DE10220141A1

DE10220141A1 - Verfahren zum Steuern der Verbrennung einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken

Info

Publication number: DE10220141A1
Application number: DE2002120141
Authority: DE
Inventors: Thomas Haug; Franz Kunz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: DE10220141B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken mit einem Ansaugsystem, das ein Saugrohr mit verstellbarer Drosseleinrichtung und mindestens einem den Drosselgrad der Drosseleinrichtung erfassenden Sensor aufweist, mindestens einem Ein- und einem Auslassventil pro Zylinder, mindestens einer verstellbaren Nockenwelle pro Zylinderbank zum Steuern der Ein- und Auslassventile, mindestens einer Einrichtung zum Zuführen von Kraftstoff pro Zylinder, mindestens einer Zündanlage pro Zylinder und mindestens einer elektronischen Steuereinrichtung mit mindestens einem Rechner zum Berechnen variabler Daten, wie z. B. zugeführte Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Zündparameter abhängig vom Sensor erfassten Motorparametern, wobei das Prinzip der modellgestützten prädikativen Regelung angewendet wird, und wobei von dem mindestens einen Rechner das Motorfüllungsmodell an den jeweiligen Funktionsstellen bankselektiv berechnet wird und die Steuerung der Einspritzung und der Zündung bankindividuell unter Verwendung der bankselektiv errechneten Motorparamter erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken mit einem Ansaugsystem, das mindestens ein Saugrohr mit verstellbarer Drosseleinrichtung und mindestens einem den Drosselgrad der Drosseleinrichtung erfassenden Sensor aufweist, mindestens einem Ein- und einem Auslassventil pro Zylinder, mindestens einer verstellbaren Nockenwelle pro Zylinderbank zum Steuern der Ein- und Auslassventile, gegebenenfalls mit einer Einrichtung zum variablen Einstellen des Ventilhubs, mindestens einer Kraftstoff-Einspritzanlage pro Zylinder, mindestens einer Zündanlage pro Zylinder und mindestens einer elektronischen Steuereinrichtung mit mindestens einem Rechner zum Berechnen des Einspritzzeitpunkts und der Einspritzdauer, des Zündzeitpunkts und der Zünddauer, abhängig von abgefragten, in Signale umgewandelten Motorparametern, wobei das Prinzip der modellgestützten prädikativen Regelung angewendet wird.

Aus der EP 820 595 B1 ist ein Verfahren zum modellgestützten Bestimmen der in die Zylinder einer Brennkraftmaschine einströmenden Luftmasse bekannt, bei dem von einer Modellbeschreibung Gebrauch gemacht wird, die auf einer nicht linearen Differentialgleichung basiert. Dabei wird eine Approximation der nicht linearen Differentialgleichung verwendet, durch die das Systemverhalten von einer bilinearen Gleichung beschrieben werden kann. Diese bilineare Gleichung gestattet eine schnelle Lösung der Beziehung in der Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs unter Echtzeitbedingungen, wobei eine Modellierung von variablen Saugsystemen und Systemen mit variablen Systemsteuerungen enthalten sind.

Trotz der hohen Genauigkeit der Einspritzzeitpunkte und der Einspritzdauer sowie der Zündzeitpunkte, die durch das modellgeschützte Rechnungsverfahren dieser bekannten Schrift erzielt wird, ergibt sich bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylinderbänken in Kombination mit variablen Ventilsteuerungskomponenten insbesondere im transienten Betriebsmodus bei bankunterschiedlichen Nockenwellenverstelleigenschaften ein unerwünschter Unterschied bei der bankindividuellen Gemischbildung.

Dies bedeutet, dass trotz der genauest berechneten Zeiten und Mengen unterschiedliche Nockenwellenstellungen bei der Berücksichtigung der Verstellung der Nockenwellen eine ungleiche Drehmomententwicklung stattfindet. In der Vergangenheit ging man stets von einem symmetrischen Verstellverhalten aus. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass, vor allem bei V- und bei W-Motoren während des transienten Betriebsmodus, bei dem es zu Öldruck- bzw. Ölversorgungsproblemen kommen kann, Unsymmetrien der Zylinderbänke in ausgeprägter Form auftreten. Man hat in der Vergangenheit versucht, die Problematik der bankindividuellen Gemischbildung dadurch zu lösen, dass man die beiden bankindividuellen Ventilüberschneidungen VO_1 der ersten Bank und VO_2 der zweiten Bank arithmetisch gemittelt und im Füllungsmodell des Motors bei der Berechnung der Einspritzmengen und Zündwinkelbestimmungen die Mittelwerte verwendet hat.

Diese Näherung führt jedoch nicht zu einer Lösung des Problems, da die Ursache, die zu einer von der Berechnung abweichenden Gemischbildung bei einer Bank führt, auch bei der anderen Bank zugrunde gelegt wird und dort eine aufgrund der empfangenen Werte richtig berechenbare Gemischbildung unterbleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern von Motorparametern bei gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylinderbänken anzugeben, mittels dem unterschiedliche Gemischbildungen sowie unzeitige Zündungen in den einzelnen Zylinderblöcken verhindert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von dem mindestens einen Rechner das Motorfüllungsmodell an den jeweiligen Funktionsstellen bankselektiv gerechnet wird und die Steuerung der Einspritzung und der Zündung bankindividuell unter Verwendung der bankselektiv errechneten Motorparameter erfolgt.

Durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ist es möglich, für jede Bank individuell die Gemischbildung einzustellen, so dass auch im transienten Betriebsmodus eine optimale Verbrennung stattfinden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung kann vorsehen, dass die Berechnung für alle Zylinderbänke gleichzeitig stattfindet. Dies hat den Vorteil, dass die entsprechenden Werte bei allen Bänken zum selben Zeitpunkt vorliegen und ein Zeitverlust nicht entsteht. Eine solche Gleichzeitigkeit ist insbesondere bei W-Motoren von wesentlichem Vorteil, da bei diesem komplexen Motor der Zeitverlust zu groß wäre.

Es ist vorteilhaft, wenn vorbestimmte bankspezifische Parameter während des Motorbetriebs miteinander verglichen werden.

Des weiteren kann es günstig sein, dass die bankindividuelle Berechnung nach Erreichen des normalen Betriebszustands durch eine gemeinsame Berechnung ersetzt wird. Dabei ist es vorteilhaft, die Umstellung von der bankspezifischen auf die bankgemeinsame Berechnung dann umzustellen, wenn die Differenz bestimmter bankindividuelle Parameter einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreiten.

Als ein solcher Schwellenwertparameter kann die Luftzahl LAM sein, die eine hinreichend genaue Bewertung der Gemischbildung zulässt.

Von besonderem Vorteil ist dabei, dass für jede Zylinderbank das identische motorspezifische Füllungsmodell gerechnet wird, so dass der Übergang zur gemeinsamen Berechnung nicht zu einer Veränderung der Werte an den einzelnen Funktionsstellen führt.

Des weiteren wird eine Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken angegeben, bei der für jede Zylinderbank eine eigenständige Rechnereinheit vorgesehen ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn in jeder Rechnereinheit dasselbe Motorfüllungsmodell gerechnet wird. Vorteilhaft ist, wenn alle Rechner Vergleichsrechnungen durchführen, bei denen die Funktionsstellenwerte der jeweils anderen Zylinderbänke verglichen werden. Derartige Vergleichswerte können dann mit Schwellwerten abgeglichen werden, die ein Umschalten auf einen gemeinsamen Rechner bewirken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und Blockschaltbilder näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderblöcken und einem Ansaugtrakt sowie eine Steuereinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Motors mit zwei Zylinderblöcken in V-Stellung und jeweils zugeordnetem Ansaugtrakt, Abgastrakt und bankindividuellen Steuereinrichtungen;
Fig. 3 ein Blockschaltbild des Verfahrens zur bankselektiven Ermittlung der Füllung, und
Fig. 4 ein Blockschaltbild des Verfahrens mit detaillierten Eingangsparametern.
In den nachfolgenden Figuren sind gleiche Konstruktionselemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Wegen ihrer Identität werden sie nur einmal näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine dargestellt, die einen Ansaugtrakt 1, der eine Drosselklappe 10 und Ansaugrohre 1-1 für eine erste Bank B-1 und ein Ansaugrohr 1-2 für eine zweite Bank B-2 aufweist. Des weiteren ist schematisch ein Motorblock 2 jeweils ein Zylinder 20 der Bank B-1 und der Bank B-2 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 24, eine Nockenwelle 42 und Ventile 43, 44 dargestellt. Der Vollständigkeit halber sind Kolben 21, Pleuelstange 22 und dem jeweiligen Zylinder 20 zugeordnete Zündkerzen 23 wiedergegeben.
An jedem Zylinder ist mindestens ein Einspritzventil 3 vorgesehen, das einem nicht im Detail dargestellten Einspritzsystem zugeordnet ist. Das mindestens eine Einspritzventil ist lediglich schematisch dargestellt und kann sowohl einem Zentraleinspritzsystem aber auch einem Direkteinspritzsystem zugeordnet sein. Ein Abgasrohr 4 für jede Bank B-1 und B-2 weist jeweils einen Katalysator auf. Der Motor kann auch ein Abgasrückführsystem mit entsprechendem Rückführrohr und Rückführventil aufweisen.
Eine Steuereinrichtung 5 ist mit Sensoren verbunden, die an der Brennkraftmaschine verschiedene Messgrößen erfassen. Die Steuereinrichtung errechnet abhängig von den Messgrößen Stellsignale, die jeweils einem entsprechenden Funktionsstellgerät zugeordnet sind und diese steuern. Einflussgrößen, die in der Steuereinrichtung 5 verarbeitet werden, stammen von einem Pedalstellungsgeber 6, der die Pedalstellung des Gaspedals 7 erfasst, ein Drosselklappenstellungsgeber 11, der den Öffnungsgrad THR der Drosselklappe 10 erfasst, ein Luftmassenmesser 12, der den Luftmassenstrom MAF erfasst und ein Saugrohrdrucksensor 13, der einen Saugrohrdruck MAP erfasst. Des weiteren sind ein erster Temperatursensor 26, der die Kühlwassertemperatur, ein zweiter Temperatursensor 27, der die Öltemperatur TOIL und ein dritter Temperatursensor 15 vorgesehen, der die Ansauglufttemperatur TAL erfasst. Des weiteren sind ein Drehzahlgeber 25, der die Drehzahl N der Kurbelwelle 24 erfasst, sowie eine Sauerstoffsonde 41 im Abgastrakt 4, der den Restsauerstoffgehalt des Abgases erfasst und einer Luftzahl LAM zuordnet.
Hervorzuheben ist, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beiden Zylinderbänken jeweils ein bankindividueller Abgastrakt zugeordnet ist, der im weiteren Verlauf nach dem Katalysator zu einem Abgasrohr vereinigt werden kann. Nicht dargestellt ist eine ebenso mögliche Ausführungsform, bei der der Katalysator in dem gemeinsamen Abgasrohr angeordnet ist. Wesentlich ist allerdings, dass die Sauerstoffsonde 41 jeweils die bankspezifischen Werte LAM-1 und LAM-2 für jede Bank separat ermittelt.
Im Stand der Technik ist es bekannt, anstatt des zweiten Temperatursensors 27 einen Fluidsensor 28 vorzusehen, der die Fluidität FL des Motoröls erfasst. In der üblichen Weise umfassen die Steuergeräte jeweils einen Stelltrieb und ein Stellglied, wobei der Stellantrieb elektromotorischer, elektromagnetischer, mechanischer oder anderer Art sein kann.
Die Steuereinrichtung 5 ist mit den Stellgliedern der Drosselklappe 10, Einspritzventil 3 und Zündkerze 23 steuertechnisch verbunden.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der jeweils ein bankindividueller Ansaugtrakt 1-B1 und 1-B2 vorgesehen ist. Ebenso ist für jede Bank B- 1 bzw. B-2 eine bankindividuelle Rechnereinheit R5-1, R5- 2 vorgesehen. Die jeweiligen Rechnereinheiten R5-1 und R 5-2 sind mit der Steuereinrichtung 5 verbunden, welche die jeweiligen Stellglieder für die betreffenden Funktionsstellen beaufschlagt. An den Rechnereinheiten R5-1 und R5-2 sind schematisch Signaleingänge dargestellt, die nachfolgend in Verbindung mit Fig. 4 näher erläutert werden.
Die übrigen Bauelemente entsprechen denjenigen, die in Zusammenhang mit der schematischen Darstellung einer Brennkraftmaschine in Fig. 1 beschrieben worden sind.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur bankselektiven Ermittlung der Füllung bei Brennkraftmaschinen mit variabler Nockenwellenverstellung im transienten Betriebszustand im schrittweisen Ablauf dargestellt ist. Im Modul "variable Ventilsteuerung" werden für die Ventile 43, 44 die bankindividuellen Ventilüberschneidungen VO_1 bzw. VO_2 ermittelt. Diese Werte werden der Rechnereinheit zugeführt und bankindividuell das Motorfüllungsmodell für jede Bank einzeln berechnet. Die sich daraus ergebenden optimalen Einspritzmenge sowie der Zündweg werden für jede Zylinderbank getrennt berechnet und die entsprechenden Funktionsstellen beaufschlagt. Ebenso ist es möglich, bei einer variablen Ventilhub-Einrichtung diesen Ventilhub V_L jeweils in die Berechnung einfließen zu lassen.
Diese Berechnung kann in einer gemeinsamen Rechnereinheit durchgeführt werden, so dass die Berechnung nacheinander abläuft. Es ist jedoch von Vorteil, wenn für jede Bank eine eigene Rechnereinheit vorgesehen ist, die das für alle Bänke identische Motorfüllungsmodell errechnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass insbesondere bei W- oder Sternmotoren die Zeit zwischen Erfassen der Messgrößen und Beaufschlagen der Stellglieder zu groß wird.
In Fig. 4 ist ein Blockdiagramm mit den wesentlichen Motorparametern dargestellt, die Eingang in die Berechnung des jeweiligen Motorfüllungsmodells findet. Folgende Größen finden eingang in die Rechnung des Motorfüllungsmodells:
TPS (Throttle Position) Drosselklappenstellung
MAP (Manifold Air Pressure) Saugrohrdruck
TIA (Temperature Intake Air) Ansauglufttemperatur
PRS_EX (Pressure Exhaust) Abgasdruck
N_32 (Engine Speed) Drehzahl
MAF_MES (Manifold Air Flow measured) Gemessene Luftströmung im Saugrohr
TIA_CYL (Temperature Intake Air Cylinder) Ansauglufttemperatur am/im Zylinder
INSY (Intake System)(Intake Manifold Model) Ansaugsystem (Saugrohrmodell)
CAM_1 (Camshaft Position (Bank1) Nockenwellenposition
CAM_2 (Camshaft Position (Bank2)) Nockenwellenposition
VV_L (Variable Valve Lift) variabler Ventilhub
Dabei werden die jeweiligen Ventilüberschneidungen VO_1 und VO_2 über die Nockenwellenpositionen in den einzelnen Zylinderbänke bankselektiv dem jeweiligen Rechner für die individuelle Modellberechnung, wie auch der variable Ventilhub VV_L_1 und VV_L_2, isoliert zugeführt. Dies wird durch die beiden Pfeile CAM 1 und CAM 2 dargestellt, die jeweils auf die Blöcke INSY_1 bzw. INSY_2 weisen. Die Pfeilverbindung in der Rechnereinheit zwischen INSY_1 und INSY_2 stellt dar, dass die jeweils verwendete und auch die errechnete Größen und Werte verglichen werden, um dann bei Erreichen des Normalbetriebs, bei dem die ermittelte und abgegriffenen Parameter hinsichtlich ihres Unterschieds geringer sind als ein vorbestimmter Schwellwert, von einer gemeinsamen Berechnung erstellt werden.
Auf diese Weise können im Normalbetrieb Rechnerabweichungen vermieden werden, so dass im Gleichgewichtszustand eine Gemischbildung stattfindet, die für alle Bänke identisch ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, bei Zylinderbänken mit einer Vielzahl von Zylindern diese in Berechnungsblöcke aus jeweils zwei oder drei Zylindern aufzuteilen und diese blockweise zu berechnen. Auf diese Weise kann eine einfache Fehlerlokalisierung erfolgen, wenn angezeigt wird, dass eine gemeinsame Berechnung für alle Blöcke nach Erreichen des Normzustand nicht erfolgt.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Verbrennung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken mit einem Ansaugsystem, das ein Saugrohr mit verstellbarer Drosseleinrichtung und mindestens einem den Drosselgrad der Drosseleinrichtung erfassenden Sensor aufweist, mindestens einem Ein- und einem Auslassventil pro Zylinder, mindestens einer verstellbaren Nockenwelle pro Zylinderbank zum Steuern der Ein- und Auslassventile, mindestens einer Einrichtung zum Zuführen von Kraftstoff pro Zylinder, mindestens einer Zündanlage pro Zylinder und mindestens einer elektronischen Steuereinrichtung mit mindestens einem Rechner zum Berechnen variabler Daten, wie z. B. zugeführte Kraftstoffmenge, Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer, Zündparameter abhängig von Sensor erfassten Motorparametern, wobei das Prinzip der modellgestützten prädikativen Regelung angewendet wird, und wobei von dem mindestens einen Rechner das Motorfüllungsmodell an den jeweiligen Funktionsstellen bankselektiv gerechnet wird und die Steuerung der Einspritzung und der Zündung bankindividuell unter Verwendung der bankselektiv errechneten Motorparameter erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung für alle Zylinderbänke gleichzeitig stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung für alle Zylinderbänke nacheinander stattfindet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorbestimmte bankindividuelle Parameter der Bank (Bn) mit den spezifischen Parametern der anderen Bänke jeweils miteinander verglichen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bankindividuelle Berechnung nach Erreichen eines normalen Betriebszustands durch eine gemeinsame Berechnung ersetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umstellung von der bankspezifischen auf die bankgemeinsame Berechnung dann erfolgt, wenn die Differenz der Werte bestimmter bankindividueller Bankparameter einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreiten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umstellung von der bankspezifischen auf die bankgemeinsame Berechnung dann erfolgt, wenn Gleichheit bei vorbestimmten Stellgrößen der mindestens zwei Bänke vorliegt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein solcher Schwellenwertparameter die Luftzahl (LAM) ist.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Zylinderbank das identische motorspezifische Füllungsmodell gerechnet wird.

10. Einrichtung zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylinderbänken, mindestens einer Steuereinheit und mit einer Anzahl von Rechnereinheiten, die gleich der Zahl der Zylinderbänke ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Rechnereinheit dasselbe Motorfüllungsmodell gerechnet wurde.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rechner Vergleichsrechnungen durchführen, bei denen die Funktionsstellenwerte der jeweils anderen Zylinderbänke verglichen werden.