DE4401828A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorhersage eines zukünftigen Lastsignals im Zusammenhang mit der Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Vorhersage eines zukünf­ tigen Lastsignals in Zusammenhang mit der Steuerung einer Brennkraftma­ schine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 449 851 B1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der einer Brenn­ kraftmaschine pro Takt zuzuführenden Kraftstoffmenge bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird der stationäre Saugrohrdruck aus dem Drossel­ klappenwinkel und der Drehzahl berechnet. Mit Hilfe einer Rekursionsfor­ mel wird der zukünftig erwartete Saugrohrdruck ermittelt.

Im Sinne einer möglichst optimalen Steuerung einer Brennkraftmaschine sollte die Luftfüllung der Zylinder einer Brennkraftmaschine möglichst genau bekannt sein, damit eine auf diese Luftfüllung genau abgestimmte Kraftstoffmenge zugemessen werden kann und somit das gewünschte Drehmo­ ment bei niedriger Schadstoffemission und niedrigem Kraftstoffverbrauch erreicht werden kann. Eine optimale Kraftstoffzumessung wird dadurch erschwert, daß zu dem Zeitpunkt, ab dem die tatsächliche Luftfüllung eines Zylinders der Brennkraftmaschine bekannt ist, die Kraftstoffzumes­ sung für diesen Zylinder bereits abgeschlossen ist. Mit anderen Worten, für die Kraftstoffzumessung werden in der Regel veraltete Werte der Luftfüllung verwendet. Falls sich die Luftfüllung von Ansaugtakt zu An­ saugtakt nicht oder nur geringfügig ändert, kann auch mit den veralteten Werten für die Luftfüllung eine optimale oder nahezu optimale Kraft­ stoffzumessung erzielt werden. In Betriebszuständen, in denen sich die Luftfüllung sehr stark ändert, ist es jedoch günstiger, die Kraftstoff­ zumessung auf die jeweils zu erwartende Luftfüllung abzustimmen. Dazu wird ein Verfahren benötigt, daß zur Zeit der Berechnung der zuzumessen­ den Kraftstoffmenge eine möglichst genaue Vorhersage der Luftfüllung des Zylinders ermöglicht, in den die Kraftstoffmenge eingespritzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst optimale Steue­ rung der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Insbesondere soll die Luft­ füllung der Zylinder möglichst genau vorhergesagt werden.

Vorteile der Erfindung

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zukünftiges Lastsignal ermit­ telt, das die zu erwartende Luftfüllung repräsentiert. Das zukünftige Lastsignal wird aus einem aktuellen Hauptlastsignal, einem aktuellen Hilfslastsignal, das dem aktuellen Hauptlastsignal vorauseilt, und einem Kurbelwinkelintervall ermittelt. Das Kurbelwinkelintervall ist abhängig von der in Zeiteinheiten oder Kurbelwinkeleinheiten ausgedrückten Kraft­ stoff-Vorlagerung, der Dauer der Kraftstoff-Einspritzung und der Berech­ nungszeit vorgebbar. Die Einbeziehung des Kurbelwinkelintervalls hat den Vorteil, daß die Ermittlung des zukünftigen Lastsignals zum spätest mög­ lichen Zeitpunkt durchgeführt werden kann und dadurch eine hohe Genauig­ keit erreicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das zukünftige Lastsignal mit einem Tiefpaßfilter ermittelt wird, dessen Filterkonstante lastabhängig vor­ gebbar ist. Die Filterkonstante wird bei steigender Last aus einer er­ sten Kennlinie ausgelesen und bei fallender Last aus einer zweiten Kenn­ linie. Dadurch wird eine besonders rechenzeitsparende Vorausbestimmung der Luftfüllung möglich.

Das Hilfslastsignal wird aus dem Öffnungswinkel der Drosselklappe, der Drehzahl der Brennkraftmaschine und einer gegebenenfalls durch einen Bypass-Kanal zur Drosselklappe strömenden Luftmenge ermittelt und abhän­ gig von der Temperatur der angesaugten Luft und der barometrischen Höhe korrigiert.

Bei kleinen Öffnungswinkeln der Drosselklappe kann das Hilfslastsignal auch aus der mit einem Luftmassenmesser erfaßten Luftmasse ermittelt werden, was in der Regel zu einer höheren Genauigkeit in diesem Be­ triebsbereich führt.

Das Hauptlastsignal kann z. B. aus dem gemessenen Saugrohrdruck und der Drehzahl, aus der mit einem Luftmassenmesser erfaßten Luftmasse oder durch Filterung des Hilfslastsignals ermittelt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es sowohl im nichtstationären Betrieb als auch im stationären Betrieb eingesetzt werden kann, da bei der Ermittlung des zukünftigen Lastsig­ nals ein auf das Hauptlastsignal abgeglichenes Hilfslastsignal verwendet wird. Der für den Abgleich des Hilfslastsignals benötigte Abgleichwert wird durch Integration der Abweichung zwischen dem Hauptlastsignal und dem mit dem Abgleichwert versehenen gefilterten Hilfslastsignal ermit­ telt. Das gefilterte Hilfslastsignal wird dabei durch Filterung des kor­ rigierten Hilfslastsignals erzeugt.

Besonders vorteilhaft ist es, das zukünftige Lastsignal für die Ermitt­ lung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge zu verwenden. In einem vor­ teilhaften Ausführungsbeispiel kann selbst ein Lastanstieg nach der Be­ rechnung des zukünftigen Lastsignals und der einzuspritzenden Kraft­ stoffmenge noch berücksichtigt werden, indem die Berechnung für densel­ ben Einspritzvorgang bei wenigstens einem späteren Kurbelwinkel wieder­ holt wird. Wenn bei der späteren Berechnung eine größere Kraftstoffmenge ermittelt wird, kann die ursprüngliche Einspritzdauer verlängert werden oder es kann ein zusätzlicher Einspritzimpuls abgesetzt werden.

Noch flexibler ist eine weitere Variante, bei der die ermittelte Kraft­ stoffmenge auf einen ersten und einen zweiten Einspritzimpuls aufgeteilt wird. Der erste Einspritzimpuls wird sofort freigegeben. Der zweite Ein­ spritzimpuls wird abhängig vom Ergebnis einer weiteren Ermittlung des zukünftigen Lastsignals und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge korri­ giert und danach freigegeben. Dadurch kann die ursprünglich berechnete Kraftstoffmenge auch zu kleineren Werten korrigiert werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt wird,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Last, der Kraftstoff-Einspritzung und dem Öffnungsgrad des Einlaßventils eines Zylinders in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel,

Fig. 3 den Verlauf des Hauptlastsignals und des Hilfslastsignals in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel,

Fig. 4 ein Flußdiagramm für den prinzipiellen Ablauf des erfindungsge­ mäßen Verfahrens,

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erzeugung des Hilfslastsignals,

Fig. 6 ein Schema zur Ermittlung des Vorhersagewinkels und

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Erzeugung des zukünftigen Lastsignals.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 100 und Komponenten zur Steuerung der Brennkraftmaschine 100. Über einen Ansaugtrakt 102 wird der Brennkraftmaschine 100 Luft/Kraftstoff-Gemisch zugeführt und die Abgase werden in einen Abgaskanal 104 abgegeben. Im Ansaugtrakt 102 sind - in Stromrichtung der angesaugten Luft gesehen - ein Luftmengen­ messer oder Luftmassenmesser 106, beispielsweise ein Hitzdraht-Luftmas­ senmesser, ein Temperaturfühler 108 zur Erfassung der Ansauglufttempera­ tur, eine Drosselklappe 110 mit einem Sensor 111 zur Erfassung des Öff­ nungswinkels der Drosselklappe 110, ein Drucksensor 112 und eine oder mehrere Einspritzdüsen 113 angebracht. In der Regel sind der Luftmengen­ messer oder Luftmassenmesser 106 und der Drucksensor 112 alternativ vor­ handen. Um die Drosselklappe 110 herum führt ein Bypass-Kanal 114, in dem ein Leerlaufsteller 115 angeordnet ist. Der Bypass-Kanal 114 und der Leerlaufsteller 115 können entfallen, wenn die Regelung der Leerlauf­ drehzahl mit Hilfe der Drosselklappe 110 erfolgt. Gegebenenfalls können zusätzlich Bypass-Ventile vorhanden sein, die beispielsweise beim Zu­ schalten einer Klimaanlage eine ausreichende Leerlaufdrehzahl sicher­ stellen. Im Abgaskanal 104 ist ein Sauerstoffsensor 116 angebracht. An der Brennkraftmaschine 100 sind ein Kurbelwinkelsensor 118 und ein Sen­ sor 119 zur Erfassung der Temperatur der Brennkraftmaschine 100 ange­ bracht. Weiterhin besitzt die Brennkraftmaschine 100 zur Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern beispielsweise vier Zündker­ zen 120.

Die Ausgangssignale der beschriebenen Sensoren werden einem zentralen Steuergerät 122 übermittelt. Im einzelnen handelt es sich dabei um fol­ gende Signale: Ein Signal m des Luftmengenmessers oder Luftmassenmessers 106, ein Signal T des Temperatursensors 108 zur Erfassung der Ansaug­ lufttemperatur, ein Signal α des Sensors 111 zur Erfassung des Öffnungs­ winkels der Drosselklappe 110, ein Singal p des Drucksensors 112, ein Signal λ des Sauerstoffsensors 116, ein Signal w des Kurbelwinkelsensors 118 und ein Signal TBKM des Sensors 119 zur Erfassung der Temperatur der Brennkraftmaschine 100. Das Steuergerät 122 wertet die Sensorsignale aus und steuert die Einspritzdüse bzw. Einspritzdüsen 113, den Leerlaufstel­ ler 115 und die Zündkerzen 120 an.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Last, der Kraftstoff-Ein­ spritzung, und dem Öffnungsgrad des Einlaßventils eines Zylinders in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel w für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern. Dargestellt ist die Kraftstoffzumessung für den Zylinder Nr. 4. Die untere durchgezogene Linie gibt den Öffnungsgrad des Einlaßven­ tils für den Zylinder Nr. 4 an, die untere gestrichelte Linie den Öff­ nungsgrad der Einlaßventile der übrigen Zylinder. Bei einem Kurbelwinkel w von 0° beginnt sich das Einlaßventil des Zylinders Nr. 4 zu öffnen. Bei w = 90° ist das Einlaßventil des Zylinders Nr. 4 maximal geöffnet und bei w = 180° ist das Einlaßventil wieder geschlossen. Danach durch­ laufen die Einlaßventile der Zylinder Nr. 2, Nr. 1 und Nr. 3 in dieser Reihenfolge den gleichen Öffnungs- und Schließzyklus und bei einem Kur­ belwinkel w von 720° beginnt sich das Einlaßventil des Zylinders Nr. 4 wieder zu öffnen.

Oberhalb der Kurve für den Öffnungsgrad der Einlaßventile ist die Kurve für die Kraftstoffeinspritzung für den Zylinder Nr. 4 dargestellt. Damit der Kraftstoff ordnungsgemäß in den Zylinder Nr. 4 gelangen kann, muß die Kraftstoffeinspritzung um einen Vorlagerungswinkel wV vor Beginn der Öffnung des Einlaßventils bei w = 720° abgeschlossen sein. Im darge­ stellten Ausführungsbeispiel beträgt der Vorlagerungswinkel 180°, so daß die Einspritzung bei einem Kurbelwinkel von 540° abgeschlossen ist. Der Beginn der Kraftstoffeinspritzung liegt um den Kurbelwinkel wti vor dem Ende der Kraftstoffeinspritzung. Der Kurbelwinkel wti repräsentiert die in Kurbelwinkel umgerechnete Einspritzdauer ti. Im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel beginnt die Kraftstoffeinspritzung bei ca. 315°. Die Be­ rechnung der Einspritzdauer ti findet einmal pro Segment, das heißt alle 180° Kurbelwinkel statt. Da die Berechnung der Einspritzdauer ti vor dem Beginn der Einspritzung stattfinden muß, muß die Berechnung für die im Segment zwischen 720 und 900° Kurbelwinkel in den Zylinder Nr. 4 einge­ brachte Kraftstoffmenge spätestens im Segment zwischen 180 und 360° Kur­ belwinkel durchgeführt werden. Der Beginn der Berechnung ist durch eine senkrechte, gestrichelte Linie bei ca. 260° Kurbelwinkel markiert.

Die oberste Kurve der Fig. 2 zeigt den Verlauf des Hauptlastsignals tL. Das Hauptlastsignal tL kann beispielsweise aus dem vom Drucksensor 112 erzeugten Signal p und der Drehzahl n ermittelt werden oder aus dem ge­ mittelten und gefilterten Signal m des Luftmassenmessers 106. Für die Berechnung der Einspritzdauer wird die Luftfüllung des entsprechenden Zylinders (In Fig. 2 Zylinder Nr. 4) benötigt. Das Hauptlastsignal tL bei einem bestimmten Kurbelwinkel in der Nähe des Kurbelwinkels, bei dem das Einlaßventil des Zylinders schließt (in Fig. 2 Zylinder Nr. 4, ca. 20° vor dem Schließen des Einlaßventils bei 900°), ist repräsentativ für die Luftfüllung. Dieser bestimmte Kurbelwinkel wird im folgenden als Füllungswinkel bezeichnet. Der genaue Wert des Füllungswinkels hängt vom Typ der Brennkraftmaschine 100 ab und kann beispielsweise empirisch er­ mittelt werden. Wie oben beschrieben und in Fig. 2 dargestellt, muß die Berechnung der Einspritzdauer lange vor dem Füllungswinkel durchgeführt werden. Für die Berechnung wird allerdings die Luftfüllung benötigt, die durch das beim Füllungswinkel vorliegende Hauptlastsignal tL repräsen­ tiert wird. Der zukünftige Verlauf des Hauptlastsignals tL ist aber in der Regel nicht bekannt, da er beispielsweise vom Fahrerwunsch abhängt. Verwendet man bei der Berechnung das zum Zeitpunkt der Berechnung aktu­ elle Hauptlastsignal tL, so führt dies zu einer nicht optimalen Kraft­ stoffzumessung, wenn sich das Hauptlastsignal tL bis zum Erreichen des Füllungswinkels ändert (siehe oberste Kurve in Fig. 2), d. h. im nicht­ stationären Betrieb.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine näherungsweise Vorhersage des beim Füllungswinkel vorliegenden Lastsignals tL, das im folgenden als zukünftiges Lastsignal tLPr bezeichnet wird. Dabei wird insbesondere ausgenutzt, daß der Haupteinflußfaktor auf den Verlauf des zukünftigen Lastsignals tLPr, der Öffnungswinkel α der Drosselklappe 111, bekannt ist und daß das Signal α dem Signal tL um einiges vorauseilt. Näheres hierzu ist in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem das Hauptlastsignal tL (gestrichelte Linie) und das Hilfslastsignal tL′ (durchgezogene Linie) über dem Kur­ belwinkel w aufgetragen sind. Im stationären Betrieb fallen die Kurven für tL und tL′ zusammen (links bzw. ganz rechts). Beim Übergang von niedriger zu hoher Last steigt die Kurve für tL′ wesentlich schneller an als die Kurve für tL, so daß aus aktuellen Werten für tL′ und tL zukünf­ tige Werte für tL vorhergesagt werden können, d. h. aus dem aktuellen Hilfslastsignal tL′ und dem aktuellen Hauptlastsignal tL kann das zu­ künftige Lastsignal tLPr ermittelt werden.

Für die Ermittlung des zukünftigen Lastsignals tLPr wird ein einfaches Saugrohrmodell zugrundegelegt, das durch einen Tiefpaß erster Ordnung mit einer lastabhängigen Filterkonstanten beschrieben wird. Beim aktuel­ len Kurbelwinkel w wird das beim zukünftigen Kurbelwinkel w+wPr vor­ liegende zukünftige Lastsignal tLPr gemäß folgender Gleichung vorherge­ sagt:

tLPr = tL(w+wPr) = tL(w) + (tL′(w)-tL(w))_*(1-exp(-wPr/wF))

Dabei ist wPr der Vorhersagewinkel, das heißt, die Differenz aus dem zukünftigen Kurbelwinkel, für den das zukünftige Lastsignal tLPr vorher­ gesagt wird - in der Regel ist dies der Füllungswinkel - und dem augen­ blicklichen Kurbelwinkel w. Einzelheiten zur Ermittlung des Vorhersage­ winkels wPr sind in Fig. 6 dargestellt und im zugehörigen Text be­ schrieben. Einzelheiten zur Ermittlung der mit wF bezeichneten Filter­ konstanten sind in Fig. 5 dargestellt und im zugehörigen Text beschrie­ ben.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm für den prinzipiellen Ablauf des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 400 wird der Vorhersa­ gewinkel wPr ermittelt. Das in Fig. 6 dargestellte Schema zeigt, wie das im einzelnen vor sich geht. An Schritt 400 schließt sich ein Schritt 402 an, in dem das Hilfslastsignal tL′ ermittelt wird. Wie in Fig. 5 dargestellt, wird das Hilfslastsignal tL′ in Abhängigkeit vom Drossel­ klappenwinkel α, der Drehzahl n und ggf. der durch einen Bypass-Kanal 114 und/oder zusätzliche Bypass-Ventile fließenden Luftmenge qLL aus einem Kennfeld ermittelt. An Schritt 402 schließt sich ein Schritt 404 an. Im Schritt 404 wird das augenblickliche Hauptlastsignal tL ermittelt. Das augenblickliche Hauptlastsignal tL kann beispielsweise durch Filtern der gemessenen und über ein Kurbelwinkel-Segment gemittelten Luftmasse m mit einem Tiefpaßfilter erster Ordnung ermittelt werden. Alternativ dazu kann das augenblickliche Hauptlastsignal tL auch aus dem Saugrohrdruck p und der Drehzahl n ermittelt werden oder durch Filterung des Hilfslast­ signals tL′. Auf Schritt 404 folgt ein Schritt 406, in dem die lastab­ hängige Filterkonstante wF ermittelt wird. Schließlich folgt noch ein Schritt 410. In Schritt 410 wird aus den in den Schritten 400 bis 408 ermittelten Größen gemäß der weiter oben genannten Gleichung das zukünf­ tige Lastsignal tLPr = tL(w+wPr) für den Kurbelwinkel w+wPr ermittelt. Um eine höhere Genauigkeit zu erzielen, wird die Gleichung in der Regel in einer in Bezug auf das Hilfslastsignal tL′ geringfügig abgewandelten Form eingesetzt. Näheres hierzu ist in Fig. 7 dargestellt und im dazu­ gehörigen Text beschrieben. Mit Schritt 410 ist der Durchlauf des Fluß­ diagramms beendet.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Ermittlung, Korrektur und Filte­ rung des Hilfslastsignals tL′ und zur Ermittlung der Filterkonstanten wF. In einen Block 500 werden ein Signal für den Öffnungswinkel α der Drosselklappe 110, ein Signal für die Drehzahl n und ein Signal für die durch einen Bypass-Kanal 114 und/oder durch zusätzliche Bypass-Ventile fließende Luftmenge qLL eingespeist. Der Block 500 ermittelt aus diesen Eingangsgrößen ein Hilfslastsignal tL′ und stellt es am Ausgang bereit. Die Ermittlung erfolgt durch Auslesen aus einem Kennfeld und/oder Be­ rechnung. Der Ausgang des Blocks 500 ist mit einem ersten Eingang eines Verknüpfungspunktes 502 verbunden. In den zweiten Eingang des Verknüp­ fungspunktes 502 wird ein von der Temperatur T der von der Brennkraftma­ schine 100 angesaugten Luft abhängiger Korrekturfaktor FT eingespeist. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 502 ist mit einem ersten Eingang eines Verknüpfungspunktes 504 verbunden. In den zweiten Eingang des Ver­ knüpfungspunktes 504 wird ein höhenabhängiger Korrekturfaktor FH einge­ speist. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 504 ist mit einem ersten Eingang eines Tiefpaßfilters 506 verbunden. An einem zweiten Eingang des Tiefpaßfilters 506 liegt ein Signal für den Kurbelwinkel w an, das bei­ spielsweise vom Kurbelwinkelsensor 118 erzeugt wird oder aus der Dreh­ zahl n und der Zeit berechnet wird. Der Kurbelwinkel w stellt die unab­ hängige Variable des Tiefpaßfilters 506 dar. Häufig wird bei Tiefpaßfil­ tern die Zeit als unabhängige Variable gewählt. Da im vorliegenden Fall der Verfahrensablauf nicht zeitsynchron sondern kurbelwinkelsynchron ab­ läuft, vereinfacht sich die mathematische Beschreibung, wenn der Kurbel­ winkel w als unabhängige Variable des Tiefpaßfilters 506 gewählt wird. Somit ist auch die Filterkonstante des Tiefpaßfilters 506 keine Zeit sondern der Kurbelwinkel wF. Die Filterkonstante wF wird über einen dritten Eingang in das Tiefpaßfilter 506 eingespeist. Das Tiefpaßfilter 506 erzeugt aus dem korrigierten Hilfslastsignal tLK′, das nur in sta­ tionären Betriebszuständen die Last korrekt wiedergibt, ein gefiltertes Hilfslastsignal tLF′, das auch in dynamischen Betriebszuständen die Last korrekt wiedergibt. Das gefilterte Hilfslastsignal tLF′ kann am Ausgang des Tiefpaßfilters 506 abgegriffen werden. Das Tiefpaßfilter 506 kann durch die folgende Gleichung repräsentiert werden:

tLF′ (w2) = tLF′ (w1) + (tlK′ (w2)-tLF′ (w1))_*(1-exp((w1-w2)/wF))

Dabei stellen w1 und w2 aufeinanderfolgende Kurbelwinkel dar.

Im folgenden wird beschrieben, wie die Filterkonstante wF bestimmt wird:
Ein erster Eingang eines Verknüpfungspunktes 508 ist mit dem Ausgang des Blocks 500 verbunden, das heißt in diesen ersten Eingang wird das Hilfs­ lastsignal tL′ eingespeist. In den zweiten Eingang des Verknüpfungspunk­ tes 508 wird ein Signal dtL eingespeist. Das Signal dtL stellt ein Maß für die Abweichung zwischen dem Hauptlastsignal tL und dem gefilterten Hilfslastsignal tLF′ dar und dient dazu, das Hilfslastsignal an das Hauptlastsignal anzupassen. Einzelheiten hierzu und zur Ermittlung des Signals dtL sind in Fig. 7 dargestellt und im zugehörigen Text be­ schrieben. Im Verknüpfungspunkt 508 werden die Signale tL′ und dtL ad­ diert und am Ausgang bereitgestellt. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 508 ist mit dem Eingang einer Kennlinie 510, dem Eingang einer Kennlinie 512 und dem ersten Eingang eines Verknüpfungspunktes 513 verbunden. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 513 liegt das Hauptlastsignal tL an. Der Verknüpfungspunkt 513 subtrahiert das Signal am zweiten Eingang vom Signal am ersten Eingang und stellt die Differenz am Ausgang bereit. Der Ausgang des Verknüpfungspunktes 513 ist mit dem Eingang einer Aus­ wahlstufe 514 verbunden.

In der Kennlinie 510 ist die Filterkonstante wF für den Fall abgelegt, daß die Last ansteigt. In der Kennlinie 512 ist die Filterkonstante wF für den Fall abgelegt, daß die Last abnimmt. Der Ausgang der Kennlinie 510 ist mit einem Kontakt A eines Schalters 516 verbunden und der Aus­ gang der Kennlinie 512 mit einem Kontakt B des Schalters 516. Weiterhin besitzt der Schalter 516 einen dritten Kontakt C, der wahlweise mit dem Kontakt A oder mit dem Kontakt B verbunden werden kann. Der Schalter 516 wird von der Auswahlstufe 514 gesteuert. Falls die Auswahlstufe 514 eine steigende Last erkennt (Signal am Eingang der Auswahlstufe 514 < 0), steuert sie den Schalter 516 so an, daß die Kontakte A und C miteinander verbunden werden, das heißt, der Kontakt C ist mit dem Ausgang der Kenn­ linie 510 verbunden. Erkennt die Auswahlstufe 514 dagegen, daß die Last abnimmt (Signal am Eingang der Auswahlstufe 514 < 0), so steuert sie den Schalter 516 so an, daß die Kontakte B und C miteinander verbunden sind, das heißt der Ausgang der Kennlinie 512 ist mit dem Kontakt C verbunden. Somit ist gewährleistet, daß die Filterkonstante wF für steigende und für abnehmende Last aus unterschiedlichen Kennlinien ausgelesen wird. Der Kontakt C des Schalters 516 ist mit dem dritten Eingang des Tiefpaß­ filters 506 verbunden, das heißt die am Kontakt C anliegende Filterkon­ stante wF wird in den dritten Eingang des Tiefpaßfilters 506 einge­ speist. Außerdem wird die Filterkonstante wF für weitere Anwendungen (siehe Fig. 7) bereitgehalten.

In Fig. 6 ist ein Schema zur Berechnung des Vorhersagewinkels wPr dar­ gestellt. Die Berechnung des Vorhersagewinkels wPr ist erforderlich, da die Vorhersage der zukünftigen Luftfüllung und somit des zukünftigen Lastsignals tLPr aus Gründen der Genauigkeit möglichst spät durchgeführt werden soll und der spätestmögliche Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel unter anderem vom Vorlagerungswinkel wV und der Einspritzdauer ti abhängt und somit nicht konstant ist. In Fig. 6 ist eine Achse für den Kurbelwinkel w dargestellt und auf dieser Achse sind Ereignisse vermerkt, die im Zu­ sammenhang mit der Ermittlung des Vorhersagewinkels wPr von Bedeutung sind. Die Ermittlung erfolgt durch Zurückrechnung ausgehend vom Fül­ lungswinkel, für den das zukünftige Lastsignal tLPr vorhergesagt werden soll. Der erste Bestandteil des Vorhersagewinkels wPr ergibt sich durch die Vorlagerung des Kraftstoffs und das Einbringen des Luft/Kraftstoff- Gemisches in den Zylinder und wird als wEE bezeichnet. Das Kurbelwinkel­ intervall wEE wird gemäß dem Fachmann bekannten Verfahren festgelegt, die hier nicht näher beschrieben werden. Als weiterer Anteil wti ist die in Kurbelwinkel umgerechnete Einspritzdauer ti zu berücksichtigen. Da die Einspritzdauer ti aber erst nach der Vorhersage des zukünftigen Lastsignals tLPr ermittelt wird, wird die Einspritzdauer ti der vorher­ gehenden Einspritzung verwendet. Als dritter Anteil wB ist die in Kur­ belwinkel umgerechnete Zeit zu berücksichtigen, die zur Berechnung des zukünftigen Lastsignals tLPr und der aktuellen Einspritzdauer ti benö­ tigt wird. Weiterhin ist in Fig. 6 noch ein vierter Anteil von 90°, das heißt ein halbes Segment, dargestellt. Dieser vierte Anteil ist immer dann zu berücksichtigen, wenn das Hauptlastsignal tL über ein Segment gemittelt wird. Eine Mittelung ist dann anzuraten, wenn das Hauptlast­ signal tL aus einem stark schwankenden Signal ermittelt wird, beispiels­ weise aus dem Ausgangssignal eines Hitzdraht-Luftmassenmessers. Durch Addition der in Fig. 6 dargestellten Anteile wEE, wti, wB und ggf. den Wert von 90° erhält man den Vorhersagewinkel wPr.

In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild zur Erzeugung des zukünftigen Last­ signals tLPr dargestellt. Die Berechnung des zukünftigen Lastsignals tLPr erfolgt ähnlich wie bereits im Text zur Fig. 3 beschrieben und wird teilweise in einem Block 700 und teilweise in einem Block 702 durchgeführt. Die Berechnung erfolgt gemäß folgender Gleichung:

tLPr = tL + (tLK′+dtL-tL)_*FP

Dabei wird der Faktor FP folgendermaßen berechnet:

FP = 1-exp(-wPr/wF)

Der Faktor FP wird in einem Block 700 berechnet. In den Block 700 werden ein Signal für den Vorhersagewinkel wPr und ein Signal für die Filter­ konstante wF eingespeist. Der Ausgang des Blocks 700 ist mit einem Ein­ gang des Blocks 702 verbunden. Der Block 702 ermittelt aus dem Faktor FP und weiteren Eingangsgrößen gemäß obiger Gleichung das zukünftige Last­ signal tLPr und stellt dieses Signal zur weiteren Verarbeitung an seinem Ausgang bereit. An einem weiteren Eingang des Blocks 702 liegt das Hauptlastsignal tL an. Der letzte Eingang des Blocks 702 ist mit dem Ausgang eines Verknüpfungspunktes 704 verbunden. An einem ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 704 liegt das vom Verknüpfungspunkt 504 der Fi­ gur 5 ausgegebene korrigierte Hilfslastsignal tLK′ an. Der zweite Ein­ gang des Verknüpfungspunktes 704 ist mit dem Ausgang eines Integrators 706 verbunden. Der Integrator 706 stellt an seinem Ausgang das Signal dtL bereit. Der Eingang des Integrators 706 ist mit dem Ausgang eines Verknüpfungspunktes 708 verbunden. In einen ersten Eingang des Verknüp­ fungspunktes 708 wird das Hauptlastsignal tL eingespeist. Der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 708 ist mit dem Ausgang eines Verknüp­ fungspunktes 710 verbunden. Der Verknüpfungspunkt 708 substrahiert das am zweiten Eingang anliegende Signal von dem Hauptlastsignal tL, das am ersten Eingang anliegt. An einem ersten Eingang des Verknüpfungspunktes 710 liegt das gefilterte Hilfslastsignal tLF′ aus Fig. 5, Block 506, an. Der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 710 ist mit dem Ausgang des Integrators 706 verbunden, das heißt, in den zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 710 wird das Signal dtL eingespeist. Der Integrator 706 und die beiden Verknüpfungspunkte 708 und 710 dienen dazu, das ge­ filterte Hilfslastsignal tLF′ und das Hauptlastsignal tL aufeinander abzugleichen. Dadurch ist gewährleistet, daß das gefilterte Hilfslast­ signal tLF′ und das Hauptlastsignal tL im stationären Betrieb überein­ stimmen. Dies ist Voraussetzung dafür, daß die Vorhersage des zukünfti­ gen Lastsignals tLPr immer, das heißt auch im stationären Betrieb, aktiv sein kann. Ohne den Abgleich bestünde die Gefahr, daß das gefilterte Hilfslastsignal tLF′ und das Hauptlastsignal tL im stationären Betrieb voneinander abweichen und folglich müßte abhängig vom Betriebszustand zwischen den beiden Lastsignalen umgeschaltet werden. Die Funktionsweise des Abgleichs entspricht der eines I-Reglers, wobei das Hauptlastsignal tL den Sollwert darstellt, das Signal dtL die Stellgröße und die Summe aus dem gefilterten Hilfslastsignal tLF′ und dem Signal dtL den Istwert.

Bei der im Block 702 verwendeten Formel zur Berechnung des zukünftigen Lastsignals tLPr wurde vorausgesetzt, daß sich das korrigierte Hilfs­ lastsignal tLK′ nicht mehr ändert, das heißt für die Drosselklappe 110 ist der dynamische Betriebszustand bereits beendet und der Öffnungswin­ kel α der Drosselklappe 110 und die Drehzahl n bleiben konstant. Diese Annahme ist in der Regel in guter Näherung erfüllt. In Betriebszustän­ den, in denen die Änderungsgeschwindigkeit des Öffnungswinkels α der Drosselklappe 110 einen mittelgroßen Wert annimmt und in denen sich der Öffnungswinkel α insgesamt stark ändert, kann es allerdings günstig sein, einen extrapolierten Wert für das korrigierte Hilfslastsignal tLK′ zu verwenden. Im einfachsten Fall können dazu zwei aufeinanderfolgende tLK′-Signale linear extrapoliert werden.

Das zukünftige Lastsignal tLPr kann zur Berechnung der Einspritzdauer ti unter Berücksichtigung des Wandfilmauf- und -abbaus im Instationärbe­ trieb verwendet werden. Dabei kann die Vorhersage des zukünftigen Last­ signals tLPr zu einem späteren Kurbelwinkel als der oben beschriebene Vorhersagewinkel wPr wiederholt werden. Da die zweite Vorhersage sich über ein kleineres Kurbelwinkelintervall erstreckt, kann damit eine hö­ here Genauigkeit erzielt werden. Falls die zweite Vorhersage ergibt, daß die ursprüngliche ermittelte Einspritzdauer ti zu kurz war, so kann die Einspritzdauer ti verlängert werden oder falls die Einspritzung bereits abgeschlossen aber das Einlaßventil noch nicht geschlossen ist, so kann ein zusätzlicher Einspritzimpuls abgesetzt werden. Um auch in dem Fall, in dem ursprünglich eine zu große Kraftstoffmenge ermittelt wurde, noch eine Korrektur vornehmen zu können, kann folgendermaßen vorgegangen wer­ den: Die ursprünglich berechnete Einspritzdauer wird in zwei Einspritz­ impulse aufgeteilt, beispielsweise im Verhältnis 2 : 1. Der längere Im­ puls wird sofort gestartet. Der kürzere Impuls wird bis nach der zweiten Vorhersage des Signals tLPr zurückgestellt und auf der Grundlage dieser zweiten Vorhersage korrigiert.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist eine Variante bei der in Fig. 5 dargestellten Ermittlung des gefilterten Hilfslastsignals tLF′ vorgesehen. Bei kleinen Öffnungswinkeln α der Drosselklappe 110 liefert der Sensor 111 in der Regel ein sehr ungenaues Signal. Deshalb wird in diesem Betriebsbereich statt des korrigierten Hilfslastsignals tLK′ ein mit dem Luftmassenmesser 106 ermitteltes, ungefiltertes Lastsignal in das Tiefpaßfilter 506 eingespeist. Außerhalb dieses Betriebsbereichs wird wie in Fig. 5 dargestellt vorgegangen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgen die Berechnung des zu­ künftigen Lastsignals tLPr und der Einspritzdauer ti zündungssynchron. In diesem Fall wird der gemäß Fig. 6 berechnete Vorhersagewinkel wPr zur Festlegung des Segments benutzt, in dem die Berechnung von tLPr und ti stattfinden soll. Innerhalb des so ermittelten Segments ist der Be­ ginn der Berechnung fest vorgegeben.

Im Gegensatz zur Berechnung der Einspritzimpulse wird bei der Berechnung des Zündwinkels nicht das zukünftige Lastsignal tLPr sondern das aktuel­ le Hauptlastsignal tL verwendet.

Claims (13)

1. Verfahren zur Vorhersage eines zukünftigen Lastsignals (tLPr) in Zu­ sammenhang mit der Steuerung einer Brennkraftmaschine (100), wobei das zukünftige Lastsignal (tLPr) ermittelt wird aus

• - einem aktuellen Hauptlastsignal (tL),
• - einem aktuellen Hilfslastsignal (tL′), das dem aktuellen Hauptlast­ signal (tL) vorauseilt und
• - einem Kurbelwinkelintervall (wPr), das abhängig von der in Zeiteinhei­ ten oder Kurbelwinkeleinheiten ausgedrückten Kraftstoff-Vorlagerung (wEE), Dauer der Kraftstoff-Einspritzung (wti) und Berechnungszeit (wB) vorgebbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zukünftige Lastsignal (tLPr) mit einem Tiefpaßfilter ermittelt wird, dessen Filter­ konstante (wF) lastabhängig vorgebbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterkon­ stante (wF) bei steigender Last aus einer ersten Kennlinie (510) ausge­ lesen wird und bei fallender Last aus einer zweiten Kennlinie (512).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktuelle Hilfslastsignal (tL′) aus dem Öffnungswinkel (α) der Drosselklappe (110), der Drehzahl (n) der Brennkraftmaschine (100) und einer gegebenenfalls durch einen Bypass-Kanal (114) zur Dros­ selklappe (110) und/oder durch zusätzliche Bypass-Ventile strömenden Luftmenge (qLL) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktuelle Hauptlastsignal (tL) aus dem gemessenen Saug­ rohrdruck (p) und der Drehzahl (n), aus der mit einem Luftmassenmes­ ser (106) erfaßten Luftmasse (m) oder durch Filterung des aktuellen Hilfslastsignals (tL′) ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktuelle Hilfslastsignal (tL′) abhängig von der Tempe­ ratur (T) der angesaugten Luft und der barometrischen Höhe korrigiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aktuelle Hilfslastsignal (tL′) bei kleinen Öffnungs­ winkeln (α) der Drosselklappe (110) aus der mit einem Luftmassenmesser (106) erfaßten Luftmasse (m) ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Hilfslastsignal (tLK′) mit Hilfe eines Abgleichwerts (dtL) auf das aktuelle Hauptlastsignal (tL) abgeglichen wird und daß dieser Abgleich entfällt, falls das aktuelle Hauptlastsignal (tL) aus dem aktu­ ellen Hilfslastsignal (tL′) ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleich­ wert (dtL) ermittelt wird durch Integration der Abweichung zwischen dem aktuellen Hauptlastsignal (tL) und einem mit dem Abgleichwert (dtL) ver­ sehenen gefilterten Hilfslastsignal (tLF′), wobei das gefilterte Hilfs­ lastsignal (tLF′) durch Filterung des korrigierten Hilfslastsignals (tLK′) erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem zukünftigen Lastsignal (tLPr) die einzuspritzende Kraftstoffmenge ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermitt­ lung des zukünftigen Lastsignals (tLPr) und der einzuspritzenden Kraft­ stoffmenge für denselben Einspritzvorgang bei wenigstens einem späteren Kurbelwinkel (w) wiederholt wird und daß dann, wenn beim späteren Kur­ belwinkel (w) eine größere Kraftstoffmenge ermittelt wird, die ursprüng­ liche Einspritzdauer (ti) verlängert wird oder ein zusätzlicher Ein­ spritzimpuls abgesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ermit­ telte Kraftstoffmenge auf einen ersten und einen zweiten Einspritzimpuls aufgeteilt wird, wobei der erste Einspritzimpuls sofort freigegeben wird und der zweite abhängig vom Ergebnis einer weiteren Ermittlung des zu­ künftigen Lastsignals (tLPr) und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge korrigiert wird und danach freigegeben wird.

13. Vorrichtung zur Vorhersage eines zukünftigen Lastsignals (tLPr) in Zusammenhang mit der Steuerung einer Brennkraftmaschine (100), mit

• 1. Mitteln zum Erzeugen eines aktuellen Hauptlastsignals (tL),
• 2. Mitteln zum Erzeugen eines aktuellen Hilfslastsignals (tL′), das dem aktuellen Hauptlastsignal (tL) vorauseilt,
• 3. Mitteln zum Bestimmen eines Kurbelwinkelintervalls (wPr) abhängig von der in Zeiteinheiten oder Kurbelwinkeleinheiten ausgedrückten Kraft­ stoff-Vorlagerung (wEE), Dauer der Kraftstoff-Einspritzung (wti) und Berechnungszeit (wB) und
• 4. Mitteln zum Erzeugen des zukünftigen Lastsignals (tLPr) aus
• - dem aktuellen Hauptlastsignal (tL),
• - dem aktuellen Hilfslastsignal (tL′) und
• - dem Kurbelwinkelintervall (wPr).