DE102005057975A1

DE102005057975A1 - Verfahren zur zylinderindividuellen Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005057975A1
Application number: DE102005057975A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schueler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-06
Also published as: US20070175443A1

Abstract

Ein Verfahren zur zylinderindividuellen Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge einer Brennkraftmaschine (100) ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal, das durch die Verbrennung beeinflusst wird oder eine Größe betrifft, die Einfluss auf die Verbrennung hat, und zeitlich gegeneinander versetzte Informationen von allen Zylindern enthält, ausgewertet wird, indem durch zylinderindividuelle Unterschiede verursachte Schwingungsanteile im Frequenzbereich ermittelt und für ausgewählte Frequenzen getrennt geregelt werden, und dass pro auszuregelnder Frequenz ein Amplitudenregler, der die Amplitude eines Korrektureingriffs bestimmt, und ein Phasenregler, der die Zuordnung eines Eingriffsmusters bezüglich der Zylinder bestimmt, vorgesehen sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zylinderindividuellen Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen erfolgt eine drehzahlbasierte zylinderindividuelle Steuerung der Kraftstoffeinspritzmenge. Durch dieses auch als Mengenausgleichsregelung bezeichnete Verfahren können Einspritzmengenfehler, die zu Momentenunterschieden und damit zu ungleichförmigen Drehzahlen führen, ausgeglichen werden. Luftmengenfehler, die bei gleicher Einspritzmenge zu zylinderindividuellen Lambda-Unterschieden führen, können hierdurch jedoch nicht erkannt und ausgeglichen werden. Derartige Luftmengenfehler können jedoch zu sehr großen Abweichungen der Abgaszusammensetzungen führen.

Für Ottomotoren existieren zylinderindividuelle Lambda-Regelungen, die jedoch nur bei nicht aufgeladenen Motoren zum Einsatz kommen. Diese Verfahren basieren auf einer Auswertung im Zeitbereich mithilfe einer Beobachterstruktur. Ein solches Verfahren geht beispielsweise aus der EP 1 426 594 A2 hervor.

Aus der DE 100 62 895 A1 ist ein Verfahren zur individuellen Lambda-Regelung bekannt geworden, bei dem jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine Regelabweichung und ein Regler zugeordnet sind, wobei jeder Regler, ausgehend von der zugeordneten Regelabweichung, ein zylinderspezifisches Ansteuersignal vorgibt. Ausgehend von einem Signal eines im Abgastrakt angeordneten Sensors werden so zylinderspezifische Istwerte ermittelt und mit einem Sollwert verglichen. Ausgehend von dem Vergleich werden Ansteuersignale zur zylinderindividuellen Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge vorgegeben. Dieses Verfahren beruht im wesentlichen auf einer Frequenzauswertung ähnlich der vorgenannten Mengenausgleichsregelung bei Dieselmotoren. Eine Voraussetzung für eine stabile Funktionsweise beider vorgenannter Verfahren ist ein fester Phasenzusammenhang zwischen der Einspritzmenge der Zylinder und dem gemessenen Lambda-Wert. Beide Signale repräsentieren alle Zylinder. Die Einspritzmenge ist dabei jedem der Zylinder zugeordnet, wohingegen der Lambda-Wert ein kontinuierliches Signal darstellt und in einem Teil des Abgastraktes gemessen wird, der vom Abgas aller auszuwertenden Zylinder durchströmt wird. In dem vorerwähnten Beobachtermodell kann eine veränderte Phasenbeziehung z.B. durch eine veränderte Totzeit oder durch Anpassung der Zuordnung der Abtastwerte zu den Zylindern ausgeglichen werden.

Die Phasenbeziehung kann auch als Kennfeld z.B. über Drehzahl-Last bestimmt sein. Es ist jedoch charakteristisch, dass die Phasenbeziehung in der Applikationsphase bestimmt und der Zusammenhang festgelegt wird. Die vorstehend beschriebenen Verfahren berücksichtigen jedoch nicht, dass die Phasenbeziehung der ausgewerteten Signale auch von anderen Größen abhängt. Beispielsweise können Änderungen der Abgasrückführrate, der Drücke und Temperaturen der Brennkraftmaschine und insbesondere Betriebsgrößen eines Abgas-Turboladers, wie dessen Drehzahl, Schaufelstellung und dergleichen einen deutlichen Einfluss auf die Phasenbeziehung in dem auszuwertenden Signal, beispielsweise einem Lambdasignal, ausüben. Problematisch ist, dass die meisten dieser Einflüsse nicht ausreichend genau modelliert werden können, um die Gefahr der Instabilität des Regelkreises zu minimieren, und die vorgekannten zylinderindividuellen Lambda-Regelungsverfahren auch für relativ wenige Betriebsbereiche beschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur zylinderindividuellen Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge einer Bremskraftmaschine dahingehend weiterzubilden, dass möglichst alle Einflüsse auf die Phasenbeziehung berücksichtigt und ausgeregelt werden und so eine stabile zylinderindividuelle Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge der Brennkraftmaschine, d.h. eine zylinderindividuelle Lambda-Gleichstellung möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Grundidee der Erfindung ist es, durch zylinderindividuelle Unterschiede verursachte Schwingungsanteile im Frequenzbereich zu ermitteln, und für ausgewählte Frequenzen getrennt auszuregeln, wobei hierzu pro auszuregelnder Frequenz ein Amplitudenregler, der die Amplitude eines Korrektureingriffs bestimmt und ein Phasenregler, der die Zuordnung eines Eingriffsmusters bezüglich den Zylindern bestimmt, vorgesehen sind.

Zeichnung
Weitere Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch eine an sich bekannte Brennkraftmaschine, bei der das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
2 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Nockenwellenfrequenz und
3 schematisch die Berechnung der Gewichtungsfaktoren für die Eingriffsmuster.
Beschreibung von Ausführunsgbeispielen
In 1 ist eine Brennkraftmaschine mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Ihr wird Luft über eine Frischluftleitung 118, einen Verdichter 115 und eine Ansaugleitung 110 zugeführt. Die Abgase der Brennkraftmaschine gelangen über eine Abgasleitung 120 und eine Turbine 125 in eine Auspuffleitung 128. Die Turbine 125 treibt den Verdichter 115 über eine nicht dargestellte Welle an.
Der Brennkraftmaschine ist eine mengenbestimmende Stelleinrichtung 150 zugeordnet. Über diese wird der Brennkraftmaschine Kraftstoff zugeführt. Dabei kann jedem Zylinder eine individuelle Kraftstoffmenge zugemessen werden. Dies ist in 1 dadurch dargestellt. Dass jedem Zylinder ein mengenbestimmendes Stellelement 151 bis 154 zugeordnet ist. Die einzelnen Stellelemente 151 bis 154 werden von einer Steuereinheit 160 mit Ansteuersignalen beaufschlagt. Bei den Stellelementen 151 bis 154 handelt es sich beispielsweise um Magnetventile oder Piezoaktoren, die die Kraftstoffzumessung in den jeweiligen Zylinder steuern. Dabei kann vorgesehen sein, dass pro Zylinder ein Injektor, eine Verteilerpumpe oder ein anderes die eingespritzte Kraftstoffmenge bestimmendes Element, die den Zylindern abwechselnd Kraftstoff zumisst, vorgesehen ist. Die Steuereinheit 160 beaufschlagt ferner ein weiteres Stellglied 155, das die Frischluftmenge, die der Brennkraftmaschine 100 zugeführt wird, beeinflusst. Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann dieses Stellglied 155 auch weggelassen werden. Des weiteren verarbeitet die Steuereinrichtung 160 die Ausgangssignale verschiedener Sensoren 170, die beispielsweise die Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperatur- und Druckwerte sowie den Fahrerwunsch, charakterisieren.
Darüber hinaus verarbeitet die Steuereinheit 170 Signale von Sensoren 180, die die Abgaszusammensetzung oder den Druck und/oder die Temperatur im Abgas charakterisieren. Diese Sensoren 180 sind vorzugsweise zwischen der Brennkraftmaschine und der Turbine 125 angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Sensor 185 stromabwärts der Turbine in der Abgasleitung angeordnet sein. Die Sensoren 150 bzw. 185 erfassen bevorzugt ein Signal, das die Sauerstoffkonzentration im Abgas charakterisiert. Alternativ und/oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Druck in der Abgasleitung vor oder hinter der Turbine 125 ausgewertet wird.
Die Einrichtung arbeitet nun wie folgt. Die Frischluft wird von dem Verdichter 115 verdichtet und gelangt über die Ansaugleitung 110 in die Brennkraftmaschine 100. Der Brennkraftmaschine 100 wird über die mengenbestimmende Stelleinrichtung 150 Kraftstoff zugemessen. Dabei wird jedem Zylinder abhängig von dem Ansteuersignal der Steuereinheit 160 eine zylinderindividuelle Kraftstoffmenge zugeführt. Die Abgase gelangen über die Abgasleitung zur Turbine 125, treiben diese an und gelangen dann über die Auspuffleitung 128 in die Umgebung. Die Turbine 125 treibt dabei den Verdichter 115 über eine nicht dargestellte Welle an.
Die Steuereinheit 160 berechnet, ausgehend von den verschiedenen Eingangssignalen, insbesondere dem Fahrerwunsch, die Ansteuersignale zur Beaufschlagung der Stellelemente 151 bis 154. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich die Stelleinrichtung 155 vorgesehen, die die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine steuert. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Abgasrückführeinrichtung handeln, die die Menge an rückgeführtem Abgas bestimmt. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die dem einzelnen Zylinder zugeführte Luftmenge beeinflusst wird. Dies kann beispielsweise durch eine Ventilsteuerung der Ein- und Auslassventile realisiert werden.
Die Ermittlung der Ansteuersignale für die Stellelemente 151 bis 155 wird nun in Verbindung mit 2 bis 3 nachfolgend näher erläutert.
Die Auswertung des von dem Sensor 180 ermittelten Lambda-Signals erfolgt im Frequenzbereich. Dabei kommt es auf die Nockenwellenfrequenz (NW) und ihre Oberwellen bis zur halben Zündfrequenz an, z.B. für einen Vierzylindermotor NW, 2NW = KW (Kurbelwellenfrequenz). Im Unterschied zu an sich bekannten, z.B. aus der DE 100 62 895 A1 hervorgehenden Verfahren wird bei dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zusätzlich zur Amplitude dieser Frequenzen auch deren Phase bestimmt. Diese können z.B. mit einer Fast-Fourier-Transformation ermittelt werden. Alternativ kann das Signal auch bandpassgefiltert werden. Der Phasenwert kann dabei einfach, z.B. aus den Nulldurchgängen bestimmt werden. Da es keinen festen Zusammenhang zwischen den Phasenänderungen bei den verschiedenen Frequenzen geben muss, wird für jede Frequenz ein separater Regler zur Gleichstellung der Brennkraftmaschine 100 verwendet, der nachfolgend näher erläutert wird.
2 zeigt beispielhaft, wie eine zylinderindividuelle Verstimmung bei einer bestimmten Frequenz F in der komplexen Ebene als Punkt A_F dargestellt werden kann, wobei die Länge I_F die komplexe Amplitude der Schwingung und der Winkel φ_F den Phasenversatz zwischen der Einspritzung eines Zylinders und der Wirkung im Ausgangssignal, das durch den Sensor 180 erfasst wird, darstellt. Grundidee der Erfindung ist es, einen Regler zu schaffen, der für jede Frequenz in einen Phasen- und einen Amplitudenregler aufgeteilt ist.
Aufgabe des Phasenreglers ist es, das richtige Eingriffsmuster, das heißt, die Aufteilung des Eingriffs des Amplitudenreglers auf die einzelnen Zylinder zu bestimmen. Da nur zylinderindividuellen Unterschiede ausgeglichen werden sollen, muss für jede Frequenz die Summe der Eingriffe stets Null ergeben.
In 3 ist für das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft die Zuordnung für Nockenwellenfrequenz NW und Kurbelwellenfrequenz KW bei einem Vierzylindermotor dargestellt. Als Grundfunktion wird eine periodische, mittelwertfreie Funktion, z. B. eine Sinusfunktion, verwendet, die für die NW-Frequenz eine Periode, für ihre Oberwellen entsprechend mehr Perioden enthält.
Das Einspritzmuster G ergibt sich für jede Frequenz F aus der Grundfunktion anhand der Winkelzuordnung für die einzelnen Zylinder, wobei der Abstand der Zylinder zueinander fest 2π/Zylinderzahl, der absolute Startwinkel der Zuordnung jedoch beliebig, z. B. 0 für Zyl. 1, ist. Es werden Gewichtungsfaktoren der Einspritzmuster wie folgt ermittelt: gNW = [gNW,Zyl1, gNW,Zyl2, gNW,Zyl3, gNW,Zyl4]; gKW = [gKW,Zyl1, gKW,Zyl2, gKW,Zyl3, gKW,Zyl4];oder:
wobei ΔΦ einen durch den Phasenregler bestimmten Winkeloffset zur Verschiebung des Einspritzmusters darstellt.
Ausgehend von einer zylinderindividuellen Anfangsverstimmung des auszuwertenden Signals bei einer Frequenz F mit der Amplitude 1 (2, Punkt A) und einer Ausgangseinstellung des Eingriffsmusters g_F, versucht der Amplitudenregler über einen Mengeneingriff Δme_F die Schwingung auszuregeln. Stimmt das Eingriffsmuster nicht, d.h. der Phasenregler ist nicht stabil eingeschwungen, ergibt sich jedoch eine Änderung nach A_F' in der komplexen Ebene. Beide Regler können hierzu gleichzeitig aktiv sein. Hieraus resultiert eine Phasenänderung Δφ_F und eine Amplitudenänderung ΔI_F. Ein positives Δφ_F bedeutet einen größeren Phasenversatz zwischen Eingriffsgröße und Ausgangsgröße.
Aufgabe des Phasenreglers ist es, Phasenänderungen Δφ_F zwischen Ein- und Ausgangssignal zu verhindern. Der absolute Wert der Phase φ_F ist dagegen nicht wichtig. Ändert sich φ_F durch einen Eingriff auf die Einspritzmengen nach φ_F', so versucht der Phasenregler nun die Phase bei φ_F' konstant zu halten. Hierzu verstellt der Phasenregler durch einen Eingriff auf den Phasenoffset Δφ_F das Eingriffsmuster, derart, dass der bisherigen Phasenänderung entgegengewirkt wird. Führt ein Eingriff mit einem bestimmten Eingriffsmuster auf die Einspritzmenge zu keiner Phasenverschiebung, d.h. Δφ_F = 0, sondern nur zu einer Amplitudenänderung, so entspricht das Eingriffsmuster g_F auf die unterschiedlichen Zylinder dem Verhältnis der tatsächlichen Verstimmungen der Zylinder zueinander. Der Amplitudenregler kann nun über die Größe des Eingriffs Δme_F die Zylinder gleichstellen, das heißt die Schwingung ausregeln. Der Punkt A_F' wandert dann in der komplexen Ebene direkt in den Ursprung, d.h. die Zylinder werden gleichgestellt. Auch wenn die Phase nicht ganz konstant gehalten werden kann, sorgt der Amplitudenregler für eine Reduzierung der komplexen Amplitude.
Der Eingriff auf die Einspritzmenge des Zylinders Δme_Zyl.i ergibt sich somit aus ΔmeZyl.i = ΔmeNW·gNW,Zyl.i + ΔmeKW·gKW,Zyl.i
Für die Regelung kann beispielsweise ein PI-Regler eingesetzt werden. Zur Stabilisierung der Regelung im Ursprung kann die Eingriffsgröße des Amplitudenreglers in Abhängigkeit vom Abstand vom Nullpunkt gewählt werden oder bei kleiner Amplitude, das heißt bei Unterschreiten einer Ausschaltschwelle kann der Amplitudenregler ebenso wie der Phasenregler ganz abgeschaltet werden. Er wird wieder eingeschaltet bei Überschreiten einer Einschaltschwelle. Durch Überlagerung der Regler für die verschiedenen Frequenzen wird die Brennkraftmaschine insgesamt gleichgestellt. Dieser Regler ist unempfindlich gegenüber weiteren Phasenverschiebungen, z.B. durch Signalfilterungen.
Es ist hervorzuheben, dass das vorstehende Verfahren neben einer Lambda-Ausgleichsregelung bei all den Systemen eingesetzt werden kann, bei denen ein gemeinsames Ausgangssignal analysiert wird, welches Einflüsse verschiedener Eingangsgrößen aufweist, die durch einen Phasenversatz getrennt sind. Besonders geeignet ist das vorstehende Verfahren zur Regelung nicht phasenstabiler Systeme. So kann beispielsweise der Regler auch zur Luftmengenregelung eingesetzt werden, falls zylinderindividuelle Lufteingriffe möglich sind. Ein großer Vorteil des vorstehend beschriebenen Regelverfahrens liegt auch darin, dass der Regler als selbstlernender Regler für phasenstabile Systeme zur Verringerung des Applikationsbedarfs eingesetzt werden kann, z.B. für die Drehzahlregelung als Alternative zu an sich bekannten Mengenausgleichsregelungen.

Claims

Verfahren zur zylinderindividuellen Steuerung der Kraftstoff- und/oder Luftmenge einer Brennkraftmaschine (100), dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal, das durch die Verbrennung beeinflusst wird oder eine Größe betrifft, die Einfluss auf die Verbrennung hat, und zeitlich gegeneinander versetzte Informationen von allen Zylindern enthält, ausgewertet wird, indem durch zylinderindividuelle Unterschiede verursachte Schwingungsanteile im Frequenzbereich ermittelt und für ausgewählte Frequenzen getrennt geregelt werden, und dass pro auszuregelnder Frequenz ein Amplitudenregler, der die Amplitude eines Korrektureingriffs bestimmt, und ein Phasenregler, der die Zuordnung eines Eingriffsmusters bezüglich den Zylindern bestimmt, vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz eines Nockenwellensignals und deren Vielfache bis einschließlich der halben Zündfrequenz ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingriff auf einzelne zylinderindividuelle Stellorgane (151, 152, 153, 154) basierend auf der Überlagerung der für einzelne Frequenzen ermittelten Stelleingriffe vorgenommen wird derart, dass die Steileingriffe bei ausgewählten Frequenzen aus der vom Amplitudenregler ermittelten freguenzspezifischen Eingriffsamplitude und dem sich für diesen Zylinder ergebenden Wert aus dem frequenzspezifischen Eingriffsmuster berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffsmuster für eine bestimmte Auswertefrequenz mittelwertfrei ist und eine dieser Frequenz entsprechende Periodizität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingriffsmuster einen zylinderspezifischen Wert liefert und auf der Basis eines Sinus als Grundfunktion berechnet wird, wobei eine Phasenverschiebung des Sinus durch einen additiven Eingriff des Phasenreglers auf das Winkelargument realisierbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenregler durch einen additiven Eingriff auf das Winkelargument eine kontinuierliche Verschiebung des Eingriffsmusters zwischen den Zylindern bewirken kann.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenregler einer Frequenz das Eingriffsmuster konstant hält, wenn die ermittelte zylinderindividuelle Schwingung bei dieser Frequenz sich durch den Regeleingriff nur in der Amplitude, jedoch nicht in der Phase ändert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregler bei sich ändernder Phase so auf das Winkelargument der periodischen Funktion Einfluss nimmt, dass sich das Eingriffsmuster auf die Zylinder derart verschiebt, dass dieser Phasenänderung entgegengewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenregler für eine bestimmte Frequenz, durch den Eingriff auf die entsprechende Stellamplitude die Schwingung ausregelt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten einer Ausschaltschwelle für die Amplitude einer Frequenz, der Regelprozess mit Amplituden- und Phasenregler für diese Frequenz gestoppt und erst wieder beim Überschreiten einer Einschaltschwelle gestartet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen- und Amplitudenregler gleichzeitig aktiv sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und die Amplitude der ausgewählten Frequenzen des Signals mittels einer Fourier-Transformation oder Fast-Fourier-Transformation ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und die Amplitude der ausgewählten Frequenzen des Signals mittels einer Bandpassfilterung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und/oder die Amplitude der einzelnen Frequenzen mittels eines PI-Reglers konstant gehalten werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangssignal das Drehzahlsignal und als Eingriffsgroße die zylinderindividuelle Einspritzmenge verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangssignal die Luftzahl Lambda, der Druck im Ansaugtrakt oder der Druck im Abgastrakt und als Eingriffsgröße die zylinderindividuelle Einspritzmenge oder zylinderindividuelle Luftsteller verwendet werden.