DE102006016905A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Aus diesem Stand der Technik geht hervor, dass der Aufwand zum Bestimmen eines Brennraumdruckes an Sensorik und Auswertung vergleichsweise hoch ist und demnach hohe Kosten verursacht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren weiterzubilden, so dass während des Betriebs des Verbrennungsmotors der Brennraumdruck ohne unmittelbare Erfassung noch genauer abgeschätzt werden kann. Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Ermitteln eines Brennraumdruckes, vorgeschlagen, bei dem auf Basis bereits erfasster Betriebsgrößen (Ansauglufttemperatur im Saugrohr, Ladeluftdruck) der Brennraumdruck modelliert wird. Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere um bei einem Dieselmotor einen Maximalwert für einen Brennraumdruck nicht zu überschreiten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere um bei einem Dieselmotor einen Maximalwert für einen Brennraumdruck nicht zu überschreiten, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 39 590 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ein Brennraumdruck nach Größe und Kurbelwellenwinkellage erfasst wird. Der erfasste Verlauf des Brennraumdrucks wird differenziert und Nulldurchgänge der Ableitung werden festgestellt. Am ersten Nulldurchgang wird das Auftreten des Spitzendrucks angenommen und der zugehörige Kurbelwellenwinkel wird festgestellt. In Abhängigkeit der Kurbelwellenwinkellage des Spitzendrucks werden Betriebsparameter des Verbrennungsmotors geregelt.
• Bauteile von Verbrennungsmotoren unterliegen bezüglich ihrer Abmessungen statistischen Streuungen. Daher gibt es obere und untere Grenzmustermotoren, die die Eckpunkte einer zugelassenen Streubreite von limitierenden Betriebsgrößen bilden. Beim Dieselmotor ist speziell die Streubreite des Brennraumspitzendrucks eine limitierende Größe, da bei Überschreitung des oberen, zugelassenen Grenzwerts des Spitzendrucks die Belastbarkeitsgrenze des Dieselmotors überschritten wird. Bei einem zugelassenen Brennraumspitzendruck von 200 bar mit einer Streubreite von 20 bar kann die Konstruktion des Dieselmotors lediglich auf 180 bar Sollwert ausgelegt werden, um auch bei einem oberen Grenzmustermotor die Belastbarkeitsgrenze nicht zu überschreiten.
• Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 203 875 A1 ist ein Verfahren zum Schutz eines Verbrennungsmotors vor Überdruck bekannt, bei dem der Verbrennungsdruck in mindestens einem Zylinder des Verbrennungsmotors gemessen wird. Wenn der Spitzendruck in einem Zylinder des Verbrennungsmotors einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, soll die Kraftstoffeinleitung und/oder die Kraftstoffverbrennung abweichend von den von der Motorsteuerung vorgegebenen Werten modifiziert werden, so dass der Spitzendruck in nachfolgenden Zyklen unter dem Schwellwert bleibt.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 05 463 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Spitzendruck im Verbrennungsraum mittels eines Brennraumdrucksensors erfasst wird. Erreicht der Brennraumdruck einen Grenzwert, wird der Einspritzbeginn so verstellt, dass der Brennraumdruck absinkt.
• Aus der deutschen Patentschrift DE 39 33 947 C1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Verbrennungsdrucks in Kolbenmotoren bekannt, bei dem mittels eines Beschleunigungssensors an wenigstens einem Kurbelwellenlager des Hubkolbenmotors die am Kurbelwellenlager auftretende Beschleunigung bestimmt wird. Mittels der erfassten Beschleunigung wird indirekt der Verbrennungsdruck bestimmt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigungswerte sind Druckanstieg und Spitzendruck des Verbrennungsdrucks ermittelbar. Aus dem mittels der Beschleunigungsmessung bestimmten zeitlichen Druckanstieg und dem Spitzendruck können Regelgrößen zur Mengen-, Gemisch-, Füllungs-, Einspritz- und Zündzeitpunktregelung abgeleitet werden.
• Aus diesem Stand der Technik geht hervor, dass der Aufwand zum Bestimmen eines Brennraumdruckes an Sensorik und Auswertung vergleichsweise hoch ist und demnach hohe Kosten verursacht. Daher versucht man, auf Basis von bereits vorliegenden Betriebsgrößen auf den aktuellen Brennraumdruck zu schließen.
• Hierzu ist aus der deutschen Patentschrift DE 102 20 320 B3 ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem Schritte zum Erfassens von Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors sowie zum Einstellen von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgrößen vorgesehen sind, und bei dem geprüft wird, ob die Werte der erfassten Betriebsgrößen und/oder Kombinationen dieser Werte auf eine Abweichung eines Brennraumspitzendrucks von einem vorbestimmten Maximalwert hinweisen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Verfahren weiterzubilden, so dass während des Betriebs des Verbrennungsmotors der Brennraumdruck ohne unmittelbare Erfassung noch genauer abgeschätzt werden kann.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen, zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Ermitteln eines Brennraumdrucks. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass auf Basis bereits erfasster Betriebsgrößen der Brennraumdruck modelliert wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem Stand der Technik die Vorteile auf, dass auch ohne sensorische Erfassung immer eine genaue Größe des Brennraumdrucks vorliegt und somit auch unter ungünstigen (instationären) Betriebsbedingungen im Fahrbetrieb, beispielsweise im Kältebetrieb oder bei hohen Drehzahlen und gleichzeitigem Hinaufschalten in einen höheren Gang, ein Überschreiten eines bekannten, maximal zulässigen Brennraumdrucks durch Ändern von Betriebsgrößen zuverlässig verhindert werden kann.
• Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 2 wird vorgeschlagen, dass der Modellierung des Brennraumdrucks ein lineares Modell zugrunde gelegt wird. Diese Maßnahme führt zu einer weit weniger aufwändigen Parametrisierung. Das lineare Modell ist invertierbar und schnell zu berechnen, so dass die zu begrenzenden Parameter direkt berechnet werden können.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung gemäß Patentanspruch 3 ist vorgesehen, dass der Brennraumdruck nur in kritischen Betriebsbereichen modelliert wird. Dieser Vorschlag führt ebenfalls zu weniger Programmieraufwand und verringert den erforderlichen Rechenaufwand und Speicherbedarf, so dass die zugehörige Software problemlos ins Motorsteuergerät implementiert und dort ausgeführt werden kann.
• Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass bei drohender Überschreitung des maximal zulässigen Brennraumdrucks die Einspritzparameter der Kraftstoffeinspritzung verändert werden. Veränderungen an den Kraftstoff-Einspritzungsparametern sind ohne zusätzlichen Aufwand möglich und wirken sich sehr schnell, also bereits im nächsten Arbeitsspiel, aus. Das heißt, es kann sehr schnell eingegriffen werden, sobald sich der Brennraumdruck an seinen maximal zulässigen Höchstwert annähert.
• In einer Weiterentwicklung der Erfindung gemäß den Patentansprüchen 5 bis 7 ist vorgesehen, jeweils ein Wert für einen elektrischen Förderbeginn und für einen maximal zulässigen elektrischen Förderbeginn zu berechnen und der berechnete Wert für den elektrischen Förderbeginn bis zu einem applizierbaren Grenzwert dem berechneten maximal zulässigen elektrischen Förderbeginn nachgeführt wird.
• Der elektrische Förderbeginn, insbesondere der Zeitpunkt der elektrischen Ansteuerung eines Injektor-Ventils, ist ein wesentlicher Einflussparameter für den Brennraumdruck. Er hat den Vorteil gegenüber anderen Einflussparametern, dass er sehr genau durch das Motorsteuergerät vorgegeben werden kann. Dabei wird an Hand des Modells der maximal zulässige elektrische Förderbeginn, der gerade noch nicht zu einer Überschreitung der Spitzendruckgrenze führt, bestimmt. Jedoch wird der einzustellende elektrische Förderbeginn dem maximal zulässigen elektrischen Förderbeginn nur bis zu einem applizierbaren Grenzwert nachgeführt, um die Motorabstimmung nicht allzusehr zu verändern.
• Um auch in dem Fall, dass der einzustellende elektrische Förderbeginn um mehr als den applizierbaren Grenzwert nachgeführt werden müsste, den maximal zulässigen Brennraumdruck nicht zu überschreiten, wird bei einer bevorzugten Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 weiterhin vorgeschlagen, dass die Einspritzmenge begrenzt wird.
• Die Einspritzmenge ist ein weiterer Einflussparameter für den Brennraumdruck und kann vergleichbar mit dem elektrischen Förderbeginn ohne zusätzlichen Aufwand eingestellt werden. Auf die Veränderbarkeit der Einspritzmenge wird insbesondere dann zugegriffen, wenn der Wert für den elektrischen Förderbeginn nicht weiter verändert werden kann bzw. soll. Ergibt also die Modellierung einen Wert für den einzustellenden elektrischen Förderbeginn, der um mehr als der applizierbare Grenzwert von einem im Motorsteuergerät berechneten gewünschten Wert abweicht, so wird für den einzustellenden Wert für den elektrischen Förderbeginn der maximal zulässige elektrische Förderbeginn festgesetzt (durch die im Patentanspruch 9 vorgeschlagene Minimalauswahl) und die Einspritzmenge (z.B. in Form der Förderdauer) begrenzt. Somit ist sichergestellt, dass der zulässige Maximalwert für den Brennraumdruck nicht überschritten wird.
• Schließlich wird nach Patentanspruch 9 noch vorgeschlagen, dass eine Minimalauswahl zwischen dem Wert für den elektrischen Förderbeginn und dem maximal zulässigen Wert für den elektrischen Förderbeginn vorgenommen wird.
• Durch diese Minimalauswahl wird der kleinere der beiden verglichenen Werte als Istwert gesetzt und als weitere Maßnahme, um den maximal zulässigen Brennraumdruck nicht zu überschreiten, im weiteren die Einspritzmenge begrenzt bzw. verringert (wie im Patentanspruch 8 vorgeschlagen).
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren angegeben.
• Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
• Dabei zeigt die Figur ein prinzipielles Blockschaltbild mit Funktionsblöcken zur Bestimmung eines Kraftstoff-Förderbeginns mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die Erfindung eignet sich insbesondere zum zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere um bei einem Dieselmotor einen Maximalwert für einen Brennraumdruck nicht zu überschreiten.
• Die Fig. zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild 1 zur Bestimmung eines Kraftstoff-Förderbeginns FB ist mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In bestimmten Betriebszuständen (z.B. Instationärbetrieb, Kaltbetrieb), d.h. in kritischen Betriebsbereichen, kann im Stand der Technik ein maximal zulässiger Brennraumdruck p_{max_zul} überschritten werden. Um dies zu verhindern, muss ein aktueller Brennraumdruck p bekannt sein.
• Untersuchungen haben gezeigt, dass der tatsächliche aktuelle Brennraumdruck p für einzelne Lastpunkte durch ein lineares Modell gut angenähert werden kann. Die lineare Gleichung für den aktuellen Brennraumdruck p lautet: p = a·FB + b·t2s + c·p2s + d·FD,mit folgenden Variablen:

p

Brennraumdruck,

FB

Förderbeginn (Kraftstoff),

t_2s

Ansauglufttemperatur (im Saugrohr),

p_2s

Ladeluftdruck,

FD

Förderdauer und

a, b, c, d

lineare Koeffizienten.

• Dabei werden die Größen Ansaugluft-Temperatur t_2s und Ladeluftdruck p_2s sensorisch erfasst und sind bereits in einem Motorsteuergerät vorhanden. Die Größen Förderbeginn FB und Förderdauer FD sind üblicherweise jeweils betriebspunktabhängig in einem Kennfeld im Motorsteuergerät abgelegt. Die Koeffizienten a, b, c und d werden für einen bestimmten Motor anhand von Prüfstandsversuchen ermittelt. Im Ausführungsbeispiel der Figur liegt nun der Fall vor, dass als Variable für bestimmte Betriebspunkte der Förderbeginn FB_ist aus obiger Gleichung bestimmt werden soll.
• Hierzu wird auf im (nicht dargestellten) Motorsteuergerät gespeicherte Kennfelder 2, 3, 4 und 5 für die beispielsweise linearen Koeffizienten a, b, c und d zugegriffen und die jeweilige Größe einem Funktionsblock 6 zugeführt. Die Koeffizienten a, b, c und d können beispielsweise auch drehzahlabhängig ermittelt werden.
• Aus einem weiteren Kennfeld 7 wird dem Funktionsblock 6 zudem ein betriebspunktabhängiger maximal zulässiger Brennraumdruck p_{max_zul} zugeführt. Aus den Koeffizienten a, b, c und d, den sensorisch erfassten Größen t_2s und p_2s, der vom Motor angeforderten Förderdauer FD und dem maximal zulässigen Brennraumdruck p_{max_zul} (z. B. 180 bar) wird auf Basis der obigen Gleichung ein Grenzwert für den Förderbeginn, der Grenz-Förderbeginn FB_grenz, bestimmt. Dieser Grenz-Förderbeginn FB_grenz wird einem weiteren Funktionsblock 8 zugeführt.
• In einem weitern Funktionsblock 9 erfolgt im Motorsteuergerät die Berechnung eines Sollwertes für den Förderbeginn, der Soll-Förderbeginn FB_soll; das Ergebnis für den Soll-Förderbeginn FB_soll wird dem Funktionsblock 8 zugeführt. In einem weiteren Funktionsblock 10 erfolgt die Berechnung einer Förderdauer FD_soll als Maß für eine Kraftstoffmenge; das Ergebnis für die Förderdauer FD soll wird ebenfalls dem Funktionsblock 8 zugeführt.
• Im Funktionsblock 8 wird zuerst der Grenz-Förderbeginn FB_grenz aus dem Funktionsblock 6 mit dem Soll-Förderbeginn FB_soll aus dem Funktionsblock 9 verglichen. Für den Fall, dass FB_soll größer ist als FB_grenz, wird der Soll-Förderbeginn FB_soll dem Grenz-Förderbeginn FB_grenz nachgeführt, allerdings nur bis zu einem applizierbaren Grenzwert (eine weitergehende Nachführung würde die Motorabstimmung stören). Müsste über den applizierbaren Grenzwert hinaus nachgeführt werden (um den maximal zulässigen Brennraumdruck nicht zu überschreiten), wird der um den applizierbaren Grenzwert nachgeführte Soll-Förderbeginn FB soll als ein tatsächlich einzustellender Förderbeginn 11 FB_ist gesetzt und im weiteren eine Begrenzung bzw. Verringerung der zuvor berechneten Förderdauer FD soll (Funktionsblock 10) auf eine tatsächlich einzustellende Förderdauer FD ist 12 bestimmt.
• Für den Fall, dass FB_soll kleiner ist als FB_grenz erfolgt im Funktionsblock 8 eine Minimalauswahl zwischen dem Grenz-Förderbeginn FB_grenz und dem Soll-Förderbeginn FB_soll. Damit wird verhindert, dass der Soll-Förderbeginn FB_soll den Grenz-Förderbeginn FB_grenz übersteigt (was zu einem Überschreiten des maximalen Brennraumdruckes führen würde).
• Der kleinere der beiden Werte wird dann als tatsächlich einzustellender Förderbeginn 11 FB_ist gesetzt.
• Durch das erfindungsgemäße Modellieren des Brennraumdruckes auf Basis bereits im Motorsteuergerät vorhandener Größen erübrigt sich das schwierige und aufwändige sensorische Erfassen dieser Größe.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere zum Ermitteln eines Brennraumdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis bereits erfasster Betriebsgrößen (t_2s, P_2s) der Brennraumdruck (p) modelliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellierung des Brennraumdrucks (p) ein lineares Modell zugrunde gelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraumdruck (p) nur in kritischen Betriebsbereichen modelliert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei drohender Überschreitung eines maximal zulässigen Brennraumdrucks (p_{max_zul}) die Einspritzparameter der Kraftstoffeinspritzung (FB, FD) verändert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für einen elektrischen Förderbeginn (9, FB_soll) berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für einen maximal zulässigen elektrischen Förderbeginn (6, FB_grenz) berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Wert für den elektrischen Förderbeginn (9, FB_soll) bis zu einem applizierbaren Grenzwert dem berechneten maximal zulässigen elektrischen Förderbeginn (6, FB_grenz) nachgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewünschte Einspritzmenge (FD_soll) begrenzt oder verringert wird, falls der berechnete Wert für den elektrischen Förderbeginn (9, FB_soll) um mehr als den applizierbaren Grenzwert nachgeführt werden müsste.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Minimalauswahl zwischen dem Wert für den elektrischen Förderbeginn (9, FB_soll) und dem maximal zulässigen Wert für den elektrischen Förderbeginn (6, FB_grenz) vorgenommen wird, falls der Sollwert für den Förderbeginn (9, FB_soll) kleiner ist als der maximal zulässige Förderbeginn (6, FB_grenz).