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EP2698520B1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Publication number
EP2698520B1
EP2698520B1 EP13003562.9A EP13003562A EP2698520B1 EP 2698520 B1 EP2698520 B1 EP 2698520B1 EP 13003562 A EP13003562 A EP 13003562A EP 2698520 B1 EP2698520 B1 EP 2698520B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
median
value
signal
max
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP13003562.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2698520A1 (de
Inventor
Christian Barth
Herbert Kopecek
Nikolaus Spyra
Michael Waldhart
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innio Jenbacher GmbH and Co OG filed Critical Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Publication of EP2698520A1 publication Critical patent/EP2698520A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2698520B1 publication Critical patent/EP2698520B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
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    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F02D41/401—Controlling injection timing

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a gas engine, with at least three cylinders, wherein a cylinder-individual signal is detected from each cylinder, wherein a target value is formed from the signals of the cylinders, wherein at least one combustion parameter of the corresponding cylinder is set depending on the deviation of a signal from the target value, wherein the signal is adjusted to the target value.
  • the cylinders of an internal combustion engine usually have differences in terms of combustion technology, which means that with global control of combustion parameters such as fuel quantity or ignition timing, the individual contributions of the cylinders to the overall work performed by the internal combustion engine are different.
  • global or engine-global control of combustion parameters means that all cylinders of an internal combustion engine are operated with the same values for the corresponding manipulated variables, i.e., for example, that with global control with regard to fuel quantity, each cylinder is subjected to the same opening duration of the gas injection valve or that with global control with regard to ignition timing, the ignition devices of the cylinders are activated at the same piston position of the respective piston in the cylinder - usually expressed in degrees of crank angle before TDC (top dead center of the piston in the cylinder).
  • a reciprocating piston engine In a reciprocating piston engine, the work of a cylinder is transferred to a working shaft of the internal combustion engine via a crankshaft connected to a piston rod of the cylinder, whereby an electric generator is often connected to the working shaft in order to convert the mechanical energy of the working shaft into electrical energy.
  • the focus is on equalizing the peak pressures in the individual cylinders in order to achieve the most even mechanical peak load on the components.
  • Alternative equalization variants focus on optimizing engine efficiency or minimizing pollutant emissions, for example.
  • the US7,957,889 B2 described that the fuel supply for each cylinder of an internal combustion engine is adjusted so that the maximum cylinder internal pressure or cylinder peak pressure of each cylinder is set to a common target value with a tolerance band.
  • This target value is derived from the arithmetic mean of all cylinder peak pressures.
  • each cylinder makes essentially the same contribution to power and thermo-mechanical overloads of individual cylinders can be avoided.
  • knocking combustion can also be taken into account when dosing the fuel. For example, it can be specified that cylinders that exceed a certain knock intensity do not receive an increased fuel supply in order to avoid more severe knocking and possible mechanical damage.
  • the systems described so far use the arithmetic mean of individual cylinder signals such as the cylinder peak pressure as a target value for cylinder equalization control.
  • the use of the arithmetic mean has the disadvantage that strong outliers have a significant impact on the arithmetic mean. This means that, for example, cylinders that have unfavorable combustion or whose cylinder pressure signal is inaccurate or distorted - for example due to defective sensors or due to aging effects of sensors or due to electromagnetic interference in the signal transmission and/or signal processing - have a significant and, above all, undesirable influence on the target value for all cylinder peak pressures.
  • the object of the invention is therefore to avoid the disadvantages described above and to provide a method for operating a internal combustion engine.
  • the target value or setpoint for the cylinder equalization control should be more robust than in previously known methods.
  • the median of the signals is formed as the target value.
  • the median which is often also referred to as the central value or the 0.5 quantile, is a position parameter of a sample distribution, whereby within the scope of the invention the distribution of the recorded cylinder-individual signals is a sample distribution.
  • the determination or output of the median is usually not provided and is therefore not carried out in the known methods.
  • the median divides the sample distribution into two halves of equal size.
  • the median can be determined by first ordering the signals in ascending order according to their signal values. If the number of signals is odd - e.g. with an odd number of cylinders - then the signal value of the middle signal is the median. If the number of signals is even - e.g. with an even number of cylinders - then the median can be determined by calculating the arithmetic mean of the two middle signal values of the ordered sample distribution.
  • the arithmetic mean of the signal values is not calculated and used as the target value, but the median of the signal values is calculated and used as the target value.
  • At least one of the following cylinder-specific signals is recorded from each cylinder: cylinder internal pressure, cylinder exhaust gas temperature, nitrogen oxide emissions, combustion air ratio.
  • a special embodiment provides that a maximum cylinder internal pressure of a combustion cycle is recorded as a signal.
  • the detected signal as a signal of a cylinder is filtered over time over 10 to 1000 combustion cycles, preferably 40 to 100 combustion cycles.
  • the combustion parameter of a cylinder is adjusted if the deviation of the cylinder signal from the target value exceeds a predeterminable tolerance value. This allows a smoother control dynamic to be achieved.
  • a fuel quantity for the corresponding cylinder is set as a combustion parameter.
  • this can be the fuel quantity for the respective main combustion chamber of a cylinder.
  • the fuel quantity for a cylinder can be increased if the signal of the cylinder is smaller than the target value and the fuel quantity for a cylinder can be reduced if the signal of the cylinder is larger than the target value.
  • a fuel metering valve can be provided for each cylinder, wherein the opening duration of the corresponding fuel metering valve is set to set the fuel quantity for a cylinder.
  • Such a fuel metering valve can preferably be a port injection valve that is arranged in the area of the intake tract of a cylinder.
  • Port injection valves can also be used that, for example, only allow a fully open or a fully closed position.
  • the Opening duration can be defined as the period of time during which the valve is in its fully open position.
  • stroke-controlled valves can also be used, in which the opening duration and/or the opening stroke of a valve are adjusted to adjust the fuel quantity for a cylinder.
  • the combustion parameter fuel quantity can be regulated depending on the cylinder-specific signal used, as shown in Table 1 below.
  • Column 1 of Table 1 lists the respective cylinder-specific signal and a suitable option for detecting the respective signal.
  • the fuel quantity for a cylinder is increased if the respective cylinder signal is smaller than the target value.
  • the fuel quantity for a cylinder is reduced if the respective cylinder signal is larger than the target value.
  • the target value is the median of the respective signal from all cylinders of the internal combustion engine.
  • the fuel quantity for a cylinder can be increased, for example by increasing the opening time of a fuel metering valve assigned to the cylinder.
  • the fuel quantity for a cylinder can be reduced by reducing the opening time of the fuel metering valve assigned to the cylinder.
  • Table 1 Control interventions regarding the fuel quantity Cylinder-individual signal Increasing the fuel quantity for a cylinder if Reducing the amount of fuel for a cylinder if Cylinder peak pressure, recorded by cylinder pressure sensor in the combustion chamber low cylinder peak pressure high cylinder peak pressure Cylinder exhaust temperature, measured by thermocouple after exhaust valve low cylinder exhaust temperature high cylinder exhaust temperature Nitrogen oxide emissions, recorded by NOx sensor low nitrogen oxide emissions high nitrogen oxide emissions Reciprocal of the combustion air ratio, recorded by broadband lambda probe or oxygen sensor low reciprocal of the combustion air ratio high reciprocal of the combustion air ratio
  • an ignition point is set for the corresponding cylinder as a combustion parameter.
  • an ignition device can be provided for each cylinder, wherein the ignition point of the ignition device is set in degrees of crank angle before TDC (top dead center of the piston in the cylinder).
  • the ignition point is usually expressed in degrees of crank angle before TDC (top dead center of the piston in the cylinder) and thus indicates when a corresponding ignition device is triggered to ignite a fuel or fuel-air mixture in the cylinder or combustion chamber.
  • the ignition device can be a spark plug (e.g. electrode spark plug or laser spark plug) or a pilot injector for carrying out a pilot injection of diesel fuel, for example.
  • a prechamber can also be used as the ignition device.
  • the ignition point is usually set for each cylinder of an internal combustion engine with the same globally specified value (global specified value) - expressed in degrees of crank angle before TDC.
  • this value is 20 to 30 degrees of crank angle before TDC, whereby the value can be set depending on the speed of the internal combustion engine and/or depending on the ignition device used.
  • This global default value can be derived from an ignition timing map in which suitable values for the ignition timing are stored depending on the power and/or the charge air pressure and/or the charge air temperature and/or the engine speed of the internal combustion engine.
  • the ignition timing for a cylinder is set earlier (compared to the global default value) if the signal of the cylinder is smaller than the target value and that the ignition timing for a cylinder is set later (compared to the global default value) if the signal of the cylinder is greater than the target value.
  • a control of the combustion parameter ignition timing can be carried out, depending on the cylinder-individual signal used, according to the following Table 2.
  • Column 1 of Table 2 lists the respective cylinder-specific signal and a suitable option for recording the respective signal.
  • an earlier ignition point is set for a cylinder if the respective signal of the cylinder is smaller than the target value.
  • a later ignition point is set for a cylinder if the respective signal of the cylinder is larger than the target value.
  • the target value is the median of the respective signal from all cylinders of the internal combustion engine.
  • a parameter value is determined for setting the at least one combustion parameter, wherein the parameter value comprises a predefinable engine-global target value and a cylinder-individual difference value.
  • the cylinder-individual difference value can, for example, be in a range of +/- 4 degrees crank angle before TDC, preferably in a range of +/- 2 degrees crank angle before TDC, with respect to setting the combustion parameter ignition timing.
  • the specified target value can be a global value that applies to all cylinders of the internal combustion engine.
  • the predefinable target value with regard to setting the ignition timing as a combustion parameter can be the global preset value for the ignition timing in the cylinders of a stationary gas engine.
  • the predefinable The target value can be derived from an ignition timing map. Suitable values for the ignition timing can be stored in the ignition timing map depending on the power and/or the charge air pressure and/or the charge air temperature and/or the engine speed of the internal combustion engine. The values stored in the ignition timing map can be determined on a test bench.
  • the predefinable target value with regard to setting the fuel quantity as a combustion parameter can be an engine-global basic value for the opening times of fuel metering valves or gas injection valves for the cylinders of a stationary gas engine.
  • a quantity of fuel to be metered is determined depending on the operating point of the internal combustion engine and a predefinable target value for the fuel-air ratio, for example, in order to obtain a certain amount of emissions or a certain charge air pressure.
  • the engine controls used for this usually include an emissions controller.
  • a quantity of fuel to be metered is determined depending on the operating point of the internal combustion engine and a predefinable target value for the power and/or the speed of the internal combustion engine.
  • Fuel-guided combustion processes are used in particular for variable-speed operation of an internal combustion engine, for an internal combustion engine in island operation, when the engine is started or when the internal combustion engine is idling.
  • the engine controls used for this usually include a power controller and/or a speed controller.
  • the predeterminable target value is determined from a predeterminable fuel-air ratio, wherein the predeterminable fuel-air ratio is preferably determined from a power equivalent of the output power of the internal combustion engine, preferably an electrical power of a generator connected to the internal combustion engine, and/or from a charge air pressure and/or from an engine speed of the internal combustion engine.
  • a power equivalent is understood to mean the actual mechanical power of the internal combustion engine or a substitute value corresponding to the mechanical power.
  • This can be, for example, an electrical power of a generator connected to the internal combustion engine, which is measured from the power output of the generator. It can also be a calculated mechanical power of the internal combustion engine, which is calculated from the engine speed and torque or from the electrical power of the generator and the efficiency of the generator. It can also be just the engine speed if the power consumption of the consumer is known exactly via the speed.
  • the power equivalent can also be the indicated mean pressure, which can be determined in a known manner from the internal cylinder pressure curve, or the effective mean pressure, which can be calculated in a known manner from the output torque or from the electrical or mechanical power. A power equivalent of the internal combustion engine can then be determined from the known relationship between the effective mean pressure, the displacement of a cylinder and the work performed in a working cycle.
  • the predeterminable fuel-air ratio can be determined in a known manner from the charge air pressure and the power of the internal combustion engine.
  • the predeterminable fuel-air ratio for an internal combustion engine designed as a gas engine can be determined according to EP 0 259 382 B1 be determined.
  • the predeterminable target value for the gas injection duration can be determined from the flow behavior of the gas injection valves and the boundary conditions prevailing at the gas injection valves (such as pressure and temperature of the fuel gas, intake manifold pressure or charge air pressure).
  • the air mass equivalent (a value corresponding to the air mass) of the gas engine can be determined from the conditions in the intake manifold of the gas engine, in particular from charge air pressure and charge air temperature.
  • the target value for the fuel gas mass can be determined from this using the predeterminable fuel-air ratio.
  • the required global opening time or gas injection time for the gas injection valves can then be determined based on the flow behavior of the gas injection valves and the boundary conditions at the gas injection valves in order to introduce the previously determined fuel gas mass into the gas engine. In this example, this global gas injection time corresponds to the specified target value.
  • the predeterminable target value is determined as a function of the deviation of a power equivalent of the output power of the internal combustion engine from a predeterminable target power equivalent and/or as a function of the deviation of an engine speed of the internal combustion engine from a predeterminable target speed of the internal combustion engine.
  • a power controller can be provided which determines a global engine preset value for the fuel mass flow depending on the deviation of a current power equivalent of the output power (actual power) of the internal combustion engine (e.g. a measured electrical power of a generator connected to the internal combustion engine) from the predefinable target power equivalent (nominal power) of the internal combustion engine.
  • a speed controller can be provided which determines a global engine preset value for the fuel mass flow depending on the deviation of a current engine speed (actual speed) of the internal combustion engine from the predefinable target speed (nominal speed) of the internal combustion engine.
  • the predefinable target value - e.g. for the global engine opening duration of fuel metering valves or for the global engine preset value for the ignition timing of ignition devices - can then be determined from the determined target value for the fuel mass flow.
  • the cylinder-specific difference value contains a cylinder-specific pilot control value.
  • the cylinder-specific pilot control value is determined from a charge air pressure and preferably also from a charge air temperature of the internal combustion engine.
  • the cylinder-specific pilot control values can be determined from measurements during commissioning of the internal combustion engine and can also be used, for example, as fallback values in the event that a sensor for detecting the cylinder-specific signal fails or is malfunctioning.
  • the cylinder-specific pilot control values can, for example, take into account the gas dynamics in the intake manifold and/or in the gas rail of a gas engine as well as corresponding component tolerances, whereby the gas dynamics can be determined by simulations or measurements.
  • the gas dynamics and the effects of component tolerances are influenced by the charge air pressure, the engine speed and the charge air temperature, among other things. It is therefore advantageous to derive suitable cylinder-specific pilot control values from a map that contains corresponding values for different charge air pressures and charge air temperatures. In this way, corresponding measurement data can be recorded when the gas engine is put into operation or corresponding maps can be determined by tests or simulations. It is also possible for an adaptive map to be generated by online measurements during operation of the gas engine.
  • the cylinder-specific difference value is subjected to a compensation value, whereby the compensation value corresponds to the arithmetic mean of the cylinder-specific difference values.
  • This is particularly advantageous for installing or retrofitting the proposed solution in internal combustion engines that have previously been operated without cylinder equalization or only with a global controller.
  • a combustion state is monitored for each cylinder and compared with a a predeterminable target state is assessed as normal or abnormal, whereby the combustion parameter of a cylinder is only adjusted if the combustion state of the cylinder is assessed as normal.
  • Knocking and/or glow ignition and/or misfires in combustion can be monitored as the combustion state, whereby the combustion state of a cylinder is assessed as normal if no knocking and/or glow ignition and/or misfires in combustion are detected.
  • Fig. 1a shows, by way of example, the respective course of the cylinder-individual signal maximum cylinder internal pressure or cylinder peak pressure p max over several combustion cycles c of several cylinders 2 of an internal combustion engine 1.
  • the arithmetic mean p mean of the recorded cylinder-individual signals p max is calculated for each combustion cycle c and used as a reference variable for the control.
  • outliers have a significant effect on the reference variable and thus on the entire cylinder equalization control.
  • Fig. 1b shows a representation similar to the Fig. 1a , whereby the signal p max * of a cylinder 2 of the internal combustion engine 1 has falsified values due to a faulty cylinder internal pressure sensor 4.
  • the reference variable p mean used is strongly influenced by the disturbance of individual sensor signals.
  • the fuel metering would be reduced for each cylinder with a plausible cylinder peak pressure p max and the fuel metering would be increased for cylinder 2 with a faulty signal p max *.
  • a control based on the arithmetic Average value p mean of the cylinder peak pressures p max thus causes individual disturbed signals p max * to cause a clear unequal position of all cylinders 2.
  • the setpoint p median is only slightly or not at all influenced by a disturbed signal p max *. Control deviations could only occur in cylinder 2 with the disturbed signal p max *. The equality of all other cylinders 2 could, however, be maintained.
  • a proposed median-based cylinder equalization can achieve a more robust engine control with higher accuracy while improving behavior in transient engine operation.
  • Fig. 2 shows an internal combustion engine 1 with three cylinders 2.
  • a cylinder pressure sensor 4 is arranged on each cylinder 2 in order to detect a cylinder-specific signal.
  • the cylinder-specific signal can be the temporal progression of the internal cylinder pressure p cyl or the maximum internal cylinder pressure p max over a combustion cycle c.
  • the cylinder-specific signal can also be a temporally filtered signal of the maximum internal cylinder pressure p max over several combustion cycles c, for example over 10 to 1000 combustion cycles c, preferably 40 to 100 combustion cycles c.
  • the detected cylinder-specific signal of a cylinder 2 is fed to a control device 7 via a signal line 14, wherein the determination of the maximum internal cylinder pressure p max over a combustion cycle c or the temporal filtering of the maximum internal cylinder pressure p max over several combustion cycles c can also be carried out by the control device 7.
  • the control device 7 determines a cylinder-specific fuel quantity Q to be metered as a combustion parameter for the cylinders 2 in accordance with the proposed method and reports this to the corresponding fuel metering valves 3 via control lines 15.
  • the corresponding cylinder-specific fuel quantities Q are metered into the cylinders 2 by the fuel metering valves 3 and thus the cylinder-specific signals are adjusted according to the proposed method to the setpoint value formed by the control device 7 - the median of the cylinder-specific signals.
  • Fig.3 shows a variant not claimed, wherein a schematic block diagram of three cylinders 2 of an internal combustion engine 1 with an air-guided combustion process is shown.
  • Each cylinder 2 is assigned a fuel metering valve 3, wherein the amount of fuel Q supplied to the corresponding cylinder 2 can be adjusted by the respective fuel metering valve 3.
  • a control device 7 controls the fuel metering valves 3 in that the control device 7 outputs a respective cylinder-specific opening duration of the fuel metering valve 3 in the form of a cylinder-specific parameter value t cyl .
  • the fuel metering valves 3 are designed as port injection valves, which only have a fully open and a fully closed position.
  • a fuel metering valve 3 When a fuel metering valve 3 is fully open, a fuel in the form of a propellant gas is injected into the inlet tract of the cylinder 2 assigned to the fuel metering valve 3.
  • the fuel quantity Q for the respective cylinder 2 can thus be determined by the opening duration of the fuel metering valve 3.
  • a cylinder-specific signal p max is recorded from each cylinder 2 and fed to the control device 7.
  • a cylinder-specific signal p max corresponds to the maximum internal cylinder pressure of the corresponding cylinder 2 during a combustion cycle c.
  • the cylinder-specific signals p max are fed to a difference value calculation 8 of the control device 7.
  • the difference value calculation 8 determines a difference value ⁇ t cyl for each cylinder 2 or for each fuel metering valve 3, which is added to a predefinable target value t g , resulting in a cylinder-specific opening duration for each fuel metering valve 3 as the parameter value t cyl .
  • the predeterminable engine-global target value t g is determined from a predeterminable fuel-air ratio ⁇ , whereby the predeterminable fuel-air ratio ⁇ is determined by an emission controller 5a from a power equivalent P of the output power of the internal combustion engine 1 (e.g. a measured electrical power of a generator connected to the internal combustion engine 1) and/or from a charge air pressure p A and/or from an engine speed n of the internal combustion engine 1.
  • the pressure p A and the temperature T A of the charge air, the pressure p G and the temperature T G of the fuel supply and the engine speed n of the internal combustion engine 1 can also flow into a target value calculation 6.
  • a flow characteristic of the fuel metering valves 3 e.g. effective flow diameter according to the polytropic outflow equation or a Kv value
  • characteristics of the fuel or combustible gas e.g. the gas density, the polytropic exponent or the calorific value
  • the target value calculation 6 determines the predefinable target value t g , which corresponds to a global engine opening duration basic value for the opening durations of all fuel metering valves 3.
  • the difference value calculation 8 determines a cylinder-specific opening duration offset or difference value ⁇ t cyl for each individual fuel metering valve 3. These cylinder-specific difference values ⁇ t cyl depend on the deviation of the cylinder peak pressure p max of the respective cylinder 2 from the median p median of the cylinder peak pressures p max of all cylinders 2. The respective sum of the engine-global opening duration base value t g and the cylinder-specific opening duration offset ⁇ t cyl results in the target opening duration t cyl commanded to the driver electronics of the respective fuel metering valve 3.
  • the use of the respective cylinder-specific cylinder exhaust temperature T E is also indicated by dashed lines.
  • corresponding cylinder-specific opening duration offsets ⁇ t cyl can be calculated from the deviations of the cylinder-specific cylinder exhaust temperatures T E from the median of the cylinder exhaust temperatures T E across all cylinders 2.
  • the cylinder-specific cylinder exhaust temperatures T E can be used, for example, as an alternative if no cylinder internal pressure sensors 4 are installed or as a fallback solution if cylinder pressure signals fail, in order to increase the availability of the internal combustion engine 1 in the event of a cylinder pressure sensor failure.
  • Fig.4 shows a block diagram according to Fig.3 (also an unclaimed example), in which case the internal combustion engine 1 is operated with a gas-based combustion process.
  • the predeterminable global engine target value t g is determined by a controller 5b, which can comprise a power controller and/or a speed controller.
  • a controller 5b can comprise a power controller and/or a speed controller.
  • P power equivalent of the output power of the internal combustion engine 1
  • Ps nominal power
  • the speed controller in addition to a current engine speed n (actual speed) of the internal combustion engine 1, a predeterminable target speed ns (nominal speed) of the internal combustion engine 1 can serve as input variables.
  • an engine-global preset value for the fuel mass flow m is determined, from which the predefinable engine-global target value t g - e.g. for the engine-global opening duration of fuel metering valves or for the engine-global preset value for the ignition timing of ignition devices - is subsequently determined in a target value calculation 6.
  • Fig.5 shows a block diagram according to Fig.3 , wherein the control device 7 and the difference value calculation 8 are shown in more detail. This illustration shows the control sequence for only one cylinder 2 of the internal combustion engine 1 in detail. Other cylinders 2 of the internal combustion engine 1 are indicated by dashed lines.
  • An internal cylinder pressure sensor 4 is arranged in each cylinder 2.
  • An internal cylinder pressure sensor 4 can record the course of the internal cylinder pressure p cyl over a combustion cycle c.
  • a maximum value detection 9 can determine the maximum internal cylinder pressure p max or peak pressure of the respective cylinder 2 in the previous combustion cycle c.
  • the peak pressures of all cylinders 2 are fed to a setpoint calculation 10 as cylinder-specific signals p max .
  • This setpoint calculation 10 forms the median from the cylinder-specific signals p max and outputs this as the setpoint p median .
  • the deviation of the signal p max of a cylinder 2 from the setpoint p median is determined and subsequently a difference value ⁇ t cyl is determined for the fuel metering valve 3, which is assigned to the cylinder 2.
  • the respective difference value ⁇ t cyl is added to a global engine, predeterminable target value t g . which results in an opening time for the fuel metering valve 3 as parameter value t cyl .
  • the predeterminable target value t g is, as in Fig.3 described, from an emission controller of the internal combustion engine 1. In principle, it can also be determined from a power controller and/or from a speed controller (as in Fig.4 described) of the internal combustion engine 1.
  • the respective difference value ⁇ t cyl includes a cylinder-specific pilot control value t p , which is determined by a pilot control value calculation 12 from the charge air pressure p A and/or the charge air temperature T A and/or the engine speed n of the internal combustion engine 1.
  • This respective pilot control value t p can be determined, for example, by measurements when starting up the internal combustion engine 1 and stored in a characteristic map.
  • the setpoint controller 11 can be designed as a P, PI or PID controller, for example.
  • controller concepts and controller types can also be used, such as LQ controllers, robust controllers or fuzzy controllers.
  • the difference values ⁇ t cyl are each additionally subjected to a compensation value t o from a compensation value calculation 13.
  • This compensation value t o which is the same for all difference values ⁇ t cyl , corresponds to the arithmetic mean of the difference values ⁇ t cyl of all cylinders 2 and can be positive or negative.
  • Fig.6 shows a schematic block diagram similar to the Fig.3 (also an unclaimed example), however, with the embodiment of the invention shown, it is not the fuel quantities Q for the cylinders 2 that are set, but rather the ignition times Z of ignition devices 18 arranged on or in the cylinders 2.
  • the globally predeterminable target value t g (global default value) for the ignition time Z is determined from an ignition time map 16, with suitable values for the global default value t g being determined in the ignition time map 16 depending on the power or the power equivalent P and/or the charge air pressure p A and/or the charge air temperature T A and/or the engine speed n of the internal combustion engine 1.
  • the respective parameter value t cyl determined by the control device 7 - expressed as degrees of crank angle before TDC - is reported to an ignition control 17.
  • the ignition control 17 activates the respective ignition device 18 at the respectively specified ignition point Z.
  • the ignition point Z of a cylinder 2 is set earlier than the global default value t g if the cylinder peak pressure p max of the cylinder 2 is less than the target value p median
  • the ignition point Z of a cylinder 2 is set later than the global default value t g if the cylinder peak pressure p max of the cylinder 2 is greater than the target value p median .
  • Fig.7 shows a schematic block diagram of another embodiment of the invention similar to the Fig.5 , however, it is not the fuel quantities Q for the cylinders 2 that are set, but rather the ignition points Z of ignition devices 18 arranged on or in the cylinders 2.
  • the nitrogen oxide emissions E cyl of a cylinder 2 over a combustion cycle c are recorded by a NOx sensor 19 and fed to an evaluation unit 20.
  • the evaluation unit 20 determines a filtered emission value from the temporal progression of the nitrogen oxide emissions E cyl over a combustion cycle c, which is fed to the setpoint calculation 10 as a cylinder-specific signal E.
  • the setpoint calculation 10 forms the median from the cylinder-specific signals E of all cylinders 2 and outputs this as the setpoint E median to the setpoint controller 11.
  • the deviation of the cylinder-specific signal E from the setpoint E median is determined and, depending on this, a difference value ⁇ t cyl is determined for the ignition point Z of an ignition device 18 assigned to the corresponding cylinder 2.
  • the respective difference value ⁇ t cyl is added to a global engine, predeterminable target value t g , resulting in an ignition point Z in degrees crank angle before TDC as a parameter value t cyl , which is reported to an ignition control 17, whereby the ignition control 17 activates the ignition device 18 (e.g. a spark plug) at the specified ignition point Z.
  • the predeterminable target value t g is thereby, as in Fig.6 described, determined from an ignition timing map 16.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, mit wenigstens drei Zylindern, wobei von jedem Zylinder ein zylinderindividuelles Signal erfasst wird, wobei aus den Signalen der Zylinder ein Sollwert gebildet wird, wobei in Abhängigkeit von der Abweichung eines Signals vom Sollwert wenigstens ein Verbrennungsparameter des entsprechenden Zylinders eingestellt wird, wobei das Signal dem Sollwert nachgeführt wird.
  • Die Zylinder einer Brennkraftmaschine weisen üblicherweise verbrennungstechnische Unterschiede auf, das heißt, dass bei globaler Regelung von Verbrennungsparametern, wie beispielsweise Brennstoffmenge oder Zündzeitpunkt, die individuellen Beiträge der Zylinder zur gesamten verrichteten Arbeit der Brennkraftmaschine unterschiedlich sind. Unter globaler bzw. motorglobaler Regelung von Verbrennungsparametern ist im Rahmen der Erfindung gemeint, dass alle Zylinder einer Brennkraftmaschine mit denselben Werten für die entsprechenden Stellgrößen betrieben werden, also beispielsweise, dass bei einer globalen Regelung bezüglich Brennstoffmenge jeder Zylinder mit derselben Öffnungsdauer des Gaseinblaseventils beaufschlagt wird oder dass bei einer globalen Regelung bezüglich Zündzeitpunkt die Zündeinrichtungen der Zylinder jeweils bei derselben Kolbenstellung des jeweiligen Kolbens im Zylinder - üblicherweise ausgedrückt in Grad Kurbelwinkel vor OT (oberer Totpunkt des Kolbens im Zylinder) - aktiviert werden.
  • Die Arbeit eines Zylinders wird bei einer Hubkolbenmaschine über eine mit einem Kolbenpleuel des Zylinders verbundene Kurbelwelle auf eine Arbeitswelle der Brennkraftmaschine übertragen, wobei oftmals ein elektrischer Generator mit der Arbeitswelle verbunden ist, um die mechanische Energie der Arbeitswelle in elektrische Energie zu wandeln. Unter den verschiedenen Möglichkeiten einer Zylindergleichstellung steht jene im Fokus, die Spitzendrücke in den einzelnen Zylindern anzugleichen, um eine möglichst gleichmäßige mechanische Spitzenbelastung der Bauteile zu erreichen. Alternative Gleichstellungsvarianten sehen z.B. die Optimierung des Motorwirkungsgrades oder die Minimierung der Schadstoffemissionen im Vordergrund.
  • In Bezug auf eine Zylindergleichstellungsregelung ist in der US 7,957,889 B2 beschrieben, dass die Brennstoffeinbringung für jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine so angepasst wird, dass der maximale Zylinderinnendruck bzw. Zylinderspitzendruck jedes Zylinders auf einen gemeinsamen Zielwert mit Toleranzband eingestellt wird. Dieser Zielwert ergibt sich hierbei aus dem arithmetischen Mittelwert aller Zylinderspitzendrücke.
  • Durch die Gleichstellung der Zylinderspitzendrücke leistet jeder Zylinder im Wesentlichen denselben Leistungsbeitrag und thermomechanische Überlastungen einzelner Zylinder können vermieden werden. Darüber hinaus kann bei der Brennstoffdosierung auch eine klopfende Verbrennung berücksichtigt werden. So kann z.B. vorgesehen sein, dass Zylinder, die eine gewisse Klopfintensität überschreiten, keine erhöhte Brennstoffzufuhr erhalten, um ein stärkeres Klopfen und evtl. mechanische Schädigungen zu vermeiden.
  • Die bisher beschriebenen Systeme verwenden den arithmetischen Mittelwert von zylinderindividuellen Signalen wie z.B. dem Zylinderspitzendruck als Zielgröße für eine Zylindergleichstellungsregelung. Die Verwendung des arithmetischen Mittelwerts hat jedoch den Nachteil, dass starke Ausreißer eine wesentliche Auswirkung auf den arithmetischen Mittelwert haben. Damit haben beispielsweise Zylinder, die eine ungünstige Verbrennung aufweisen, oder deren Zylinderdrucksignal ungenau oder verfälscht sind - beispielsweise aufgrund von defekten Sensoren oder aufgrund von Alterungseffekten von Sensoren oder aufgrund von elektromagnetischen Einstreuungen in der Signalübertragung und/oder Signalverarbeitung - einen deutlichen und vor allem ungewünschten Einfluss auf den Zielwert für alle Zylinderspitzendrücke.
  • Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Regelverfahren für Brennkraftmaschinen gehen aus der DE 197 54 353 A1 , der DE 10 2010 042736 A1 , der US 2010 089364 A1 , der WO 2009/122012 A1 oder der JP 2010 001745 A hervor.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine anzugeben. Insbesondere soll der Zielwert bzw. Sollwert für die Zylindergleichstellungsregelung robuster sein als in bisher bekannten Verfahren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, dass als Sollwert der Median der Signale gebildet wird.
  • Der Median, der häufig auch als Zentralwert oder als 0,5-Quantil bezeichnet wird, ist ein Lageparameter einer Stichprobenverteilung, wobei im Rahmen der Erfindung die Verteilung der erfassten zylinderindividuellen Signale eine Stichprobenverteilung ist. In den bekannten Steuerungs- oder Regelungssystemen, auf denen eine Steuerung bzw. Regelung einer Brennkraftmaschine beruhen kann, ist die Ermittlung bzw. Ausgabe des Medians üblicherweise nicht vorgesehen und wird daher in den bekannten Verfahren nicht durchgeführt.
  • Im Unterschied zum arithmetischen Mittelwert, bei dem alle Werte einer Stichprobenverteilung addiert und durch die Anzahl der einzelnen Werte dividiert wird, teilt der Median die Stichprobenverteilung in zwei Hälften gleicher Größe. Der Median kann dadurch bestimmt werden, dass zunächst die Signale entsprechend ihrer Signalwerte aufsteigend geordnet werden. Wenn die Anzahl der Signale ungerade ist - z.B. bei einer ungeraden Anzahl von Zylindern - dann ist der Signalwert des mittleren Signals der Median. Wenn die Anzahl der Signale gerade ist - z.B. bei einer geraden Anzahl von Zylindern - dann kann der Median ermittelt werden, indem der arithmetische Mittelwert der beiden mittleren Signalwerte der geordneten Stichprobenverteilung gebildet wird.
  • Eine wichtige Eigenschaft des Medians ist, dass er im Vergleich zum arithmetischen Mittelwert, der oft auch einfach nur als Mittelwert oder Durchschnitt bezeichnet wird, wesentlich robuster gegenüber Ausreißern bzw. extrem abweichenden Werten innerhalb der Stichprobenverteilung ist.
  • Gemäß der vorgeschlagenen Lösung wird also ausdrücklich nicht der arithmetische Mittelwert der Signalwerte gebildet und als Sollwert verwendet, sondern es wird der Median der Signalwerte gebildet und als Sollwert verwendet.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass von jedem Zylinder wenigstens eines der folgenden zylinderindividuellen Signale erfasst wird: Zylinderinnendruck, Zylinderabgastemperatur, Stickoxidemissionen, Verbrennungsluftverhältnis. Eine besondere Ausführungsvariante sieht vor, dass als Signal ein maximaler Zylinderinnendruck eines Verbrennungszyklus erfasst wird.
  • Um eine bessere Signalqualität und damit eine höhere Regelgüte zu erhalten, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass als Signal eines Zylinders das erfasste Signal über 10 bis 1000 Verbrennungszyklen, vorzugsweise 40 bis 100 Verbrennungszyklen, zeitlich gefiltert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsparameter eines Zylinders eingestellt wird, falls die Abweichung des Signals des Zylinders vom Sollwert einen vorgebbaren Toleranzwert überschreitet. Dadurch kann eine ruhigere Regeldynamik erzielt werden.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Verbrennungsparameter eine Brennstoffmenge für den entsprechenden Zylinder eingestellt wird. Bei einer vorkammergezündeten Brennkraftmaschine kann es sich dabei um die Brennstoffmenge für den jeweiligen Hauptbrennraum eines Zylinders handeln. Die Brennstoffmenge für einen Zylinder kann erhöht werden, falls das Signal des Zylinders kleiner dem Sollwert ist und die Brennstoffmenge für einen Zylinder kann verringert werden, falls das Signal des Zylinders größer dem Sollwert ist. Vorzugsweise kann dabei für jeden Zylinder ein Brennstoffdosierventil vorgesehen sein, wobei zum Einstellen der Brennstoffmenge für einen Zylinder die Öffnungsdauer des entsprechenden Brennstoffdosierventils eingestellt wird. Bei einem solchen Brennstoffdosierventil kann es sich vorzugsweise um ein Port-Injection-Ventil handeln, das im Bereich des Einlasstraktes eines Zylinders angeordnet ist. Es können dabei auch Port-Injection-Ventile eingesetzt werden, die beispielsweise nur eine vollständig geöffnete oder eine vollständig geschlossene Position ermöglichen. Hierbei kann die Öffnungsdauer als der Zeitraum definiert sein, in dem sich das Ventil in seiner vollständig geöffneten Position befindet. Generell können aber auch hubgesteuerte Ventile zum Einsatz kommen, bei denen zum Einstellen der Brennstoffmenge für einen Zylinder die Öffnungsdauer und/oder der Öffnungshub eines Ventils eingestellt werden.
  • Eine Regelung bezüglich des Verbrennungsparameters Brennstoffmenge kann dabei, in Abhängigkeit des verwendeten zylinderindividuellen Signals, gemäß nachfolgender Tabelle 1 erfolgen. Dabei listet Spalte 1 der Tabelle 1 das jeweilige zylinderindividuelle Signal und eine geeignete Möglichkeit zur Erfassung des jeweiligen Signals auf. Gemäß Spalte 2 der Tabelle 1 erfolgt eine Erhöhung der Brennstoffmenge für einen Zylinder, falls das jeweilige Signal des Zylinders kleiner dem Sollwert ist. Gemäß Spalte 3 der Tabelle 1 erfolgt eine Verringerung der Brennstoffmenge für einen Zylinder, falls das jeweilige Signal des Zylinders größer dem Sollwert ist. Der Sollwert ist dabei jeweils der Median des jeweiligen Signals von allen Zylindern der Brennkraftmaschine. Die Brennstoffmenge kann dabei für einen Zylinder erhöht werden, indem beispielsweise die Öffnungsdauer eines dem Zylinder zugeordneten Brennstoffdosierventils erhöht wird. Entsprechend kann die Brennstoffmenge für einen Zylinder verringert werden, indem die Öffnungsdauer des dem Zylinder zugeordneten Brennstoffdosierventils verringert wird. Tabelle 1: Regeleingriffe bezüglich der Brennstoffmenge
    Zylinderindividuelles Signal Erhöhen der Brennstoffmenge für einen Zylinder, falls Verringern der Brennstoffmenge für einen Zylinder, falls
    Zylinderspitzendruck, erfasst durch Zylinderdrucksensor im Brennraum niedriger Zylinderspitzendruck hoher Zylinderspitzendruck
    Zylinderabgastemperatur, erfasst durch Thermoelement nach Auslassventil niedrige Zylinderabgastemperatur hohe Zylinderabgastemperatur
    Stickoxidemissionen, erfasst durch NOx-Sonde niedrige Stickoxidemissionen hohe Stickoxidemissionen
    Kehrwert des Verbrennungsluftverhältnisses, erfasst durch Breitband-Lambdasonde oder Sauerstoffsensor niedriger Kehrwert des Verbrennungsluftverhältnisses hoher Kehrwert des Verbrennungsluftverhältnisses
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als Verbrennungsparameter ein Zündzeitpunkt für den entsprechenden Zylinder eingestellt wird. Vorzugsweise kann dabei für jeden Zylinder eine Zündeinrichtung vorgesehen sein, wobei der Zündzeitpunkt der Zündeinrichtung in Grad Kurbelwinkel vor OT (oberer Totpunkt des Kolbens im Zylinder) eingestellt wird.
  • Der Zündzeitpunkt wird üblicherweise ausgedrückt in Grad Kurbelwinkel vor OT (oberer Totpunkt des Kolbens im Zylinder) und gibt somit an, wann eine entsprechende Zündeinrichtung zur Entflammung eines Brennstoffs oder Brennstoff-Luft-Gemischs im Zylinder bzw. Brennraum ausgelöst wird. Bei der Zündeinrichtung kann es sich dabei um eine Zündkerze (z.B. Elektrodenzündkerze oder Laserzündkerze) oder um einen Pilot-Injektor zur Durchführung einer Piloteinspritzung von z.B. Dieselkraftstoff handeln. Als Zündeinrichtung kann auch eine Vorkammer zum Einsatz kommen. Üblicherweise wird der Zündzeitpunkt für jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine mit demselben, global vorgegebenen Wert (globaler Vorgabewert) - ausgedrückt in Grad Kurbelwinkel vor OT - festgelegt. Beispielsweise beträgt dieser Wert 20 bis 30 Grad Kurbelwinkel vor OT, wobei der Wert abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder abhängig von der eingesetzten Zündeinrichtung festgelegt werden kann. Dieser globale Vorgabewert kann aus einem Zündzeitpunktkennfeld abgeleitet werden, in dem geeignete Werte für den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Leistung und/oder des Ladeluftdrucks und/oder der Ladelufttemperatur und/oder der Motordrehzahl der Brennkraftmaschine abgelegt sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Zündzeitpunkt für einen Zylinder früher (gegenüber dem globalen Vorgabewert) eingestellt wird, falls das Signal des Zylinders kleiner dem Sollwert ist und dass der Zündzeitpunkt für einen Zylinder später (gegenüber dem globalen Vorgabewert) eingestellt wird, falls das Signal des Zylinders größer dem Sollwert ist.
  • Eine Regelung bezüglich des Verbrennungsparameters Zündzeitpunkt kann dabei, in Abhängigkeit des verwendeten zylinderindividuellen Signals, gemäß nachfolgender Tabelle 2 erfolgen. Dabei listet Spalte 1 der Tabelle 2 das jeweilige zylinderindividuelle Signal und eine geeignete Möglichkeit zur Erfassung des jeweiligen Signals auf. Gemäß Spalte 2 der Tabelle 2 wird für einen Zylinder ein früherer Zündzeitpunkt eingestellt, falls das jeweilige Signal des Zylinders kleiner dem Sollwert ist. Gemäß Spalte 3 der Tabelle 2 wird für einen Zylinder ein späterer Zündzeitpunkt eingestellt, falls das jeweilige Signal des Zylinders größer dem Sollwert ist. Der Sollwert ist dabei jeweils der Median des jeweiligen Signals von allen Zylindern der Brennkraftmaschine. Tabelle 2: Regeleingriffe bezüglich des Zündzeitpunkts
    Zylinderindividuelles Signal Zündzeitpunkt für einen Zylinder früher einstellen, falls Zündzeitpunkt für einen Zylinder später einstellen, falls
    Zylinderspitzendruck, erfasst duch Zylinderdrucksensor im Brennraum niedriger Zylinderspitzendruck hoher Zylinderspitzendruck
    Stickoxidemissionen, erfasst durch NOx-Sonde niedrige Stickoxidemissionen hohe Stickoxidemissionen
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum Einstellen des wenigstens einen Verbrennungsparameters ein Parameterwert ermittelt wird, wobei der Parameterwert einen vorgebbaren motorglobalen Zielwert und einen zylinderindividuellen Differenzwert umfasst.
  • Der zylinderindividuelle Differenzwert kann in Bezug auf ein Einstellen des Verbrennungsparameters Zündzeitpunkt beispielsweise in einem Bereich von +/- 4 Grad Kurbelwinkel vor OT, vorzugsweise in einem Bereich von +/- 2 Grad Kurbelwinkel vor OT, liegen.
  • Beim vorgebbaren Zielwert kann es sich um einen globalen Wert handeln, der für alle Zylinder der Brennkraftmaschine gilt.
  • Beim vorgebbaren Zielwert in Bezug auf das Einstellen des Zündzeitpunkts als Verbrennungsparameter kann es sich um den globalen Vorgabewert für den Zündzeitpunkt in den Zylindern eines stationären Gasmotors handeln. Der vorgebbare Zielwert kann dabei aus einem Zündzeitpunktkennfeld abgeleitet werden. Im Zündzeitpunktkennfeld können geeignete Werte für den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Leistung und/oder des Ladeluftdrucks und/oder der Ladelufttemperatur und/oder der Motordrehzahl der Brennkraftmaschine abgelegt sein. Die im Zündzeitpunktkennfeld abgelegten Werte können dabei auf einem Prüfstand ermittelt werden.
  • Beim vorgebbaren Zielwert in Bezug auf das Einstellen der Brennstoffmenge als Verbrennungsparameter kann es sich um einen motorglobalen Grundwert für die Öffnungsdauern von Brennstoffdosierventilen bzw. Gaseinblaseventilen für die Zylinder eines stationären Gasmotors handeln.
  • Grundsätzlich kann bei in Brennkraftmaschinen eingesetzten Brennverfahren zwischen luftgeführten und brennstoffgeführten Brennverfahren unterschieden werden. Bei einem luftgeführten Brennverfahren wird abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und einem vorgebbaren Zielwert für das Brennstoff-Luft-Verhältnis beispielsweise eine zu dosierende Brennstoffmenge ermittelt, um eine bestimmte Emissionsmenge oder einen bestimmten Ladeluftdruck zu erhalten. Die dabei eingesetzten Motorregelungen umfassen üblicherweise einen Emissionsregler. Bei einem brennstoffgeführten bzw. gasgeführten Brennverfahren wird abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und einem vorgebbaren Zielwert für die Leistung und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine zu dosierende Brennstoffmenge ermittelt. Brennstoffgeführte Brennverfahren haben ihre Anwendung insbesondere bei drehzahlvariablem Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei einer Brennkraftmaschine im Inselbetrieb, bei Motorstart oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine. Die dabei eingesetzten Motorregelungen umfassen üblicherweise einen Leistungsregler und/oder einen Drehzahlregler.
  • Für luftgeführte Brennverfahren, bei denen beispielsweise ein Emissionsregler zum Einsatz kommt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der vorgebbare Zielwert aus einem vorgebbaren Brennstoff-Luft-Verhältnis ermittelt wird, wobei vorzugsweise das vorgebbare Brennstoff-Luft-Verhältnis aus einem Leistungsäquivalent der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer elektrischen Leistung eines mit der Brennkraftmaschine verbundenen Generators, und/oder aus einem Ladeluftdruck und/oder aus einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  • Unter einem Leistungsäquivalent wird im Rahmen dieser Erfindung die tatsächliche mechanische Leistung der Brennkraftmaschine oder eine der mechanischen Leistung entsprechende Ersatzgröße verstanden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische Leistung eines mit der Brennkraftmaschine verbundenen Generators handeln, die aus der Leistungsabgabe des Generators gemessen wird. Es kann sich dabei auch um eine berechnete mechanische Leistung der Brennkraftmaschine handeln, die aus Motordrehzahl und Drehmoment oder aus der elektrischen Leistung des Generators und dem Wirkungsgrad des Generators berechnet wird. Es kann sich dabei auch nur um die Motordrehzahl handeln, falls die Leistungsaufnahme des Verbrauchers über die Drehzahl genau bekannt ist. Weiters kann es sich beim Leistungsäquivalent auch um den indizierten Mitteldruck, der in bekannter Weise aus dem Zylinderinnendruckverlauf ermittelt werden kann, oder um den effektiven Mitteldruck, der sich in bekannter Weise aus dem abgegebenen Drehmoment oder aus der elektrischen oder mechanischen Leistung errechnen lässt, handeln. Dabei kann aus dem bekannten Zusammenhang zwischen effektivem Mitteldruck, dem Hubraum eines Zylinders und der bei einem Arbeitstakt geleisteten Arbeit in weiterer Folge ein Leistungsäquivalent der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
  • Das vorgebbare Brennstoff-Luft-Verhältnis kann in an sich bekannter Weise aus dem Ladeluftdruck und der Leistung der Brennkraftmaschine ermittelt werden. So kann das vorgebbare Brennstoff-Luft-Verhältnis für eine als Gasmotor ausgebildete Brennkraftmaschine beispielsweise gemäß EP 0 259 382 B1 ermittelt werden.
  • Der vorgebbare Zielwert für die Gaseinblasedauer kann dabei aus dem Durchflussverhalten der Gaseinblaseventile und den an den Gaseinblaseventilen vorherrschenden Randbedingungen (wie z.B. Druck und Temperatur des Brenngases, Saugrohrdruck bzw. Ladeluftdruck) ermittelt werden. Aus den Bedingungen im Saugrohr des Gasmotors, insbesondere aus Ladeluftdruck und Ladelufttemperatur, kann das Luftmasseäquivalent (ein der Luftmasse entsprechender Wert) des Gasmotors ermittelt werden. Mit dem vorgebbaren Brennstoff-Luft-Verhältnis kann daraus der Sollwert für die Brenngasmasse bestimmt werden. Mit dem Durchflussverhalten der Gaseinblaseventile und den Randbedingungen an den Gaseinblaseventilen kann dann die benötigte globale Öffnungsdauer bzw. Gaseinblasedauer für die Gaseinblaseventile ermittelt werden, um die zuvor ermittelte Brenngasmasse in den Gasmotor einzubringen. Diese globale Gaseinblasedauer entspricht in diesem Beispiel dem vorgebbaren Zielwert.
  • Für gasgeführte Brennverfahren, bei denen beispielsweise ein Leistungsregler und/oder ein Drehzahlregler zum Einsatz kommt, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der vorgebbare Zielwert in Abhängigkeit von der Abweichung eines Leistungsäquivalents der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine von einem vorgebbaren Zielleistungsäquivalent und/oder in Abhängigkeit von der Abweichung einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine von einer vorgebbaren Zieldrehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
  • Dabei kann ein Leistungsregler vorgesehen sein, der in Abhängigkeit der Abweichung eines aktuellen Leistungsäquivalents der abgegebenen Leistung (Istleistung) der Brennkraftmaschine (z.B. eine gemessene elektrische Leistung eines mit der Brennkraftmaschine verbundenen Generators) vom vorgebbaren Zielleistungsäquivalent (Sollleistung) der Brennkraftmaschine einen motorglobalen Vorgabewert für den Brennstoffmassenstrom ermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Drehzahlregler vorgesehen sein, der in Abhängigkeit der Abweichung einer aktuellen Motordrehzahl (Istdrehzahl) der Brennkraftmaschine von der vorgebbaren Zieldrehzahl (Solldrehzahl) der Brennkraftmaschine einen motorglobalen Vorgabewert für den Brennstoffmassenstrom ermittelt. Aus dem ermittelten Zielwert für den Brennstoffmassenstrom kann in weiterer Folge der vorgebbare Zielwert - z.B. für die motorglobale Öffnungsdauer von Brennstoffdosierventilen oder für den motorglobalen Vorgabewert für den Zündzeitpunkt von Zündeinrichtungen - ermittelt werden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zylinderindividuelle Differenzwert einen zylinderindividuellen Vorsteuerwert enthält.
  • Vorzugsweise wird der zylinderindividuelle Vorsteuerwert aus einem Ladeluftdruck und vorzugsweise zusätzlich aus einer Ladelufttemperatur der Brennkraftmaschine ermittelt. Die zylinderindividuellen Vorsteuerwerte können dabei aus Messungen während der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine stammen und beispielsweise auch als Rückfallwerte verwendet werden für den Fall, dass ein Sensor zur Erfassung des zylinderindividuellen Signals ausfällt oder gestört ist.
  • Die zylinderindividuellen Vorsteuerwerte können beispielsweise die Gasdynamik im Saugrohr und/oder im Gasrail eines Gasmotors sowie entsprechende Bauteiltoleranzen berücksichtigen, wobei die Gasdynamik durch Simulationen oder Messungen ermittelt werden kann. Die Gasdynamik sowie Auswirkungen von Bauteiltoleranzen sind unter anderem durch den Ladeluftdruck, die Motordrehzahl und die Ladelufttemperatur beeinflusst. Daher ist es günstig, geeignete zylinderindividuelle Vorsteuerwerte aus einem Kennfeld abzuleiten, das entsprechende Werte für unterschiedliche Ladeluftdrücke und Ladelufttemperaturen beinhaltet. So können bei Inbetriebnahme des Gasmotors entsprechende Messdaten erfasst werden oder entsprechende Kennfelder durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden. Es ist auch möglich, dass durch Online-Messungen während des Betriebs des Gasmotors ein adaptives Kennfeld generiert wird.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der zylinderindividuelle Differenzwert mit einem Ausgleichswert beaufschlagt wird, wobei der Ausgleichswert dem arithmetischen Mittelwert der zylinderindividuellen Differenzwerte entspricht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, um die vorgeschlagene Lösung in Brennkraftmaschinen einzubauen oder nachzurüsten, die bisher ohne Zylindergleichstellung bzw. nur mit einem globalen Regler betrieben wurden. Durch eine derartige Korrektur der zylinderindividuellen Differenzwerte kann insbesondere erreicht werden, dass eine global dosierte Brennstoffmenge nicht durch die vorgeschlagene Lösung beeinflusst wird und eine gegebenenfalls vorhandene globale Emissionsregelung der Brennkraftmaschine nicht angepasst werden muss. Da auch die Werte für die jeweiligen Zündzeitpunkte in eine globale Motorregelung einfließen können, kann durch eine Korrektur der zylinderindividuellen Differenzwerte auch in Bezug auf das Einstellen des Zündzeitpunkts eine unerwünschte Auswirkung auf die globale Motorregelung vermieden werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für jeden Zylinder ein Verbrennungszustand überwacht und in Bezug auf einen vorgebbaren Sollzustand als normal oder abnormal bewertet wird, wobei der Verbrennungsparameter eines Zylinders nur eingestellt wird, falls der Verbrennungszustand des Zylinders als normal bewertet wird. Dabei kann als Verbrennungszustand Klopfen und/oder Glühzünden und/oder Aussetzen in der Verbrennung überwacht werden, wobei der Verbrennungszustand eines Zylinders als normal bewertet wird, falls kein Klopfen und/oder kein Glühzünden und/oder kein Aussetzen in der Verbrennung erkannt werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1a
    Zylinderinnendruckverläufe von mehreren Zylindern einer Brennkraftmaschine über mehrere Verbrennungszyklen und die jeweils daraus ermittelten arithmetischen Mittelwerte und Mediane,
    Fig. 1b
    eine Darstellung gemäß Fig. 1a mit einem gestörten Zylinderdrucksignal eines Zylinderinnendrucksensors eines Zylinders,
    Fig. 2
    eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und einer Regelungsvorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Verfahrens,
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung von 3 Zylindern einer Brennkraftmaschine und eine Regelungsvorrichtung zum Betreiben der Brennkraftmaschine,
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung gemäß Fig. 3 mit einer Brennkraftmaschine mit einem brennstoffgeführten Brennverfahren,
    Fig. 5
    eine schematische Detaildarstellung einer vorgeschlagenen Regelungsvorrichtung,
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung gemäß Fig. 3 und
    Fig. 7
    eine schematische Detaildarstellung einer Regelungsvorrichtung einer weiteren Ausführungsvariante des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Fig. 1a zeigt beispielhaft den jeweiligen Verlauf des zylinderindividuellen Signals maximaler Zylinderinnendruck bzw. Zylinderspitzendruck pmax über mehrere Verbrennungszyklen c von mehreren Zylindern 2 einer Brennkraftmaschine 1. Bei bisher bekannten Verfahren zur Zylindergleichstellung wird für jeden Verbrennungszyklus c jeweils der arithmetische Mittelwert pmean der erfassten zylinderindividuellen Signale pmax gebildet und als Führungsgröße für die Regelung herangezogen. Dadurch wirken sich Ausreißer deutlich auf die Führungsgröße und somit auf die gesamte Zylindergleichstellungsregelung aus.
  • Beim vorgeschlagenen Verfahren wird hingegen nicht der arithmetische Mittelwert der zylinderindividuellen Signale pmax sondern der Median bzw. Zentralwert als Sollwert pmedian gebildet. Dieser Sollwert pmedian bildet dann die Führungsgröße für die Zylindergleichstellungsregelung. Durch die Verwendung des Medians aller zylinderindividuellen Signale pmax ergibt sich ein stabilerer Zielwert für das Einstellen eines Verbrennungsparameters, beispielsweise der Brennstoffmenge bzw. Gasdosierung eines jeden einzelnen Zylinders 2. Der Einfluss einzelner Zylinderspitzendrücke mit Störgrößen kann dadurch minimiert werden. Somit lässt sich eine stabilere und genauere Zylindergleichstellung erreichen, da der Sollwert pmedian geringeren Schwankungen unterliegt. Außerdem kann durch Verwendung des Medians insbesondere im transienten Motorbetrieb (z.B. bei Lastsprüngen) eine bessere Gleichstellung der Zylinder 2 erzielt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als jeweiliges zylinderindividuelles Signal ein über mehrere Verbrennungszyklen c zeitlich gefiltertes Signal des erfassten Signals pmax verwendet wird. Durch die höhere Stabilität des Medians im Vergleich zum arithmetischen Mittelwert können dadurch auch die Filterungszeiten über mehrere Verbrennungszyklen c verkürzt werden.
  • Fig. 1b zeigt eine Darstellung ähnlich der Fig. 1a, wobei das Signal pmax* eines Zylinders 2 der Brennkraftmaschine 1 infolge eines gestörten Zylinderinnendrucksensors 4 verfälschte Werte aufweist. Bei einer Regelung auf den arithmetischen Mittelwert gemäß Stand der Technik wird die dabei herangezogene Führungsgröße pmean durch die Störung einzelner Sensorsignale stark beeinflusst. Bei einer solchen Regelung auf den arithmetischen Mittelwert pmean würde in dem dargestellten Fall - zumindest im verfälschten Verbrennungszyklenbereich c1 - für jeden Zylinder mit plausiblem Zylinderspitzendruck pmax die Brennstoffdosierung reduziert und für den Zylinder 2 mit gestörtem Signal pmax* würde die Brennstoffdosierung erhöht. Bei einer Regelung bezüglich des arithmetischen Mittelwerts pmean der Zylinderspitzendrücke pmax bewirken somit einzelne gestörte Signale pmax* eine deutliche Ungleichstellung aller Zylinder 2.
  • Wird jedoch gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren der Median der Zylinderspitzendrücke pmax als Zielgröße bzw. Sollwert pmedian verwendet, so wird der Sollwert pmedian durch ein gestörtes Signal pmax* nur geringfügig bis gar nicht beeinflusst. Nur bei dem Zylinder 2 mit dem gestörten Signal pmax* könnten sich Regelungsabweichungen ergeben. Die Gleichstellung aller anderen Zylinder 2 könnte jedoch gewahrt werden.
  • Insgesamt kann mit einer vorgeschlagenen medianbasierten Zylindergleichstellung eine robustere Motorregelung mit höherer Genauigkeit bei gleichzeitig verbessertem Verhalten im transienten Motorbetrieb erreicht werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit drei Zylindern 2. An jedem Zylinder 2 ist ein Zylinderdrucksensor 4 angeordnet, um ein zylinderindividuelles Signal zu erfassen. Bei dem zylinderindividuellen Signal kann es sich um den zeitlichen Verlauf des Zylinderinnendrucks pcyl oder dem maximalen Zylinderinnendruck pmax über einen Verbrennungszyklus c handeln. Es kann sich beim zylinderindividuellen Signal auch um ein zeitlich gefiltertes Signal des maximalen Zylinderinnendrucks pmax über mehrere Verbrennungszyklen c handeln, beispielsweise über 10 bis 1000 Verbrennungszyklen c, vorzugsweise 40 bis 100 Verbrennungszyklen c. Das erfasste zylinderindividuelle Signal eines Zylinders 2 wird über eine Signalleitung 14 einer Regelungsvorrichtung 7 zugeführt, wobei das Ermitteln des maximalen Zylinderinnendrucks pmax über einen Verbrennungszyklus c oder das zeitliche Filtern des maximalen Zylinderinnendrucks pmax über mehrere Verbrennungszyklen c auch durch die Regelungsvorrichtung 7 erfolgen kann. Wie nachfolgend beschrieben, wird durch die Regelungsvorrichtung 7 gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren jeweils eine zylinderindividuelle zu dosierende Brennstoffmenge Q als Verbrennungsparameter für die Zylinder 2 ermittelt und mittels Steuerleitungen 15 an entsprechende Brennstoffdosierventile 3 gemeldet. Durch die Brennstoffdosierventile 3 werden die entsprechenden zylinderindividuellen Brennstoffmengen Q in die Zylinder 2 dosiert und damit die zylinderindividuellen Signale gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren dem durch die Regelungsvorrichtung 7 gebildeten Sollwert - dem Median der zylinderindividuellen Signale - nachgeführt.
  • Fig. 3 zeigt eine nicht beanspruchte Variante wobei ein schematisches Blockschaltbild von drei Zylindern 2 einer Brennkraftmaschine 1 mit einem luftgeführten Brennverfahren dargestellt ist. Jedem Zylinder 2 ist ein Brennstoffdosierventil 3 zugeordnet, wobei durch das jeweilige Brennstoffdosierventil 3 die dem entsprechenden Zylinder 2 zugeführte Brennstoffmenge Q eingestellt werden kann. Eine Regelungsvorrichtung 7 steuert dabei die Brennstoffdosierventile 3 an, indem die Regelungsvorrichtung 7 eine jeweilige zylinderindividuelle Öffnungsdauer des Brennstoffdosierventils 3 in Form eines zylinderindividuellen Parameterwertes tcyl ausgibt.
  • Die Brennstoffdosierventile 3 sind in diesem Beispiel als Port-Injection-Ventile ausgeführt, welche nur eine vollständig geöffnete und eine vollständig geschlossene Stellung kennen. Bei vollständig geöffneter Stellung eines Brennstoffdosierventils 3 wird in den Einlasstrakt des dem Brennstoffdosierventil 3 zugeordneten Zylinders 2 ein Brennstoff in Form eines Treibgases eingedüst. Durch die Öffnungsdauer des Brennstoffdosierventils 3 kann somit die Brennstoffmenge Q für den jeweiligen Zylinder 2 festgelegt werden.
  • Von jedem Zylinder 2 wird ein zylinderindividuelles Signal pmax erfasst und der Regelungsvorrichtung 7 zugeführt. Ein zylinderindividuelles Signal pmax entspricht dabei dem maximalen Zylinderinnendruck des entsprechenden Zylinders 2 während eines Verbrennungszyklus c. Im gezeigten Beispiel werden die zylinderindividuellen Signale pmax einer Differenzwertberechnung 8 der Regelungsvorrichtung 7 zugeführt. Die Differenzwertberechnung 8 ermittelt für jeden Zylinder 2 bzw. für jedes Brennstoffdosierventil 3 einen Differenzwert Δtcyl, der jeweils zu einem vorgebbaren Zielwert tg addiert wird, wodurch sich für jedes Brennstoffdosierventil 3 als Parameterwert tcyl eine zylinderindividuelle Öffnungsdauer ergibt.
  • Der vorgebbare motorglobale Zielwert tg wird im gezeigten Beispiel aus einem vorgebbaren Brennstoff-Luft-Verhältnis λ ermittelt, wobei das vorgebbare Brennstoff-Luft-Verhältnis λ durch einen Emissionsregler 5a aus einem Leistungsäquivalent P der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine 1 (z.B. eine gemessene elektrische Leistung eines mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Generators) und/oder aus einem Ladeluftdruck pA und/oder aus einer Motordrehzahl n der Brennkraftmaschine 1 ermittelt wird. Neben dem Brennstoff-Luft-Verhältnis λ können in eine Zielwertberechnung 6 zusätzlich der Druck pA und die Temperatur TA der Ladeluft, der Druck pG und die Temperatur TG der Brennstoffzuführung sowie die Motordrehzahl n der Brennkraftmaschine 1 einfließen. Darüber hinaus können noch ein Durchflusskennwert der Brennstoffdosierventile 3 (z.B. effektiver Strömungsdurchmesser gemäß der polytropen Ausflussgleichung oder ein Kv-Wert) sowie Kenngrößen des Brennstoffs bzw. Brenngases (z.B. die Gasdichte, der Polytropenexponent oder der Heizwert) in die Zielwertberechnung 6 einfließen. Daraus ermittelt die Zielwertberechnung 6 den vorgebbaren Zielwert tg, der einem motorglobalen Öffnungsdauer-Grundwert für die Öffnungsdauern aller Brennstoffdosierventile 3 entspricht.
  • Durch die Differenzwertberechnung 8 wird für jedes einzelne Brennstoffdosierventil 3 ein zylinderindividueller Öffnungsdauer-Offset bzw. Differenzwert Δtcyl ermittelt. Diese zylinderindividuellen Differenzwerte Δtcyl sind abhängig von der Abweichung des Zylinderspitzendrucks pmax des jeweiligen Zylinders 2 vom Median pmedian der Zylinderspitzendrücke pmax aller Zylinder 2. Die jeweilige Summe aus motorglobalem Öffnungsdauer-Grundwert tg und zylinderindividuellem Öffnungsdauer-Offset Δtcyl ergibt die an die Treiberelektronik des jeweiligen Brennstoffdosierventils 3 kommandierte Zielöffnungsdauer tcyl.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung des maximalen Zylinderinnendrucks pmax als zylinderindividuelles Signal ist auch die Verwendung der jeweiligen zylinderindividuellen Zylinderabgastemperatur TE strichliert angedeutet. Dabei können wiederum aus den Abweichungen der zylinderindividuellen Zylinderabgastemperaturen TE zum Median der Zylinderabgastemperaturen TE über alle Zylinder 2 entsprechende zylinderindividuelle Öffnungsdauer-Offsets Δtcyl errechnet werden. Die zylinderindividuellen Zylinderabgastemperaturen TE können beispielsweise als Alternative verwendet werden, wenn keine Zylinderinnendrucksensoren 4 verbaut sind oder auch als Rückfalllösung, wenn Zylinderdrucksignale ausfallen, um die Verfügbarkeit der Brennkraftmaschine 1 im Falle eines Zylinderdrucksensorausfalles zu erhöhen.
  • Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild gemäß Fig. 3 (ebenfalls ein nicht beanspruchtes Beispiel), wobei in diesem Fall die Brennkraftmaschine 1 mit einem gasgeführten Brennverfahren betrieben wird. Der vorgebbare motorglobale Zielwert tg wird im gezeigten Beispiel durch einen Regler 5b ermittelt, der einen Leistungsregler und/oder einen Drehzahlregler umfassen kann. Für den Leistungsregler können dabei neben einem Leistungsäquivalent P der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine 1 (Istleistung) ein vorgebbares Zielleistungsäquivalent Ps (Sollleistung) der Brennkraftmaschine 1 als Eingangsgrößen dienen und für den Drehzahlregler kann neben einer jeweils aktuellen Motordrehzahl n (Istdrehzahl) der Brennkraftmaschine 1 eine vorgebbare Zieldrehzahl ns (Solldrehzahl) der Brennkraftmaschine 1 als Eingangsgröße dienen. Im Regler 5b wird ein motorglobaler Vorgabewert für den Brennstoffmassenstrom m ermittelt, aus dem in weiterer Folge in einer Zielwertberechnung 6 der vorgebbare motorglobale Zielwert tg - z.B. für die motorglobale Öffnungsdauer von Brennstoffdosierventilen oder für den motorglobalen Vorgabewert für den Zündzeitpunkt von Zündeinrichtungen - ermittelt wird.
  • Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild gemäß Fig. 3, wobei die Regelungsvorrichtung 7 sowie die Differenzwertberechnung 8 detaillierter dargestellt sind. Diese Darstellung zeigt den Regelungsablauf für nur einen Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 detailliert. Weitere Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 sind dabei strichliert angedeutet.
  • In jedem Zylinder 2 ist ein Zylinderinnendrucksensor 4 angeordnet. Ein Zylinderinnendrucksensor 4 kann dabei den Verlauf des Zylinderinnendrucks pcyl über einen Verbrennungszyklus c erfassen. Eine Maximalwerterfassung 9 kann dabei den maximalen Zylinderinnendruck pmax bzw. Spitzendruck des jeweiligen Zylinders 2 im vorangegangenen Verbrennungszyklus c ermitteln.
  • Die Spitzendrücke aller Zylinder 2 werden als zylinderindividuelle Signale pmax einer Sollwertberechnung 10 zugeführt. Diese Sollwertberechnung 10 bildet aus den zylinderindividuellen Signalen pmax den Median und gibt diesen als Sollwert pmedian aus. In einem Sollwertregler 11 wird die Abweichung des Signals pmax eines Zylinders 2 vom Sollwert pmedian ermittelt und in weiterer Folge ein Differenzwert Δtcyl für das Brennstoffdosierventil 3, das dem Zylinder 2 zugeordnet ist, ermittelt. Der jeweilige Differenzwert Δtcyl wird dabei zu einem motorglobalen, vorgebbaren Zielwert tg addiert, wodurch sich eine Öffnungsdauer für das Brennstoffdosierventil 3 als Parameterwert tcyl ergibt. Der vorgebbare Zielwert tg wird dabei, wie in Fig. 3 beschrieben, aus einem Emissionsregler der Brennkraftmaschine 1 ermittelt. Er kann grundsätzlich auch aus einem Leistungsregler und/oder aus einem Drehzahlregler (wie in Fig. 4 beschrieben) der Brennkraftmaschine 1 ermittelt werden.
  • Im gezeigten Beispiel umfasst der jeweilige Differenzwert Δtcyl einen zylinderindividuellen Vorsteuerwert tp, der durch eine Vorsteuerwertberechnung 12 aus dem Ladeluftdruck pA und/oder der Ladelufttemperatur TA und/oder der Motordrehzahl n der Brennkraftmaschine 1 ermittelt wird. Dieser jeweilige Vorsteuerwert tp kann dabei beispielsweise durch Messungen bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine 1 ermittelt und in einem Kennfeld abgelegt werden.
  • Generell kann der Sollwertregler 11 beispielsweise als P-, PI- oder PID-Regler ausgeführt werden. Es sind aber auch andere Reglerkonzepte und Reglertypen einsetzbar, wie beispielsweise LQ-Regler, robuste Regler oder Fuzzy-Regler.
  • Um unerwünschte Auswirkungen auf die globale Motorregelung und insbesondere auf den Emissionsregler 5a zu vermeiden, werden die Differenzwerte Δtcyl jeweils zusätzlich noch mit einem Ausgleichswert to aus einer Ausgleichswertberechnung 13 beaufschlagt. Dieser für alle Differenzwerte Δtcyl gleiche Ausgleichswert to entspricht dem arithmetischen Mittelwert der Differenzwerte Δtcyl aller Zylinder 2 und kann positiv oder negativ sein. Insgesamt ist es damit möglich, das vorgeschlagene Verfahren auch bei Brennkraftmaschinen 1 nachzurüsten, die bisher ohne Zylindergleichstellung bzw. nur mit einem globalen Regler betrieben wurden, ohne dass diese zusätzliche Regelung eine Auswirkung auf die globale Motorregelung hat.
  • Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild ähnlich der Fig. 3 (ebenfalls ein nicht beanspruchtes Beispiel), wobei mit der gezeigten Ausführungsform der Erfindung jedoch nicht die Brennstoffmengen Q für die Zylinder 2 sondern die Zündzeitpunkte Z von an bzw. in den Zylindern 2 angeordneten Zündeinrichtungen 18 eingestellt werden. Der global vorgebbare Zielwert tg (globaler Vorgabewert) für den Zündzeitpunkt Z wird dabei aus einem Zündzeitpunktkennfeld 16 ermittelt, wobei im Zündzeitpunktkennfeld 16 geeignete Werte für den globalen Vorgabewert tg abhängig von der Leistung bzw. dem Leistungsäquivalent P und/oder dem Ladeluftdruck pA und/oder der Ladelufttemperatur TA und/oder der Motordrehzahl n der Brennkraftmaschine 1 abgelegt sind. Der jeweilige durch die Regelungsvorrichtung 7 ermittelte Parameterwert tcyl - ausgedrückt als Grad Kurbelwinkel vor OT - wird einer Zündungssteuerung 17 gemeldet. Die Zündungssteuerung 17 aktiviert zum jeweils angegebenen Zündzeitpunkt Z die jeweilige Zündeinrichtung 18. Dabei wird in diesem Beispiel der Zündzeitpunkt Z eines Zylinders 2 früher gegenüber dem globalen Vorgabewert tg eingestellt, falls der Zylinderspitzendruck pmax des Zylinders 2 kleiner dem Sollwert pmedian ist und der Zündzeitpunkt Z eines Zylinders 2 später gegenüber dem globalen Vorgabewert tg eingestellt, falls der Zylinderspitzendruck pmax des Zylinders 2 größer dem Sollwert pmedian ist.
  • Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Fig. 5, wobei jedoch nicht die Brennstoffmengen Q für die Zylinder 2 sondern die Zündzeitpunkte Z von an bzw. in den Zylindern 2 angeordneten Zündeinrichtungen 18 eingestellt werden. In diesem Beispiel werden jeweils die Stickoxidemissionen Ecyl eines Zylinders 2 über einen Verbrennungszyklus c von einer NOx-Sonde 19 erfasst und einer Auswerteeinheit 20 zugeführt. Die Auswerteeinheit 20 ermittelt aus dem zeitlichen Verlauf der Stickoxidemissionen Ecyl über einen Verbrennungszyklus c einen gefilterten Emissionswert, der als zylinderindividuelles Signal E der Sollwertberechnung 10 zugeführt wird. Aus den zylinderindividuellen Signalen E aller Zylinder 2 bildet die Sollwertberechnung 10 den Median und gibt diesen als Sollwert Emedian an den Sollwertregler 11 aus. Im Sollwertregler 11 wird die Abweichung des zylinderindividuellen Signals E vom Sollwert Emedian ermittelt und abhängig davon ein Differenzwert Δtcyl für den Zündzeitpunkt Z einer dem entsprechenden Zylinder 2 zugeordneten Zündeinrichtung 18 ermittelt. Der jeweilige Differenzwert Δtcyl wird dabei zu einem motorglobalen, vorgebbaren Zielwert tg addiert, wodurch sich ein Zündzeitpunkt Z in Grad Kurbelwinkel vor OT als Parameterwert tcyl ergibt, der an eine Zündungssteuerung 17 gemeldet wird, wobei die Zündungssteuerung 17 zum angegebenen Zündzeitpunkt Z die Zündeinrichtung 18 (z.B. eine Zündkerze) aktiviert. Der vorgebbare Zielwert tg wird dabei, wie in Fig. 6 beschrieben, aus einem Zündzeitpunktkennfeld 16 ermittelt.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Gasmotors, mit wenigstens drei Zylindern (2), wobei von jedem Zylinder (2) ein zylinderindividuelles Signal (pmax, E) erfasst wird, wobei aus den Signalen (pmax, E) der Zylinder (2) ein Sollwert (pmedian, Emedian) gebildet wird, wobei in Abhängigkeit von der Abweichung eines Signals (pmax, E) vom Sollwert (pmedian, Emedian) wenigstens ein Verbrennungsparameter (Q, Z) des entsprechenden Zylinders (2) eingestellt wird, wobei das Signal (pmax, E) dem Sollwert (pmedian, Emedian) nachgeführt wird, wobei als Sollwert (pmedian, Emedian) der Median der Signale (pmax, E) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des wenigstens einen Verbrennungsparameters (Q, Z) ein Parameterwert (tcyl) ermittelt wird, wobei der Parameterwert (tcyl) einen vorgebbaren motorglobalen Zielwert (tg) und einen zylinderindividuellen Differenzwert (Δtcyl) umfasst, wobei der zylinderindividuelle Differenzwert (Δtcyl) einen zylinderindividuellen Vorsteuerwert (tp) enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Zylinder (2) wenigstens eines der folgenden zylinderindividuellen Signale erfasst wird: Zylinderinnendruck (pcyl), Zylinderabgastemperatur (TE), Stickoxidemissionen (E), Verbrennungsluftverhältnis, wobei vorzugsweise als Signal ein maximaler Zylinderinnendruck (pmax) eines Verbrennungszyklus (c) erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Signal eines Zylinders das erfasste Signal (pmax, E) über 10 bis 1000 Verbrennungszyklen (c), vorzugsweise 40 bis 100 Verbrennungszyklen (c), zeitlich gefiltert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsparameter (Q, Z) eines Zylinders (2) eingestellt wird, falls die Abweichung des Signals (pmax, E) des Zylinders (2) vom Sollwert (pmedian, Emedian) einen vorgebbaren Toleranzwert überschreitet.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsparameter eine Brennstoffmenge (Q) für den entsprechenden Zylinder (2) eingestellt wird, wobei vorzugsweise die Brennstoffmenge (Q) für einen Zylinder (2) erhöht wird, falls das Signal (pmax, E) des Zylinders (2) kleiner dem Sollwert (pmedian, Emedian) ist und/oder die Brennstoffmenge (Q) für einen Zylinder (2) verringert wird, falls das Signal (pmax, E) des Zylinders (2) größer dem Sollwert (pmedian, Emedian) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (2) ein Brennstoffdosierventil (3) vorgesehen ist, wobei zum Einstellen der Brennstoffmenge (Q) für einen Zylinder (2) die Öffnungsdauer (tcyl) des entsprechenden Brennstoffdosierventils (3) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungsparameter ein Zündzeitpunkt (Z) für den entsprechenden Zylinder (2) eingestellt wird, wobei vorzugsweise der Zündzeitpunkt (Z) für einen Zylinder (2) früher eingestellt wird, falls das Signal (pmax, E) des Zylinders (2) kleiner dem Sollwert (pmedian, Emedian) ist und/oder der Zündzeitpunkt (Z) für einen Zylinder (2) später eingestellt wird, falls das Signal (pmax, E) des Zylinders (2) größer dem Sollwert (pmedian, Emedian) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (2) eine Zündeinrichtung (18) vorgesehen ist, wobei der Zündzeitpunkt (Z) der Zündeinrichtung (18) in Grad Kurbelwinkel vor OT (tcyl) eingestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Zielwert (tg) aus einem vorgebbaren Brennstoff-Luft-Verhältnis (λ) ermittelt wird, wobei vorzugsweise das vorgebbare Brennstoff-Luft-Verhältnis (λ) aus einem Leistungsäquivalent (P) der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise einer elektrischen Leistung eines mit der Brennkraftmaschine (1) verbundenen Generators, und/oder aus einem Ladeluftdruck (pA) und/oder aus einer Motordrehzahl (n) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Zielwert (tg) in Abhängigkeit von der Abweichung eines Leistungsäquivalents (P) der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine (1) von einem vorgebbaren Zielleistungsäquivalent (PS) und/oder in Abhängigkeit von der Abweichung einer Motordrehzahl (n) der Brennkraftmaschine (1) von einer vorgebbaren Zieldrehzahl (nS) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Vorsteuerwert (tp) aus einem Ladeluftdruck (pA) und vorzugsweise zusätzlich aus einer Ladelufttemperatur (TA) der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Differenzwert (Δtcyl) mit einem Ausgleichswert (to) beaufschlagt wird, wobei der Ausgleichswert (to) dem arithmetischen Mittelwert der zylinderindividuellen Differenzwerte (Δtcyl) entspricht.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (2) ein Verbrennungszustand überwacht und in Bezug auf einen vorgebbaren Sollzustand als normal oder abnormal bewertet wird, wobei der Verbrennungsparameter (Q, Z) eines Zylinders (2) nur eingestellt wird, falls der Verbrennungszustand des Zylinders (2) als normal bewertet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbrennungszustand Klopfen und/oder Glühzünden und/oder Aussetzen in der Verbrennung überwacht wird, wobei der Verbrennungszustand eines Zylinders (2) als normal bewertet wird, falls kein Klopfen und/oder kein Glühzünden und/oder kein Aussetzen in der Verbrennung erkannt werden.
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