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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine.
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Aus
der
DE 10 2004
046 082 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
bekannt. Bei diesem Verfahren wird, ausgehend von einem Ausgangssignal
eines Sensors, ein Merkmal gewonnen, das zur Regelung und/oder Steuerung
von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine
verwendet wird.
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Beispielsweise
kann der Sensor ein Körperschallsensor sein, dessen Ausgangssignale
in einem Frequenzbereich unter 2 kHz ausgewertet werden, um ein
Merkmal zu erhalten, das zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen
der Brennkraftmaschine verwendet werden kann. Beispiele solcher
Merkmale sind eine zylinderindividuelle Verbrennungslage, der effektiver
Mitteldruck jedes Zylinders, ein Brennbeginn und/oder ein inneres
Moment jedes Zylinders. Diese Merkmale werden bei dem aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren gesteuert und/oder geregelt, um
den Betrieb der Brennkraftmaschine hinsichtlich Emissionen und Energieverbrauch
und anderer Optimierungskriterien optimieren zu können.
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Da
die Ausgangssignale von Sensoren, die zur Gewinnung der Merkmale
herangezogen werden, vom Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine
abhängen, kann die Regelung der genannten Merkmale nur
so gut sein, wie es die Genauigkeit der zylinderindividuellen Drehwinkelerfassung
erlaubt.
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Da
aus Kostengründen nur ein Drehwinkelsensor an der Brennkraftmaschine
vorgesehen ist und die Kurbelwelle aufgrund der von den einzelnen Zylindern
abgegebenen Drehmomente während des Betriebs einer lastabhängigen
Torsion unterliegt, entstehen bei der Zuordnung der Ausgangssignale
der Sensoren bzw. der daraus ermittelten Merkmale zu einem Kurbelwellenwinkel
lastabhängige Winkelfehler.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung
einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem die Steuerung
wenigstens ein Merkmal zur Regelung und/oder Steuerung von Betriebskenngrößen
der Brennkraftmaschine heranzieht, bei dem die Genauigkeit der Winkelerfassung
verbessert und infolgedessen die Emissionen und die Verbrauchswerte
der Brennkraftmaschine verbessert sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit k Zylindern, bei dem
die Steuerung wenigstens ein Merkmal zur Regelung und/oder Steuerung
von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine
heranzieht, wobei ein Kurbelwellenwinkel von einem Drehwinkelsensor
erfasst wird und wobei das wenigstens eine Merkmal vom Kurbelwellenwinkel abhängt,
dadurch gelöst, dass das wenigstens eine Merkmal in Abhängigkeit
einer Torsion der Kurbelwelle korrigiert wird.
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Dadurch
ist es möglich, den durch die Torsion der Kurbelwelle bedingten
systematischen Fehler ganz oder zumindest nahezu vollständig
zu eliminieren und dadurch den Zusammenhang zwischen dem Wert des
Merkmals, welches zur Steuerung und/oder Regelung von Betriebskenngrößen
der Brennkraftmaschine verwandt wird, und dem Kurbelwellenwinkel
mit deutlich verbesserter Genauigkeit zu ermitteln.
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Infolgedessen
verbessern sich die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine,
insbesondere die Emissionen, der spezifische Kraftstoffbedarf, aber
auch der Rundlauf beziehungsweise Gleichlauf der Brennkraftmaschine.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass keine zusätzliche Hardware erforderlich
ist, sondern durch eine geeignete Software in einem Steuergerät
der Brennkraftmaschine realisierbar ist. Dadurch sind die Kosten
für die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gering und das erfindungsgemäße Verfahren
kann bei bereits in Serie gefertigten Steuergeräten durch ein
Software-Update implementiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders
vorteilhaft erwiesen, wenn das wenigstens eine Merkmal eine Verbrennungslage
jedes Zylinders, ein effektiver Mitteldruck jedes Zylinders, ein
Brennbeginnwinkel jedes Zylinders und/oder ein inneres Moment jedes
Zylinders repräsentiert. Diese Aufzählung ist
nicht abschließend.
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Es
ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens möglich, die Korrektur des wenigstens einen
Merkmals durch eine Korrektur eines Ausgangssignals des Drehwinkelsensors
vorzunehmen. Alternativ ist es selbstverständlich auch
möglich, dass auf der Basis des Ausgangssignals des Drehwinkelsensors
ermittelte Merkmal entsprechend zu korrigieren.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass mindestens ein Korrekturwert für jeden Zylinder ermittelt
wird, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem geeigneten Betriebspunkt
befindet. Die Ermittlung zylinderindividueller Korrekturwerte ist
unter anderem erforderlich, weil die verschiedenen Zylinder der
Brennkraftmaschine unterschiedliche Abstände zu dem Drehwinkelsensor haben
und infolgedessen die wirksame Länge der Kurbelwelle zwischen
den verschiedenen Zylindern einerseits und dem Drehwinkelsensor
andererseits für jeden Zylinder unterschiedlich ist. Daraus
ergeben sich unterschiedliche Torsionswinkel.
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Ein
geeigneter Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ist dann gegeben,
wenn möglichst wenige Einflussgrößen,
die zu einer Veränderung des in Frage stehenden Merkmals
führen, vorhanden sind. Dies bedeutet, dass bei einem geeigneten
Betriebspunkt zur Ermittlung des Korrekturwerts bevorzugt keine
Abgasrückführung stattfindet, die Injektoren mit konstanten
Ansteuerbeginn und konstanter Ansteuerdauer angesteuert werden.
Des Weiteren ist, falls vorhanden, auch eine Schwerpunktlageregelung ausgeschaltet,
wenn der Korrekturwert für jeden Zylinder ermittelt wird.
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Es
hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn die Brennkraftmaschine
mit hoher Last betrieben wird, wenn die Korrekturwerte ermittelt
werden. Bei hoher Last ist die Torsion der Kurbelwelle naturgemäß besonders
groß, so dass die Unterschiede zwischen den Zylindern aufgrund
des Torsionseinflusses besonders groß und damit besonders
genau zu erfassen sind.
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Alternativ
ist es auch möglich, Korrekturwerte bei niedriger Last
der Brennkraftmaschine zu erfassen. In diesem Betriebszustand bewirken
vor allem fertigungs- oder verschleißbedingte Unterschiede
im Verdichtungsverhältnis der einzelnen Zylinder unterschiedliche
Torsionen. Diese unterschiedlichen Torsionen können bei
niedriger Last am besten erfasst werden.
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Selbstverständlich
können auch beide Lastpunkte nacheinander angefahren werden
und dadurch das erfindungsgemäße Verfahren weiter
verbessert werden.
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Es
ist alternativ möglich, dass die Steuerung der Brennkraftmaschine
immer dann die Korrekturwerte ermittelt, wenn aufgrund der Lastanforderungen
an die Brennkraftmaschine ein geeigneter Betriebspunkt angefahren
wurde. Alternativ ist es auch möglich, dass die Steuerung
der Brennkraftmaschine bei Bedarf einen solchen geeigneten Lastpunkt
anfährt. Durch die kontinuierlich beziehungsweise mit gewissen
zeitlichen Abständen vorgenommene Erfassung der Korrekturwerte
können auch Alterungseffekte berücksichtigt werden.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird bei dem zylinderindividuellen Korrekturwert die
Torsionsfederkonstante der Kurbelwelle in dem Bereich zwischen dem Drehwinkelsensor
und dem dem Zylinder zugeordneten Hubzapfen der Kurbelwelle berücksichtigt.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst bei einem
Computerprogramm und einer Steuereinrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 ein
Blockschaltbild, das ein erfindungsgemäßes Verfahren
verdeutlicht;
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2 ein
physikalisches Ersatzschaltbild eines realen Verbrennungsmotors,
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Bestimmung der zylinderindividuellen Korrekturwerte
und
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4 ein
Ablaufdiagramm von zwei Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Im
Einzelnen zeigt 1 einen Verbrennungsmotor 10 mit
einer Kurbelwelle 12, zylinderindividuellen Stellgliedern 14, 16,
einem Winkelsensor 18 und einem Steuergerät 22.
Die zylinderindividuellen Stellglieder 14, 16 sind
jeweils einzeln einem Zylinder oder einer Gruppe von Zylindern des
Verbrennungsmotors 10 zugeordnet. Beispiele solcher Stellglieder 14, 16 sind
Kraftstoffeinspritzventile, Steller für eine Betätigung
von Gaswechselventilen, die einen Wechsel von Brennraumfüllungen
steuern, Drosselklappen oder Zündspulen, wobei diese Aufzählung
keinen abschließenden Charakter besitzt.
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Der
Winkelsensor 18 ist an einem Ende 24 der Kurbelwelle 12 angeordnet.
Das Ende 24 stellt die Abtriebsseite dar, an der zum Beispiel
ein Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs über eine Kupplung
angetrieben wird.
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Der
Winkelsensor 18 erfasst den Drehwinkel φKW an dem Ende 24 der Kurbelwelle 12 mit
bekannten Verfahren. Dazu können zum Beispiel Winkelsensoren 20 dienen,
die ferromagnetische Markierungen auf drehfest mit dem Ende 24 der
Kurbelwelle 12 verbundenen Geberrädern induktiv
abtasten.
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Die
Ausgangssignale des Winkelsensors 18 werden über
Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) an das Steuergerät 22 übertragen.
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Anhand
der 2 wird zunächst ein physikalisches Ersatzschaltbild
des Verbrennungsmotors 10 beschrieben.
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Der
Verbrennungsmotor 10 weist in der Darstellung der 2 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 Torsionsfederkonstante CTorsion(j)
zugeordnet. Die Torsionsfederkonstante CTorsion(j)
kann wie folgt berechnet werden: CTorsion(j)
= G(j) × Ip(j)/L(j)Mit:
- G:
- Schubmodul
- Ip:
- polares Widerstandsmoment
- L:
- wirksame Länge
des Kurbelwellenabschnitts 12.j
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Mit
CTorsion,24 ist die Torsionsfederkonstante am
Ende 24 der Kurbelwelle 12 zwischen Drehwinkelsensor 18 und
erstem Kurbelwellenabschnitt 12.1 bezeichnet. Die Bezugszeichen
FZ1, FZ2 ... FZk bezeichnen die in den Zylindern Z1, Z2
... ZK wirkenden Gaskräfte.
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Aus
der 2 wird deutlich, dass die Torsionssteifigkeit
der Kurbelwelle 12 in dem Bereich zwischen dem Drehwinkelsensor 18 und
den verschiedenen Zylindern Z1 unterschiedlich
ist. So ist beispielsweise in dem Bereich zwischen dem Drehwinkelsensor 18 und
dem ersten Zylinder Z1 lediglich die Torsionsfederkonstante
CTorsion,24 wirksam.
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Wenn
der Zylinder Z2 ein Moment auf die Kurbelwelle 12 ausübt,
führt dies zu einer größeren Torsion
der Kurbelwelle 12, da in diesem Fall die Torsionsfederkonstanten
CTorsion,24 und CTorsion,1 in
Reihe geschaltet sind. Entsprechendes gilt für die weiteren Zylinder
Z3–Zk der
Brennkraftmaschine. Dies bedeutet, dass die Ausübung der
gleichen Gaskraft FZ bei den verschiedenen
Zylindern Z1–Zk der
Brennkraftmaschine eine unterschiedliche Torsion der Kurbelwelle 12 bewirkt.
Dieser Sachverhalt ist in dem unteren Teil von 2 in
dem Diagramm angedeutet. Die stufenartige Linie 30 repräsentiert
den Torsionswinkel der Kurbelwelle 12.
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Diesen
Effekt macht sich das erfindungsgemäße Verfahren
zunutze, indem für jeden Zylinder Z1–Zk die Drehwinkeldifferenz Δφ(j)
zwischen der Ansteuerung eines zylinderindividuellen Stellglieds
(14, 16) und dem Auftreten eines Merkmals, welches
die Abgabe eines inneren Moments durch die verschiedenen Zylinder
Zj indiziert, erfasst wird und aus den zylinderindividuellen
Unterschieden der Drehwinkeldifferenz die zylinderindividuellen
Korrekturwerte ΔφKorr(j)
ermittelt werden.
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Wenn
man beispielsweise bei einer nach dem Dieselverfahren arbeitenden
Brennkraftmaschine für alle Zylinder Zj den
gleichen Einspritzbeginn und die gleiche Einspritzdauer wählt,
so ist die Zeitdifferenz Δt zwischen dem Einspritzbeginn
und der Abgabe eines inneren Moments durch die Zylinder in erster
Näherung gleich. Wenn nun die Kurbelwelle 12 torsionssteif
wäre, würde zwischen Einspritzbeginn und dem Auftreten
eines Merkmals, welche die Abgabe eines inneren Moments indiziert,
stets die gleiche Drehwinkeldifferenz Δφ auftreten.
Da jedoch die Kurbelwelle 12 nicht torsionssteif ist, führt
die Einleitung eines inneren Moments durch den Zylinder Zk zu einer größeren Torsion
der Kurbelwelle 12 als die Einleitung eines inneren Moments
durch den Zylinder Z1. Diese zylinderindividuelle
Torsion reduziert die Drehwinkeldifferenz Δφ.
Aus der Drehwinkeldifferenz kann nun die Torsion der Kurbelwelle
in den Bereichen zwischen dem Drehwinkelsensor 18 und den Zylindern
Z1–Zk für
jeden Zylinder individuell ermittelt werden. Es versteht sich von
selbst, dass diese Torsion lastabhängig, beziehungsweise
abhängig vom inneren Moment der von den Zylindern Z1–Zk auf
die Kurbelwelle abgegebenen inneren Moments ist.
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Diese
zylinderindividuellen Korrekturwerte können beispielsweise
gemäß dem in 3 dargestellten
Ablaufdiagramm ermittelt werden.
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Das
Verfahren beginnt in einem Startblock. In einem zweiten Funktionsblock 32 wird
ein geeigneter Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angesteuert.
Dies bedeutet insbesondere, dass alle Zylinder Z1–Zk der Brennkraftmaschine 10 in gleicher
Weise angesteuert werden und eine evtl. vorhandene Verbrennungslageregelung
nicht aktiv ist.
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Bei
einer selbstzündenden Brennkraftamschine sollten Einflüsse
auf den Zündverzug, die zum Beispiel aus der Abgasrückfürhung
herrühren, möglichst vollständig eliminiert
werden.
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In
einem dritten Funktionsblock 34 werden die zylinderindividuellen
Drehwinkeldifferenzen Δφ(j) erfasst, die zwischen
der Ansteuerung eines zylinderindividuellen Stellglieds und dem
Auftreten eines Merkmals, welches die Abgabe eines inneren Moments
indiziert, auftreten. Bei einer nach dem Dieselprinzip arbeitenden
Brennkraftmaschine sind die Injektoren 14 und 16 der
Brennkraftmaschine geeignete Stellglieder. Bei einer nach dem Otto-Verfahren
arbeitenden Brennkraftmaschine wären die Zündkerzen
geeignete Stellglieder. Beiden Stellgliedern ist gemeinsam, dass
sie die Verbrennung am Beginn des Arbeitstakts der Brennkraftmaschine
auslösen.
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Wenn
nun die Abgabe eines inneren Moments, beispielsweise mit Hilfe von
Körperschallsensoren oder Drucksensoren, erfasst wird,
kann die Drehwinkeldifferenz zwischen der Ansteuerung eines zylinderindividuellen
Stellglieds, welches die Verbrennung auslöst, und der Abgabe
eines inneren Moments erfasst werden.
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In
einem vierten Funktionsblock 36 werden aus den Unterschieden
der zylinderindividuellen Drehwinkeldifferenzen die lastabhängigen
Korrekturwerte ΔφKorr(j)
berechnet und in einem weiteren Funktionsblock 38 in einem
Korrekturwertspeicher abgespeichert.
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Um
die zylinderindividuellen Korrekturwerte ΔφKorr(j) für die Torsion der Kurbelwelle 12 zu
ermitteln, empfiehlt es sich, diese Korrekturwerte bei hoher Last
der Brennkraftmaschine zu ermitteln.
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Es
ist jedoch auch möglich, bei niedriger Last Korrekturwerte ΔφKorr,2(j) zu ermitteln. Mit Hilfe dieser zweiten
Korrekturwerte ΔφKorr,2 können
Effekte, die auf Unterschiede im Verdichtungsverhältnis
der Zylinder Z1–Zk zurückgehen,
ermittelt werden.
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Diese
zweiten Korrekturwerte ΔφKorr,2 können in
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Korrektur der Drehwinkeldifferenzen Δφ(j)
beim Ermitteln der Korrekturwerte der ersten Korrekturwerte ΔφKorr(j) unter hoher Last der Brennkraftmaschine
benutzt werden. Dadurch kann die unterschiedliche Verdichtung in den
Zylindern und deren Einfluss auf die Drehwinkeldifferenzen eliminiert
werden.
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In 4 ist
ein Ablaufdiagramm von zwei Varianten des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. In einem Funktionsblock 40 wird
der Drehwinkel der Kurbelwelle 12 von dem Drehwinkelsensor 18 erfasst.
Dessen Ausgangssignale gehen in einen Funktionsblock 42,
der zur Merkmalsberechnung dient, ein.
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Des
Weiteren werden in einem Block 44 Verbrennungskenngrößen
wie beispielsweise der Körperschall oder der Druckverlauf
im Brennraum erfasst. Auch diese Kenngrößen gehen
als Eingangsgröße in den Funktionsblock 42 ein.
Dort findet eine Merkmalsberechnung statt, wie beispielsweise die Berechnung
der Verbrennungslage oder die Berechnung des Verlaufs des inneren
Moments, das von den einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine
abgegeben wird.
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Ausgangsgröße
des Funktionsblocks 42 ist ein Merkmal, das in einem Funktionsblock 46 gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren korrigiert wird. Dazu
wird aus einem Korrekturwertspeicher 48 in Abhängigkeit
des noch nicht korrigierten Merkmals ein zylinderindividueller Korrekturwert ΔφKorr(j), der lastabhängig ist, ausgelesen
und in dem Funktionsblock 46 übermittelt. Daraufhin
wird das Merkmal korrigiert. Ausgangsgröße des
Funktionsblocks 46 ist somit ein korrigiertes Merkmal.
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Da
die Korrektur des Merkmals letztendlich eine zylinderindividuelle
Winkelkorrektur bedeutet, ist es auch möglich, den Funktionsblock 46 zwischen den
Funktionsblöcken 40 und 42 vorzusehen,
wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. In diesem
Fall würde das Ausgangssignal des Drehwinkelsensors 18 sofort
zylinderindividuell korrigiert und mit diesem korrigierten Ausgangssignal
die Merkmalsberechnung im Funktionsblock 42 vorgenommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004046082
A1 [0002]