EP1525382A1 - Regelung der betriebsweise einer brennkraftmaschine - Google Patents

Regelung der betriebsweise einer brennkraftmaschine

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EP1525382A1
EP1525382A1 EP03787594A EP03787594A EP1525382A1 EP 1525382 A1 EP1525382 A1 EP 1525382A1 EP 03787594 A EP03787594 A EP 03787594A EP 03787594 A EP03787594 A EP 03787594A EP 1525382 A1 EP1525382 A1 EP 1525382A1
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EP
European Patent Office
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engine
internal combustion
combustion engine
cylinder
speed
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EP03787594A
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English (en)
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Reinhold Hagel
Stephan Krell
Peter Schimmelpfennig
Mehmet Tuna
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Conti Temic Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
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    • F02D41/1498—With detection of the mechanical response of the engine measuring engine roughness
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    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
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    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
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    • F02D2200/1015—Engines misfires
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    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually
    • F02D41/0085—Balancing of cylinder outputs, e.g. speed, torque or air-fuel ratio

Definitions

  • the invention relates to a control method for regulating the operating mode of an internal combustion engine and a device for regulating the operating mode of an internal combustion engine of a motor vehicle by means of the aforementioned method.
  • the invention relates in particular to a method for the detection and regulation of the uneven running in an internal combustion engine.
  • a method executing control device which is typically present in modern motor vehicles, is also known, for example, as engine synchronism control (ENGINE SOUNDNESS CONTROL (ESC)).
  • engine synchronism control ENGINE SOUNDNESS CONTROL (ESC)
  • ESC engine synchronism control
  • Such engine synchronous control systems are widely known, so that the structure and operation of the different, known engine synchronous control systems will not be discussed in more detail below.
  • the torque changes mentioned are reflected, for example, in the instantaneous crankshaft speed or in the instantaneous crankshaft acceleration. These can be measured and evaluated in the engine control unit.
  • the present invention is therefore based on the object of avoiding or at least reducing the torque changes or torque variations more uniformly.
  • this object is achieved by a method with the features of claim 1, a control device with the features of claim 19 and an internal combustion engine with the features of claim 23.
  • a control method for controlling the operating mode of an internal combustion engine in which a control device has a device for signal scanning, a downstream device for frequency analysis and a downstream device for cylinder classification, in which a speed signal is first determined and then the speed signal in an angular frequency - area is transformed, the transformation being carried out by means of a Hartley transformation (claim 1).
  • An internal combustion engine in a motor vehicle having at least one cylinder and at least one 'engine controller, said at least one engine control apparatus for controlling the operation of a
  • the method according to the invention is able to detect unsteady running on the basis of a determined speed signal and to reduce this by suitably adjusting the injection quantities. According to the invention, this adjustment is carried out by a control system which recognizes which or which cylinder has to be adjusted.
  • the control system advantageously also provides information which, in addition to the qualitative information, also provides quantitative information about the extent of the adjustment, that is to say which cylinder has to be adjusted and to what extent.
  • the speed signal is transformed into an angular frequency range.
  • the spectral components obtained in this way are also referred to as orders.
  • the transformation is advantageously carried out with the aid of the Hartley transformation. Since the adjustment of individual cylinders has an influence in particular on the low-frequency spectral components, these low-frequency spectral components in particular represent the uneven running. In order to regulate the uneven running to zero, it is therefore advisable to regulate the low-frequency spectral components to zero.
  • the internal combustion engine a controller is assigned which drastically reduces the disturbing spectral components in the entire operating range and thus significantly improves the vibration behavior of the entire drive train.
  • the invention further relates to a method for detecting misfires in an internal combustion engine.
  • a device is generally also known as misfire detection.
  • the invention further relates to a method for the detection and control of the given average torque or the average power in an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows the block diagram of a control device according to the invention for an internal combustion engine, on the basis of which the method according to the invention is shown;
  • FIG. 2 is a detailed block diagram showing the
  • FIG. 1 shows the block diagram of a control device according to the invention for an internal combustion engine, on the basis of which the method according to the invention is shown.
  • reference number 2 shows the control device according to the invention for controlling the cylinder adjustment of the internal combustion engine.
  • the control device 2 has a device for signal scanning 3, which detects a rotation of the crankshaft and generates a signal derived therefrom.
  • This typically digital signal is fed to a device 4 arranged downstream, which, starting from the signal supplied by the device for signal sampling 3, forms an arithmetic mean.
  • This information is subsequently fed to a device for frequency analysis 5 which carries out a spectral analysis.
  • This spectral analysis is then further processed in a correction device 6, which corrects the frequency components.
  • a cylinder classification is carried out in a device 7 described in more detail below.
  • a classification signal can be tapped at the output of the device 7 and can be fed to a downstream controller 8. From this, the controller 8 generates a control signal which can be coupled into the internal combustion engine, so that the cylinders can be optimally adapted to the given conditions in accordance with the requirements.
  • the present invention is not limited to self-igniting internal combustion engines, but can in principle also be used advantageously in internal combustion engines 1, however they are designed.
  • FIG. 2 shows a detailed block diagram to illustrate the device 7 for cylinder classification.
  • the device 7 contains a means for reference phase generation 71, to which means for reference phase calibration 72 and reference phase selection 73 are arranged.
  • a device 74 is provided in a second segment, in which, for example, evaluation criteria are determined or calculated, which can be accessed later. Based on this, the main causes and / or the secondary causes of a fault or a deviation are determined in a downstream unit 75. Additionally or alternatively, a possible adjustment for regulating the fault or the deviation can already be derived. In the downstream unit 76, the qualitative and possibly also the quantitative adjustment measures are determined.
  • the method according to the invention is primarily based on the evaluation of the engine speed.
  • a sensor wheel with preferably equidistant angle markings is attached to the crankshaft.
  • the times between the individual markings of the rotating sensor wheel are recorded by a sensor, for example an inductive or an optical sensor.
  • the signal recorded in this way is then processed in a program-controlled unit, for example, a microcontroller, microprocessor or the like, converted into speeds.
  • This program-controlled unit can be part of the control device 2 according to the invention or can also be contained in the engine control.
  • the control device 2 according to the invention can also be part of the engine control.
  • the arithmetic mean is formed on the basis of at least two successive speed segments with a length of 720 ° of the crankshaft.
  • the speed segments of length 720 ° of the crankshaft are also referred to as working cycles.
  • the formation of the arithmetic mean serves to eliminate cyclical fluctuations that arise from uneven combustion.
  • the arithmetic averaging could additionally or alternatively also be carried out in the angular frequency range. For this purpose, the frequency transformation mentioned must be applied to each individual work cycle that can be evaluated.
  • the device 4 for arithmetic averaging could also be dispensed with, although the invention has better functionality with an arithmetic averaging device.
  • the device 4 for arithmetic averaging could also be arranged at another point in the control device 2.
  • the averaged speed signal (period duration 720 ° of the crankshaft) is subjected to a spectral analysis.
  • a Discrete Hartley Transformation (DHT) is carried out for the transformation.
  • the named DHT transformation which results from the In contrast to the Fourier transformation that is commonly used and widely used in digital signal processing and communications technology, image processing has the particular advantage of being able to be calculated using only real operations.
  • the speed signal is separated into individual angular frequencies, also called orders, which are used to assess uneven running.
  • the vibrations have a frequency that is less than twice the engine speed.
  • the amplitudes of the 0.5th and the 1st order represent actual values for the uneven running in a 4-cylinder engine.
  • the orders mentioned below are relevant orders called, can be influenced by the injection and refer to vibrations with the frequency of half and the simple engine speed. These are significantly reduced by the method according to the invention.
  • the value zero represents the target value for the amplitudes of the 0.5th and 1st order. From the spectral transformation applied to the speed signal, complex numerical values can be derived, which in magnitude (or amplitude) and phase for the respective Orders are converted.
  • Cylinder engine additionally the 1.5th order, in the case of an 8-cylinder engine the 1.5th and the 2nd order would also have to be taken into account.
  • This device 6 for correcting the frequency components can also be dispensed with, although the control device 2 according to the invention has better functionality with this device. In addition, this correction device 6 could also make a correction other than the drag correction.
  • the adjusted cylinders are determined on the basis of speed and load-dependent reference phases, which are stored in the control unit for the relevant orders. Following the determination of the reference phases, which can take place on the engine test bench or while driving, these are also subjected to a drag correction.
  • a calibration factor can be derived from the combination of the relevant orders of the reference phases.
  • the corrected engine orders form the basis for the next procedural steps. If the amplitudes of the vibrations of the 0.5th and 1st order exceed a predetermined threshold value and there is a quasi-steady state of operation, the control is activated.
  • Reference phases are assigned to the measured phases of the 0.5th and 1st order.
  • the reference phase of the 0.5th order which is closest to the measurement phase is referred to as the primary phase, the associated cylinder as the primary cylinder.
  • the reference phase of the 0.5th order, which is the second closest to the measurement phase, is called the secondary phase and the associated cylinder is referred to as the secondary cylinder.
  • evaluation criteria are created taking into account the respective load and speed situation, on the basis of which the cylinders to be adjusted and their required adjustment direction are determined.
  • four evaluation criteria are determined, which are referred to below as the PKI value, PK2 value, PK3 value, AK value.
  • a so-called PKI value is calculated, which is compared with a predefined threshold.
  • a so-called PK2 value is calculated from the primary phase, the secondary phase, the measurement amplitude and the measurement phase of the 0.5th order, which is compared with a further predetermined threshold.
  • the logical values "HIGH ⁇ and" LOW are assigned to the PKI and PK2 values depending on whether the thresholds mentioned are exceeded.
  • PK2 can also be determined from the measurement phase and the primary phase, ie from the distance between the two phases.
  • the so-called AK value is required as a further criterion.
  • the load and speed-dependent ratio of the measurement amplitudes of the 0.5th and 1st order is compared with a threshold.
  • a comparison with another threshold value provides the logical value "High” or "LOW” for the AK value.
  • the cylinder to be adjusted in each case and, if appropriate, the respectively required direction of adjustment are determined.
  • the contribution of the secondary polluter is typically determined relative to the main polluter.
  • the relative contribution of the secondary cause can be determined analytically.
  • the secondary cause can be hidden. In this case, typically only a single cylinder, namely the main cause, is adjusted.
  • the measured relevant orders are advantageously compensated for or at least largely reduced by generating the corresponding counter-vibrations.
  • the determined qualitative adjustments of the main causer and the secondary cause (s) are divided among all cylinders in such a way that the sum of the adjustments conditions is the same or almost zero over all 4 cylinders. This does not change the original engine torque or the original engine power.
  • controller 8 which, in the event that there is no controller limitation, influences the respective required individual cylinder injection quantities.
  • controller 8 is designed as a simple I controller.
  • any control device could also be used here, of course, which provides a control signal on the output side as a function of the determined correction values.
  • control device according to the invention advantageously also has additional functionalities. These functionalities of the control device according to the invention described below can be implemented in addition or as an alternative to the above-described control of the uneven running in an internal combustion engine (ESC control).
  • ESC control internal combustion engine
  • misfires leads to torque changes, which are reflected, for example, in the current crankshaft speed or in the current crankshaft acceleration.
  • a speed signal is transformed into the angular-frequency range in a manner similar to that of the motor synchronization control. Since the adjustment of individual cylinders primarily affects the low-frequency spectral components, these are primarily used for the detection of misfires.
  • the method according to the invention is in turn based on the evaluation of the engine speed.
  • a sensor wheel with preferably equidistant angle markings is attached to the crankshaft. The times between the individual markings on the rotating sensor wheel are detected by a sensor and then converted into speeds in the microcontroller.
  • a 720 ° section of the speed signal which is is also referred to as a work cycle, is subjected to a spectral analysis using a Discrete Hartley Transformation (DHT).
  • DHT Discrete Hartley Transformation
  • the speed signal is separated into individual angular frequencies, which are used to detect misfires. Since the adjustment of individual cylinders primarily affects the amplitudes of the vibrations, which have a frequency that is less than twice the engine speed, the amplitudes of the 0.5th and 1st order represent quantities in a 4-cylinder engine, from which the existence of misfires can be concluded.
  • the orders mentioned, hereinafter referred to as relevant orders denote vibrations with the frequency of half and the simple engine speed.
  • the 1.5th order in the case of a 6-cylinder engine, the 1.5th and 2nd order can also be taken into account.
  • the spectral transformation applied to the speed signal generally provides complex numerical values which are converted into magnitude or amplitude and phase for the respective orders.
  • the amplitudes of the 0.5th and 1st orders are below the threshold mentioned, there is no dropout. If both lie above it, it is recognized that either one cylinder or three cylinders have a misfire. Two misfires from neighboring cylinders are recognized if only the amplitude of the 0.5th order is above the threshold. There are two misfires of complementary cylinders, ie cylinders not adjacent in the firing sequence, if only the amplitude of the 1st order exceeds the threshold.
  • the cylinders that have an ignition misfire are determined in the cylinder detection block on the basis of speed-dependent and load-dependent reference phases, which are stored in the control unit for the relevant orders. Following the determination of the reference phases, which can take place on the engine test bench or while driving, these are also subjected to a drag correction.
  • a calibration factor can be derived from the combination of the relevant orders of the reference phases.
  • Reference phases are assigned to the measured phases of the 0.5th and 1st order.
  • the reference phase of the 0.5th order or the respectively associated cylinder which is closest to the measurement phase of the 0.5th order then supplies the so-called primary cylinder.
  • a reference phase criterion is determined using the reference phases and the calibration factor. Taking into account the respective threshold value violations in the amplitude discriminator and knowledge of the primary cylinder, the misfiring cylinders are identified.
  • the engine torque or the engine power can be determined, but this requires additional design effort. Variations in the delivered engine torque or in the delivered engine power are also reflected, for example, in the instantaneous crankshaft speed or in the instantaneous crankshaft acceleration. These can be evaluated in the engine control unit using an existing sensor. By means of the method according to the invention described below, it is possible to detect the engine torque or the engine power output based on the speed signal and to narrow or regulate it by a suitable adjustment of the injection.
  • the speed signal is transformed into the angular frequency range.
  • the resulting spectral components are also called orders.
  • the engine torque or engine power output can be inferred for a 4-cylinder engine.
  • the 4th, 6th, 8th, etc. order can also be used.
  • the amplitude of the 3rd order vibration and in the 8-cylinder the amplitude of the 4th order vibration or the even-numbered multiples of the orders mentioned are evaluated.
  • the spectral components mentioned represent actual values for the engine torque or the engine power output and can be compared with the engine torque or the respective engine power requested by the engine control unit.
  • a controller is assigned to the internal combustion engine, which minimizes the difference between the actual engine torque and So11 engine torque or between the actual engine power and the target engine power by varying the injection quantity.
  • the method according to the invention is based on the evaluation of the engine speed.
  • an encoder wheel attached to the crankshaft is provided with preferably equidistant angle markings.
  • the times with a rotating encoder wheel between the individual markings of the rotating sensor wheel are detected by a sensor and the speeds assigned by a microcontroller are converted at these times. Samples of the crankshaft speed are thus available at equidistant angular intervals. Here too, it must be ensured that the sampling theorem is always adhered to.
  • the arithmetic mean is formed on the basis of at least two successive speed segments with a length of 720 ° of the crankshaft. This is done to eliminate cyclical fluctuations resulting from uneven combustion.
  • the averaged speed signal (period duration 720 ° crankshaft) is subjected to a spectral analysis using a Discrete Hartley Transformation (DHT).
  • DHT Discrete Hartley Transformation
  • the spectral transformation applied to the speed signal generally provides complex numerical values which are converted into magnitude or amplitude and phase.
  • Mass moments, etc. are generally falsified, these are eliminated by means of a correction device (for example drag correction).
  • a correction device for example drag correction
  • the subsequent application of the Hartley Transformation provides speed-dependent correction values for the 2nd order vibration. These correction values are stored in the control unit.
  • the amplitude of the 2nd order which is a measure of the engine torque or engine power output, increases at a fixed speed in a strictly monotonous manner with the load, this can be recorded in a reference motor and stored in a characteristic curve field depending on the speed. This characteristic field then serves as a reference for determining the actual engine torque or the actual engine power.
  • the actual engine torque or the actual engine power can also be calculated analytically.
  • the difference between the target engine torque requested by the engine control unit and the actual actual engine torque present is detected by a subsequent control system and this is minimized by varying the injection quantity.
  • the speed strokes Prior to processing the presented method, the speed strokes can also be equated by means of a so-called engine synchronization control (ESC: Engine Smoothness Control).
  • ESC Engine Smoothness Control
  • control device as described with the aid of the Hartley transformation in a complete departure from previously known solutions, in a very elegant way, nevertheless enables the operating mode of the internal combustion engine to be controlled in a very simple manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine bei dem eine Re­gelungseinrichtung eine Einrichtung zur Signalabtastung, eine nachgeschaltet angeordnete Einrichtung zur Frequenz­analyse sowie eine nachgeschaltet angeordnete Einrichtung zur Zylinderklassifikation aufweist, bei dem zunächst ein Drehzahlsignal ermittelt wird und anschließend das Dreh zahlsignal in einen Winkel-Frequenzbereich transformiert wird, wobei die Transformation mittels einer Hartley­ Transformation erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Regelung der Betriebsweise einer Brenn­kraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mittels eines solchen Verfahrens sowie einem Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung
Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine sowie eine Vorrichtung zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mittels des genannten Verfah- rens .
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur De- tektion und Regelung der Laufunruhe bei einer Brennkraftmaschine. Ein solches Verfahren ausführende Regeleinrichtung, die bei modernen Kraf fahrzeugen typischerweise vorhanden ist, ist beispielsweise auch als Motorgleichlaufregelung (engl. Engine S oothness Control (ESC)) bekannt. Solche Motorgleichlaufregelsysteme sind vielfach bekannt, so dass den Aufbau und die Funktionsweise der unterschiedlichen, bekannten Motorgleichlaufregelsysteme nachfolgend nicht näher eingegangen wird.
Aufgrund des unvermeidlichen Vorliegens von Fertigungstole- ranzen des Einspritzsystems sowie durch das Auftreten von Alterungseffekten werden den Zylindern unterschiedliche Kraftstoffmengen zugemessen. Selbst geringfügige Unterschiede in der den Zylindern zugeführten Kraftstoffmengen führen zu Drehmomentänderungen, die Ursache von unerwünschten Vibrationen beispielsweise von Spiegeln, Lenkern und dergleichen sein können. Einen besonders unerwünschten Ein- fluss haben solche Vibrationen bei der Brennkraftmaschine des Kra-f-fe- a-h-r-z-euges , -da es hie-r h-ä-u-f-i-g zu Mo-tors-chü-t-tiern— kommen kann, die bei der Dimensionierung der Motorkonstruktion mit berücksichtigt werden müssen, da sie unter Umstän- den die Lebensdauer des Motors negativ beeinflussen. Zudem wird durch die genannte Streuung der Einspritzmenge ein un- günstiger Einfluss auf Geräusch, Lebensdauer und Emissionen der Brennkraftmaschine ausgeübt . Diese unerwünschten Einflüsse gilt es verständlicherweise zu vermeiden.
Die genannten Drehmomentänderungen spiegeln sich beispielsweise in der momentanen Kurbelwellendrehzahl bzw. in der momentanen Kurbelwellenbeschleunigung wieder. Diese können gemessen werden und im Motorsteuergerät ausgewertet werden.
Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Drehmomentänderungen bzw. Drehmomentvariationen bei gleichmäßiger zu vermeiden bzw. zumindest weitestgehend zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Regelungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 19 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 23 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Regelungsverfahren zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine bei dem eine Regelungseinrichtung eine Einrichtung zur Signalabtastung, eine nachgeschaltet angeordnete Einrichtung zur Frequenz- analyse sowie eine nachgeschaltet angeordnete Einrichtung zur Zylinderklassifikation aufweist, bei dem zunächst ein Drehzahlsignal ermittelt wird und anschließend das Drehzahlsignal in einen Winkel-Frequenz- bereich transformiert wird, wobei die Transformation mittels einer Hartley-Transformation erfolgt (Patentanspruch 1) .
Eine Vorrichtung zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einer Einrichtung zur Signalabtastung, mit einer der Ein- richtung zur Signalabtastung nachgeschaltet angeordneten Einrichtung zur Frequenzanalyse und mit einer der Einrichtung zur Frequenzanalyse nachgeschaltet angeordneten Einrichtung zur Zylinderklassifikation (Pa- tentanspruch 14) .
Eine Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einem Zylinder und mit mindestens einer' Motorsteuerung, wobei zumindest eine Motorsteuerung eine Vorrichtung zur Regelung der Betriebsweise einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges (Patentanspruch 23 ) .
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, die Laufun- ruhe ausgehend von einem ermittelten Drehzahlsignal zu de- tektieren sowie diese durch geeignete Verstellung der Einspritzmengen zu verringern. Diese Verstellung erfolgt erfindungsgemäß durch ein Regelungssystem, welches erkennt, welcher oder welche Zylinder verstellt werden muss. Vor- teilhafterweise stellt das Regelungssystem auch eine Information bereit, die neben der qualitativen Information auch eine quantitative Auskunft über das Ausmaß der Verstellung gibt, das heißt welcher Zylinder muss wie stark verstellt werden .
Hierzu wird das Drehzahlsignal in einen Winkel-Frequenzbereich transformiert. Die so gewonnenen Spektralanteile werden auch als Ordnungen bezeichnet. Die Transformation erfolgt dabei vorteilhafterweise unter Zuhilfenahme der Hartley-Transformation. Da die Verstellung einzelner Zylinder insbesondere einen Einfluss auf die niederfrequenten Spektralanteile besitzt, bilden vornehmlich diese niederfrequenten Spektralanteile die Laufunruhe ab. Um die Laufunruhe auf Null zu regeln, bietet es sich daher an, vornehmlich die niederfrequenten Spektralanteile auf Null auszuregeln. Zu diesem Zwecke ist der Brennkraftmaschine ein Regler zugeordnet, welcher die störenden Spektralanteile im gesamten Betriebsbereich drastisch reduziert und somit das Schwingungsverhalten des gesamten Antriebstranges deutlich verbessert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion von Zündaussetzern bei einer Brennkraftmaschine. Eine solche Vorrichtung ist im Allgemeinen auch als Misfire Detec- tion bekannt .
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion und Regelung des abgegebenen mittleren Momentes bzw. der mittleren Leistung bei einer Brennkraftmaschine.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind den weiteren Unteransprüchen unter Bezugnahme auf die Zeichnung und die Beschreibung entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt dabei:
Figur 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, an- hand derer das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt wird;
Figur 2 ein detailliertes Blockschaltbild, welches den
Block der Zylinderklassifikation veranschaulicht.
Gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren - sofern nichts anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Figur 1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, anhand derer das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt wird.
In Figur 1 ist mit Bezugszeichen 1 eine selbstzündende Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug und mit Bezugszeichen 2 die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung zur Regelung der Zylinderverstellung der Brennkraftmaschine dargestellt. >
Die Regelungseinrichtung 2 weist eine Einrichtung zur Signalabtastung 3 auf, die eine Drehung der Kurbelwelle er- fasst und ein davon abgeleitetes Signal erzeugt. Dieses typischerweise digitale Signal wird einer nachgeschaltet an- geordneten Einrichtung 4 zugeführt, die ausgehend von dem von der Einrichtung zur Signalabtastung 3 zugeführten Signal einen arithmetischen Mittelwert bildet. Diese Information wird nachfolgend einer Einrichtung zur Frequenzanalyse 5 zugeführt, die eine Spektralanalyse vornimmt. Diese Spektralanalyse wird anschließend in einer Korrektureinrichtung 6, die eine Korrektur der Frequenzanteile vornimmt, weiter verarbeitet. Mit dem so gewonnen Daten bzw. Informationen wird in einer nachfolgend noch detaillierter beschriebenen Einrichtung 7 eine Zylinderklassifikation vorgenommen. Am Ausgang der Einrichtung 7 ist ein Klassifikationssignal abgreifbar, welches einem nachgeschalteten Regler 8 zuführbar ist. Der Regler 8 erzeugt daraus ein Regelsignal, welches in die Brennkraftmaschine einkoppelbar ist, so dass die Zylinder entsprechend den Anforderungen optimal an die gegebenen Verhältnisse angepasst werden können.
In Figur 1 wurden zwar Einrichtungen 4, 6 dargestellt. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass auf eines oder beide die- ser Elemente auch verzichtet werden kann, ohne dass die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung nennenswert beeinträchtig wird.
Die vorliegende Erfindung sei ferner nicht auf selbstzün- dende Brennkraftmaschinen beschränkt, sondern kann prinzipiell auch bei wie auch immer ausgebildeten Brennkraftmaschinen 1 vorteilhaft eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild zur Veran- schaulichung der Einrichtung 7 zur Zylinderklassifikation. Die Einrichtung 7 enthält in einem ersten Segment ein Mittel zur Referenzphasengenerierung 71, dem Mittel zur Referenzphasenkalibrierung 72 und Referenzphasenselektion 73 nachgeordnet sind. In einem zweiten Segment ist eine Ein- richtung 74 vorgesehen, bei der beispielsweise Bewertungskriterien bestimmt oder errechnet werden, auf die später zugegriffen werden kann. Ausgehend davon werden in einer nachgeschalteten Einheit 75 die Hauptverursacher und/oder die Nebenverursacher einer Störung oder einer Abweichung bestimmt. Zusätzlich oder alternativ kann auch bereits jetzt eine mögliche Verstellung zur Ausregelung der Störung bzw. der Abweichung abgeleitet werden. In der nachgeschalteten Einheit 76 werden die qualitative und gegebenenfalls auch die quantitativen Verstellmaße bestimmt.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert :
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert vornehmlich auf der Auswertung der Motordrehzahl . Hierzu wird beispielsweise ein Geberrad mit vorzugsweise äquidistanten Winkel- Markierungen an der Kurbelwelle angebracht. Die Zeiten zwischen den einzelnen Markierungen des rotierenden Geberrades werden von einem Sensor, beispielsweise einem induktiven oder einem optischen Sensor, erfasst . Das so erfasste Signal wird anschließend in einer programmgesteuerten Einheit, beispielsweise einem MikroController, Mikroprozessor oder dergleichen, in Drehzahlen umgerechnet. Diese programmgesteuerte Einheit kann Bestandteil der erfindungsgemäßen Re- gelungseinrichtung 2 sein oder auch in der MotorSteuerung enthalten sein. Umgekehrt kann auch die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung 2 Bestandteil der Motorsteuerung sein.
Es liegen somit in ä uidistanten Winkelabständen Abtastwerte der Kurbelwellendrehzahl vor. Die Anzahl der Winkel- Markierungen sind dabei derart groß zu wählen, dass das Ab- tasttheore eingehalten werden kann.
Bei Vorliegen eines quasistationären Betriebszustandes erfolgt ausgehend von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Drehzahlsegmenten der Länge 720° der Kurbelwelle die Bildung des arithmetischen Mittelwertes. Die Drehzahlsegmente der Länge 720° der Kurbelwelle werden auch als Arbeitsspiel bezeichnet. Die Bildung des arithmetischen Mittelwertes dient dazu, zyklische Schwankungen, die bei einer ungleich- mäßigen Verbrennung entstehen, zu eliminieren. Die arithmetische Mittelung könnte zusätzlich oder alternativ auch im Winkel-Frequenzbereich durchgeführt werden. Hierzu muss die genannte Frequenztransformation auf jedes einzelne auswertbare Arbeitsspiel angewandt werden. In einer Weiterbildung könnte auf die Einrichtung 4 zur arithmetischen Mittelung auch verzichtet werden, wenngleich die Erfindung mit einer Einrichtung zur arithmetischen Mittelung eine bessere Funktionalität aufweist. Die Einrichtung 4 zur arithmetischen Mittelung könnte auch an einer anderen Stelle in der Rege- lungseinrichtung 2 angeordnet sein.
Im nachfolgenden Verf hrenschritt wird das gemittelte Drehzahlsignal (Periodendauer 720° der Kurbelwelle) einer Spektralanalyse unterzogen. Für die Transformation wird er- findungsge äß eine Diskreten Hartley-Transformation (DHT) vorgenommen. Die genannte DHT-Transformation, die aus der Bildverarbeitung stammt, bietet im Gegensatz zu der üblicherweise verwendeten und in der digitalen Signalverarbeitung und der Nachrichtentechnik weit verbreiteten Fourier- Transformation den besonderen Vorteil, durch ausschließlich reelle Operationen berechnet werden zu können. Das Drehzahlsignal wird dabei in einzelne Winkel-Frequenzen, auch Ordnungen genannt, separiert, welche der Beurteilung der Laufunruhe dienen. Die Schwingungen weisen dabei eine Frequenz auf, die kleiner als die doppelte Motordrehzahl ist. Da die Verstellung einzelner Zylinder vor allem die Amplituden der niederfrequenten Schwingungen beeinflusst, stellen bei einem 4-Zylinder-Motor die Amplituden der 0,5-ten und der 1-ten Ordnung Istwerte für die Laufunruhe dar. Die genannten Ordnungen, im folgenden relevante Ordnungen ge- nannt, können von der Einspritzung beeinflusst werden und bezeichnen Schwingungen mit jeweils der Frequenz der halben und der einfachen Motordrehzahl. Diese werden durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich reduziert. Der Wert Null stellt hierbei den Sollwert für die Amplituden der 0,5-ten und der 1-ten Ordnung dar. Aus der auf das Drehzahlsignal angewandten Spektraltransformation können komplexe Zahlenwerte abgeleitet werden, welche in Betrag (bzw. Amplitude) und Phase für die jeweiligen Ordnungen umgerechnet werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass im Falle eines 6-
Zylinder-Motors zusätzlich die 1,5-te Ordnung, im Falle eines 8-Zylinder-Motors zusätzlich die 1,5-te und die 2-te Ordnung zu berücksichtigen wären.
Da die berechneten komplexen Zahlenwerte bzw. Amplituden- und Phasenwerte aufgrund des Auftretens von typischerweise vorkommender parasitärer Effekte (Geberradfehler, Massenmomente, etc.) im Allgemeinen verfälscht werden, werden diese mit Hilfe einer vorteilhafterweise vorgesehenen, sogenann- ten Schleppkorrektur eliminiert. Hierzu werden im stationären Schleppbetrieb, das heißt im Betriebszustand ohne Ein- spritzung, Messungen beispielsweise der momentanen Kurbelwellendrehzahl durchgeführt. Die anschließende Anwendung der Hartley-Transformation liefert drehzahlabhängige Korrekturwerte für die Schwingungen der 0,5-ten und 1-ten Ord- nung. Diese Korrekturwerte werden im Steuergerät abgespeichert .
Auf diese Einrichtung 6 zur Korrektur der Frequenzanteile kann auch verzichtet werden, wenngleich die erfindungsge ä- ße Regelungseinrichtung 2 mit dieser Einrichtung eine bessere Funktionalität aufweist. Darüber hinaus könnte diese Korrektureinrichtung 6 auch eine andere Korrektur als die Schleppkorrektur vornehmen.
Die Ermittlung der verstellten Zylinder erfolgt anhand von drehzahl- und lastabhängigen Referenzphasen, welche für die relevanten Ordnungen im Steuergerät abgelegt werden. Im An- schluss an die Bestimmung der Referenzphasen, welche am Motorprüfstand oder im Fahrbetrieb erfolgen kann, werden die- se ebenfalls einer Schleppkorrektur unterzogen. Zudem lässt sich aus der Kombination der relevanten Ordnungen der Referenzphasen ein Kalibrierungsfaktor ableiten.
Die korrigierten Motorordnungen stellen die Basis für die nächsten Verfahrensschritte dar. Überschreiten die Amplituden der Schwingungen der 0,5-ten und 1-ten Ordnung einen vorgegebenen Schwellwert und liegt ein quasistationärer Betriebszustand vor, wird die Regelung aktiviert.
Den gemessenen Phasen der 0,5-ten und 1-ten Ordnung werden Referenzphasen zugeordnet. Die Ref renzphase der 0,5-ten Ordnung, welche der Messphase am nächsten liegt, wird als Primärphase bezeichnet, der zugehörige Zylinder als Primärzylinder. Die Referenzphase der 0,5-ten Ordnung, welche der Messphase am zweitnächsten liegt, wird als Sekundärphase und der zugehörige Zylinder als Sekundärzylinder bezeichnet.
Mittels der den Messphasen zugeordneten Referenzphasen und der gemessenen Amplituden und Phasen werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Last- und Drehzahlsituation Bewertungskriterien erstellt, anhand derer die zu verstellenden Zylinder und deren erforderliche Verstellrichtung bestimmt werden. Im vorliegenden Fall werden vier Bewertungs- kriterien ermittelt, die nachfolgend als PKl-Wert, PK2- Wert, PK3-Wert, AK-Wert bezeichnet werden.
Mittels der Primärphase, der Referenzphase der 1-ten Ordnung und einem Kalibrierungsfaktor wird ein sogenannter PKl-Wert berechnet, welcher mit einer vorgegebenen Schwelle verglichen wird. Ebenso wird aus der Primärphase, der Sekundärphase, der Messamplitude und der Messphase der 0,5- ten Ordnung ein sogenannter PK2-Wert berechnet, welcher mit einer weiteren vorgegebenen Schwelle verglichen wird. In Abhängigkeit von einem Überschreiten der genannten Schwellen werden den PKl- und PK2-Werten die logischen Werte „HIGHΛ und „LOW" zugeordnet. Wahlweise kann PK2 auch aus der Messphase und der Primärphase bestimmt werden, d. h. aus dem Abstand beider Phasen.
Als weiteres Kriterium wird der sogenannte AK-Wert benötigt. Zur Bestimmung des AK-Wertes wird das last- und drehzahlabhängige Verhältnis der Messamplituden der 0,5-ten und der 1-ten Ordnung mit einer Schwelle verglichen. Der Ver- gleich mit einem weiteren Schwellwert liefert den logischen Wert „High" bzw. „LOW" für den AK-Wert . Zusätzlich oder alternativ kann auch ein sogenannter PK3-Wert, welcher mittels der Primärphase, einer dazu komplementären Primärphase (= Phase des zum Primärzylinders nicht benachbarten Zylin- ders) , der Messamplitude und der Messphase bestimmt wird, mit einer weiteren Schwelle verglichen werden, woraus für den PK3-Wert der logische Wert „High" oder „LOW" resultiert.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden der jeweils zu verstellende Zylinder und gegebenenfalls auch die jeweils erforderliche Verstellungsrichtung ermittelt.
Der PKl-Wert wird zur Bestimmung des maßgeblich verstellten Zylinders, zum Beispiel der Hauptverursacher der Verstel- lung, und dessen Verstellungsrichtung herangezogen. Ist beispielsweise PKl = „High", so ist der Hauptverursacher der Verstellung der zur Primärphase zugehörige Zylinder. Zudem ist der identifizierte Zylinder zu fett, d. h. dem Zylinder wird eine zu großen Menge an Kraftstoff zugeführt. In diesem Falle sollte die Einspritzmenge dieses Zylinders reduziert werden.
Die Werte PKl und PK2 verknüpft mit dem AK-Wert - wahlweise auch dem PK3-Wert - lassen den Zylinder mit dem zweitgröß- ten Anteil an der Verstellung (=Nebenverursacher) sowie dessen Verstellrichtung erkennen.
Der Verstellungsbeitrag des Nebenverursachers wird typischerweise relativ zum Hauptverursacher bestimmt. Der relative Beitrag des Nebenverursachers lässt sich in analytischer Weise ermitteln. Alternativ kann der Nebenverursacher ausgeblendet werden. In diesem Falle wird typischerweise lediglich ein einzelner Zylinder, nämlich der Hauptverursacher, verstellt.
Die gemessenen relevanten Ordnungen werden vorteilhafterweise durch die Erzeugung der entsprechenden Gegenschwingungen kompensiert oder zumindest weitestgehend verringert. Hierzu werden die ermittelten qualitativen Verstellungen des Hauptverursachers und des oder der Nebenverursacher auf alle Zylinder so aufgeteilt, dass die Summe der Verstellun- gen über alle 4 Zylinder gleich oder nahezu gleich Null ist. Dadurch wird das ursprüngliche Motormoment bzw. die ursprüngliche Motorleistung nicht verändert.
Die Amplituden der relevanten Ordnungen stellen die Regelabweichung dar und werden einer drehzahl- und lastabhängigen Gewichtung unterzogen. Schließlich werden mit Hilfe der ermittelten qualitativen Verstellungen und der Ist- Amplituden der relevanten Ordnungen Zylinder individuelle, quantitative Korrekturfaktoren ermittelt. Diese werden einem Regler 8 zugeführt, welcher im Falle, dass keine Reglerbegrenzung vorliegt, Einfluss auf die jeweiligen erforderlichen Zylinder individuellen Einspritzmengen nimmt. Der Regler 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als einfa- eher I-Regler ausgebildet. Jedoch könnte hier selbstverständlich auch jede beliebige Regeleinrichtung verwendet werden, die in Abhängigkeit von den ermittelten Korrekturwerten äusgangsseitig ein Regelsignal bereit stellt.
Neben der eben beschriebenen Funktionalität weist die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung vorteilhafterweise auch zusätzliche Funktionalitäten auf. Diese nachfolgend beschriebenen Funktionalitäten der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung können zusätzlich oder alternativ zu der oben beschriebenen Regelung der Laufunruhe bei einer Brenn- kraftmaschine (ESC-Regelung) implementiert sein.
Aussetzererkennung (Misfire Detection)
Aufgrund des bei einer Brennkraftmaschine unvermeidlichen Auftretens von Zündaussetzern kann unerwünschterweise unverbrannter Kraftstoff in die Umwelt gelangen. Zudem kann dadurch auch eine dauerhafte Schädigung von bei modernen Kraftfahrzeugen vorhandenen Abgasnachbehandlungssystemen, beispielsweise des Katalysators, auftreten. Beides hat zur Folge, dass die Abgasbelastung der Umwelt erhöht wird. Um dies weitestgehend zu vermeiden existieren nationale und internationale Vorschriften und Gesetze (z. B. OBD II, E- OBD) , die unter anderem eine Einrichtung zur Erkennung von Zündaussetzern bei Kraftfahrzeugen vorschreiben.
Das Auftreten von Zündaussetzern führt zu Drehmomentänderungen, welche sich beispielsweise in der momentanen Kurbelwellendrehzahl bzw. in der momentanen Kurbelwellenbe- schleunigung widerspiegeln. Mittels des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ausgehend von einem Drehzahlsignal Zündaussetzer zu detek- tieren. Ferner ist es möglich zu erkennen, bei welchen Zylindern Zündaussetzer aufgetreten sind. Hierzu wird in ent- sprechender Weise wie bei der Motorgleichlaufregelung das Drehzahlsignal in den Winkel-Frequenzbereich transformiert. Da die Verstellung einzelner Zylinder sich vor allem auf die niederfrequenten Spektralanteile auswirken, werden vor allem diese zur Detektion von Zündaussetzern herangezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert wiederum auf der Auswertung der Motordrehzahl. Hierzu wird beispielsweise ein Geberrad mit vorzugsweise äquidistanten Winkel- Markierungen an der Kurbelwelle angebracht. Die Zeiten zwi- sehen den einzelnen Markierungen des rotierenden Geberrades werden von einem Sensor detektiert und anschließend im Mik- rocontroller in Drehzahlen umgerechnet.
Dadurch werden in äquidistanten Winkelabständen Abtastwerte der Kurbelwellendrehzahl ermittelt. Dabei ist sicherzustellen, dass die Anzahl der Winkel-Markierungen ausreichend groß ist, so dass das Abtasttheorem in jedem Fall eingehalten wird.
Bei Vorliegen eines quasistationären Betriebszustandes wird ein 720° langer Ausschnitt des Drehzahlsignals, welcher auch als Arbeitsspiel bezeichnet wird, mittels einer Diskreten Hartley-Transformation (DHT) einer Spektralanalyse unterzogen. Das Drehzahlsignal wird dabei in einzelne Winkel-Frequenzen separiert, welche zur Detektion von Zündaus- setzern dienen. Da die Verstellung einzelner Zylinder vor allem die Amplituden der Schwingungen beeinflusst, die eine Frequenz aufweisen, die kleiner als die doppelte Motordrehzahl ist, stellen bei einem 4-Zylinder-Motor die Amplituden der 0,5-ten und 1-ten Ordnung Größen dar, aus welchen auf das Vorliegen von Zündaussetzern geschlossen werden kann. Die genannten Ordnungen, im folgenden relevante Ordnungen genannt, bezeichnen Schwingungen mit jeweils der Frequenz der halben und der einfachen Motordrehzahl. Hierbei ist zu erwähnen, dass im Falle eines 6-Zylinder-Motors zusätzlich die 1,5-te Ordnung, im Falle eines 8-Zylinder-Motors zusätzlich die 1,5-te und die 2-te Ordnung berücksichtigt werden kann. Die auf das Drehzahlsignal angewandte Spektraltransformation liefert im allgemeinen komplexe Zahlenwerte, die in Betrag bzw. Amplitude und Phase für die je- weiligen Ordnungen umgerechnet werden.
Da die berechneten komplexen Zahlenwerte bzw. Amplituden- und Phasenwerte aufgrund des Auftretens von immer vorhandenen parasitären Effekten - zum Beispiel ein Geberradfehler, ein Fehler des Massenmoments, etc. - im Allgemeinen verfälscht werden, werden diese mit Hilfe einer sogenannten Schleppkorrektur eliminiert. Hierzu werden im stationären Schleppbetrieb ( - Betriebszustand ohne Einspritzung) Messungen beispielsweise der momentanen Kurbelwellendrehzahl durchgeführt. Die anschließende Anwendung der Hartley- Transformation liefert vorteilhafterweise drehzahlabhängige Korrekturwerte für die Schwingungen der 0,5-ten und 1-ten Ordnung. Diese Korrekturwerte werden dann im Steuergerät abgespeichert . Das Auftreten von einem oder mehreren gleichzeitig auftretenden Zündaussetzern bewirkt, dass die Amplituden der relevanten Ordnungen stark ansteigen. Durch Auswertung der Amplituden kann das Auftreten eines Zündaussetzers anzeigt werden. Der Vergleich der Amplituden mit einer vorgegebenen Schwelle erfolgt in einem sogenannten Amplitudendiskrimina- tor. Dieser liefert für jedes Arbeitsspiel eine Aussage ü- ber das Vorliegen von Zündaussetzern.
Liegen beispielsweise die Amplituden der 0,5-ten und 1-ten Ordnungen unter der genannten Schwelle, so liegt kein Aussetzer vor. Liegen beide darüber, so wird erkannt, dass entweder ein Zylinder oder drei Zylinder einen Zündaussetzer aufweisen. Zwei Aussetzer von benachbarten Zylindern werden erkannt, wenn nur die Amplitude der 0,5-ten Ordnung über der Schwelle liegt. Zwei Aussetzer von komplementären, das heißt in der Zündfolge nicht benachbarten Zylindern liegen vor, wenn nur die Amplitude der 1-ten Ordnung die Schwelle überschreitet.
Die Ermittlung der Zylinder, welche einen Zündaussetzer aufweisen, erfolgt im Block Zylinderdetektion anhand von drehzahl- und lastabhängigen Referenzphasen, welche für die relevanten Ordnungen im Steuergerät abgelegt werden. Im An- schluss an die Bestimmung der Referenzphasen, welche am Motorprüfstand oder im Fahrbetrieb erfolgen kann, werden diese ebenfalls einer Schleppkorrektur unterzogen. Zudem lässt sich aus der Kombination der relevanten Ordnungen der Referenzphasen ein Kalibrierungsfaktor ableiten. Den gemessenen Phasen der 0,5-ten und 1-ten Ordnung werden Referenzphasen zugeordnet. Die Referenzphase der 0,5-ten Ordnung bzw. der jeweils zugehörige Zylinder, der der Messphase der 0,5-ten Ordnung am nächsten liegt, liefert dann den sogenannten Primärzylinder . Mittels der Referenzphasen und des Kalibrierungsfaktors wird ein Referenzphasenkriterium ermittelt. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Schwellwertüberschreitungen im Amplitudendiskriminator und der Kenntnis des Primärzylin- ders erfolgt die Identifikation der aussetzenden Zylinder.
Momentennachführung - Leistungsnachführung
Aufgrund des unvermeidlichen Auftretens von Alterungseffekten des Motors und vor allem dessen Einspritzsystems nimmt das von der Brennkraftmaschine abgegebene Motormoment bzw. die abgegebene Motorleistung mit der Zeit ab. Dieser Effekt wird insbesondere bei Nutzfahrzeugen als Mangel empfunden, da hier sehr viel höhere Motorlaufzeiten gefordert werden als bei Personenkraftfahrzeugen. Ein Austausch des Motors ist hier zum einen teuer, zum anderen fällt das Nutzfahrzeug auch für eine längere Zeit aus . Insbesondere durch das Auftreten von Fertigungstoleranzen wird eine mehr oder we- niger starke Variation im Motormoment und damit einhergehend ein Abfallen der Motorleistung bedingt, welches häufig nur durch einen zeitaufwendigen Bandendeabgleich kompensiert werden kann.
Durch das Anbringen von Drehmomentsensoren oder Zylinderdrucksensoren in den Zylindern kann das Motormoment bzw. die Motorleistung zwar bestimmt werden, jedoch erfordert dies zusätzlichen konstruktiven Aufwand. Variationen im abgegebenen Motormoment bzw. in der abgegebenen Motorleistung spiegeln sich beispielsweise auch in der momentanen Kurbelwellendrehzahl bzw. in der momentanen Kurbelwellenbeschleunigung wieder. Diese können im Motorsteuergerät unter Ausnutzung eines bereits vorhandenen Sensors ausgewertet werden . Mittels des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das abgegebene Motormoment bzw. die abgegebene Motorleistung ausgehend vom Drehzahlsignal zu detektieren sowie diese durch eine geeignete Verstellung der Einspritz engen zu beeinflussen bzw. auszuregeln.
Da die Verbrennungsenergie im wesentlichen in ausgezeichneten Frequenzanteilen des Drehzahlsignals enthalten ist, wird das Drehzahlsignal in den Winkel-Frequenzbereich transformiert. Die resultierenden Spektralanteile werden auch als Ordnungen bezeichnet. Durch Auswertung der Amplitude der Schwingung der 2-ten Ordnung kann bei einem 4- Zylinder-Motor auf das abgegebene Motormoment bzw. die abgegebene Motorleistung geschlossen werden. Alternativ kann dazu auch die 4-te, 6-te, 8-te, etc. Ordnung herangezogen werden. Entsprechend werden beispielsweise bei einem 6- Zylinder-Motor die Amplitude der Schwingung der 3-ten Ordnung und beim 8-Zylinder die Amplitude der Schwingung der 4-ten Ordnung bzw. die geradzahligen Vielfachen der genann- ten Ordnungen ausgewertet .
Die genannten Spektralanteile stellen nach geeigneter Kalibrierung Ist-Größen für das abgegebene Motormoment bzw. die abgegebene Motorleistung dar und können mit dem vom Mo- torsteuergerät angeforderten Motormoment bzw. der jeweiligen Motorleistung verglichen werden. Der Brennkraftmaschine ist ein Regler zugeordnet, der durch Variation der Einspritzmenge den Unterschied zwischen Ist-Motormoment und So11-Motormoment bzw. zwischen Ist-Motorleistung und Soll- Motorleistung minimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert wie die oben beschriebenen Verfahren auf der Auswertung der Motordrehzahl . Dabei ist wiederum ein an der Kurbelwelle angebrachtes Ge- berrad mit vorzugsweise äquidistanten Winkel-Markierungen bereit gestellt. Die Zeiten, die bei einem drehenden Geber- rad zwischen den einzelnen Markierungen des rotierenden Geberrades auftreten, werden von einem Sensor detektiert und von einem MikroController in diesen Zeiten zugeordnete Drehzahlen umgerechnet. Es liegen damit in äquidistanten Winkelabständen Abtastwerte der Kurbelwellendrehzahl vor. Auch hier ist sicherzustellen, dass das Abtasttheorem stets eingehalten wird.
Bei Vorliegen eines quasistationären Betriebszustandes er- folgt die Bildung des arithmetischen Mittelwertes ausgehend von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Drehzahlsegmenten der Länge 720° der Kurbelwelle. Dies dient dazu, um zyklische Schwankungen, die aus einer ungleichmäßigen Verbrennung herrühren, zu eliminieren.
Im folgenden Verfahrenschritt wird das gemittelte Drehzahlsignal (Periodendauer 720° Kurbelwelle) mittels einer Diskreten Hartley-Transformation (DHT) einer Spektralanalyse unterzogen. Das Drehzahlsignal wird dabei in einzelne Win- kel-Frequenzen separiert, wobei die Momenteninformation bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der Amplitude der Schwingung der 2-ten Ordnung (= Schwingungen mit der Frequenz der Motordrehzahl) generiert wird. Die auf das Drehzahlsignal angewendete Spektraltransformation liefert im Allgemeinen komplexe Zahlenwerte, die in Betrag bzw. Amplitude und Phase umgerechnet werden.
Da die berechneten komplexen Zahlenwerte bzw. Amplituden- und Phasenwerte aufgrund des Auftretens von typischerweise vorhandenen parasitären Effekten (z. B. Geberradfehler,
Massenmomente, etc.) im Allgemeinen verfälscht werden, werden diese mittels einer Korrektureinrichtung (z.B. Schleppkorrektur) eliminiert. Hierzu werden im stationären Schleppbetrieb (= Betriebszustand ohne Einspritzung) Mes- sungen beispielsweise der momentanen Kurbelwellendrehzahl durchgeführt . Die anschließende Anwendung der Hartley- Transformation liefert drehzahlabhängige Korrekturwerte für die Schwingung der 2-ten Ordnung. Diese Korrekturwerte werden im Steuergerät abgespeichert.
Da die Amplitude der 2-ten Ordnung, die ein Maß für das abgegebene Motormoment bzw. die abgegeben Motorleistung ist, bei fester Drehzahl streng monoton mit der Last ansteigt, kann diese bei einem Referenzmotor erfasst und drehzahlabhängig in einem Kennlinienfeld abgelegt werden. Dieses Kennlinienfeld dient dann als Bezug zur Ermittlung des Ist- Motormomentes bzw. der Ist-Motorleistung.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Berechnung des Ist- Motormomentes bzw. der Ist-Motorleistung auch auf analyti- sehe Weise durchgeführt werden.
Durch ein nachfolgendes Regelungssystem wird der Unterschied zwischen dem vom Motorsteuergerät angeforderten Soll-Motormoment und dem tatsächlichen vorliegenden Ist- Motormoment detektiert und dieser durch Variation der Einspritzmenge minimiert. Vor Abarbeitung des vorgestellten Verfahrens kann gegebenenfalls auch eine Gleichstellung der Drehzahlhübe mittels einer sogenannten Motorgleichlaufregelung (ESC: Engine Smoothness Control) erfolgen.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele wurden anhand einer Brennkraftmaschine mit vier Zylinder dargestellt. Die Erfindung sei jedoch nicht ausschließlich auf solche Brennkraftmaschinen beschränkt, sondern lässt sich selbstver- ständlich bei geeigneter, für den Fachmann naheliegender Anpassungen auch auf Brennkraftmaschinen mit mehr oder weniger als vier Zylinder erweitern.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele wurden die Erfindung anhand einer Hartley-Transformation beschrieben. Die Erfindung kann jedoch sehr vorteilhaft bei geeigneter Abwandlung auch unter zu Hilfenahme einer anderen Transformation, beispielsweise einer Fast Fourier Transformation (FFT) , einer Diskreten Fourier Transformation (DFT) oder dergleichen sehr vorteilhaft angewendet werden, wenngleich die Erfin- düng im Falle einer Hartley-Transformation am vorteilhaftesten und damit am geeignetsten ist.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde jeweils eine arithmetische Mittelwertbildung vorgenommen. Die Erfin- düng sei jedoch nicht ausschließlich darauf beschränkt, sondern lässt sich sehr vorteilhaft auch bei einer geometrischen Mittelwertsbildung oder dergleichen einsetzen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch die wie beschriebene Regelungseinrichtung unter Zuhilfenahme der Hartley-Transformation in völliger Abkehr von bisher bekannten Lösungen auf sehr elegante Weise jedoch nichts desto trotz sehr einfache Weise eine Regelung der Betriebsweise der Brennkraftmaschine realisierbar ist.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand der vorstehenden Beschreibung so dargestellt, um das Prinzip der Erfindung und dessen praktische Anwendung bestmöglichst zu erklären, jedoch lässt sich die Erfindung bei geeigneter Abwandlung selbstverständlich in mannigfaltigen anderen Ausführungsformen realisieren.
Bezugs zeichenliste
1 Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug 2 Regelungseinrichtung .
3 Einrichtung zur Signalabtastung
4 Einrichtung zur arithmetischen Mittelwertbildung
5 Einrichtung zur Frequenzanalyse
6 Korrektureinrichtung zur Korrektur der Frequenzan- teile
7 Einrichtung zur Zylinderklassifikation
71 Mittel zur Referenzphasengenerierung
72 Mittel zur Referenzphasenkalibrierung
73 Mittel zur Referenzphasenselektion 74 Einrichtung mit vorgegebenen Bewertungskriterien
75 Einheit zur Bestimmung von Hauptverursachern und/oder Nebenverursachern einer Störung oder einer Abweichung 6 Einheit zur Bestimmung der qualitativen und/oder quantitativen Verstellmaße (I-) Regler

Claims

Patentansprüche
1. Regelungsverfahren zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine bei dem eine Regelungseinrichtung eine
Einrichtung zur Signalabtastung, eine nachgeschaltet angeordnete Einrichtung zur Frequenzanalyse sowie eine nachgeschaltet angeordnete Einrichtung zur Zylinderklassifikation aufweist, bei dem zunächst ein Dre zahlsignal ermittelt wird und anschließend das Drehzahlsignal in einen Winkel- Frequenzbereich transformiert wird, wobei die Transformation mittels einer Hartley-Transformation erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorgleichlaufregelung vorgenommen wird, bei der die Laufunruhe bei einer Brennkraftmaschine detektiert und geregelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines quasistationären Betriebszustandes ausgehend von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Drehzahlsegmenten die Bildung eines Mittelwertes, insbesondere eines arithmetischen Mittelwertes, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung der Laufunruhe das Drehzahlsignal in einzelne Winkel-Frequenzen (Ordnungen) separiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parasitäre Effekte in den berechneten komplexen Zah- lenwerten und/oder den Referenzphasen einer Schleppkorrektur unterzogen und so eliminiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der den Messphasen zugeordneten Referenzphasen und der gemessenen Amplituden und Phasen unter Berücksichtigung der jeweiligen Last- und Drehzahlsituation Bewertungskriterien erstellt werden, anhand derer die zu verstellenden Zylinder und deren erforderliche Verstellrichtung bestimmt werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aussetzerkennung vorgenommen wird, bei der unerwünschte Zündaussetzern bei einer Brennkraftmaschine detek- tiert und ausgeregelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der Zündaussetzer vor allem niederfre- quente Spektralanteile verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Zündaussetzer anhand von drehzahl- und lastabhängigen Referenzphasen erfolgt, die für die relevanten Ordnungen in einer Steuereinrichtung vorher abgelegt werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Referenzphasen und des Kalibrierungsfaktors ein Referenzphasenkriterium ermittelt wird und dass die Identifikation der aussetzenden Zylinder unter Berücksichtigung der jeweiligen Überschreitungen mindestens eines Schwellenwertes und der Kenntnis des jeweils ersten Zylinders erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Momentennachführung bzw. Leistungsnachführung vorgenommen wird, bei ein alterungsbedingtes Nachlassen der Motorleistung der Brennkraftmaschine detektiert und ausgeregelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Motormomentes bzw. der Motorleistung durch Verstellung der Einspritzmenge ausgeregelt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Amplitude, die ein Maß für das abgegebene Motormoment bzw. die abgegeben Motorleistung ist, bei einem Referenzmotor erfasst und drehzahlabhängig in einem Kennlinienfeld abgelegt wird.
14. Vorrichtung zur Regelung der Betriebsweise einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mittels eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, - mit einer Einrichtung zur Signalabtastung, mit einer der Einrichtung zur Signalabtastung nachgeschaltet angeordneten Einrichtung zur Frequenzanalyse und mit einer der Einrichtung zur Frequenzanalyse nachge- schaltet angeordneten Einrichtung zur Zylinderklassifikation
15 . Vorrichtung nach Anspruch 14 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Einrichtung zur arithmetischen Mittelwertbildung vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch g ekenn z ei chne t , dass Einrichtung zur arithmetischen Mittelwertbildung zwi- sehen der Einrichtung zur Signalabtastung und der Einrichtung zur Frequenzanalyse angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass eine Einrichtung zur Korrektur der Frequenzanteile vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennz ei chne t , dass die Einrichtung zur Korrektur der Frequenzanteile zwischen der Einrichtung zur Frequenzanalyse und der Einrichtung zur Zylinderklassifikation angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zur Zylinderklassifikation zumindest eine der nachfolgenden Mittel aufweist:
- Mittel zur Referenzphasengenerierung;
- Mittel zur Referenzphasenkalibrierung; - Mittel zur Referenzphasenselektion;
Einrichtung zur Ermittlung von Bewertungskriterien; Einheit zur Bestimmung von Hauptverursachern und/oder Nebenverursachern einer Störung und/oder einer Abweichung; - Einheit zur Bestimmung der qualitativen und/oder quantitativen Verstellmaße.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet , dass der Einrichtung zur Zylinderklassifikation ein Regler, insbesondere ein I-Regler oder ein PI-Regler, nachgeschaltet angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Aussetzererkennung (Misfire De- tection) vorgesehen ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet , dass eine Vorrichtung zur Momentennachführung bzw. zur Leistungsnachführung vorgesehen ist.
23. Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einem Zylinder und mit mindestens einer Motorsteuerung, wobei zumindest eine Motorsteuerung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22 aufweist.
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