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DE19520605C1 - Verfahren und Einrichtung zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor

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DE19520605C1
DE19520605C1 DE19520605A DE19520605A DE19520605C1 DE 19520605 C1 DE19520605 C1 DE 19520605C1 DE 19520605 A DE19520605 A DE 19520605A DE 19520605 A DE19520605 A DE 19520605A DE 19520605 C1 DE19520605 C1 DE 19520605C1
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Hans-Hubert Dipl Ing Hemberger
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Daimler Benz AG
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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 Regel­ einrichtung. 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, Einspritz­ ende und Drosselklappenwinkel, vorzunehmen. Durch Erfassung der Motorparameter, wie Luftmasse, Motortemperatur, Drehzahl usw., werden diese Stellgrößen während der Ladungswechselphase errech­ net. Mit Ausnahme der bekannten Klopfregelung und der Lambda- Regelung erfolgt kein Abgleich mit dem wirklichen Verbrennungs­ ablauf, der erst in der Hochdruckphase einsetzt. Bei der Lambda- Regelung wird dabei nicht der Verbrennungsablauf ausgewertet, sondern das Abgas analysiert.
Spezieller ist es zur Regelung des Verbrennungsablaufs von Otto­ motoren bekannt, die Motorstellgrößenwerte für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Ab­ hängigkeit vom anhand entsprechender Istzustandsgrößen erfaßten Verbrennungsverlauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus unter Be­ nutzung von abgelegten Kennfeldern festzulegen. Herkömmlicher­ weise 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 Ver­ kleinerung der Regelabweichung angesteuert werden.
So wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 31 28 245 A1 ein Ver­ fahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufs in Brennkraftma­ schinen beschrieben, bei dem der Brennraumdruckverlauf erfaßt und mit einer abgelegten Kennlinie verglichen wird. Festgestell­ te Regelabweichungen werden dann durch Eingriff in die Gemisch­ bildung und/oder die Zündanlage der Brennkraftmaschine ausgere­ gelt. Dabei ist es bekannt, zur zylinderspezifischen Motorsteue­ rung Kennfelder individuell für die einzelnen Zylinder abzuspeichern, siehe die Offenlegungsschrift DE 42 28 053 A1.
Bei einer in der Patentschrift US 5.200.898 gezeigten Regelein­ richtung 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 Dros­ selklappenöffnungswinkel vor, und diese Information wird von der Regeleinrichtung unter anderem für die Ansteuerung einer Kraft­ stoffeinspritzeinheit verwendet.
Bei einem in der Offenlegungsschrift EP 0 114 490 A2 offenbarten Zündsystem für einen Verbrennungsmotor wird ein für die Kraft­ stoffbeladung des Arbeitsraumes repräsentativer Parameter je­ weils vor der Zündungsauslösung gemessen, um die Verbrennungs­ charakteristik für diesen Arbeitstakt und den geeigneten Zünd­ zeitpunkt im Hinblick auf eine Reduzierung der Schwankungen im erzeugten Motordrehmoment von Arbeitstakt zu Arbeitstakt voraus­ zuschätzen.
Aus der Offenlegungsschrift JP 5-163996 (A) ist eine Motorrege­ lung bekannt, bei der das Motordrehmoment durch entsprechende Einstellung der Lufteinlaßmenge und des Zündzeitpunktes auf ei­ nen gewünschten Wert geregelt wird.
In der Patentschrift US 4.987.888 ist eine Verbrennungsregelung beschrieben, bei der verbrennungsrelevante Istzustandsgrößen er­ faßt und in Abhängigkeit davon die Betriebsbedingungen in einem späteren Zustand vorausgeschätzt werden. Insbesondere ist die Vorausschätzung der Lufteinlaßmenge für einen nachfolgenden Ar­ beitszyklus vorgesehen. Anhand der vorausgeschätzen Betriebsbe­ dingungen werden dann die verbrennungsrelevanten Stellgrößenwer­ te bestimmt.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Einrichtung zugrunde, mit denen eine vergleichsweise genaue, die Thermodynamik des Verbrennungsvor­ gangs möglichst weitgehend berücksichtigende Regelung des Ver­ brennungsablaufs in einem Otto-Verbrennungsmotor erreicht wird.
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 aktuali­ sierte Werte der Einflußfaktoren auf die sogenannte Durchbrenn­ funktion, d. h. des Integrals der Brennverlaufskurve über die Zeit bzw. über den Kurbelwinkel, zugrundegelegt. Diese aktuali­ sierten Einflußfaktorwerte werden aus einem Vergleich einer wäh­ rend der Ladungswechselphase eines Arbeitszyklus vorausberechne­ ten 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 vorangegange­ nen 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 Meßgrö­ ßen, wird eine im Vergleich zu Motorregelungen, die auf der Be­ obachtung lediglich einzelner solcher Meßgrößen beruhen, sehr viel genauere Regelung des Verbrennungsablaufs erzielt. Zu be­ einflussende Stellgrößen für den jeweils nächsten Arbeitszyklus können insbesondere der Einspritzbeginn, das Einspritzende, der Zündzeitpunkt und der Drosselklappenwinkel sein. Zur Istzu­ standsbestimmung können insbesondere die Motorparameter Luftmas­ se, Temperatur und Drehzahl sowie als weitere Meßgrößen der Restgasgehalt und der Lambdawert herangezogen werden. Mit dieser Vorgehensweise wird die tatsächliche Kraftstoffumsetzung in Wär­ meenergie beobachtet und kann unter Berücksichtigung der vorge­ gebenen Randbedingungen, wie Fahrerwunsch und Betriebsanforde­ rungen, geregelt werden. Mit dem Verfahren kann auf die Größe der zyklischen Schwankung im momentanen Arbeitspunkt geschlossen und diese in die Regelungsstrategie eingearbeitet werden. Beson­ ders das Übergangsverhalten der Motorregelung im Instationärbe­ trieb wird durch dieses Verfahren gegenüber herkömmlichen Rege­ lungen deutlich verbessert. Bei dieser Art der Verbrennungsrege­ lung entfallen zudem eine Vielzahl von Kennlinien und Kennfeldern, wie sie bei herkömmlichen Motorregelungen erforder­ lich sind. Die zylinderindividuelle Regelung ermöglicht die Op­ timierung jedes einzelnen Zylinders unter Beachtung des Zylin­ dergleichlaufs. Durch die Echtzeitbestimmung der Ist- Durchbrennfunktion kann ein separater Klopfsensor entfallen. Se­ rienstreuungen, Fertigungstoleranzen, Zündungs- und Entflammungs­ unterschiede, Alterungserscheinungen sowie Auswirkungen von Brennraumablagerungen können in der Regelung selbst berücksich­ tigt werden, ohne daß resultierende Sicherheitszuschläge, z. B. eine Zündzeitpunktverschiebung nach spät, erforderlich sind. Ei­ ne durch Anspruch 4 charakterisierte Regeleinrichtung eignet sich zur Durchführung dieses Verfahrens.
In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine kenn­ feldbasierte 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 aufwei­ sen.
In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist dieser Stationärregelung eine Instationärregelung überlagert, für die eingangsseitig neben dem Stationärreglerausgangssignal die In­ formation 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 Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 erfolgt die Be­ stimmung der Ist-Durchbrennfunktion mittels eines neuronalen Netzwerks. Dies ermöglicht deren problemlose Bestimmung in Echt­ zeit, wozu die Generalisierungs- und Lernfähigkeit des Netzes sowie dessen Selbstorganisationsfunktion zur selbständigen Her­ stellung einer Beziehung eines zu klassifizierenden Eingangs­ signals 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.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Verbrennungsre­ gelung für einen Otto-Verbrennungsmotor.
Die Regeleinrichtung mit dem gezeigten Aufbau überwacht den Ist­ zustand des Verbrennungsablaufs an dem zu regelnden Motor (1) mittels einer Istzustandserfassungseinheit (2), welche die für den Verbrennungsvorgang relevanten Meßgrößen erfaßt und die üb­ rigen relevanten Motorparameter errechnet. Dies sind insbesonde­ re 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 Ladungs­ wechselphase 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 Einflußfak­ torgleichungen zugrundegelegt, welche die Einflüsse der einzel­ nen Betriebsparameter in ihrer Wirkung auf das Verhalten des Mo­ tors voneinander getrennt beschreiben. Um also zu ermitteln, wie die Durchbrennfunktion auf Änderungen der Betriebsparameter rea­ giert, wird vorab der Motortyp in geeigneten Betriebspunkten in­ diziert und es werden systematische Meßreihen gefahren, bis die Einflußfaktorgleichungen mit ausreichender Sicherheit bestimmt sind. Die Vorausberechnung stützt sich auf geeignete Referenz­ punkte, von denen mehrere über den gesamten Betriebsbereich vor­ gesehen sind. Parallel dazu ist ein neuronales Netzwerk (4) vor­ gesehen, dem eingangsseitig eine oder mehrere, für den Verbren­ nungsverlauf repräsentative, erfaßte Größen, beispielsweise der Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel und/oder der Lambdawert und die Abgastemperatur, zugeführt wer­ den und das hieraus in der Hochdruckphase des jeweiligen Ar­ beitszyklus die zugehörige Ist-Durchbrennfunktion in Echtzeit ermittelt. Durch die Verwendung einer solchen Stufe mit künstli­ cher Intelligenz ist es möglich, die Ist-Durchbrennfunktion pro­ blemlos 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 Zünd­ verzug, Restgasgehalt und innerer Mitteldruck ableiten. Daneben ist gleichzeitig eine Klopferkennung möglich, was einen separa­ ten Klopfsensor überflüssig macht.
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 aktu­ elle Werte der die Durchbrennfunktion bestimmenden Einflußfakto­ ren, wie Zündzeitpunkt, Lambdawert, Anfangstemperatur und An­ fangsdruck, Restgasgehalt und Drehzahl, in Abhängigkeit der maß­ geblichen Durchbrennfunktionsparameter, wie Brenndauer, scheinbarer Zündverzug und Formparameter, d. h. Steigungsanpas­ sung der Durchbrennfunktionskurve, dergestalt, daß diese Werte zu der vom neuronalen Netzwerk (4) in Echtzeit bestimmten Ist- Durchbrennfunktion passen.
Diese Information über die optimalen, momentanen Einflußfaktor- Werte 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 Zündzeit­ punktbestimmnung den scheinbaren Zündverzug sowie die Verbren­ nungsschwerpunktlage und für den Lambdawert den scheinbaren Zündverzug, die Brenndauer und den Formparameter der Durchbrenn­ funktion als Regelungskriterien benutzt. Die Kenntnis der Ver­ brennungsschwerpunktlage wird ihm von einer vorgeschalteten Ein­ heit (6) geliefert, in der ein diesbezügliches Kennfeld abgelegt ist und der eingangsseitig die Ist-Durchbrennfunktion vom neuro­ nalen Netzwerk (4) sowie die aktuellen Meßgrößen und Motorpara­ meter der Istzustandserfassungseinheit (2) zugeführt sind.
Das Ausgangssignal des Stationärreglers (6) wird einem nachfol­ genden Instationärregler (9) zugeführt, der als Fuzzy-Regler oder als konventioneller PI(D)-Regler ausgeführt ist. Als weite­ re Eingangsinformationen dienen die aktuelle Leistung und der aktuelle Verbrauch im jeweiligen Arbeitszyklus, wie sie von ei­ ner vorgeschalteten Einheit (7) aus der Ist-Durchbrennfunktion des neuronalen Netzes (4) und den Motor-Istzustandsdaten der Istzustandserfassungseinheit (2) ermittelt werden. Mit den glei­ chen Eingangsinformationen ermittelt eine dazu parallele Einheit (8), in der ein Betriebspunkt-Kennfeld abgelegt ist, die Ge­ wichtsfaktoren 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 Ar­ beitszyklen und eventueller Vorhersage des künftigen Arbeitszy­ klus erfaßt. Unter Einbeziehung auch dieser Informationen korri­ giert der Instationärregler (9) gegebenenfalls das Ausgangs­ signal des Stationärreglers durch Berücksichtigung des Fahrwun­ sches 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 wer­ den.
Das beschriebene Regelungskonzept ermöglicht eine kontrollierte Mehrgrößenregelung, bei der Betriebspunktänderungen einer ent­ sprechenden 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 neu­ ronalen Netzes zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion und/oder eines Fuzzy-Reglers als Instationärregler wird die Echtzeitanwendung dieser Regelung erleichtert. Eine auf entspre­ chenden Fahrerwunsch zurückgehende Betriebspunktänderung wird an die Anforderungen hinsichtlich Leistungswunsch, Verbrauch, Emis­ sion, 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.
Es versteht sich, daß die in der Figur einzeln dargestellten Re­ gelungseinheiten keine separaten Bauteile zu sein brauchen, son­ dern vielmehr als einzelne Funktionseinheiten zur Veranschauli­ chung des Regelungsablaufs anzusehen sind, die in geeigneter Weise zu jeweiligen Regelungs-Hardwarekomponenten zusammengefaßt sein können.

Claims (7)

1. 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 Verbrennungsver­ lauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus festgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszy­ klus während dessen Ladungswechselphase mit Hilfe von erfaßten Istwerten von Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren eines vorange­ gangenen Arbeitszyklus vorausberechnet wird,
  • - die Ist-Durchbrennfunktion während der Hochdruckphase des je­ weiligen Arbeitszyklus in Echtzeit ermittelt wird und
  • - die vorausberechnete Soll- mit der Ist-Durchbrennfunktion ver­ glichen und daraus aktualisierte Werte für die Durchbrennfunkti­ ons-Einflußfaktoren gewonnen werden, die der verbrennungsregeln­ den Bestimmung von Stellgrößenwerten (ZZP; ti, ta, DK) für einen nachfolgenden Arbeitszyklus zugrundegelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die aktualisierten Werte für die Durchbrennfunktions-Ein­ flußfaktoren zusammen mit der für den jeweiligen Arbeitszyklus anhand eines Kennfeldes ermittelten Verbrennungsschwerpunktlage zur Bestimmung von stationärbetriebsgeregelten Stellgrößenwerten (ZZP, ti, ta, DK) herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die stationärbetriebsgeregelten Stellgrößenwerte unter Berück­ sichtigung des momentanen Betriebspunktes und/oder der ermittel­ ten momentanen Motorleistung und/oder dem ermittelten momentanen Verbrauch geregelt in Instationärbetrieb-Stellgrößenwerte über­ führt werden.
4. Einrichtung zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Ot­ to-Verbrennungsmotor, mit
  • - einer Einheit (2) zur Erfassung von Motor-Istzustandsgrößen und
  • - einer Reglereinheit (6, 9), deren Ausgangssignal die Einstel­ lung 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-Durch­ brennfunktion 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 vorausberechne­ ten Soll-Durchbrennfunktion mit der ermittelten Ist-Durchbrenn­ funktion.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch einer der Reglereinheit (6, 9) parallel zu der die Einflußfak­ torwerte ermittelnden Einheit (5) vorgeschaltete Einheit (6) zur kennfeldbasierten Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage an­ hand der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion und der erfaßten Mo­ tor-Istzustandsgrößen.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Reglereinheit aus einem vorgeordneten Stationärregler (6) und einem nachgeordneten Instationärregler (9) besteht, wobei letzterem parallel zum Stationärregler eine Einheit (7) zur ak­ tuellen Leistungs- und Verbrauchsberechnung und/oder eine Ein­ heit (8) zur kennfeldbasierten Betriebspunktermittlung vorge­ schaltet sind, denen jeweils die Ausgangssignale der Einheit (4) zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion und der Einheit (2) zur Erfassung der Istzustandsgrößen zugeführt sind.
7. 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.
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