DE102011079436B3

DE102011079436B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines variablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011079436B3
Application number: DE102011079436A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Eser; Josef Kainz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: CN103930663A; US9309814B2; KR20140050670A; WO2013010770A1; KR101738878B1; US20140156170A1; CN103930663B

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines variablen Ventiltriebs (80, 110) einer Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern (2) vorgeschlagen, wobei bei einem ersten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) eine Ansaugluftmenge ermittelt wird und zylinderindividuelle Werte für eine Kraftstoffmengenreduktion ermittelt werden, indem sukzessiv für jeden Zylinder (2) die jeweils zugeführte Kraftstoffmenge soweit reduziert wird bis eine die Laufunruhe der Brennkraftmaschine repräsentierende Kenngröße einen vorgegebenen Laufunruhegrenzwert erreicht hat. Es wird ein Verhältnis aus einer Änderung des Einlassventilhubs zur resultierenden Änderung der Ansaugluftmenge für den ersten Betriebspunkt ermittelt. Es werden zylinderindividuelle Abweichungen des Einlassventilhubs von einem Referenzwert basierend auf dem Verhältnis, der Ansaugluftmenge beim ersten Betriebspunkt und dem zugehörigen Wert für die Kraftstoffmengenreduktion ermittelt. Der variable Ventiltrieb (80, 110) wird dann unter Berücksichtigung der zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines variablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6.
Im Bestreben, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen moderner Brennkraftmaschinen weiter zu reduzieren, kommen zunehmend Brennkraftmaschinen mit variablem Ventiltrieb zur variablen Steuerung der Einlass- und/oder der Auslassventile zum Einsatz. In diesem Zusammenhang erweisen sich Brennkraftmaschinen mit variabler Ventilhubsteuerung als besonders effizient, da sie im unteren und mittleren Lastbereich nahezu ungedrosselt (Drosselklappe voll geöffnet) betrieben werden können. Dabei erfolgt die Laststeuerung lediglich über den Hub der Einlassventile. In diesem ungedrosselten Betriebsbereich sind die Ladungswechselverluste gering, was zu einem verminderten Verbrauch führt. Fertigungsbedingte Toleranzen beim Ventiltrieb und bei den Ventilen führen jedoch zu Fehlern bei der Zylinderfüllung. Insbesondere im unteren Lastbereich und im Leerlauf, wo die Hübe der Einlassventile im ungedrosselten Betrieb sehr klein sind, können sich schon geringe Fehler bei der Zylinderfüllung als spürbare Drehmomentunterschiede bemerkbar machen, was den Fahrkomfort einschränkt. Diese Drehmomentunterschiede, welche nicht nur zwischen unterschiedlichen Brennkraftmaschinen sondern auch zwischen den Zylindern derselben Brennkraftmaschine auftreten können, führen im schlimmsten Fall zu einer spürbaren Laufunruhe im unteren Lastbereich oder im Leerlauf und damit zu einer Einschränkung des Fahrkomforts.
In der Druckschrift DE 10 2006 058 571 A1 wird ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine offenbart, bei der der Kraftstoffverbrauch mittels eines Einlassventils reduziert wird, dessen Hub veränderbar ist. Zur Steuerung der zylinderindividuellen Ventile wird der Einlassventilhub abhängig von der Laufunruhe geändert, insbesondere durch Änderung von Umschaltbedingungen, gemäß denen wiederum der Hub geändert wird.
Auch die Druckschrift DE 100 46 221 A1 beschreibt eine Steuerung eines variablen Ventiltriebs, wobei zylinderindividuelle Toleranzen berücksichtigt werden, und wobei ferner ein variabler Ventiltrieb gemäß Befüllungsunterschieden angesteuert wird.
Die Druckschrift EP 0 833 043 A1 beschreibt ein Betriebsverfahren für eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoffeinspritz- und Ansaugluftmengen verstellt werden, um Einlassventilhübe individuell anzupassen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines variablen Ventilbetriebs einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bereitzustellen, durch welche das Potential dieser Brennkraftmaschinen zur Kraftstoffeinsparung unter Wahrung des Fahrkomforts besser ausgenutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 eignet sich zur Steuerung eines variablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern. Demnach wird bei einem ersten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine Ansaugluftmenge ermittelt. Bei dem ersten Betriebspunkt werden weiterhin zylinderindividuelle Werte für eine Kraftstoffmengenreduktion ermittelt, indem sukzessiv für jeden Zylinder die jeweils zugeführte Kraftstoffmenge soweit reduziert wird bis eine die Laufunruhe der Brennkraftmaschine repräsentierende Kenngröße einen vorgegebenen Laufunruhegrenzwert erreicht hat. Ferner wird ein Verhältnis aus einer Änderung des Einlassventilhubs zur resultierenden Änderung der Ansaugluftmenge für den ersten Betriebspunkt ermittelt. Basierend auf diesem Verhältnis, der Ansaugluftmenge beim ersten Betriebspunkt und dem zugehörigen Wert für die Kraftstoffmengenreduktion werden für jeden Zylinder Abweichungen des Einlassventilhubs von einem Ventil-Referenzwert ermittelt. Der variable Ventiltrieb wird dann unter Berücksichtigung der zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs gesteuert.
Zylinderindividuelle Abweichungen beim Hub der Einlassventile sind vor allem auf fertigungsbedingte Toleranzen beim Ventiltrieb (Ventilsteuerungsmechanismus) und auf Toleranzen bei den Ventilen selbst zurückzuführen. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, die zylinderindividuellen Abweichungen des Hubs der Einlassventile durch eine Reduzierung der zylinderindividuell zugeführten Kraftstoffmenge bis zum Erreichen einer bestimmten Laufunruhe qualitativ und quantitativ zu ermitteln. Je weiter die zugeführte Kraftstoffmenge bis zum Erreichen der Laufunruhe reduziert werden muss, umso mehr Frischluft wird dem jeweiligen Zylinder zugeführt und umso größer ist der Hub des Einlassventils. Umgekehrt, je weniger die zugeführte Kraftstoffmenge bis zum Erreichen der Laufunruhe reduziert werden muss, umso weniger Frischluft wird dem jeweiligen Zylinder zugeführt und umso kleiner ist der Hub des Einlassventils. Die zylinderindividuellen Werte der Kraftstoffmengenreduktion stellen daher ein Maß für die Frischluftfüllung der Zylinder und somit den Hub des Einlassventils dar. Dadurch können Rückschlüsse auf die Genauigkeit bzw. mögliche zylinderindividuellen Toleranzen bei der Einstellung Einlassventilhubs gezogen werden. Unter Berücksichtigung dieser zylinderindividuellen Werte für die Kraftstoffmengenreduktion kann der variable Ventiltrieb hinsichtlich des Fahrkomforts und des Kraftstoffverbrauchs optimal gesteuert werden.
Gerade im niederen Lastbereich (z. B. Leerlauf) und kleinen Hüben der Einlassventile führen kleine Änderung des Einlassventilhubs zu relativ deutlichen Änderungen der Ansaugluftmenge. Der funktionale Zusammenhang zwischen der Ansaugluftmenge zum Einlassventilhub weißt daher im niedrigen Lastbereich eine große Steigung auf und ist daher messtechnisch gut zu ermitteln. Basierend auf dem Verhältnis aus der Änderung des Einlassventilhubs zur resultierenden Änderung der Ansaugluftmenge, der Ansaugluftmenge und der zylinderindividuellen Werte für die Kraftstoffmengenreduktion an einem konkreten Betriebspunkt können daher mit guter Genauigkeit zylinderindividuelle Fehler/Abweichungen des Einlassventilhubs bestimmt werden und die Steuerung des Ventiltriebs entsprechend optimiert werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 werden bei einem zweiten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, bei dem der Hub der Einlassventile größer ist als bei dem ersten Betriebspunkt, weitere zylinderindividuelle Werte für eine Kraftstoffmengenreduktion ermittelt. Dazu wird sukzessiv für jeden Zylinder die jeweils zugeführte Kraftstoffmenge soweit reduziert bis eine die Laufunruhe der Brennkraftmaschine repräsentierende Kenngröße einen vorgegebenen Laufunruhegrenzwert erreicht hat. Zylinderindividuelle Fehler bei der Kraftstoffzufuhr werden basierend auf den weiteren zylinderindividuellen Werten für die Kraftstoffmengenreduktion und einem vorgegebenen Kraftstoff-Referenzwert ermittelt. Die zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr werden dann bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Werte der Kraftstoffmengenreduktion beim ersten Betriebspunkt berücksichtigt.
Da zur quantitativen und qualitativen Bestimmung der Fehler bei der Zylinderfüllung die zugeführte Kraftstoffmenge reduziert wird, haben fertigungsbedingte Toleranzen des Kraftstoffversorgungssystems, insbesondere der Einspritzventile, einen Einfluss auf die Genauigkeit des Verfahrens. Um diese Fehler bei der Kraftstoffzufuhr möglichst genau zu quantifizieren, werden bei einem zweiten Betriebspunkt die zylinderindividuell zugeführten Kraftstoffmengen soweit reduziert, bis ein weiterer Grenzwert für die Laufunruhe erreicht ist. Die zylinderindividuellen Werte dieser Kraftstoffmengenreduktion werden dann mit einem geeigneten Kraftstoff-Referenzwert verglichen. Bei dem Kraftstoff-Referenzwert kann es sich beispielsweise um einen Mittelwert der zylinderindividuellen Werte der Kraftstoffmengenreduktion oder um eine entsprechende Wertangabe des Herstellers des Kraftstoffversorgungssystems handeln. Es ergibt sich vorteilhafterweise ein zylinderindividueller prozentualer Fehler bei der Kraftstoffzufuhr, bedingt durch Toleranzen im Kraftstoffversorgungssystem. Diese Fehler werden dann bei der Ermittlung der Werte der Kraftstoffmengenreduktion beim ersten Betriebspunkt berücksichtigt, was die Genauigkeit des Verfahrens verbessert.
Der zweite Betriebspunkt ist vorteilhafterweise so gewählt, dass der Einfluss von Fehlern bei der Kraftstoffzufuhr, verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Kraftstoffversorgungssystems, auf das zylinderindividuell produzierte Drehmoment gegenüber dem Einfluss von Fehlern bei der Frischluftfüllung, verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Ventiltriebs, dominieren.
Der erste Betriebspunkt ist vorteilhafterweise so zu wählen, dass der Einfluss von zylinderindividuell bei der Kraftstoffzufuhr, verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Kraftstoffversorgungssystems, auf das zylinderindividuell produzierte Drehmoment gegenüber dem Einfluss von Fehlern bei der Frischluftfüllung, verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Ventiltriebs, vernachlässigbar ist.
Dadurch wird eine Überlagerung der Einflüsse weitgehend vermieden. Beispielsweise erreichen die Einlassventile am zweiten Betriebspunkt ihren maximal möglichen Hub und/oder ihre maximale Öffnungsdauer. Dagegen sind die Hübe und/oder die Öffnungszeiten der Einlassventile am ersten Betriebspunkt eher gering. Dies ist dadurch begründet, dass der Einfluss von Fehlern bei der Zylinderfüllung bedingt durch Toleranzen im Ventiltrieb auf das Drehmoment mit zunehmender Zylinderfüllung abnimmt, während der Einfluss von Fehlern bei der Kraftstoffzufuhr auf das Drehmoment mit zunehmender Zylinderfüllung zunimmt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 ist der Ventiltrieb der Brennkraftmaschine zur zylinderindividuellen Steuerung des Hubs der Einlassventile der Brennkraftmaschine ausgebildet. Der Ventiltrieb wird derart gesteuert, dass die zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs reduziert werden.
Der Ventiltrieb zur zylinderindividuellen Steuerung der Einlassventile kann beispielsweise einen elektromagnetischen oder pneumatischen Mechanismus aufweisen. Mit derartigen Mechanismen kann der Hub der Einlassventile zylinderindividuell variiert werden. Unter Kenntnis der zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs kann der Ventiltrieb derart gesteuert werden, dass diese Abweichungen reduziert werden. Dadurch ist eine Gleichstellung der zylinderindividuellen Frischluftmengen möglich.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 4 ist auf einen Ventiltrieb zur gemeinsamen Steuerung des Hubs der Einlassventile der Brennkraftmaschine gerichtet. Es werden Differenzen zwischen den zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs ermittelt. Ein Steuerwert für den vom Ventiltrieb minimal einzustellenden Hub der Einlassventile wird dann in Abhängigkeit von der betragsmäßig größten Differenz bestimmt.
Die betragsmäßig größte Differenz zwischen den zylinderindividuellen Abweichungen der einzelnen Zylinder ist ein Maß für die Streuung (maximalen Unterschiede) der Frischluftzufuhr in die einzelnen Brennräume und somit für die Streuung der zylinderindividuellen Drehmomentbeiträge. Bei einem sehr hohen Differenzbetrag ist daher von starken Drehmomentunterschieden zwischen den Zylindern und einer Tendenz zu einem unruhigen Motorlauf auszugehen. Übersteigt die größte Differenz beispielsweise einen vorgegebenen oberen Schwellenwert, so kann der Stellwert für den minimalen Einlassventilhub erhöht werden, wodurch sie die Laufruhe verbessert. Liegt größte Differenz unter einen vorgegebenen unteren Schwellenwert, so kann der Stellwert für den minimalen Einlassventilhub erniedrigt werden, wodurch sich Verbrauchsvorteile ohne spürbare Verschlechterung der Laufruhe ergeben.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 werden die zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs bei der zylinderindividuellen Kraftstoffzufuhr berücksichtigt.
Auf diese Weise kann ein negativer Einfluss der Abweichungen des Einlassventilhubs auf die Abgaszusammensetzung und auf die zylinderindividuell produzierten Drehmomente kompensiert werden.
Eine Steuervorrichtung gemäß Anspruch 6 für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mehreren Einlassventilen und einer Vorrichtung zum Variieren des Hubs der Einlassventile ist derart ausgebildet und mit Mitteln versehen, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführen kann.
Bezüglich der sich daraus ergebenden Vorteile wird auf die Ausführungen zu den Ansprüchen 1 bis 5 verwiesen, wobei die Vorteile analog gelten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
In den Figuren sind:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
2A, 2B ein Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens in Form eines Ablaufdiagramms.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst vier Zylinder 2, wobei aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur ein Zylinder dargestellt ist. Die auf diesen Zylinder gerichtete Beschreibung gilt analog für die anderen Zylinder. In dem Zylinder 2 ist ein Kolben 3 angeordnet, welcher sich im Zylinder 2 auf und ab bewegen kann. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner einen Ansaugtrakt 40, in dem stromabwärts einer Ansaugöffnung 4 zum Ansaugen von Frischluft ein Luftmassensensor 5, eine Drosselklappe 6, sowie ein Saugrohr 7 angeordnet sind. Der Ansaugtrakt 40 mündet in einen durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 begrenzten Brennraum 30. Die zur Verbrennung nötige Frischluft wird über den Ansaugtrakt 40 in den Brennraum 30 eingeleitet, wobei die Frischluftzufuhr durch Öffnen und Schließen zumindest eines Einlassventils 8 gesteuert wird.
Bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, wobei der für die Verbrennung nötige Kraftstoff über ein Einspritzventil 9 (elektromagnetisch oder piezoelektrisch) unmittelbar in den Brennraum 30 eingespritzt wird. Zur Auslösung der Verbrennung dient eine ebenfalls in dem Brennraum 30 ragende Zündkerze 10. Die Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt 16 der Brennkraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines Abgaskatalysators 12 gereinigt. Im Abgastrakt ist ferner ein Lambda-Sensor 41 zur Erfassung des Sauerstoffanteils des Abgases angeordnet.
Die Brennkraftmaschine weist einen Ventiltrieb 80 zur variablen Steuerung der Einlassventile 8 auf. Die Brennkraftmaschine kann weiterhin einen Ventiltrieb 110 zur variablen Steuerung der Auslassventile 11 aufweisen (diese Konfiguration wird jedoch im Folgenden nicht betrachtet). Der Ventiltrieb 80 kann zur zylinderindividuellen oder zur gemeinsamen Steuerung der Einlassventile 8 ausgebildet sein. Dazu kann der Ventiltrieb 80 einen elektromagnetischen, elektrischen oder pneumatischen Mechanismus ausweisen. Der Ventiltrieb 80 kann dabei zumindest einen die Zylinderfüllung beeinflussenden Betriebsparameter der Einlassventile variieren, insbesondere den Hub der Einlassventile 8.
Die Kraftübertragung an einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) geschieht über eine mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13. Die Brennkraftmaschine 1 verfügt ferner über einen integrierten Kurbelwellensensor 15 zur Erfassung der Position und Drehzahl der Kurbelwelle 13.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Kraftstoffversorgungssystem, welches einen Kraftstofftank 17 sowie eine darin angeordnete Kraftstoffpumpe 18 aufweist. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 18 über eine Versorgungsleitung 19 einem Druckspeicher 20 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen gemeinsamen Druckspeicher 20, von dem aus die Einspritzventile 9 für mehrere Zylinder 2 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden. In der Versorgungsleitung 19 sind ferner ein Kraftstofffilter 21 und eine Hochdruckpumpe 22 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 22 dient dazu, den durch die Kraftstoffpumpe 18 mit relativ niedrigem Druck (ca. 3–5 bar) geförderten Kraftstoff dem Druckspeicher 20 mit hohem Druck zuzuführen (typischerweise in der Größenordnung von 120–150 bar).
Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 26 zugeordnet, welche über Signal- und Datenleitungen (in 1 durch Pfeile dargestellt) mit allen Aktuatoren und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. In der Steuervorrichtung 26 sind kennfeldbasierte Steuerungsfunktionen KF1 bis KF5 softwaremäßig implementiert. Dazu weist die Steuervorrichtung einen Datenspeicher und einen Mikroprozessor (nicht dargestellt) auf. Basierend auf den Messwerten der Sensoren und den kennfeldbasierten Motorsteuerungsfunktionen werden Steuersignale an die Aktuatoren der Brennkraftmaschine 1 und des Kraftstoffversorgungssystems ausgesandt. Konkret ist die Steuervorrichtung 26 über Daten- und Signalleitungen mit der Kraftstoffpumpe 18, dem Luftmassensensor 5, der Drosselklappe 6, der Zündkerze 10, den Einspritzventilen 9, dem variablen Ventiltrieb 80 (gegebenenfalls auch mit dem Ventiltrieb 110), dem Kurbelwellensensor 15 und dem Lambda-Sensor 41 gekoppelt.
Die Steuervorrichtung 26 ist ausgebildet, Steuersignale zum Öffnen und Schließen des Einspritzventils 9 zu generieren. Die Steuersignale werden an die elektromagnetischen oder piezoelektrischen Aktuatoren der Einspritzventile 9 über die entsprechenden Signalleitungen (in 1 durch Pfeile gekennzeichnet) übermittelt. Die Steuervorrichtung 26 ist ferner dazu ausgebildet, den Ventiltrieb 80 (gegebenenfalls auch den Ventiltrieb 110) zu steuern, um so die Betriebsparameter des Ventiltriebs 80, welche einen Einfluss auf die Zylinderfüllung haben, zu variieren, insbesondere den Hub der Einlassventile 8. Die Steuervorrichtung ist derart ausgebildet, dass sie ein erfindungsgemäßes Steuerverfahren für den Ventiltrieb 80 (11) ausführen kann, wie es beispielhaft anhand der 2A und 2B beschrieben ist.
In den Figuren 2A und 2B ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Steuerung des variablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern, wie sie beispielhaft in 1 dargestellt ist, in Form eines Ablaufdiagramms dargestellt.
Das Verfahren wird durch die in der Steuervorrichtung 26 implementierten Steuerfunktionen KF1 bis KF5 (siehe 1) ausgeführt.
Das Verfahren startet mit Schritt 200 (siehe 2A), beispielsweise beim Anlassen der Brennkraftmaschine 1 durch einen Fahrzeugführer (nicht dargestellt). Ab dem Start werden die Drehzahl bzw. die Luftmasse kontinuierlich durch den Kurbelwellensensor 15 bzw. den Luftmengensensor 5 gemessen.
Das Verfahren fährt mit Schritt 201 fort, in dem geprüft wird, ob ein stationärer Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 vorliegt. Dazu kann beispielsweise geprüft werden, ob sich die Drehzahl und die zugeführte Frischluftmenge (Ansaugluftmenge) über einen vorgegebenen Zeitraum innerhalb vorgegebener Wertefenster befinden. Diese Abfrage wird solange wiederholt, bis ein stationärer Betriebspunkt erkannt wird.
Daraufhin fährt das Verfahren mit Schritt 202 fort, in dem überprüft wird, ob der Hub der Einlassventile 8 (ein die Zylinderfüllung beeinflussender Betriebsparameter des Ventiltriebs 80) größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Die Abfrage wird solange wiederholt, bis die Bedingung von Schritt 202 erfüllt ist. Bei einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 202 wird die Brennkraftmaschine 1 also in einem stationären Betriebspunkt betrieben, wobei der Hub der Einlassventile größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Dieser Betriebspunkt wird nachfolgend als zweiter Betriebspunkt bezeichnet. Der Schwellenwert für den Betriebsparameter des Ventiltriebs 80 ist dabei so zu bemessen, dass beim zweiten Betriebspunkt der Einfluss von Fehlern bei der Kraftstoffzufuhr (verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Kraftstoffversorgungssystems, insbesondere der Einspritzventile 9) auf das zylinderindividuell produzierte Drehmoment gegenüber dem Einfluss von Fehlern bei der Frischluftfüllung (verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Ventiltriebs) dominiert.
Dadurch wird eine Überlagerung der Einflüsse weitgehend vermieden. Vorteilhafterweise erreichen die Einlassventile 8 am zweiten Betriebspunkt ihren maximal möglichen Hub.
Das Verfahren fährt mit Schritt 203 fort, in dem eine Zählvariable i, welche ganzzahlige Werte zwischen 1 und der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine annehmen kann, mit dem Wert 1 initialisiert wird. Im Ausführungsbeispiel kann die Zählvariable i daher ganzzahlige Werte zwischen 1 und 4 annehmen, da es sich um einen Vierzylinder-Motor handelt.
Das Verfahren fährt mit Schritt 204 fort, in dem die dem jeweiligen Zylinder i zugeführte Kraftstoffmenge um einen bestimmten Betrag reduziert wird. Dazu wird das dem jeweiligen Zylinder i zugeordnete Einspritzventil 9 durch die Steuervorrichtung 26 entsprechend angesteuert, beispielsweise indem die Öffnungszeit des Einspritzventils 9 durch eine entsprechend verkürzte Bestromung reduziert wird.
Das Verfahren fährt mit Schritt 205 fort, in dem überprüft wird, ob eine durch die Reduzierung der Kraftstoffmenge in Zylinder i verursachte Drehmomentänderung zu einer Laufunruhe führt, welche größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Dazu wird eine die Laufunruhe repräsentierende Kenngröße bzw. Betriebsgröße mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Die Kenngröße kann beispielsweise aus dem Signal des Kurbelwellensensors 15 ermittelt werden. So können beispielsweise aus dem Signal des Kurbelwellensensors 15 Drehzahlschwankungen oder die Beschleunigung der Kurbelwelle 13 segmentsynchron ermittelt werden, sodass Rückschlüsse auf die zylinderindividuellen Drehmomentbeiträge und somit auf die Laufunruhe möglich sind. Die Kenngröße wird mit dem Schwellenwert verglichen. Der Schwellenwert für die Laufunruhe ist dabei so vorzugeben, dass für den Fahrer keine unakzeptable Komforteinbuße entsteht. Der Verfahrensschritt 204 wird solange wiederholt, bis die Abfrage in Schritt 205 bejaht werden kann. Durch die immer weitere Verringerung der dem Zylinder i zugeführte Kraftstoffmenge wird das Brenngemisch in diesem Zylinder i immer weiter abgemagert bis es zu einer entsprechenden Laufunruhe kommt.
Das Verfahren fährt dann mit Schritt 206 fort, in dem der Wert für die Kraftstoffmengenreduktion für den jeweiligen Zylinder 2 bis zum Erreichen/Überschreiten des Schwellenwerts für die Laufunruhe abgespeichert wird.
Das Verfahren fährt mit Schritt 207 fort, in dem überprüft wird, ob der Zähler i schon die Anzahl (Vier) der Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, wird in Schritt 208 die Zählvariable i um 1 inkrementiert und das Verfahren fährt mit Schritt 204 fort. Die Verfahrensschritte 204 bis 208 werden so für jeden der Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt, so dass für jeden Zylinder 2 am Ende der jeweilige Wert für die Kraftstoffmengenreduktion bis zum Erreichen des Schwellenwerts für die Laufunruhe ermittelt und abgespeichert ist.
Bei einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 207 fährt das Verfahren mit Schritt 209 fort, in dem für jeden Zylinder 2 ein Fehler bei der Kraftstoffzufuhr basierend auf den jeweiligem zylinderindividuellen Wert für die Kraftstoffmengenreduktion und einem vorgegebenen Kraftstoff-Referenzwert ermittelt und abgespeichert wird. Bei dem Kraftstoff-Referenzwert kann es sich beispielsweise um den arithmetischen Mittelwert der zylinderindividuellen Werte für die Kraftstoffmengenreduktion beim zweiten Betriebspunkt oder um eine entsprechende Angabe des Herstellers des Kraftstoffversorgungssystems handeln. Die zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr für den jeweiligen Zylinder können beispielsweise basierend auf dem Quotienten des jeweiligen zylinderindividuellen Werts für die Kraftstoffmengenreduktion und dem Kraftstoff-Referenzwert gebildet werden. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein zylinderindividueller prozentualer Fehler bei der Kraftstoffzufuhr, bedingt durch Toleranzen im Kraftstoffversorgungssystem (insbesondere Toleranzen bei den Einspritzventilen 9).
Diese zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr spiegeln fertigungs- oder alterungsbedingte Ungenauigkeiten bei der Kraftstoffzufuhr für jeden Zylinder 2 wieder. Die Fehler bei der Kraftstoffzufuhr basieren daher insbesondere auf Toleranzen bei den Einspritzventilen 9. Die Ermittlung dieser zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr dient dazu, die Genauigkeit des gesamten Verfahrens zu verbessern, wie es in den nachfolgenden Ausführungen deutlich wird.
Das Verfahren fährt mit Schritt 210 (siehe 2B) fort, in dem wiederum überprüft wird, ob sich die Brennkraftmaschine 1 in einem stationären Betriebspunkt befindet. Bezüglich der genauen Ausführung dieser Abfrage wird auf die Erläuterung zu Schritt 201 verwiesen. Die Abfrage wird solange wiederholt bis ein stationärer Betriebspunkt erkannt wird.
Das Verfahren fährt mit Schritt 211 fort, in dem überprüft wird, ob der Hub der Einlassventile 9 kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Der Schwellenwert für den Hub der Einlassventile 9 ist dabei so zu bemessen, dass der Einfluss von Fehlern bei der Zylinderfüllung, verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen des Ventiltriebs 80, auf das zylinderindividuell produzierte Drehmoment gegenüber dem Einfluss von Fehlern bei der Kraftstoffzufuhr, verursacht durch zylinderindividuelle Toleranzen Kraftstoffversorgungssystems, dominiert. Dadurch wird eine Überlagerung der Einflüsse weitgehend vermieden. Die Abfrage in Schritt 211 wird solange wiederholt, bis ein positives Ergebnis vorliegt. Bei einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 211 wird die Brennkraftmaschine 1 also in einem stationären Betriebspunkt betrieben und der Hub der Einlassventile 9 kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert. Dieser Betriebspunkt wird nachfolgend als erster Betriebspunkt bezeichnet.
Das Verfahren fährt nun mit Schritt 212 fort, wobei die Ansaugluftmenge am ersten Betriebspunkt und ein Verhältnis aus der Änderung des Hubs der Einlassventile 9 zur resultierenden Änderung der in die Zylinder eingebrachten Ansaugluftmenge für den ersten Betriebspunkt ermittelt werden. Die Ansaugluftmenge kann mittels des Luftmengensensors 5 ermittelt werden. Das Verhältnis aus der Änderung des Hubs der Einlassventile 9 zur resultierenden Änderung der in die Zylinder eingebrachten Ansaugluftmenge für den ersten Betriebspunkt kann basierend auf in der Steuervorrichtung implementierten physikalischen Modellen (Saugrohrmodell) berechnet oder basierend auf in einem Kennfeld abgelegten Daten ermittelt werden. Die Bedatung des Kennfelds erfolgt beispielsweise empirisch über entsprechende Versuchsreihen oder mit Hilfe von Computer-Modellen. Entsprechende Werte werden in Abhängigkeit vom Betriebspunkt ermittelt. Das Verhältnis gibt im Wesentlichen an, in welchem Maß sich die Ansaugluftmenge in einen Zylinder 2 in Abhängigkeit vom Hub des jeweiligen Einlassventils 9 bei einem bestimmten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 ändert. Gerade um unteren Lastbereich und im Leerlauf bewirken kleine Änderungen beim Hub des Einlassventils 9 eine deutliche Änderung der Ansaugluftmenge (und damit des Drehmoments) in den Zylinder 2, sodass die Ansaugluftmenge sehr empfindlich auf solche Änderungen reagiert. Die Modellierung des Verhältnisses oder dessen empirische Ermittlung im Laborversuch für verschiedene Lastpunkte ist daher fehlerrobust und präzise.
Es folgen nun die Schritte 213 bis 215, welche in gleicher Weise ablaufen wie die Schritte 203 bis 205. Bezüglich der genauen Vorgehensweise wird daher auf die Ausführungen zu den Schritten 203 bis 205 verwiesen.
Bei einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 215 fährt das Verfahren mit Schritt 216, in dem für den jeweiligen Zylinder i der Wert für die Kraftstoffmengenreduktion bis zum Erreichen des Schwellenwerts für die Laufunruhe ermittelt wird. Dis erfolgt jedoch vorteilhafterweise unter Berücksichtigung des in Schritt 209 ermittelten Fehlers bei der Kraftstoffzufuhr für den jeweiligen Zylinder i. Dazu wird der ermittelte zylinderindividuelle Wert für die Kraftstoffmengenreduktion am ersten Betriebspunkt um den in Schritt 209 ermittelten, zugehörigen zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr korrigiert. Diese Korrektur bewirkt eine Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens, da somit die zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr, welche auf fertigungsbedingte Toleranzen bei den Einspritzventilen zurückzuführen sind, neutralisiert werden. Dann wird der korrigierte zylinderindividuelle Wert für die Kraftstoffmengenreduktion am ersten Betriebspunkt für den jeweiligen Zylinder 2 abgespeichert.
Das Verfahren fährt mit Schritt 217 fort, in dem die zylinderindividuelle Abweichung des Hubs des jeweiligen Einlassventils 9 von einem weiteren Referenzwert basierend auf dem oben genannten Verhältnis, der Ansaugluftmenge beim ersten Betriebspunkt und dem jeweils zugehörigen korrigierten Wert für die Kraftstoffmengenreduktion (siehe Schritt 216) ermittelt wird. Der weitere Referenzwert kann beispielsweise der Mittelwert der Hübe aller Einlassventile der Brennkraftmaschine am ersten Betriebspunkt sein. Die Ermittlung dieser Abweichungen kann nach folgendem Zusammenhang in guter Näherung (Taylor erster Ordnung) erfolgen: HUB_DIF_i = ( ΔHUB / ΔMAF)₁ × MAF × Δλ_i
Dabei ist HUB_DIF_i die Abweichung des Hubs des Einlassventils des Zylinders i von einem Ventil-Referenzwert, ( ΔHUB / ΔMAF)₁ das Verhältnis aus der Änderung des Hubs der Einlassventile 9 zur resultierenden Änderung der in die Zylinder 2 zugeführten Ansaugluftmenge beim ersten Betriebspunkt (siehe Schritt 212), MAF die Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine am ersten Betriebspunkt (siehe Schritt 212) und Δλ_i die prozentuale zylinderindividuelle Änderung der Abgaszusammensetzung für den jeweiligen Zylinder i aufgrund der Abweichung des Hubs des jeweiligen Einlassventils des Zylinders i vom Ventil-Referenzwert. Δλ_i kann für jeden Zylinder basierend auf dem jeweils zugehörigen, korrigierten Wert für die Kraftstoffmengenreduktion am ersten Betriebspunkt ermittelt werden.
Dies soll anhand des folgenden Beispiels für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern (i = 4) erläutert werden:
Angenommen beim Durchlaufen der Schritte 213 bis 215 für alle vier Zylinder ergaben sich folgende zylinderindividuellen Werte für die Kraftstoffmengenreduktion:
Zylinder i = 1: Die zugeführte Kraftstoffmenge musste um 20% reduziert werden, um den Laufunruheschwellwert zu überschreiten.
Zylinder i = 2: Die zugeführte Kraftstoffmenge musste um 15% reduziert werden, um den Laufunruheschwellwert zu überschreiten.
Zylinder i = 3: Die zugeführte Kraftstoffmenge musste um 10% reduziert werden, um den Laufunruheschwellwert zu überschreiten.
Zylinder i = 4: Die zugeführte Kraftstoffmenge musste um 5% reduziert werden, um den Laufunruheschwellwert zu überschreiten.
Der Mittelwert aller zylinderindividuellen Werte für die Kraftstoffmengenreduktion ergibt demnach 12,5%.
Für Zylinder i = 1 ergibt sich eine Abweichung von diesem Mittelwert von +7,5%.
Für Zylinder i = 2 ergibt sich eine Abweichung von diesem Mittelwert von +2,5%.
Für Zylinder i = 3 ergibt sich eine Abweichung von diesem Mittelwert von –2,5%.
Für Zylinder i = 4 ergibt sich eine Abweichung von diesem Mittelwert von –7,5%.
Da bei den Zylindern i = 1 und i = 2 relativ zum Mittelwert mehr Kraftstoff reduziert werden musste, kann gefolgert werden, dass das Brenngemisch fetter (kraftstoffreicher) war. Daraus kann gefolgert werden, dass relativ weniger Verbrennungsluft in diese Zylinder zugeführt wurde. Die lässt die Schlussfolgerung zu, dass die Hübe der Einlassventile dieser Zylinder eher geringer waren, d. h. in Richtung zu geringeren Hubwerten streuen.
Da bei den Zylindern i = 3 und i = 4 relativ zum Mittelwert weniger Kraftstoff reduziert werden musste, kann gefolgert werden, dass das Brenngemisch magerer (d. h. kraftstoffärmer) war. Daraus kann gefolgert werden, dass relativ mehr Verbrennungsluft in diese Zylinder zugeführt wurde. Die lässt die Schlussfolgerung zu, dass die Hübe der Einlassventile dieser Zylinder eher größer waren, d. h. in Richtung zu größeren Hubwerten streuen.
Aufgrund des proportionalen Zusammenhangs (unter Vorzeichenumkehr) zwischen der zylinderindividuellen Kraftstoffmenge und der zylinderindividuellen Abgaszusammensetzung ergeben sich für:
Zylinder i = 1: Δλ₁ = –7,5%
Zylinder i = 2: Δλ₂ = –2,5%
Zylinder i = 3: Δλ₃ = +2,5%
Zylinder i = 4: Δλ₄ = +7,5%
Unter Kenntnis der Werte für Δλ_i können dann für jeden Zylinder die jeweilige Abweichung HUB_DIF_i des Hubs des jeweiligen Einlassventils berechnet werden.
Diese Methode erlaubt eine sehr Rechnerresourcen schonende Bestimmung der Abweichungen des Hubs der Einlassventile relativ zu einem Referenzwert.
Das Verfahren fährt mit den Schritten 218 und 219 fort, wobei hier auf die Ausführungen zu den Schritten 207 und 208 verwiesen wird.
Nach einem positiven Ergebnis der Abfrage in Schritt 218, wenn also für alle Zylinder die (prozentualen) Abweichungen der Hübe der Einlassventile ermittelt sind, fährt das Verfahren mit Schritt 220 fort, in dem zumindest eine Steuergröße des Ventiltriebs 8, vorteilhafterweise der Hub der Einlassventile, basierend auf dieser zylinderindividuellen Abweichungen angepasst wird.
Falls der Ventiltrieb 80 zur zylinderindividuellen Steuerung der Einlassventile 8 ausgebildet ist, so kann der Ventiltrieb derart gesteuert werden, dass die zylinderindividuellen Abweichungen HUB_DIF_i beim Hub der Einlassventile reduziert, untereinander angenähert oder gleichgestellt werden. Dadurch kann eine gleichmäßige und präzise Zylinderfüllung erreicht werden.
Ist der Ventiltrieb zur gemeinsamen Steuerung der Einlassventile 2 ausgebildet, so werden Unterschiede zwischen den zylinderindividuellen Abweichungen HUB_DIF_i der Hübe der Einlassventile ermittelt. Beispielsweise können Differenzen zwischen diesen Werten gebildet werden. In Abhängigkeit von der betragsmäßig größten Differenz wird ein Steuerwert des Ventiltriebs, insbesondere der minimal einzustellende Einlassventilhub, angepasst. Je größer die Differenz zwischen den zylinderindividuellen Abweichungen, desto stärker sind die Füllungsunterschiede der einzelnen Zylinder, desto weiter ist der Wert für den minimal einzustellenden Ventilhub zu vergrößern, um unkomfortables Laufverhalten der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Dadurch kann der verbrauchsoptimale Betriebsbereich bei niederen Lasten und im Leerlauf optimal und selektiv für jede Brennkraftmaschine eingestellt werden.
Das Verfahren fährt mit Schritt 221 fort, in dem die zylinderindividuellen Abweichungen der Einlassventilhübe bei der Kraftstoffzufuhr berücksichtigt werden. Wird beispielsweise festgestellt, dass bei einem Zylinder aufgrund der Abweichungen bei Hub der Einlassventile es zu 10% mehr Zylinderfüllung kommt, wird die durch das jeweilige Einspritzventil zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend erhöht. Dadurch können die zylinderindividuellen Abgaswerte optimiert werden.
Das Verfahren kann an dieser Stelle ausgehend von Schritt 210 für einen anderen Betriebspunkt wiederholt werden. Nach vielen Durchläufen für unterschiedliche Betriebspunkte ist der Ventiltrieb für einen weiten Betriebsbereich optimiert.
Auch wenn die Erfindung für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung erläutert wurde, wird explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung begrenzt ist. Die Erfindung ist auch auf Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung anwendbar, bei denen die Kraftstoffzufuhr zylinderindividuell steuerbar ist. Dies ist beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine möglich, in deren Ansaugkrümmer pro Zylinder ein Einspritzventil angeordnet ist. Die Erfindung ist auf derartige Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung analog übertragbar.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines variablen Ventiltriebs (80, 110) einer Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern (2), wobei – bei einem ersten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) eine Ansaugluftmenge ermittelt wird, – bei dem ersten Betriebspunkt zylinderindividuelle Werte für eine Kraftstoffmengenreduktion ermittelt werden, indem sukzessiv für jeden Zylinder (2) die jeweils zugeführte Kraftstoffmenge soweit reduziert wird bis eine die Laufunruhe der Brennkraftmaschine repräsentierende Kenngröße einen vorgegebenen Laufunruhegrenzwert erreicht hat, – ein Verhältnis aus einer Änderung des Einlassventilhubs zur einer resultierenden Änderung der Ansaugluftmenge für den ersten Betriebspunkt ermittelt wird, – zylinderindividuelle Abweichungen des Einlassventilhubs von einem Ventil-Referenzwert basierend auf dem Verhältnis, der Ansaugluftmenge beim ersten Betriebspunkt und dem zugehörigen Wert für die Kraftstoffmengenreduktion ermittelt werden, – der variable Ventiltrieb (80, 110) unter Berücksichtigung der zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei – bei einem zweiten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1), bei dem der Hub der Einlassventile größer ist als bei dem ersten Betriebspunkt, weitere zylinderindividuelle Werte für eine Kraftstoffmengenreduktion ermittelt werden, indem sukzessiv für jeden Zylinder (2) die jeweils zugeführte Kraftstoffmenge soweit reduziert wird bis eine die Laufunruhe der Brennkraftmaschine repräsentierende Kenngröße einen vorgegebenen Laufunruhegrenzwert erreicht hat, – zylinderindividuelle Fehler bei der Kraftstoffzufuhr basierend auf den weiteren zylinderindividuellen Werten für die Kraftstoffmengenreduktion und einem Kraftstoff-Referenzwert ermittelt werden, und – die zylinderindividuellen Fehler bei der Kraftstoffzufuhr bei der Ermittlung der zylinderindividuellen Werte der Kraftstoffmengenreduktion beim ersten Betriebspunkt berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Ventiltrieb (80) der Brennkraftmaschine (1) zur zylinderindividuellen Steuerung des Hubs der Einlassventile (8) der Brennkraftmaschine (1) ausgebildet ist und der Ventiltrieb (80) derart gesteuert wird, dass die zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs reduziert oder einander angenähert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ventiltrieb (80) der Brennkraftmaschine (1) zur gemeinsamen Steuerung des Hubs der Einlassventile (8) der Brennkraftmaschine (1) ausgebildet ist, wobei – Unterschiede zwischen den zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs ermittelt werden, – eine Steuergröße für den vom Ventiltrieb (80) minimal einzustellenden Hub der Einlassventile (8) in Abhängigkeit von den Unterschieden bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zylinderindividuellen Abweichungen des Einlassventilhubs bei der zylinderindividuellen Kraftstoffzufuhr berücksichtigt werden.
Steuervorrichtung (26) für eine Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Einlassventilen und einer Vorrichtung zum Variieren des Hubs der Einlassventile, wobei die Steuervorrichtung derart ausgebildet und mit Mitteln versehen ist, dass sie ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführen kann.