DE102011106544A1 - Method for controlling auto-ignition in e.g. Otto engine used in motor vehicle, involves executing evaluation of combustion in one previous cycle according to setting of operating parameter for cylinder of combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Selbstzündung bei einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Umschaltung zwischen konventionellem Motorbetrieb und einer kontrollierten Selbstzündung.The present invention relates to a method for controlled self-ignition in an internal combustion engine and an internal combustion engine with a switchover between conventional engine operation and a controlled auto-ignition.
Die Einspritzung und die Restgasrate stellen geeignete Einflussgrößen zur Regelung einer ottomotorischen Selbstzündung, abgekürzt auch CAI aus dem Englischen für Controlled Auto Ignition, dar. Dieses findet sich auch in einer Analyse angemeldeter Patente wieder. Eine Vielzahl dieser Druckschriften behandelt die Kontrolle der Restgasrate, einen hierfür nötigen variablen Ventiltrieb sowie Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung oder der damit verbundenen Ladungsschichtung.The injection and the residual gas rate are suitable influencing factors for the regulation of an Otto engine self-ignition, abbreviated also CAI from English for Controlled Auto Ignition. This is also reflected in an analysis of pending patents again. A large number of these publications treat the control of the residual gas rate, a variable valve train required for this purpose and methods for controlling the fuel injection or the associated charge stratification.
Die aus Druckschriften entnehmbaren Forschungsaktivitäten können in zwei Gebiete aufgeteilt werden:The research activities that can be found in pamphlets can be divided into two areas:
a) Untersuchung langsamer, quasistationärer Effekte:a) Investigation of slow, quasi-stationary effects:
- – Bestimmung von optimalen Stellgrößen in Abhängigkeit von äußeren, langsam veränderlichen Randbedingungen wie Drehzahl, Saugrohrdruck, Kraftstoffeigenschaften, Bauteil- und Lufttemperaturen.- Determination of optimal manipulated variables as a function of external, slowly changing boundary conditions such as speed, intake manifold pressure, fuel properties, component and air temperatures.
- – Diese Stellgrößen sind stationär oder ändern sich vergleichsweise langsam mit Zeitkonstanten >> 1 Zyklus. Die entsprechenden Arbeiten werden meist an stationären Motorprüfständen durchgeführt.- These manipulated variables are stationary or change comparatively slowly with time constants >> 1 cycle. The corresponding work is usually carried out on stationary engine test benches.
- – Zur Stabilisierung werden closed-loop-Regler verwendet, welche jedoch bewusst große Zeitkonstanten haben, um die Systemanregung zu minimieren.- For stabilization, closed-loop controls are used, but they deliberately have large time constants to minimize system excitation.
- – Diese Forschungsaktivitäten sind sehr weit fortgeschritten, die Einflüsse der einzelnen Stellgrößen im Stationärfall sind von zahlreichen Autoren ausführlich beschrieben worden.- These research activities are very advanced, the influences of the individual manipulated variables in the stationary case have been described in detail by numerous authors.
b) Untersuchungen der für CAI charakteristischen hochdynamischen Effekte.b) Investigations of the highly dynamic effects characteristic of CAI.
- – Aktuelle Forschungsschwerpunkte liegen auf hochdynamischen Effekten, welche von Zyklus zu Zyklus auftreten.- Current research focuses on highly dynamic effects that occur from cycle to cycle.
- – Hierunter fallen Zyklus-zu-Zyklus-Abhängigkeiten, welche von einigen Autoren grundsätzlich beschrieben wurden.- This includes cycle-to-cycle dependencies, which were basically described by some authors.
- – Hierzu gibt es bislang nur Grundlagenuntersuchungen, die Zusammenhänge werden qualitativ dargestellt.- So far, there are only basic research, the relationships are presented qualitatively.
- – Die hochdynamischen Zyklus-zu-Zyklus Effekte stellen den Hauptgrund dar, warum das Brennverfahren von vielen Autoren als schwer kontrollierbar beschrieben wird.- The highly dynamic cycle-to-cycle effects are the main reason why the firing process is described as difficult to control by many authors.
Eine Auswahl verschiedener Forschungsrichtungen wird mit den folgenden Druckschriften angegeben:
Die Vorzüge der kontrollierten Selbstzündung, CAI, bezüglich eines hohen Wirkungsgrades und niedriger Emissionen konnten in zahlreichen Laborversuchen nachgewiesen werden. Als problematisch hat sich jedoch die Kontrollierbarkeit des Brennverfahrens bei wechselnden Randbedingungen herausgestellt. Je nach Betriebsbedingungen können instabile Systemzustände auftreten, welche zu ungewolltem akustischen Verhalten, dem Verlöschen der Verbrennung oder sogar zur Beschädigung des Motors führen können.The benefits of controlled auto-ignition, CAI, for high efficiency and low emissions have been demonstrated in numerous laboratory tests. However, the controllability of the combustion process with changing boundary conditions has proved problematic. Depending on the operating conditions, unstable system conditions may occur which lead to unwanted acoustic behavior, the extinguishing of the Burn or even damage the engine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die an Prüfständen nachgewiesenen Vorzüge zuverlässig im Fahrzeug anzuwenden.The object of the present invention is therefore to reliably apply the advantages demonstrated on test benches in the vehicle.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen wie auch in der nachfolgenden Beschreibung angegeben. Einzelne Merkmale aus den Unteransprüchen, der Beschreibung wie auch den Figuren können mit anderen Merkmalen aus anderen Ausgestaltungen zu Weiterbildungen verknüpft werden, ohne dass diese abschließend aufgezählt sind.This object is achieved with a method having the features of
Es wird ein Verfahren zur kontrollierten Selbstzündung bei einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, bei dem eine Verbrennung in einem Betriebsbereich durch ein Verfahren einer Raumzündung erfolgt, wobei eine Auswertung der Verbrennung zumindest eines früheren Zyklus ausgeführt wird, um daraus zumindest eine Einstellung für zumindest einen Betriebsparameter eines kommenden, vorzugsweise aktuell anstehenden Verbrennungstaktes zu gewinnen.A method is proposed for controlled self-ignition in an internal combustion engine in which combustion takes place in an operating region by a method of a space ignition, wherein an evaluation of the combustion of at least one previous cycle is carried out in order to derive at least one setting for at least one operating parameter of a coming, preferably to win currently pending combustion cycle.
Die Raumzündung ermöglicht eine Zündung eines Verbrennungsgemisches vorzugsweise durch Kompressionswärme. Insbesondere ist das vorgeschlagene Verfahren bei CAI- und HCCI-Brennverfahren einsetzbar. HCCI ist die englische Abkürzung von Homogeneous Charge Compression Ignition, also einer homogenen Kompressionszündung. Neben der Nutzung an einem Ottomotor oder an einem Dieselmotor kann das vorgeschlagene Verfahren auch bei einem Miller- oder Atkinson-Verfahren angewendet werden.The space ignition allows ignition of a combustion mixture, preferably by compression heat. In particular, the proposed method can be used in CAI and HCCI combustion processes. HCCI is the English abbreviation for Homogeneous Charge Compression Ignition, ie homogeneous compression ignition. In addition to use on a gasoline engine or on a diesel engine, the proposed method can also be used in a Miller or Atkinson method.
Der Verbrennungszeitpunkt kann bei konventionellen Ottomotoren über den Zündfunken und bei Dieselmotoren über die Einspritzung direkt beeinflusst werden. Bei CAI und HCCI fehlt diese direkte Einflussmöglichkeit, stattdessen ergibt sich die Verbrennungsschwerpunktlage indirekt aus der Zündverzugszeit, welche wiederum von zahlreichen Randbedingungen wie der Gemischzusammensetzung, Kraftstoffeigenschaften, sowie vom Druck und der Temperatur im Brennraum abhängt. Um die kontrollierte Selbstzündung im transienten Fahrzeugeinsatz sicher darzustellen, wird unter anderem die Verbrennungsschwerpunktlage durch das vorgeschlagene Verfahren genau kontrolliert. Die Beeinflussung der Verbrennungskenngrößen wie der Schwerpunktlage wird hierbei indirekt über die genannten Größen Einspritzung und Restgasrate bevorzugt ausgeführt. Das vorgeschlagene Verfahren baut insbesondere darauf auf, dass zumindest ein Vorgängerzyklus soweit ausgewertet wird, dass dessen Auswirkungen auf einen nachfolgenden Zyklus damit erfasst werden. Da bei der kontrollierten Selbstzündung das Gemisch einen signifikanten Anteil des Restgas des vorherigen Zyklus enthält und dessen Eigenschaften die Zündverzugszeit beeinflussen, ermöglicht eine Analyse des vorherigen Zyklus eine verbesserte und insbesondere sichere kontrollierte Selbstzündung. Neben der Analyse der vorherigen Zyklen werden aber auch weitere Randbedingungen mit herangezogen. Dieses betreffen insbesondere die Drehzahl, Bauteil- und Gastemperaturen aber auch andere Randbedingungen, welche einen Einfluss auf den motorischen Prozess ausüben.The combustion time can be directly influenced by the ignition spark in conventional gasoline engines and by the injection in the case of diesel engines. For CAI and HCCI this direct influence possibility is missing, instead the combustion center of gravity results indirectly from the ignition delay time, which in turn depends on numerous boundary conditions such as mixture composition, fuel properties, pressure and temperature in the combustion chamber. Among other things, the combustion focus position is precisely controlled by the proposed method in order to reliably represent the controlled auto-ignition in transient vehicle use. The influencing of the combustion characteristics such as the center of gravity is hereby preferably carried out indirectly via the aforementioned variables injection and residual gas rate. In particular, the proposed method is based on the fact that at least one predecessor cycle is evaluated to such an extent that its effects on a subsequent cycle are thereby captured. Since in controlled auto-ignition the mixture contains a significant portion of the residual gas of the previous cycle and its properties affect the ignition delay time, an analysis of the previous cycle enables improved and in particular safe controlled auto-ignition. In addition to the analysis of the previous cycles but also other boundary conditions are used. This concern in particular the speed, component and gas temperatures but also other boundary conditions, which exert an influence on the motor process.
Bevorzugt ist es, dass eine Auswertung für jeden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einzeln erfolgt und für jeden Zylinder individuell eine Einstellung für zumindest einen kommenden Verbrennungstakt vorgenommen wird. Die individuelle zylinderangepasste Auswertung erlaubt es, bestehende Schwankungen jedes einzelnen Zylinders ausgleichen zu können. Insbesondere ist eine abgelaufene Verbrennung nicht in jedem Zylinder zueinander identisch, sondern variiert. Durch die individuelle Auswertung ist sichergestellt, dass keine Unterdrückung von Schwankungen durch Mittelwertbildungen erfolgt, sondern dass die Möglichkeit gegeben ist, bei auftretender Schwankung gezielt sofort reagieren zu können.It is preferred that an evaluation for each cylinder of the internal combustion engine takes place individually and for each cylinder an adjustment for at least one combustion cycle is made. The individual cylinder-adapted evaluation makes it possible to compensate for existing fluctuations of each individual cylinder. In particular, an expired combustion is not identical to each other in each cylinder, but varies. The individual evaluation ensures that there is no suppression of fluctuations due to averaging, but that the possibility exists of being able to react immediately in a targeted manner when fluctuations occur.
Bevorzugt ist es, wenn das Verfahren kaskadierend ausgeführt wird zur Vorhersage von mehreren zukünftigen Zyklen. Insbesondere kann auf diese Weise auch nicht nur eine einzelne abgeschlossene Verbrennungsaktivität eines früheren Zyklus, sondern auch mehrere Vorgängerzyklen betrachtet werden. Dieses erlaubt unter anderem, eine Trendbildung feststellen zu können. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch die Vorhersage von mehreren zukünftigen Zyklen den Horizont einer modellprädiktiven Optimierung zu erweitern. Auf diese Weise können mehrere zukünftige Zyklen in die Optimierung mit einbezogen werden.It is preferable if the method is performed cascading to predict several future cycles. In particular, not only a single completed combustion activity of an earlier cycle, but also several predecessor cycles can be considered in this way. This allows, among other things, to determine a trend formation. Furthermore, there is the possibility to extend the horizon of a model-predictive optimization by the prediction of several future cycles. In this way, several future cycles can be included in the optimization.
Vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren in Echtzeit ausgeführt wird. Dieses erlaubt, insbesondere erwartete Ausreißer zu verhindern, die durch beispielsweise unvollständige Verbrennungen oder sonstige Störungen in einem Zylinder während eines Vorgängerzyklus verursacht werden können. Werden diese nicht vermieden, können dadurch Bauteilschädigungen auftreten. Die vorgeschlagene Echtzeitberechnung erlaubt es, eine sofortige Anpassung der anstehenden Einspritzung vorzunehmen und damit Unregelmäßigkeiten der Verbrennung zu verhindern. Echtzeit sieht hierbei beispielsweise vor, dass innerhalb definierter Zeitkriterien die Berechnung abgeschlossen ist. Beispielsweise können die Berechnungen innerhalb von einem Zeitabschnitt abgeschlossen sein, der sich auf Grad Kurbelwelle, abgekürzt °KW und damit die Umdrehungsgeschwindigkeit bezieht. So kann abhängig von der Kurbelwellendrehzahl und damit dem Last- bzw. Transientenfall der definierte Zeitraum für die Optimierung sich ändern. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein fest vorgegebener Zeitabschnitt vorgegeben ist, der für alle Lastfälle ausreichend ist. Beispielweise kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Echtzeit-Berechnung innerhalb von höchstens 30°KW abgeschlossen wird. Eine weitere Ausgestaltung sieht ein Zeitfenster von maximal 10 Millisekunden für die Berechungen vor.It is advantageous if the method is carried out in real time. This allows to prevent in particular expected outliers which may be caused by, for example, incomplete burns or other disturbances in a cylinder during a predecessor cycle. If these are not avoided, component damage may occur. The proposed real-time calculation makes it possible to carry out an immediate adaptation of the pending injection and thus to prevent irregularities in the combustion. Real-time, for example, provides that the calculation is completed within defined time criteria. For example, the Calculations within a period of time to be completed, which refers to crankshaft degree, abbreviated ° CA and thus the rotational speed. Thus, depending on the crankshaft speed and thus the load or transient case, the defined period for the optimization to change. A further embodiment provides that a fixed predetermined period of time is predetermined, which is sufficient for all load cases. For example, in one embodiment it can be provided that the real-time calculation is completed within a maximum of 30 ° CA. Another embodiment provides a time window of a maximum of 10 milliseconds for the calculations.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, unter Berücksichtigung von einer oder mehreren Randbedingungen eine oder mehrere Kenngrößen des kommenden Zyklus zu ermitteln, wobei die Vorhersage mehrere Kenngrößen aus einem oder mehreren früheren Zyklen berücksichtigt in Echtzeit eine Optimierung von ein oder mehreren Stellgrößen durch Variationen derselben mittels vorzugsweise einer Kostenfunktion. Die Vorhersage der Kenngrößen kann mittels physikalischer Berechnung, künstlicher neuronaler Netze oder Kennfeldern erfolgenA further development of the method provides, taking into account one or more boundary conditions, to determine one or more parameters of the coming cycle, wherein the prediction takes into account a plurality of characteristics from one or more earlier cycles, optimizing one or more manipulated variables by varying them in real time by means of preferably a cost function. The prediction of the parameters can be done by means of physical calculation, artificial neural networks or maps
Die Vorhersage kann eine oder mehrere Randbedingungen wie:
- – Drehzahl
- – Kühlwassertemperatur
- – Öltemperatur
- – Temperatur der angesaugten Luft
- – Kraftstoffqualität und Kraftstofftemperatur Berücksichtigen.
- - Rotation speed
- - Cooling water temperature
- - oil temperature
- - Temperature of the intake air
- - Consider fuel quality and fuel temperature.
Die bei der Vorhersage zu berücksichtigenden Kenngrößen eines oder mehrerer vorheriger Zyklen sind beispielsweise gemäß einer Ausgestaltung die Last und die Schwerpunktlage der vorherigen Verbrennung. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Gastemperatur und die Gemischzusammensetzung nach Abschluss der vorherigen Verbrennung verwendet werden. Auch können beispielsweise diese vier Kenngrößen zusammen gewählt werden. Weitere Kenngrößen, die aus der Vergangenheit werden können, sind beispielsweise
- – Der Zylinderdruckverlauf und dessen Historie
- – Aus dem Druckverlauf generierte Kenngrößen
- – Die eingespritzte Kraftstoffmenge
- – Schwerpunktlage
- – Temperatur der Zylinderladung
- – Homogenität der Zylinderladung
- – Ladungsbewegung der Zylinderladung
- – Akustische Signale, beispielsweise eines Klopfsensors
- – Signale eines Ionenstromsensors
- – Eine Analyse der Drehungleichförmigkeit oder daraus generierte Kenngrößen
- - The cylinder pressure history and its history
- - Characteristics generated from the pressure profile
- - The injected fuel quantity
- - center of gravity
- - Temperature of the cylinder charge
- - Homogeneity of the cylinder charge
- - Charge movement of the cylinder charge
- - Acoustic signals, such as a knock sensor
- - Signals of an ion current sensor
- - An analysis of the rotational irregularity or parameters generated from it
Durch die Vorhersage von Kenngrößen eines oder mehrerer zukünftiger Zyklen basierend auf Randbedingungen und Kenngrößen vergangener Verbrennungszyklen kann in Echtzeit eine Optimierung von einer oder mehreren Stellgrößen durch Variationen derselben mittels vorzugsweise einer Kostenfunktion erfolgen. Diese Echtzeitoptimierung wird vorzugsweise für jeden Zylinder einzeln ausgeführt. Die Optimierung sieht hierbei vor, dass bevorzugt mehrere Stellgrößen innerhalb der zur Verfügung stehenden Berechnungszeit variiert werden und für jede Stellgrößenkombination gemäß der gewählten Modellierung eine Vorhersage der resultierenden Verbrennungskenngrößen für einen oder mehrere Verbrennungszyklen erfolgt. Durch Auswahl einer geeigneten Kostenfunktion oder einer sonstigen Berechnungsweise besteht die Möglichkeit, die prognostizierte Verbrennung zu bewerten und somit ein Optimum der Stellgrößen festzustellen. Hierfür kann beispielsweise bei Nutzung einer entsprechenden Kostenfunktion innerhalb dieser eine Gewichtung vorgesehen sein, die den einzelnen Randbedingungen Rechnung trägt. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Randbedingungen Festgrenzen vorgeben, innerhalb der die Stellgrößen variiert werden können. Durch die Optimierung der Stellgrößen von Zyklus zu Zyklus können vorgegebene Verbrennungszielwerte sehr genau erreicht werden.By predicting characteristics of one or more future cycles based on constraints and characteristics of past combustion cycles, one or more manipulated variables can be optimized in real time by varying them by means of preferably a cost function. This real-time optimization is preferably carried out individually for each cylinder. The optimization in this case provides that preferably a plurality of manipulated variables are varied within the available calculation time and for each manipulated variable combination according to the selected modeling, a prediction of the resulting combustion parameters for one or more combustion cycles takes place. By selecting a suitable cost function or another method of calculation, it is possible to evaluate the predicted combustion and thus determine an optimum of the manipulated variables. For this purpose, for example, when using a corresponding cost function within this weighting can be provided, which takes into account the individual boundary conditions. There is also the possibility that the boundary conditions specify fixed limits within which the manipulated variables can be varied. By optimizing the manipulated variables from cycle to cycle, predefined combustion target values can be achieved very precisely.
Wird das vorgeschlagene Verfahren beispielsweise mit einem eines Sprung der Ziellast angeregt, wird automatisch zur Vermeidung einer Anregung der kontrollierten Selbstzündung ein Übergangszyklus bestimmt, so dass erst in einem, nach dem aktuellen Zyklus später folgenden Zyklus, vorzugsweise einem zweiten Zyklus, ermittelte optimierte Stellgrößen verwendet werden, davor jedoch daran angelehnte, nahe kommende Stellgrößen. Dieser Übergangszyklus wird nicht durch Expertenwissen oder Systemkenntnis bestimmt, sondern ist Ergebnis der automatischen Optimierung. Dieser Übergangszyklus erlaubt, dass bei einem Lastsprunges nicht sofort zu den stationären Stellgrößen gesprungen wird. Dieses Springen der Stellgrößen birgt die Gefahr einer Anregung des Systems und damit ein Aufschaukeln. Bei einem Lastsprung zu hoher Last wird eine Verbrennung mit Restgas des deutlich kälteren Vorgängerzyklus gezündet. Da sich die Vorbedingungen deutlich von dem Stationärzustand bei hoher Last unterscheiden, müssen die Stellgrößen entsprechend angepasst werden, was durch das vorgeschlagene Verfahren vollautomatisch realisiert wird.If the proposed method is stimulated, for example, with a jump of the target load, a transition cycle is automatically determined to avoid stimulation of the controlled auto-ignition, so that optimized control values determined only in a cycle following the current cycle later, preferably a second cycle, are used , before that, however, based on it, close to coming manipulated variables. This transitional cycle is not determined by expert knowledge or system knowledge, but is the result of automatic optimization. This transition cycle allows jumps to the stationary manipulated variables immediately in the event of a load jump. This jumping of the control variables involves the risk of excitation of the system and thus a rocking. In case of a load jump to high load combustion with residual gas of the much colder predecessor cycle is ignited. Since the preconditions clearly differ from the stationary state under high load, the manipulated variables must be adapted accordingly, which is realized fully automatically by the proposed method.
Des Weiteren wird gemäß einem zusätzlichen Gedanken ein Verfahren zur kontrollierten Selbstzündung bei einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit dort vorgesehener Homogenisierung vorgeschlagen, wobei eine Auswertung einer Verbrennung in einem früheren Zyklus erfolgt, um daraus zumindest eine Einstellung für zumindest einen kommenden, vorzugsweise aktuell anstehenden Verbrennungstakt zu gewinnen. Hierbei kann insbesondere eine dieselmotorische Verbrennung, die abgekürzt unter der Bezeichnung HCCI bekannt ist, verbessert werden. Dabei kann das Verfahren auf diejenigen oben beschriebenen Merkmal zurückgreifen, die auch bei der fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine genutzt werden. Gleiches gilt für Merkmale, die noch im Zusammenhang mit der kontrollierten Selbstzündung der fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschine nachfolgend noch dargelegt und anhand der einzelnen Figuren später näher erläutert werden. Gleiches gilt auch für die nachfolgend näher beschriebene, vorgeschlagene Verbrennungskraftmaschine.Furthermore, according to an additional idea, a method is proposed for controlled self-ignition in a self-igniting internal combustion engine with homogenization provided there, wherein an evaluation of combustion takes place in an earlier cycle in order to derive at least one setting for at least to win an upcoming, preferably currently pending combustion cycle. Here, in particular, a diesel engine combustion, which is abbreviated under the name HCCI known, can be improved. In this case, the method can resort to those features described above, which are also used in the spark-ignited internal combustion engine. The same applies to features that are still set out below in connection with the controlled auto-ignition of the spark-ignited internal combustion engine and explained in more detail below with reference to the individual figures. The same also applies to the proposed in detail below, proposed internal combustion engine.
Des Weiteren wird eine Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern vorgeschlagen, wobei jeder Zylinder zumindest eine Zündeinrichtung, eine Einspritzvorrichtung und ein Sensor zugeordnet ist und eine Umschaltung zwischen einer Zündung mittels der Zündeinrichtung und einer kontrollierten Selbstzündung je Zylinder vorgesehen ist, wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Motorsteuergerät aufweist, und die Verbrennungskraftmaschine mit einer Echtzeitoptimierung einer kommenden Betätigung zumindest jeder Einspritzvorrichtung auf Basis einer Auswertung eines erfolgten Verbrennungstaktes ausgestattet ist. Bevorzugt ist das oben beschriebene Verfahren hierbei im Motorsteuergerät implementiert. Die benötigten Rechenoperationen können hierbei von dem Mikroprozessor realisiert werden.Furthermore, an internal combustion engine having a plurality of cylinders is proposed, wherein each cylinder is assigned at least one ignition device, an injection device and a sensor and a switchover is provided by an ignition means of the ignition device and a controlled auto-ignition per cylinder, the internal combustion engine having an engine control unit, and the internal combustion engine is equipped with a real-time optimization of an upcoming operation of at least each injection device based on an evaluation of a completed combustion cycle. Preferably, the method described above is implemented here in the engine control unit. The required arithmetic operations can be realized by the microprocessor.
Eine weitere Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine sieht vor, dass diese für die Optimierung zumindest einen Field Programmable Gate Array, abgekürzt FPGA, aufweist. Ein FPGA weist im Vergleich zu Prozessorsystemen den Vorteil auf, dass eine Vielzahl an parallelen Rechenoperationen ausführbar sind. Dieses spart Zeit, so dass dadurch eine Optimierung wie oben vorgeschlagen mittels dieses elektronischen integrierten Schaltkreises sich bei der notwendigen Echtzeitberücksichtigung ausführen lässt.A further embodiment of the internal combustion engine provides that it has at least one field programmable gate array, abbreviated FPGA, for the optimization. An FPGA has the advantage over processor systems that a large number of parallel arithmetic operations can be performed. This saves time, so that an optimization as proposed above by means of this electronic integrated circuit can be carried out in the necessary real-time consideration.
Ein FPGA weist vorzugsweise einen Flash-Speicher zur Konfiguration auf. Bevorzugt ist dieser Flash-Speicher im Chipgehäuse untergebracht, so dass kein externer Flash-Speicher hierfür benötigt wird. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der FPGA als integrierte Schaltung mit mehreren Chips in einem Gehäuse als ein sogenanntes Multi-Dye untergebracht ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf dem FPGA ein synchroner Takt zur Verfügung gestellt wird, so dass dadurch die Rechenoptimierung bei Parallelrechnung innerhalb des vorgesehenen Zeitfensters in allen Berechnungspositionen auch zeitgenau abgeschlossen ist. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das verwendete FPGA als Speicherzelle ein SRAM, ein EPROM, EEPROM, ein Flash oder einen anderen Speicherbaustein implementiert aufweist. Eine andere Ausgestaltung hingegen sieht vor, dass das FPGA nur einmalig programmierbar ist und dadurch gegen äußere Störungen abgesichert ist.An FPGA preferably has a flash memory for configuration. Preferably, this flash memory is housed in the chip housing, so that no external flash memory is required for this purpose. Furthermore, there is the possibility that the FPGA is housed as an integrated circuit with multiple chips in a housing as a so-called multi-dye. Preferably, it is provided that a synchronous clock is provided on the FPGA, so that the calculation optimization in parallel calculation within the provided time window in all calculation positions is thereby also completed in a timely manner. According to one embodiment it can be provided that the FPGA used has implemented as a memory cell an SRAM, an EPROM, an EEPROM, a flash or another memory module. Another embodiment, however, provides that the FPGA is programmable only once and is thus protected against external interference.
Bevorzugt ist, dass das FPGA Bestandteil des Motorsteuergerätes ist und für die oben beschriebene Optimierung eingesetzt wird. Darüber hinaus kann das FPGA jedoch auch für andere Optimierungen beziehungsweise Parallelrechenaufgaben eingesetzt werden. Aufgrund der vorhandenen Zylinderzahlen kann es ausreichend sein, dass für die Optimierung ein einzelnes FPGA zur Verfügung gestellt ist. Aufgrund der Zündfolge ist ein ausreichendes Zeitfenster für das FPGA vorhanden, jeden Zylinder einzeln optimieren zu können. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das FPGA redundant vorhanden ist. Auf diese Weise kann bei Ausfall des FPGA das andere FPGA dessen Aufgabe übernehmen. Auch besteht die Möglichkeit darüber eine Kontrolle des FPGA zu ermöglichen, indem Abweichungen von Ergebnissen zwischen den beiden FPGA Bausteinen sofort detektierbar sind.It is preferred that the FPGA is part of the engine control unit and is used for the optimization described above. In addition, however, the FPGA can also be used for other optimizations or parallel computing tasks. Due to the number of cylinders available, it may be sufficient that a single FPGA is provided for the optimization. Due to the firing order, there is a sufficient time window for the FPGA to optimize each cylinder individually. Another embodiment provides that the FPGA is redundant. In this way, if the FPGA fails, the other FPGA can do its job. It is also possible to control the FPGA by detecting deviations of results between the two FPGA devices.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbrennungskraftmaschine zur Optimierung ein System-On-A-Chip aufweist, welches ein FPGA besitzt. Hierbei kann beispielsweise das Motorsteuergerät einen FPGA-Baustein inklusive CPU, Bussystem, RAM, ROM, Controller, Timer und Ähnlichem zusammen integriert besitzen. Aufgrund der zeitkritischen Funktionalität ist des Weiteren vorgesehen, dass die für die Berechnung notwendigen Parameter beziehungsweise die berechneten Stellgrößen nicht über einen Bus oder vergleichbarem, im Kraftfahrzeug vorhandenen Übertragungsweg übermittelt werden. Dieses mag bei einer ausreichenden Datenübertragungsgeschwindigkeit ausreichend sein. Es hat sich jedoch ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn eine direkte Verdrahtung mit den einzelnen Einspritzvorrichtungen der einzelnen Zylinder und dem Motorsteuergerät vorliegt, so dass die Ergebnisse des FPGA sofort Berücksichtigung finden bei der anstehenden Einspritzung, insbesondere einer Voreinspritzung, deren Rate, Zeitpunkt, Verlauf sowie in Bezug auf andere Parameter beziehungsweise einer Nacheinspritzung.A further embodiment provides that the internal combustion engine for optimization has a system-on-A chip, which has an FPGA. In this case, for example, the engine control unit may have an FPGA module including CPU, bus system, RAM, ROM, controller, timer and the like integrated together. Due to the time-critical functionality is further provided that the necessary parameters for the calculation or the calculated control variables are not transmitted via a bus or similar, present in the motor vehicle transmission path. This may be sufficient at a sufficient data transfer rate. However, it has also proved to be advantageous if there is a direct wiring to the individual injectors of the individual cylinders and the engine control unit, so that the results of the FPGA immediately take into account in the upcoming injection, in particular a pilot injection, their rate, timing, history and with respect to other parameters or a post-injection.
Gemäß einer Ausgestaltung ist beispielsweise vorgesehen, dass als Kenngröße des vorhergehenden Zyklus der mittlere Zylinderinnendruck pmi sowie die Schwerpunktlage ermittelt werden, um darüber die Optimierung vorzunehmen. Dabei kann als ein Sensor ein Drucksensor fungieren, der im Zylinder, beispielsweise in einer Zündkerze angeordnet ist. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass als Sensor ein Klopfsensor genutzt wird. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Sensor ein Ionenstromsensor ist. Mittels des Sensors wird die vorherige Verbrennung beziehungsweise eine daraus resultierende Kenngröße ermittelbar und auswertbar. Daher ist es bevorzugt, dass jeder Zylinder über zumindest einen dieser Sensoren verfügt, um den erforderlichen, die Verbrennung charakterisierenden Wert zu erhalten. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass mehrere dieser Sensoren jedem Zylinder zugeordnet sind und daher auch eine Vielzahl an Kenngrößen in die Optimierung eingehen können.According to one embodiment, it is provided, for example, that the average cylinder internal pressure p mi and the center of gravity position are determined as a parameter of the preceding cycle in order to carry out the optimization. It can act as a sensor, a pressure sensor which is arranged in the cylinder, for example in a spark plug. Furthermore, there is the possibility that a knock sensor is used as the sensor. There is also the possibility that the sensor is on Ion current sensor is. By means of the sensor, the previous combustion or a parameter resulting therefrom can be determined and evaluated. Therefore, it is preferable that each cylinder has at least one of these sensors to obtain the required combustion characterizing value. Furthermore, there is the possibility that several of these sensors are assigned to each cylinder and therefore can also enter into a variety of parameters in the optimization.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Figuren hervor. Die aus den einzelnen Figuren hervorgehenden Merkmale sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Gleiches gilt auch für die zugehörige Figurenbeschreibungen. Vielmehr sind ein oder mehrere dieser Merkmale mit ein oder mehreren Merkmalen aus anderen Figuren beziehungsweise anderen Beschreibungspassagen, insbesondere der allgemeinen Beschreibung zur weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Des Weiteren stellen ein oder mehrere Ausgestaltungen wie nachfolgend beschrieben nur beispielhafte Ausführungen der Erfindung dar, ohne dass sie diese jedoch als solches beschränken, sondern vielmehr nur erläutern. Es zeigen:Further advantages and embodiments will be apparent from the following figures. However, the resulting from the individual figures features are not limited to these. The same applies to the associated figure descriptions. Rather, one or more of these features can be linked to one or more features from other figures or other description passages, in particular the general description for further embodiments. Furthermore, one or more embodiments as described below represent only exemplary embodiments of the invention, without, however, restricting them as such, but rather only explain. Show it:
In
- – Die Restgasrate über externe Abgasrückführung
- – Die Steuerzeiten der Ladungswechselventile
- – Der Einspritzzeitpunkt oder die Verwendung von weiteren Einspritzungen
- – Die Verwendung eines unterstützenden Zündfunkens
- – Ladungsbewegungsorgane wie beispielsweise Drallklappen
- - The residual gas rate via external exhaust gas recirculation
- - The timing of the charge exchange valves
- - The injection time or the use of further injections
- - The use of a supporting spark
- - Charge movement organs such as swirl flaps
Mit Hilfe des dargestellten Verfahrens wird eine Vorhersage mehrerer Verbrennungskenngrößen, wie beispielsweise Last, Schwerpunktlage, Klopfintensität, Emissionen, Spitzendruck und Wirkungsgrad ermöglicht. Für diese Kenngrößen sind je nach Fahrsituation unterschiedliche Zielwerte einzuhalten. Die Zielwerte sind beispielsweise ein definierter Mitteldruck, welcher dem Fahrer-Wunschmoment entspricht, ein geringer Kraftstoffverbrauch und niedrige Emissionen. Zur Lösung der Mehrgrößenoptimierung wird die Bestimmung einer skalaren Ersatzkostenfunktion vorgeschlagen.
Hierfür sind verschiedene Verfahren möglich, zum Beispiel kann eine Linearkombination der einzelnen Kostenfunktionen mit gewichteten Faktoren durchgeführt werden.Various methods are possible for this, for example a linear combination of the individual cost functions can be carried out with weighted factors.
Zur Bestimmung des Minimums der Ersatzkostenfunktion können bekannte Optimierungsverfahren verwendet werden. Als Vorhersagehorizont wird ein einzelner Zyklus vorgeschlagen, es können aber ebenfalls mehrere Zyklen verwendet werden, um eine modellprädiktive Optimierung zu ermöglichen.To determine the minimum of the replacement cost function, known optimization methods can be used. A single cycle is suggested as the forecast horizon, but several cycles can be used to provide model predictive optimization.
Bei der Realisierung des entwickelten Verfahrens an einem realen Verbrennungsmotor müssen harte Zeitkriterien eingehalten werden, daher wird ein echtzeitfähiges System benötigt. Dieses wird in einem Steuergerät umgesetzt. Bevorzugt wird hierfür ein Motorsteuergerät genutzt. Es kann auch ein Einspritzsteuergerät, das auch einen variablen Ventiltrieb steuert bzw. regelt, genutzt werden. In dem gezeigten Beispiel werden die gewählten Stellgrößen, also die beiden Einspritzparameter, zwischen Abschluss einer Verbrennung und der folgenden Einspritzung bestimmt. Für die Berechnung muss somit eine definierte, drehzahlabhängige Grenze eingehalten werden.When realizing the developed method on a real internal combustion engine hard time criteria must be met, therefore, a real-time capable system is needed. This is implemented in a control unit. Preferably, an engine control unit is used for this purpose. An injection control device, which also controls or regulates a variable valve train, can also be used. In the example shown, the selected manipulated variables, ie the two injection parameters, are determined between completion of a combustion and the following injection. For the calculation, therefore, a defined, speed-dependent limit must be adhered to.
Messungen am MotorprüfstandMeasurements on the engine test bench
Die entscheidende Herausforderung bei der Realisierung von CAI ist die Beherrschung des transienten Verhaltens. Den anspruchsvollsten Fall stellt hierbei eine sprunghafte Verstellung der Zielgrößen innerhalb eines Zyklus dar. Daher erfolgt eine Validierung der Echtzeitoptimierung bei hochdynamischen Vorgängen durch Lastsprünge, welche am Motorprüfstand durchgeführt werden können. Beispielhaft für den vorgesteuerten Betrieb werden Sprünge zwischen zwei Punkten unterschiedlicher Kraftstoffmenge durchgeführt. Die Einspritzmenge wird periodisch von mKr.1 = 6,45 mg auf mKr.2 = 10; 36 mg und zurück variiert.The key challenge in realizing CAI is mastering transient behavior. The most demanding case is an abrupt change in the target values within a cycle. Therefore, real-time optimization is validated in the case of highly dynamic processes by load jumps, which can be performed on the engine test bench. As an example of the pilot operation, jumps are made between two points of different amounts of fuel. The injection quantity is periodically from m Kr.1 = 6.45 mg to m Kr.2 = 10; 36 mg and back varied.
In
In
Aus
Des Weiteren wird für die Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine, für das Verfahren der kontrollierten Selbstzündung bei einem Ottomotor beziehungsweise für ein HCCI-Verfahren bei einem Dieselmotor auf die oben genannten, im Stand der Technik angeführten Druckschriften im Rahmen der Offenbarung für die jeweiligen Möglichkeiten zur Ausgestaltung sowie notwendigen Komponenten im Rahmen der Offenbarung der Erfindung verwiesen.Furthermore, for the embodiment of the internal combustion engine, for the method of controlled auto-ignition in a gasoline engine or for a HCCI process in a diesel engine to the above cited in the prior art documents within the scope of the disclosure of the respective options for design and necessary Components referred to in the disclosure of the invention.
Mit der vorgeschlagenen Erfindung ist insbesondere Folgendes ermöglicht:
- – Aufzeigen der Korrelation aufeinander folgender Verbrennungszyklen.
- – Darstellung der motorischen Verbrennung als autoregressiven Prozess.
- – Eine Prognose kommender Verbrennungen auf Basis der vergangenen Verbrennungszyklen.
- – Nutzung von charakteristischen Größen wie zum Beispiel Schwerpunktlage der Verbrennung, Last, aktuelle Abgastemperatur, Zylinderdruck usw. der vergangenen Zyklen, um eine Vorhersage der kommenden Verbrennung zu machen.
- – Echtzeit-Mehrgrößenoptimierung, um für jeden Zyklus die Verbrennung exakt an definierte Zielgrößen anzupassen.
- – Darstellung der aktiven Führung der Verbrennung bei Lastsprüngen durch Echtzeitoptimierung
- - Demonstrate the correlation of consecutive combustion cycles.
- - Representation of engine combustion as an autoregressive process.
- - A forecast of upcoming burns based on past combustion cycles.
- - Use of characteristic quantities such as center of gravity of combustion, load, current exhaust gas temperature, cylinder pressure, etc. of the past cycles to make a prediction of the coming combustion.
- - Real-time multi-variable optimization to precisely match combustion to defined target values for each cycle.
- - Representation of the active management of combustion at load jumps through real-time optimization
Eine Anwendung der Erfindung ist vorzugsweise wie folgt vorgesehen:
- – Die ottomotorische Selbstzündung bietet im Teillastbetrieb einen vergleichbar guten Wirkungsgrad wie geschichtete Magerkonzepte, jedoch mit deutlich geringeren Emissionen.
- – Auch der dieselmotorische Betrieb kann durch Homogenisierung in Form eines HCCl weiter optimiert werden, jedoch mit vergleichbaren Problemen bei der Kontrollierbarkeit des Brennverfahrens, die durch die Erfindung gelöst werden.
- – Insbesondere bei zahlreichen Fahrzeugen kann die Erfindung ihre Vorteile zeigen.
- – Besonders vorteilhaft wird die Erfindung zur ottomotorischen Selbstzündung und zur Homogenisierung des dieselmotorischen Prozesses bei der Kontrollierbarkeit des transienten Verhaltens eingesetzt.
- – Mit Hilfe dieser Erfindung, insbesondere des dargestellten Verfahrens, kann genau dieser kritische Punkt der Brennverfahren sicher beherrscht werden.
- - The ottomotor auto-ignition offers in part-load operation, a comparable good efficiency as stratified lean concepts, but with significantly lower emissions.
- - The diesel engine operation can be further optimized by homogenization in the form of a HCCl, but with comparable problems in the controllability of the combustion process, which are solved by the invention.
- - Especially in many vehicles, the invention can show its advantages.
- The invention is used particularly advantageously for Otto engine autoignition and for the homogenization of the diesel engine process in the controllability of the transient behavior.
- - With the help of this invention, in particular the illustrated method, precisely this critical point of the combustion process can be safely controlled.
Die vorgeschlagenen Verfahren werden, bezogen auf das jeweilige Brennverfahren insbesondere durch die bei einer Selbstzündung charakteristische Art der Verbrennung und nicht etwas durch das Fehlen eines Zündfunkens charakterisiert.The proposed methods are characterized, in relation to the particular combustion method, in particular by the type of combustion characteristic of auto-ignition and not by the absence of a spark.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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