DE102005047829B3

DE102005047829B3 - Zylindergleichstellung bei Hubkolbenmotoren durch Ausregeln der harmonischen Anteile der Kurbelwellendrehzahl

Info

Publication number: DE102005047829B3
Application number: DE200510047829
Authority: DE
Inventors: Dirk Fabian
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2025-10-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenverbrennungsmotoren. Um solche Motoren laufruhig auszuregeln, wird vorgeschlagen, einen Algorithmus mit folgenden Schritten in das Regelungssystem zu implementieren: DOLLAR A a) Verwenden (810) einer Fourierreihe mit Z-1 Summanden "a¶n¶", b¶n'¶", n=2, 3, ..Z, wobei Z die Anzahl der Zylinder des Motors ist, als Reihendarstellung von mittleren Drehzahlwerten der Motordrehzahl, DOLLAR A b) wobei für jeden Summanden der Reihendarstellung ein Einzelbeitrag zur Regelabweichung mtitels eines vorbestimmten Wertes k=k(n), k in Abhängigkeit von n, berechnet wird, DOLLAR A c= wobei k(n) aus einer Voruntersuchung stammt, und vorzugsweise derjenige Wert ist, bei dem die maximale Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung desjenigen Zylinders der als nächstes zünden wird, gemessen wird, und DOLLAR A d) Bilden (820) einer Gesamtregelabweichung aus den Einzelbeiträgen. DOLLAR A Die Einzelwerte für k sind dabei so zu wählen, dass ein bestimmter Nockenwellenwinkel betrachtet wird, um eine einwandfreie Kausalkette zwischen Ursache und Wirkung bei der Regelung realisieren zu können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenverbrennungsmotoren.
Bei Hubkolbenverbrennungsmotoren mit mehreren Zylindern treten Störungen auf, die sich der gewünschten mittleren Kurbelwellendrehzahl als Schwingungen mit bestimmten, zur Nockenwellenwinkelgeschwindigkeit proportionalen Frequenzen, überlagern.
Die DE 195 27 218 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren, das ganzzahlige Vielfache der Nockenwellenfrequenz betrachtet und ausgeregelt. Über ein mit der Kurbelwelle oder Nockenwelle gekoppeltes Segmentrad wird die aktuelle Drehzahl mit einem Sensor erfasst, der auf das Vorbeistreichen bestimmter Markierungen auf dem Segmentrad während dessen Rotation reagiert. Dabei wird die Drehzahl mit Bandpässen gefiltert um die zu betrachtenden Frequenzanteile zu erhalten. Da die Frequenzen drehzahlabhängig sind, müssen die Filterkonstanten nachgeführt werden, was die Filterqualität verschlechtert. Die Bandpässe besitzen zudem ein zeitlich relativ langsames Einschwingverhalten und übertragen die zu betrachtenden Frequenzen nicht scharf, sondern in Frequenzbändern, so dass die Drehzahlanalyse in Bezug auf die auszuregelnden Störanteile dynamisch gesehen qualitativ noch verbesserungswürdig ist, da das Verfahren nicht zu einer befriedigenden Laufruhe führt.
Die DE 100 55 192 A1 offenbart ebenfalls ein gattungsgemäßes Verfahren, das ganzzahlige Vielfache der Nockenwellenfrequenz betrachtet und zylinderspezifisch ausgeregelt.
Das Verfahren vergleicht Messungen an einem als ideal angenommenen Motor mit Messungen an demselben Motor, bei dem gezielt einzelne Zylinder abgeschaltet werden, wodurch sich Antwortkurven für jeden einzelnen Zylinder ergeben. Die aus einer Fourieranalyse gewonnenen Erkenntnisse über den Drehzahl-/Drehmomentbeitrag jedes einzelnen Zylinders werden in einem Steuergerät abgespeichert und für den späteren realen Betrieb an anderen, aber typgleichen Motoren verwendet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass seine Regelung nicht auf individuelle Motoren angepasst ist. Außerdem ist die Regelung nicht anpassbar auf ältere Motoren, die bereits einen gewissen Verschleiß aufweisen. Schließlich ist die Regelung nicht fein genug.
Die DE 102 35 665 A1 offenbart ebenfalls ein gattungsgemäßes Verfahren, das ganzzahlige Vielfache der Nockenwellenfrequenz betrachtet und zylinderspezifisch basierend auf einer Fourieranalyse ausgeregelt. Die Amplituden der relevanten Ordnungen stellen die Regelabweichung dar und werden drehzahl- und lastabhängig gewichtet. Dabei wird mit Hilfe von Referenzmessungen in relativ aufwändiger Weise, nämlich drehzahl- und lastabhängig, ermittelt, welcher Zylinder für die Laufunruhe hauptsächlich und welcher erst in zweiter oder dritter Linie ursächlich ist, um so die entsprechenden Korrektureinspritzmengen zuordnen zu können.
Die US 6,021,758 A betrifft ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Zylindermotoren unter Verwendung der Erfassung der Motordrehzahl. Es wird vorgeschlagen, eine Fourieranalyse durchzuführen, wobei für jeweils 1 Arbeitsspiel, also eine Nockenwellenumdrehung die Fourierkoeffi zienten für die erste, zweite, .. Ordnung berechnet werden (Ordnung n = 1, 2, ..Z/2, wobei Z die Zylinderzahl ist). Die Fourieranalyse erfolgt in einem festen Zeittakt – als Beispiel sind 200 Millisekunden genannt. Ist Z/2 ungerade, z.B 2,5 beim 5-Zylinder, so muss abgerundet werden, also würden beim 5-Zylinder lediglich die Ordnungen 1, 2 betrachtet.
Anhand des jeweiligen Betrags einer Ordnung wird festgestellt, ob noch eine Störung vorliegt und der Verlauf noch nicht ausbalanciert ist. Ziel der Regelung ist es, die Beträge minimal zu machen, idealerweise Null.
Anhand der jeweiligen Phase einer Ordnung wird festgestellt, durch welche Zylinder der störende Beitrag dieser Ordnung verursacht wird.
Es werden im vorhinein alle denkbaren Kombinationen von Zylinder-Fehlverhalten ermittelt und für jede der Kombinationen eine [1X6]-Matrix [a b c d e f] vorgespeichert, die qualitativ die Korrekturmengen zum Ausgleichen der jeweiligen Störung zylinderselektiv beschreibt. Um im Mittel dieselbe Menge einzuspritzen, werden die Einspritzmengen der übrigen Zylinder erhöht. Die Matrix dafür lautet beispielsweise [1 1 –5 1 1 1].
Diese Matrizen werden alle in einem Steuergerät abgespeichert. Für jede Ordnung gibt es mehrere solcher Matrizen. Anhand der Phasen der Ordnungen wird erkannt, welche Matrizen heranzuziehen sind. Die Matrizen der einzelnen Ordnungen (beim 6-Zylinder 3 Matrizen) werden addiert. Damit steht qualitativ fest, wie die einzelnen Einspritzmengen (für jeden Zylinder eine) zu korrigieren sind. Um eine phy sikalisch sinnvolle Größe an Einspritzmengenkorrektur zu bekommen, wird die Summe der Matrizen mit einem Faktor k multipliziert.
In nachteilhafter Weise ist ein solcher Regler nicht effizient genug, weil er aufgrund der fest zugeordneten und ggf. zahlreichen Matrizen, die die Stellgröße bilden, ein nicht zufriedenstellendes Einschwingverhalten zeigt, und sein Regelverhalten ist nicht über den Drehzahlbereich gesehen konstant.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Regler zu schaffen.

Mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 oder 6 wird die Aufgabe gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren offenbart, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Algorithmus mit folgenden Schritten enthält:

a) Verwenden einer Fourierreihe als Reihendarstellung von mittleren Drehzahlwerten der Motordrehzahl mit Z – 1 Summanden „an", „bn,", n = 2, 3, ..Z (Z = Anzahl der Zylinder des Motors) zur Generierung einer Regelabweichung „en",
b) wobei für jeden Summanden der Reihendarstellung ein Einzelbeitrag zur Regelabweichung mittels eines vorbestimmten Wertes k = k(n), k in Abhängigkeit von n, berechnet wird,
c) wobei k(n) aus einer Voruntersuchung stammt, und vorzugsweise derjenige Wert ist, bei dem die maximale Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung desjenigen Zylinders, der als nächstes zünden wird, gemessen wird, und
d) Bilden einer Gesamtregelabweichung aus den Einzelbeiträgen.

Die Einzelwerte für k sind dabei so zu wählen, dass ein bestimmter Nockenwellenwinkel (n·k_n·pi/2/Z) betrachtet wird, um eine einwandfreie Kausalkette zwischen Ursache und Wirkung bei der Regelung realisieren zu können.

Wie man erkennt, werden Regelabweichung und Stellgröße ausschließlich im aktuellen Betrieb des Motors berechnet, und nicht aus einer Gegenüberstellung von „Idealmotor" und gezielt vertrimmten Motor; damit kann die Regelung in vorteilhafter Weise mittels weniger Parameter k direkt an jedem Fahrzeug individuell optimiert werden, ohne komplizierte Randbedingungen einhalten zu müssen. Wenn aus der Voruntersuchung beispielsweise ein Wert für n = 3 und Nockenwellenwinkel (k3) von 30° erhalten wird, dann kann k3 mit dem erfindungsgemäßen Regelverfahren auf einfache Weise korrigiert werden, so das Winkelwerte wie 31°, 32°, etc.. als Optimierung erhalten werden.

Bei den Parametern handelt es sich um:
k_n, mit n = 2, 3, ..., Z (Motor mit Z Zylindern);
k_p, k_i (P- und I-Anteil im Falle von PI-Reglern)

Die jeweiligen Regler der Zylinder besitzen dieselben Parameter. Bei der Verwendung von PI-Reglern mit zwei Parametern ist die Zahl Zp der freien Parameter der Regelung somit Zp = Z + 1.

Die verschiedenen k-Werte, beispielsweise beim Drei- oder Vierzylinder k3, k4 für n = 2, 3, 4, beim Fünfzylinder auch k5 für n = 5, (nmax = Z) und sind also Werte, die die individuellen Eigenschaften eines Motors kennzeichnen und die beispielsweise ab der zweiten oder dritten Stelle verschieden voneinander sein werden selbst bei typgleichen Motoren. Diese Parameter reflektieren damit individuelle Trägheitsmomente von bewegten Teilen, individuelles Antwortverhalten zwischen Stellgröße und Regelgröße, hervorgerufen beispielsweise durch unterschiedliche Strömungsverhältnisse beim Einspritzen von Kraftstoff, etc..

Dieses Verfahren kann weiter verbessert werden, indem n bevorzugt so gewählt ist, dass wenigstens ein ungerades Vielfaches, insbesondere das Dreifache der halben Nockenwellenfrequenz mit in der Reihendarstellung berücksichtigt ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren offenbart, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es den Schritt enthält:
Verwenden einer Fourierreihe als Reihendarstellung von mittleren Drehzahlwerten der Motordrehzahl mit n Summanden an, bn, wobei n = 2, 3, ..Z (Z ist die Anzahl der Zylinder) so gewählt ist, dass wenigstens ein ungerades Vielfaches, insbesondere das Dreifache der halben Nockenwellenfrequenz mit in der Reihendarstellung berücksichtigt ist, zur Generierung einer Regelabweichung e_n. Dieses Einzelmerkmal lässt sich nämlich unabhängig von dem Merkmal k = k(n), wie oben beim ersten Aspekt ausgeführt, einsetzen.

Der Parameter n wird zweckmäßigerweise von 2 bis zur Anzahl Z der Zylinder am Motor genommen. Dabei ergibt sich die feinste Regelung. Höhere Werte als Z ergeben keinen Sinn, da nur Z Eingriffsstellen für die Stellgröße zur Verfügung stehen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren offenbart, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die Schritte enthält:
den Trend der Motordrehzahl sensorisch zu erkennen, diesen Trend von den aktuell erfassten Werten der Motordrehzahl abzuziehen, wodurch eine Bereinigung der mittleren Drehzahlwerte erfolgt und
die Regelabweichung mit diesen trendbereinigten Drehzahlmittelwerten zu berechnen.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die mittlere Kurbelwellendrehzahl über jeweils zwei Nockenwellenumdrehungen als periodisches Signal aufgefasst und in eine Fourierreihe zerlegt, wobei die Grundwelle einer halben Nockenwellenumdrehung entspricht. Die Anteile der Ordnungen von 2 bis Z (bei einem Motor mit Z Zylindern) werden als Störungen identifiziert, die zum Beispiel durch Ungleichstellungen der Zylinder bezüglich ihrer Drehmomentabgabe verursacht sein können. Diese Störungen können ausgeregelt werden, indem, wie weiter oben und weiter unten genauer beschrieben, aus den Anteilen der Fourierreihe in geeigneter Weise Z Regelabweichungen synthetisiert werden, die von Z Reglern verarbeitet werden. Auf diese Weise bewirkt das Ausregeln dieser harmonischen Störungen eine Zylindergleichstellung bezüglich der einzelnen Momentenbeiträge bei gleicher Ansteuerung und erzeugt somit Laufruhe. Dabei zeigt sich, dass es sehr vorteilhaft ist, die ungeradzahligen Vielfachen der halben Nockenwellenfrequenz zusätzlich zu den ganzzahligen Vielfachen auszuregeln, was im Stand der Technik nicht erfolgt.

Laufruhe ist danach dann gegeben, wenn in der Fourierreihen-Darstellung der mittleren Kurbelwellendrehzahl mit der halben Nockenwellenfrequenz als Grundwelle die Ordnungen 2, 3, ..., Z keine Anteile liefern. Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet auf die explizite Definition zylinderspezifischer Laufruhewerte, wie sie im Stand der Technik mit Hilfe der Ausgänge von Bandpässen oder durch Segmentzeitenunterschiede definiert sind und stellt aufgrund der Einbeziehung der ungeraden Vielfachen der halben Nockenwellenfrequenz in die Regelung eine Verbesserung der bisherigen Verfahren dar, wie es weiter unten in 7 gezeigt ist.

Durch die Subtraktion des Drehzahltrends (Trendabzug) vor der Entwicklung der Fourierreihe wird das Ausregeln der harmonischen Störungen von weiteren, den Verlauf der Kurbelwellendrehzahl beeinflussenden Funktion wie beispielsweise Leerlaufregelung, Gasgeben, entkoppelt.

Gegenüber DE 195 27 218 A1 unterscheidet sich die erfindungsgemäße Synthetisierung der Regelabweichung wesentlich, da erfindungsgemäß die Drehzahl in DE 195 27 218 A1 als Zeitsignal verarbeitet wird, wohingegen sie erfindungsgemäß als Winkelsignal winkelsynchron verarbeitet wird.

Weiter wird das reine, auszuregelnde Störsignal erfindungsgemäß ohne Verzögerung und ohne zusätzliche nichtrelevante Anteile verarbeitet, denn die Fourieranalyse im hier vorgestellten Verfahren zerlegt die Drehzahl in einzelne Summanden, deren Summe dem tatsächlichen Drehzahlverlauf entspricht. Die Regelung reagiert erfindungsgemäß nur auf die relevanten Summanden. Dadurch ist die Entkopplung von übrigen Funktionen, die in gewünschter Weise den Drehzahlverlauf beeinflussen, gegenüber der DE 195 27 218 A1 verbessert, da die Regelung im Gegensatz zu der DE 195 27 218 A1 nur auf die störenden Frequenzen reagiert, wobei dieser Vorteil durch den erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehenen Trendabzug weiter verbessert wird, was neben dem Merkmal, dass ganzzahlige Vielfache der halben Nockenwellenfrequenz im Rahmen einer schnellen Fourieranalyse berücksichtigt werden, zu einer weiter verbesserten Laufruhe führt.

Gegenüber der DE 100 55 192 A1 kann das erfindungsgemäße Verfahren an jedem beliebigen Motor parametriert und auf diesen automatisch durch die Regelung selbst angepasst werden, und es werden lediglich die am jeweiligen Motor ermittelten (Z + 1) Parameter (Z – 1 k-Werte, 2 Reglerparameter bei einem PI-Regler) für den späteren realen Betrieb im Steuergerät abgespeichert (siehe oben). Damit bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit am individuellen Fahrzeug zum Beispiel im Rahmen von Inspektionen in der Werkstatt automatisiert die Parameter neu zu ermitteln, um beispielsweise eine Anpassung an das durch Verschleiß des Motors geänderte Verhalten zu erreichen. Insgesamt ist also der Applikationsaufwand der Regelungsfunktion im erfindungsgemäßen Verfahren weniger aufwändig als in DE 100 55 192 A1 .

In DE 102 35 665 A1 stellen die Amplituden der relevanten Ordnungen die Regelabweichung dar und werden drehzahl- und lastabhängig in einem Vorversuch gewichtet, während im erfindungsgemäßen Verfahren der gesamte (kontinuierliche) Verlauf der relevanten Ordnungen die Regelabweichung dar stellt, und zwar im laufenden Betrieb der individuellen Maschine. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird anstelle dessen die Berechnung der Regelabweichungsbeiträge zu den einzelnen Ordnungen mit den Segmentbewertungen k_n durchgeführt.

Bei Festlegung der halben Nockenwellenfrequenz als Grundwelle bestehen die Störanteile im Wesentlichen aus den zweiten, dritten und vierten Oberwellen, bei einem Vierzylindermotor. Allgemein sind bei einem Motor mit Z Zylindern die Oberwellen der Ordnung 2 bis Z zu beachten.

Die Ursachen dieser Störungen können unter anderem Differenzen zwischen den Momentbeiträgen der einzelnen Zylinder bei gleichen gewünschten Momentbeiträgen sein. Ebenso wirken sich aber auch gewünschte Änderungen des Momentenbeitrags von einer Zündung zur nächsten aus.

Jeder einzelne Zylinder liefert einen Betrag zur Existenz der Störungen mit den genannten Frequenzen. Betrachtet man den Verlauf einer der Oberwellen über eine Nockenwellenumdrehung über den Drehwinkel aufgetragen, so findet man innerhalb dieser Nockenwellenumdrehung gleichmäßig verteilt Z einzelne Werte als markante Ausprägung der Wirkung der jeweiligen Z letzten Zündungen. Die Zündung jedes einzelnen Zylinders verursacht in einem bestimmten Bereich über dem Nockenwellendrehwinkel eine Störung, für die an bestimmter Stelle die markanteste Ausprägung in der Oberwelle abzulesen ist. (siehe 1). Die Phasenverschiebung zwischen Ursache und Wirkung ist auf den Drehwinkel bezogen bei fester Ordnung für alle Zylinder gleich und in der Regel für die verschiedenen Ordnungen unterschiedlich.

Der harmonischen Störung wird durch die Regelung mit harmonischer Stellgröße entgegengewirkt. Da jedem einzelnen Zylinder wie beschrieben ein eigener Betrag der Störung zuzuordnen ist, wird der benötigte harmonische Stellgrößenverlauf durch Z Regler realisiert, so dass der Beitrag jedes einzelnen Zylinders ausgeregelt wird. Werden die genannten Ordnungen der halben Nockenwellenfrequenz zu Null geregelt, so wird damit eine Zylindergleichstellung bezüglich der Momentenbeiträge bewirkt, siehe 1.

Allgemein besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, die Regelstrecke einfacher und direkter abzubilden, denn die Zerlegung der Drehzahl in Summanden, deren Summe die tatsächliche Drehzahl bildet, also die Fourier-Reihe aus dem laufenden Betrieb, stellt die Grundlage für die Berechnung der Regelabweichung dar. Dadurch werden die Störungen gezielter und besser von anderen Funktionen entkoppelt, die in gewünschter Weise den Drehzahlverlauf (dem Trend entsprechend) beeinflussen, etwa beim Gasgeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aufgrund des Trendabzugs genauer als die oben diskutierten Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert auch bei dynamischen Drehzahlverläufen gute Ergebnisse und ist somit nicht auf den quasistationären Betrieb beschränkt. Außerdem ist die Zahl der freien Parameter sehr gering (Z + 1), so dass die Regelung schnell an individuelle Motoren angepasst werden kann und auch automatisiert durchführbar ist.

Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische und rein qualitative Abbildung des Schwingungsanteils der aktuellen Kurbelwellendrehzahl (Motordrehzahl) über dem Nockenwellendrehwinkel bei Nockenwellenfrequenz;
2 eine Abbildung der Kurbelwellendrehzahl über dem Nockenwellendrehwinkel mit eingezeichneten Abtastwerten und berechneten Mittelwerten;
3A eine Abbildung der mittleren Kurbelwellendrehzahl über deren Drehwinkel;
3B eine Abbildung des Schwingungsanteils an der mittleren Kurbelwellendrehzahl über deren Drehwinkel nach Trendabzug;
4 eine Systemdarstellung mit den wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Regelsystems;
5 eine Abbildung der Verläufe der mittleren Kurbelwellendrehzahl mit (52) und ohne (50) erfindungsgemäße Regelung;
6 eine Abbildung der Verläufe der mittleren Kurbelwellendrehzahl mit (62) und ohne (60) erfindungsgemäße Regelung in höherer Auflösung;
7 eine Abbildung verschiedener Verläufe der mittleren Kurbelwellendrehzahl;
8 ein schematisches Blockdiagramm des Steuerflusses des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels mit den wichtigsten Einzelschritten;
9 ein schematisches Blockdiagramm eines Ringpuferspeichers verwendet in einem Ausführungsbeispiel;
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Zunächst wird die Berechnung der Regelabweichung gemäß einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel näher beschrieben: Mit Bezug zu 1 und 8 wird die Regelabweichung bei einem Motor mit Z Zylindern aus bestimmten Summanden der Fourier-Reihendarstellung – Schritt 810 – der Drehzahl über die zwei zuletzt vorangegangenen Nockenwellenumdrehungen für den als nächstes zündenden Zylinder – Schritt 820 – abgeleitet, wobei nur die Ordnungen n = 2, 3, ....., Z betrachtet werden. Die Grundwelle entspricht dabei der halben Nockenwellenfrequenz. Dazu ist eine Mittelwertbildung der Kurbelwellendrehzahl erforderlich, die wie folgt vorgesehen ist:
Es wird vorausgesetzt, dass bei einem Motor mit Z Zylindern während einer Nockenwellenumdrehung 2 × Z Abtastungen stattfinden. Dabei sollen jeweils die lokalen Extremwerte der Z Kompressionen (die lokalen Minima in 1) sowie der Z Expansionen (lokale Maxima) erfasst werden. Die Mittelwerte 20 werden dann jeweils aus zwei aufeinander folgenden Extremwerten 10 und 11 gebildet, wie es in 2 gezeigt ist.
Die Fourier-Reihendarstellung ist wie folgt vorgesehen: Die Koeffizienten der zu betrachtenden Anteile der Fourier-Reihe werden aus dem Verlauf der mittleren Kurbelwellendrehzahl während zweier zurückliegender Nockenwellenumdrehungen berechnet. Die zuletzt zurückliegende Nockenwellenumdrehungen endet dabei um den Winkel Phi _NW = 2 π/Z (Nockenwellendrehwinkel) bzw. PHI_KW = 4π/Z (Kurbelwellenwinkel) vor dem oberen Totpunkt des als nächstes zündenden Zylinders, siehe 1.
Der Drehzahlverlauf ist in den folgenden Darstellungen über dem Kurbelwellenwinkel aufgetragen zu betrachten.
Für die Periodendauer der Fourierreihe gilt: T = 8π (1)entsprechend zwei Nockenwellen-(NW) Umdrehungen oder 4 Kurbelwellen-(KW)- Umdrehungen).
Die Grundwelle ergibt sich damit zu:
Die Stützstellen n_k des Abtastsatzes der mittleren Kurbelwellendrehzahl befinden sich an den Stellen:
Die Koeffizienten der Fourier-Reihe lauten damit:
Um die Regelung der harmonischen Vielfachen der halben Nockenwellenfrequenz von anderen gewünschten Drehmomentanforderungen, wie z. B. der Leerlaufregelung oder dem Fahrerwunschmoment (4), zu entkoppeln, wird die Fourier-Reihe nicht direkt aus der mittleren Kurbelwellendrehzahl entwickelt, sondern aus der um den durch diese anderen Momentananforderungen resultierenden (gewünschten) Drehzahlverlauf, im folgenden als Drehzahltrend bezeichnet, bereinigten Anteil. Dieser Anteil ist in 3B mit 34 bezeichnet.
In einem nächsten optional durchführbaren Schritt wird daher die mittlere Drehzahl um den Drehzahltrend bereinigt: Dieser Drehzahltrend wird aus dem Verlauf der mittleren Kurbelwellendrehzahl über zwei Nockenwellenumdrehungen mit Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate als Polynom zweiter Ordnung dargestellt und von der mittleren Kurbelwellendrehzahl subtrahiert. Aus der Differenz wird dann, wie oben beschrieben, die Regelabweichung ermittelt.
3A zeigt den Verlauf der mittleren Kurbelwellendrehzahl 30 und den zugehörigen Drehzahltrend 32. In 3B ist der für die Berechnung der Regelabweichung verwendete, um den Drehzahltrend bereinigte, Schwingungsanteil 34 zu sehen.
Zur Berechnung der Regelabweichung, also die Störanteile des Drehzahlsignals mit den Oberwellen 2 bis Z werden mit Hilfe der mit Gleichungen (4) berechneten Koeffizienten zunächst die einzelnen Oberwellen jeweils an bestimmten Stellen k_n innerhalb der letzten Nockenwellenumdrehung berechnet, an der die Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung desjenigen Zylinders, der als nächstes zünden wird, am stärksten ist, siehe auch 1, wie folgt:
bedeutet dabei die Phasenverschiebung zwischen einer Zündung des Zylinders mit maximaler Ausprägung des Beitrags des Zylinders bis zur Ausbildung der betrachteten Oberwelle.
Dabei kann für jede Ordnung n die Stelle k_n der stärksten Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung des als nächstes zündenden Zylinders von den Stellen der übrigen Ordnungen abweichen.
Die jeweils nach Gleichung (5) berechneten Anteile e_n der Regelabweichung werden gewichtet zur gesamten Regelabweichung e_Z summiert und dem Zylinder Z zugeordnet.
Die Regelung selbst erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt für einen 4-Hubkolbenmotor bevorzugt wie folgt: Jeder Zylinder erhält einen Regler mit integrierendem Anteil, damit die Störungen stationär genau zu Null geregelt werden können. Jeder Regler erhält als Eingangssignal die aus den letzten zwei Nockenwellenumdrehungen (aus Sicht des als nächstes zündenden Zylinders) berechnete Regelabweichung, wie oben mit den Gleichungen (1) bis (4) beschrieben.
4 zeigt ein Blockschaltbild für die Regelung der harmonischen Störungen mit einem Regelungssystem 40 mit einer funktionalen Einheit, die wesentliche einzelne Teilfunktionen der Regelung gemäß Ausführungsbeispiel in einer funktionalen, programmierten funktionalen Einheit 42 integriert.
Eine bevorzugte Implementierung des erfindungsgemäß beanspruchten Verfahrens zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren kann im Rahmen des prinzipiellen Aufbaus des Blockschaltbildes der 4 erfolgen. Weitere Einzelheiten des Verfahrens können wie folgt implementiert sein:
Jeder Regler R1 bis R4 ist seinem speziellen Zylinder – einem jeweiligen von Z1 bis Z4 zugeordnet und erhält als Eingang die jeweilige Regelabweichung, wie oben beschrieben berechnet und im zentralen Bereich 42 der Figur symbolisiert. Jeder Regler berechnet eine Stellgröße für einen bestimmten Zylinder aus einem bestimmten Wert der in 4 abgebildeten Kurve der mittleren Kurbelwellendrehzahl, vgl. 1. Die Randinformation der Zuordnung, welcher Zylinder von welchem Regler angesteuert wird, ist vorzugsweise fest verdrahtet, zum Zeitpunkt des Reglerentwurfs, um die Implementierung des Regelkreises möglichst einfach zu halten. Durch eine software-/hardwaregesteuerte Zuordnung 46 zwischen Reglerausgängen und Stelleingängen 49 kann jeder Zylinder gezielt angesteuert werden. Dabei wird der Stellwert aus der Bewegung des Gaspedals je nach Fahrerwunsch und einem separaten Regelkreis 44 in einen Knotenpunkt 48 eingespeist und gleich mitverarbeitet. Der Stellgröße aus der speziellen Regelung im Bereich 42 wird also die aus weiteren Anforderungen resultierende Stellgröße(n) überlagert, z.B. dem Fahrerwunschmoment, wenn er Gas gibt.
Ein optimaler Satz von k-Werten (Anzahl: Z – 1, für die Ordnungen 2, 3, ..Z) wird erfindungsgemäß durch automatisches, programmgesteuertes Optimieren ermittelt. Dabei sind beispielsweise bei Verwendung eines PI-Reglers zwei Verstärkungsfaktoren Kp, Ki für diesen Regler notwendig, wodurch die Gesamtanzahl der Parameter Z – 1 +2 = Z + 1 beträgt.
Dies geschieht beispielsweise wie folgt:

1. Zunächst wird der PI Regler „schwach" eingestellt (kleine Verstärkungen, z.B. Kp = 0.1, Ki = 0.1).
2 . Dann wird k_n (n = 2, 3, ..., Z) iterativ in ganzen Schritten im Intervall [2Z, 4Z-1] verstellt und das Motorverhalten bei jeder Kombination beobachtet. Dazu ist zu jeder Kombination eine Messung der Drehzahl durchzuführen, wobei für alle Messungen dieselben Randbedingungen (Messdauer, Motorlast, etc.) gelten müssen. Das Verhalten kann dann zahlenmäßig bewertet werden, z.B. über die Summe der Quadrate der Abweichungen der Drehzahl von der Solldrehzahl. Die kleinste Zahl ergibt sich bei den optimalen Parametern. Dieser Messablauf kann erfindungsgemäß programmgesteuert automatisch mit gängiger, aus dem Stand der Technik bekannter Software zur Motorsteuergeräteapplikation durchgeführt werden. Die Parameter sind also allgemein mittels „nichtlinearer Optimierungsverfahren" automatisiert auszulegen.
3. Dann erfolgt das Auslegen der PI Reglerparameter Kp, Ki mit „nichtlinearer Optimierung". Dabei wird jedoch nicht iterativ kombiniert, sondern beispielsweise eine „Optimierung mit Evolutionsstrategie" durchgeführt.

Als zur Drehzahltrendberechnung (siehe oben bei 3A und 3B zusätzliche Maßnahme zur Entkopplung der Regelung von weiteren Anforderungen – insbesondere die durch eine Leerlaufdrehzahlregelung implizierte Anforderung – dient eine im Regeltakt fortlaufende Initialisierung der Integratoren der Regler derart, dass der Verlauf der Stellgröße der Regelung mittelwertfrei ist, das heißt mit einem Mittelwert = 0 ist. Alternativ dazu ist es möglich, auf diese Initialisierung zu verzichten, wenn der Drehzahltrend die Regelgröße der Leerlaufregelung darstellt.
Für das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel liegen bereits Simulationen vor, die nachfolgend beschrieben und diskutiert werden.
Die Simulationen wurden an einem Modell für die Kurbeltriebmechanik eines Vierzylindermotors durchgeführt. Dabei wurden zwei der Vierzylinder künstlich verstimmt, um Störungen, wie in der Einleitung beschrieben, zu erzeugen.
5 zeigt die Verläufe der mittleren Kurbelwellendrehzahl im Fall ohne Regelung der Harmonischen der Nockenwellenfrequenz, Linie 50, und mit Regelung, Linie 52.
6 zeigt die Verläufe der nicht gemittelten, hochaufgelösten Kurbelwellendrehzahl ohne Regelung der Harmonischen, Linie 60, und mit Regelung, Linie 62. Die positiven Effekte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind deutlich zu erkennen.
In 5 wird die Schwankungsbreite auf ca. 50 % der ohne Regelung reduziert.
In 6 wird die Schwankungsbreite auf ca. 10 % der ohne Regelung reduziert.
7 zeigt die Verläufe der mittleren Kurbelwellendrehzahl.
Linie 70 zeigt den Verlauf der mittleren Kurbelwellendrehzahl für den Fall ohne Regelung der Harmonischen.
Linie 72 zeigt das Verhalten, wenn nur die einfache und die zweifache Nockenwellenfrequenz ausgeregelt werden.
Der Verlauf der Linie 74 zeigt das Verhalten, wenn zusätzlich die eineinhalbfache Nockenwellenfrequenz zu Null geregelt wird. Dabei ist deutlich zu sehen, dass es vorteilhaft ist, auch ungeradzahlige Vielfache der halben Nockenwellenfrequenz auszuregeln.
Im folgenden und mit Bezug zu 8 werden weitere Einzelheiten für ein Implementierungsbeispiel für das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel gegeben: Dabei werden die folgenden Schritte zyklisch in äquidistanten Kurbelwellenwinkelschritten (4·π/Z) entsprechend der Zündfrequenz durchlaufen, das heißt, vor jeder Zündung werden die vier Schritte zylinderspezifisch für den am nächs ten zündenden Zylinder abgearbeitet, um ihm einen Regelimpuls zur Laufzeit geben zu können.
Als Schritt 810 wird eine Fourieranalyse des aktuell im Ringpuffer – Einzelheiten siehe weiter unten bei 9 – befindlichen, über dem Kurbelwellenwinkel aufgezeichneten Drehzahlverlaufs während der aus Sicht des als nächstes zündenden Zylinders über die zuletzt vergangenen zwei Nockenwellenumdrehungen durchgeführt.
Als nächster Schritt 820 erfolgt das Berechnen der Regelabweichung, für die der als nächstes zündende Zylinder als aktuelles Regelobjekt genommen wird.
Als nächster Schritt 830 erfolgt das Berechnen der Stellgröße des als nächstes zündenden Zylinders, indem die in Schritt 820 berechnete Regelabweichung dem Regler des Zylinders als Eingangssignal aufgeschaltet wird und gemäß der Übertragungsfunktion des Reglers in die Stellgröße überführt wird.
In einem Schritt 840 erfolgt das Anlegen der Stellgröße an den als nächstes zündenden Zylinder.
Bei einem 4-Zylinder 4-Takt Motor ergibt sich für die Drehzahl von 4000 U/min eine maximal ausnutzbare Rechenzeit zwischen zwei Zündungen von etwa:
60/(2·4000·4) Sekunden, entsprechend etwa 2 Millisekunden, um die Regelschleife komplett durchzulaufen. Der Prozessor für die Regelung muss eine entsprechende Leistung aufweisen.
Mit Bezug zu 9 wird im folgenden ein bevorzugt verwendeter Ringpuffer und seine Belegung zur Speicherung der momentanen Drehzahlwerte beschrieben.
In einem Ringpuffer (bei 4-Hubkolbenmotor) befinden sich gemäß 9 oberer Teil stets die zuletzt winkelsynchron abgetasteten 4·Z Drehzahlwerte. Der Abtastwinkel ist halb so groß wie der Zündwinkel, d.h. es wird mit zweifacher Zündfrequenz abgetastet, siehe bei 1 oben. Es sei nun angenommen, als nächster Zylinder zündet ein Zylinder Y, und der zuletzt vor dieser Zündung „Nummer y" abgetastete Drehzahlwert sei Nx. Dann beinhaltet der Ringpuffer die Abtastwerte wie oben in 9 gezeigt.
Zu einem späteren Zeitpunkt beinhaltet der Ringpuffer vor der danach stattfindenden Zündung „Nummer y + 1" die Abtastwerte, wie sie in 9 unten gezeigt sind.
Wie oben erläutert findet die Berechnung der Stellgröße durch Auswertung des aktuellen Ringpufferinhalts statt. Der jeweils aktuellste Wert des Ringpuffers wird von Zündung zu Zündung im Ringpuffer um jeweils zwei Stellen nach links verschoben, ebenso wie alle anderen Werte nach links verschoben werden. Der älteste Wert „fällt rechts heraus", der neueste Wert „kommt rechts hinein". Der Ringpuffer wird im Abtasttakt aktualisiert. Jeder einzeln abgetastete Drehzahlwert befindet sich so für 2·Z Zündungen im Ringpuffer. Das Drehzahlsignal wird auf diese Weise im Rahmen der Wirkungsweise des Hubkolbenmotors kontinuierlich verarbeitet. Gut eignet sich hierfür ein Schieberegister.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nun für einen beliebigen, individuellen Motor angepasst werden: Die Struktur der Regelung ist dabei im wesentlichen durch die folgenden Merkmale charakterisiert:

1. Vorverarbeitung (Vorfilterung) des Drehzahlsignals (im wesentlichen Trendabzug);
2. Fourieranalyse;
3. Synthetisieren der Regelabweichung gemäß Gleichung (5) auf Basis der Fourieranalyse;
4. Berechnen der Stellgröße gemäß der Übertragungsfunktion des Reglers, der einen integrierenden Anteil besitzt.

Zur Inbetriebnahme der Regelung am individuellen Motor sollten die freien Parameter der Regelungsstruktur für ein optimales Regelungsverhalten bestimmte Zahlenwerte annehmen, die von Motortyp zu Motortyp verschieden sind. Diese initialen Zahlenwerte, die weiter oben als zu einem Nockenwellenwinkel von 30° führend eingeführt wurden, können empirisch ermittelt werden. Sie werden erfindungsgemäß mittels des geschilderten, erfindungsgemäßen Verfahrens, also am realen Motor automatisiert optimiert, wodurch die Winkel von beispielsweise 31° oder 32° mit den optimierten k-Werten erhalten werden.
Optional können zur Berechnung der Regelabweichung die einzelnen Frequenzanteile (2, 3, ...Z) unterschiedlich gewichtet werden, so dass es zusätzlich Z – 1 Parameter gibt.
Die Anzahl der Parameter ist also verhältnismäßig gering, so dass sich die Auslegung der Regelung am individuellen Motor mit geringem Aufwand automatisiert realisieren lässt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Die Regelung lässt sich in Motorsteuerungssoftware aktueller Motorsteuerungssysteme vom Stand der Technik als zusätzliche Funktion einbetten.
Die Randinformationen (wie z.B. Nummer des als nächstes zündenden Zylinders) sind in aktuellen Motorsteuerungseinrichtungen standardmäßig gegeben, das heißt, sie sind in der Motorsteuerungssoftware bereits als Variablen vorhan den. Moderne Motorsteuerungen liefern standardmäßig alle Informationen (Drehzahlwerte, ...), die vom Regelungsverfahren benötigt werden.
Weiter kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in Hardware, Software oder einer Kombination aus beiden realisiert werden. Eine beliebige Art von Computersystem oder Computergeräten, besonders aber eine Motorsteuerungshardware/Softwarekombination aus dem Stand der Technik ist dafür geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren ganz oder in Teilen durchzuführen, wenn sie erfindungsgemäß programmiert und ausgelegt ist und die entsprechenden, erfindungsspezifischen Input-Schnittstellen der Istwerterfassung der Regelung, bzw. die Outputschnittstellen zum Stellen der Stellglieder des Systems aufweist. Eine typische Hardware-Software-Kombination für die vorliegende Erfindung wäre ein leistungsangepasster Computer eines Motorsteuerungssystems und ein Computerprogramm, das, wenn es geladen und ausgeführt wird, den Computer derart steuert, dass es das erfindungsgemäße Verfahren ganz oder in Teilen ausführt.
Die vorliegende Erfindung kann auch in ein Computerprogramm-Erzeugnis eingebettet sein, das sämtliche Merkmale enthält, die eine Implementierung der hierin beschriebenen Verfahren ermöglichen, und die, wenn sie in ein Computersystem geladen wird, dazu imstande ist, diese Verfahren auszuführen, wenn es mit den aktuellen Daten versorgt wird.
Computerprogrammeinrichtungen oder Computerprogramme bedeuten im vorliegenden Kontext beliebige Ausdrücke in einer beliebigen Sprache oder Notation, oder einem beliebigen Code eines Satzes von Anweisungen, die ein System mit einer Informationsverarbeitungsmöglichkeit dazu veranlassen sollen, von den folgenden Funktionen
Umsetzung in eine andere Sprache oder Notation oder einen anderen Code,
Reproduktion in eine unterschiedliche materielle Form, eine bestimmte entweder direkt oder nacheinander oder beide durchzuführen.
Das Verfahren ist bei Hubkolbenmotoren mit beliebiger Zylinderzahl anwendbar. Es gibt auch keine Einschränkung bezüglich des Motortyps (Diesel, Otto, Gas, ...).
Die Motordrehzahl kann aus der Nockenwellendrehzahl oder aus der Kurbelwellendrehzahl berechnet werden.
So ist der Trendabzug bei jeder Variante realisierbar. Dadurch, dass nur Sinusschwingungen ausgeregelt werden, ist der Stellgrößenverlauf der Laufruheregelung stationär mittelwertfrei, das heißt, es wird dem System stationär im Mittel keine Energie zu- oder abgeführt (wenn ein Zylinder mehr Stellgröße bekommt, wird sie den anderen Zylindern abgezogen, so dass die Summe Null ist). Diesen Effekt kann man – wie im Stand der Technik bekannt – durch entsprechende Initialisierung der I-Anteile beschleunigen. Dies ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht erforderlich, da die betrachteten Schwingungen ohnehin mittelwertfrei sind. Insbesondere der Trendabzug macht diese Initialisierung verzichtbar.

Claims

Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren, gekennzeichnet dadurch, dass es einen Algorithmus mit folgenden Schritten enthält: a) Verwenden (810) einer Fourierreihe mit Z – 1 Summanden a_n, b_n, ..., mit n = 2, 3, .. Z, (wobei Z die Anzahl der Zylinder des Motors ist) als Reihendarstellung von mittleren Drehzahlwerten der Motordrehzahl, wobei die Ordnung n so gewählt ist, dass wenigstens ein ungerades Vielfaches der halben Nockenwellenfrequenz mit in der Reihendarstellung berücksichtigt ist, zur Generierung einer Regelabweichung e_n, b) Berechnen eines Einzelbeitrags zur Regelabweichung für jeden Summanden der Reihendarstellung mittels eines vorbestimmten Wertes k = k(n), wobei k(n) aus einer Voruntersuchung stammt und derjenige Wert ist, bei dem die maximale Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung desjenigen Zylinders, der als nächstes zünden wird, gemessen wird, und c) Bilden (820) einer Gesamtregelabweichung e_Z aus den Einzelbeiträgen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei n so gewählt ist, dass wenigstens das Dreifache der halben Nockenwellenfrequenz mit in der Reihendarstellung berücksichtigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, zusätzlich mit den Schritten: d) Erfassen von aktuellen Werten der Motordrehzahl aus einem Zeitintervall von wenigstens 2 Nockenwellenumdrehungen, e) Berechnen von mittleren Drehzahlwerten der Motordrehzahl (30) aus einer Teilmenge, wobei insbesondere jeweils zwei aufeinander folgende Einzelwerte berechnet werden, f) Abspeichern der mittleren Drehzahlwerte in einem Speicher, g) Lesen der mittleren Drehzahlwerte aus einem Zeitintervall von 2 Nockenwellenumdrehungen aus dem Speicher, h) Auswerten der mittleren Drehzahlwerte gemäß dem Algorithmus von Anspruch 1, resultierend in einer Regelabweichung, i) Lesen einer Randinformation, welcher Zylinder als nächstes zünden wird, j) Berechnen (830) der Stellgröße aus der Regelabweichung und der Reglerübertragungsfunktion für den als nächstes zündenden Zylinder, k) Beaufschlagen (840) des Stellglieds für den als nächstes zündenden Zylinder mit der Stellgröße, l) Einlesen neuer Messwerte in den Speicher, entsprechend des überstrichenen Kurbelwellendrehwinkels zwischen zwei aufeinander folgenden Zündungen, m) Wiederholen der vorherigen Schritte mit den jeweils aktualisierten mittleren Drehzahlwerten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Satz von optimierten k-Werten durch automatisches programmgesteuertes Optimieren ermittelt wird.
Verfahren zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren nach Anspruch 1, die weiteren Schritte enthaltend: a) Erfassen des Trends (32) der Motordrehzahl (30), b) Subtrahieren dieses Trends (32) von den aktuell erfassten Werten der Motordrehzahl (30), wodurch eine Bereinigung der mittleren Drehzahlwerte erfolgt, und c) Berechnen der Regelabweichung (820) mit den trendbe reinigten Drehzahlmittelwerten (34).
System zur Regelung der Laufruhe von Hubkolbenmotoren, gekennzeichnet durch eine programmierte Einheit (40) mit a) einer funktionalen Einheit (42) zum Verwenden (810) einer Fourierreihe mit Z – 1 Summanden a_n, b_n, ..., mit n = 2, 3, .. Z, (wobei Z die Anzahl der Zylinder des Motors ist) als Reihendarstellung von mittleren Drehzahlwerten der Motordrehzahl, wobei die Ordnung n so gewählt ist, dass wenigstens ein ungerades Vielfaches der halben Nockenwellenfrequenz mit in der Reihendarstellung berücksichtigt ist, zur Generierung einer Regelabweichung e_n, b) einer funktionalen Einheit (42) zum Berechnen eines Einzelbeitrags zur Regelabweichung für jeden Summanden der Reihendarstellung mittels eines vorbestimmten Wertes k = k(n), wobei k(n) aus einer Voruntersuchung stammt und derjenige Wert ist, bei dem die maximale Ausprägung der Wirkung der letzten Zündung desjenigen Zylinders der als nächstes zünden wird, gemessen wird, und c) einer funktionalen Einheit (42) zum Bilden (820) einer Gesamtregelabweichung e_Z aus den Einzelbeiträgen.
System nach dem vorstehenden Anspruch, wobei n so gewählt ist, dass wenigstens das Dreifache der halben Nockenwellenfrequenz mit in der Reihendarstellung berücksichtigt ist.