EP1527267B1

EP1527267B1 - Verfahren zur verbessern des rundlaufs einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP1527267B1
Application number: EP03787596A
Authority: EP
Inventors: Klaus Joos; Thomas Frenz; Markus Amler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: DE50309265D1; EP1527267A1; WO2004016931A1; JP4327721B2; DE10233778A1; JP2005533969A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbesserung des Rundlaufs von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Brennkraftmaschinen mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung, beschrieben, bei welchem in Verbesserung des Rundlaufs im Wesentlichen durch eine Variation des Hubs der Einspritzventile erfolgt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Momentenunterschieden der Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem der Brennkraftmaschine für jeden Zylinder ein Einspritzventil mit variablem Hub aufweist.
Aufgrund der unvermeidbaren Herstellungstoleranzen von Komponenten der Kraftstoffeinspritzanlage und der Brennkraftmaschine geben die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine trotz gleicher Ansteuerung der Einspritzventile eine unterschiedliche Leistung, bzw. ein unterschiedliches Moment ab. Dies äußert sich in einem unrunden Lauf der Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastbereich und im Leerlauf.
Aus der DE 33 36 028 A1 ist eine Einrichtung zur Beeinflussung von Steuergrößen einer Brennkraftmaschine bekannt, mit deren Hilfe die von den einzelnen Zylindern abgegebenen Leistungen einzeln geregelt und aneinander angenähert werden. Dadurch ergibt sich der gewünschte runde Lauf der Brennkraftmaschine. Die Leistungsregelung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt dabei durch die Variation der Einspritzdauer.
Aus der DE 196 42 653 C1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Laufruhe einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem einmal erkannte Ungleichförmigkeiten in der Momentenabgabe einzelner Zylinder durch Änderungen im Kennfeld der Brennkraftmaschine korrigiert werden. Dadurch ist dieses Verfahren relativ statisch und kann kurzzeitige Änderungen der Laufruhe nicht angemessen berücksichtigen.
Bei modernen Motorenkonzepten, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung, ist eine Variation der Einspritzdauer nicht ohne weiteres möglich, da die Einspritzdauer Einfluss auf die Gemischbildung hat. Infolgedessen kann durch eine Änderung der Einspritzdauer die Gemischbildung negativ beeinflusst werden und die Zündung des im Brennraum gebildeten Gemischs nicht zum richtigen Zeitpunkt erfolgen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Momentenunterschieden der Zylinder einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, erlaubt zunächst eine Verbesserung des Rundlaufs der Brennkraftmaschine, ohne die Einspritzdauer zu verändern. Da die Einspritzdauer unverändert bleibt, ändert sich auch die Gemischbildung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine nicht, so dass keine Verschlechterung bei der Gemischbildung und der Zündung des Gemisches eintritt.
Durch die Beschränkung des Zylindergleichstellungsfaktors auf einen Maximalwert und einen Minimalwert, werden die Änderungen des Ventilhubs der Einspritzventile auf einen Bereich, innerhalb dessen der Ventilhub mit ausreichender Präzision steuerbar ist, begrenzt.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein guter Rundlauf der Brennkraftmaschine auch dann erreicht werden kann, wenn die Toleranzen der Brennkraftmaschine oder der Einspritzventile relativ groß sind. Dabei wird zunächst der Rundlauf durch eine Änderung des Hubs der Einspritzventile verbessert. Wenn diese Möglichkeit ausgeschöpft wurde, wird der kleine verbleibende Korrekturbereich, der außerhalb des Maximalwerts und des Minimalwerts des Zylindergleichstellungsfaktors liegt, durch eine Änderung der Einspritzdauer abgedeckt. Diese Änderung der Einspritzdauer ist relativ gering und wirkt sich nicht nachteilig auf die Gemischbildung und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine aus.
Da in der Serienfertigung bereits heute Einspritzventile mit variablem Hub eingesetzt werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzliche Kosten, wenn man von den Kosten für die Programmierung des Steuergeräts absieht, inplementiert werden.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn als Einspritzventile elektrisch gesteuerte Einspritzventile, insbesondere Piezoventile mit nach außen öffnenden Einspritzdüsen, eingesetzt werden, da bei diesen die Einspritzmenge je Zeiteinheit durch eine Korrektur des Hubs des Einspritzventils in Abhängigkeit eines Zylindergleichstellungsfaktors erfolgen kann. Die Korrektur des Hubs kann durch eine Korrektur der Ansteuerspannung oder der Ladung mit der der Piezo-Aktor beaufschlagt wird erfolgen. Nachfolgend wird im Zusammenhang mit der Erfindung immer nur von einer Korrektur der Ansteuerspannung gesprochen. Damit ist immer auch eine Korrektur der Ladung gemeint.
Die Umrechnung des Korrekturfaktors in eine Ansteuerspannung, bzw. eine Ladung kann auch indirekt erfolgen, indem z. B. ein Soll-Durchflußwert oder ein Soll-Nadelhub oder ein Soll-Aktorhub korrigiert wird und dieser Soll-Wert dann in ein Ansteuerspannung, bzw. eine Ladung umgerechnet wird.
Besonders einfach ist die Korrektur der Ansteuerspannung, wenn die Ansteuerspannung durch Multiplikation mit dem Zylindergleichstellungsfaktor korrigiert wird. Auch bei diesen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden keine Änderungen an der Einspritzanlage erforderlich, mit Ausnahme einer Umprogrammierung des Steuergeräts.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erforderliche Einspritzmenge des Zylinders mit dem Korrekturfaktor multipliziert wird und anschließend in eine zylinderindividuelle Einspritzzeit umgerechnet wird.
Die angestrebte Verbesserung der Laufruhe der Brennkraftmaschine kann auch durch ein Computerprogramm oder ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, welche nach einem der vorher beschriebenen Verfahren arbeiten, erreicht werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1:: ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 2:: ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 3:: ein Blockschaltbild der Aufteilung des Zylindergleichstellungsfaktors in eine Änderung der Ladung, bzw. Spannung und eine Änderung der Einspritzdauer;
Fig. 4:: ein Blockschaltbild der Änderung der Einspritzdauer des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 5:: ein Beispiel eines mit einer mittels Piezoaktor betätigten Hochdruckeinspritzventils mit variablem Hub.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, anhand dessen nachfolgend ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird.
Abhängig von den Lastanforderungen an die nicht dargestellte Brennkraftmaschine wird ein elektrisch betätigtes Einspritzventil (nicht dargestellt) mit einer Ansteuerspannung U_{Ansteuer, i}, bzw. einer Ladung Q_i angesteuert. Der Index 'i' steht dabei für die Nummer eines Zylinders. Es gilt i = 1 bis n, wenn 'n' die Zahl der Zylinder der Brennkraftmaschine ist Damit soll zum Ausdruck gebracht werden, dass die Ansteuerspannung U_Ansteuer, bzw. die Ladung Q_i in Abhängigkeit von weiteren Parametern, auf die im Zusammenhang mit der Erfindung nicht weiter angegangen werden soll, für jeden Zylinder Z_i individuell festgelegt werden kann.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine werden von den Zylindern der Brennkraftmaschine abgegebenen Teilmomente M_i, die sich zu der Gesamtleistungsabgabe der Brennkraftmaschine addieren, erfasst. Dabei muss die Erfassung der Teilmomente M_i nicht notwendigerweise eine direkte Messung beinhalten, sondern es kann beispielsweise auch die Beobachtung und Messung der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und einer Korrelation dieser Drehgeschwindigkeit mit den Zündzeitpunkten der Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgen. Wenn sich die Teilmomente M_i der Zylinder Z_i innerhalb eines Arbeitshubs der Brennkraftmaschine voneinander unterscheiden, wird anschließend Zylindergleichstellungsfaktor für jeden Zylinder gebildet, so dass unter Berücksichtigung des Zylindergleichstellungsfaktors die Laufruhe der Brennkraftmaschine verbessert wird.
In Fig. 1 ist der Zylindergleichstellungsfaktor mit F_{ZGST, i} bezeichnet. Auch dieser Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} wird in der Regel für jeden Zylinder Z_i unterschiedlich sein.
Um zu einer korrigierten Ansteuerspannung U_{Ansteuer, i}, bzw. einer Ladung Q_i des nicht dargestellten Einspritzventils des Zylinders Zi und infolgedessen zu einem korrigierten Hub des Einspritzventils zu gelangen, wird die Ansteuerspannung U_{Ansteuer, i}, bzw. die Ladung Q_i mit dem Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} multipliziert. Das Produkt aus Ansteuerspannung U_{Ansteuer, i} und Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} ist die korrigierte Ansteuerspannung, bzw. die korrigierte Ladung.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 besteht darin, dass der Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} durch einen Maximalwert F_{ZGST, Max} und einen Minimalwert F_{ZGST, Min} in einem Begrenzer 1 begrenzt wird.
Der Begrenzer 1 hat die in der Fig. 2 dargestellte Kennlinie, d.h. wenn der Zylindergleichstellungsfaktor kleiner als der Minimalwert F_ZGST,Min, wird der Zylindergleichstellungsfaktor F_ZGST, _i gleich dem Minimalwert F_{ZGST, Min} gesetzt und wenn der Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} größer als der Maximalwert F_{ZGST, Max} ist, wird der Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} gleich dem Maximalwert F_{ZGST, Max} ersetzt. Andernfalls bleibt der Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST i} unverändert. Mit dem durch den Begrenzer 1 gegebenenfalls veränderten Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST i} wird, in gleicher Weise wie anhand der Fig. 1 erläutert, die Ansteuerspannung U_{Ansteuer, i}, bzw. die Ladung Q_i des Einspritzventils (nicht dargestellt) in eine korrigierte Ansteuerspannung, bzw. eine korrigierte Ladung (nicht dargestellt) umgewandelt.
In Fig. 3 wird das Verfahren beschrieben, welches angewandt wird, wenn der Zylindergleichstellungsfaktor F_ZGST, _i größer dem Maximalwert F_{ZGST, Max} oder kleiner dem Minimalwert F_{ZGST, Min} ist. Der Grundgedanke bei dieser Ergänzung des Verfahrens ist, dass der durch den Hub des Einspritzventils nicht kompensierbare Unterschied der Leistung der Zylinder Z_i durch eine Änderung der zylinderindividuellen Einspritzdauer F_{T_einspritz, i} erfolgt.
Dazu wird geprüft, ob der Zylindergleichstellungsfaktor F_ZGST, größer als der Maximalwert F_ZGST, _Max ist. Wenn diese Prüfung negativ ist, wird ein Korrekturfaktor F_{T_einspritz, i} für die Dauer der Einspritzung gleich 1,0 gesetzt. Wenn die Prüfung positiv ausfällt, wird der Korrekturfaktor F_{T_einspritz, i}, durch die Bildung eines Quotienten aus dem Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} und dem Maximalwert F_{ZGST, Max} gebildet.
Durch diese Maßnahme wird der Teil des Zylindergleichstellungsfaktors, der nicht durch eine Änderung des Hubs des Einspritzventils berücksichtigt werden kann, durch eine Erhöhung der Einspritzdauer genommen. Der Korrekturfaktor F_{T_einspritz, i} ist in dem zuletzt beschriebenen Fall größer 1,0.
Parallel dazu wird geprüft, ob der Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} kleiner als der Minimalwert F_{ZGST, Min} ist. Wenn diese Prüfung negativ ausfällt, wird der Korrekturfaktor F_{T_einspritz, i} gleich 1,0 gesetzt. Wenn diese Prüfung positiv ausfällt, wird der Korrekturfaktor F_{T_einspritz, i} aus dem Quotient aus Zylindergleichstellungsfaktor F_{ZGST, i} und dem Minimalwert F_ZGST, _Min gebildet. In dem zuletzt beschriebenen Fall hat der Korrekturwert F_{T_einsprit, i} jetzt einen Wert kleiner 1,0.
In Fig. 4 wird dargestellt, wie die Einspritzzeit in Abhängigkeit des Korrekturfaktors F_{T_einspritz, i} korrigiert wird.
Dabei wird davon ausgegangen, dass aufgrund der Lastanforderungen an die Brennkraftmaschine und anderer Betriebsparameter eine bestimmte geforderte Kraftstoffmenge vom Steuergerät der Brennkraftmaschine berechnet wird. Diese geforderte Kraftstoffmenge wird mit dem Korrekturfaktor F_{T_einspritz, i} multipliziert, und anschließend wird aus dieser multiplizierten geforderten Kraftstoffmenge eine Einspritzzeit für den betroffenen Zylinder Z_i berechnet. Somit kann auch bei Zylindern, deren Betriebsverhalten durch Herstellungstoleranzen große Unterschiede aufweist, ein sehr ruhiger Lauf erzielt werden, indem nämlich ein Teil der Unterschiede durch eine zylinderindividuelle Variation des Ventilhubs der Einspritzventile und der verbleibende Teil durch eine zylinderindividuelle Variation der Einspritzdauer der Einspritzventile kompensiert wird.
In Fig. 5 wird ein Einspritzventil 3 schematisch dargestellt, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Typ von Einspritzventilen 3 beschränkt. Das Einspritzventil 3 besteht aus einem Düsenkörper 5 in dem eine Düsennadel 7 geführt ist. An einem in den Brennraum einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine ragenden Ende 9 des Einspritzventils 3 ist ein Dichtsitz (nicht dargestellt) im Düsenkörper 5 ausgebildet, der so mit der Düsennadel 7 zusammenwirkt, dass wenn die Düsennadel 7 geöffnet wird, d.h. in der dargestellten Position des Einspritzventils 3 nach links bewegt wird, die Düsennadel 7 vom nicht dargestellten Dichtsitz abhebt. Durch eine Spiralfeder 11, welche sich einenends am Düsenkörper 5 und anderenends an der Düsennadel 7 abstützt, wird die Düsennadel 7 in ihren Dichtsitz (nicht dargestellt) bewegt, wenn das Einspritzventil 3 stromlos geschaltet ist.
Betätigt wird die Düsennadel 7 und damit das Einspritzventil 3 durch einen Piezoaktor 13. Zwischen dem Piezoaktor 13 und der Düsennadel 7 ist ein Zwischenkolben 15 angeordnet, der ebenso wie die Düsennadel 7 im Düsenkörper 5 geführt wird. Der durch den gestrichelten Kreis 5 angedeutete Bereich 17 des Düsenkörpers 5 in dem sowohl die Düsennadel 7 als auch der Zwischenkolben 15 geführt werden, dient gleichzeitig auch als hydraulischer Koppler zwischen Kolben 15 und Düsennadel 7. Der Zwischenraum zwischen dem Kolben 15 und der Düsennadel 7 ist mit Kraftstoff gefüllt und überträgt die schnellen Steuerbewegungen, welche vom Piezoaktor 13 auf den Zwischenkolben 15 übertragen werden, direkt auf die Düsennadel 7.
Wenn sich der Abstand zwischen Düsennadel 7 und Zwischenkolben 15 langsam ändert, tritt eine gewisse Leckage von Kraftstoff zwischen Düsennadel 7 und Zwischenkolben 15 einerseits und Düsenkörper 5 in dem Bereich 17 auf, so dass die Änderungen des Abstands zwischen Düsennadel 7 und Zwischenkolben 15 kompensiert werden. Ursache für Längenänderungen des Einspritzventils 3 und in Folge dessen auch des Abstands zwischen Düsennadel 7 und Zwischenkolben 15 können Temperaturänderungen des Einspritzventils 3 sein.
Eine zweite Spiralfeder 19 presst den Kolben 15 an den Piezoaktor 13, so dass diese beiden Bauelemente stets spielfrei miteinander verbunden sind.
Über eine Kraftstoffzufuhr 21 wird das Einspritzventil 3 mit Kraftstoff versorgt.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Momentenunterschieden der Zylinder (Z_i, mit i = 1 bis m) einer Brennkraftmaschine, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem der Brennkraftmaschine für jeden Zylinder (Z_i) ein Einspritzventil (3) mit variablem Hub aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Erfassen der von den Zylindern (Z_i) der Brennkraftmaschine abgegebenen Teilmomente (M_i),

- Bilden eines Zylindergleichstellungsfaktors (F_ZGST,i) für jeden Zylinder (Z_i), wobei der Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) nach oben auf einen Maximalwert (F_ZGST,Max) und nach unten auf einen Minimalwert (F_ZGST,Min) beschränkt wird,

- Korrigieren des Hubs des dem Zylinder (Z_i) zugeordneten Einspritzventils (3) in Abhängigkeit des Zylindergleichstellungsfaktors (F_ZGST,i) und
Bestimmen eines Korrekturfaktors (F_{T_einspritz,i}) für die Einspritzdauer,
wobei der Korrekturfaktor (F_{T_einspritz,i}) gleich 1,0 ist, wenn der Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) kleiner als der Maximalwert (F_ZGST,Max) und größer als der Minimalwert (F_ZGST,Min) ist,
wobei der Korrekturfaktor (F_{T_einspritz, i}) gleich dem Quotient aus Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) und Maximalwert (F_ZGST,Max) ist, wenn der Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) größer als der Maximalwert (F_ZGST,Max) ist und
wobei der Korrekturfaktor (F_{T_einspritz,i}) gleich dem Quotient aus Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) und Minimalwert (F_ZGST,Min) ist, wenn der Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) kleiner als der Minimalwert (F_ZGST,Min) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des Einspritzventils (3) durch eine Korrektur einer Ansteuerspannung (U_{Ansteuer, i}) oder einer elektrischen Ladung des Einspritzventils (3) in Abhängigkeit des Zylindergleichstellungsfaktors (F_ZGST,i) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerspannung (U_{Ansteuer, i}) oder die elektrische Ladung durch Multiplikation mit dem Zylindergleichstellungsfaktor (F_ZGST,i) korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geforderte Einspritzmenge des Zylinders (Z_i) mit dem Korrekturfaktor (F_{T_einspritz,i}) multipliziert wird und anschließend in eine zylinderindividuelle Einspritzzeit (T_{Einspritz, i}) umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Verwendung in Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung, insbesondere mit strahlgeführter Benzin-Direkteinspritzung, vorgesehen ist.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der vorhergehenden Verfahren arbeitet.
Computerprogramm nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einen Speichermedium abspeicherbar ist.
Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 arbeitet.