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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gleichstellung wenigstens zweier Zylinderbänke einer Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 37 00 088 A1 (
US 4,773,372 A ) ist eine Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Leistungsstellelementen bekannt, welche elektrisch unabhängig voneinander angesteuert werden. Bei derartigen Brennkraftmaschinen können sich unterschiedliche Momentenbeiträge der Zylinderbänke ergeben, deren Luft über unterschiedliche Leistungsstellelemente zugeführt wird, d. h. die getrennte Saugrohre aufweisen. Dies rührt von der unterschiedlichen Füllung der Zylinder her, da der zugeführte Luftmassenstrom unter anderem abhängig von der Geometrie des Leistungsstellelements (der Drosselklappe), bei sogenannten elektronischen Gaspedalsystemen der unterschiedlichen Kennlinien der Istwertgeber des Leistungsstellelements (Potentiometer der Drosselklappe) und/oder von den unterschiedlichen Leckageströmen (z. B. über die Drosselklappen, die Tankentlüftungsventile, die Kurbelgehäuseentlüftung, die Abgasrückführventile, den Bremskraftverstärker, etc.) her. Die dadurch entstehenden unterschiedlichen Zylinderfüllungen und somit die unterschiedlichen Momentenbeiträge führen jedoch zu einem nicht vollständig zufriedenstellenden Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 196 33 066 A1 ist ein Verfahren zur zylinderselektiven Steuerung von Verbrennungsvorgängen bei Dieselmotoren bekannt. Dabei dient eine Messvorrichtung mit zugehöriger Verarbeitungseinheit zur Erfassung des Kurbelwellendrehwinkels und zur Bestimmung der momentanen Kurbelwellendrehzahl. Aus der Kurbelwellendrehzahl ermittelt ein Steuergerät geeignete Kenngrößen, die in verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine eine zylinderselektive Gleichstellung bzw. eine definierte Ungleichstellung der Mitteldrücke ermöglichen, wobei die Auswirkung von Bauteildifferenzen der Kraftstoffzusführung und des Verbrennungssystems auf den Verbrennungsvorgang minimiert wird.
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Aus der
DE 44 07 167 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des durch die Gaskräfte auf die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine übertragene Drehmoment durch Auswerten der Drehzahlinformation, welche über die Ermittlung von Umlaufzeiten eines mit der Kurbelwelle fest verbundenen Bauteils erfasst wird, wobei aus der mit der Drehzahl korrelierten Winkelgescheindigkeit mit Hilfe des Trägheitsmoments des Motors das Rotationsmoment berechnet wird. Es wird vorgeschlagen, zusätzlich zum Rotationsmoment des Motors auch die Momente der oszillierenden Massen, die Torsionsmomente der Kurbelwelle und die sich aus allen langsam veränderlichen Reib-, Nutz- und Lastmomenten resultierenden statischen Momente zu ermitteln und aus einer Bilanz dieser einzelnen Drehmomente das aus den Gaskräften resultierende Drehmoiment zu bestimmen. Aus diesem Drehmoment kann anschließend die von den einzelnen Zylindern pro Arbeitstakt abgegebene Arbeit ermittelt werden. Die so ermittelten Betriebsparameter können zur Motorsteuerung und/oder zur On-Board-Diagnosse verwendet werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe eine Gleichstellung der Zylinderbänke in bezug auf ihre Drehmomentenbeiträge erfolgt. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Patentanspruch 6. Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Aus der
DE 33 36 028 A1 (
US 4 688 535 A ) ist bekannt, durch Auswertung von Segmentzeiten eine die Unterschiede in den Drehmomentenbeiträgen einzelner Zylinder repräsentierende Größe zu ermitteln und zur Gleichstellung der Zylinder heranzuziehen.
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Vorteile der Erfindung
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Es wird eine Vorgehensweise bereitgestellt, bei welcher auf einfache Weise die Gleichstellung von Zylinderbänken erfolgt, deren Luftzufuhr durch unabhängig voneinander angesteuerte Leistungsstellelemente beeinflußt wird. Von besonderem Vorteil ist, daß die Zylindergleichstellung über einen entsprechenden, gleichstellenden Eingriff über die Drosselklappen des Motors erfolgt, und der Zündwinkel nicht bzw. nur beschränkt zur Gleichstellung verstellt werden muß. Dadurch können wesentlich größere Drehmomentendifferenzen zwischen Zylinderbänken ausgeglichen werden. Ferner wird Kraftstoff gespart, da der Zündwinkel im optimalen Bereich gehalten werden kann und Abgasemissionen reduziert, weil der Zündwinkel mehr zur Verbrennungsoptimierung als zur Zylindergleichstellung genutzt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist ferner, daß insbesondere im Leerlauf die momentenerhöhende Fähigkeit einer Zündwinkelverstellung gewährleistet bleibt, da der Zündwinkel nicht oder nur beschränkt zur Zylindergleichstellung herangezogen wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. 1 zeigt eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei elektrisch unabhängig angesteuerten Leistungsstellelementen und der entsprechenden Anzahl von Zylindergruppen (Zylinderbänke). Eine bevorzugte Realisierung der Gleichstellung dieser Zylindergruppen oder -bänke ist anhand des Flußdiagramms in 2 dargestellt. Dieses repräsentiert ein Rechnerprogramm, welches die Gleichstellung durchführt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine elektronische Steuereinheit 10, die wenigstens über eine Eingangsschaltung 12, wenigstens eine Rechnereinheit und wenigstens eine Ausgangsschaltung 16 verfügt. Eingangsschaltung, Rechnereinheit und Ausgangsschaltung sind über ein Kommunikationssystem 18 zum gegenseitigen Datenaustausch miteinander verbunden. Der Eingangsleitungen 12 werden die folgenden Eingangsleitungen zugeführt. Eine Eingangsleitung 20 von einer Meßeinrichtung 22 zur Erfassung einer Meßgröße (WPED) für die Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements, beispielsweise eines Fahrpedals, und Eingangsleitungen 36 bis 40 von Meßeinrichtungen 42 bis 46, welche weitere Betriebsgrößen der Antriebseinheit und/oder des Fahrzeugs, die zur Durchführung der von der Steuereinheit 10 durchgeführten Funktionen benötigt werden, wie beispielsweise Ansauglufttemperatur, Motortemperatur, Umgebungsdruck, Abgaszusammensetzung, etc. Über eine Eingangsleitung 32 wird der Eingangsschaltung 12 von einer Meßeinrichtung 24 ein die Motordrehzahl Nmot repräsentierendes Signal zugeführt. Dabei werden die den einzelnen Zylindern zugeordneten Segmentzeiten erfaßt (z. B. über einen Kurbelwellen- oder Nockenwellenwinkelgeber). Ein Segment entspricht dabei dem Winkel einer vollen Motorumdrehung (in bezug auf die Kurbelwelle 720°) geteilt durch die Zylinderzahl, wobei die Zeit, die zum Durchlaufen dieses Winkel benötigt wird, Segmentzeit genannt wird. Im Takt der Segmentzeit werden Zündung und Einspritzung neu berechnet. Darüber hinaus werden der Eingangsschaltung 12 über die Eingangsleitungen 80 und 82 Signale DK1 und DK2 zugeführt, welche die aktuelle Stellung der wenigstens zwei Leistungsstellelementen (Drosselklappen) repräsentieren.
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Über die Ausgangsschaltung 16 steuert die elektronische Steuereinheit 10 Stellelemente nach Maßgabe der erfaßten Meßgrößen, insbesondere nach Maßgabe wenigstens einer der von den Meßeinrichtungen 22 ermittelten Meßgrößen an. Über eine erste Ausgangsleitung 47 wird ein erstes Leistungsstellelement 48, über eine zweite Ausgangsleitung 54 ein zweites Leistungsstellelement 55 angesteuert. Beide Leistungsstellelemente sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel elektrisch betätigbare Drosselklappen, deren Stellung durch entsprechende Meßeinrichtungen erfaßt und über die Leitungen 80 und 82 zur Steuereinheit zurückgeführt werden. Ferner wird über Ausgangsleitungen 50 der Zündzeitpunkt der einzelnen Zylinder eingestellt und über Leitungen 52 die Kraftstoffzumessung zu den einzelnen Zylindern. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist für jede Zylindergruppe bzw. -bank eine Steuereinheit vorgesehen, die Drosselklappe, Zündwinkel und Kraftstoffzumessung der zugeordneten Gruppe bzw. Bank steuert.
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Die die Stellung des Bedienelements repräsentierende Meßgröße WPED wird vom Rechner 14 eingelesen und in Sollwerte zur Ansteuerung der Leistungsstellelemente 48 und 55 umgesetzt, beispielsweise mittels Kennlinien, Kennfeldern, Tabellen oder Berechnungsschritte, ggf. unter Berücksichtigung weiterer Betriebsgrößen. Diese Sollwerte werden im Rahmen eines durch die Rückmeldungen der Stellung des jeweiligen Leistungsstellelements geschlossenen Lageregelkreise durch Bilden von Ansteuersignalen eingestellt. Die Position des jeweiligen Leistungsstellelements bestimmt die Füllung, die der dem Leistungsstellelement zugeordneten Zylindergruppe bzw. -bank zugeführt wird. Aufgrund von unterschiedlichen Eigenschaften der Leistungsstellelemente sowie der Saugrohre weist bei gleichem Sollwert die durch die Einstellung der Leistungsstellelemente eingestellte Füllung für jede der Gruppen bzw. Bänke unterschiedliche Werte auf. Die Abweichung kann bis zu einigen 10% betragen. Infolge der unterschiedlichen Füllung der einzelnen Zylinder ergeben sich unterschiedliche Momentenbeiträge der einzelnen Zylindergruppen. Dieses Verhalten ist unerwünscht, so daß Adaptionsverfahren zur Gleichstellung der Zylinderbänke durchgeführt werden. Diese führen dazu, daß die Steuerungen der Leistungsstellelemente derart beeinflußt werden, daß die Momentenbeiträge der einzelnen Zylindergruppen bzw. -bänke im wesentlichen gleich sind.
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Mit Hilfe der Drehzahl wird die Laufunruhe einer Brennkraftmaschine, eines Ottomotors oder eines Dieselmotors ermittelt. Dazu wird die Zeit gemessen, in der sich die Kurbelwelle um genau ein Segment dreht. Die Segmentzeit, d. h. die Zeit, die zum überstreichen dieses Segmentes (Winkelbereich) vergeht, wird sowohl zur Erkennung von Aussetzern, als auch zur Zylindergleichstellung benutzt. Bei der Zylindergleichstellung wird die aktuell gemessene Segmentzeit dem Zylinder zugeordnet, der zuletzt gezündet wurde. Ist die Segmentzeit eines Zylinders auffällig kurz oder lang gegenüber dem Mittelwert der vergangenen Segmentzeiten aller Zylinder, so wird dies als ein überschüssiges bzw. unzureichendes Drehmoment des betroffenen Zylinders interpretiert. Bei einem Vierzylindermotor, bei dem sich die Kurbelwelle zweimal pro Motorumdrehung dreht, weist ein derartiges Segment einen Winkel von 180 Grad der Kurbelwellendrehung auf. Die Segmentzeiten werden dabei vor allem in stationären Betriebszuständen, beispielsweise im Leerlauf, überwacht.
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Diese grundsätzliche Vorgehensweise läßt sich auch dann anwenden, wenn Brennkraftmaschinen mit wenigstens zwei Zylinderbänken mit unterschiedlichen zylinderbankspezifischen Drehmomentenbeiträgen vorhanden sind. Durch eine Zuordnung des zündenden Zylinders und seiner Segmentzeit zu seiner Zylinderbank lassen sich bankspezifische Unterschiede im Drehmoment ermitteln. Zylinderbankspezifische Unterschiede im Drehmoment bei Brennkraftmaschinen mit wenigstens zwei Zylinderbänken wie eingangs erwähnt treten z. B. dann auf, wenn die Zylinderbänke voneinander getrennte Saugrohre haben. Im Rahmen einer Zylindergleichstellung werden die zylinderbankspezifischen Drehmomentenunterschiede erkannt, indem der Mittelwert der die Drehmomentenbeiträge der Zylinder einer Bank repräsentierende Größen (z. B. der Segmentzeiten) en wie oben dargestellt gebildet wird. Dabei wird, weil die Kenntnis der Zuordnung des zuletzt zündenden Zylinders zur jeweiligen Zylinderbank bekannt ist, zur Mittelwertbildung einer Zylinderbank nur Segmentzeiten herangezogen, die von Zylindern dieser Zylinderbank stammen. Wird eine Abweichung zwischen den ermittelten zylinderbankspezifischen Segmentzeiten (beispielsweise des Mittelwertes der Segmentzeiten) erkannt, so werden diese kompensiert, wobei vorzugsweise eine entsprechende Korrektur wenigstens einer der Drosselklappenstellungen, aber auch eine Verstellung des Zündwinkels der Zylinder einer oder beider Zylinderbänke erfolgt. Beispielsweise wird zur Gleichstellung dem Sollwert für die Drosselklappenstellung ein vorgegebener, die Gleichstellung der Zylinderbänke bewirkender Offset-Faktor aufgeschaltet.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die aus den ermittelten Abweichungen der Drehmomentenbeiträge der einzelnen Bänke abgeleiteten Offsetwerte bei der Vorgabe der zylinderbankindividuellen Momentensollwerte im Rahmen einer drehmomentorientierten Steuerstruktur berücksichtigt. Dabei werden die Korrekturanteile zu den bankspezifischen Sollmomenten addiert. Die beschriebene Vorgehensweise wird bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung oder Dieselmotoren mit mehreren Zylinderbänken angewendet.
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Anstelle der Erfassung von Segmentzeiten werden in anderen Ausführungsbeispielen in entsprechender Weise die Abstände der Zündungen der jeweiligen Zylinder herangezogen.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die oben dargestellte Vorgehensweise als Programm des Rechners 14 realisiert. In 2 ist ein Flußdiagramm dargestellt, welches eine Realisierung der oben dargestellten Vorgehensweise als ein solches Rechnerprogramm skizziert. Dieses Programm wird drehzahlabhängig durchlaufen.
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Im ersten Schritt 100 wird die mittels eines anderen Programms ermittelte Segmentzeit eingelesen und im darauffolgenden Schritt dem zuletzt gezündeten Zylinder zugeordnet (Schritt 102). Diese Zuordnung wird aufgrund der fest vorgegebenen mechanischen Verbindung zwischen der Stellung der Kurbel- bzw. Nockenwellen der Motoren zur Zylinderstellung nach Maßgabe einer Tabelle erreicht. Nach der Zuordnung der aktuellen Segmentzeit zu einem Zylinder werden aus zurückliegenden Segmentzeiten der Zylinder der jeweiligen Zylinderbänke Mittelwerte für jede Bank ermittelt (Schritt 104). Daraufhin wird im Schritt 106 überprüft, ob eine Abweichung zwischen diesen Mittelwerten der Bänke besteht. Ist dies nicht der Fall, wird das Programm mit Schritt 100 im nächsten Drehzahlschritt wiederholt, andernfalls werden im Schritt 106 die Korrekturwerte für die Drosselklappen- bzw. Momentenwerte entsprechend der Größe der Abweichung bestimmt.
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In einem anderen nicht dargestellten Programm wird dann der in Schritt 106 gebildete Korrekturwert bei der Bestimmung der Einstellung der Drosselklappe oder des Moments der Brennkraftmaschine berücksichtigt.
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Bei einem Dieselmotor wird anstelle der Drosselklappenstellung die einzuspritzende Kraftstoffmenge zur Zylindergleichstellung korrigiert.
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Die Korrektur der Kraftstoffmenge wird auch bei Ottomotoren alternativ oder ergänzend zur Korrektur der Drosselklappeneinstellung und/oder der Zündwinkelveränderung zur Gleichstellung der Zylinderbänke vorgenommen.
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Die Gleichstellung der Bänke bzw. Gruppen erfolgt je nach Ausführungsbeispiel über die Steuerung von Drosselklappen oder sonstigen, die Luftzufuhr zu einer Brennkraftmaschine steuernden Stellelementen, die Kraftstoffzumessung und/oder den Zündwinkel. Dabei wird für jede Bank bzw. Gruppe wenigstens eine Steuergröße (Steuergröße für die Drosselklappe, die Kraftstoffzumessung und/oder den Zündwinkel) entsprechend korrigiert.
