DE10115902C1 - Lambda-Zylindergleichstellungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Zur Lambda-Gleichstellung bei einer auf Lambda = 1 geregelten, einen Katalysator im Abgastrakt aufweisenden Mehrzylinder-Brennkraftmaschine ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem fortlaufend im Abgastrakt der Brennkraftmaschine stromabwärts des Katalysators oder der Katalysator ein Abgasparameter erfasst wird, der ein lokales Minimum zeigt, wenn die Verbrennung in allen Zylindern bei Lambda = 1 erfolgt. Die Kraftstoffversorgung bei jeweils zwei Zylindern wird durch gleichzeitige Anreicherung des Gemisches für den einen und Abmagerung für den anderen Zylinder vertrimmt, wobei die Vertrimmung so gewählt ist, dass das zusammengeführte Abgas beider Zylinder einem Abgas einer Verbrennung von gemittelt Lambda = 1 entspricht und die Vertrimmung so eingestellt wird, dass der Abgasparameter minimiert wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Lambda-
Gleichstellung von Zylindern einer auf Lambda = 1 geregelten
Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, die im Abgastrakt einen Ka
talysator aufweist.
Zur Verbesserung der Abgasqualität bei Brennkraftmaschinen,
wie sie insbesondere zur Einhaltung zukünftiger Emissions
grenzwerte erforderlich ist, wird über die übliche Lambda-
Regelung hinaus, die bekannterweise zur optimalen Katalysa
torwirkung eine Brennkraftmaschine im Mittel immer mit
stöchiometrischem Gemisch betreibt, auch eine Zylindergleich
stellung hinsichtlich der zylinderindividuellen Gemischbil
dung angestrebt, damit jeder einzelne Zylinder im Mittel mit
Lambda = 1 entsprechendem Gemisch versorgt wird.
A priori ist dies nicht immer gegeben, da sowohl die für die
Kraftstoffzuteilung zuständigen Einspritzventile gewissen Se
rienstreuungen unterliegen, als auch die für die jeweilige
Zylinderfüllung verantwortlichen Parameter. Diese Abweichun
gen führen selbst bei einer neuwertigen Brennkraftmaschine zu
Lambdastreuungen zwischen den Zylindern. Bei modernen Serien
maschinen können diese Abweichungen ±5% überschreiten. Aus
Emissionsgesichtspunkten wäre jedoch eine Reduzierung der
Lambdawert-Streuungen der Einzelzylinder auf einen Wert unter
±2% über den gesamten Betriebsbereich anzustreben.
Diese Reduzierung durch fertigungstechnischen Aufwand, d. h.
durch hochpräzise Einspritzventile und exakte Bearbeitung des
Lufteinlasssystems, insbesondere der Einlassventile, zu erreichen,
ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich. Man geht
statt dessen den Weg, im Betrieb der Brennkraftmaschine die
den einzelnen Zylinder zugeführten Kraftstoffmengen derart zu
korrigieren, dass die Zylinderstreuungen ausgeglichen werden.
Dies wird üblicherweise als Lambda-Gleichstellung bezeichnet.
Aus der DE 40 40 527 A1 ist es zur Lambda-Gleichstellung be
kannt, im Abgastrakt für jeden Zylinder einer Brennkraftma
schine eine individuelle Lambdasonde vorzusehen, die so ange
ordnet ist, dass sie nur mit dem Teilabgasstrom aus dem ihr
zugeordneten Zylinder beaufschlagt wird. Damit kann jeder Zy
linder einer individuellen Lambda-Regelung unterworfen wer
den. Diesen Vorteil erkauft man sich allerdings mit einem ho
hen Messfühleraufwand. Darüber hinaus ist die Signalverarbei
tung einer solchen Vielzahl von Lambdasonden aufwendig, wes
halb teure Betriebssteuergeräte erforderlich sind.
In der EP 05 53 570 A2 ist beschrieben, wie man mit nur einer
Lambdasonde eine Lambda-Gleichstellung erreichen kann. Dazu
ist dort, wo im Abgastrakt die Teilabgasströme aus den ein
zelnen Zylindern zusammengeführt werden, eine Lambdasonde an
geordnet, die den Lambda-Wert des Abgases mit so hoher zeit
licher Auflösung erfasst, dass die Beiträge der einzelnen Zy
linder im zusammengeführten Abgas aufgelöst werden können.
Dies erfordert zum einen eine sehr schnelle Lambdasonde, zum
anderen eine sehr schnelle Datenverarbeitung. Darüber hinaus
stößt dieses System mit steigender Zylinderzahl schnell an
seine Grenzen. Weiter bestehen strenge Anforderungen an die
Einbauposition der Lambdasonde und die Ausbildung des Abgas
krümmers, welche anderen Optimierungskriterien, z. B. minima
lem Abgasgegendruck gegenläufig sind.
In der DE 197 41 965 C1 sowie der DE 197 00 711 C2 wird zur
Lambda-Gleichstellung der Ansatz verfolgt, die Laufunruhe der
Brennkraftmaschine auszuwerten. Aus einer zylinderselektiven
Erfassung der Laufunruhe wird ein entsprechender Korrektur
faktor berechnet, der dann zu optimaler Laufruhe führt. Al
lerdings ist eine solche Regelung, die alle Zylinder hin
sichtlich des von ihnen abgegebenen Momentes ausgleicht,
nicht unbedingt gleichbedeutend mit Lambda-Gleichstellung, da
dabei auch andere Parameter eine Rolle spielen, wie z. B. un
terschiedliche Verdichtungsverhältnisse in den Zylindern usw.
Lediglich im geschichteten Magerbetrieb fremdgezündeter
Brennkraftmaschinen besteht eine ausreichend enge Verknüpfung
zwischen Laufunruhe und Lambda-Gleichstellung, die zu annä
hernd befriedigenden Ergebnissen führt.
Ausgehend vom Problem der Lambda-Gleichstellung liegt der Er
findung die Aufgabe zugrunde, ein Lambda-Zylindergleich
stellungsverfahren anzugeben, das ohne gesteigerten apparati
ven Aufwand eine exakte Gleichstellung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Lambda-
Gleichstellung bei einer auf Lambda = 1 geregelten, einen Ka
talysator im Abgastrakt aufweisenden Mehrzylinder-
Brennkraftmaschine, bei dem fortlaufend im Abgastrakt der
Brennkraftmaschine stromabwärts des Katalysators oder am Ka
talysator ein Abgasparameter erfasst wird, der ein lokales
Extremum zeigt, wenn die Verbrennung in allen Zylindern bei
Lambda = 1 erfolgt, und die Kraftstoffversorgung bei jeweils
zwei Zylindern durch gleichzeitige Anreicherung des Gemisches
für den einen und Abmagerung für den anderen Zylinder ver
trimmt wird, wobei die Vertrimmung so gewählt ist, dass das
zusammengeführte Abgas beider Zylinder einem Abgas einer Ver
brennung von gemittelt Lambda = 1 entspricht, und die Vertrimmung
so eingestellt wird, dass der Abgasparameter maxi
miert bzw. minimiert wird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es Abgaspara
meter gibt, die stromabwärts des Katalysators nur dann einen
Extremwert einnehmen, wenn nicht nur der Mittelwert aller Ab
gasteilströme Lambda = 1 entspricht, sondern wenn auch alle
Abgasteilströme selbst aus Verbrennungsvorgängen mit Lambda =
1 stammen. Dies ist dadurch bedingt, dass der Katalysator nur
in diesem Fall optimale katalytische Wirkung zeigt.
Um nun das Auffinden dieses Zustandes, in dem der Abgaspara
meter den Minimalwert einnimmt, zu ermöglichen, wird die
Kraftstoffversorgung für zwei Zylinder bewusst vertrimmt,
d. h. der eine Zylinder wird mit fetterem Gemisch, der andere
mit magererem Gemisch versorgt. Die gegensinnige Vertrimmung
der Kraftstoffversorgung für die zwei Zylinder wird dabei so
gestaltet, dass die Zylindervertrimmungen sich gegenseitig
aufheben, mithin das Abgas beider Zylinder im Mittel immer
noch Lambda = 1 entspricht. Dadurch wird erreicht, dass wäh
rend des Auffindens des Minimums keine erhöhte Abgasemission
entsteht.
Durch die erfindungsgemäß mögliche Zylindergleichstellung
wird die Abgasqualität bei einer Brennkraftmaschine weiter
verbessert. Weiter wirken sich durch Alterung verursachte
Verschlechterungen des Katalysators nicht mehr so stark aus,
weshalb es nicht mehr nötig ist, wie bislang den Katalysator
großzügig zu dimensionieren. Mit dem erfindungsgemäßen Ver
fahren können also kleinere Katalysatoren eingesetzt werden,
was nicht nur Kostenvorteile bringt, sondern auch aufgrund
geringeren Abgasgegendruckes die Kraftstoffökonomie bzw. Lei
stung der Brennkraftmaschine steigert.
Die Vertrimmung hält also das Summen-Lambda, d. h. den mitt
leren Lambdawert des Abgasgemisches aus allen Zylindern stets
konstant. Somit ist die Lambda-Geichstellung nicht anfällig
für etwaige Lambda-abhängige Quereinflüsse. Darüber hinaus
wird die normale, bei modernen Brennkraftmaschinen übliche
Trimm- oder Führungsregelung in keiner Weise beeinflusst.
Schließlich sind weiter keine besonderen Anforderungen an das
Zeitverhalten der herkömmlichen Lamba-Regelung zu stellen.
Als Abgasparameter kommt jeder Parameter in Frage, der ein
lokales Minimum oder Maximum zeigt, wenn das Abgas jedes Zy
linders Lambda = 1 entspricht, also Lambda-Gleichstellung er
reicht ist. Ein besonders einfach zu erfassender Parameter
ist die Temperatur des Abgases stromabwärts des Katalysators (Anspruch 2).
Bei konstantem Wärmestrom zum Katalysator und weitgehend
gleichbleibenden Umgebungsbedingungen verändert sich die Tem
peratur stromab des Katalysators bei konstantem Summenlambda
nur in Abhängigkeit von den durch katalytische Reaktion im
Katalysator in exoterme Energie umwandelbaren Abgasbestand
teile. Steigt beispielsweise mit zunehmender Streuung der
Einzelzylinder-Lambdawerte, d. h. mit zunehmender Lambda-
Ungleichstellung, die CO-Konzentration, die HC-Konzentration
oder gleichzeitig die HC-Konzentration und der Sauerstoffge
halt im Abgas an, wobei das Summenabgas natürlich dem Wert
Lambda = 1 beibehält, führt dies zu einer gesteigert exother
men Konvertierungsreaktion im Katalysator, die sich in einer
Temperaturerhöhung stromab des Katalysators auswirkt.
Das Grundprinzip der Erfindung, wonach die Beeinflussung der
Zylinder individuellen Einspritzmenge bei gleichzeitig kon
stantem Summenlambda die Abgaszusammensetzung vor und nach
dem Katalysator so beeinflusst, dass mittels eines Gütekriteriums,
nämlich dem lokalen Minimum eines Abgasparameters, bei
einer Variation des Zylinder individuellen Lambda-Wertes ein
Optimum bezüglich Abgaszusammensetzung und der Katalysator
konvertierungseigenschaften erreicht wird, kann auch unter
Rückgriff auf andere Abgasparameter als die Temperatur er
reicht werden. Beispielsweise zeigt auch die NOx-Konzen
tration im Abgas stromab eines Katalysators genau dann ein
Maximum, wenn alle Zylinder genau mit stöchimetrischen Ge
misch, d. h. bei Lambda = 1 betrieben werden. Während die
Verwendung der Temperatur als Abgasparameter nur besonders
geringen Aufwand erfordert, hat die Verwendung von NOx den
Vorteil, dass die Einflüsse der Umgebung hinsichtlich der Ab
gastemperatur keine Rolle spielen. Die Verwendung von NOx als
Abgasparameter zum Durchführen der Lambda-Gleichstellung (vergl. Anspruch 3) ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn dieser Parameter bei der
Regelung der Brennkraftmaschine ohnehin erfasst wird, da dann
kein zusätzlicher Sensor nötig ist. Die Verwendung dieser Ab
gaskomponenten hat darüber hinaus den Vorteil, dass die
Lambda-Gleichstellung mit schlechterem Konvertierungsverhal
ten des Katalysators besser wird, da ein z. B. durch Alterung
verschlechterter Katalysator die Ausbildung des Minimums bei
Lambda-Gleichstellung aller Zylinder verdeutlicht, d. h. das
Minimum ist leichter aufzufinden. Dieser Sachverhalt ist re
lativ ungewöhnlich, da normalerweise mit schlechterem Kataly
satorverhalten die Abgasregelung, zu der auch die Lambda-
Gleichstellung zählt, schwieriger wird.
Bei einer Brennkraftmaschine mit mehr als zwei Zylindern kön
nen die Zylinder nacheinander paarweise gleichgestellt wer
den (Anspruch 4). Bei einer Drei-Zylinderbrennkraftmaschine wird zuerst
ein Zylinderpaar gleichgestellt und dann der Dritte mit einem
Zylinder des Paares abgeglichen. Nach mindestens zwei, höch
stens drei Durchläufen sind dann alle Zylinder der Brennkraftmaschine
Lambda gleichgestellt. Bei einer Vierzylinder-
Brennkraftmaschine wird zuerst ein Zylinderpaar und dann das
verbleibende Zylinderpaar gleichgestellt. Dann wird jeweils
ein Zylinder der beiden Paare hinsichtlich des Lambda-Wertes
abgeglichen. Nach mindestens drei und maximal sechs Durchläu
fen ist eine vollständige Lambda-Gleichstellung erreicht. Bei
einer Fünfzylinder-Brennkraftmaschine wird zuerst ein Zylin
derpaar, dann ein weiteres Zylinderpaar, das aus den verblei
benden drei Zylindern ausgewählt wird, abgeglichen und dann
der verbleibende letzte Zylinder mit einem der vier bereits
abgeglichenen. In einem letzten Schritt wird die so gleich
gestellte Dreiergruppe mit dem verbliebenen Zylinderpaar ega
lisiert. Somit kann nach mindestens vier und maximal zehn Ab
gleichschritten eine Fünfzylinder-Brennkraftmaschine hin
sichtlich des Lambda-Wertes gleichgestellt werden. Bei diesen
mehrfachen Durchläufen muss natürlich, wenn ein Zylinder ei
nes Paares verändert wird, der andere Zylinder bei der Verän
derung entsprechend berücksichtigt werden, damit die Gleich
stellung zwischen dem Zylinderpaar erhalten bleibt.
In der Regel wird das aufzufindende lokale Minimum des Abgas
parameters relativ schwach ausgeprägt sein. Dies ist, wie
ausgeführt, insbesondere bei neuwertigen Brennkraftmaschinen
mit noch nicht durch Alterung verschlechterten Katalysatoren
der Fall. Um das Auffinden dieses Minimums zu erleichtern,
ist es in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung des
halb vorgesehen, mehrere unterschiedliche Vertrimmungen der
Kraftstoffversorgung für dieselben zwei Zylinder durchzufüh
ren, um diejenige Vertrimmung aufzufinden, bei der der Abgas
parameter das lokale Minimum zeigt (vergl. Anspruch 5). Hierbei kann an ein Gra
dientenverfahren gedacht werden, das dem Gradienten des Ab
gasparameters folgt, bis das lokale Minimum erreicht ist. Alternativ
zu einem solchen Gradientenverfahren ist es möglich,
eine lineare Näherung vorzunehmen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist es deshalb vorzusehen,
in einer ersten Vertrimmung die Kraftstoffversorgung der zwei
Zylinder zuerst durch Anreicherung (Anfettung) des Gemisches des ersten
der zwei Zylinder und gleichzeitige Abmagerung des Gemisches
des zweiten der zwei Zylinder zu vertrimmen und einen zuge
ordneten ersten Messwert des Abgasparameters zu ermitteln,
und dann eine gegensinnige zweite Vertrimmung der Kraftstoff
versorgung durchzuführen und einen zugeordneten zweiten Mess
wert des Abgasparameters zu ermitteln sowie dann aus erstem
und zweitem Messwert diejenige Vertrimmung zu bestimmen, bei
der der Abgasparameter das lokale Minimum zeigt (Anspruch 6). Bei diesem
Vorgehen lässt sich eine lineare Approximation an das Minimum
erreichen.
Eine höhere Genauigkeit bei allerdings etwas erhöhtem Rechen
aufwand kann erreicht werden, wenn der Funktionsverlauf des
Abgasparameters in der Nähe des lokalen Minimums genauer be
kannt ist. Untersuchungen haben ergeben, dass es sich hierbei
oft um eine Parabelform handelt. Es kann deshalb zur exakte
ren Gleichstellung angebracht sein, mit erstem und zweitem
Messwert eine Parabelapproximation durchzuführen (vergl. Anspruch 7). Gegebenen
falls muss noch ein weiterer Messwert bei einer dritten Ver
trimmung erzeugt werden, um das Verfahren hinsichtlich der
Genauigkeit zu verbessern oder des Rechenaufwandes zu verein
fachen.
Durchläuft die Brennkraftmaschine einen stark dynamischen Be
triebszustand, d. h. eine Betriebsphase mit stark wechselnden
Betriebsparametern, z. B. wechselnder Last und/oder wechseln
der Drehzahl, kann mitunter die Lambda-Gleichstellung relativ
schwierig bzw. durch Störeinflüsse gestört sein. Es ist des
halb in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorge
sehen, die Vertrimmung nur dann vorzunehmen, wenn Betriebspa
rameter der Brennkraftmaschine innerhalb bestimmter Rahmen
werte liegen und somit ausreichend stationäre Betriebsbedin
gungen gesichert sind (vergl. Anspruch 8).
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnung in Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Blockdarstellung einer Brennkraftmaschine mit
einem Katalysator im Abgastrakt,
Fig. 2 die Abgastemperatur stromabwärts eines Katalysators
als Funktion der Lambda-Ungleichstellung bei einem
Zylinder einer Mehrzylinderbrennkraft-Maschine;
Fig. 3 eine ähnliche Darstellung der Fig. 2, jedoch für
verschiedene Abgaskomponenten, und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Ver
fahrens zur Lambda-Gleichstellung.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dar
stellt, die mehrere Zylinder aufweist. Der Betrieb der Brenn
kraftmaschine 1 wird von einem Betriebsteuergerät 2 gesteu
ert. Den (nicht dargestellten) Zylindern der Brennkraftma
schine, im vorliegenden Beispiel handelt es sich um vier Zy
linder, teilt ein Kraftstoff-Zufuhrsystem 3, das im vorlie
genden Beispiel als Einspritzanlage ausgebildet ist, unter
Ansteuerung des Betriebsteuergerätes 2 Kraftstoff zu. Die bei
der Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstandenen Abgase
strömen in einen Abgastrakt 4, in dem sich ein Katalysator 5
befindet, der Drei-Wege-Eigenschaften hat. Der Katalysator 5
hat bei einem Lambda-Wert λ0 optimale Wirkung. λ0 kann je
nach Katalysator zwischen 0,99 und 1 liegen.
Zum Lambda-geregelten Betrieb der Brennkraftmaschine 1, der
für optimale Drei-Wege-Wirkung des Katalysators 5 erforder
lich ist, ist stromaufwärts des Katalysators 5 eine
Lambdasonde 7 vorgesehen, die ihre Messwerte über nicht näher
bezeichnete Leitungen an das Betriebssteuergerät 2 abgibt.
Stromabwärts des Katalysators 5 befindet sich ein die Tempe
ratur des Abgases erfassender Temperaturfühler 6, der seine
Messwerte ebenfalls über nicht näher bezeichnete Leitungen
einem im Betriebssteuergerät 2 vorgesehenen Gleichstellungs
regler 8 zuführt. Das Betriebssteuergerät 2 erhält ferner die
Messwerte weiterer Messaufnehmer, insbesondere für die Dreh
zahl, Last, usw. Mit Hilfe dieser Messwerte steuert das Be
triebssteuergerät 2 den Betrieb der Brennkraftmaschine 1.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erfolgt dabei in einer
Lambda-Regelung so, dass das den Sauerstoffgehalt im Rohabgas
anzeigende Signal der Lambdasonde 7 im Mittelwert einen vor
bestimmten Signalpegel entspricht, der Lambda = 1 zugeordnet
ist.
Die Lambdasonde 7 erhält im Abgastrakt 4 das Gemisch aus den
Teilabgasströmen der vier Zylinder der Brennkraftmaschine 1.
Sie zeigt deshalb einen Wert an, der dem mittleren Lambda-
Wert der Verbrennungen in den einzelnen Zylindern entspricht.
Dieser Wert wird im folgenden als Summen-Lambda bezeichnet.
Das Betriebssteuergerät 2 regelt den Betrieb der Brennkraft
maschine nach diesem Summen-Lambda. Einzelne Zylinder der
Brennkraftmaschine 1 können deshalb, je nach Abweichungen Ihrer
Kraftstoffversorgung von konstruktiv vorgesehenen Verhal
ten, bei einem Lambda-Wert betrieben sein, der von 1 ab
weicht. Die Regelung auf das Summen-Lambda garantiert jedoch,
dass solche Abweichungen über alle Zylinder zu null gemittelt
werden.
Um nun die Lambda-Ungleichheit der einzelnen Zylinder, die
aus erwähnten Gründen trotz des korrekten Summen-Lambdas ge
geben ist, bewirkt der Gleichstellungsregler 8 eine solche
Vertrimmung des Kraftstoffzufuhrsystems 3 für die einzelnen
Zylinder, das nicht nur das Summen-Lambda den Wert 1 annimmt,
sondern dass jeder Zylinder der Mehrzylinder-Brennkraft
maschine 1 mit einem Lambda = 1 entsprechenden Gemisch be
trieben wird. Dazu wird in einer ersten Ausführungsform der
in Fig. 2 dargestellte Zusammenhang zwischen Lambda-
Abweichungen und Temperatur des Abgases am Temperaturfühler 6
stromabwärts des Katalysators 5 ausgenutzt.
Bei konstantem Wärmestrom zum Katalysator durch das Abgas
verändert sich die Temperatur am Temperaturfühler 6 in Abhän
gigkeit der durch katalytische Reaktion im Katalysator in
exoterme Energie umwandelbaren Abgasbestandteile.
In Fig. 2 ist die Temperaturänderung ΔT als Funktion der
Lambda-Variation ΔλZ als Temperaturkurve 10 dargestellt. Die
Lambda-Variation ΔλZ ist dabei die Lambda-Abweichung eines
einzelnen Zylinders der Mehrzylinder-Brennkraftmaschine 1 vom
Sollwert Lambda = 1. Zur Aufnahme der Temperaturkurve 10 wur
de der Lambda-Wert eines Zylinders abweichend vom Sollwert
variiert. Die Abweichung ist als ΔλZ aufgetragen. Bei dieser
Variation wurde allerdings das Summen-Lambda der Mehrzylin
der-Brennkraftmaschine 1 konstant gehalten, d. h. Kraftstoff
mehr- oder -mindermengen, die zur Erzeugung der Lambda-
Variation ΔλZ dem Zylinder beaufschlagt wurden, wurden insge
samt gegensinnig bei den anderen Zylindern als Kraftstoffmin
der- oder -mehrmengen berücksichtigt.
Der Verlauf der Temperaturkurve 10 ist in der Tatsache be
gründet, dass die Exothermie der Konvertierungsreaktion im
Katalysator 5 mit steigender Lambda-Abweichung zwischen den
Zylindern zunimmt, auch wenn das Summen-Lambda konstant den
Wert Lambda = 1 hat.
Der nahezu parabelförmige Verlauf der Temperaturkurve 10 mit
einem Minimum bei verschwindender Lambda-Variation ΔλZ, d. h.
dann, wenn der betrachtete Zylinder genau mit Lambda = 1 be
trieben wird, wird im in Fig. 4 schematisch dargestellten
Verfahren zur Zylindergleichstellung ausgenutzt. Dabei werden
jeweils zwei Zylinder gegeneinander bewusst ungleich ge
stellt, um das lokale Minimum der Temperaturkurve 10 aufzu
finden. Bei einer Kraftstoffversorgung, bei der der Tempera
turfühler 6 einem dem lokalen Minimum der Temperaturkurve 10
entsprechenden Wert anzeigt, sind die zwei Zylinder, die zur
Auffindung des Temperaturminimums durch bewusste Ungleich
stellung verwendet wurden, hinsichtlich Ihres Lamda-Wertes
gleichgestellt; sie müssen jedoch nicht beide mit Lambda = 1
entsprechendem Gemisch versorgt sein. Dies ist erst dann er
reicht, wenn alle Zylinder paarweise gegeneinander gleichge
stellt wurden und zugleich die Randbedingung eingehalten ist,
dass das Summen-Lambda immer Lambda = 1 entspricht, da dann
zwangsläufig alle Zylinder individuell bei Lambda = 1 betrie
ben werden.
Beim Geichstellungsverfahren wird in einem Schritt S1 das
Verfahren gestartet. In einem Schritt S2 wird abgefragt, ob
stationäre Bedingungen vorliegen, d. h. ob die Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine, insbesondere Drehzahl und Last,
anzeigen, dass stationäre Bedingungen vorliegen. Dazu können
die zeitlichen Änderungen dieser Parameter geeignet ausgewer
tet werden. Liegen keine stationären Bedingungen vor (N-
Verzweigung) wird vor Schritt S2 zurückgesprungen. Liegen
stationäre Bedingungen vor, werden zuerst zwei Zylinder aus
gewählt.
Dabei wird zur folgenden Beschreibung exemplarisch von fol
gender Konfiguration ausgegangen: Zylinder Z1 mager, Zylinder
Z2 fett, Zylinder Z3 mager und Zylinder Z4 exakt Lambda = 1.
Daß diese Konfiguration exemplarisch nur der Beschreibung
halber gewählt ist und auch andere Konfigurationen zum ge
wünschten Ergebnis führen, wird später noch erläutert werden.
Dann wird in einem Schritt S3 die Temperatur T_nK0 mit dem
Temperaturfühler 6 gemessen und dann gespeichert.
Nun wird in einem Schritt S4 die Kraftstoffversorgung für Zy
linder Z1 gegenüber Zylinder Z2 vertrimmt (Z1+ und Z2-). Die
Kraftstoffversorgung der Zylinder Z3 und Z4 bleibt unverän
dert. Damit das Summen-Lambda weiter den Wert 1 behält, wird
die dem Zylinder Z1 vorenthaltene Kraftstoffmasse dem Zylin
der Z2 zusätzlich zugeführt (Σλ = 1). Die Konfiguration der
Zylinder ist in Schritt S4 dann also: Zylinder Z1 verstärkt
mager, Zylinder Z2 verstärkt fett, Zylinder Z3 unverändert
mager, Zylinder Z4 unverändert Lambda = 1.
In einem darauffolgenden Schritt S5 wird wiederum mittels des
Temperaturfühlers 6 die Temperatur gemessen und als Wert
T_nK1 abgelegt.
Im nächsten Schritt S6 wird nun die Kraftstoffversorgung für
die Zylinder Z1 und Z2 in entgegengesetzter Richtung verän
dert, d. h. gegenüber der Ausgangskonfiguration wird dem Zy
linder Z1 eine zusätzliche Kraftstoffmasse zugeführt und dem
Zylinder Z2 eine entsprechende Kraftstoffmasse vorenthalten.
Somit liegt in Schritt S6 folgende Konfiguration vor: Zylin
der Z1 weniger mager, Zylinder Z2 weniger fett, Zylinder Z3
unverändert mager und Zylinder Z4 unverändert Lambda = 1. Die
sich dabei einstellende Temperatur T_nK2 am Temperaturfühler
6 wird ebenfalls erfasst und abgespeichert.
Die drei Temperaturen T_nK0. . .2 mit den jeweils zugeordneten
Vertrimmungen entsprechen drei Punkten auf der Temperaturkur
ve 10 der Fig. 2. Man kann somit in einem Schritt S8 diejeni
gen Kraftstoffmassen m1 und m2 als Funktion der gemessenen
Temperaturen ermitteln, bei denen das Minimum der Temperatur
kurve 10 erreicht ist. Dann sind beide Zylinder Z1 und Z2
hinsichtlich Ihres Lambda-Wertes aufeinander abgeglichen.
Diese Kraftstoffmassen, die auch als ein Korrekturfaktor vor
liegen können, der zylinderindividuell bei der Ansteuerung
der Kraftstoffzufuhr 3 berücksichtigt werden muß, bewirkt,
daß beide Zylinder Z1 und Z2 exakt denselben Lambda-Wert wäh
rend der Verbrennung haben.
Da bei den Veränderungsschritten S4 und S6 sowie bei Start
des Verfahrens S1 das Summen-Lambda konstant Lambda = 1 ein
hielt, wäre bei einer Zwei-Zylinderbrennkraftmaschine nach
Schritt S8 eine absolute Gleichstellung beider Zylinder auf
Lambda = 1 erreicht. Da es sich bei der Brennkraftmaschine 1
im vorliegenden Fall aber um eine Vierzylinder-Brennkraft
maschine handelt, ist nach Schritt S8 noch keine absolute
Gleichstellung erreicht.
Es wird deshalb in einem Schritt S9 abgefragt, ob alle Zylin
der der Brennkraftmaschine gegeneinander gleichgestellt wur
den. Dies ist im vorliegenden Fall nicht gegeben, weshalb zum
Schritt S2 zurückgesprungen wird. (N-Verzweigung), wobei zuvor
noch in einem Schritt S10 ein neues Zylinderpaar ausgewählt
wird. Dabei wird einer der bereits gleichgestellten Zylinder
mit einem der bislang noch nicht behandelten Zylinder kombi
niert, beispielsweise die Zylinder Z2 und Z3.
Werden anschließend die Zylinder Z3 und Z4 in einem erneuten
Durchlauf durch die Schritte S2 bis S8 gleichgestellt, ist,
wenn zugleich die Rahmenbedingung, dass das Summen-Lambda den
Wert 1 behalten muss, eingehalten wurde, eine komplette abso
lute Gleichstellung aller Zylinder erreicht.
Welches Zylinderpaar zuerst der Vertrimmung unterzogen wird
und dadurch gegeneinander gleichgestellt wird, ist für die
Durchführung des Verfahrens unbeachtlich, solange die Ver
trimmung eine Temperaturänderung bewirkt. Dies ist nur dann
nicht der Fall, wenn beide Zylinder schon gleichgestellt
sind. Diese Konfiguration kann aber relativ einfach daran er
kannt werden, dass die Temperatur T_nK0 gleich der Temperatur
T_nK1 ist. In einem solchen Fall wird ein Zylinder des Zylin
derpaares zu wechseln sein. Die diesbezügliche Abfrage zwi
schen den Schritten S5 und S6 ist der besseren Übersichtlich
keit halber in Fig. 4 nicht eingezeichnet.
Das beschriebene Verfahren bietet eine Möglichkeit, das loka
le Minimum der Temperaturkurve 10 aufzufinden. Die Genauig
keit lässt sich steigern, wenn nicht nur drei Temperaturen
T_nK0. . .2 bei entsprechenden Vertrimmungen eines Zylinderpaa
res erzeugt werden, sondern mehr, z. B. vier. Hierzu kann ei
ne entsprechende, in Fig. 4 gestrichelt dargestellte, Schleife
vorgesehen werden, um mehr als drei Vertrimmungen vorzu
nehmen und die zugeordneten Temperaturen zu erfassen und so
eine genauere Auffindung des lokalen Minimums der Temperatur
kurve 10 zu ermöglichen.
In einer Abwandlung des Verfahrens zur Zylindergleichstellung
kann statt der mit dem Temperaturfühler 6 erfassten Tempera
tur stromabwärts des Katalysators 5 auch die Temperatur des
Katalysators selbst verwendet werden, da diese die gleiche
Abhängigkeit von der Lambda-Gleichstellung, wie die Tempera
turkurve 10, aufweist.
In einem alternativen Verfahren ist es auch möglich, anstelle
der Temperatur stromabwärts des Katalysators 5 eine Konzen
tration einer Abgaskomponente zur Lambda-Gleichstellung zu
verwenden, die bei Lambdagleichgestellten Zylindern ein Ex
tremum aufweist. Ein Beispiel für solche Abgaskomponenten ist
die NOx-Konzentration.
Die NOx-Konzentration in unbehandeltem Roh-Abgas einer Brenn
kraftmaschine steigt zwar in der Umgebung von Lambda = 1 kon
tinuierlich mit steigenden Lambda-Werten an, bedingt durch
die in Fig. 3 dargestellte Abhängigkeit des Konvertierungs
grades η des Katalysators 5 von der Lambda-Variation ΔλZ, hat
die NOx-Konzentration stromab des Katalysators 5 eine ähnli
che Abhängigkeit von der Lambda-Variation wie die Temperatur
kurve 10 mit einem lokalen Maximum bei Lambdagleichgestellten
Zylindern, d. h. bei verschwindender Lambda-Variation ΔλZ.
Alternativ zur Verwendung der Temperatur kann somit die NOx-
Konzentration verwendet werden, um eine Zylindergleichstel
lung hinsichtlich des Lambda-Wertes zu erreichen. Zur Durchführung
dieses Verfahrens ist natürlich ein NOx-Sensor strom
ab des Katalysators 5 erforderlich.
Ein die NOx-Konzentration verwendendes Verfahren zur Lambda-
Gleichstellung durchläuft somit ebenfalls die Schritte S1 bis
S10 der Fig. 4, wobei in den Schritten S3, S5 und S7 nun
nicht mehr Temperaturen gemessen und gespeichert werden, son
dern NOx-Konzentrationen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Lambda-Gleichstellung bei einer auf
Lambda = 1 geregelten, einen Katalysator im Abgastrakt auf
weisenden Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei dem
fortlaufend im Abgastrakt der Brennkraftmaschine stromab wärts des Katalysators oder am Katalysator ein Abgaspara meter erfasst wird, der ein lokales Extremum zeigt, wenn die Verbrennung in allen Zylindern bei Lambda = 1 er folgt, und
die Kraftstoffversorgung bei jeweils zwei Zylindern durch gleichzeitige Anreicherung des Gemisches für den einen und Abmagerung für den anderen Zylinder vertrimmt wird, wobei
die Vertrimmung so gewählt ist, dass das zusammengeführte Abgas beider Zylinder einem Abgas einer Verbrennung von gemittelt Lambda = 1 entspricht, und
die Vertrimmung so eingestellt wird, dass der Abgaspara meter maximiert oder minimiert wird.
fortlaufend im Abgastrakt der Brennkraftmaschine stromab wärts des Katalysators oder am Katalysator ein Abgaspara meter erfasst wird, der ein lokales Extremum zeigt, wenn die Verbrennung in allen Zylindern bei Lambda = 1 er folgt, und
die Kraftstoffversorgung bei jeweils zwei Zylindern durch gleichzeitige Anreicherung des Gemisches für den einen und Abmagerung für den anderen Zylinder vertrimmt wird, wobei
die Vertrimmung so gewählt ist, dass das zusammengeführte Abgas beider Zylinder einem Abgas einer Verbrennung von gemittelt Lambda = 1 entspricht, und
die Vertrimmung so eingestellt wird, dass der Abgaspara meter maximiert oder minimiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abgasparameter
die Abgastemperatur oder die Katalysatortemperatur ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Abgasparameter
die NOx-Konzentration im Abgas ist.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche zur Lambda-
Gleichstellung bei einer Brennkraftmaschine mit mindestens
drei Zylindern, bei dem alle Zylinder nacheinander paarweise
gleichgestellt werden.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem meh
rere unterschiedliche Vertrimmungen durchgeführt werden, um
diejenige Vertrimmung der Kraftstoffversorgung aufzufinden,
bei der der Abgasparameter minimiert ist.
6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem
in einer ersten Vertrimmung die Kraftstoffversorgung für die zwei Zylinder zuerst durch Anfettung des ersten der zwei Zylinder und gleichzeitige Abmagerung des zweiten der zwei Zylinder vertrimmt wird und ein zugeordneter erster Messwert des Abgasparameters ermittelt wird,
dann eine gegenseitige zweite Vertrimmung der Kraft stoffversorgung für die zwei Zylinder durchgeführt wird und eine zugeordneter zweiter Messwert des Abgasparame ters ermittelt wird und
aus erstem und zweitem Messwert diejenige Vertrimmung ermittelt wird, bei der der Abgasparameter das lokale Minimum zeigt.
in einer ersten Vertrimmung die Kraftstoffversorgung für die zwei Zylinder zuerst durch Anfettung des ersten der zwei Zylinder und gleichzeitige Abmagerung des zweiten der zwei Zylinder vertrimmt wird und ein zugeordneter erster Messwert des Abgasparameters ermittelt wird,
dann eine gegenseitige zweite Vertrimmung der Kraft stoffversorgung für die zwei Zylinder durchgeführt wird und eine zugeordneter zweiter Messwert des Abgasparame ters ermittelt wird und
aus erstem und zweitem Messwert diejenige Vertrimmung ermittelt wird, bei der der Abgasparameter das lokale Minimum zeigt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ermittlung der
Vertrimmung aus dem ersten und dem zweiten Messwert durch ei
ne Parabelapproximation erfolgt.
8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei die
Vertrimmung nur vorgenommen wird, wenn Betriebsparameter der
Brennkraftmaschine innerhalb bestimmter Rahmenwerte liegen
und stationären Betrieb der Brennkraftmaschine anzeigen.
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Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20131001 |