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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gleichstellung von Zylindern
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Verbrennungsmotoren
mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, sowie Motorsteuerungen zur
Darstellung mehrerer Einspritzsequenzen je Arbeitsspiel, wie etwa
eine Doppeleinspritzung sind zur Verbesserung des Betriebes einer
Brennkraftmaschine bereits bekannt. Dabei bieten insbesondere strahlgeführte Brennverfahren
bezüglich
der Abgasemission und des Kraftstoffverbrauchs spürbare Vorteile.
Allerdings erfordern derartige Brennverfahren eine hohe Zumessgenauigkeit
des eingespritzten Kraftstoffs.
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Insbesondere
sportlich ausgelegte Motoren weisen allerdings den Nachteil einer
schlechten Leerlaufqualität
auf. Denn derartige Motoren sind konsequent zu höchster Leistung hin ausgelegt.
Mit entscheidend ist dabei die Vielzahl von Komponenten wie beispielsweise
die Länge,
der Durchmesser oder das Volumen der Saugrohranlage oder wie etwa
der gesamte Ventiltrieb mit Ventildurchmesser, Ventilhub, Öffnungs-
und Schließzeiten,
dem Nockenprofil usw. Die konstruktive Auslegung auf maximale Leistung
führt aber
gerade im Leerlaufbereich oftmals zu einer unvermeidbaren Ungleichverteilung
der Füllung
der einzelnen Zylinder. Daher kommt es unabhängig vom Laststeuerungsprinzip
bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen dazu, dass die in den einzelnen
Zylindern vorliegenden Luft-/Kraftstoff-Gemischverhältnisse und die von den einzelnen
Zylindern erzeugten individuellen Anteile am Kurbelwellendrehmoment
verschieden sind. Dies wiederum führt zu einer schlechten Laufruhe
der Brennkraftmaschine im Leerlauf.
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Weitere
Ursache für
die Ungleichheit der Gemischverhältnisse
sind Fertigungstoleranzen in den luft- und kraftstoffbestimmenden
Parametern. Unterschiede in den zylinderindividuellen Gemischverhältnissen können auch
aus Abweichungen in den real zugemessenen Kraftstoffmengen und/oder
in Abweichungen in den real zugemessenen Luftmassen resultieren.
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Besonders
stark tritt das Problem bei Motoren mit hoher Zylinderzahl wie etwa
bei V8 oder V12 Motoren auf. Denn bei diesen Motoren verteilt sich
die zum Leerlauf benötigte,
jedoch ohnehin geringe Luftmenge, auf viele Zylinder. Dadurch führen bereits
geringe Abweichungen des Luftmassen-Ist-Wertes, also der Realverteilung, von
dem angestrebten Luftmassen-Soll-Wert, also der Sollverteilung,
zu Unterschieden im Moment der Brennkraftmaschine. Entsprechend
nimmt die Laufruhe ab, so dass Einbußen in der Leerlaufqualität unvermeidbar
sind.
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Insbesondere
in den letzten Jahren sind zahlreiche Neuerungen in den Motorenbau
eingeflossen, die das motorische Gesamtverhalten verbessert haben.
Nockenwellenphasensteller, digitale und kontinuierliche Ventilhubumschaltungen
oder längenvariable
Saugrohre wurden eingeführt.
Diese Maßnahmen
sind im Allgemeinen allerdings konstruktiv sehr aufwändig und
daher mit hohen Kosten verbunden.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik, etwa der
DE 36 33 671 A1 bereits
ein Verfahren zur Zylindergleichstellung bekannt, mit dem ein aus
der Verbrennung resultierendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zylinderselektiv von
einer geeigneten Lambdasonde erfasst und in der Motorsteuerung verarbeitet
wird. Erfolgt eine Verbrennung zu mager, so wird die nächste Verbrennung
gezielt in Richtung fett beeinflusst, so dass die Gesamtbilanz wieder
ausgeglichen wird und zu einem Lambdawert von 1 führt. Damit
sind aus Sicht der Emission keine Probleme zu erwarten.
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Die
geschilderten bekannten Zylindergleichstellungs-Verfahren lassen
allerdings Momentenunterschiede unberücksichtigt, die sich aus einem
unterschiedlichen Füllungsverhalten
der einzelnen Zylinder ergeben. Die Laufunruhe ist entsprechend
hoch, das Leerlaufverhalten entsprechend schlecht.
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Aus
der
DE 100 06 161
A1 ist ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Bestimmung
zylinderindividueller Unterschiede einer Steuergröße bei einer
Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt. Hierzu werden
die zylinderindividuellen Füllungsunterschiede
bestimmt. Eine Gleichstellung der Zylinder kann dann mit zylinderindividuellen
Einspritzzeiten oder Luftverhältnissen
erfolgen.
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Weiterhin
ist aus der
DE 101
57 16 A1 ein Verfahren zum Gleichstellen der Füllung der
Zylinder bekannt. Dabei wird vorgeschlagen, füllungsabhängige Motordaten von einem
Sensor bei laufendem Motor zu erfassen und in einem Steuergerät zu verarbeiten.
Dabei können
auch Abweichungen der Ventilhübe
von einem Sollwert berücksichtigt
werden, die als Kennfeld in einem Steuergerät hinterlegt werden können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren
zur Gleichstellung von Zylindern einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zur Gleichstellung von Zylindern einer Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
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Im
Kern stellt demnach das erfindungsgemäße Verfahren darauf ab, dass
ein Kennfeld, beispielsweise ein Differenzkennfeld, das das Füllungsverhalten
für Luft
für jeden
Zylinder individuell in Abhängigkeit
von der Drehzahl, insbesondere der Leerlaufdrehzahl repräsentiert,
erstellt wird und dieses Kennfeld bei einer Leerlaufdrehzahlanforderung
berücksichtigt
wird. Dieses Kennfeld wird dann bei der Zumessung der zylinderindividuellen
Kraftstoffmenge berücksichtigt.
So erhält
man also ein Verfahren zur Verbesserung des Betriebes, insbesondere
des Leerlaufbetriebes, einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern.
Ein Steuergerät
ist zur Steuerung der Brennkraftmaschine vorgesehen. Es wird ein
Kennfeld für
das Füllverhalten
jedes Zylinders mit Luft erstellt. Die Werte des Kennfeldes werden
dann bei der Zumessung der Kraftstoffmenge für den jeweiligen Zylinder im
Steuergerät
berücksichtigt,
wobei aus der mittleren Einspritzmenge für jeden Zylinder individuell die
Kraftstoffmenge berechnet wird und dann jeder Zylinder das gleiche
Moment abgibt.
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Durch
die Erfindung wird es möglich,
präzise
die jeweils erforderliche Zumessung von Kraftstoff unter Berücksichtigung der
tatsächlich
angesaugten Luftmenge zu den einzelnen Zylindern zu ermitteln. Damit
ist auch eine genaue Einstellung des Lambdawertes erreichbar.
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Demnach
wird also eine Einrichtung zur Gleichstellung einzelner Zylinder
einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät vorgesehen. Das Steuergerät steht
mit den einzelnen Zylindern und mit einer Lambda-Sonde sowie mit
einem Leerlaufstellglied zur Leerlaufregelung in Verbindung. In
der Steuereinrichtung ist ein Kennfeld, das für das Füllverhalten jedes der einzelnen
Zylinder mit Luft relevant ist, abgespeichert.
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Die
Ermittlung des Kennfeldes kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass das Füllungs-
bzw. Schluckverhalten für
jeden Zylinder individuell in einem definierten Drehzahlbereich,
insbesondere im Leerlaufdrehzahlbereich, bestimmt wird.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Kennfeld auch
dadurch ermittelt werden, dass Füllungs-
bzw. Schluckverhalten für
jeden der Zylinder dadurch bestimmt wird, dass bei bekanntem Luft-Kraftstoff-Gemisch
auf die in dem jeweiligen Zylinder eingeströmte Luftmasse geschlossen wird.
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Vorteilhafterweise
wird das Kennfeld offline ermittelt und abgespeichert, so dass die
Kennfelddaten bereits vorliegen, wenn das Fahrzeug in dem relevanten
Drehzahlbereich, insbesondere im Leerlaufdrehzahlbereich, betrieben
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird geprüft,
ob in der Motorsteuerung eine Leerlaufanforderung vorliegt. Ist
dies der Fall, so werden die Lambda-Sollwerte eingelesen. Daraus
wird ein Wert für
den Bedarf an der Gesamtluftmenge ermittelt. Daraus wird dann eine
mittlere Einspritzmenge für jeden
der Zylinder berechnet. Aus der mittleren Einspritzmenge wird im
Anschluss in der Motorsteuerung unter Berücksichtigung des Kennfeldes für jeden
Zylinder individuell die Einspritzung so berechnet, dass jeder Zylinder
im Wesentlichen das gleiche Moment an die Kurbelwelle abgibt.
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Aus
der geschilderten Vorgehensweise ergibt sich, dass für einzelne
Zylinder ein fettes Gemisch und für andere Zylinder ein mageres
Gemisch eingespritzt wird, so dass ein in einem Zylinder nicht verbrannter Kraftstoff
im Absaugkanal exotherm reagiert, was üblicherweise als Nachverbrennung
bezeichnet wird. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass auch im
Leerlauf der Katalysator nicht so weit abkühlt, dass seine Funktion gefährdet wäre. Gerade
im Leerlauf ist dies ein oft gewünschter
Effekt, da damit das Auskühlen
insbesondere großvolumiger
Katalysatoren verhindert werden kann.
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Sofern
die Anpassung des Drehmomentes einzelner Zylinder zu einer Überschreitung
einer vorgegebenen Obergrenze (Fettgrenze) oder zu einer Unterschreitung
einer vorgegeben Untergrenze (Magergrenze) führt, kann zusätzlich über eine
Modifikation des Zündwinkels
regulierend auf das jeweilige Moment eingegriffen werden. Zum Zwecke
der Leerlaufregelung ist üblicherweise
ohnehin ein bestimmtes Reservemoment vorhanden, so dass sowohl momenterhöhend, wie
auch momenterniedrigend eingegriffen werden kann.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren
zugehörige
Beschreibungsteile.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1:
schematisch eine Brennkraftmaschine mit einzelnen Zylindern,
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2:
schematisch einen möglichen
Verfahrensablauf des Verfahrens zur Verbesserung des Betriebes der
Brennkraftmaschine.
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In 1 ist
schematisch eine Brennkraftmaschine 10 mit einzelnen Zylindern 12, 14, 16, 18 und
zugehörigen
Einspritzventilen 20, 22, 24, 26 dargestellt.
Wie an sich bekannt ist, wird aus einem Tank 28 Kraftstoff über eine
Pumpe 30 und einen Kraftstofffilter 32 den Einspritzventilen 20, 22, 24, 26 zugeführt. Über einen Druckregler 34 wird
ein gegebenenfalls überschüssiger Kraftstoffanteil
in den Tank 28 zurückgeführt. Die
erforderliche Verbrennungsluft wird der Brennkraftmaschine 10 über einen
Luftmassenmesser 36 und eine Drosselklappe 38 und
den Ansaugkanal 40 zugeführt. Weiterhin ist in einem
Bypass zur Drosselklappe 38 ein Leerlaufstellglied 42 eines
Leerlaufreglers vorgesehen. In dem Abgaskanal 44 ist eine
Abgassonde (Lambda-Sonde) 46 vorgesehen, deren elektrisches
Ausgangssignal vom Sauerstoffanteil der Abgase abhängt, so
dass darüber
beispielsweise auf das eingespritzte Kraftstoff-Luft-Gemisch rückgeschlossen
werden kann.
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Die
Stellung der Drosselklappe 38 wird über einen Drosselklappengeber 48 an
eine Motorsteuerung 50 weitergegeben. Die Motorsteuerung 50 empfängt auch
die Signale der übrigen
bereits angeführten
Signalgeber, insbesondere die Signale der Lambda-Sonde 46.
Die Funktionsweise und der Aufbau der Motorsteuerung 50 sind
an sich bereits bekannt. Unter anderem dient sie zur Zumessung des
Kraftstoff-Luft-Gemisches zu den Zylindern 12–18.
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Um
den Betrieb der Brennkraftmaschine 10 insbesondere im Leerlaufbetrieb
zu verbessern wird erfindungsgemäß nun in
der Motorsteuerung bei der Berechnung der Zumessung der Kraftstoffmenge
für jeden
Zylinder ein Kennfeld berücksichtigt,
welches zylinderindividuelle Daten für das Füllverhalten der Zylinder 12–18 in
Abhängigkeit
von dem ausgewählten
Drehzahlbereich, insbesondere dem Leerlaufdrehzahlbereich aufweist.
Dieses Kennfeld wird bevorzugt in der Motorsteuerung 50 abgespeichert.
Damit kann die Motorsteuerung 50 immer dann auf das Kennfeld
zugreifen, wenn eine Anforderung für den ausgewählten Drehzahlbereich erkannt
wird. Besonders vorteilhaft ist dies dann, wenn der ausgewählte Drehzahlbereich
der Leerlaufdrehzahlbereich ist und dementsprechend von der Motorsteuerung 50 eine
Leerlaufdrehzahlanforderung empfangen wird.
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Bei
der Erstellung des Kennfeldes wird berücksichtigt, dass es für jeden
der Zylinder 12, 14, 16, 18 konstruktive
Unterschiede wie etwa Saugrohrlängen,
-durchmesser, -volumen ebenso gibt, wie individuell verschiedene
Fertigungstolleranzen, die zu einer Ungleichverteilung der Füllung der
einzelnen Zylinder 12, 14, 16, 18 insbesondere
im Leerlaufbereich führen.
Diese konstruktiv bedingten Ungleichverteilungen der Füllung können über die
Berücksichtigung
des Kennfeldes für
die einzelnen Zylinder 12, 14, 16, 18 bei
der Zumessung von Kraftstoff kompensiert werden.
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Das
Kennfeld wird hierzu beispielsweise durch die Auswertung des Zylinderdruckverlaufes,
also dadurch ermittelt, dass das Füllungs- bzw. Schluckverhalten
für jeden
der mehreren Zylinder 12, 14, 16, 18 dadurch
bestimmt wird, dass der Zylinderdruckverlauf erfasst wird und zudem
die eingespritzte Kraftstoffmenge bekannt ist oder das Luft/Kraftstoffverhältnis der
einzelnen Zylinder gemessen wird. Für die Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses
können
Einzel-Lambdasonden in den Abgaskanälen, die an die einzelnen Zylinder angeschlossen
sind, vorgesehen sein. Aus dem Zylinderdruckverlauf eines Zylinders
und der in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge oder dem
Zylinderdruckverlauf des Zylinders und dem Luft/Kraftstoffverhältnis im
Abgas nach dem Zylinder kann auf das von jedem Zylinder 12, 14, 16, 18 abgegebene
Moment geschlossen werden. Das abgegebene Moment wiederum ist ein
Maß für die eingebrachte
Luftmasse, die dann zylinderindividuell ermittelt werden kann.
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Ebenso
ist es möglich,
das Kennfeld mit Hilfe der so genannten Einzellambdabestimmung dadurch
zu ermitteln, dass das Füllungs-
bzw. Schluckverhalten für
jeden der mehreren Zylinder 12, 14, 16, 18 dadurch bestimmt
wird, dass bei bekanntem Luft-Kraftstoff-Gemisch auf die in dem
jeweiligen Zylinder 12, 14, 16, 18 eingeströmte Luftmasse
geschlossen wird. Werden diese Daten in Abhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl
und für
jeden Zylinder ermittelt, wird das erforderliche Kennfeld erhalten,
das dann in der Motorsteuerung 50 offline, d. h. vor Inbetriebnahme
der Brennkraftmaschine 10 im Fahrzeug durch den Erwerber
des Fahrzeugs abgespeichert werden.
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Wenn
das unterschiedliche Füllungs-
bzw. Schluckverhalten der Zylinder
12,
14,
16,
18 bekannt
ist, lässt
sich daraus ein Kennfeld ermitteln, das die zylinderindividuellen
Daten in Abhängigkeit
von der Drehzahl umfasst. Dieses Kennfeld wird dann bevorzugt in
der Motorsteuerung
50 als Differenzkennfeld abgespeichert und
liegt somit als Offset der zylinderindividuellen Schluckkennlinie
vor. Ein derartiges Differenzkennfeld kann beispielsweise, wie in
der nachfolgenden Tabelle exemplarisch an drei Zylindern wiedergegeben
darstellen:
| Drehzahl
[1/min] | Zylinder
1 | Zylinder
2 | Zylinder
3 | ... |
| 600 | +
2,2 | – 1,5 | +
0,8 | ... |
| 700 | +
2,5 | – 1,8 | +
0,4 | ... |
| 800 | +
3,0 | – 2,5 | +
0,8 | ... |
| 900 | +
2,2 | – 1,5 | +
0,8 | ... |
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Auf
diese Weise kann online, d. h. während
der Fahrt von der Motorsteuerung 50 geprüft werden,
ob eine Leerlaufanforderung vorliegt und dann das Kennfeld ggf.
bei der Kraftstoffzumessung entsprechend berücksichtigt werden.
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2 zeigt
schematisch einen möglichen
Verfahrensablauf des Verfahrens zur Verbesserung des Leerlaufbetriebes
der Brennkraftmaschine 10. Dabei wird zunächst offline,
d. h. außerhalb
des normalen Betriebes der Brennkraftmaschine, das Kennfeld bestimmt
und abgespeichert. Für
Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wird
das Kennfeld somit bevorzugt vor Auslieferung des Kraftfahrzeuges an
den Endkunden ermittelt und gespeichert, so dass es bereits beim
ersten Betrieb zur Verfügung
steht. Zur Ermittlung des Kennfeldes wird im Schritt 52 zunächst der
gewünschte
Motorbetriebspunkt, insbesondere der Leerlaufbetriebspunkt eingestellt.
Anschließend
wird im Schritt 54 die erforderliche Gesamtluftmenge bestimmt,
die etwa aus einem bekannten Luft-Kraftstoff-Verhältnis leicht
ermittelt werden kann. Aus der Gesamtluftmenge wird dann im Schritt 56 die
für jeden
Zylinder 12, 14, 16, 18 individuell
erforderliche Luftmenge bestimmt, wobei beispielsweise die Einzellambdabestimmung
oder die Auswertung des Zylinderdruckverlaufs zur Berücksichtigung
der zylinderindividuellen konstruktiven Auslegung eingesetzt werden
können.
Im Schritt 58 wird dann das Kennfeld 60 bestimmt
und in der Motorsteuerung abgespeichert, was beispielsweise als
Differenzkennfeld, also als Offset der Schluckkennlinie 62 erfolgen
kann.
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Damit
kann ausgehend von einem mittleren Füllungswert betriebspunktabhängig jeweils
exakt für
die von jedem Zylinder 12, 14, 16, 18 individuell
je Arbeitsgang angesaugte Luftmenge berechnet werden. Die hierzu
eingebrachte Kraftstoffmenge wird dabei so bestimmt, dass sich zum
einen eine ausgeglichene Lambda-Gesamtbilanz ergibt und andererseits
jeder Zylinder das gleiche Moment an die Kurbelwelle abgibt. Diese Berechnung
erfolgt nun online. Sobald im Schritt 64 von der Motorsteuerung
erkannt wird, dass eine Leerlaufanforderung vorliegt, werden die
Lambda-Sollwerte
im Schritt 66 eingelesen. Mit diesen wird dann die erforderliche
Gesamtluftmenge im Schritt 68 berechnet. Aus der Gesamtluftmenge
ergibt sich zusammen mit der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine
eine mittlere Einspritzmenge je Zylinder, die im Schritt 70 bestimmt
wird. Nun wird im Schritt 72 für jeden der Zylinder 12, 14, 16, 18 unter
Berücksichtigung
der zuvor abgespeicherten Werte für das Kennfeld 60 die
Luftmenge individuell aus der mittleren Einspritzmenge ermittelt. Im
Schritt 74 wird dann die dazugehörige Kraftstoffmenge für jeden
der Zylinder 12, 14, 16, 18 individuell
so bestimmt, dass einerseits eine ausgeglichene Lambda-Bilanz erhalten
wird und andererseits jeder der Zylinder 12, 14, 16, 18 das
gleiche Moment an die Kurbelwelle abgibt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde zwar anhand einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern 12, 14, 16, 18 beschrieben.
Besonders vorteilhaft ist es allerdings wenn es bei Brennkraftmaschinen
mit hoher Zylinderzahl, wie etwa bei V8 oder V12 Motoren eingesetzt
wird. Denn gerade diese Motoren benötigen im Leerlauf eine relativ
geringe Luftmenge, die dann auf viele Zylinder verteilt werden muss.
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Damit
kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine deutliche Verbesserung
der Leerlaufqualität
erreicht werden, da die Füllungsunterschiede
der einzelnen Zylinder 12, 14, 16, 18 bekannt
sind und von der Motorsteuerung 50 durch eine gezielte
Modifikation der Einspritzung ein Momentenausgleich bewirkt wird.
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Das
Verfahren ist im Wesentlichen kostenneutral, d. h. verursacht im
Vergleich zur üblichen
Motorsteuerung im Wesentlichen keine zusätzlichen Kosten, da die Vermessung
des Schluckverhaltens lediglich einmal und nur in wenigen ausgesuchten
Betriebspunkten erfolgen muss. Das so abgespeicherte Kennfeld 60 kann für alle weiteren
erforderlichen Korrekturen verwendet werden. Es ist nicht erforderlich,
zusätzliche
Hardware-Komponenten im System vorzusehen. Vielmehr ist es möglich, das
erfindungsgemäße Verfahren
als Zusatz in der ohnehin vorhandenen Motorsteuerung 50 zu
implementieren.
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Zylinder
- 14
- Zylinder
- 16
- Zylinder
- 18
- Zylinder
- 20
- Einspritzventil
- 22
- Einspritzventil
- 24
- Einspritzventil
- 26
- Einspritzventil
- 28
- Tank
- 30
- Kraftstoffpumpe
- 32
- Kraftstofffilter
- 34
- Druckregler
- 36
- Luftmassenmesser
- 38
- Drosselklappe
- 40
- Ansaugkanal
- 42
- Leerlaufstellglied
- 44
- Abgaskanal
- 46
- Abgas
(Lambda)-Sonde
- 48
- Drosselklappengeber
- 50
- Motorsteuerung
- 52
- Leerlaufbetriebspunkt
einstellen
- 54
- Bestimmen
der Gesamtluftmenge
- 56
- Bestimmung
der zylinderindividuellen Luftmenge
- 58
- Berechnen
und Speichern des Kennfeldes
- 60
- Kennfeld
- 62
- Offset
der Schluckkennlinie
- 64
- Leerlaufanforderung
- 66
- Lambda-Sollwert
einlesen
- 68
- Gesamtlufmenge
bestimmen
- 70
- Bestimmen
der mittleren Einspritzmenge
- 72
- Bestimmen
der zylinderindividuellen Luftmenge
- 74
- Bestimmen
der zylinderindividuellen Einspritzmenge