Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zylinder
gleichstellung bezüglich der Kraftstoff-Einspritz
mengen bei einer Brennkraftmaschine.
Bei laufender Brennkraftmaschine treten Drehun
gleichförmigkeiten auf, die darauf beruhen, daß den
einzelnen Zylindern der Brennkraftmaschine unter
schiedliche Kraftstoffmengen eingespritzt werden.
Hierbei spielen unter anderem Toleranzen der ein
zelnen Einspritzkomponenten eine Rolle, die nur mit
einem besonders hohen Aufwand reduzierbar sind. Die
entstehenden Drehungleichförmigkeiten können zum
Beispiel in Kraftfahrzeugen Vibrationen verursa
chen.
Es sind daher Laufruheregelungen bekannt, die der
Dämpfung der Schwingungen dienen, die auf unter
schiedlichen Kraftstoff-Einspritzmengen beruhen.
Beispielsweise ist es bekannt, Drehzahlabweichungen
einzelner Zylinder von der mittleren Drehzahl der
Brennkraftmaschine zu erfassen. Es hat sich dabei
herausgestellt, daß die Funktion einer derartigen
Laufruheregelung nur für einen begrenzten Drehzahl
bereich optimierbar ist, so daß ein Ausgleich der
Schwingungen lediglich in einem begrenzten Dreh
zahlbereich möglich ist.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 hat demgegenüber durch die Struktur
eines PT1-Kreises den Vorteil, daß es die Vermei
dung von auf unterschiedlichen Kraftstoff-Ein
spritzmengen beruhenden Drehungleichförmigkeiten
einer Brennkraftmaschine praktisch über den ge
samten Motorbetriebsbereich ermöglicht.
Grundlage des Verfahrens bildet die Erfassung der
Drehzahlbeschleunigung eines jeden Verbrennungsvor
gangs. Die gewonnenen Meßwerte werden miteinander
verglichen und Abweichungen festgestellt. Aufgrund
derartiger Abweichungen werden die Kraftstoff-Ein
spritzmengen der einzelnen Zylinder so verändert,
daß schließlich Abweichungen vermieden und damit
auf diesem Phänomen beruhende Drehungleichförmig
keiten der Brennkraftmaschine eliminiert werden.
Bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens,
bei welchem gleitend über alle Zylinder der Mittel
wert der gemessenen Drehbeschleunigungswerte ermit
telt wird. Auf diese Weise kann auch bei instatio
nären Motorbetriebszuständen ein Abgleich der
Kraftstoff-Einspritzmengen herbeigeführt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens wird bei einer Abweichung eines gemesse
nen Drehzahlbeschleunigungswerts vom Mittelwert der
Drehzahlbeschleunigung dem zugehörigen Zylinder bei
einem der nächsten Einspritzvorgänge eine zusätzli
che Einspritzmenge zugeführt. Dabei wird vorzugs
weise die Korrektur bereits im nächsten Einspritz
vorgang vorgenommen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des
Verfahrens wird der Mittelwert aus der Summe der
einzelnen zusätzlichen Einspritzmengen gebildet und
von allen zusätzlichen Einspritzmengen abgezogen.
Auch bei plötzlichen Änderungen der mittleren Dreh
beschleunigung wird durch diese Kompensierung ver
mieden, daß der Mittelwert der Ausgleichsmengen von
Null verschieden wird und damit eine Abweichung von
der mittleren Einspritzmenge dem vorgegebenen Soll
wert der Einspritzmengen eintritt. Ein "Driften"
der Ausgleichsmengen wird auf diese Weise vermie
den.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den übrigen Un
teransprüchen.
Zeichnung
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich
nung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Eine stark schematisierte Funktionsskizze
einer Brennkraftmaschine mit einer Steue
rung,
Fig. 2 den qualitativen Verlauf von Drehzahl und
Drehbeschleunigung bei einer Brennkraft
maschine mit vier Zylindern und
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Ermittlung der Dreh
beschleunigungswerte und zur Durchführung
der Zylindergleichstellung bei einer
Brennkraftmaschine.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 gibt eine stark schematisierte Funktions
skizze einer Brennkraftmaschine mit einer Steue
rung wieder. Die Brennkraftmaschine 1 weist im vor
liegenden Fall beispielhaft vier Zylinder 3 auf.
Die Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder wird
über geeignete Steuerleitungen 5 geregelt, die mit
einem Steuergerät 7 verbunden sind. Dieses wertet
Signale eines Sensors 9 aus, dessen Signale über
eine Zuführleitung 11 an das Steuergerät weiter
geleitet werden. Der Sensor 9 tastet ein Segmentrad
13 ab, welches synchron mit der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine 1 umläuft.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 ergeben sich
bei der Abtastung des umlaufenden Segmentrads 13
für die 4-Zylinder-Brennkraftmaschine vier Seg
mente, wobei davon ausgegangen werden kann, daß das
Segment S1 durch die Zeitpunkte T1 und T2 begrenzt
wird und das Segment S2 durch die Zeitpunkte T2 und
T3, usw.
Im folgenden soll zunächst noch einmal allgemein
auf die Entstehung der Drehungleichförmigkeiten
eingegangen werden.
Aufgrund von Abweichungen der in die Zylinder 3 der
in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ein
gespritzten Kraftstoffmengen entstehen bei der Ver
brennung unterschiedliche Zylinderdruckwerte. Damit
weichen auch die auf der Verbrennung beruhenden be
schleunigenden Drehmomente voneinander ab. Der Zu
sammenhang zwischen Motordrehmoment M und Drehzahl
n wird durch die folgende Gleichung gegeben:
In dieser Gleichung wird mit MB das beschleunigende
Moment, mit ML das Lastmoment und mit Rges das Mas
senträgheitsmoment bezogen auf die Kurbelwelle be
zeichnet.
Unter Vernachlässigung von Wirkungsgradeinflüssen
sowie des Einflusses des Kurbelwellenwinkels ist
das beschleunigende Drehmoment MB proportional zur
eingespritzten Kraftstoffmasse, so daß sich die
folgende Gleichung ergibt:
MB = c ·
In dieser Gleichung wird mit die mittlere pro
Arbeitstakt geförderte Kraftstoffmenge bezeichnet
und mit c eine Konstante. Bei stationären Motorbe
triebspunkten stimmt das beschleunigende Moment MB
mit dem Lastmoment ML überein, so daß sich für die
mittlere pro Arbeitstakt geförderte Kraftstoffmenge
die folgende Gleichung ergibt:
Weicht die geförderte Kraftstoffmenge eines Zylin
ders m um den Betrag ΔQE,m von der mittleren
Kraftstoffmenge ab, so ergeben sich für die einzel
nen Fördermengen die folgenden Gleichungen, wobei
mit z die Anzahl der Zylinder der Brennkraftma
schine gekennzeichnet ist:
Aus den genannten Gleichungen ergeben sich die fol
genden Formeln für die wirksamen beschleunigenden
Drehmomente MB der einzelnen Zylinder:
Aus den Gleichungen (2.2) und (2.4a/2.4b) ergibt
sich für stationäre Motorbetriebspunkte der Zusam
menhang zwischen Drehbeschleunigungen für jeden Zy
linder - gemittelt über einen Arbeitstakt - und den
Einspritzmengen mit:
Für eine Zylinder m ergibt sich daraus die folgende
Gleichung:
Aus diesen Gleichungen ergibt sich für eine Brenn
kraftmaschine mit beispielsweise vier Zylindern,
der in Fig. 2 dargestellte qualitative Verlauf von
Drehzahl n und Drehbeschleunigung , wobei die
skizzierten Werte jeweils über einen Zylinder ge
mittelt wurden.
Bei konstanter mittlerer Drehzahl, also im "statio
nären" Fall, berechnet sich die mittlere Drehbe
schleunigung über z Arbeitstakte aus den folgenden
Gleichungen:
Im "instationären" Fall, also für den Fall, daß der
Mittelwert des beschleunigenden Moments kleiner
oder größer als das Lastmoment ML ist, ergibt sich
der Mittelwert der Einzelbeschleunigungen pro Ar
beitstakt aus folgenden Gleichungen:
Durch Umrechnung dieser Gleichung ergibt sich
zunächst die folgende Formel:
Die Formel läßt sich folgendermaßen weiter verein
fachen:
Schließlich ergibt sich die folgende Gleichung:
Aus den beiden Gleichungssystemen (2.6) und (2.7)
ist ersichtlich, daß mit Hilfe des erfindungsge
mäßen Verfahrens die Erkennung der von Zylinder zu
Zylinder schwankenden Einspritzmengen, also die sy
stematischen Streuungen der Einspritzmengen, auch
für instationäre Betriebspunkte möglich ist. Dazu
ist von dem "Momentanwert" der Drehbeschleunigung,
also von der über einen Arbeitstakt gemittelten
Drehbeschleunigung gemäß Gleichung (2.5), die
"mittlere Drehbeschleunigung", das heißt, die über
z Arbeitstakte gemittelte Drehbeschleunigung gemäß
Gleichung (2.6) zu subtrahieren. Geht man davon
aus, daß Schwankungen der Umdrehung der Brennkraft
maschinen nur darauf beruhen, daß den einzelnen Zy
lindern abweichende Einspritzmengen zugeführt wer
den, so lassen sich die Abweichungen der Einspritz
mengen näherungsweise aus folgender Gleichung be
rechnen:
In dieser Gleichung wird n durch folgende Formel
bestimmt:
Mit Hilfe der hier dargelegten Zusammenhänge soll
nun anhand von Fig. 3 genauer auf das Verfahren
der Zylindergleichstellung eingegangen werden.
Zunächst wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine
dadurch erfaßt, daß für jeden Arbeitstakt der
Brennkraftmaschine wenigstens ein elektrischer Im
puls erzeugt wird. Dazu kann beispielsweise ein Im
pulsrad verwendet werden, dessen Ausgangssignal in
einem Drehzahlsensor ausgewertet wird.
Für die folgenden Betrachtungen wird davon ausge
gangen, daß die Brennkraftmaschine nach dem Vier
takt-Verfahren arbeitet und daß die Zündabstände
konstant sind. Außerdem wird vorausgesetzt, daß für
jeden Arbeitstakt genau ein Drehzahlimpuls erzeugt
wird, dessen Lage bezüglich des oberen Totpunkts
O.T. eines Zylinders unverändert ist.
Die Erzeugung und Erfassung des Drehzahlimpulses
für den Zylinder (i+1) ist in Schritt 1 des Fluß
diagramms gemäß Fig. 3 angedeutet.
In dem Schritt 2 des Flußdiagramms gemäß Fig. 3
wird die Durchlaufzeit Δti zwischen zwei Dreh
zahlimpulsen, die den Zylindern (i+1) und (i) zu
geordnet sind, ermittelt.
Ausgehend von der Zeit Δti, die zwischen zwei auf
einanderfolgenden Impulsen verstreicht, ergibt sich
die Momentandrehzahl ni aus der folgenden Glei
chung:
Aus dieser Gleichung kann mit der folgenden Formel,
die zwischen zwei Arbeitstakten entstehende mitt
lere Drehbeschleunigung ni aus folgender Gleichung
berechnen:
Soll beispielsweise die Ableitung der Drehzahl also
die Drehbeschleunigung im Segment S2 berechnet wer
den, so wird nach Gleichung (3.1b) die Differenz
zwischen der Drehzahl n1 im Segment S1 und der
Drehzahl n2 im Segment S2 durch die Breite Δt2 des
Segments S2 dividiert. Diese Art der Berechnung ist
deshalb erforderlich, weil die Drehzahl nur über
ein Segment und nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt
gemessen werden kann.
In dem Schritt 3 des Flußdiagramms in Fig. 3 wer
den die Berechnungen gemäß den Gleichungen (3.1a)
und (3.1b) angedeutet. Schließlich wird noch in dem
dritten Schritt der Mittelwert der Drehbeschleuni
gung ermittelt, wie dies in Gleichung (2.8b) wie
dergegeben ist.
Für die Ausschaltung von Drehungleichförmigkeiten
aufgrund unterschiedlicher Kraftstoff-Einspritzmen
gen ist festzuhalten, daß die unterschiedlichen
Kraftstoffmengen darauf beruhen können, daß bei
konstanter Förderdauer unterschiedliche Förderraten
vorliegen oder bei konstanten Förderraten unter
schiedliche Förderdauern gegeben sind. Auch kann
eine Kombination dieser Gegebenheiten vorliegen.
Für die weiteren Betrachtungen wird, zur Vereinfa
chung, davon ausgegangen, daß ein konstanter Wir
kungsgrad gegeben ist und daß der Einfluß des Kur
belwinkels vernachlässigbar ist. Unter diesen Vor
aussetzungen kann man unterstellen, daß die Drehbe
schleunigung direkt proportional zur eingespritzten
Kraftstoffmenge ist.
Damit ergibt sich folgender Zusammenhang für die
eingespritzten Kraftstoffmengen: Bei Abweichungen
der durch einen Zylinder verursachten Drehbeschleu
nigung von der mittleren Drehbeschleunigung wird
diesem Zylinder bei der nächsten Einspritzung zum
Ausgleich eine zusätzliche Einspritzmenge
ΔQe,i zugeführt, die dieser Abweichung proportio
nal ist. Die zusätzliche Einspritzmenge berechnet
sich nach folgender Gleichung:
In dieser Gleichung wird also mit ΔQe,i die dem
Zylinder i zusätzlich zuzuführende Kraftstoffmenge
bezeichnet, mit die mittlere Drehbeschleunigung
über zwei Kurbelwellenumdrehungen, mit die durch
den Zylinder i verursachte Drehbeschleunigung und
mit COpt eine Konstante. Die einzelnen zusätzlich
zuzuführenden Kraftstoffmengen werden während der
Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens kon
tinuierlich addiert, wobei die entstehende Summe
mit ΔQzu,i bezeichnet wird und sich aus der fol
genden Gleichung ergibt:
Vergleicht man die Gleichung (4.1) mit der Glei
chung (2.8a), so ergibt sich, daß die Konstante
COpt abhängig vom Massenträgheitsmoment des Motors
zu wählen ist.
Der Vergleich der Gleichungen (4.1) und (4.2) mit
Gleichung (2.5c) zeigt, daß die Berechnung der Aus
gleichsmengen ein PT1-Verhalten aufweist. Aus den
Gleichungen (4.1), (2.5c) und (2.2) läßt sich her
leiten, daß im Idealfall für COpt gilt:
Diese Auslegung würde eine Drehungleichförmigkeit
mit der ersten Berechnung der zugehörigen Aus
gleichsmenge kompensieren. Voraussetzung ist aller
dings die Gültigkeit der Linearisierung des Zusam
menhangs zwischen Einspritzmenge und abgegebenem
Drehmoment.
In jedem Fall muß gelten:
Diese Bedingung markiert die Stabilitätsgrenze.
Wird diese überschritten, hat dies Ausgleichsmengen
zur Folge, die mit der nächsten Zumessung gleiche
oder größere Drehungleichförmigkeiten mit entgegen
gesetztem Vorzeichen hervorrufen.
Die der Zylindergleichstellung dienende Bestimmung
der zusätzlichen Einspritzmenge ΔQE,i ist in
Schritt 4 des Flußdiagramms gemäß Fig. 3 darge
stellt, wo in der ersten Zeile die Gleichung (4.1)
wiedergegeben ist. Die Aufsummierung der Aus
gleichsmengen ergibt sich aus dem zweiten Teil
schritt des vierten Verfahrensschrittes des Fluß
diagramms gemäß Fig. 2. Schließlich wird in einem
dritten Teil schritt eine Mittelwertbildung durchge
führt.
Alle aufsummierten Ausgleichsmengen ΔQzu,i werden
bezüglich dieses Mittelwertes kompensiert (verglei
che Schritt 5 des Flußdiagramms in Fig. 3):
Durch Einhalten dieser "Koppelbedingung" wird ein
"Driften" der Ausgleichsmengen vermieden, und es
wird sichergestellt, daß die tatsächliche mittlere
Einspritzmenge über alle Zylinder gleich dem gefor
derten Mengensollwert ist.
Alternativ zu der mit den Gleichungen (4.3a) und
(4, 3b) eingeführten Koppelbedingung ist es ebenso
möglich die der Gleichung (4, 3b) entsprechenden
Ausgleichsmengen ΔQzu mit jeder Bestimmung eines
ΔQE,i nach Gleichung (4,1) folgendermaßen zu be
rechnen:
für j = 1 . . . Z
und j ≠ i
Die nach den hier vorgegebenen Schritten bestimmte
zusätzliche Einspritzmenge für einen speziellen Zy
linder i addiert sich zu der mittleren Einspritz
menge, die durch einen Sollwert QE,Soll vorgegeben
wird, wobei dieser Sollwert beispielsweise über das
Fahrpedal bestimmt wird. Damit kann der individu
elle Sollwert der Einspritzmenge Qsoll,i des Zylin
ders i aus folgender Gleichung berechnet werden:
QSoll,i = QE,Soll + ΔQzu,i (4.5)
Außer diesen beiden genannten Verfahren besteht
noch die Möglichkeit, die Kompensierung bezüglich
des Mittelwertes der Ausgleichsmengen auf folgende
Weise einzuhalten: Zunächst wird einer der Zylinder
der Brennkraftmaschine festgelegt und mit k be
zeichnet. Dann wird dessen Ausgleichsmenge nach
folgender Gleichung berechnet:
Für alle Zylinder i≠K erfolgt die Berechnung der
ΔQzu,i entsprechend den Gleichungen (4.1) und
(4.2).
Aus dem oben Gesagten, insbesondere aus dem Funkti
onsdiagramm gemäß Fig. 3 ist ersichtlich, daß vor
zugsweise die Berechnung der zusätzlichen Ein
spritzmenge abgeschlossen sein sollte, bevor die
nächste Kraftstoffzumessung erfolgt. Die Ursache
dafür ist, daß in jedem Falle bei der Berücksichti
gung der Koppelbedingung gemäß Gleichung (4.4) Ein
fluß auf eine Ausgleichsmenge genommen wird, die
mit der unmittelbar folgenden Kraftstoffzumessung
für einen Zylinder berücksichtigt werden muß.
Dies ergibt sich daraus, daß nach Auftreten eines
Drehzahlimpulses für den Zylinder i folgende Ver
fahrensschritte ablaufen müssen: Zunächst muß die
Berechnung gemäß Gleichungen (4.2) und (4.3) bezie
hungsweise (4.4) des Wertes ΔQzu,i durchgeführt
werden. Anschließend kann die Kraftstoffzumessung
für den Zylinder (i+1) erfolgen. Danach wird die
Kraftstofförderung aktiviert. Dann kann die Ver
brennung im Zylinder (i+1) beginnen.
Wird die zur Kraftstoffzumessung erforderliche Zeit
nicht berücksichtigt, können die tatsächlich geför
derten Ausgleichsmengen ΔQzu,i trotz der Koppelbe
dingung gemäß Figur (4.4) einen von Null verschie
denen Mittelwert aufweisen.
In sofern weist auch das Verfahren zur Einhaltung
der Koppelbedingung, bei dem ein einziger Zylinder
k dazu herangezogen wird, die Summe der Ausgleichs
mengen zu Null zu machen, den Nachteil auf, daß die
Koppelbedingung lediglich alle zwei Kurbelwellenum
drehungen eingehalten wird. Dadurch erhöhen sich
die Einschwingzeiten eines derartig durchgeführten
Verfahrens geringfügig gegenüber den beiden anderen
Verfahren zum Einhalten der Koppelbedingung.
Zu beachten ist noch, daß bei dem Verfahren zur
Kompensierung bezüglich des Mittelwertes aller Aus
gleichsmengen, welches an zweiter Stelle genannt
wurde, bei ganzzahliger Arithmetik durch die Be
rechnung des Wertes ΔQE,i/(z-1) Rundungsfehler
auftreten können, aufgrund derer letztlich der Mit
telwert ungleich Null wird.
Aufgrund dieser Überlegungen ist das in Fig. 3
dargestellte Verfahren in Schritt 5 vorzugsweise
anzuwenden: Nach jeder Neuberechnung einer Aus
gleichsmenge ΔQzu,i kann der Mittelwert aller Aus
gleichsmengen sämtlicher Zylinder berechnet und von
allen Ausgleichsmengen abgezogen werden.
Betrachtet man die zahlreichen aufeinanderfolgenden
Verfahrensschritte, die nach dem Auftreten des
Drehzahlimpulses für den Zylinder i durchgeführt
werden müssen, so kann, insbesondere bei Be
rücksichtigung der Massenträgheit von mit diesem
Verfahren angesteuerten Stellgliedern, ein zu
großer Abstand zwischen dem Drehzahlimpuls und dem
oberen Totpunkt erforderlich sein. In diesem Fall
kann es passieren, daß der Ausgleich der einge
spritzten Kraftstoffmenge für einen Zylinder nicht
mehr in der unmittelbar nachfolgenden Zumessung er
folgen kann. Dies wird in Schritt 6 des Flußdia
gramms gemäß Fig. 3 dadurch angedeutet, daß mögli
cherweise die Zumessung nicht schon bei dem Zylin
der (i+1) sondern erst bei dem Zylinder (i+2)
durchgeführt werden kann.
Durch das hier beschriebene Verfahren zur adaptiven
Zylindergleichstellung kann der Aufwand zur Ein
stellung und zum Abgleich einer Einspritzanlage we
sentlich reduziert werden. Dabei ist das beschrie
bene Verfahren über den gesamten Motorbetriebsbe
reich, also auch in instationären Motorbetriebszu
ständen anwendbar.
Schließlich ist es auch möglich, bei der Aufsummie
rung beziehungsweise Integration der Einzelwerte
auftretende Extremwerte gesondert zu erfassen, um
Fehler des Gesamtsystems festzuhalten. Es zeigt
sich also, daß dieses Verfahren letztlich auch zur
Diagnose einer Brennkraftmaschine herangezogen wer
den kann.