücksichtigt werden. Diese Art der Regelung kann durch eine in Anspruch 6 charakterisierte Regeleinrichtung durchgeführt werden.In a development of the invention according to claim 3, this stationary control is superimposed on a non-stationary control, for which the information is provided on the input side in addition to the stationary controller output signal be taken into account via the current operating point and / or via the current engine power or engine consumption. This type of control can be carried out by a control device characterized in claim 6.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 erfolgt die Bestimmung der Ist-Durchbrennfunktion mittels eines neuronalen Netzwerks. Dies ermöglicht deren problemlose Bestimmung in Echtzeit, wozu die Generalisierungs- und Lernfähigkeit des Netzes sowie dessen Selbstorganisationsfunktion zur selbständigen Herstellung einer Beziehung eines zu klassifizierenden Eingangssignals zu einem gewollten Ausgangssignal genutzt werden kann. Durch Verwendung derartiger künstlicher Intelligenz entfällt die Notwendigkeit, die für die Durchbrennfunktion charakteristischen thermodynamischen Gleichungen in aufwendiger Weise mittels eines Rechners in Echtzeit lösen und über dem Kurbelwinkel iterieren zu müssen.In a development of the invention according to claim 7, the actual blow-out function is determined by means of a neural network. This enables problem-free determination in real time, for which the generalization and learning ability of the network and its self-organizing function can be used to independently establish a relationship between an input signal to be classified and a desired output signal. The use of such artificial intelligence eliminates the need to solve the thermodynamic equations characteristic of the blow-through function in a complex manner in real time by means of a computer and to iterate over the crank angle.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.A preferred embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below.

Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Verbrennungsregelung für einen Otto-Verbrennungsmotor.The single figure shows a block diagram of a combustion control for an Otto engine.

Die Regeleinrichtung mit dem gezeigten Aufbau überwacht den Istzustand des Verbrennungsablaufs an dem zu regelnden Motor (1) mittels einer Istzustandserfassungseinheit (2), welche die für den Verbrennungsvorgang relevanten Meßgrößen erfaßt und die übrigen relevanten Motorparameter errechnet. Dies sind insbesondere die Motordrehzahl, die Anfangstemperatur und der Anfangsdruck eines Arbeitszyklus sowie der Restgasgehalt und der Lambdawert. Mittels dieser erfaßten Größen ist es einer nachgeschalteten Einheit (3) möglich, die Soll-Durchbrennfunktion in der Ladungswechselphase des jeweiligen Arbeitszyklus vorauszuberechnen. Die Durchbrennfunktion ergibt sich bekanntermaßen als Integral des Brennverlaufs über der Zeit bzw. über dem Kurbelwinkel. Für die Vorausberechnung der Durchbrennfunktion werden Einflußfaktorgleichungen zugrundegelegt, welche die Einflüsse der einzelnen Betriebsparameter in ihrer Wirkung auf das Verhalten des Motors voneinander getrennt beschreiben. Um also zu ermitteln, wie die Durchbrennfunktion auf Änderungen der Betriebsparameter reagiert, wird vorab der Motortyp in geeigneten Betriebspunkten indiziert und es werden systematische Meßreihen gefahren, bis die Einflußfaktorgleichungen mit ausreichender Sicherheit bestimmt sind. Die Vorausberechnung stützt sich auf geeignete Referenzpunkte, von denen mehrere über den gesamten Betriebsbereich vorgesehen sind. Parallel dazu ist ein neuronales Netzwerk (4) vorgesehen, dem eingangsseitig eine oder mehrere, für den Verbrennungsverlauf repräsentative, erfaßte Größen, beispielsweise der Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel und/oder der Lambdawert und die Abgastemperatur, zugeführt werden und das hieraus in der Hochdruckphase des jeweiligen Arbeitszyklus die zugehörige Ist-Durchbrennfunktion in Echtzeit ermittelt. Durch die Verwendung einer solchen Stufe mit künstlicher Intelligenz ist es möglich, die Ist-Durchbrennfunktion problemlos in Echtzeit zu ermitteln, ohne eine sehr rechenintensive Lösung der zugrundeliegenden thermodynamischen Gleichungen und eine Iteration über den Kurbelwinkel vornehmen zu müssen. Aus der ermittelten Durchbrennfunktion lassen sich bekanntlich die brennverlaufrelevanten Größen, wie Brenndauer, scheinbarer Zündverzug, Restgasgehalt und innerer Mitteldruck ableiten. Daneben ist gleichzeitig eine Klopferkennung möglich, was einen separaten Klopfsensor überflüssig macht.The control device with the structure shown monitors the actual state of the combustion process on the engine to be controlled (1) by means of an actual state detection unit (2) which detects the measurement variables relevant to the combustion process and calculates the other relevant engine parameters. These are in particular the engine speed, the initial temperature and the initial pressure of a work cycle as well as the residual gas content and the lambda value. By means of these detected quantities, a downstream unit (3) is able to calculate the target blow-through function in the charge change phase of the respective work cycle. As is known, the burn-through function results as an integral of the burn curve over time or over the crank angle. Influencing factor equations are used for the prediction of the blowout function on which the effects of the individual operating parameters are described separately in their effect on the behavior of the engine. In order to determine how the burn-through function reacts to changes in the operating parameters, the engine type is indicated in advance at suitable operating points and systematic series of measurements are carried out until the influencing factor equations are determined with sufficient certainty. The prediction is based on suitable reference points, of which several are provided over the entire operating range. At the same time, a neural network (4) is provided, to which one or more detected variables representative of the course of the combustion, for example the course of the combustion chamber pressure as a function of the crank angle and / or the lambda value and the exhaust gas temperature, are supplied on the input side, and from this in the High-pressure phase of the respective work cycle, the associated actual blow-through function is determined in real time. By using such a stage with artificial intelligence, it is possible to easily determine the actual blow-through function in real time without having to undertake a very computationally intensive solution to the underlying thermodynamic equations and an iteration over the crank angle. As is known, the quantities relevant to the course of the burn, such as the burn time, apparent ignition delay, residual gas content and internal mean pressure, can be derived from the burnout function determined. Knock detection is also possible, which makes a separate knock sensor unnecessary.

Einer anschließenden Vergleichsstufe (5) werden die Daten der vorausberechneten Soll-Durchbrennfunktion und der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion zugeführt, woraufhin diese Einheit (5) einen Soll-Istwertvergleich der Durchbrennfunktionen vornimmt. In Umkehrung des für die Vorausberechnung der Durchbrennfunktion verwendeten funktionalen Zusammenhangs ermittelt sie dann aktuelle Werte der die Durchbrennfunktion bestimmenden Einflußfaktoren, wie Zündzeitpunkt, Lambdawert, Anfangstemperatur und Anfangsdruck, Restgasgehalt und Drehzahl, in Abhängigkeit der maßgeblichen Durchbrennfunktionsparameter, wie Brenndauer, scheinbarer Zündverzug und Formparameter, d.h. Steigungsanpassung der Durchbrennfunktionskurve, dergestalt, daß diese Werte zu der vom neuronalen Netzwerk (4) in Echtzeit bestimmten Ist-Durchbrennfunktion passen.A subsequent comparison stage (5) is supplied with the data of the predicted target blow-through function and the determined actual blow-through function, whereupon this unit (5) carries out a target / actual value comparison of the blow-through functions. In reverse of the functional relationship used for the prediction of the blow-through function, it then determines current values of the influencing factors determining the blow-through function, such as ignition timing, lambda value, initial temperature and initial pressure, residual gas content and speed, depending on the relevant blow-through function parameters, such as the burning time. Apparent ignition delay and shape parameters, ie slope adjustment of the burn-through function curve, such that these values match the actual burn-through function determined in real time by the neural network (4).

Diese Information über die optimalen, momentanen Einflußfaktorwerte wird einem nachgeschalteten Stationärregler (6) zugeführt, der damit für die Bereitstellung optimierter Stellgrößen, d.h. Zündzeitpunkt (ZZP), Einspritzbeginn (ti), Einspritzende (ta) und Drosselklappenwinkel (DK), sorgt, wobei er für die Zündzeitpunktbestimmnung den scheinbaren Zündverzug sowie die Verbrennungsschwerpunktlage und für den Lambdawert den scheinbaren Zündverzug, die Brenndauer und den Formparameter der Durchbrennfunktion als Regelungskriterien benutzt. Die Kenntnis der Verbrennungsschwerpunktlage wird ihm von einer vorgeschalteten Einheit (6) geliefert, in der ein diesbezügliches Kennfeld abgelegt ist und der eingangsseitig die Ist-Durchbrennfunktion vom neuronalen Netzwerk (4) sowie die aktuellen Meßgrößen und Motorparameter der Istzustandserfassungseinheit (2) zugeführt sind.This information about the optimal, instantaneous influencing factor values is fed to a downstream stationary controller (6), which thus provides optimized manipulated variables, i.e. The ignition timing (ZZP), the start of injection (ti), the injection end (ta) and the throttle valve angle (DK), ensures that the ignition timing is determined by the apparent ignition delay and the center of combustion, and for the lambda value the apparent ignition delay, the burning duration and the shape parameters of the blowout function as control criteria used. The knowledge of the center of gravity of the combustion is supplied to it by an upstream unit (6), in which a characteristic map is stored and on the input side the actual burnout function from the neural network (4) as well as the current measured variables and motor parameters of the actual state detection unit (2) are fed.

Das Ausgangssignal des Stationärreglers (6) wird einem nachfolgenden Instationärregler (9) zugeführt, der als Fuzzy-Regler oder als konventioneller PI(D)-Regler ausgeführt ist. Als weitere Eingangsinformationen dienen die aktuelle Leistung und der aktuelle Verbrauch im jeweiligen Arbeitszyklus, wie sie von einer vorgeschalteten Einheit (7) aus der Ist-Durchbrennfunktion des neuronalen Netzes (4) und den Motor-Istzustandsdaten der Istzustandserfassungseinheit (2) ermittelt werden. Mit den gleichen Eingangsinformationen ermittelt eine dazu parallele Einheit (8), in der ein Betriebspunkt-Kennfeld abgelegt ist, die Gewichtsfaktoren für die Art der fahrergewünschten Motorregelung, d.h. für den jeweiligen Betriebspunkt hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Emission. Dabei wird der Fahrerwunsch über die Drosselklappenänderung sowie durch Beobachten vergangener Arbeitzyklen und eventueller Vorhersage des künftigen Arbeitszyklus erfaßt. Unter Einbeziehung auch dieser Informationen korrigiert der Instationärregler (9) gegebenenfalls das Ausgangssignal des Stationärreglers durch Berücksichtigung des Fahrwunsches und der jeweiligen Betriebspunktanforderungen, wobei das gesamte, oben beschriebene Regelungsgeschehen unter Beachtung des Zylindergleichlaufs für jeden Zylinder individuell abläuft. In einer ausgangsseitigen Einheit (10) wird das Ausgangssignal des Instationärreglers (9) in entsprechende Motor-Aktorstellgrößenwerte umgewandelt, die dem Motor (1) für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus zur Verfügung gestellt werden.The output signal of the stationary controller (6) is fed to a subsequent non-stationary controller (9), which is designed as a fuzzy controller or as a conventional PI (D) controller. The current output and the current consumption in the respective work cycle serve as further input information, as they are determined by an upstream unit (7) from the actual blow-through function of the neural network (4) and the motor actual state data of the actual state detection unit (2). Using the same input information, a parallel unit (8), in which an operating point map is stored, determines the weight factors for the type of engine control desired by the driver, ie for the respective operating point with regard to power, consumption and emissions. The driver's request is recorded by changing the throttle valve and by observing past work cycles and possible prediction of the future work cycle. Taking this information also into account, the transient controller (9) corrects the output signal, if necessary of the stationary controller by taking into account the driving request and the respective operating point requirements, the entire regulation process described above taking into account the cylinder synchronization for each cylinder. In an output-side unit (10), the output signal of the transient controller (9) is converted into corresponding motor actuator manipulated variable values, which are made available to the motor (1) for a subsequent working cycle.

Das beschriebene Regelungskonzept ermöglicht eine kontrollierte Mehrgrößenregelung, bei der Betriebspunktänderungen einer entsprechenden Stellgrößenänderung zugeordnet werden. Es wird die tatsächliche Kraftstoffumsetzung in Wärmeenergie verfolgt und entsprechend den vorgegebenen Randbedingungen, wie Fahrerwunsch und Betriebspunktanforderungen, geregelt, was eine optimale Stellgrößenanpassung realisiert. Durch die Verwendung eines neuronalen Netzes zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion und/oder eines Fuzzy-Reglers als Instationärregler wird die Echtzeitanwendung dieser Regelung erleichtert. Eine auf entsprechenden Fahrerwunsch zurückgehende Betriebspunktänderung wird an die Anforderungen hinsichtlich Leistungswunsch, Verbrauch, Emmission, Laufruhe und Geräusch problemlos angepaßt, und die Stellgrößenoptimierung erfolgt individuell für jeden Zylinder durch thermodynamische Analyse und Auswertung der aus einer brennverlaufsbestimmenden Größe, wie dem Brennraumdruckverlauf, mittels des neuronalen Netzes gewonnenen Ist-Durchbrennfunktion und der vorausberechneten Soll-Durchbrennfunktion.The control concept described enables controlled multivariable control in which changes in the operating point are assigned to a corresponding change in the manipulated variable. The actual fuel conversion into thermal energy is tracked and regulated in accordance with the specified boundary conditions, such as driver request and operating point requirements, which realizes an optimal adjustment of the manipulated variables. By using a neural network to determine the actual blow-through function and / or a fuzzy controller as a transient controller, the real-time application of this control is facilitated. An operating point change based on the driver's request is easily adapted to the requirements with regard to the desired performance, consumption, emissions, smoothness and noise, and the manipulated variable is optimized individually for each cylinder by means of thermodynamic analysis and evaluation of a variable that determines a combustion profile, such as the combustion chamber pressure profile, using the neural network obtained actual blow-through function and the predicted target blow-through function.

Es versteht sich, daß die in der Figur einzeln dargestellten Regelungseinheiten keine separaten Bauteile zu sein brauchen, sondern vielmehr als einzelne Funktionseinheiten zur Veranschaulichung des Regelungsablaufs anzusehen sind, die in geeigneter Weise zu jeweiligen Regelungs-Hardwarekomponenten zusammengefaßt sein können.It goes without saying that the control units shown individually in the figure do not need to be separate components, but rather are to be regarded as individual functional units for illustrating the control process, which can be combined in a suitable manner into respective control hardware components.

Claims (7)

Verfahren zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor, bei dem - die den Verbrennungsverlauf bestimmenden Stellgrößen (ZZP, ti, ta, DK) für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom erfaßten Verbrennungsverlauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus festgelegt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß - eine Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszyklus während dessen Ladungswechselphase mit Hilfe von erfaßten Istwerten von Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren eines vorangegangenen Arbeitszyklus vorausberechnet wird, - die Ist-Durchbrennfunktion während der Hochdruckphase des jeweiligen Arbeitszyklus in Echtzeit ermittelt wird und - die vorausberechnete Soll- mit der Ist-Durchbrennfunktion verglichen und daraus aktualisierte Werte für die Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren gewonnen werden, die der verbrennungsregelnden Bestimmung von Stellgrößenwerten (ZZP, ti, ta, DK) für einen nachfolgenden Arbeitszyklus zugrundegelegt werden. Process for controlling the combustion process in an Otto engine, in which the control variables determining the course of combustion (ZZP, ti, ta, DK) for a respective subsequent work cycle are determined by a control device as a function of the recorded combustion process of a previous work cycle,
characterized in that a target blow-through function for a respective work cycle during its charge change phase is calculated in advance with the aid of recorded actual values of blow-through function influencing factors of a previous work cycle, - The actual blow-through function is determined in real time during the high pressure phase of the respective work cycle and - The pre-calculated target is compared with the actual blow-through function and updated values for the blow-through function influencing factors are obtained, which are used as a basis for the combustion-regulating determination of manipulated variable values (ZZP, ti, ta, DK) for a subsequent work cycle. Verfahren nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die aktualisierten Werte für die Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren zusammen mit der für den jeweiligen Arbeitszyklus anhand eines Kennfeldes ermittelten Verbrennungsschwerpunktlage zur Bestimmung von stationärbetriebsgeregelten Stellgrößenwerten (ZZP, ti, ta, DK) herangezogen werden.The method of claim 1, further
characterized in that
The updated values for the blow-through function influencing factors are used together with the center of gravity of the combustion determined for the respective work cycle on the basis of a characteristic map for the determination of manipulated variable values regulated in stationary operation (ZZP, ti, ta, DK). Verfahren nach Anspruch 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die stationärbetriebsgeregelten Stellgrößenwerte unter Berücksichtigung des momentanen Betriebspunktes und/oder der ermittelten momentanen Motorleistung und/oder dem ermittelten momentanen Verbrauch geregelt in Instationärbetrieb-Stellgrößenwerte überführt werden.The method of claim 2, further
characterized in that
the steady-state controlled manipulated variable values are converted into unsteady-state manipulated variable values taking into account the current operating point and / or the determined instantaneous engine power and / or the determined instantaneous consumption. Einrichtung zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor, mit - einer Einheit (2) zur Erfassung von Motor-Istzustandsgrößen und - einer Reglereinheit, (6, 9), deren Ausgangssignal die Einstellung der Motorstellglieder bestimmt, gekennzeichnet durch
folgende weitere Elemente zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3: - eine der die Motor-Istzustandsgrößen bestimmenden Einheit (2) nachgeschaltete Einheit (3) zur Vorausberechnung der Soll-Durchbrennfunktion während einer Arbeitszyklus-Ladungswechselphase, - eine Einheit (4) zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion während einer Arbeitszyklus-Hochdruckphase und - eine der Reglereinheit (6, 9) vorgeschaltete Einheit (5) zur Ermittlung der zur jeweils ermittelten Ist-Durchbrennfunktion gehörigen Einflußfaktorwerte durch Vergleich der vorausberechneten Soll-Durchbrennfunktion mit der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion. Device for controlling the combustion process in an Otto combustion engine, with - A unit (2) for detecting actual engine state variables and a controller unit (6, 9), the output signal of which determines the setting of the motor actuators, marked by
the following further elements for carrying out the method according to one of claims 1 to 3: - a unit (3) downstream of the unit (2) determining the actual state of the engine state for the pre-calculation of the target blow-out function during a work cycle charge change phase, - A unit (4) for determining the actual blow-through function during a high-pressure working cycle and - A unit (5) connected upstream of the controller unit (6, 9) for determining the influencing factor values associated with the respectively determined actual blow-through function by comparing the predicted target blow-through function with the determined actual blow-through function. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, weiter
gekennzeichnet durch
einer der Reglereinheit (6, 9) parallel zu der die Einflußfaktorwerte ermittelnden Einheit (5) vorgeschaltete Einheit (6) zur kennfeldbasierten Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage anhand der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion und der erfaßten Motor-Istzustandsgrößen.Control device according to claim 4, further
marked by
one of the controller units (6, 9) upstream of the unit (6) upstream of the unit (5) determining the influencing factor values for map-based determination of the center of gravity of the combustion based on the ascertained actual blow-through function and the detected actual engine state variables. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Reglereinheit aus einem vorgeordneten Stationärregler (6) und einem nachgeordneten Instätionärregler (9) besteht, wobei letzterem parallel zum Stationärregler eine Einheit (7) zur aktuellen Leistungs- und Verbrauchsberechnung und/oder eine Einheit (8) zur kennfeldbasierten Betriebspunktermittlung vorgeschaltet sind, denen jeweils die Ausgangssignale der Einheit (4) zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion und der Einheit (2) zur Erfassung der Istzustandsgrößen zugeführt sind.Control device according to claim 4 or 5, further
characterized in that
the controller unit consists of an upstream stationary controller (6) and a downstream institutional controller (9), the latter being connected upstream of the stationary controller by a unit (7) for the current power and consumption calculation and / or a unit (8) for map-based operating point determination, each of which the output signals of the unit (4) for determining the actual blow-through function and the unit (2) for detecting the actual state variables are supplied. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einheit zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion aus einem neuronalen Netzwerk (4) besteht.Control device according to one of claims 4 to 6, further
characterized in that
the unit for determining the actual blowout function consists of a neural network (4).
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