DE10143950A1 - Verfahren zur Leerlaufregelung einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine und Signalkonditionierungsanordnung hierfür - Google Patents

Abstract

Zur Regelung des Leerlaufbetriebs einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine (1), bei der in einer Leerlaufregelung die mittlere Drehzahl (10) konstant gehalten und in einer Zylinderausgleichsregelung Abweichungen der Zylinder (I-IV) ausgeregelt werden, ist vorgesehen, zur Leerlaufregelung und zur Zylinderausgleichsregelung jeweils unterschiedliche Führungsgrößen (B, L) zu verwenden. Eine Anordnung zur Signalkonditionierung erzeugt dazu aus einem Drehzahlsignal (N) die unterschiedlichen Führungsgrößen und gibt diese an Ausgänge für einen Zylinderausgleichsregler (7) beim Leerlaufregler (6) ab.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Leerlaufbetriebs einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei der in einer Leerlaufregelung die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird und in einer Zylinder-Ausgleichsregelung von den Zylindern unterschiedlich abgegebene Drehmomentbeiträge so ausgeregelt werden, dass alle Zylinder im wesentlichen das gleiche Drehmoment abgeben.
• Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Anordnung zur Signalkonditionierungsanordnung zur Regelung des Leerlaufbetriebs einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mittels eines Zylinder-Ausgleichsreglers und eines Leerlaufreglers.
• Der Leerlaufbetrieb einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erfolgt üblicherweise geregelt. Dazu ist ein Leerlaufregler vorgesehen, der als Führungsgröße ein Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine verwendet und die Drehzahl der Brennkraftmaschine möglichst lastunabhängig konstant hält, so dass auch bei Laständerungen, wie sie sich z. B. durch das Einschalten einer Klimaanlage ergeben können, die Brennkraftmaschine mit gleichbleibender (Leerlauf-)Drehzahl läuft. Der Leerlaufregler gibt üblicherweise ein Kraftstoffsignal ab, das von einer Einspritzanlage der Brennkraftmaschine zur Kraftstoffzuteilung in die einzelnen Zylinder verwendet wird.
• Bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine geben nicht immer alle Zylinder das gleiche Moment ab. Dies kann beispielsweise durch Abweichungen zwischen Einspritzventilen bedingt sein.
• Insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sind oftmals fertigungs- oder alterungsbedingte Abweichungen der einzelnen Injektoren, die den Kraftstoff in die Brennräume einspritzen, unvermeidlich. Solche Momentunterschiede führen im Leerlauf zu einer gewissen Leerlaufunruhe, die sich in einem sogenannten "rauhen" Lauf der Brennkraftmaschine wiederspiegelt. Aus Komfortgründen ist dies natürlich unerwünscht.
• Man kann deshalb zusätzlich zum eingangs erwähnten Leerlaufregler einen weiteren Regler vorsehen, der Unterschiede in der (Dreh-)Momentabgabe zwischen den einzelnen Zylindern während des Leerlaufbetriebes ausgleicht. Dieser Regler wird als Cylinder-Balancing-Regler oder auch Zylinderausgleichsregler bezeichnet; in der weiteren Beschreibung wird letzterer Begriff verwendet werden.
• Der Zylinderausgleichsregler gibt ein Kraftstoffsignal ab, das zylinderindividuelle Mehr- oder Minderkraftstoffmengen zur Folge hat, um zylinderindividuelle Unterschiede so auszugleichen, dass alle Zylinder das gleiche Moment abgeben.
• Somit wirken beide Regler, der Leerlaufregler und der Zylinderausgleichsregler auf die Kraftstoffzuteilung für die Zylinder der Brennkraftmaschine. Da beide Regler darüber hinaus meist dasselbe Signal als Eingangssignal verwenden, kann eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Regler nur schwer vermieden werden.
• Es wäre denkbar, eine solche gegenseitige Beeinflussung abzumildern, indem die Zeitkonstanten des Leerlaufreglers und des Zylinderausgleichsreglers sich stark unterschiedlich gewählt werden. Da jedoch der Leerlaufregler möglichst schnell auf Laständerungen reagieren sollte, ist bei diesem Regler eine möglichst geringe Zeitkonstante anzustreben, da ansonsten keine zufriedenstellende Systemdynamik erreicht würde. Der einzige Wege, die gegenseitige Beeinflussung zu mindern, läge somit darin, den Zylinderausgleichsregler langsam zu machen, d. h. seinem Regelverhalten eine große Zeitkonstante zu verleihen. Damit wird die Dynamik des Systems hinsichtlich eines nicht-"rauhen" Laufs der Brennkraftmaschine zwar gemindert, aber eine vollständige Entkopplung von Leerlaufregler und Zylinderausgleichsregler wäre dennoch nicht möglich.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Leerlaufbetriebs einer Mehrzylinder- Brennkraftmaschine bzw. eine geeignete Anordnung zur Signalkonditionierung anzugeben, die ohne Dynamikverlust eine Entkopplung der Leerlaufregelung und der Zylinderausgleichsregelung ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass zur Leerlaufregelung und zur Zylinderausgleichsregelung zwei unterschiedliche Führungsgrößen verwendet werden.
• Die Erfindung sieht also vor, für die Leerlaufregelung ein anderes Signal als Führungsgröße zu verwenden, als für die Zylinderausgleichsregelung. Die Entkopplung wird also nicht mehr durch unterschiedliche Gestaltung zweier Regler erreicht, die beide auf die gleiche Führungsgröße zugreifen, sondern durch die Verwendung separierter Führungsgrößen.
• Die Führungsgrößen können dabei prinzipiell aus verschiedenen, bei der Brennkraftmaschine erfassten Betriebsparametern gewonnen werden. So ist es denkbar, als Führungsgröße für die Leerlaufregelung ein Drehzahlsignal, das aus dem Abtasten der Kurbelwellendrehung erzeugt wurde, zu verwenden und den Zylinderausgleichsregler mit einem durch einen Klopfsensor gewonnen Klopfsignal als Führungsgröße zu beaufschlagen. Wesentlich ist, dass die Führungsgröße des Zylinderausgleichsreglers Information über die Unruhe während des Leerlaufbetriebs, die durch unterschiedliche Momentenbeiträge der einzelnen Zylinder bedingt ist, enthält. Die Führungsgröße des Leerlaufreglers sollte diese Informationen gerade nicht enthalten, sondern stattdessen die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine während eines Arbeitsspiels wiedergeben, allerdings ohne Zeitverzug.
• Da bei einer Brennkraftmaschine der Sensorikaufwand naturgemäß so gering wie möglich gehalten werden sollte, ist in einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass beide Führungsgrößen aus dem Drehzahlsignal erzeugt werden. Es ist deshalb zu bevorzugen, dass die Leerlaufregelung und die Zylinderausgleichsregelung auf Basis eines Drehzahlsignals erfolgen und beide Führungsgrößen aus dem Drehzahlsignal erzeugt werden.
• Die Separierung der Führungsgrößen des Zylinderausgleichsreglers und des Leerlaufreglers kann vorteilhaft dadurch erfolgen, dass die Führungsgröße der Zylinderausgleichsregelung im wesentlichen aus einem Anteil des Drehzahlsignals, der durch die Abweichung der Zylinder im Verhältnis zueinander verursacht wird, erzeugt wird. Dem Drehzahlsignal wird dabei ein Anteil absepariert, der die Laufunruhe der Brennkraftmaschine wiedergibt.
• Alternativ oder zusätzlich kann bei der Erzeugung der Führungsgröße der Leerlaufregelung das Drehzahlsignal im wesentlichen um einen Anteil, der durch die Abweichung der Zylinder im Verhältnis zueinander verursacht wird, vermindert wird. Dabei kann es sich um genau den Anteil handeln, der als Führungsgröße der Zylinderausgleichsregelung Verwendung fand, wobei auch eine weitere Zwischenverarbeitung möglich ist, die den Anteil vorteilhaft aufbereitet.
• Unterschiedliche Momentenbeiträge einzelner Zylinder wirken sich in einer Schwankung des Drehzahlsignals während eines Arbeitsspiels aus. Somit ist eine Änderung des Drehzahlsignals für die Erzeugung der Führungsgröße der Zylinderausgleichsregelung tauglich. Solche Änderungen können durch eine Differenzierung erfasst werden. Es ist deshalb in einer Ausbildung des Verfahrens zu bevorzugen, dass bei der Erzeugung der Führungsgröße der Zylinderausgleichsregelung ein Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine differenziert wird. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist die erwähnte Zwischenverarbeitung zweckmäßig, da der Anteil des Drehzahlsignals, der durch die Abweichung der Zylinder im Verhältnis zueinander verursacht wird und der durch die Differenzierung erhalten wurde, meist nicht direkt zur Verminderung des Drehzahlsignals verwendet werden kann.
• Die Führungsgröße für die Leerlaufregelung sollte nicht nur, wie bereits erwähnt, die mittlere Drehzahl im Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine wiederspiegeln, sondern auch möglichst aktuell, d. h. ohne Tiefpassfilterung vorliegen. Dazu ist es zu bevorzugen, dass bei der Erzeugung der Führungsgröße der Leerlaufregelung ein Drehzahlsignal differenziert wird, anschließend um eine Totzeit, die einer Kurbelwellendrehung von 540° im aktuellen Betriebszustand entspricht, verzögert wird, dann integriert und anschließend mit dem ursprünglichen Drehzahlsignal verknüpft wird. Dadurch werden wiederkehrende zylinderabhängige Störungen, die durch Unterschiede der einzelnen Zylinder verursacht sind, dem Leerlaufregler nicht in der Führungsgröße übermittelt. Durch dieses Vorgehen kann vermieden werden, dass der Leerlaufregler eine systematische Störung eines Zylinders, die sich in einer kurzzeitigen Drehzahländerung auswirken, bei der Kraftstoffzuteilung des nächsten Zylinders zu korrigieren versucht. Andererseits kann der Leerlaufregler nach wie vor auf alle nicht-zylinderspezifischen Drehzahländerungen ohne Zeitverzug reagieren.
• Um einen möglichst schwingungsarmen Regelverlauf zu erreichen ist es zu bevorzugen, aus einem Drehzahlsignal, das bei der Regelung verwendet wird, höherfrequente Anteile zu entfernen. Dies kann insbesondere bei der Erzeugung der Führungsgröße des Zylinderausgleichsreglers sinnvoll sein, um eine Schwingungsneigung zu vermeiden. Zum Beispiel bietet sich diese Variante für die Ausführungsform an, bei der eine Differenzierung des Drehzahlsignals erfolgt.
• Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass die Tiefpassfilterung durch eine zeitliche Mittelung erfolgt, wobei zu dieser zeitlichen Mittelung Drehzahlsignale herangezogen werden, die jeweils dem selben Zylinder zugeordnet sind. Die Mittelung unterdrückt dann kurzzeitige Änderungen der Momentabgabe eines Zylinders von einem zu einem nächsten Arbeitsspiel und kann deshalb trotz geringer Zeitkonstante sehr effektiv Schwingungen vermeiden helfen.
• Das Konzept der Erfindung, dass zur Zylinder- Ausgleichsregelung und zur Leerlaufregelung unterschiedliche Führungsgrößen verwendet werden, kann in einer anderen Ausgestaltung auch dadurch verwirklicht werden, dass die Führungsgrößen aus einer Mittelung einer Drehzahlinformation über unterschiedliche, zeitlich versetzte Zeitintervalle erzeugt werden. Somit werden bei der Ermittlung der Führungsgrößen für Leerlaufregelung und Zylinder-Ausgleichsregelung unterschiedliche Zeitintervalle betrachtet, wodurch in gewissem Maße eine Entkopplung der beiden Regelungsvorgänge erreicht ist. Die Führungsgrößen werden z. B. generiert, indem die Kurbelwellendrehung der Brennkraftmaschine abgefühlt und jeweils über das entsprechende Zeitintervall zu einem Drehzahlwert gemittelt wird, der die Führungsgröße darstellt.
• Eine besonders starke Entkopplung wird erreicht, wenn die Zylinder-Ausgleichsregelung eine Führungsgröße erhält, die eindeutig dem Arbeitstakt genau eines Zylinders zuzuordnen ist. Dazu kann vorgesehen werden, die Führungsgröße der Zylinder- Ausgleichsregelung mit Zeitintervallen des Drehzahlsignals zu erzeugen, in denen jeweils ein Arbeitstakt genau eines Zylinders liegt. Dann ist eine besonders effektive Ausgleichsregelung möglich.
• Die dadurch erreichte verbesserte Entkopplung lässt sich noch weiter steigern, wenn die Führungsgröße der Leerlaufregelung durch Mittelung der Kurbelwellendrehung über Zeitintervalle erzeugt wird, in denen jeweils Arbeitstakte mehrerer Zylinder liegen. Dadurch beinhalten vorteilhafterweise die Zeitintervalle in dem einen Fall den Einfluss einer Verbrennung eines einzelnen Zylinders und in dem anderen Fall den Einfluss zweier aufeinanderfolgender Verbrennungsvorgänge. Die beiden Reglungsvorgänge beeinflussen sich dann in noch geringerem Maße wechselseitig.
• Die Wahl der Zeitintervalle ist besonders einfach zu realisieren, wenn die Zeitintervalle, mit denen die Führungsgröße der Zylinder-Ausgleichsregelung erzeugt wird, jeweils zeitlich zwischen zwei Totopunkten eines Zylinderarbeitsspiels liegen und die Zeitintervalle, mit denen die Führungsgröße der Leerlaufregelung erzeugt wird, jeweils um einen halben Arbeitstakt dazu versetzt sind. Diese Verschiebung des Zeitintervalls lässt sich ohne zusätzlichen Zeitverzug realisieren, da nur die Wahl der Intervallgrenzen einmal vorgegeben werden muss.
• Die Führungsgröße der Leerlaufregelung beinhaltet dadurch einen Mittelwert der zylinderspezifischen Abweichungen zweier aufeinanderfolgenden Zylinder. Damit reagiert sie auf permanente, injektorspezifische Störungen, auf die auszugleichen Aufgabe der Zylinder-Ausgleichsregelung ist, weniger stark.
• Die eingangs erwähnte Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Anordnung der geschilderten Art, die einen Eingang für ein Drehzahlsignal und zwei Ausgänge, an denen Führungsgrößen für den Zylinderausgleichsregler und den Leerlaufregler abgreifbar sind, aufweist, wobei die Anordnung das Drehzahlsignal in zwei unterschiedliche Führungsgrößen auftrennt.
• Die Signalkonditionierungsanordnung sorgt also für separierte Führungsgrößen, womit das Problem der gegenseitigen Beeinflussung von Zylinderausgleichsregler und Leerlaufregler vermieden ist.
• Da der Zylinderausgleichsregler im wesentlichen auf zylinderindividuell unterschiedliche Momentenbeiträge reagieren soll, ist es vorzuziehen, dass die Anordnung so ausgebildet ist, dass sie die Führungsgröße des Zylinderausgleichsreglers so erzeugt, dass diese den Anteil des Drehsignals, der aufgrund von Abweichungen der Zylinder im Verhältnis zueinander vorhanden ist, aufweist. Eine derartig konditionierte Führungsgröße für den Zylinderausgleichsregler bietet Gewähr für maximale Entkopplung des Zylinderausgleichsreglers, da dieser nur diejenigen Anteile des Drehzahlsignals erhält, die von den auszuregelnden Zylinderdrehmomentunterschieden herrühren.
• Da der Leerlaufregler die mittlere Drehzahl möglichst verzögerungsfrei konstant halten soll, ist es zweckmäßig, dass die Anordnung zur Signalkonditionierung derart ausgebildet ist, dass die Führungsgröße des Leerlaufreglers das Drehzahlsignal aufweist, welches allerdings um einen durch die Abweichung der Zylinder im Verhältnis zueinander verursachten Anteil vermindert ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Anordnung zur Signalkonditionierung ist der Leerlaufregler durch die geeignet abgegebene Führungsgröße optimal vom Zylinderausgleichsregler entkoppelt und reagiert nicht mehr auf zylinderindividuelle Unterschiede.
• Zweckmäßigerweise erfolgt die Entkoppelung des Zylinderausgleichsreglers dadurch, dass in der Anordnung ein Differenziator vorgesehen ist, der mit dem Eingang für das Drehzahlsignal verbunden ist, so dass die Führungsgröße des Zylinderausgleichsreglers das differenzierte Drehzahlsignal aufweist. Das differenzierte Drehzahlsignal zeigt genau die vom Zylinderausgleichsregler auszugleichenden Unterschiede in den Momentbeiträgen der einzelnen Zylinder an.
• Am Ausgang der Anordnung zur Signalkonditionierung, an dem die Führungsgröße für den Leerlaufregler abgreifbar ist, sollte ein Signal anliegen, das die Drehzahl der Brennkraftmaschine unabhängig von zylinderindividuellen Beiträgen wiedergibt. Dazu ist es zu bevorzugen, dass die Anordnung einen Signalflusspfad aufweist mit einem Totzeitglied, einem Integrator und einer Addiereinheit, wobei der Signalflusspfad einerseits mit dem Eingang für das Drehzahlsignal verbunden ist und andererseits am Ausgang für die Führungsgröße des Leerlaufreglers ein differenziertes, um die Totzeit verzögertes, integriertes und mit dem unmodifizierten Drehzahlsignal additiv verknüpftes Signal abgibt.
• Da bei einer Differenzierung eines Drehzahlsignals üblicherweise starke Schwankungen des differenzierten Signals entstehen, ist es bei Ausbildungen der Anordnungen mit einem Differenziator zu bevorzugen, dass diesen ein Tiefpassfilter vor- oder nachgeschaltet ist.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät,
• Fig. 2 einen Signalflusspfad einer Signalkonditioniereinheit,
• Fig. 3 eine Zeitreihe eines Kraftstoffmassensignals,
• Fig. 4 eine Zeitreihe eines Drehzahlsignals sowie einer Führungsgröße für einen Leerlaufregler,
• Fig. 5 eine Zeitreihe eines Massensignals, das von einem Zylinderausgleichsregler abgegeben,
• Fig. 6 den zeitlichen Verlauf eines Drehzahlsignals zur Veranschaulichung unterschiedlicher Intervalle, aus denen Führungsgrößen für die Zylinder-Ausgleichsregelung und die Leerlaufregelung generiert werden, und
• Fig. 7 und 8 Zeitreihen der unterschiedlichen Führungsgrößen sowie eines Kraftstoffsignals in einer Simulation zur Veranschaulichung der Entkopplung der Führungsgrößen.
• In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 samt zugehöriger Steuerung dargestellt. Dabei sind in der Figur nur diejenigen Elemente eingezeichnet, die für das Verständnis der Erfindung wesentlich sind. Die Brennkraftmaschine 1 ist im vorliegenden Beispiel eine Vier-Zylinderbrennkraftmaschine mit vier Zylindern I bis IV. Die Zylinder I bis IV der Brennkraftmaschine 1 versetzen eine Kurbelwelle 2 in Drehung.
• Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um eine Diesel-Brennkraftmaschine. Dies ist allerdings nicht einschränkend zu verstehen, da das nachfolgend geschilderte Verfahren und die erläuterte Anordnung auch für Otto-Brennkraftmaschinen geeignet sind.
• Die Drehung der Kurbelwelle 2 wird von einem Drehzahlfühler 4 abgetastet, der ein Drehzahlsignal N an ein Steuergerät 5 liefert. Das Steuergerät 5 weist einen Leerlaufregler 6 sowie einen Zylinderausgleichsregler 7 auf, deren gemeinsam verknüpftes Ausgangssignal ein Kraftstoffmassensignal m ist. Die Verknüpfung erfolgt dabei so, dass der Leerlaufregler 6 ein Grundsignal abgibt, das mit einem entsprechenden Korrektursignal des Zylinderausgleichsreglers 7 verknüpft wird. Dies wird später noch erläutert werden.
• Der Leerlaufregler 6 sowie der Zylinderausgleichsregler 7 erhalten jeweils eine Führungsgröße von einer Signalkonditioniereinheit 8 zugeführt. Die Führungsgrößen basieren im beschriebenen Ausführungsbeispiel auf dem Drehzahlsignal N, wie später noch erläutert werden wird. In der Regelschleife steuert das von Leerlaufregler 6 und Zylinderausgleichsregler 7 abgegebene Kraftstoffmassensignal m den Betrieb der Einspritzanlage 3, die über eine (stark vereinfacht dargestellte) Einspritzleitung 9 die Kraftstoffzuteilung in die Zylinder I bis IV bewerkstelligt.
• Die Signalkonditioniereinheit 8 erzeugt die Führungsgrößen für den Leerlaufregler 6 bzw. den Zylinderausgleichsregler 7. Dazu nimmt sie an einem Eingang 10 das Drehzahlsignal N des Drehzahlfühlers 4 auf. An Ausgängen 14 und 16 gibt sie die entsprechenden Führungsgrößen für den Zylinderausgleichsregler 7 bzw. den Leerlaufregler 6 ab.
• Die Elemente des Steuergerätes 5 können als eigenständige Schaltungsbausteine aufgebaut sein. Der größeren Flexibilität wegen wird jedoch üblicherweise ein entsprechend programmierter Mikroprozessor die Funktion des Steuergerätes 5 und der davon bewirkten Funktionen übernehmen. Die in Fig. 1 schematisch als Blöcke dargestellten Elemente des Steuergerätes 5 sind dann Softwaremodule.
• Die Funktion der Signalkonditioniereinheit 8 ist als Signalflussplan in Fig. 2 näher dargestellt. Die am Eingang 10 zugeführte Drehzahl N wird zuerst in einer Verzweigung 11 in zwei unterschiedliche Signalflusspfade geleitet.
• In einem ersten Signalflusspfad, in dem die Führungsgröße B für den Leerlaufregler 7 erzeugt wird, die am Ausgang 14 abgegeben wird, wird das Drehzahlsignal N zuerst in einem Differenzierglied 12 einer Differenzierung, d. h. einer zeitlichen Ableitung unterworfen. Anschließend erfolgt in einem Tiefpassfilter 13 eine Tiefpassfilterung.
• Das Tiefpassfilter 13 ist so ausgebildet, dass ein gleitender Mittelwert am Ausgang abgegeben wird, der aus der Mittelung zeitlich unterschiedlicher Anteile des differenzierten Drehzahlsignals gewonnen wird. Dabei erfolgt eine Mittelung immer über diejenigen Anteile, die einem Arbeitstakt eines Zylinders zugeordnet sind.
• Das Tiefpassfilter 13 bestimmt zuerst das Zeitfenster, zu dem der Zylinder, der im Drehzahlsignal aktuell als letzter einen Arbeitstakt hatte, seinen davorliegenden Arbeitstakt durchlief. Der Drehzahlwert aus diesem Zeitfenster wird mit dem Drehzahlwert des letzten Zeitfensters gemittelt. Auf der Zeitskala eindeutig zuordenbaren Kurbelwellenwinkelskala erfolgt also eine Drehzahlmittelung über die letzten 180°Kurbelwellenwinkel sowie über die entsprechenden 180°Kurbelwellenwinkel, die 720° zurückliegen.
• Dabei kann der Wert des Drehzahlsignals des zurückliegenden Zeitfensters mit einem geringeren Faktor in die Mittelung einfließen. Zusätzlich oder alternativ kann ein noch weiter zurückliegendes Zeitfenster, in dem der relevante Zylinder ebenfalls einen Arbeitstakt hatte, in die Mittelung miteinbezogen werden.
• Am Ausgang des Tiefpasses 13 liegt somit ein zeitlich gemitteltes, differenziertes Drehzahlsignal an. Dieses Signal stellt die Führungsgröße B für den Zylinderausgleichsregler 7 dar und wird am Ausgang 14 der Signalkonditioniereinheit 8 abgegeben.
• Zusätzlich wird dieses Signal an einem weiteren (nicht näher bezeichneten) Verzweigungspunkt zuerst einem Verzögerungsglied zugeführt. Das Verzögerungsglied, das in Fig. 2 schematisch mit 1/Z³ bezeichnet ist, bewirkt eine zeitliche Verzögerung des Signals um 540° Kurbelwellenwinkel. Dadurch liegt am Ausgang des Verzögerungsgliedes 17 das differenzierte und zeitlich gemittelte Drehzahlsignal an, wie es beim letzten Arbeitstakt des aktuell einen Arbeitstakt durchlaufen habenden Zylinders vorlag.
• Anschließend erfolgt eine Integration in einem Integrator 18, der in Fig. 2 schematisch mit Z/Z-1 bezeichnet ist. Das derart wiederaufintegrierte Signal stellt denjenigen Anteil des Drehzahlsignals N dar, der (abgesehen von der Tiefpassfilterung) durch zylinderabhängige Störungen von dem Zylinder, der aktuell einen Arbeitstakt durchläuft, in dessen vorletztem Arbeitstakt verursacht wurde.
• In einem Addierknoten 15 wird dieser Anteil von dem ursprünglichen Drehzahlsignal N abgezogen, indem dem Addierknoten 15 das an der Verzweigung 11 zugeführte Drehzahlsignal eingespeist wird. Der Addierknoten 15 gibt dann die Führungsgröße L für den Leerlaufregler 6 ab, die am Ausgang 16 anliegt.
• Die Fig. 3 bis 5 zeigen beispielshaft verschiedene Zeitreihen von Signalen, die in Betrieb der Signalkonditioniereinheit 8 auftreten.
• Fig. 3 zeigt einen Kraftstoffmassenfluss M, der über der Zeit t aufgetragen ist. Dabei handelt es sich zur Veranschaulichung um ein simuliertes Signal, das den Kraftstoffmassenfluss in die Brennkraftmaschine wiedergibt. In der Zeitreihe 19 ist dabei eine zylinderindividuelle Abweichung 20 eingetragen, die zur besseren Veranschaulichung in der Simulation eingeführt wurde und eine zylinderindividuelle Kraftstoffmehrmenge bedeutet, die beispielsweise durch ein fehlerhaftes Einspritzventil einem der vier Zylinder zugeführt wird.
• Darüber hinaus sind noch geringe statistisch bedingte Fluktuationen in der Zeitreihe 19 zu sehen.
• Zum Zeitpunkt t0 ist weiter in Fig. 3 ein Kraftstoffmassensprung eingezeichnet, der zur Veranschaulichung des Systemverhaltens vorgegeben wird.
• Die in Fig. 3 bezeichnete Zeitreihe dient nur der Veranschaulichung. Es handelt sich um einen simulierten Verlauf des Kraftstoffmassenstroms M.
• Fig. 4 zeigt zwei Zeitreihen 21 und 22 des Drehzahlsignal N bzw. der Führungsgröße L des Leerlaufreglers. Wie zu sehen ist, weist das in Zeitreihe 21 gezeigte Drehzahlsignal N noch zylinderindividuelle Anteile auf. Das durch die Signalkonditioniereinheit 8 zur Führungsgröße L aufbereitete Drehzahlsignal zeigt dagegen in der Zeitreihe 22 sehr viel weniger zylinderindividuelle Störungen. Ab dem Zeitpunkt t0, zu dem in der Fig. 3 der Kraftstoffmassenstrom M steigt, steigen sowohl Drehzahl N als auch Führungsgröße L. Ebenso fallen sie, sobald die simulierte Erhöhung des Kraftstoffmassenstroms M wieder zurückgenommen ist.
• Fig. 5 zeigt ein Kraftstoffmassenkorrektursignal dm, das vom Zylinderausgleichsregler 7 abgegeben wird als Zeitreihe, d. h. über der Zeit t aufgetragen. Wie zu sehen ist, weist die Zeitreihe 23 zylinderindividuelle Abweichungen 24 in Form von nach unten weisenden Pulsen auf. Durch diese zylinderindividuellen Abweichungen 24 im Kraftstoffmassenkorrektursignal dm wirkt der Zylinderausgleichsregler 7 den in der Zeitreihe 19 des Kraftstoffmassenstroms M simulativ eingeführten, zylinderindividuellen Abweichungen 20 entgegen, um einen möglichst gleichmäßigen Momentenbeitrag der Zylinder I bis IV der Brennkraftmaschine zu bewirken.
• Die Zeitreihe 23 der Fig. 5 zeigt deutlich, dass die "Aufgabenteilung" zwischen Leerlaufregler 6 und Zylinderausgleichsregler 7 gut funktioniert. Selbst im Bereich des relativ großen Kraftstoffmassensprungs nach der Zeit t0 wird der Zylinderausgleichsregler 7 nur gering beeinflusst und diese geringen Störungen des Kraftstoffmassenkorrektursignals dm klingen schnell wieder ab. Der Kraftstoffmassensprung wird dagegen in der Führungsgröße L für den Leerlaufregler 6 schnell erkannt, so dass der Leerlaufregler schnell korrigierend eingreifen kann.
• Zur Entkopplung der Führungsgrößen kann das Drehzahlsignal der Brennkraftmaschine auch durch Auswahl zeitlich versetzter Intervalle so aufbereitet werden, dass separierte Führungsgrößen für die Leerlaufregelung und die Zylinder- Ausgleichsregelung erhalten werden. Fig. 6 zeigt hochaufgelöst das Drehzahlsignal, das von der Drehung der Kurbelwelle 2 abgegriffen wird.
• Die gestrichelten Linien mit den Bezugszeichen OT1 und OT2 kennzeichnen in Fig. 6 die oberen Totpunkte zweier aufeinanderfolgend arbeitender Zylinder der Mehrzylinder- Brennkraftmaschine 1.
• Zur Separierung der Führungsgrößen für den Leerlaufregler 6 und den Zylinderausgleichsregler 7 werden die Zeitdauern gemessen, die das Überstreichen bestimmter Kurbelwinkel benötigt. Dabei wird zur Gewinnung der Führungsgröße B für den Zylinderausgleichsregler 7 ein Winkel- bzw. Zeitintervall gewählt, das eindeutig dem Arbeitstakt eines Zylinders zugeordnet ist. Dieses Zeitintervall ist in Fig. 6 mit T_b eingezeichnet. Es entspricht einer Messung der Drehzahl durch Mittelung der Kurbelwellendrehung zwischen den zwei Totpunkten OT1 und OT2.
• Zur Gewinnung der Führungsgröße L für den Leerlaufregler 6 wird ein zeitlich dazu versetztes Intervall T_1 gewählt, das gegenüber dem Zeitintervall T_b um einen halben Arbeitstakt oder um den halben Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Totpunkten OT1 und OT2 verschoben ist. Die Drehzahlmessung durch Mittelung der Kurbelwellendrehung im Zeitintervall T_1 wird daher von den Arbeitstakten zweier nacheinander arbeitender Zylinder beeinflusst. Die Führungsgröße L beinhaltet folglich einen Mittelwert der zylinderspezifischen Abweichungen zweier aufeinanderfolgend arbeitender Zylinder und reagiert damit auf permanente injektorspezifische Abweichungen weniger stark.
• Bei der Drehzahlmessung für die Bestimmung der Führungsgrößen B und L für Zylinderausgleichsregler 7 und Leerlaufregler 6 werden somit unterschiedliche, zeitlich gegeneinander verschobene Zeitintervalle betrachtet, wobei das Zeitintervall T± zur Bestimmung der Führungsgröße B für den Zylinderausgleichsregler 7 nur dem Einfluss einer einzelnen Verbrennung, das Zeitintervall T_1 zur Bestimmung der Führungsgröße L für den Leerlaufregler 6 dagegen dem Einfluss zweier aufeinanderfolgender Verbrennungen unterworfen ist. Die Führungsgrößen B und L sind dann die entsprechend aus den Drehzahlmessungen erzeugten Drehzahlsignale.
• Die Fig. 7 und 8 zeigen, dass durch diese Führungsgrößen B und L eine gute Entkopplung der zwei Regler erreicht ist. In den Fig. 7 und 8 ist jeweils ein Kraftstoffmassenfluss M eingetragen, der zur Veranschaulichung bewusst zylinderindividuell vertrimmt wurde, so dass die den Zylindern zugeführten Kraftstoffmassenflüsse unterschiedlich sind. Fig. 7 zeigt weiter oberhalb der Zeitreihe des Kraftstoffmassenflusses M die Führungsgröße B des Zylinderausgleichsreglers 7 über der Zeit t aufgetragen. Die Führungsgröße B wurde dabei als Drehzahlsignal ermittelt, indem die Kurbelwellendrehung über die Intervalle T_b, die jeweils den Arbeitstakten der Zylinder zugeordnet sind, gemittelt wurde. Wie die Zeitreihe der Führungsgröße B zeigt, ist in der Führungsgröße B die zylinderindividuelle Störung gut zu erkennen.
• Anders ist dies bei der Führungsgröße L für den Leerlaufregler 6, wie Fig. 8 zeigt. Sie wurde über andersliegende Intervalle gewonnen, wodurch die Störung nur schwach erkennbar ist. Dies prädestiniert die Führungsgröße L für den Leerlaufregler 6.
• So ist beispielsweise zu einem Zeitpunkt t0, zu dem einer der vier Zylinder mit dem geringsten Kraftstoffmassenfluss M versorgt wird, der bei der Versorgung der Zylinder im simulierten Beispiel der Fig. 7 und 8 auftritt, die Führungsgröße L auf einen Wert, der sich von dem Wert für die übrigen Zylinder nur gering unterscheidet. Die Führungsgröße B für den Zylinderausgleichsregler 7 ist dagegen deutlich maximal, so dass die Vertrimmung der Kraftstoffversorgung, die im Kraftstoffmassenfluss M erkennbar ist, deutlich in der Führungsgröße B hervortritt.

Claims (17)

1. Verfahren zur Regelung des Leerlaufbetriebs einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei der
in einer Leerlaufregelung die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine konstant gehalten wird und
in einer Zylinder-Ausgleichsregelung von den Zylindern unterschiedlich abgegebene Drehmomentbeiträge so ausgeregelt werden, dass alle Zylinder im wesentlichen das gleiche Drehmoment abgeben, wobei
zur Leerlaufregelung und zur Zylinder-Ausgleichsregelung zwei unterschiedliche Führungsgrößen verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leerlaufregelung und die Zylinder-Ausgleichsregelung auf Basis eines Drehzahlsignals erfolgen und beide Führungsgrößen aus dem Drehzahlsignal erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße der Zylinder-Ausgleichsregelung im wesentlichen aus einem Anteil des Drehzahlsignals, der durch die von den Zylindern abgegebenen, unterschiedlichen Drehmomentbeiträge verursacht wird, erzeugt wird und/oder dass bei der Erzeugung der Führungsgröße der Leerlaufregelung das Drehzahlsignal im wesentlichen um einen Anteil, der von den Zylindern abgegebenen, unterschiedlichen Drehmomentbeiträge verursacht wird, vermindert wird.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Führungsgröße der Zylinder-Ausgleichsregelung ein Drehzahlsignal differenziert wird.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der Führungsgröße der Leerlaufregelung
ein Drehzahlsignal differenziert wird,
anschließend um eine Totzeit, die einer Kurbelwellendrehung von 540° im aktuellen Betriebszustand entspricht, verzögert wird,
dann integriert wird und
anschließend additiv mit dem Drehzahlsignal verknüpft wird.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Drehzahlsignal höherfrequente Anteile entfernt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Tiefpassfilterung, bei der eine zeitliche Mittlung über Drehzahlsignalanteile erfolgt, die jeweils demselben Zylinder zugeordnet sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Führungsgröße aus unterschiedlichen, zeitlich versetzten Zeitintervallen eines Drehzahlsignales N erzeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Führungsgrößen der Zylinder-Ausgleichsregelung aus Drehzahlinformation durch Mittelung über Zeitintervalle erzeugt wird, in denen jeweils ein Arbeitstakt genau eines Zylinders liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Führungsgröße der Leerlaufregelung aus einer Mittelung über Zeitintervalle erzeugt wird, in denen jeweils Arbeitstakte mehrerer Zylinder liegen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Zeitintervalle, mit denen die Führungsgröße der Zylinder-Ausgleichsregelung erzeigt werden, jeweils zeitlich zwischen zwei Totpunkten eines Zylinderarbeitsspieles liegen, und die Zeitintervalle, mit denen die Führungsgröße der Leerlaufregelung erzeugt werden, jeweils um einen halben Arbeitstakt dazu versetzt sind.

12. Anordnung zur Signalkonditionierung zur Regelung des Leerlaufbetriebs einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mittels eines Zylinder-Ausgleichsreglers (7) und eines Leerlaufregler (6), umfassend
einen Eingang (10) für ein Drehzahlsignal (N),
zwei Ausgänge (14, 16), an denen Führungsgrößen (B, L) für den Zylinder-Ausgleichsregler (7) und den Leerlaufregler (6) abgreifbar sind, wobei die Anordnung so ausgebildet ist, dass sie
das Drehzahlsignal (N) in zwei unterschiedliche Führungsgrößen (L, B) auftrennt.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (B) des Zylinder-Ausgleichsreglers (7) einem durch unterschiedliche Drehmomentbeiträge der Zylinder verursachten Anteil des Drehzahlsignals (N) aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (L) des Leerlaufreglers (6) das Drehzahlsignal (N) aufweist, das um einen durch unterschiedliche Drehmomentbeiträge der Zylinder (I-IV) verursachten Anteil des Drehzahlsignals (N) vermindert ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Differenziator (12) vorgesehen ist, der mit dem Eingang (10) für das Drehzahlsignal (N) verbunden ist, und
die Führungsgröße (B) des Zylinder-Ausgleichsreglers (7) ein differenziertes Drehzahlsignal aufweist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Signalflusspfad mit einem Totzeitglied (17), einem Integrator (18) und einer Addiereinheit (15), der mit dem Eingang (10) für das Drehzahlsignal (N) verbunden ist und am Ausgang (14) für die Führungsgröße (L) des Leerlaufreglers (6) ein differenziertes, um die Totzeit verzögertes, integriertes und mit dem unmodifizierten Drehzahlsignal (N) additiv verknüpftes Drehzahlsignal abgibt.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Differenziator (12) ein Tiefpassfilter (13) vor- oder nachgeschaltet ist.