EP0170891B1 - Verfahren zur zylindergruppenspezifischen Regelung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur zylindergruppenspezifischen Regelung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0170891B1
EP0170891B1 EP85108335A EP85108335A EP0170891B1 EP 0170891 B1 EP0170891 B1 EP 0170891B1 EP 85108335 A EP85108335 A EP 85108335A EP 85108335 A EP85108335 A EP 85108335A EP 0170891 B1 EP0170891 B1 EP 0170891B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinders
internal combustion
combustion engine
groups
injection
Prior art date
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Expired
Application number
EP85108335A
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English (en)
French (fr)
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EP0170891A3 (en
EP0170891A2 (de
Inventor
Ferdinand Dipl.-Ing. Grob
Josef Dipl.-Ing. Wahl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OFFERTA DI LICENZA AL PUBBLICO;AL PUBBLICO
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0170891A2 publication Critical patent/EP0170891A2/de
Publication of EP0170891A3 publication Critical patent/EP0170891A3/de
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Publication of EP0170891B1 publication Critical patent/EP0170891B1/de
Expired legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually
    • F02D41/0082—Controlling each cylinder individually per groups or banks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1408—Dithering techniques

Definitions

  • the invention is based on a method and a device for controlling a multi-cylinder internal combustion engine and a device for carrying out the method according to the preamble of the main claim and the secondary claim.
  • a device has already been described in DE-A-2941 977 and in parallel application US-A-43 42 097.
  • a test signal generator for varying the metered fuel quantity and a sensor for detecting the size to be optimized are used and, based on a torque signal, the maximum power or the minimum specific fuel consumption is determined depending on the load area of the internal combustion engine.
  • the main advantage of the invention is a reduced fuel consumption of the internal combustion engine while maintaining good exhaust gas values despite larger permissible tolerances in the injection valves and in the filling of the individual cylinders. Furthermore, it proves to be advantageous that, according to the invention, that lambda is set for each cylinder at which the cylinder in question operates at its optimum efficiency. For a given engine design and for given operating conditions, the engine can thus be operated in the range of the theoretically minimal fuel consumption.
  • FIG. 1 and 2 show diagrams of an arbitrarily assumed torque curve of the cylinders of an internal combustion engine to explain the method according to the invention
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device for carrying out the method
  • FIG. 4 shows a flow diagram to explain the mode of operation of the embodiment of FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a time diagram
  • FIG. 6 shows a time diagram to explain the application of the method to a multi-cylinder internal combustion engine with only a single injection valve.
  • the total torque as the sum of the individual torques is not plotted in all the other figures, but rather the total torque divided by the number of cylinders.
  • the injection time is included in these curves as a parameter.
  • the cylinder-specific injection quantities are varied in opposite directions until the torque variations assume a minimum due to the wobbling of the injection times.
  • the essential boundary condition of this method is to keep the sum of the individual injection times constant so that the operating point of the internal combustion engine as well as the average exhaust gas composition are preserved.
  • the results of such a cylinder-specific optimization process are plotted in FIG. 1b.
  • FIG. 2a the single-cylinder torque curves and the cylinder-related total torque curve are plotted analogously to FIG. 1a. It was assumed that cylinders 1, 2 and 3 have the same filling and, accordingly, the same torque curves M 123 . By contrast, cylinder 4 works with a low degree of filling; so that the maximum torque is only reached with larger throttle valve positions a or air volumes.
  • the arbitrarily assumed single-cylinder torque curves should satisfy the following equations:
  • the optimization process now proceeds in such a way that the injection times or quantities (T, + T 2 ) for cylinders 1 and 2 are wobbled in opposite directions to the injection times (T 3 + T 4 ) for cylinders 3 and 4.
  • the boundary condition that the sum of all four injection times should remain unchanged must also be observed here.
  • the wobbling of the injection quantity in connection with a phase analysis of the output signal for the torque or the speed of the internal combustion engine serves to determine the direction of the required adjustment of the mean values of (T, + T 2 ) and (T 3 + T 4 ) such that there is a maximum torque, ie the torque modulation goes to zero.
  • the determined ratio values of the injection quantities T 1 , T 2 and T 3 , T 4 are first stored.
  • the process described is now repeated in the same way for two further cylinder groups or cylinders.
  • the absolute torque maximum or the absolute minimum specific fuel consumption is set for the relevant operating point of the internal combustion engine after a few steps.
  • the result can, for example, be recorded in a learning map. It is therefore necessary to change the cylinder groups or individual cylinders since only the ratio of two fuel injection quantities can be determined by each individual optimization process.
  • four unknowns, namely four injection times have to be determined. It is therefore necessary to repeat the optimization process three times, so that three different injection time ratios are obtained for different cylinders or groups of cylinders.
  • the fourth condition is that the sum of all injection times must have a constant value.
  • Such iterative methods for solving coupled systems of equations are well known per se, so that the person skilled in the art can also easily carry out the method according to the invention iteratively.
  • T constant implicitly included.
  • FIG. 3 shows the circuit structure of a device for carrying out the described optimization process.
  • a microcomputer 50 the components CPU 51, RAM 52, ROM 53, timer 54, first input / output unit 55 and second input / output unit 56 are connected to one another via an address and a data bus 57.
  • An oscillator 58 is used to time the program sequence in the microcomputer 50, which is connected on the one hand directly to the CPU 51 and on the other hand via a divider 59 to the timer 54.
  • the signals of an exhaust gas probe 63, a speed sensor 64 and a reference mark sensor 65 are fed to the first input / output unit 55 via conditioning circuits 60, 61 and 62, for example.
  • the battery voltage 66, the throttle valve position 67, the cooling water temperature 68 and the output signal of the torque transmitter 69 are provided as further input variables. If the torque of the internal combustion engine is obtained directly from the speed, the speed sensor 64 could also be used to detect the torque.
  • the input variables are connected to a series circuit comprising a multiplexer 74 and an analog-to-digital converter 75 via associated conditioning circuits 70, 71, 72 and 73.
  • the function of the multiplexer 74 and the analog-digital converter 75 can be implemented, for example, by the 0809 module from National Semiconductors.
  • the multiplexer 74 is controlled via a line 76 starting from the first input / output unit 55.
  • the second input / output unit 56 controls injection valves 78 of the internal combustion engine via power output stages 77.
  • the fuel is an injection system with one injection valve per cylinder or an injection system with a single injection valve arranged in the air intake duct of the internal combustion engine.
  • the cylinder-specific optimization of the fuel metering or the efficiency takes place by means of the subroutine T m .
  • the injection times T , 10 , T , 30, for example of cylinders 1 and 3 of the internal combustion engine are swept in opposite directions by the amount AT.
  • the individual cylinder injection times are changed in accordance with the result of the comparison under the boundary condition of a constant total injection time.
  • the cylinder-specific injection times are modified accordingly after a new phase comparison.
  • the sum of the injection times here for example T ,, and T, 3 takes on a constant value.
  • the wobble signals are plotted using the example of an optimization process for the injection times T-, T, 3 and the associated torque or speed signals.
  • the injection time T increased by the amount ⁇ T and the injection time T, 3 decreased by the amount AT.
  • the reaction of the internal combustion engine to these modified injection times can manifest itself in an increase or decrease in torque.
  • the injection time T. (T 3 ) is increased (decreased) or decreased (increased) under the boundary condition a constant total injection time (T ,. + T 3 ).
  • the optimization process continues in this manner. that the injection time T ..
  • phase of the torque change of the internal combustion engine also changes accordingly.
  • digital filters as described in the German application P 3 403 304.7, can advantageously be used.
  • the first injection pulse is sprayed off at a time selected in such a way that after the running time (injection valve - intake valve) it reaches the intake valve of the 4th cylinder exactly at the time of opening. Accordingly, the 2nd injection pulse appears in the second cylinder.
  • the injection quantity assigned to the individual cylinder can now be varied. Again, the injection pulses belonging to two cylinders or cylinder groups are swept in opposite directions and varied in opposite directions on average so that, as already described, a maximum torque results.
  • the lambda in which the cylinder in question can be set can now be set for each cylinder in his we efficiency degree works. Since, without optimization, the tolerances A Lambda in the lambda value from cylinder to cylinder can easily be A Lambda - 0.1, a significantly smaller fluctuation range can be expected after optimization. A smaller fluctuation range of the lambda value from cylinder to cylinder would also bring advantages in the dimensioning of the catalytic converter, since today's catalytic converters are constructed quite voluminously because of this fluctuation range in order to average over several combustion cycles of the internal combustion engine.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Regelung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des Nebenanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist bereits in der DE-A-2941 977 bzw. der Parallelanmeldung US-A-43 42 097 beschrieben. Zur Optimierung des abgegebenen Moments einer Brennkraftmaschine bzw. des spezifischen Kraftstoffverbrauchs wird ein Testsignalgenerator zur Variation der zugemessenen Kraftstoffmenge und ein Sensor zur Erfassung der zu optimierenden Größe verwendet und ausgehend von einem Momentensignal das Leistungsmaximum bzw. der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch je nach Lastgebiet der Brennkraftmaschine bestimmt. Aus US-A-43 66 793 ist weiter eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, bei der jedoch zunächst eine Fehlzündung in einem Zylinder abgewartet wird, bevor die Kraftstoffzufuhr zu diesem Zylinder erhöht und die Kraftstoffzufuhr zu den regulär arbeitenden Zylindern erniedrigt wird.
  • Obwohl sich derartige Einrichtungen im praktischen Betrieb recht gut bewährt haben, sind noch Weiterentwicklungen und Verbesserungen möglich, die insbesondere im Hinblick auf die verschärfte Abgasgesetzgebung und auf die Bestrebungen, den Benzinverbrauch der Brennkraftmaschinen zu senken, zum Tragen kommen.
  • So haben beispielsweise Untersuchungen gezeigt, daß die einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine im Normalfall mit unterschiedlichem Luft-Kraftstoffverhältnis betrieben werden. Ursachen hierfür sind u. a. in einer unterschiedlichen Saugrohrführung sowie in nicht völlig identischen Einspritzventilen zu suchen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, jedem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine genau die Steuergrößen zuzumessen, die er benötigt, um für den betreffenden Arbeitspunkt im Wirkungsgradoptimum zu arbeiten. Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrens- bzw. Vorrichtungsanspruchs.
    • Vorteile der Erfindung
  • Als wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich ein verringerter Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine unter Beibehaltung guter Abgaswerte trotz größerer zulässiger Toleranzen bei den Einspritzventilen sowie bei der Füllung der einzelnen Zylinder. Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß sich gemäß der Erfindung für jeden Zylinder dasjenige Lambda einstellt, bei dem der betreffende Zylinder in seinem Wirkungsgradoptimum arbeitet. Für eine gegebene Motorkonstruktion und für gegebene Betriebsbedingungen kann der Motor damit im Bereich des theoretisch minimalen Kraftstoffverbrauchs betrieben werden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Ansprüchen, aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben und näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 und Figur 2 Diagramme eines willkürlich angenommenen Drehmomentverlaufs der Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Figur4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels der Figur 3. Figur 5 ein Zeitdiagramm einiger wesentlichen Signalgrößen und Figur 6 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Anwendung des Verfahrens auf eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit nur einem einzigen Einspritzventil.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Auf die Einrichtungen zum Optimieren von Betriebskenngrössen einer Brennkraftmaschine, die nicht zylinderspezifisch wirken, soll im weiteren nicht eingegangen werden, da deren Funktionsweise beispielsweise in der DE-OS 28 47 021 (UK-Patentanmeldung 20 34 930A), dem SAE-Paper 72 02 54 oder auch der US-PS 4064846 ausreichend erläutert ist. Im allgemeinen liegt diesen Methoden eine Extremwertregelung zugrunde, bei der eine Eingangsgröße der Brennkraftmaschine beispielsweise periodisch variiert wird. Die Reaktion der Brennkraftmaschine auf diese periodische Variation wird über eine Ausgangsgröße der Brennkraftmaschine, beispielsweise das Drehmoment überwacht. Entsprechend diesem Überwachungsergebnis wird eine Eingangsgröße der Brennkraftmaschine so lange verstellt, bis die Variation der Ausgangsgröße auf ein Minimum gesunken ist. Bei allen bekannten Verfahren bleibt jedoch unberücksichtigt, daß in der Regel jedem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine ein anderes Betriebsgemisch zur Verfügung gestellt wird. Die Variationen des Betriebsgemisches für die einzelnen Zylinder sind beispielsweise auf unterschiedliche Füllungen oder unterschiedliche Einspritzmengen zurückzuführen.
  • Am Beispiel einer 2-Zylinderbrennkraftmaschine soll der Kern der Erfindung näher erläutert werden. In Figur 1a ist zu diesem Zweck der für die beiden Zylinder unterschiedlich angenommene Drehmomentverlauf M1 und M2 der Einzelzylinder in Abhängigkeit von der Drosselklappenstellung α und damit in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge aufgetragen. Um die numerische Behandlung des Problems zu vereinfachen, wurde willkürlich ein parabelförmiger Verlauf des Drehmoments gemäß
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    mit
    • a gleich Drosselklappenstellung bzw. angesaugte Luftmenge und
    • T,, T2 gleich Einzelzylindereinspritzzeiten angesetzt.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in allen weiteren Abbildungen auch nicht das Gesamtsummendrehmoment als Summe der Einzeldrehmomente sondern das durch die Zylinderanzahl dividierte Summendrehmoment aufgetragen. Die Einspritzzeit geht in diese Kurven als Parameter ein. Durch die spezielle Wahl des Verlaufs der Einzelzylinder-Drehmomente wird simuliert, daß Zylinder 1 eine größere Füllung als Zylinder 2 aufweist. Dies geht daraus hervor, daß für gleiche Einspritzzeiten T1 = T2 = 7 [w. E.] der Drehmomentverlauf des ersten Zylinders schon bei einer Drosselklappenstellung α = 4 [w. E.] gegenüber a = 6 [w. E.] beim zweiten Zylinder sein Drehmomentmaximum erreicht. Aufgrund dieser unterschiedlichen Füllung der Einzelzylinder kann das auf die Zylinderzahl bezogene Summendrehmoment (1/2 ΣM) bei einer Drosselklappenstellung a = 5 [w. E.] nicht die Werte der Einzelzylindermomente erreichen. Um den Einzelzylinderdrehmomentverlauf bzw. den zylinderspezifischen Wirkungsgrad zu optimieren, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei konstanter Ansaugluftmenge die Einspritzmenge für die beiden Zylinder der Brennkraftmaschine in der Weise gegenläufig zu wobbeln, daß die Summeneinspritzzeit bzw. -menge aller Zylinder konstant gehalten wird. Ein Vergleich der Phasenlage des Wobbelsignals für die Einspritzzeiten mit dem Signal eines Gebers für das Drehmoment der Brennkraftmaschine liefert die zylinderspezifischn Einspritzzeiten zur Erzielung des maximalen Drehmoments der Brennkraftmaschine. Aufgrund der Ergebnisse des Phasenvergleiches werden die zylinderspezifischen Einspritzmengen gegenläufig so lange variiert, bis die Drehmomentvariationen aufgrund des Wobbelns der Einspritzzeiten ein Minimum annehmen. Die wesentliche Randbedingung dieses Verfahrens besteht darin, die Summe der einzelnen Einspritzzeiten konstant zu halten, damit der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ebenso wie die mittlere Abgaszusammensetzung erhalten bleiben. In Figur 1 b sind die Resultate eines solchen zylinderspezifischen Optimierungsvorganges aufgetragen. Dem Zylinder 1, der bei gleicher Drosselklappenstellung α einen höheren Füllungsgrad aufweist als Zylinder 2, wird nach dem Optimierungsverfahren eine höhere Kraftstoffmenge entsprechend einer Einspritzzeit T, = 8 [w. E.] zugeführt, während der Zylinder 2 mit Einspritzzeiten T2 = 6 [w. E.] bedient wird. Die Summe der Einspritzzeiten und damit die zugeführte Kraftstoffmenge blieb also unverändert, während das zylinderbezogene Gesamtdrehmoment (1/2 ΣM) um 25 % von 4 [w. E.] auf 5 [w. E.] angestiegen ist. Dies ist gleichbedeutend damit, daß der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine um 25 % erhöht würde. In Figur 1 ist zur Veranschaulichung der Zusammenhänge der Verlauf des zylindergewichteten Summenmoments als Funktion der Einspritzzeit T, aufgetragen. Als Parameter dient die Drosseklappenstellung α, wobei α im vorliegenden Fall 5 [w. E.] annimmt. Die Einspritzzeit T2 ist über die Bedingung, daß die Summe der Einspritzzeit T, und T2 eine Konstante (hier Konstante = 14) bilden soll, implizit in der Summendrehmomentfunktion enthalten. Aus dieser Figur 1c ist zu entnehmen, daß die zweizylindrige Brennkraftmaschine dann ein optimales Drehmoment abgibt und somit im Wirkungsgradmaximum betrieben wird, wenn die Einspritzzeit T, den Wert 8 [w. E.] bei einer Gesamteinspritzzeit T. und T2 von 14 [w. E.] bei einer Drosselklappenstellung α = 5 [w. E.] annimmt. Dieser Vorgang wird nun für jede Drosselklappenstellung wiederholt.
  • Anhand der Figur 2 soll das Verfahren für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine erläutert werden. In Figur 2a sind analog zu der Figur 1a die Einzelzylinder-Drehmomentkurven sowie der zylinderbezogene Gesamtdrehmomentverlauf aufgetragen. Dabei wurde vorausgesetzt, daß die Zylinder 1, 2 und 3 die gleiche Füllung und dementsprechend auch die gleichen Drehmomentverläufe M123 aufweisen. Zylinder4 arbeitet dagegen mit einem geringen Füllgrad; so daß das Drehmomentmaximum erst bei größeren Drosselklappenstellungen a bzw. Luftmengen erreicht wird. Die willkürlich angenommenen Einzelzylinderdrehmomentverläufe sollen folgenden Gleichungen genügen :
  • Figure imgb0003
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Anm. : w. E. = willkürliche Einheiten
  • Der Optimierungsvorgang läuft nun in der Weise ab, daß zunächst die Einspritzzeiten bzw. -mengen (T, + T2) für Zylinder 1 und 2 geganläufig zu den Einspritzzeiten (T3 + T4) für Zylinder 3 und 4 gewobbelt werden. Auch hier ist die Randbedingung, daß die Summe aller vier Einspritzzeiten unverändert bleiben soll, einzuhalten. Das Wobbeln der Einspritzmenge in Verbindung mit einer Phasenbetrachtung des Ausgangssignals für das Drehmoment bzw. die Drehzahl der Brennkraftmaschine dient dazu, die Richtung der erforderlichen Verstellung der Mittelwerte von (T, + T2) sowie (T3 + T4) so festzulegen, daß sich ein maximales Drehmoment ergibt, d. h. daß die Drehmomentmodulation gegen Null geht. Die ermittelten Verhältniswerte der Einspritzmengen T,, T2 und T3, T4 werden zunächst abgespeichert. Der beschriebene Vorgang wird nun in gleicher Weise für zwei weitere Zylindergruppen oder Zylinder wiederholt. Durch wechselweises Kombinieren der Zylinder bzw. Zylindergruppen und Wiederholung des Optimierungsvorganges wird für den betreffenden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine nach einigen Schritten das absolute Drehmomentmaximum bzw. der absolute minimale spezifische Kraftstoffverbrauch eingestellt. Das Ergebnis kann beispielsweise in einem lernenden Kennfeld festgehalten werden. Ein Wechsel der Zylindergruppen bzw. Einzelzylinder ist deshalb erforderlich, da durch jeden einzelnen Optimierungsvorgang nur das Verhältnis zweier Kraftstoffeinspritzmengen festgelegt werden kann. Im Falle einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine sind vier Unbekannte, nämlich vier Einspritzzeiten zu ermitteln. Es ist daher erforderlich, den Optimierungsvorgang dreimal zu wiederholen, so daß drei verschiedene Einspritzzeitenverhältnisse für verschiedene Zylinder bzw. Zylindergruppen gewonnen werden. Als vierte Bedingung wird herangezogen, daß die Summe aller Einspritzzeiten einen konstanten Wert annehmen muß. Zur Bestimmung der vier Unbekannten, den vier Einspritzzeiten für jeden Einzelzylinder, stehen somit vier Gleichungen (drei Einspritzzeitenverhältnisse, Summe T = konstant) zur Verfügung, so daß die Berechnung der Einzelzylindereinspritzzeiten problemlos erfolgen kann. Sollte sich im jeweiligen Spezialfall herausstellen, daß eine Kopplung zwischen den Variablen vorliegt, es sich also nicht um vier voneinander unabhängige Variable handelt, so ist eine alternative Ermittlung der zylinderspezifischen Einspritzzeiten angebracht. Ein mehrmaliges Wiederholen des beschriebenen Optimierungsvorganges liefert dann nach einigen Durchgängen das gleiche Ergebnis. Derartige iterative Methoden zur Lösung von gekoppelten Gleichungssystemen sind an sich wohl bekannt, so daß der betreffende Fachmann das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres auch iterativ durchführen kann.
  • In Figur 2b ist das Ergebnis des Optimierungsvorgangs dargestellt, nämlich Einspritzzeiten T, = T2 = T3 = 7,5 [w. E.] und T4 = 5,5 [w. E.] für eine Drosselklappenstellung a = 4,5 [w. E.] Auch in diesem Beispiel ergibt sich eine ca. 20 %ige Erhöhung des mittleren Gesamtdrehmoments pro Zylinder. In Figur 2c ist analog zur Figur 1c die Abhängigkeit des mittleren Gesamtdrehmoments pro Zylinder von der Einspritzzeit T, für eine bestimmte Drosselklappenstellung a = 4,5 [w. E.] aufgetragen. Die Einspritzzeiten Tz, T3 und T4 sind über die Bedingungen T, = T2 = T3 und
  • Figure imgb0006
  • T = konstant implizit enthalten. Der Extremwert dieser Kurve liegt bei einer Einspritzzeit T. = 7,5 [w. E.], so daß die optimalen Einspritzzeitwerte der Figur 2b, wie nicht anders zu erwarten, bestätigt werden.
  • Für eine Brennkraftmaschine mit einer hier nicht betrachteten Zylinderzahl sind die einzelnen Verfahrensschritte analog anzuwenden, wobei sich einzig und allein die Anzahl der Schritte und der Wechsel von gegenläufig gewobbelten Zylindern bzw. Zylindergruppen ändert.
  • Figur 3 zeigt den Schaltungsaufbau einer Einrichtung zur Durchführung des geschilderten Optimierungsverfahrens. In einem Mikrocomputer 50 sind die Komponenten CPU 51, RAM 52, ROM 53, Timer 54, erste Ein/Ausgabe-Einheit 55 und zweite Ein/Ausgabe-Einheit 56 über ein Adress- und einen Datenbus 57 miteinander verbunden. Zur Zeitsteuerung des Programmablaufes im Mikrocomputer 50 dient ein Oszillator 58, der einerseits direkt an die CPU 51 und andererseits über einen Teiler 59 an den Timer 54 angeschlossen ist. Der ersten Ein/Ausgabe-Einheit 55 werden über Aufbereitungsschaltungen 60, 61 und 62 beispielsweise die Signale einer Abgassonde 63, eines Drehzahlgebers 64 sowie eines Bezugsmarkengebers 65 zugeführt. Als weitere Eingangsgrößen sind die Batteriespannung 66, die Drosselklappenstellung 67, die Kühlwassertemperatur 68 sowie das Ausgangssignal des Drehmomentgebers 69 vorgesehen. Falls das Drehmoment der Brennkraftmaschine direkt aus der Drehzahl gewonnen wird, könnte auch der Drehzahlgeber 64 zur Erfassung des Drehmomentes eingesetzt werden.
  • Diese Eingangsgrößen sind über zugeordnete Aufbereitungsschaltungen 70, 71, 72 und 73 mit einer Serienschaltung aus einem Multiplexer 74 und einem Analog-Digital-Wandler 75 verbunden. Die Funktion des Multiplexers 74 und des Analog-Digital-Wandlers 75 kann beispielsweise durch den Baustein 0809 von National Semiconductors realisiert werden. Die Steuerung des Multiplexers 74 erfolgt über eine Leitung 76 ausgehend von der ersten Ein/Ausgabe-Einheit 55. Die zweite Ein/Ausgabe-Einheit 56 steuert über Leistungsendstufen 77 Einspritzventile 78 der Brennkraftmaschine an. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es unerheblich, ob der Kraftstoff über eine Einspritzanlage mit einem Einspritzventil pro Zylinder oder um eine Einspritzanlage mit einem einzigen im Luftansaugkanal der Brennkraftmaschine angeordneten Einspritzventil handelt.
  • Die Funktionsweise der beschriebenen Einrichtung hängt natürlich ganz erheblich von der Programmierung des Microcomputers ab. In der deutschen Patentanmeldung P 34 03 394.7 ist schon recht ausführlich der Programmablauf für die Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine mit Vorsteuerung, Extremwertregelung und Kennfeldlernverfahren beschrieben. Deshalb sollen im weiteren anhand der Figur4 nur diegenigen Verfahrensschritte blockschaltmäßig erläutert werden, die typisch für eine zylinderspezifische Optimierung sind. Nach dem Einschalten der Zündung werden im Hauptprogramm die betriebsparameterabhängigen Einspritzmengen bzw. -zeiten berechnet bzw. aus einem Kennfeld ausgelesen, wobei zunächst gleiche Einspritzzeiten Tm0 für jeden Zylinder n der Brennkraftmaschine vorausgesetzt werden. Weiterhin werden im Hauptprogramm Zündzeitpunkte und andere Größen berechnet. Die zylinderspezifische Optimierung der Kraftstoffzumessung bzw. des Wirkungsgrades geschieht mittels des Unterprogramms Tm. Zunächst werden die Einspritzzeiten T,10, T,30 beispielsweise der Zylinder 1 und 3 der Brennkraftmaschine gegenläufig um den Betrag AT gewobbelt. Nach einem Phasenvergleich zwischen Drehmomentänderung bzw. Drehzahländerung und Wobbelsignal beispielsweise des Zylinders 1 werden die Einzelzylindereinspritzzeiten entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs unter der Randbedingung einer konstanten Summeneinspritzzeit verändert. Anschließend erfolgt die Abfrage ob die durch das Wobbeln der Einspritzzeit hervorgerufene Drehmoment- bzw. Drehzahländerung näherungsweise den Wert Null annimmt bzw. einen bestimmten unteren Schwellwert unterschritten hat. Ist dies der Fall, so wird das Verhältnis der Einspritzzeiten für den ersten und dritten Zylinder gespeichert. Liegt die Drehmomentänderung noch über einem vorgegebenen Schwellwert, so werden die zylinderspezifischen Einspritzzeiten nach einem erneuten Phasenvergleich entsprechend modifiziert. Als Randbedingung bei der Variation der zylinderspezifischen Einspritzzeiten ist immer zu berücksichtigen, daß die Summe der Einspritzzeiten, hier beispielsweise T,, und T,3 einen konstanten Wert annimmt.
  • Im nächsten Schritt werden beispielsweise die Einspritzzeiten der Zylinder 2 und 4 gemäß dem Unterprogramm Tm optimiert und die einspritzzeiten als Verhältnis in einem Speicher abgelegt. Nach einer weiteren Optimierung einer dritten Kombination von Einzelzylindern bzw. Einzelzylindergruppen im vorliegenden Ausführungsbeispiel entweder Zylinder 1 und 4 oder 2 und 3 liegen ausreichende Informationen vor, um die zylinderspezifischen Einspritzzeiten zu berechnen. Durch die gepunktete mit « Iterationsschritte gekennzeichnete Verbindungslinie soll angedeutet werden, daß die Optimierung häufiger als hier angedeutet zur iterativen Annäherung der zylinderspezifischen Einspritzzeiten durchgeführt werden kann. Im Idealfall sind für eine n-zylindrige Brennkraftmaschine (n-1)-Optimierungsvorgän- ge für verschiedene Zylinder bzw. Zylindergruppen erforderlich. Dies geht anhand eines kurzen Beispiels für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine aus der folgenden Aufstellung hervor :
    • 1. Optimierung : Ti1/Ti3 = Konstante 1
    • 2. Optimierung : T,2/T,4 = Konstante 2
    • 3. Optimierung : Ti1/Ti4 = Konstante 3
    • (die 3. Optimierung könnte auch mit den Einspritzzeiten Ti2, T,3 alternativ durchgeführt werden).
      Figure imgb0007
  • Somit stehen also für die vier unbekannten Einzelzylindereinspritzzeiten aufgrund von drei Optimierungsvorgängen und der Summenbedingung vier unabhängige Gleichungen zur Verfügung, die sich ohne weiteres lösen lassen.
  • Um zu gewährleisten, daß während des Optimierungsvorganges die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine annähernd konstante Werte aufweisen, sind entsprechende, an sich bekannte Abfrageeinrichtungen vorgesehen, die bei zu großen Änderungen den Optimierungsvorgang unterbrechen bzw. neu starten.
  • In Figur 5 sind die Wobbelsignale am Beispiel eines Optimierungsvorganges der Einspritzzeiten T-, T,3 und die zugehörigen Drehmoment- bzw. Drehzahlsignale aufgetragen. Für eine vorgegebenene, beispielsweise betriebsparameterabhängige Zeitdauer τ wird die Einspritzzeit T,. um den Betrag ΔT erhöht und die Einspritzzeit T,3 um den Betrag AT erniedrigt. Die Reaktion der Brennkraftmaschine auf diese modifizierten Einspritzzeiten kann sich in einer Drehmomenterhöhung oder Drehmomentabsenkung äußern. Je nach dem, ob die Erhöhung der Einspritzzeit des Zylinders 1 zu einer Drehmomenterhöhung (in Phase) oder einer Drehmomentabsenkung (gegen Phase) führt, wird die Einspritzzeit T. (T3) erhöht (erniedrigt) bzw. erniedrigt (erhöht) unter der Randbedingung einer konstanten Summeneinspritzzeit (T,. + T3). Nach Ablauf der ersten Zeitdauer T läuft der Optimierungsvorgang in der Weise weiter. daß die Einspritzzeit T.. um den Betrag AT verringert und die Einspritzzeit T3 um ΔT vergrößert wird. Entsprechend ändert sich auch die Phase der Drehmomentänderung der Brennkraftmaschine. Zur Auswertung der Phasenlage zwischen dem Wobbelsignal der Einspritzzeit und der daraus resultierenden Drehmoment- bzw. Drehzahländerung lassen sich in vorteilhafter Weise digitale Filter, wie in der deutschen Anmeldung P 3 403 304.7 geschildert, einsetzen.
  • Während die bisher erläuterten Anwendungen immer eine Brennkraftmaschine mit Einzelzylindereinspritzung betrafen, soll anhand der Figur 6 kurz die Anwendung der Erfindung auf eine Brennkraftmaschine mit einem einzigen zentralen Einspritzventil erläutert werden. In dem Diagramm der Figur 6 sind die Zündzeitpunkte, die Öffnungszeiten der Einlaßventile und die Einspritzimpulse für das zentrale Einspritzventil über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen. Dabei wurde eine Zündfolge 1-3-4-2 für die Zylinder 1 bis 4 angenommen. Der Einspritzvorgang muß nun so synchronisiert werden.' daß jedem Zylinder ein Einspritzimpuls zugeordnet werden kann bzw. daß die pro Einspritzimpuls zugeführte Kraftstoffmenge zum größten Teil zu einem einzigen Zylinder gelangt.
  • Im Beispiel wird der erste Einspritzimpuls zu einem derart gewählten Zeitpunkt abgespritzt, daß er nach Ablauf der Laufzeit (Einspritzventil - Einlaßventil) genau zum Öffnungszeitpunkt des Einlaßventiles des 4. Zylinders bei diesem ankommt. Entsprechend erscheint der 2. Einspritzimpuls beim zweiten Zylinder. In der Praxis kann es sich durchaus als notwendig erweisen, den Beginn der Einspritzzeitdauer betriebsparameterabhängig zu verschieben, um die Laufzeiten vom Einspritzventil zum Einlaßventil zu berücksichtigen. Bei gegebener Gesamteinspritzmenge pro zwei Umdrehungen kann nun die dem einzelnen Zylinder zugeordnete Einspritzmenge variiert werden. Wiederum werden die zu zwei Zylindern oder Zylindergruppen gehörigen Einspritzimpulse gegenläufig gewobbelt und im Mittel gegenläufig so variiert, daß sich, wie bereits beschrieben, ein maximales Drehmoment ergibt.
  • Die vorgeschlagene Zylinderoptimierung läßt sich in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, natürlich auch im ben", bzw. P max-Betriebspunkt anwenden. Es ist ebenso möglich, durch einen übergeordneten Regelkreis, beispielsweise unter Verwendung einer Lambda-Sonde die über alle Zylinder gemittelte Luftzahl Lambda auf einen bestimmten Wert, der unter Umständen betriebsparameterabhängig vorgebbar ist, einzuregeln. Anschließend wird dann, wie schon oben beschrieben, mit Hilfe der Einzelzylinderoptimierung für diesen Betriebspunkt das Wirkungsgradmaximum der Brennkraftmaschine gefunden. Besonders interessant sind im Hinblick auf die zukünftige Abgasgesetzgebung die Betriebspunkte bei Lambda = 1. Der übergeordnete Regelkreis hält dann in an sich bekannter Weise mittels einer (Lambda = 1)-Sonde die mittlere Luftzahl auf dem Wert Lambda = 1. Mittels einer Einzelzylinderoptimierung läßt sich nun für jeden Zylinder genau das Lambda einstellen, bei dem der betreffende Zylinder in seinem Wirkungsgradmaximum arbeitet. Da ohne Optimierung die Toleranzen A Lambda im Lambda-Wert von Zylinder zu Zylinder ohne weiteres bei A Lambda - 0,1 liegen können, ist nach einer Optimierung mit einer wesentlich geringeren Schwankungsbreite zu rechnen. Eine geringere Schwankungsbreite des Lambda-Wertes von Zylinder zu Zylinder würde darüber hinaus Vorteile bei der Katalysatordimensionierung bringen, da heutige Katalysatoren wegen dieser Schwankungsbreite recht voluminös aufgebaut sind, um über mehrere Verbrennungstakte der Brennkraftmaschine zu mitteln.

Claims (14)

1. Regelungsverfahren für Betriebskenngrößen einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zur Optimierung ihres Wirkungsgrades, bei dem das Luft-/Kraftstoffverhältnis (Luftzahl) von Zylindergruppen der Brennkraftmaschine verändert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :
a) einen ersten Schritt, in dem zeitabhängige Signale zur Beeinflussung der Luftzahl Lambda des wenigstens zwei beliebigen, jeweils wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine umfassenden Zylindergruppen zugeführten Betriebsgemisches erzeugt werden, derart, daß die Luftzahl zylindergruppenspezifisch modifiziert und die mittlere Luftzahl des allen Zylindern zugeführten Betriebsgemisches zumindest annähernd konstant gehalten wird ;
b) einen zweiten Schritt mit Erfassung der sich in einer Änderung einer mit dem Wirkungsgrad in Zusammenhang stehenden Ausgangsgröße äußernden Reaktion der Brennkraftmaschine auf die Signale des ersten Schrittes, wobei die Ausgangsgröße das Drehmoment oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine ist und
c) einen dritten Schritt mit Beeinflussung des Wirkungsgrades der einzelnen Zylindergruppen der Brennkraftmaschine in Richtung auf eine Optimierung des Wirkungsgrades gemäß den Ergebnissen des zweiten Schrittes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten Schritt die zylindergruppenspezifische Luftzahl für die jeweiligen Zylindergruppen geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindergruppenspezifische Luftzahl gegensinnig geändert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung einer Ausgangsgröße als Reaktion der Brennkraftmaschine auf den ersten Schritt mit einem Schwellwert verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch die wiederholte Anwendung auf verschiedene Zylindergruppen, wobei die Wiederholzahl wenigstens durch die Anzahl der Zylinder bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylindergruppen aus unterschiedlichen Zylindern kombiniert werden, wobei die Anzahl der Kombinationen durch wenigstens die Anzahl der Zylinder bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt die Luftzahl Lambda zylindergruppenspezifisch durch Variation der den Zylindergruppen zugeführten Kraftstoffmenge bei näherungsweise konstanter Luftzufuhr beeinflußt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr mittels wenigstens einem Einspritzventil betätigt und über die Einspritzzeitdauer oder die Einspritzzeitdauer und den Einspritzzeitpunkt variiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Absinken der Ausgangsgrößenänderung der Brennkraftmaschine unter den Schwellwert die Amplitude der zeitabhängigen Signale oder die zylindergruppenspezifischen Lambda-Werte bzw. die Einspritzzeit gespeichert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindergruppenspezifischen Einspritzzeitdauern bzw. -punkte gegensinnig modifiziert werden, so daß die gesamten Einspritzzeiten als Summe der Einzeleinspritzzeiten der einzelnen Zylinder einen konstanten Wert annimmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzahl Lambda das der Brennkraftmaschine zugeführten Betriebsgemisches durch ein Kennfeld vorgesteuert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennfeldwerte zylindergruppenspezifisch adaptierbar sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Luftzahl des allen Zylindern zugeführten Betriebsgemisches auf einen betriebsparameterabhängig einstellbaren Wert geregelt wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Microcomputer und peripheren Einrichtungen zur Optimierung des Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Funktion zur Erzeugung von zeitabhängigen Signalen zur Beeinflussung der Luftzahl Lambda des wenigstens zwei beliebigen, jeweils wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine umfassenden Zylindergruppen zugeführten Betriebsgemisches, derart, daß die Luftzahl zylindergruppenspezifisch modifiziert und die mittlere Luftzahl des allen Zylindern zugeführten Betriebsgemisches zumindest annähernd konstant gehalten wird, eine zweite Funktion zur Erfassung der sich in einer Änderung einer mit dem Wirkungsgrad in Zusammenhang stehenden Ausgangsgröße äußernden Reaktion der Brennkraftmaschine auf die Signale der ersten Funktion, wobei die Ausgangsgröße die Drehzahl oder das Drehmoment der Brennkraftmaschine ist und eine dritte Funktion zur Beeinflussung des Wirkungsgrades der einzelnen Zylindergruppen der Brennkraftmaschine gemäß den Ergebnissen der zweiten Funktion in Richtung auf eine Optimierung des Wirkungsgrads vorgesehen ist.
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