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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Abweichung
eines Lambdawerts wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Otto- und/oder Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs, von einem
Gesamt-Lambdawert sowie eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Abweichung
eines Lambdawerts wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.
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Ein
derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung sind dabei
beispielsweise bereits aus der
DE 101 15 902 C1 als bekannt zu entnehmen. Dabei
werden fortlaufend in einem Abgastrakt einer als Ottomotor ausgebildeten
Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mittels einer als Lambda-Sonde ausgebildeten
Sensoreinrichtung ein Gesamt-Lambdawert sowie ein Abgaswert ermittelt.
Der Abgaswert zeigt dabei dann ein lokales Minimum, wenn nicht nur der
Gesamt-Lambdawert sondern auch die einzelnen Lambdawerte aller Zylinder
1,0 betragen. Durch Steuerung einer zylinderindividuellen Kraftstoffzuführung
erfolgt im Anschluss eine paarweise Vertrimmung aller Zylinder der
Brennkraftmaschine, bei welcher jeweils der Lambdawert eines Zylinder
erhöht und der Lambdawert des anderen Zylinders gesenkt wird,
wobei der gemittelte Gesamt-Lambdawert beider Zylinder konstant
bei 1,0 gehalten wird. Die Vertrim mung wird so oft durchgeführt,
bis keine Abweichungen der einzelnen Lambdawerte aller Zylinder vom
Gesamt-Lambdawert der Brennkraftmaschine mehr vorliegen und der
Abgaswert ein lokales Minimum erreicht hat. Die Differenzen zwischen
den Ausgangs-Lambdawerten und den vertrimmten Lambdawerten jedes
Zylinders entsprechen somit jeweils der ursprünglich vorliegenden
Abweichung.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine flexiblere und schnellere
Ermittlung einer Abweichung eines Lambdawerts wenigstens eines Zylinders
einer Brennkraftmaschine von einem Gesamt-Lambdawert ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zum Ermitteln einer Abweichung eines Lambdawerts wenigstens eines
Zylinders einer Brennkraftmaschine von einem Gesamt-Lambdawert gemäß Patentanspruch
1 sowie durch eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Abweichung eines
Lambdawerts wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
von einem Gesamt-Lambdawert mit den Merkmalen des Patentanspruchs
7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Weiterbildungen
des Verfahrens – soweit anwendbar – als vorteilhafte
Weiterbildungen der Vorrichtung anzusehen sind.
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Ein
Verfahren, welches eine flexiblere und schnellere Ermittlung einer
Abweichung eines Lambdawerts wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
von einem Gesamt-Lambdawert ermöglicht, umfasst erfindungsgemäß die
Schritte a) Betreiben der zumindest zwei Zylinder mit einem ersten Gesamt-Lambdawert,
b) Ermitteln zumindest eines ersten Laufruhewerts des wenigstens
einen Zylinders mittels einer Laufruheermittlungseinrichtung der Brennkraftmaschine,
c) Betreiben der zumindest zwei Zylinder mit einem zweiten Gesamt-Lambdawert,
d) Ermitteln zumindest eines zweiten Laufruhewerts des wenigstens
einen Zylinders mittels der Laufruheermittlungseinrichtung und e)
Ermitteln der Abweichung des Lambdawerts vom Gesamt-Lambdawert anhand
eines Vergleichs des ersten und des zweiten Laufruhewerts. Da das
erfindungsgemäße Verfahren ohne die Zuhilfenahme
zusätzlicher Sensoreinrichtungen durchgeführt
und das Ermitteln der Abweichung des Lambdawerts in einem üblichen Motorsteuergerät
durchgeführt werden kann, kann es besonders flexibel durchgeführt
und sowohl bei als Otto- als auch bei als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschinen
verwendet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die Brennkraftmaschine
mit einer Turboaufladung versehen ist, welche bislang aufgrund der
Homogenisierung des Gesamt-Lambdawerts eine Ermittlung der Abweichung
von Lambdawerten einzelner Zylinder verunmöglichte oder
zumindest stark erschwerte. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann
das Verfahren zudem insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit sechs
oder mehr Zylindern wesentlich schneller durchgeführt werden,
da keine paarweisen Permutationen durchgeführt werden müssen.
Das Ermitteln der Abweichung des Lambdawerts des wenigstens einen
Zylinders ermöglicht weiterhin eine gezielte Steuerung
seiner Kraftstoffzuführung, um die gewünschte
Gemischzusammensetzung zu erhalten. Dadurch kann eine Verbesserung
der Abgasqualität und die zuverlässige Einhaltung
gesetzlicher Abgas-Grenzwerte gewährleistet werden. Weiterhin
kann die Laufruhe der Brennkraftmaschine und damit der Komfort des
zugeordneten Kraftfahrzeugs erheblich verbessert werden. Durch die
einstellbare Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Gesamt-Lambdawert
der Brennkraftmaschine ist es zudem möglich, unerwünschte
Beeinflussungen der Ermittlung aufgrund verschleppter Verbrennung,
Kompressionsverlusten, ungleicher Restgasverteilung und dergleichen
auszuschließen, wodurch eine besonders zuverlässige und
präzise Ermittlung der Abweichung des Lambdawerts sichergestellt
ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln
einer Abweichung eines Lambdawerts wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Otto- und/oder Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs,
von einem Gesamt-Lambdawert, wobei erfindungsgemäß vorgesehen
ist, dass diese zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den
vorhergehenden Ausführungsbeispielen ausgelegt ist. Auf
diese Weise ist eine flexiblere und schnellere Ermittlung der Abweichung
des Lambdawerts vom Gesamt-Lambdawert ermöglicht. Weitere
sich ergebende Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen zu
entnehmen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer als Ottomotor ausgebildeten Brennkraftmaschine
mit acht Zylindern;
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2 schematische
Darstellungen eines Zusammenhangs zwischen einem Moment eines Zylinders
der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
seines Lambdawerts beim Betrieben der Brennkraftmaschine mit einem
ersten und einem zweiten Gesamt-Lambdawert;
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3 eine
schematische Darstellung von zeitlichen Laufruhewerten der acht
Zylinder der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine
in Abhängigkeit des Gesamt-Lambdawerts;
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4 eine
schematische Darstellung von zeitlichen Laufruhewerten des fünften
Zylinders der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine,
wobei dessen Gemischzusammensetzung in Abhängigkeit der Abweichung
seines Lambdawerts vom Gesamt-Lambdawert korrigiert wird; und
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5 einen
Algorithmus zum Ermitteln und Korrigieren der Lambdawerte der Zylinder
der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine.
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer als V8-Ottomotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 10 für
ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug mit acht Zylindern 12a–h.
Jeder Zylinder 12a–h verfügt dabei über eine
zylinderindividuelle Kraftstoffzuführung 13, mittels
welcher die jeweilige Gemischzusammensetzung und damit der Lambdawert λ jedes
einzelnen Zylinders steuerbar ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind dabei nur zwei Kraftstoffzuführungen 13a, 13b für
jede Zylinderbank 14a, 14b abgebildet, auf welche
die acht Zylinder 12a–h im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aufgeteilt sind. Dabei ist den Zylindern 12a–d
ein erster Abgastrakt 16a und den Zylindern 12e–h
ein zweiter Abgastrakt 16b zugeordnet. Jeder Abgastrakt 16a, 16b umfasst
eine Sensoreinrichtung 18a, 18b, mittels welcher
die Gesamt-Lambdawerte λa der Zylinder 12a–d
bzw. die Gesamt-Lambdawerte λb der Zylinder 12e–h
ermittelbar sind. Die Sensoreinrichtungen 18a, 18b sind zum
Einstellen der jeweiligen Gemischzusammensetzungen mit den Kraftstoffzuführungen 13a bzw. 13b gekoppelt.
Jeder Zylinderbank 14a, 14b der Brennkraftmaschine 10 ist
zudem in Fahrtrichtung des Kraftwagens eine Lüftereinheit 20a, 20b zugeordnet.
Nicht abgebildet ist eine Laufruheermittlungseinrichtung der Brennkraftmaschine 10,
welche zum Ermitteln von Laufruhewerte der Zylinder 12a–h dient.
Geeignete Laufruheermittlungseinrichtungen sind bereits aus dem
Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise ein mit einer
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 gekoppeltes Geberrad mit
zugeordnetem Kurbelwellensensor, so dass eine Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit
erfasst und zylinderindividuelle Laufruhewerte abgeleitet werden
können. Die Durchführung des im Folgenden näher
erläuterten Verfahrens kann dabei problemlos in üblichen
Motorsteuergeräten durchgeführt werden. Dabei
ist zu betonen, dass das Verfahren auch bei Ottomotoren mit einer
abweichenden Zylinderzahl bzw. Bauform oder bei als Dieselmotoren
ausgebildete Brennkraftmaschinen 10 durchgeführt
werden kann.
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2 zeigt
dazu schematische Darstellungen eines Zusammenhangs zwischen einem
Moment M(λ) der ersten vier Zylinder 12a–d
der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 10 in
Abhängigkeit ihrer Lambdawerte λ beim Betrieben
der Brennkraftmaschine 10 mit einem ersten Gesamt-Lambdawert λ1
und einem zweiten Gesamt-Lambdawert λ2. Dabei läuft
der erste Zylinder 12a – wie aus 1 ersichtlich – zu
mager und besitzt einen Lambdawert λ = 1,3. Um einen Gesamt-Lambdawert λa
= 1,0 der Zylinder 12a–d im Abgastrakt 16a erreichen
zu können, müssen die restlichen Zylinder 12b–d
der Zylinderbank 14a mit einer entsprechend fetteren Gemischzusammensetzung
betrieben werden und weisen daher Lambdawerte von λ = 0,9
auf. Umgekehrt ist in Zusammenschau mit 1 erkennbar,
dass der siebte Zylinder 12g auf der Zylinderbank 14b zu
fett läuft und einen Lambdawert λ = 0,85 besitzt.
Entsprechend müssen die weiteren Zylinder 12e, 12f, 12h abgemagert
und mit Lambdawerten λ = 1,05 betrieben werden, um im Abgastrakt 16b einen
Gesamt-Lambdawert λb = 1,0 zu erreichen. Obwohl somit beide
Gesamt-Lambdawerte λa, λb formal einer stöchiometrischen
Gemischzusammensetzung mit einem Gesamt-Lambdawert λ =
1,0 entsprechen, führen die Abweichungen der Lambdawerte λ der
Zylinder 12a–h zu einer verschlechterten Abgasqualität, einer
Beeinträchtigung der Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 sowie
zu einem Verlust an Moment M(λ) und Antriebskomfort. Die
folgenden Ausführungen werden anhand der vier Zylinder 12a–d
der Zylinderbank 14a erläutert, gelten jedoch
entsprechend für die Zylinder 12e–h der
Zylinderbank 14b. Durch Anfetten der Zylinder 12a–d
gemäß Pfeil II wird die Brennkraftmaschine 10 bezüglich
ihres Abgastrakts 16a mit einem zweiten Gesamt-Lambdawert λ2
= 0,8 betrieben, wodurch sich die Momente M(λ) der Zylinder 12a–d
gemäß den Pfeilen IIa bzw. IIb entlang der gezeigten
Parabel verschieben. Zylinder 12a besitzt nun einen Lambdawert λ =
0,92 und eine maximale Momentabgabe. Die übrigen Zylinder 12b–d
fetten weiter an und besitzen zusätzlich verringerte Momente
M(λ). Umgekehrt würde eine Abmagerung der Zylinder 12a–d – beispielsweise
beim Betreiben der Brennkraftmaschine 10 mit einem zweiten
Gesamt-Lambdawert λ2 = 1,2 – zu einer verbesserten Momentabgabe
der Zylinder 12b–d und einer weiter verschlechterten
Momentabgabe des Zylinders 12a führen. Wesentlich
ist somit lediglich eine Änderung des Gesamt-Lambdawerts λ,
so dass der zweite Gesamt-Lambdawert λ2 wahlweise höher
oder niedriger als der erste Gesamt-Lambdawert λ1 gewählt
werden kann.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung von Laufruhewerten La–h der
acht Zylinder 12a–e der in 1 gezeigten
Brennkraftmaschine 10 in Abhängigkeit der Zeit
t und des Gesamt-Lambdawerts λ. Dabei wird die Brennkraftmaschine 10 zunächst
mit einem ersten Gesamt-Lambdawert λ1 = 1,0 betrieben und
die Laufruhewerte La–h ermittelt. Im vorliegenden Beispiel
werden die Laufruhewerte La–h regelmäßig
ermittelt und geglättet. Alternativ kann auch nur ein einzelner
Laufruhewert L für jeden Gesamt-Lambdawert λ oder
durch Mittelwertbildung ermittelt werden. Anschließend
wird die Brennkraftmaschine 10 durch Änderung
des Gesamt-Lambdawerts λ mit dem zweiten Gesamt-Lambdawert λ2
= 0,8 betrieben, wodurch sich auch die Lambdawerte λ der
Zylinder 12a–h ändern. Durch Vergleichen
der beim ersten und beim zweiten Gesamt-Lambdawert λ1 bzw. λ2
ermittelten Laufruhewerte La–h werden dann die Abweichungen Δ der
Lambdawerte λ jedes Zylinders 12a–h ermittelt.
Dabei sinken beispielsweise die Laufruhewerte Ld des Zylinders 12d,
woraus geschlossen werden kann, dass dieser zu mager läuft
und sein Lambdawert λ demnach eine positive Abweichung Δd
vom Gesamt-Lambdawert λ aufweist. Umgekehrt steigen die
Laufruhewerte Le des Zylinders 12e, woraus geschlossen
werden kann, dass dieser zu fett läuft und sein Lambdawert λ demnach
eine positive Abweichung Δe vom Gesamt-Lambdawert λ aufweist.
Beim erneuten Ändern des Gesamt-Lambdawerts λ zurück
auf den ersten Gesamt-Lambdawert λ1 und damit beim Abmagern der
Brennkraftmaschine 10 ergeben sich entsprechend umgekehrte
Verläufe der Laufruhewerte La–h und dementsprechend
umgekehrte Abweichungen Δ der einzelnen Lambdawerte λ,
so dass die Abweichungen Δ auch durch Abmagern der Brennkraftmaschine 10 ermittelbar
sind.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung von zeitlichen Laufruhewerten Le des
fünften Zylinders 12e der in 1 gezeigten
Brennkraftmaschine 10. Dabei ergibt sich zunächst
beim Ändern des Gesamt-Lambdawerts λ vom ersten
Gesamt-Lambdawert λ1 auf den zweiten Gesamt-Lambdawert λ2
ein Ansteigen des Laufruhewerts Le und damit eine geringere Momentabgabe
des zu fett laufenden Zylinders 12e. Die Abweichung Δe
seines Lambdawerts λ vom Gesamt-Lambdawert λ wird
in zuvor beschriebener Weise ermittelt. Zum Zeitpunkt t1 wird dann
die Gemischzusammensetzung des Zylinders 12e in Abhängigkeit
der ermittelten Abweichung Δe korrigiert und der Zylinder 12e mit
einer um 20% reduzierten Kraftstoffmenge versorgt. Eine erneute Änderung des
Gesamt-Lambdawerts λ zum Zeitpunkt t2 führt – im
Rahmen technisch bedingter Grenzen – zu keiner Änderung
der Laufruhewerte Le, weshalb davon ausgegangen werden kann, dass
der Zylinder 12e keine Gemischabweichung zu den restlichen
Zylindern 12 der Brennkraftmaschine 10 besitzt.
Dies wird durch erneutes Ändern des Gesamt-Lambdawerts λ zum Zeitpunkt
t3 bestätigt. Das beschriebene Verfahren kann vorteilhaft
für jeden Zylinder 12 durchgeführt werden,
um eine Gemischgleichstellung aller Zylinder 12 sicherzustellen.
Diese Gemischgleichstellung ist somit erreicht, wenn sich die Laufruhe
L jedes Zylinders beim Ändern des Gesamt-Lambdawerts λ nicht
mehr ändert. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Verfahren
während eines Ausräumprozesses 22 (s. 5)
eines Katalysators (nicht gezeigt) beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine 10 aus dem
Schubbetrieb durchgeführt wird. Da hierbei die Brennkraftmaschine 10 ohnehin
für eine gewisse Zeit mit einem angefetteten Gesamt-Lambdawert λ betrieben
werden muss, um die während des Schubbetriebs im Katalysator
gespeicherte Sauerstoffmenge zu reduzieren, kann das Verfahren dementsprechend abgasneutral
durchgeführt werden. Eine Verbesserung der Messgenauigkeit
wird dabei dadurch erzielt, dass das Verfahren während
eines zumindest annähernd stationären Betriebs
der Brennkraftmaschine 10 durchgeführt wird. Dabei
kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren bei jedem Ausräumprozess 22 durchgeführt
und im Fall eines Fehlerverdachts gezielt beim nächsten
zumindest annähernd stationären Betrieb der Brennkraftmaschine 10 erneut durchgeführt
wird.
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5 zeigt
einen Algorithmus zum Ermitteln und Korrigieren der Lambdawerte λ der
Zylinder 12 der in 1 gezeigten
Brennkraftmaschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Nach dem Starten des Ausräumprozesses 22 wird
eine Änderung 24 des Gesamt-Lambdawerts λ der
Brennkraftmaschine 10 sowie eine Ermittlung der Laufruhewerte
L in zuvor beschriebener Weise durchgeführt. Anschließend
wird in Schritt 26 für jeden Zylinder die Abweichung Δ seines
Lambdawerts λ vom Gesamt-Lambdawert λ anhand der Änderungen
seiner Laufruhewerte L ermittelt. Ist die Abweichung Δ > 0 läuft der Zylinder 12 zu
fett und muss in Schritt 28 entsprechend abgemagert werden.
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Ist
umgekehrt die Abweichung Δ < 0 läuft der Zylinder 12 zu
mager und muss in Schritt 30 entsprechend angefettet werden.
Die Schritte 24 bis 30 werden so oft durchgeführt,
bis die Abweichung Δ aller Zylinder – im Rahmen
gewisser Grenzen – Null beträgt und alle Zylinder 12 demnach
bezüglich ihres Verbrennungsluftverhältnisses
in Schritt 32 als gleichgestellt zu betrachten sind. Aus
den zum Anfetten bzw. Abmagern der einzelnen Zylinder 12 benötigten
Faktoren wird im folgenden Schritt 34 geprüft, ob
ein vorbestimmter Grenzwert verletzt ist und dadurch möglicherweise
unzulässig hohe Abgasemissionswerte vorliegen. Ist dies
der Fall, wird in Schritt 36 ein entsprechendes Warnsignal
erzeugt und beispielsweise eine Motor-Kontrolllampe aktiviert. Auf diese
Weise wird die Einhaltung strenger Emissions-Vorschriften sichergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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