Titel

Verfahren zur Schätzung eines Zündwinkelspätanschlages eines Verbrennungsmotors sowie eine Vorrichtung zur Schätzung des Zündwinkelspätanschla- ges des Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Zündwinkelspätanschlages eines Verbrennungsmotors, bei welchem ein Moment zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors abgegeben wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Bei Verbrennungsmotoren, wie Ottomotoren, wird eine Motorsteuerung verwen- det, bei welcher über einen Zündwinkel des Ottomotors das abgegebene Moment eingestellt wird. Dabei wird ein tatsächlich auftretender Ist-Zündwinkel des Verbrennungsmotors vorgegeben und mit einem optimalen Zündwinkel verglichen. Bei Abweichung des Ist-Zündwinkels vom optimalen Zündwinkel wird die Momentenbeeinflussung über eine Kennlinie dargestellt, welche als Zündwinkel- Wirkungsgrad bezeichnet wird und die Funktion einer Differenz zwischen dem optimalen Zündwinkel und dem vorgegebenen Ist-Zündwinkel darstellt. Diese Kennlinie und ihre Invertierung tragen zu der Berechnung des Ist-Momentes, mit welcher der Verbrennungsmotor angesteuert wird, und zur Realisierung von

Momentenreserven für den Verbrennungsmotor bei.

Es ist bekannt, einen Zündwinkelspätanschlag zu ermitteln, bei welchem ein schnelleres Aufheizen eines Katalysators des Verbrennungsmotors erreicht wird. Allerdings ist dieser real verfahrbare Zündwinkelspätanschlag für jeden Verbrennungsmotor unterschiedlich, da er von einer Alterung des Verbrennungsmotors, der Serienstreuung über neue Verbrennungsmotoren und ähnlichen Einflüssen abhängt. Somit entsprechen die zur Ansteuerung des Verbrennungsmotors bestimmten Momente nicht den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors und können daher mit Fehlern behaftet sein.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schätzung des Zündwinkelspätanschlages eines Verbrennungsmotors anzugeben, bei wel- ehern Betriebsbedingungen eines konkreten Verbrennungsmotors berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ausgehend von einer Referenzmessung, bei welcher die während mindestens einer Verbrennung um- gesetzte Energie ermittelt wird, eine stufenweise Zündwinkelspätverstellung erfolgt, wobei in jeder Stufe der Zündwinkelspätverstellung die umgesetzte Energie bestimmt und eine Standardabweichung ermittelt wird, welche mit einem

Schwellwert verglichen wird, wobei der Zündwinkelspätanschlag erreicht ist, wenn der Schwellwert überschritten ist. Da die Schätzung des Zündwinkelspät- anschlages von der tatsächlich während einer Verbrennung des Verbrennungsmotors umgesetzten Energie abgeleitet wird, werden auch die Alterung bzw. Serienstreuungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt, weshalb eine genaue Momentenberechnung möglich wird. Vorteilhafterweise erfolgt die Schätzung des Zündwinkelspätanschlages in einem annähernd stationären Betriebspunkt des Verbrennungsmotors. Da in einem solchen stationären Betriebspunkt nur wenig Dynamik vorhanden ist, lässt sich die Momentenberechnung sehr genau einstellen, da nur geringe Drehzahländerungen und keine Gangwechsel auftreten, welche Einfluss auf die

Momentenberechnung ausüben. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass der Katalysator seine Konvertierungstemperatur bereits erreicht hat.

In einer Alternative wird für alle Zylinder des Verbrennungsmotors gleichzeitig die Referenzmessung ohne eine Momentenreserveanforderung durchgeführt und anschließend die Momentenreserve schrittweise erhöht, wodurch eine Verschiebung des ausgegebenen Zündwinkels nach spät erfolgt. Unter der Momenten reserve wird dabei ein schnell einstellbares Moment über dem Zündwinkel verstanden. Wird von der Motorsteuerung eine Zündwinkelspätverstellung gefordert, wird eine Momentenreserve angefordert. Als Folge davon wird die Kraftstofffüllung erhöht und das überschüssige Moment wird über die Zündwin- kelspätverstellung abgebaut. Ist nun ein schneller Momenteneingriff erforderlich, braucht nur noch der Zündwinkel nach früh verstellt werden. Die erforderliche Mehrfüllung an Kraftstoff ist schon vorhanden.

In einer Alternative wird für einen Zylinder die Referenzmessung ohne Zündwin- kelverstellung durchgeführt, wobei anschließend eine stufenweise Zündwinkelspätverstellung des Zylinders erfolgt. Durch diese Vorgehensweise bleibt der Fahrkomfort des Kraftfahrzeuges unbeeinflusst.

In einer Variante entspricht die Dauer jeder Stufe der Zündwinkelspätverstellung einer vorgegebenen Anzahl von Arbeitsspielen jedes Zylinders des Verbrennungsmotors. Dieses Verfahren kann einfach softwaremäßig im Steuergerät des Kraftfahrzeuges ausgeführt werden. Auf zusätzliche konstruktive Bauteile wird verzichtet. In einer Ausgestaltung wird die in der Verbrennung umgesetzte Energie in Abhängigkeit des Brennraumdruckes des jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors und/oder daraus abgeleiteter Größen bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass für die Motorsteuerung des Verbrennungsmotors bereitgestellte Signale durch bereits im Verbrennungsmotor verbaute Brennraumdrucksensoren für die Schätzung des Zündwinkelspätanschlages genutzt werden.

Alternativ wird die bei der Verbrennung umgesetzte Energie in jedem Zylinder des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit eines aktuellen Drehzahlsignales, insbesondere aus einzelnen Zahnzeiten eines Geberrades einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, berechnet, wobei das Drehzahlsignal eine Information über eine Differenz einer umgesetzten physikalischen Energie oder Arbeit während der Verbrennung in dem Zylinder beinhaltet. Diese Maßnahme stellt ein sehr kostengünstiges Verfahren dar, da auf die kostenintensiven Brennraumdrucksensoren verzichtet werden kann und die Schätzung des Zündwinkelspätanschlages allein mit softwaremäßigen Maßnahmen ausgeführt werden kann. Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schätzung eines Zündwinkelspätanschlages eines Verbrennungsmotors, welche eine

Momentenbestimmungseinheit zur Bestimmung eines Momentes zur Ansteue- rung des Verbrennungsmotors umfasst. Bei einer Vorrichtung, welche eine genaue Schätzung des Zündwinkelspätanschlages erlaubt, sind Mittel vorhanden, welche ausgehend von einer Referenzmessung, in der die während mindestens einer Verbrennung umgesetzte Energie ermittelt wird, eine stufenweise Zündwinkelspätverstellung einstellen, wobei in jeder Stufe der Zündwinkelspätverstellung die umgesetzte Energie bestimmt und aus eine Standardabweichung ermittelt wird, welche mit einem Schwellwert verglichen wird, wobei der Zündwinkelspätanschlag erreicht ist, wenn der Schwellwert überschritten ist. Dies hat den Vorteil, dass die Schätzung des Zündwinkelspätanschlages von der tatsächlich während einer Verbrennung des Verbrennungsmotors umgesetzten Energie abgeleitet wird, wobei die Alterung bzw. Serienstreuungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt werden, weshalb eine genaue Momentenberechnung möglich wird.

Vorteilhafterweise führen die Mittel für alle Zylinder des Verbrennungsmotors gleichzeitig die Referenzmessung ohne Momentenreserveanforderung durch und erhöhen anschließend die Momentenreserve schrittweise, wodurch eine Verschiebung des ausgegebenen Zündwinkels nach spät erfolgt.

In einer Alternative führen die Mittel für einen Zylinder des Verbrennungsmotors die Referenzmessung ohne Zündwinkelverstellung durch und stellen anschließend eine stufenweise Zündwinkelspätverstellung des Zylinders ein.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 : ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug,

Fig. 2: ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 4: eine Prinzipdarstellung des Zusammenhanges der umgesetzten Energie bei stufenweiser Zündwinkelspätverstellung eines Zylinders des Verbrennungsmotors,

Fig.5 Darstellung einer möglichen Kennlinie der umgesetzten Energie über der Zündwinkelspätverstellung mit Standardabweichung.

Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung einer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor 1. Der Verbrennungsmotor 1 weist in diesem Beispiel vier Zylinder 2, 3, 4, 5 auf, deren nicht weiter dargestellte Kolben, welche sich in den Zylindern 2, 3, 4, 5 bewegen, über jeweils eine Pleuelstange 6, 7, 8, 9 mit der Kurbelwelle 10 verbunden sind und diese durch die während der Verbrennung verursachten Druckänderungen antreiben. Die Zylinder 2, 3, 4, 5 sind mit einem Saugrohr 1 1 verbunden, welches durch eine Drosselklappe 12 gegenüber einem Luftansaugrohr 13 abgeschlossen ist. In jeden Zylinder 2, 3, 4, 5 ragt eine Düse zur Einspritzung von Kraftstoff, wodurch sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Darüber hinaus weist jeder Zylinder 2, 3, 4, 5 ein Einlassventil 15 für die Frischluft und ein Auslassventil 16 für die Abgase, die während des Verbrennungsprozesses entstehen, auf, welche nur beispielhaft für den Zylinder 5 dargestellt sind. Im Brennraum 22 jedes Zylinders 2, 3, 4, 5 ist ein Drucksensor 17 angeordnet, welcher die Druckveränderung in dem Zylinder 2, 3, 4, 5 des Verbrennungsmotors 1 detektiert, die durch die Verbrennungen verursacht werden. Die Signale des Drucksensors 17 werden an ein Steuergerät 18 weitergeleitet, welches auch mit einem, der Kurbelwelle 10 gegenüberliegenden Kurbelwellenwinkelsensor 19 verbunden ist, wobei das Steuergerät 18 die Verbrennungen dem Kurbelwellenwinkelsignal des Kurbelwellenwinkelsensors 19, welcher vorzugsweise als Drehzahlsensor ausgebildet ist, zuordnet. Das Steuergerät 18 umfasst dabei einen Mikroprozessor 20, der mit einem Speicher 21 verbunden ist. Aus dem Kurbelwellenwinkel, welcher von dem Kurbelwellenwinkelsensor 19 ermittelt wird, lässt sich gleichzeitig auch die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 von dem Steuergerät 18, insbesondere dem Mikroprozessor 20, ermitteln. Um eine Zündwinkelspätverstellung für jeden einzelnen Verbrennungsmotor 1 einstellen zu können und diesen an die Lebensdauer des Verbrennungsmotors 1 anzupassen, werden zwei Verfahren vorgeschlagen. Gemäß Fig. 2 wird die Schätzung des Zündwinkelspätanschlages über eine stufenweise Erhöhung der Momenten reserve des Verbrennungsmotors 1 über alle Zylinder 2, 3, 4, 5 gleichzeitig ausgeführt. Dabei wird im Schritt 100 eine Referenzmessung der in den Zylindern 2, 3, 4, 5 umgesetzten Energie durchgeführt, bei welcher keine

Momentenreserve angefordert wird. Die umgesetzte Energie wird durch den im Brennraum der Zylinder 2, 3, 4, 5 auftretenden indizierten Mitteldruck pmi charak- terisiert, welcher durch den jeweiligen Drucksensor 17 als Drucksignal an das

Steuergerät 18 ausgegeben wird und der als Parameter für den Verbrennungs- prozess im Mikroprozessor 20 des Steuergerätes 18 ausgewertet wird Dieser umgesetzte Mitteldruck pmi wird abgespeichert (Schritt 1 10). Im darauffolgenden Schritt 120 wird eine erste Erhöhung (n=1 ) der Momentenreserve von dem Steu- ergerät 18 angefordert. Dabei wird wiederum der indizierter Mitteldruck pmi _n gemessen und abgespeichert (Schritt 130). Aus dem abgespeicherten indizierten Mitteldruck pmi _n wird im Schritt 140 eine Standardabweichung S gebildet. Im Schritt 150 wird die Standardabweichung S mit einem Schwellwert SW verglichen. Ist die Standardabweichung S kleiner/gleich dem Schwellwert SW wird die nächste Stufe der Momentenerhöhung n = n+1 angefordert (Schritt 160) und zum

Schritt 130 zurückgekehrt. Erst wenn im Schritt 150 festgestellt wird, dass die Standardabweichung S größer ist als der Schwellwert SW, wird der zu diesem indizierten Mitteldruck pmi gehörende Zündwinkel als Zündwinkelspätanschlag im Schritt 170 erkannt und das Programm im Schritt 180 beendet.

Bei dem vorliegenden Verfahren muss aber nicht unbedingt das Signal des Drucksensors 17 verwendet werden. Bei nicht vorhandenem Drucksensor 17 kann auf die sogenannten Mechanical Work Features (MWF) zurückgegriffen werden, welche aus der DE 10 2008 054 690 A1 bekannt sind, und bei welchen der Zündwinkel für einen vorgegebenen Zylinder des Verbrennungsmotors in

Abhängigkeit eines aktuellen Drehzahlsignals, insbesondere aus einzelnen Zahnzeiten eines Geberrades der Kurbelwelle 10 des Verbrennungsmotors 1 , berechnet wird. Das Drehzahlsignal enthält eine Information über eine Differenz einer umgesetzten physikalischen Energie oder Arbeit während der Verbrennun- gen, welche sich wie der durch den Drucksensor 17 gemessenen Brennraumdruck pmi verhält. Dazu wird die Energie der Kurbelwelle 10 zu jeweils einem ausgewählten Zeitpunkt bzw. zu einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel vor und nach der Verbrennung in dem betreffenden Zylinder aus dem Drehzahlsignal berechnet und daraus die Differenz bestimmt. Diese Differenz stellt ein Maß für die durch die jeweilige Verbrennung umgesetzte physikalische Energie bzw. Ar- beit dar.

Dieses Verfahren wird bei dem zweiten Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren für die Schätzung des Zündwinkelspätanschlages verwendet, welches mit Hilfe einer stufenweisen Zündwinkelspätverstellung eines der Zylin- der 2, 3, 4, 5 des Verbrennungsmotors 1 durchgeführt wird, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Im Schritt 200 wird eine Referenzmessung ohne eine Zündwinkelverstellung durchgeführt und die Mechanical Work Features (MWF) ermittelt. Im Schritt 210 wird diese Mechanical Work Features (MWF) abgespeichert. Daraufhin wird im Schritt 220 der Zündwinkel um einen vorgegebenen Zündwinkel in Richtung spät für den zu untersuchenden Zylinder 2, 3, 4, 5 verstellt. Die Dauer der Messung kann dabei über eine vorgegebene Anzahl von Arbeitsspielen des jeweiligen Zylinders 2, 3, 4, 5 erfolgen. Für diesen Zündwinkel werden wiederum die Mechanical Work Features (MWF) ermittelt und abgespeichert (Schritt 230). Im darauffolgenden Schritt 240 wird aus dem abgespeicherten Mechanical Work Features (MWF) eine Standardabweichung S gebildet, welche im Schritt 250 mit einem Schwellwert SW verglichen wird. Ist die Standardabweichung kleiner/ gleich dem Schwellwert, wird im Schritt 260 die nächste Stufe der Zündwinkelverstellung eingestellt und zum Schritt 230 zurückgekehrt. Wird aber in Schritt 250 festgestellt, dass die Standardabweichung S den Schwellwert übersteigt, wird der zu dem letzten Mechanical Work Features (MWF) gehörende Zündwinkel als Zündwinkelspätanschlag im Schritt 270 erkannt und im Schritt 280 das Programm beendet.

Fig. 4 zeigt das Verhalten der während der Verbrennung umgesetzten Energie bei der Spätverstellung des Zündwinkels, wobei die umgesetzte Energie über das Mechanical Work Feature (MWF) ermittelt wurde, welches über dem induzierten Mitteldruck PMI dargestellt ist. Der Pfeil P zeigt dabei die Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät an. Daraus wird deutlich, dass je mehr der Zündwinkel in Richtung spät verstellt wurde, die Energie, welche im Zylinder 2, 3, 4, 5 verarbeitet wurde, immer kleiner wird. Fig. 5 zeigt eine Kennlinie, welche aus den beschriebenen Messungen berechnet wurde. Dabei ist der indizierte Mitteldruck pmi bzw. das Mechanical Work Features MWF über der Abweichung zwischen den vorgegebenen Zündwinkel vom Zündwinkel ohne Spätverstellung dargestellt, was die Standardabweichung S charakterisiert. Mit zunehmender Spätverstellung vergrößert sich die Abweichung des vorgegebenen Zündwinkels zum Zündwinkel ohne Spätverstellung, so dass der Zündwinkelspätanschlag, bei welchem ein schnelleres Aufheizen des Katalysators möglich wird, einfach detektierbar ist.