[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsablaufs
bei einem Otto-Verbrennungsmotor sowie auf eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens
geeignete Regeleinrichtung. Bei herkömmlichen Motorverbrennungssteuerungen ist es
bekannt, eine Vorsteuerung mittels logischer Abfrage in einer Vielzahl von Kennlinien
und Kennfeldern zur Bereitstellung der Motorstellgrößen, wie Zündzeitpunkt, Einspritzbeginn,
Einspritzende und Drosselklappenwinkel, vorzunehmen. Durch Erfassung der Motorparameter,
wie Luftmasse, Motortemperatur, Drehzahl usw., werden diese Stellgrößen während der
Ladungswechselphase errechnet. Mit Ausnahme der bekannten Klopfregelung und der Lambda-Regelung
erfolgt kein Abgleich mit dem wirklichen Verbrennungsablauf, der erst in der Hochdruckphase
einsetzt. Bei der Lambda-Regelung wird dabei nicht der Verbrennungsablauf ausgewertet,
sondern das Abgas analysiert.
[0002] Spezieller ist es zur Regelung des Verbrennungsablaufs von Ottomotoren bekannt, die
Motorstellgrößenwerte für einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung
in Abhängigkeit vom anhand entsprechender Istzustandsgrößen erfaßten Verbrennungsverlauf
eines vorangangenen Arbeitszyklus unter Benutzung von abgelegten Kennfeldern festzulegen.
Herkömmlicherweise dienen dabei die erfaßten Momentanwerte von einer oder mehreren,
für den Verbrennungsablauf repräsentativen Meßgrößen direkt als Rückführgrößen, die
in der Regeleinheit mit anhand von Kennfeldern abgespeicherten Sollwerten verglichen
werden, wonach aus der solchermaßen bestimmten Regelabweichung die Stellglieder für
den nächsten Arbeitszyklus im Sinne einer Verkleinerung der Regelabweichung angesteuert
werden. So wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 31 28 245 A1 ein Verfahren
zur Steuerung des Verbrennungsablaufs in Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem
der Brennraumdruckverlauf erfaßt und mit einer abgelegten Kennlinie verglichen wird.
Festgestellte Regelabweichungen werden dann durch Eingriff in die Gemischbildung und/oder
die Zündanlage der Brennkraftmaschine ausgeregelt. Dabei ist es bekannt, zur zylinderspezifischen
Motorsteuerung Kennfelder individuell für die einzelnen Zylinder abzuspeichern, siehe
die Offenlegungsschrift DE 42 28 053 A1.
[0003] Bei einer in der Patentschrift US 5.200.898 gezeigten Regeleinrichtung für einen
Verbrennungsmotor ist ein neuronales Netzwerk vorgesehen, dem periodisch Informationen
über den aktuellen Drosselklappenwinkel und dessen Änderungsrate zugeführt werden.
Das neuronale Netzwerk nimmt eine Vorausberechnung für den Drosselklappenöffnungswinkel
vor, und diese Information wird von der Regeleinrichtung unter anderem für die Ansteuerung
einer Kraftstoffeinspritzeinheit verwendet.
[0004] Bei einem in der Offenlegungsschrift EP 0 114 490 A2 offenbarten Zündsystem für einen
Verbrennungsmotor wird ein für die Kraftstoffbeladung des Arbeitsraumes repräsentativer
Parameter jeweils vor der Zündungsauslösung gemessen, um die Verbrennungscharakteristik
für diesen Arbeitstakt und den geeigneten Zündzeitpunkt im Hinblick auf eine Reduzierung
der Schwankungen im erzeugten Motordrehmoment von Arbeitstakt zu Arbeitstakt vorauszuschätzen.
[0005] Aus der Offenlegungsschrift JP 5-163996 (A) ist eine Motorregelung bekannt, bei der
das Motordrehmoment durch entsprechende Einstellung der Lufteinlaßmenge und des Zündzeitpunktes
auf einen gewünschten wert geregelt wird.
[0006] In der Patentschrift US 4.987.888 ist eine Verbrennungsregelung beschrieben, bei
der verbrennungsrelevante Istzustandsgrößen erfaßt und in Abhängigkeit davon die Betriebsbedingungen
in einem späteren Zustand vorausgeschätzt werden. Insbesondere ist die Vorausschätzung
der Lufteinlaßmenge für einen nachfolgenden Arbeitszyklus vorgesehen. Anhand der vorausgeschätzen
Betriebsbedingungen werden dann die verbrennungsrelevanten Stellgrößenwerte bestimmt.
[0007] Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und
einer Einrichtung zugrunde, mit denen eine vergleichsweise genaue, die Thermodynamik
des Verbrennungsvorgangs möglichst weitgehend berücksichtigende Regelung des Verbrennungsablaufs
in einem Otto-Verbrennungsmotor erreicht wird.
[0008] Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch
eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Verfahrensgemäß werden
zur Bestimmung der Stellgrößenwerte für einen nachfolgenden Arbeitszyklus aktualisierte
Werte der Einflußfaktoren auf die sogenannte Durchbrennfunktion, d.h. des Integrals
der Brennverlaufskurve über die Zeit bzw. über den Kurbelwinkel, zugrundegelegt. Diese
aktualisierten Einflußfaktorwerte werden aus einem Vergleich einer während der Ladungswechselphase
eines Arbeitszyklus vorausberechneten Soll- mit einer in Echtzeit während der Hochdruckphase
eines Arbeitszyklus ermittelten Ist-Durchbrennfunktion gewonnen. Die Soll-Durchbrennfunktion
für einen jeweiligen Arbeitszyklus wird dabei mit Hilfe von für den Motor-Istzustand
eines vorangegangenen Arbeitszyklus repräsentativen, erfaßten bzw. abgeleiteten Werten
der Durchbrennfunktion-Einflußfaktoren vorausberechnet. Bei einem Motor mit mehreren
Zylindern erfolgt dies vorzugsweise zylinderindividuell. Da die Durchbrennfunktion
die Thermodynamik des Verbrennungsvorgangs genauer wiedergibt als einzelne Meßgrößen,
wird eine im Vergleich zu Motorregelungen, die auf der Beobachtung lediglich einzelner
solcher Meßgrößen beruhen, sehr viel genauere Regelung des Verbrennungsablaufs erzielt.
Zu beeinflussende Stellgrößen für den jeweils nächsten Arbeitszyklus können insbesondere
der Einspritzbeginn, das Einspritzende, der Zündzeitpunkt und der Drosselklappenwinkel
sein. Zur Istzustandsbestimmung können insbesondere die Motorparameter Luftmasse,
Temperatur und Drehzahl sowie als weitere Meßgrößen der Restgasgehalt und der Lambdawert
herangezogen werden. Mit dieser Vorgehensweise wird die tatsächliche Kraftstoffumsetzung
in Wärmeenergie beobachtet und kann unter Berücksichtigung der vorgegebenen Randbedingungen,
wie Fahrerwunsch und Betriebsanforderungen, geregelt werden. Mit dem Verfahren kann
auf die Größe der zyklischen Schwankung im momentanen Arbeitspunkt geschlossen und
diese in die Regelungsstrategie eingearbeitet werden. Besonders das Übergangsverhalten
der Motorregelung im Instationärbetrieb wird durch dieses Verfahren gegenüber herkömmlichen
Regelungen deutlich verbessert. Bei dieser Art der Verbrennungsregelung entfallen
zudem eine Vielzahl von Kennlinien und Kennfeldern, wie sie bei herkömmlichen Motorregelungen
erforderlich sind. Die zylinderindividuelle Regelung ermöglicht die Optimierung jedes
einzelnen Zylinders unter Beachtung des Zylindergleichlaufs. Durch die Echtzeitbestimmung
der Ist-Durchbrennfunktion kann ein separater Klopfsensor entfallen. Serienstreungen,
Fertigungstoleranzen, Zündungs- und Entflammungsunterschiede, Alterungserscheinungen
sowie Auswirkungen von Brennraumablagerungen können in der Regelung selbst berücksichtigt
werden, ohne daß resultierende Sicherheitszuschläge, z.B. eine Zündzeitpunktverschiebung
nach spät, erforderlich sind. Eine durch Anspruch 4 charakterisierte Regeleinrichtung
eignet sich zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0009] In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird eine kennfeldbasierte Bestimmung
der Verbrennungsschwerpunktlage anhand des Motor-Istzustands und der Ist-Durchbrennfunktion
und zur stationären Motorregelung verwendet. Die verfahrensdurchführende Regeleinrichtung
kann hierzu gemäß Anspruch 5 eine entsprechende Einheit zur Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage
aufweisen.
[0010] In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist dieser Stationärregelung
eine Instationärregelung überlagert, für die eingangsseitig neben dem Stationärreglerausgangssignal
die Information über den momentanen Betriebspunkt und/oder über die momentane Motorleistung
oder den Motorverbrauch berücksichtigt werden. Diese Art der Regelung kann durch eine
in Anspruch 6 charakterisierte Regeleinrichtung durchgeführt werden.
[0011] In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 erfolgt die Bestimmung der Ist-Durchbrennfunktion
mittels eines neuronalen Netzwerks. Dies ermöglicht deren problemlose Bestimmung in
Echtzeit, wozu die Generalisierungs- und Lernfähigkeit des Netzes sowie dessen Selbstorganisationsfunktion
zur selbständigen Herstellung einer Beziehung eines zu klassifizierenden Eingangssignals
zu einem gewollten Ausgangssignal genutzt werden kann. Durch Verwendung derartiger
künstlicher Intelligenz entfällt die Notwendigkeit, die für die Durchbrennfunktion
charakteristischen thermodynamischen Gleichungen in aufwendiger Weise mittels eines
Rechners in Echtzeit lösen und über dem Kurbelwinkel iterieren zu müssen.
[0012] Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
wird nachfolgend beschrieben.
[0013] Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Verbrennungsregelung für einen Otto-Verbrennungsmotor.
[0014] Die Regeleinrichtung mit dem gezeigten Aufbau überwacht den Istzustand des Verbrennungsablaufs
an dem zu regelnden Motor (1) mittels einer Istzustandserfassungseinheit (2), welche
die für den Verbrennungsvorgang relevanten Meßgrößen erfaßt und die übrigen relevanten
Motorparameter errechnet. Dies sind insbesondere die Motordrehzahl, die Anfangstemperatur
und der Anfangsdruck eines Arbeitszyklus sowie der Restgasgehalt und der Lambdawert.
Mittels dieser erfaßten Größen ist es einer nachgeschalteten Einheit (3) möglich,
die Soll-Durchbrennfunktion in der Ladungswechselphase des jeweiligen Arbeitszyklus
vorauszuberechnen. Die Durchbrennfunktion ergibt sich bekanntermaßen als Integral
des Brennverlaufs über der Zeit bzw. über dem Kurbelwinkel. Für die Vorausberechnung
der Durchbrennfunktion werden Einflußfaktorgleichungen zugrundegelegt, welche die
Einflüsse der einzelnen Betriebsparameter in ihrer Wirkung auf das Verhalten des Motors
voneinander getrennt beschreiben. Um also zu ermitteln, wie die Durchbrennfunktion
auf Änderungen der Betriebsparameter reagiert, wird vorab der Motortyp in geeigneten
Betriebspunkten indiziert und es werden systematische Meßreihen gefahren, bis die
Einflußfaktorgleichungen mit ausreichender Sicherheit bestimmt sind. Die Vorausberechnung
stützt sich auf geeignete Referenzpunkte, von denen mehrere über den gesamten Betriebsbereich
vorgesehen sind. Parallel dazu ist ein neuronales Netzwerk (4) vorgesehen, dem eingangsseitig
eine oder mehrere, für den Verbrennungsverlauf repräsentative, erfaßte Größen, beispielsweise
der Verlauf des Brennraumdrucks in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel und/oder der Lambdawert
und die Abgastemperatur, zugeführt werden und das hieraus in der Hochdruckphase des
jeweiligen Arbeitszyklus die zugehörige Ist-Durchbrennfunktion in Echtzeit ermittelt.
Durch die Verwendung einer solchen Stufe mit künstlicher Intelligenz ist es möglich,
die Ist-Durchbrennfunktion problemlos in Echtzeit zu ermitteln, ohne eine sehr rechenintensive
Lösung der zugrundeliegenden thermodynamischen Gleichungen und eine Iteration über
den Kurbelwinkel vornehmen zu müssen. Aus der ermittelten Durchbrennfunktion lassen
sich bekanntlich die brennverlaufrelevanten Größen, wie Brenndauer, scheinbarer Zündverzug,
Restgasgehalt und innerer Mitteldruck ableiten. Daneben ist gleichzeitig eine Klopferkennung
möglich, was einen separaten Klopfsensor überflüssig macht.
[0015] Einer anschließenden Vergleichsstufe (5) werden die Daten der vorausberechneten Soll-Durchbrennfunktion
und der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion zugeführt, woraufhin diese Einheit (5)
einen Soll-Istwertvergleich der Durchbrennfunktionen vornimmt. In Umkehrung des für
die Vorausberechnung der Durchbrennfunktion verwendeten funktionalen Zusammenhangs
ermittelt sie dann aktuelle Werte der die Durchbrennfunktion bestimmenden Einflußfaktoren,
wie Zündzeitpunkt, Lambdawert, Anfangstemperatur und Anfangsdruck, Restgasgehalt und
Drehzahl, in Abhängigkeit der maßgeblichen Durchbrennfunktionsparameter, wie Brenndauer,
scheinbarer Zündverzug und Formparameter, d.h. Steigungsanpassung der Durchbrennfunktionskurve,
dergestalt, daß diese Werte zu der vom neuronalen Netzwerk (4) in Echtzeit bestimmten
Ist-Durchbrennfunktion passen.
[0016] Diese Information über die optimalen, momentanen Einflußfaktorwerte wird einem nachgeschalteten
Stationärregler (6) zugeführt, der damit für die Bereitstellung optimierter Stellgrößen,
d.h. Zündzeitpunkt (ZZP), Einspritzbeginn (ti), Einspritzende (ta) und Drosselklappenwinkel
(DK), sorgt, wobei er für die Zündzeitpunktbestimmnung den scheinbaren Zündverzug
sowie die Verbrennungsschwerpunktlage und für den Lambdawert den scheinbaren Zündverzug,
die Brenndauer und den Formparameter der Durchbrennfunktion als Regelungskriterien
benutzt. Die Kenntnis der Verbrennungsschwerpunktlage wird ihm von einer vorgeschalteten
Einheit (6) geliefert, in der ein diesbezügliches Kennfeld abgelegt ist und der eingangsseitig
die Ist-Durchbrennfunktion vom neuronalen Netzwerk (4) sowie die aktuellen Meßgrößen
und Motorparameter der Istzustandserfassungseinheit (2) zugeführt sind.
[0017] Das Ausgangssignal des Stationärreglers (6) wird einem nachfolgenden Instationärregler
(9) zugeführt, der als Fuzzy-Regler oder als konventioneller PI(D)-Regler ausgeführt
ist. Als weitere Eingangsinformationen dienen die aktuelle Leistung und der aktuelle
Verbrauch im jeweiligen Arbeitszyklus, wie sie von einer vorgeschalteten Einheit (7)
aus der Ist-Durchbrennfunktion des neuronalen Netzes (4) und den Motor-Istzustandsdaten
der Istzustandserfassungseinheit (2) ermittelt werden. Mit den gleichen Eingangsinformationen
ermittelt eine dazu parallele Einheit (8), in der ein Betriebspunkt-Kennfeld abgelegt
ist, die Gewichtsfaktoren für die Art der fahrergewünschten Motorregelung, d.h. für
den jeweiligen Betriebspunkt hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Emission. Dabei
wird der Fahrerwunsch über die Drosselklappenänderung sowie durch Beobachten vergangener
Arbeitzyklen und eventueller Vorhersage des künftigen Arbeitszyklus erfaßt. Unter
Einbeziehung auch dieser Informationen korrigiert der Instationärregler (9) gegebenenfalls
das Ausgangssignal des Stationärreglers durch Berücksichtigung des Fahrwunsches und
der jeweiligen Betriebspunktanforderungen, wobei das gesamte, oben beschriebene Regelungsgeschehen
unter Beachtung des Zylindergleichlaufs für jeden Zylinder individuell abläuft. In
einer ausgangsseitigen Einheit (10) wird das Ausgangssignal des Instationärreglers
(9) in entsprechende Motor-Aktorstellgrößenwerte umgewandelt, die dem Motor (1) für
einen jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus zur Verfügung gestellt werden.
[0018] Das beschriebene Regelungskonzept ermöglicht eine kontrollierte Mehrgrößenregelung,
bei der Betriebspunktänderungen einer entsprechenden Stellgrößenänderung zugeordnet
werden. Es wird die tatsächliche Kraftstoffumsetzung in Wärmeenergie verfolgt und
entsprechend den vorgegebenen Randbedingungen, wie Fahrerwunsch und Betriebspunktanforderungen,
geregelt, was eine optimale Stellgrößenanpassung realisiert. Durch die Verwendung
eines neuronalen Netzes zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion und/oder eines Fuzzy-Reglers
als Instationärregler wird die Echtzeitanwendung dieser Regelung erleichtert. Eine
auf entsprechenden Fahrerwunsch zurückgehende Betriebspunktänderung wird an die Anforderungen
hinsichtlich Leistungswunsch, Verbrauch, Emmission, Laufruhe und Geräusch problemlos
angepaßt, und die Stellgrößenoptimierung erfolgt individuell für jeden Zylinder durch
thermodynamische Analyse und Auswertung der aus einer brennverlaufsbestimmenden Größe,
wie dem Brennraumdruckverlauf, mittels des neuronalen Netzes gewonnenen Ist-Durchbrennfunktion
und der vorausberechneten Soll-Durchbrennfunktion.
[0019] Es versteht sich, daß die in der Figur einzeln dargestellten Regelungseinheiten keine
separaten Bauteile zu sein brauchen, sondern vielmehr als einzelne Funktionseinheiten
zur Veranschaulichung des Regelungsablaufs anzusehen sind, die in geeigneter Weise
zu jeweiligen Regelungs-Hardwarekomponenten zusammengefaßt sein können.
1. Verfahren zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor, bei
dem
- die den Verbrennungsverlauf bestimmenden Stellgrößen (ZZP, ti, ta, DK) für einen
jeweils nachfolgenden Arbeitszyklus durch eine Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom
erfaßten Verbrennungsverlauf eines vorangegangenen Arbeitszyklus festgelegt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- eine Soll-Durchbrennfunktion für einen jeweiligen Arbeitszyklus während dessen Ladungswechselphase
mit Hilfe von erfaßten Istwerten von Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren eines vorangegangenen
Arbeitszyklus vorausberechnet wird,
- die Ist-Durchbrennfunktion während der Hochdruckphase des jeweiligen Arbeitszyklus
in Echtzeit ermittelt wird und
- die vorausberechnete Soll- mit der Ist-Durchbrennfunktion verglichen und daraus
aktualisierte Werte für die Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren gewonnen werden, die
der verbrennungsregelnden Bestimmung von Stellgrößenwerten (ZZP, ti, ta, DK) für einen
nachfolgenden Arbeitszyklus zugrundegelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die aktualisierten Werte für die Durchbrennfunktions-Einflußfaktoren zusammen mit
der für den jeweiligen Arbeitszyklus anhand eines Kennfeldes ermittelten Verbrennungsschwerpunktlage
zur Bestimmung von stationärbetriebsgeregelten Stellgrößenwerten (ZZP, ti, ta, DK)
herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die stationärbetriebsgeregelten Stellgrößenwerte unter Berücksichtigung des momentanen
Betriebspunktes und/oder der ermittelten momentanen Motorleistung und/oder dem ermittelten
momentanen Verbrauch geregelt in Instationärbetrieb-Stellgrößenwerte überführt werden.
4. Einrichtung zur Regelung des Verbrennungsablaufs bei einem Otto-Verbrennungsmotor,
mit
- einer Einheit (2) zur Erfassung von Motor-Istzustandsgrößen und
- einer Reglereinheit, (6, 9), deren Ausgangssignal die Einstellung der Motorstellglieder
bestimmt,
gekennzeichnet durch
folgende weitere Elemente zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 3:
- eine der die Motor-Istzustandsgrößen bestimmenden Einheit (2) nachgeschaltete Einheit
(3) zur Vorausberechnung der Soll-Durchbrennfunktion während einer Arbeitszyklus-Ladungswechselphase,
- eine Einheit (4) zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion während einer Arbeitszyklus-Hochdruckphase
und
- eine der Reglereinheit (6, 9) vorgeschaltete Einheit (5) zur Ermittlung der zur
jeweils ermittelten Ist-Durchbrennfunktion gehörigen Einflußfaktorwerte durch Vergleich
der vorausberechneten Soll-Durchbrennfunktion mit der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, weiter
gekennzeichnet durch
einer der Reglereinheit (6, 9) parallel zu der die Einflußfaktorwerte ermittelnden
Einheit (5) vorgeschaltete Einheit (6) zur kennfeldbasierten Bestimmung der Verbrennungsschwerpunktlage
anhand der ermittelten Ist-Durchbrennfunktion und der erfaßten Motor-Istzustandsgrößen.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Reglereinheit aus einem vorgeordneten Stationärregler (6) und einem nachgeordneten
Instätionärregler (9) besteht, wobei letzterem parallel zum Stationärregler eine Einheit
(7) zur aktuellen Leistungs- und Verbrauchsberechnung und/oder eine Einheit (8) zur
kennfeldbasierten Betriebspunktermittlung vorgeschaltet sind, denen jeweils die Ausgangssignale
der Einheit (4) zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion und der Einheit (2) zur
Erfassung der Istzustandsgrößen zugeführt sind.
7. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einheit zur Ermittlung der Ist-Durchbrennfunktion aus einem neuronalen Netzwerk
(4) besteht.