DE10000872A1

DE10000872A1 - Verfahren zur Betriebseinstellung eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE10000872A1
Application number: DE10000872A
Authority: DE
Inventors: Stephan Uhl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2001-07-26
Also published as: WO2001051788A2; WO2001051788A3

Abstract

Das Verfahren dient zur Betriebseinstellung eines Verbrennungsmotors (34) insbesondere eines Fahrzeugs. Hierbei sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: DOLLAR A - Bestimmen wenigstens eines Ermittelungsparameters zum Ermitteln einer jeweiligen Brennverfahrensgrenze des Verbrennungsmotors; DOLLAR A - Bestimmen wenigstens einer Stellgröße zum Einstellen des Verbrennungsmotors bis maximal auf die Brennverfahrensgrenze; DOLLAR A - Ermitteln der Brennverfahrensgrenze; DOLLAR A - Einstellen der Stellgröße; DOLLAR A - Regeln der Betriebseinstellung des Verbrennungsmotors bis maximal auf die Brennverfahrensgrenze.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Be triebseinstellung eines Verbrennungsmotors insbe sondere eines Fahrzeugs, entsprechend dem einlei tenden Teil des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es sind Verfahren zur Betriebseinstellung eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Fahrzeugs in Form einer Steuerung bekannt. Derartige Steuerungen werden beispielsweise bei Ottomotoren zur Aufrecht erhaltung und Optimierung eines Magerbetriebs ein gesetzt. Dabei kann es auch bei aktivierter Steue rung beispielsweise aufgrund von Toleranzen in ei ner Luft-Kraftstoff-Zuführeinheit und/oder in einer Abgasrückführungseinheit eines Verbrennungsmotors über eine längere Betriebsdauer hinweg zur Einstel lung eines veränderten bzw. nicht exakten Luft- Kraftstoff-Gemischs kommen. Dies kann im Extremfall bis zu einer Überschreitung einer während des Be triebs des Verbrennungsmotors vorliegenden Lauf grenze führen. Bei Überschreitung der jeweils vor liegenden Laufgrenze stellen sich nachteilhafter weise höhere Abgasemissionen während des Betriebs des Verbrennungsmotors und im Extremfall aussetzen de Verbrennungen ein. Die bekannten Steuerungen sind nachteilhafterweise nicht geeignet, in zuver lässiger und insbesondere hinsichtlich des Kraft stoffverbrauchs günstiger Weise ein Überschreiten der jeweils während des Betriebs eines Verbren nungsmotors vorliegenden Laufgrenze zu vermeiden.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Betriebseinstel lung eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Fahrzeugs ist durch folgende Verfahrensschritte ge kennzeichnet:

- Bestimmen wenigstens eines Ermittlungsparameters zum Ermitteln einer jeweiligen Brennverfahrens grenze des Verbrennungsmotors;
- Bestimmen wenigstens einer Stellgröße zum Ein stellen des Verbrennungsmotors bis maximal auf die Brennverfahrensgrenze;
- Ermitteln der Brennverfahrensgrenze;
- Einstellen der Stellgröße;
- Regeln der Betriebseinstellung des Verbrennungs motors bis maximal auf die Brennverfahrensgrenze.

Durch eine Regelung der Betriebseinstellung des Verbrennungsmotors ist es möglich, den Verbren nungsmotor in zuverlässiger Weise bis maximal an einer jeweils vorliegenden Brennverfahrensgrenze zu betreiben, wobei gleichzeitig das Auftreten von hö heren Abgasemissionen bzw. von aussetzenden Verbrennungen aufgrund eines Überschreitens der je weils vorliegenden Laufgrenze des Verbrennungsmotors vermieden wird. Dabei weist eine Regelung im Vergleich zu einer Steuerung der Betriebseinstel lung des Verbrennungsmotors den besonderen Vorteil auf, dass der Verbrennungsmotor nicht mit einem Si cherheitsabstand zu einer jeweils vorliegenden Brennverfahrensgrenze betrieben werden muss, um beispielsweise aussetzende Verbrennungen nach einer Überschreitung einer Laufgrenze in sicherer, jedoch in betriebsungünstiger Weise zu vermeiden, sondern dass der Verbrennungsmotor aufgrund der vorzugswei se kontinuierlichen Regelung der Betriebseinstel lung an einer tatsächlichen, kraftstoffverbrauchs günstigen Brennverfahrensgrenze, wie zum Beispiel die Magerlaufgrenze eines Ottomotors, betrieben werden kann.

Vorteilhafterweise wird als Ermittlungsparameter eine Streuung der Winkelbeschleunigungen der Kur belwelle nach entsprechenden Verbrennungen in einem jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors herange zogen. Durch die Ermittlung der Streuung der Win kelbeschleunigungen der Kurbelwelle ist es möglich, die jeweils vorliegende, tatsächliche Laufgrenze (Brennverfahrensgrenze) des Verbrennungsmotors rechtzeitig zu ermitteln und somit eine zuverlässi ge Regelung der Betriebseinstellung des Verbren nungsmotors vorzugsweise bis maximal auf die Lauf grenze zu gewährleisten. Mittels der Streuung der Winkelbeschleunigungen der Kurbelwelle als Ermitt lungsparameter ist es somit möglich, einen als Ot tomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor kontinuier lich an einer tatsächlich vorliegenden Magerlauf grenze unter einen möglichst geringen Kraftstoff verbrauch zu betreiben.

Mit Vorteil wird als Stellgröße eine Luftzahl he rangezogen. Die Luftzahl, welche auch als Luftver hältnis bzw. als Lambda bezeichnet wird, ist durch das Verhältnis zugeführte Luftmenge pro theoreti schem Luftbedarf definiert. Mittels Einstellen der Luftzahl ist es möglich, die Betriebseinstellung des Verbrennungsmotors zylinderindividuell zu re geln, so dass für jeden Zylinder des Verbrennungs motors ein jeweiliges Betriebsoptimum vorzugsweise kontinuierlich mittels der Regelung eingestellt werden kann.

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante wird als Stellgröße eine Abgasrückführrate herangezogen. Mittels der Abgasrückführrate als Stellgröße er folgt die Regelung der Betriebseinstellung des Verbrennungsmotors in motorglobaler Weise, d. h., die Einstellung der Abgasrückführrate im Rahmen der Regelung der Betriebseinstellung des Verbrennungs motors gilt für alle Zylinder gemeinsam.

Vorzugsweise wird die Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigungen zeitkontinuierlich erfasst. Mittels einer zeitkontinuierlichen Erfassung der Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigungen der Kurbelwelle ist eine präzise, zuverlässige und permanente Regelung der Betriebseinstellung des Verbrennungsmotors bis maximal auf die Brennverfah rensgrenze (Magerlaufgrenze eines Ottomotors) mög lich.

Gemäß einer Ausführungsvariante wird die Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigungen in Bezug auf unmittelbar aufeinanderfolgende Verbrennungen erfasst. In dieser Weise wird die Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigungen mittels eines Vergleichs von zylinderspezifisch sich einstellen den Winkelbeschleunigungswerten ermittelt. Es wer den somit zugehörige Winkelbeschleunigungswerte al ler Zylinder des Verbrennungsmotors miteinander verglichen, um ggf. eine Streuung der Winkelbe schleunigungen festzustellen und eine geeignete Re gelung der Betriebseinstellung des Verbrennungsmo tors bis maximal auf die vorliegende Brennverfah rensgrenze einzuleiten.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsvari ante wird die Istgröße der Streuung der Winkelbe schleunigungen in Bezug auf Verbrennungen eines be stimmten Zylinders in verschiedenen Arbeitszyklen des Verbrennungsmotors erfasst. Hierbei werden le diglich sich einstellende Winkelbeschleunigungen aufgrund von Verbrennungen eines einzigen Zylinders miteinander verglichen, so dass ausschließlich eine zylinderindividuelle Streuung der Winkelbeschleuni gungen festgestellt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausfüh rungsbeispiel anhand zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Regelkreises zur Betriebseinstellung eines Verbren nungsmotors und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Erfassungsein heit zur Erfassung einer Streuung von Winkelbeschleunigungen.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Regelungssystem 10 zur Be triebseinstellung eines Verbrennungsmotors 34 ins besondere eines Fahrzeugs in Form eines einen Re gelkreis darstellenden Blockschaltbilds gezeigt. Dabei erfolgt die Betriebseinstellung anhand eines Ermittlungsparameters, der als Streuung der Winkel beschleunigungen (σ_LUTS) der Kurbelwelle nach ent sprechenden Verbrennungen in einem jeweiligen Zy linder des Verbrennungsmotors 34 definiert ist. Ein Streuungssollwert (σ_LUTS soll) wird anhand eines vorliegenden Sollwertkennfelds, in welchem die Mo torlast L in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n dargestellt ist, ermittelt und durch eine als Pfeil 11 dargestellte Übertragungsleitung an einen Ver knüpfungspunkt 14 übertragen. Am Verknüpfungspunkt 14 erfolgt eine Differenzbildung zwischen dem er mittelten Streuungssollwert (σ_LUTS soll) und einem zylinderindividuellen Streuungsistwert (σ_LUTS 1 ist), welcher durch eine als Pfeil 12 dargestellte Übertragungsleitung an den Verknüpfungspunkt 14 ü bertragen wird, zur Bildung eines Streuungsdiffe renzwerts (Δσ_LUTS). Der Streuungsdifferenzwert (Δσ_LUTS) wird durch eine als Pfeil 13 dargestellte Übertragungsleitung an einen I-Regler 15 übertra gen, der ein entsprechendes Ausgangssignal mittels einer als Pfeil 16 dargestellten Übertragungslei tung an eine Limitierungseinheit 17 weiterleitet, von welcher durch eine als Pfeil 18 dargestellte Übertragungsleitung ein entsprechendes Ausgangssig nal an einen Verknüpfungspunkt 20 geleitet wird.

Im Verknüpfungspunkt 20 erfolgt eine additive Ver knüpfung des mittels der als Pfeil 18 dargestellten Übertragungsleitung übertragenen Signals und eines von einer Vorsteuerung 26 durch eine als Pfeil 19 dargestellte Übertragungsleitung übertragenen Sig nals. Dabei wird in der Vorsteuerung 26 ein von der Motordrehzahl n abhängiges Motorlastkennfeld be rücksichtigt. Nach der erfolgten additiven Verknüp fung im Verknüpfungspunkt 20 wird ein entsprechen des Signal durch eine als Pfeil 21 dargestellte Ü bertragungsleitung an eine Wirkungsüberwachungsein heit 22 übertragen. Die Wirkungsüberwachungseinheit 22 übermittelt ein jeweiliges Ausgangssignal durch eine als Pfeil 27 dargestellte Übertragungsleitung an einen Verknüpfungspunkt 32, einerseits, und an dererseits durch eine als Pfeil 23 dargestellte Übertragungsleitung an eine Adaptionseinheit 24. Die Adaptionseinheit 24 übermittelt ein entspre chendes Ausgangssignal durch eine als Pfeil 25 dar gestellte Übertragungsleitung an die Vorsteuerein heit 26. Es wird somit mittels der Vorsteuerungs einheit 26, des Verknüpfungspunktes 20, der Wir kungsüberwachungseinheit 22 und der Adaptionsein heit 24 ein Adaptionsregelkreis gebildet.

Im Verknüpfungspunkt 32 erfolgt eine multiplikative Verknüpfung des mittels der als Pfeil 27 darge stellten Übertragungsleitung übertragenen Signals mit einem Luftzahl-Sollwert (λ soll), welcher unter Berücksichtigung eines Motordrehzahl n abhängigen Motorlastkennfelds ermittelt wird und durch eine als Pfeil 29 dargestellte Übertragungsleitung an den Verknüpfungspunkt 32 übertragen wird, und mit einem mittels einer als Pfeil 31 dargestellten Ü bertragungsleitung von einer Gemischadaptionsein heit 30 an den Verknüpfungspunkt 32 übertragenen Signal. Nach erfolgter multiplikativer Verknüpfung im Verknüpfungspunkt 32 wird mittels einer als Pfeil 33 dargestellten Übertragungsleitung zylin derindividuell ein Luftzahl-Sollwert (λ soll 1) an den Verbrennungsmotor 34 übertragen. Vom Verbren nungsmotor 34 werden zylinderindividuell mittels entsprechenden, als Pfeile 35, 36 dargestellte Ü bertragungsleitungen geeignete Ausgangsignale an eine Erfassungseinheit 37 übertragen. Die Erfas sungseinheit 37 dient zur Ermittlung von Streuungen der Winkelbeschleunigungen an der Kurbelwelle nach entsprechenden Verbrennungen in einem jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors 34. Es werden somit von der Erfassungseinheit 37 zylinderindividuell Streuungsistwerte (σ_LUTS 1 ist) erfasst und mittels entsprechender als Pfeil 12, 38 dargestellte Über tragungsleitungen an den Verknüpfungspunkt 14 über mittelt, in welchem wiederum eine Differenzbildung zwischen einem Streuungssollwert (σ_LUTS 1 soll) und dem zylinderindividuell ermittelten Streuungsist wert (σ_LUTS 1 ist) zur Ermittlung eines Streuungs differenzwerts (Δσ_LUTS) erfolgt.

Wie in Fig. 1 in Form einer Punktlinie dargestellt ist, können der I-Regler 15 die Limitierungseinheit 17, die Wirkungsüberwachungseinheit 22, die Adaptionseinheit 24 und die Vorsteuerungseinheit 26 kon struktiv als eine Regeleinheit 39 zusammengefasst werden. Fig. 1 zeigt somit einen Regelkreis beste hend aus der Regeleinheit 39, dem Verknüpfungspunkt 32, dem Verbrennungsmotor 34, der Erfassungseinheit 37 und dem Verknüpfungspunkt 14.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist die Erfassungseinheit 37 der Fig. 1 in Form eines Blockschaltbilds dar gestellt. Die Erfassungseinheit 37 weist eine Seg mentzeiterfassungseinheit 40 auf, mittels welcher die jeweilige Segmentzeit an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotor 34 ermittelt wird. Ein entspre chendes Signal (Segmentzeit) wird mittels einer als Pfeil 44 dargestellten Übertragungsleitung an eine Geberrad-Korrektureinheit 41 übertragen, mittels welcher eine Korrektur der ermittelten Segmentzeit erfolgt. Ein entsprechendes Signal wird durch die als Pfeil 45 dargestellte Übertragungsleitung an eine Erfassungseinheit 42 übermittelt, welche zur Ermittlung der Winkelbeschleunigungen (LUTS) eines jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors 34 dient. Die Erfassungseinheit 42 übermittelt ein entsprechendes Signal (LUTS) durch eine als Pfeil 46 dargestellte Übertragungsleitung an eine Erfas sungseinheit 43, welche zur Ermittlung der Streuung der Winkelbeschleunigungen der Kurbelwelle nach entsprechenden Verbrennungen in einem jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmotors 34 dient. In dieser Weise wird aus einem zylinderindividuell mittels der als Pfeile 35, 36 dargestellten Übertragungs leitungen an die Erfassungseinheit 37 übertragenen Eingangssignale unter vorheriger Erfassung der je weiligen Segmentzeit an der Kurbelwelle (Einheit 40), Korrektur der Segmentzeit (Einheit 41), zylin derindividuelle Bildung von Winkelbeschleunigungen (Einheit 42) mittels der Erfassungseinheit 43 ein zylinderindividueller Streuungswert (Δσ_LUTS) der Winkelbeschleunigungen der Kurbelwelle nach ent sprechenden Verbrennungen in einem jeweiligen Zy linder des Verbrennungsmotors 34 gebildet, welche mittels der als Pfeile 12, 38 dargestellten Über tragungsleitungen an den Verknüpfungspunkt 14 zur Weiterverarbeitung in dem oben beschriebenen Regel kreis übermittelt wird.

Vorteilhafterweise erlaubt ein derartig ausgebilde ter Regelkreis eine Detektion einer jeweils vorlie genden, d. h. tatsächlichen Brennverfahrensgrenze durch eine Drehzahlanalyse an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und eine Adaption der applizier ten Laufgrenze durch eine Laufgrenzenregelung. Hierzu wird im Verknüpfungspunkt 20 mittels einer additiven Korrektur durch die Laufgrenzenregelung (als Pfeil 18 dargestellte Übertragungsleitung) ei ne applizierte Laufgrenze (als Pfeil 19 dargestell te Übertragungsleitung) auf eine tatsächliche Lauf grenze für den jeweiligen Betriebspunkt des Brenn verfahrens geregelt (als Pfeil 21 dargestellte Ü bertragungsleitung).

Hierbei gelten folgende Definitionen in Bezug auf die Winkelbeschleunigung (LUTS) und die Streuung der Winkelbeschleunigungen (σ_LUTS):

Winkelbeschleunigung LUTS

mit: K = Verbrennungszähler
ts = Segmentzeit
Dyn = Dynamikkompensation

Streuung der Winkelbeschleunigung (σ_LUTS)

mit: i = Nummer des Zylinders
j = Nockenwellenumdrehungszähler
n = Anzahl der Nockenwellenumdrehungen des Auswerteintervalls

Die Streuung der Winkelbeschleunigungen (σ_LUTS) kann mittels eines realen Steuergeräts, wie z. B. eine Motronic-Steuerung wie folgt in zuverlässiger und insbesondere schneller Weise ermittelt werden:

σ_{LUTS_i}(j + 1) = σ_{LUTS_i}(j) + m₁ . (|LUTS_i(j) - FLUTS_i(j)| - σ_{LUTS_i}(j))

mit:

FLUTS_i(j + 1) = FLUTS_i(j) + m₂ . (LUTS_i(j) - FLUTS_i(j))

m₁ = 1. Konstante Tiefpaß 1. Ordnung
m₂ = 2. Konstante Tiefpaß 1. Ordnung
FLUTS_i(j + 1) = tiefpaßgefilterte Winkelbeschleuni gung
(σ_{LUTS_i})(j + 1) = Streuung der Winkelbeschleunigungen

Die Größe σ_LUTS (Streuung der Winkelbeschleunigungen) entspricht dabei qualitativ der Streuung der indi zierten Mitteldrücke der Verbrennungen. Mit der Größe σ_LUTS kann somit die vorliegende Laufgrenze de tektiert und anschließend eine entsprechende Rege lung eingeleitet werden. Aufgrund der Verwendung von zwei Tiefpaßfiltern (σ_{LUTS_i}(j + 1); FLUTS_i(j + 1)) ist es möglich, die Größe σ_LUTS, welche der Laufgrenze der Istgrößen entspricht, zeitkontinuierlich zu bilden und somit eine permanente Regelung zu gewährleis ten. Die Bildung der Größe σ_LUTS erfolgt somit mit tels zweier Tiefpaßfilter als abbildende Größe des indizierten Mitteldrucks aus der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Die Streuung der Winkelbe schleunigungen (σ_LUTS) eines jeden Zylinders bildet somit ein Maß für die Laufunruhe des Verbrennungs motors. Dabei wird unter "Laufunruhe" eine zuneh mende Verbrennungsstochastik verstanden, welche an der jeweils vorliegenden Laufgrenze stark zunimmt, da die jeweiligen Umsetzungen der Verbrennungen in den Zylindern in ein entsprechendes Drehmoment an der Kurbelwelle bei vorliegender Laufunruhe des Verbrennungsmotors nicht mehr vollständig erfolgen. Die Laufunruhe des Verbrennungsmotors, welche in Form einer Streuung der Winkelbeschleunigungen (σ_LUTS) eines jeden Zylinders ermittelt wird, dient als Indikator in Bezug auf das Erreichen einer je weils vorliegenden Laufgrenze, deren Überschreiten zu verhindern ist, um eine ansonsten auftretende gesteigerte HC-Emission und Verbrennungsaussetzer zu vermeiden. Die Größe σ_LUTS ist somit besonders ge eignet, den Verbrennungsmotor in zuverlässiger und effektiver Weise kontinuierlich an der tatsächli chen Magerlaufgrenze (Brennverfahrensgrenze) zu betreiben, da sie ein zuverlässiger Indikator hin sichtlich der sich einstellenden Laufunruhe vor Er reichen der Magerlaufgrenze darstellt und in einem Regelkreis verhältnismäßig einfach als Ermittlungs parameter genutzt werden kann.

Vorteilhafterweise kann der spezifische Kraftstoff verbrauch eines in dieser Weise geregelten Verbren nungsmotors abgesenkt werden, da ein Sicherheitsab stand zur Laufgrenze wie bei bekannten Steuerungs systemen nicht mehr eingehalten werden muss. Der Verbrennungsprozess kann aufgrund des vorliegenden Regelungskonzepts bis hin zur realen Laufgrenze ab gemagert werden. Dies ermöglicht eine langfristige Sicherstellung einer optimierten Verbrennungsquali tät und Ausnutzung der dadurch sich ergebenden Vor teile hinsichtlich der Komponentenalterungsprozes se.

Claims

1. Verfahren zur Betriebseinstellung eines Verbrennungsmotors insbesondere eines Fahrzeu ges, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens schritte:

- Bestimmen wenigstens eines Ermittelungspara meters zum Ermitteln einer jeweiligen Brenn verfahrensgrenze des Verbrennungsmotors;
- Bestimmen wenigstens einer Stellgröße zum Einstellen des Verbrennungsmotors bis maxi mal auf die Brennverfahrensgrenze;
- Ermitteln der Brennverfahrensgrenze;
- Einstellen der Stellgröße;
- Regeln der Betriebseinstellung des Verbren nungsmotors bis maximal auf die Brennverfah rensgrenze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass als Ermittlungsparameter eine Streuung der Winkelbeschleunigungen der Kur belwelle nach entsprechenden Verbrennungen in einem jeweiligen Zylinder des Verbrennungsmo tors herangezogen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße eine Luftzahl herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße eine Abgasrückführrate herangezogen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigun gen zeitkontinuierlich erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigun gen in Bezug auf unmittelbar aufeinanderfol gende Verbrennungen erfasst wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Istgröße der Streuung der Winkelbeschleunigun gen in Bezug auf Verbrennungen eines bestimm ten Zylinders in verschiedenen Arbeitszyklen des Verbrennungsmotors erfasst wird.