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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.
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Die Kraftstoffeinspritzung bei Brennkraftmaschinen wird üblicher Weise durch Injektoren gesteuert. Diese bestehen aus einem elektromagnetisch oder mittels Piezoaktoren angesteuertem Ventil und einer Einspritzdüse. Der Injektor unterliegt im Betrieb einem Verschleiß, der dazu führt, dass sich die eingespritzte Menge bei gleichbleibender Ansteuerdauer verändert. Des weiteren weisen die Injektoren auf Grund von Fertigungstoleranzen, auch bei identischen Steuerwerten für alle Zylinder, Unterschiede in der Zylinderleistung bzw. dem Zylinderdrehmoment und damit auch den Emissionen auf.
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Zur Gleichstellung der Einspritzmengen der einzelnen Injektoren ist eine sogenannte Mengenausgleichsregelung bekannt. Diese Funktion analysiert das Drehzahlsignal eines Drehzahlsensors. Ausgehend von diesem Signal bestimmt die Mengenausgleichsregelung zylinderspezifische Beiträge der Drehzahl und stellt die Einspritzmengen gleich.
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Im Falle, dass alle Injektoren ihre Lebensdauer zu einer höheren bzw. zu einer geringeren Menge driften, wird die Mengenausgleichsregelung bei älteren Injektoren eine höhere bzw. eine niedere Menge als bei neuen Injektoren einstellen.
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Aus der
DE 101 59 017 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt. Wenigstens ein Sensor dient zur Erfassung eines Brennraumdrucks. Ausgehend von diesem Brennraumdruck wird eine zweite Größe ermittelt. Diese zweite Größe dient zur Steuerung und/oder Regelung von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 197 09 395 C2 ist ein Verfahren zur Klopfregelung in einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine bekannt. Jeweils einer Gruppe von Zylindern ist ein Klopfsensor zugeordnet. Ein Steuergerät legt die Steuergrößen der Zündung zylinderindividuell fest. Mindestens ein Zylinder wird ausgewählt und mit einem Zündwinkel angesteuert, der im Vergleich zu den anderen Zylindern dichter an der Klopfgrenze liegt.
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Die
DE 40 00 220 A1 beschreibt eine Kraftstoffsteuerung für einen Verbrennungsmotor. Eine Steuereinheit berechnet die Luftmasse in jedem Zylinder auf Basis der Ansauglufttemperatur und des Zylinderdrucks.
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Ziel der Erfindung ist es, diese Ungenauigkeiten bei der Einspritzung möglichst auszugleichen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dadurch, dass ausgehend von einem Brennraumdrucksignal eine Ausgleichsregelung erfolgt, und dass für einen Zylinder wenigstens einer Gruppe von Zylindern ein Merkmal ermittelt wird, und dass zylinderindividuell eine Größe, die den Drehmomentbeitrag eines Zylinders charakterisiert, mit einem Sollwert verglichen wird und dass ausgehend von dem Vergleich eine zylinderindividuelle Stellgröße vorgebbar ist, können die obigen Nachteile vermieden werden. Dies bedeutet, es ist vorgesehen, dass das Merkmal lediglich für einen Zylinder oder für einen Zylinder einer Gruppe von Zylindern ermittelt wird. Das Merkmal des einen Zylinders wird auf einen Sollwert eingeregelt. Dieser Sollwert wird ausgehend von Betriebskenngrößen, insbesondere dem Fahrerwunsch, vorgegeben. Ausgehend von einer Betriebskenngröße werden zylinderindividuelle Istwerte ermittelt und einer zylinderindividuellen Regelung zugeführt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine bekannte Mengenausgleichsregelung. Bei einer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass als Betriebskenngröße ein Merkmal verwendet wird, das ausgehend von einer Messgröße, die den Zustand im Brennraum charakterisiert, gewonnen wird.
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Die mit diesen beiden Ausführungsformen ermittelten Stellgrößen werden einer Betriebspunktabhängigen Stellgröße überlagert. Vorzugsweise werden die beiden Stellgrößen addiert. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Regelung gemäß den Ausführungsbeispielen einen multiplikativen Korrekturfaktor und/oder adaptiven Korrekturwert liefern.
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Dies bedeutet ausgehend von einer Messgröße, die den Zustand im Brennraum charakterisiert wird ein Merkmal ermittelt, das das innere Moment M, den indizierten Mitteldruck PMI oder eine entsprechende Größe charakterisiert. Ausgehend von diesem Merkmal erfolgt eine Ausgleichsregelung. Als Messgröße wird vorzugsweise das Ausgangssignal eines Sensors verwendet, der ein Signal bereitstellt, das den Druck im Brennraum charakterisiert. Es sind aber auch andere Sensoren, wie beispielsweise ein Körperschallsensor oder ein Ionenstromsensor geeignet, die eine gleichwertige Größe bereitstellen.
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Des weiteren ist auf Grund der Verwendung des Drehzahlsignals, der Funktionsbereich dieser Ausgleichsregelung beschränkt, da in bestimmten Drehzahl- und Lastbereichen, das Drehzahlsignal nur eine unzureichende Information liefert. Dies beruht unter anderem auf Torsionsschwingungen, die von Drehmoment und Drehzahl abhängig sind.
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Bei Verwendung eines Signals, das unmittelbar eine Größe aus dem Brennraum charakterisiert, kann das Verfahren im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Durch die zylinderindividuelle Erfassung des Zylinderdrucks werden der Mitteldruck und damit die Drehmomentbeiträge der Zylinder ohne Einschränkung im gesamten Betriebsbereich mit höherer Genauigkeit gleich gestellt als mit bekannten Verfahren. Dadurch ergeben sich Vorteile in der Drehgleichförmigkeit sowie Drift- und Exemplarstreuungskompensation des Motors.
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Vorzugsweise wird als Merkmal der indizierte Mitteldruckes verwendet, da dieser direkt proportional zum inneren Moment des Zylinders ist. Dieses Merkmal ist aufgrund der Drucksignalintegration über ein Arbeitsspiel oder zumindestens die Hochdruckphase eines Arbeitsspiels sehr unempfindlich gegenüber Torsionsschwingungen der Kurbelwelle. Beide Größen sind physikalisch direkt interpretierbar und können, zusammen mit der Drehzahl und anderen Geometrieparametern des Motors, auch in einen Leistungsbeitrag des jeweiligen Zylinders umgerechnet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. 1 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Regelung, 2 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform, 3 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform und 4 die in die einzelnen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge.
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In 1 sind die wesentlichen Elemente einer Ausgleichsregelung dargestellt. Eine Brennkraftmaschine ist mit 100 bezeichnet. Ein erster Sensor 110 erfasst ein Brennraumdrucksignal P. Ein zweiter Sensor 120 erfasst ein Drehzahlsignal N. Ferner sind weitere Sensoren vorgesehen, die verschiedene Betriebskenngrößen und Umgebungsbedingungen sowie den Fahrerwunsch erfassen.
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Des weiteren ist ein Steller 130 vorgesehen, der abhängig von einem Ansteuersignal A einem Zylinder der Brennkraftmaschine eine entsprechende Kraftstoffmenge zumisst. Vorzugsweise ist jedem Zylinder ein solcher Steller zugeordnet. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist lediglich einer der Steller dargestellt. Bei dem Steller 130 handelt es sich vorzugsweise um einen sogenannten Injektor, der ein Magnetventil bzw. einen Piezoaktor umfasst. Abhängig von dem Ansteuersignal des Aktors bzw. des Magnetventils misst der Injektor dem entsprechenden Zylinder der Brennkraftmaschine eine bestimmte Kraftstoffmenge zu.
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Vorzugsweise ist diese Stellgröße A die Einspritzmenge des Zylinders. Alternativ zur Einspritzmenge können auch andere Größen, die die Einspritzmenge charakterisieren, wie beispielsweise die Ansteuerdauer, die Förderdauer verwendet werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass auch andere Größen, die nur einen geringeren Einfluss auf das Drehmoment besitzen, wie beispielsweise der Ansteuerbeginn, die Einspritzlage und/oder der Einspritzdruck bei konstanter Einspritzdauer entsprechend korrigiert werden.
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Das Ansteuersignal A des Stellers wird von einem Verknüpfungspunkt 140 bereitgestellt. Am ersten Eingang des Verknüpfungspunkt 140 liegt das Ausgangssignal einer Steuerung 150. Diese Steuerung gibt vorzugsweise abhängig vom Fahrerwunsch und gegebenenfalls weiteren Betriebskenngrößen, die von dem Block 155 erfasst werden, eine die Kraftstoffmenge charakterisierende Größe, wie beispielsweise die Ansteuerdauer, vor. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 140 liegt das Ausgangssignal eines Reglers 160. Der Regler wird mit dem Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 170 beaufschlagt, an dessen ersten Eingang das Ausgangssignal einer Sollwertvorgabe 175 anliegt. Sowohl die Sollwertvorgabe 175 als auch der zweite Eingang des Verknüpfungspunktes 170 wird von einer Merkmalsberechnung 180 mit einem Signal fest beaufschlagt. Der Merkmalsberechnung 180 wird das Ausgangssignal einer Signalaufbereitung 190 zugeführt. Am ersten Eingang der Signalaufbereitung steht das Ausgangssignal N des Drehzahlsensors und an dem zweiten Eingang das Ausgangssignal P des Brennraumdrucksensors 110.
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Von wenigstens einem der Zylinder der Brennkraftmaschine wird mit Hilfe eines Zylinderdrucksensors und eines Drehzahlsensors das Zylinderdrucksignal und die Kurbelwellenstellung hoch aufgelöst erfasst und einander zugeordnet. Dies erfolgt in der Signalaufbereitung 190. Dabei erstreckt sich die Erfassung des Zylinderdrucks bei einem Viertaktmotor mindestens auf einen Kurbelwinkelbereich von 360 Grad Kurbelwinkel, symmetrisch zum oberen Totpunkt der Hochdruckphase. Alternativ kann der Druckverlauf auch über ein volles Arbeitsspiel von 720 Grad Kurbelwinkel Hochdruck- und Niederdruckphase erfasst und verarbeitet werden. Somit liegt für den Zylinder der Druckverlauf über dem Kurbelwinkel im benötigten Winkelfenster vor. In der Signalaufbereitung 190 werden vorzugsweise Korrekturen am Druckverlauf vorgenommen. Hierbei werden Fehler, beispielsweise Fehler in der Zuordnung des Kurbelwinkels zum oberen Totpunkt des Zylinders, korrigiert. Nach dieser Vorverarbeitung durch die Signalaufbereitung 190 wird in der Merkmalsberechnung 180 durch Integration des Druckverlaufs über einen bestimmten Winkelbereich, der beispielsweise die Hochdruckphase bzw. das gesamte Arbeitsspiel umfasst, der indizierte Mitteldruck PMI berechnet. Diese Größe PMI charakterisiert die Arbeit eines Zylinders bezogen auf das Zylinderhubvolumen und kann über folgende Beziehung einfach in das innere Moment des Zylinders umgerechnet werden M = PMI·V/(4·π)·(4-Takt)
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Wobei V dem Zylinderhubvolumen, M dem inneren Moment des Zylinders und PMI dem indizierten Mitteldruck entspricht.
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Dies bedeutet, dass ausgehend von einer Messgröße, die den Zustand im Brennraum charakterisiert, ein Merkmal ermittelt wird, das das innere Moment M, den indizierten Mitteldruck PMI oder eine entsprechende Größe charakterisiert. Dieses Merkmal, im folgenden als PMI bezeichnet, wird dem Regler 160 als Istwert zugeführt. Das heißt, im Verknüpfungspunkt 170 wird dieser Istwert mit dem Ausgangssignal der Sollwertvorgabe 175, dies den entsprechenden Sollwert vorgibt, verknüpft und die entsprechende Regelabweichung dem Regler 160 zugeleitet. Die Sollwertvorgabe 175 berechnet den Sollwert vorzugsweise ausgehend von dem Ausgangssignal der Merkmalsberechnung 180. Das heißt, jedem der Zylinder ist ein Drucksensor zugeordnet, und der Druck wird auf einen Sollwert bzw. das indizierte Moment auf einen Sollwert eingeregelt. Vorzugsweise wird der Sollwert ausgehend von dem Mittelwert der Istwerte der einzelnen Zylinder vorgegeben. Dies bedeutet, dass der Regler 160 alle Istwerte der einzelnen Zylinder auf ein gemeinsamen Sollwert, der dem Mittelwert aller Istwerte entspricht, einregelt.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Ausgangssignal des Reglers 160 lediglich zur Korrektur der Steuermenge, die dem Ausgangssignal der Steuerung 150 entspricht verwendet wird. Das heißt, ausgehend von Betriebskenngrößen 155 berechnet die Steuerung 150 ein Ansteuersignal zur Beaufschlagung des Stellers. Zylinderindividuelle Abweichungen werden dann von dem Regler 160 durch Vorgabe eines Korrekturwerts für dieses Ausgangssignal kompensiert. Bei den weiteren Ausführungsformen in 2 und 3 ist der Block 150 und der Verknüpfungspunkt nicht mehr dargestellt. Es wird lediglich die Bestimmung des Korrekturwerts, der dem Verknüpfungspunkt 140 zugeführt wird, beschrieben und dargestellt.
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In 4 sind für die Zylinder Z1, Z2, Z3 und Z4 die entsprechenden Einspritzmengen dargestellt. In der ersten Teilfigur der Figur sind die unkorrigierten Mengen anhand eines Beispiels dargestellt. Dabei ist mit einer ersten gestrichelten Linie 1 die ideale Menge und mit einer zweiten gestrichelten Linie 2 der Wert der Menge, der sich mit einer Ausgleichsregelung bei im Mittel zu höheren Einspritzmengen driftendem Verhalten aller Injektoren einstellt, aufgetragen. Der erste Zylinder misst deutlich mehr und der dritte Zylinder deutlich weniger als die übrigen Zylinder zu. Wird auf diese Mengen eine übliche Ausgleichsregelung, die beispielsweise auf der Drehzahl basiert, angewandt, so ergibt sich die in der zweiten Teilfigur der 4 dargestellte Mengenverteilung. Dies bedeutet, alle vier Zylinder messen nahezu die gleiche Menge zu, die aber von der idealen Menge, im Beispiel nach oben, abweicht. Diese Abweichung beruht insbesondere auf Driften- und Alterungserscheinungen des Injektors oder des übrigen Zumesssystems. Wird auf diese Mengen die erfindungsgemäße Ausgleichsregelung angewandt, so ergibt sich die in der dritten Teilfigur der 4 dargestellte Mengenverteilung. Dies bedeutet, alle vier Zylinder messen nahezu die ideale Menge zu.
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Diese Abweichungen vom idealen Wert 1 werden erfindungsgemäß dadurch kompensiert, dass die Sollwertvorgabe zusätzlich ein Signal der Betriebskenngrößen 155 verarbeitet. Das heißt, weicht der Mittelwert der Istwerte aller Zylinder von dem erwarteten Wert ab, der sich bei diesen Betriebskenngrößen einstellen müsste, so wird der Sollwert entsprechend korrigiert. Dies kann z. B. so erfolgen, dass der Mittelwert aller Istwerte um den Offset korrigiert wird.
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In 2 ist eine Ausführungsform am Beispiel zweier Zylinder dargestellt, bei der jedem Zylinder eine Regelung und ein Zylinderdrucksensor zugeordnet ist. Bereits in 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Dabei sind die Elemente, die einem ersten Zylinder zugeordnet werden, mit a und die Elemente, die einem zweiten Zylinder zugeordnet werden, mit b gekennzeichnet. Das heißt, der Regler des ersten Zylinders ist mit 160a, der Steller mit 130a und der Sensor mit 110a bezeichnet. Des weiteren ist die Merkmalsberechnung und die Signalaufbereitung für den ersten Zylinder mit 200a und für den zweiten Zylinder mit 200b bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist für jeden Zylinder ein Steller vorgesehen. Entsprechendes gilt auch für den Brennraumdrucksensor. Hier ist für jeden Zylinder ein Brennraumdrucksensor vorzusehen. Die Auswertungen 200a und 200b können auch derart realisiert sein, dass lediglich eine Auswertung vorgesehen ist, der zeitlich nacheinander die Signale der unterschiedlichen Sensoren zugeführt werden, damit diese ein entsprechendes zeitlich aufeinander folgendes Signal bereit stellen. Entsprechendes gilt auch für die Regler 160a und 160b. Hier kann auch lediglich ein Regler vorgesehen sein, dem nacheinander die entsprechenden Signale der unterschiedlichen Zylinder zugeführt und der nacheinander die unterschiedlichen Steller der unterschiedlichen Zylinder ansteuert.
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Das Merkmal PMI wird für jeden Zylinder einzeln und für jedes Arbeitsspiel berechnet. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass das Signal PMI über mehrere Arbeitsspiele eines Zylinders gemittelt wird. Ausgehend von den Signalen PMI der einzelnen Zylinder ermittelt die Sollwertvorgabe 175 den Sollwert dadurch, dass der Mittelwert aller Merkmale aller Zylinder berechnet wird. Durch die zylinderindividuellen Regler 160a und 160b werden die jeweiligen Regeldifferenzen zwischen dem Sollwert und dem Istwert ausgeregelt. Der Regler gibt zylinderindividuell einen Korrekturwert für eine das Drehmoment bestimmende Steuergröße des Motors aus.
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Durch Verknüpfen des Korrekturwerts und des Ausgangswertes der Steuerung 150, wird der Steller dann angesteuert. Durch die Korrekturen der Einspritzungen werden die indizierten Mitteldrücke der Zylinder gleichgestellt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sollwertvorgabe 175 ausgehend von verschiedenen Betriebskenngrößen 155 den Sollwert berechnet. Vorzugsweise wird hierzu das Fahrerwunschsignal verwendet. Dies bedeutet die einzelnen Zylinder werden individuell auf einen gemeinsamen Sollwert, der dem gewünschten indizierten Moment entspricht eingeregelt.
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Problematisch bei der Ausgestaltung gemäß 2 ist, dass für jeden Zylinder ein Sensor vorgesehen sein muss. Dadurch entstehen erhebliche Kosten.
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Diese Nachteile werden bei der Ausgestaltung gemäß 3 vermieden. Bereits in 1 oder 2 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Ausgestaltung der 3 unterscheidet sich von der 2 im Wesentlichen darin, dass lediglich ein Sensor 110 pro Brennkraftmaschine bzw. ein Sensor pro Gruppe von Zylindern vorgesehen ist. Das heißt bei einer Sechs- oder Achtzylinderbrennkraftmaschine kann beispielsweise vorgesehen sein, dass für jede Bank von Zylindern, d. h. für drei oder vier Zylinder ein Sensor, vorgesehen ist. Dabei ist lediglich ein Regler 160 vorgesehen, der das aus dem Brennraumdruck abgeleitete Merkmal auf einen vorgegebenen Sollwert einregelt. Die Sollwertermittlung 175 berechnet dabei den Sollwert ausgehend von Betriebskenngrößen 155.
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Des weiteren wird das Sensorsignal des Drehzahlgebers von einer Auswertung 300 ausgewertet, die einen zylinderindividuellen Istwert ausgehend von dem Drehzahlsignal oder anderen Größen ermittelt, der den Drehmomentbeitrag eines Zylinders charakterisiert. Diese Istwerte werden über einen Verknüpfungspunkt 315 zu dem Regler 320 geleitet. Des weiteren gelangt dieses Signal zur Sollwertermittlung 310, die ausgehend von dem Mittelwert über alle Zylinder einen entsprechenden Sollwert bereitstellt. Dieses Sollwert gelangt zum zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 315. Der Regler 320 berechnet ausgehend von der Abweichung des Drehmomentbeitrages der einzelnen Zylinder vom Mittelwert eine Korrekturgröße zur Ansteuerung der Steller der einzelnen Zylinder 130a bzw. 130b.
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Erfindungsgemäß wird nun wie folgt vorgegangen. Mit Hilfe des Brennraumdrucksensors 110 und der entsprechenden Auswertung bei der 1 oder 2 wird ein Merkmal ermittelt, das das indizierte Moment dieses einen Zylinders angibt. Ausgehend von verschiedenen Betriebskenngrößen 155 berechnet die Sollwertvorgabe 175 einen Sollwert für das indizierte Moment des einen Zylinders. Vorzugsweise wird hierzu das Fahrerwunschsignal verwendet. Der Regler 160 ermittelt ausgehend von der Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istwert für das indizierte Moment des einen Zylinders einen Korrekturwert. Mit diesem Korrekturwert wird dann die für diesen Zylinder bestimmte einzuspritzende Kraftstoffmenge korrigiert. Dies bedeutet, der Regler 160 stellt die Einspritzmenge des einen Zylinders derart ein, dass dieser das gewünschte indizierte Moment bereitstellt. Der Regler 320, der als übliche Mengenausgleichsregelung ausgestaltet ist, korrigiert dann die einzuspritzende Kraftstoffmenge der übrigen Zylinder derart, dass diese das gleiche indizierte Moment bereitstellen.
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Das heißt, mittels des Reglers 320 werden die anderen Zylinder auf den Wert des gemessenen Zylinders korrigiert das heißt gleichgestellt. Durch die Kombination der beiden Regler 160 und 320 werden die Einspitzmenge aller Zylinder absolut auf die gewünschte Kraftstoffmenge bzw. das gewünschte indizierte Moment eingeregelt.
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Durch diese Vorgehensweise können sowohl Abweichungen der einzelnen Zylinder untereinander als auch eine Drift- oder Alterungserscheinungen, die zu einer veränderten Kraftstoffmenge führen ausgeglichen werden. Des weiteren hat diese Vorgehensweise den Vorteil dass lediglich ein Brennraumdrucksensor erforderlich ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Ausführungsformen gemäß 2 und 3 kombiniert werden. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass zwei unabhängige Ausgleichsregelungen zu Diagnosezwecken miteinander verglichen werden können.
