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WO2006005422A1 - Verfahren zur regelung des kompressionszüdbetriebes einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur regelung des kompressionszüdbetriebes einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2006005422A1
WO2006005422A1 PCT/EP2005/006786 EP2005006786W WO2006005422A1 WO 2006005422 A1 WO2006005422 A1 WO 2006005422A1 EP 2005006786 W EP2005006786 W EP 2005006786W WO 2006005422 A1 WO2006005422 A1 WO 2006005422A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
control
value
fuel
cylinders
combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/006786
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mirko Ciecinski
Rüdiger Herweg
Matthias Pfau
Jochen SCHÄFLEIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to JP2007519664A priority Critical patent/JP2008505280A/ja
Publication of WO2006005422A1 publication Critical patent/WO2006005422A1/de
Priority to US11/650,591 priority patent/US20070144481A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the Kompressionszünd stipulatees a reciprocating internal combustion engine having a plurality of cylinders according to the preamble of patent claim 1.
  • compression ignition offers the possibility of fuel combustion for driving the internal combustion engine with good thermal efficiency and low formation of nitrogen oxides due to the formation and combustion of lean fuel / air mixtures in the cylinders of the internal combustion engine.
  • the mixture is brought by adding combustion exhaust gases to a higher temperature level and thereby brought to the compression of the next cycle of the respective cylinder for self-ignition.
  • a spark-ignited mode is usually provided in higher load ranges of the internal combustion engine.
  • the temperature increase to trigger the compression ignition is usually caused by the retention of exhaust gases, for which a corresponding adjustment of the valve undercut the timing of the gas exchange valves is provided and retained by appropriate closing of the exhaust valve exhaust gases in the combustion chamber.
  • DE 102 15 674 Al provides for improving and controlling the combustion behavior of the internal combustion engine, a method for controlling the Kompressionszündungs seses, in which an actual value of a process influenced by the fuel combustion parameter is detected and by changing an operating parameter, on which the formed in the combustion chamber Mixture is changeable, nach booklet a predetermined setpoint.
  • the position of a 50% mass conversion point of the fuel conversion during combustion also known as the center of gravity of the combustion, for example, determined from the measurement signal of a projecting into the combustion chamber ion current probe or a pressure sensor arranged in the combustion chamber in the known method. If the determined mass conversion point deviates from the predetermined desired value, the actual value is adjusted in the control loop of the known method by varying the valve control times and / or a fuel injection strategy.
  • the variation of the valve timing should be made in the known method by camshaft adjuster, where alternatively the variation of the valve timing should be done by an electromagnetic valve control or other variable valve timing devices. For this purpose, camshafts with phasers or switchable bucket tappets with variable valve lift limit are proposed.
  • the time of fuel injection or the duration of the injection or the injected fuel quantity or possibly the timing of the injection should be modified.
  • a method for controlling the compression ignition operation in which by means of a projecting into the combustion chamber pressure sensor, the beginning of the combustion process to be detected. At this continuously measurable characteristic of the operation of the internal combustion engine is monitored by a control of the engine temperature, the pressure or the mixture properties or the air ratio in the exhaust gas.
  • the present invention has for its object to provide a method for controlling the Kompressionszünd istes a multi-cylinder reciprocating internal combustion engine, are avoided with the uncontrolled autoignition and fuel burns.
  • two control loops are provided, wherein in a first control loop, an average value of all cylinders influenced by a parameter is detected and regulated to a global set point with a control variable supplied to all cylinders.
  • characteristic quantities recorded on each cylinder are adjusted to each other by individually determined control variables.
  • a desired value for the individual adjustment of the measured characteristics of the respective cylinders is predefined, which is provided in a map memory for demand-based removal.
  • the mean value of the measured characteristic variables of all cylinders can also be used as setpoint value of the control in the second control circuit, whereby small differences between the desired value and the actual value are to be compensated for and thus rapid adjustment of the combustion behavior can take place.
  • the 50% mass conversion point of the fuel conversion during combustion is preferably detected.
  • This parameter can be determined by measuring signals from projecting into the combustion chambers of the cylinder sensors by appropriate algorithms.
  • sensors come into consideration pressure sensors or the measurement of the degree of ionization in the combustion chamber by means of an ion current sensor, which is particularly advantageous without structural complexity formed by the electrodes of a planned for the spark ignition operation of the internal combustion engine spark plug.
  • Combustion behavior in the cylinder is preferably the duration of a pilot injection of fuel used, which significantly affects the combustion behavior and is adjustable with precise action.
  • the preinjection duration can form the manipulated variable in both control circuits, with the output value of the first control circuit forming the input value of the second control circuit and thus a rapid adjustment the optimal Kompressionszündungs joses on the individual cylinders is possible.
  • a change in the timing of the gas exchange valves can in the first control loop as a control variable for adjusting the actual value the parameter, the timing of a gas exchange valve can be changed by means of the adjustable valve train.
  • a global characteristic value can be measured in the first control circuit by detecting the air ratio in the exhaust gas with little effort. If the control of the air ratio in the first control loop and the equality of the cylinders in the second control loop over the injection period in a control with two control loops, a further optimization of the cylinder settings can be done by a final equalization of the operating loads of the individual cylinders by adaptation in a third control loop the duration of a main injection is made on the respective cylinder.
  • Showing: 1 shows a schematic illustration of a multi-cylinder internal combustion engine with a regulator unit for the compression ignition operation
  • the reciprocating internal combustion engine 1 shown in Fig. 1 has four cylinders 2 1 -4, in which fuel mixed with combustion air and is burned to drive the piston.
  • the combustion air is supplied in a known manner via a suction pipe 3, to which all cylinders 2i_ 4 are connected by their inlet channels.
  • an injector 5 is associated with each cylinder 2 ⁇ _ 4 , which injects fuel directly into the combustion chamber.
  • the injection parameters such as start of injection, duration of injection, injection time and timing of individual partial injections are performed by a control unit 10 as a function of the operating point of the internal combustion engine.
  • each cylinder 2i_ 4 has intake valves and exhaust valves forcibly piloted by camshafts 8 via a valvetrain 9 become.
  • two camshafts 8 are provided which respectively control the intake valves and the exhaust valves of the cylinder 2 1 - 4 .
  • the internal combustion engine 1 is operated at least in wide load ranges with compression ignition.
  • Otto fuel is used for higher loads a spark ignition operation is provided in which formed with the fuel and the supplied combustion air, a stoichiometric mixture and ignited by the spark of a spark plug.
  • Kompressionszünd stipulate the combustion air is fed unthrottled and formed with the directly injected fuel, a lean mixture.
  • combustion exhaust gas of the last cycle of the cylinder is retained in the combustion chamber and thus raises the temperature level of the fresh charge, which is brought to self-ignition in the subsequent compression stroke.
  • the valve train 9 of the gas exchange valves is variably adjustable such that a variation of the timing is possible. In the compression ignition mode, other control times are set than in the spark ignition operation in order to ensure the required exhaust gas retention.
  • the valve drive 9 is controlled by the control unit 10 and brought into the position corresponding to the desired exhaust gas retention.
  • the controller unit 10 has access to a characteristic map memory 11, from which the operating parameters of the internal combustion engine to be set by the controller unit are kept ready for each operating point.
  • the controller unit controls the compression ignition operation of the internal combustion engine and monitors the adjustment of the combustion behavior in each cylinder, wherein an intervention in the combustion behavior by changing the injection parameters and / or the adjustment of the cam drive is possible.
  • the parameters for the control with information about the actual combustion process in the compression ignition is obtained by sensor 6, which are provided in each cylinder 2i_ 4 and protrude into the respective combustion chamber.
  • information about the combustion can be obtained from the measurement signal of a lambda probe 7 in the exhaust line 4, which provides information about the residual oxygen in the exhaust gas to the control unit 10.
  • two control loops are provided, wherein in a first control loop an average value of all cylinders is detected and adjusted to a global setpoint with all cylinders supplied to a global setpoint, and in a second control loop acquired characteristics are adjusted to each other by individually determined control variables , Control circuits for equalizing a parameter to a desired value are shown in FIGS. 2 to 5.
  • FIG. 2 as a parameter of the combustion process, the position of the 50% mass conversion point of the fuel conversion during combustion is determined from a measurement signal which is obtained in the combustion chamber by means of a sensor 6 arranged there.
  • the sensor may be a pressure sensor or an ion current sensor 6, from which the heating process during the combustion process can be determined.
  • the actual value Hso, i st of the 50% mass conversion point is compared with a desired value, which can be taken from the map memory. If the actual value deviates from the desired value, the duration of a pilot fuel injection is influenced by the position of the mass conversion point.
  • the control circuit shown in Fig. 2 can be used both as a first and as a second control circuit in the context of the control according to the invention with two control circuits.
  • FIG. 3 shows a first control loop 20, in which the air ratio lambda in the combustion exhaust gas is detected by means of a lambda probe 7 of the outlet line as a parameter. If the actual value deviates from the setpoint value, the combustion behavior is changed by a corresponding change in a manipulated variable.
  • the actuator in the control loop 20 forms the variably adjustable valve train of the gas exchange valves, wherein preferably the phase position AV of the exhaust valve is varied, since the exhaust phase has a significant influence on the retention of exhaust gases in the combustion chamber and thus the combustion position in KompressionsZündungs beautiful.
  • phase position AV of the outlet valve forms the manipulated variable 12 and the parameter 13 in the control circuit is the 50% mass conversion point.
  • the actual position of the mass conversion point, which is to be compared with the desired value, is obtained from the signal of a pressure sensor or an ion current sensor in the combustion chamber.
  • Fig. 5 shows a control circuit 20 for the
  • Compression ignition operation of an internal combustion engine in which the signal from a pressure sensor, the average pressure of the cylinder is obtained.
  • the mean value is adjusted in the control loop 20 to a desired value, wherein the manipulated variable 12 in the control loop is the duration of a main injection HE of the respective cylinder.
  • This control loop is preferably used for the cylinder-specific regulation according to the invention for the equalization of the loads of all cylinders.
  • an average value of the individual pressure sensors can be formed as desired value of the mean pressure and the load on the respective cylinder can be adjusted by adjusting the duration of injection.
  • FIG. 6 shows a control according to the invention of the compression ignition operation with two control circuits.
  • the first control circuit 20 corresponds to the representation of the control circuit in Fig. 4, wherein control measures take place via the variation of the exhaust phase AV of the exhaust valve.
  • the position of the 50% mass conversion point is determined from the measurement signals of the ion current sensors in the combustion chambers, wherein an average value 14 of the parameters is input as the actual value in the control loop 20.
  • the mean value 14 is compared with a global target value 15, which is taken from the map memory 11 and adjusted by adjusting the phase position of the exhaust valve.
  • the output value of the controller is a setting command .DELTA.AV to the valve train for changing the phase position of the exhaust camshaft, which is linked to a basic value that can be removed from the map 11 as a function of the operating point of the internal combustion engine.
  • an equalization of possibly different positions of the 50% mass conversion points of the individual cylinders takes place by the actual position of the mass conversion point being adapted to a predetermined desired value by adjusting the duration of the fuel injection.
  • an average value 14 of all measured characteristic quantities can be input or, alternatively, a base setpoint value 15 can be read from the characteristic diagram 11 in accordance with the present operating point.
  • a change in the injection duration ⁇ Ti determined as a manipulated variable 12, which is linked to each cylinder with a basic value of the injection period Ti, which is available from the map memory 11 depending on the operating point.
  • the pre-injection duration is used as manipulated variable 12 in both control circuits 20, 30.
  • an average 14 of the positions of the 50% mass conversion point and the actual value in the control loop 20 is fed from the ion current signals measured as characteristic value 13 on each cylinder 2i- 4 .
  • a correction value of the pilot injection duration ⁇ Ti which is added to a base value Ti corresponding to the operating point of the pilot injection duration, and a global control variable Ti-global are formed for all injectors.
  • This control variable formed at the output of the first control loop 20 is used in the second control loop as an input variable.
  • This manipulated variable is added to each correction value of the preinjection duration, which was determined from the respective positions of the 50% mass conversion points of the individual cylinders.
  • Fig. 9 shows a possibility for further accuracy of the alignment of the combustion layers in all cylinders.
  • a control structure similar to the strategy of FIG. 8 with a regulation of the air ratio lambda by adjusting the phasing of the exhaust valve AV in the first control circuit and a cylinder-specific control of the 50% - mass conversion point with the pilot injection as a control variable in the second loop is followed by a third control circuit 40.
  • the accuracy of the equalization of all combustion positions of the individual cylinders is achieved by equalizing the operating loads of the individual cylinders by adjusting the main injection duration of the respective cylinder.
  • the mean cylinder pressure P m i is determined as a parameter in the third control circuit 40 on each cylinder and approximated by varying the main injection duration ⁇ Ti as a manipulated variable a setpoint, which is calculated as the average value 14 from the individual cylinder pressures.
  • the cylinder-individually determined correction values of the main injection duration are weighted with a basic value Ti of the main injection duration, which is taken from a characteristic map as a function of the present operating point of the internal combustion engine.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung des Kompressionszündbetriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern (21-4), in denen ein Kraftstoff-/Luftgemisch verbrannt wird, wird ein Ist-Wert wenigstens einer vom Vorgang der Kraftstoffverbrennung beeinflußten Kenngröße (13) erfaßt und mit einem vorgebbaren Sollwert (15) verglichen zur Bildung einer Stellgröße (12), mit der die Einstellung eines auf die Gemischbildung wirkenden Betriebsparameters zum Angleich des Ist-Wertes der Kenngröße (13) an den Sollwert (15) nachgeführt wird. Um eine stabile Verbrennung im Kompressionszündbetrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zu gewährleisten, ist vorgesehen, in einem ersten Regelkreis (20) einen von allen Zylindern (21-4) beeinflußten Mittelwert einer Kenngröße (13) zu erfassen und mit einer allen Zylindern zugeführten Stellgröße (12) auf allen Global-Sollwert zu regeln und in einem zweiten Regelkreis an jedem Zylinder erfaßte Kenngrößen durch individuell ermittelte Stellgrößen (12) einander anzugleichen.

Description

DaimlerChrysler AG
Verfahren zur Regelung des Kompressionszündbetriebes einer
Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kompressionszündbetriebes einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die als Kompressionszündung oder auch Raumzündung genannte Betriebsart einer Brennkraftmaschine bietet die Möglichkeit der Kraftstoffverbrennung zum Antrieb der Brennkraftmaschine bei gutem thermischen Wirkungsgrad und geringer Bildung von Stickoxiden aufgrund der Bildung und Verbrennung magerer Kraftstoff-/Luftgemische in den Zylindern der Brennkraftmaschine. Das Gemisch wird durch Beimischung von Verbrennungsabgasen auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und dadurch bei der Kompression des nächsten Arbeitsspiels des jeweiligen Zylinders zur Selbstzündung gebracht. Bei der Verwendung von Otto-Kraftstoffen ist in höheren Lastbereichen der Brennkraftmaschine üblicherweise ein fremdgezündeter Modus vorgesehen. Die Temperaturanhebung zur Auslösung der Kompressionszündung wird zumeist durch Rückhaltung von Abgasen herbeigeführt, für die eine entsprechende Einstellung der Ventilunterschneidung der Steuerzeiten der Gaswechselventile vorgesehen ist und durch entsprechendes Schließen des Auslaßventils Abgase im Brennraum zurückgehalten werden. Der Beginn und der Verlauf des Verbrennungsvorganges ist im Kompressionszündungsbetrieb sensibel, und unkontrollierte Selbstzündungen führen zu unerwünscht frühen Verbrennungslagen und zu überhöhten Drücken im Brennraum, wodurch eine optimale Verbrennung gestört ist. Die DE 102 15 674 Al sieht zur Verbesserung und Kontrolle des Brennverhaltens der Brennkraftmaschine ein Verfahren zur Regelung des Kompressionszündungsbetriebes vor, bei der ein Ist-Wert einer vom Vorgang der Kraftstoffverbrennung beeinflußten Kenngröße erfaßt wird und durch Änderung eines Betriebsparameters, über die das im Brennraum gebildete Gemisch veränderbar ist, einem vorgegebenen Sollwert nachführt.
Als Kenngröße des Verbrennungsvorganges wird bei dem bekannten Verfahren die Lage eines 50 %-Massenumsatzpunktes der Brennstoffumsetzung bei der Verbrennung, auch als Schwerpunktslage der Verbrennung bekannt, beispielsweise aus dem Messsignal einer in den Brennraum einragenden Ionenstromsonde oder eines im Brennraum angeordneten Drucksensors ermittelt. Weicht der ermittelte Massenumsatzpunkt von dem vorgegebenen Sollwert ab, so wird in dem Regelkreis des bekannten Verfahrens der Ist-Wert durch Variation der Ventilsteuerzeiten und/oder einer Kraftstoffeinspritz-Strategie angeglichen. Die Variation der Ventilsteuerzeiten soll bei dem bekannten Verfahren durch Nockenwellenversteller vorgenommen werden, wobei alternativ die Variation der Ventilsteuerzeiten durch eine elektromagnetische Ventilsteuerung oder andere variable Ventilsteuervorrichtungen erfolgen soll. Zu diesem Zweck werden Nockenwellen mit Phasenstellern oder schaltbaren Tassenstößeln mit variabler Ventilhubbegrenzung vorgeschlagen. Zur Anpassung der Kenngröße durch Veränderung der Einspritzparameter soll der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung oder die Dauer der Einspritzung bzw. die eingespritzte Kraftstoffmenge oder gegebenenfalls die Taktung der Einspritzung modifiziert werden. Aus der WO 99/42718 ist ein Verfahren zur Regelung des Kompressionszündungsbetriebes bekannt, bei dem mittels eines in den Brennraum einragenden Drucksensors der Beginn des Verbrennungsvorganges erfaßt werden soll. An dieser laufend messbaren Kenngröße wird der Betrieb der Brennkraftmaschine überwacht durch eine Regelung der Motortemperatur, des Druckes oder auch der Gemischeigenschaften bzw. der Luftzahl im Abgas.
Die bekannten Verfahren zur Regelung können jedoch oft nicht den höchsten Ansprüchen genügen, welche das sensible und schwer zu überwachende Brennverhalten bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung stellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Kompressionszündbetriebes einer mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem unkontrollierte Selbstzündungen und KraftstoffVerbrennungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind zwei Regelkreise vorgesehen, wobei in einem ersten Regelkreis ein von allen Zylindern beeinflußter Mittelwert einer Kenngröße erfaßt und mit einer allen Zylindern zugeführten Stellgröße auf einen Global-Sollwert geregelt wird. Im zweiten Regelkreis werden an jedem Zylinder erfaßte Kenngrößen durch individuell ermittelte Stellgrößen einander angeglichen. Nach den Stellmaßnahmen im Rahmen des ersten Regelkreises kann sich bei dem eingeregelten Betriebsparameter an einzelnen Zylindern ein tatsächliches Brennverhalten ergeben, welches vom optimalen
Verbrennungsverhalten mehr oder weniger stark abweicht und .zu störenden Ergebnissen führt. Solche Abweichungen können sich beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Verschleißzuständen der Zylinder ergeben. Mit dem erfindungsgemäßen zweiten Regelkreis werden die gegebenenfalls vorliegenden geringen Abweichungen von der optimalen Einstellung ausgeglichen.
Vorteilhaft wird in dem zweiten Regelkreis ein Sollwert für den individuellen Angleich der gemessenen Kenngrößen der jeweiligen Zylinder vorgegeben, welcher in einem Kennfeldspeicher zur bedarfsweisen Entnahme bereitgestellt ist. Vorteilhaft kann aber auch im zweiten Regelkreis der Mittelwert der gemessenen Kenngrößen aller Zylinder als Sollwert der Regelung herangezogen werden, wodurch geringe Unterschiede zwischen dem Sollwert und dem Ist-Wert auszugleichen sind und somit eine rasche Einregelung des Brennverhaltens erfolgen kann.
Als Kenngröße für die Regelung wird bevorzugt der 50 %-Massenumsatzpunkt des Kraftstoffumsatzes bei der Verbrennung erfaßt. Diese Kenngröße kann aus Meßsignalen von in die Brennräume der Zylinder einragenden Meßfühlern durch entsprechende Algorithmen ermittelt werden. Als solche Meßfühler kommen Drucksensoren in Betracht oder auch die Messung des Ionisierungsgrades im Brennraum mittels eines Ionenstromsensors, welcher besonders vorteilhaft ohne baulichen Aufwand durch die Elektroden einer für den Fremdzündungsbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehenen Zündkerze gebildet wird.
Als Stellgröße für die Beeinflussung des
Verbrennungsverhaltens im Zylinder wird bevorzugt die Dauer einer Voreinspritzung von Kraftstoff herangezogen, welche maßgeblich das Verbrennungsverhalten beeinflußt und mit präziser Wirkung einstellbar ist. Die Voreinspritzdauer kann in beiden Regelkreisen die Stellgröße bilden, wobei der Ausgangswert des ersten Regelkreises den Eingangswert des zweiten Regelkreises bildet und somit eine rasche Einregelung des optimalen Kompressionszündungsbetriebes an den einzelnen Zylindern möglich ist.
Insbesondere bei Verbrennungsmotoren, welche in oberen Lastbereichen im Fremdzündungsmodus betrieben werden und welche zu der erforderlichen Verstellung der Ventilunterschneidung beim Wechsel der Betriebsarten vom Kompressionszündungsbetrieb zum Fremdzündungsbetrieb und umgekehrt eine Veränderung der Steuerzeiten der Gaswechselventile vornehmen, können im ersten Regelkreis als Stellgröße zum Angleich des Ist-Wertes der Kenngröße die Steuerzeiten eines Gaswechselventils mittels des einstellbaren Ventiltriebs verändert werden. Durch Veränderung der Phasenlage des Ventilhubes des Auslaßventils kann rasch eine Einregelung eines Globalwertes für alle Zylinder erfolgen, welcher dem optimalen Brennverhalten nahekommt und im zweiten Regelkreis mit wenig Stellmaßnahmen eine Optimierung vorgenommen werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung des Kennwertes durch Sensoren im Brennraum kann im ersten Regelkreis ein globaler Kennwert durch Erfassung der Luftzahl im Abgas mit geringem Aufwand gemessen werden. Erfolgt bei einer Regelung mit zwei Regelkreisen die Einregelung der Luftzahl im ersten Regelkreis und die Gleichstellung der Zylinder im zweiten Regelkreis über die Einspritzdauer, so kann eine weitere Optimierung der Zylindereinstellungen erfolgen, indem in einem dritten Regelkreis abschließend eine Gleichstellung der Betriebslasten der einzelnen Zylinder durch Anpassung der Dauer einer Haupteinspritzung am jeweiligen Zylinder vorgenommen wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert
Dabei zeigen: Fig.l eine schematische Darstellung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit einer Reglereinheit für den Kompressionszündbetrieb,
Fig. 2 bis 5 alternative Ausgestaltungen erster Regelkreise für das durch zwei Regelkreise erfolgende erfindungsgemäße Verfahren,
Fig. 6 bis 9 alternative Gestaltungen von Regelungen für den Kompressionsbetrieb mit zwei Regelkreisen.
Die in Fig. 1 dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 weist vier Zylinder 21-4 auf, in denen Kraftstoff mit Verbrennungsluft gemischt und zum Antrieb der Kolben verbrannt wird. Die Verbrennungsluft wird in bekannter Weise über ein Saugrohr 3 zugeführt, an das alle Zylinder 2i_4 durch ihre Einlaßkanäle angeschlossen sind. Die Abfuhr von Verbrennungsabgasen aus den Zylindern erfolgt über Auslaßkanäle, welche in eine allen Zylindern gemeinsame Abgasleitung 4 münden. Zur Zumessung des erforderlichen Kraftstoffes ist jedem Zylinder 2χ_4 ein Injektor 5 zugeordnet, welcher Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt. Die Einspritzparameter wie Einspritzbeginn, Einspritzdauer, Einspritzzeit und Taktung einzelner Teileinspritzungen werden von einer Reglereinheit 10 in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine vorgenommen.
Zur Durchführung des zyklischen Ladungswechsels verfügt jeder Zylinder 2i_4 über Einlaßventile und Auslaßventile, welche von Nockenwellen 8 über einen Ventiltrieb 9 zwangsgesteuert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Nockenwellen 8 vorgesehen, welche jeweils die Einlaßventile bzw. die Auslaßventile der Zylinder 21-4 steuern. Die Brennkraftmaschine 1 wird wenigstens in weiten Lastbereichen mit Kompressionszündung betrieben. Bei Verwendung von Otto- Kraftstoff ist für höhere Lasten ein Fremdzündungsbetrieb vorgesehen, bei der mit dem Kraftstoff und der zugeführten Verbrennungsluft ein stöchiometrisches Gemisch gebildet und durch den Zündfunken einer Zündkerze gezündet wird. Im Kompressionszündbetrieb wird die Verbrennungsluft ungedrosselt zugeführt und mit dem direkt eingespritzten Kraftstoff ein mageres Gemisch gebildet. Durch entsprechende Steuerzeiten der Gaswechselventile wird Verbrennungsabgas des jeweils letzten Zyklus des Zylinders im Brennraum zurückgehalten und hebt somit das Temperaturniveau der Frischladung an, welche im anschließenden Kompressionstakt zur Selbstzündung gebracht wird.
Der Ventiltrieb 9 der Gaswechselventile ist derart variabel einstellbar, daß eine Variation der Steuerzeiten möglich ist. Dabei werden im Kompressionszündbetrieb andere Steuerzeiten eingestellt als im Fremdzündungsbetrieb, um die erforderliche Abgasrückhaltung zu gewährleisten. Der Ventiltrieb 9 wird von der Reglereinheit 10 angesteuert und in die Stellung gebracht, welche der gewünschten Abgasrückhaltung entspricht. Die Reglereinheit 10 hat Zugriff auf einen Kennfeldspeicher 11, aus dem die von der Reglereinheit einzustellenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine für jeden Betriebspunkt bereitgehalten sind. Die Reglereinheit regelt den Kompressionszündbetrieb der Brennkraftmaschine und überwacht die Einstellung des Verbrennungsverhaltens in jedem Zylinder, wobei ein Eingriff in das Verbrennungsverhalten durch Veränderung der Einspritzparameter und/oder der Einstellung des Nockentriebes möglich ist. Die Kenngrößen für die Regelung mit Aussage über den tatsächlichen Verbrennungsverlauf bei der Kompressionszündung wird durch Meßfühler 6 gewonnen, welche in jedem Zylinder 2i_4 vorgesehen sind und in den jeweiligen Brennraum einragen. Alternativ oder zusätzlich können Informationen über die Verbrennung aus dem Meßsignal einer Lambda-Sonde 7 in der Abgasleitung 4 gewonnen werden, welcher der Reglereinheit 10 Informationen über den Restsauerstoff im Abgas liefert.
Erfindungsgemäß sind zwei Regelkreise vorgesehen, wobei in einem ersten Regelkreis ein von allen Zylindern beeinflußter Mittelwert einer Kenngröße erfaßt wird und mit einer allen Zylindern zugeführten Stellgröße auf einen Globalsollwert geregelt wird und in einem zweiten Regelkreis an jedem Zylinder erfaßte Kenngrößen durch individuell ermittelte Stellgrößen einander angeglichen werden. Regelkreise zur Angleichung einer Kenngröße an einen Sollwert sind in Fig. 2 bis 5 dargestellt. In Fig. 2 wird als Kenngröße des Verbrennungsvorganges die Lage des 50 %-Massenumsatzpunktes der Kraftstoffumsetzung bei der Verbrennung ermittelt aus einem Meßsignal, welches im Brennraum mittels eines dort angeordneten Sensors 6 gewonnen wird. Der Sensor kann dabei ein Drucksensor oder ein Ionenstromsensor 6 sein, aus dem der Heizverlauf beim Verbrennungsvorgang bestimmbar ist. Der Ist- Wert Hso,ist des 50 %-Massenumsatzpunktes wird mit einem Soll- Wert verglichen, welcher aus dem Kennfeldspeicher entnommen werden kann. Bei Abweichung des Ist-Wertes von dem Soll-Wert wird durch Anpassung der Dauer einer Kraftstoffvoreinspritzung Einfluß auf die Lage des Massenumsatzpunktes genommen. Der in Fig. 2 dargestellte Regelkreis kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Regelung mit zwei Regelkreisen sowohl als erster als auch als zweiter Regelkreis eingesetzt werden. Fig. 3 zeigt einen ersten Regelkreis 20, beim dem als Kenngröße 13 die Luftzahl Lambda im Verbrennungsabgas mittels einer Lambda-Sonde 7 der Auslaßleitung erfaßt wird. Bei einem Abweichen des Ist-Wertes von dem Soll-Wert wird durch entsprechende Veränderung einer Stellgröße das Verbrennungsverhalten geändert. Das Stellglied in dem Regelkreis 20 bildet der variabel einstellbare Ventiltrieb der Gaswechselventile, wobei bevorzugt die Phasenlage AV des Auslaßventils variiert wird, da die Auslaßphase maßgeblichen Einfluß auf die Rückhaltung von Abgasen im Brennraum und damit auf die Verbrennungslage im KompressionsZündungsbetrieb hat.
Fig. 4 zeigt einen Regelkreis 20, bei dem die Phasenlage AV des Auslaßventils die Stellgröße 12 bildet und die Kenngröße 13 im Regelkreis der 50 %-Massenumsatzpunkt ist. Die tatsächliche Lage des Massenumsatzpunktes, die mit dem Sollwert zu vergleichen ist, wird aus dem Signal eines Drucksensors oder eines Ionenstromsensors im Brennraum gewonnen.
Fig. 5 zeigt einen Regelkreis 20 für den
Kompressionszündungsbetrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem aus dem Signal eines Drucksensors der Mitteldruck des Zylinders gewonnen wird. Der Mittelwert wird in dem Regelkreis 20 einem Sollwert angeglichen, wobei die Stellgröße 12 im Regelkreis die Dauer einer Haupteinspritzung HE des jeweiligen Zylinders ist. Dieser Regelkreis wird bevorzugt für die erfindungsgemäß zylinderindividuelle Regelung eingesetzt zur Gleichstellung der Lasten aller Zylinder. Dabei kann als Sollwert des Mitteldruckes ein Durchschnittwert der einzelnen Drucksensoren gebildet werden und die Last am jeweiligen Zylinder durch Anpassung der Einspritzdauer abgeglichen werden. In Fig. 6 ist eine erfindungsgemäße Regelung des Kompressionszündungsbetriebes mit zwei Regelkreisen gezeigt. Sowohl im ersten Regelkreis 20 als auch im zweiten Regelkreis 30 wird als Kenngröße 13 die Lage des 50 %- Massenumsatzpunktes der aktuellen Kraftstoffverbrennung erfaßt. Der erste Regelkreis 20 entspricht dabei der Darstellung des Regelkreises in Fig. 4, wobei Stellmaßnahmen über die Variation der Auslaßphase AV des Auslaßventils erfolgen. Die Lage des 50 %-Massenumsatzpunktes wird aus den Meßsignalen der Ionenstromsensoren in den Brennräumen ermittelt, wobei ein Mittelwert 14 der Kenngrößen als Istwert in den Regelkreis 20 eingegeben wird. Der Mittelwert 14 wird mit einem Globalsollwert 15 verglichen, welcher aus dem Kennfeldspeicher 11 entnommen wird und durch Verstellung der Phasenlage des Auslaßventils angepaßt. Als Ausgangswert des Reglers ergibt sich ein Stellbefehl ΔAV an den Ventiltrieb zur Änderung der Phasenlage der Auslaßnockenwelle, welcher mit einem Grundwert verknüpft wird, der in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine aus dem Kennfeld 11 entnehmbar ist.
Im zweiten Regelkreis 30 findet eine Gleichstellung der möglicherweise unterschiedlichen Lagen der 50 %- Massenumsatzpunkte der einzelnen Zylinder statt, indem die tatsächliche Lage des Massenumsatzpunktes einem vorgegebenen Sollwert durch Anpassung der Dauer der Kraftstoffeinspritzung angepaßt wird. Als Sollwert im zweiten Regelkreis für die zylinderindividuelle Anpassung kann ein Mittelwert 14 aller gemessenen Kenngrößen eingegeben werden oder alternativ ein Basissollwert 15 aus dem Kennfeld 11 entsprechend dem vorliegenden Betriebspunkt ausgelesen werden. Entsprechend der Abweichung der gemessenen Ist-Werte der Kenngröße 13 des jeweiligen Zylinders wird eine Veränderung der Einspritzdauer δTi als Stellgröße 12 ermittelt, welche an jedem Zylinder mit einem Grundwert der Einspritzdauer Ti verknüpft wird, welcher in Abhängigkeit des Betriebspunktes aus dem Kennfeldspeicher 11 bereit steht.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Regelungsstrategie wird in beiden Regelkreisen 20, 30 die Voreinspritzdauer als Stellgröße 12 herangezogen. Dabei wird im ersten Regelkreis 20 aus den als Kenngröße 13 an jedem Zylinder 2i-4 gemessenen Ionenstromsignalen ein Mittelwert 14 der Lagen des 50 %-Massenumsatzpunktes und als Ist-Wert in den Regelkreis 20 eingespeist. Im Angleich an den aus dem Kennfeldspeicher 11 entnommenen Sollwert 15 wird ein Korrekturwert der Voreinspritzdauer ΔTi, welcher auf einen dem Betriebspunkt entsprechenden Basiswert Ti der Voreinspritzdauer addiert wird und eine globale Stellgröße Ti-global für alle Injektoren gebildet. Diese am Ausgang des ersten Regelkreises 20 gebildete Stellgröße wird im zweiten Regelkreis als Eingangsgröße herangezogen. Diese Stellgröße wird jedem Korrekturwert der Voreinspritzdauer aufgeschlagen, welche aus den jeweiligen Lagen der 50 %-Massenumsatzpunkte der einzelnen Zylinder ermittelt wurden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Möglichkeit der Regelung des Kompressionszündbetriebes mit zwei Regelkreisen, wobei im ersten Regelkreis als Kenngröße 13 der Ist-Wert des Luftverhältnisses aus dem Signal der Lambda-Sonde 7 im Abgasstrang erfaßt wird. Der eingegebene Ist-Wert wird mit einem aus dem Kennfeldspeicher 11 entnommenen Sollwert der Luftzahl verglichen. Zum Angleich an den Sollwert wird eine korrigierende Stellgröße zur Ansteuerung des variablen Ventiltriebs 11 am Ausgang des Regelkreises 20 gebildet. Im zweiten Regelkreis 30 werden die individuell an den einzelnen Zylindern ermittelten Lagen der jeweiligen 50 %-Massenumsatzpunkte der Kraftstoffverbrennung im Vergleich mit dem aus dem Kennfeld 11 entnommenen Sollwert der Lage des 50 %-Massenumsatzpunktes korrigierende Stellgrößen für die Voreinspritzdauer ermittelt. Die zylinderindividuellen Korrekturwerte ΔTiZyiinder i - Zylinder 4 werden mit einem aus dem Kennfeld 11 entnommenen Basiswert verknüpft.
Fig. 9 zeigt eine Möglichkeit zur weiteren Genauigkeit des Angleichs der Verbrennungslagen in allen Zylindern. Eine Regelungsstruktur ähnlich der Strategie gemäß Fig. 8 mit einer Regelung der Luftzahl Lambda durch Verstellung der- Phasenlage des Auslaßventils AV im ersten Regelkreis und einer zylinderindividuellen Regelung des 50 %- Massenumsatzpunktes mit der Voreinspritzdauer als Stellgröße im zweiten Regelkreis wird ein dritter Regelkreis 40 nachgeordnet. Die Genauigkeit der Gleichordnung aller Verbrennungslagen der einzelnen Zylinder wird durch eine Gleichstellung der Betriebslasten der einzelnen Zylinder durch Anpassen der Haupteinspritzdauer des jeweiligen Zylinders erreicht. Dabei wird als Kenngröße im dritten Regelkreis 40 an jedem Zylinder der mittlere Zylinderdruck Pmi ermittelt und durch Variation der Haupteinspritzdauer δTi als Stellgröße einem Sollwert angenähert, welcher als Mittelwert 14 aus den einzelnen Zylinderdrücken berechnet wird. In dem dritten Regelkreis, welcher der Struktur in Fig. 5 entspricht, werden die zylinderindividuell ermittelten Korrekturwerte der Haupteinspritzdauer mit einem Grundwert Ti der Haupteinspritzdauer gewichtet, welche aus einem Kennfeld in Abhängigkeit des vorliegenden Betriebspunktes der Brennkraftmaschine entnommen wird.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Verfahren zur Regelung des Kompressionszündbetriebes einer Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindern (21-4) , in denen ein Kraftstoff/Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei ein Ist-Wert wenigstens einer vom Vorgang der Kraftstoffverbrennung beeinflußten Kenngröße (13) mit einem vorgebbaren Sollwert (15) verglichen wird zur Bildung einer Stellgröße (12), mit der die Einstellung eines auf die Gemischbildung wirkenden Betriebsparameters (AV, TI) zum Angleich des Ist-Wertes der Kenngröße (13) an den Sollwert (15) nachgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Regelkreis (20) ein von allen Zylindern (2i_4) beeinflußter Mittelwert einer Kenngröße (13) erfaßt und mit einer allen Zylindern (2i_4) zugeführten Stellgröße (12) auf einen Global-Sollwert (15) geregelt wird und in einem zweiten Regelkreis (30) an jedem Zylinder (2i_4) einzeln erfaßte Kenngrößen (13) durch individuell ermittelte Stellgrößen (12) einander angeglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Regelkreis (30) ein Sollwert (15) für den individuellen Angleich der Kenngrößen (13) vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Regelkreis der Mittelwert (14) der gemessenen Kenngrößen (13) gebildet und als Sollwert (15) der Regelung herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße die Lage des 50 %-Massenumsatzpunktes des Kraftstoffumsatzes bei der Verbrennung aus den Meßsignalen von in die Brennräume der Zylinder (2i_4) einragenden Meßfühlern (6) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Meßfühler (6) ein Ionenstromsensor vorgesehen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Meßfühler (6) ein Drucksensor vorgesehen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße (12) die Dauer (Ti) einer Voreinspritzung von Kraftstoff bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzdauer in beiden Regelkreisen (20, 30) die Stellgröße (12) bildet, wobei der Ausgangswert des ersten Regelkreises (20) den Eingangswert des zweiten Regelkreises (30) bildet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße (12) zum Angleich des Ist-Wertes der Kenngröße (13) die Steuerzeiten (AV) eines Gaswechselventils mittels eines einstellbaren Ventiltriebs (9) verändert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Angleich der Kenngröße (13) die Phasenlage (AV) des Ventilhubes variiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb (9) des Auslaßventils verstellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße (13) die Luftzahl (λ) im Abgas erfaßt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Regelkreis (40) eine Gleichstellung der Betriebslasten der einzelnen Zylinder durch Anpassung der Dauer einer Haupteinspritzung von Kraftstoff am jeweiligen Zylinder (2i_4) durch Modifizierung der Stellgröße (12) des zweiten Regelkreises (30) vorgenommen wird.
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