DE10358108A1

DE10358108A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zylinderindividuellen Bestimmung und Regelung der Kraftstoffeinspritzmenge

Info

Publication number: DE10358108A1
Application number: DE10358108A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Bornitz; Nicholas Dr. Fekete; Lorenzo Dr.-Ing. Matassini; Rüdiger Dipl.-Ing. Pfaff
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-07-14
Also published as: WO2005059341A1; US7337771B2; EP1700022A1; US20060254568A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zylinderindividuellen Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Abgasdruck der Brennkraftmaschine zeitaufgelöst, d. h. kurbelwellenwinkelaufgelöst, erfasst und daraus für jeden Zylinder einzeln ein Abgasdruckausstoß ermittelt und zur Bestimmung der im zugehörigen Verbrennungsvorgang des betreffendne Zylinders eingespritzten Kraftstoffmenge herangezogen. Der auf diese Weise zylinderindividuell ermittelte Istwert der eingespritzten Kraftstoffmenge kann zur Einstellung der Menge an in den betreffenden Zylinder einzuspritzendem Kraftstoff herangezogen werden. DOLLAR A Verwendung z. B. für Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zylinderindividuellen Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge. Der Begriff „Zylinder" wird hierbei vorliegend für beliebige Brennraumtypen von Brennkraftmaschinen verwendet.
Bei mehrzylindrischen Brennkraftmaschinen mit zylinderindividueller Kraftstoffeinspritzung besteht die Anforderung, ein definiertes Kraftstoff/Luft-Gemisch für jeden Zylinder einzustellen, meist für alle Zylinder möglichst das gleiche Gemisch, d.h. mit gleichem Luft/Kraftstoff-Verhältnis bzw. Lambdawert. Dabei kann es z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlichem Alterungsverhalten von Einspritzdüsen, die den einzelnen Zylindern zugeordnet sind, und aufgrund von Unterschieden in der für den jeweiligen Zylinder angesaugten Luftmasse zur Bildung unterschiedlicher Gemische in den einzelnen Zylindern auch dann kommen, wenn eigentlich die Bildung gleicher Gemische beabsichtigt ist. Um diese Effekte zu kompensieren, ist eine entsprechende adaptive Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge zweckmäßig.
Zur Erzielung möglichst gleicher Gemische in den einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine ist es bekannt, das Verbrennungsluftverhältnis, d.h. den Lambdawert, im Abgas der Brennkraftmaschine mittels einer Lambdasonde zeitaufgelöst zu messen und abhängig von deren Messsignal die in den jeweiligen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge zu regeln. Bedingt durch die Trägheit von Lambdasonden mit typischen Reaktionszeiten von nicht wesentlich unter 100ms ist es bei dieser Vorgehensweise relativ schwierig, aus den gemessenen Lambdawerten die zylinderspezifischen Abweichungen der eingespritzten Kraftstoffmenge zu erkennen und diese den einzelnen Zylindern zuzuordnen. Zudem ist es kaum möglich, die Ursache von Regelabweichungen korrekt zu identifizieren, d.h. ob diese z.B. von unterschiedlichen eingespritzten Kraftstoffmengen oder unterschiedlichen angesaugten Luftmassen verursacht werden.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzmengenbestimmung sowie eines zugehörigen Verfahrens und einer zugehörigen Vorrichtung zur zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzmengenregelung zugrunde, die mit relativ geringem Aufwand eine vergleichsweise genaue zylinderindividuelle Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge und eine entsprechend genaue Regelung der in jeden Zylinder eingespritzten Kraftstoffmenge ermöglichen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzmengenbestimmung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge mit den Merkmalen des Anspruchs 2 bzw. 5.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzmengenbestimmung wird ein Abgasdruck der Brennkraftmaschine zeitaufgelöst erfasst und daraus für jeden Zylinder einzeln ein Abgasdruckausstoß ermittelt und zur Bestimmung der im zugehörigen Verbrennungsvorgang des betreffenden Zylinders eingespritzten Kraftstoffmenge herangezogen. Der Begriff "zeitaufgelöst" wird dabei vorliegend im Sinne einer Auflösung der betreffenden physikalischen Größe, wie des Abgasdrucks, über den Verlauf eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine hinweg gebraucht. Bei Brennkraftmaschinen mit Kurbelwelle entspricht dies z.B. einer zum Kurbelwellenwinkel synchronen Auflösung, d.h. dem Begriff "kurbelwellenwinkelaufgelöst".
Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, dass übliche Abgasdrucksensoren Reaktionszeiten von typischerweise kleiner als 5ms haben, die insbesondere deutlich geringer sind als die Reaktionszeiten üblicher Lambdasensoren. Dies ermöglicht eine problemlose Erkennung und Zuordnung jedes Abgasdruckausstoßes zum jeweiligen Zylinder. Des weiteren nutzt dieses Verfahren die Erkenntnis, dass die Stärke des Abgasdruckausstoßes ein gutes Maß für die eingespritzte Kraftstoffmenge ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge nutzen das erfindungsgemäße Verfahren zur zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzmengenbestimmung, indem auf diese Weise die tatsächlich eingespritzte Kraftstoffmenge zylinderindividuell ermittelt und als Rückführgröße der zylinderindividuellen Einspritzmengenregelung herangezogen wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraft stoffmenge zusätzlich in Abhängigkeit vom im Abgas der Brennkraftmaschine zeitaufgelöst erfassten Verbrennungsluftverhältnis. Die gemessenen Verbrennungsluftverhältniswerte können beispielsweise als Bewertungskriterium für den Wirkungsgrad der Regelung herangezogen werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge für eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine und
2 eine Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung einer zylinderindividuellen Kraftstoffeinspritzmengenbestimmung durch zeitaufgelöste Erfassung von Abgasdruck und Abgaslambdawert und zur davon abhängigen Einspritzmengenregelung mit der Vorrichtung von 1.
1 veranschaulicht die Erfindung am Beispiel einer Brennkraftmaschine 1 mit sechs Zylindern, die von herkömmlicher Bauart ist und zusammen mit ihrem zugehörigen Abgastrakt nur schematisch als Funktionsblock wiedergegeben ist. In einem Abgastraktabschnitt, in welchem die Abgaszweige aller sechs Zylinder zusammengeführt sind, sind parallel ein Abgasdrucksensor 2 und eine Lambdasonde 3 jeweils üblicher Bauart angeordnet. Bei der Brennkraftmaschine 1 kann es sich z.B. um einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung für ein Kraftfahrzeug handeln.
Ein Einspritzregler 4 steuert die Einspritzung von Kraftstoff und damit die Luft/Kraftstoff-Gemischbildung einzeln für jeden Zylinder, wobei er neben anderen relevanten Einspritzparametern insbesondere die Kraftstoffeinspritzmenge für jeden Zylinder einzeln regelt. Hierzu empfängt der Einspritzregler 4 als Eingangsinformationen ein Abgasdrucksignal 5 des Abgasdrucksensors 2 und ein Lambdawert-Bewertungssignal 6 einer Bewertungseinheit 7 und steuert Einspritzdüsen, die den einzelnen Zylindern zugeordnet sind, entsprechend an.
Mit dem Abgasdrucksensor 2 wird der Druck des von der Brennkraftmaschine 1 emittierten Abgases zeitaufgelöst erfasst. 2 zeigt im oberen Diagramm einen typischen Zeitverlauf des vom Abgasdrucksensor 2 gemessenen Abgasdrucks über ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1, d.h. über 720° Kurbelwellenwinkel, wobei der Zeitverlauf auf der Abszisse in Grad Kurbelwellenwinkel (KW) abgetragen ist.
Die Lambdasonde 3 erfasst zeitaufgelöst das Verbrennungsluftverhältnis des Brennkraftmaschinenabgases. 2 zeigt im unteren Diagramm einen typischen Verlauf des von der Lambdasonde 3 gemessenen Abgaslambdawertes zeitsynchron, d.h. kurbelwellenwinkelsynchron, zum gemessenen Abgasdruckverlauf im oberen Diagramm für das gleiche Arbeitsspiel. Das Messbeispiel von 2 bezieht sich auf einen Fall, bei dem der Brennkraftmaschine 1 ein Abgasturbolader zugeordnet ist und sich der Abgasdrucksensor 2 und die Abgaslambdasonde 3 stromaufwärts vor einer Abgasturbine des Abgasturboladers im Abgastrakt befinden.
Wie aus 1 ersichtlich, wird ein von der Lambdasonde 3 abgegebenes Abgaslambdasignal 8 der Bewertungseinheit 7 zugeführt, und zwar unverzögert als Abgaslambdawert eines momentanen Bewertungsintervalls k an einem ersten Eingang der Bewertungseinheit 7 und parallel dazu als verzögerter Abgaslambdawert eines vorherigen Bewertungsintervalls k-1 an einem zweiten Eingang der Bewertungseinheit 7, wobei als Bewertungsintervall vorzugsweise jeweils ein Arbeitsspiel gewählt wird. Zur Erzeugung des verzögerten Abgaslambdasignals ist dem zweiten Eingang der Bewertungseinheit 7 eine entsprechende Verzögerungseinheit 9 vorgeschaltet.
Wie aus dem Abgasdruckdiagramm von 2 ersichtlich, weist das über ein Arbeitsspiel gemessene Abgasdrucksignal des Abgasdrucksensors 2 einen Spitzenwertbereich (Peak) P auf. Wegen der sehr kurzen Reaktionszeit des Abgasdrucksensors 2 von typischerweise kleiner als 5ms, die insbesondere sehr klein im Vergleich zur Dauer eines Arbeitsspiels ist, ist der Peak P im zeitlichen Verlauf des gemessenen Abgasdrucksignals deutlich und unterscheidbar zu erkennen und kann eindeutig einem jeweiligen Verbrennungsvorgang in einem betreffenden Zylinder zugeordnet werden. Im Vergleich dazu zeigt der gemessene Abgaslambdawert aufgrund der deutlich längeren Ansprechzeit der Lambdasonde 3 von ca. 100ms einen gleichförmigeren Verlauf mit einem Minimumbereich, der mit dem zum Abgasdruck-Peak P gehörigen Verbrennungsvorgang korreliert ist, jedoch um die längere Reaktionszeit gegenüber dem Abgasdruck Peak P verzögert erscheint. Die Korrelation ist in 2 mit einem dicken Strichpfeil K angedeutet.
Aus 2 ist somit deutlich zu erkennen, dass sich der Abgasdruck-Peak P, der auf einen Abgasdruckausstoß eines jeweiligen Zylinders zurückgeht, sehr gut für eine zylinderindividuelle Zuordnung eignet. Da es sich gleichzeitig zeigt, dass die Stärke des Abgasdruck-Peaks P in guter Näherung proportional zu der für den zugehörigen Verbrennungsvorgang eingespritzten Kraftstoffmenge ist, bildet das Abgasdrucksignal 5 des Abgasdrucksensors 2 ein gutes und brauchbares Eingangssignal für den Einspritzregler 4, aus dem dieser die tatsächlich in den jeweiligen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt.
Der Einspritzregler 4 bildet dann in üblicher Weise die Differenz des über das Abgasdrucksensorsignal 5 ermittelten Einspritzmengen-Istwertes zylinderindividuell mit einem für den betreffenden Zylinder vorgegebenen Einspritzmengen-Sollwert als Regelabweichung, um davon abhängig die Einspritzmenge für jeden Zylinder einzustellen. Insbesondere kann die im Einspritzregler 4 implementierte Einspritzregelung die Maßnahme beinhalten, zylinderspezifische Kraftstoffmengenabweichungen auszugleichen. Bei gegebenem Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine 1 können auf diese Weise effektiv gleiche Kraftstoffmengen in die verschiedenen Zylinder eingespritzt werden, auch wenn dazu beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen und unterschiedlichem Alterungsverhalten der einzelnen Einspritzdüsen und etwaigen zylinderindividuellen Unterschieden in der angesaugten Luftmasse unterschiedliche Einstellungen der einzelnen Einspritzdüsen erforderlich sind.
Zusätzlich macht der Einspritzregler 4 für die Einspritzregelung vom Abgaslambdawert-Bewertungssignal 6 Gebrauch, indem er dieses als Bewertungskriterium für den Wirkungsgrad der Regelung heranzieht. Speziell besteht die Absicht darin, ein in seinem zeitlichen Verlauf möglichst gleichbleibendes, flaches Abgaslambdawertsignal zu erzielen. Dazu vergleicht die Bewertungseinheit 7 den aktuell gemessenen Abgaslambdawert mit dem geeignet, vorzugsweise um ein Arbeitsspiel, verzögerten, früher gemessenen Abgaslambdawert und bewertet das Vergleichsergebnis im Sinne einer Angleichung. Dies bedeutet, dass der Einspritzregler 4 die Einspritzparameter zum einen in Abhängigkeit vom Abgasdrucksensorsignal 5 zwecks Erzielung definierter, vorzugsweise gleicher Einspritzmengen für die einzelnen Zylinder und zum anderen in Abhängigkeit vom Bewertungssignal 6 zwecks Erzielung eines möglichst gleichmäßigen zeitlichen Verlaufs des Abgaslambdawertes einstellt.
Wie das oben erläuterte Ausführungsbeispiel deutlich macht, ermöglicht die Erfindung durch Nutzung des zeitaufgelösten Messsignals eines Abgasdrucksensors eine zuverlässige zylinderindividuelle Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge und eine darauf basierende Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge, vorzugsweise unter zusätzlicher Berücksichtigung des zeitaufgelösten Messsignals einer Abgaslambdasonde.
Die Erfindung eignet sich zum Einsatz bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, wie erwähnt, darüber hinaus aber auch bei beliebigen anderen mehrzylindrischen Brennkraftmaschinen. Durch das geregelte Einstellen eines definierten Luft/Kraftstoff-Gemischs in jedem Zylinder lässt sich eine gute Zylindergleichstellung erreichen, was sich günstig auf das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt. Die Anwendung der Erfindung ist relativ kostengünstig, da die benötigten Systemkomponenten, wie Abgasdrucksensor, Abgaslambdasonde und Einspritzregler, an sich bekannt und häufig bereits in Brennkraftmaschinen verbaut sind, so dass nur die entsprechenden Verfahrensschritte bzw. Regelungsalgorithmen implementiert werden müssen. Durch die Erfindung lässt sich die Wechselwirkung zwischen Laufruheregelung (LRR) bzw. Kraftstoffbalancesteuerung (Fuel Balancing Control; FBC) und Lambdaregelung kontrollieren und betriebspunktabhängig optimieren.
Die Anwendung der Erfindung und insbesondere der erfindungsgemäßen Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge ermöglicht die Berücksichtigung von Alters-, Verschleiß- und Verschmutzungseffekten und somit deren Reduzierung im Laufe der Betriebszeit einer Brennkraftmaschine, indem sie in der Lage ist, solche Effekte adaptiv zu kompensieren.

Claims

Verfahren zur zylinderindividuellen Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasdruck der Brennkraftmaschine (1) zeitaufgelöst erfasst wird und daraus für jeden Zylinder einzeln ein Abgasdruckausstoß (P) ermittelt und zur Bestimmung der im zugehörigen Verbrennungsvorgang des betreffenden Zylinders eingespritzten Kraftstoffmenge herangezogen wird.
Verfahren zur Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass – ein Abgasdruck der Brennkraftmaschine (1) zeitaufgelöst erfasst wird und daraus für jeden Zylinder einzeln ein Abgasdruckausstoß (P) und aus diesem die in den betreffenden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge ermittelt wird und – die Menge an in den betreffenden Zylinder einzuspritzendem Kraftstoff in Abhängigkeit von dem so ermittelten Kraftstoffeinspritzmengen-Istwert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsluftverhältnis im Abgas der Brennkraftmaschine (1) zeitaufgelöst erfasst und die Menge an in den betreffenden Zylinder einzuspritzendem Kraftstoff zusätzlich in Abhängigkeit vom so erfassten Verbrennungsluftverhältnis des Abgases eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an in den betreffenden Zylinder einzuspritzendem Kraftstoff in Abhängigkeit von einem aktuell erfassten Verbrennungsluftverhältniswert und einem früher erfassten, verzögerten Verbrennungsluftverhältniswert des Abgases eingestellt wird.
Vorrichtung zur Regelung der zylinderindividuell eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer mehrzylindrischen Brennkraftmaschine, mit – einem Einspritzregler (4), gekennzeichnet durch – einen Abgasdrucksensor (2) zur zeitaufgelösten Erfassung eines Abgasdrucks der Brennkraftmaschine (1), wobei der Einspritzregler (4) daraus für jeden Zylinder einzeln einen Abgasdruckausstoß ermittelt und zur Bestimmung der im zugehörigen Verbrennungsvorgang des betreffenden Zylinders eingespritzten Kraftstoffmenge heranzieht und die Menge an in den betreffenden Zylinder einzuspritzen dem Kraftstoff in Abhängigkeit vom so ermittelten Kraftstoffmengen-Istwert einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter gekennzeichnet durch eine Abgaslambdasonde (3) zum zeitaufgelösten Erfassen eines Verbrennungsluftverhältnisses im Abgas der Brennkraftmaschine, wobei der Einspritzregler (4) die Menge an in den jeweiligen Zylinder einzuspritzendem Kraftstoff zusätzlich in Abhängigkeit vom so erfassten Verbrennungsluftverhältnis des Abgases einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter gekennzeichnet durch eine Bewertungseinheit (7) zur Bewertung des zeitlichen Verlaufs des von der Abgaslambdasonde erfassten Verbrennungsluftverhältnisses anhand eines aktuell gemessenen Verbrennungsluftverhältniswertes und eines früher gemessenen, verzögerten Verbrennungsluftverhältniswertes, wobei der Einspritzregler den Einspritzvorgang für den jeweiligen Zylinder zusätzlich in Abhängigkeit von einem von der Bewertungseinheit abgegebenen Bewertungssignal (6) einstellt.