DE19859018A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Zylindergleichstellung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Gleichstellung der Momentenbeiträge einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine, DOLLAR A bei dem wenigstens ein Maß für die individuellen Momentenbeiträge der einzelnen Zylinder ermittelt und einem Regler zugeführt wird und bei dem die Ausgangsgröße des Reglers zylinderindividuell die Füllung des Zylinders mit Luft oder Frischgas beeinflußt.

Description

Stand der Technik

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit variablem Einlaßventilhub, der derart ausgebildet ist, daß über seine Verstellung (Null- Vollhub) eine drosselfreie Laststeuerung des Motors möglich ist. In Ergänzung oder als Alternative kann auch von einer variablen Öffnungsdauer des Einlaßventils ausgegangen werden.

Eine derartige Steuerung eines Ottomotors ohne Drosselklappe ist aus der EP 433 632 bekannt. Die bekannte Steuerung sieht unter anderem zylinderindividuelle Einlaßventilöffnungsdauern vor, die abhängig von einer Fahrpedalstellung und der Motordrehzahl vorbestimmt sind. Damit sollen konstruktionsbedingte Unterschiede in der Führung der Luft ausgeglichen werden. Als Folge soll erreicht werden, daß alle aktiven Zylinder eine im wesentlichen gleiche Menge an Luft/Kraftstoff-Gemisch ansaugen, so daß sich eine sehr gleichmäßige Drehmomentverteilung und ein geringstmöglicher Schadstoffausstoß für alle Zylinder ergibt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Laufruhe bei Brennkraftmaschinen mit zylinderindividueller Ventilsteuerung weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Schadstoffausstoß weiter zu verringern.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß neben alterungsunabhängigen konstruktionsbedingten Füllungsunterschieden auch das alterungsabhängige Ventilspiel der Einlaßventile und Fertigungstoleranzen verschiedene Füllmengen der einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine bedingen können. Diese Füllungstoleranzen führen bei zylindergleicher Kraftstoffzumessung zu unterschiedlichen Momentenbeiträgen pro Zylinder und werden im unteren Drehzahlbereich insbesondere bei Leerlauf als Laufunruhe wahrgenommen.

Erfindungsgemäß werden die Füllungstoleranzen über eine Auswertung der Laufruhe bzw. der Laufunruhe erfaßt, einem Regler zugeführt und über einen zylinderindividuellen Regeleingriff auf die Ventilöffnungsfunktion kompensiert. Die Erfindung kann auf einer vorhandenen Sensorik und Signalverarbeitung zur Laufunruheauswertung aufbauen. Diese ist bei modernen Brennkraftmaschinen bereits zur On Board Diagnose von Verbrennungsaussetzern vorhanden.

Vorteile

Die Sicherstellung des Ausgleich der fertigungsbedingten Füllungstoleranzen im Betrieb des Verbrennungsmotors erweitert in diesem Punkt den konstruktiven Gestaltungsraum für das variable Einlaß-Ventilsystem. Das kann vorteilhafterweise zu einer kostengünstigeren Konstruktion führen.

Die Nutzung der Laufunruheerfassung und -Auswertung, die zur Verbrennungsaussetzererkennung schon vorhanden ist, ermöglicht eine Realisierung der Erfindung mit nur geringem zusätzlichen Aufwand.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Kompensation der Füllungstoleranzen für ausgeglichene Momentenbeiträge unter Beibehaltung eines erwünscht konstanten durchschnittlichen Lambda-Wertes der Kraftstoff/Luftgemische der einzelnen Zylinder.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung.

Fig. 2 verdeutlicht verschiedene Öffnungsfunktionen von Gaswechselventilen und Fig. 3 offenbart ein Flußdiagramm als Ausführungsbsp des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert einen Verbrennungsmotor mit Brennraum 2, Einspritzventil 3, Einlaßventil 4, Einlaßventilstellglied 5, Auslaßventil 6, Auslaßventilstellglied 7, Ansaugrohr 8, Drosselklappe 9, Geber 10 für den Drosselklappenwinkel alpha, Luftmassenmesser 11, Saugrohrdruckgeber 12, Motortemperaturgeber 13, Drehzahlgeber bzw. Induktivaufnehmer 14, Winkelgeberrad 18 mit Markierungen 19 und Segmenten 20 und der Lambdasonde 15 im Abgasrohr 16 sowie mit einer elektronischen Steuereinrichtung 17. Die elektronische Steuereinrichtung verarbeitet die dargestellten Signale über Ansaugluftmasse ml, Drosselklappenöffnungswinkel alpha, Saugrohrdruck p, Motortemperatur tmot, Drehzahl n und Kraftstoff/Luftgemischzusammensetzung Lambda zu Steuersignalen für den Verbrennungsmotor, beispielsweise zu Kraftstoffeinspritzimpulsbreiten ti, Zündsignalen usw. In der Darstellung der Fig. 1 gibt das Steuergerät auch Signale EVS und AVS heraus, welche die Öffnungsfunktionen der Gaswechselventile 4 und 6 bestimmen. Die konkrete Realisierung der Ventilbetätigung, hydraulisch, mechanisch, individuell oder gruppenweise verstellbar, ist nicht entscheidend. Wesentlich ist, daß die Steuereinrichtung verschiedene Öffnungsfunktionen der Einlaßventile einstellen kann. Beispiele verschiedener Öffnungsfunktionen zeigt die Fig. 2 mit einer Darstellung des Ventilhubes VH in Abhängigkeit von der Winkelposition der Kurbelwelle (Grad Kurbelwellenwinkel). Die gestrichelte Öffnungsfunktion ruft eine stärkere Drosselwirkung auf die einströmende Luft und damit eine verringerte Zylinderfüllung hervor.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Laufunruhe über eine Auswertung des Zeitverlaufs der Kurbel- oder Nockenwellendrehung beurteilt. Zur Erfassung des Zeitverlaufs ist einem bestimmten Bereich der Kolbenbewegung jedes Zylinders ein als Segment bezeichneter Kurbelwellenwinkelbereich 20 zugeordnet. Realisiert werden die Segmente bspw. durch Markierungen 19 (Zähne) auf einem mit der Kurbelwelle gekoppelten Geberrad 18.

Die Drehbewegung des mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelten Winkelgeberrades 18 wird mit Hilfe des als Induktivsensor realisierten Winkelsensors 14 in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Periodizität ein Abbild des periodischen Vorbeistreichens der Markierungen 19 am Winkelsensor 14 darstellt. Die Zeitdauer zwischen einem Anstieg und einem Abfall des Signalpegels entspricht daher der Zeit, in der sich die Kurbelwelle über einen dem Ausmaß einer Markierung entsprechenden Win­ kelbereich weitergedreht hat. Diese Zeitdauern werden in dem als Rechner realisierten Steuergerät 5 zu einem Maß für die Laufunruhe der Brennkraftmaschine weiterverarbeitet. Die Segmentzeit Ti, in der die Kurbelwelle einen Winkelbereich mit Index i überstreicht, stellt bereits ein Maß für die Laufunruhe dar: Je weniger die Segmentzeiten voneinander abweichen, desto ruhiger läuft der Motor und desto kleiner ist seine Laufunruhe.

Alternativ zu dieser Auswertung im Zeitbereich kann eine Auswertung im Frequenzbereich erfolgen: Bei gleichmäßigen Momentenbeiträgen ist die Drehbewegung der Kurbelwelle beim Viertaktmotor periodisch mit der Periode P gleich 720°Kurbelwellenwinkel (KWW)/Zahl der Zylinder. Wenn ein Zylinder bspw. systematisch ein zu niedriges Moment liefert, führt dies zu einer periodischen Abbremsung der Drehbewegung der Kurbelwelle mit der Periode von zwei Kurbelwellenumdrehungen, d. h. von 720°KWW. Ungleiche Momentenbeiträge liefern daher Anteile niedriger Frequenzen als der Zündfrequenz im Frequenzspektrum der Kurbelwellendrehung. Dies kann durch eine Frequenzanalyse festgestellt werden. Das Auftreten dieser zusätzlichen Anteile niedriger Frequenzen zeigt damit ungleiche Momentenbeiträge an.

Je nach Auswerteaufwand liefern beide Verfahren zylinderselektive oder zylinderunselektive Informationen über die Laufunruhe.

Bei zylinderselektiver Information kann bestimmt werden, welcher Zylinder weniger, bzw. mehr Moment beiträgt als der Durchschnittswert aller Zylinder.

Dies ist in der Fig. 3 als Ausführungsbsp. dargestellt: In einem Schritt 3.1 erfolgt die Bildung eines Maßes mi für die Füllung eines Zylinders mit Index i. Beispielsweise erfolgt dies über eine Segmentzeitmessung für den Verbrennungstakt des Zylinders mit Index i. Eine verlängerte Segmentzeit Ti wird durch ein vergleichsweise großes Drehmoment mk verursacht und signalisiert damit eine vergleichsweise große Zylinderfüllung. Dabei numerieren k und i Zündtakte oder Zylinder. Alternativ kann die Füllung auch über den Brennraumdruck erfaßt werden. Sowohl der Brennraumdruck als auch die Segmentzeit erlauben Rückschlüsse auf das die Laufruhe bestimmende Moment.

In einem Schritt 3.2 erfolgt eine Mittelwertbildung der zylinderindividuellen Maße mi für die Füllungen der einzelnen Zylinder. Der Mittelwert mquer dient in den Schritten 3.3 oder 3.4 als Vergleichskriterium zur Detektion zylinderindividueller Abweichungen. Ist bspw. das Moment des Zylinders i vergrößert, so wird die Abfrage im Schritt 3.3 bejaht und es erfolgt im Schritt 3.5 eine Verkleinerung der Füllung dieses Zylinders. Erfindungsgemäß erfolgt dies über einen Eingriff in die Öffnungsfunktion der Gaswechselventile dieses Zylinders. Beispielsweise wird die Öffnungsfunktion VH des Einlaßventils dieses Zylinders in Fig. 2 von der durchgezogenen Linie hin zu der gestrichelt dargestellten Linie verändert.

Wird dagegen im Schritt 3.4 ein verkleinertes Moment detektiert, erfolgt im Schritt 3.6 eine Veränderung von der gestrichelten Öffnungsfunktion hin zu der durchgezogenen Öffnungsfunktion, um die Füllung zu vergrößern.

Vorteilhafterweise wird bei der Veränderung der Öffnungsfunktion für einen Zylinder die Öffnungsfunktion der anderen Zylinder gegenläufig verändert, so daß sich die über alle Zylinder aufsummierte Gesamtfüllung der Motorbrennräume nicht ändert. Siehe dazu die Schritte 3.6 und 3.7.

Mit anderen Worten: Beispielsweise wird dann, wenn ein Zylinder mehr Moment liefert als die anderen Zylinder, seine Füllung verkleinert und die der anderen Zylinder so vergrößert, daß sich das insgesamt von den Zylindern abgegebene Motormoment möglichst nicht ändert. Dies dient, wie auch

Die Vergrößerung der Füllung der übrigen Zylinder dient unter anderem auch wie die Verkleinerung der Füllung des einen Zylinders der Vergleichmäßigung des Motormomentes.

Darüberhinaus soll sie zu einem konstanten Gesamtmoment des Verbrennungsmotors führen. Damit ist der Vorteil verbunden, daß sich die Motordrehzahl durch die Gleichstellungseingriffe nicht ändert. Dies wird durch die Schritte 3.7 und 3.8 repräsentiert.

Vorteilhafterweise erfolgt parallel zu den Eingriffen in die Ventilsteuerung ein Eingriff in die zylinderindividuelle Kraftstoffzumessung. Bei Zylindern, deren Füllung verkleinert wird, erfolgt eine Verkleinerung der zuzumessenden Kraftstoffmenge. Die Kraftstoffmenge für die übrigen Zylinder wird so vergrößert, daß sich die über alle Zylinder aufsummierte zuzumessende Gesamtkraftstoffmenge nicht ändert. Damit ist der Vorteil verbunden, daß sich der Lambdawert im Abgas durch die Gleichstellungseingriffe nicht ändert.

Bei zylinderunselektiven Verfahren wird durch iteratives und wechselweises Erhöhen und Zurücknehmen der zylinderindividuellen Füllung über die Verstellung des Einlaßhubs und/oder der Einlaßdauer versucht, die Gesamtlaufruhe zu verbessern. Als Maß für die Laufunruhe kommt bspw. die Schwankungsbreite der gemessenen Segmentzeiten in Frage.

Bspw. kann bei einem willkürlich gewählten Zylinder ein Füllungseingriff versuchsweise vorgenommen werden und die darauf folgende Reaktion der Laufunruhe ausgewertet werden. Die Reaktion der Laufunruhe auf einen ersten Veränderungsschritt signalisiert, ob die Auswahl des Zylinders und der Richtung der Änderung zielführend waren. Verbesserte sich die Laufunruhe nicht, wird die Änderung rückgängig gemacht: Mit anderen Worten: In diesem Fall werden die vor den Gleichstellungseingriffen verwendeten Parameter der Ventilsteuerung und Kraftstoffzumessung wieder eingestellt.

Verbesserte sich die Laufruhe dagegen durch die Gleichstellungseingriffe, so werden die neuen Parameter der Ventilsteuerung und Kraftstoffzumessung für den betreffenden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors abgespeichert, damit sie beim nächsten Anfahren des gleichen Betriebspunktes sofort zur Verfügung stehen.

Auf diese Weise erfolgt eine Adaption, d. h. eine Anpassung der Ventilsteuerzeiten an veränderte Betriebsbedingungen.

Das Iterationsverfahren kann so gestaltet werden, daß sowohl das Gesamtlambda konstant als auch die Leerlaufdrehzahl konstant gehalten wird.

Die Abspeicherung optimierter, an veränderte Betriebsbedingungen angepaßter Steuerzeiten ist für beide Verfahren durchführbar. Mit anderen Worten: Unter Einsatz der Erfindung in Form eines Adaptionsverfahrens werden die zylinderindividuellen Leerlauf- und leerlaufnahen Korrekturwerte für die Füllung während der Leerlaufphasen des Motors adaptiert und in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt. Ein Beispiel einer veränderten Betriebsbedingung stellt ein verändertes Ventilspiel dar.

Claims (10)

1. Verfahren zur Gleichstellung der Momentenbeiträge einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine, bei dem wenigstens ein Maß für die individuellen Momentenbeiträge der einzelnen Zylinder ermittelt und einem Regler zugeführt wird und bei dem die Ausgangsgröße des Reglers zylinderindividuell die Füllung des Zylinders mit Luft oder Frischgas beeinflußt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Reglers die Öffnungsfunktion von wenigstens einem Gaswechselventil des individuellen Zylinders beeinflußt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfunktion über eine Änderung des Hubes des Gaswechselventils und/oder der Dauer der Öffnung des Gaswechselventils beeinflußt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zylinderindividuell erfolgenden Eingriff die Füllung der übrigen Zylinder gegenläufig so beeinflußt wird, daß sich das gesamte von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment möglichst nicht ändert.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ergänzend zu den Eingriffen auf die Füllung die zylinderindividuelle Kraftstoffzufuhr so beeinflußt wird, daß sich die Zusammensetzung des im Zylinder verbrennenden Kraftstoff/Luftgemisches möglichst nicht ändert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß für die Momentenbeiträge der individuellen Zylinder auf der Basis einer Auswertung der Laufunruhe der Brennkraftmaschine ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß für die Momentenbeiträge der individuellen Zylinder auf der Basis der zylinderindividuell erfaßten Brennraumdrücke erfolgt.

8. Elektronische Steuereinrichtung zur Gleichstellung der Momentenbeiträge einzelner Zylinder einer Brennkraftmaschine, bei dem die Steuereinrichtung wenigstens ein Maß für die individuellen Momentenbeiträge der einzelnen Zylinder ermittelt und daraus eine Ausgangsgröße bildet, die zylinderindividuell die Füllung wenigstens eines Zylinders mit Luft oder Frischgas beeinflußt.

9. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße die Öffnungsfunktion von wenigstens einem Gaswechselventil des individuellen Zylinders beeinflußt.

10. Elektronische Steuereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfunktion über eine Änderung des Hubes des Gaswechselventils und/oder der Dauer der Öffnung des Gaswechselventils beeinflußt wird.