-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors,
bei dem eine erste Drehkenngröße an einem
ersten Ort längs
einer Welle des Verbrennungsmotors gemessen wird und unter Verwendung
der ersten Drehkenngröße zylinderindividuelle
Drehkenngrößen bestimmt
werden.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, das zylinderindividuelle
Drehkenngrößen einer
Welle eines Verbrennungsmotors unter Verwendung eines Signals eines
ersten Drehkenngrößen-Sensors
ermittelt, der eine erste Drehkenngröße an einem Ort längs der
Welle erfasst.
-
Dabei
wird unter einer Drehkenngröße eine Winkelposition,
eine Winkelgeschwindigkeit oder ein Drehmomentwert an einem Abschnitt
der Welle verstanden. Der erst Ort ist bevorzugt ein erstes Ende der
Welle.
-
Ein
solches Verfahren ist aus der
DE 44 45 684 A1 bekannt. Bei dem bekannten
Verfahren wird eine Winkelgeschwindigkeit der Welle durch einen
Inkrementalgeber in der Nähe
des Schwungrades gemessen, um den Einfluss von Verdrehungen der Kurbelwelle
zu minimieren. Die Anzahl der Inkremente N des Inkrementalgebers
für eine
Umdrehung soll mindestens doppelt so hoch sein wie die Anzahl der
Zylinder. Umdrehungssynchrone Merkmale des Inkrementalgebers triggern
die Abtastung eines Zählers. Beim
Auftreten des Triggers wird ein aktueller Zählerstand an ein Auswertegerät übertragen
und daraus die Winkelgeschwindigkeit und daraus eine Winkelbeschleunigung
berechnet. Aus der Winkelbeschleunigung, einem Trägheitsmoment
der rotierenden Massen, einem Drehmoment oszillierender Massen und
einem Reibungsdrehmoment wird unter Rückgriff auf ein im Steuergerät abgelegtes
Kennlinienfeld, das vorher mittels Belastungsversuchen bei verschiedenen
Drehzahlen und Lasten erstellt wurde, ein effektives Drehmoment
bestimmt, das an einer Abtriebsseite der Welle wirkt. Mit Hilfe
des effektiven Drehmomentes wird ein Gasdrehmomentverlauf modelliert
und aus dem Gasdrehmomentverlauf werden zylinderindividuelle Drehkenngrößen bestimmt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
unterscheidet sich von diesem Stand der Technik dadurch, dass eine
zweite Drehkenngröße an einem
zweiten Ort längs
der Welle gemessen wird und die zylinderindividuellen Drehkenngrößen unter
Verwendung der ersten Drehkenngröße und der
zweiten Drehkenngröße bestimmt
werden.
-
Entsprechend
zeichnet sich das erfindungsgemäße Steuergerät dadurch
aus, dass es die zylinderindividuellen Drehkenngrößen unter
Verwendung des Signals des ersten Drehkenngrößen-Sensors und eines Signals
eines zweiten Drehkenngrößen-Sensors
ermittelt, der eine zweite Drehkenngröße an einem zweiten Ort längs der
Welle erfasst. Der zweite Ort ist bevorzugt ein zweites Ende der
Kurbelwelle.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Im
Allgemeinen sind Steuer- und Regelverfahren für Verbrennungsmotoren (z.B.
Einspritzmengen-Ausgleichsregelung
zur Zylindergleichstellung) auf Systeme mit torsionssteifer Kurbelwelle
ausgerichtet, bei denen ein einziger Kurbelwinkel die Position sämtlicher
Kurbelkröpfungen
beschreibt. Unterschiede im Kurbelwinkel zwischen einzelnen Zylindern,
wie sie bei torsionsweicher Kurbelwelle tatsächlich auftreten, verschlechtern
die Güte
von Steuer- und Regelverfahren. Schätzverfahren zur Bestimmung
des abgegebenen Drehmoments werden gleichfalls durch eine torsionsweiche
Kurbelwelle nachteilig beeinflusst. Abtriebsmomente beiderseits der
Kurbelwellen sind nicht messbar, Größe und zeitlicher Verlauf dieser
unbekannten Abtriebsmomente beeinflussen die Güte der Steuer- und Regelverfahren.
-
Die
Erfindung erlaubt in diesem Umfeld eine genauere Bestimmung von
zylinderindividuellen Drehzahlen, Kurbelwinkeln und Drehmomenten
einer torsionsweichen Welle unter Berücksichtigung eines geschätzten Abtriebsmoments,
wobei die beidseitige messtechnische Erfassung der Drehkenngrößen eine
messtechnische Erfassung der Torsion der Welle und eine fortlaufende
Anpassung der Bestimmung zylinderindividueller Drehkenngrößen erlaubt.
Durch diese Anpassung wird eine im Vergleich zum Stand der Technik
genauere Steuerung und Regelung des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Die Erfindung gestattet darüber
hinaus eine Beobachtung von Abtriebsmomenten, so dass deren Wirkung
bei der Steuerung bzw. Regelung des Verbrennungsmotors berücksichtigt
werden kann.
-
Mit
Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die
erste und die zweite Drehkenngröße jeweils
als Winkelgeschwindigkeit ermittelt wird.
-
Winkelgeschwindigkeiten
lassen sich mit am Markt üblichen
Drehwinkelsensoren leicht und genau ermitteln. Ein zusätzlicher
Vorteil liegt darin, dass ein Drehwinkelsensor üblicherweise bereits vorhanden ist,
um zum Beispiel Einspritzungen und/oder Zündungen synchron zur Drehung
der Kurbelwelle steuern zu können.
-
Bevorzugt
ist auch, dass unter Berücksichtigung
der ersten Drehkenngröße und der
zweiten Drehkenngröße eine
für den
gesamten Verbrennungsmotor charakteristische dritte Drehkenngröße bestimmt
wird, und die zylinderindividuellen Drehkenngrößen aus einem den Verbrennungsmotor
repräsentierenden
Modell bestimmt werden, wobei Eingangsgrößen des Modells auf der ersten
Drehkenngröße, der
zweiten Drehkenngröße und der
dritten Drehkenngröße basieren.
-
Es
hat sich gezeigt, dass die Beschränkung auf diese drei Eingangsgrößen bereits
eine gute Modellierung von zylinderindividuellen Drehkenngrößen erlaubt.
-
Ferner
ist bevorzugt, dass die dritte Drehkenngröße als Drehmomentwert des gesamten
Verbrennungsmotors ermittelt wird.
-
Dieser
Drehmomentwert ergibt sich im realen Verbrennungsmotors als Summe
der zylinderindividuellen Drehmomentwerte. Aus der Summe kann in
gewissem Umfang auf die einzelne Summanden, also auf die zylinderindividuellen
Drehmomentwerte geschlossen werden, so dass der Wert der Summe eine
geeignete Ausgangsgröße zu Modellierung
der zylinderindividuellen Drehmomentwerte darstellt.
-
Bevorzugt
ist auch, dass die zylinderindividuellen Drehkenngrößen als
zylinderindividuelle Winkelgeschwindigkeiten und/oder als zylinderindividuelle
Drehmomentwerte ermittelt werden.
-
In
diesen Werten bilden sich Ungleichmäßigkeiten in Verbrennungen
zwischen den Zylindern besonders deutlich ab, so dass diese Werte
für Regelungs-
und/oder Steuerungsverfahren von besonderem Interesse sind.
-
Eine
weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Modell
für einen
n-zylindrigen Verbrennungsmotor ein Modell seiner Kurbelwelle mit
n + 2-Abschnitten aufweist, wobei ein erster Abschnitt das erste
Ende der Kurbelwelle repräsentiert, weitere
Abschnitte jeweils einzeln einen zylinderindividuellen Abschnitt
repräsentieren,
und der verbleibende n + 2-te-Abschnitt das zweite Ende der Kurbelwelle
repräsentiert,
wobei jedem Abschnitt ein Trägheitsmoment,
sowie ein Reibungsmoment zugeordnet ist, jeweils Abschnitte durch
drehelastische Kopplungen miteinander verbunden sind, jeder drehelastischen
Kopplung ein Torsionsmoment zugeordnet wird, und jeder zylinderindividueller
Abschnitt einen aus der dritten Drehkenngröße abgeleiteten zylinderindividuellen
Drehmomentwert aufweist.
-
Dieses
Modell berücksichtigt
alle relevanten Einflussgrößen und
erlaubt damit zum Beispiel eine genaue Modellierung der zylinderindividuellen
Größen.
-
Bevorzugt
ist auch, dass ein dem ersten Abschnitt zugeordneter Drehmomentwert
als Drehkenngröße aus einer
Abweichung der ersten Drehkenngröße von einem
Schätzwert
der ersten Drehkenngröße gebildet
wird, und ein dem verbleibenden n + 2 -ten Abschnitt zugeordneter
Drehmomentwert aus einer Abweichung der zweiten Drehkenngröße von einem
Schätzwert
für die
zweite Drehkenngröße gebildet
wird.
-
Durch
diese Ausgestaltung können
die an beiden Enden der Kurbelwelle wirksamen Drehmomente gewissermaßen regelungstechnisch
beobachtet werden, ohne dass die Drehmomente gemessen werden müssen.
-
Ferner
ist bevorzugt, dass zylinderindividuelle Stellgrößen unter Verwendung der zylinderindividuellen
Drehkenngrößen gebildet
werden, weil dies die Qualität
von Regelverfahren und/oder Steuerungsverfahren erheblich verbessert.
-
Mit
Blick auf Ausgestaltungen des Steuergeräts ist bevorzugt, dass es wenigstens
eine der oben genannten Ausgestaltungen des Verfahrens ausführt, was
zu jeweils entsprechenden Vorteilen führt.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
-
1 ein
Blockschaltbild, das ein erfindungsgemäßes Verfahren verdeutlicht;
-
2 ein
physikalisches Ersatzschaltbild eines realen Verbrennungsmotors,
wie es bei Ausgestaltungen der Erfindung verwendet wird; und
-
3 eine
Berechnungsstruktur, wie sie bei Ausgestaltungen der Erfindung zur
Modellierung des Verbrennungsmotors verwendet wird.
-
Im
folgenden wird die Vorgehensweise am Beispiel der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine beschrieben. Die Vorgehensweise ist aber bei
jeder Antriebswelle einer Brennkraftmaschine anwendbar. Insbesondere
gilt dies auch für
die Nockenwelle.
-
Im
Einzelnen zeigt 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit
einer Kurbelwelle 12, zylinderindividuellen Stellgliedern 14, 16,
Winkelsensoren 18, 20 und einem Steuergerät 22.
Die zylinderindividuellen Stellglieder 14, 16 sind
jeweils einzeln einem Zylinder oder einer Gruppe von Zylindern des
Verbrennungsmotors 10 zugeordnet. Beispiele solcher Stellglieder 14, 16 sind
Kraftstoffeinspritzventile, Steller für eine Betätigung von Gaswechselventilen,
die einen Wechsel von Brennraumfüllungen
steuern, Drosselklappen oder Zündspulen,
wobei diese Aufzählung
keinen abschließenden
Charakter besitzt.
-
Ein
erster Winkelsensor 18 ist an einem ersten Ende 24 der
Kurbelwelle 12 angeordnet und ein zweiter Winkelsensor 20 ist
an einem zweiten Ende 26 der Kurbelwelle 12 angeordnet.
Das erste Ende 24 entspricht zum Beispiel dem Ende, an
dem Nebenaggregate wie Generatoren, Wasserpumpen, Lenkhilfepumpen
und/oder Klimakompressoren angetrieben werden, während das zweite Ende 26 die
eigentliche Abtriebsseite darstellt, an der zum Beispiel ein Antriebsstrang
eines Kraftfahrzeugs über
eine Kupplung angetrieben wird.
-
Die
Winkelsensoren 18, 20 erfassen die Winkelgeschwindigkeiten
w1 und w2 an beiden Enden 24, 26 der Kurbelwelle 12 mit
bekannten Verfahren. Dazu können
zum Beispiel Winkelsensoren 18, 20 dienen, die
ferromagnetische Markierungen auf drehfest mit den Enden 24, 26 der
Kurbelwelle 12 verbundenen Geberrädern induktiv abtasten. Eine
solche Abtastung entspricht insofern einem Verfahren, bei dem die
erste und die zweite Drehkenngröße jeweils als
Winkelgeschwindigkeit w1, w2 ermittelt wird.
-
Das
Steuergerät 22 ist
in der Darstellung der 1 in verschiedene Funktionsblöcke unterteilt.
Ein erster Funktionsblock 28 und ein zweiter Funktionsblock 30 repräsentiert
jeweils einen Integrator, der die gemessenen Winkelgeschwindigkeiten
w1, w2 zu entsprechenden Kurbelwellenwinkeln KWW1, KWW2 integriert.
Ein dritter Funktionsblock 32 repräsentiert ein Schätzverfahren,
das aus den Winkelgeschwindigkeiten w1, w2 und/oder den Kurbelwellenwinkeln
KWW1, KWW2 ein mittleres Motormoment M3 als für den gesamten Verbrennungsmotor 10 charakteristische
Drehkenngröße ermittelt.
-
Für das Schätzverfahren 32 können verschiedene
Algorithmen verwendet werden. So kann das mittlere Motormoment M3
zum Beispiel aus einer oder aus beiden gemessenen Winkelgeschwindigkeiten
w1, w2 abgeleitet werden. Eine Möglichkeit dazu
bietet das oben genannte bekannte Verfahren, bei dem ein zu dem
mittleren Motormoment M3 proportionales effektives Drehmoment aus
dem Signal eines einzigen Winkelsensors abgeleitet wird.
-
Eine
andere Möglichkeit
zur Bestimmung des mittleren Motormoments M3 ergibt sich aus einer Auswertung
einer statischen Torsion der Kurbelwelle 12. Hierzu wird
die Differenz der Kurbelwellenwinkel KWW1, KWW2 gebildet und diese
Differenz über eine
geeignete Dauer (z.B. 720°KW)
gemittelt. Dieser Mittelwert ist dann ebenfalls proportional zum mittleren
Motormoment M3.
-
Im
Rahmen einer weiteren Alternative kann das mittlere Motormoment
M3 aus einer dynamischen Torsion der Kurbelwelle 12 abgeschätzt werden.
Hierzu werden ein oder mehrere in den Kurbelwellenwinkelwerten KWW1,
KWW2 oder den Winkelgeschwindigkeiten w1, w2 enthaltene Frequenzanteile
nach Betrag und Phase analysiert, z.B. durch ein Bandpassfilter
oder mit Hilfe einer diskreten Fouriertransformation (DFT). Die
Frequenz der ausgefilterten Schwingung sollte möglichst nahe bei einer der Torsions-Eigenfrequenzen
der Kurbelwelle 12 liegen. Der Betrag und/oder die Phase
dieser Schwingung sowie eine mittlere Winkelgeschwindigkeit werden als
Eingang eines Kennfelds verwendet, dessen Ausgang das mittlere Motormoment
M3 bildet.
-
Ein
vierter Funktionsblock 34 repräsentiert ein Motormodell, das
die gesuchten zylinderindividuellen Drehkenngrößen DKG1,...., DKGn und ferner Schätzwerte
ws1, ws2 für
die Winkelgeschwindigkeiten der beiden Enden 24, 26 der
Kurbelwelle 12 liefert. Die Drehkenngrößen DKG1,...., DKGn sind zum Beispiel
zylinderindividuelle Drehmomentbeiträge und/oder Winkelgeschwindigkeiten
und/oder zylinderindividuelle Kurbelwellenwinkel, so dass der Index
n im Fall der Konjunktion „und" Werte
von 1 bis zu einem entsprechenden Vielfachen der Zylinderzahl durchläuft und
im Fall der Disjunktion „oder" die Zylinder nummeriert.
-
Die
Schätzwerte
ws1, ws2 für
die Winkelgeschwindigkeiten w1, w2 werden durch Differenzbildungen 36, 38 von
zugeordneten Messwerten w1, w2 der Winkelgeschwindigkeiten subtrahiert,
so dass die gebildeten Differenzen ein Maß für die Abweichung der vom Motormodell 34 gelieferten
Schätzwerte ws1,
ws2 von den tatsächlichen
Werten w1, w2 darstellen. Durch Integratoren 40, 42 werden
die Abweichungen zu Schätzwerten
MS24, MS26 für
an den Enden 24, 26 der Kurbelwelle 12 wirkenden
Drehmomente verarbeitet, die neben dem mittleren Drehmoment M3 als
Eingangsgrößen des
Motormodells 34 dienen.
-
Über die
Differenzbildungen 36, 38 erfolgt also ein Abgleich
des Verhaltens des Motormodells 34 mit dem Verhalten des
realen Verbrennungsmotors 10, was die Genauigkeit des Motormodells 34 erhöht. Die
vom Motormodell 34 als Ausgangsgrößen gelieferten zylinderindividuellen
Drehkenngrößen DKG1,...,
DKGn werden durch an sich bekannte Regelverfahren 44 zu
Stellgrößen verarbeitet,
mit denen die bereits genannten zylinderindividuellen Stellglieder 14, 16 betätigt werden.
-
Eine
bevorzugte Ausgestaltung des Motormodells 34 wird weiter
unten erläutert.
Zunächst
wird jedoch unter Bezug auf die 2 ein physikalisches Ersatzschaltbild
eines realen Verbrennungsmotors 10 beschrieben.
-
Der
Verbrennungsmotor 10 weist in der Darstellung der 2 eine
Anzahl von Zylindern Z1, Z2,..., Zk mit jeweils einem zugeordneten
Kurbelwellenabschnitt 12.1, 12.2,...., 12.k auf.
Jedem Kurbelwellenabschnitt 12.1, 12.2,..., 12.k ist
eine Schwungmasse oder ein Trägheitsmoment
J1, J2, ...., Jk, ein die Reibung darstellendes Dämpferelement
d1, d2,...., dk, sowie eine Torsionsfeder mit Federkonstante c1,
c2,...., ck zugeordnet, die eine Kopplung zum Nachbarzylinder, beziehungsweise
zum benachbarten Kurbelwellenabschnitt beschreibt. Die FZ1, FZ2,
FZk bezeichnen in den Zylindern Z1, Z2,..., ZK wirkende Gaskräfte.
-
Das
erste Ende 24 der Kurbelwelle 12 besteht aus der
Schwungmasse J24 einer Riemenscheibe, einem Dämpferelement d24, und einer
Torsionsfeder mit Federkonstante c24. An der Riemenscheibe mit der
Schwungmasse J24 ist der erste Winkelsensor 18 zur Erfassung
der Winkelgeschwindigkeit w1 angebracht.
-
Das
zweite Ende 26 der Kurbelwelle 12 besteht aus
einer Schwungmasse J26, an der der zweite Winkelsensor 20 zur
Erfassung der zweiten Winkelgeschwindigkeit w2 angebracht ist.
-
3 beschreibt
das Motormodell 34 detaillierter: Jedem Zylinder Z1,....,
Zk ist ein Ersatzschaltbild zugeordnet, wie es im Folgenden unter
Bezug auf den Zylinder Z1 erläutert
wird: Das Ersatzschaltbild weist einen ersten Integrator 46,
einen zweiten Integrator 48, einen dritten Integrator 50,
einen Block 52, der einen zylinderindividuellen Momentenbeitrag liefert,
ein Proportionalglied 54, einen Summierer 56 und
einen Differenzbildner 59 auf.
-
Wie
weiter unten noch erläutert
wird, liefert der Summierer 56 ein freies Moment MF1 des
Zylinders Z1 an den ersten Integrator 46. Der erste Integrator 46 integriert
das freie Moment MF1 unter Berücksichtigung
der bekannten Schwungmasse J1 zur zylinderindividuellen Winkelgeschwindigkeit
wZ1 und bildet insofern den Einfluss der Schwungmasse J1 aus der 2 nach.
Der zweite Integrator 48 integriert die Winkelgeschwindigkeit
wZ1 zum zylinderindividuellen Kurbelwellenwinkel KWWZ1 und liefert
insofern eine Winkelinformation an den Block 52, die dieser
zur Zuordnung eines winkelabhängigen
Drehmomentanteils M_KWWZ1 des Zylinders Z1 an dem mittleren Drehmoment
M3 des Verbrennungsmotors 10 verwendet. Der dritte Integrator 50 integriert
eine durch den Differenzbildner 59 gebildete Differenz
von Winkelgeschwindigkeiten wZ1, wZ2 zu dem am Übergang zu dem benachbarten
Abschnitt der Kurbelwelle (hier: Übergang zwischen den Abschnitten 12.1 und 12.2 aus
der 2) wirksamen Moment MZ2, wobei die Federkonstante
C1 multiplikativ berücksichtigt
wird. Der dritte Integrator 50 bildet insofern den Einfluss
der Torsionsfeder mit Federkonstante c1 nach.
-
Der
Block 52 berechnet aus dem vom Schätzverfahren 32 gelieferten
mittleren Motormoment M3 sowie dem geschätzten Kurbelwinkel KWWZ1 des
zweiten Integrators 48 den Momentenbeitrag M_KWWZ1 des
Zylinders Z1. Dies kann zum Beispiel über einen Kennfeldzugriff erfolgen,
wobei das Kennfeld durch Werte des mittleren Motormoments M3 und
des geschätzten
Kurbelwinkels KWWZ1 adressiert wird. Ein zylinderindividueller Drehmomentbeitrag
variiert bekanntlich über
dem Kurbelwinkel, wobei der zylinderindividuelle Drehmomentbeitrag
im Arbeitstakt einen positiven und zumindest im Ansaugtakt und im
Verdichtungstakt einen negativen Beitrag zum gesamten, mittleren Drehmoment
M3 des Verbrennungsmotors 10 liefert. Insbesondere der
positive Beitrag ist von dem gesamten mittleren Drehmoment M3 des
Verbrennungsmotors 10 abhängig.
-
Zylinderindividuelle
Drehmomentwerte M_KWWZ1, deren Adressierungsgrößen zwischen Kennfeldpunkten
liegen, werden durch Interpolation ermittelt.
-
Das
Proportionalglied 54 berechnet das zur Winkelgeschwindigkeit
wZ1 proportionale Reibmoment MR1 und bildet insofern den Einfluss
der Reibung nach. Der Summierer 56 berechnet das dem ersten
Integrator 46 zugeführte
freie Moment MF1 aus dem Momentenbeitrag M_KWWZ1 des Zylinders Z1,
der Differenz der über
die Kurbelwelle 12 zugeführten Momente MZ1 und MZ2 sowie
dem geschwindigkeitsproportionalen Reibmoment MR1, so dass sich
das freie Moment MF1 des Zylinders Z zu MF1 =
M_KWWZ1 – MR1
+ MZ1 – MZ2ergibt.
Die Riemenscheibe am kupplungsfernen, ersten Ende 24 der
Kurbelwelle 12 wird durch zwei Integratoren 60 und 62,
ein Proportionalglied 64 und einen Differenzbildner 66 dargestellt.
Diese Elemente 60, 62, 64, 66 entsprechen
in ihrer Bedeutung den Blöcken 46, 50, 54, 59 des
Zylindermodells. In ähnlicher
Weise wird die Schwungmasse am kupplungsseitigen, zweiten Ende 26 der
Kurbelwelle 12 durch einen Integrator 68, ein
Proportionalglied 70 und einen Summierer 72 in
Analogie zu den Blöcken 46, 54, 56 des
Zylindermodells beschrieben.
-
Dieses
Modell 34 liefert daher sowohl Winkelgeschwindigkeitswerte
als auch Drehmomentwerte jeweils zylinderindividuell als innere
Werte des Modells 34, die im SteuergGerät 30 berechnet werden, daher
im Steuergerät 30 vorliegen
und bei der Bildung zylinderindividueller Stellgrößen für die Stellglieder 14, 16 berücksichtigt
werden können.