DE10012025A1 - Verfahren zum Betreiben einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer mehrzylindrigen BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase über ein Hochdruckeinspritzventil (9) in einen Brennruam (4) eingespritzt wird, und bei dem zwischen den Betriebsarten umgeschaltet und die Drehmomente der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine gleichgestellt werden, wobei die Zylindergleichstellung in der ersten Betriebsart mittels eines Reglers durchgeführt wird. Um die Zylindergleichstellung einfach, schnell, effektiv und wenig rechenintensiv, durchführen zu können, wird vorgeschlagen, dass Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) zur Korrektur von zylinderindividuellen Drehmomentfehlern (M_f_ik) in mehreren Betriebspunkten (k) ermittelt und gespeichert werden, aus den Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) statische Druchflussmengenfehler (q_stat) und dynamische Druchflussmengenfehler (q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) ermittelt werden und die in den Brennraum (4) einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern (q_stat, q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) korrigiert wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Betreiben einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine,
insbesondere einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine,
bei dem Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während
einer Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart
während einer Ansaugphase über ein Hochdruckeinspritzventil
in einen Brennraum eingespritzt wird, und bei dem zwischen
den Betriebsarten umgeschaltet und die Drehmomente der
einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine gleichgestellt
werden, wobei die Zylindergleichstellung in der ersten
Betriebsart mittels eines Reglers durchgeführt wird.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine
Brennkraftmaschine, insbesondere eine direkteinspritzende
Brennkraftmaschine, mit einem Brennraum, in den Kraftstoff
in einer erster Betriebsart während einer Verdichtungsphase
und in einer zweiten. Betriebsart während einer Ansaugphase
über ein Hochdruckeinspritzventil einspritzbar ist, mit
einem Steuergerät zum Umschalten zwischen den Betriebsarten
und mit einem Regler zur Zylindergleichstellung zumindest
in der ersten Betriebsart. Schließlich betrifft die
vorliegende Erfindung auch ein Steuergerät für eine solche
Brennkraftmaschine.
Derartige Systeme zur direkten Einspritzung von Kraftstoff
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind allgemein
bekannt. Es wird dabei zwischen einem sog. Schichtbetrieb
als erste Betriebsart und einem sog. Homogenbetrieb als
zweite Betriebsart unterschieden. Der Schichtbetrieb wird
insbesondere bei kleineren Lasten verwendet, während der
Homogenbetrieb bei größeren, an der Brennkraftmaschine
anliegenden Lasten zur Anwendung kommt.
Im Schichtbetrieb wird der Kraftstoff während der
Verdichtungsphase der Brennkraftmaschine in dem Brennraum
derart eingespritzt, dass sich im Zeitpunkt der Zündung
eine Kraftstoffwolke in unmittelbarer Umgebung einer
Zündkerze befindet. Diese Einspritzung kann auf
unterschiedliche Weise erfolgen. So ist es möglich, dass
die eingespritzte Kraftstoffwolke sich bereits während bzw.
unmittelbar nach der Einspritzung bei der Zündkerze
befindet und von dieser entzündet wird. Ebenfalls ist es
möglich, dass die eingespritzte Kraftstoffwolke durch eine
Ladungsbewegung zu der Zündkerze geführt und dann erst
entzündet wird. Bei beiden Brennverfahren liegt keine
gleichmäßige Kraftstoffverteilung vor, sondern eine
Schichtladung.
Der Vorteil des Schichtbetriebs liegt darin, dass mit einer
sehr geringen Kraftstoffmenge die anliegenden kleineren
Lasten von der Brennkraftmaschine ausgeführt werden können.
Größere Lasten können allerdings nicht durch den
Schichtbetrieb erfüllt werden.
In dem für derartige größere Lasten vorgesehenen
Homogenbetrieb wird der Kraftstoff während der Ansaugphase
der Brennkraftmaschine eingespritzt, so dass eine
Verwirbelung und damit eine Verteilung des Kraftstoffs in
dem Brennraum noch ohne weiteres erfolgen kann. Insoweit
entspricht der Homogenbetrieb etwa der Betriebsweise von
Brennkraftmaschinen, bei denen in herkömmlicher Weise
Kraftstoff in das Ansaugrohr eingespritzt wird. Bei Bedarf
kann auch bei kleineren Lasten der Homogenbetrieb
eingesetzt werden.
Im Schichtbetrieb wird die Drosselklappe in dem zu dem
Brennraum führenden Ansaugrohr weit geöffnet und die
Verbrennung wird im Wesentlichen nur durch die
einzuspritzende Kraftstoffmenge gesteuert und/oder
geregelt. Im Homogenbetrieb wird die Drosselklappe in
Abhängigkeit von dem angeforderten Moment geöffnet bzw.
geschlossen und die einzuspritzende Kraftstoffmenge wird in
Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge gesteuert
und/oder geregelt.
In beiden Betriebsarten, also im Schichtbetrieb und im
Homogenbetrieb, wird die einzuspritzende Kraftstoffmasse
zusätzlich in Abhängigkeit von einer Mehrzahl weiterer
Betriebsgrößen auf einen im Hinblick auf
Kraftstoffeinsparung, Abgasreduzierung und dgl. optimalen
Wert gesteuert und/oder geregelt. Die Steuerung und/oder
Regelung wird von dem Steuergerät für die
Brennkraftmaschine ausgeführt und ist in den beiden
Betriebsarten unterschiedlich.
Der Kraftstoff wird bei direkteinspritzenden
Brennkraftmaschinen in der Regel über
Hochdruckeinspritzventile in die Brennräume der
Brennkraftmaschine eingespritzt. Aufgrund von
Fertigungstoleranzen und Verschleißerscheinungen weisen die
Hochdruckeinspritzventile einen unterschiedlichen
Öffnungsdruck auf. Da an den Hochdruckeinspritzventilen
über einen gemeinsamen Hochdruckspeicher jedoch derselbe
Einspritzdruck anliegt, wird in die einzelnen Brennräume
unterschiedlich viel Kraftstoff eingespritzt, was zu einem
unruhigen Lauf der Brennkraftmaschine, zu erhöhten
Abgasemissionen und zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch
führen kann.
Um die Auswirkungen der fertigungs- und verschleißbedingten
Änderungen der Durchflusscharakteristik durch die für die
Kraftstoffeinspritzung verwendeten
Hochdruckeinspritzventile zu kompensieren, sind aus der
DE 198 28 279 Mittel zur Zylindergleichschaltung einer
mehrzylindrigen Brennkraftmaschine bekannt. Dabei werden
die Drehmomente der einzelnen Zylinder der
Brennkraftmaschine durch eine Variation der in den
Brennraum einzuspritzenden Kraftstoffmenge gleichgestellt.
Eine möglichst gleichmäßige Drehmomentabgabe der einzelnen
Zylinder wirkt sich positiv auf die Laufruhe, die Emission
und den Verbrauch der Brennkraftmaschine aus.
In der DE 198 28 279 A1 wird vorgeschlagen, jedem Zylinder
ein Vorsteuerkennfeld zuzuordnen, das während des Betriebs
der Brennkraftmaschine adaptiv ermittelt wird. Im
Schichtbetrieb erfolgt die Zylindergleichstellung durch
einen Regler, wobei das Vorsteuerkennfeld zur Entlastung
des Reglers für die Zylindergleichstellung und zur
Dynamikverbesserung herangezogen werden kann. Im
Homogenbetrieb wird ein aus dem Vorsteuerkennfeld
ermittelter Einspritzkorrekturfaktor zur Korrektur der
Einspritzzeit herangezogen. Die Ausgangsgröße des Reglers
ist im Homogenbetrieb zeitlich konstant, d. h. der Regler
ist inaktiv und die Zylindergleichstellung erfolgt
gesteuert.
Bei der DE 198 28 279 A1 erfolgt die gesteuerte
Zylindergleichstellung im Homogenbetrieb jedoch
ausschließlich unter Berücksichtigung des statischen
Durchflussmengenfehlers, d. h. es werden nur große
Einspritzzeiten ausgewertet. Die dynamischen
Durchflussmengenfehler werden nicht berücksichtigt. Dadurch
können zwar die Drehmomentfehler der einzelnen Zylinder bei
großen Einspritzzeiten, d. h. wenn die Brennkraftmaschine
ein großes Moment erzeugen muss und unter Last betrieben
wird, korrigiert werden. Bei kleinen Einspritzzeiten, z. B.
im Leerlauf der Brennkraftmaschine, können die
Drehmomentfehler jedoch nicht ausreichend kompensiert
werden und es kommt zu einem unruhigen und ungleichmäßigen
Lauf der Brennkraftmaschine.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Zylindergleichstellung dahingehend zu verbessern, dass sie
sowohl bei großen als auch bei kleinen Einspritzzeiten und
sowohl in der erste Betriebsart als auch in der zweiten
Betriebsart der Brennkraftmaschine die Drehmomentfehler der
einzelnen Zylinder korrigieren kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend
von dem Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass
- - zur Korrektur von Drehmomentfehlern der einzelnen Zylinder notwendige Einspritzkorrekturfaktoren in mehreren Betriebspunkten ermittelt und gespeichert werden,
- - aus den Einspritzkorrekturfaktoren statische Durchflussmengenfehler und dynamische Durchflussmengenfehler des Hochdruckeinspritzventils ermittelt werden und
- - die in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern des Hochdruckeinspritzventils korrigiert wird.
Erfindungsgemäß werden also zunächst die
Einspritzkorrekturfaktoren für die einzelnen Zylinder der
Brennkraftmaschine in mehreren Betriebspunkten erfasst. Ein
Betriebspunkt wird u. a. durch die Gemischmenge und die
Gemischzusammensetzung der Zylinderfüllung definiert. Nach
dem Erfassen der Einspritzkorrekturfaktoren werden diese
gespeichert.
Drehmomentfehler der einzelnen Zylinder haben ihre Ursache
überwiegend in Fehlern, insbesondere
Durchflussmengenfehlern, der Hochdruckeinspritzventile. Die
Durchflussmengenfehler geben also die Drehmomentfehler der
Zylinder relativ genau wieder. Die vorliegende Erfindung
macht sich diesen Zusammenhang zunutze und ermittelt
während des normalen Betriebs der Brennkraftmaschine im
Schichtbetrieb und/oder im Homogenbetrieb die
Durchflussmengenfehler der Hochdruckeinspritzventile aus
den gespeicherten Einspritzkorrekturfaktoren. Zur
Drehmomentanpassung der einzelnen Zylinder wird dann die in
den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge in
Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern
des Hochdruckeinspritzventils korrigiert.
Der statische Fehler ist definiert als der sich bei voll
geöffnetem Hochdruckeinspritzventil statisch einstellende
Durchflussmengenfehler. Der dynamische Fehler ist definiert
als der sich statisch einstellende Durchflussmengenfehler
zuzüglich der Fehler, die sich beim Öffnungsvorgang und
beim Schließvorgang des Hochdruckeinspritzventils dynamisch
ergeben. Insbesondere der dynamische Durchflussmengenfehler
eines Hochdruckeinspritzventils hat einen entscheidenden
Einfluss auf die in den Brennraum eines Zylinders über das
Hochdruckeinspritzventil eingespritzte Kraftstoffmenge und
damit auf das von dem Zylinder abgegebene Drehmoment.
Aufgrund der Tatsache, dass erfindungsgemäß aus den
gespeicherten Einspritzkorrekturfaktoren nicht nur der
statische sondern auch der dynamische
Durchflussmengenfehler der Hochdruckeinspritzventile der
Brennkraftmaschine ermittelt und in die Korrektur der in
den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge mit
einbezogen wird, kann in jedem Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine sowohl im Schichtbetrieb als auch im
Homogenbetrieb ein ruhiger und gleichmäßiger Lauf der
Brennkraftmaschine sichergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Einspritzkorrekturfaktoren ausschließlich in der ersten
Betriebsart, also im Schichtbetrieb, erfasst werden. Im
Schichtbetrieb werden die Drehmomentfehler der einzelnen
Zylinder mit Hilfe des Reglers zur Zylindergleichstellung
vollständig ausgeregelt. Es ist eine Proportionalität von
Kraftstoffmenge zu dem von der Brennkraftmaschine
aufgebrachten Moment gegeben. Der Reglereingriff des
Reglers entspricht dem Einspritzkorrekturfaktor. Im
Schichtbetrieb können die Einspritzkorrekturfaktoren also
mit einer besonders hohen Genauigkeit erfasst und
Drehmomentunterschiede der einzelnen Zylinder der
Brennkraftmaschine vollständig eliminiert werden.
Gemäß einer alternativen Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Einspritzkorrekturfaktoren der einzelnen Zylinder sowohl in
der ersten Betriebsart als auch in der zweiten Betriebsart,
also im Homogenbetrieb, erfasst werden. Anders als im
Schichtbetrieb arbeitet im Homogenbetrieb die Regelung zur
Zylindergleichstellung nicht, so dass keine
Proportionalität zwischen Kraftstoff und Moment
gewährleistet ist. Es kann jedoch ein adaptives Verfahren
eingesetzt werden, durch das die Drehmomentfehler in
relativ großen Schritten reduziert, vorzugsweise auf Null
gesetzt, werden. Der dazu erforderliche
Einspritzkorrekturfaktor wird erfasst. Durch den Einsatz
des adaptiven Verfahrens, das jeweils nur die beiden am
stärksten abweichenden Zylinder korrigiert, können die
Drehmomentunterschiede und damit die Kraftstoffunterschiede
verringert werden.
Die im Homogenbetrieb ermittelten
Einspritzkorrekturfaktoren haben zwar eine geringere
Genauigkeit als die im Schichtbetrieb ermittelten
Einspritzkorrekturfaktoren, dafür aber aufgrund der
Lambda=1-Verbrennung insbesondere mit zunehmender Alterung
der Komponenten der Brennkraftmaschine eine höhere
Zuverlässigkeit.
Falls jedoch ein zylinderindividueller Lambdawert zur
Verfügung steht, können die Drehmomentfehler auch im
Homogenbetrieb mit Hilfe des Reglers ausgeregelt werden.
Anders als im Schichtbetrieb ist der Zusammenhang zwischen
Kraftstoffmenge und dem von der Brennkraftmaschine
aufgebrachten Moment jedoch nichtlinear.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass aus den in der ersten
Betriebsart erfassten Einspritzkorrekturfaktoren und aus
den in der zweiten Betriebsart erfassten
Einspritzkorrekturfaktoren gemeinsame statische und
dynamische Durchflussmengenfehler ermittelt und der
Korrektur der in den Brennraum einzuspritzenden
Kraftstoffmenge zugrunde gelegt werden. Die gemeinsamen
Durchflussmengenfehler können durch beliebige Operationen
aus den Einspritzkorrekturfaktoren ermittelt werden.
Beispielhaft sei hier eine Mittelwertbildung, eine
Gewichtung oder eine Filterung der
Einspritzkorrekturfaktoren genannt.
Für die Ermittlung der gemeinsamen Durchflussmengenfehler
können die Einspritzkorrekturfaktoren beliebig verarbeitet
werden. So kann bspw. aus den im Schichtbetrieb und den im
Homogenbetrieb ermittelten statischen
Durchflussmengenfehlern ein gemeinsamer statischer
Durchflussmengenfehler ermittelt werden. Ebenso kann aus
den im Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb ermittelten
dynamischen Durchflussmengenfehlern ein gemeinsamer
dynamischer Durchflussmengenfehler ermittelt werden.
Alternativ können sowohl die statischen als auch die
dynamischen Durchflussmengenfehler bei der Ermittlung des
gemeinsamen statischen bzw. dynamischen
Durchflussmengenfehlers herangezogen werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Bilden der gemeinsamen
Durchflussmengenfehler besteht darin, dass die im
Schichtbetrieb ermittelten statischen und dynamischen
Durchflussmengenfehler als gemeinsame
Durchflussmengenfehler verwendet werden, falls die im
Schichtbetrieb bzw. im Homogenbetrieb ermittelten
Durchflussmengenfehler in erster Näherung übereinstimmen.
Falls die im Schichtbetrieb bzw. im Homogenbetrieb
ermittelten Durchflussmengenfehler dagegen nicht
übereinstimmen, werden die im Homogenbetrieb ermittelten
statischen und dynamischen Durchflussmengenfehler als
gemeinsame Durchflussmengenfehler verwendet. Diese führen
zwar dazu, dass die Drehmomentfehler der einzelnen Zylinder
der Brennkraftmaschine wahrscheinlich nicht vollständig
korrigiert werden, dafür sind sie aber zuverlässiger als
die im Schichtbetrieb ermittelten Durchflussmengenfehler
und deshalb vorzuziehen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass als
Einspritzkorrekturfaktoren die zur Korrektur der
Drehmomentfehler der einzelnen Zylinder notwendigen
Reglereingriffe des Reglers für die Zylindergleichstellung
herangezogen werden. Das Ermitteln und Abspeichern der
Einspritzkorrekturfaktoren geschieht also in einer an sich
aus der DE 198 28 279 A1 bekannten Weise. Diesbezüglich
wird ausdrücklich auf die DE 198 28 279 A1 Bezug genommen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgeschlagen, dass zur Korrektur der in den
Brennraum einzuspritzenden Kraftstoffmenge die
Einspritzzeit der Hochdruckeinspritzventile variiert wird.
Mit den beiden für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine
ermittelten Korrekturgrößen - dem statischen und dem
dynamischen Durchflussmengenfehler - wird dann die über das
entsprechende Hochdruckeinspritzventil einzuspritzende
Kraftstoffmenge korrigiert. Mit dem statischen
Durchflussmengenfehler wird jede Einspritzzeit
multiplikativ und mit dem dynamischen
Durchflussmengenfehler aditiv verändert.
Vorteilhafterweise werden die ermittelten
Einspritzkorrekturfaktoren für die Zylindergleichstellung
in einem Kennfeld gespeichert. Das Kennfeld wird
vorzugsweise in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine
abgelegt. Das Kennfeld wird aufgespannt einerseits von der
Drehzahl der Brennkraftmaschine und andererseits von dem
von der Brennkraftmaschine abgegebenen Moment. Während des
Betriebs der Brennkraftmaschine kann das Steuergerät dann
auf die abgelegten Einspritzkorrekturfaktoren zugreifen,
die entsprechenden Durchflussmengenfehler des
Hochdruckeinspritzventils ermitteln und die in den
Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge entsprechend
korrigieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird vorgesschlagen, dass bei großen
Einspritzzeiten der dem Betriebspunkt entsprechende
Einspritzkorrekturfaktor als statischer
Durchflussmengenfehler herangezogen wird. Der
Einspritzkorrekturfaktor liefert bei größeren
Einspritzzeiten einen zuverlässigen Wert für den statischen
Durchflussmengenfehler, da der Einfluss des dynamischen
Fehlers, d. h. der Fehler auf Grund des Öffnungs- und
Schließvorganges, des Hochdruckeinspritzventils umso
geringer ist, desto größer die Einspritzzeiten sind.
Ebenso wird gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen,
dass bei kleinen Einspritzzeiten der dem Betriebspunkt
entsprechende Einspritzkorrekturfaktor als dynamischer
Durchflussmengenfehler herangezogen wird. Je kleiner die
Einspritzzeiten sind, d. h. je kürzer der Zeitraum ist, in
dem das Hochdruckeinspritzventil geöffnet bzw. geschlossen
wird, desto größer ist der Einfluss des dynamischen Fehlers
auf den Durchflussmengenfehler des
Hochdruckeinspritzventils.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Aufweitung der
Fertigungstoleranzen von Hochdruckeinspritzventilen. Dies
wird möglich, da das Verhalten von jedem einzelnen
Hochdruckeinspritzventil zylinderindividuell erfasst und
bei der Zylindergleichstellung berücksichtigt wird.
Außerdem werden erfindungsgemäß auch die dynamsichen
Durchflussmengenfehler der Hochdruckeinspritzventile bei
der Zylindergleichstellung berücksichtigt, wodurch
insbesondere bei kleinen Einspritzzeiten eine vollständige
Korrektur der Drehmomentfehler der einzelnen Zylinder
möglich wird.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines
Steuerelements, das für ein Steuergerät einer
Brennkraftmaschine, insbesondere einer direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine, vorgesehen ist. Dabei ist auf dem
Steuerelement ein Programm abgespeichert, das auf einem
Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor, des
Steuergeräts ablauffähig und zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall
wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement
abgespeichertes Programm realisiert, so dass diese mit dem
Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die
Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung
das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann
insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung
kommen, bspw. ein Read-Only-Memory (ROM) oder ein Flash-
Memory.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung wird ausgehend von der Brennkraftmaschine der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät
- - zur Korrektur von Drehmomentfehlern der einzelnen Zylinder notwendige Einspritzkorrekturfaktoren in mehreren Betriebspunkten ermittelt und speichert,
- - aus den Einspritzkorrekturfaktoren einen statischen Durchflussmengenfehler und einen dynamischen Durchflussmengenfehler des Hochdruckeinspritzventils ermittelt und
- - die in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern des Hochdruckeinspritzventils korrigiert.
Schließlich wird als eine Lösung der Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ausgehend von dem Steuergerät für
eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art
vorgeschlagen, dass das Steuergerät
- - zur Korrektur von Drehmomentfehlern der einzelnen Zylinder notwendige Einspritzkorrekturfaktoren in mehreren Betriebspunkten ermittelt und speichert,
- - aus den Einspritzkorrekturfaktoren einen statischen Durchflussmengenfehler und einen dynamischen Durchflussmengenfehler des Hochdruckeinspritzventils ermittelt und
- - die in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern des Hochdruckeinspritzventils korrigiert.
Als Einspritzkorrekturfaktoren werden vorzugsweise die
Reglereingriffe eines Reglers zur Zylindergleichstellung
herangezogen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 ein weiteres schematisches Blockschaltbild
der Brennkraftmaschine aus Fig. 1; und
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Steuergerät gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine
1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in
einem Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Die
Brennkraftmaschine 1 hat z Zylinder 3. Die Zylinder 3 sind
jeweils mit einem Brennraum 4 versehen, der u. a. durch den
Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6
begrenzt ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7
und mit dem Auslassventil 6 ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
Im Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6
ragen ein Hochdruckeinspritzventil 9 und eine Zündkerze 10
in den Brennraum 4. Über das Hochdruckeinspritzventil 9
kann Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Mit
der Zündkerze 10 kann der Kraftstoff in dem Brennraum 4
entzündet werden. Der Kraftstoff wird in einer ersten
Betriebsart (Schichtbetrieb) während einer
Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart
(Homogenbetrieb) während einer Ansaugphase in den Brennraum
4 eingespritzt. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine
1 kann zwischen den Betriebsarten umgeschaltet werden.
Der Kolben 2 wird durch die Verbrennung des Kraftstoffs in
dem Brennraum 4 in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die
auf eine Kurbelwelle 11 (vgl. Fig. 2) übertragen wird und
auf diese ein Drehmoment M_ik ausübt.
Auf der Kurbelwelle 11 ist ein Geberrad 12 angeordnet,
dessen Drehwinkel mittels eines Sensors 13 erfasst wird. An
dem Zylinder 3 ist ein weiterer Sensor 14 angeordnet, der
bspw. den oberen Totpunkt des Kolbens 2 als Grenze zwischen
zwei Arbeitszyklen einer 4-Takt-Brennkraftmaschine erfasst.
Die Signale der Sensoren 13 und 14 werden an ein
Steuergerät 15 übermittelt, das ein Einspritzimpulssignal
t_ik zur Ansteuerung des Hochdruckeinspritzventils 9 in
einem Zylinder i (i = 1 . . . z) in dem Betriebspunkt k der
Brennkraftmaschine 1 generiert. Ein Betriebspunkt k wird
u. a. durch die Gemischmenge und die Gemischzusammensetzung
der Zylinderfüllung definiert.
Das Steuergerät 15 ist in Fig. 3 im Ausschnitt
dargestellt. In dem Steuergerät 15 werden in einer an sich
aus der DE 198 28 279 A1 bekannten Weise durch geeignete
Regler R_i (i = 1 . . . z), bspw. PI-Regler, für jeden Zylinder
i der Brennkraftmaschine 1 Einspritzkorrekturfaktoren r_ik
generiert. Diesbezüglich wird ausdrücklich auf die
DE 198 28 279 A1 verwiesen. An die Regler R_i werden die
Signale der Sensoren 13, 14 des Zylinders i geführt.
Die Einspritzkorrekturfaktoren r_ik sind die zur Korrektur
von Drehmomentfehler M _f_ik der einzelnen Zylinder i der
Brennkraftmaschine 1 notwendigen Faktoren. Die ermittelten
Einspritzkorrekturfaktoren r_ik werden in einem
zylinderindividuellen Kennfeld K_ i (i = 1 . . . z)
betriebspunktabhängig gespeichert. Die Drehzahl n_k und das
Drehmoment M_k der Brennkraftmaschine 1 werden zur
Bestimmung des Betriebspunktes k an die Kennfelder K_i
geführt.
Die Einspritzkorrekturfaktoren r_ik der einzelnen Zylinder
i werden sowohl im Schichtbetrieb als auch im
Homogenbetrieb erfasst. Im Schichtbetrieb werden die
Drehmomentfehler M_f_ik der einzelnen Zylinder i mit Hilfe
eines Reglers R_i vollständig ausgeregelt. Es ist eine
Proportionalität von Kraftstoffmenge zu dem von der
Brennkraftmaschine 1 aufgebrachten Moment M_k gegeben. Die
Reglereingriffe des Reglers R_i entsprechen dem
Einspritzkorrekturfaktor r_ik. Im Schichtbetrieb können die
Einspritzkorrekturfaktoren r_ik also mit einer besonders
hohen Genauigkeit erfasst und Drehmomentunterschiede M_f_ik
der einzelnen Zylinder i der Brennkraftmaschine 1
vollständig eliminiert werden.
Anders als im Schichtbetrieb arbeitet die Regelung im
Homogenbetrieb nicht, so dass keine Proportionalität
zwischen Kraftstoff und Moment M_k gewährleistet ist. Es
kann jedoch ein adaptives Verfahren eingesetzt werden,
durch das die Drehmomentfehler M_f_ik in relativ großen
Schritten reduziert, vorzugsweise auf Null gesetzt, werden.
Der dazu erforderliche Einspritzkorrekturfaktor r_ik wird
erfasst. Die im Homogenbetrieb ermittelten
Einspritzkorrekturfaktoren r_ik haben zwar eine geringere
Genauigkeit, dafür aber aufgrund der lambda=1-Verbrennung
eine höhere Zuverlässigkeit.
Falls jedoch ein zylinderindividueller Lambdawert zur
Verfügung steht, können die Drehmomentfehler M_f_ik auch im
Homogenbetrieb bis zu einem Lambdawert von etwa 0,85 mit
Hilfe des Reglers R_i ausgeregelt werden. Anders als im
Schichtbetrieb ist der Zusammenhang zwischen
Kraftstoffmenge und dem von der Brennkraftmaschine 1
aufgebrachten Moment M_k jedoch nichtlinear.
Anschließend werden in einem Funktionsblock 17 aus den
Einspritzkorrekturfaktoren r_ik statische
Durchflussmengenfehler q_stat und dynamische
Durchflussmengenfehler q_dyn ermittelt. Während des
Schichtbetriebs der Brennkraftmaschine 1 werden die von den
Reglern R_i generierten Einspritzkorrekturfaktoren r_ik zur
Ermittlung der Durchflussmengenfehler q_stat, q_dyn
herangezogen. Während des Homogenbetreibs der
Brennkraftmaschine 1 werden die Einspritzkorrekturfaktoren
r_ik für den jeweiligen Betriebspunkt k aus den Kennfeld
K_i entnommen. Mittels Schalter 18 wird zwischen
Schichtbetrieb (Stellung "S") und Homogenbetrieb (Stellung
"H") umgeschaltet. Die Schalter 18 werden über eine
Betätigungseinheit 19 des Steuergeräts 15 betätigt. Die
Betätigungseinheit 19 bestimmt die aktuelle Betriebsart der
Brennkraftmaschine 1 in Abhängigkeit von verschieden
Betriebskenngrößen 20 der Brennkraftmaschine 1.
In dem Funktionsblock 17 wird erfindungsgemäß bei großen
Einspritzzeiten t_ik der dem Betriebspunkt k entsprechende
Einspritzkorrekturfaktor r_ik als statischer
Durchflussmengenfehler q_stat herangezogen, da der Einfluss
der dynamischen Durchflussmengenfehler q_dyn umso geringer
ist, desto größer die Einspritzzeit t_ik ist, d. h. je
länger der Zeitraum ist, in dem das
Hochdruckeinspritzventil 9 geöffnet bzw. geschlossen wird.
Bei kleinen Einspritzzeiten t_ik wird der dem Betriebspunkt
k entsprechende Einspritzkorrekturfaktor r_ik als
dynamischer Durchflussmengenfehler q_dyn herangezogen, da
der Einfluss der statischen Durchflussmengenfehler q_stat
umso geringer ist, desto kürzer die Einspritzzeiten t_ik
sind, d. h. je kürzer der Zeitraum ist, in dem das
Hochdruckeinspritzventil 9 betätigt wird.
In einer Verarbeitungseinheit 21 des Steuergeräts 15 wird
dann aus den Einspritzkorrekturfaktoren r_ik der einzelnen
Zylinder i die korrigierte Einspritzzeit t_ik für einen
bestimmten Zylinder i in einem bestimmten Betriebspunkt k
ermittelt. Genauer gesagt, wird mit dem statischen
Durchflussmengenfehler q_stat jede berechnete Einspritzzeit
multiplikativ korrigiert, und mit dem dynamischen
Durchflussmengenfehler q_dyn jede Einspritzzeit aditiv
korrigiert. Außerdem kann in der Verarbeitungseinheit 21
auch eine Filterung oder Normierung der ermittelten
Einspritzzeiten t_ik erfolgen.
Zusammenfassend werden also zunächst die
Einspritzkorrekturfaktoren r_ik ermittelt. Im
Schichtbetrieb und im Homogenbetrieb bis zu Lambda = 0,85
werden die Drehmomentfehler M_f_ik mittels des Reglers R_i
auf Null geregelt. Die Reglereingriffe des Reglers R_i
entsprechen den Einspritzkorrekturfaktoren r_ik. Im
Schichtbetrieb besteht zwischen Kraftstoffmenge und
aufgebrachtem Moment M_k ein proportionaler und im
Homogenbetrieb bis Lambda = 0,85 ein nichtlinearer
Zusammenhang. Die Einspritzkorrekturfaktoren r_ik werden in
zylinderindividuellen Kennfeldern K_i in dem Steuergerät 15
abgelegt.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 werden aus
den in den Kennfeldern K_i für einen bestimmten
Betriebspunkt k abgelegten Einspritzkorrekturfaktoren r_ik
statische und dynamische Durchflussmengenfehler q_stat,
q_dyn ermittelt. Die in die Brennräume 4 einzuspritzende
Kraftstoffmenge wird in Abhängigkeit der
Durchflussmengenfehler q_stat, q_dyn korrigiert, so dass
jeder Zylinder i - unabhängig davon, wie stark die
einzelnen Hochdruckeinspritzventile 9 fehlerbehaftet sind -
das gleiche Drehmoment M_ik liefert. Dies wirkt sich
positiv auf die Laufruhe, die Emission und den Verbrauch
der Brennkraftmaschine 1 aus.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Aufweitung der
Fertigungstoleranzen von Hochdruckeinspritzventilen 9. Dies
wird dadurch möglich, dass auch die dynamischen
Durchflussmengenfehler q_dyn bei der Korrektur der
Drehmomentfehler M_f_ik berücksichtigt werden und dass das
Verhalten von jedem einzelnen Hochdruckeinspritzventil 9
der Brennkraftmaschine 1 zylinderindividuell erfasst und
bei der Zylindergleichstellung berücksichtigt wird.
Claims (12)
1. Verfahren zum Betreiben einer mehrzylindrigen
Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff
in einer ersten Betriebsart während einer Verdichtungsphase
und in einer zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase
über ein Hochdruckeinspritzventil (9) in einen Brennraum
(4) eingespritzt wird, und bei dem zwischen den
Betriebsarten umgeschaltet und die Drehmomente der
einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine gleichgestellt
werden, wobei die Zylindergleichstellung in der ersten
Betriebsart mittels eines Reglers durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - zur Korrektur von Drehmomentfehlern (M_f_ik) der einzelnen Zylinder (i) notwendige Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) in mehreren Betriebspunkten (k) ermittelt und gespeichert werden,
- - aus den Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) statische Durchflussmengenfehler (g_stat) und dynamische Durchflussmengenfehler (g_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) ermittelt werden und
- - die in den Brennraum (4) einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern (q_stat, q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) nur während der
ersten Betriebsart erfasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) sowohl in der
ersten Betriebsart als auch in der zweiten Betriebsart
erfasst werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass aus den in der ersten Betriebsart erfassten
Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) und aus den in der
zweiten Betriebsart erfassten Einspritzkorrekturfaktoren
(r_ik) gemeinsame statische und dynamische
Durchflussmengenfehler (q_stat, q_dyn) ermittelt und der
Korrektur der in den Brennraum (4) einzuspritzende
Kraftstoffmenge zugrunde gelegt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass als Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik)
die zur Korrektur der Drehmomentfehler (M_f_ik) der
einzelnen Zylinder (i) notwendigen Reglereingriffe des
Reglers für die Zylindergleichstellung herangezogen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Korrektur der in den Brennraum (4)
einzuspritzende Kraftstoffmenge die Einspritzzeit variiert
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik)
in einem Kennfeld (K_i) gespeichert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass bei großen Einspritzzeiten der dem
Betriebspunkt (k) entsprechende Einspritzkorrekturfaktor
(r_ik) als statischer Durchflussmengenfehler (q_stat)
herangezogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass bei kleinen Einspritzzeiten der dem
Betriebspunkt (k) entsprechende Einspritzkorrekturfaktor
(r_ik) als dynamischer Durchflussmengenfehler (q_dyn)
herangezogen wird.
10. Steuerelement, insbesondere Read-Only-Memory (ROM)
oder Flash-Memory, für ein Steuergerät (15) einer
Brennkraftmaschine (1), insbesondere einer
direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, auf dem ein
Programm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät,
insbesondere auf einem Mikroprozessor, des Steuergeräts
(15) ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach
einem der vorangegangenen Ansprüche geeignet ist.
11. Brennkraftmaschine (1), insbesondere
direkteinspritzende Brennkraftmaschine, mit einem Brennraum
(4), in den Kraftstoff in einer ersten Betriebsart während
einer Verdichtungsphase und in einer zweiten Betriebsart
während einer Ansaugphase über ein Hochdruckeinspritzventil
(9) einspritzbar ist, mit einem Steuergerät (15) zum
Umschalten zwischen den Betriebsarten und mit einem Regler
zur Zylindergleichstellung zumindest in der ersten
Betriebsart, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät
(15)
- - zur Korrektur von Drehmomentfehlern (M_f_ik) der einzelnen Zylinder (i) notwendige Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) in mehreren Betriebspunkten (k) ermittelt und speichert,
- - aus den Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) einen statischen Durchflussmengenfehler (q_stat) und einen dynamischen Durchflussmengenfehler (q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) ermittelt und
- - die in den Brennraum (4) einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern (q_stat, q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) korrigiert.
12. Steuergerät (15) für eine Brennkraftmaschine (1),
insbesondere eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine,
die einen Brennraum (4), in den Kraftstoff in einer ersten
Betriebsart während einer Verdichtungsphase und in einer
zweiten Betriebsart während einer Ansaugphase über ein
Hochdruckeinspritzventil (9) einspritzbar ist, und mit
einem Regler zur Zylindergleichstellung zumindest in der
ersten Betriebsart aufweist, wobei das Steuergerät (15) zum
Umschalten zwischen den Betriebsarten vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (15)
- - zur Korrektur von Drehmomentfehlern (M_f_ik) der einzelnen Zylinder (i) notwendige Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) in mehreren Betriebspunkten (k) ermittelt und speichert,
- - aus den Einspritzkorrekturfaktoren (r_ik) einen statischen Durchflussmengenfehler (q_stat) und einen dynamischen Durchflussmengenfehler (q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) ermittelt und
- - die in den Brennraum (4) einzuspritzende Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den ermittelten Durchflussmengenfehlern (q_stat, q_dyn) des Hochdruckeinspritzventils (9) korrigiert.
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