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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs. Es sind bereits Verfahren zur Steuerung von Brennkraftmaschinen
mit mehreren Zylindern bekannt, bei denen ein Lambdasignal einer
Lambdasonde im Abgas der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Dieses
Signal wird dazu verwendet, das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff
so zu beeinflussen, dass ein vorgegebener Solllambdawert erreicht
wird.
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Aus
der
DE 19955252 C2 ist
bereits ein Verfahren zur zylinderselektiven Lambdaregelung bekannt
bei dein der Lambda-Sollwert in einem ersten Zeitabschnitt erhört und in
einen zweiten Zeitabschnitt verringert wird. Aus der
DE 102 06 402 ist bereits ein Verfahren
zur Lambdaregelung bekannt, bei dem der Lambdasollwert für einen
Zylinder für
einen ersten Zeitabschnitt erhöht
und für
einen zweiten verringert wird.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass auf besonders einfache Weise der gemessene Lambdawert
mit einem einzelnen Zylinder verknüpft wird. Es wird dadurch ermöglicht,
auf besonders einfache Weise einen einzelnen Zylinder der Mehrzahl
von Zylindern zu identifizieren und den Lambdawert für diesen
Zylinder individuell zu beeinflussen. Dies erfolgt besonders einfach,
wenn das Signal der Lambdasonde und das Quadrat des Signals der
Lambdasonde jeweils für jede
der beiden Verbrennungsperioden aufsummiert wird. Es ist dann nicht
erforderlich, den gesamten zeitlichen Verlauf zu speichern, sondern
es ist ausreichend die aufsummierten Werte abzuspeichern. Der Bedarf
an Speicherplatz und der Rechenaufwand wird dadurch besonders gering
gehalten.
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Zur
Verbesserung der Genauigkeit des bestimmten Lambdawerts für den einzelnen
Zylinder können
auch eine Mehrzahl von zwei Verbrennungsperioden betrachtet werden.
Der so ermittelte Lambdawert kann zur Regelung des Lambdawertes
eines einzelnen Zylinders an dem die Lambdawerte erhöht und verringert
werden, verwendet werden. Zur Verbesserung des Lambdawertes aller
Zylinder kann das Verfahren sukzessiv an allen Zylindern durchgeführt werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen 1 eine Brennkraftmaschine und 2 verschiedene Signalverläufe gegenüber der
Zeit.
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Beschreibung
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In
der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine mit
einem ersten Zylinder 1 und einem zweiten Zylinder 2 gezeigt.
Jedem der beiden Zylinder 1, 2 wird über eine
Luftzuführung 3 Luft
zugeführt. In
den Brennraum der Zylinder 1, 2 wird dann jeweils eine
Kraftstoffmenge durch ein Einspritzventil 4 eingespritzt
und in den Zylindern 1, 2 verbrannt. Die Verbrennungsprodukte
dieses verbrannten Kraftstoffes werden durch Abgasrohre 5 von
den Zylindern 1, 2 weggeführt und münden gemeinsam in einem Abgassammelrohr 8.
In dein Abgassammelrohr 8 ist eine Lambdasonde 6 vorgesehen,
die die Zusammensetzung der Verbrennungsabgase der Zylinder 1, 2 auswertet.
Dabei wird insbesondere der restliche Sauerstoffgehalt des Abgases
untersucht. Die Messwerte der Lambdasonde 6 werden durch
eine entsprechende Signalleitung 9 zu einem Steuergerät 7 geführt, welches
entsprechende Berechnungen aufgrund des Lambdasignals vornimmt.
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In
der 1 wird eine Zweizylinderbrennkraftmaschine gezeigt. Übliche Brennkraftmaschinen wie
sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden, haben in der Regel eine
größere Anzahl
von Zylindern, insbesondere Vierzylindermotoren sind sehr verbreitet. Die
Darstellung von zwei Zylindern wurde hier nur aus Grunden der Übersichtlichkeit
gewählt.
Weiterhin wurden die Zylinder 1, 2 auch nur sehr
schematisch dargestellt. In den Zylindern 1, 2 ist
jeweils noch ein hier nicht dargestellter Kolben vorgesehen, der
aufgrund der in den Zylindern 1, 2 entstehenden
Druckerhöhung
durch die Verbrennung des Kraftstoffes mit der Luft in Bewegung
umgesetzt wird. Weiterhin sind für
die Luftzuführung durch
die Ansaugkanäle 3 üblicherweise
Einlassventile vorgesehen, die hier ebenfalls nicht dargestellt
sind. Weiterhin sind bei Brennkraftmaschinen üblicherweise Auslassventile vorgesehen,
die den Brennraum der Zylinder 1, 2 gegen die
Abgasrohre 5 abdichtet. Durch Öffnen und Schließen der
Ein- und Auslassventile wird der Brennraum der Zylinder 1, 2 mit
frischer Luft aus dem Saugrohr 3 gefüllt, durch die Einspritzventile 4 wird Kraftstoff
eingespritzt, es erfolgt die Verbrennung und dann werden die Auslassventile
geöffnet,
um die Abgase der Verbrennung durch die Abgasrohre 5 und das
Abgassammelrohr 8 zum Auspuff bzw. an die Umwelt abzugeben.
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Durch
die Lambdasonde 6 wird die Zusammensetzung des Abgases,
insbesondere der Sauerstoffgehalt festgestellt. Das Signal der Lambdasonde 6 bzw.
der Sauerstoffgehalt des Abgases variiert jedoch während der
Messung. Weiterhin ist die Zuordnung des gemessenen Lambdasignals
zu den einzelnen Zylindern problematisch, d. h. es kann nicht klar beurteilt
werden, ob ein aktuell gemessener Wert für die Zusammensetzung des Abgases
vom Zylinder 1 oder vom Zylinder 2 stammt. Dies
ist aber wünschenswert,
um so für
jeden der beiden Zylinder 1, 2 jeweils für sich eine
Korrektur der eingespritzten Kraftstoffmenge zu ermöglichen,
um in jedem der beiden Zylinder 1, 2 bei jeder
Verbrennung eine optimale Annäherung
des Lambdawertes des Abgases an einen gewünschten Sollwert (der üblicherweise
1 ist) zu erreichen. Unterschiede in den Lambdawerten zwischen den
beiden Zylindern 1, 2 ergeben sich zum einen durch
unterschiedliche Luftbefüllungen,
d. h. Unterschiede in der Ausgestaltung der Saugrohre 3,
entweder konstruktionsbedingt oder fertigungsbedingt führen zu
einer unterschiedlichen Befüllung
der einzelnen Zylinder mit Luft. Weiterhin können Schwankungen zwischen
den Einspritzventilen 4 vorliegen. Es ist daher wünschenswert,
die von der Lambdasonde 6 gemessene Signale den einzelnen Zylindern 1, 2 zuordnen
zu können,
um entsprechende Maßnahmen
zur Regelung des Lambdawertes der jeweiligen einzelnen Zylinder
zu ermöglichen.
Ein entsprechender Regelungseingriff kann sowohl an den Einspritzventilen 4 durch
Beeeinflussung der Einspitzzeit wie auch an entsprechenden Stellgliedern
des Saugrohres 3 wie beispielsweise eines Einlassventils
erfolgen.
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Um
nun eine Zuordnung der Signale der Lambdasonde 6 zu den
einzelnen Zylindern 1, 2 zu ermöglichen,
wird erfindungsgemäß vorgesehen, mindestens
zwei Verbrennungsperioden eines einzelnen Zylinders auszuwerten.
Dabei wird bei ein und demselben Zylinder einmal die Befüllung mit
Luft oder Kraftstoff in Richtung einer Erhöhung des Lambdawertes und einmal
in Richtung einer Erniedrigung des Lambdawertes beeinflusst. Durch diese
Maßnahme
ist es dann möglich,
die gemessenen Lambdasignalen dem entsprechenden Zylinder zuzuordnen
und entsprechende Maßnahmen
zur Regelung des Lambdawertes des einzelnen Zylinders zu ergreifen.
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In
der 2 werden für eine Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine
der Signalverlauf des Lambdasignals über zwei nacheinanderliegende Verbrennungsperioden
der Brennkraftmaschine und davon abgeleitete Signale gezeigt. In
der 2a wird das Lambdasignal in einem Winkelbereich
zwischen 0 und 720° Kurbelwellenwinkel
gezeigt. Der Bereich zwischen 0 bis 180° ist dabei bei einem ersten
Zylinder 1, der Bereich von 180° bis 360° einem Zylinder 2,
der Bereich von 360° bis
540° einem
Zylinder 3 und der Bereich von 540° bis 720° einem vierten Zylinder 4 zugeordnet,
d. h. in diesen Winkelbereichen strömen die Abgase der Zylinder
entsprechend an der Lambdasonde 6 vorbei. Durch entsprechende Maßnahmen
beispielsweise durch eine entsprechend verkürzte Ansteuerung des Einspritzventils 4 wurde
das Lambdasignal des Zylinders 3 in Richtung einer Lambdawerterhöhung über den
Wert 1 (d. h. mageres Gemisch) erhöht. Dies ist am Signalverlauf der
Kurve A auch dadurch zu erkennen, dass bei 360° ein Sprung zu höheren Lambdawerten
und bei 540° ein
Rücksprung
zu niedrigeren Lambdawerten erfolgt. Die Schärfe des Sprungs und die Höhe des Sprung
wurden hier idealisiert und überhöht dargestellt.
Bei dem gleichen Zylinder 3 wurde in der unmittelbar nächsten Verbrennung
die dann in einem Winkelbereich zwischen 720° und 1440° erfolgt der Lambdawert in Richtung
fett, d. h. zu geringeren Lambdawerten deutlich geringer als 1 verändert. Der Lambdaverlauf
dieses Signals wird in der Kurve B gezeigt, in der bei einem Winkel
von 1080° ein
Sprung in Richtung eines fetteren Lambdawertes unter 1 und bei 1260° ein Rücksprung
in Richtung eines mageren Lambdawertes erfolgt. Es handelt sich
hiermit bei den Kurven A und B um das Signal der Lambdasonde aufgetragen über einen
Winkel von 0 bis 1440°,
d. h. zwei Verbrennungsperioden der Brennkraftmaschinen, wobei bei
der ersten Verbrennungsperiode zwischen 0 und 720° beim Zylinder 3 eine
Verstellung in Richtung eines höheren
Lambdawertes und in der zweiten Verbrennungsperiode von 720 bis
1440° eine
Verstellung in Richtung eines geringeren Lambdawertes erfolgt. Bei
den anderen Zylindern, d. h. den Zylindern 1, 2 und 4 erfolgt
keine derartige Verstellung, d. h. bei diesen Zylindern wurde versucht möglichst
nah bei dem hier als Sollwert vorgegebenen Wert von Lambda gleich
Eins zu bleiben. Trotzdem ergeben sich geringe Schwankungen, die
jedoch wie hier gezeigt. wird bei beiden Kurven gleich sind. Die
absolute Gleichheit dieser Kurven für die Zylinder 1, 2 und 4 ist
naturlich nur ein bei realen Systemen nicht so ideal wie hier dargestellt.
Bei realen Brennkraftmaschinen sind auch dort geringe Unterschiede
vorhanden, die jedoch einfach auf statistische Schwankungen und
nicht aufgrund von systematischen Unterschieden herrühren.
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In
den 2c und 2d werden
dann abgeleitete Signale dargestellt, d. h. Signale die sich aus
einer Berechnung der Kurven A und B ergeben. In der 2c wird
das Differenzsignal A – B
gezeigt. Da für
die Zylinder 1, 2 und 4 die Signale der
Kurven A und B gleich sind, ergibt die Differenz in diesem Fall den
Wert Null. Im Bereich des Filters 3 entspricht die Differenz
dieser beiden Kurven dem doppelten der gewählten Verstellung, d. h. die
Lambdaerhöhung der A und die Lambdaerniedrigung der Kurve
B addieren sich zu dem Wert wie er in der Kurve C gezeigt wird.
Aufgetragen ist in der 2c das Differenzsignal gegenüber dem
Winkel der Verbrennungsperiode von 0 bis 720°.
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In
der 2d wird der Mittelwert der beiden Kurven A und
B abzüglich
des Sollwertes gegenüber dem
Winkel von 0 bis 720° einer
Verbrennungsperiode aufgetragen. Der Wert (A + B)/2 ist der arithmetische
Mittelwert der beiden Kurven A und B. Von diesem arithmetischen
Mittelwert wurde dann noch der Sollwert (hier Lambda = 1) abgezogen.
Im Bereich der Zylinder 1, 2 und 4 entspricht
dies einfach der Schwankung der Lambdawerte um den Wert 1, wie es
in den Figuren A und B gezeigt wurde. Im Bereich des Zylinders 3 wird
durch die Bildung des arithmetischen Mittels der zusätzlich erzeugte
Lambdaversatz der Kurve A und der Kurve B gegeneinander aufgehoben,
da in der Kurve A um den gleichen Wert in Richtung Lambdaerhöhung verstellt
wurde, wie in der Figur B in Richtung eines geringeren Lambdawertes verstellt
wurde. Die Kurve 2d zeigt somit die Abweichungen der einzelnen
Zylinder von dem Lambdasollwert 1.
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Wenn
die Kurve 2d vorliegt und klar ist, wie das Signal den
einzelnen Zylindern zuzuordnen, so könnte durch diese Kurve 2d allein
für jeden
einzelnen der vier Zylinder der Vierzylinderbrennkraftmaschine eine
Lambdaregelung erfolgen. Da aber nicht bekannt, zu welchem Zeitpunkt
das Lambdasignal auf welchen Zylinder zurückzuführen ist, kann aus der Kurve
d nicht ermittelt werden, wie jede einzelne Zylinder beeinflusst
werden soll. Die Aufteilung nach Zylinder 1, 2, 3, 4 wie
hier gezeigt, hat daher auch nur illustrierenden Charakter. Durch
eine gemeinsame Betrachtung der 2c und 2d ist
es jedoch möglich,
den Anteil des Lambdasignals der auf den Zylinder 3 zurückgeht zu
erkennen. Dies erfolgt einfach dadurch, in dem das Signal der Kurve 2c dazu verwendet
wird, in der 2d den Bereich zu identifizieren,
der auf den Zylinder 3 zurückgeht. Die Variation des Lambdasignal
eines einzelnen Zylinders in zwei nacheinander er folgenden Verbrennungen
ermöglicht
somit die Erkennung des betreffenden Zylinders im zeitlichen Verlauf
des Lambdasignals. Diese Vorgehensweise erfordert jedoch die Abspeicherung aller
Messwerte zwischen 0 und 720° bzw.
zwischen 720 und 1440° und
erfordert somit einen relativ hohen Speicherbedarf. Wie sich jedoch
durch eine nun folgende mathematische Betrachtung dieser Kurven ergibt,
ist es nicht erforderlich, die gesamten Kurvenverläufe zu speichern.
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Der
in der 2a gezeigte Signalverlauf lässt sich als der Vektor A darstellen,
wobei der Vektor aus einer Abfolge von einzelnen Werten ai besteht. Entsprechend lässt sich auch die Kurve B als Vektor
B mit einzelnen Elementen bi und der zeitliche Verlauf
des Sollwerts als Vektor SOLL mit den Einzelelementen solli darstellen. Entsprechend ergibt sich die
Kurve 2c, in dem die beiden Vektoren A und B voneinander
abgezogen. Die Kurve 2d ergibt sich, in dem die beiden
Vektoren addiert werden durch zwei geteilt werden und der Sollwert,
im Beispiel nach der 2 beträgt der Sollwert
Eins, abgezogen wird. Wenn man das Produkt der beiden Kurven c und
d bildet, so ist in den Bereichen 1, 2 und 4 der Wert Null, da dort
die Kurve c ebenfalls Null beträgt.
Im Bereich 3 wird so das Produkt der abweichenden Größe mal der
Istwertabweichung wie sie in der d gezeigt
wird, gebildet. In vektorieller Schreibweise ergibt dies (A – B)
((A + B)/2 – SOLL))
= Σ((ai – bi)·(0.5·( ai + bi) – solli)
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Wenn
solli konstant als soll angenommen wird,
läßt sich
die vereinfachen zu 0.5Σai 2 – 0.5Σbi 2 – sollFai + sollΣbi.
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Das
Ergebnis dieser Multiplikation liefert somit Summenwerte, wobei
jeweils nur Summen gebildet werden, die für die einzelnen Kurven A und
B für sich
gebildet werden können.
Gemischte Terme ai·bi treten
nicht auf und der Sollwert ist ebenfalls fest. Dies bedeutet, dass
das Produkt der Kurve C und D einfach dadurch gebildet werden kann,
indem die Kurve A und B der 2a und 2b für sich betrachtet
werden. Es ist daher für
die Kurve A ausreichend, das Quadrat der Messwerte und die Messwerte
selber aufzusummieren. Entsprechend werden die Messwerte der Kurve
B und das Quadrat der Messwerte der Kurve B aufsummiert. Es müssen somit
nur vier Werte gespeichert werden, nämlich Σai 2, Σbi 2, Σai und Σbi um das Produkt der beiden Kurven C und
D zu berechnen. Dies ist eine vergleichsweise einfache Berechnung,
die es insbesondere nicht er fordert, den gesamten Verlauf der Kurven
A und B zu speichern. Vielmehr ist es ausreichend während zweier
Verbrennungsperioden jeweils den Lambdawert eines der vier Zylinder
einmal in Richtung fett und einmal in Richtung mager zu beeinflussen.
Durch Aufsummieren der Messwerte und durch Aufsummieren der Quadrate
der Messwerte während
dieser beiden Verbrennungsperioden kann dann das Produkt berechnet
werden, welches ein Maß für die Abweichung
des Lambdawertes des entsprechenden Zylinders von dem Sollwert ist.
Es kann somit durch eine einfache Aufsummation während dieser zwei Verbrennungsperioden
für den
betreffenden Zylinder die Abweichung vom Lambdasollwert ermittelt
werden.
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In
der 2 ist natürlich eine idealisierte Situation
dargestellt, bei der die beiden Kurven A und B im Zeitverlauf bis
auf den Bereich, in dem bewusst eine Abweichung provoziert wurde,
ein gleicher Kurvenverlauf vorliegt. In der Realität streuen
jedoch die Werte, so dass immer ein gewisser Anteil der Kurve C über den
gesamten Bereich einem von Null verschiedenen Wert aufweist. Es
sollten daher mehr als zwei Perioden, insbesondere eine Vielzahl
von Verbrennungsperioden ausgewertet werden, um diese Einflüsse herauszumitteln.
Entsprechend sollte der Regler, der den Lambdawert für den jeweils
beeinflussten Zylinder regelt, entsprechend langsam eingestellt
sein, um diese Störungen
auszugleichen. Weiterhin ist es sinnvoll, sukzessive nacheinander alle
Zylinder zu regeln, um so eine Verbesserung der Lambdaregelung für die gesamte
Brennkraftmaschine zu erreichen. Weiterhin nimmt natürlich die
Querbeeinflussung von Zylinder zu Zylinder ab, wenn die Abweichungen
der einzelnen Zylinder wie in der 2d gezeigt
bereits gering sind. Alternativ ist es auch noch eine Möglichkeit,
zunächst
die Abweichungen für
alle Zylinder zu bestimmen und erst nach einem kompletten Durchlauf
für alle
Zylinder die Verstellung für
alle Zylinder dann auch durchzuführen.