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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft zunächst ein
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer
Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, bei dem das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis in
einem Brennraum von den Betriebsbedingungen bzw. dem Betriebszustand
der Brennkraftmaschine abhängt.
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Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes
Computerprogramm, ein entsprechendes elektrisches Speichermedium
für ein
Steuergerät,
sowie ein Steuer- und/oder Regelgerät.
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Ein Verfahren der eingangs genannten
Art ist vom Markt her bekannt. Es wird bei Brennkraftmaschinen mit
Kraftstoff-Direkteinspritzung eingesetzt. Bei derartigen Brennkraftmaschinen
wird ein NOx-Speicherkatalysator zur Reduktion der Schadstoffemissionen
eingesetzt. Normalerweise arbeitet die Brennkraftmaschine in einer
Betriebsart, in der das im Brennraum vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch
mager ist. Die in dieser Betriebsart entstehenden Stickoxide werden
von dem NOx-Speicherkatalysator
aufgenommen und zwischengespeichert.
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Für
den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem NOx-Speicherkatalysator
ist es jedoch erforderlich, von Zeit zu Zeit von dieser ersten "mageren" Betriebsart in eine
zweite "fette" Betriebsart und
umgekehrt zu wechseln. In der fetten Betriebsart wird der NOx-Speicherkatalysator
möglichst
vollständig
von in ihm gespeicherten Stickoxiden entladen. Andere bekannte Verfahren,
insbesondere bei der Steuerung von Dieselmotoren, nutzen als zentrale
Größe für die Steuerung
des Motormoments die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Dabei erfolgt
die Umrechnung des auf der Basis des Fahrerwunschmoments bestimmten
und mit anderen Anforderungen, beispielsweise einer Getriebesteuerung,
koordinierten Soll-Drehmoments in die einzuspritzende Kraftstoffmenge
durch ein spezielles Umwandlungsmodul. Die Kraftstoffmenge wird
dabei durch eine vom Soll-Drehmoment abhängige Kennlinie mit der aktuellen
Drehzahl als Kennlinienparameter bestimmt (Kennlinienschar).
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In der
DE 100 30 936 A1 wird ein
Verfahren vorgeschlagen, bei dem aus den Eingangsgrößen Kraftstoffmasse
im Magerbetrieb, Luftmasse im Magerbetrieb, für das Regenerieren vorteilhaftes
Lambda und tatsächliche
Luftmasse, eine Soll-Luftmasse und eine Soll-Kraftstoffmasse bestimmt
werden. Hierzu werden in drei unterschiedlichen Verarbeitungsblöcken Lambda-Werte
in Wirkungsgradwerte und umgekehrt umgewandelt.
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Dieses Verfahren ist jedoch nicht
geeignet für
die Umwandlung des Soll-Drehmoments in die einzuspritzende Kraftstoffmasse
bei hohem Luftüberschuss
(Magerbetrieb) der Brennkraftmaschine, da in dieser Betriebsart
das Drehmoment und die Kraftstoffmenge nicht in einfacher Weise
zusammenhängen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
dass es möglichst
einfach appliziert werden kann und die beiden Stellgrößen Kraftstoffmenge
und Luftmasse in physikalisch korrekter Weise ermittelt werden,
auch wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis gezielt verändert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mittels eines Datenmodells
aus einem gewünschten
Drehmoment und einer anhand eines Modells oder eines Messwerts ermittelten
Luftmasse eine Größe, welche ein
gewünschtes
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ausdrückt, und
weiter eine in den Brennraum einzuspritzende Soll-Kraftstoffmenge
ermittelt wird, und mittels des gleichen Datenmodells aus dem gewünschten
Drehmoment und einer Größe, welche
ein vorgegebenes Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum ausdrückt, eine
dem Brennraum zuzuführende
Soll-Luftmasse bestimmt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Ein Kerngedanke der vorliegenden
Erfindung ist, dass über
ein zentrales Datenmodell der Zusammenhang zwischen Luftmasse, Kraftstoffmasse und
Drehmoment der Brennkraftmaschine hergestellt und die für die Ermittlung
der beiden zentralen Sollgrößen verwendet
wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
sind daher, wenn überhaupt,
nur noch zwei Umwandlungsblöcke
erforderlich, welche dazu hin noch das gleiche Datenmodell verwenden.
Die Applikation des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher sehr
einfach und kann schnell ablaufen. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist darüber
hinaus auch bei unterschiedlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen
physikalisch korrekt, da die Ermittlung der einzuspritzenden Soll-Kraftstoffmenge über die
Verwendung der ermittelten Luftmasse mit dem Berechnungspfad der Soll-Luftmasse
rückgekoppelt
ist. Die Ermittlung der Soll-Kraftstoffmenge über eine Größe, welche ein gewünschtes
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ausdrückt,
führt ferner
zu einem sehr stabilen Verfahren ohne Schwingungsneigung.
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Dabei sei an dieser Stelle darauf
hingewiesen, dass das gewünschte
Drehmoment, die Luftmasse, etc., auch durch entsprechende Größen ausgedrückt werden
können, beispielsweise
eine Gaspedalstellung, eine Spannung eines HFM-Sensors, oder ähnliches.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass die Größe, welche
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, die
Inverse der Luftzahl Lambda ist. Dies vereinfacht das Datenmodell
und die damit zusammenhängenden
Berechnungen.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren
dann, wenn bei der Bestimmung der Soll-Kraftstoffmenge die Größe, welche
das gewünschte
Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, durch einen
emissionsspezifischen Grenzwert begrenzt wird. Dieser auch aus "Rauchgrenze" bezeichnete Grenzwert
verhindert eine unzulässige
Rußbildung im
Betrieb der Brennkraftmaschine. Dadurch, dass nicht die einzuspritzende
Kraftstoffmenge, sondern die Größe, welche
das gewünschte
Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, begrenzt
wird, wird verhindert, dass die Soll-Kraftstoffmenge hart begrenzt wird,
was zu Schwingungen des Systems und hochfrequenten Anregungen des
Antriebsstranges führen kann.
Ursache hierfür
ist zum Einen die hohe Dynamik der Rauchgrenze.
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Zum Anderen besteht bisher eine Gefahr
von Oszillationen aufgrund von Modellungenauigkeiten bei der Modellierung
der Luftmenge (Füllung),
denn diese hängt
insbesondere bei Turbomotoren von der Drehzahl bzw. vom Moment ab.
Auch dies wird erfindungsgemäß vermieden,
da eine Berechnungsschleife über
ein Füllungsmodell
vermieden wird.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der
emissionsspezifische Grenzwert aus der anhand eines Modells oder
eines Messwerts ermittelten Luftmasse, aus der Drehzahl einer Kurbelwelle
der Brennkraftmaschine, und gegebenenfalls aus der Lage des Beginns
der Kraftstoffeinspritzung relativ zum Winkel der Kurbelwelle ermittelt
wird. In diesem Fall weist die Rauchgrenze zwar eine sehr hohe Dynamik
auf, so dass eine Rußbildung
zuverlässig
verhindert wird, dies ist aufgrund der weiter oben beschriebenen
Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einer
auch hochdynamischen Rauchgrenze möglich.
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In Weiterbildung hierzu wird auch
vorgeschlagen, dass ein vom Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschtes
Drehmoment gefiltert wird. Somit bleiben andere dynamische Eingriffe
auf das gewünschte
Drehmoment, beispielsweise durch ein Stabilitätsprogramm oder durch ein an
die Brennkraftmaschine angebautes Getriebe, ungefiltert, was für deren
ordnungsgemäße Wirksamkeit
wichtig ist. Dies ist erfindungsgemäß ohne komplexe Abfragen möglich, sondern
allein durch die Platzierung des Filters an einer Stelle im Verfahrenspfad,
bevor die besagten Eingriffe wirksam werden. Durch die Filterung werden
abrupte Änderungen
des vom Benutzer der Brennkraftmaschine gewünschten Drehmoments abgemindert
und so Schwingungsanregungen des Antriebssystems vermieden.
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Möglich
ist auch, dass bei der Bestimmung der Soll-Kraftstoffmenge die Größe, welche
das gewünschte
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ausdrückt,
durch mindestens einen betriebsartenabhängigen Grenzwert begrenzt wird.
Diese Begrenzung kann dabei nach oben oder nach unten erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
das Datenmodell in der Nähe
der Begrenzung der Größe, welche
das gewünschte
Luft-Kraftstoff-Verhältnis ausdrückt, so
bedatet ist, dass ein weicher Übergang zur
Begrenzung hingeschaffen wird. Hierdurch wird die Gefahr von Schwingungsanregungen
des Antriebssystems nochmals vermindert und der Komfort beim Betrieb
der Brennkraftmaschine erhöht.
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Wenn das Datenmodell eine Kennlinienschar
oder ein Kennfeld umfasst, kann das erfindungsgemäße Verfahren
besonders einfach realisiert werden.
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Zeichnungen
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine in einem
Kraftfahrzeug;
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2 ein
Ablaufschema zum Betreiben der Brennkraftmaschine von 1;
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3 ein
Diagramm eines Datenmodells, welches die Inverse der Luftzahl Lambda,
ein Drehmoment, und eine Luftmenge miteinander verknüpft, zur
Erläuterung
eines ersten Verfahrensschritts des Verfahrens von 2;
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4 ein
Diagramm ähnlich 3 zur Erläuterung
eines zweiten Verfahrensschritts des Verfahrens von 2;
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5 ein
Diagramm zur Erläuterung
eines emissionsspezifischen Grenzwerts für die Luftzahl Lambda;
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6 ein
Diagramm ähnlich 3 zur Erläuterung
eines dritten Verfahrensschritts des Verfahrens von 2;
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7 eine
Alternative zu dem Diagramm von 6.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt eine
Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
ist in ein nur schematisch durch eine strichpunktierte Linie angedeutetes
Kraftfahrzeug 12 eingebaut.
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Die Brennkraftmaschine 10 umfasst
mehrere Zylinder, von denen in 1 aus
Darstellungsgründen
nur einer dargestellt ist. Er umfasst einen Brennraum 14,
dem Verbrennungsluft über
ein Strömungsrohr 16 und
ein Einlassventil 18 zugeführt wird. Die heißen Verbrennungsabgase
werden über
ein Auslassventil 20 und ein Abgasrohr 22 abgeleitet.
Die in den Brennraum 14 gelangende Luftmenge kann über eine
Drosselklappe 24 eingestellt werden; sie wird von einem
HFM-Sensor 26 erfasst. Die Verbrennungsabgase werden in
einem Katalysator 28 gereinigt. Dieser verfügt über eine
Lambda-Sonde 30.
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Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 über einen
Injektor 32, der von einem Kraftstoffsystem 34 versorgt
wird. Das im Brennraum 14 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch wird von
einer Zündkerze 36 entzündet, die
mit einem Zündsystem 38 verbunden ist.
Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass das nachfolgend
beschriebene Verfahren in gleicher Weise auch bei Dieselbrennkraftmaschinen
verwendet werden kann, welche dann über keine Zündkerze verfügen. Die
Drehzahl einer Kurbelwelle 40 wird von einem Sensor 42 erfasst.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von
einem Steuer- und Regelgerät 44 gesteuert
bzw. geregelt. So sind unter anderem die Drosselklappe 24,
das Zündsystem 38 und
der Injektor 32 mit dem Steuer- und Regelgerät 44 verbinden.
Informationen erhält
das Steuer- und Regelgerät 44 von
HFM-Sensor 26, dem Drehzahlsensor 42, dem Katalysator 28 sowie
von einem Getriebe 46 und einem Stabilisierungssystem 48.
Die Stellung eines Gaspedals 50 wird von einem Pedalwertgeber 52 abgegriffen,
welcher ebenfalls Signale an das Steuer- und Regelgerät 44 liefert.
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Die in 1 dargestellte
Brennkraftmaschine 10 wird in unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben,
welche sich jeweils durch das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des
im Brennraum 14 vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches unterscheiden.
Um das gewünschte
Drehmoment bei einer bestimmten, der jeweiligen Betriebsart entsprechenden
Gemischzusammensetzung einstellen zu können, wird gemäß einem
Verfahren vorgegangen, welches nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 im Detail erläutert wird. Das Verfahren ist
als Computerprogramm in einem Speicher 53 des Steuer- und
Regelgeräts 44 abgelegt.
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Je nach Betriebsart wird vom Steuer-
und Regelgerät 44 eine
bestimmte Luftzahl LV vorgegeben. Ein Signal MDRS vom Pedalwertgeber 52 wird in
einen Filter 54 eingespeist und führt zu einem vom Fahrer des
Kraftfahrzeugs 12 gewünschten
Drehmoment MDS. Dieses und die Inverse 1/LV der Luftzahl LV werden
einer Kennlinienschar (Block 56) zugeführt. Das entsprechende Diagramm
ist in 3 dargestellt.
Die Kennlinienschar im Block 56 verknüpft die Inverse 1/L der Luftzahl
L, das Drehmoment MD und die entsprechende Luftmasse ML. Die Kennlinienschar 56 gibt
eine Soll-Luftmasse MLS aus, welche letztlich zu einer entsprechenden
Ansteuerung der Drosselklappe 24 führt.
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Die tatsächlich über das Strömungsrohr 16 in den
Brennraum 14 gelangende Luftmasse MLI wird vom HFM-Sensor 26 erfasst
und, zusammen mit dem gewünschten
Drehmoment MDS, in eine Kennlinienschar 58 (vergleiche 4) eingespeist. Die Kennlinienschar 58 ist
im Grunde identisch zur Kennlinienschar 56, entspricht
also dem gleichen Datenmodell. Die Kennlinienschar 58 gibt
die Inverse 1/LS einer Soll-Luftzahl LS aus, welche in einen Minimalwertblock 60 eingespeist
wird.
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In diesen wird auch eine Inverse
1/LG einer Grenz-Luftzahl LG eingespeist. Diese wird mit Hilfe eines
Kennfelds 62 bestimmt, in das wiederum ein mittels des
HFM-Sensors 26 bestimmter Frischluftmassenstrom MLI, eine
vom Drehzahlsensor 42 ermittelte Drehzahl N der Kurbelwelle 40,
und gegebenenfalls die aktuelle Lage TI des Beginns einer Kraftstoffeinspritzung
relativ zum Winkel der Kurbelwelle 40 eingespeist wird.
Physikalisch wird durch die Grenz-Luftzahl LG eine sogenannte "Rauchgrenze" definiert, also
eine Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, welche im Hinblick
auf die Emissionen gerade noch zulässig ist (vgl. 5). Der Block 60 gibt den kleineren
der beiden Werte 1/LG bzw. 1/LS aus.
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Die Begrenzung der Inversen 1/LSG
durch die Inverse 1/LG der Grenzluftzahl LG geht besonders gut aus 6 hervor. Man sieht, dass
ein (zeitlich) ansteigendes gewünschtes
Drehmoment MD bei gegebener Ist-Luftmasse MLI in einen ansteigenden
Sollwert für
die Inverse 1/L umgesetzt wird, bis der Grenzwert 1/LG erreicht
ist. Ein weiterer Anstieg des gewünschten Drehmoments MD bewirkt
dann keine Erhöhung
der Inversen 1/L.
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Der aus dem Block 60 hervorgehende
Wert wird in einen Block 64 eingespeist, in dem nochmals obere
und untere Grenzen definiert werden. Durch diese werden weitere
Randbedingungen bzw. Betriebsarten der Brennkraftmaschine 10 berücksichtigt,
welche beispielsweise durch die Betriebsbedingungen des Katalysators 28 (beziehungsweise
ganz allgemein vom Abgassystem) vorgegeben werden. Auch andere Betriebsarten
und Betriebsartenübergänge können hier
berücksichtigt
werden. Das Ergebnis ist eine Inverse 1/LSG einer begrenzten Soll-Luftzahl
LSG. Diese wird in 66 mit der tatsächlichen Luftmasse MLI multipliziert,
die mittels eines Kennfelds 68 auf der Basis der Messwerte
der Sensoren 26 und 42 bestimmt wird. Dies führt zu der
in den Brennraum 14 einzuspritzenden Soll-Kraftstoffmenge
MKF.
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In 7 ist
eine Alternative zu der Vorgehensweise in 6 dargestellt. Diese Alternative dient
zur Vermeidung der Anregung von Ruckelschwingungen im Antriebsstrang
des Kraftfahrzeugs 12. Bei einem differenzierbaren Verlauf
der Kennlinien der Kennlinienschar wird ein differenzierbarer (gefilterter)
Verlauf des gewünschten
Drehmoments MD auf einen differenzierbaren Verlauf der Inversen
1/L, abgebildet. Hierdurch werden Anregungen durch ein "hartes" Abschneiden der
Inversen 1/L und in der Folge der einzuspritzenden Kraftstoffmasse
MKS vermieden.
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Alternativ kann bei einem nicht differenzierbaren
Verlauf der Kennlinie eine Gradientenbegrenzung für jene Werte
der Inversen 1/L vorgesehen werden, welche im Bereich der Inversen
1/LG liegen. Dies ist möglich,
da bei dem beschriebenen Verfahren der Zustand auch in der Nähe der "Rauchgrenze" sehr einfach bestimmt
werden kann.
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Man erkennt, dass die zentrale Größe für die Bestimmung
der Sollwerte für
die einzuspritzende Kraftstoffmasse MKS und für die zuzuführende Luftmasse MLS aus einem
gewünschten
Drehmoment MDS die Inverse 1/L der Luftzahl L ist, und dass bei den
zentralen Berechnungen bzw. Bestimmungen ein einziges Datenmodell
zum Einsatz kommt.