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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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Aus der
DE 197 33 958 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur von Toleranzen eines Geberrades bekannt. Das Geberrad weist eine Anzahl von Markierungen auf, deren Abstände näherungsweise gleich sind und die von einem Aufnehmer abgetastet werden. Ausgehend von einem Vergleich der einzelnen Messwerte mit einem Referenzwert werden Korrekturwerte ermittelt.
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Die
DE 198 14 732 zeigt ein Verfahren zur hochauflösenden Drehzahlerfassung bei mehrzylindrischen Brennkraftmaschinen, Dabei werden Segmentzeiten erfasst. Im Schiebebetrieb werden Korrekturwerte gebildet,
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Die
DE 198 59 074 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors. Dabei wird im Schiebebetrieb ein Laufruheanteil ermittelt, der auf Torsionsschwingungen beruht und außerhalb des Schiebebetriebs zur Korrektur dient.
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Die
DE 10 2004 046 082 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. Dabei wir ausgehend von einem Signal, das die Vibrationen der Brennkraftmaschine charakterisiert, ein Merkmal zur Steuerung gewonnen.
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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 durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. So wird 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 das wenigstens eine Merkmal vom Kurbelwellenwinkel abhängt, das wenigstens eine Merkmal in Abhängigkeit einer Torsion der Kurbelwelle korrigiert.
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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 CTorsions,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,I 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.
