DE19527218A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Rege­ lung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 33 36 028 (US-A 4,688,535) bekannt. Dort wird ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine beschrieben. Bei der dortigen Vorrichtung ist jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine Regelung zu­ geordnet, die abhängig von einer ihr zugeordneten Regelab­ weichung eine Stellgröße für den ihr zugeordneten Zylinder bildet. Die Regelabweichung ergibt sich aus den, den einzel­ nen Zylinder zugeordneten Istwerten und Sollwerten. Als Ist­ wert dienen die Zeitabstände zwischen zwei Verbrennungen bzw. die Dauer eines Segmentes, das durch ein Segmentrad de­ finiert ist. Sollwerte ergeben sich durch eine Mittelwert­ bildung über alle Istwerte. Mit einer solchen Laufruherege­ lung können nicht bei allen Fahrzeugen befriedigende Ergeb­ nisse erzielt werden.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfah­ ren und einer Vorrichtung zur Regelung der Laufruhe der ein­ gangs genannten Art die Zylindergleichstellung noch weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhän­ gigen Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung kann eine wesentliche verbesserte Zylin­ dergleichstellung erzielt werden. Vorteilhafte und zweckmä­ ßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 ein detailliertes Blockdiagramm der Sollwert und Ist­ wertbildung.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung am Bei­ spiel einer selbstzündenden Brennkraftmaschine beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf selbstzündende Brennkraft­ maschinen beschränkt. Sie kann auch bei anderen Typen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. In diesem Fall sind entsprechende Bauteile auszutauschen. So tritt z. B. bei ei­ ner fremdgezündeten Brennkraftmaschine die Drosselklappe an die Stelle der Regelstange.

In Fig. 1 ist mit 100 ein leistungsbestimmendes Stellwerk bezeichnet, an dessen Eingang das Ausgangssignal QK eines Additionspunktes 102 anliegt. An dem einen Eingang des Ad­ ditionspunktes 102 liegt das Ausgangssignal QKF einer Mengenvorgabe 110 und an dem anderen das Ausgangssignal QKL eines zweiten Schalters 160. Diese Mengenvorgabe verarbei­ tet das Ausgangssignal eines Fahrpedalstellungsgebers 115 sowie gegebenenfalls die Ausgangssignale von weiteren Sen­ soren 118. Die Mengenvorgabe 110 beaufschlagt ferner eine Steuerung 136 mit dem Mengensignal QKF sowie mit weiteren nicht näher bezeichneten Größen.

Das Stellwerk 100 bestimmt die Leistungsabgabe einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Bei Dieselbrennkraftma­ schinen wird üblicherweise eine Regelstange bzw. ein Ver­ stellhebel als leistungsbestimmendes Stellwerk eingesetzt. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen dient vorzugsweise die Drosselklappe als leistungsbestimmendes Stellglied. Es ist aber auch möglich, daß andere Größen, wie zum Beispiel der Zündzeitpunkt oder die Zeitdauer der Kraftstoffein­ spritzung entsprechend beeinflußt werden.

Vorzugsweise ist an der Kurbelwelle bzw. an der Nockenwelle der Brennkraftmaschine ein Segmentrad 120 angeordnet, das wenigstens eine der Zylinderzahl entsprechende Anzahl von Markierungen aufweist. Dieses Segmentrad wird von einem Sensor 125 abgetastet, der ein Signal TS abgibt, das aus einer Abfolge von Segmentimpulsen besteht. Jeweils zwei Segmentimpulse definieren ein Segment. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen zwei Einspritzungen bzw. zwei Verbren­ nungen in zwei Segmente aufgeteilt. Dieses Signal bzw. dar­ aus abgeleitete Signale werden der Steuerung 136, einer Synchronisation 130, sowie einer Regelabweichungsberechnung 132.

Das Ausgangssignal L der Regelabweichungsberechnung 132 des Additionspunktes 140 gelangt zu einem ersten Schaltmittel 145. Bei geschlossenem Schalter 145 gelangt das Signal zu einer Synchronisationseinrichtung 150. Diese Synchronisa­ tionseinrichtung leitet das Ausgangssignal des Additions­ punktes 140, den einzelnen Zylindern zugeordneten, Reglern 171, 172, 173 bzw. 174 zu.

Zur Vereinfachung sind nur die den Zylindern 1, 2, 3, und 6 zugeordneten Elemente dargestellt. Die Regler 171 bis 174 beaufschlagen ihnen zugeordnete Begrenzer 181, 182, 183 und 186 mit einem, dem entsprechenden Zylinder zugeordneten Mengensignal Q1, Q2, Q3 und Q4. Desweiteren werden die Aus­ gangssignale der Regler in einem Additionspunkt 179 ver­ knüpft und einem Verstärker 176 zugeleitet. Der Verstärker 176 beaufschlagt die einzelnen Regler mit einem entspre­ chenden Signal.

Eine zweite Synchronisationseinrichtung 155 bildet ausge­ hend von den einzelnen Mengensignalen Q1, Q2, Q3, Q4 eine Laufruhekorrekturmenge QKL. Diese gelangt über den zweiten Schalter 160 zu dem Additionspunkt 102. Dort wird sie mit dem Ausgangssignal der Mengenvorgabe 110 verknüpft.

Die Steuerung 136 beaufschlagt den ersten Schalter 145 und den zweiten Schalter 160 mit den entsprechenden Ansteuer­ signalen. Die Synchronisation 130 beaufschlagt die erste Synchronisationseinheit 150 und die zweite Synchronisa­ tionseinheit 155 mit entsprechenden Ansteuersignalen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Sechszylinderbrennkraftmaschine. Die erfindungsge­ mäße Vorgehensweise kann aber ohne weiteres bei Brennkraft­ maschinen mit einer anderen Zylinderzahl eingesetzt werden. In diesem Fall muß die Zahl der Segmente auf dem Segmentrad sowie die Anzahl der Regler und Begrenzer entsprechend an­ gepaßt werden.

In Fig. 2 ist die Regelabweichungsberechnung 132 detail­ lierter dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemen­ te sind in Fig. 2 mit entsprechenden Bezugszeichen bezeich­ net. Das Ausgangssignal des Sensors 125 wird einem ersten Filter 210, einem zweiten Filter 220 und einem dritten Fil­ ter 230 zugeführt. Das Ausgangssignal des ersten Filters 210 gelangt zu einer ersten Sollwertermittlung 212 und einer ersten Istwertermittlung 214. Das Ausgangssignal des zweiten Filters 220 gelangt zu einer zweiten Sollwertermittlung 222 und einer zweiten Istwertermittlung 224. Das Ausgangssignal des dritten Filters 230 gelangt zu einer dritten Sollwerter­ mittlung 232 und einer dritten Istwertermittlung 234.

Das Ausgangssignal NWS der ersten Sollwertermittlung 212 ge­ langt mit positiven Vorzeichen und das Ausgangssignal NWI der ersten Istwertermittlung 214 mit negativen Vorzeichen zu einem Verknüpfungspunkt 216. Im folgenden Verknüpfungspunkt 218 wird das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 216 mit einem Wichtungsfaktor FNW verknüpft. Die so gewichtete erste Regelabweichung NWL gelangt zu einem Additionspunkt 240 und von dort zum Block 145.

Das Ausgangssignal KWS der zweiten Sollwertermittlung 222 gelangt mit positiven Vorzeichen und das Ausgangssignal KWI der zweiten Istwertermittlung 224 mit negativen Vorzeichen zu einem Verknüpfungspunkt 226. Im folgenden Verknüpfungs­ punkt 228 wird das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 226 mit einem Wichtungsfaktor FKW verknüpft. Die so gewich­ tete zweite Regelabweichung KWL gelangt zu dem Additions­ punkt 240.

Das Ausgangssignal ZS der dritten Sollwertermittlung 232 ge­ langt mit positiven Vorzeichen und das Ausgangssignal ZI der dritten Istwertermittlung 234 mit negativen Vorzeichen zu einem Verknüpfungspunkt 236. Im folgenden Verknüpfungspunkt 238 wird das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes 236 mit einem Wichtungsfaktor FZ verknüpft. Die so gewichtete erste Regelabweichung ZL gelangt zu dem Additionspunkt 240.

Am Ausgang des Additionspunktes 240 steht die Regelabwei­ chung L zur Verfügung, die zum Laufruheregler weitergeleitet wird.

Bei den Verknüpfungspunkten 218, 228 und 238 handelt es sich um eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Faktoren FNW, FKW oder FZ andersweitig, beispielsweise in den Filtern 210, 220 oder 230, berücksichtigt bzw. nicht berücksichtigt werden.

Der dritte Filter 230 sowie die dritte Sollwertermittlung und die dritte Istwertermittlung werden nur bei bestimmten Zylinderzahlen der Brennkraftmaschine benötigt. Dies ist z. B. bei einer Sechszylinderbrennkraftmaschine der Fall.

Bei Vierzylinderbrennkraftmaschinen sind die Filter 210 und 220 ausreichend. Bei anderen Zylinderzahlen können noch wei­ tere Filter vorgesehen sein, bzw. es können auch Filter weg­ gelassen werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform einer Brennkraftma­ schine mit sechs Zylindern handelt es sich bei den Filtern 210, 220 und 230 um Bandpaßfilter, deren Mittenfrequenz beim Filter 210 bei der Nockenwellenfrequenz, beim Filter 220, bei der Kurbelwellenfrequenz und bei dem Filter 230 bei der halben Zündfrequenz liegt.

Bei anderen Zylinderzahlen sind gegebenenfalls andere Band­ pässe vorzusehen. So sind beispielsweise bei einer Brenn­ kraftmaschine mit vier oder fünf Zylindern ein Bandpaß mit der Nockenwellenfrequenz und ein Bandpaß mit der doppelten Nockenwellenfrequenz, die der Kurbelwellenfrequenz ent­ spricht vorzusehen.

Bei einer Brennkraftmaschine mit 2_*l Zylindern, wobei l eine natürliche Zahl ist, sind l Bandpässe vorzusehen, der Mit­ tenfrequenzen bei einem ganzzahligen Vielfachen der Nocken­ wellenfrequenz liegen.

Mittels der Bandpässe 210, 220 und 230 wird das Drehzahl­ signal in Spektralanteile getrennt. Für jeden Spektralanteil ermitteln die ersten, zweiten und dritten Istwertbildner und die ersten, zweiten und dritten Sollwertbildner frequenzspe­ zifische Soll- und Istwerte. Die Berechnung der Soll- und Istwerte erfolgt für die einzelnen Spektralanteile vorzugs­ weise unterschiedlich.

Für die Funktion der Laufruheregelung ist die Zuordnung ei­ ner Drehzahlreaktion auf den verursachenden Zylinder ent­ scheidend. Dieser soll nämlich entsprechend mehr oder weni­ ger Kraftstoffmenge erhalten. Die Zuordnung läßt sich aus dem Frequenzgang ermitteln. Beim Frequenzgang ist die Pha­ senverschiebung zwischen Kraftstoffmenge und Drehzahl aus­ schlaggebend. Aus der Phasenverschiebung kann unmittelbar das oder die Segmente errechnet werden, in das die Reaktion fällt. Diese Segmente müssen zur Bildung der Istwerte ausge­ wertet werden.

Für jede betrachtet Frequenz ergeben sich ein oder mehrere Segmente, in die auf die Einspritzung folgende Reaktion fällt. Die Segmente sind üblicherweise für jede Frequenz un­ terschiedlich. Bei der Einrichtung gemäß dem Stand der Tech­ nik muß ein Kompromiß gefunden werden, das heißt, daß bei der Segmentauswahl zur Istwertbildung ein Kompromiß einge­ gangen wird. Dies bedeutet, daß beim Stand der Technik für die auszuregelnden Frequenzen eine einheitliche Segmentaus­ wahl getroffen werden muß, beispielsweise wird das erste und zweite Segment nach der Zumessung ausgewählt
In bestimmten Fällen ist kein Kompromiß möglich. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Segmente der einzelnen Frequenzanteile, in die die Reaktion fällt, weit auseinander liegen. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise, daß die Segmentauswahl frequenzspezifisch erfolgt, ist ein solcher Kompromiß nicht mehr erforderlich.

Mittels der Bandpässe 210, 220 und 230 wird das Drehzahl­ signal für die einzelnen Frequenzen getrennt. Für jede Fre­ quenz berechnet die erste Istwertvorgabe 214, die zweite Istwertvorgabe 224 und die dritte Istwertvorgabe 234 einen frequenzspezifischen Istwert. Entsprechend kann vorgesehen sein, daß für jede Frequenz die erste Sollwertvorgabe 212, die zweite Sollwertvorgabe 220 und die dritte Sollwertvorga­ be 232 einen frequenzspezifischen Sollwert berechnet.

Vorzugsweise erfolgt die Segmentauswahl frequenzspezifisch. Dies bedeutet, für die einzelnen Frequenzen werden unter­ schiedliche Segmente zur Berechnung der Istwerte und/oder der Sollwerte herangezogen. In den Verknüpfungspunkten 216, 226 und 236 wird dann die frequenzspezifische Regelabwei­ chung ermittelt.

Besonders vorteilhaft ist, wenn diese frequenzspezifischen Regelabweichungen mittels frequenzspezifischen Wichtungsfak­ toren NW, FKW und FZ frequenzspezifisch wichtbar sind. Be­ sonders vorteilhaft ist es, wenn die Wichtungsfaktoren FNW, FKW und FZ so gewählt werden, daß die Regelkreisverstärkung für alle Frequenzen gleich eingestellt wird. Dadurch kann eine frequenzspezifische Adaption der Reglerparameter er­ zielt werden.

Es wurde erkannt, daß die Phasenverschiebung, abhängig von der die Segmentauswahl getroffen werden soll, von der ge­ wählten Gangstufe abhängig ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Segmentauswahl abhängig vom eingelegten Gange. Dies hat den Vorteil, daß die Laufruheregelung auch bei eingelegtem Gang stabil arbeitet.

Mit zunehmender Drehzahl verändern sich die Nockenwellenfre­ quenz, die Kurbelwellenfrequenz und halbe Zündfrequenz, wäh­ rend der Frequenzgang unverändert bleibt. Durch eine dreh­ zahlabhängige Segmentauswahl wird erreicht, daß die Laufru­ heregelung auch bei Drehzahlen über der Leerlaufdrehzahl stabil arbeitet.

Desweiteren ist der Amplitudengang bzw. die Streckenverstär­ kung (Amplitudenverhältnis) von der Gangstellung und der Drehzahl abhängig. Durch Vorgabe der Verstärkungsfaktoren FNW, FKW und FZ/2 abhängig von der Gangstellung und/oder der Drehzahl ist eine Zylindergleichstellung im ganzen Arbeits­ bereich, insbesondere im gesamten Drehzahlbereich möglich.

Dadurch können die Emissionen sowie der Komfort erheblich verbessert werden.

Die so gewichteten bzw. nicht gewichteten Regelabweichungen NWL, KWL und ZL werden im Verknüpfungspunkt 240 addiert und dem Regler zugeführt. Der Regler entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Regler.

Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist eine Seg­ mentauswahl über beliebig viele Segmente verwendbar. Weist z. B. die Nockenwellenschwingung eine größere Periode auf als die Kurbelwellenschwingung, so ist die Nockenwellenschwin­ gung auch in mehreren Segmenten beobachtbar.

Die Amplituden aus den Bandpässen 210, 220 und 230 können ausgewertet und ggf. mit Gewichtungsfaktoren aufaddiert wer­ den. Je größer dieser Wert der gewichteten und aufaddierten Amplituden der Bandpässe, desto schlechter ist die Laufruhe. Dieser Wert kann auch als Laufruhemaß bezeichnet werden und kann für verschiedene Entscheidungen verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Laufruheregelung kom­ plett abgeschaltet wird, falls das Laufruhemaß eine Schwelle überschreitet. Dies bedeutet in Fig. 1, daß der Schalter 145 geöffnet wird. Dadurch wird verhindert, daß aufgrund ei­ ner geänderten Phasenlage der Regelkreis instabil wird, was wiederum zum Schütteln führt.

Weiter ist vorteilhaft, wenn außerhalb einer anderen Schwel­ le Segmentauswahlen verändert werden, um evtl. geänderte Phasenlagen zu kompensieren.

Besonders vorteilhaft bei dieser Vorgehensweise ist, daß die Regelbarkeit auch bei großen Unterschieden in der Phasenlage gegeben ist. Durch die frequenzspezifische Bildung der Re­ gelabweichung ergibt sich eine erhöhte Robustheit des Lauf­ ruhereglers gegenüber Änderungen des Regelstreckenverhal­ tens, z. B. durch Veränderung in der Pumpe, Fertigungstole­ ranzen oder Verschleiß im Antriebsstrang.

Anstelle des Sensors 125, der das Segmentrad 120 abtastet, kann auch ein Sensor verwendet werden, der ein Inkrementrad abtastet, das eine höher auflösende Drehzahlabfassung ermög­ licht. Solche Inkrementräder werden vorzugsweise bei magnet­ ventilgesteuerten Pumpen eingesetzt. Bei solchen Inkre­ menträdern kann ein Anti-Aliasing-Filter verwendet werden. Dadurch werden nur hochfrequente Drehzahlanteile ausgefil­ tert. Durch Auszählen der Zähne bzw. durch unterschiedliche Zahnabstände kann ein Segmentrad simuliert werden. In dieser Realisierung dienen einzelne Inkrementimpulse als Segment­ impulse.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung der Laufruhe einer Brennkraftma­ schine, bei dem ein Drehzahlsensor ein Drehzahlsignal be­ reitstellt, wobei das Drehzahlsignal Segmentimpulse umfaßt und zwei Segmentimpulse ein Segment definieren, daß jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine Regelabweichung und ein Regler zugeordnet ist, wobei jeder Regler ausgehend von der zugeordneten Regelabweichung einen zylinderspezifischen Stellwert vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahl­ signal mit wenigstens zwei Filtermitteln mit unterschiedli­ chen Frequenzen filterbar ist, daß ausgehend von dem gefil­ terten Drehzahlsignal wenigstens zwei frequenzspezifische Laufruhe-Istwerte, ein Laufruhe-Sollwert und frequenzspezi­ fische Regelabweichungen bestimmbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bereitstellung der frequenzspezifischen Größen das Aus­ gangssignal des Drehzahlsensors mittels wenigstens zweier Bandpässe mit einstellbaren Mittenfrequenzen filterbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen bei ganzzahligen Vielfachen der Nocken­ wellenfrequenz liegen.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Frequenz die Laufruhe-Istwerte und/oder die Laufruhe-Sollwerte unter­ schiedlich vorgebbar sind.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Frequenz un­ terschiedliche Segmente zur Ermittlung der Laufruhe-Istwerte verwendbar sind.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom eingeleg­ ten Gang und/oder der Drehzahl unterschiedliche Segmente zur Ermittlung der Laufruhe-Istwerte verwendbar sind.

7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Frequenz die Regelabweichungen unterschiedlich wichtbar und/oder aufad­ dierbar sind.

8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom eingeleg­ ten Gang und/oder der Drehzahl die Regelabweichungen unter­ schiedlich wichtbar und/oder aufaddierbar sind.

9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von dem ge­ wichteten und/oder aufaddierten Amplituden der Ausgangsgrö­ ßen der Bandpässe die Laufruheregelung abschaltbar ist und/oder unterschiedliche Segmente zur Ermittlung der Lauf­ ruhe-Istwerte und/oder oder Laufruhe-Sollwerte verwendbar sind
10. Vorrichtung zur Regelung der Laufruhe einer Brennkraft­ maschine, bei der ein Drehzahlsensor ein Drehzahlsignal be­ reitstellt, wobei das Drehzahlsignal Segmentimpulse umfaßt und zwei Segmentimpulse ein Segment definieren, daß jedem Zylinder der Brennkraftmaschine eine Regelabweichung und ein Regler zugeordnet ist, wobei jeder Regler ausgehend von der zugeordneten Regelabweichung einen zylinderspezifischen Stellwert vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Filtermittel vorgesehen sind, die das Drehzahlsignal mit unterschiedlichen Frequenzen filtern, und mit Mitteln, die ausgehend von dem gefilterten Drehzahlsignal wenigstens zwei frequenzspezifische Laufruhe-Istwerte, ein Lauf­ ruhe-Sollwert und frequenzspezifische Regelabweichungen be­ stimmen.