DE10147589A1

DE10147589A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10147589A1
Application number: DE10147589A
Authority: DE
Inventors: Jens Drueckhammer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: DE10147589B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftzeuges. Hierbei wird aus einem Drehzahlverlauf über die Ventilsteuerzeiten eine zu erwartende Drehmomentabweichung von einem Solldrehmoment durch je ein Modell für einen Restgasanteil und für eine Füllung des nächsten zündenden Zylinders bestimmt und anschließend über ein Drehmomentmodell eine Zündwinkeländerung für den nächsten zündenden Zylinder derart bestimmt, daß die Drehmomentabweichung kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Mehrzylindermotoren wirken alle Zylinder gemeinsam auf eine Kurbelwelle. Alle Kolben, die Kurbelwelle, die Nockenwelle sowie die Einlaßventile sind nahezu starr miteinander verbunden, sie sind über die Kurbelwelle "verkettet". Änderungen der Kurbelwellendrehzahl wirken sich damit gleichermaßen auf die Geschwindigkeit der genannten Bauteile aus. Verringert sich beispielsweise die Kurbelwellendrehzahl, wird auch die Nockenwellendrehzahl niedriger. Dies führt zu langsameren Bewegungen der Ein- und Auslaßventile und damit zu längeren Ventilöffnungszeiten. Auf diese Weise haben Drehzahländerungen unmittelbaren Einfluß auf die Ladungswechselvorgänge in den Zylindern. Die folgenden Erläuterungen orientieren sich am Beispiel eines 4- Zylinder-4-Takt Ottomotors mit der Zündfolge 1-4-2-3. Bei Mehrzylinder-Ottomotoren werden die Zylinder nicht gleichzeitig, sondern nacheinander gezündet, bei 4-Zylinder- Motoren in einem Abstand von 180° Grad Kurbelwinkel (720° Grad KW/4). Dadurch befinden sich alle Kolben in unterschiedlichen Positionen und Zuständen. Als Beispiel seien die Zustände der Zylinder beim Kurbelwinkel von 90° Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (OT) von Zylinder 1 betrachtet. Zylinder 1 wurde gerade gezündet und befindet sich in der Expansionsphase. Gleichzeitig befindet sich Zylinder 4, der als nächster gezündet wird, in der Komprimierungsphase. Bei Zylinder 2 wird gerade das Abgas ausgeschoben, während Zylinder 3 frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch ansaugt.
In diesem Zustand führt ein Drehzahleinbruch, beispielsweise als Folge einer schlechten Verbrennung in Zylinder 1, aufgrund der längeren Ventilöffnungszeit zu einer erhöhten Füllung in Zylinder 3, dessen Einlaßventil gerade geöffnet ist, und gleichzeitig zu einem geringeren Restgasgehalt in Zylinder 2, dessen Auslaßventile gerade geöffnet sind, da aufgrund der längeren Ventilöffnungszeiten das Abgas vollständiger ausgeschoben wird. Beide Ladungswechseleinflüsse werden bei diesen Zylindern überwiegend zu einem veränderten Drehmoment führen, wenn sie gezündet werden. Bei Zylinder 3 werden die längeren Öffnungszeiten des Einlaßventils zu einer höheren Füllung führen. Die Art der daraus resultierenden Drehmomentänderung ist vom Kraftstoffanteil im Gemisch abhängig. Nimmt nur der Luftanteil zu und bleibt der Kraftstoffanteil unverändert, wird es zu einem Drehmomentabfall in Zylinder 3 kommen. Nimmt mit dem Luftanteil auch der Kraftstoffanteil zu, wird es voraussichtlich zu einem Drehmomentanstieg kommen. Bei Zylinder 2 werden die längeren Öffnungszeiten das Auslaßventil zu einem verringerten Restgasanteil führen, der ebenfalls eine höhere Füllung mit Luft-Kraftstoff-Gemisch und damit ein verändertes Drehmoment zur Folge haben wird, wenn seine Einlaßventile öffnen.
Ein Drehzahlanstieg hat die gegenteilige Wirkung, d. h. die verkürzten Ventilöffnungszeiten haben eine geringere Drehmomententwicklung der Zylinder zur Folge.
Darüber hinaus erfolgt eine gegenseitige Beeinflussung der Zylinder über den Abgasgegendruck und über das Saugrohr, denn die Zylinder sind nicht nur über die gemeinsame Kurbelwelle, sondern auch über die gemeinsame Abgasanlage und das Saugrohr verkettet.
Drehzahlanstieg bzw. -abfall, die durch unregelmäßige Verbrennung zustande kommen, sind übliche Vorgänge bei Verbrennungsmotoren. Man spricht von zyklischen Schwankungen der Verbrennung. Die Verbrennung weist von Zündung zu Zündung aufgrund vieler Ursachen Schwankungen auf, beispielsweise aufgrund von Unterschieden in der Gemischzusammensetzung, der Ladungsbewegung, Ventilschwingungen, Restgasanteil etc. Hinzu kommen Schwankungen die durch Drehmomentunterschiede zwischen den Zylindern ausgelöst werden. Durch die Zylinderverkettung werden diese Schwankungen der Verbrennung verstärkt. Eine schlechte Verbrennung in Zylinder 1 wirkt sich zum einen auf die nächste Verbrennung von Zylinder 1 aus, beispielsweise höherer Restgasanteil, aber auch auf die Zylinder 2 und 3, wie oben erläutert wurde.
Diese Verkettungen der Zylinder und ihre Auswirkungen auf die Ladungswechselvorgänge bilden ein schwingungsfähiges System. Aufgrund der getakteten Arbeitsweise des Ottomotors und der gleichzeitigen Beeinflussung mehrerer Zylinder, die nicht zum gleichen Zeitpunkt gezündet werden, sind die Auswirkungen auf die Drehzahl jedoch nicht periodisch, sondern führen eher zu einem stochastisch wirkenden Motorlauf. So kann es passieren, daß auf denselben Zylinder gegensätzliche Einflüsse wirken. Beispielsweise können die Öffnungszeiten der Einlaßventile aufgrund eines Drehzahlabfalls länger sein, beim anschließenden Ansaugen kann die Drehzahl jedoch wieder ansteigen, so daß die Öffnungszeiten des Einlaßventils länger sind. Die Einflüsse können sich aber auch verstärken.
Bei sechs und mehr Zylindern werden die Zusammenhänge wesentlich komplizierter, da zu bestimmten Zeiten die Ein- und Auslaßventile bei mehreren Zylindern gleichzeitig geöffnet sind. Hier ist der Einfluß der Zylinderverkettung besonders deutlich.
Die Zylinderverkettung ist wahrscheinlich eine wichtige Ursache für einen unruhigen Lauf des Motors. Besonders im Leerlauf und bei hohen Zylinderzahlen können die Auswirkungen besonders deutlich als Laufunruhe oder Ruckeln spürbar sein.

Aus der DE 197 41 965 C1 ist ein Verfahren zur Laufruheregelung bekannt, bei dem aus Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine charakteristische Prozeßgrößen abgeschätzt werden. Dies soll dazu dienen, das gesamte von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment gleichmäßig von allen Zylindern erzeugen zu lassen. Die abgeschätzte Prozeßgröße wird mit einem Istwert verglichen, der aus einer der gemessenen Zustandsgrößen bestimmt wird. Ein Regler korrigiert die Verbrennung in den einzelnen Zylindern so, daß sich der Istwert dem Sollwert annähert. Die unterschiedlichen Beiträge der Zylinder zum Drehmoment werden somit ausgeglichen.

DE 36 04 904 A1 betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine. Hierbei ist für jeden Zylinder ein PI-Regler vorgesehen, der jeweils zugeführte Kraftstoffmengen zur Laufruheregelung regelt.

Dokument DE 32 43 235 A1 offenbart eine Einrichtung zum Dämpfen von Ruckelschwingungen bei einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Zur aktiven Dämpfung der Ruckelschwingung wird der Zündwinkel und daraus resultierend das Drehmoment des Motors in dem Sinne verstellt, daß bei einem Drehzahlanstieg die Zündung in Richtung spät (das resultierende Drehmoment wird verringert) und bei einem Drehzahlabfall in Richtung früh (das resultierende Drehmoment wird erhöht) verschoben wird. Eine kennfeldgesteuerte Zündzeitpunkteinstellung erhält ein zusätzliches Korrektursignal. Dieses wird aus einer Differenz von Drehzahlschwingung und tiefpaßgefilterter Drehzahlschwingung abgeleitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem Auswirkungen der Zylinderverkettung reduziert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß aus einem Drehzahlverlauf über die Ventilsteuerzeiten eine zu erwartende Drehmomentabweichung von einem Solldrehmoment durch je ein Modell für einen Restgasanteil und für eine Füllung des nächsten zündenden Zylinders bestimmt wird und anschließend über ein Drehmomentmodell eine Zündwinkeländerung für den nächsten zündenden Zylinder derart bestimmt wird, daß die Drehmomentabweichung kompensiert wird.

Dies hat den Vorteil, daß ein ruhigerer, weicherer bzw. komfortablerer Lauf der Brennkraftmaschine mit gleichmäßigem Drehmoment sowie Drehzahlverlauf durch eine Zylinderverkettungskompensation erzielt wird.

Zweckmäßigerweise wird die Bestimmung der Zündwinkeländerung zur Kompensation von Drehmomentabweichungen parallel zu einer Leerlaufregelung durchgeführt.

Um ein Gegeneinanderwirken von erfindungsgemäßer Zylinderverkettungskompensation und Leerlaufregelung zu vermeiden wird in der Leerlaufregelung eine Zündwinkelberechnung zusätzlich in Abhängigkeit von Restgasanteil und Füllung des nächsten zündenden Zylinders durchgeführt.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zylinderverkettungskompensation und
Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Simulation der Kompensation der Zylinderverkettung an einem 6-Zylindermotor.
Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Zylinderverkettungskompensation für eine Brennkraftmaschine mit aufeinanderfolgend zündenden Zylindern werden aus einer Drehzahl n_ist in einem Block 10 entsprechende Ventilsteuerzeiten ermittelt. In Block 12 wird aus den Ventilsteuerzeiten mittels eines Restgasmodells ein Restgasanteil bzw. eine Änderung des Restgasanteils ΔM_ZVRg für den nächsten zündenden Zylinder ermittelt. In Block 14 wird aus den Ventilsteuerzeiten mittels eines Füllungsmodells eine Füllung bzw. eine Änderung der Füllung ΔM_ZVF für den nächsten zündenden Zylinder ermittelt. Bei 16 werden die aus den Modellen 12 und 14 ermittelten Werte zusammengeführt und aus dem Ergebnis in einem Block 18 mittels eines Drehmomentmodells ein Zündwinkel bzw. eine Zündwinkeländerung Δα_ZWZV derart ermittelt, daß ein Einfluß der Änderung der Füllung ΔM_ZVF und des Restgasanteils ΔM_ZVRg auf das Drehmoment beim nächsten zündenden Zylinder kompensiert wird. Dies erfolgt parallel zu einer Leerlaufregelung 20, welche aus einer momentanen Drehzahl n_ist und einer Solldrehzahl n_soll eine Drehzahlabweichung Δn bestimmt und daraus eine Zündwinkeländerung Δα_ZW sowie eine Änderung der angesaugten Luftmasse ΔQ_Luft derart berechnet, daß die Drehzahl n_ist der Solldrehzahl n_soll möglichst nahe kommt. Der Ausgang der Zylinderverkettungskompensation von Block 18 wird dabei dem Ausgang 22 der Leerlaufregelung 20 zugeführt.
Die Leerlaufregelung kann auf Drehzahlabweichungen nur reagieren. Im Gegensatz dazu sieht die Zylinderverkettungskompensation über die Blöcke 10, 12, 14 und 16 und entsprechende Modelle Drehzahlabweichungen vorher und ergreift entsprechende Maßnahmen. Ggf. ist in der Leerlaufregelung 20 zusätzlich eine Beeinflussung der Zündwinkelberechnung durch die Zylinderverkettung in Form einer entsprechenden Kompensation vorgesehen, damit ein Gegeneinanderwirken von Zylinderverkettungskompensation und Leerlaufregelung vermieden ist.
Die erforderlichen Modelle für Restgas (Block 12), Füllung (Block 14) und Drehmoment (Block 16) werden beispielsweise durch Rechenoperationen, Kennlinien oder Kennfelder dargestellt.
Fig. 2 veranschaulicht eine Computersimulation der Zylinderverkettungskompensation an einem 6-Zylindermotor mit Leerlaufsolldrehzahl 700 1/min. In Fig. 2 ist auf der horizontalen Achse 24 eine Anzahl der Zündungen und auf der vertikalen Achse 26 eine Motordrehzahl in Umdrehung pro Minute aufgetragen, wobei eine Einheit 27 zwanzig Umdrehungen pro Minute (20 1/min) entspricht. Der Graph 28 veranschaulicht den Drehzahlverlauf ohne Zylinderverkettungskompensation und der Graph 30 veranschaulicht den Drehzahlverlauf mit Zylinderverkettungskompensation. Bei 32 (Zündung Nr. 28) wurde ein einmaliger Drehzahleinbruch simuliert. Aus dem unteren Graph 30 wird im Vergleich mit dem oberen Graph 28 deutlich, daß mit Berücksichtigung der Zylinderverkettung die Drehzahlschwankungen deutlich abnehmen. Bei 32 (Zündung Nr. 28) wurde ein einmaliger Drehzahleinbruch und seine Auswirkung auf den weiteren Drehzahlverlauf simuliert. Auch dabei weist der Drehzahlverlauf 30 mit Zylinderverkettungskompensation deutlich geringer Abweichungen von der Solldrehzahl auf als der Drehzahlverlauf 28 ohne Zylinderverkettungskompensation.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Drehzahlverlauf über die Ventilsteuerzeiten eine zu erwartende Drehmomentabweichung von einem Solldrehmoment durch je ein Modell für einen Restgasanteil und für eine Füllung des nächsten zündenden Zylinders bestimmt wird und anschließend über ein Drehmomentmodell eine Zündwinkeländerung für den nächsten zündenden Zylinder derart bestimmt wird, daß die Drehmomentabweichung kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Zündwinkeländerung zur Kompensation von Drehmomentabweichungen parallel zu einer Leerlaufregelung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leerlaufregelung eine Zündwinkelberechnung zusätzlich in Abhängigkeit von Restgasanteil und Füllung des nächsten zündenden Zylinders durchgeführt wird.