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Stand der Technik
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Um das Emissionsverhalten von Brennkraftmaschinen zu optimieren, ist es bekannt, die im Abgas vorhandene Sauerstoffkonzentration mittels einer Lambda-Sonde zu erfassen und durch eine Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge auf den gewünschten Sollwert einzuregeln. Dabei wird die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine gesondert erfasst und die zylinderindividuellen Abweichungen der Sauerstoffkonzentration von einem Sollwert durch eine entsprechende zylinderindividuelle Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge kompensiert. Eine solche zylinderindividuelle Lambda-Regelung ist beispielsweise aus der
EP 1 215 388 B1 bekannt. Auf den Inhalt dieser Patentschrift wird zur Vermeidung von Wiederholungen ausdrücklich Bezug genommen.
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Mit Hilfe beispielsweise des aus der
EP 1 215 388 B1 bekannten Verfahrens ist es möglich, die Lambda-Werte im Abgas entsprechend den gesetzlichen Vorgaben einzuregeln. Als Stellglied dienen hierzu die Injektoren des Kraftstoffeinspritzsystems, die entsprechend der in den Zylindern zur Verfügung stehenden angesaugten Luftmasse so angesteuert werden, dass sie die zur Erzielung eines vorgegebenen Lambda-Werts erforderliche Kraftstoffmenge einspritzen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die exakte Zumessung der eingespritzten Kraftstoffmenge in bestimmten Betriebsbereichen, beispielsweise im Bereich des Leerlaufs oder der niedrigen Teillast, an Grenzen stößt, die durch das Betriebsverhalten der Injektoren vorgegeben sind.
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Des Weiteren ist es bekannt, im Bereich des Leerlaufs oder der niedrigen Teillast, die unterschiedlichen Drehmomentbeiträge der Zylinder, die auf fertigungsbedingte Toleranzen der Brennkraftmaschine und/oder des Kraftstoffeinspritzsystems zurückzuführen sind, durch eine zylinderindividuelle Korrektur der Einspritzmengen zu kompensieren. Ein solches Verfahren ist. beispielsweise aus der
EP 1 527 267 A1 bekannt. Auch auf den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird exemplarisch für ein Verfahren zur Mengenausgleichsregelung einer Brennkraftmaschine zur Erzielung eines ruhigen Motorlaufs Bezug genommen. Auch bei der Mengenausgleichsregelung werden die Injektoren als Stellglieder herangezogen.
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Da sowohl die bekannte zylinderindividuelle Lambda-Regelung als auch die bekannten Mengenausgleichsregelung zur Erzielung eines ruhigen Motorlaufs die gleichen Stellglieder, nämlich die Injektoren der Brennkraftmaschine, ansteuern, können beide Verfahren nicht ohne Weiteres gleichzeitig aktiv sein. Der gleichzeitige Einsatz von zylinderindividueller Lambda-Regelung und einer Mengenausgleichsregelung stellt daher einen manchmal unbefriedigenden Kompromiss zwischen zwei Zielen, nämlich einer Minimierung der Emissionen und einem möglichst ruhigen Motorlauf, dar.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, einer Lambda-Sonde zur Erfassung des Sauerstoffgehalts der Abgase im Abgasrohr, ein Steuer- und Regelgerät und ein Kraftstoffeinspritzsystem umfasst, wobei jedem Zylinder eine in einem Ansaugluftkanal angeordnete Drallklappe und ein Injektor zugeordnet ist, sieht erfindungsgemäß vor, dass der Lambda-Wert im Abgas jedes Zylinders erfasst wird, und dass die Drallklappe jedes Zylinders in Abhängigkeit des Lambda-Werts des von diesem Zylinder stammenden Abgases einzeln angesteuert wird. Dadurch ist es möglich, die dem Zylinder zugeführte Luftmasse individuell zu steuern und dadurch den Lambda-Wert auf den gewünschten Sollwert einzuregeln, ohne die eingespritzte Kraftstoffmenge zu verändern. Dies setzt voraus, dass die Drallklappe jedes Zylinders der Brennkraftmaschine individuell angesteuert werden kann. In anderen Worten: Anstelle eines Aktuators, der über eine gemeinsame Welle alle Drallklappen eines Zylinders antreibt, muss ein Aktuator für jede Drallklappe vorgesehen werden.
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Alternativ kann auch jede andere im Einlasskanal der Zylinder befindliche Stelleinrichtung eingesetzt werden, die eine zylinderindividuelle Steuerung der angesaugten Verbrennungslauft erlaubt. Dann können nämlich erfindungsgemäß über eine geeignete Ansteuerung der Stelleinrichtung die Luftmasse und/oder der Lambda-Wert zylinderindividuell geregelt werden.
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Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, eine zylinderindividuelle Lambda-Regelung vorzunehmen, ohne die eingespritzte Kraftstoffmenge zu beeinflussen. Infolge dessen ist es insbesondere im Leerlauf und im niedrigen Teillastbereich der Brennkraftmaschine auf einfache Weise möglich, das gewünschte Kraftstoff-Luftverhältnis einzustellen, um den Sollwert des gewünschten Lambda-Werts im Abgas zu erreichen.
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Das Anpassen der angesaugten Luftmasse durch ein Verändern der Position der Drallklappe ist auch in diesem Betriebsbereich vergleichsweise einfach möglich und kann mit sehr großer Genauigkeit durchgeführt werden. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Drallklappe bei konstantem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, eine bestimmte Position einnimmt und diese dann nicht mehr ändert. Im Unterschied dazu erfolgt die Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge durch das mehrfache Ansteuern des Injektors. Diese mehrfache Ansteuerung ist ein hochdynamischer Vorgang und muss bei jeder Einspritzung erneut durchgeführt werden ist demgegenüber sehr viel schwieriger und erfordert viel mehr Rechenleistung im Steuergerät. Aus diesem prinzipiellen Unterschied, gemäß dem die Drallklappe statisch eine Position bei einem bestimmten Betriebszustand einnimmt und die Injektoren hochdynamisch angesteuert werden müssen, ergibt sich ein entscheidender regelungstechnischer Vorteil durch die zylinderindividuelle Ansteuerung der Drallklappen.
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Ein weiterer erheblicher Vorteil ist darin zu sehen, dass der Injektor in den genannten Betriebsbereichen (Leerlauf und niedriger Teillastbereich) als Stellglied für die Mengenausgleichsregelung zur Erzielung eines ruhigen Motorlaufs uneingeschränkt zur Verfügung steht. Dadurch kann neben verringerten Emissionen der Brennkraftmaschine auch ein verbesserter Motorlauf der Brennkraftmaschine erreicht werden.
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Durch die einfache Ansteuerung der Drallklappen wird auch das Regel- und Steuergerät entlastet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine einen Drehwinkelsensor zur Erfassung des Drehwinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit einer Kurbelwelle aufweist, dass der Drehmomentbeitrag jedes Zylinders erfasst wird, und dass Unterschiede in den Drehmomentbeiträgen der Zylinder durch eine zylinderindividuelle Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge kompensiert werden.
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Diese Kompensation kann durch ein an sich bekanntes Verfahren durchgeführt werden, wie es beispielsweise aus der oben genannten
EP 1 527 267 bekannt ist. Allerdings ergibt sich durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Vorteil, dass die Mengenausgleichsregelung ohne Restriktionen durch die Lambda-Regelung durchgeführt werden kann, so dass im Ergebnis ein verbesserter Motorlauf erzielt wird.
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Auch die zylinderindividuelle Regelung des Lambda-Werts kann auf der Basis einer an sich bekannten Lambda-Regelung erfolgen, wobei im Unterschied zu den bekannten Lambda-Regelungen als Stellglied ein zylinderindividueller Aktuator der Drallklappen eingesetzt wird.
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Diese Vorteile lassen sich auch durch ein Computerprogramm sowie ein Regel- und Steuergerät realisieren, die nach einem der vorhergehenden Verfahren arbeiten. Entsprechendes gilt auch für eine Brennkraftmaschine nach den nebengeordneten Ansprüchen 8 bis 12.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
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2 ein Detail eines Ansaugtrakts eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und vier Zylindern beschrieben; sie kann auch bei Brennkraftmaschinen mit anderer Zylinderzahl und/oder bei Brennkraftmaschinen ohne Abgasturbolader eingesetzt werden.
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In 1 ist die Brennkraftmaschine mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Ihr wird Luft über eine Ansaugleitung 110 und einen Verdichter 115, der Teil des Abgasturboladers ist, zugeführt.
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Die Abgase der Brennkraftmaschine gelangen über eine Abgasleitung 120 zu einer Turbine 125, der Teil des Abgasturboladers ist. Die Turbine 125 treibt über eine nicht dargestellte Welle den Verdichter 115 an. Turbine 125 und Verdichter 115 stellen somit die wesentlichen Komponenten des Abgasturboladers dar.
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Der Brennkraftmaschine ist eine mengenbestimmende Stelleinrichtung 150 (Kraftstoffeinspritzsystem) zugeordnet über die der Brennkraftmaschine 100 Kraftstoff zugeführt wird. Dabei kann jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 100 eine individuelle Kraftstoffmenge zugemessen werden. Dies erfolgt über Injektoren, wobei jedem Zylinder der brennkraftmaschine 100 ein Injektor 151 bis 154 zugeordnet ist. Die Injektoren 151 bis 154 werden von einer Steuereinheit 160 mit entsprechenden Ansteuersignalen beaufschlagt. Bei den Injektoren kann es sich um Magnetventile oder Piezoaktoren handeln.
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Die Steuereinheit 160 steuert darüber hinaus eine Abgasrückführung 155 an. Die Abgasrückführung 155 erlaubt die Rückführung von Abgas aus der Abgasleitung 120 in die Ansaugleitung 110 und beeinflusst dadurch die von der Brennkraftmaschine 100 angesaugte Frischluftmenge. Allerdings wird dabei nur die insgesamt von der Brennkraftmaschine 100 angesaugte Frischluftmenge gesteuert. Eine zylinderindividuelle Steuerung der Frischluftmenge ist auf diese Weise nicht möglich. Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann die Abgasrückführung 150 auch weggelassen werden.
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Die Ansaugleitung 110 verzweigt in einen Ansaugkrümmer (nicht dargestellt), der die angesaugte Frischluftmenge auf die verschiedenen Zylinder der Brennkraftmaschine verteilt. Bei modernen Mehrventilmotoren sind zwei Einlassventile pro Zylinder vorgesehen, die durch jeweils einen Kanal mit Frischluft aus der Ansaugleitung 110 versorgt werden. In einem dieser beiden Kanäle (nicht dargestellt in 1) ist eine sogenannte Drallklappe, mit deren Hilfe der freie Strömungsquerschnitt in diesem betreffenden Kanal gesteuert werden kann.
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Üblicherweise werden alle Drallklappen einer Brennkraftmaschine 100 gemeinsam von einem vorzugsweise elektrisch betätigten Aktuator angesteuert. Dies bedeutet, dass alle Drallklappen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und diese Welle von einem elektrischen Aktuator angesteuert werden, so dass es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen 100 nicht möglich ist, die angesaugte Frischluftmenge mit Hilfe der Drallklappen zylinderindividuell zu steuern.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen jedem Zylinder nicht nur eine Drallklappe, sondern auch einen Aktuator 161, 162, 163 und 164 zuzuordnen, der von dem Steuer- und Regelgerät 160 ansteuerbar ist. Dadurch ist es möglich, durch Ansteuern der Aktuatoren 161 bis 164 die Position der Drallklappen zylinderindividuell zu steuern und infolge dessen auch die angesaugte Frischluftmenge zylinderindividuell zu steuern.
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An der Brennkraftmaschine 100 ist weiter ein Drehwinkelsensor 170 vorgesehen, der zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 100 erforderlich ist.
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Alternativ oder ergänzend kann zusätzlich zu der Lambda-Sonde 180 zwischen der Brennkraftmaschine 100 und der Turbine 125 angeordnet ist, auch nach der Turbine 125 eine Lambda-Sonde 185 in der Abgasleitung 120 angeordnet sein. Dies ist durch eine gestrichelte Darstellung veranschaulicht.
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In 2 ist ein Detail des Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine 100 dargestellt. Dabei wird exemplarisch ein erster Zylinder 1 der Brennkraftmaschine stark vereinfacht dargestellt. In dem Zylinder 1 oszilliert ein Kolben 3 in bekannter Weise. Der Brennraum 4 wird über zwei Einlassventile 5.1 und 5.2, die über eine nicht dargestellte Nockenwelle betätigt werden, mit Frischluft aus der Ansaugleitung 110 versorgt. Da die Brennkraftmaschine zwei Einlassventile 5.1 und 5.2 aufweist, ist es erforderlich, die Ansaugleitung 110 in zwei Kanäle 7.1 und 7.2 aufzuteilen, die jeweils von einem der Einlassventile 5.1 beziehungsweise 5.2 geöffnet oder geschlossen werden können. Um den Drall der in den Brennraum 4 einströmenden Frischluft steuern zu können, ist es Stand der Technik, in einem der beiden Kanäle (im dargestellten Beispiel in dem Kanal 7.2) eine Drallklappe 9 anzuordnen. Durch Verdrehen dieser Drallklappe wird ein mehr oder weniger großer Teil des Strömungsquerschnitts des Kanals 7.2 freigegeben beziehungsweise verschlossen. In Folge dessen ändert sich die in den Brennraum strömende Frischluftmenge.
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Bei den aus dem Stand er Technik bekannten Brennkraftmaschinen werden alle Drallklappen einer Brennkraftmaschine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und durch einen Aktuator verstellt. Bei Motoren mit mehreren Zylinderbänken, wie beispielsweise einem V-Motor, sind die Drosselklappen jeder Zylinderbank auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, und es sind entsprechend zwei Aktuatoren vorgesehen.
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Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nun vorgesehen, dass jede Drallklappe 9 eines Zylinders einen eigenen Aktuator aufweist. Dem in 2 dargestellten Zylinder 1 ist ein erster Aktuator 161 zugeordnet. Entsprechend sind den anderen Zylindern der beispielhaft erläuterten Vierzylinder-Brennkraftmaschine, die Aktuatoren 162 bis 164 zugeordnet. Durch Ansteuern der Aktuatoren 161 bis 164 ist eine zylinderindividuelle Verstellung der Drallklappen 9 möglich und infolge dessen kann die von der in den Brennraum 4 angesaugte Frischluftmenge zylinderindividuell gesteuert werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nämlich durch die Lambda-Sonden 180 und/oder 185 der Lambda-Wert im Abgasrohr 120 zylinderindividuell bestimmt und in Abhängigkeit dieses zylinderindividuellen Lambda-Wertes die Drallklappen 9 der verschiedenen Zylinder mithilfe der Aktuatoren 161 bis 164 entsprechend individuell angesteuert. Dadurch ist es möglich, die angesaugte Frischluftmasse zylinderindividuell zu steuern und somit, ohne Steuereingriff bei der eingespritzten Kraftstoffmenge den Lambda-Wert auf den vorgegebenen Sollwert einzuregeln.
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Da die Ansteuerung der Drallklappe 9 sehr viel einfacher ist als die Ansteuerung der Injektoren 151 bis 154, kann mit sehr geringer Rechenleistung des Steuer- und Regelgeräts 160 eine sehr genaue zylinderindividuelle Lambda-Regelung vorgenommen werden. Dies ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Injektoren 151 bis 154 nun ausschließlich für die Regelung der Mengenkompensation zur Regelung der Laufruhe der Brennkraftmaschine 100 eingesetzt werden können. Dadurch ist es möglich, ohne Rücksicht auf die zylinderindividuelle Lambda-Regelung die Einspritzmengen für die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine durch entsprechende Ansteuerung der Injektoren 151 bis 154 so zu steuern, dass es im Leerlauf und im niedrigen Teillastbereich ein optimaler ruhiger Motorlauf ergibt. Durch die „Entkoppelung” der zylinderindividuellen Lambda-Regelung und der Laufruheregelung der Brennkraftmaschine 100, werden die beiden Regelkreise weiter vereinfacht und es werden bessere Regelgüten erreicht.
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Zumindest an stationären Betriebspunkten wäre es auch denkbar, die Laufruheregelung der Brennkraftmaschine 100 über die Regelung der angesaugten Frischluftmenge vorzunehmen, so dass die Laufruheregelung als Stellglieder die Aktuatoren 161 bis 164 einsetzen wird und infolge dessen die zylinderindividuelle Lambda-Regelung durch entsprechende Ansteuerung der Injektoren 151 bis 154 vorgenommen würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1215388 B1 [0001, 0002]
- EP 1527267 A1 [0003]
- EP 1527267 [0012]
