DE19851990A1 - Verfahren zur Bestimmung von Stellgrößen bei der Steuerung von Benzindirekteinspritzmotoren - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Einstellung des Drehmomentes bei einem Verbrennungsmotor mit den Schritten: DOLLAR A - Bestimmung eines Soll-Momentes DOLLAR A - Bestimmung eines Betriebspunktes aus Meßwerten für Luftfüllung und Drehzahl DOLLAR A - Bestimmung eines Normmomentes für diesen Betriebspunkt DOLLAR A - Bestimmung eines Soll-Wirkungsgrades aus Normmoment und Sollmoment DOLLAR A - Bestimmung des zu diesem Wirkungsgrad zugehörigen Lambda DOLLAR A - Bestimmung der Kraftstoffmenge aus dem zugehörigen Lambda und der aus Meßgrößen abgeleiteten Luftfüllung, die in Verbindung mit der Luftfüllung das zugehörige Lambda zur Realisierung des Sollmomentes ergibt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Einstellung eines gewünschten Motormomentes durch passende Berechnung der Stellgrößen, insbesondere zur Einstellung der Luft- und der Kraftstoffzufuhr zum Motor bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung.

Eine wichtige Betriebsart eines Motors mit Benzindirekteinspritzung ist der näherungsweise ungedrosselte Betrieb mit hohem Luftüberschuß. Die Luftmasse im Brennraum ist dann weitgehend konstant und die Luftzahl Lambda als Maß für die Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft- Gemisches wird durch die eingespritzte Kraftstoffmasse bestimmt. Die Luftmasse im Brennraum bestimmt in Verbindung mit der Luftzahl Lambda und der Drehzahl n das vom Motor aufgebrachte Drehmoment. Bei hohem Luftüberschuß läßt sich das gewünschte Drehmoment weitgehend über eine Variation der Kraftstoffmenge einstellen. Die Brennfähigkeit des Gemisches mit hohem Luftüberschuß wird dabei durch eine räumlich inhomogene Gemischverteilung im Brennraum erreicht. Diese Betriebsart wird auch als Schichtbetrieb bezeichnet. Davon zu unterscheiden ist der Betrieb mit homogener Gemischverteilung ohne oder mit geringerem Luftüberschuß. Die Erfindung betrifft die Stellgrößenbestimmung abhängig vom geforderten Moment im Schichtbetrieb.

Externe Anforderungen an den Saugrohrdruck im Schichtbetrieb beeinflussen die Luftfüllung. Solche Anforderungen ergeben sich bspw. daraus, daß die Abgasrückführung und die Tankentlüftung ein gewisses Druckgefälle fordern. Die Forderung, die den niedrigsten Saugrohrdruck hervorruft, wird durch eine Minimalauswahl und Eingriff in die Drosselklappenstellung realisiert.

Läßt man die für ein gewünschtes Drehmoment bestimmte einzuspritzende Kraftstoffmenge unverändert, ändert sich die Luftzahl. Dies hat unerwünschte Drehmomentänderungen zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung der unerwünschten Drehmomentänderungen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafterweise wird die Bestimmung der Stellgröße Einspritzzeit noch durch eine Bestimmung der Stellgröße der Luftzufuhr ergänzt.

Damit wird die weitere Aufgabe gelöst, eine passende Einstellung von Kraftstoff- und Luftzufuhr zum Motor zur Realisierung eines vorgegebenen Motormomentes unter Berücksichtigung eines maximal zulässigen Wertes für die Luftzahl Lambda.

Diese weitere Aufgabe wird durch eine ergänzende Beschränkung der Luftzufuhr auf maximale Werte gelöst. Diese Beschränkung gewährleistet die reproduzierbare Einstellung kleiner Drehmomente über eine Variation der Einspritzimpulsbreiten. Ohne diese Beschränkung könnte es zur unerwünschten Einstellung zu magerer Gemische kommen, was Probleme bei der Brennbarkeit des Gemisches und/oder den Abgasemissionen mit sich bringen könnte.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Form von Funktionsblöcken und Fig. 3 stellt die Bildung der Beschränkung der Luftzufuhr dar.

Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert den Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Über ein Einlaßventil 2 wird der Zustrom von Luft zum Brennraum gesteuert. Die Luft wird über ein Saugrohr 3 angesaugt. Die Ansaugluftmenge kann über eine Drosselklappe 4 variiert werden, die von einem Steuergerät 5 angesteuert wird. Dem Steuergerät werden Signale über den Drehmomentwunsch des Fahrers, bspw. über die Stellung eines Fahrpedals 6, ein Signal über die Motordrehzahl n von einem Drehzahlgeber 7 und ein Signal über die Menge ml der angesaugten Luft von einem Luftmengenmesser 8 zugeführt. Aus diesen und ggf. weiteren Eingangssignalen über weitere Parameter des Verbrennungsmotors wie Ansaugluft- und Kühlmitteltemperatur USW bildet das Steuergerät 5 Ausgangssignale zur Einstellung der des Drosselklappenwinkels alpha durch ein Stellglied 9 und zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils 10, durch das Kraftstoff in den Brennraum des Motors dosiert wird. Der Drosselklappenwinkel alpha und die Einspritzimpulsbreite ti werden im Rahmen der Erfindung als wesentliche, aufeinander abzustimmende Stellgrößen zur Realisierung des Wunschmomentes betrachtet. Weiterhin steuert das Steuergerät ggf. eine Abgasrückführung 11, eine Tankentlüftung 12 sowie weitere Funktionen wie die Zündung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum. Die aus der Verbrennung resultierende Gaskraft wird durch Kolben 13 und Kurbeltrieb 14 in ein Drehmoment gewandelt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Block 2.1 stellt ein Kennfeld dar, das durch die Drehzahl n und die relative Luftfüllung rl adressiert wird. Die relative Luftfüllung ist auf eine maximale Füllung des Brennraums mit Luft bezogen und gibt damit gewissermaßen den Bruchteil der maximalen Brennraum- oder Zylinderfüllung an. Sie wird im wesentlichen aus dem Signal ml gebildet. Die aus Meßgrößen gebildete relative Füllung rl und die Drehzahl n definieren einen Betriebspunkt des Motors. Mit dem Kennfeld 2.1 werden verschiedenen Betriebspunkten Drehmomente zugeordnet, die der Motor unter Normbedingungen in den verschiedenen Betriebspunkten erzeugt.

Normbedingungen lassen sich durch bestimmte Werte von Einflußgrößen wie Zündwinkel, Luftzahl Lambda, AGR-Rate, Tankentlüftungszustand usw. festlegen. Als Normbedingung bezüglich der Luftzahl kommt Lambda gleich 1 in Frage. Als Normbedingung bezüglich des Zündwinkels läßt sich der Zündwinkel definieren, bei dem sich das maximal mögliche Moment einstellt.

Bezüglich jeder Einflußgröße läßt sich ein Wirkungsgrad eta definieren als Verhältnis vom Moment unter Normbedingungen zu dem Moment, das sich bei isolierter Änderung der Einflußgröße einstellt.

Bei Abweichungen mehrerer Einflußgrößen von ihren Normwerten gibt das Produkt der Wirkungsgrade das Verhältnis des Normmomentes bei den Normwerten der Einflußgrößen zu dem Moment bei den abweichenden Einflußgrößen an.

Mit anderen Worten: Wunschmoment/Normmoment = Produkt der Wirkungsgrade. Die Division des bspw. vom Fahrerwunsch abhängigen Wunsch- oder Sollmomentes durch das für den individuellen Betriebspunkt bestimmten Normmomentes im Block 2.2 liefert daher das Produkt sämtlicher Wirkungsgrade.

Die Werte der Einflußgrößen wie AGR-Rate, Zündwinkel USW liegen im Steuergerät vor. Bspw. mit Hilfe abgespeicherter Kennlinien werden die zugehörigen Wirkungsgrade bestimmt. Es folgt die Bildung des Produktes der Wirkungsgrade der bekannten Einflußgrößen. Dies sind alle Einflußgrößen außer Lambda.

Die Division des Produktes sämtlicher Wirkungsgrade durch das Produkt der Wirkungsgrade der bekannten Einflußgrößen im Block 2.3 liefert den Lambdawirkungsgrad etalam.

Aus dem Lambdawirkungsgrad etalam wird im Block 2.4 bspw. über einen Kennlinienzugriff das zugehörige Lambda bestimmt.

Die Kennlinie eta von Lambda gibt für verschiedene Lambdawerte das Verhältnis des Normmomentes bei Lambda gleich Eins zu dem Moment bei anderen Lambdawerten an.

Block 2.4 liefert damit genau den Lambdawert dar, der im Brennraum eingestellt werden muß, um im aktuellen, durch die Luftfüllung rl und Drehzahl n definierten Betriebspunkt bei den bekannten übrigen Einflußgrößen wie Zündzeitpunkt, AGR- Räte usw. das gewünschte Moment zu induzieren. Dabei bedeutet Induzieren hier das Erzeugen der Gaskraft, die über Kolben und Kurbeltrieb das Wunschmoment liefert.

Dieser Soll-Lambdawert determiniert in Verbindung mit der aus Meßgrößen abgeleiteten Luftfüllung rl des Brennraums die Kraftstoffmenge, die zur Erzeugung des gewünschten Momentes eingespritzt werden muß.

Daraus läßt sich durch Division von rl durch den wunschmomentabhängig bestimmten Lambdasollwert im Block 2.5 eine relative Kraftstoffmasse bestimmen, die dann in die konkrete Einspritzimpulsbreite als Stellgröße im Kraftstoffpfad umgerechnet wird.

Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Einstellung des Wunschdrehmomentes im weitgehend entdrosselten Schichtbetrieb des Motors.

Die in Fig. 3 dargestellte Ergänzung ermöglicht die passende Einstellung von Kraftstoff- und Luftzufuhr zum Motor zur Realisierung eines vorgegebenen Motormomentes unter Berücksichtigung eines maximal zulässigen Wertes für die Luftzahl Lambda.

Ohne die letztere Bedingung könnte es zur unerwünschten Einstellung zu magerer Gemische kommen, was Probleme bei der Brennbarkeit des Gemisches und/oder den Abgasemissionen mit sich bringen könnte.

Dies deshalb, weil das Moment bei festem Lambda mit zunehmender Zylinderfüllung steigt. Wird variables Lambda zugelassen, ergibt sich bei fester Füllung eine gewisse Bandbreite einstellbarer Momente. Dabei wird die Bandbreite durch Lambdagrenzwerte vorgegeben, außerhalb derer beispielsweise die Brennbarkeit nicht gewährleistet ist.

Es gibt daher zu jeder Füllung ein minimales Moment. Werden kleinere Momente gewünscht, kann dies nicht mehr allein über einen Eingriff auf den Kraftstoffpfad realisiert werden. Vielmehr ist dann eine Reduzierung der Füllung zwingend erforderlich.

Dazu werden erfindungsgemäß im Schichtbetrieb für ein bestimmtes vorgegebenes Sollmoment unter Berücksichtigung eines maximal zulässigen Lambdawertes die passende Luftfüllung und Kraftstoffmasse eingestellt, die dieses vorgegebene Sollmoment liefern.

Die Luftfüllung kann bspw. bei Systemen mit elektronisch gesteuerter Drosselklappe (EGAS) über den Drosselklappenöffnungswinkel als Stellgröße eingestellt werden. Die Berechnung dieser Stellgröße erfolgt im sogenannten Luftpfad.

Die Kraftstoffmasse wird bspw. über die Variation einer Einspritzimpulsbreite als Stellgröße eingestellt. Die Berechnung dieser Stellgröße erfolgt wie weiter oben dargestellt wurde, im sogenannten Kraftstoffpfad.

Die eigentliche Einstellung des Motormomentes geschieht wie beschrieben mit Hilfe des Kraftstoffpfades.

Im Luftpfad findet ergänzend eine Begrenzung der Füllung auf Werte statt, die Momenten entsprechen, die über die Kraftstoffzufuhr einstellbar sind. Mit anderen Worten: Im Luftpfad wird die Zylinderfüllung auf einen Wert begrenzt, der sich aus dem maximal zulässigen Lambda für das gewünschte Moment ergibt.

Dies ist in Fig. 3 dargestellt: Im Block 3.1 wird zunächst der maximal zulässige Lambdawert Lambda_zul ermittelt, der bspw. von der Drehzahl n abhängig sein kann und der daher bspw. aus einer Kennlinie ermittelbar ist.

Aus diesem maximal zulässigen Lambda wird im Block 3.2 der zugehörige Lambdawirkungsgrad etalam bestimmt.

Bei bekannten übrigen Einflußgrößen ist damit das Produkt aller Wirkungsgrade für das maximal zulässige Lambda im Block 3.3 bestimmbar.

Dieses Produkt entspricht, wie weiter oben dargestellt wurde, dem Verhältnis von Wunsch- bzw. Ist-Moment zu dem Moment unter Normbedingungen. Bei dieser von einem maximal zulässigen Lambdawert ausgehenden Betrachtung entspricht dieses Ist-Moment dem Moment, das sich bei dem maximal zulässigen Lambda einstellt. Dieses dem maximal zulässigen Lambdawert zuzuordnende Istmoment wird im Block 3.4 durch Verknüpfung des Produktes der Wirkungsgrade mit dem durch Block 3.5 bereitgestellten Normmoment erzeugt.

Diesem speziellen Ist-Moment läßt sich durch Kennlinienzugriff im Block 3.6 eine maximale Zylinderfüllung rl = f(Lambda_zul) eindeutig zuordnen, bei der sich dieses Moment unter der Annahme eines maximalen Lambda, d. h. einem Lambda an der Magerlaufgrenze zwischen gerade noch brennfähigen und gerade nicht mehr brennfähigen Gemischen, einstellt.

Diese Luftfüllung rl stellt damit die obere Füllungsgrenze dar, unterhalb derer sich das Wunschmoment allein durch Eingriffe in den Kraftstoffpfad realisieren läßt.

Diese Füllungsgrenze läßt sich durch eine Begrenzung des Öffnungswinkels der Drosselklappe auf einen maximalen Wert alpha_max im Block 3.7 realisieren.

Claims (2)

1. Verfahren zur Einstellung des Drehmomentes bei einem Verbrennungsmotor mit den Schritten:

• - Bestimmung eines Soll-Momentes
• - Bestimmung eines Betriebspunktes aus Meßwerten für Luftfüllung und Drehzahl.
• - Bestimmung eines Normmomentes für diesen Betriebspunkt
• - Bestimmung eines Soll-Wirkungsgrades aus Normmoment und Sollmoment
• - Bestimmung des zu diesem Wirkungsgrad zugehörigen Lambda
• - Bestimmung der Kraftstoffmenge aus dem zugehörigen Lambda und der aus Meßgrößen abgeleiteten Luftfüllung, die in Verbindung mit der Luftfüllung das zugehörige Lambda zur Realisierung des Sollmomentes ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

• - Bestimmung des maximal zulässigen Lambdawert für eine reguläre Verbrennung
• - Bestimmung des zugehörigen Lambdawirkungsgrades
• - Bestimmung des Gesamtwirkungsgrades als Produkt aller Wirkungsgrade der übrigen bekannten Einflußgrößen für das maximal zulässige Lambda
• - Bestimmung des Ist-Momentes, das sich bei dem maximal zulässigen Lambda und den Wirkungsgraden einstellt unter Berücksichtigung des Normmomentes
• - Bestimmung einer maximalen Zylinderfüllung rl zu diesem Ist-Moment, bei der sich dieses Ist-Moment unter der Annahme eines maximalen Lambda einstellt
• - Bestimmung eines maximalen Drosselklappenwinkels alpha max zur Beschränkung der Füllung.