EP3026245A1 - Verfahren zur steuerung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP3026245A1
EP3026245A1 EP15003113.6A EP15003113A EP3026245A1 EP 3026245 A1 EP3026245 A1 EP 3026245A1 EP 15003113 A EP15003113 A EP 15003113A EP 3026245 A1 EP3026245 A1 EP 3026245A1
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EP
European Patent Office
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cylinder
crankshaft
angular deviation
cylinders
internal combustion
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EP15003113.6A
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English (en)
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EP3026245B1 (de
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Moritz Froehlich
Herbert Kopecek
Herbert Schaumberger
Nikolaus Spyra
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Publication date
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Publication of EP3026245B1 publication Critical patent/EP3026245B1/de
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    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/28—Control for reducing torsional vibrations, e.g. at acceleration

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1 and to an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 11.
  • crank angle-dependent signals such. B. timing for the ignition
  • the fuel injection o. ⁇ . are occupied with an error that affects the performance and / or efficiency of the engine.
  • compensation or to take into account the caused by the torsion of the crankshaft deviations from the desired timing For example, from the DE 19 722 316 a method for controlling an internal combustion engine, wherein starting from a signal which characterizes a preferred position of a shaft (top dead center of the cylinder), control variables are predetermined, wherein cylinder-specific corrections of this signal are provided. These corrections are stored in a map of correction values.
  • the control variables may be the injection of fuel, in particular the injection time. Due to torsional vibrations of the crankshaft and / or the camshaft, there is a deviation between the position of the reference pulse R and the actual top dead center of the crankshaft. According to this document, it is provided that correction values are determined, stored in a memory and taken into account in the calculation of the control signals. These correction values are stored in a memory depending on operating conditions for each cylinder.
  • the DE 69 410 911 describes an apparatus and method for compensating crankshaft torsional distortions.
  • the method described therein relates to the detection of misfires in Internal combustion engines and a system for compensating for systematic irregularities in the measured engine speed caused by torsional bending of the crankshaft.
  • cylinder-specific correction factors for ignition pulses which are generated offline and stored in a memory device, are used to compensate for irregularities in the synchronization of profile ignition measurement intervals. This map of correction factors is determined during the calibration of a motor type by a test motor or by a simulation.
  • the DE 112 005 002 642 describes a motor control system based on a rotational position sensor.
  • the engine control system includes two angular position sensors for a rotating engine component to determine the torsional deflection of the component.
  • the engine controller responds to torsional deflections by changing the operation of the engine. It is provided that the crankshaft each having a sensor at the front and at the rear end of the crankshaft to determine the angular positions of the front and the rear end relative to each other.
  • a disadvantage of the solutions known from the prior art is that only a local rotation with respect to individual cylinders or a global rotation of the crankshaft with respect to the crankshaft angle is determined or calculated.
  • crankshaft angle information is determined only for a single selected crankshaft angle position, usually at the top or bottom dead center. This is particularly disadvantageous because not all sensor and / or actuator events necessarily have to be correlated with top dead center.
  • this is achieved by determining a cylinder-individual value of the angular deviation for at least two of the cylinders and, depending on the determined angular deviation, correcting the crank angle-dependent actuator or sensor signals.
  • Cylinder-individual determination of the crank angle position means that for each position of the crankshaft to which a cylinder is assigned, the crank angle position is determined or determinable.
  • crank angle resolved means that the crank angle information is present not only, as described in the prior art, for a single selected crankshaft angular position, but for each crank angle of a working cycle (720 ° in a 4-stroke engine).
  • the cylinder-individual value thus indicates, for a single cylinder of the plurality of cylinders, that angular deviation in degrees which the respective cylinder has with respect to its angular position with the crankshaft unloaded, thus not affected by torsion.
  • crank angle-dependent interventions that do not take place at top dead center are, for example, the ignition, the injection, pre-injection and also the evaluation of crank angle-based parameters, such as the cylinder pressure. Therefore, it is relevant to know the real crank angle offset also for a different angular position of the crankshaft than the top dead center.
  • the cylinder-specific value of the angular deviation is measured.
  • This example concerns the case in which for at least one cylinder several cylinders, the value of the angular dimension is measured directly.
  • a measuring device is provided at the position of the crankshaft assigned to the respective cylinder, which provides a signal characteristic of the deformation of the crankshaft.
  • Near-end position means that, with reference to the longitudinal axis of the crankshaft, a measuring position lies in front of the first cylinder and a second measuring position after the last cylinder is provided.
  • first and “last” cylinder refers to the usual numbering of cylinders of an internal combustion engine.
  • the measurement at the near-end positions of the crankshaft serves to calibrate the values of the angular deviations determined by calculation.
  • the cylinder-specific value of the angular deviation is calculated.
  • the value of the angular deviation is determined by computational methods.
  • a replacement function is formed, which outputs, based on existing input values, the torsion of the crankshaft from all existing interpolation points of the propagating torsional vibration over the engine cycle.
  • a cylinder-specific weighting factor is first determined for all cylinders. This weighting factor takes into account the firing intervals of successive firing cylinders. The firing interval is the angular difference in the ignition timing of two successive firing cylinders.
  • a torsion index can be determined for each cylinder.
  • the torsion index results from multiplying the spark gap to the previous cylinder (according to the firing order) with the distance to the reference point of the shaft and the weighting factor.
  • the torsion index is scaled over the maximum amplitude of the torsion. That is, the amount of the calculated torsion index is calibrated with the amount of torsion determined by measurement for a selected position. Conveniently, the calibration is done with the maximum value of the torsion.
  • the torsion index can now be scaled by considering the engine load for different load points.
  • a weighting factor of the vertices is defined on the basis of the ratio of the firing intervals of successive firing cylinders. Based on the angular distance between two successive firing cylinders, the distance to the reference point of the shaft and the calculated weighting factor of the vertices, a torsion index is calculated for each cylinder. This measure is scaled with the measured, modeled or calculated maximum amplitude of the torsion.
  • This cylinder is assigned a factor which is proportional to the geometric distance, ie the distance of the corresponding crankshaft crankshaft of this cylinder to the output cylinder.
  • This factor is representative of the degree of rotation with respect to a reference point, such as the ring gear on which a rotation can be easily measured, because the rotation of two cylinders with respect to each other is greater with the same torsional moment, the farther the two cylinders are apart.
  • the cylinder next in the firing order is selected again and the geometric distance to the last fired cylinder is used as a factor.
  • This factor is determined in the same way for all remaining cylinders. Then the magnitude of the factor with the second measured value on the crankshaft is calibrated such that the correct value for the angular deviation results at this second measuring position by application of the multiplication factor. In other words, by multiplying the angular deviation of the first cylinder by the factor of the last cylinder, the angular deviation for the last cylinder must result. Via the relation of these two positions, accessible by measurement, the multiplication factors of all cylinders can be calibrated.
  • an amplitude value (amount of rotation) is determined for at least one cylinder with which the calculation result can be scaled.
  • the amount of twist is a measure of the elastic characteristics and stiffness of the crankshaft.
  • the amount is the larger, the farther its predecessor is removed.
  • the ignition sequence and ignition intervals are considered next.
  • the spark gaps may be at 60 ° and 30 ° crank angles, so all cylinders are split into a 720 ° crank angle cycle.
  • the firing interval is a measure of the unevenness with which torsional or torsional vibration is introduced into the crankshaft.
  • the cylinder following the reference cylinder is considered: its contribution to the rotation is determined by multiplying the value determined for the reference cylinder by the geometric longitudinal distance.
  • the cylinder-specific value of the angular deviation, ⁇ i is calculated by a model function.
  • a model function for the deformations of the crankshaft is created, from which for the cylinder i assigned position of Crankshaft, the value ⁇ i of the angular deviation can be determined.
  • the geometrical and elastic parameters of the crankshaft are included in the model function, on the other hand, the currently prevailing operating conditions, such as the power and / or the torque.
  • the model function which contains all relevant geometric and elastic parameters of the crankshaft, can now be easily calibrated using the previously determined correction function. As a boundary condition, the rotation must be zero even for zero load.
  • the cylinder-specific value ⁇ i of the angular deviation is calculated in real time based on engine output signals. This covers the case in which the calculation of the angular deviation takes place in real time, that is to say that no resort is made to a ready-made solution for the angular deviation, but the calculation takes place instantaneously, ie directly, in the current engine cycle.
  • the particular advantage of this embodiment is that quickly changing parameters, such as a fluctuating engine load, can be taken into account in the evaluation.
  • At least one motor control variable is changed as a function of at least one cylinder-specific value of the angular deviation ⁇ i .
  • the engine control variable may be, for example, the ignition timing or the injection timing of a fuel or the opening time of a fuel introduction device. For example, when determining a positive angular deviation ⁇ i for a cylinder Z i (that is, the cylinder Z with index i reaches its position earlier than intended), the ignition timing for this cylinder can be advanced.
  • At least one engine measurement signal is corrected via at least one cylinder-specific value ⁇ i of the angular deviation.
  • measurement signals from the engine for example the signals of a cylinder pressure detection, are corrected with the aid of the determined value of the angular deviation ⁇ i .
  • the measurement signals can be assigned much more accurately to the actual position of the piston of the considered piston-cylinder unit. This is particularly interesting for cylinder pressure detection, because the crank angle determines the spatial position of the piston in the cylinder. In the case of an angular deviation, therefore, the detected cylinder pressure is assigned to a wrong spatial position of the piston. Therefore, a correction is particularly advantageous for engine diagnostics in general, since sensor signals can now always be assigned to the correct crankshaft position.
  • FIG. 1 a schematically shows an internal combustion engine with 8 cylinders, wherein the output side (in this case marked by the generator G) is started to count on the left cylinder bank.
  • the output side in this case marked by the generator G
  • cylinders Z1 - Z4 are located on the left cylinder bank and cylinders Z5 - Z8 on the right cylinder bank.
  • crankshaft K with which the cylinders Z1 to Z8 are connected via connecting rods.
  • the cylinder Z1 that is to say the location of the introduction of force through the connecting rod of cylinder Z1, is very close to the output side assumed to be clamped.
  • FIG. 1b shows an internal combustion engine with eight cylinders in a series arrangement. In the in-line engine is counted from Z1 to Z8.
  • the firing order in these examples is Z1 ⁇ Z6 ⁇ Z3 ⁇ Z5 ⁇ Z4 ⁇ Z7 ⁇ Z2 ⁇ Z8.
  • FIG. 1b is the firing interval, expressed as the crank angle difference, 90 °.
  • FIG. 2 shows a diagram in which the ordinate the torsional angular deviation of the crankshaft at the position of cylinder Z8, ⁇ 8 , over a total cycle, ie 720 ° crank angle is plotted.
  • the peak of the curve ⁇ 6 at the crankshaft position 90 ° corresponds to the contribution of the angular deviation of the crankshaft caused by cylinder Z6 to the position of the cylinder Z6.
  • the next firing event this is cylinder Z3, takes place at 180 ° crankshaft angle.
  • This cylinder (more precisely, the point of engagement of the associated connecting rod on the crankshaft) is located less far from the output side than Z8 and thus can only make a smaller contribution to the rotation of the crankshaft at the position of cylinder Z8.
  • the next ignition event (cylinder Z5) takes place at 270 ° crankshaft angle and, because of the still closer position to the output, provides a significantly lower contribution to the rotation at the crankshaft position of cylinder Z8 than, for example, the cylinders Z8 and Z3.
  • cylinder Z4 fires and causes a greater twist (comparable to cylinder Z8) as it is similarly far from the output as cylinder Z8.
  • the next firing event is the ignition of cylinder Z7 at 450 ° crankshaft angle.
  • the next ignition event is cylinder Z2 at 540 ° and Z8 at 630 °.
  • the 720 ° correspond again to the beginning of the scale at 0 °, d. H. Ignition of cylinder Z1.
  • the same time interval results with respect to the propagation of a torsional vibration for all cylinders, which means that the torsional vibration has the same time for all cylinders to propagate.
  • the height of the angular deviation ⁇ i is thus given purely by the axial position of the cylinders on the crankshaft.
  • FIG. 3 shows in a diagram analogous to FIG. 2 the angular deviation ⁇ 8 for the cylinder Z8 of in FIG. 1 a shown 8-cylinder engine, but with different firing ranges.
  • the firing order was maintained with Z1 ⁇ Z6 ⁇ Z3 ⁇ Z5 ⁇ Z4 ⁇ Z7 ⁇ Z2 ⁇ Z8, but the ignition distances expressed in crank angles are 120 °, 60 °, 120 °, 60 °, 120 °, 60 °, 120 ° etc. It is therefore, as based on FIG.
  • the weighting factor takes into account how much later the next force is applied.
  • crankshaft angle resolved for each cylinder it is thus possible, without measurement and only from knowledge of the firing intervals and the firing order, and the distance of the cylinders to each other, crankshaft angle resolved for each cylinder to determine the amount of the angular deviation caused by the torsion or torsional vibration.
  • the invention thus makes use of the knowledge that a standing wave of the torsion or of the torsional oscillation prevails over a period of 720 ° crankshaft angle.
  • the weighting factor takes into account whether the firing order is harmonious (same firing interval across all cylinders), or whether the firing intervals occur at unequal intervals, expressed as crank angle.
  • the crank angle which is between two firing events, is equal to the time the vibration has to stamp out.
  • a uniform firing interval means that all firing events occur in phase, with unequal firing ranges several waves (two waves at two different firing intervals), which are in shifted phase relation to each other.
  • Motor diagnostics can be operated particularly advantageously with the method according to the invention since sensor signals can now always be assigned to the correct crankshaft position. For example, sensor signals of cylinder pressure monitoring with respect to the torsional angle deviation can be corrected. In sum, higher quality combustion control can be achieved, resulting in higher efficiency and higher power density. Particularly favorable, the method by the improved accuracy of the ignition timing and measurements in the cylinder, such. B. a cylinder pressure detection.

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Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Vielzahl von Zylindern (Z), insbesondere einer stationären Brennkraftmaschine, wobei Aktuatoren der Brennkraftmaschine (1) kurbelwinkelabhängig ansteuerbar sind und / oder Sensorsignale der Brennkraftmaschine (1) kurbelwinkelabhängig ermittelbar sind, zur Kompensation einer Torsion einer Kurbelwelle (K) durch welche Torsion es zu Abweichungen des Kurbelwinkels zwischen einem tordierten und untordierten Zustand der Kurbelwelle (K) kommt, wobei für wenigstens zwei der Zylinder (Z) ein zylinderindividueller Wert der Winkelabweichung (”Õ i ) ermittelt wird und in Abhängigkeit der ermittelten Winkelabweichung (”Õ i ) die kurbelwinkelabhängigen Aktuator- bzw. Sensorsignale korrigiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11.
  • Es ist bekannt, dass durch die Torsion der Kurbelwelle von Verbrennungskraftmaschinen kurbelwinkelabhängige Signale, wie z. B. Steuerzeiten für die Zündung, der Kraftstoffeinspritzung o. ä. mit einem Fehler belegt sind, der die Leistung und / oder den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors beeinträchtigt. Es gibt daher im Stand der Technik Vorschläge zur Kompensation bzw. zur Berücksichtigung der durch die Torsion der Kurbelwelle verursachten Abweichungen von den gewünschten Steuerzeiten. So ist beispielsweise aus der DE 19 722 316 ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ausgehend von einem Signal, welches eine bevorzugte Stellung einer Welle (oberer Totpunkt des Zylinders) charakterisiert, Steuergrößen vorgegeben sind, wobei zylinderindividuelle Korrekturen dieses Signals vorgesehen sind. Diese Korrekturen sind dabei in einem Kennfeld von Korrekturwerten abgelegt. Bei den Steuergrößen kann es sich dabei um die Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere um den Einspritzzeitpunkt handeln. Aufgrund von Torsionsschwingungen der Kurbel- und / oder der Nockenwelle ergibt sich eine Abweichung zwischen der Lage des Referenzimpulses R und dem tatsächlichen oberen Totpunkt der Kurbelwelle. Gemäß dieser Schrift ist vorgesehen, dass Korrekturwerte ermittelt, in einem Speicher abgelegt und bei der Berechnung der Ansteuersignale berücksichtigt werden. Dabei werden diese Korrekturwerte abhängig von Betriebsbedingungen für jeden Zylinder in einem Speicher abgelegt.
  • Die DE 69 410 911 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren von Torsionsstörungen der Kurbelwellen. Die darin beschriebene Methode betrifft die Erkennung von Fehlzündungen in Verbrennungsmotoren und ein System zum Ausgleich von systematischen Unregelmäßigkeiten der gemessenen Motordrehzahl, die durch torsionsbedingte Verbiegung der Kurbelwelle ausgelöst werden. Dazu werden offline erzeugte und in einer Speichereinrichtung abgelegte zylinderindividuelle Korrekturfaktoren für Zündungsimpulse herangezogen, um Unregelmäßigkeiten in der Synchronisation von Profilzündungsmessintervallen zu kompensieren. Dieses Kennfeld von Korrekturfaktoren wird dabei bei der Kalibrierung eines Motortyps durch einen Testmotor oder durch eine Simulation bestimmt.
  • Die DE 112 005 002 642 beschreibt ein Motorsteuersystem auf Basis eines Drehpositionssensors. Dabei umfasst das Motorsteuersystem zwei Winkelpositionssensoren für eine sich drehende Motorkomponente, um die Torsionsablenkung der Komponente zu bestimmen. Die Motorsteuereinrichtung reagiert dabei auf Torsionsablenkungen, indem sie den Betrieb des Motors ändert. Dabei ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle jeweils einen Sensor am vorderen und am hinteren Ende der Kurbelwelle aufweist, um die Winkelpositionen des vorderen und des hinteren Endes relativ zueinander zu bestimmen.
  • Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es, dass lediglich eine lokale Verdrehung in Bezug auf einzelne Zylinder oder eine globale Verdrehung der Kurbelwelle in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel bestimmt oder berechnet wird.
  • Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist auch, dass die Kurbelwellenwinkelinformation nur für eine einzige ausgewählte Kurbelwellenwinkelposition ermittelt wird, meist am oberen oder unteren Totpunkt. Dies ist besonders deswegen nachteilig, weil nicht alle Sensor- und / oder Aktuator-Ereignisse unbedingt mit dem oberen Totpunkt korreliert sein müssen.
  • Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren sowie eine Brennkraftmaschine anzugeben, durch welches bzw. durch welche
    zylinderindividuell und kurbelwinkelaufgelöst die Kurbelwinkel-abweichung für einzelne oder alle Zylinder bestimmt und damit ein entsprechendes kurbelwinkelabhängiges Sensor- und/oder kurbelwinkelabhängiges Aktuatorsignal korrigiert werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Dies wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass für wenigstens zwei der Zylinder ein zylinderindividueller Wert der Winkelabweichung ermittelt wird und in Abhängigkeit der ermittelten Winkelabweichung die kurbelwinkelabhängigen Aktuator- bzw. Sensorsignale korrigiert werden.
  • In anderen Worten heißt das, dass wenigstens zweien der Zylinder ein zylinderindividueller kurbelwinkelaufgelöster Wert der Winkelabweichung zugewiesen wird und in Abhängigkeit der Winkelabweichung kurbelwinkelabhängige Sensor- und/oder kurbelwinkelabhängige Aktuatorsignale korrigiert werden.
  • Zylinderindividuelle Ermittlung der Kurbelwinkelposition heißt, dass zu jeder Position der Kurbelwelle, der ein Zylinder zugeordnet ist, die Kurbelwinkelposition bestimmt wird oder bestimmbar ist.
  • Kurbelwinkelaufgelöst bedeutet, dass die Kurbelwinkelinformation nicht nur, wie im Stand der Technik beschrieben, für eine einzige ausgewählte Kurbelwellenwinkelposition, sondern für jeden Kurbelwinkel eines Arbeitsspieles (720° bei einem 4-Taktmotor) vorliegt.
  • Der zylinderindividuelle Wert gibt also für einen einzelnen Zylinder der mehreren Zylinder jene Winkelabweichung in Grad an, die der betreffende Zylinder gegenüber seiner Winkellage bei unbelasteter, also nicht von Torsion beeinflusster Kurbelwelle aufweist.
  • Es hat sich nämlich in Versuchen und Berechnungen der Anmelderin gezeigt, dass die torsionsbedingte Winkelabweichung einzelner Zylinder nicht der aus einer globalen Torsionsverdrehung interpolierten Winkelabweichung entspricht. Vielmehr treten deutliche Abweichungen zu dieser idealisierten Betrachtung auf, welche einerseits durch zusätzliche, der Torsion überlagerte Torsionsschwingungen hervorgerufen werden. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass die Winkelabweichung gegenüber dem, mittels Interpolation der globalen Verdrehung berechneten Wert ein anderes Vorzeichen aufweist, d. h. der erwartete Durchgangszeitpunkt der entsprechenden Kurbelwellenposition kann statt früher auch später erfolgen oder auch umgekehrt.
  • Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, dass die Information über den tatsächlichen Kurbelwinkel nicht nur zylinderindividuell, d. h. für jede Zylinderposition entlang der Längsachse der Kurbelwelle, sondern auch kurbelwellenwinkelaufgelöst vorliegt. Dies ist besonders deswegen interessant, weil nicht alle Sensor- und / oder Aktuatorereignisse unbedingt mit dem oberen Totpunkt korreliert sein müssen. Beispiele für kurbelwinkelabhängige Eingriffe, die nicht am oberen Totpunkt stattfinden, sind etwa die Zündung, die Einspritzung, Voreinspritzung und auch die Auswertung kurbelwinkelbasierter Kenngrößen, wie des Zylinderdrucks. Daher ist es relevant, den realen Kurbelwinkelversatz auch für eine andere Winkelposition der Kurbelwelle als den oberen Totpunkt zu kennen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung gemessen wird. Dieses Beispiel betrifft den Fall, in welchem für wenigstens einen Zylinder der mehreren Zylinder der Wert der Winkelabmessung direkt gemessen wird. Dies kann beispielsweise so realisiert sein, dass an der dem betreffenden Zylinder zugeordneten Position der Kurbelwelle eine Messeinrichtung vorgesehen ist, die ein für die Verformung der Kurbelwelle charakteristisches Signal liefert.
  • Besonders bevorzugt ist der Fall, bei dem an endnahen Positionen der Kurbelwelle eine Verformung der Kurbelwelle gemessen wird. Endnahe Position heißt, dass bezogen auf die Längsachse der Kurbelwelle eine Messposition vor dem ersten Zylinder liegt und eine zweite Messposition nach dem letzten Zylinder vorgesehen ist. Die Angabe von "erstem" und "letztem" Zylinder bezieht sich auf die übliche Nummerierung von Zylindern einer Brennkraftmaschine.
  • Die Messung an den endnahen Positionen der Kurbelwelle dient zur Kalibrierung der durch Berechnung ermittelten Werte der Winkelabweichungen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann realisiert sein, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung berechnet wird.
  • Hier ist also vorgesehen, dass für wenigstens einen der n Zylinder der Wert der Winkelabweichung über rechnerische Methoden ermittelt wird. Eine Möglichkeit dafür sind analytische Lösungen für die Verformung der Kurbelwelle in Abhängigkeit der aktuell herrschenden Betriebsbedingen, wie etwa erbrachte Leistung und / oder Drehmoment.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Ersatzfunktion gebildet, die ausgehend von vorhandenen Eingabewerten die Torsion der Kurbelwelle von allen vorhandenen Stützpunkten der sich ausbreitenden Torsionsschwingung über den Motorzyklus ausgibt.
  • Als Eingabegrößen der Ersatzfunktion der Kurbelwellentorsion werden diesem Beispiel gemäß folgende Größen herangezogen:
    • Zündreihenfolge
    • Zündabstand
    • Distanz zwischen Zylinderposition zur Messposition an der Kurbelwelle
    • Materialeigenschaften und Geometrie der Kurbelwelle
    • Maximale Amplitude der Torsion bei einem definiertem Lastpunkt (ermittelt entweder aus einer Modellrechnung der Verformung der Kurbelwelle bei gegebenem Drehmoment oder aus Referenzmessung am gegenüberliegen dem Ende der Kurbelwelle)
    • Motorlast (zur Skalierung der Amplitude im Betrieb)
  • In der Berechnung wird zunächst für alle Zylinder ein zylinderindividueller Gewichtungsfaktor bestimmt. Dieser Gewichtungsfaktor berücksichtigt die Zündabstande aufeinanderfolgend zündender Zylinder. Der Zündabstand ist der Winkelunterschied im Zündzeitpunkt zweier aufeinanderfolgend zündender Zylinder.
  • Danach kann eine Torsionskennzahl für jeden Zylinder bestimmt werden. Die Torsionskennzahl ergibt sich aus Multiplikation des Zündabstands zum vorherigen Zylinder (gemäß der Zündreihenfolge) mit der Distanz zum Referenzpunkt der Welle und des Gewichtungsfaktors.
  • Die Torsionskennzahl ist über die maximale Amplitude der Torsion skaliert. Das bedeutet, dass der Betrag der berechneten Torsionskennzahl mit dem durch Messung ermittelten Betrag der Torsion für eine ausgewählte Position kalibriert wird. Günstigerweise erfolgt die Kalibrierung mit dem maximalen Wert der Torsion.
  • Die Torsionskennzahl kann nun durch Berücksichtigung der Motorlast für verschiedene Lastpunkte skaliert werden.
  • Im Anschluss wird ein Gewichtungsfaktor der Stützpunkte auf Basis des Verhältnisses der Zündabstande aufeinanderfolgend zündender Zylinder definiert. Anhand des Winkelabstands zwischen zwei aufeinanderfolgend zündenden Zylindern, der Distanz zum Referenzpunkt der Welle und dem berechneten Gewichtungsfaktor der Stützpunkte wird eine Torsionskennzahl für jeden Zylinder berechnet. Diese Kennzahl wird mit der gemessenen, modellierten oder berechneten maximalen Amplitude der Torsion skaliert.
  • Nun wird der in der Zündfolge nächste Zylinder gewählt. Dieser Zylinder erhält einen Faktor zugewiesen, der proportional zu dem geometrischen Abstand, also der Distanz der entsprechenden Kröpfungen der Kurbelwelle dieses Zylinders zum Ausgangs-Zylinder ist. Dieser Faktor ist repräsentativ für das Maß an Verdrehung gegenüber einem Referenzpunkt, etwa dem Zahnkranz, an dem leicht eine Verdrehung gemessen werden kann, denn die Verdrehung zweier Zylinder zueinander ist bei gleichem Torsionsmoment umso größer, je weiter die zwei Zylinder auseinander liegen.
  • Im nächsten Schritt wird wieder der in der Zündreihenfolge nächste Zylinder ausgewählt und der geometrische Abstand zum zuletzt gezündeten Zylinder als Faktor herangezogen.
  • Dieser Faktor wird in gleicher Weise für alle verbleibenden Zylinder ermittelt. Dann wird der Betrag des Faktors mit dem zweiten gemessenen Wert an der Kurbelwelle solchermaßen kalibriert, dass sich an dieser zweiten Messposition durch Anwendung des Multiplikationsfaktors der korrekte Wert für die Winkelabweichung ergibt. In anderen Worten erklärt, muss sich durch Multiplikation der Winkelabweichung des ersten Zylinders mit dem Faktor des letzten Zylinders die Winkelabweichung für den letzten Zylinder ergeben. Über die durch Messung zugängliche Relation dieser zwei Positionen lassen sich nun die Multiplikationsfaktoren aller Zylinder kalibrieren.
  • Die Wirkung der Ersatzfunktion sei anhand eines Beispiels erläutert:
    • die Zündreihenfolge ist eine durch die Kröpfungen der Kurbelwelle, also mechanisch und für einen vorliegenden Motor vorgegebene zeitliche Abfolge der Zündzeitpunkte der einzelnen Zylinder.
  • Wird nun dieser Faktor für alle Zylinder gemäß der Zündreihenfolge aufgetragen, sieht man für jeden Zylinder die durch die Torsion verursachte Winkelabweichung.
  • Für die Ersatzfunktion wird für wenigstens einen Zylinder ein Amplitudenwert (Betrag der Verdrehung) ermittelt, mit welchem das Berechnungsergebnis skaliert werden kann. Der Betrag der Verdrehung ist ein Maß für die elastischen Kennwerte und die Steifigkeit der Kurbelwelle.
  • Der Betrag ist umso größer, je weiter sein Vorgänger entfernt ist.
  • Um das Torsionsverhalten der Kurbelwelle korrekt abzubilden, werden als nächstes die Zündfolge und Zündabstände berücksichtigt. Bei einem V-Motor können die Zündabstände beispielsweise bei 60° und 30° Kurbelwinkel liegen, sodass alle Zylinder auf ein Arbeitsspiel von 720° Kurbelwinkel aufgeteilt sind. Der Zündabstand ist ein Maß für die Ungleichmäßigkeit, mit der Torsion bzw. Torsionsschwingung in die Kurbelwelle eingebracht werden.
  • Im nächsten Schritt wird der auf den Referenzzylinder folgende Zylinder betrachtet: dessen Beitrag zur Verdrehung wird durch Multiplikation des für den Referenzzylinder ermittelten Wertes mit dem geometrischen Längsabstand bestimmt.
  • Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung, Δϕi, durch eine Modellfunktion berechnet wird. Dies betrifft den Fall, worin eine Modellfunktion für die Verformungen der Kurbelwelle erstellt wird, aus welcher für die dem Zylinder i zugeordneten Position der Kurbelwelle der Wert Δϕi der Winkelabweichung ermittelbar ist. In die Modellfunktion gehen einerseits die geometrischen und elastischen Größen der Kurbelwelle ein, zum anderen auch die aktuell herrschenden Betriebsbedingen, wie etwa die erbrachte Leistung und / oder das Drehmoment. Die Modellfunktion, die alle relevanten geometrischen und elastischen Größen der Kurbelwelle enthält kann nun leicht über die zuvor ermittelte Korrekturfunktion kalibriert werden. Als Randbedingung muss auch für Null Last die Verdrehung auch Null sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zylinderindividuelle Wert Δϕi der Winkelabweichung in Echtzeit basierend auf Motorausgangssignalen berechnet wird. Damit ist der Fall erfasst, worin die Berechnung der Winkelabweichung in Echtzeit geschieht, das heißt, dass nicht auf eine vorgefertigte Lösung für die Winkelabweichung zurückgriffen wird, sondern die Berechnung instantan, d.h direkt, im aktuellen Motorzyklus, erfolgt. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass schnell veränderliche Parameter, z.B. eine schwankende Motorlast, in der Auswertung berücksichtigt werden können.
  • Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Motorregelgröße in Abhängigkeit wenigstens eines zylinderindividuellen Werts der Winkelabweichung Δϕi verändert wird. Dies beschreibt den Fall, dass wenigstens eine Motorregelgröße die ermittelte Winkelabweichung Δϕi als weitere Eingangsgröße erhält, und so die Winkelabweichung des wenigstens einen Zylinders kompensiert werden kann. Die Motorregelgröße kann beispielsweise der Zündzeitpunkt oder der Einspritzzeitpunkt eines Kraftstoffes oder die Öffnungszeit einer Kraftstoffeinbringungsvorrichtung sein. So kann etwa bei Ermittlung einer positiven Winkelabweichung Δϕi für einen Zylinder Z i (das heißt, der Zylinder Z mit Index i erreicht seine Position früher als vorgesehen) der Zündzeitpunkt für diesen Zylinder vorverlegt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein Motormesssignal über zumindest einen zylinderindividuellen Wert Δϕi der Winkelabweichung korrigiert wird. Damit ist gemeint, dass Messsignale vom Motor, beispielsweise die Signale einer Zylinderdruckerfassung, mit Hilfe des ermittelten Wertes der Winkelabweichung Δϕi korrigiert werden. Korrigiert werden heißt, dass durch Berücksichtigung der Winkelabweichung die Messsignale wesentlich genauer der tatsächlichen Position des Kolbens der betrachteten Kolben-Zylinder-Einheit zugeordnet werden können. Dies ist besonders für Zylinderdruckerfassung interessant, denn der Kurbelwinkel bestimmt ja die räumliche Position des Kolbens im Zylinder. Bei einer Winkelabweichung wird also der erfasste Zylinderdruck einer falschen räumlichen Position des Kolbens zugeordnet. Daher ist eine Korrektur besonders vorteilhaft für Motordiagnostik im Allgemeinen, da Sensorsignale nun stets der korrekten Kurbelwellenposition zugeordnet werden können.
  • Die Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1a und 1b
    eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine
    Fig. 2
    eine Darstellung der torsionsbedingten Kurbelwellenwinkelabweichung für 90° Zündabstand
    Fig. 3
    eine Darstellung der torsionsbedingten Kurbelwellenwinkelabweichung für 120°/60° Zündabstand
  • Es folgt die detaillierte Figurenbeschreibung.
  • Figur 1 a zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit 8 Zylindern, wobei abtriebsseitig (in diesem Fall durch den Generator G markiert) auf der linken Zylinderbank zu zählen begonnen wird. Beim V-Motor liegen Zylinder Z1 - Z4 auf der linken Zylinderbank, die Zylinder Z5 - Z8 auf der rechten Zylinderbank.
  • Angedeutet ist auch die Kurbelwelle K, mit welcher die Zylinder Z1 bis Z8 über Pleuel verbunden sind. Der Zylinder Z1, das heißt der Ort der Krafteinleitung durch das Pleuel von Zylinder Z1, liegt ganz nahe an der als eingespannt angenommenen Abtriebsseite.
  • Figur 1b zeigt eine Brennkraftmaschine mit acht Zylindern in Reihenanordnung. Im Reihenmotor wird von Z1 bis Z8 gezählt.
  • Die Zündreihenfolge sei in diesen Beispielen Z1 → Z6 → Z3 → Z5 → Z4 → Z7 → Z2 → Z8.
  • In Figur 1b ist der Zündabstand, ausgedrückt als Kurbelwinkelunterschied, 90°. Nach Zündung des Zylinders Z8 beginnt man wieder mit Zylinder Z1. Für dieses Beispiel ist der Zündabstand bezüglich des Kurbelwinkels also in gleichen Abständen auf die Zylinder verteilt. Alle 90° Kurbelwinkel findet ein Zündereignis statt.
  • Figur 2 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Ordinate die torsionsbedingte Winkelabweichung der Kurbelwelle an der Position von Zylinder Z8, Δϕ8, über ein gesamtes Arbeitsspiel, d. h. 720° Kurbelwinkel aufgetragen ist.
  • Wird nun die eben erläuterte Zündreihenfolge durchlaufen, so ergibt sich die gezeigte Winkelabweichung Δϕ8, die im Folgenden diskutiert wird. Zum besseren Verständnis wurden in einer parallelverschobenen Hilfsachse jene Zylinder eingetragen, die bei der jeweiligen Kurbelwellenposition zünden. Zunächst zündet Zylinder Z1 bei 0° Kurbelwinkel. Da Zylinder Z1 ganz nahe an der als starr angenommenen Abtriebsseite liegt, kann das Zündereignis von Zylinder Z1 bezüglich der Kurbelwellenposition von Zylinder Z8 so gut wie keine Verdrillung der Kurbelwelle bewirken.
  • Das nächste Zündereignis, 90° Kurbelwellenwinkel später, erfolgt bei dem Zylinder Z6. Dieser bewirkt aufgrund der Entfernung zur Abtriebsseite den größeren Beitrag zur Verdrehung der Kurbelwelle.
  • In Worten ausgedrückt, entspricht der Peak der Kurve Δϕ6 an der Kurbelwellenposition 90° dem Beitrag der von Zylinder Z6 hervorgerufenen Winkelabweichung der Kurbelwelle an der Position des Zylinders Z6.
  • Das nächste Zündereignis, dies ist Zylinder Z3, findet bei 180° Kurbelwellenwinkel statt. Dieser Zylinder (genauer: der Angriffspunkt des dazugehörigen Pleuels auf die Kurbelwelle) liegt weniger weit entfernt von der Abtriebsseite als Z8 und kann so nur einen geringeren Beitrag zur Verdrehung der Kurbelwelle an der Position von Zylinder Z8 bewirken. Das nächste Zündereignis (Zylinder Z5) findet bei 270° Kurbelwellenwinkel statt und liefert wegen der noch näheren Position zum Abtrieb einen deutlich niedrigeren Beitrag zur Verdrehung an der Kurbelwellenposition von Zylinder Z8 als beispielsweise die Zylinder Z8 und Z3. Als nächstes zündet Zylinder Z4 und bewirkt eine stärkere Verdrehung (vergleichbar mit Zylinder Z8), da er ähnlich weit vom Abtrieb gelegenen ist wie Zylinder Z8. Das nächste Zündereignis ist die Zündung von Zylinder Z7 bei 450° Kurbelwellenwinkel. Das darauffolgende Zündereignis ist der Zylinder Z2 bei 540° und Z8 bei 630°. Die 720° entsprechen wieder dem Beginn der Skala bei 0°, d. h. Zündung von Zylinder Z1.
  • Zeichnet man torsionsbedingte Winkelabweichung für andere Zylinder in das Diagramm ein, so liegen die Maxima unter der für Zylinder Z8 aufgetragenen Kurve, skaliert um ihren jeweiligen Abstand von der als fest eingespannt angenommenen Abtriebsseite.
  • Man sieht also, dass die Zylinder durch ihren unterschiedlichen Abstand von der Abtriebsseite ganz unterschiedliche Beträge zur Verdrehung der Kurbelwelle an der Zylinderposition Z8 bewirken. Die entstehende Kurve beschreibt also kurbelwellenwinkelaufgelöst und zylinderindividuell (hier für die Kurbelwellenposition von Zylinder Z8 gezeigt) die durch Torsion bedingte Verdrillung der Kurbelwelle. Diese Charakteristik der Winkelabweichung Δϕi (mit i als Zähler des jeweiligen Zylinders)kann nun auf jeden beliebigen Zylinder bzw. auf jede beliebige axiale Position der Kurbelwelle extrapoliert werden, da ja als weitere Randbedingung die durch Torsion hervorgerufene Winkelabweichung für den Zylinder Z1 mit "Null" bekannt ist.
  • Durch die äquidistante Wahl der Zündabstände (alle 90°) ergibt sich hinsichtlich der Ausbreitung einer Torsionsschwingung für alle Zylinder der gleiche Zeitabstand, das bedeutet: die Torsionsschwingung hat für alle Zylinder die gleiche Zeit, sich auszubreiten. Die Höhe der Winkelabweichung Δϕi ist also rein über die axiale Position der Zylinder auf der Kurbelwelle gegeben.
  • Figur 3 zeigt in einem Diagramm analog zu Figur 2 die Winkelabweichung Δϕ8 für den Zylinder Z8 des in Figur 1 a gezeigten 8-Zylinder-Motors, allerdings mit anderen Zündabständen. Die Zündreihenfolge wurde beibehalten mit Z1 → Z6 → Z3 → Z5 → Z4 → Z7 → Z2 → Z8, die in Kurbelwinkel ausgedrückten Zündabstände betragen allerdings 120°, 60°, 120°, 60°, 120°, 60°, 120° usw. Es liegen also, wie anhand von Figur 2 erläutert, wieder 180° Kurbelwinkel zwischen den Zündereignissen der Zylinder Z1, Z3, Z4 und Z2, allerdings nur 60° zwischen den Zündereignissen zwischen Zylindern Z6 → Z3, Z4 → Z7, und Z8 → Z1. Die veränderten Zündabstände beeinflussen das Muster der Winkelabweichung, welches hier für die Kurbelwellenposition bei Zylinder Z8 aufgetragen ist. Die Zündung des Zylinders Z1 bei 0° Kurbelwellenwinkel hat wieder keinen nennenswerten Einfluss auf die Verdrehung der Kurbelwelle an der Position des Zylinders Z8. Die Beiträge zur Verdrehung verhalten sich proportional zu den Zündabständen, denn ein Zündabstand von 120° bewirkt, dass sich eine eingeleitete Torsionsschwingung länger ausbreiten kann, als dies bei einem Zündabstand von 60° der Fall ist.
  • Während im Beispiel der Zündabstände nach Figur 2, wo alle Zylinder in gleichen Zündabständen gezündet werden, und so die entstehende Torsionsschwingung jeweils die gleiche Zeit zur Ausbreitung hat, ergibt sich im Beispiel der Zündabstände 120°/60°in Figur 3 ein anderes Bild der Winkelabweichung. Die Beiträge zur Torsionsschwingung jener Zylinder, die bei 120° Zündabstand gezündet werden, verhalten sich zu jenen Zylindern, die in 60° Zündabstand gezündet werden, wie 2:1, das Verhältnis der Beiträge, ausgedrückt als Gewichtungsfaktor, liegt also bei 2/3 zu 1/3.
  • Der Gewichtungsfaktor berücksichtigt also, wieviel später die nächste Krafteinleitung erfolgt.
  • Wieder kann das entstehende Muster der Winkelabweichung Δϕi nun auf jede beliebige axiale Position der Kurbelwelle übertragen werden, da als Randbedingung wieder feststeht, dass bei Zylinder Z1 an der Abtriebsseite keine Verdrehung stattfindet.
  • Nach dem Verfahren ist es also möglich, ohne Messung und lediglich aus Kenntnis der Zündabstände und der Zündreihenfolge, sowie der Entfernung der Zylinder zueinander, kurbelwellenwinkelaufgelöst für jeden Zylinder den Betrag der durch die Torsion bzw. Torsionsschwingung verursachten Winkelabweichung zu bestimmen. Die Erfindung macht sich also die Erkenntnis zu Nutze, dass sich über einen Zeitraum von 720° Kurbelwellenwinkel eine stehende Welle der Torsion bzw. der Torsionsschwingung ausprägt.
  • Durch den Gewichtungsfaktor wird berücksichtigt, ob die Zündreihenfolge harmonisch ist (gleicher Zündabstand über alle Zylinder), oder ob die Zündabstände in ungleich großen Abständen, ausgedrückt als Kurbelwinkel, erfolgen. Der Kurbelwinkel, der zwischen zwei Zündereignissen liegt, ist gleich bedeutend mit der Zeit, welche die Schwingung hat, sich auszuprägen. Als Wellen interpretiert heißt ein gleichmäßiger Zündabstand, dass alle Zündereignisse in Phase auftreten, bei ungleich großen Zündabständen gibt es mehrere Wellen (zwei Wellen bei zwei unterschiedlichen Zündabständen), die in verschobener Phasenlage zueinander liegen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann besonders vorteilhaft Motordiagnostik betrieben werden, da Sensorsignale nun stets der korrekten Kurbelwellenposition zugeordnet werden können. Beispielsweise können Sensorsignale einer Zylinderdrucküberwachung in Bezug auf die Torsionswinkelabweichung korrigiert werden. In Summe kann eine höhere Qualität in der Kontrolle über die Verbrennung und dadurch ein höherer Wirkungsgrad und höhere Leistungsdichte erzielt werden. Insbesondere günstig ist das Verfahren durch die verbesserte Genauigkeit der Zündzeitpunkte und von Messungen im Zylinder, wie z. B. einer Zylinderdruckerfassung.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Vielzahl von Zylindern (Z), insbesondere einer stationären Brennkraftmaschine, wobei Aktuatoren der Brennkraftmaschine (1) kurbelwinkelabhängig ansteuerbar sind und / oder Sensorsignale der Brennkraftmaschine (1) kurbelwinkelabhängig ermittelbar sind,
    zur Kompensation einer Torsion einer Kurbelwelle (K) durch welche Torsion es zu Abweichungen des Kurbelwinkels zwischen einem tordierten und untordierten Zustand der Kurbelwelle (K) kommt,
    dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens zwei der Zylinder (Z) ein zylinderindividueller Wert der Winkelabweichung (Δϕi) ermittelt wird und in Abhängigkeit der ermittelten Winkelabweichung (Δϕi) die kurbelwinkelabhängigen Aktuator- bzw. Sensorsignale korrigiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung (Δϕi) gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung (Δϕi) berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des zylinderindividuellen Wertes der Winkelabweichung (Δϕi) der geometrische Abstand der einzelnen Zylinder (Z) von der als fest eingespannt angenommenen Abtriebsseite der Kurbelwelle (K) berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des zylinderindividuellen Wertes der Winkelabweichung (Δϕi) der Zündabstand der Zylinder (Z) berücksichtigt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung (Δϕi) durch eine Modellfunktion berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderindividuelle Wert der Winkelabweichung (Δϕi) in Echtzeit basierend auf Motorausgangssignalen berechnet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Motorregelgröße in Abhängigkeit wenigstens eines zylinderindividuellen Werts der Winkelabweichung (Δϕi) verändert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Motormesssignal über zumindest einen zylinderindividuellen Wert der Winkelabweichung (Δϕi) korrigiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Motormesssignal das Ergebnis einer Zylinderdruckmessung ist.
  11. Brennkraftmaschine (1) mit einer Vielzahl von Zylindern (Z), insbesondere stationäre Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung des Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10.
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