DE19812305A1 - Verfahren zur Zylindergleichstellung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Zylindergleichstellung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine

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Abstract

Aus dem Drehzahlsignal der Kurbelwelle wird im quasi-stationären Betrieb der Brennkraftmaschine die Änderung der kinetischen Energie der Kurbelwelle im Expansionsintervall eines Zylinders berechnet und auf die maximale zuführbare Kraftstoffmenge in diesem Intervall bezogen. Das daraus erhaltene, einheitslose Residuum stellt für den betrachteten Zylinder ein Maß für zuviel oder zuwenig des eingespritzen Kraftstoffes dar. Aus den berechneten Residuen werden Korrekturterme für die Einspritzzeiten der einzelnen Zylinder abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zylindergleichstel­ lung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei mehrzylindrigen, direkteinspritzenden Verbrennungskraft­ maschinen kommt es aufgrund verschiedener Störeinflüsse trotz gleicher Ansteuerung zu hohen Varianzen des Massendurchflus­ ses zwischen einzelnen Einspritzdüsen. Die unterschiedlichen Kraftstoffmengen führen zu unterschiedlichen Drehmomentbei­ trägen der einzelnen Zylinder, was neben einer Steigerung der Laufunruhe durch Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle auch zu einer erhöhten Emmision führen kann.
Aus der DE 41 22 139 A1 ist ein Verfahren zur Zylindergleich­ stellung bezüglich der Kraftstoff-Einspritzmengen bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Drehbeschleunigung jedes einzelnen Zylinders erfaßt wird. Die einzelnen Meßwerte der Drehbeschleunigung werden miteinander verglichen und bei Abweichungen zwischen den einzelnen Meßwerten werden die Kraftstoffeinspritzmengen der einzelnen Zylinder so verän­ dert, daß schließlich Abweichungen vermieden und damit Dreh­ ungleichförmigkeiten der Brennkraftmaschine eliminiert wer­ den.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem auf einfache und schnelle Weise der systematische Fehler der einzelnen Ein­ spritzdüsen der Einspritzanlage ausgeglichen werden kann.
Die genannte Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­ spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus dem Signal eines die Drehzahl der Kurbelwelle erfassenden Sensors die Änderung der kinetischen Energie der einzelnen Zylinder berechnet. Da­ durch kann mit einem nachfolgenden Adaptionsalgorithmus schneller der deterministische Fehler der einzelnen Zylinder ausgeglichen werden.
  • - kostengünstig (Realisierung ohne zusätzliche Hardware)
  • - einfache Signalverarbeitung (Residuenberechnung beziehungs­ weise Adaptionsalgorithmus)
  • - Nutzung der bereits zur Verfügung gestellten Kurbelwellen­ drehzahl.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 gemessene Drehzahlverläufe und zugehörige Leistungs­ dichtespektren mit und ohne Verbrennungsabweichungen,
Fig. 2 einen Drehzahlverlauf bei zylinderindividuellen Fül­ lungsunterschieden mit eingezeichneten zylinderindi­ viduellen Signalwerten,
Fig. 3 den Drehzahlverlauf bei einem quasistationären Zu­ stand über mehrere Arbeitsspiele, sowie die dazugehö­ rigen Quasistationärwerte der einzelnen Zylinder und die zylinderindividuellen Residuen und
Fig. 4 ein Diagramm für die zylinderindividuellen Korrektur­ terme.
Die zyklische Verbrennung in den einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine führt zu einem periodischen Drehzahlver­ lauf der Kurbelwelle. Kommt es zu deterministischen, zylinder­ individuellen Füllungsunterschieden, so erfährt die Kurbel­ welle eine zusätzliche periodische Drehzahlfluktation.
In Fig. 1a ist der Verlauf der Drehzahl n über der Zeit t und das zugehörige normierte Leistungsdichtespektrum LDS über die Frequenzanteile f für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine für den Fall aufgetragen, daß keine Verbrennungsabweichungen auftreten.
In Fig. 1b sind dieselben Größen für den Fall dargestellt, daß Verbrennungsabweichungen der einzelnen Zylinder auftre­ ten. Im Frequenzbereich tritt dann ein weiterer Frequenzan­ teil auf.
Zur Erkennung einer solchen Schwingungsüberlagerung werden zylinderindividuelle Signalwerte der Kurbelwelle herangezo­ gen. Dabei genügt für jeden Zylinder i (i = 1. . .4) ein einzi­ ger Signalwert pro Arbeitsspiel k (k = 1, . . .) z. B. die Win­ kelgeschwindigkeit an der oberen Totpunktmarke ωOT(1k) oder ei­ ne gemittelte Winkelgeschwindigkeit. Im folgenden wird zur Berechnung eines Korrekturfaktors zur Zylindergleichstellung die Winkelgeschwindigkeit an der oberen Totpunktmarke ωOT(1,k) verwendet.
Liegen die zylinderindividuellen Signalwerte benachbarter Ar­ beitsspiele (z. B. k, k+1) in einem vorgegebenen Abweichungsin­ tervall [-QSS ,+QSS], so liegt ein sogenannter quasistationä­ rer Betriebszustand vor. Die Grenzen -QSS ,+QSS werden für eine gegebene Brennkraftmaschine appliziert.
|QSW(1,k)|. . .|QSW(4,k + j)|≦ QSS
mit
Darin ist
QSW(i,k) Quasistationaritätswert des Zylinders i im Arbeitsspiel k in [1/min]
QSS vorgegebener quasistationärer Schwellen­ wert (Abweichungsgrenze) in [1/min]
j Anzahl der zu erfüllenden Atbeitsspiele (frei wählbar)
Liegen also 4 nacheinanderfolgende Werte für die Differenz der Winkelgeschwindigkeit ωOT(i,k) innerhalb der vorgegebenen Schwelle, so liegen quasistationäre Bedingungen vor.
Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kurbelwellen­ drehzahl bei zylinderindividuellen Füllungsunterschieden ei­ ner 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. Zusätzlich sind in dieses Diagramm in Form von kleinen Rechtecksymbolen die zylinderin­ dividuellen Signalwerte an der oberen Totpunktmarke ωOT(i,k) eingetragen. Beispielsweise kennzeichnet ωOT(i,k) die Winkelge­ schwindigkeit des Zylinders i im 1. Arbeitsspiel, ωOT(i,k+1) die Winkelgeschwindigkeit desselben Zylinders i im 2. Arbeits­ spiel.
Liegt also ein quasistationärer Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine vor, so ist es zum Ausregeln einer eventuellen Abweichung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge von der Solleinspritzmenge nötig, ein Maß für diese Abweichung, also einen Fehler zu bestimmen. Genutzt wird dazu das Signal eines Drehzahlsensors. Die durch die Verbrennung in den ein­ zelnen Zylindern freiwerdende Energie wird in Bewegungsener­ gie der Kurbelwelle umgewandelt. Zylinderindividuelle Ver­ brennungsunterschiede äußern sich also in Drehzahlschwankun­ gen, aus denen ein Fehler bestimmt werden kann.
Aus benachbarten Signalwerten verschiedener Zylinder wird die Änderung der kinetischen Energie der Kurbelwelle im Expan­ sionsintervall ΔEkin,Z(i) eines Zylinders Z(i) berechnet und auf die maximal zuführbare Brennstoffenergie in diesem Intervall bezogen. Dabei erhält man ein einheitsloses Residuum RZ(i) für den benachbarten Zylinder i, welches ein Maß für zuviel (positiver Wert) oder zuwenig (negativer Wert) eingespritzten Kraftstoff ist.
Die kinetische Energie, die während der Verbrennung in einem Zylinder i frei wird, errechnet sich zu:
mit
θ mittleres Trägheitsmoment der Kurbelwelle
ωOT(i) Winkelgeschwindigkeit im oberen Totpunkt (vor der Ex­ pansionsphase)
ωYT(i) Winkelgeschwindigkeit im unteren Totpunkt (nach der Expansionsphase)
Der untere Totpunkt (UT) des Zylinders i entspricht aber dem oberen Totpunkt des als nächsten gezündeten Zylinders i+1. Deshalb läßt sich diese Gleichung auch folgendermaßen ange­ ben:
Für die Residuen gilt dann:
mit
Θ mittleres Trägheitsmoment der Kurbelwelle
Hu unterer Heizwert für den verwendeten Kraftstoff
mBmax maximal einspritzbare Kraftstoffmenge
ωOT(i,k) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zy­ linders i im k-ten Arbeitsspiel
ωOT(i,k+1) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zylin­ ders i im k+1 -ten Arbeitsspiel
Knorm ein Normierungsfaktor, der den Wert
aufweist.
Der Wert für das mittlere Trägheitsmoment der Kurbelwelle wird appliziert.
Eine positive Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin(i) < 0) entspricht einer zu großen Einspritzmenge mB,i und eine nega­ tive Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin(i) < 0) entspricht einer zu kleinen Einspritzmenge mB,i. Ist ΔEkin(i) = 0, so wurde die richtige Brennstoffmenge eingespritzt.
Anhand der Fig. 3 wird die Erfassung der relativen zylinder­ individuellen Füllungsunterschiede erläutert. In der Fig. 3a ist wieder der Drehzahlverlauf in einem quasistationären Zustand über mehrere Arbeitsspiele aufgetragen. Das darunter­ liegende Diagramm Fig. 3b zeigt die zugehörigen Quasistatio­ närwerte QSW der einzelnen Zylinder über mehrere Arbeitsspie­ le. Zusätzlich sind die Schwellenwerte +QSS und -QSS einge­ tragen. In Fig. 3c sind für die einzelnen Arbeitsspiele die zylinderindividuellen Residuen Rz(i) eingetragen, wie sie mit der oben angegebenen Gleichung berechnet wurden. Daraus sieht man, daß das Residuum für den Zylinder Z(1) negativ ist, d. h. in diesen Zylinder ist zu wenig Kraftstoff eingespritzt wor­ den.
Die zylinderindividuellen Residuen werden als Eingangsgrößen für den im folgenden beschriebenen Adaptionsalgorithmus her­ angezogen.
Aus den berechneten Residuen können nun anteilmäßige Ein­ spritzkorrekturen vorgenommen werden. Da die Residuen nur Re­ lativmaße für die Änderung der einzuspritzenden Menge an Kraftstoff darstellen, wird auch der Adaptionsalgorithmus un­ ter diesem Aspekt erstellt. Es muß gewährleistet sein, daß die Brennkraftmaschine zu keinem Korrekturzeitpunkt mehr oder weniger Kraftstoff erhält als im unkorrigierten Fall. Der Al­ gorithmus soll also nur die Aufgabe einer gleichmäßigen Ver­ teilung der Einspritzmenge übernehmen. Damit ergibt sich der Adaptionsalgorithmus für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine zu
mit
als Initialisierung für einen multiplikativen Adaptionsfall.
Darin ist
δZ(i),k Korrekturterm für Zylinder i nach Adapti­ onsschritt k
RZ(i),k Residuum des Zylinders i zum Adaptions­ schritt k
α positiver frei wählbarer Adaptionsparameter zwischen 0 und 1, der die Geschwindigkeit der Adaption festlegt.
Spritzt man bei einem Zylinder mehr Kraftstoff ein (d. h. das Residuum des Zylinders war positiv), so wird diese Kraft­ stoffmenge anteilsmäßig (d. h. zu je einem Drittel bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine, allgemein 1/(z-1) bei einer Brennkraftmaschine mit z-Zylindern) bei den anderen Zylindern abgezogen.
Spritzt man bei einem Zylinder weniger Kraftstoff ein (d. h. das Residuum des Zylinders war negativ), so wird diese Kraft­ stoffmenge anteilmäßig (d. h. zu je einem Drittel bei einer 4- Zylinder-Brennkraftmaschine, allgemein 1/(z-1) bei einer Brennkraftmaschine mit z-Zylindern) bei den anderen Zylinder draufgeschlagen.
Dadurch ist sichergestellt, daß das Drehmoment während der Zylindergleichstellung konstant bleibt, da sich die insgesamt zuzuführende Kraftstoffmenge nicht ändert.
Die Summe der Korrekturterme ist zu jedem Zeitpunkt gleich der Zylinderzahl.
Zur Korrektur der Einspritzmenge mB,i in einen Zylinder steht nur eine einzige Steuergröße zur Verfügung, nämlich die Ein­ spritzdauer TE. Wegen der stets positiven Steigung einer in­ vertierten Düsenkennlinie (Einspritzmenge als Funktion der Einspritzdauer) zieht eine längere Ansteuerung eine größere Einspritzmenge mit sich. Die Einspritzkorrektur kann also di­ rekt über die Einspritzdauer erfolgen, indem die Korrektur­ terme δZ(i),k aus dem Adaptionsalgorithmus mit den von der Mo­ torsteuerung vorgegebenen idealen Einspritzzeiten TE,ideal mul­ tipliziert werden.
Die Fig. 4a zeigt den Drehzahlverlauf n der Kurbelwelle über der Zeit t im Leerlauf der Brennkraftmaschine, wobei die Ad­ aption am Anfang aktiv ist und zum Zeitpunkt tA ausgeschaltet wird. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnnenen multiplikativen Korrekturterme δZ(1) bis δZ(4) für die einzelnen Zylinder Z1 bis Z4 sind in den Fig. 4b bis 4d dargestellt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Zylindergleichstellung bezüglich der Kraft­ stoffeinspritzmengen für eine mit Direkteinspritzung arbei­ tende Brennkraftmaschine, bei dem die Kraftstoffeinspritzmen­ gen durch Ändern der Einspritzzeiten steuerbar sind und die Einspritzzeiten mit zylinderindividuellen Korrekturtermen derart beaufschlagt werden, daß die Laufruhe der Brennkraft­ maschine erhöht ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. im quasistationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Drehzahl (n) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine er­ faßt wird,
  • 2. aus den Drehzahlwerten die Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin,Z(i)) der Kurbelwelle im Expansionsintervall eines Zylin­ ders (i) berechnet wird,
  • 3. daraus ein Relativmaß (Residuum RZ(i)) für jeden Zylinder (Z(i)) abgeleitet wird, das die Information über zuviel oder zuwenig eingespritzte Kraftstoffmenge enthält und
  • 4. aus diesem Maß (Residuum RZ(i)) Korrekturterme (δZ(i),k) für die Einspritzzeit (TE) berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen quasistationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine erkannt wird, wenn die mittlere Drehzahl für eine vorgegebene Anzahl Arbeitsspiele konstant bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der quasistationäre Betriebszustand der Brennkraftmaschine er­ kannt wird, wenn gilt
|QSW(1,k)|. . .|QSW(4,k + j)|≦QSS
mit
darin ist
QSW(i,k) Quasistationaritätswert des Zylinders i im Arbeitsspiel k in [1/min]
QSS vorgegebener quasistationärer Schwellen­ wert (Abweichungsgrenze) in [1/min]
j Anzahl der zu erfüllenden Arbeitsspiel
ωOT(i,k) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zylinders i im Arbeitsspiel k
ωOT(i,k+1) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zylinders i im Arbeitsspiel k+1.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin,Z(i)) auf einen Wert bezogen wird, der die maximal zuführbare Kraft­ stoffenergie in diesem Intervall angibt und daraus das Maß (Residuum RZ(i)) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin,Z(i)) nach folgender Gleichung berechnet wird
und daraus das Maß bestimmt wird zu
mit
Θ mittleres Trägheitsmoment der Kurbelwelle
Hu unterer Heizwert für den verwendeten Kraftstoff
mBmax maximal einspritzbare Kraftstoffmenge
ωOT(i,k) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zy­ linders i im k-ten Arbeitsspiel
WOT(ik+1) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zylin­ ders i im k+1 -ten Arbeitsspiel Knorm ein Normierungsfaktor, der den Wert
aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den berechneten Maßen (Residuum RZ(i)) Korrekturterme (δZ(i),k)) berechnet werden, mit denen die Werte für die Einspritzzeiten (TE,ideal) multipliziert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturterme (δZ(i),k) berechnet werden zu
als Initialisierungswert und mit
δZ(i),k Korrekturterm für Zylinder i nach Adapti­ onsschritt k
RZ(i),k Residuum des Zylinders i zum Adaptions­ schritt k
α positiver frei wählbarer Adaptionsparameter zwischen 0 und 1, der die Geschwindigkeit der Adaption festlegt.
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