Beschreibung
Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit Quantitatssteuerung, das heißt einer nach dem Otto-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschine.
Bei einem bekannten Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine (DE 38 39 611 AI) wird für jeden Zylinder einzeln die Luftzahl mit einer Lambdasonde bestimmt. Abhangig von der für den jeweiligen Zylinder bestimmten Luftzahl wird ein Korrektursignal zur Korrektur der Ansteuerung eines Brennstoffein- spritzventils bestimmt und zwar im Sinne einer Annäherung aller Luftzahlen m den jeweiligen Zylindern der Brennkraftmaschine an den Wert λ = 1 . Alternativ dazu ist es aus der DE 38 39 611 AI bekannt, abhangig von der jeweiligen zylinderin- dividuellen Luftzahl ein Korrektursignal für die Ansteuerung eines Stellers eines Drosselorgans der Brennkraftmaschine zu ermitteln. Der Nachteil beider Alternativen des bekannten Verfahrens ist jedoch, daß zwar das Luft-/Kraftstoff- Verhaltnis m den einzelnen Zylindern aneinander angenähert wird, jedoch die m den einzelnen Zylindern erzeugten Drehmo- mente variieren können, was von einem Fahrer eines Fahrzeugs, m dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist, als ungleichförmig laufenden Brennkraftmaschine beziehungsweise als Ruk- keln wahrgenommen wird.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren (WO 90/07051) erfolgt eine Angleichung der Drehmomentbeitrage der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine durch ein Überwachen der von den jeweiligen Zylindern abgegebenen Leistung und einer zylmde- nndividuellen Korrektur der Kraftstoffmasse abhangig von der jeweiligen Leistung n dem Zylinder. Durch dieses Verfahren wird zwar eine Angleichung der Drehmomentbeitrage der einzelnen Zylinder erreicht, jedoch kann dieses Verfahren zu Abwei-
chungen der Luftzahl in einzelnen Zylindern von einem vorgegebenen Sollwert für die Luftzahl führen, die zu einer Schädigung eines in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Dreiwege-Katalysators führen können.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das eine emissionsarme und gleichzeitig komfortable Steuerung einer Brennkraftmaschine gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati- sehen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung,
Figur 2 ein Ablaufdiagramm zur Zylindergleichstellung, Figur 3 ein Ablaufdiagramm einer Hauptsteuerfunktion in der Steuereinrichtung 6,
Figur 4 ein weiteres Ablaufdiagramm zur Zylindergleichstellung.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfaßt einen Ansaugtrakt, dem eine Drosselklappe 10 und mindestens ein Einspritzventil 15 zugeordnet sind, und einen Motorblock 2, der einen Zylinder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder 20 zugeordnet. Die Pleuelstange 22 ist mit dem Kolben 21 und der Kurbelwelle 23 verbunden. Das Einspritzventil 15 ist entweder zum Einsprit- zen von Kraftstoff in mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine oder, nur zum Einspritzen von Kraftstoff in jeweils einen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen. Im letzteren Fall
ist jedem Zylinder 20 der Brennkraftmaschine ein Einspritzventil 15 zugeordnet. Das Einspritzventil 15 kann alternativ auch in einem Zylinderkopf 3 vorgesehen sein und so angeordnet sein, daß der Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zy- linders 20 zugemessen wird. Alternativ kann das Einspritzventil 15 auch hin zu einer Mischkammer eines Gemischinjektors angeordnet sein, der das Luft-/Kraftstoff-Gemisch aus der Mischkammer direkt in den Zylinder 20 bläst.
In dem Zylinderkopf 3 ist ferner ein Ventiltrieb angeordnet, mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31. Der Ventiltrieb umfaßt mindestens eine nicht dargestellte Nockenwelle mit einer Übertragungseinrichtung, die den Nokkenhub auf das Einlaßventil 30 oder das Auslaßventil 31 über- trägt. Vorzugsweise sind auch Einrichtungen zum Verstellen der Ventilhubzeiten und/oder des Ventilhubverlaufs vorgesehen. Eine derartige Vorrichtung zum Verstellen des Ventilhubverlaufs eines Gaswechselventils ist aus der DE 42 44 550 AI bekannt. Diese Vorrichtung wird vorzugsweise zur drosselfrei- en Laststeuerung von Ottomotoren eingesetzt. Die Vorrichtung hat zwei gegensinnig liegende Nockenwellen, welche über einen Schwinghebel auf das Gaswechselventil einwirken. Eine der Nockenwellen bestimmt die Offnen-Funktion und die andere Nokkenwelle die Schließt-Funktion des Gaswechselventils. Der Ventilhubverlauf des Gaswechselventils, das heißt der Hub und die Öffnungsdauer, kann in weiten Bereichen verändert werden durch eine relative Verdrehung der beiden Nockenwellen gegeneinander mittels eines vier-rädrigen Koppelgetriebes, wobei ein entsprechender Stellantrieb zum Einstellen der relativen Verdrehung vorgesehen ist.
Alternativ kann auch ein elektromechanischer Aktuator vorgesehen sein, der den Ventilhubverlauf des Ein- oder Auslaßventils 30, 31 steuert. Ein derartiger elektromechanischer Ak- tuator ist beispielsweise aus der DE 297 12 502 Ul bekannt.
Der Aktuator umfaßt einen Feder-Masse-Schwinger mit einem Anker. Ferner umfaßt der Aktuator zwei Elektromagnete . Der An-
ker wirkt auf die Gaswechselventile, also das Einlaßventil 30 oder das Auslaßventil 31 ein. Wenn ein elektromechanischer Aktuator zum Steuern der Gaswechselventile vorgesehen ist, so ist keine Nockenwelle vorhanden.
In den Zylinderkopf 3 ist ferner eine Zündkerze 34 eingebracht. Die Brennkraftmaschine ist in der Figur 1 mit einem Zylinder 20 dargestellt. Sie umfaßt jedoch weitere Zylinder Z2, Z3, Z4. Die Zylinder Z2 bis Z4 sind vorzugsweise iden- tisch zu dem Zylinder 20 ausgebildet. Ferner sind ihnen auch jeweils mindestens ein Auslaßventil 31 und ein Einlaßventil 30 zugeordnet.
Ein Abgastrakt 4 mit einem Katalysator 40 und einer Sauer- stoffsonde 41 ist der Brennkraftmaschine zugeordnet. Eine
Steuereinrichtung 6 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meßgrößen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt abhängig von mindestens einer Meßgröße ein oder meh- rere Stellsignale, die jeweils ein Stellgerät steuern. Die
Sensoren sind ein Pedalstellungsgeber 71, der eine Pedalstellung des Fahrpedals 7 erfaßt, ein Drosselklappenstellungsgeber 11, der ein Öffnungsgrad der Drosselklappe 10 erfaßt, ein Luftmassenmesser 12, der einen Luftmassenstrom MAF erfaßt und/oder ein Saugrohrdrucksensor 13, der einen Saugrohrdruck in dem Ansaugtrakt 1 erfaßt, ein erster Temperatursensor 14, der eine Ansauglufttemperatur erfaßt, ein Drehzahlsensor 24, der einen Drehzahl N der Kurbelwelle 23 erfaßt, ein zweiter Temperatursensor 25, der eine Kühlmitteltemperatur TCO er- faßt, ein Brennraumdrucksensor 26, der den Druck P_BR in dem Innenraum des Zylinders 20, also in dem Brennraum, erfaßt, und die Sauerstoffsonde 41, die den Restsauerstoffgehalt des Abgases in dem Abgastrakt 4 erfaßt und die diesem den Meßwert des Luftverhältnisses λ zuordnet. Das Luftverhältnis λ ist das Verhältnis aus der dem Zylinder 20 zugeführten Luftmasse zu dem theoretischen Luftbedarf für stöchiometrische Verhältnisse bei der eingespritzten Kraftstoffmenge. Das Luftver-
hältnis ist somit eine das Luft-/Kraftstoff-Verhältnis charakterisierende Größe.
Ferner ist vorzugsweise ein Drehmomentsensor 28 vorgesehen, der das Drehmoment, das in den einzelnen Zylindern 20, Z2 - Z4 erzeugt wird an der Kurbelwelle 23 erfaßt. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder zusätzliche Sensoren vorhanden sein.
Die Stellgeräte umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer Antrieb, eine elektromagnetischer Antrieb oder ein weiterer dem Fachmann bekannter Antrieb. Die Stellglieder sind als Drosselklappe 10, als Einspritzventil 15, als Zündkerze 34 oder als eine Einrichtung zum Verstellen des Ventilhubs der Ein- oder Auslaßventile 30, 31 oder als elektromechanische Aktua- toren zum Steuern des Ventilhubs der Ein- und Auslaßventile 30, 31 ausgebildet. Auf die Stellgeräte wird im folgenden mit dem jeweils zugeordneten Stellglied bezug genommen.
Falls zum Einstellen der Luftmasse in den Zylindern 20, Z2 - Z4 ein oder mehrere Einrichtungen zum Verstellen des Ventilhubes der Ein- oder Auslaßventile 30, 31 oder elektromechani- schen Aktuatoren vorgesehen sind, so kann gegebenenfalls auf die Drosselklappe 10 verzichtet werden. Die Steuereinrichtung 6 ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergeräte umfassen, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.
In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern der Brennkraftmaschine dargestellt, das eine Gleichstellung der Zylinder 20, Z2 bis Z4 bewirkt. Das Programm ist in der Steuereinrichtung 6 gespeichert und wird dort abgearbei- tet. Das Programm kann entweder in vorgegebenen Zeitabständen während des Betriebs der Brennkraftmaschine oder in vorgegebenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine abgearbeitet
werden. Ein derartiger Betriebszustand kann beispielsweise ein stationärer Teillastbetrieb oder ein Leerlauf sein oder dadurch charakterisiert sein, daß die Kühlmitteltemperatur TCO einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
In einem Schritt Sl wird das Programm gestartet. In einem Schritt S2 wird das Luftverhältnis λ zylinderindividuell bestimmt, was durch das mit i indizierte λ dargestellt ist. Dabei wird mindestens einmal für jeden Zylinder 20, Z2 bis Z4 das diesen zuordenbare Luftverhältnis λ berechnet, das dann ein Maß ist für das jeweilige Luft-/Kraftstoff-Verhältnis in dem jeweiligen Zylinder 20, Z2 bis Z4. Alternativ kann auch die zylinderindividuelle Bestimmung des Luftverhältnises λ _ für jeden Zylinder gemittelt über mehrere Arbeitsspiele er- folgen.
In einem Schritt S3 wird ein erster Korrekturwert Klx für jeden der Zylinder 20, Z2 bis Z4 abhängig von dem dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Luftverhältnis λ x und einen Soll- wert λ sp des Luftverhältnis ermittelt. Der Sollwert λ sp kann beispielsweise gleich eins sein, um ein stöchiometrische Luft-/Kraftstoff-Gemisch in den Zylindern 20, Z2 bis Z4 zu gewährleisten. Der erste Korrekturwert Klx wird verwendet in dem in Figur 3 dargestellten Programm zur allgemeinen Steue- rung der Brennkraftmaschine und wird weiter unten noch näher beschrieben.
In einem Schritt S4 kann das Programm für eine vorgegebene Zeitdauer in einen Wartezustand verharren oder alternativ di- rekt in den Schritt S5 gehen.
In dem Schritt S5 wird für jeden Zylinder 20, Z2 bis Z4 das Drehmoment TQ^. bestimmt, das jeweils durch ihn erzeugt wird. Dazu wird entweder das Meßsignal des Drehmomentsenors 28 oder das Meßsignal des Brennraumdrucksensors 26 ausgewertet oder beispielsweise das Meßsignal des Drehzahlgebers 24. Dabei können auch Mittelwerte der auf die jeweiligen Zylinder bezo-
genen Drehmomente TQX über mehrere Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
In einem Schritt S6 wird ein zweiter Korrekturwert K2_ ein- zeln für jeden Zylinder 20, Z2 bis Z4 abhängig von dem jeweils einem Zylinder Z2 bis Z4, 20 zugeordneten Drehmoment TQi und einem durch Mittelung aller Drehmomente TQX berechneten Mittelwert TQ_MV der Drehmomente berechnet. Der zweite Korrekturwert K2^. wird verwendet in dem in Figur 3 beschrie- benen allgemeinen Programm zum Steuern der Brennkraftmaschine. Das Programm wird anschließend in einem Schritt S7 beendet.
In einem Schritt S10 (Figur 3) wird ein Hauptprogramm zum Steuern der Brennkraftmaschine gestartet. In einem Schritt Sll wird ein Sollwert TQI_SP des von der Brennkraftmaschine zu erzeugenden Drehmoments abhängig von der Drehzahl N, dem Fahrpedalwert PV und weiteren Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, wie der Kühlmitteltemperatur TCO, und weiteren Drehmomentbeiträgen berechnet, wie zum Beispiel von einer elektronischen Getriebesteuerung oder einer Antriebsschlupfregelung .
In einem Schritt S12 wird eine Kraftstoffeinspritzzeitdauer TKsτι für das oder die Einspritzventile 15 zylinderindividuell berechnet. Dazu wird für jeden Zylinder 20, Z2 bis Z4 die Kraftstoffeinspritzzeitdauer TKsτ_ abhängig von dem Sollwert des Drehmoments, dem jeweils zugeordneten ersten Korrekturwert Kl_ und gegebenenfalls weiteren Größen berechnet. Durch die Abhängigkeit der Kraftstoffeinspritzzeitdauer TKsτ_ von dem jeweils dem Zylinder 20, Z2 bis Z4 zugeordneten Korrekturwert Klj. ist gewährleistet, daß das Luft-/Kraftstoff- Verhältnis in allen Zylindern dem vorgegebenen Sollwert des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses in engen Grenzen angenähert ist. Dadurch können durch Fertigungstoleranzen hervorgerufene unterschiedliche Durchflußmengen des Kraftstoffes in den Einspritzventilen 15 kompensiert werden.
In einem Schritt Ξ13 wird für jeden einzelnen Zylinder 20, Z2 bis Z4 eine Ventilhubzeitdauer TVH_ abhangig von dem Sollwert TQI_SP des Drehmoments, dem dem jeweiligen Zylinder 20, Z2 bis Z4 zugeordneten zweiten Korrekturwert K2X und gegebenenfalls weiteren Großen berechnet. Abhangig von der dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Ventilhubzeitdauer TVH_ werden dann je nach Ausfuhrungsform der Brennkraftmaschine die Dros¬ selklappe 10 oder elektromechanische Aktuatoren oder die Ein- richtung oder die Einrichtungen zum Verstellen der Vent lhub- zeiten angesteuert.
Alternativ kann m dem Schritt S13 auch ein maximaler Ventilhub oder ein Ventilhubverlauf als Steuergroße zum Ansteuern der Einrichtungen zum Verstellen des Ventilhubverlaufs ermittelt werden.
Durch die Abhängigkeit der Ventilhubzeitdauer TVHI von dem dem jeweiligen Zylinder zugeordneten zweiten Korrekturwert K2i ist gewährleistet, daß die in den jeweiligen Zylindern erzeugten Drehmomente gleich sind.
Durch die Schritte S12 und S13 ist somit vorteilhafterweise gewährleistet, daß sowohl das Luft-/Kraftstoff-Verhaltnis m jedem Zylinder 20, Z2 bis Z4 der Brennkraftmaschine dem vorgegebenen Sollwert entspricht als auch das m den jeweiligen Zylindern erzeugte Drehmoment gleich ist. Dadurch ist einerseits ein effizienter und schonender Betrieb des Katalysators 14 mit einer entsprechenden Emmissionsreduktion gewahrleistet und andererseits ein hoher Fahrkomfort eines Fahrzeugs gewährleistet, in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist. In einem Schritt S14 w rd das Programm beendet. Das Programm gemäß Figur 3 wird vorzugsweise in vorgegebenen Zeitabstanden oder abhangig von der Drehzahl N aufgerufen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Verfahren zum Gleichstellen der Zylinder. Die Schritte Sl bis S4 sind identisch zu den ent-
sprechenden Schritten in Figur 2. In einem auf den Schritt S4 folgenden Schritt S17 wird einzelnen für jeden Zylinder 20, Z2 bis Z4 die dem jeweiligen Zylinder zugeordnete Drehzahl Nx bestimmt. Dabei wird beispielsweise jeweils die Drehzahl wah- rend des Expansionstaktes des jeweiligen Zylinders oder in einem darauf folgenden Takt oder Segment bestimmt. Ein Segment ist bestimmt durch den zeitlichen Abstand der oberen Totpunkte zweier Zylinder die in der Zündfolge aufeinander folgen.
In einem Schritt S18 wird für jeden Zylinder 20, Z2 bis Z4 einzelnen ein Laufunruhewert LUi abhangig von der für den jeweiligen Zylinder 17 bestimmten Drehzahl Nx bestimmt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine Abhängigkeit von der dritten Potenz der jeweiligen Drehzahl Nx erwiesen. Die
Laufunruhe ist dabei ein Maß für Unterschiede zwischen den m den Zylindern erzeugten Drehmomenten. Alternativ können die Laufunruhewerte LUX auch abhangig von einer dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Änderung der Drehzahl Nx ermittelt wer- den.
In einem Schritt S19 wird der zweite Korrekturwert K2_ einze- len für jeden Zylinder abhangig von dem jeweiligen Laufunruhewert LU. ermittelt. Dies erfolgt im Sinne einer Angleichung der von den einzelnen Zylindern erzeugten Drehmomente. Bei einem vorhandenen Drehmomentsensor 28 kann für jeden Zylinder einzeln auch e ne Abweichung des individuellen Drehmoments von dem über alle Zylinder gemittelte Drehmoment berechnet werden und dann der zweite Korrekturwert K2α abhangig von dieser Abweichung berechnet werden.
Ein entsprechendes Vorgehen ist auch bei Vorhandensein eines Brennraumdrucksensors 26 vorteilhaft. In einem Schritt S20 wird das Programm dann beendet.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Stellglied zum Einstellen der den Zylinder 20, Z2 bis Z4 zuzuführenden Luftmasse die
Einlaßventile 30 sind. Dadurch ist gewährleistet, daß die jeweilige Luftmasse in den Zylindern mit sehr hoher zeitlicher Auflösung und einer äußerst geringen Totzeit eingestellt werden kann.