DE19835019C2 - Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Di­ rekteinspritzung des Kraftstoffs und einer drosselfreien Laststeuerung.

Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist es bekannt, das Kraftstoff-Einspritzventil im Zylinderkopf derart anzuordnen, daß der Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen wird. Derartige Brennkraftma­ schinen werden im Teillastbetrieb mit einem hohen Luftüber­ schuß in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch betrieben. So ist ein hoher Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine auch im Teillastbe­ trieb gewährleistet, da nur eine geringe Drosselung der An­ saugluft durch eine Drosselklappe erfolgt. In Betriebsberei­ chen nahe bei oder in der Vollast werden derartige Brenn­ kraftmaschinen jedoch mit nahezu stöchiometischen Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis betrieben und die Last durch entsprechendes Steuern der Luftmasse eingestellt. Dazu muß der Luftstrom in dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine durch eine Drossel­ klappe gedrosselt werden. Da zwischen der Drosselklappe und einem Einlaß an dem Zylinder ein großes Volumen ist, wirkt sich ein Verstellen der Drosselklappe erst nach einer Verzö­ gerungszeit auf den Luftmassenstrom des jeweiligen Zylinders aus. Ferner ist bei derartigen Brennkraftmaschinen im unter­ sten Lastbereich, beispielsweise im Leerlauf-Betrieb, ein Drosseln der Ansaugluft notwendig, da anderweitig der Luftüberschuß des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem Zylinder so hoch wäre, daß eine zuverlässige und vollständige Verbren­ nung des Kraftstoffs nicht mehr gewährleistet ist.

Desweiteren sind Brennkraftmaschinen bekannt, die Stellan­ triebe haben, die auf die Gaswechselventile der Zylinder der Brennkraftmaschine einwirken. Die Stellantriebe steuern den Hubbeginn und/oder das Hubende und/oder den Hubbetrag der Gaswechselventile und können den Hubbeginn und/oder das Hu­ bende und/oder den Hubbetrag zeitgenau mit den Lastanforde­ rungen verändern. Derartige Brennkraftmaschinen haben demnach als Stellglied zum Einstellen der Last die Gaswechselventile statt der Drosselklappe. Die anzusaugende Luftmasse des Zy­ linders kann nahezu verlustfrei eingestellt werden. Aus der DE 196 10 468 A1 ist eine derartige Brennkraftmaschine mit einzelnen, individuell ansteuerbaren Gaswechselventilen be­ kannt. Zur Ansteuerung der Gaswechselventile sind hier elek­ tromechanische Stellantriebe vorgesehen.

Eine weitere Brennkraftmaschine ist vorgeschlagen worden, die sowohl elektromechanisch ausgebildete Stellantriebe hat, die auf die Gaswechselventile einwirken, als auch jeweils ein Einspritzventil pro Zylinder hat, das in dem Zylinderkopf derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff direkt in den je­ weiligen Zylinder der Brennkraftmaschine zugemessen wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern der letztgenannten Brennkraftmaschine zu schaffen, das zuver­ lässig und einfach ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unab­ hängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das von der Brennkraftmaschine zu erzeugende Drehmoment auch in einem transienten Betrieb innerhalb eines Arbeitsspiels der Brenn­ kraftmaschine tatsächlich eingestellt werden kann. Zusätzlich ist gewährleistet, daß auch in dem transienten Betrieb der Brennkraftmaschine ein vorgegebenes Luft/Kraftstoff- Verhältnis präzise eingehalten werden kann. So kann die Brennkraftmaschine bei niedrigen Lasten, also zum Beispiel im Leerlauf, mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben werden.

Auf Drehmomentreserven kann verzichtet werden. Dennoch wird nach einem Lastwechsel ein instabiler Betrieb vermieden, der sich zum Beispiel durch einen starken Drehzahleinbruch be­ merkbar macht. Das Verfahren kann bei Brennkraftmaschinen mit einer beliebigen Anzahl an Zylindern eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Steuern der Brennkraftmaschine,

Fig. 3 die Abarbeitungsfolge der Schritte des Programms ge­ mäß Fig. 2 aufgetragen über einen Kurbelwellenwin­ kel.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 und einen Motorblock 2, der einen Zylinder Z1 und eine Kur­ belwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder Z1 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden. Ein Zylinderkopf 3 ist vorgesehen, in dem ein Ventiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31. Jedem der Gaswechselventile, die als Einlaßventil 30 und als Auslaßventil 31 ausgebildet sind, ist ein Stellantrieb 32, 33 zugeordnet. Die Stellantriebe 32, 33 steuern den Hubbeginn, die Dauer des Hubes und somit das Hubende und ggf. den Hubbe­ trag des jeweiligen Gaswechselventils. Die Stellantriebe 32, 33 sind vorzugsweise als elektromechanische Stellantriebe ausgebildet mit mindestens einem Elektromagneten, einem Anker mit einer Ankerplatte, die zwischen einer ersten Anlagefläche des Elektromagneten und einer weiteren Anlagefläche beweglich ist und die mit mindestens einem Rückstellmittel einen Feder- Masse-Schwinger bildet. Durch entsprechendes Bestromen oder Nicht-Bestromen einer Spule des Elektromagneten wird das Gas­ wechselventil in eine Offenposition oder eine Schließposition gebracht. Die Stellantriebe 32, 33 können auch elektrohydrau­ lisch oder in einer sonstigen dem Fachmann bekannten Weise derart ausgebildet sein, daß ein zum Einstellen der Last aus­ reichendes Ansprechverhalten des Stellantriebs gewährleistet ist.

In den Zylinderkopf 3 ist ferner ein Einspritzventil 34 und eine Zündkerze 35 eingebracht. Das Einspritzventil 34 ist so angeordnet, daß der Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders Z1 zugemessen wird. Neben dem Zylinder Z1 umfaßt die Brennkraftmaschine noch weitere Zylinder Z2, Z3 und Z4, denen entsprechend ein Ein- und Auslaßventil, Stellantriebe, Einspritzventile und Zündkerzen zugeordnet sind.

Ein Abgastrakt 4 mit einem Katalysator 40 und einer Sauer­ stoffsonde 41 ist der Brennkraftmaschine zugeordnet. Eine Steuereinrichtung 5 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 5 er­ mittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße Stellsignale zum Steuern der Stellantriebe 32, 33, des Einspritzventils 34 und der Zündkerze 35.

Die Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 61, der eine Pedal­ stellung PV des Fahrpedals 6 erfaßt, ein Luftmassenmesser 11, der einen Luftmassenstrom erfaßt, ein Temperatursensor 12 der eine Ansauglufttemperatur erfaßt, und ein Kurbelwellenwinkel­ geber der einen Kurbelwellenwinkel KW erfaßt, aus dessen zeitlichen Verlauf in der Steuereinrichtung 5 die Drehzahl der Kurbelwelle 23 berechnet wird. Ferner ist eine Sauer­ stoffsonde 41 vorgesehen, die den Restsauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgastrakt 4 erfaßt und die diesem eine Luft­ zahl LAM zuordnet. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Die Steuereinrichtung 5 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so zum Beispiel über ein Bussystem.

Im folgenden wird ein Programm zum Steuern der Brennkraftma­ schine, das als Ablaufdiagramm (Fig. 2) dargestellt ist, be­ schrieben. Das Programm wird in der Steuereinrichtung 5 abge­ arbeitet und ist dort gespeichert. Das Programm wird in einem Schritt S0 gestartet. In einem Schritt S0_A wird geprüft für welchen Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 Stellsignale für die zugeord­ neten Stellantriebe, das ihm zugeordnete Einspritzventil und die ihm zugeordnete Zündkerze ermittelt werden sollen. Das in Fig. 2 dargestellte Programm kann gleichzeitig in mehreren oder auch allen von dem Schritt S0 abgehenden Zweigen aktiv sein. Die zeitliche Koordination der Abarbeitung der Schritte des Programms ist weiter unten anhand von Fig. 3 näher er­ läutert.

Falls die Bearbeitung des Programms für den Zylinder Z1 vor­ gesehen ist wird die Bearbeitung nach dem Schritt S0_A in ei­ nem Schritt S1_Z1 fortgesetzt. In dem Schritt S1_Z1 wird ein Sollwert MA_SP_Z1 der Luftmasse in dem Zylinder Z1 berechnet. Der Sollwert MA_SP_Z1 der Luftmasse in dem Zylinder Z1 wird abhängig von der Pedalstellung PV, der Drehzahl und/oder Drehmomentanforderungen von Verbrauchern, wie einem Klimakom­ pressor oder einem Generator, von einer Anti-Schlupfregelung oder von einer Getriebesteuerung ermittelt. Dazu sind ein oder mehrere Kennfelder vorgesehen aus denen der Sollwert MA_SP_Z1 des Luftmassenstroms in dem Zylinder Z1 abhängig von der Pedalstellung PV, der Drehzahl N und den Drehmomentanfor­ derungen ermittelt wird.

In einem Schritt S2_Z1 wird dann der Sollwert MA_SP_Z1 der Luft­ masse in dem Zylinder gesteuert durch entsprechendes Ansteu­ ern der Stellantriebe 32, 33. Dabei ergeben sich besonders geringe Ladungswechselverluste, wenn die Gaswechselventile sehr schnell von ihrer Schließposition in ihre Offenpostion und umgekehrt gesteuert werden, da so während eines Großteils der Öffnungsdauer der gesamte Öffnungsquerschnitt an der Ein­ laßöffnung des Zylinders Z1 freigegeben ist und die Luft von dem Zylinder Z1 frei angesaugt werden kann.

In einem Schritt S3_Z1 werden in die Meßwerte MAF_MES des Luftmassenstroms, die von dem Luftmassenmesser 11 während der Öffnungsdauer des Einlaßventils 30 erfaßt wurden, über die Öffnungsdauer integriert und dem Istwert MA_AV_Z1 der Luftma­ sse in dem Zylinder Z1 zugeordnet. Der Istwert MA_AV_Z1 wird demnach während des Ansaugtaktes des Zylinders Z1 erfaßt und nach dem Schließen der Ein- und Auslaßventile 30, 31 berech­ net. Da der Ansaugtrakt nur ein kleines Saugvolumen und kei­ nen Sammler hat, sind die Meßwerte MAF_MES des Luftmassenmes­ sers auch im transienten Betrieb der Brennkraftmaschine nahe­ zu verzögerungsfrei gleichzusetzen mit dem tatsächlichen Luftmassenstrom in den Zylinder Z1 zum gleichen Zeitpunkt. Der Istwert MA_AV_Z1 der Luftmasse in dem Zylinder Z1 kann so­ mit in Echtzeit berechnet werden.

In einem Schritt S4_Z1 wird abhängig von dem Istwert MA_AV_Z1 der Luftmasse in dem Zylinder Z1 ein Sollwert MF_SP_Z1 der Kraftstoffmasse für den Zylinder Z1 berechnet. Dabei können auch noch weitere Größen wie die Drehzahl n, und die Ansaug­ lufttemperatur TCO berücksichtigt werden. Der Sollwert MF_SP1_Z1 der Kraftstoffmasse für den Zylinder Z1 wird einfa­ cherweise aus einem Kennfeld abhängig von dem Istwert MA_AV_Z1 der Luftmasse des Zylinders Z1, der Drehzahl und/oder der An­ sauglufttemperatur TCO ermittelt.

In einem Schritt S5_Z1 wird dann das Einspritzventil 34 derart angesteuert, daß der Sollwert MF_SP_Z1 der Kraftstoffmasse für den Zylinder Z1 auch tatsächlich in dem Zylinder Z1 einge­ stellt wird. Die Schritte S1_Z1 bis S5_Z1 werden innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine je einmal durchlaufen. Falls die Berechnung und Einstellung der Stellsignale für die Stellantriebe, und das Einspritzventil des Zylinders Z2 er­ folgen soll, so wird die Bearbeitung nach dem Schritt S0_A in den Schritten S1_Z2, S2_Z2, S3_Z2, S4_Z2 und S5_Z2 fortgesetzt, die den entsprechenden Schritten mit dem Index "Z1" äquivalent sind. Falls die Stellsignale für die Stellantriebe und das Einspritzventil des Zylinders Z3 berechnet und eingestellt werden sollen, werden nach dem Schritt S0_A die Schritte S1_Z3, S2_Z3, S3_Z3, S4_Z4, S5_Z4 abgearbeitet, die ebenfalls äquivalent sind zu den entsprechenden Schritten mit dem Index "Z1". Falls die Stellsignale für die Stellantriebe und das Ein­ spritzventil des Zylinders Z4 ermittelt und gesteuert werden sollen, so werden nach dem Schritt S0_A die Schritte S1_Z4, S2_Z4, S3_Z4, S4_Z4, S5_Z4 abgearbeitet, die ebenfalls den entspre­ chenden Schritten mit dem Index "Z1" äquivalent sind.

In einem Schritt S6 wird das Programm gestoppt. Das Programm wird für jeden Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 innerhalb eines Ar­ beitsspieles der Brennkraftmaschine genau einmal aufgerufen. In der Steuereinrichtung 5 ist eine Ablaufsteuerung vorgese­ hen, die den zeitlichen Ablauf der Schritte S1_Z1 bis S5_Z4 ko­ ordiniert. Der daraus resultierende zeitliche Ablauf der Schritte S1_Z1 bis S5_Z4 ist in Fig. 3 abhängig von dem Kurbel­ wellenwinkel für eine Drehzahl dargestellt die kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert (z. B. 3000 Umdrehun­ gen/Min). Dabei bezeichnet UT den unteren Totpunkt des Kol­ bens des Zylinders Z1, LWUT den oberen Totpunkt des Kolbens des Zylinders Z1 während des Ladungswechsels und ZOT den obe­ ren Totpunkt des Kolbens des Zylinders Z1 vor dem Verbren­ nungstakt des Zylinders Z1. Das Berechnen des Sollwertes MA_SP_Z1 der Luftmasse im Zylinder Z1 in dem Schritt S1_Z1 er­ folgt während des Abgastaktes des Zylinders Z1, d. h. zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt bei Ladungs­ wechsel LWUT des Kolbens des Zylinders Z1.

Während des Ansaugtaktes des Zylinders Z1, der zwischen dem oberen Totpunkt bei Ladungswechsel LWUT und dem unteren Tot­ punkt UT des Kolbens des Zylinders Z1 liegt, erfolgt das Steuern des Sollwertes MA_SP_Z1 der Luftmasse für den Zylinder Z1 in dem Schritt S2_Z1 und anschließend das Berechnen des Istwertes MA_AV_Z1 der Luftmasse in dem Zylinder Z1 in dem Schritt S3_Z1. Während des Kompressionstaktes des Zylinders Z1, der zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Tot­ punkt ZOT des Kolbens des Zylinder Z1 vor dem Verbrennungs­ takt ist, erfolgt dann das Berechnen des Sollwertes MF_SP_Z1 der Kraftstoffmasse für den Zylinder Z1 in dem Schritt S4_Z1 und anschließend das Steuern des Sollwertes MF_SP_Z1 der Kraftstoffmasse für den Zylinder Z1 in dem Schritt S5_Z1.

Die jeweilige Abarbeitung der Schritte S1_Z1-S5_Z4, die sich nur durch ihren Index unterscheiden, erfolgt entsprechend synchron zu der Kolbenstellung des jeweiligen dem Zylinder Z1, Z2, Z3, Z4 zugeordneten Kolbens. Lastsprünge können somit sehr einfach innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftma­ schine eingestellt werden. Dabei kann auch der das vorgegebe­ ne Luft/Kraftstoff-Verhältnis präzise eingestellt werden, da jeweils in dem Schritt S3_Z1, S3_Z2, S3_Z3, S3_Z4 der tatsächliche Istwert MA_AV_Z1 bis _Z4 der Luftmasse in dem Zylinder berechnet wird und dieser dann Grundlage für die Berechnung des Soll­ wertes MF_SP_Z1-Z4 in den Schritten S4_Z1-Z4 ist.

Falls die Drehzahl größer ist als der vorgegebene Schwellen­ wert, müssen die Schritte S2_Z1-Z4 und S5_Z1-Z4 parallel abgear­ beitet werden, d. h. Kraftstoff muß bereits während des Ansau­ gens der Luft in den jeweiligen Zylinder Z1-Z4 eingespritzt werden. In diesem Fall wird dann dem Istwert MA_AV_Z1-Z4 in den Schritten S3_Z1-Z4 einfach der Istwert der Luftmasse des in der Zündfolge vorangehenden Zylinders Z1-Z4 zugeordnet. So wird dann der Sollwert MF_SP_Z1-Z4 der Kraftstoffmasse für den Zy­ linder jeweils auf Grundlage der tatsächlichen Luftmasse des in der Zündfolge vorangehenden Zylinders berechnet. Auf diese Weise erfolgt jedoch immer noch ein ausreichend genaues Ein­ stellen des vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, des­ sen Abweichungen innerhalb eines Segmentes, d. h. zwischen den Zündzeitpunkten zweier in der Zündfolge benachbarter Zylin­ der, ausgeglichen werden können.

Claims (2)

1. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern (Z1, Z2, Z3, Z4), denen jeweils Stellantriebe (32, 33) zugeordnet sind, die auf Gaswechselventile einwirken und durch die die Gaswechselventile einzeln und unabhängig von den anderen Gaswechselventilen ansteuerbar sind, und denen jeweils ein Einspritzventil (34) zugeordnet ist, das in dem Zylinderkopf (3) derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff direkt in den jeweiligen Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) der Brennkraftmaschine zugemessen wird, mit Schritten in der angegebenen Reihenfolge innerhalb eines Arbeitsspiels der Brennkraftmaschine:

• - Berechnen eines Sollwertes der Luftmasse eines einzelnen Zylinders (Z1, Z2, Z3, Z4),
• - Steuern der Stellantriebe des einzelnen Zylinders (Z1, Z2, Z3, Z4) abhängig von dem Sollwert der Luftmasse für diesen Zylinder,
• - Erfassen eines Istwertes der Luftmasse in dem einzelnen Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) während oder nach dem Ansaugtakt des einzelnen Zylinders (Z1, Z2, Z3, Z4),
• - Berechnen eines Sollwertes der Kraftstoffmasse in dem einzelnen Zylinder (Z1, Z2, Z3, Z4) abhängig von dem Istwert der Luftmasse und
• - Steuern des Einspritzventils des einzelnen Zylinders (Z1, Z2, Z3, Z4) abhängig von dem Sollwert der Kraftstoffmasse.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren vorgegebenen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine dem Istwert der Luftmasse des einzelnen Zylinders (Z1, Z2, Z3, Z4) der Istwert der Luftmasse des in der Zündfolge vorangehenden Zylinders (Z1, Z2, Z3, Z4) zugeordnet wird.