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.