DE102006057688A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Steuergerät für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Steuergerät für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren und ein Steuergerät vorgeschlagen, mit dessen Hilfe zylinderindividuell das mittlere Moment und der Schwerpunkt des Verbrennungsmoments ermittelt werden können. Dabei ist es nicht erforderlich, dass für jeden Zylinder ein Zylinderdrucksensor vorgesehen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einem Beobachter 28 und einem linearen Modell 30 der Kurbelwelle 12 des Verbrennungsmotors 10.

Description

  • Stand der Technik
  • Um die zylinderindividuellen Stellglieder eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise Zündkerzen oder Injektoren, optimal ansteuern zu können, ist die Kenntnis zylinderindividueller Merkmale erforderlich. Beispiele solcher zylinderindividueller Merkmale sind der Schwerpunkt des Verbrennungsgasmoments und das von den Zylindern des Verbrennungsmotors abgegebene mittlere Moment M.
  • Diese zylinderindividuellen Merkmale können nach dem Stand der Technik dadurch ermittelt werden, dass jedem Zylinder ein Zylinderdrucksensor zugeordnet wird. Aus der Auswertung der Ausgangssignale der Zylinderdrucksensoren kann für jeden Zylinder ein Verlauf des Verbrennungsgasmoments bestimmt werden. Aus diesem Verlauf des Verbrennungsgasmomentes wiederum können die oben genannten Merkmale berechnet werden. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass in jedem Zylinder ein Zylinderdrucksensor vorhanden sein muss und die Ausgangssignale dieser Zylinderdrucksensoren mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst und ausgewertet werden müssen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Steuergerät bereitzustellen, welche zylinderindividuelle Merkmale, wie das mittlere Moment und den Schwerpunkt des Verbrennungsgasmomentes, auf einfachere und weniger kostenintensive Weise ermitteln können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem eine erste Drehkenngröße an einem ersten Ort längs einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gemessen wird, bei dem eine zweite Drehkenngröße an einem zweiten Ort längs einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gemessen wird und unter Verwendung der ersten Drehkenngröße und der zweiten Drehkenngröße zylinderindividuelle Drehkenngrößen bestimmt werden, dadurch gelöst, dass unter Verwendung der ersten Drehkenngröße und der zweiten Drehkenngröße und mit Hilfe eines Beobachters ein zylinderindividuelles Verbrennungsgasmoment bestimmt wird.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Beobachters ist es möglich, aus der Differenz der ersten Drehkenngröße und der zweiten Drehkenngröße sowie einer geeigneten Modellierung des Verbrennungsmotors das Verbrennungsgasmoment zylinderindividuell zu bestimmen. Dabei ist es nicht erforderlich, für jeden Zylinder einen Zylinderdrucksensor vorzusehen. Es ist vielmehr auch möglich, das zylinderindividuelle Verbrennungsgasmoment ohne Zylinderdrucksensoren zu bestimmen. Dabei können die erste und die zweite Drehkenngröße jeweils als Winkelgeschwindigkeit oder als Kurbelwellenwinkel ermittelt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Beobachter ein lineares Modell des Verbrennungsmotors umfasst. Des Weiteren umfasst der Beobachter eine Rückführung.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder zylinderindividuelle Abschnitt der Kurbelwelle ein zylinderindividuelles Drehmoment aufweist. Diese zylinderindividuellen Drehmomente umfassen jeweils drei Anteile, nämlich ein Moment, welches durch oszillierende Massen verursacht wird, ein Kompressionsmoment und das zu ermittelnde Verbrennungsgasmoment.
  • Durch die Modellierung dieser Momente als eingeprägte Momente, die auf die Kurbelwelle wirken, ist es möglich, trotz der Verwendung eines linearen Modells der Kurbelwelle die nicht linearen Zusammenhänge, insbesondere bezüglich der Massenträgheiten und Rotationsträgheitsmomente der einzelnen Zylinder und der Kompressions- und Expansionsmomente, in dem linearen Modell der Kurbelwelle mit ausreichender Genauigkeit abzubilden.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf sehr effiziente und ausreichend genaue Weise das zylinderindividuelle Verbrennungsgasmoment bestimmt werden. Aus diesem Verbrennungsgasmoment kann in an sich bekannter Weise das mittlere Moment und der Schwerpunkt des Verbrennungsgasmoments berechnet werden.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass ein Leitzylinder einen Zylinderdrucksensor aufweist und dass das mittlere Moment und/oder der Schwerpunkt des Verbrennungsgasmomentes aus der Summe von Verbrennungsgasmoment des Leitzylinders unter Berücksichtigung des Kurbelwellenwinkelversatzes der verschiedenen Zylinder der Brennkraftmaschine und einen Beobachterausgangsmoment abzüglich des Kompressionsmoments ermittelt wird.
  • Auch dieses Verfahren ist kostengünstig, da nur ein Zylinderdrucksensor für den Verbrennungsmotor benötigt wird.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnungen, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Vorteile können sowohl einzeln auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild, das ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes Verfahren verdeutlicht;
  • 2 der zeitliche Verlauf des Verbrennungsgasmoments;
  • 3 ein Blockschaltbild, das ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßes Verfahren verdeutlicht; und
  • 4 ein physikalisches Ersatzschaltbild eines realen Verbrennungsmotors, wie es bei Ausgestaltungen der Erfindung verwendet wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Einzelnen zeigt 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Kurbelwelle 12, zylinderindividuellen Stellgliedern 14 bis 17, Winkelsensoren 18 und 20 und einem Steuergerät 22. Die zylinderindividuellen Stellglieder 14 bis 17 sind jeweils einzeln einem Zylinder oder einer Gruppe von Zylindern des Verbrennungsmotors 10 zugeordnet. Beispiele solcher Stellglieder sind Kraftstoffeinspritzventile, Steller für eine Betätigung von Gaswechselventilen, Drosselklappen oder Zündspulen, wobei diese Aufzählung keinen abschließenden Charakter besitzt. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Verbrennungsmotor 10 vier Zylinder. Die von den Zylindern auf die Kurbelwelle 12 wirkenden Momente sind mit M1 bis M4 bezeichnet. Jedes dieser Momente M1 bis M4 umfasst drei Bestandteile; Einen aus den oszillierende Massen herrührenden Teil, einen aus der Kompression und Expansion des im Brennraum befindlichen Gases herrührenden Teil und das bei der Verbrennung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches entstehende Verbrennungsgasmoment MV,k.
  • Es ist Stand der Technik, das Verbrennungsgasmoment MV,k durch die Auswertung der Ausgangssignale von je einem Drucksensor je Zylinder des Verbrennungsmotors 10 zur ermitteln. Dieses Verfahren ist unter Anderem wegen der Vielzahl der erforderlichen Sensoren sehr aufwändig und teuer. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens soll unter Anderem das Verbrennungsgasmoment rekonstruiert werden, so dass auf den Einsatz eines Drucksensors je Zylinder verzichtet werden kann.
  • Ein erster Winkelsensor 18 ist an einem ersten Ende 24 der Kurbelwelle 12 angeordnet und ein zweiter Winkelsensor 20 ist an einem zweiten Ende 26 der Kurbelwelle 12 angeordnet. Das erste Ende 24 entspricht zum Beispiel dem Ende, an dem Nebenaggregate wie Generatoren, Wasserpumpen, Lenkhilfepumpen und/oder Klimakompressoren angetrieben werden, während das zweite Ende 26 die eigentliche Abtriebsseite darstellt, an der zum Beispiel ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs über eine Kupplung angetrieben wird.
  • Die Winkelsensoren 18 und 20 erfassen die Winkelgeschwindigkeiten nKWA und nSM an beiden Enden 24, 26 der Kurbelwelle 12 mit bekannten Verfahren. Dazu können zum Beispiel Winkelsensoren 18 und 20 dienen, die ferromagnetische Markierungen auf drehfest mit den Enden 24 und 26 der Kurbelwelle 12 verbundenen Geberrädern induktiv abtasten. Eine solche Abtastung entspricht somit einem Verfahren, bei dem die erste und die zweite Drehkenngröße jeweils als Winkelgeschwindigkeit nKWA und nSM ermittelt wird. Die Differenz der gemessenen Winkelgeschwindigkeit nKWA und nSM ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ausgangsvektor y der Regelstrecke "Verbrennungsmotor 10".
  • Falls erforderlich, können die gemessenen Winkelgeschwindigkeiten nKWA und nSM zu entsprechenden Kurbelwellenwinkeln φKWA und φSM integriert werden. Die dazu erforderlichen Integratoren sind in 1 nicht dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einem Steuergerät 22 ab. Dabei wird mit Hilfe eines Beobachters 28 für jeden Zylinder 1 bis 4 ein Verbrennungsgasmoment MV,k ermittelt. Der Beobachter 28 besteht aus einem ersten Funktionsblock 30 und einer in einem zweiten Funktionsblock 32 realisierten Rückführung.
  • Der erste Funktionsblock 30 repräsentiert ein lineares Modell der Kurbelwelle 12, das die Differenz der Winkelgeschwindigkeiten nKWA und nSM und/oder der Kurbelwellenwinkel φKWA und φSM ermittelt.
  • Das lineare Modell 30 der Kurbelwelle 12 ist ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit den Massenträgheitsmomenten an den einzelnen Kröpfungen, der Schwungmasse und weiteren Komponenten der Kurbelwelle, sowie den Federkonstanten zwischen den Massenträgheitsmomenten und den Dämpfungen zwischen den Massenträgheitsmomenten. In 4 ist das lineare Modell der Kurbelwelle 12 als Blockdiagramm dargestellt.
  • In das lineare Modell 30 gehen die von den Zylindern 1 bis 4 auf die Kurbelwelle 12 wirkenden Momente M ^1...M ^k als anregende Momente ein, die sich aus drei Anteilen zusammensetzen:
    Ein Moment durch oszillierende Massen, ein Kompressionsmoment und das zu rekonstruierende Verbrennungsgasmoment MV,k.
  • Durch das Heben und Senken der Kolben der Brennkraftmaschine 10 verändern sich die wirksamen Massenträgheitsmomente der einzelnen Zylinder (oszillierende Massen). Diese, vom Kurbelwellenwinkel φ abhängige Veränderung ist im linearen Modell 30 der Kurbelwelle 12 nicht berücksichtigt. Allerdings werden diese Veränderungen der Massenträgheitsmomente in sehr guter Näherung durch extern angreifende Momente berücksichtigt. Diese Momente werden in einem dritten Funktionsblock 34 "Moment durch oszillierende Massen" berechnet. Eingangsgrößen des Funktionsblocks 34 "Moment durch oszillierende Massen" sind:
    • ω:
    Winkelgeschwindigkeit und
    α:
    Winkelbeschleunigung
  • In einem vierten Funktionsblock 36 "Kompressionsmoment" werden die Momente berechnet, welches ohne Verbrennung des im Zylinder befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch Kompression und Expansion entstehen. Dazu wird der gemessene Ladedruck p2 und der Kurbelwellenwinkel φ verwendet. In einer ersten Ausgestaltung des vierten Funktionsblocks 36 werden eine adiabatische Kompression und Expansion berücksichtigt. Allerdings kann der vierte Funktionsblock 36 auch um eine Modellierung von Wandwärmeverlusten erweitert werden.
  • Der noch fehlende Anteil ist das gesuchte Verbrennungsgasmoment MV. Dieses berechnet sich aus der Rückführung 32 des Beobachters 28 und den Ausgangsgrößen der Funktionsblöcke 34 und 36.
  • Eingangsgröße der Rückführung 32 ist die Differenz des gemessenen Ausgangsvektors y und des mit Hilfe der linearen Modells 30 der Kurbelwelle 12 ermittelten Ausgangsvektors y ^. In anderen Worten:
    Der Beobachter 28 vergleicht die von den Winkelsensoren 18 und 20 an beiden Enden 24 und 26 der Kurbelwelle 12 erfassten die Winkelgeschwindigkeiten nKWA und nSM und/oder Kurbelwellenwinkel φKWA und φSM mit den jeweils korrespondierenden Größen des linearen Modells 30 und berechnet daraus den Verlauf des Verbrennungsgasmoments MV (φ) für die einzelnen Zylinder. Ein Beispiel für den Verlauf des Verbrennungsgasmoments MV ist in 2 dargestellt.
  • In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt der Beobachter 30 ein Verstärkungsglied mit konstanter Verstärkung dar. Alternativ ist es auch möglich, die Verstärkung in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels zu variieren und damit das Moment der momentan gefeuerten Zylinder beeinflusst werden.
  • Durch die Auswertung des Verbrennungsgasmoments MV lassen sich ein zylinderindividuelles mittleres Moment M und ein Verbrennungsschwerpunkt φVL berechnen. Diese Berechnungen erfolgen in einem fünften Funktionsblock 38 "Merkmalsberechnung".
  • Integriert man den Verlauf des Verbrennungsgasmoments MV über einen Winkelbereich von φ1 (z.B. Beginn der Verbrennung) bis φ2 (z.B. Öffnen des Auslassventils), so ergibt sich das mittlere Moment M zu
    Figure 00070001
  • Der Winkel φ1 kann zum Beispiel dem Beginn der Verbrennung entsprechen, während der Winkel φ2 zum Beispiel dem Öffnen des Auslassventils entspricht.
  • Für die Berechnung des Verbrennungsschwerpunkts φVL kann man folgende Werte verwenden: Der Winkel φ (β) an dem der Anteil β des Moments umgesetzt ist. Ein Anteil β = 0,5 entspricht dem Median des Verlaufs des Verbrennungsgasmoments MV.
  • Figure 00070002
  • Der Schwerpunkt des Verbrennungsgasmoments MV errechnet sich nach folgender Gleichung:
    Figure 00080001
  • In 3 ist ein alternatives Verfahren zur Ermittlung des Verlaufs des Verbrennungsgasmoments MV dargestellt. Dabei ist an einem Zylinder, dem sogenannten Leitzylinder ein Zylinderdrucksensor (nicht dargestellt in 1) vorhanden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird anstelle des vierten Funktionsblock 36 "Kompressionsmoment" ein sechster Funktionsblock 40 "Auswertung Druckverlauf Leitzylinder" eingesetzt. Eingangsgrößen des sechsten Funktionsblocks 40 "Auswertung Druckverlauf Leitzylinder" sind der im Leitzylinder gemessene Druck pLZ und der Kurbelwellenwinkel φ.
  • Ausgangsgröße des sechsten Funktionsblocks 40 "Auswertung Druckverlauf Leitzylinder" ist der Momentenverlauf MLZ (φ) des Leitzylinders. Bei der Umrechung des Drucks pLZ in den Momentenverlauf MLZ des Leitzylinders ist selbstverständlich die Kinematik des Verbrennungsmotors 10 zu berücksichtigen.
  • Um den Momentenverlauf der anderen Zylinder aus dem Momentenverlauf MLZ des Leitzylinders zu ermitteln, ist darüber hinaus der Kröpfungswinkel zwischen dem betrachteten Zylinder und dem Leitzylinder zu berücksichtigen.
  • Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Beobachter 28 jetzt nur noch die Differenz zwischen dem Momentenverlauf MLZ aus dem Leitzylinder und dem Momentenverlauf des aktuellen Zylinders erkennt, werden im Funktionsblock 38 "Merkmalsberechnung" die oben genannten Merkmale auf Basis der Summe von Leitzylindermoment MLZ und Beobachterausgangsmoment MB,a abzüglich des Kompressionsmoments berechnet.
  • Nachfolgend wird unter Bezug auf die 4 ein physikalisches Ersatzschaltbild eines realen Verbrennungsmotors 10 beschrieben.
  • Der Verbrennungsmotor 10 weist in der Darstellung der 4 eine Anzahl von Zylindern Z1, Z2, ..., Zk mit jeweils einem zugeordneten Kurbelwellenabschnitt 12.1, 12.2, ...., 12.k auf. Jedem Kurbelwellenabschnitt 12.1, 12.2, ..., 12.k ist eine Schwungmasse oder ein Trägheitsmoment J1, J2, ...., Jk, ein die Reibung darstellendes Dämpferelement d1, d2, ...., dk, sowie eine Torsionsfeder mit Federkonstante c1, c2, ...., ck zugeordnet, die eine Kopplung zum Nachbarzylinder, beziehungsweise zum benachbarten Kurbelwellenabschnitt beschreibt. Die Bezugszeichen FZ1, FZ2 und FZk bezeichnen in den Zylindern Z1, Z2, ..., ZK wirkende Gaskräfte.
  • Das erste Ende 24 der Kurbelwelle 12 besteht aus der Schwungmasse J24 einer Riemenscheibe, einem Dämpferelement d24, und einer Torsionsfeder mit Federkonstante c24. An der Riemenscheibe mit der Schwungmasse J24 ist der erste Winkelsensor 18 zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit nKWA angebracht.
  • Das zweite Ende 26 der Kurbelwelle 12 besteht aus einer Schwungmasse J26, an der der zweite Winkelsensor 20 zur Erfassung der zweiten Winkelgeschwindigkeit nSM angebracht ist.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), bei dem eine erste Drehkenngröße (nKWA, φKWA) an einem ersten Ort (24) längs einer Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (10) gemessen wird, bei dem eine zweite Drehkenngröße (nSM, φSM) an einem zweiten Ort (26) längs einer Kurbelwelle (12) des Verbrennungsmotors (10) gemessen wird und unter Verwendung der ersten Drehkenngröße (nKWA, φKWA) und der zweiten Drehkenngröße (nSM) zylinderindividuelle Drehkenngrößen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung der ersten Drehkenngröße (nKWA, φKWA) und der zweiten Drehkenngröße (nSM, φSM) und mit Hilfe eines Beobachters (28) ein zylinderindividuelles Verbrennungsgasmoment (MV,i) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Drehkenngröße als Winkelgeschwindigkeit (nKWA, nSM) und/oder als Kurbelwellenwinkel (φKWA, φSM) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachter (28) ein lineares Modell (30) des Verbrennungsmotors (10) umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachter (28) eine Rückführung (32) umfasst.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (30) für einen k-zylindrigen Verbrennungsmotor (10) ein Modell seiner Kurbelwelle (12) mit k+2-Abschnitten aufweist, wobei ein erster Abschnitt (24) ein erstes Ende der Kurbelwelle (12) repräsentiert, weitere Abschnitte (12.1, 12.2, ..., 12.k) jeweils einen zylinderindividuellen Abschnitt repräsentieren, und der k+2-te-Abschnitt (26) ein zweites Ende der Kurbelwelle (12) repräsentiert, wobei jedem Abschnitt (12.1, 12.2, ..., 12.k) ein Trägheitsmoment (J1), sowie ein Reibungsmoment (MR1) zugeordnet ist, jeweils Abschnitte (12.1, 12.2, ..., 12.k) durch drehelastische Kopplungen miteinander verbunden sind, jeder drehelastischen Kopplung ein Torsionsmoment zugeordnet wird, und jeder zylinderindividueller Abschnitt (12.1, 12.2, ..., 12.k) ein zylinderindividuelles Drehmoment (M ^1...M ^k) aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderindividuellen Drehmomente (M ^1...M ^k) jeweils ein Moment durch oszillierende Massen, ein Kompressionsmoment und ein Verbrennungsgasmoment (MV,k) umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsgasmoment (MV,k) aus der Differenz der gemessenen ersten Drehkenngröße (nKWA, φKWA) und der gemessenen zweiten Drehkenngröße (nSM, φSM) mit den korrespondierenden Drehkenngrößen des Modells (30) ermittelt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verbrennungsgasmoment (MV,k) für jeden Zylinder ein mittleres Moment M nach der Gleichung
    Figure 00110001
    ermittelt wird
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verbrennungsgasmoment (MV,k) für jeden Zylinder der Schwerpunkt des Verbrennungsgasmoments (MV) nach der Gleichung
    Figure 00110002
    ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Moment M und/oder der Schwerpunkt des Verbrennungsgasmoments (MV) aus der Summe von Verbrennungsgasmoment (MV,LZ) des Leitzylinders unter Berücksichtung des Kurbelwellenwinkelversatzes und einem Beobachterausgangsmoment (MB,a) abzüglich des Kompressionsmoments ermittelt wird.
  11. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es alle Schritte eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausführt, wenn es abgearbeitet wird.
  12. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (22) für einen Verbrennungsmotor (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie alle Schritte eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 ausführt, wenn es abgearbeitet wird.
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DE102010051370B4 (de) * 2010-11-13 2014-02-27 Volkswagen Ag Bestimmung eines indizierten Moments einer Brennkraftmaschine

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