DE19859074A1 - Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird eine elektronische Steuereinrichtung zur Gleichstellung der Drehmomentenbeiträge unterschiedlicher Zylinder einer Brennkraftmaschine zu deren Gesamtdrehmoment, mit einer Sensorik zur Erfassung von ersten Maßen (Ksch_i) der Laufunruhe der Brennkraftmaschine in deren Schiebebetrieb und von zweiten Maßen (Kvi) in deren gefeuerten Betrieb und mit Mitteln zur Bereitstellung von dritten Maßen (Ksi) für den Laufunruheanteil, der auf Torsionsschwingungen basiert, wobei die elektronische Steuereinrichtung aus den genannten Maßen zylinderindividuelle vierte Maße (KKi) für die Laufunruhe bildet, die von der Laufunruhe im Schiebebetrieb und dem Laufunruheanteil, der auf Torsionsschwingungen basiert, unabhängig sind und wobei die elektronische Steuereinrichtung die Gleichstellung der Drehmomentenbeiträge auf der Basis der vierten Maße vornimmt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Laufruhe eines Motors durch eine Gleichstellung der Drehmomentanteile der einzelnen Zylinder am Gesamtdrehmoment eines Verbrennungsmotors. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Otto- oder einen Dieselmotor handeln. Eine Erfassung des Istmomentes eines Zylinders erfolgt über eine Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Kurbel- oder Nockenwellendrehung. Eine Momentenkorrektur erfolgt über einen Eingriff auf wenigstens eine der Größen eingespritzte Kraftstoffmenge, Luftmenge oder Zündzeitpunkt beim Ottomotor, Abgasrückführrate, Einspritzlage oder Zylinderverdichtung. Der Begriff Einspritzlage bezieht sich auf die winkelmäßige Lage eines Einspritzimpulses zu einem Bezugspunkt, beispielsweise dem oberen Totpunkt des Kolbens eines Zylinders in seinem Verbrennungstakt.

Ein Verfahren zur Zylindergleichstellung ist bereits aus der EP 140 065 bekannt. Zur Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Drehbewegung der Kurbel- oder Nockenwelle werden bei den bekannten Verfahren Segmentzeiten erfaßt. Segmentzeiten sind die Zeiten, in denen die Kurbel- oder Nockenwelle einen vorbestimmten Winkelbereich überstreicht, der einem bestimmten Zylinder zugeordnet ist. Je gleichmäßiger der Motor läuft, desto geringer fallen die Unterschiede zwischen den Segmentzeiten der einzelnen Zylinder aus. Aus den genannten Segmentzeiten läßt sich daher ein Maß für die Laufunruhe des Motors bilden. Bei den bekannten Verfahren ist jedem Zylinder des Verbrennungsmotors eine Regelung zugeordnet, der als Eingangssignal ein zylinder­ individueller Laufunruhe-Istwert zugeführt wird. Zur Bildung des Regelsollwertes werden die Laufunruhewerte mehrerer Zylinder gemittelt. Der Mittelwert dient als Sollwert. Ausgangsseitig beeinflußt der Regler die zylinderspezifische Einspritzzeit und damit den zylinderindividuellen Drehmomentbeitrag so, daß sich der zylinderindividuelle Laufunruhen-Istwert dem Sollwert annähert.

Aus Drehzahlsignalen gewonnene Laufunruhewerte werden auch zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern verwendet. Nach der DE-OS 196 10 215 (US-Anmeldung Serial No. 819 650, Anmeldetag 17.03.1997) werden als Laufunruhewerte LUT Quotienten gebildet, in deren Zähler Differenzen von aufeinanderfolgenden Segmentzeiten stehen und deren Nenner die dritte Potenz einer der beteiligten Segmentzeiten enthält. Dieser Quotient kann noch mit weiteren Faktoren gewichtet sein sowie mit einer Dynamikkorrektur versehen sein, die Drehzahländerungen des gesamten Motors berücksichtigt. Bezüglich der Laufunruhewertbildung soll die Offenbarung der genannten Offenlegungsschrift ausdrücklich in diese Anmeldung einbezogen sein. Bei gleichbleibender Motordrehzahl ist die über eine Nockenwellenumdrehung gebildete Summe dieser Laufunruhewerte gleich Null.

Ein Verfahren zur Erfassung von Fehlern des Geberradsystems sowie zur Erfassung des Anteils an der Laufunruhe, der auf Torsionsschwingungen des Kurbeltriebs und auf unterschiedlicher Energiefreisetzung in verschiedenen Zylindern basiert, ist aus der DE OS 196 22 448 bekannt.

Die erfaßten Fehler und der genannte Laufunruheanteil dient zur rechnerischen Korrektur von Laufunruhewerten für die Verbrennungsaussetzererkennung. Beispiel: Im Schiebebetrieb werden bei einem Sechszylindermotor die Segmentzeiten (t1, t2, t3) der drei Geberradsegmente erfaßt. Zu jeder Segmentzeit wird ein Korrekturwert (K1, K2, K3) gebildet und mit der Segmentzeit additiv oder multiplikativ verknüpft (Kt1 = t1.K1 oder t1.K1, . . .). Die Korrekturwerte werden so bestimmt, daß Ergebnisse Kti mit i = 1 bis 3 untereinander gleich sind. Eine solche Korrektur verbessert die Qualität der Verbrennungsaussetzererkennung, die auf der Auswertung von Drehzahlschwankungen basiert, erheblich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die realen zylinderindividuellen Unterschiede in der Verbrennung zwischen den Zylindern mit einem Regelkonzept zu minimieren. Dann sind die Drehmomentanteile der Zylinder gleich groß. Die realen Unterschiede bezeichnen hier den Laufunruheanteil, der auf unterschiedliche Verbrennung, nicht aber auf Torsionsschwingungen und/oder Geberradfehlern beruht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Besonders vorteilhafte Wirkungen stellen sich im Leerlauf und unteren Teillastbereich ein, da diese Bereiche besonders starke Laufruhe- bzw. Laufunruheeffekte infolge unterschiedlicher Drehmomentanteile verschiedener Zylinder zeigen.

Die Merkmalskombination des unabhängigen Anspruchs erlaubt eine Trennung der Einflüsse verschiedener Ursachen von Drehzahlschwankungen:

• - Störungen, die durch Fehler des Drehzahlerfassungssystems bedingt sind, treten synchron zur Drehbewegung des Geberrads und wegen dessen Ankopplung an die Kurbelwelle synchron zu deren Drehbewegung auf. Diese Störungen sind lastunabhängig und können im Schiebebetrieb gelernt werden. Für einen 8- Zylinder-Motor können beispielsweise acht halbe Korrekturwerte KA, KB, KC und KD gebildet werden.
• - Ungleichförmigkeiten, die auf Torsionsschwingungen des Kurbeltriebes basieren, treten meist synchron zur Drehbewegung der Nockenwelle und typischerweise bei bestimmten Resonanzdrehzahlen auf. Diese Schwingungsanteile sind alterungsunabhängig und berechenbar. Alternativ zu einer Berechnung sind sie auch meßtechnisch bestimmbar. Für einen 8-Zylinder-Motor ergeben sich acht Korrekturwerte KS1, . . . , KS8, die in einem Korrekturkennfeld des Motorsteuergeräts abgelegt werden können.
• - Unterschiede aufgrund des Verbrennungsprozesses, z. B. wegen unterschiedlicher Zylinderfüllung sind synchron zur Drehung der Nockenwelle und wegen unterschiedlich verlaufendem Verschleiß der Zylinder/Kolbenpaarungen alterungsabhängig. Diesen Unterschieden werden im folgenden für das Beispiel eines 8-Zylinder-Motors acht Korrekturwerte Kv1, . . . , Kv8 zugeordnet.

Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, aufgrund der genannten Korrekturwerte so in das Motormanagement einzugreifen, daß die Drehmomentanteile der verschiedenen Zylinder gleichgestellt werden.

Besonders wichtig ist dabei die rechnerische Korrektur der mechanischen Fehler des Segmentzeiterfassungssystems (Geberradtoleranzen) bei der Segmentzeiterfassung im Schiebebetrieb, da diese sonst durch Regeleingriffe ausgeregelt würden. Folge wäre eine echte physikalische Laufunruhe, die in Verbindung mit den mechanischen Fehlern ein Signal perfekter Laufruhe erzeugen würde.

Erfindungsgemäß werden

• - im gefeuerten Betrieb Korrekturwerte Kvi gelernt,
• - im Schiebebetrieb Korrekturwerte Ka, Kb . . . usw. gelernt und mit vorbestimmten Korrekturwerten Ksi verknüpft.

Entscheidend bei der Berechnung der Korrekturwerte ist, daß die verschiedenen systematischen Störanteile getrennt berücksichtigt werden. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang insbesondere die Nutzung vorbestimmter Werte für die Torsionsschwingungseffekte, da diese weder im Schiebebetrieb noch im gefeuerten Betrieb in einfacher Weise von den anderen Effekten zu trennen sind.

Vom Korrekturwert Kvi eines Zylinders mit Index I werden die zugehörigen, d. h. den gleichen Zylinder oder das gleiche Kurbelwellenwinkelsegment betreffenden Korrekturwerte Ksi und Ka, ...subtrahiert. Beispiel: Kk1 = Kv1 - Ks1 - Ka

Das Ergebnis Kki der Subtraktion entspricht einem Unterschied zwischen zylinderindividuellen Laufunruhewerten, der nur noch auf unterschiedlichen Drehmomentanteilen basiert und von Geberradungenauigkeiten sowie Torsionsschwingungen unabhängig ist. Mit anderen Worten: Die Korrekturwerte Kki spiegeln Drehmomentunterschiede aufgrund unterschiedlicher Energiefreisetzung in den zylinderindividuellen Verbrennungsprozessen wieder. Diese Unterschiede können durch entsprechende Regeleingriffe des Motormanagements ausgeglichen werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 2 stellt ein Beispiel einer Ermittlung der Korrekturwerte für die Drehzahlerfassung dar. Fig. 3 offenbart ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert einen Ottomotor mit Direkteinspritzung, was durch ein Hochdruckeinspritzventil 2, das in den Brennraum 3 des Motors ragt, symbolisiert wird. Weiterhin zeigt Fig. 1 ein Geberrad 4, Sensoren 5 und 5a und ein als elektronische Steuereinrichtung 6 realisiertes Steuergerät, das Signale von den Sensoren 5 und 5a empfängt und bspw. eine Einspritzimpulsbreite als Stellgröße tik an ein zylinderindividuelles Hochdruckeinspritzventil ausgibt. Weitere vom Motormanagement, d. h. von der elektronischen Steuereinrichtung 6 zur Drehmomentgleichstellung ausgegebene Stellgrößen können den Einspritzzeitpunkt, den Zündzeitpunkt, die zugeführte Luft- und/oder die rückgeführte Abgasmenge betreffen.

Für den gleichstellenden Eingriff werden in der elektronischen Steuereinrichtung zylinderindividuelle Laufunruhewerte gebildet und zu Korrekturwerten verarbeitet, die über eine Einrechnung in die Stellgrößen, bspw. in die zylinderindividuellen Einspritzzeiten das Drehmoment und damit den zeitlichen Ablauf der Drehung des Geberrades 4 beeinflussen.

Fig. 2 stellt ein Beispiel einer Ermittlung der Korrekturwerte für die Drehzahlerfassung dar.

Dazu werden in einem Schritt S2.1 zündungssynchron Segment­ zeiten erfaßt und im Schritt S2.2 zu Laufunruhewerten verar­ beitet. In dem Schritt S2.3 wird ein Korrekturwert zur Kom­ pensation von Torsionschwingungen und ähnlichen Effekten aus einem Last/Drehzahl-Kennfeld K(L,n) eingelesen. Beim ersten Verfahrensdurchlauf handelt es sich dabei lediglich um einen plausiblen oder neutralen Wert, der dann sukzessiv duch wie­ derholte Verfahrensdurchläufe einen Wert annimmt, der sich dadurch auszeichnet, daß die korrigierten Laufunruhewerte von verschiedenen Zylindern untereinander gleich werden. Da­ zu werden die Laufunruhewerte Lut im Schritt S2.4 mit dem Korrekturwert verknüpft. Anschließend geht der korrigierte Laufunruhewert Klut geht in die Bildung eines Mittelwerts KLut im Schritt S2.5 ein. Es folgt ein Schritt S2.6 zur Ermittlung der Abweichung dK des aktuellen Wertes KLut vom Mittelwert KLut. Im Schritt S2.7 wird ein neuer Korrekturwert K(neu) durch Addition der Abweichung dK zum alten Korrekturwert K(alt) gebildet und über den Schritt S2.8 in das Kennfeld K(n,L) des Zylinders, für den der Laufunruhewert bestimmt wurde, eingeschrieben.

Durch wiederholtes Durchlaufen der beschriebenen Schrittfolge stellen sich die zu einem Betriebspunkt gehörenden Kennfeldwerte K der verschiedenen Zylinder schließlich so ein, daß im aussetzerfreien Normalbetrieb keine Abweichungen der korrigierten Laufunruhewerte der verschiedenen Zylinder untereinander mehr auftreten.

Die zylinderindividuellen Kennfelder können sowohl die Korrekturwerte KA usw. aus dem Schiebetrieb als auch die Korrekturwerte KV aus dem gefeuerten Betrieb enthalten. Die Korrekturwerte aus dem Schiebebetrieb werden dann bei dem Lastwert Null gespeichert.

Das beschriebene Verfahren für die Korrekturwerte KA usw. und KV kann wiederholt im Betrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt werden.

Die Korrekturwerte KS werden dagegen durch Berechnung oder durch eine meßtechnische Erfassung vor oder bei der ersten Inbetriebnahme des Motors vorbestimmt und abgespeichert. Im Betrieb des Motors werden sie nicht mehr verändert und können betriebspunktabhängig abgerufen werden.

Fig. 3 offenbart ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Sensorik 3.2 erfaßt Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 3.1. Beispiele von Betriebsparametern sind Last, Drehzahl, Motortemperatur, Zylinderidentifikationssignal, Segmentzeiten bzw. die den Segmentzeiten zugrundeliegenden Impulsfolgen vom Drehzahlerfassungssystem aus Geberrad 4 und Induktivaufnehmer 5 aus Fig. 1.

Diese Werte werden in Block 3.3, der wie die weiteren Komponente 3.4 bis 3.7 dem Steuergerät 6 aus Fig. 1 zuzurechnen ist, zugeführt.

In Block 3.3 werden die Korrekturwerte gebildet. Dies kann beispielsweise entsprechend der Darstellung aus Fig. 2 erfolgen. Zusätzlich enthält Block 3.3 die vorbestimmten Korrekturwerte Ks zu den Torsionsschwingungseffekten.

Hinter dem Block 3.3 werden die Korrekturwerte Ks, Ka usw. und Kv in den Verknüpfungsstellen 3.4 und 4.5 zylinderindividuell zu einem Korrekturwert Kk = Kv - Ks - Ka verknüpft. Dieser Korrekturwert Kk wird in einem Schritt 3.6 mit einem Referenzwert verglichen.

Als Referenzwert kann in einer ersten Alternative beispielsweise der Korrekturwert eines einzelnen Zylinders, beispielsweise des ersten Zylinders herangezogen werden. Mit anderen Worten: In dieser Alternative werden die Korrekturwerte der einzelnen Zylinder nur relativ zueinander, nämlich bezogen auf den als richtig angenommenen Referenzwert des ersten Zylinders korrigiert. In der Folge werden die Zylinder relativ zueinander gleichgestellt. Das absolute Niveau der Leerlaufdrehzahl wird dann über eine übergeordnete Regelung, also durch einen für alle Zylinder gleichwertigen Eingriff angestellt.

Alternativ dazu können alle Zylinder, bzw. deren Segmentzeiten auf einen mittleren Drehzahlbereich bezogen werden. Es ergibt sich dann pro Zylinder ein auch bezüglich seines Absolutwertes richtiger Korrekturwert.

Das durch die Verknüpfung 3.6 entstandene Signal wird zylinderindividuellen Reglern 3.7 zugeführt, die daraus Ansteuersignale für Stellglieder 3.8 bilden, beispielsweise für Eingriffe in die Kraftstoffdosierung, in die Menge zugeführter Frischluft oder rückgeführten Abgases oder in die Zündung.

Abhängig von den aufgetretenen Abweichungen können am Motor folgende Stelleingriffe einzeln oder in Kombination durchgeführt werden:

• 1. Verlängerung der Einspritzzeit der Zylinder, die weniger Moment abgeben, bei gleichzeitiger Verkürzung der Einspritzzeit der Zylinder, die mehr Moment abgeben. Dabei wird die Verlängerung bzw. die Verkürzung so berechnet, daß die Gesamtkraftstoffmenge nicht beeinträchtigt wird, d. h. das der Lambdawert des Gemisches, mit dem der Motor betrieben wird, nicht verändert wird. Dieses Konzept dient beispielsweise zur Magerregelung in vorgegebenem Lambdawert und maximaler Laufruhe bzw. minimaler Laufunruhe.
• 2. An der Laufgrenze wird die Differenz des aktuellen LUT- Wertes zum LUT-Mittelwert signifikant größer. Als Laufgrenze gilt dabei die Laufunruhe, bei der gerade noch stabile Verbrennungen, beispielsweise im homogenen Magerbetrieb, stattfinden. Diese Laufgrenze ist mit obigem Verfahren detektierbar und bei Bedarf regelbar. Bei diesem Konzept ändert sich zwar das Summenlambda, es handelt sich daher nicht um eine Magerregelung, sondern um eine zylinderindividuelle Laufgrenzenregelung. Block 2.1 kann bei dieser Realisierung entfallen.
• 3. Die Zündwinkel eines Motors werden in heutigen Systemen in Kennfeldern abgelegt, die für alle Zylinder gültig sind. Die Regelung kann daher so ausgelegt werden, daß zunächst versucht wird, ein zu niedriges Moment durch einen früheren Zündwinkel auszugleichen.

Beispiel

Eine Ventilverkokung beim Direkteinspritzer ruft ein zu niedriges Moment eines Zylinders hervor. Dieser Zylinder läuft magerer. Der optimale Zündwinkel für dieses magere Gemisch liegt früher und kann entsprechend eingestellt werden. Ebenso können viel Moment abgebende Zylinder durch spätere Zündwinkel beeinflußt werden.

• 1. Bei Systemen mit Abgasrückführung besteht auch die Möglichkeit, die Abgasrückführrate zu reduzieren, falls die Meßwerte stark schwanken. Auch hier ist eine Laufgrenzenregelung mit dem Ziel, die Abgasrückführrate zu maximieren, möglich.
• 2. Bei direkteinspritzenden Motoren kann im Schichtbetrieb zusätzlich das abgegebene Moment durch Variation der Einspritzlage verändert werden.

Claims (5)

1. Elektronische Steuereinrichtung zur Gleichstellung der Drehmomentenbeiträge unterschiedlicher Zylinder einer Brennkraftmaschine zu deren Gesamtdrehmoment,

• - mit einer Sensorik zur Erfassung von ersten Maßen (Ksch_i) der Laufunruhe der Brennkraftmaschine in deren Schiebebetrieb und von zweiten Maßen (Kvi) in deren gefeuerten Betrieb und mit
• - Mitteln zur Bereitstellung von dritten Maßen (Ksi) für den Laufunruheanteil, der auf Torsionsschwingungen basiert,
• - wobei die elektronische Steuereinrichtung aus den genannten Maßen zylinderindividuelle vierte Maße KKi für die Laufunruhe bildet, die von der Laufunruhe im Schiebebetrieb und dem Laufunruheanteil, der auf Torsionsschwingungen basiert, unabhängig sind und
• - wobei die elektronische Steuereinrichtung die Gleichstellung der Drehmomentenbeiträge auf der Basis der vierten Maße vornimmt.

2. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Maß zylinderindividuellen Reglern 3.7 zugeführt wird, die daraus Ansteuersignale für Stellglieder 3.8 bilden, beispielsweise für Eingriffe in die Kraftstoffdosierung, in die Menge zugeführter Frischluft oder in die Menge rückgeführten Abgases oder in die Zündung oder in die Zylinderverdichtung oder in die Ansteuerung der Nockenwellenventile oder die Ansteuerung einer Drallklappe.

3. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von den aufgetretenen Abweichungen an der Brennkraftmaschine folgende Stelleingriffe einzeln oder in Kombination durchgeführt werden:

• - Verlängerung der Einspritzzeit der Zylinder, die weniger Moment abgeben, bei gleichzeitiger Verkürzung der Einspritzzeit der Zylinder, die mehr Moment abgeben, wobei die Verlängerung bzw. die Verkürzung so berechnet wird, daß die Gesamtkraftstoffmenge nicht beeinträchtigt wird, d. h. daß der Lambdawert des Gemisches, mit dem der Motor betrieben wird, nicht verändert wird;
• - daß zunächst versucht wird, ein zu niedriges Moment durch einen früheren Zündwinkel auszugleichen
• - daß bei Systemen mit Abgasrückführung die Abgasrückführrate reduziert wird, falls die Meßwerte stark schwanken
• - daß bei Systemen mit variabler Steuerung der Gaswechselventile die Steuerzeiten und/oder der Ventilhub verändert wird
• - daß bei Systemen mit Ladungsbewegungsklappe die Stellung der Ladungsbewegungsklappe verändert wird,
• - daß bei Systemen mit variabler Verdichtung die Zylinderverdichtung geändert wird,
• - daß bei Systemen mit variabler Nockenwellenverstellung die Lage und Höhe der Einlaßventile verändert wird,
• - daß bei Systemen mit Drallklappe die Drallklappenstellung verändert wird.

4. Elektronische Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß bei direkteinspritzenden Otto- oder Dieselmotoren im Schichtbetrieb zusätzlich das abgegebene Moment durch Variation der Einspritzlage verändert wird.

5. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorik zur Erfassung der Laufunruhe das Drehmoment der Brennkraftmaschine erfaßt.