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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermodynamischen Optimierung mittels Nutzung von zylinderindividuellen Einspritzmustern in Kraftfahrzeugen.
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Die thermodynamische Optimierung bezüglich Geräuschemission, Laufruhe des Motors, Abgasemission etc. ist ein wichtiges Thema im Automobilbereich. Es gibt viele Ansätze zur Optimierung, z.B. das Verfahren der Mengenausgleichsregelung, in welchem eine Zylindergleichstellung erreicht werden soll, um eine möglichst gute Laufruhe des Motors zu erreichen. Bekannter Stand der Technik sind hier beispielsweise die
EP 1 426 594 A2 , die
DE 100 62 895 A1 , die
DE 10 2005 057 975 A1 , die
DE 197 00 711 A1 , die
DE 103 13 862 B4 , die
WO 2008/ 135 560 A1 , die
DE 100 16 219 A1 , die
DE 102 44 221 A1 , die
DE 10 2012 223 989 B3 oder die
US 2017 / 0 138 293 A1 .
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Da es allerdings immer noch Optimierungsbedarf im Bereich der Verbrennung gibt, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur thermodynamischen Optimierung bei Kraftfahrzeugen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur thermodynamischen Optimierung mittels Nutzung von zylinderindividuellen Einspritzmustern in Kraftfahrzeugen, wobei im Falle eines Vorhandenseins von mindestens einer, von mindestens einem Parameter abhängigen Optimierungsgröße, eine Optimierung der zylinderindividuellen Einspritzung auf ein vorgegebenes Optimierungsziel durch individuelle Aufteilung und Vorgabe der Einspritzmuster auf die vorhandenen Zylinder erfolgt.
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Durch den zusätzlichen Freiheitsgrad der zylinderindividuellen Vorgabe eines Einspritzmusters zur Lösung eines Optimierungsproblems können unterschiedliche, von mindestens einem Parameter abhängige bzw. beeinflussbare Optimierungsgrößen besser optimiert werden.
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Die Auswahl der verschiedenen Einspritzmuster erfolgt dabei so, dass die Mischung der einzelnen Teilbeiträge zur Gesamtabgaszusammensetzung eine Verbesserung hinsichtlich der betrachteten Optimierungsgrößen liefert. Somit werden optimale Einspritzmuster-Sets erzeugt. Je nach Formulierung des Optimierungsproblems kann dies z.B. mittels einer Kostenfunktion erfolgen. Die so erhaltenen Einspritzmuster werden dann geometrisch bzw. zeitlich auf die einzelnen Zylinder verteilt.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Aufteilung der zylinderindividuellen Einspritzmuster zeitlich derart erfolgt, dass mindestens ein Zylinder pro Zündzyklus auf ein anderes Einspritzmuster wechseln kann. Das Optimierungsergebnis, also das Einspritzmuster-Set und die Aufteilung, kann auch bei lediglich einem Zylinder angewendet werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Aufteilung der zylinderindividuellen Einspritzmuster derart erfolgt, dass bei einem Mehrzylindermotor die Aufteilung der Einspritzmuster geometrisch auf die Anzahl der Zylinder erfolgt. Bei der geometrischen Aufteilung können unterschiedlichste Kombinationen von zylinderindividuellen Einspritzmustern je nach aktuellem Bedarf vorgegeben werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Aufteilung der zylinderindividuellen Einspritzmuster erfolgt, indem für einen oder mehrere Zylinder die Anzahl der Einspritzungen verändert wird.
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Ferner ist ein Steuergerät vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen und mindestens einen Einspritzregler derart anzusteuern, dass er ein vorgegebenes Einspritzmuster für jeden Zylinder bereitstellt.
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Ferner ist ein Motor mit mindestens einem Zylinder vorgesehen, aufweisend ein vorgeschlagenes Steuergerät.
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Ferner ist ein Kraftfahrzeug vorgesehen, aufweisend einen vorgeschlagenen Motor.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung der Abhängigkeit zweier Optimierungsgrößen von einem einzigen Parameter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 und 4 zeigen eine schematische Darstellung der Optimierung zweier Optimierungsgrößen trotz Abhängigkeit von einem einzigen Parameter gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der klassischen Vorgehensweise zur Optimierung der Abgaszusammensetzung werden die Verbrennungsparameter, speziell das Einspritzmuster, unter der Berücksichtigung vorgegebener Randbedingungen und hinsichtlich gesetzter Ziele optimiert. Dabei ist es ein Ziel, die Gesamtabgaszusammensetzung zu minimieren bzw. unterhalb eines vorgegebenen Werts zu halten. Hierfür wird für jeden Zylinder dasselbe Einspritzmuster verwendet, so dass die Zusammensetzung der Teilabgasströme der einzelnen Zylinder der Gesamtabgaszusammensetzung gleicht. Die Randbedingung, dass alle Zylinder mit einem einheitlichen Einspritzmuster pro Betriebsart und Betriebspunkt betrieben werden müssen, verursacht Einschränkungen, welche nicht nur bei thermodynamischen Optimierungen, sondern auch bei der Verwendung der Hardware, berücksichtigt werden müssen. Um diese Einschränkungen zu minimieren wird ein verbessertes Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung der Einspritzung vorgeschlagen.
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Grundsätzlich gibt es mehrere zu optimierende Größen bzw. Optimierungsgrößen A, B, etc., die für einen optimalen Betrieb des Motors möglichst ideal eingestellt werden sollten. Einige dieser Optimierungsgrößen A, B stehen aber im Widerspruch zueinander, da beide unter anderem von einem Parameter X (Einspritzmuster) abhängig sind, aber genau konträr auf diesen reagieren. Beispielsweise reagiert Optimierungsgröße A auf ein Verändern des Parameters X zu X1 in unerwünschter Art und Weise und überschreitet z.B. ein vorgegebenes Limit (Lim A), während Optimierungsgröße B genau gegenteilig reagiert und in die Nähe eines erwünschten Minimalwertes unterhalb eines vorgegebenen Limits (Lim B) gelangt, wie in 1 und 2 abstrahiert gezeigt. Wie in 1 und 2 zu sehen, verhalten sich also die Optimierungsgrößen A und B genau konträr zueinander, d.h. wenn sich Optimierungsgröße A bei Parameter X1 oberhalb eines erlaubten Limits (Lim A) befindet, ist Optimierungsgröße B in der Nähe eines optimalen Minimalwertes, und wenn sich Optimierungsgröße A bei Parameter X2 auf einem kleinen Wert befindet, ist Optimierungsgröße B oberhalb eines erlaubten Limits (Lim B).
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Bisher wurde dieses Dilemma meist gelöst, indem ein Kompromiss gesucht wurde, d.h. ein Parameterwert X_K zur Ansteuerung aller Zylinder in gleichem Maße, bei dem sich die Optimierungsgrößen A und B beide unterhalb des jeweils für sie vorgegebenen Limits (Lim A; Lim B) befinden. Dies hat den Nachteil, dass keine der Optimierungsgrößen A und B sehr gut optimiert wird, sondern lediglich ein Kompromiss gefunden wird, um keine Limits zu überschreiten.
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Um dieses Problem zu lösen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem nicht mehr ein für alle Zylinder gleiches Einspritzmuster vorgegeben wird, sondern ein für jeden Zylinder individuelles Einspritzmuster, d.h. eine zylinderindividuelle Parametrierung. Hierbei wird für jeden Zylinder ein individuelles Einspritzmuster vorgegeben, das, zusammen mit den Einspritzmustern der restlichen Zylinder, auf ein bestimmtes Optimierungsziel (z.B. Kostenfunktion, A & B, etc.) optimiert ist. Das heißt, dass der Parameter X für jeden Zylinder individuell ausgewählt wird, um das gestellte Optimierungsproblem zu lösen. Das Optimierungsziel ist dabei stets eine Optimierung von mindestens einer von mindestens einem Parameter X abhängigen, Optimierungsgröße A bzw. B derart, dass z.B. möglichst ein minimaler Mittelwert nach der Vermischung der Teilabgasströme gefunden wird.
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Wie in 3 und 4 abstrahiert gezeigt, ist das Resultat im Vergleich zur bisher verwendeten Mittelung bzw. dem Kompromisswert mit Parameter X_K ein deutlich besserer Parameter X_VA bzw. X_VB zur Einstellung der Optimierungsgröße A bzw. B. Wie zur Veranschaulichung vereinfacht gezeigt, kann der Parameter X_VA bzw. X_VB dabei aus einem Mittelwert Mean A bzw. Mean B zwischen einem hohen Wert High A, High B und einem niedrigeren Wert Low A, Low B bei den Parametern X1 bzw. X2 erzeugt werden. Dabei muss nicht zwangsläufig ein Minimum der Optimierungsgrößen A, B gewählt werden. Das Ziel ist vielmehr, wie bereits erwähnt, dass die Kombination der Einspritzmuster z.B. zu einem möglichst kleinen Mittelwert nach der Vermischung, also in der Gesamtabgaszusammensetzung, führt.
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Grundsätzlich müssen für eine geeignete Kombination an Einspritzmustern die jeweiligen Sensitivitäten der Optimierungsgrößen A, B etc. berücksichtigt werden. Die Auslegung erfolgt dann unter dem Gesichtspunkt, dass die Kombination der Teilabgasströme eine Verbesserung der betrachteten Optimierungsgröße (z.B. A) ohne Verschlechterung der übrigen Komponenten (z.B. B und weitere, hier nicht genannte Komponenten) liefert. Eine geeignete Kombination kann z.B. mit Hilfe von klassischen Optimierungsverfahren oder über Versuchsreihen ermittelt werden. Zu beachten ist dabei, dass die Einspritzmuster voneinander abhängig sind bzw. nur in Kombination, d.h. in der gemeinsamen Anwendung, funktionieren. Das Ergebnis der Optimierung ist immer ein Set an Einspritzmustern, welche entweder geometrisch, zeitlich oder nach beiden Gesichtspunkten auf die einzelnen Zylinder aufgeteilt werden. Alternativ kann auch lediglich ein Zylinder ein anderes Einspritzmuster als die restlichen Zylinder zugewiesen bekommen. Die Optimierung kann im Vorfeld erfolgen, d.h. nur das Ergebnis, also das Set an Einspritzmustern, wird ins Steuergerät übertragen und am Motor angewendet.
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Das Optimierungsergebnis und damit das Set an Einspritzmustern hängt dabei unter anderem von der Art des Motors, also Art des Kraftstoffs, Anzahl der Zylinder, Anordnung der Zylinder etc., aber auch von der verwendeten Hardware, also insbesondere den verwendeten Injektoren, sowie von weiteren Parametern ab, die einen Einfluss auf die Einspritzung haben.
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Basierend auf den gewählten Optimierungsgrößen A bzw. B erfolgt dann also die Wahl des Einspritzmusters der Einspritzung. Es werden also nicht wie bisher alle Zylinder mit demselben Einspritzmuster beaufschlagt. Somit unterscheiden sich die pro Zylinder ausgegebenen Rohgaskomponenten abhängig von den Optimierungsgrößen A bzw. B, und mischen sich erst in der nachfolgenden Abgasanlage, genauer im Krümmer und nachfolgend, so dass am Ausgang der Abgasanlage der gewünschte, optimale Wert erreicht wird.
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Der Ablauf des Verfahrens ist in 5 schematisch gezeigt und kann wie folgt zusammengefasst werden:
- Zuerst (S1) wird festgelegt, welche Größen optimiert werden sollen. Dann (S2) werden die Randbedingungen definiert, d.h. beispielsweise, welche Nebengrößen und Grenzen beachtet werden müssen etc. Dann (S3) wird entweder das Optimierungsproblem formuliert und ein optimales Set an Einspritzmustern berechnet oder das optimale Set an Einspritzmustern wird mittels empirischen Versuchen ermittelt. Nachdem ein optimales Set an Einspritzmustern gefunden wurde, wird dieses an das Steuergerät des Fahrzeugs übertragen und entsprechend angewendet (S4), z.B. zeitlich und/oder geometrisch aufgeteilt.
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Das vorgeschlagene Verfahren beschreibt ein Konzept, bei dem sich das Abgas nicht wie bei bisher bekannten Verfahren aus gleichen Teilabgasströmen der einzelnen Zylinder zusammensetzt, sondern bei dem eine gezielte Verwendung von zylinderindividuellen Einspritzmustern ermittelt wird. So können deutlich bessere Optimierungsergebnisse erreicht werden, wobei aus den Teilströmen jedes Zylinders durch den zusätzlichen Vermischungsschritt in der Abgasanlage ein homogenes Gesamtabgas mit günstigeren Eigenschaften als bisher möglich erzeugt wird. Das heißt, dass durch die Verwendung von zylinderspezifischen Einspritzmustern, und damit der Nutzung von zusätzlichen Freiheitsgraden, auf ein Optimierungsziel optimierte Abgasteilströme erzeugt werden können, welche dabei aber z.B. lokal nicht alle der vorgegebenen Randbedingungen und Ziele einhalten (müssen). Mittels dieses Zwischenschrittes werden so Teilströme erzeugt, welche mit dem klassischen Verfahren nicht möglich wären. Erst im zweiten Schritt werden diese Teilströme dann über die Abgasanlage vermischt und bilden damit die Gesamtabgaszusammensetzung, welche dann auch alle Randbedingungen und Ziele einhält.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann eine deutlich bessere Einstellung der Optimierungsgrößen A bzw. B und auch weiteren, in die Optimierung mit aufgenommenen Größen C, D, etc., erfolgen, da nicht mehr alle Zylinder mit dem gleichen Einspritzmuster beaufschlagt werden.
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Die Beschreibung wurde bisher auf lediglich zwei Optimierungsgrößen A und B bezogen, da dies zur Veranschaulichung des Konzepts ausreicht. Da es mehr als zwei von einem Parameter X abhängige Optimierungsgrößen geben kann, kann das vorgeschlagene Verfahren der Nutzung zylinderindividueller Einspritzmuster auch auf mehr als zwei Optimierungsgrößen angewendet werden. Hierbei ist je nach gewünschter Optimierungsgröße die zeitliche oder geometrische Optimierung entsprechend zu wählen.
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Die Vorgabe der Einspritzmuster erfolgt entweder im zentralen Regler für die Einspritzung oder in einem oder mehreren Reglern, welche auch jeweils einem Zylinder oder Injektor zugeordnet sein können. Vorteilhaft erfolgt die Berechnung in einem Steuergerät, welches dann die entsprechenden Regelparameter, d.h. das Einspritzmuster pro Zylinder, an den oder die Regler weitergibt. Anstelle von Regler(n) können auch entsprechende Steuerungen bzw. nur eine zentrale Steuerung verwendet werden.
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Das vorgeschlagene Konzept ist nicht nur auf das Abgas beschränkt, sondern betrifft analog alle Effekte, welche im Zusammenhang mit dem Verbrennungsvorgang und dessen Auswirkungen stehen, z.B. Geräusch-Emissionen, etc.