DE10321192A1

DE10321192A1 - Steuerungsverfahren und Steuerung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10321192A1
Application number: DE2003121192
Authority: DE
Inventors: Jens Jeschke; Jürgen Wendt; Hans-Georg Dr. Nitzke; Jörg Larink; Thomas Lang
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für einen Dieselmotor, bei dem ein dynamischer Betriebszustand des Dieselmotors bewertet und betriebspunktabhängig der Förder- oder Einspritzbeginn von Kraftstoff eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren und eine Steuerung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor.
Bei einem Verbrennungsmotor findet die Verbrennung in einem abgeschlossenen System, dem Zylinder, statt. Die Qualität der Verbrennung wird zum einen durch den Zustand des Luft-Gasgemisches beim Schließen des Einlassventils des Zylinders und zum anderen durch die Koordination der Einspritzung bestimmt.
Wesentliche Größen des Zustands des Luft-Gasgemisches sind Druck, Temperatur und Sauerstoffanteil. Die Koordination der Einspritzung wird im Wesentlichen durch Förderbeginn und Förderdauer der Kraftstoffzufuhr bzw. den Verbrennungsbeginn und die umgesetzte Energie beeinflusst. Qualitätsmerkmale einer Verbrennung sind unter anderem die in den Abgasen enthaltenen Stickoxide und Partikel, der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und das bei der Verbrennung entstehende Geräusch.
Der Einspritzbeginn bestimmt im Wesentlichen den Verbrennungsbeginn und damit die Emissionen des Verbrennungsmotors. Um einen Kompromiss zwischen geringem Kraftstoffverbrauch und der Einhaltung der Grenzwerte für Emissionen (Abgase und Geräusche) zu erhalten, sollte der Einspritzbeginn mit einer Genauigkeit von etwa +/– 1 ° KW eingehalten werden. Bei Dieselmotoren enthalten EDC (Electronic Diesel Control)-Anlagen hierzu eine integrierte Magnetventilverstellfunktion, die den Förderbeginn einer Einspritzpumpe in der Abhängigkeit von der Drehzahl, Last und Motortemperatur verstellen kann.
In der derzeit bei Dieselmotorsteuerungen vorgenommenen Koordination von Stelleingriffen auf das Gassystem des Motors, insbesondere auf die Abgasrückführung (AGR) und Ladedruckregelung, und auf das Einspritzsystem, insbesondere auf den Förderbeginn und die Förderdauer der Kraftstoffzufuhr, wird davon ausgegangen, dass bei allen Betriebszuständen des Dieselmotors die Sollwerte des Gassystems (Abgasrückführung/Ladedruck) erreicht werden, die einen geringen Kraftstoffverbrauch und geringe Emissionen sicherstellen. Das Zeitverhalten des Gassystems bewirkt allerdings, dass die Sollwerte der Abgasrückführung- und Ladedruckregelung, insbesondere in dynamischen Übergangsphasen wie bei einer Beschleunigung, nicht eingestellt werden können. Daher kann das optimale Emissionsverhalten der stationären Applikation nicht bei allen Betriebszuständen des Dieselmotors erzielt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen daher ein Steuerungsverfahren und eine Steuerung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, geschaffen werden, die ein gutes Emissionsverhalten auch in dynamischen Übergangsphasen eines Dieselmotors aufweisen.
Dies wird durch ein Steuerungsverfahren und eine Steuerung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. 8 ermöglicht. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Stationäre Messungen am Motorprüfstand haben gezeigt, dass durch Ändern des Einspritz- und damit Verbrennungsbeginns Emissionsverschlechterungen, die durch variierende Massenströme bei der Abgasrückführung und der Motorfüllung entstehen, zumindest teilweise kompensiert werden können. Beispielsweise kann in dynamischen Übergangsphasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, ein Frischluftmangel auftreten, wenn der Frischluftmengensollwert nicht erreicht wird. Bei einem applizierten Verbrennungsbeginn von beispielsweise 9°KW sind dann zwar die Stickoxidemissionen relativ gering, die Partikelemissionen allerdings aufgrund des Frischluftmangels vergleichsweise hoch. Damit verschlechtert sich die Gesamtqualität der Verbrennung.
Durch eine Erkennung der in dynamischen Phasen auftretenden Abweichungen von Sollwerten kann das Emissionsverhalten durch eine Änderung des Verbrennungsbeginns derart kompensiert werden, dass die Qualität der Verbrennung bezüglich der Stickoxidemissionen und der Opazität ähnlich der Verbrennungsqualität in stationären Phasen des Verbrennungsmotors ist. Dies gilt im Übrigen für alle Abweichungen von Sollwerten während dynamischer Übergangsphasen des Motors. In ungünstigen Fahrzuständen kann es unter Umständen vorkommen, dass ein verändertes Emissionsverhalten in dynamischen Motorbetriebsphasen nicht vollständig kompensiert werden kann, beispielsweise bei einem Luftüberschuss. In diesem Fall kann durch Spätverstellung des Verbrennungsbeginns die Verschlechterung des Emissionsverhaltens verringert werden. Bei Verbrennungsmotoren ändern sich also die qualitativen Zusammenhänge zwischen Emissionen, insbesondere zwischen Stickoxid- und Partikelemissionen betriebspunktabhängig.
Der Erfindung liegt insbesondere der Gedanke zu Grunde, einen dynamischen Betriebszustand eines Verbrennungsmotors zu bewerten und abhängig vom Betriebspunkt den Förder- oder Einspritzbeginn einzustellen. Der Betriebspunkt des Verbrennungsmotors wird beispielsweise durch die Last des Motors, die Drehzahl des Motors, Umweltbedingungen, die Motortemperatur und dergleichen beeinflusst. Durch die Bewertung des dynamischen Betriebszustands des Verbrennungsmotors kann der Förder- oder Einspritzbeginn derart angepasst werden, dass auch in dynamischen Übergangsphasen, wie beispielsweise bei einer Beschleunigung, die Abweichungen von Sollwerten zumindest teilweise kompensiert werden können.
Der dynamische Betriebszustand wird vorzugsweise bewertet, indem die Abweichung von mindestens einem Parameter des Gassystems des Verbrennungsmotors von einem Sollwert gemessen wird. Wie bereits oben erwähnt, entstehen Emissionsverschlechterungen insbesondere während dynamischer Übergangsphasen des jeweiligen Verbrennungsmotors, vor allem aufgrund variierender Massenströme im Gassystem. Erfindungsgemäß können die Schwankungen der Massenströme gemessen und zur Bewertung des dynamischen Betriebszustands herangezogen werden.
Insbesondere kann die Abweichung der Abgasrückführungsregelung von einem Sollwert gemessen werden. Da direkte Abgasrückführmassenstrom- und Füllungsmessungen derzeit nicht möglich sind, eignet sich diese Messung insbesondere für Motorsteuerungen, die auf einem Füllungsmodell basieren, beispielsweise die Seriensteuerung EDC16 der Anmelderin oder eine auf einem zylinderdruckbasierten Motormodell aufbauende Motorsteuerung. Die quantitative Dynamikerkennung bzw. Sollwertabweichung kann hierbei über die Abgasrückführungsrate und Motorfüllung oder Frischluftmasse gemessen werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Abweichung der Ladedruckregelung von einem Sollwert zu messen. Diese Messung bietet sich ebenfalls bei auf einem Füllungsmodell basierenden Motorsteuerungen an.
Zur Bewertung des dynamischen Betriebszustands kann auch die Abweichung der Frischluftmenge von einem Sollwert gemessen werden. Bei Motorsteuerungen, die kein Füllungsmodell verwenden, wie beispielsweise die Seriensteuerung EDC15P+ der Anmelderin, kann eine quantitative Dynamikerkennung bzw. Sollwertabweichung beispielsweise über einen Heißfilm-Luftmassensensor erfolgen, der im Frischluftzuführungssystem des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Schließlich kann auch die Abweichung der Motorfüllung von einem Sollwert gemessen werden, um eine dynamische Phase der Motors erkennen zu können.
Die gemessene Abweichung mindestens eines Parameters wird vorzugsweise von einer Filterschaltung, beispielsweise einem numerischen Filter, gefiltert; aus dem gefilterten Signal wird von einer Korrekturfunktion, die der Filterschaltung nachgeschaltet ist, ein Korrektursignal gebildet, das zur Korrektur des Förder- oder Einspritzbeginns verwendet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Steuerung für ein Verbrennungsmotor-Einspritzsystem, die derart ausgebildet ist, dass ein dynamischer Betriebszustand des Verbrennungsmotors bewertet und betriebspunktabhängig der Förder- oder Einspritzbeginn von Kraftstoff eingestellt wird. Die Steuerung kann beispielsweise Teil einer Motorsteuerungs-Software für den Verbrennungsmotor sein.
Vorzugsweise sind Messmittel zum Bewerten des dynamischen Betriebszustands im Gassystem des Verbrennungsmotors vorgesehen, mit denen die Abweichung von mindestens einem Parameter des Gassystems von einem Sollwert gemessen werden kann.
Insbesondere sind Messmittel vorgesehen, um die Abweichung der Abgasrückführungsregelung von einem Sollwert zu messen. Diese Messmittel sind beispielsweise im Abgasrückführungssystem des Verbrennungsmotors angeordnet und messen die Abgasrückführungsrate.
Es können auch Messmittel vorgesehen sein, um die Abweichung der Ladedruckregelung von einem Sollwert zu messen.
Schließlich können ferner Messmittel vorgesehen sein, um die Abweichung der Frischluftmenge von einem Sollwert zu messen. Massenströme werden vorzugsweise durch einen Heißfilm-Luftmassensensor gemessen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Messmittel auch vorgesehen sein, um die Abweichung der Motorfüllung von einem Sollwert zu messen.
Die Steuerung zeichnet sich vorzugsweise durch eine Filterschaltung, der die gemessene Abweichung mindestens eines Parameters eingangsseitig zugeführt wird, und durch eine der Filterschaltung nachgeschaltete Korrekturfunktion aus, die ein Korrektursignal erzeugt, das zur Korrektur des Förder- oder Einspritzbeginns verwendet wird.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung bei Dieselmotoren, wobei die Erfindung jedoch grundsätzlich allgemein auf Verbrennungsmotoren anwendbar ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Motorsteuerungen.
Die Zeichnungen zeigen in
1 eine Seriensteuerung vom Typ EDC15P+, die erfindungsgemäß weitergebildet ist,
2 eine Seriensteuerung vom Typ EDC15, die erfindungsgemäß weitergebildet ist, und
3 eine auf einem zylinderdruckbasierten Motormodell basierende Motorsteuerung, die erfindungsgemäß weitergebildet ist.
In 1 ist eine Seriensteuerung vom Typ EDC15P+ für einen Dieselmotor dargestellt, die ein Kennfeld 10 aufweist, dem als Eingangsparameter die Drehzahl 12 und die Einspritzmenge 14 zugeführt werden. Ein Ausgangssignal 16 des Kennfelds 10 zur Steuerung des Förderbeginns wird mit einem Korrektursignal 18 über einen Multiplikator 20 multipliziert.
Das Korrektursignal 18 wird aus dem Sollwert 22 der Frischluftmenge und dem aus einer Messung stammenden Istwert 24 der Frischluftmenge abgeleitet. Der Istwert 24 kann von einem Heissfilm-Luftmassensensor stammen, der im Frischluftzuführungssystem des Dieselmotors angeordnet ist und den Frischluftmassenstrom mißt. Sollwert 22 und Istwert 24 werden voneinander subtrahiert durch einen Subtrahierer 26. Die Differenz 28 der beiden Werte stellt die Abweichung der Frischluftmenge vom Sollwert dar.
Aufgrund dieser Abweichung ist eine Korrektur des Förderbeginns erforderlich, um auch in dynamischen Phasen eines Dieselmotors geringe Emissionen zu erzielen. Hierzu wird die Differenz 28 einem numerischen Filter 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum einer Korrekturfunktion 32 zugeführt wird. Die Korrekturfunktion 32 erzeugt aus dem eingangsseitig zugeführten Signal das Korrektursignal 18.
Da bei der in 1 dargestellten Seriensteuerung keine Verbrennungsregelung erfolgt, muss eine Kompensation von Sollwertabweichungen durch eine Förderbeginnkorrektur durchgeführt werden. Ein Förderbeginnsteuersignal 34 wird hierzu über einen Förderbeginnkorrekturwert 36 zu einem neuen Förderbeginnsteuersignal 38 durch eine Addition mittels eines Addierers 40 korrigiert.
2 zeigt eine Seriensteuerung vom Typ EDC16 für einen Dieselmotor, die auf einem Füllungsmodell des Motors basiert. Die dargestellte Steuerung ist erfindungsgemäß um eine Korrektur basierend auf einer Sollwertabweichung der Füllung erweitert. Da bei dieser Steuerung keine Verbrennungsregelung erfolgt, wird die Kompensation der Sollwertabweichung durch die Korrektur des Förderbeginns vorgenommen. Auf Grund des Füllungsmodells erfolgt die qualitative Dynamikerkennung bzw. Sollwertabweichung über die Abgasrückführungsrate und Motorfüllung oder Motorfrischluftmasse. Im Wesentlichen gleicht diese Steuerung der in 1 dargestellten Steuerung. Daher werden im Folgenden nur die wesentlichen Unterschiede zwischen diesen Steuerungen dargestellt. Unterschiedliche Elemente sind durch einen Hochstrich am Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Korrektursignal 18' dieser Steuerung wird aus dem Füllungs-Sollwert 22' und dem Füllungs-Istwert 24' abgeleitet. Der Füllungs-Istwert 24' wird anhand des Füllungsmodells ermittelt.
Die in 3 dargestellte Steuerung gleicht in ihrer Struktur den in den 1 und 2 dargestellten Steuerungen. Unterschiedliche Elemente dieser Steuerung zu den beiden Steuerungen von 1 und 2 sind mit Bezugszeichen versehen, die zwei Hochstriche besitzen. Die in 3 dargestellte Steuerung basiert auf einem zylinderdruckbasierten Motormodell und Füllungsmodell; sie steuert den Verbrennungsbeginn.
Die Steuerung weist ein Kennfeld 10'' auf, dem eingangsseitig als Parameter des Dieselmotors die Drehzahl 12 und der indizierte Mitteldruck 15 zugeführt werden. Das Ausgangssignal 17 des Kennfelds 10'' wird mit einem Korrekturwert 18'' über einen Multiplizierer 20 multipliziert und als Korrektursignal 36'' einem Addierer 40 zugeführt, der es mit einem Verbrennungsbeginn-Steuersignal 35 addiert und ein neues Verbrennungsbeginn-Steuersignal 39 erzeugt.
Das Korrektursignal 18'' wird aus dem Füllungssollwert 22' und dem Füllungsistwert 24' wie folgt abgeleitet: Der Sollwert 22' und der Istwert 24' werden über einen Subtrahierer 26 voneinander subtrahiert. Die Differenz 28' wird einem numerischen Filter 30'' zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum einer Korrekturfunktion 32' zur Bildung des Korrektursignals 18'' zugeführt wird.
Bei den oben erläuterten Motorsteuerungen erfolgt eine quantitative Dynamikerkennung bzw. Sollwertabweichung insbesondere durch den Vergleich von Istwerten mit Sollwerten. Aus den festgestellten Differenzen von Ist- und Sollwerten werden mittels der numerischen Filter 30, 30', 30'' und der Korrekturfunktionen 32, 32' und 32'' Korrektursignale 18, 18' und 18'' abgeleitet, welche die Förderbeginn- und Verbrennungsbeginn-Steuersignale 34 bzw. 35 derart korrigieren, dass auch in dynamischen Phasen des Dieselmotors ein möglichst gutes Emissionsverhalten erzielt wird.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die numerischen Filter 30, 30' und 30'', sowie die Korrekturfunktionen 32, 32' und 32'' als digitale Schaltungen ausgeführt oder als Software für eine Motorsteuerung implementiert sein können. Die Soll- und/oder Istwerte 22, 22' bzw. 24, 24' werden dann zur Verarbeitung in digitale Werte von einem nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler umgewandelt. Der Vorteil einer Implementierung der numerischen Filter und Korrekturfunktionen in Software besteht darin, dass durch Softwareupdates zukünftige Änderungen der Filterungsfunktion und der Korrekturfunktion auf einfache Art und Weise in eine Motorsteuerung implementiert werden können.

10, 10'': Kennfeld
12: Drehzahl
14: Einspritzmenge
15: Mitteldruck
16: Ausgangssignal
17: Ausgangssignal
18, 18', 18'': Korrektursignal
20: Multiplikator
22, 22': Sollwert
24, 24': Istwert
26: Subtrahierer
28, 28': Abweichung
30, 30', 30'': Numerischer Filter
32, 32', 32'': Korrekturfunktion
34: Förderbeginnsteuersignal
35: Verbrennungsbeginn-Steuersignal
36, 36', 36'': Förderbeginnkorrekturwert
38, 38': Förderbeginnsteuersignal
39: Verbrennungsbeginn-Steuersignal
40: Addierer

Claims

Steuerungsverfahren für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein dynamischer Betriebszustand des Verbrennungsmotors bewertet und betriebspunktabhängig ein Förder- oder Einspritzbeginn von dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Kraftstoff eingestellt wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dynamische Betriebszustand bewertet wird, indem eine Abweichung von mindestens einem Parameter (28, 28') eines Gassystems des Verbrennungsmotors von einem Sollwert (22, 22') gemessen wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung einer Abgasrückführungsregelung des Verbrennungsmotors von einem Sollwert gemessen wird.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung einer Ladedruckregelung des Verbrennungsmotors von einem Sollwert gemessen wird.
Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung einer Frischluftmenge (28) des Verbrennungsmotors von einem Sollwert (22) gemessen wird.
Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung einer Motorfüllung (28') des Verbrennungsmotors von einem Sollwert (22') gemessen wird.
Steuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Abweichung des mindestens einen Parameters gefiltert und aus der gefilterten Abweichung ein Korrektursignal (18, 18', 18'') gebildet wird, das zur Korrektur des Förder- oder Einspritzbeginns verwendet wird.
Steuerung für einen Verbrennungsmotor, die derart ausgebildet ist, dass sie einen dynamischen Betriebszustand des Verbrennungsmotors bewertet und betriebspunktabhängig einen Förder- oder Einspritzbeginn von dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Kraftstoff einstellt.
Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Messmittel zum Bewerten des dynamischen Betriebszustands in einem Gassystem des Verbrennungsmotors vorgesehen sind, mit denen eine Abweichung von mindestens einem Parameter (28, 28') des Gassystems von einem Sollwert (22, 22') gemessen werden kann.
Steuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel vorgesehen sind, um eine Abweichung einer Abgasrückführungsregelung des Verbrennungsmotors von einem Sollwert zu messen.
Steuerung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel vorgesehen sind, um eine Abweichung einer Ladedruckregelung des Verbrennungsmotors von einem Sollwert zu messen.
Steuerung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel vorgesehen sind, um eine Abweichung einer Frischluftmenge (28) des Verbrennungsmotors von einem Sollwert (22) zu messen.
Steuerung nach einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel vorgesehen sind, um eine Abweichung einer Motorfüllung (28') des Verbrennungsmotors von einem Sollwert (22') zu messen.
Steuerung nach einem der Ansprüche 9–13, gekennzeichnet durch eine Filterschaltung (30, 30', 30''), der die gemessene Abweichung des mindestens einen Parameters (28, 28', 28'') eingangsseitig zuführbar ist, und eine der Filterschaltung (30, 30', 30'') nachgeschaltete Korrekturfunktion (32, 32', 32''), die ein Korrektursignal (18, 18', 18'') zur Korrektur des Förder- oder Einspritzbeginns erzeugt.