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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der zylinderselektiven Messung des Lambdawertes im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 102 06 402 C1 ist ein Verfahren zur zylinderselektiven Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern bekannt. Für die Lambdaregelung wird die Differenz aus einem Lambda-Sollwert und einem Lambda-Istwert zylinderselektiv für jeweils einen der Zylinder gebildet. Der Differenzwert dient zur Lambdaregelung. Stellgröße ist dabei die über die Einspritzzeitdauer bestimmte Kraftstoffmenge für den Zylinder. Zur Auswertung eines spezifischen Zylinders wird der Lambda-Sollwert für den Zylinder in einem ersten Zeitabschnitt oder während einer Anzahl von Abgaspaketen verändert. Die Lambdaregelung passt daraufhin auf Basis des geänderten Sollwertes die Kraftstoffmenge an. Diese sogenannte Anregungsamplitude bewirkt, dass in einer Folge von Abgaspaketen der Einzelzylinder selektiv der mit der Anregungsamplitude beaufschlagte Zylinder gemessen werden kann. Die Lambda-Istwerte sind einfach zu identifizieren, da in den Zeitabschnitten jeweils veränderte Lambdawerte vorliegen. Der „wahre“ Lambdawert muss aus dem dann mit der Anregungsamplitude beaufschlagten Lambdawert zurückgerechnet werden. Es erfolgt ein Verstimmen des Lambdawertes der Einzelzylinder, um das von diesem stammende Abgaspaket zu erkennen und genauer für den jeweiligen Einzelzylinder eine Lambdaregelung vornehmen zu können.
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Aus der
DE 37 43 295 C1 ist eine Vorrichtung zur Verlängerung der Lebensdauer und Verbesserung der Messrepräsentanz einer in dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten beheizten Lambdasonde bekannt. Ein Gasablenkblech ist derart im Abgasstrom in Strömungsrichtung der Gase gesehen vor der Lambdasonde angeordnet, dass die Lambdasonde in dessen Strömungsschatten liegt.
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Die Anordnung des Gasablenkblechs unmittelbar vor der Lambdasonde führt durch die vom Strömungsabriss an dem Blech ausgelösten Verwirbelungen zu einer Verbesserung der Abgasvermischung und damit zu einem repräsentativen Sondensignal für die Lambdaregelung.
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Aus der
DE 26 58 982 A1 ist eine Regelvorrichtung zum Halten des Kraftstoff-Luftverhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten verbrennbaren Gemisches auf einem vorbestimmten Wert, mit einer elektrisch steuerbaren Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung, mit einem Abgassensor, der in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingebaut ist und ein erstes elektrisches Signal erzeugt, das die Konzentration eines bestimmten Bestandteils des Abgases als Kennzeichen für ein tatsächlich vorliegendes Kraftstoff-Luftverhältnis wiedergibt, mit einer Abweichungsdetektorschaltung, die ein zweites Signal erzeugt, das eine Abweichung des ersten Signals von einem Bezugssignal wiedergibt, und mit einer Regelschaltung zum Erzeugen eines Regelsignals, um die Funktion der Kraftstoff und Luft proportionierenden Einrichtung auf der Basis des zweiten Signals zu regeln, bekannt.
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Die Regelschaltung weist eine Kompensationseinrichtung auf, die in Abhängigkeit von der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an einem Abschnitt der Abgasleitung, an dem der Abgassensor eingebaut ist, die Richtung der Regelung des Kraftstoff-Luftverhältnisses aufgrund des Regelsignals von dem vorbestimmten Verhältnis auf ein vorläufiges Verhältnis leicht verschiebt, um eine Änderung der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zu kompensieren.
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Eine Einzelzylindererkennung durch Lambdasonden im Abgasstrang wird durch die Struktur der Abgaspakete einerseits und das Ansprechverhalten der Lambdasonde andererseits beeinflusst. Eine Detektion von einzelnen Abgaspaketen kann durch hinreichend schnell messende Lambdasonden erfolgen. Das Ansprechverhalten moderner Lambdasonden ist schnell genug, um zylinderselektiv Abgaspakete zu erkennen, es wird jedoch weiterhin von den Anströmbedingungen an der Lambdasonde beeinflusst. Ein das Ansprechverhalten begrenzender Faktor ist dabei das Sensorelement umgebende Schutzrohr. Abhängig von der geometrischen Ausgestaltung des Schutzrohres erfolgt in diesem eine Vermischung der Abgaspakete der Einzelzylinder. Während des Ausschub-Motorzyklus eines Zylinders wird das Schutzrohr aufgrund seiner Drosselwirkung meist nicht vollständig mit dem Abgasmassenstrom eines Zylinders durchströmt.
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Maßgeblich für die Durchströmung des Schutzrohres ist die Abgasgeschwindigkeit einerseits sowie die Ausrichtung des Schutzrohres im Abgasstrang andererseits. Insbesondere bei geringer Last und niedrigen Drehzahlen weist der Abgasmassenstrom eine geringe Geschwindigkeit auf. Eine Lambdasonde besteht aus einem Sensorelement und einem das Sensorelement schützenden Schutzrohr. Während der Ausschubphase eines Zylinders wird das Schutzrohr nur unzureichend durchspült, d. h. durchströmt. Die Lambdasonde misst dabei im Schutzrohr ein Gemisch aus den Abgaspaketen verschiedener Zylinder.
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Erfolgt eine zylinderselektive Messung der Lambdawerte mehrerer Zylinder durch eine Lambdasonde, so kann anhand der Gaslaufzeit des Abgasmassenstroms ein Lambdamesswert einem Zylinder zugeordnet werden. Da bei Lambdasonden, die ein Schutzrohr umfassen, insbesondere bei geringen Abgasgeschwindigkeiten, ein Anteil eines oder mehrerer Abgaspakete eines oder mehrerer Zylinder in dem Schutzrohr verbleibt, während das Abgaspaket eines selektierten Zylinders in das Schutzrohr strömt, wird der gemessene Lambdawert des Abgaspakets des selektierten Zylinders durch die im Schutzrohr verbliebenen Restanteile verfälscht.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe einer Verbesserung der Messgenauigkeit einer Lambdasonde bei einer zylinderselektiven Lambdamessung für den jeweiligen Zylinder zugrunde.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt abhängig von einem Betriebspunkt, bezogen auf Last und Drehzahl, eine Erhöhung der bei einem geöffneten Auslass vorherrschenden Druckdifferenz zwischen dem selektierten Zylinder und dem Abgasstrang. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Abgasmassenstroms für den jeweiligen Betriebspunkt erhöht, so dass die Durchströmung des Schutzrohres der Lambdasonde und somit die Genauigkeit der Lambdamessung für den jeweiligen Zylinder verbessert wird.
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Die Durchströmung des Schutzrohres wird durch die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms bestimmt.
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Dies hat zur Folge, dass nur bei ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine ausreichende Durchströmung des Schutzrohres erzielt wird.
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Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms wird durch die bei geöffnetem Auslass vorherrschende Druckdifferenz zwischen dem Zylinder und dem Abgasstrang bestimmt.
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In der Regel ist die Druckdifferenz bei einem definierten Betriebspunkt vom Zündwinkel, den Zeitpunkten der Einspritzung, den Zeitpunkten der Öffnung des Auslasses abhängig. Bei gleichbleibenden Ventilsteuerzeiten nimmt der Abgasmassenstrom mit steigender Last und Drehzahl zu.
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Im Sinne der Erfindung wird im Folgenden eine Verstellung des Zündwinkels, des Zeitpunkts der Einspritzung oder des Zeitpunkts der Öffnung des Auslasses zu einem früheren Zeitpunkt als eine Verstellung in Richtung „früh“ bezeichnet.
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Analog hierzu entspricht eine Verstellung in Richtung „spät“ einer Verstellung zu einem späteren Zeitpunkt.
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Bei einer zylinderselektiven Verstellung des Zündwinkels oder des Zeitpunkts der Einspritzung in Richtung „spät“ wird das Druckgefälle bei geöffnetem Auslass zwischen Zylinder und Abgasanlage erhöht, was die zylinderselektive Durchströmung der Lambdasonde fördert und somit den Anteil des durch die Lambdasonde gemessenen Lambdawerts am tatsächlichen, „wahren“ Lambdawert des Einzelzylinders aus dem Abgasmassenstrom erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Erzielung einer Erhöhung des Differenzdrucks, welcher zum Zeitpunkt von „Auslass öffnet (Aö)“ zwischen dem selektierten Zylinder und dem Abgasstrang vorliegt, der Zeitpunkt der Öffnung des Auslasses und/oder der Zündwinkel oder der Zeitpunkt der Einspritzung von Kraftstoff zylinderselektiv variiert. Durch eine zylinderselektive Verstellung des Zeitpunkts der Öffnung des Auslasses in Richtung „früh“ und/oder des Zündwinkels oder des Zeitpunkts der Einspritzung von Kraftstoff in Richtung „spät“ wird die Druckdifferenz erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Ansteuerung des Zeitpunkts der Öffnung des Auslasses, des Zündwinkels oder des Zeitpunkts der Einspritzung von Kraftstoff eines selektierten Zylinders, die Messung und Auswertung des Signals der Lambdasonde mittels einer Steuereinheit.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden der Zündwinkel mindestens eines selektierten Zylinders in Richtung „spät“ verstellt und der Zündwinkel mindestens eines weiteren Zylinders in Richtung „früh“ verstellt. Durch die Variation des Zündwinkels einerseits in Richtung „spät“ und andererseits in Richtung „früh“ werden eventuelle Drehmomentschwankungen kompensiert.
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Die Lambdasonde ist bevorzugt motornah entweder in der Zylinderzusammenführung der Abgasanlage oder kurz danach (bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms) angeordnet. Ein Abgaspaket eines selektierten Zylinders „schiebt“ im Abschnitt vor der Lambdasonde vorwiegend nur die eigenen Abgaspakete vor sich her. Die „langsamen“ Abgaspakete der nicht selektierten Zylinder oder der selektierten Nachbarzylinder mit einer Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung „früh“ „schiebt“ das Abgaspaket des selektierten Zylinders erst nach der Zylinderzusammenführung vor sich her.
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Die motornahe Anordnung der Lambdasonde gewährleistet daher, dass bei Erhöhung der Druckdifferenz lediglich eines Zylinders sich die Trennschärfe erhöht.
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Analog zur vorgenannten vorteilhaften Ausführungsform kann anstatt oder zusätzlich der Einspritzzeitpunkt von Kraftstoff oder der Zeitpunkt der Öffnung des Auslasses entsprechend variiert werden.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine mit Fremdzündung, beispielsweise ein Ottomotor, wird bei einer zylinderselektiven Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ die bei geöffnetem Auslass vorherrschende Druckdifferenz zwischen dem Zylinder und dem Abgasstrang erhöht. Dadurch besteht die Möglichkeit, in einem Betriebspunkt, bezogen auf Last und Drehzahl, gezielt die Geschwindigkeit des Abgasmassenstroms zu erhöhen.
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Die bessere Durchströmung des Schutzrohres stellt sicher, dass die von der Lambdasonde gemessenen Abgasanteile weitgehend aus Abgasen des selektierten Zylinders bestehen.
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Für die Erhöhung der Druckdifferenz in einer Verbrennungskraftmaschine mit Selbstzündung, beispielsweise ein Dieselmotor, wird mit der gleichen Kausalkette zylinderselektiv der Zeitpunkt der Einspritzung des Dieselkraftstoffs in Richtung „spät“ verstellt.
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Bei einem Einsatz eines auslassseitigen schnellen und hinsichtlich der Beeinflussung der Steuerzeiten variablen Ventiltriebs kann die Erhöhung der Durchströmung des Schutzrohres auch über eine Variierung des Zeitpunktes der Öffnung des Auslasses zylinderselektiv erfolgen.
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So kann bei einem unveränderten Zündwinkel oder Zeitpunkt der Einspritzung eine zylinderselektive Druckdifferenz dadurch erzielt werden, dass der Zeitpunkt der Öffnung des Auslasses in Richtung „früh“ verstellt wird, so dass Abgase mit höherer Abgasgeschwindigkeit beim Öffnen des Auslassventils ausströmen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Trennschärfe zwischen den selektierten und nicht selektierten Zylindern und in den Betriebspunkten mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Abgasmassenstroms erhöht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zusätzlich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur zylinderselektiven Lambdaregelung bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern eingesetzt werden, um die zylinderselektive Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine.
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In 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit sechs Zylindern 2 dargestellt. Jedem Zylinder 2 ist mindestens ein Einlass 3 und mindestens ein Auslass 4 zugeordnet. Von dem Zylinder 2 strömt der Abgasmassenstrom in Form von sog. Abgaspaketen durch den geöffneten Auslass 4 in Richtung des Pfeils A durch ein Abgasrohr 5 des Abgasstrangs 6. In dem Abgasstrang 6 ist jeweils eine Lambdasonde 7 für drei Zylinder 2 angeordnet. Die Lambdasonde 7 ist durch ein in den Abgasmassenstrom ragendes Schutzrohr 8 und ein vom Schutzrohr 8 umfasstes Sensorelement, welches nicht dargestellt ist, gekennzeichnet.
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Der während eines Ausschubzyklus eines Zylinders 2 das Abgasrohr 5 durchströmende Abgasmassenstrom durchströmt bei einer geringen Geschwindigkeit des Abgasmassenstroms nur einen Teil des Schutzrohres 8 und das Abgaslambda, d. h. der Lambdawert des Abgasmassenstroms wird von der Lambdasonde 7 erfasst. In dem Schutzrohr 8 der Lambdasonde 7 kann ein Restanteil des/der Abgaspakets/Abgaspakete des/der vorangegangenen Ausschubzyklus/Ausschubzyklen anderer Zylinder 2 verbleiben, der sich mit dem Abgaspaket des aktuellen Ausschubzyklus vermischt.
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Der so erfasste Lambdawert entspricht nur unzureichend dem tatsächlichen, „wahren“ zylinderselektiven Lambdawert des Abgasmassenstroms eines Einzelzylinders. Aufgrund der Messung eines Gasgemisches der Abgase verschiedener Zylinder 2 wird die zylinderindividuelle Lambdaerkennung verfälscht.
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Zur Vermeidung einer ungenauen zylinderselektiven Lambdamessung durch die Lambdasonde 7 sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasmassenstroms des/der selektierten Zylinder(s) 2 zu erhöhen, da durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit das Schutzrohr 8 besser durchströmt wird und somit nur ein geringer Restanteil in dem Schutzrohr 8 verbleibt. Eine zylinderselektive Geschwindigkeitserhöhung des Abgasmassenstroms ist durch eine Erhöhung der Druckdifferenz, welche bei einem geöffneten Auslass 4 zwischen dem selektierten Zylinder 2 und dem Abgasstrang 6 vorliegt, erzielbar.
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Eine zylinderselektive Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem Zylinder 2 und dem Abgasstrang 6 ist beispielsweise durch eine Verstellung des Zeitpunkts der Öffnung des Auslasses 4 in Richtung „früh“ und/oder - einer Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“, bei einem fremdzündenden Ottomotor, oder einer Verstellung des Zeitpunkts der Einspritzung von Kraftstoff in Richtung „spät“, bei einem selbstzündenden Dieselmotor, erzielbar.
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Die Steuerung des Auslasses 4 und des Zündwinkels, die Messung und Auswertung des durch die Lambdasonde 7 erfassten Lambdawertes erfolgt mittels einer Steuereinheit 9.
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Durch eine Verstellung des Zündwinkels oder des Zeitpunkts der Einspritzung von Kraftstoff in Richtung „spät“ eines Zylinders 2 und eine Verstellung des Zündwinkels oder des Zeitpunkts der Einspritzung von Kraftstoff in Richtung „früh“ eines oder mehrerer Zylinder 2 wird die Druckdifferenz zwischen Auslass 4 und Abgasrohr 5 des Zylinders 2, dessen Zündwinkel oder Zeitpunkt der Einspritzung von Kraftstoff in Richtung „spät“ verstellt wurde, erhöht. Drehmomentschwankungen, welche durch die Verstellung eines Einzelzylinders hervorgerufen werden, können durch Verstellung der Zündwinkel in Richtung „früh“ der Zündwinkel der nicht selektierten Zylinder 2 kompensiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungskraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Einlass
- 4
- Auslass
- 5
- Abgasrohr
- 6
- Abgasstrang
- 7
- Lambdasonde
- 8
- Schutzrohr
- 9
- Steuereinheit
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Steuergerät
- A
- Pfeil
