DE19812485A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei welchen eine die Last der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe ausgewertet wird. Diese wird aus einem an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine gemessenen Drehmomentwert ermittelt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegrif­ fen der unabhängigen Patentansprüche.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-A 196 18 385 bekannt. Dort wird ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei welchem auf der Basis der Drehzahl und einer Meßgröße, die die Last der Brennkraftmaschine repräsentiert die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluftfüllung, das heißt die von der Brenn­ kraftmaschine pro Zylinder angesaugte Luftmasse, ermittelt und bei der Steuerung der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei der Bestimmung eines Sollwertes für die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine, bei der Zündwinkelberechnung und/oder bei der Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmasse aus­ gewertet. Als die Last repräsentierende Größen stehen Größen wie die angesaugte Luftmasse, der Saugrohrdruck, die Dros­ selklappenstellung, etc. zur Verfügung. Bei heutigen Steuer­ systemen werden wenigstens zwei Meßeinrichtungen eingesetzt, beispielsweise ein Sensor zur Erfassung der Drosselklappen­ stellung und ein Sensor zur Erfassung der zuströmenden Luft­ masse oder aber ein Sensor zur Erfassung des Saugrohrdrucks. Vor allem bei drosselfrei betriebenen Brennkraftmaschinen sind einige dieser Signale (z. B. Drosselklappenstellung, Saugrohrdruck) kein zuverlässiges Maß für die Last.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei der Füllungs- oder Laster­ fassung bei einer Brennkraftmaschine Sensoren einzusetzen, deren Signal auch unter diesen Betriebszuständen zuverlässig ist die Füllung bzw. Last umgewandelt werden kann.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi­ gen Patentansprüche erreicht.

Es ist der Einsatz von Sensoren, die an der Kurbelwelle des Motors direkt das effektive Drehmoment messen, bekannt. Ein derartiger Sensor wird beispielsweise in der ATZ/MTZ Sonder­ ausgabe System Partners 97, Seite 28 bis 31 beschrieben.

Aus der DE-A 44 07 475 ist ein Momentenmodell bekannt, wel­ ches die Abhängigkeit des Drehmoments einer Brennkraftma­ schine von dem eingestellten Lastzustand, der Zündwinkelein­ stellung, der aktuellen Einstellung des Luft-/Kraftstoffver­ hältnisses sowie der Anzahl der ausgeblendeten bzw. stillge­ legten Zylinder beschreibt.

Aus der DE-A 43 04 779 sind Maßnahmen bekannt, mit deren Hilfe das Verlustmoment einer Brennkraftmaschine ermittelt wird, das heißt das zur Kompensation der inneren Verluste, der Heizleistungen und der Momentenanforderungen von zusätz­ lichen Verbrauchern aufzubringende Verbrennungsmoment.

Vorteile der Erfindung

Durch die Berechnung der Füllung aus dem vom Drehmomenten­ sensor ermittelten Drehmomentensignal kann ein Lastsensor, entweder der Drosselklappenstellungssensor, der Heiß­ filmluftmassenmesser zur Erfassung der zuströmenden Luftma­ sse oder der Saugrohrdruckfühler entfallen. Dadurch werden erhebliche Kostenreduzierungen erreicht.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das aus dem Drehmomentensi­ gnal ermittelte Lastsignal das Nebenlastsignal ersetzt, wel­ ches die Redundanz zum Hauptlastsignal bildet und für Not­ lauf- bzw. Fehlerüberwachungszwecke ausgewertet wird. Dieses Signal bedarf nicht der für das Hauptlastsignal geforderte Genauigkeit. Damit kann bei einem System, welches auf der Basis der Drosselklappenstellung als Hauptlastsignal arbei­ tet, das redundante Signal des Saugrohrdrucks bzw. des Luft­ massenmessers und der entsprechende Sensor entfallen.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch Verwendung eines konsi­ stenten Momentenmodells die Füllung der Brennkraftmaschine aus dem Momentensignal zurückgerechnet werden kann. Dadurch wird auch bei drosselfrei betriebenem Motor, z. B. bei einem Dieselmotor, bei einem Benzindirekteinspritzer, bei einem Ottomotor mit variablem Ventilhub oder elektromagnetischer Ventilverstellung die Erzeugung eines zusätzlichen Lastsi­ gnals im drosselfreien Betrieb ermöglicht. Dort versagen die bisherigen Lastsignalprinzipien, die auf der Erfassung der Drosselklappenstellung oder des Saugrohrdrucks beruhen.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines konsistenten Mo­ mentenmodells, dessen inverse Benutzung die Berechnung der Zylinderfüllung bzw. der Motorlast auf der Basis des gemes­ senen Drehmoments erlaubt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brenn­ kraftmaschine, während Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Be­ stimmung eines die Motorlast repräsentierenden Signals aus den gemessenen Drehmomentensignal darstellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Drehmoments bzw. der Leistung einer Brennkraftmaschine. Die Steuereinheit 10 umfaßt dabei eine Eingangschaltung 12, we­ nigstens einen Mikrocomputer 14 und eine Ausgangsschaltung 16. Eingangschaltung, Mikrocomputer und Ausgangsschaltung sind über ein Bussystem 18 zum gegenseitigen Datenaustausch verbunden. Der Eingangsschaltung 12 der Steuereinheit 10 sind Eingangsleitungen 20, 22 und 24 bis 26 zugeführt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese Eingangs­ leitungen in einem Bussystem, z. B. CAN, zusammengefaßt. Da­ bei verbindet die Eingangsleitung 20 die Steuereinheit 10 mit einem Drehmomentensensor, welcher das Drehmoment an ei­ ner Ausgangswelle der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Kurbelwelle, erfaßt. Der Drehmomentensensor kann alternativ oder zusätzlich das Drehmoment an einer Ausgangswelle eines Getriebes erfassen. Dieser Drehmomentensensor ist beispiels­ weise aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Die Eingangsleitung 22 verbindet die Steuereinheit 10 mit einer Meßeinrichtung 30 zur Erfassung des Betätigungsrades eines vorn Fahrer betätigbaren Bedienelements, eines Fahrpe­ dales. Ferner sind Meßeinrichtungen 32 bis 34 vorgesehen, die weitere Betriebsgröße der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs erfassen und entsprechende Meßsignale über die Leitungen 24 bis 26 zur Steuereinheit 10 übermitteln. Bei­ spiele für derartige Meßgrößen sind Motordrehzahl, Abgaszu­ sammensetzung (Lambda), Drosselklappenstellung, etc. Über die Ausgangsschaltung 16 steuert die Steuereinheit 10 die Leistungsgrößen der Brennkraftmaschine. Über eine erste Aus­ gangsleitung 36 wird eine elektrisch betätigbare Drossel­ klappe 38 zur Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftma­ schine gesteuert. Ferner werden über Ausgangsleitungen 40 und 42 die Kraftstoffzufuhr sowie der Zündwinkel einge­ stellt. Ferner sind je nach Ausstattung der Brennkraftma­ schine Ausgangsleitungen 40, 46 und/oder 48 vorgesehen, über die die Steuereinheit 10 ein Tankentlüftungsventil 50, ein Abgasrückführventil 52, den Antrieb 54 für eine Nockenwel­ lenverstellung und/oder einen Lader ansteuert.

Je nach Typ der Brennkraftmaschine (Diesel, Saugrohrein­ spritzer, Benzindirekteinspritzer) und dem verwendeten Steu­ ermodell wird die Leistung bzw. das Drehmoment der Brenn­ kraftmaschine abhängig vom Fahrerwunsch unter Berücksichti­ gung von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs gesteuert. Auf jeden Fall ist zur Steuerung der Brennkraftmaschine ein die Motorlast repräsentierende Signal notwendig. Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel ist dies die Zylinderfüllung. In anderen Ausführungsbeispielen ist sie der Saugrohrdruck, die Luftmassenströmung, etc. Wie nachfol­ gend beschrieben, werden diese Größen aus dem gemessenen Drehmoment abgeleitet. Die die Last repräsentierende Größe findet bei der Steuerung der Brennkraftmaschine Anwendung bei der Einstellung des Zündwinkels, der Kraftstoffzumes­ sung, der Luftzufuhr, etc. Im bevorzugten Ausführungsbei­ spiel handelt es sich bei dem Steuerkonzept zur Steuerung der Brennkraftmaschine um eine drehmomentenorientierte Steuerung. Wie im Eingangs genannten Stand der Technik be­ schrieben wird dabei aus dem Betätigungsgrad des Bedienele­ ments des Fahrers unter Berücksichtigung wenigstens der Mo­ tordrehzahl ein vom Fahrer vorgegebener Sollmomentenwert ge­ bildet, der gegebenenfalls mit den von anderen Steuer- bzw. Regelsystemen gebildeten Momentenwerten verglichen und ein Sollmomentenwert ausgewählt wird, der zur Einstellung des Drehmoments der Brennkraftmaschine dient. Bezüglich der Ein­ stellung der Luftzufuhr wird dabei, wie aus dem Stand der Technik bekannt, der Soll-Momentenwert in einen Sollwert für die Zylinderfüllung umgewandelt, der wiederum in einen Soll­ wert für die Stellung der Drosselklappe umgewandelt wird. Zur Regelung des Ist-Moments auf das Sollmoment werden dann neben der Luftzufuhr in der aus der Stand der Technik be­ kannten Weise auch in die Zündwinkeleinstellung, die Kraft­ stoffzufuhr, etc. eingegriffen.

Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel werden aus Redundanzgrün­ den zwei Lastgrößen gebildet. Die eine wird abhängig von der Drosselklappenstellung und der Motordrehzahl bestimmt, die andere nach Maßgabe eines Momentenmodells aus dem gemessenen Drehmomentensignal abgeleitet.

Neben dem Einsatz bei einem Saugeinspritzer wird die Vorge­ hensweise zur Bestimmung der Lastgröße aus dem gemessenen Drehmomentensignal auch bei anderen Brennkraftmaschinen, bei Dieselbrennkraftmaschinen, Benzindirekteinspritzer, Ottomo­ toren mit variablen Ventilhub oder Ottomotoren mit elektro­ magnetischer Ventilverstellung eingesetzt. Die aus dem ge­ messenen Drehmoment ermittelte Lastgröße kann als Haupt­ lastgröße oder als Nebenlastsignal im drosselfreien Betrieb, wo die Lastsignalbildungen auf der Basis der Drosselklappen­ stellung oder dem Saugrohrdruck versagen, dienen.

Das Drehmomentenmodell läßt sich vereinfacht beschreiben durch:

mi = mi_opt.eta_zw.eta_lam.eta.ausbl (1)

Dabei ist mi das innere Moment des Motors, d. h. das durch Verbrennung in der Hochdruckphase erzeugte Drehmoment; mi_opt das optimale Moment bei lam = 1, optimaler Zündwin­ keleinstellung (maximales Drehmoment) und wenn alle Zylinder befeuert sind; eta_zw der Wirkungsgrad des Zündwinkels, d. h. die auf das Drehmoment bezogene Abweichung des tatsächlichen Zündwinkels vom optimalen; eta_lam der entsprechende Wir­ kungsgrad für die Gemischzusammensetzung und eta_ausbl der Wirkungsgrad der Zylinderausblendung.

Wie im eingangs genannten Stand der Technik dargestellt sind die Anzahl der auszublendenden Zylinder und der eingestellte Zündwinkel sowie dessen Abweichung vom optimalen Wert be­ kannt. Ebenso ist, wenn ein Betrieb der Brennkraftmaschine außerhalb des stöchiometrischen Bereichs vorgesehen ist, die Abweichung der aktuellen Gemischzusammensetzung vom stöchio­ metrischen Wert bekannt, z. B. durch Einsatz einer Breitband- Lambda-Sonde.

Aus dem gemessenen effektiven Moment mf kann bei Kenntnis des Verlustmoments mverlust ebenfalls das innere Moment be­ rechnet werden:

mi = mf + mverlust (2)

Daraus folgt, daß

mf+mverlust = mi_opt (rl_ist,nmot).eta_zw.eta_lam.eta_ausbl (3)

(rl_ist: Istzylinderfüllung; nmot: Drehzahl).

Im stationären Betrieb kann also die tatsächliche Zylinder­ füllung rl_ist aus Gleichung (3) ermittelt werden.

Beim Saugrohreinspritzer muß beachtet werden, daß auch der Zündwinkelwirkungsgrad von der Ist-Füllung abhängig ist. Diese Abweichung ist jedoch in weitem Kennfeldbereichen (z. B. bei hohen Lasten) gering und in anderen Bereichen über ein langsam laufenden Abgleich beherrschbar.

In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, welches die geschilderte Vorgehensweise zur Berechnung der Füllung rl_ist aus dem gemessenen effektiven Moment mf darstellt.

Das gemessene effektive Drehmoment mf an einem Ausgang der Brennkraftmaschine wird in einer Operation 200 mit dem Ver­ lustmoment mverlust verknüpft. Diese Operation stellt im be­ vorzugtem Ausführungsbeispiel eine Addition dar. Das Ver­ lustmoment mverlust faßt alle Momentenbeiträge zusammen, welche kein Drehmoment an der Ausgangswelle der Brennkraft­ maschine erzeugen, also beispielsweise Drehmomentenanteile, die zur Überwindung der inneren Verluste aufgebracht werden müssen, die zum Betreiben von Nebenaggregaten wie Servolen­ kung, Klimaanlage, etc. aufzubringen sind, Wärmeverluste, etc. Das Verlustmoment wird beispielsweise auf die aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise in 202 aus Be­ triebsgrößen wie Motordrehzahl nmot, Motortemperatur tmot, dem Status der Nebenaggregate, dem Abgasgegendruck etc. be­ stimmt. Die Summe aus gemessenen Drehmoment und Verlustmo­ ment wird dann durch die Abweichungen der aktuellen Einstel­ lungen der Brennkraftmaschine von den optimalen Werten kor­ rigiert. Dazu wird eine Verknüpfungsoperation 204, insbeson­ dere einer Division, durchgeführt, in der die Summe durch den Wirkungsgrad der Zylinderausblendung eta_ausbl dividiert wird. Dieser wird aus der Wirkungsgradkennlinie 206 abhängig von der Anzahl X der ausgeblendeten Zylinder bestimmt. Das auf diese Weise korrigierte Drehmoment wird in einer weite­ ren Verknüpfungsoperation 208, auch hier insbesondere durch eine Division, mit dem Wirkungsgrad der lambda-Einstellung eta_lam verknüpft. Dieser stellt die Abweichung der aktuel­ len lamda-Einstellung vom optimalen Wert lamda 1 dar und wird abhängig vom aktuellen lamda-Wert in der Wirkungsgrad­ kennlinie 210 ermittelt. Das korrigierte Drehmoment wird dann einer Verknüpfungsoperation 212 unterzogen, in der das Drehmoment durch den Wirkungsgrad eta_zw der Zündwinkelein­ stellung dividiert wird. Dieser wird in der Wirkungsgrad­ kennlinie 214 gebildet abhängig von der Abweichung dzw der aktuellen Zündwinkeleinstellung vom optimalen Wert zw_opt, bei dem das Drehmoment der Brennkraftmaschine maximal ist. Ergebnis der Verknüpfungsoperationen 204, 208 und 212 ist das innere Ist-Moment mi_ist, welches in 216 wenigstens mit der Motordrehzahl nmot verknüpft wird. Ergebnis dieser Ver­ knüpfung ist die Ist-Zylinderfüllung rl_ist der Brennkraft­ maschine. Diese Operation ist aus dem Stand der Technik be­ kannt ebenso wie die in 218 erfolgende Auswertung der Ist-Füllung rl_ist mit Verbindung mit anderen Größen wie Fahrer­ wunschmoment mfa, Motordrehzahl nmot, etc. zu den Steuergrö­ ßen für die Luftzufuhr, die Kraftstoffzumessung, der Zünd­ winkeleinstellung, etc.

Neben der Berechnung der Ist-Füllung rl_ist aus dem inneren Ist-Moment mi_ist, welches nach Maßgabe eines Momentenmo­ dells aus dem gemessenen effektiven Drehmoment ermittelt worden ist, oder alternativ dazu werden in anderen Ausfüh­ rungsbeispielen andere die Last repräsentierenden Größen be­ stimmt, beispielsweise ein Luftmassenstrom oder ein Saug­ rohrdruckwert. Die physikalischen Grundlagen hierfür sind dem Fachmann bekannt.

Neben der Verwendung des geschilderten, auf optimalen Werten basierenden Momentenmodells werden in anderen Ausführungs­ beispielen andere Momentenmodelle eingesetzt, beispielsweise Modelle, die einen anderen, nicht optimalen Bezugspunkt ha­ ben. Wesentlich ist, daß das Momentenmodell konsistent ist, d. h., daß sowohl der Ist-Wert des Drehmoments aus den Ein­ stellgrößen als auch die Sollwerte für die Einstellgrößen aus dem Sollwert des Drehmoments nach Maßgabe der gleichen Modellgleichungen ermittelt werden kann.

Bei Systemen, bei denen keine eindeutige Beziehung zwischen der Füllung und der Last besteht, ist zusätzlich eine Größe zu berücksichtigen, die die Konzentration an Sauerstoff im Abgas charakterisiert. So ist bei Systemen mit Schichtladung und/oder bei Dieselbrennkraftmaschinen zusätzlich ein Aus­ gangssignal einer Lambda-Sonde auszuwerten.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, deren Drehmoment nach Maßgabe von wenigstens einer Vorgabegröße gesteuert wird, wobei eine die Motorlast repräsentierende Größe ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Motorlast repräsentierende Größe aus dem gemessenen Drehmo­ ment an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine und/oder an einer Ausgangswelle eines Getriebes ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Last repräsentierende Größe die Zylinderfüllung, ein Luftmassenstrom oder ein Saugrohrdruckwert ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der die Last reprä­ sentierende Größe aus dem gemessenen Drehmoment nach Maßgabe eines Momentenmodells erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Drehmoment mf mit den von der Brennkraftma­ schine zu überwindenden Momentenverlusten mverlust verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei dem Momentenmodell Abweichun­ gen von optimalen Werten berücksichtigt werden, insbesondere Abweichungen der Anzahl der befeuerten Zylinder, der Ein­ stellung des Luft-/Kraftstoffgemisches und/oder des Zündwin­ kels von vorgegebenen Werten.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Saug­ rohreinspritzung, eine Benzindirekteinspritzung aufweist oder ein Dieselmotor ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der die Last reprä­ sentierenden Größe im drosselfreien Betrieb der Brennkraft­ maschine erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die die Motorlast repräsentierende Größe, die aus dem Drehmomentensignal ermittelt wird, ein Nebenlastsignal ist, welches zur Überprüfung eines Haupt­ lastssignals, welches z. B. aus der Drosselklappenstellung abgeleitet ist, und/oder als Ersatz des Hauptlastsignals verwendet wird.

9. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuereinheit, welche das Drehmoment der Brennkraftma­ schine abhängig von wenigstens einem Vorgabewert steuert und bei dieser Steuerung eine die Last repräsentierenden Größe auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit Er­ fassungsmittel aufweist, die von einem Sensor ein das Drehmoment an einer Ausgangswelle der Brennkraftmaschine und/oder an einer Ausgangswelle eines Getriebes auftretende Drehmoment erfaßt und daß die Steuereinheit Mittel aufweist, welche die die Last repräsentierende Größe aus dem gemesse­ nen Drehmomentenwert ermitteln.