DE10104252C1 - Verfahren zum steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Stellglied soll an einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel (KW_ST) eine Aktion durchführen. Ein Stellsignal (S_SG) für das Stellglied ist dazu eine vorgegebene Vorhaltezeitdauer (T_VH) vor dem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel auszulösen. Der Zeitpunkt des vorgegebenen Kurbelwellenwinkels (KW_ST) wird extrapoliert abhängig von einem aktuellen Kurbelwellenwinkel (KW_AKT) und von einer aktuellen Zeitdauer, die einen bestimmten Kurbelwellendrehwinkel repräsentiert und die korrigiert wird abhängig von einer Anzahl (k) vergangener Zeitdauern. Die Anzahl (k) hängt ab von der Vorhaltezeitdauer (T_VH). Das Stellsignal (S_SG) wird ausgelöst um die vorgegebene Vorhaltezeitdauer (T_VH) früher als der extrapolierte Zeitpunkt des vorgegebenen Kurbelwellenwinkels.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brenn­ kraftmaschine.

Zum präzisen Steuern einer Brennkraftmaschine müssen Stell­ glieder der Brennkraftmaschine zu vorgegebenen Kurbelwellen­ winkeln Aktionen durchführen. So müssen beispielsweise Gas­ wechselventile zu bestimmten Kurbelwellenwinkeln geöffnet o­ der geschlossen werden. Dies gilt ebenso beispielsweise für Einspritzventile oder für das Erzeugen eines Zündfunkens durch Zündkerzen.

Um diese Aktionen der Stellglieder genau zum richtigen Kur­ belwellenwinkel auszuführen, muss eine Extrapolation des Kur­ belwellenwinkels im Zeitbereich erfolgen. Dazu ist es aus der DE 196 22 042 C2 bekannt, Segmentzeiten zu ermitteln, die beispielsweise bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine einen Kurbelwellenwinkel von 180 Grad repräsentieren. Ferner ist es aus der DE 196 22 042 C2 bekannt, Zahnzeiten zu ermitteln, d. h. die Zeitdauer zwischen zwei Flanken die ein Sensor auf­ nimmt dessen Geber ein Geberrad ist, dass auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die zeitliche Auflö­ sung hängt dabei ab von der Abtastrate, mit der das Signal des Sensors auf Flanken abgetastet wird. Die einzelne Zahn­ zeit hat somit eine Quantisierungsungenauigkeit, die der Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastungen entspricht. Wird die so ermittelte Zahnzeit extrapoliert, um einen in der Zukunft liegenden Auslösezeitpunkt für ein Stellsignal eines Stellglieds der Brennkraftmaschine zu bestimmen, so erhöht sich der Zeitfehler bezogen auf einen gewünschten Kurbelwellenwinkel. Dies führt zu einer ungenauen Steuerung der Brennkraftmaschine mit der Folge von erhöhten Emissionen oder einem ungleichförmigen Lauf der Brennkraftma­ schine.

Aus der DE 199 06 391 A1 ist eine Zündsteuervorrichtung und ein Zündsteuerverfahren für eine Brennkraftmaschine beschrie­ ben. Dabei wird eine Zündsteuervorrichtung zum Steuern einer Zündspuleneinrichtung für eine Brennkraftmaschine geschaffen mit einer Drehzahlerfassungseinrichtung zum Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine zu einem Erfassungszeitpunkt innerhalb des Zündzyklus eines jeweiligen Zylinders; einer Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines der erfassten Drehzahl entsprechenden vorgegebenen Zündwinkels, einer der erfassten Drehzahl entsprechenden vorgegebenen Ladezeit und eines entsprechenden Ladebeginnwinkels; einer Zündsteuerwert- Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben des Ladebeginnwinkels und der Ladezeit in einem Ladezeitausgabe-Modus und des Ladebeginn­ winkels und des Zündwinkels in einem Zündwinkelausgabe-Modus an die Zündspuleneinrichtung; eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen verlustleistungskritischer Zustände der Endstufe der Zündspuleneinrichtung im Zündwinkelausgabe-Modus; und einer Zündsteuermodus-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Zündsteuermodus von den Modi Zündwinkelausgabe und Ladezeit­ ausgabe für den Zündzyklus; wobei die Zündsteuermodus- Bestimmungseinrichtung derart gestaltet ist, dass sie den La­ dezeitausgabe-Modus bestimmt, wenn ein verlustleistungskriti­ scher Zustand der Endstufe der Zündspuleneinrichtung im Zünd­ winkelausgabe-Modus erfasst ist.

In der DE 39 23 479 A1 ist ein sequentielles Kraftstoffein­ spritzverfahren für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Zum Ausführen von sequentiellen Einspritzvorgängen beim Erreichen vorgegebener Einspritzwinkel werden Kurbelwellenwinkel- Inkrementsignale erzeugt und diese Inkremente werden bezogen auf ein Referenzsignal gezählt. Mit Hilfe dieser Inkrement­ signale wird festgestellt, ob ein als Inkrementwert festge­ legter Einspritzwinkel erreicht ist. Sobald dies festgestellt wird, wird der diesem Inkrementwert zugeordnete Einspritzvor­ gang ausgeführt, also es wird entweder mit dem Einspritzen von Kraftstoff begonnen oder dieses wird beendet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, dass einfach ein präzi­ ses Steuern der Brennkraftmaschine gewährleistet.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrich­ tung,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Programmteils zum Steuern der Brennkraftmaschine, und

Fig. 3 ein zweites Programmteil zum Steuern der Brenn­ kraftmaschine.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfasst einen Ansaugtrakt 1 mit einer Drosselklappe 10 und einem Motorblock 2, der einen Zylinder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben und der Kurbelwelle 23 ge­ koppelt.

Ein Zylinderkopf 3 ist vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb an­ geordnet ist mit mindestens einem Einlassventil 30 und einem Auslassventil 31. Der Ventiltrieb umfasst einen elektromecha­ nischen Ventiltrieb, der jeweils elektromechanische Stellan­ triebe 32a, 32b für die Einlass- oder Auslassventile umfasst. Alternativ kann der Ventiltrieb auch mit einer nicht darge­ stellten Nockenwelle mit einer Übertragungseinrichtung verse­ hen sein, die den Nockenhub auf das Einlassventil 30 oder das Auslassventil 31 überträgt. Es können auch Einrichtungen zum Verstellen der Ventilhubzeiten und des Ventilhubverlaufs in diesem Fall vorgesehen sein.

Elektromechanische Stellantriebe 32a, 32b sind vorzugsweise nach dem Feder-Masse-Schwinger-Prinzip ausgebildet, d. h. sie umfassen mindestens einen Elektromagneten, dem ein mit dem Ein- oder Auslassventil gekoppelter Anker zugeordnet ist, und Rückstellmittel, die vorzugsweise als Federn ausgebildet sind.

In dem Zylinderkopf 3 sind ferner ein Einspritzventil 33 und eine Zündkerze 34 eingebracht. Das Einspritzventil ist so an­ geordnet, dass der Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zy­ linders 20 zugemessen wird. Alternativ kann das Einspritzven­ til 33 jedoch auch im Ansaugtrakt 1 angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine ist in der Fig. 1 mit einem Zylinder dar­ gestellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zylinder umfassen.

Ein Abgastrakt mit einem Katalysator 40 und einer Sauerstoff­ sonde 41 ist ebenfalls der Brennkraftmaschine zugeordnet.

Ferner ist eine Steuereinrichtung 6 vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und je­ weils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuerein­ richtung 6 ermittelt abhängig von mindestens einer Messgröße ein oder mehrere Stellsignale, die jeweils ein Stellgerät steuern.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungssensor 71, der einen Pe­ dalwert des Fahrpedals 7 erfasst, ein Drosselklappenstel­ lungsgeber 11, welcher einen Öffnungsgrad der Drosselklappe erfasst, ein Luftmassenmesser 12, der einen Luftmassenstrom erfasst und/oder ein Saugrohrdrucksensor 13, der einen Saug­ rohrdruck in dem Ansaugtrakt 1 erfasst, ein Temperatursensor 14, der eine Ansaugluft-Temperatur erfasst, ein Kurbelwellen­ winkelsensor 25, der einen Kurbelwellenwinkel KW der Kurbel­ welle 23 erfasst, ein Temperatursensor 26, der eine Kühlmit­ teltemperatur erfasst. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Der Kurbelwellenwinkelsensor 24 ist beispielsweise als Hall- Sensor ausgebildet und erfasst die Zahnflanken eines Zahnrads 24, dass auf der Kurbelwelle 23 angebracht ist. Er erzeugt somit ein Rechtecksignal. Ein derartiges Zahnrad weist typi­ scherweise sechzig minus eins Zähne und eine entsprechend vergrößerte Lücke auf. Die Lücke dient zur jeweiligen Syn­ chronisation des inkrementellen Messsignals des Kurbelwellen­ sensors 25. Das Messsignal des Kurbelwellensensors wird bei­ spielsweise alle drei Mikrosekunden abgetastet, womit sich ein maximaler Quantisierungsfehler beim Ermitteln der Zeit­ dauer zwischen zwei benachbarten Zahnflanken, der sogenannten Zahnzeit, von drei Mikrosekunden ergibt.

Die Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer An­ trieb, ein elektromagnetischer Antrieb oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Dros­ selklappe 10, als Einspritzventil 33, als Zündkerze 34 oder als eine Einrichtung zum Verstellen des Ventilhubs der Ein­ lass- oder Auslassventile, wie beispielsweise der elektrome­ chanische Stellantrieb 32a, b, ausgebildet. Auf die Stellgerä­ te wird im Folgenden mit dem jeweils zugeordneten Stellglied Bezug genommen.

Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.

Im Folgenden wird ein Ablaufdiagramm zum Steuern der Brenn­ kraftmaschine anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben. Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet. In einem Schritt S2 wird geprüft, ob der aktuelle Kurbelwellenwinkel KW_AKT gleich ist einem Initialisierungs-Kurbelwellenwinkel KW_INI, der beispielsweise im Bereich der Lücke des Zahnrades 24 liegt. Ist dies nicht der Fall, so wird die Bearbeitung nach einer vorgegebenen Wartezeitdauer erneut mit dem Schritt S2 fortgesetzt.

Ist dies jedoch der Fall, so wird in einem Schritt S2 die ak­ tuelle Zahnzeit T_Z ermittelt, wobei n ein Durchlaufzähler ist, der jeweils den aktuellen Wert bezeichnet. Das Bestimmen der Zahnzeit T_Z erfolgt anhand des Programms von Fig. 3, das vorzugsweise quasi parallel von der Motorsteuerung zu dem Programm gemäß Fig. 2 abgearbeitet wird. Die aktuelle Zahn­ zeit T_Z ist dabei die aktuelle Zeitdauer, die dem Kurbelwel­ lendrehwinkel zwischen zwei aufeinander folgenden steigenden Zahnflanken des Zahnrads 24 entspricht, die von dem Kurbel­ wellenwinkelsensor 25 erfasst werden. Alternativ können dies auch die negativen Flanken sein.

In einem Schritt S4 wird ein Berechnungszeitpunkt T_R ermit­ telt, in dem eine präzise Berechnung des Auslösezeitpunkts T_SA eines Stellsignals S_SG ermittelt wird. Der Berechnungs­ zeitpunkt wird in dem Schritt S4 ermittelt durch Multiplizie­ ren der aktuellen Zahnzeit T_Z mit dem Quotienten aus einem Steuerkanten-Kurbelwellenwinkel KW_ST und dem Kurbelwellen­ drehwinkel KW_Z zwischen zwei aufeinander folgenden steigen­ den Zahnflanken des Zahnrades 24. Zu diesem Term wird ferner die aktuelle Zeit T_AKT hinzu addiert und eine Sicherheits­ zeitdauer T_S und eine Vorhaltezeitdauer T_VH davon subtra­ hiert. Der Steuerkanten-Kurbelwellenwinkel KW_ST ist der Kur­ belwellenwinkel, zu dem das in dem bevorzugten Ausführungs­ beispiel als Einlass- oder Auslassventil ausgebildete Stell­ glied sich von einer Endlage - also beispielsweise Ventil ge­ schlossen - hin zu der anderen Endlage beginnen soll zu bewe­ gen. Durch das Abziehen der Sicherheitszeitdauer T_S wird ge­ währleistet, dass der Berechnungszeitpunkt T_R so rechtzeitig liegt, dass noch genügend Zeit zum Durchführen des Rechenvor­ gangs und Laden eines Zeitgliedes ist, um zu gewährleisten, dass das Stellsignal S_SG so frühzeitig ausgelöst wird, dass sich das Einlass- oder Auslassventil bei dem vorgegebenen Steuerkanten-Kurbelwellenwinkel KW_ST in die vorgegebene Endlage bewegt. Die Sicherheitszeitdauer T_S wird beispielsweise im Bereich von zwei Zahnzeiten T_Z gewählt.

Die Vorhaltezeitdauer T_VH entspricht der Zeitdauer die ver­ geht vom Auslösen des Stellsignals S_SG bis die gewünschte Aktion tatsächlich erfolgt, also beispielsweise bis das Ein­ lassventil sich tatsächlich beginnt zu öffnen. Sie kann bei­ spielsweise im Bereich von ein bis zwei Millisekunden liegen.

Der Steuerkanten-Kurbelwellenwinkel KW_ST kann für das jewei­ lige Stellglied entweder fest vorgegeben sein oder abhängig von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld ermittelt werden.

In einem Schritt S5 wird geprüft, ob die aktuelle Zeit T_AKT gleich ist dem Berechnungszeitpunkt T_R. Ist dies nicht der Fall, so wird die Bearbeitung nach einer vorgegebenen Warte­ zeit erneut im Schritt S5 fortgesetzt.

Ist dies jedoch der Fall, so werden in einem Schritt S6 die Bitanzahlen BA_T_Z und BA_VH ermittelt, die zu einer binären Darstellung der Zahnzeit T_Z und der Vorhaltezeitdauer T_VH mit einer vorgegebenen Quantisierungsungenauigkeit von bei­ spielsweise drei Mikrosekunden notwendig sind. Das durch den Kurbelwellensensor 25 erfasste Signal wird Analog-Digital ge­ wandelt und steht dann in digitaler Form als Zahnzeit T_Z in der Steuereinrichtung 6 zur Verfügung. Die Vorhaltezeitdauer T_VH ist in der Motorsteuerung als digitaler Wert abgelegt. Die Bitanzahl kann so durch einfache Schiebeoperationen er­ mittelt werden, wodurch Rechenzeit gespart wird. Die Vorhal­ tezeitdauer T_VH ist vorab durch Versuche mit dem Stellan­ trieb des Stellglieds ermittelt und als binär kodierter Wert in der Motorsteuerung abgelegt. Die Vorhaltezeitdauer T_VH kann dabei jedoch verschiedene Werte abhängig von den Werten von verschiedenen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine an­ nehmen.

In einem Schritt S7 wird dann eine Anzahl k ermittelt, durch Potenzieren der Zahl zwei mit der Differenz der Bitanzahl BA_VH der Vorhaltezeit T_VH und der Bitanzahl BA_T_Z der Zahnzeit T_Z. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass es mit einfachen Bit-Schiebeoperationen durchgeführt werden kann. Die Anzahl k wird dann bei der Korrektur der Zahnzeit T_Z in dem Programm, das in der Fig. 3 dargestellt ist, verwendet.

In einem Schritt S8 wird dann gewartet bis das Programm gemäß Fig. 3 die aktuelle Zahnzeit T_Z erneut ermittelt hat.

In einem Schritt S9 wird der Auslösezeitpunkt T_SA für das Stellsignal S_SG ermittelt. Dazu wird zuerst die Differenz des Steuerkanten-Kurbelwellenwinkels KW_ST und des aktuellen Kurbelwellenwinkels KW_AKT dividiert durch den Kurbelwellen­ winkel KW_Z zwischen zwei steigenden Zahnflanken. Dieser Term wird dann multipliziert mit der in dem Schritt S8 ermittelten aktuellen Zahnzeit T_Z. Von diesem gesamten Term wird dann noch die Vorhaltezeitdauer T_VH abgezogen und die aktuelle Zeit T_AKT hinzu addiert. Vom Auslösezeitpunkt T_SA soll so­ mit der Zeitpunkt, an welchem in der Zukunft der aktuelle Kurbelwellenwinkel KW_AKT dem Steuerkanten-Kurbelwellenwinkel KW_ST entspricht, genau um die Vorhaltezeitdauer T_VH zeit­ lich entfernt sein.

In einem Schritt S10 wird geprüft, ob die aktuelle Zeit T_AKT gleich ist dem Auslösezeitpunkt T_SA. Ist dies nicht der Fall, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S10 nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeitdauer fortgesetzt. Ist dies jedoch der Fall, so wird in einem Schritt S11 das Stell­ signal S_SG für den Stellantrieb, also im bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel das Stellsignal für das Einlassventil 30 oder das Auslassventil 31 erzeugt. Das Programm wird dann in einem Schritt S12 beendet.

Das Ermitteln der aktuellen Zahnzeit T_Z(n) erfolgt anhand des Programmes gemäß Fig. 3. Das Programm wird in einem Schritt S14 gestartet. In einem Schritt S15 wird geprüft, ob das Messsignal des Kurbelwellenwinkelsensors 25 eine steigen­ de Signalflanke aufweist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Bearbeitung erneut in dem Schritt S15 nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeitdauer fortgesetzt. Ist dies jedoch der Fall, so wird in einem Schritt S16 die aktuelle Zeit T_AKT der aktuellen Zahnflanken-Zeit T_F zugeordnet.

In einem Schritt S17 wird die aktuelle Zahnzeit T_Z ermittelt aus der Differenz der aktuellen Zahnflanken-Zeit T_F und der beim vorangegangenen Durchlauf des Schrittes S16 ermittelten Zahnflanken-Zeit T_F.

In einem Schritt S18 wird dann die aktuelle Zahnzeit korri­ giert durch Bilden des Mittelwertes einer Anzahl k Zahnzei­ ten. Diese in dem Schritt S18 ermittelte Zahnzeit wird dann in dem Schritt S9 zum Berechnen des Auslösezeitpunktes T_SA verwendet.

In einem Schritt S19 wird dann der Durchlaufzähler um eins erhöht und anschließend nach einer vorgegebenen Wartezeitdau­ er die Bearbeitung in dem Schritt S15 fortgesetzt.

Durch das Vorgehen gemäß der Ablaufdiagramme von Fig. 2 und 3 ist gewährleistet, dass das Extrapolieren des Zeitpunk­ tes, an dem der aktuelle Kurbelwellenwinkel KW_AKT gleich ist dem Steuerkanten-Kurbelwellenwinkel KW_ST mit hoher Genauig­ keit erfolgen kann, da der Einfluss des Quantisierungsfehlers durch das Mitteln über die Anzahl k an zurückliegenden Zahn­ zeiten stark reduziert ist im Vergleich dazu, wenn nur die aktuell anhand der letzten zwei steigenden Zahnflanken ermit­ telte Zahnzeit verwendet wird. Andererseits wird durch die Abhängigkeit der Anzahl k von der Vorhaltezeitdauer T_VH nur die jeweils notwendige Anzahl an vergangenen Zahnzeiten be­ rücksichtigt, wodurch gewährleistet ist, dass ein Fehler, der durch die Dynamik der Drehzahl bedingt ist, minimiert wird.

Alternativ kann in dem Schritt S7 die Anzahl k auch so ermit­ telt werden, dass die Zahnzeit multipliziert mit der Anzahl k in der gleichen binären Größenordnung liegt, wie die Vorhal­ tezeit T_VH. Beispielsweise wird so bei einer Quantisierung­ sungenauigkeit von 3,2 Mikrosekunden, einer Zahnzeit von 103 Mikrosekunden und einer Vorhaltezeitdauer von 816 Mikrosekun­ den über eine Anzahl k von vier Zahnzeiten gemittelt.

Alternativ können selbstverständlich in dem Programm gemäß Fig. 2 auch für andere Stellglieder der Brennkraftmaschine Stellsignale erzeugt werden oder diese Stellsignale auch mehrfach pro einer Umdrehung der Kurbelwelle oder eines Ar­ beitszyklusses der Brennkraftmaschine analog ausgelöst wer­ den.

Claims (3)

1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Stellglied an einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel (KW_ST) eine Aktion durchführen soll und bei dem dazu ein Stellsignal (S_SG) für das Stellglied eine vorgegebene Vor­ haltezeitdauer (T_VH) vor dem vorgegebenen Kurbelwellenwinkel auszulösen ist, wobei der Zeitpunkt des vorgegebenen Kurbel­ wellenwinkels (KW_ST) extrapoliert wird abhängig von einem aktuellen Kurbelwellenwinkel (KW_AKT) und von einer aktuellen Zeitdauer, die einen bestimmten Kurbelwellendrehwinkel reprä­ sentiert und die korrigiert wird abhängig von einer Anzahl (k) vergangener Zeitdauern, die wiederum abhängt von der Vor­ haltezeitdauer (T_VH), wobei dann das Stellsignal (S_SG) aus­ gelöst wird um die vorgegebene Vorhaltezeitdauer (T_VH) frü­ her als der extrapolierte Zeitpunkt des vorgegebenen Kurbel­ wellenwinkels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Binärstellen gebildet wird, die bei der ge­ wünschten Quantisierungsgenauigkeit zur binären Darstellung der Vorhaltezeitdauer (T_VH) und der aktuellen Zeitdauer be­ nötigt werden, und dass die Anzahl bestimmt wird durch Poten­ zieren von zwei mit der Differenz der Binärstellen.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Zeitdauer durch Mitteln der Anzahl (k) vergangener Zeitdauern und der aktuellen Zeitdauer korrigiert wird.