DE19812305C2 - Verfahren zur Zylindergleichstellung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Zylindergleichstellung bei einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine

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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 Emission 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.
Das Verfahren hat insbesondere folgende Vorteile:
  • - 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 de zylinderindividuellen Korrektur­ terme.
Die zyklische Verbrennung in den einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine führt zu einem periodischen Drehzahlver­ lauf der Kurbelwelle. Kommt es zu deterministischen, zylinderindividuellen Füllungsunterschieden, so erfährt die Kurbelwelle 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 Verbrennungsab­ weichungen auftreten.
In Fig. 1b sind dieselben Größen für den Fall dargestellt, daß Verbrennungsabweichungen der einzelnen Zylinder auf­ treten. Im Frequenzbereich tritt dann ein weiterer Frequenzanteil auf.
Zur Erkennung einer solchen Schwingungsüberlagerung werden zylinderindividuelle Signalwerte der Kurbelwelle herangezogen. Dabei genügt für jeden Zylinder i (i = 1 . . . 4) ein einziger Signalwert pro Arbeitsspiel k (k = 1, . . .) z. B. die Winkelgeschwindigkeit an der oberen Totpunktmarke ωOT(1k) oder eine gemittelte Winkelgeschwindigkeit. Im fol­ genden wird zur Berechnung eines Korrekturfaktors zur Zylindergleichstellung die Winkelgeschwindigkeit an der obe­ ren Totpunktmarke ωOT(1,k) verwendet.
Liegen die zylinderindividuellen Signalwerte benachbarter Arbeitsspiele (z. B. k, k + 1) in einem vorgegebenen Abwei­ chungsintervall [-QSS, +QSS], so liegt ein sogenannter quasistationärer 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 Schwellenwert (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 vorge­ gebenen Schwelle, so liegen quasistationäre Bedingungen vor.
Die Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kurbelwellendrehzahl bei zylinderindividuellen Füllungsunterschieden ei­ ner 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. Zusätzlich sind in dieses Diagramm in Form von kleinen Rechtecksymbolen die zylinderindividuellen Signalwerte an der oberen Totpunktmarke ωOT(i,k) eingetragen. Beispielsweise kennzeichnet ωOT(i,k) die Winkelgeschwindigkeit des Zylinders i im 1. Arbeitsspiel, ωOT(i,k+1) die Winkelgeschwindigkeit desselben Zylinders i im 2. Arbeitsspiel.
Liegt also ein quasistationärer Betriebszustand der Brennkraftmaschine vor, so ist es zum Ausregeln einer eventuellen Abweichung der tatsächlich eingespritzten Kraftstoffmenge von der Solleinspritzmenge nötig, ein Maß für diese Abwei­ chung, also einen Fehler zu bestimmen. Genutzt wird dazu das Signal eines Drehzahlsensors. Die durch die Verbrennung in den einzelnen Zylindern freiwerdende Energie wird in Bewegungsenergie der Kurbelwelle umgewandelt. Zylinderin­ dividuelle Verbrennungsunterschiede äußern sich also in Drehzahlschwankungen, aus denen ein Fehler bestimmt werden kann.
Aus benachbarten Signalwerten verschiedener Zylinder wird die Änderung der kinetischen Energie der Kurbelwelle im Expansionsintervall 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 Expansionsphase)
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 angeben:
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 Zylinders i im k-ten Arbeitsspiel
ωOT(i,k+1) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zylinders 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 negative Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin(i) < 0) entspricht einer zu kleinen Einspritzmenge mB,i. Ist ΔE­ kin(i) = 0, so wurde die richtige Brennstoffmenge eingespritzt.
Anhand der Fig. 3 wird die Erfassung der relativen zylinderindividuellen 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 Quasistationärwerte QSW der einzelnen Zylinder über mehrere Ar­ beitsspiele. Zusätzlich sind die Schwellenwerte +QSS und -QSS eingetragen. In Fig. 3c sind für die einzelnen Arbeits­ spiele die zylinderindividuellen Residuen RZ(i) eingetragen, wie sie mit der oben angegebenen Gleichung berechnet wur­ den. Daraus sieht man, daß das Residuum für den Zylinder Z(1) negativ ist, d. h. in diesen Zylinder ist zu wenig Kraft­ stoff eingespritzt worden.
Die zylinderindividuellen Residuen werden als Eingangsgrößen für den im folgenden beschriebenen Adaptionsalgo­ rithmus herangezogen.
Aus den berechneten Residuen können nun anteilmäßige Einspritzkorrekturen vorgenommen werden. Da die Resi­ duen nur Relativmaße für die Änderung der einzuspritzenden Menge an Kraftstoff darstellen, wird auch der Adaptions­ algorithmus unter diesem Aspekt erstellt. Es muß gewährleistet sein, daß die Brennkraftmaschine zu keinem Korrektur­ zeitpunkt mehr oder weniger Kraftstoff erhält als im unkorrigierten Fall. Der Algorithmus soll also nur die Aufgabe einer gleichmäßigen Verteilung der Einspritzmenge übernehmen. Damit ergibt sich der Adaptionsalgorithmus für eine 4-Zy­ linder-Brennkraftmaschine zu
mit
als Initialisierung für einen multiplikativen Adaptionsfall.
Darin ist
δZ(i),k Korrekturterm für Zylinder i nach Adaptionsschritt k
RZ(i),k Residuum des Zylinders i zum Adaptionsschritt 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 Kraftstoffmenge 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 Kraftstoffmenge 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 ins­ gesamt 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 Einspritzdauer TE. Wegen der stets positiven Steigung einer invertierten Düsenkennlinie (Einspritzmenge als Funk­ tion der Einspritzdauer) zieht eine längere Ansteuerung eine größere Einspritzmenge mit sich. Die Einspritzkorrektur kann also direkt über die Einspritzdauer erfolgen, indem die Korrekturterme δZ(i),k aus dem Adaptionsalgorithmus mit den von der Motorsteuerung vorgegebenen idealen Einspritzzeiten TE,ideal multipliziert werden.
Die Fig. 4a zeigt den Drehzahlverlauf n der Kurbelwelle über der Zeit t im Leerlauf der Brennkraftmaschine, wobei die Adaption 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
im quasistationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine die Drehzahl (n) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine er­ faßt wird,
aus den Drehzahlwerten die jeweiligen Werte für die Winkel­ geschwindigkeit (ωOT) abgeleitet werden, daraus die Änderung der kinetischen Energie (ΔEkin,Z(i)) der Kurbelwelle im Expansi­ onsintervall eines Zylinders (i) berechnet wird,
daraus ein Relativmaß (Residuum RZ(i)) für jeden Zylinder (Z(i)) abgeleitet wird, das die Information über zuviel oder zuwenig eingespritzte Kraftstoffmenge enthält und
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 Brenn­ kraftmaschine erkannt wird, wenn die mittlere Drehzahl für eine vorgegebene Anzahl Arbeitsspiele konstant bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dar quasistationäre Betriebszustand der Brennkraft­ maschine erkannt 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 Schwellenwert (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 Kraftstoffenergie 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 Zylinders i im k-ten Arbeitsspiel
WOT(i,k+1) Winkelgeschwindigkeit am oberen Totpunkt des Zylinders i im k + 1-ten Arbeitsspiel Knorm ein Normie­ rungsfaktor, der den Wert
aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den berechneten Maßen (Residuum RZ(i)) Korrek­ turterme (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
mit
als Initialisierungswert und mit
δZ(i),k Korrekturterm für Zylinder i nach Adaptionsschritt k
RZ(i),k Residuum des Zylinders 1 zum Adaptionsschritt k
α positiver frei wählbarer Adaptionsparameter zwischen 0 und 1, der die Geschwindigkeit der Adaption festlegt.
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