EP2948663A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern einer brennkraftmaschine mit einem variablen verdichtungsverhältnis - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum steuern einer brennkraftmaschine mit einem variablen verdichtungsverhältnis

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EP2948663A1
EP2948663A1 EP14703526.5A EP14703526A EP2948663A1 EP 2948663 A1 EP2948663 A1 EP 2948663A1 EP 14703526 A EP14703526 A EP 14703526A EP 2948663 A1 EP2948663 A1 EP 2948663A1
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EP
European Patent Office
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compression ratio
internal combustion
combustion engine
operating
operating variable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14703526.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reza Azadeh
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2700/00—Mechanical control of speed or power of a single cylinder piston engine
    • F02D2700/03—Controlling by changing the compression ratio

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, wherein a compression ratio is adjusted by means of an adjusting device to a desired compression ratio, wherein in a normal operating mode of the internal combustion engine, the target compression ratio is determined in dependence on an operating variable of the internal combustion engine.
  • the invention further relates to an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is used for example for driving a motor vehicle.
  • the internal combustion engine has a variable compression ratio, wherein the adjusting device is used to set the predetermined target compression ratio of the internal combustion engine.
  • the target compression ratio of the internal combustion engine is set, for example, such that the lowest possible fuel consumption is achieved.
  • the knock limit of the fuel must be taken into account. With a low applied to the engine load torque, therefore, a larger target compression ratio is selected as at a higher load torque.
  • the target compression ratio is set in a coasting operation of the internal combustion engine, in which it is entrained by an external torque, at idle and at partial load up to a certain load torque to a maximum compression ratio of the internal combustion engine.
  • the actual compression ratio must be reduced as quickly as possible to provide this load torque can, without the knock limit of the fuel is exceeded.
  • the ignition angle can be set, for example, until the now-reduced target compression ratio is reached by the actual compression ratio such that the knock limit is maintained, thus avoiding knocking operation of the internal combustion engine. For this purpose, the ignition angle is adjusted, for example, to late. If, however, the load torque is reduced, the compression ratio should be increased as quickly as possible in order to
  • CONFIRMATION COPY to reduce fuel consumption.
  • the adjustment itself is due to the limited positioning speed to realize only with a higher fuel consumption.
  • the Istverdichtungst runs the Sollverdichtungssch far behind.
  • the target compression ratio is determined only after reaching the new operating point from the operating variable of the internal combustion engine and subsequently adjusted by means of the adjusting device, so that the time offset between the Istverdichtungsfound and the actually optimal compression ratio is very large.
  • the document EP 1 293 659 B1 discloses the prior art. This describes a control system for an internal combustion engine having a compression ratio control device, an acceleration parameter obtaining device, an acceleration determining device and a control device. It is now envisaged that the controller reduces a compression ratio reduction rate at which the engine compression ratio during engine acceleration is reduced when the engine is in a slow acceleration state as compared to a compression ratio reduction rate at which the compression ratio during engine acceleration is reduced when the engine is in a fast acceleration state.
  • the controller is to delay a compression ratio reduction start time at which the reduction of the engine compression ratio during the engine acceleration is started when the engine is in a slow acceleration state, as compared with a compression ratio reduction start time at which the reduction of the engine compression ratio during acceleration is started when the engine is in a fast acceleration state.
  • the document DE 102 20 598 B3 describes a method for adjusting the ignition angle to the compression ratio of an internal combustion engine, the document DE 10 2004 031 288 A1 an internal combustion engine with variable compression ratio and a method for their operation and the document DE 10 201 1 017 181 A1 a method for operating an adjusting device for variably setting a compression ratio of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is at least temporarily operated in a prediction mode, in which the target compression ratio is determined based on an expected estimation operation variable, which is estimated based on the current gradient of the operating variable over time.
  • the desired compression ratio is now determined not from the current operating variable, but rather from an expected value for the operating variable, namely the estimated operating variable.
  • This estimated operation quantity is estimated, for example, from the current gradient of the operation quantity.
  • the time profile of the operating variable over time is considered, and the expected value of the operating variable is calculated from the slope of this curve at the momentary time. This is done, for example, by means of a mathematical relationship of the kind where M t is the operation amount at the current time, dM t / dt is the gradient of the operation amount over time, and At is the time from the current time to a future time. From these quantities, the estimated operation quantity ⁇ (+ ⁇ (which is to be expected in the future time point) is obtained, so the estimated operation amount is estimated for a time point which is the certain time period ⁇ t in the future.
  • the desired compression ratio is determined analogously to the procedure for the operating variable in the normal operating mode.
  • a mathematical relationship, a table or a map is used, wherein in the normal mode, the operating size and in the prediction mode, the estimated operating size serves as an input, while the target compression ratio is an output.
  • the operating variable is, for example, a momentary desired operating variable, which is set on the internal combustion engine, or an actual operating variable, which actually has the internal combustion engine.
  • the target operating variable is determined from a default operating variable, which in turn results from a specification of the driver and / or a specification of a driver assistance device of the motor vehicle.
  • the setpoint operating variable is then adjusted to the internal combustion engine, so that the actual operating variable, namely the actual operating variable, changes in the direction of the setpoint operating variable. For example, while the setpoint operating variable is determined directly from the default operating variable, the actual operating variable follows the setpoint operating variable.
  • the target compression ratio is determined dictatively, so that the actuating device can already be actuated, even if the internal combustion engine is not yet in the new operating point is present.
  • the setpoint compression ratio is usually determined from the operating variable only when the internal combustion engine is present at the new operating point. Consequently, the setpoint compression ratio and, correspondingly, the actually existing actual compression ratio of the operating variable of the internal combustion engine always follow. This is at least partially prevented by the operation of the internal combustion engine in the prediction mode.
  • the prediction mode is initiated when the threshold value is exceeded by the gradient of a control element variable over time and / or by the gradient of the operating variable over time. Normally, the internal combustion engine is operated in the normal mode. If, however, at least one of the stated conditions is fulfilled, the system switches to the prediction mode.
  • the control element size is the value returned by a control element, the control element being, for example, an accelerator pedal of the motor vehicle. It is immediately obvious that a quick operation of the control element by the driver has a high gradient of the control element size result. Accordingly, it can be concluded from the exceeding of the threshold value by the gradient of the operating element size that the operating variable will change rapidly.
  • the operating variable is present for example as a desired operating variable, which is predetermined in particular by a driver assistance device.
  • the prediction mode is therefore preferably initiated not only on the driver's request, but also if a driver assistance device causes a rapid load change.
  • a development of the invention provides that the instantaneous load torque of the internal combustion engine is used as the operating variable. Accordingly, the operating variable is an actual operating variable of the internal combustion engine. By using the instantaneous load torque or its gradients, the desired compaction ratio required in the future can be determined particularly accurately.
  • the estimated operating variable is estimated regularly during the execution of the prediction mode.
  • the estimated operating variable and determined from this the target compression ratio are updated at specific time intervals. In this way, the highest possible accuracy of the estimation of the expected estimated operational variable is achieved. This leads to a rapid setting of the compression ratio to the compression ratio required in the future, with which a fuel-efficient operation of the internal combustion engine can be performed.
  • a further development of the invention provides that the derivative of the gradient of the operating variable is determined and the prediction mode is terminated when the threshold falls below or exceeds a threshold value. So it's not just the Gradient of the farm size itself, but also determined its derivative. If the gradient changes too much, indicated by the derivative exceeding the threshold, the estimated operating quantity can not be reliably determined based on the gradient of the operating quantity. For this reason, the prediction mode is ended and the normal mode is performed again. Thus, it is possible to avoid false predictions of the estimated operating variable and, based thereon, non-correct target compression ratios, which could otherwise lead to impairment of the operating behavior of the internal combustion engine. On the other hand, under certain circumstances, if the gradient is too weak, no estimation is necessary, but rather the determination of the nominal compression ratio in the normal mode of operation is sufficient. This fact is taken into account by the fact that the prediction mode is terminated when falling below.
  • the prediction mode is ended when the gradient of the operating element size and / or the gradient of the operating variable falls below the threshold value.
  • This condition may be applied additionally or alternatively to the condition described above. Again, it is provided upon satisfaction of the condition to terminate the prediction mode and again perform the normal mode. If the threshold value is undershot, this means that now only a slow change of the operating variable and thus of the target compression ratio will take place. In this case, however, the actuating speed of the actuating device is sufficient to sufficiently quickly track the compression ratio to the target compression ratio even in the normal operating mode. The prediction of the estimated operating variable is therefore no longer necessary.
  • the prediction mode is initiated when one of the variables is exceeded when a first threshold value is exceeded and terminated when it falls below a second threshold value.
  • the first threshold value and the second threshold value are particularly preferably chosen differently.
  • the first threshold value is greater than the second threshold value, so that in this respect a hysteresis-like behavior is achieved. In this way, when the amount compared with the threshold value fluctuates around it, no constant switching between the normal mode and the prediction mode is caused.
  • the ignition angle is optimally selected during the prediction mode. It was explained at the beginning that due to the trailing of the actual compression ratio to the nominal compression ratio at a see load change a change in the ignition angle may be necessary to comply with the knock limit. Because the anticipated determination of the estimated operating variable and hence the target compression ratio achieves the desired compression ratio by the internal combustion engine faster than in known methods, such a deterioration of the ignition angle can be dispensed with. Rather, the ignition angle is always optimally selected. Alternatively, however, such a Zündwinkelver ein be made, but to a lesser extent than in known from the prior art method.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the position of a control element is used as the control element size.
  • the position describes the position of the operating element, in which it is brought by a user, for example by the driver of the motor vehicle. With a suitable choice of the control element can therefore be concluded that an expected rapid change in the operating size of the internal combustion engine.
  • an accelerator pedal for example, an accelerator pedal, a brake pedal or a clutch is used as the control element.
  • the driver of the motor vehicle triggers transient events, such as a start, an acceleration or deceleration.
  • the invention further relates to an internal combustion engine, particularly for performing the method described above, egg with an adjusting means for adjusting, to determine nes compression ratio to a target compression ratio, said internal combustion engine is configured in a normal mode, the target compression ratio as a function of an operating variable of the internal combustion engine ,
  • the internal combustion engine is designed to be operated at least temporarily in a prediction mode in which the target compression ratio is determined based on an expected estimated operating variable, which is estimated based on the instantaneous gradient of the operating variable over time.
  • Figure 1 is a diagram in which a control element size, a load torque of a
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method for operating the internal combustion engine with a variable compression ratio.
  • FIG. 1 shows a diagram in which different quantities are plotted over time t.
  • a course 1 shows the course of a control element size, this control element representing the position of an operating element of a motor vehicle, namely, for example, an accelerator pedal. It is clear that a driver of the motor vehicle from the time t 0 changed the position of the accelerator pedal to achieve or compensate for a higher load torque of the internal combustion engine of the motor vehicle. The change in the position of the accelerator pedal is completed at time t 2 . Until the time t 3 , the position remains constant. Subsequently, it is again changed by the driver until the time t 5 , to adjust or compensate for a lower load torque of the internal combustion engine. The course of the load torque is represented by a course 2. It becomes clear that the load torque lags behind the control element size.
  • the internal combustion engine has an adjusting device, by means of which a compression ratio in the cylinders of the internal combustion engine is adjustable.
  • the compression ratio indicates the ratio of the cylinder volume before compression to the cylinder volume after compaction.
  • a target compression ratio is set on the internal combustion engine or the adjusting device.
  • the course of this target compression ratio is indicated by the course 3. It is clear that the target compression ratio changes with a change in the load torque of the internal combustion engine, which is used as an operating variable, starting from a maximum value until a minimum value is reached.
  • the tracking of the actual compression ratio takes place relatively quickly.
  • the setpoint compression ratio is to be determined as a function of an operating variable of the internal combustion engine, with the load torque being used as the operating variable, for example.
  • the target compression ratio should be determined based on an expected estimation operation amount, and this estimated operation amount is estimated based on the current gradient of the operation amount over time. The target compression ratio is therefore not set to the currently present operating point of the internal combustion engine, but to an operating point expected in the future. In this way, adjusting the Istverdichtungsletss to an optimal compression ratio, with which a fuel-efficient operation of the internal combustion engine is possible to take place at abrupt load changes significantly faster than in the normal mode.
  • FIG. 2 shows a flowchart in which the procedure for the prediction mode is reproduced.
  • the method begins at a starting point 5.
  • a branch 6 it is checked whether the gradient of a control element variable, in the embodiment described here, the position of the accelerator pedal, is different from zero. If this is the case, it is checked in the context of a branch 7 whether the gradient is greater than a threshold value.
  • a threshold value In this case, an absolute value is used for the gradient, so that both in the case of a change in the position directed to a reduction of the load torque and in the case of a change in the position directed from the normal mode to an increase of the load torque, the mode of operation is changed to the prediction mode, if said condition is met ,
  • the gradient of the operating variable for example the Gradient of the instantaneous load torque of the internal combustion engine, determined.
  • the estimated operating variable is determined in operation 9 and the desired compression ratio is determined therefrom.
  • the estimated operating variable is determined for a time which is a certain period of time in the future.
  • the operations 8 and 9 are thereby performed, which is indicated by the enclosure 10, at a time t.
  • the derivation of the gradient of the operating variable is determined in the context of an operation 1 1, in particular the two-fold derivative of the load torque of the internal combustion engine.
  • an operation 1 in particular the two-fold derivative of the load torque of the internal combustion engine.
  • the operation 1 as indicated by the enclosure 12, performed only at a time t following the time t + At.
  • a branch 13 checks whether the derivative is less than a limit value. If this is the case, the prediction mode is terminated in the course of an operation 14 and the normal operating mode is again carried out, because a prediction is not necessary with a small value of the derivative. If, on the other hand, the derivative of the gradient of the operating variable is greater than the threshold value, then with the now current gradient of the operating variable at time t + ⁇ t within the scope of operation 15, the estimated operating variable and hence the target compression ratio are updated.
  • the determination of the target compression ratio takes place in the prediction mode analogous to the procedure in the normal operating mode, but instead of the operating variable, the estimated operating variable is taken as the basis.
  • the determination is made, for example, by means of a mathematical relationship, a table or a characteristic map, wherein in the normal mode the operating variable and in the prediction mode the estimated operating variable is used as the input variable.
  • the output variable is below the target compression ratio.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Verdichtungsverhältnis mittels einer Stelleinrichtung auf ein Sollverdichtungsverhältnis eingestellt wird, wobei in einer Normalbetriebsart der Brennkraftmaschine das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine zumindest zeitweise in einer Prädiktionsbetriebsart betrieben wird, in welcher das Sollverdichtungsverhältnis anhand einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt wird, die auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM STEUERN EINER BRENNKRAFTMASCHINE MIT EINEM VARIABLEN VERDICHTUNGSVERHÄLTNIS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Verdichtungsverhältnis mittels einer Stelleinrichtung auf ein Sollverdichtungsverhältnis eingestellt wird, wobei in einer Normalbetriebsart der Brennkraftmaschine das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.
Die Brennkraftmaschine dient beispielsweise dem Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine weist ein variables Verdichtungsverhältnis auf, wobei die Stelleinrichtung dazu dient, das vorgegebene Sollverdichtungsverhältnis an der Brennkraftmaschine einzustellen. Ändert sich also das Sollverdichtungsverhältnis, so wird das tatsächlich vorliegende Istverdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine mithilfe der Stelleinrichtung dem Sollverdichtungsverhältnis nachgeführt. Dabei erreicht die Stelleinrichtung jedoch lediglich eine begrenzte Stellgeschwindigkeit. Das Sollverdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine wird beispielsweise derart festgelegt, dass ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Dabei muss jedoch die Klopfgrenze des Kraftstoffs berücksichtigt werden. Bei einem geringen an der Brennkraftmaschine anliegenden Lastmoment wird daher ein größeres Sollverdichtungsverhältnis gewählt als bei einem höheren Lastmoment. Insbesondere wird das Sollverdichtungsverhältnis in einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine, in welchem sie von einem externen Drehmoment mitgeschleppt wird, im Leerlauf und bei Teillast bis zu einem bestimmten Lastmoment auf ein maximales Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine eingestellt.
Wird das Lastmoment der Brennkraftmaschine, beispielsweise aufgrund einer Vorgabe eines Fahrers des Kraftfahrzeugs, vergrößert, so muss das tatsächlich vorliegende Verdichtungsverhältnis so schnell wie möglich verringert werden, um dieses Lastmoment bereitstellen zu können, ohne dass die Klopfgrenze des Kraftstoffs überschritten wird. Aufgrund der begrenzten Stellgeschwindigkeit kann beispielsweise bis zum Erreichen des nunmehr verringerten Sollverdichtungsverhältnisses durch das Istverdichtungsverhältnis der Zündwinkel derart eingestellt werden, dass die Klopfgrenze eingehalten wird, klopfender Betrieb der Brennkraftmaschine also vermieden wird. Dazu wird der Zündwinkel beispielsweise nach Spät verstellt. Wird dagegen das Lastmoment verkleinert, so soll das Verdichtungsverhältnis möglichst rasch vergrößert werden, um
BESTÄTIGUNGSKOPIE den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Die Verstellung selbst ist jedoch aufgrund der begrenzten Stellgeschwindigkeit lediglich mit einem höheren Kraftstoffverbrauch zu realisieren.
Bei einem Wechsel des Betriebspunkts beziehungsweise einer Änderung des Lastmoments mit geringerer Geschwindigkeit ist dies unproblematisch, weil die Stellgeschwindigkeit der Stelleinrichtung ausreichend ist. Bei dynamischen Lastwechseln, also einer raschen Veränderung des Betriebspunkts beziehungsweise des Lastmoments, läuft dagegen das Istverdichtungsverhältnis dem Sollverdichtungsverhältnis weit hinterher. Insbesondere wird das Sollverdichtungsverhältnis erst nach Erreichen des neuen Betriebspunkts aus der Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt und nachfolgend mittels der Stelleinrichtung eingestellt, sodass der zeitliche Versatz zwischen dem Istverdichtungsverhältnis und dem eigentlich optimalen Verdichtungsverhältnis sehr groß ist.
Aus dem Stand der Technik ist die Druckschrift EP 1 293 659 B1 bekannt. Diese beschreibt ein Steuerungssystem für eine Brennkraftmaschine, die eine Verdichtungsverhältnis-Steuerungsvorrichtung, eine Beschleunigungsparameter-Erlangungseinrichtung, eine Beschleunigungs-Bestimmungseinrichtung sowie eine Steuereinrichtung aufweist. Es ist nun vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung eine Verdichtungsverhältnis- Verminderungsgeschwindigkeit vermindert, mit der das Motorverdichtungsverhältnis während der Motorbeschleunigung vermindert wird, wenn der Motor in einem langsamen Beschleunigungszustand ist, im Vergleich zu einer Verdichtungsverhältnis- Verminderungsgeschwindigkeit, mit der das Verdichtungsverhältnis während der Motorbeschleunigung vermindert wird, wenn der Motor in einem schnellen Beschleunigungszustand ist. Zudem soll die Steuerungseinrichtung eine Verdichtungsverhältnis- Verminderungsstartzeit verzögern, bei der die Verminderung des Motorverdichtungsverhältnisses während der Motorbeschleunigung gestartet wird, wenn der Motor in einem langsamen Beschleunigungszustand ist, im Vergleich zu einer Verdichtungsverhältnis- Verminderungsstartzeit, bei der die Verminderung des Motorverdichtungsverhältnisses während der Beschleunigung gestartet wird, wenn der Motor in einem schnellen Beschleunigungszustand ist.
Weiterhin beschreiben die Druckschrift DE 102 20 598 B3 ein Verfahren zum Anpassen des Zündwinkels an das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine, die Druckschrift DE 10 2004 031 288 A1 eine Brennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb und die Druckschrift DE 10 201 1 017 181 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welches den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere auch bei einer raschen Veränderung des Betriebspunkts beziehungsweise des Lastmoments der Brennkraftmaschine eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch rasches Einstellen des Verdichtungsverhältnisses auf einen optimalen Wert ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine zumindest zeitweise in einer Prädiktionsbetriebsart betrieben wird, in welcher das Sollverdichtungsverhältnis anhand einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt wird, die auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird. Im Gegensatz zu der Vorgehensweise in der Normalbetriebsart, welche beispielsweise bei konstanter Betriebsgröße oder lediglich langsamer Veränderung der Betriebsgröße herangezogen wird, wird nun also das Sollverdichtungsverhältnis nicht aus der momentanen Betriebsgröße, sondern vielmehr aus einem erwarteten Wert für die Betriebsgröße, nämlich der Schätzbetriebsgröße, ermittelt.
Diese Schätzbetriebsgröße wird beispielsweise anhand des momentanen Gradienten der Betriebsgröße abgeschätzt. Es wird also der zeitliche Verlauf der Betriebsgröße über der Zeit betrachtet und aus der Steigung dieses Verlaufs zum momentanen Zeitpunkt der erwartete Wert der Betriebsgröße berechnet. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer mathematischen Beziehung der Art wobei Mt die Betriebsgröße zum momentanen Zeitpunkt, dMt/dt der Gradient der Betriebsgröße über der Zeit und At die Zeitspanne von dem momentanen Zeitpunkt bis zu einem zukünftigen Zeitpunkt ist. Aus diesen Größen ergibt sich die Schätzbetriebsgröße Μ(+Δ(, die in dem zukünftigen Zeitpunkt zu erwarten ist. Die Schätzbetriebsgröße wird also für einen Zeitpunkt abgeschätzt, der die bestimmte Zeitspanne At in der Zukunft liegt. Anhand dieser Schätzbetriebsgröße wird nun analog zu der Vorgehensweise für die Betriebsgröße in der Normalbetriebsart das Sollverdichtungsverhältnis ermittelt. Beispielsweise wird zu diesem Zweck eine mathematische Beziehung, eine Tabelle oder ein Kennfeld verwendet, wobei in der Normalbetriebsart die Betriebsgröße und in der Prädiktionsbetriebsart die Schätzbetriebsgröße als Eingangsgröße dient, während das Sollverdichtungsverhältnis eine Ausgangsgröße darstellt. Die Betriebsgröße ist beispielsweise eine momentane Sollbetriebsgröße, welche an der Brennkraftmaschine eingestellt ist, oder eine Istbetriebsgröße, welche die Brennkraftmaschine momentan tatsächlich aufweist. Beispielsweise wird die Sollbetriebsgröße aus einer Vorgabebetriebsgröße bestimmt, welche sich wiederum aus einer Vorgabe des Fahrers und/oder einer Vorgabe einer Fahrerassistenzeinrichtung des Kraftfahrzeugs ergibt. Die Sollbetriebsgröße wird anschließend an der Brennkraftmaschine eingestellt, sodass sich die tatsächlich vorliegende Betriebsgröße, nämlich die Istbetriebsgröße, in Richtung der Sollbetriebsgröße ändert. Während die Sollbetriebsgröße also beispielsweise unmittelbar aus der Vorgabebetriebsgröße bestimmt wird, läuft die Istbetriebsgröße der Sollbetriebsgröße hinterher.
Mit der beschriebenen Vorgehensweise wird bei dynamischen Vorgängen, also einem raschen Lastwechsel, welcher beispielsweise eine rasche Änderung des momentanen Lastmoments der Brennkraftmaschine zur Folge hat, das Sollverdichtungsverhältnis prä- diktiv bestimmt, sodass die Stelleinrichtung bereits angesteuert werden kann, auch wenn die Brennkraftmaschine noch nicht in dem neuen Betriebspunkt vorliegt. In der Normalbetriebsart wird dagegen üblicherweise das Sollverdichtungsverhältnis erst dann aus der Betriebsgröße bestimmt, wenn die Brennkraftmaschine in dem neuen Betriebspunkt vorliegt. Mithin laufen das Sollverdichtungsverhältnis und entsprechend auch das tatsächlich vorliegende Istverdichtungsverhältnis der Betriebsgröße der Brennkraftmaschine stets hinterher. Dies wird durch das Betreiben der Brennkraftmaschine in der Prädiktionsbetriebsart zumindest teilweise verhindert.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prädiktionsbetriebsart bei einem Überschreiten eines Schwellwerts durch den Gradient einer Bedienelementgröße über der Zeit und/oder durch den Gradient der Betriebsgröße über der Zeit eingeleitet wird. Normalerweise wird die Brennkraftmaschine in der Normalbetriebsart betrieben. Ist jedoch zumindest eine der genannten Bedingungen erfüllt, so wird in die Prädiktionsbetriebsart gewechselt. Die Bedienelementgröße ist dabei der von einem Bedienelement zurückgegebene Wert, wobei das Bedienelement beispielsweise ein Gaspedal des Kraftfahrzeugs ist. Es ist unmittelbar einsichtig, dass eine rasche Betätigung des Bedienelements durch den Fahrer einen hohen Gradienten der Bedienelementgröße zur Folge hat. Entsprechend kann aus dem Überschreiten des Schwellwerts durch den Gradient der Bedienelementgröße darauf geschlossen werden, dass sich die Betriebsgröße rasch verändern wird. Entsprechendes gilt für den Gradient der Betriebsgröße, wobei die Betriebsgröße beispielsweise als Sollbetriebsgröße vorliegt, welche insbesondere durch eine Fahrerassistenzeinrichtung vorgegeben wird. Die Prädiktionsbetriebsart wird also vorzugsweise nicht lediglich auf Fahrerwunsch eingeleitet, sondern auch, falls eine Fahrerassistenzeinrichtung einen raschen Lastwechsel bewirkt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das momentane Lastmoment der Brennkraftmaschine als Betriebsgröße verwendet wird. Entsprechend ist die Betriebsgröße also eine Istbetriebsgröße der Brennkraftmaschine. Durch die Verwendung des momentanen Lastmoments beziehungsweise dessen Gradienten kann das zukünftig benötigte Sollverdichtungsverhältnis besonders genau bestimmt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schätzbetriebsgröße während des Durchführens der Prädiktionsbetriebsart regelmäßig abgeschätzt wird. Es wird also nicht lediglich einmalig nach dem Einleiten der Prädiktionsbetriebsart die Schätzbetriebsgröße und aus dieser das Sollverdichtungsverhältnis ermittelt. Vielmehr ist es vorgesehen, dass die Schätzbetriebsgröße und auch das Sollverdichtungsverhältnis während des Durchführens der Prädiktionsbetriebsart in bestimmten Zeitabständen aktualisiert werden. Auf diese Art und Weise wird eine höchstmögliche Genauigkeit der Abschätzung der erwarteten Schätzbetriebsgröße erzielt. Dies führt zu einem raschen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses auf das zukünftig benötigte Verdichtungsverhältnis, mit welchem ein kraftstoffsparender Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann.
Bei dem regelmäßigen Abschätzen der Schätzbetriebsgröße und dem entsprechenden Ermitteln des Sollverdichtungsverhältnisses kann es vorgesehen sein, nicht lediglich den momentanen Gradienten der Betriebsgröße, sondern vielmehr dessen Verlauf heranzuziehen. Auf Grundlage dieses Verlaufs kann anschließend eine Extrapolation der Betriebsgröße zum Erlangen der zu erwarteten Schätzbetriebsgröße vorgenommen werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ableitung des Gradienten der Betriebsgröße bestimmt und bei Unterschreiten oder Überschreiten eines Grenzwerts durch die Ableitung die Prädiktionsbetriebsart beendet wird. Es wird also nicht lediglich der Gradient der Betriebsgröße selbst, sondern zusätzlich dessen Ableitung ermittelt. Bei zu starken Veränderungen des Gradienten, welche durch das Überschreiten des Grenzwerts durch die Ableitung angezeigt werden, kann die Schätzbetriebsgröße nicht zuverlässig auf Grundlage des Gradienten der Betriebsgröße ermittelt werden. Aus diesem Grund wird die Prädiktionsbetriebsart beendet und erneut die Normalbetriebsart durchgeführt. So können falsche Prädiktionen der Schätzbetriebsgröße und darauf basierende, nicht zutreffende Sollverdichtungsverhältnisse vermieden werden, welche ansonsten zu einer Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine führen könnten. Andererseits ist unter Umständen bei zu schwachen Änderungen des Gradienten keine Abschätzung notwendig, sondern vielmehr die Bestimmung des Sollverdichtungsverhältnisses in der Normalbtriebsart ausreichend. Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, dass die Prädiktionsbetriebsart bei dem Unterschreiten beendet wird.
Mit Vorteil kann zudem vorgesehen sein, dass die Prädiktionsbetriebsart beendet wird, wenn der Gradient der Bedienelementgröße und/oder der Gradient der Betriebsgröße den Schwellwert unterschreiten. Diese Bedingung kann zusätzlich oder alternativ zu der vorstehend beschriebenen Bedingung angewandt werden. Auch hier ist es bei Erfüllung der Bedingung vorgesehen, die Prädiktionsbetriebsart zu beenden und erneut die Normalbetriebsart durchzuführen. Wird der Schwellwert unterschritten, so bedeutet dies, dass nunmehr eine lediglich langsame Veränderung der Betriebsgröße und damit des Sollverdichtungsverhältnisses stattfinden wird. In diesem Fall reicht jedoch die Stellgeschwindigkeit der Stelleinrichtung aus, um das Verdichtungsverhältnis dem Sollverdichtungsverhältnis auch in der Normalbetriebsart ausreichend schnell nachzuführen. Die Prädiktion der Schätzbetriebsgröße ist daher nicht mehr notwendig.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Prädiktionsbetriebsart bei einem Überschreiten eines ersten Schwellwerts durch eine der genannten Größen eingeleitet und bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts beendet wird. Der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert sind dabei besonders bevorzugt verschieden gewählt. Insbesondere ist der erste Schwellwert größer als der zweite Schwellwert, sodass insoweit ein hystereseartiges Verhalten erzielt wird. Auf diese Art und Weise wird bei einem Schwanken der mit dem Schwellwert verglichenen Größe um diesen herum kein ständiges Wechseln zwischen der Normalbetriebsart und der Prädiktionsbetriebsart verursacht.
Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Zündwinkel während der Prädiktionsbetriebsart optimal gewählt wird. Eingangs wurde erläutert, dass aufgrund des Nachlaufens des Istverdichtungsverhältnisses zu dem Sollverdichtungsverhältnis bei einem ra- sehen Lastwechsel eine Veränderung des Zündwinkels notwendig sein kann, um die Klopfgrenze einzuhalten. Weil durch das vorausschauende Bestimmen der Schätzbetriebsgröße und mithin des Sollverdichtungsverhältnisses das gewünschte Verdichtungsverhältnis durch die Brennkraftmaschine rascher erreicht wird als bei bekannten Verfahren, kann auf eine solche Verschlechterung des Zündwinkels verzichtet werden. Vielmehr wird der Zündwinkel stets optimal gewählt. Alternativ kann jedoch auch eine derartige Zündwinkelverstellung vorgenommen werden, allerdings in geringerem Umfang als bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Bedienelementgröße die Stellung eines Bedienelements verwendet wird. Die Stellung beschreibt die Position des Bedienelements, in welche es durch einen Benutzer, beispielsweise durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs, gebracht wird. Bei geeigneter Wahl des Bedienelements kann mithin auf eine zu erwartende rasche Änderung der Betriebsgröße der Brennkraftmaschine geschlossen werden.
Beispielsweise wird als Bedienelement ein Gaspedal, ein Bremspedal oder eine Kupplung verwendet. Durch die Betätigung zumindest eines dieser Bedienelemente löst der Fahrer des Kraftfahrzeugs instationäre Vorgänge aus, beispielsweise ein Anfahren, ein Beschleunigen oder ein Verzögern.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, mit einer Stelleinrichtung zum Einstellen ei-, nes Verdichtungsverhältnisses auf ein Sollverdichtungsverhältnis, wobei die Brennkraftmaschine dazu ausgebildet ist, in einer Normalbetriebsart das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Dabei ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine dazu ausgebildet ist, zumindest zeitweise in einer Prädiktionsbetriebsart betrieben zu werden, in welcher das Sollverdichtungsverhältnis anhand einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt wird, die auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird. Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Die Brennkraftmaschine sowie das entsprechende Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
Figur 1 ein Diagramm, in welchem eine Bedienelementgröße, ein Lastmoment einer
Brennkraftmaschine, ein Sollverdichtungsverhältnis sowie ein Istverdichtungsverhältnis über der Zeit aufgetragen sind, und
Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem variablen Verdichtungsverhältnis.
Die Figur 1 zeigt ein Diagramm, in welchem verschiedene Größen über der Zeit t aufgetragen sind. Ein Verlauf 1 gibt den Verlauf einer Bedienelementgröße wieder, wobei diese Bedienelementgröße die Stellung eines Bedienelements eines Kraftfahrzeugs, nämlich beispielsweise eines Gaspedals, wiedergibt. Es wird deutlich, dass ein Fahrer des Kraftfahrzeugs ab dem Zeitpunkt t0 die Stellung des Gaspedals verändert, um ein höheres Lastmoment der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zu erzielen beziehungsweise auszugleichen. Die Veränderung der Stellung des Gaspedals ist zum Zeitpunkt t2 abgeschlossen. Bis zum Zeitpunkt t3 bleibt die Stellung konstant. Nachfolgend wird sie erneut durch den Fahrer bis zum Zeitpunkt t5 verändert, um ein geringeres Lastmoment der Brennkraftmaschine einzustellen beziehungsweise auszugleichen. Der Verlauf des Lastmoments wird durch einen Verlauf 2 wiedergegeben. Es wird deutlich, dass das Lastmoment der Bedienelementgröße hinterherläuft.
Die Brennkraftmaschine verfügt über eine Stelleinrichtung, mittels welcher ein Verdichtungsverhältnis in den Zylindern der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Das Verdichtungsverhältnis gibt dabei das Verhältnis des Zylindervolumens vor einer Verdichtung zu dem Zylindervolumen nach erfolgter Verdichtung an. Zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses wird an der Brennkraftmaschine beziehungsweise der Stelleinrichtung ein Sollverdichtungsverhältnis eingestellt. Der Verlauf dieses Sollverdichtungsverhältnisses ist durch den Verlauf 3 angedeutet. Es wird deutlich, dass sich das Sollverdichtungsverhältnis bei einer Veränderung des Lastmoments der Brennkraftmaschine, welche als Betriebsgröße verwendet wird, ausgehend von einem Maximalwert verändert, bis ein Minimalwert erreicht ist.
Weil jedoch die zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses verwendete Stelleinrichtung lediglich eine begrenzte Stellgeschwindigkeit aufweist, läuft das tatsächlich vorlie- gende Istverdichtungsverhältnis dem Sollverdichtungsverhältnis hinterher. Der Verlauf des Istverdichtungsverhältnisses wird durch einen Verlauf 4 wiedergegeben. Auch zwischen einer ersten Veränderung des Sollverdichtungsverhältnisses und einer ersten Veränderung des Istverdichtungsverhältnisses liegt eine Verzögerung vor. Während das Sollverdichtungsverhältnis sich bereits ab dem Zeitpunkt t0 verändert, ist dies für das Istverdichtungsverhältnis erst ab dem Zeitpunkt ti der Fall. Dies gilt ebenso analog für die Verringerung der Bedienelementgröße ab dem Zeitpunkt t3, für welche die Veränderung des Istverdichtungsverhältnisses erst ab dem Zeitpunkt t4 erfolgt.
Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass das Nachlaufen des Istverdichtungsverhältnisses vergleichsweise rasch erfolgt. Dies wird erzielt, indem die Brennkraftmaschine in mehreren Betriebsarten betreibbar ist. In einer Normalbetriebsart soll das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt werden, wobei als Betriebsgröße beispielsweise das Lastmoment herangezogen wird. In einer Prädiktionsbetriebsart soll dagegen das Sollverdichtungsverhältnis auf Grundlage einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt werden, wobei diese Schätzbetriebsgröße auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird. Das Sollverdichtungsverhältnis wird also nicht auf den momentan vorliegenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, sondern auf einen in der Zukunft erwarteten Betriebspunkt eingestellt. Auf diese Art und Weise kann das Anpassen des Istverdichtungsverhältnisses auf ein optimales Verdichtungsverhältnis, mit welchem ein kraftstoffsparender Betrieb der Brennkraftmaschine möglich ist, bei abrupten Lastwechseln deutlich rascher erfolgen als in der Normalbetriebsart.
Die Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, in welchem die Vorgehensweise für die Prädiktionsbetriebsart wiedergegeben ist. Das Verfahren beginnt in einem Startpunkt 5. Im Rahmen einer Verzweigung 6 wird überprüft, ob der Gradient einer Bedienelementgröße, in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Stellung des Gaspedals, von Null verschieden ist. Ist dies der Fall, so wird im Rahmen einer Verzweigung 7 überprüft, ob der Gradient größer als ein Schwellwert ist. Dabei wird ein Absolutwert für den Gradient herangezogen, sodass sowohl bei einer auf eine Verringerung des Lastmoments gerichteten Veränderung der Stellung als auch bei einer auf eine Vergrößerung des Lastmoments gerichteten Veränderung der Stellung aus der Normalbetriebsart in die Prädiktionsbetriebsart gewechselt wird, wenn die genannte Bedingung erfüllt ist.
Ist die Bedingung tatsächlich erfüllt, ist also der Gradient größer als der Schwellwert, so wird im Rahmen einer Operation 8 der Gradient der Betriebsgröße, beispielsweise der Gradient des momentanen Lastmoments der Brennkraftmaschine, bestimmt. Aus diesem wird in der Operation 9 die Schätzbetriebsgröße bestimmt und aus dieser das Sollverdichtungsverhältnis ermittelt. Die Schätzbetriebsgröße wird dabei für einen Zeitpunkt ermittelt, der eine bestimmte Zeitspanne in der Zukunft liegt. Die Operationen 8 und 9 werden dabei, was durch die Einfassung 10 angedeutet wird, zu einem Zeitpunkt t durchgeführt.
Nachfolgend wird im Rahmen einer Operation 1 1 die Ableitung des Gradienten der Betriebsgröße bestimmt, insbesondere also die zweifache Ableitung des Lastmoments der Brennkraftmaschine. Zur Durchführung dieser Berechnung sind wenigstens zwei Werte für den Gradient der Betriebsgröße notwendig. Beispielsweise wird also die Operation 1 1 , wie durch die Einfassung 12 angedeutet, erst zu einem auf den Zeitpunkt t folgenden Zeitpunkt t+At durchgeführt. Nach der Operation 1 1 wird in einer Verzweigung 13 geprüft, ob die Ableitung kleiner als ein Grenzwert ist. Ist dies der Fall, so wird im Rahmen einer Operation 14 die Prädiktionsbetriebsart beendet und erneut die Normalbetriebsart durchgeführt, weil eine Prädiktion bei einem kleinen Wert der Ableitung nicht notwendig ist. Ist dagegen die Ableitung des Gradienten der Betriebsgröße größer als der Schwellwert, so wird mit dem nun aktuellen Gradient der Betriebsgröße zum Zeitpunkt t+At im Rahmen der Operation 15 die Schätzbetriebsgröße und mithin das Sollverdichtungsverhältnis aktualisiert.
Das Bestimmen des Sollverdichtungsverhältnisses erfolgt in der Prädiktionsbetriebsart analog zu der Vorgehensweise in der Normalbetriebsart, wobei jedoch anstatt der Betriebsgröße die Schätzbetriebsgröße als Grundlage herangezogen wird. Das Bestimmen wird beispielsweise mittels einer mathematischen Beziehung, einer Tabelle oder eines Kennfelds vorgenommen, wobei in der Normalbetriebsart die Betriebsgröße und in der Prädiktionsbetriebsart die Schätzbetriebsgröße als Eingangsgröße verwendet wird. Als Ausgangsgröße liegt nachfolgend das Sollverdichtungsverhältnis vor. Mithilfe einer der- artigen Vorgehensweise kann in der Prädiktionsbetriebsart ein schnelles Angleichen des Istverdichtungsverhältnisses an das Sollverdichtungsverhältnis erzielt werden. Damit kann eine ansonsten notwendige Anpassung des Zündwinkels während des Verstellens des Verdichtungsverhältnisses mittels der Stelleinrichtung weitgehend oder sogar vollständig unterbleiben, sodass insgesamt eine deutliche Reduzierung des Verbrauchs und auch der Schadstoffemissionen erreicht wird. BEZUGSZEICHENLISTE
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Verlauf
Startpunkt
Verzweigung
Verzweigung
Operation
Operation
Einfassung
Operation
Einfassung
Verzweigung
Operation
Operation

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 . Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Verdichtungsverhältnis mittels einer Stelleinrichtung auf ein Sollverdichtungsverhältnis eingestellt wird, wobei in einer Normalbetriebsart der Brennkraftmaschine das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine zumindest zeitweise in einer Prädiktionsbetriebsart betrieben wird, in welcher das
. Sollverdichtungsverhältnis anhand einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt wird, die auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktionsbetriebsart bei einem Überschreiten eines Schwellwerts durch den Gradient einer Bedienelementgröße über der Zeit und/oder durch den Gradient der Betriebsgröße über der Zeit eingeleitet wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das momentane Lastmoment der Brennkraftmaschine als Betriebsgröße verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzbetriebsgröße während des Durchführens der Prädiktionsbetriebsart regelmäßig abgeschätzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung des Gradienten der Betriebsgröße bestimmt und bei Unterschreiten oder Überschreiten eines Grenzwerts durch die Ableitung der Prädiktionsbetriebsart beendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prädiktionsbetriebsart beendet wird, wenn der Gradient der Bedienelementgröße und/oder der Gradient der Betriebsgröße den Schwellwert unterschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkel während der Prädiktionsbetriebsart optimal gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bedienelementgröße die Stellung eines Bedienelements verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bedienelement ein Gaspedal, ein Bremspedal oder eine Kupplung verwendet wird.
10. Brennkraftmaschine mit einer Stelleinrichtung zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses auf ein Sollverdichtungsverhältnis, wobei die Brennkraftmaschine dazu ausgebildet ist, in einer Normalbetriebsart das Sollverdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine dazu ausgebildet ist, zumindest zeitweise in einer Prädiktionsbetriebsart betrieben zu werden, in welcher das Sollverdichtungsverhältnis anhand einer erwarteten Schätzbetriebsgröße ermittelt wird, die auf Grundlage des momentanen Gradienten der Betriebsgröße über der Zeit abgeschätzt wird.
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