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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennbeginngleichstellung bei
Zylindern einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Brennkraftmaschinen
in Kraftfahrzeugen weisen zur Einspritzung von Kraftstoff in die
Zylinder ein Einspritzsystem auf. Das Einspritzsystem umfasst für jeden
Zylinder eine in Form eines Injektors ausgebildete Einspritzeinheit.
Aufgrund von unvermeidbaren Fertigungstoleranzen messen die Einspritzeinheiten
bei gleicher elektrischer Ansteuerung den einzelnen Zylindern unterschiedliche
Kraftstoffmengen zu. Dies führt
zu einem schlechten Rundlauf der Brennkraftmaschine.
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Zur
Verbesserung dieses Problems wird für jede Einspritzeinheit im
Schubbetrieb eine minimale Ansteuerdauer ermittelt, bei der erstmalig
Kraftstoff in den jeweiligen Zylinder eingespritzt wird. Die ermittelten
minimalen Ansteuerdauern werden im Steuergerät abgelegt und zur Korrektur
der Ansteuerung der Einspritzeinheiten im befeuerten Betrieb verwendet. Nachteilig
ist, dass durch die beschriebene Korrektur der Ansteuerung lediglich
die bei der Voreinspritzung eingespritzte Kraftstoffmenge gleichgestellt
werden kann, wodurch nur unbefriedigend der Brennbeginn der Haupteinspritzung
gleichgestellt wird. Der Rundlauf und das Emissionsverhalten der
Brennkraftmaschine sind somit nicht optimal.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Brennbeginngleichstellung bei
Zylindern einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das den Rundlauf
und das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass der Rundlauf und das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine
verbessert wird, wenn die Voreinspritzung mittels mindestens einer
Kenngröße verändert wird,
die den Ist-Brennbeginn der Haupteinspritzung charakterisiert. Anhand
der mindestens einen Kenngröße wird die
Voreinspritzung derart verändert,
dass eine Abweichung des Ist-Brennbeginns von einem Soll-Brennbeginn
reduziert und somit die Laufruhe verbessert wird. Bei der Veränderung
der Voreinspritzung kann sowohl ein Einspritzzeitpunkt als auch eine
Einspritzdauer der Voreinspritzung verändert werden, wobei die Voreinspritzungen
der einzelnen Zylinder voneinander abweichende Einspritzzeitpunkte
und Einspritzdauern aufweisen können.
Das Ermitteln der mindestens einen Kenngröße aus dem fiktiven Drehzahlsignal
kann – ohne
eine Verstellung der Voreinspritzung oder der Haupteinspritzung – im normalen
Fahrbetrieb erfolgen, so dass die Laufruhe im Gegensatz zu der Ermittlung
der minimalen Ansteuerdauern nicht beeinträchtigt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wird eine echte Gleichstellung des Ist-Brennbeginns der Haupteinspritzung für die einzelnen
Zylinder in Bezug auf den jeweiligen oberen Totpunkt des Zylinders
erzielt.
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Eine
Länge des
Drehzahlsignalabschnitts nach Anspruch 2 stellt eine maximale Länge dar,
so dass das aus dem Drehzahlsignalabschnitt erzeugte fiktive Drehzahlsignal
zuverlässig
auswertbar ist.
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Ein
Startpunkt des Drehzahlsignalabschnitts nach Anspruch 3 stellt sicher,
dass der ausgewählte Drehzahlsignalabschnitt
eindeutig dem jeweiligen Zylinder zuordenbar ist.
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Ein
Vervielfältigen
und Aneinanderreihen des Drehzahlsignalabschnitts nach Anspruch
4 ermöglicht
eine einfache Auswertung des erzeugten Drehzahlsignals, da dieses
genau ein fiktives Arbeitsspiel bildet.
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Eine
Transformation des fiktiven Drehzahlsignals nach Anspruch 5 ermöglicht das
Bereitstellen der mindestens einen Kenngröße in einem Winkel-Frequenz-Bereich.
Die Bereitstellung der mindestens einen Kenngröße im Winkel-Frequenz-Bereich stellt
eine zuverlässige
Korrelation zwischen der mindestens einen Kenngröße und dem Ist-Brennbeginn sicher.
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Eine
diskrete Hartley-Transformation nach Anspruch 6 kann ausschließlich durch
reelle Operationen berechnet werden. Die Transformation des fiktiven
Drehzahlsignals ist somit mit einem geringen Rechenaufwand möglich.
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Eine
diskrete Fourier-Transformation nach Anspruch 7 hat sich in der
Praxis bewährt.
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Eine
Weiterbildung nach Anspruch 8 ist einfach durchführbar. Dadurch, dass der Drehzahlsignalabschnitt
vervielfältigt
und aneinandergereiht wird, enthält
eine Ordnung des transformierten fiktiven Drehzahlsignals alle notwendigen
Informationen für
eine zuverlässige
Bestimmung der mindestens einen Kenngröße. Welche Ordnung zu ermitteln
ist, hängt
von der Anzahl der aneinandergereihten Drehzahlsignalabschnitte
ab.
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Eine
Weiterbildung nach Anspruch 9 ist einfach durchführbar und besonders zuverlässig. Die Zünd-Ordnung
ist dann maßgeblich,
wenn der Drehzahlsignalabschnitt gemäß Anspruch 4 entsprechend der
Zylinderanzahl vervielfältigt
und aneinandergereiht wird. Die Zünd-Ordnung ist die charakteristische Ordnung
für die
Brennkraftmaschine und im Wesentlichen frei von parasitären Einflüssen, so
dass die Auswertung der Zünd-Ordnung
besonders zuverlässig
ist.
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Eine
Veränderung
der Voreinspritzung nach Anspruch 10 führt zu einer hohen Laufruhe
der Brennkraftmaschine. Die Ist-Phase, insbesondere die Ist-Phase
der Zünd-Ordnung,
ist stark mit dem Ist-Brennbeginn korreliert.
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Durch
eine Veränderung
der Voreinspritzung nach Anspruch 11 kann eine hohe Laufruhe in
Verbindung mit einem optimalen Abgasverhalten erzielt werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
Prinzipdarstellung zur Erzeugung eines fiktiven Drehzahlsignals
aus einem ausgewählten
Drehzahlsignalabschnitt eines ermittelten Drehzahlsignals,
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3 einen
zeitlichen Verlauf einer Voreinspritzung und einer Haupteinspritzung
der Brennkraftmaschine in 1, und
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4 eine
Prinzipdarstellung einer Brennbeginngleichstellungseinheit der Brennkraftmaschine
in 1.
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Eine
Brennkraftmaschine 1 weist einen Motorblock 2 mit
mehreren Zylindern 3 und einem Einspritzsystem 4 auf.
Das Einspritzsystem 4 umfasst für jeden Zylinder 3 eine
Einspritzeinheit 5 zum Einspritzen von Kraftstoff 6.
Wie in 1 gezeigt ist, weist die Brennkraftmaschine 1 sechs
Zylinder 3 auf, so dass eine Zylinderanzahl Z = 6 beträgt. Die
Brennkraftmaschine 1 kann sowohl eine selbstzündende als
auch eine nichtselbstzündende
Brennkraftmaschine 1 sein.
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Innerhalb
des Motorblocks 2 ist eine Kurbelwelle 7 angeordnet
und aus diesem herausgeführt. Zur
Umwandlung der in den Zylindern 3 freigesetzten Energie
des Kraftstoffs 6 in eine Rotationsbewegung ist die Kurbelwelle 7 mit
nicht näher
dargestellte Zylinderkolben verbunden.
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An
einem aus dem Motorblock 2 herausgeführten Ende der Kurbelwelle 7 ist
zur Messung einer Drehzahl der Kurbelwelle 7 ein Geberrad 8 angeordnet.
Das Geberrad 8 weist zur Ermittlung eines der Drehzahl
entsprechenden Drehzahlsignals N der Kurbelwelle 7 äquidistante
Winkelmarkierungen 9 auf. Die Winkelmarkierungen 9 weisen
einen Markenabstand ΔM
auf, der beispielsweise 10° Kurbelwellenumdrehung
entspricht.
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Das
Geberrad 8 und die Einspritzeinheiten 5 stehen
in Signalverbindung mit einem Steuergerät 10 zur Steuerung
der Brennkraftmaschine 1. Das Steuergerät 10 umfasst eine
Signalabtastungseinheit 11, eine Signalvorverarbeitungseinheit 12,
eine Transformationseinheit 13, eine Ereigniserkennungseinheit 14,
eine Zylinderidentifikationseinheit 15 und eine Brennbeginngleichstellungseinheit 16.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist eine Zündreihenfolge der Zylinder 3 von
1-5-3-6-2-4 auf. Für jeden
Zylinder 3 wird mittels der zugehörigen Einspritzeinheit 5 eine
Voreinspritzung V und eine Haupteinspritzung H von Kraftstoff 6 durchgeführt. Die
Voreinspritzungen V und die Haupteinspritzungen H für die einzelnen
Zylinder 3 werden mit V1 bis V6 und H1 bis H6 bezeichnet. In 3 ist die
Stromansteuerung der Einspritzeinheit 5 für die Voreinspritzung
V3 und die Haupteinspritzung H3 des
dritten Zylinders 3 in Abhängigkeit des Winkels der Kurbelwelle 7 dargestellt.
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Die
Voreinspritzungen V weisen jeweils einen Einspritzzeitpunkt tV und eine Einspritzdauer ΔtV auf. Entsprechend weisen die Haupteinspritzungen
H jeweils einen Einspritzzeitpunkt tH und
eine Einspritzdauer ΔtH auf. Die Einspritzzeitpunkte tV,
tH charakterisieren den Beginn der jeweiligen
Voreinspritzung V und der jeweiligen Haupteinspritzung H. Die einzelnen
Einspritzzeitpunkte tV und Einspritzdauern ΔtV der Voreinspritzungen V werden mit tV(1) bis tV(6) und ΔtV(1) bis ΔtV(6) bezeichnet. Entsprechend werden die
einzelnen Einspritzzeitpunkte tH und Einspritzdauern ΔtH der Haupteinspritzungen H mit tH(1) bis tH(6) und ΔtH(1) und ΔtH(6) bezeichnet. In 3 sind die
Einspritzzeitpunkte tV(3), tH(3)
und die Einspritzdauern ΔtV(3), ΔtH(3) der Voreinspritzung V3 und
der Haupteinspritzung H3 des dritten Zylinders 3 dargestellt.
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Das
Steuergerät 10 gibt
für jeden
Zylinder 3 einen gewünschten
Soll-Brennbeginn
t0 vor. Ein Ist-Brennbeginn t entspricht
idealerweise dem gewünschten
Soll-Brennbeginn t0 des jeweiligen Zylinders 3.
Der Soll-Brennbeginn
t0 und der Ist-Brennbeginn t wird für die einzelnen
Zylinder 3 mit t0(1) bis t0(6) und t(1) bis t(6) bezeichnet.
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2 zeigt
das ermittelte Drehzahlsignal N, wobei die den einzelnen Zylindern 3 zugehörigen Drehzahlsignalabschnitte
mit N1 bis N6 gekennzeichnet
sind. Das Drehzahlsignal N ist aufgrund der diskreten Arbeitsweise
der Brennkraftmaschine 1 hügelförmig ausgebildet, wobei jeder
hügelförmige Drehzahlsignalabschnitt
N1 bis N6 dem jeweiligen
Zylinder 3 zugehört.
Der Beginn jedes hügelförmigen Drehzahlsignalabschnitts
N1 bis N6 kennzeichnet
einen oberen Totpunkt OT des jeweiligen Zylinders 3. Die einzelnen
oberen Totpunkte OT sind in 2 mit OT1 bis OT6 gekennzeichnet.
Die Drehzahlsignalabschnitte N1 bis N6 des Drehzahlsignals ergeben eine Arbeitsspiel
A der Brennkraftmaschine 1, wobei ein Arbeitsspiel A 720° Kurbelwellenumdrehung
entspricht. Der Ist-Brennbeginn t kennzeichnet den Beginn der Verbrennung
des Kraftstoffs 6 in dem jeweiligen Zylinder 3.
Die Verbrennung des Kraftstoffs 6 führt zu einem starken Anstieg
des Zylinderinnendrucks p in dem jeweiligen Zylinder 3.
Der Anstieg des Zylinderinnendrucks p führt zu einem Anstieg der Drehzahl
der Kurbelwelle 7. Ein von dem Soll-Brennbeginn t0 abweichender Ist-Brennbeginn t beeinflusst somit die
Drehzahl der Kurbelwelle 7 und wirkt sich somit in dem
ermittelten Drehzahlsignal N aus. 3 zeigt
den Zylinderinnendruck p3 des dritten Zylinders 3 und
das ermittelte Drehzahlsignal N in zeitlichem Zusammenhang mit der
Voreinspritzung V3 und der Haupteinspritzung
H3. Der dritte Zylinder 3 weist
einen Ist-Brennbeginn t(3) auf, der von dem gewünschten Soll-Brennbeginn t0(3) abweicht.
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Nachfolgend
wird die Brennbeginngleichstellung des dritten Zylinders 3 beschrieben.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 werden ständig die
Zeiten zwischen den Winkelmarkierungen 9 des Geberrades 8 detektiert
und mittels der Signalabtastungseinheit 11 in ein digitales
Drehzahlsignal N der Kurbelwelle 7 umgerechnet. Das digitale
Drehzahlsignal N wird anschließend
der Signalvorverarbeitungseinheit 12 zugeführt, in
der mittels gespei cherter Korrekturwerte mechanische Fertigungstoleranzen
des Geberrades 8 korrigiert werden. Mechanische Fertigungstoleranzen
sind beispielsweise nicht äquidistante
Abstände
der Winkelmarkierungen 9. Weiterhin kann in der Signalvorverarbeitungseinheit 12 eine Schleppkorrektur
durchgeführt
werden.
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Anschließend wird
das digitale Drehzahlsignal N der Transformationseinheit 13 zugeführt. Die Transformationseinheit 13 wählt aus
dem Drehzahlsignal N parallel oder nacheinander die Drehzahlsignalabschnitte
N1 bis N6 aus. Die
Drehzahlsignalabschnitte N1 bis N6 weisen jeweils eine Länge L auf, die gleich 720° Kurbelwellenumdrehung
geteilt durch die Zylinderanzahl Z ist, also L = 720°/6 = 120°. Jeder der
Drehzahlsignalabschnitte N1 bis N6 weist einen Startpunkt S auf, der im Wesentlichen
dem jeweiligen oberen Totpunkt OT1 bis OT6 des zugehörigen Zylinders 3 entspricht.
Zur Auswahl der Drehzahlsignalabschnitte N1 bis
N6 verfügt
die Brennkraftmaschine 1 über eine Totpunkterkennung,
die mittels einer speziellen Winkelmarkierung 9, die den
oberen Totpunkt OT1 des ersten Zylinders 3 kennzeichnet,
realisiert ist. Da der obere Totpunkt OT1 dem
Startpunkt S des Drehzahlsignalabschnitts N1 des
ersten Zylinders 3 entspricht und die Länge L der Drehzahlsignalabschnitte
N1 bis N6 festgelegt
ist, können
die Drehzahlsignalabschnitte N1 bis N6 aus dem Drehzahlsignal N eindeutig bestimmt
und dem jeweiligen Zylinder 3 zugeordnet werden. Die Startpunkte
S und die Länge
L der Drehzahlsignalabschnitte N1 bis N6 können
um wenige Grad Kurbelwellenumdrehung variieren.
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Nachfolgend
wird am Beispiel des dritten Zylinders 3 die weitere Auswertung
des Drehzahlsignalabschnitts N3 beschrieben. Parallel oder seriell
hierzu wird eine entsprechende Auswertung der Drehzahlsignalabschnitte
N1, N2, N4, N5 und N6 durchgeführt. Der Drehzahlsignalabschnitt
N3 wird entsprechend der Zylinderanzahl
Z = 6 vervielfältigt
und zu einem fiktiven Drehzahlsignal N' aneinandergereiht. Durch das Aneinanderreihen
der Drehzahlsignalabschnitte N3 bildet das
fiktive Drehzahlsignal N' ein
fiktives Arbeitsspiel A' der
Brennkraftmaschine 1 ab. Das fiktive Drehzahlsignal N' wird mittels der
Transformationseinheit 13 zur weiteren Auswertung in einen
Winkel-Frequenz-Bereich transformiert. Die Transformation in den
Winkel-Frequenz-Bereich findet mittels einer diskreten Hartley-Transformation statt.
Alternativ kann eine diskrete Fourier-Transformation (DFT) verwendet
werden.
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Bei
der Transformation in den Winkel-Frequenz-Bereich wird ausschließlich eine
Ordnung des Amplitudenspektrums und des Phasenspektrums des transformierten
fiktiven Drehzahlsignals N' berechnet
und ausgewertet. Die Ordnung ergibt sich aus der Anzahl der aneinandergereihten
Drehzahlsignalabschnitte N3. Werden die
Drehzahlsignalabschnitte N3 entsprechend
der Zylinderanzahl Z = 6 vervielfältigt und aneinandergereiht,
so ist die ausschließlich
maßgebende
Ordnung die Zünd-Ordnung.
Die Zünd-Ordnung ergibt sich
allgemein aus der Zylinderanzahl Z/2 und ist für eine Zylinderanzahl Z = 6
gleich der dritten Ordnung. In der Transformationseinheit 13 wird
somit für
den dritten Zylinder 3 eine Ist-Amplitude dritter Ordnung
A3(3) und eine Ist-Phase dritter Ordnung
P3(3) berechnet.
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Die
Ist-Phase dritter Ordnung P3(3) des dritten
Zylinders 3 ist mit dessen Ist-Brennbeginn t(3) korreliert
und stellt eine den Ist-Brennbeginn t(3) charakterisierende Kenngröße dar.
In entsprechender Weise werden die Ist-Amplituden dritter Ordnung A3(1), A3(2), A3(4), A3(5) und A3(6) sowie die Ist-Phasen dritter Ordnung
P3(1), P3(2), P3(4), P3(5) und P3(6) für
die weiteren Zylinder 3 berechnet. Die Ist-Phasen dritter
Ordnung P3(1), P3(2),
P3(4), P3(5) und
P3(6) stellen Kenngrößen dar, die den jeweiligen Ist- Brennbeginn t(1),
t(2), t(4), t(5) und t(6) der weiteren Zylinder 3 charakterisieren.
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Die
Ist-Amplitude A3(3) wird zur Erkennung von
zylinderindividuellen Ereignissen, wie beispielsweise eines Zündaussetzers,
der Ereigniserkennungseinheit 14 zugeführt. Die Ereigniserkennungseinheit 14 vergleicht
die Ist-Amplitude A3(3) mit einem Grenzwert.
Liegt die Ist-Amplitude A3(3) unterhalb des
Grenzwertes, detektiert die Ereigniserkennungseinheit 14 einen
Zündaussetzer
des dritten Zylinders. Bei der Detektion eines Zündaussetzers wird von der Ereigniserkennungseinheit 14 ein
Signal an die Zylinderidentifikationseinheit 15 übermittelt.
Die Zylinderidentifikationseinheit 15 identifiziert den
Zylinder 3, der von dem Zündaussetzer betroffen ist.
Hierzu wird ausgewertet, welcher Drehzahlsignalabschnitt N1 bis N6 zu dem fiktiven
Drehzahlsignal N' vervielfältigt und aneinandergereiht
wurde. Die Ereigniserkennung und Identifikation des betroffenen
Zylinders 3 wird entsprechend für die weiteren Zylinder 3 durchgeführt.
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Zur
Brennbeginngleichstellung wird die Ist-Amplitude A3(3)
und die Ist-Phase
P3(3) der Brennbeginngleichstellungseinheit 16 zugeführt. Mittels
der Brennbeginngleichstellungseinheit 16 wird der Ist-Brennbeginn
t(3) an den Soll-Brennbeginn t0(3) angepasst. 4 zeigt
die Brennbeginngleichstellungseinheit 16, die als Eingangswerte
die sechs Ist-Amplituden A3(1) bis A3(6) und die sechs Ist-Phasen P3(1)
bis P3(6) für alle Zylinder 3 aufweist.
Ferner weist die Brennbeginngleichstellungseinheit 16 als Eingangswerte
den jeweiligen Soll-Brennbeginn t0(1) bis
t0(6) für
die einzelnen Zylinder 3 auf.
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Mittels
der Brennbeginngleichstellungseinheit 16 wird für den dritten
Zylinder 3 eine Gleichstellung des Ist-Brennbeginns t(3)
mit dem Soll- Brennbeginn
t0(3) durchgeführt. Hierzu wird die Ist-Phase P3(3) als Istwert für eine Regelung verwendet,
der als Sollwert der Soll-Brennbeginn t0(3)
vorgegeben wird. Für
die weiteren Zylinder 3 sind entsprechende Regelungen in
der Brennbeginngleichstellungseinheit 16 implementiert.
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Als
Stellgrößen weist
die Regelung für
den dritten Zylinder 3 den Einspritzzeitpunkt tV(3) und die Einspritzdauer ΔtV(3) der Voreinspritzung V3 auf.
Die Regelungen für
die weiteren Zylinder 3 weisen entsprechende Stellgrößen auf,
so dass die Brennbeginngleichstellungseinheit 16 als Ausgangswerte
die Einspritzzeitpunkte tV(1) bis tV(6) und die Einspritzdauern ΔtV(1) bis ΔtV(6) der Voreinspritzungen V1 bis V6 aufweist. In die Regelungen für die einzelnen
Zylinder 3 können
zusätzlich
die jeweils zugehörigen Ist-Amplituden
A3(1) bis A3(6)
einfließen.