DE10032931B4

DE10032931B4 - Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt-Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE10032931B4
Application number: DE10032931A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. Burkardt; Lutz Dipl.-Ing. Finger
Original assignee: AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: Schaeffler Engineering GmbH
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: DE10032931A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt – Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung, wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine den Zylindern zuzuordnende Schalldruckintensitäten gemessen werden, und für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung variierende Korrekturwerte bestimmt werden, welche die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Brennkraftmaschine in den Brennräumen die Mitteldrücke gleichgestellt werden, und dass die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder nach der Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine erfolgt, ohne dass die Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt-Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 33 02 219 A1 bekannt.
In der DE 33 02 219 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Einstellung einer Mehrzahl von je einem Zylinder eines Dieselmotors zugeordneten Einspritzaggregaten beschrieben. Hierbei besteht jedes Einspritzaggregat aus einer Einspritzdüse und einer in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Einspritzkolbenpumpe, die eine Antriebseinrichtung, ein Stellglied für die Fördermenge und ein Stellglied für den Einspritzbeginn umfasst. Mindestens ein Sensor ist für die mittel- oder unmittelbare Aufzeichnung des Brennraumdruckverlaufs in jedem Motorzylinder vorgesehen.
Ein weiteres Verfahren zum Regeln des Verbrennungsvorgangs einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist aus der DE 196 12 179 C1 bekannt. Hierbei soll durch Auswerten des Verbrennungsgeräusches in den einzelnen Zylindern mittels eines oder mehrerer Körperschallsensoren der Brennbeginn in den Zylindern ermittelt und bei Bedarf derart verändert werden, dass eine ungleichmäßige Drehmomentabgabe der Zylinder angeglichen wird.
In der DE 197 25 233 A1 ist ein Verfahren zur Anpassung der Einspritzmenge einer Brennkraftmaschine zur Laufruheregelung beschrieben. Hierbei wird zunächst eine Anzahl zylinderindividueller Laufunruhewerte über ein Beobachtungsintervall erfasst. Die erfassten Laufunruhewerte werden anschließend entsprechend ihrer Größe zylinderindividuell sortiert.
Weiter wird zylinderindividuell geprüft, ob der mittlere Laufunruhewert <, = oder > 0 ist. Schließlich wird die Einspritzmenge erhöht, falls der mittlere Laufunruhewert < 0 ist oder erniedrigt, falls der mittlere Laufunruhewert > 0 ist.
Ein weiteres Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung eines Kraftstoffeinspritzsystems, insbesondere einer Hochdruckkraftstoffpumpe, sind aus der DE 43 12 587 A1 bekannt. Hierbei liegt wenigstens ein elektrisch betätigbares Ventil die einzuspritzende Kraftstoffmenge fest, wobei in bestimmten Betriebszuständen die Tot-Zeit des Kraftstoffeinspritzsystems ermittelbar ist. Zur Ermittlung der Tot-Zeit wird die Ansteuerdauer der Voreinspritzung mit definierter Frequenz und Amplitude zeitlich moduliert.
Eine Brennkraftmaschine sollte neben der Anforderung an die Leistungsabgabe, den Kraftstoffverbrauch und dem Schadstoffausstoß auch ein für die Baureihe charakteristisches Klangbild aufweisen. Das Klangbild einer Brennkraftmaschine ist im wesentlichen von der konstruktiven Gestaltung, den Anbauteilen und der Zündfolge abhängig. Dabei kann die zylinderspezifisch unterschiedliche Schallentstehung und Schallausbreitung zu einem unharmonischen Klangbild der Brennkraftmaschine führen.
Bei einer Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung besteht die Möglichkeit, unabhängig von den anderen Zylindern in jeden Brennraum der Brennkraftmaschine eine frei wählbare Menge Kraftstoff einzuspritzen. Der Einspritzvorgang in den Brennraum eines Zylinders kann dabei in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung unterteilt werden, wie es beispielsweise aus der DE 27 53 953 A1 bekannt ist, wodurch eine Formung des Brennverlaufs erreicht wird.
Aus der DE 196 33 066 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt-Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung bekannt, bei dem aus dem Verlauf der Kurbelwellendrehzahlen Kenngrößen abgeleitet und daraus zylinderselektiv Korrekturwerte bestimmt werden, die eine zylinderselektive Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine bewirken.
Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt – Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem der Baureihe der Brennkraftmaschine ein harmonisches Klangbild aufgeprägt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei werden beim Betrieb der Brennkraftmaschine den Zylindern zuzuordnende Schalldruckintensitäten gemessen. Aus den Unterschieden der zylinderspezifischen Schalldruckintensitäten werden für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine Korrekturwerte bestimmt, welche die Kraftstoffeinspritzung zylinderselektiv variieren und eine Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder bewirken.
Die Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung der Brennkraftmaschine erlaubt die Kraftstoffeinspritzung in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung zu unterteilen. Die die Kraftstoffeinspritzung variierenden Korrekturwerte beeinflussen zur Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder den Einspritzverlauf der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung. Dabei werden der Beginn und das Ende der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung variiert. Zudem wird der zeitliche Verlauf der eingespritzten Kraftstoffmenge während der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung variiert.
Die Schalldruckintensität beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise nach der Herstellung des Prototypen der Brennkraftmaschine gemessen und die ermittelten Korrekturwerte fest in dem die Einspritzung regelnden Steuergeräten der Brennkraftmaschinen der Serienfertigung abgelegt. Die Messung der Schalldruckintensität und die Ermittlung neuer Korrekturwerte kann aber auch bei der Herstellung jeder einzelnen Brennkraftmaschine, nach einer Reparatur einer Brennkraftmaschine oder nach beliebigen Intervallen wiederholt werden.
Die Brennkraftmaschine verfügt über Mittel zur Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine. Die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder erfolgt dabei nach der Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine. Dabei wird die Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigt.
Durch die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder durch Variation der Kraftstoffeinspritzung erhält eine Brennkraftmaschine ein harmonisches Klangbild, wobei weitere, die Kraftstoffeinspritzung betreffende Optimierungen nicht beeinträchtigt werden.
Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel eines achtzylindrigen Dieselmotors im Zusammenhang mit drei Figuren beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen:
1 einen typischen Kurvenverlauf der momentanen Kurbelwellendrehzahl über 720 Grad Kurbelwellendrehwinkel einer achtzylindrigen Brennkraftmaschine,
2 ein Campbell-Diagramm, das die Schalldruckintensität vor der Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder zeigt,
3 ein Campbell-Diagramm, das die Schalldruckintensität nach der Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder zeigt.
Zur Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder ist eine Brennkraftmaschine mit Mitteln zur zylinderselektiven Kraftstoffeinspritzung ausgestattet, wobei die Kraftstoffeinspritzung eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung ermöglicht. Zur zylinderselektiven Kraftstoffeinspritzung weist beispielsweise jeder Zylinder eine separate Kraftstoffpumpe auf, wobei ein Motorsteuergerät für jeden Zylinder durch Ansteuerung von der Kraftstoffpumpe zugeordneten Magnetventilen die Einspritzung der vorgesehenen Kraftstoffmenge steuert. Dadurch besteht beispielsweise die Möglichkeit aus Bauteildifferenzen resultierende Unterschiede im Mitteldruck beim Verbrennungstakt der Zylinder durch Korrekturwerte der Kraftstoffeinspritzung auszugleichen.
Zur Gleichstellung der Mitteldrücke werden aus dem Verlauf der Kurbelwellendrehzahlen Kenngrößen abgeleitet, die mit dem Brennraumdruck möglichst gut korreliert sind, wobei aus Schwankungen des Verlaufs der Kurbelwellendrehzahlen die Korrekturwerte der Kraftstoffeinspritzung bestimmen werden.
Zur Bestimmung des Verlaufs der Kurbelwellendrehzahl ist die Kurbelwelle mit einer Meßvorrichtung und einem zugehörigen Steuergerät ausgestattet.
Die Meßvorrichtung besteht aus einem mit der Kurbelwelle umlaufenden Geberrad, das mit 60 Markierungen und einer Zusatzmarkierung versehen ist, die von einem Induktivsensor abgetastet werden. Aus den Signalen des Induktivsensors ermittelt das Steuergerät bei einer Kurbelwellenumdrehung 60 momentane Kurbelwellendrehzahlen. Die Zusatzmarkierung kennzeichnet eine dem Steuergerät bekannte Winkelposition der Kurbelwelle im Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, z. B. den oberen Totpunkt des Zylinders.
Durch die Markierungen wird eine Kurbelwellendrehung in 60 gleiche Segmente aufgeteilt, wobei der Induktivsensor die Zeitspanne zwischen zwei Segmenten erfaßt. Die Kurbelwellendrehzahl ändert sich dadurch für das Steuergerät nur von einem Segment zum nächsten Segment, innerhalb eines Segmentes wird die Kurbelwellendrehzahl als konstant angenommen. Dem Steuergerät steht damit die Information über die Kurbelwellendrehzahl und den Kurbelwellendrehwinkel mit einer Auflösung von 6 Grad zur Verfügung.
Die Nockenwelle der Brennkraftmaschine verfügt über eine weitere Meßvorrichtung, deren Signalgeber aus einem mit der Nockenwelle umlaufenden Geberrad besteht, das mit 20 Markierungen und einer Zusatzmarkierung versehen ist, die von einem Induktivsensor abgetastet werden. Die Zusatzmarkierung kennzeichnet eine dem Steuergerät bekannte Winkelposition der Nockenwelle. Aus den Signalen dieses Induktivsensors kann das Steuergerät den Nockenwellendrehwinkel und die Nockenwellendrehzahl mit einer Auflösung von 18 Grad ermitteln (analog 36 Grad Kurbelwellendrehwinkel).
Durch die Meßvorrichtung der Kurbelwelle und die weitere Meßvorrichtung der Nokkenwelle kann das Steuergerät ein Ereignis im sich periodisch, alle zwei Kurbelwellenumdrehungen wiederholenden Arbeitsspiel des Dieselmotors einer Veränderung der momentanen Kurbelwellendrehzahl eindeutig zuordnen. Beispielsweise kann das Steuergerät der Expansion des 3. Zylinders eine Erhöhung der Kurbelwellendrehzahl zuordnen.
1 zeigt den Verlauf der Kurbelwellendrehzahlen einer achtzylindrigen Brennkraftmaschine, wobei der dritte Zylinder einen geringeren Mitteldruck aufweist als die übrigen Zylinder.
Nach der Gleichstellung der Mitteldrücke wird unter Beibehaltung der Korrekturwerte der Kraftstoffeinspritzung eine Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder durchgeführt. Dazu ist beispielsweise in einem definierten Abstand und Winkel zur Brennkraftmaschine ein Sensor angebracht, der die Intensität von Schallwellen im Bereich des menschlichen Hörspektrums sensiert.
2 zeigt ein Campbell-Diagramm, bei dem die Frequenz der Schallwellen über dem Kurbelwellendrehwinkel aufgetragen sind, wie es beispielsweise gemessen wird, ohne daß eine Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder durchgeführt wurde. Um so höher die Intensitäten einer Frequenz des Schalldruckes gemessen wird, desto dunkler ist das Sensorsignal im Diagramm dargestellt. Dabei ist zu erkennen, daß der 5. Zylinder ein geringe Schalldruckintensität aufweist, während der 6. und der 3. Zylinder zu hohe Schalldruckintensitäten aufweisen.
Bei der Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder soll die Gleichstellung der Mitteldrücke in den Zylindern nicht verändert werden. Als zu variierende Größe zur Angleichung der Schalldruckintensität der Zylinder wird bei der Kraftstoffeinspritzung das Verhältnis von Voreinspritzung und Haupteinspritzung genutzt, der Beginn und das Ende der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung sowie der Verlauf der Einspritzmenge während der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung. Dadurch wird der Verbrennungsvorgang und damit die Entstehung und die Ausbreitung der Schallwellen geformt. Dabei kann durch die Auswahl des Beginns und des Endes der Voreinspritzung und der Haupteinspritzung der Verbrennungsablauf beeinflußt und dadurch die Schalldruckintensitäten der Zylinder angeglichen werden. Die eingespritzte Kraftstoffmenge während einem Arbeitstakt eines Zylinders bleibt dabei zur Beibehaltung der aus der Verbrennung resultierenden Mitteldrücke der Zylinder unverändert.
Bei Zylindern, die hohe Schalldruckintensitäten aufweisen, wird die Zeitspanne für die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung unter Beibehaltung der eingespritzten Kraftstoffmenge möglichst ausgedehnt. Zudem wird die für den gewünschten Mit teldruck erforderliche Kraftstoffmenge gleichmäßiger auf die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung aufgeteilt. Damit wird der Brennverlauf des Kraftstoffes gedehnt, wodurch auch die Schallentwicklung gedehnt und die Schalldruckintensität abnimmt.
Bei Zylindern die geringe Schalldruckintensitäten aufweisen, wird die Zeitspanne für die Voreinspritzung und die Haupteinspritzung unter Beibehaltung der eingespritzten Kraftstoffmenge möglichst verkürzt. Zudem wird die für den gewünschten Mitteldruck erforderliche Kraftstoffmenge hauptsächlich bei der Haupteinspritzung eingespritzt. Damit wird der Brennverlauf des Kraftstoffes verkürzt, wodurch auch die Schallentwicklung komprimiert wird, und die Schalldruckintensität zunimmt.
Dieses Verfahren wird auf jeden Zylinder der Brennkraftmaschine angewendet.
3 zeigt ein Campbell-Diagramm, wie es beispielsweise nach der Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder gemessen wird. Dabei ist zu erkennen, daß alle Zylinder der Brennkraftmaschine eine in etwa gleiche Schalldruckintensität aufweisen.
Gegebenenfalls genügt es, die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder genau ein mal nach der Herstellung der Brennkraftmaschine durchzuführen und die ermittelten Werte der Verteilung von Voreinspritzung und Haupteinspritzung für jeden Zylinder im Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine fest abzuspeichern. Im Idealfall genügt sogar das Durchführen einer Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder bei dem Prototypen der Baureihe der Brennkraftmaschine, und der Speicherung der ermittelten Werte der Verteilung von Voreinspritzung und Haupteinspritzung für jeden Zylinder in den Motorsteuergeräten für die Brennkraftmaschinen der Serienfertigung.
Durch die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder kann der Brennkraftmaschine ein harmonisches Klangbild erzeugt werden, wobei die Gleichstellung der Mitteldrücke der Zylinder der Brennkraftmaschine nicht verändert wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt – Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung, wobei beim Betrieb der Brennkraftmaschine den Zylindern zuzuordnende Schalldruckintensitäten gemessen werden, und für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine die Kraftstoffeinspritzung variierende Korrekturwerte bestimmt werden, welche die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Brennkraftmaschine in den Brennräumen die Mitteldrücke gleichgestellt werden, und dass die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder nach der Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine erfolgt, ohne dass die Gleichstellung der Mitteldrücke in den Brennräumen der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in eine Voreinspritzung und eine Haupteinspritzung unterteilt ist, und dass durch die die Kraftstoffeinspritzung variierenden Korrekturwerte der Einspritzverlauf der Voreinspritzung und/oder der Haupteinspritzung beeinflusst wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalldruckintensität zur Bestimmung der die Kraftstoffeinspritzung variierenden Korrekturwerte am Prototyp der Brennkraftmaschine, und/oder bei jeder einzelnen Brennkraftmaschine, und/oder nach einer Reparatur einer Brennkraftmaschine und/oder nach beliebigen Intervallen gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zu variierende Größe das Verhältnis von Voreinspritzung zu Haupteinspritzung genutzt wird, wobei die eingespritzte Kraftstoffmenge während eines Arbeitstaktes eines Zylinders unverändert bleibt.