DE10046446A1

DE10046446A1 - Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10046446A1
Application number: DE10046446A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kalweit; Sven Merkle; Tobias Roulet; Andrej Panten
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2002-03-28
Also published as: US20020050264A1; US6530358B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine über Eingriffe in wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine, wobei ein Sollmoment bzw. eine zu erbringende Arbeit an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt wird, wobei zu einer ersten Größe als einer zu erbringenden Arbeit bzw. einem zu erbringenden Sollmoment unter Berücksichtigung des momentan vorliegenden Istwirkungsgrades eine entsprechende Sollwärmemenge bestimmt wird, zu der wenigstens eine zugehörige Stellgröße entsprechend dem Wert der Sollwärmemenge eingestellt wird, wobei weiterhin für eine exakte Momenteneinstellung die Istwärmemenge erfasst wird, wobei ein Sollwirkungsgrad ermittelt wird aus der Istwärmemenge unter Berücksichtigung einer zu erbringenden Arbeit bzw. einem zu erbringenden Sollmoment, wobei dies der ersten Größe entsprechen kann oder einer anderen Größe, die als ein Sollmoment bzw. eine zu erbringende Arbeit an der Kurbelwelle gebildet wird, und wobei zeitnah wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine entsprechend einer Einstellung des ermittelten Sollwirkungsgrades eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Zusammenhang mit der Regelung bzw. Steuerung von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, ein Sollmoment zu bestimmen, das von der Brennkraftmaschine abgegeben werden soll. Verschiedene Stellgrößen der Brennkraftmaschine lassen sich in Kombination so einstellen, dass im eingeschwungenen Zustand das Sollmoment abgegeben wird.

In diesem Zusammenhang sei als Stand der Technik beispielsweise auf die DE 198 03 387 C1 verwiesen, aus der es bekannt ist, verschiedenen Momentenanforderungen Prioritäten so zuzuordnen, dass letztendlich ein Sollmoment bestimmt wird, das dann einzustellen ist. Diese verschiedenen Momentenanforderungen betreffen dabei zum einen ein vom Fahrzeugführer vorgegebenes Wunschmoment, sowie von Teilsystemen vorgegebene Sollmomente. Diese Teilsysteme können beispielsweise ein Abstandsregeltempomat, ein Tempomat, eine Fahrdynamikregelung und/oder eine Getriebesteuerung sein.

Aus der DE 198 07 124 A1 ist es bekannt, eine einheitliche Schnittstelle dahingehend vorzusehen, dass ein Sollmoment der Brennkraftmaschine zentral vorgegeben wird. Im weiteren sind dort verschiedene Vorgehensweisen beschrieben, die Eingriffe in Stellgrößen der Brennkraftmaschine beschreiben, bei denen das Sollmoment unterschiedlich schnell eingestellt werden kann. Beispielsweise erfolgt eine im Hinblick auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimierte Einstellung des Sollmomentes über eine Einstellung der Last. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich eine Verstellung des Zündwinkels erfolgen, wenn beispielsweise das Sollmoment schnell eingestellt werden soll.

Aus der DE 43 15 885 C1 sowie der DE 196 15 542 C2 sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt, um durch definierte Eingriffe in die Stellgrößen der Brennkraftmaschine bestimmte Momente zu erzeugen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem die Einstellung der Momente an der Brennkraftmaschine möglichst genau erfolgen soll.

Es ist dabei bei einer Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine nicht unbedingt notwendig, unter allen Betriebsbedingungen eine exakt genaue Einstellung des Momentes vorzusehen. Vielmehr wird es durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, unter bestimmten Betriebsbedingungen, unter denen ein vorgegebenes Moment exakt eingestellt werden soll, eine solche exakte Einstellung vorzunehmen. Dies betrifft beispielsweise Vorgaben an das Moment von sicherheitskritischen Systemen wie beispielsweise einer Antriebsschlupfregelung oder Betriebsbedingungen wie einer Momentenumschaltung. Es wird dann möglich, durch einen Eingriff in wenigstens eine Stellgröße, die den Wirkungsgrad beeinflusst, eine schnelle und exakte Einstellung des richtigen Momentes vorzusehen. Eine solche schnelle und exakte Einstellung des Momentes kann bei einem direkteinspritzenden Motor oder einem Dieselmotor auch über die zugeführte Wärmemenge in Form des zugeführten Kraftstoffs eingestellt werden. Wenn ein vom Fahrer vorgegebenes Moment eingestellt werden soll, können in gewissen Grenzen auch Abweichungen toleriert werden, so dass es dann möglich ist, bei der Steuerung oder Regelung einen optimalen Wirkungsgrad einzustellen, um Emissionen zu optimieren bzw. Kraftstoff zu sparen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst, indem zu einer ersten Größe als einer zu erbringenden Arbeit bzw. einem zu erbringenden Sollmoment unter Berücksichtigung des momentan vorliegenden Istwirkungsgrades eine entsprechende Sollwärmemenge bestimmt wird, zu der wenigstens eine zugehörige Stellgröße entsprechend dem Wert der Sollwärmemenge eingestellt wird. Weiterhin wird die Istwärmemenge erfasst, wobei ein Sollwirkungsgrad ermittelt wird aus der Istwärmemenge unter Berücksichtigung einer zu erbringenden Arbeit bzw. einem zu erbringenden Sollmoment, wobei dies der ersten Größe entsprechen kann oder einer anderen Größe, die als ein Sollmoment bzw. eine zu erbringenden Arbeit an der Kurbelwelle gebildet wird. Zeitnah wird dann wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine entsprechend einer Einstellung des ermittelten Sollwirkungsgrades eingestellt.

Zeitnah bedeutet dabei, dass diese Stellgröße im nächsten Arbeitsspiel eingestellt werden kann oder ggf. noch im aktuellen Arbeitsspiel.

Die Vorgehensweise beruht also bei der exakten Einstellung eines Moments darauf, in einem Arbeitsspiel die an der Kurbelwelle zu erbringenden Arbeit (das Sollmoment) zu bestimmen. Entsprechend dem vorliegenden Wirkungsgrad, der sich aus der Einstellung der Stellgrößen der Brennkraftmaschine in diesem Arbeitsspiel ergibt, wird die Sollwärmemenge für dieses Arbeitsspiel bestimmt. Diese Sollwärmemenge kann über entsprechende Stellgrößen eingestellt werden wie beispielsweise den Liefergrad (bei einem Ottomotor im homogenen Betrieb) oder die Einspritzmenge (bei einem Dieselmotor oder einem Ottomotor im Schichtladungsbetrieb). Weiterhin wird die Istwärmemenge erfasst. Dadurch kann eine eventuelle Abweichung erkannt werden.

Einstellungen von Stellgrößen, die den Wirkungsgrad beeinflussen, ergeben sich dann, indem aus der Istwärmemenge sowie der zu erbringenden Arbeit ein Sollwirkungsgrad ermittelt wird. Dieser Sollwirkungsgrad kann dann zeitnah über eine Stellgröße oder ein Zusammenspiel mehrerer Stellgrößen eingestellt werden. Beispielsweise kann der Zündzeitpunkt verstellt werden, um den Wirkungsgrad zu begrenzen oder die Ventilsteuerung kann variiert werden. Es ist dabei auch möglich, einen Eingriff in die Stellgrößen mit einem Eingriff in die Einstellung des Zündzeitpunktes zu beginnen, weil diese Stellgröße kurzfristig beeinflussbar ist. Der Eingriff in diese Stellgröße kann dann mit einem Eingriff in die Ventilsteuerung kombiniert werden. Aufgrund der Einstellzeiten der Ventilsteuerung lässt sich diese Stellgröße nicht so kurzfristig beeinflussen wie die Einstellung des Zündzeitpunktes. Ein kombinierter Eingriff kann beispielsweise so aussehen, dass sowohl in die Einstellung des Zündzeitpunktes wie auch in die Einstellung der Ventilsteuerung eingriffen wird. Mit zunehmender Auswirkung des Eingriffs in die Ventilsteuerung kann dann die Verstellung des Zündzeitpunkts zurückgenommen werden, wenn der Eingriff in die Ventilsteuerung unter Beachtung der Systemeinstellzeiten Wirkung zeigt.

Bei der Berechnung des Sollwirkungsgrades kann wiederum die erste Größe Verwendung finden, wie dies beispielsweise nachfolgend im Zusammenhang mit der Umschaltung von Betriebsmodi erläutert wird wie beispielsweise einer Zylinderabschaltung oder einem Wechsel vom Schichtladungs- in den Homogenbetrieb bei einem direkteinspritzenden Ottomotor. Es kann aber auch eine andere Größe verwendet werden, die ebenfalls als Sollmoment bzw. zu erbringende Arbeit an der Kurbelwelle bestimmt wird, wie dies beispielsweise nachfolgend im Zusammenhang mit der Einstellung eines Reservemomentes erläutert wird, bei dem die eingestellte Sollwärmemenge gegenüber dem aktuell einzustellenden Sollmoment überhöht ist, und durch eine entsprechende Einstellung des Wirkungsgrades "korrigiert" wird, um eine bessere Einstellgeschwindigkeit zu erhalten, wenn ein größeres Moment gewünscht wird.

Die an der Kurbelwelle zu erbringende Arbeit kann unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren bestimmt werden. Es können beispielsweise Momentenanforderungen von Aggregaten der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Weiterhin können träge Massen der Brennkraftmaschine selbst berücksichtigt werden. Weiterhin geht der Fahrerwunsch ein hinsichtlich einer eventuellen Beschleunigung oder Verzögerung. Diesem Fahrerwunsch können weitere Anforderungen überlagert sein, die beispielsweise von der Steuerung eines automatischen Getriebes, von einer Antriebsschlupfregelung, von einer Fahrdynamikregelung oder sonstigem vorgegeben werden.

Wie bereits beschrieben ist es auch möglich, eine exakte Einstellung des Momentes durch eine Einstellung von Stellgrößen, die den Wirkungsgrad beeinflussen, nur dann vorzunehmen, wenn eine Umschaltung des Betriebsmodus oder des Brennverfahrens erfolgen soll oder wenn eine Momentenvorgabe eines sicherheitskritischen Systems vorliegt wie beispielsweise einer Antriebsschlupfregelung oder einer Fahrdynamikregelung.

Vorteilhaft werden bei dieser Regelung Führungsgrößen verwendet, die bei jeder Brennkraftmaschine unabhängig von deren Betriebsmodus bestimmbar sind. Es handelt sich dabei um die Wärmemenge, wobei eine oder mehrere weitere Stellgrößen vorhanden sind, die den Wirkungsgrad beeinflussen und somit zu einer schnellen Einstellung eines exakten Momentes führen können. Es ist also insbesondere nicht notwendig, unterschiedliche Regelungsverfahren vorzusehen abhängig von Betriebsmodi oder verwendeten Brennkraftmaschinen. Vielmehr ist eine modulare Einbindung verschiedener Brennkraftmaschinen in verschiedenen Betriebsmodi in diese Regelung möglich.

Dadurch können auch Probleme vermieden werden, die Momentensprünge betreffen, wenn beispielsweise bei unterschiedlichen Betriebsmodi unterschiedliche Regelungsverfahren verwendet werden müssen, die im Übergangsbereich eventuell zu Unstetigkeiten führen.

Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird bei der Ermittlung der an der Kurbelwelle zu erbringenden Arbeit im jeweiligen Arbeitsspiel die Ansaugarbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Ansaugtakt befindlichen Zylinders, die Kompressionsarbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Verdichtungstakt befindlichen Zylinders, die Verbrennungsarbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Verbrennungstakt befindlichen Zylinders sowie die Ausschiebearbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Ausschiebetakt befindlichen Zylinders berücksichtigt.

Dadurch lässt sich auch unter instationären Bedingungen die an der Kurbelwelle erbrachte Arbeit arbeitsspiel-synchron bestimmen. Ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung ist im Zusammenhang mit den Figuren erläutert.

Bei der Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 3 wird aus einer Drehzahlabweichung der Kurbelwelle von einer Solldrehzahl eine Regelabweichung des indizierten Momentes an der Kurbelwelle abgeleitet, wobei diese Regelabweichung bei der Bestimmung des Sollmomentes bzw. der an der Kurbelwelle zu erbringenden Arbeit berücksichtigt wird.

Vorteilhaft ergibt sich durch diese Ausgestaltung die Möglichkeit, einen zentralen Komfortmanager vorzusehen, bei dem Sprünge in der Drehzahl und dadurch bedingt ein ruckendes Fahrverhalten schnellstmöglich ausgeglichen werden können, indem zeitnah im Sinne obiger Erläuterungen mit einer entsprechenden Korrektur in die Stellgrößen der Brennkraftmaschine eingegriffen werden kann.

Aus einer Energiebilanz der Rotationsenergie kann aus dem Trägheitsmoment auf die notwendige Änderung des indizierten Moments rückgeschlossen werden. Indem diese Größe entsprechend berücksichtigt wird, kann der Regelkomfort deutlich verbessert werden.

Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 wird bei einer notwendigen Änderung des Saugrohrdrucks im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine die Änderung der Stellung der Drosselklappe um einen solchen Betrag und für eine solche Zeitdauer überhöht, dass die Überhöhung der Stellung der Drosselklappe zumindest in etwa der Luftmasse entspricht, die benötigt wird, um die Brennkraftmaschine auf den neuen Lastzustand einzustellen.

Dabei zeigt sich vorteilhaft, dass die Einstellung des neuen Lastzustandes deutlich schneller geht, indem durch die überhöhte Ansteuerung der Drosselklappe die Einschwingzeit auf den neuen Lastzustand verkürzt wird. Dies erfolgt, indem bei einem Übergang zu einem Zustand mit einer größeren Last die Drosselklappe in dem Zeitraum des Übergangs weiter geöffnet wird, als dies dem neuen Lastzustand entspricht.

Dies kann beispielsweise erfolgen, indem mittels eines Modells, das anhand der idealen Gasgleichung den Saugrohrdruck, die Temperatur und das Volumen in Beziehung setzt zu den Massen der Gase, abgeschätzt wird, welche zeitliche Änderung der Masse erforderlich ist für eine bestimmte zeitliche Änderung des Saugrohrdrucks. Entsprechend dieser zeitlichen Änderung der Masse kann dann kalkuliert werden, welche Verstellung der Drosselklappe erforderlich ist.

Vorteilhaft wird also durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung die Dynamik bei der Einstellung sich ändernder Lastzustände der Brennkraftmaschine verbessert.

Das Verfahren kann beispielsweise vorteilhaft eingesetzt werden bei einer Brennkraftmaschine mit abschaltbaren Zylindern. Bei der Abschaltung der Zylinder wird der Gaswechsel verhindert, indem die Eingangs- und Ausgangsventile nicht angesteuert werden. Bei einem Zuschalten der abschaltbaren Zylinder, d. h. dem Wiederbeginn der Ansteuerung der Eingangs- und Ausgangsventile kann mit dem vorliegenden Verfahren der neue Lastzustand entsprechend schnell eingestellt werden.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 5 wird bei einer notwendigen Änderung des Saugrohrdrucks im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine ein zeitlicher Verlauf der Drosselklappenstellung derart bestimmt, dass aufgrund des zeitlichen Verlaufes des sich infolge der Drosselklappenstellung einstellenden Massenstromes der neue Saugrohrdruck zeitoptimiert eingestellt wird.

Vorteilhaft kann der zeitliche Verlauf der Drosselklappenstellung so bestimmt werden, dass ausgehend von den Extremstellungen der Drosselklappe (maximal geöffnet bzw. geschlossen) der daraus resultierende Massenstrom bestimmt wird. Entsprechend den Erläuterungen im Zusammenhang mit Anspruch 4 lässt sich weiterhin aus dem Bedarf der Luftmasse, die beispielsweise bei einer größeren Last benötigt wird, und dem resultierenden Massenstrom ermitteln, für welchen Zeitraum die Drosselklappe maximal geöffnet werden muss, um zeitoptimal die Änderung des Lastzustandes der Brennkraftmaschine zu erreichen. Die Drosselklappe wird dann so angesteuert, dass zu Beginn des Übergangs auf den Zustand mit größerer Last die Drosselklappe für den bestimmten Zeitraum maximal geöffnet wird. Anschließend wird die Drosselklappe auf den Wert eingestellt, der dem benötigten Massenstrom für den neuen Lastzustand im stationären Betrieb entspricht. Die Ansteuerung der Drosselklappe erfolgt dann also durch eine Sprungfunktion. Analog kann bei einer geringer einzustellenden Last der Brennkraftmaschine ermittelt werden, für welchen Zeitraum die Drosselklappe geschlossen werden muss, um zeitoptimal den Zustand mit geringerer Last der Brennkraftmaschine zu erreichen. Es muss dann eine Luftmasse zurückgehalten werden. Die Zeitdauer kann hierbei bestimmt werden, indem der Massenstrom bei der Drosselklappenstellung ermittelt wird, die dem neuen Lastzustand entspricht. Aufgrund der zurückzuhaltenden Luftmasse und dem ermittelten Massenstrom ergibt sich die Zeitdauer, während der die Drosselklappe geschlossen werden muss.

Durch diese Ausgestaltung des Verfahrens wird vorteilhaft eine besonders schnelle Einstellung veränderter Lastzustände erreichbar.

Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 6 wird aufgrund des zeitlichen Verlaufes der Drosselklappenstellung ein zeitlicher Verlauf des Erwartungswertes des sich einstellenden Massenstroms bzw. des sich einstellenden Saugrohrdruckes ermittelt, wobei weiterhin der Istwert des Massenstroms bzw. des Saugrohrdrucks ermittelt wird und wobei bei einer Abweichung des Istwertes von dem zugehörigen Erwartungswert eine Ansteuerung der Drosselklappe im Sinne einer Beseitigung der Abweichung erfolgt.

Dadurch kann vorteilhaft mittels einer Regelung erfasst werden, ob sich aufgrund der Ansteuerung der Drosselklappe der gewünschte zeitliche Verlauf des Saugrohrdrucks bzw. des Massenliefergrades einstellt. Wenn dies nicht der Fall ist, kann die Stellgröße (Einstellung der Drosselklappe) entsprechend geändert werden. Wenn die Drosselklappe bereits maximal angesteuert ist, d. h. entweder ganz geöffnet oder ganz geschlossen ist, kann beispielsweise die Zeitdauer, während der diese maximale Ansteuerung an der Drosselklappe anliegen soll, entsprechend korrigiert werden. Dadurch wird die Einstellgenauigkeit bei einer dynamisch sich schnell einstellenden Änderung des Lastzustandes weiterhin verbessert. Die entsprechenden Größen können entweder unmittelbar gemessen werden oder aufgrund eines Modells anhand anderer Messgrößen abgeleitet werden.

Gemäß Anspruch 7 erfolgt eine Zylinderabschaltung einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine, indem in einem ersten Schritt geprüft wird, ob der berechnete Massenliefergrad für den Betrieb mit reduzierter Zylinderzahl sinnvoll einstellbar ist, wobei in einem weiteren Schritt eine Drosselklappenansteuerung derart erfolgt, dass der Saugrohrdruck dem Massenliefergrad mit reduzierter Zylinderzahl entspricht, wobei während dieses Schritts das Moment an der Kurbelwelle synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten durch einen Eingriff in Stellgrößen eingestellt werden, die den Wirkungsgrad beeinflussen, wobei bei Erreichen des entsprechenden Saugrohrdrucks die Abschaltung der Zylinder erfolgt.

Vorteilhaft kann dadurch eine Umschaltung der momentenerzeugenden Parameter frei von Sprüngen im Moment erfolgen. Bei dem Eingriff in die Zündung bzw. die Kraftstoffmenge kann dieser Eingriff so erfolgen, dass Abgasbestimmungen eingehalten werden. Dabei können beispielsweise einzelne Zylinder unterschiedlich angesteuert werden, um in einem Mischbetrieb bessere Abgaswerte zu erreichen als bei einer gleichförmigen Ansteuerung der Zylinder. Der Momentensprung kann vorteilhaft vermieden werden, indem der Saugrohrdruck, der nur mit einer gewissen Trägheit einstellbar ist, vor der Umschaltung auf den neuen Wert eingestellt wird. Während dieser Einstellung des Saugrohrdrucks auf den neuen Wert kann das Moment durch den Eingriff in die Stellgrößen, die den Wirkungsgrad beeinflussen, wie beispielsweise die Zündung und/oder die Kraftstoffmenge, eingestellt werden, so dass es nicht zu einem unerwünschten Momentensprung kommt, weil der Massenliefergrad sich schon den Verhältnissen angenähert hat, die auf den Zeitpunkt nach der Umschaltung abgestimmt sind, wobei die Brennkraftmaschine noch mit voller Zylinderzahl betrieben wird. Durch den Eingriff in die Stellgrößen, die den Wirkungsgrad beeinflussen, kann synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten mit schnell einstellbaren Stellgrößen mit kurzen Zeitkonstanten flexibel das Moment angepasst werden.

Die Einstellung der Drosselklappe kann dabei vorteilhaft nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6 erfolgen, so dass der Umschaltvorgang wieder verkürzt werden kann durch den sich schneller einstellenden neuen Saugrohrdruck. Vorteilhaft kann auch eine Drehzahlkorrektur entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 3 erfolgen.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 erfolgt eine Zuschaltung abgeschalteter Zylinder, indem eine Drosselklappenansteuerung derart erfolgt, dass der Saugrohrdruck dem Massenliefergrad mit voller Zylinderzahl entspricht, wobei gleichzeitig die Zuschaltung der abgeschalteten Zylinder erfolgt, wobei synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten das Moment an der Kurbelwelle durch einen Eingriff in Stellgrößen eingestellt wird, die den Wirkungsgrad beeinflussen.

Dieses Verfahren entspricht den umgekehrten Verhältnissen, die im Zusammenhang mit Anspruch 7 erläutert wurden. Hier ist der Massenliefergrad vor der Umschaltung auf den Betrieb mit reduzierter Zylinderzahl abgestellt, so dass bei der Umschaltung auf den Betrieb mit voller Zylinderzahl ein überhöhtes Moment entsteht. Dieses Moment kann wiederum synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten reduziert werden, indem ein Eingriff in die Stellgrößen erfolgt, die den Wirkungsgrad beeinflussen, beispielsweise also ein Eingriff in die Zündung und/oder die Kraftstoffmenge, so dass in der Umschaltphase kein Momentensprung auftritt. Diese Umschaltphase dauert bis sich der Saugrohrdruck durch eine entsprechende Einstellung der Drosselklappe auf den Massenliefergrad mit voller Zylinderzahl eingestellt hat.

Gegebenfalls können bei der Wiedereinschaltung abgeschalteter Zylinder noch Massenliefergradabweichungen der abgeschalteten Zylinder aufgrund der fehlenden Gasdynamik im Saugrohr bei der Wiedereinschaltung berücksichtigt werden. Ebenso können Unterschiede im indizierten Hochdruckwirkungsgrad beim Übergang berücksichtigt werden.

Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 9 ist die Brennkraftmaschine ein direkteinspritzender Ottomotor, wobei für eine Umschaltung von der Schichtladung in den Homogenbetrieb und umgekehrt jeweils wenigstens ein Muster in einem Steuergerät abgelegt ist, in dem die in jedem Arbeitsspiel einzustellenden Momente während des Umschaltvorgangs abgelegt sind, und wobei der Umschaltzeitpunkt anhand der einzustellenden Momente des jeweiligen Musters so festgelegt wird, dass die einzustellenden Momente während des Umschaltvorgangs durch zulässige Eingriffe in Stellgrößen einstellbar sind, die den Wirkungsgrad beeinflussen.

Bei einer Umschaltung von einem direkteinspritzenden Ottomotor von der Schichtladung in den Homogenbetrieb und umgekehrt wird bei dem Wechsel des Betriebsmodus unter Berücksichtigung des Verfahrens nach Anspruch 1 in jedem Arbeitsspiel die entsprechende Änderung der Kompressions- und Expansionsarbeit bei der Bestimmung des Eingriffs in die Stellgrößen im Sinne eines konstanten Moments berücksichtigt. Bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 9 wird anhand der vorliegenden Bedingungen und abgelegter Muster für Umschaltvorgänge überprüft, wann der Umschaltpunkt zu wählen ist, damit nur in zulässiger Weise in die Stellgrößen der Brennkraftmaschine eingegriffen wird. Die Zulässigkeit eines Eingriffs in die Stellgrößen der Brennkraftmaschine kann beispielsweise so festgelegt werden, dass ein sicherer Motorbetrieb gewährleistet sein muss. Weiterhin können Eingriffe vermieden werden, die zu unzulässigen Abgaswerten führen. Bei diesem Verfahren wird also in erster Linie ein Momentensprung vermieden. Zusätzlich zur Vermeidung dieses Momentensprungs können bei der Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 9 weitere Kriterien berücksichtigt werden. Die Stellgrößen, die den Wirkungsgrad beeinflussen können beispielsweise wiederum der Zündzeitpunkt und/oder die Kraftstoffmenge sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:

Fig. 1 ein Diagramm des Zylinderdrucks über dem Hubvolumen bei einem 4-Zylinder-Motor als Indikatordiagramm über ein Arbeitsspiel aus den Bestandteilen der jeweiligen Zylinder,

Fig. 2a ein Diagramm des Zylinderdrucks über dem Hubvolumen, aus dem heraus die Ansaugarbeit ermittelbar ist,

Fig. 2b ein Diagramm des Zylinderdrucks über dem Hubvolumen, aus dem heraus die Kompressionsarbeit ermittelbar ist,

Fig. 2c ein Diagramm des Zylinderdrucks über dem Hubvolumen, aus dem heraus die Verbrennungsarbeit ermittelbar ist,

Fig. 2d ein Diagramm des Zylinderdrucks über dem Hubvolumen, aus dem heraus die Ausschiebearbeit ermittelbar ist,

Fig. 3a bis 3d zeigen die entsprechenden Verhältnisse bei einem 8-Zylinder-Motor,

Fig. 4 zeigt die Verhältnisse bei einer Zylinderabschaltung,

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Ermittlung der Ansaugarbeit,

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Ermittlung der Ausschiebearbeit,

Fig. 7 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Einstellung der Drosselklappe und des sich einstellenden Saugrohrdrucks,

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung von Funktionsblöcken zur Erläuterung des Verfahrens,

Fig. 9 eine Darstellung eines Modells zur Berechnung der notwendigen Änderung der Drosselklappenstellung zur Erzielung einer bestimmten Änderung des Saugrohrdruckes,

Fig. 10 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Prinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 11-13 Darstellung der Verhältnisse bei einer Umschaltung eines direkteinspritzenden Ottomotors zwischen dem Schichtladungs- und dem Homogenbetrieb.

Fig. 1 zeigt ein Indikatordiagramm eines 4-Zylindermotors, bei dem für ein Arbeitsspiel die Druckverhältnisse in den jeweiligen Zylindern über dem Hubvolumen aufgetragen sind. In jedem Arbeitsspiel läuft ein komplettes Indikatordiagramm ab. Wie ausgeführt können unter instationären Bedingungen die Anteile der einzelnen Zylinder am Indikatordiagramm aufgrund unterschiedlicher Bedingungen zum Ansaug-, Arbeits- und Ausschiebezeitpunkt differieren. Vorteilhaft wird daher für jedes Arbeitsspiel einzeln die jeweilige Ansaug-, Kompressions-, Verbrennungs- und Ausschiebearbeit ermittelt, um daraus vorteilhaft Stellgrößen abzuleiten für eine zeitnahe Einstellung eines exakten Momentes. Diese Stellgrößen sind die wirkungsgradbeeinflussenden Stellgrößen des Zylinders, der sich gerade im Arbeitstakt befindet. Bei einem direkteinspritzenden Motor oder einem Dieselmotor kann auch die Wärmemenge über die zugeführte Kraftstoffmenge variiert werden. Die Stellgrößen können bei einer zeitnahen Bestimmung so abgeleitet werden, dass durch die Beeinflussung der Stellgrößen im nächsten Arbeitsspiel oder unter Umständen noch im aktuellen Arbeitsspiel eine Anpassung des Momentes möglich ist, so dass schnellstmöglich ein exaktes Moment einstellbar wird.

In der Darstellung der Fig. 1 ist mit dem Index "i" das aktuelle Arbeitsspiel gemeint. Die Inidices (i-1), (i-2), (i-3) betreffen die jeweiligen vorhergehenden Arbeitsspiele. In der Darstellung der Fig. 1 ist von dem Zylinder 4 der Teil der Trajektorie zu sehen, der dem Ansaugtakt entspricht. Am rechten Ende der Trajektorie werden die Einlassventile geschlossen. Aus der Kenntnis der angesaugten Luftmenge beim Schließen der Einlassventile lassen sich dann die jeweiligen Arbeitsanteile in den folgenden Arbeitsspielen bestimmen. Mit der angesaugten Luftmenge liegt insbesondere die Kompressionsarbeit fest, die im folgenden Arbeitsspiel zu bestimmen ist. In dem darauf folgenden Arbeitsspiel kann die Expansionsarbeit noch durch einen Eingriff in die Stellgrößen beeinflusst werden, die sich auf den Wirkungsgrad auswirken. Bei einem direkteinspritzenden Motor oder einem Dieselmotor kann dazu auch die Wärmemenge über die zugeführte Kraftstoffmenge variiert werden. Hier besteht also noch eine Eingriffsmöglichkeit, um ein bestimmtes Moment einzustellen. Die Ausschiebearbeit liegt ebenfalls fest aufgrund der eingefüllten Menge und dem Ablauf des Verbrennungsvorgangs. Das bedeutet also, dass die Information über die in den einzelnen Zylinder eingefüllte Menge beim Schließen der Einlassventile verwendet wird, um nachfolgend die entsprechenden Arbeitsanteile dieses Zylinders in den jeweiligen Arbeitsspielen zu bestimmen.

Diese Bestimmung kann wie nachfolgend erläutert durch ein Modell erfolgen. Ebenso ist aber auch eine Bestimmung mittels Kennlinien bzw. Kennfeldern möglich oder auch durch eine Ladungswechselberechnung.

Fig. 2a zeigt ein Diagramm, in dem die Ansaugarbeit verdeutlicht wird in einem Arbeitsspiel TN(i). Es ist wieder der Druck in dem Zylinder über dem Hubvolumen aufgetragen. Mit patm ist der Atmosphärendruck (Umgebungsdruck) bezeichnet. Der Mitteldruck im Ansaugtakt p_msaug(i) ergibt sich zu:
p_msaug(i) = (p_atm - p_saug(i)) * m + p_msaugrest
Dies wird im einzelnen nochmals im Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert.

Fig. 2b zeigt ein Diagramm, in dem die Kompressionsarbeit verdeutlicht wird. Es ist wieder der Druck in dem Zylinder über dem Hubvolumen aufgetragen. Der Mitteldruck im Kompressionstakt ergibt sich zu

Bei der Gesamtbilanz ist vorteilhaft die genaue Kenntnis der Größe _K nicht erforderlich, weil bei der Verbrennungsarbeit die Kompressionsarbeit mit demselben _K wieder abgezogen bzw. addiert wird. Es handelt sich hier zwar um die Kompressionsarbeit eines anderen Zylinders, es hat sich jedoch gezeigt, dass Ungenauigkeiten bei der Größe _K auf die Differenz dieser Kompressionsarbeiten einen vernachlässigbaren Einfluss haben.

Fig. 2c zeigt ein Diagramm, in dem die Verbrennungsarbeit verdeutlicht wird. Mit dem Index "i" ist das aktuelle Arbeitsspiel bezeichnet. Es ist wieder der Druck in dem Zylinder über dem Hubvolumen aufgetragen. Der Verbrennungsmitteldruck p_mverb(i-2) ergibt sich zu:
p_mverb(i-2) = p_mkomp(i-2) + p_miHD(i-2)

Der mittlere indizierte Hochdruck p_miHD(i-2) aufgrund des Verbrennungsvorgangs lässt sich als Funktion des Massenliefergrades sowie des Zündzeitpunktes auf dem Prüfstand bestimmen. Auf dem Prüfstand ergibt sich die Fläche zwischen der Expansionskurve und der Kompressionskurve. Um die Fläche unter der Expansionskurve zu erhalten, muss die Kompressionsarbeit wieder addiert werden.

Der Verbrennungsmitteldruck p_mverb(i-2) über 180°KW ist in der Fig. 2c mit der Bezugsziffer 201 bezeichnet, der Kompressionsmitteldruck über 180°KW ist in der Fig. 2c mit der Bezugsziffer 202 bezeichnet.

Fig. 2d zeigt ein Diagramm, in dem die Ausschiebearbeit verdeutlicht wird. Es ist wieder der Druck in dem Zylinder über dem Hubvolumen aufgetragen. Der Mitteldruck im Ausschiebetakt p_maus(i-3) ergibt sich zu:
p_maus(i-3) = P_abg * b + p_mausrest

Hierbei ist p_abg der Druck im Abgasrohr, der bezüglich der Ausschiebearbeit als Gegendruck wirkt. Wie im Zusammenhang mit Fig. 6 noch näher erläutert, ergibt sich daraus der Mitteldruck im Ausschiebetakt zu:
p_maus(i-3) = (TL_(i-3))² * d * b + p_mausrest

Die Größe TL bezeichnet dabei den Massenliefergrad, die Größen d und b sind Konstanten.

In der vorstehenden Erläuterung wurden die Anteile der einzelnen Zylinder mittels eines Modells beschrieben, so dass diese Anteile analytisch darstellbar sind.

Wesentlich ist aber weniger die genaue Art der Bestimmung der einzelnen Anteile als vielmehr die arbeitsspiel-synchrone Bestimmung dieser Anteile. Die Anteile können beispielsweise auch mittels Kennfeldern bestimmt werden.

Die Fig. 3a bis 3d zeigen die Verhältnisse bei einem 8- Zylinder-Motor. Hier ist zu beachten, dass ein Arbeitsspiel einer Drehung der Kurbelwelle um 90° entspricht.

In der Fig. 3c ist - vergleichbar zu den Verhältnissen bei der Fig. 2c der Verbrennungsmitteldruck über 180°KW mit der Bezugsziffer 301 bezeichnet und der Kompressionsmitteldruck über 180°KW mit der Bezugsziffer 302. Der Verbrennungsmitteldruck ergibt sich zu:
Verbrennungsmitteldruck = (ATN_(i-4) + ATN_(i-5))/2

Die Größe ATN ist die gemittelte Arbeit über den betrachteten Kurbelwinkel. Bei einem 8-Zylinder-Motor ist die Größe ATN_(i-4) die gemittelte Expansionsarbeit über die ersten 90° Kurbelwinkel für den Zylinder, der sich am beginnenden Arbeitstakt befindet. Die Größe ATN_(i-5) ist die gemittelte Expansionsarbeit über die zweiten 94° Kurbelwinkel für den Zylinder, der sich im zweiten Teil des Arbeitstakts befindet. Die Größe ATN_(i-4)/ATN_(i-5) lässt sich als Funktion der Schwerpunktlage und der Kompressionsarbeit darstellen. Mit der Bezeichnung "ATN" ist jeweils die schraffierte Fläche in der Darstellung der Fig. 3c bezeichnet.

Fig. 4 zeigt den Sonderfall einer Zylinderabschaltung. Hier öffnet das Auslassventil nicht nach einer erfolgten Verbrennung. Mit der Bezugsziffer 401 ist der "inverse" Verbrennungsmitteldruck bezeichnet. Es gilt die Beziehung:
ATN_(i), + ATN_(i+1) = ATN_(i+3) + ATN_(i+2)

Unter der Annahme einer isentropen Verdichtung ist die Kompressionsarbeit bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen gleich der Verbrennungsarbeit unter optimalen Bedingungen.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur näheren Erläuterung der Bestimmung der Ansaugarbeit. Der mittlere Druck im Ansaugtakt lässt sich als Funktion von Δp_saug darstellen. Die entsprechenden Daten können aus der Ladungswechselberechnung entnommen werden. Es gilt beispielsweise unter der Annahme einer konstanten Motordrehzahl:
p_msaug = (p_atm - p_saug) * m + p_msaugrest
Die entsprechenden Größen dieser Gleichung sind in dem Diagramm der Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur näheren Erläuterung der Ausschiebearbeit. Der mittlere Druck im Ausschiebetakt lässt sich als Funktion des Massenliefergrades TL, der Abgastemperatur Tabg, der Motordrehzahl Nmot sowie der Querschnitts A im Abgasstrang darstellen. Unter der Annahme einer konstanten Motordrehzahl gilt:
p_maus = p_abg * d + p_mausrest
p_abg = (TL)² * b
Die Größen d und b sind dabei Konstante.

Die Gesamtgaswechselarbeit lässt sich dann anhand der mittleren Drucke aufgrund der Ansaugarbeit und der Ausschiebearbeit wie folgt darstellen:
p_mLW = ((p_atm - p_saug) * m + p_msaugrest) + ((TL)² * d * b + p_mausrest)

Fig. 7 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Einstellung der Drosselklappe und des sich einstellenden Saugrohrdruckes. Es sind verschiedene zeitliche Verläufe von Drosselklappenstellungen DK dargestellt (701, 703 und 705) Diesen Verläufen zugeordnet sind die zeitlichen Verläufe des sich jeweils einstellenden Saugrohrdrucks p_saug (702, 704 und 706).

Es ist dabei zu sehen, dass bei einem zeitlichen Verlauf der Drosselklappenstellung entsprechend der Kurve 701 der statische Endzustand des Saugrohrdruckes am schnellsten erreicht wird (Kurve 702). Die Zeitdauer T, während der die Drosselklappe maximal geöffnet ist, wird bestimmt wie in der Beschreibungseinleitung erläutert.

Weiterhin ist zu sehen, dass der Endzustand des Saugrohrdrucks bei einer Verstellung der Drosselklappe entsprechend den Kurven 703 und 705 entsprechend langsamer erreicht wird (Kurven 704 und 706).

Bei den in Fig. 8 gezeigten Funktionsblöcken wird in dem Block 801 aufgrund der Anförderung eines geänderten Lastzustandes der Brennkraftmaschine 803 eine geänderte Stellung der Drosselklappe im eingeschwungenen Zustand abgeleitet, um den Lastzustand der Brennkraftmaschine einstellen zu können.

In dem Block 802 wird eine Ansteuerung der Drosselklappe ermittelt, um die Änderung des Lastzustandes möglichst schnell einstellen zu können. Von dieser Einheit 802 wird ein entsprechendes Signal an die Drosselklappe ausgegeben.

An der Brennkraftmaschine 803 befindet sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sensor 804 zur Erfassung des Saugrohrdrucks.

Dieses Signal wird wiederum der Einheit 802 zugeführt, in der neben dem zeitlichen Verlauf der Ansteuerung der Drosselklappe auch ein zeitlicher Verlauf von Erwartungswerten des sich einstellenden Saugrohrdrucks ermittelt wird. Der mit dem Sensor 804 gemessene Saugrohrdruck kann mit dem entsprechenden Erwartungswert verglichen werden, wobei bei einer Abweichung eine entsprechende Änderung der Ansteuerung der Drosselklappe erfolgen kann. Beispielsweise kann die Zeitdauer T der maximalen Ansteuerung der Drosselklappe verlängert oder verkürzt werden.

Fig. 9 zeigt eine Darstellung eines Modells, das im folgenden erläutert werden soll. Es ist ein Saugrohr 901 mit einer Drosselklappe 902 zu sehen. Weiterhin ist ein Zweig einer Abgasrückführung (AGR) zu sehen, in dem wiederum ein Ventil 903 vorgesehen ist. Weiterhin ist ein Zylinder 904 mit einem Einlassventil 905 und einem Auslassventil 906 zu sehen.

Der Saugrohrdruck p_saug lässt sich mittels der idealen Gasgleichung als Summe der Einzelbestandteile der Gase darstellen, die aufgrund verschiedener Effekte im Saugrohr 901 mit dem Saugrohrvolumen V_saug sind:

Daraus ergibt sich unter m_DK als dem Massenanteil, der sich aufgrund der Drosselklappenstellung im Saugrohr 901 befindet, m_AGR als dem Massenanteil, der sich aufgrund der Abgasrückführungsleitung im Saugrohr befindet, m_TE als dem Massenanteil, der auf die Tankentlüftung zurückzuführen ist sowie dem Massenanteil im Zylinder m_Zyl:

Zusammenfassend lässt sich dem entnehmen, dass eine schnelle Saugrohrdruckänderung eine schnelle Änderung des Luftmassenstromes über die Drosselklappe erfordert. Die Systemstellzeiten des Drosselklappenstellers, das Saugrohrvolumen V_saug und die Motordrehzahl sowie das Zylindervolumen mit ihrem Einfluss auf die Größe m_Zyl bestimmen mögliche Saugrohrdruckgradienten.

Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In dem Block 1001 erfolgt eine Momentenkoordination. In dieser Momentenkoordination 1001 werden mehrere Eingangsgrößen 1002, 1003 verarbeitet. Bei diesen Eingangsgrößen kann beispielsweise ein Signal sein, das den Fahrerwunsch für ein bestimmtes Moment repräsentiert. Ebenso kann eine Momentenanforderung bzw. Momentenbegrenzung einer Antriebsschlupfregelung oder einer Fahrdynamikregelung vorliegen. Dieser Momentenbegrenzung wird gegenüber einem Fahrerwunsch nach einem höheren Moment Priorität eingeräumt. Weiterhin werden Momente berücksichtigt, die Aggregate betreffen wie beispielsweise die Leistungsabgabe einer Lichtmaschine oder einer Klimakompressors. Ebenso werden Momente berücksichtigt, die beim Betrieb der Brennkraftmaschine in der Brennkraftmaschine selbst auftreten. Diese Momente sind eingangs im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 6 erläutert worden.

Weiterhin ist ein Block 1005 zu sehen. In diesem Block kann zumindest unter bestimmten Betriebsbedingungen aus einer Abweichung der Istdrehzahl von einer Solldrehzahl eine Korrekturgröße 1006 vorgegeben werden, die zu dem Ausgang der Momentenkoordination 1001 addiert wird. Aus dem Trägheitsmoment bezüglich der Drehbewegung der rotierenden Teile lässt sich durch eine Energiebilanz eine notwendige Änderung des erforderlichen Momentes von dem vorliegenden Moment ermitteln, um diese Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl auszugleichen. Diese Momentenänderung entspricht dem Signal 1006.

Bereits in den Blöcken 1001 sowie 1005 kann aus den entsprechenden Momenten eine von der Kurbelwelle zu erbringende Arbeit (effektive Arbeit an der Kurbelwelle) ermittelt werden. Diese Signale können aber auch als Momente ausgegeben werden. Die Umrechnung in eine von der Kurbelwelle zu erbringende mechanische Arbeit erfolgt dann in dem Block 1007, in dem die Berechnung der Wärmemenge erfolgt.

Die effektive Arbeit an der Kurbelwelle W_e ergibt sich aus der zugeführten Wärmemenge W_b, der Schwungmassenarbeit W_Θ sowie dem effektiven Wirkungsgrad η_e zu:
W_e = W_b * η_e - W_Θ

Ziel ist die geeignete Einstellung der effektiven Arbeit W_e durch einen geeigneten Eingriff in Stellgrößen zur Beeinflussung von W_b und η_e.

W_b kann beispielsweise bestimmt und beeinflusst werden durch die eingespritzte Kraftstoffmenge bei einem Dieselmotor oder einem direkteinspritzenden Ottomotor im Schichtladungsbetrieb oder durch den Massenliefergrad bei einem bekannten Lambdawert bei Ottomotoren.

Der effektive Wirkungsgrad η_e kann beispielsweise durch folgende Faktoren beschrieben werden:
η_e = η_B * η_th * η_HD * η_LW * η_mech
Dabei ist:
η_B: Verbrennungsgrad des Kraftstoffs,
η_th: theoretischer thermodynamischer Hochdruckwirkungsgrad
η_HD: Korrekturfaktor für den realen Hochdruckprozess
η_LW: Ladungswechselwirkungsgrad
η_mech: mechanischer Wirkungsgrad.

Das Signal 1004 repräsentiert ein Optimierungsziel. Dieses Optimierungsziel kann beispielsweise in der Einstellung eines exakten Momentes an der Kurbelwelle bestehen. Ebenso kann als Optimierungsziel auch vorgegeben werden, dass der Zündzeitpunkt für einen gewissen Zeitraum nach "spät" verlegt werden soll, um den Katalysator zu heizen. Im normalen Fahrbetrieb, das heißt der Umsetzung des von Fahrzeugführer vorgegebenen Wunschmomentes ohne Beeinflussung durch ein fahrzeuginternes System kann als Optimierungsziel ein optimaler Wirkungsgrad vorgegeben werden. Das Signal 1004 wird weiterhin einem Motorsteuerungsmodul 1008 zugeführt. Von diesem Motorsteuerungsmodul 1008 werden mehrere Signale an eine Wirkungsgradkoordination 1009 ausgegeben, die wirkungsgradrelevante Motorgrößen repräsentieren.

Von der Wirkungsgradkoordination 1009 werden Stellgrößen 1010, 1011 an den Motor 1012 ausgegeben. Diese Stellgrößen entsprechen einem bestimmten einzustellenden Wirkungsgrad, der für das aktuelle Arbeitsspiel als reist bezeichnet wird. Dieser Wirkungsgrad η_eist wird als Signal 1013 ebenfalls an den Block 1007 ausgegeben. Mittels dieses Wertes sowie der effektiven Arbeit wird dort die Sollwärmemenge W_b ermittelt.

Entsprechend der ermittelten Sollwärmemenge W_b wird entsprechend der Beziehung:
W_b = TL_soll * k
beispielsweise der Massenliefergrad eines herkömmlichen Ottomotors ermittelt.

Wenn als Optimierungsziel eine hohe Momentengenauigkeit vorgegeben wurde, kann anschließend die Istwärmemenge Q_ist erfasst werden. Bei einer Abweichung der Istwärmemenge des einen Arbeitsspiels von der Sollwärmemenge, kann zeitnah ein Eingriff in die Stellgrößen erfolgen, die den Wirkungsgrad beeinflussen. Dazu wird aus der Istwärmemenge Q_ist und der einzustellenden effektiven Arbeit an der Kurbelwelle ein Sollwirkungsgrad η_esoll ermittelt. Aus diesem Sollwirkungsgrad können dann wirkungsgradrelevante Stellgrößen abgeleitet werden, die beispielsweise in die Zündung und/oder die Ventilsteuerung eingreifen, um den Sollwirkungsgrad η_esoll einzustellen. Alternativ zu dieser Beeinflussung des Wirkungsgrades kann bei einem direkteinspritzenden Motor oder einem Dieselmotor auch ein Eingriff über die zugeführte Kraftstoffmenge erfolgen.

Die effektive Arbeit lässt sich durch einen mittleren Druck p_mesoll multipliziert mit dem Hubvolumen V_H darstellen.

Es ergibt sich daraus als Sollwärmemenge

Bei einer Abweichung der Istwärmemenge Q_ist lässt sich der Wirkungsgrad η_esoll, der zeitnah einzustellen ist, wie folgt darstellen:

Weiterhin gilt:

Der mittlere Druck p_mLWist, der sich aufgrund des Ladungswechselwirkungsgrades ergibt, sowie der mittlere Druck p_mmechist, der sich aufgrund des mechanischen Wirkungsgrades ergibt, werden als bekannt voraus gesetzt. Es gilt weiterhin:
Q_ist = TL_ist * k

Durch Einsetzen ergibt sich:

Durch Umformen ergibt sich daraus für den Hochdruckwirkungsgrad:

Daraus lassen sich dann die entsprechenden Stellgrößen der Brennkraftmaschine ableiten, die zeitnah einzustellen sind. Dies bedeutet, dass die Einstellung dieser Stellgrößen im nächsten Arbeitsspiel oder ggf. noch im aktuellen Arbeitsspiel erfolgt.

Die vorstehend erläuterte Berechnung ergibt einen Eingriff in den Zündzeitpunkt des Motors. Es ist beispielsweise auch möglich, Eingriffe in verschiedene Stellgrößen zu koordinieren, wie dies eingangs erläutert wurde. Der Zündzeitpunkt kann sehr schnell verstellt werden. Die Verstellung der Ventilsteuerung ist nur mit einer gewissen Zeitkonstanten möglich. Eine koordinierte Verstellung kann so aussehen, dass eine Verstellung des Zündzeitpunktes vorgenommen wird, um möglichst kurzfristig den Wirkungsgrad beeinflussen zu können. Gleichzeitig wird die Ventilsteuerung variiert. Wegen der Zeitkonstanten wird diese Stellgröße nur verzögert wirksam. In dem Maße, in dem diese Stellgröße wirksam wird, kann dann die Verstellung des Zündzeitpunktes wieder zurückgenommen werden. Dadurch können beispielsweise bestimmte Abgaswerte bzw. Verbrauchswerte optimiert werden. Es ist also eine Aufsplittung in verschiedene wirkungsgradbeeinflussende Faktoren möglich.

Es ist mit dem beschriebenen Verfahren beispielsweise auch möglich, ein "Reservemoment" bereit zu halten, um so kurzzeitig eine Momenterhöhung einstellen zu können.

Dazu wird der Wert der einzustellenden Arbeit erhöht. Als Gleichung drückt sich dies so aus, dass bei der Bestimmung von W_b anstatt des mittleren Druckes p_me ein Druck (p_me+p_meres) vorgegeben wird. Entsprechend wird dann im Beispielsfall eines Ottomotors ein größerer Massenliefergrad eingestellt. Es ergibt sich dann ein Q_ist entsprechend dieser eingestellten Überhöhung.

Bei der Bestimmung von η_esoll hingegen wird lediglich die effektive Arbeit ohne den Überschuss (p_mesoll * V_H) in die Berechnung einbezogen.

Da die Größe Q_ist gegenüber dieser Größe "überhöht" ist, wird der einzustellende Wirkungsgrad η_esoll entsprechend niedriger ermittelt.

Daraus ergibt sich dann ein Eingriff in die Stellgrößen der Brennkraftmaschine, mit denen diese "zu große" Wärmemenge Q_ist hinsichtlich der geleisteten effektiven Arbeit begrenzt wird.

Es ist also möglich, ein "Reservemoment" vorzuhalten, indem die Größe Q_ist entsprechend überhöht eingestellt wird. Durch die schnell ansprechenden Stellgrößen, die den Wirkungsgrad beeinflussen, wie beispielsweise den Zündzeitpunkt, kann dieses Q_ist begrenzt werden, indem der Zündzeitpunkt nach "spät" verstellt wird. Wird dann ein größeres Moment gewünscht, ist die Größe Q_ist bereits auf einem entsprechend größeren Wert, so dass die Änderung schnell eingestellt werden kann, indem dann der Zündzeitpunkt nach vorne verlegt wird. Eventuelle Trägheiten bei der Einstellung eines größeren Q_ist können dadurch vorteilhaft vermieden werden.

Ersichtlich kann ein solches Reservemoment auch bei anderen Typen von Verbrennungsmotoren realisiert werden.

Bei einer Zylinderabschaltung muss bei der Bestimmung der Stellgrößen noch die Zahl der zugeschalteten Zylinder Zylanz berücksichtigt werden sowie die Gesamtzahl der Zylinder Geszyl:

Weiterhin gilt:

Der mittlere Druck p_mLWist, der sich aufgrund des Ladungswechselwirkungsgrades ergibt, sowie der mittlere Druck p_mmechist, der sich aufgrund des mechanischen Wirkungsgrades ergibt, werden als bekannt voraus gesetzt. Es gilt weiterhin:
Q_istZyl - TL_ist * k_Zyl

Durch Einsetzen ergibt sich:

Durch Umformen ergibt sich daraus für den Hochdruckwirkungsgrad:

Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich ebenfalls eine momentenneutrale Umschaltung des Betriebsmodus bei einem direkteinspritzenden Ottomotor erreichen bei einem Wechsel vom Schichtladungsbetrieb in den Homogenbetrieb.

Indem bei jedem Arbeitsspiel das Sollmoment bzw. die an der Kurbelwelle zu erbringende effektive Arbeit berücksichtigt wird, kann eine drehmomentneutrale wie auch abgasoptimierte Umschaltung des Betriebsmodus erfolgen. Bei der Umschaltung des Betriebsmodus hat das konstante Drehmoment, das heißt das Vermeiden von Sprüngen im Drehmoment, oberste Priorität.

Weiterhin kann bezüglich der Stellgrößen, die den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine beeinflussen, die Einstellung dieser Stellgrößen nach weiteren Kriterien vorgenommen werden. So kann beispielsweise festgelegt werden, dass bei einem 4- Zylindermotor zwei Zylinder mit einem Wert λ = 1 mit einem entsprechend späten Zündwinkel laufen und die beiden anderen Zylinder in der Übergangsphase mit einem Wert λ = 1,4 laufen. Dadurch kann zum einen das geforderte Drehmoment eingestellt werden. Weiterhin kann dadurch Abgasbestimmungen Rechnung getragen werden. Ein hinsichtlich des Drehmomentes optimierter Betrieb kann beispielsweise auch gewährleistet sein, wenn alle Zylinder mit einem Wert λ = 1,2 laufen. Dies würde aber eine sehr hohe Abgasspitze bei den NO_x-Werten mit sich bringen. Durch einen entsprechenden Mischbetrieb kann dieser Betriebspunkt hinsichtlich der Einstellung der Stellgrößen umgangen werden.

Es ist dabei ersichtlich, dass diese Kriterien nicht nur bei der Einstellung des direkteinspritzenden Ottomotors bei der Umstellung vom Schichtladungs- in den Homogenbetrieb berücksichtigt werden können. Entsprechende Kriterien können bei dem Verfahren auch unter anderen Bedingungen allgemein eingesetzt werden, um neben der Einstellung des Sollmomentes bzw. der zu erbringenden Arbeit auch andere Kriterien bei der Einstellung der entsprechenden Stellgrößen der Brennkraftmaschine, die den Wirkungsgrad beeinflussen, berücksichtigen zu können. Diese Kriterien können die Einhaltung von Abgasbestimmungen betreffen.

Fig. 11 zeigt eine Simulation der Verhältnisse bei einem direkteinspritzenden Ottomotor bei einer Umschaltung vom Schichtlade- auf den Homogenbetrieb ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Drehmoment jedes Motortakts lässt sich aus den Komponenten Ladungswechsel, Kompression und Expansion berechnen, wie dies auch in Fig. 13 dargestellt ist. Die Berechnung erfolgte unter der Annahme einer konstanten Kraftstoffmasse. Das abgegebene Motormoment steigt beim Umschaltvorgang durch die geringer werdende Kompressionsarbeit zunächst an. Daran anschließend sinkt das Moment durch die geringere Expansion ab. Dies muss durch eine erhöhte Kraftstoffmasse ausgeglichen werden.

Bei der Umschaltung auf den homogenen Betrieb muss beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens das zuviel erzeugte Moment im homogenen Betrieb über die beschriebenen Maßnahmen (Verstellung des Zündzeitpunktes, Veränderung des λ-Wertes) soweit reduziert werden, dass der in Fig. 11 dargestellte Sprung nicht auftritt. In dem gezeigten Beispiel wurde ab dem Motortakt 21 auf homogenen Betrieb umgeschaltet. Die bleibende stationäre Abweichung beruht bei der Simulation aus den geänderten Wirkungsgraden, zwischen Schicht- und Homogenbetrieb, die hier nicht weiter berücksichtigt wurden.

Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann also dieser dargestellte Momentensprung synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten ausgeglichen werden.

In der Darstellung der Fig. 11 stellt die durchgezogene Kurve das indizierte Drehmoment dar, die gestrichelte Kurve den indizierten Mitteldruck p_mi. In der Horizontalen ist der Arbeitstakt dargestellt. In der Vertikalen bedeutet die Achsenbeschriftung auf der rechten Seite die Werte des indizierten Drehmomentes in Nm, die Achsenbeschriftung auf der linken Seite bedeutet den indizierten Mitteldruck p_mi in bar. Die Simulation erfolgte bei einer konstanten Motordrehzahl von 2000 U/min sowie einem Hubvolumen V_H von 1,41.

Fig. 12 zeigt die Verhältnisse bei der Umschaltung vom homogenen Betrieb in den Schichtladungsbetrieb. Die Achsenbeschriftungen sowie die Randbedingungen der Simulation sind dabei dieselben, die im Zusammenhang mit Fig. 11 bereits erläutert wurden. Das Moment bleibt im Homogenbetrieb zunächst gleich, da die Expansionsarbeit erst dann zunehmen kann, wenn in dem entsprechenden Zylinder die erhöhte Füllung zum Verbrennen kommt. Bei der Ansteuerung der Drosselklappe zur Einstellung des Schichtladungsbetriebs kommt es zu einer kurzzeitigen Überhöhung des Kurbelwellenmomentes (Arbeitsspiel 4) aufgrund der Absenkung der Ladungswechselarbeit des sich im Ansaugtakt befindlichen Zylinders. Diese Momentenüberhöhung kann durch einen Eingriff in entsprechende Stellgrößen ausgeglichen werden. Hier wurde ein relativ früher Zeitpunkt der Umschaltung gewählt, da ein Motortakt später das Expansionsmoment extrem stark ansteigt, so dass dies mit einem Eingriff in den Zündzeitpunkt allein nicht mehr zu korrigieren gewesen wäre.

Die erste Verbrennung im Schichtbetrieb bringt wegen der erhöhten Kompressionsarbeit und geringerer Expansionsarbeit zunächst einen Drehmomenteinbruch. Dieser Drehmomenteinbruch kann durch Erhöhen der Kraftstoffmasse oder - wenn dies nicht möglich ist - durch das Umschalten einen Takt später sowie eine entsprechende Wahl des Brennverfahrens für einzelne Zylinder ausgeglichen werden. Beispielsweise kann zunächst ein Zylinder auf den Wert λ = 1,4 eingestellt werden, der aber weiterhin homogen betrieben wird, um das abgegebene Moment konstant zu halten.

Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann also auch bei diesem Umschaltvorgang der Momentensprung durch die Regelung ausgeglichen werden, die synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten erfolgt.

Fig. 13 zeigt einen Umschaltvorgang. Für jeden Arbeitstakt kann das erforderliche indizierte Drehmoment bestimmt werden, da Ladungswechsel- und Kompressionsarbeit fest stehen.

Das indizierte Drehmoment ist auf der vertikalen eingetragen. In der Horizontalen sind die Arbeitstakte dargestellt. Mit der Ziffer 1 ist der Zylinder 1 bezeichnet, mit der Ziffer 2 der Zylinder 2, mit der Ziffer 3 der Zylinder 3 und mit der Ziffer 4 der Zylinder 4. Das resultierende Moment ist als indizierter Mitteldruck jeweils mit der Ziffer 5 bezeichnet.

Dieses Umschaltmuster kann in einem Steuergerät abgelegt werden. Vorteilhaft lässt sich daraus vorab ersehen, welche Momente eingestellt werden müssen, so dass aus den momentanen Verhältnissen abgeleitet werden kann, welche Eingriffe in die Stellgrößen erforderlich sind. Hinsichtlich der Zulässigkeit von Eingriffen in die Stellgrößen beispielsweise unter dem Gesichtspunkt der Abgase kann daraus ein optimierter Umschaltpunkt vorgegeben werden, der so wählbar ist, dass nur Stellgrößeneingriffe erforderlich sind, die entsprechend zulässig sind.

Claims

1. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine (1012) über Eingriffe in wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine (1012), wobei ein Sollmoment bzw. eine zu erbringende Arbeit an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (1012) bestimmt wird (1001),
dadurch gekennzeichnet,
dass zu einer ersten Größe als einer zu erbringenden Arbeit bzw. einem zu erbringenden Sollmoment (1001) unter Berücksichtigung des momentan vorliegenden Istwirkungsgrades (1013) eine entsprechende Sollwärmemenge bestimmt wird (1007), zu der wenigstens eine zugehörige Stellgröße entsprechend dem Wert der Sollwärmemenge eingestellt wird,
dass weiterhin die Istwärmemenge erfasst wird, wobei ein Sollwirkungsgrad ermittelt wird aus der Istwärmemenge unter Berücksichtigung einer zu erbringenden Arbeit bzw. einem zu erbringenden Sollmoment, wobei dies der ersten Größe entsprechen kann oder einer anderen Größe, die als ein Sollmoment bzw. eine zu erbringenden Arbeit an der Kurbelwelle gebildet wird (1007), und
dass zeitnah wenigstens eine Stellgröße der Brennkraftmaschine entsprechend einer Einstellung des ermittelten Sollwirkungsgrades eingestellt wird (1009, 1010, 1011).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der an der Kurbelwelle zu erbringenden Arbeit im jeweiligen Arbeitsspiel die Ansaugarbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Ansaugtakt befindlichen Zylinders, die Kompressionsarbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Verdichtungstakt befindlichen Zylinders, die Verbrennungsarbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Verbrennungstakt befindlichen Zylinders sowie die Ausschiebearbeit des im jeweiligen Arbeitsspiel im Ausschiebetakt befindlichen Zylinders berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Drehzahlabweichung der Kurbelwelle von einer Solldrehzahl eine Regelabweichung des indizierten Momentes an der Kurbelwelle abgeleitet wird, wobei diese Regelabweichung bei der Bestimmung des Sollmomentes bzw. der an der Kurbelwelle zu erbringenden Arbeit berücksichtigt wird (1005, 1006).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer notwendigen Änderung des Saugrohrdrucks im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (803) die Änderung der Stellung der Drosselklappe um einen solchen Betrag und für eine solche Zeitdauer überhöht wird (701, 703), dass die Überhöhung der Stellung der Drosselklappe zumindest in etwa der Luftmasse entspricht, die benötigt wird, um die Brennkraftmaschine (803) auf den neuen Lastzustand einzustellen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer notwendigen Änderung des Saugrohrdrucks im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine (803) ein zeitlicher Verlauf der Drosselklappenstellung derart bestimmt wird (701), dass aufgrund des zeitlichen Verlaufes (701) des sich infolge der Drosselklappenstellung einstellenden Massenstromes der neue Saugrohrdruck zeitoptimiert eingestellt wird (702).

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des zeitlichen Verlaufes (701, 703) der Drosselklappenstellung ein zeitlicher Verlauf (702, 704) des Erwartungswertes des sich einstellenden Massenstroms bzw. des sich einstellenden Saugrohrdruckes ermittelt wird, dass der Istwert des Massenstroms bzw. des Saugrohrdrucks ermittelt wird (804) und dass bei einer Abweichung des Istwertes von dem zugehörigen Erwartungswert eine Ansteuerung der Drosselklappe im Sinne einer Beseitigung der Abweichung erfolgt (802, 803).

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Zylinderabschaltung einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt, indem in einem ersten Schritt geprüft wird, ob der berechnete Massenliefergrad für den Betrieb mit reduzierter Zylinderzahl sinnvoll einstellbar ist,
dass in einem weiteren Schritt eine Drosselklappenansteuerung derart erfolgt, dass der Saugrohrdruck dem Massenliefergrad mit reduzierter Zylinderzahl entspricht, wobei während dieses Schritts das Moment an der Kurbelwelle synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten durch einen Eingriff in Stellgrößen eingestellt wird (1009, 1010, 1011), die den Wirkungsgrad beeinflussen, wobei bei Erreichen des entsprechenden Saugrohrdrucks die Abschaltung der Zylinder erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuschaltung abgeschalteter Zylinder erfolgt, indem eine Drosselklappenansteuerung derart erfolgt, dass der Saugrohrdruck dem Massenliefergrad mit voller Zylinderzahl entspricht, wobei gleichzeitig die Zuschaltung der abgeschalteten Zylinder erfolgt, wobei synchronisiert von einem Arbeitsspiel zum nächsten das Moment an der Kurbelwelle durch einen Eingriff in Stellgrößen eingestellt wird (1009, 1010, 1011), die den Wirkungsgrad beeinflussen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein direkteinspritzender Ottomotor ist, wobei für eine Umschaltung von der Schichtladung in den Homogenbetrieb und umgekehrt jeweils wenigstens ein Muster in einem Steuergerät abgelegt ist, in dem die in jedem Arbeitsspiel einzustellenden Momente während des Umschaltvorgangs abgelegt sind, und wobei der Umschaltzeitpunkt anhand der einzustellenden Momente des jeweiligen Musters so festgelegt wird, dass die einzustellenden Momente während des Umschaltvorgangs durch zulässige Eingriffe in Stellgrößen einstellbar sind, die den Wirkungsgrad beeinflussen.