DE10236979C1 - Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorganges in einem Verbrennungsmotor - Google Patents
Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorganges in einem VerbrennungsmotorInfo
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Abstract
Mit einem Regelungsverfahren werden ein Zündimpuls und ein Prüfimpuls an eine Zündkerze gelegt. Während des Prüpfimpulses wird ein Ionisationssignal erfasst. Um eine Ionisations-Signaldrift in einer üblichen Regelfunktion zu erfassen und zu kompensieren, wird ein Kalibrierzyklus durchfahren.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des
Verbrennungsvorganges eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem
Verbrennungsmotor, insbesondere Ottomotor, nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist in der DE 196 14 388 C1 beschrieben. In
der Verbrennungsphase wird folgend auf den Zündimpuls ein
Prüfimpuls an die Zündherze gelegt. Die durch das jeweilige Kraftstoff-
Luftgemisch des Verbrennungsraumes erfolgende Beeinflussung des
Prüfimpulses wird als elektrische Größe, insbesondere als Ionisationssignal, erfasst. Die
elektrische Größe wird zur Steuerung des Gemischverhältnisses des
Kraftstoff-Luftgemisches der folgenden Verbrennungsphase oder zur
Steuerung des Zündzeitpunktes verwendet. Dadurch ist ein
schadstoffarmer, kraftstoffsparender und klopffreier Betrieb ermöglicht.
Es hat sich gezeigt, dass im Laufe des Betriebs das Ionisationssignal
durch unerwünschte Einflüsse abdriften kann. Dies führt zu einer
Beeinträchtigung der Regelung.
In der DE 195 81 053 T1 ist ein Verfahren zur Kraftstoffzumessung bei
Zweitakt-Verbrennungsmotoren beschrieben. Dem Motor wird in
Abhängigkeit von Motorparametern eine bestimmte Kraftstoffmenge
zugeführt. Danach wird die Kraftstoffmenge in die magere Richtung bis
zum Klopfen reduziert und ein Grenzwert wird gespeichert.
Anschließend wird die Kraftstoffmenge in die fette Richtung erhöht, bis
es zu einer Fehlzündung kommt, und der entsprechende Grenzwert wird
gespeichert. Aus den Grenzwerten wird ein Wert errechnet, der mit der
bestimmten Kraftstoffmenge verglichen wird. Bei einer Abweichung
wird die Kraftstoffmenge korrigiert. An die Klopfgrenze und die
Fehlzündungsgrenze zu fahren, erscheint ungünstig.
In der EP 11 32 608 A2 wird bei einem Kalibrierungsverfahren in einem Verbrennungsmotor die Kolbenstellung und der Wert der
höchsten Temperaturentwicklung des Abgases bezogen auf den
Einspritzzeitpunkt gemessen und mit einem für den Motortyp bekannten
Wert verglichen. Bei diesem Verfahren sind wenigstens zwei Sensoren
nötig.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art eine Beeinflussung der Luftzahlerfassung
durch unerwünschte Einflüsse zyklisch zu
überprüfen und gegebenenfalls eine Signaldrift zu kompensieren, insbesondere mittels Ionisationssignal.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
In dem bei bestimmten Betriebsweisen, beispielsweise jeweils im
Leerlauf des Motors, eingestellten ersten Schaltstatus wird ein
Kalibrierzyklus durchfahren. In diesem wird der Lambdawert des
Kraftstoff-Luftgemisches gezielt von einem Wert < 1 auf einen Wert < 1
reduziert. Ein sich dabei ergebender charakteristischer Wert,
beispielsweise Maximalwert, wird gespeichert und mit dem
voreingestellten elektrischen Sollwert verglichen. Bei einer Abweichung
wird der Sollwert entsprechend nachgestellt. Damit lässt sich, auch wenn
infolge eines Verschleisses der Zündkerze oder anderer betriebsbedingter
Änderungen in der Sensorik, der Aktorik und der Elektronik das
Ionisationssignal verschoben ist, erreichen, dass der Motor mit dem
gewünschten Lambda-Sollwert betrieben wird.
Bei Motortypen, die bei Lambda = 1 arbeiten, wird im Kalibrierzyklus
der Lambdawert vor der Reduzierung zunächst auf einen Wert < 1
erhöht, damit sich der charakteristische Wert, beispielsweise der
Maximalwert des Ionisationssignals, sicher ermitteln lässt.
Im zweiten Schaltstatus erfolgt der aus der DE 196 14 388 C1 bekannte
Regelbetrieb auf den vorgegebenen Lambda-Sollwert.
Der dritte Schaltstatus ist vorgesehen, um den Motor sicher zu starten.
Der im dritten Schaltstatus wirksame Lambda-Sollwert ist
zweckmäßigerweise kleiner als der im Regelbetrieb wirksame Lambda-
Sollwert, d. h. zum Starten wird ein fetteres Gemisch eingestellt. Es kann
auch vorgesehen sein, den dritten Schaltstatus zu initiieren, wenn eine
nicht mehr kompensierbare Verschiebung des Ionisationssignals
eingetreten ist.
Der erste Schaltstatus kann immer oder gelegentlich eingeschaltet
werden, wenn der Verbrennungsmotor im Leerlauf läuft. Es kann
vorgesehen sein, den ersten Schaltstatus zu unterdrücken oder nicht zu
unterdrücken, wenn der Benutzer den Verbrennungsvorgang beeinflusst,
insbesondere indem er das Gaspedal betätigt.
Der Motor hat gewöhnlich mehrere Verbrennungsräume (Zylinder).
Vorzugsweise erfolgen die Kalibrierzyklen für jeden Verbrennungsraum
einzeln nacheinander. Damit kann die Kalibrierung für die Zustände in
den einzelnen Verbrennungsräume, beispielsweise den
Verschleisszustand der jeweiligen Zündkerzen, separat vorgenommen
werden (vgl. Anspruch 6).
Zu Anspruch 9 wird noch auf die DE 38 28 518 A1 verwiesen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
weiteren Unteransprüchen (Ansprüche 2-5, 7-13). Anhand der folgenden Beschreibung wird die Erfindung weiter erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 das Schaltungsprinzip der DE 196 14 388 C1 bei der Regelung,
Fig. 2a das Ionisationssignal bei einem Lambdawert ≈ 1 des Kraftstoff-
Luftgemisches,
Fig. 2b das Ionisationssignal bei einem Lambdawert << 1,
Fig. 3a den Strom-Spannungsverlauf an dem Ersatz-
Ionisationswiderstand RF in einem Verbrennungsraum,
Fig. 3b eine schematische Darstellung des Verbrennungsraumes,
Fig. 4 das Ionisationssignal (Io-Signal) in Abhängigkeit von der
Luftzahl (Lambda in Werkseinstellung (durchgezogene Linie) und dieser
gegenüber abgedriftet, verschoben (punktierte Linie),
Fig. 5 die zeitlichen Änderungen der Einspritzvorgänge bei der
Kalibrierung und das sich dabei ergebende Ionisationssignal (Io-Signal),
Fig. 6 ein Blockschaltbild der für die Kalibrierung geeigneten
Einrichtung, wobei die in Fig. 1 dargestellten Funktionen der
Zündimpulserzeugung und der Prüfimpulserzeugung nicht nochmals
dargestellt sind,
Fig. 7 und Fig. 8 eine schematische Darstellung von Driften des
Ionisationssignals,
Fig. 9 das Ionisationssignal (Io-Signal) in Abhängigkeit von der
Luftzahl bei einer Fenstertechnik,
Fig. 10 ein Blockschaltbild der Datenerfassung und Datenausgabe bei
einem Mehrzylindermotor,
Fig. 11a bis c Darstellungen einer Kalibrierung der Zylinder
nacheinander und
Fig. 12a bis c Darstellungen einer Kalibrierung der Zylinder quasi
gleichzeitig.
Ein Verbrennungsmotor weist wenigstens einen Verbrennungsraum 1,
d. h. Zylinder, mit Zündkerze 2 auf. Eine Zündspuleneinheit 3 wird
primärseitig von einem Unterbrecherkontakt 4 geschaltet. Während der
Verbrennungsphase wird an der Zündkerze 2 zunächst von der
Zündspuleneinheit 3 ein Zündimpuls Z und diesem gegenüber
zeitverzögert von einem Prüfimpulsgenerator 5 ein Prüfimpuls P (vgl.
Fig. 2) erzeugt. Ein solcher Prüfimpuls P ist in Fig. 2 strichliert
dargestellt. Der Prüfimpuls kann jedoch auch so gestaltet sein, dass er -
unabhängig vom Zündimpuls - während des gesamten Motorbetriebs
dauernd, d. h. über viele Umdrehungen der Kurbelwelle des Motors,
anliegt, gegebenenfalls an allen Zylindern anliegt. Dies verringert den
Schaltungsaufwand. Die Zündspannung des Zündimpulses Z liegt bei
etwa 15 kV. Die Amplitude Uo des rechteckförmigen Prüfimpulses P
liegt zwischen 100 V und 1000 V, beispielsweise bei 600 V. Die
Amplitude Uo wird vom Prüfimpulsgenerator 5 vor einem
Messwiderstand R1 während der Impulsdauer konstant gehalten. Hinter
dem Messwiderstand R1, der dem Prüfimpulsgenerator 5 nachgeschaltet
ist, verringert sich die Spannungsamplitude infolge der während der
Verbrennung im Verbrennungsraum 1 auftretenden Ionisation. Die je
nach der Gemischzusammensetzung unterschiedliche Größe des
Ionisationssignals Io bzw. der gegenüber dem rechteckigen Prüfimpuls P
geänderte Verlauf der Spannung, wird über den Messwiderstand R1 in
der Auswerteschaltung 7 erfasst. Der Prüfimpuls P ist über den
Messwiderstand R1 an die Zündkerze 2 gelegt. Zur Erfassung des
Zündzeitpunktes liegt der Prüfimpulsgenerator 5 über eine Signalleitung
6 an dem Unterbrecherkontakt 4 oder der Sekundärwicklung der
Zündspuleneinheit 3. Die Sekundärwicklung der Zündspuleneinheit 3 ist
über einen oder mehrere spannungsabhängige Widerstände R2 vom
Prüfimpuls P entkoppelt. Dadurch ist einerseits gewährleistet, dass der
Zündimpuls Z ungestört auf die Zündherze 2 wirkt, und dass
andererseits der Prüfimpuls P nach dem Zündimpuls Z zur Zündkerze 2
gelangt. An der Auswerteschaltung 7 ist ein elektrischer Sollwert Se
eingestellt, der einem für den Motorbetrieb gewünschten Lambda-
Sollwert, beispielsweise λ = 1,3, entspricht.
Die Spannungshöhe Uo des Prüfimpulses P ist an den Widerstand RF
der Ionisationsstrecke (vgl. Fig. 3) angepasst. Fig. 3a zeigt die
nichtlineare Strom-Spannungsabhängigkeit des Widerstands RF. Die
Prüfimpulsspannung Uo ist so gewählt, dass in allen Betriebszuständen
gewährleistet ist, dass die Ionisationsstrommessung im linearen,
ohmschen Bereich der Strom-Spannungskurve des Widerstands RF
stattfindet.
Der Prüfimpuls P ist über die Reihenschaltung aus dem Messwiderstand
R1 und die Zündkerze 2 sowie den Widerstand RF der
Ionisationsstrecke an das entflammte Kraftstoff-Luftgemisch gelegt. Der
über die Ionisationsstrecke fließende Ionisationsstrom bewirkt am
Messwiderstand R1 den genannten Spannungsabfall, der in der
Auswerteschaltung 7 erfasst und ausgewertet wird. Die
Auswerteschaltung 7 vergleicht den jeweiligen Ist-Wert mit dem
voreingestellten elektrischen Sollwert und berechnet die für den
folgenden Zündvorgang bzw. folgenden Zündvorgänge nötigen
Stellgrößenänderungen für Aktoren, wie Drosselklappe 8,
Zündzeitpunktverstellung über eine Signalleitung 9 und/oder
Einspritzsystem 10 des jeweiligen Verbrennungsraumes 1.
Ein Verteiler 11 ist vorgesehen, um die Zündimpulse Z und die
Prüfimpulse P nacheinander an die weiteren Verbrennungsräume des
Motors zu legen.
Der während eines Prüfimpulses P auftretende Ionisations-
Spannungsverlauf Io (Io-Signal) kann in verschiedener Weise
ausgewertet werden (vgl. Fig. 2). Dabei werden während der jeweiligen
durch die jeweilige Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgenden
Ionisation viele, beispielsweise 10 bis 100, speziell 50,
Ionisationssignalwerte gemessen. Diese Messwerte werden zur Bildung
des Ionisationssignals ausgewertet. Für die Auswertung kann wahlweise
erfasst werden:
- a) das Integral aller gemessenen Ionisationssignalwerte pio während der Dauer des Prüfimpulses P;
- b) das bis zum Erreichen eines vorbestimmten Ionisationssignal- Schwellwertes US verstreichende Zeitintervall Δts;
- c) der Wert der Ionisationsspannung US bei einem vorgegebenen Zeitintervall Δts;
- d) der maximale Ionisationssignalwert Um während der Prüfimpulsdauer;
- e) das Zeitintervall ΔtF bis zum Erreichen des Flächenschwerpunktes der unter dem Ionisations-Spannungsverlauf liegenden Fläche,
- f) das Zeitintervall Δtw bis zum Erreichen des Wendepunktes des Anstiegs der Ionisationsspannung,
- g) das Zeitintervall ΔtM bis zum Erreichen des Maximums des Ionisations-Spannungsverlaufes,
- h) die Änderungen der zeitlichen Priorität zwischen den oben genannten Ereignissen.
Fig. 4 zeigt das Ionisationssignal Io in Abhängigkeit von der Luftzahl λ,
das durch das Integrationsverfahren nach dem obigen Verfahren a)
ermittelt wurde. Das Kraftstoff-Luftgemisch wurde bei durchgeführten
Versuchen zwischen λ = 0,7 bis λ = 1,5 variiert. Die durchgezogene
Kurve zeigt die in einem weiten Bereich (etwa zwischen λ = 0,9 bis
λ = 1,5) lineare Abhängigkeit zwischen der Luftzahl λ und den
ermittelten Ionisationssignalen Io, wobei in der Nähe des
stöchiometrischen Punktes (λ = 1) ein Maximum (bei λ = 0,9) des
Ionisationssignals auftritt.
Ein geringer Kraftstoffbedarf lässt sich erreichen, wenn der Motor im
Magerbetrieb mit einem luftreichen Gemisch in der Nähe der
Klopfgrenze betrieben wird. Der Lambdawert beträgt dabei
beispielsweise 1,3 . . . 1,6. Je nach Motortyp und Betriebszustand ist durch
eine Kennlinie ein Lambda-Sollwert für ein ideales Gemisch werkseitig
festgelegt. Dieser Lambda-Sollwert beträgt beispielsweise 1,3. Dem
entspricht ein Ionisationsspannungs-Sollwert von beispielsweise 240 V
(vgl. Punkt a in Fig. 4).
Im Betrieb wirken verschiedene Störgrößen, wie Motortemperatur,
Treibstoffzusammensetzung, aufzubringendes Lastmoment,
Lufttemperatur, Luftmenge, auf die Gemischregelung ein. Mit dem
beschriebenen Regelsystem wird die Gemischzusammensetzung
konstant gehalten. Wenn die Luftzahl λ sinkt, steigt das Ionisationssignal
an. Die Einrichtung erkennt diesen Signalanstieg und magert
dementsprechend das Gemisch ab (Erhöhung der Luftzahl). Dies erfolgt
durch Reduzierung der Treibstoffmenge oder durch Erhöhung der
Luftmenge. Umgekehrtes gilt bei steigender Luftzahl.
Verschleißerscheinungen der Zündkerze, Ablagerungen oder alternde
Bauteile der Elektronik können einen störenden Einfluss auf den Io-
Signalverlauf haben. Mit zunehmender Betriebszeit entsteht eine
Signaldrift, die den physikalen Zusammenhang zwischen der Luftzahl λ
und der Ionisationssignalspannung verändert. In Fig. 4 ist eine
gedriftete Kennlinie punktiert dargestellt. Ohne die im folgenden
beschriebene Kalibrierung würde sich die Gemischzusammensetzung im
Regelkreis unerwünschterweise in Richtung, fettes Gemisch, ändern. Im
Beispielsfall von Punkt a (λ = 1,3) zu Punkt b (λ = 1,1), was den
gewünschten verbraucharmen Betrieb beinträchtigen würde.
Die Kalibrierung erfolgt zyklisch. In der Kalibrierungsphase wird das
Maximum des gedrifteten Ionisationssignalverlaufes ermittelt. Dies ist
der Punkt c der Fig. 4. Aus diesem Wert wird ein neuer Ionisations-
Sollwert USW berechnet. Dies ist der Punkt d der Fig. 4. Bei dem
gedrifteten Ionisationssignal wird der gewünschte Lambdawert λ 1,3 bei
der Ionisationsspannung von 200 V erreicht.
Bei dem Kalibriervorgang wird das Gemisch ausgehend vom
Magerbetrieb schrittweise angefettet, d. h. mit Kraftstoff angereichert. Ist
der Motor ein λ = 1-Motor, dann wird das Gemisch zunächst
abgemagert.
Fig. 5a zeigt in der Zeitachse ta die beim Kalibriervorgang schrittweise
erhöhte Kraftstoffmenge und in der Zeitachse tb die sich dadurch
ergebenden Ionisationssignalverläufe m, n, o, p, die in der oben
beschriebenen Weise ausgewertet werden. Ersichtlich steigt das
Ionisationssignal m, n, o bis zum Erreichen des Maximalwertes. Um
diesen sicher zu detektieren, wird über diesen hinaus angefettet, wobei
nach dem Überschreiten des Maximalwertes das Ionisationssignal p
sinkt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Fig. 5 nur vier Stufen
dargestellt.
Der Kalibriervorgang dauert Bruchteile einer Sekunde bis 1 s. Der
Kalibriervorgang wird, um den nicht dargestellten Abgas-Katalysator des
Motors zu schützen, nacheinander für jeden der Verbrennungsräume 1
einzeln durchgeführt.
Das beim Kalibriervorgang gezielte Durchfahren der Ionisationssignal-
Kennlinie (vgl. Fig. 4) kann durch Verändern der Brennstoffmenge bei
konstanter Luftmenge oder durch Verändern der Luftmenge bei
konstanter Brennstoffmenge oder durch Verändern der
Brennstoffmenge und der Luftmenge geschehen. Die Auswertung der
Ionisationssignale (vgl. Fig. 5b) kann, wie oben beschrieben, durch
Auswerten des Flächenintegrals, der Anstiegsgeschwindigkeit des Signals,
der Lage des Flächenschwerpunktes oder des Wendepunktes des Signals
oder des absoluten Signal-Maximalwertes oder die zeitliche Priorität der
Ereignisse erfolgen.
Figur C zeigt die Struktur einer Schaltung zur Durchführung des
Verfahrens, die in einem Mikroprozessor integriert sein kann.
Eine Aktivierungs- und Steuereinheit 21 kann Bestandteil einer
Motorsteuerung sein. Sie generiert nach werkseitig vorgegebenen
Kennfeldern Steuergrößen für den Motorstart und den Regelbetrieb. Ein
von der Steuereinheit 21 gesteuerter Umschalter 22 aktiviert in einem
ersten Schaltstatus S1 den Kalibrierzyklus, in einem Schaltstatus S2 die
Luftzahlregelung (Regelbetrieb) und in einem Schaltstatus S3 den
Motorstart oder den Notbetrieb.
Beim Motorstart steht der Umschalter 22 im Schaltstatus S3. Das für den
Motorstart benötigte Gemisch wird über die Steuereinheit 21, einen
Sollwertgeber 23 und über eine Ansteuereinheit 34, die mit dem
Einspritzventil 10 verbunden ist, bestimmt. Nach einem erfolgreichen
Motorstart aktiviert die Steuereinheit 21 den Kalibriermodus durch
Einstellen des Schaltstatuses S1 und steuert einen Rampengenerator 26
an, um das Gemisch über die Ansteuereinheit 34 und das Einspritzventil
10 anzufetten. Der Rampengenerator 26 steuert die Luftmenge
und/oder die Brennstoffmenge in der Weise, dass das Gemisch
ausgehend von einem luftreichen Gemisch schrittweise angefettet wird.
Vorzugsweise wird dieser Vorgang bei Leerlaufdrehzahl aus dem
Regelbetrieb heraus bei einer konstanten Drosselklappenstellung
vorgenommen. Im Kalibriermodus ist der aus den Elementen
29, 30, 31, 32 und 33 bestehende Zweig aufgrund des Schaltstatuses S1
ansteuerseitig vor der Ansteuereinheit 34 getrennt. Der
Rampengenerator 26 ist am Umschalter 22 wirksam.
Eine Detektionsschaltung 27 generiert einen Prüfimpuls und erfasst den
während der Prüfimpulsdauer fließenden Ionisationsstrom. Die
Detektionsschaltung 27 ist über eine Auswerteschaltung 28 mit der
Steuereinheit 21 verbunden. Der Auswerteschaltung 28 nachgeschaltet
ist ein Vergleicher 29, eine Speichereinheit 30 und ein Sollwertgeber 31.
Beim Kalibrieren wird nach jedem Gemischanfettungsschritt das
steigende Ionisationssignal beobachtet und im Vergleicher 29 mit dem
Ionisationssignal der vorherigen Messung verglichen. Ist der aktuelle
Wert größer als der vorherige Wert, dann wird der vorherige Wert in der
Speichereinheit 30 überschrieben und der aktuelle Wert wird gespeichert.
Ergibt der Größenvergleich ein steigendes Ionisationssignal, wird das
Gemisch so lange weiter angefettet, bis das Maximum in der
Speichereinheit 30 abgespeichert ist. Dazu wird, um sicher das Maximum
zu detektieren, um einen definierten Betrag weiter angefettet, bis das
Ionisationssignal unter einen definierten Grenzwert relativ zum
gemessenen Maximum abgesunken ist. In der Speichereinheit 30 wird
eine Plausibilitätskontrolle und Gewichtung des gewonnen
Kalibrierwertes vorgenommen und ein neuer Ionisations-Sollwert USW
berechnet und dem Sollwertgeber 31 zugeführt, welcher Wert als
aktueller Sollwert am Vergleicher 32 ansteht.
Bei aktivierter Gemischregelung im Schaltstatus S2 wird im Vergleicher
32 der Sollwert mit dem Ionisationssignal-Istwert verglichen. Die
resultierende Regelabweichung wird berechnet und die Stellgröße RA
wird ausgegeben. In einer Vorsteuerungseinheit 33 wird die Stellgröße RA
mit einer Vorsteuergröße RB überlagert, die der Vorsteuereinheit 33 die
zu erwartende Regelrichtung vorgibt. Mit dem Reglerausgangssignal RC
wird über den Umschalter 22 und die Ansteuereinheit 34 das Kraftstoff-
Einspritzventil 10 angesteuert.
Bevor der aktuelle Kalibrierwert Ukalneu für die Gemischoptimierung
benutzt wird, werden zwei Übergabekriterien überprüft. Das erste
Kriterium erfasst eine plötzliche Veränderung aller Komponenten des
Regelkreises. Es ist erfüllt, wenn die Abweichung des aktuellen
Kalibrierwertes Ukalneu von dem in der Speichereinheit 30 werkseitig
gespeicherten vorherigen Wert ausreichend klein ist. Das zweite
Kriterium überwacht eine schleichende Drift des gesamten Regelkreises.
Es ist erfüllt, wenn die Abweichung des aktuellen Kalibrierwertes Ukalneu
von dem in der Speichereinheit 30 werkseitig gespeicherten Kalibrierwert
ausreichend klein ist.
Verläuft die Überprüfung der beiden Kriterien erfolgreich, dann erfolgt
eine schleichende Mittelwertbildung, indem der aktuelle Kalibrierwert
prozentual gewichtet wird. Dieser Mittelwert wird zur Neuberechnung
des Sollwertes USW herangezogen, indem der Quotient aus dem
werkseitigen Kalibrierwert und dem werkseitigen Sollwert gebildet wird
und das Ergebnis dieser Quotientenbildung mit dem aktualisierten
Mittelwert multipliziert wird. Der so berechnete Sollwert steht für
weitere Regelprozeduren zur Verfügung.
Ergibt die Überprüfung der beiden Übergabekriterien einen Verstoß
gegen werkseitig festgelegte Grenzwerte, dann wird über eine
Signalleitung 35 ein Störungssignal an die Steuereinheit 21 übertragen,
die den Umschalter 22 dann in den Schaltstatus S3 bringt, wodurch ein
Notbetrieb aktiviert ist, bei dem die Gemischbildung über eine
Kennfeldregelung erfolgt.
Fig. 7 zeigt eine schleichende Drift innerhalb der zulässigen, werkseitig
festgelegten Grenzen, wobei die gepunktete Linie um jeden einzelnen
Kalibrationspunkt die Grenzen des ersten Übergabekriteriums
"Erkennung einer plötzlichen Drift" repräsentiert. Die Erkennung einer
schleichenden Drift wird durch die Festlegung von Grenzwerten längs
der gestrichelten Linie ermöglicht.
Fig. 8 zeigt die Detektion einer Störung im System. Der Wert des
Kalibrationspunktes P1 verstößt gegen das erste Übergabekriterium
"Erkennung einer plötzlichen Drift". Der Wert des Kalibrationspunktes
P2 verstößt gegen das zweite Übergabekriterium "Erkennung einer
schleichenden Drift" durch Überschreiten oder Unterschreiten der
strichliert dargestellten Grenzen.
In der Fig. 6 ist zur Vereinfachung der Darstellung nur eine
Ansteuerung des Einspritzventils 10 gezeigt. Es kann jedoch auch die
Drosselklappe 8 und/oder eine Einrichtung für die Steuerung des
Zündzeitpunktes angesteuert werden, wie dies bei Fig. 1 angegeben ist.
Die Elemente, Vergleicher 32, Sollwertgeber 31 und Vorsteuereinheit 33
der Fig. 6 sind in der Auswerteschaltung 7 nach Fig. 1 enthalten.
Bei obigen Ausführungsbeispielen ist davon ausgegangen, dass die
Zündkerze 2 selbst als Sensor zur Erfassung des Ionisationssignals
verwendet ist. Bei anderen Ausführungen ist es zur Erfassung der
Luftzahl auch möglich, einen anderen elektrischen Sensor oder einen
optischen Sensor, der über das Farbbild der Verbrennungsflamme die
Luftzahl erfasst, oder einen akustischen Sensor (Klopfsensor), der
mittels Schalldruckmessung der bei der Verbrennung auftretenden
Schwingungen die Luftzahl erfasst, einzusetzen. Der jeweilige Sensor
kann im Verbrennungsraum oder in der Abgasleitung des
Verbrennungsraumes wirken. Bei solchen Sensoren ist der für die
Luftzahl charakteristische Wert nicht unbedingt ein Maximum der
Kennlinie. Der charakteristische Wert kann beispielsweise auch ein
Minimalwert oder anderer Extremwert der Kennlinie sein.
Die während der Kalibrierung gemessenen Ionisationssignale können
durch externe oder interne Hochspannungsimpulse beeinflusst sein. Eine
solche Beeinflussung kann zu unpassenden Kalibrierwerten führen.
Solche unpassenden Werte lassen sich mit der im Folgenden anhand von
Fig. 9 beschriebenen Fenstertechnik von der Steuerelektronik dadurch
erkennen, dass zum jeweiligen Messzeitpunkt dem zu messenden Wert
nur ein begrenzter Abstand zum zuvor gemessenen Wert zugestanden
wird. Es wird eine Fensterhöhe a mit oberen Grenzwerten o und unteren
Grenzwerten u als motorspezifische Größen vorgegeben.
Zweckmäßigerweise ist die Fensterhöhe a mindestens so groß wie die
maximal mögliche Änderung des Ionisationssignals pro
Anfettungsschritt. Wirkt während der Kalibrierung ein störender Impuls
(EMV-Impuls), der beispielsweise als Ausreisser A in Fig. 9 dargestellt
ist, dann führt der Größenvergleich des Ausreissers A mit den
Grenzwerten o und u zu seiner Entdeckung. Treten Ausreisser auf, wird
ihr Wert nach der Erkennung auf die jeweilige Fenstergrenze o oder u
gesetzt und die Kalibrierung wird durch einen weiteren Anfettungsschritt
fortgesetzt.
Die gewonnenen Kalibrierwerte können in werkseitig vorgegebenen
Grenzen bei steigendem Zündkerzenabbrand dazu dienen, das
Motormanagement zyklisch zu optimieren.
Die Fig. 10 bis 12 zeigen Möglichkeiten der beschrieben
Kalibrierung bei einem Viertakt-Vierzylindermotor schematisch. In den
Fig. 10 bis 12 sind zur Verbesserung der Übersichtlichkeit die vier
Kolben an der Kurbelwelle mehrfach dargestellt. Eine Einheit KW
misst, beispielsweise mittels Hallsensoren, den jeweiligen Drehwinkel der
Kurbelwelle. Die Zündung, die Steuerung und die Kalibrierung müssen
wegen des Kurbelwellenversatzes für jeden Verbrennungsraum zu einem
entsprechenden Zeitpunkt erfolgen. Zu diesem Zweck ist an der
Steuereinheit 21 für jeden Verbrennungsraum ein eigener Port P1 bis
Port P4 eingerichtet (Eingang und Ausgang). Die Ports P1 bis P4
kommunizieren mit der Steuereinheit 21 über bidirektionelle Kanäle K1
bis K4. Über den jeweiligen Port 1 bis 4 erfolgt zum passenden
Zeitpunkt die Zündung Z1 bis Z4 (vgl. Fig. 10). über einen jeweiligen
Kanal Ion wird in der oben beschriebenen Weise das Ionisationssignal
gemessen. über Ausgänge E1 bis E4 wird die Einspritzung gesteuert. In
jedem Port P1 bis P4 sind die oben beschriebenen Einrichtungen
(Detektionsschaltung, Vergleicher, Speicherstufe, Sollwertgeber und
Ansteuereinheit) integriert, so dass die beschriebenen Funktionen über
jeden Port für jeden Zylinder getrennt erfolgen können. In der
Steuereinheit 21 werden die Kalibrierwerte erfasst. Es erfolgt eine
zylinderspezifische Optimierung des Einspritzvorganges bzw. des
Zündwinkels.
Nach Fig. 11 werden die Kalibrierungen für jeden Zylinder
nacheinander jeweils in der oben beschriebenen Weise durchgeführt. In
Fig. 11 sind aufeinanderfolgende, der Kurbelwellenstellung
entsprechende Zeitpunkte T1 bis T12 gezeigt. Zwischen den
Zeitpunkten T1 bis T12 liegen jeweils 180° Kurbelwellendrehung. Fig.
11 zeigt drei im Kalibrierzyklus erfolgende Anfettungsschritte des
Zylinders "1", wobei die Zylinder 3, 4, 2 im normalen Regelbetrieb
betrieben werden. Im Stadium der Fig. 11a erfolgt zum Zeitpunkt T1
ein durch die Einspritzdauer D1 bestimmter erster Anfettungsschritt und
es wird ein Ionisationssignal mit dem Wert U1 gemessen, der das oben
genannte Maximum noch nicht erreicht hat. Die Zylinder 3, 4, 2 werden
zu den entsprechenden Zeitpunkten T2, T3, T4 gezündet.
Im Stadium der Fig. 11b erfolgt am Zylinder 1 zum Zeitpunkt T5 ein
zweiter Anfettungsschritt auf der rampenförmigen Funktion mit der
Einspritzdauer D2, wobei D2 < D1 ist. Es ist zur Vereinfachung der
Darstellung angenommen, dass bei diesem Anfettungsschritt das
Ionisationssignal seinen Maximalwert U2 erreicht. Die Zylinder 3, 4, 2
werden zu den entsprechenden Zeitpunkten T6, T7, T8 wie im Stadium
der Fig. 11a im Regelbetrieb betrieben.
Im zeitlich folgenden Stadium der Fig. 11c wird zum Zeitpunkt T9
weiter angefettet, also die Einspritzdauer auf D3 erhöht. Es ist
angenommen, dass dabei das Ionisationssignal das Maximum überfährt
und den Wert U3 annimmt. Damit sind die für den Zylinder 1 nötigen
Kalibrierwerte gewonnen. Im Stadium der Fig. 11 werden die Zylinder
3, 4, 2 wie in den vorhergehenden Stadien im Regelbetrieb gezündet.
Anschließend wird dann die Kalibrierung der Zylinder 3, 4, 2
nacheinander in gleicher Weise durchgeführt.
Fig. 12 zeigt eine Alternative zu Fig. 11, wobei die Zylinder quasi
gleichzeitig kalibriert werden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in
Fig. 12 die schematischen Darstellungen der Einspritzdauer und des
Ionisationssignals über der Zeit nicht nochmals dargestellt.
Im Stadium der Fig. 12a arbeitet der am Port P1 liegende Zylinder 1 im
Regelbetrieb. In den Zeitpunkten T2, T3, T4 wird an den an den Ports P2,
P3 und P4 liegenden Zylindern Kalibrierungsschritte durchgeführt,
wobei über den Port P4 ein erster Anfettungsschritt (vgl. Fig. 11a), über
den Port P3 ein nächster Anfettungsschritt (vgl. Fig. 11b) und über den
Port P2 ein letzter Anfettungsschritt (vgl. Fig. 11c) für den jeweiligen
Zylinder durchgeführt wird. Im folgenden Stadium (vgl. Fig. 12b) ist die
Einspritzung für den am Port P2 liegenden Zylinder kalibriert und dieser
wird zum Zeitpunkt T6 wie der am Port P1 liegende Zylinder zum
Zeitpunkt T5, im Regelbetrieb betrieben. Der zum Zeitpunkt T7 über
den Port P3 erfolgende Kalibrierschritt ist der letzte für die Einspritzung
des zugeordneten Zylinders (vgl. Fig. 11c). Der zum Zeitpunkt T5 über
den Port P4 erfolgende Anfettungsschritt ist der vorletzte
Kalibrierschritt (vgl. Fig. 11b). Es ergibt sich dann im folgenden Stadium
der Fig. 12c, dass die an den Ports P1, P2, P3 liegende Zylinder zu den
Zeitpunkten T9, T10, T11 im Regelbetrieb arbeiten und im Zeitpunkt T12
über den Port P4 der letzte Kalibrierschritt für den zugehörigen Zylinder
eingeleitet wird. Danach sind dann die Einspritzungen für alle Zylinder
kalibriert und arbeiten im Regelbetrieb, bis wieder ein neuer
Kalibrierzyklus einsetzt. Die Fig. 11 und 12 stellen die Abläufe nur
schematisch und vereinfacht dar. In der Praxis werden sich je nach der
Notwendigkeit der Kalibrierung mehr Stadien vom Beginn der
Kalibrierung bis zum Abschluss der Kalibrierung ergeben, wobei diese
auch abhängen von der jeweiligen Miskalibrierung der Verbrennung im
jeweiligen Zylinder.
Die quasi gleichzeitige Kalibrierung nach Fig. 12 der Zylinder hat den
Vorteil, dass die Gesamtdauer der Kalibrierung aller Zylinder weniger
lang dauert als beim Verfahren nach Fig. 11. Das Verfahren nach Fig.
11 hat den Vorteil, dass die mit einer Anfettung des Gemisches
verbundene Kalibrierung für die Zylinder nacheinander erfolgt, so dass
Anfettungsschritte immer nur in einem der Zylinder erfolgen, was einen
den Zylindern nachgeschalteten Abgaskatalysator weniger belastet als es
beim Verfahren nach Fig. 12 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des
Verfahrens nach Fig. 11 kann auch darin bestehen, dass es mit weniger
Aufwand als das Verfahren nach Fig. 12 durchführbar ist.
Claims (13)
1. Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorgangs eines Kraftstoff-
Luftgemisches in einem Verbrennungsmotor, insbesondere
Ottomotor, wobei ein zyklisch die Verbrennungphase einleitender
elektrischer Zündimpuls an eine Zündkerze eines
Verbrennungsraums gelegt wird, und während der
Verbrennungsphase ein Prüfimpuls das Verbrennungsgemisch
zyklisch auf charakteristische Verbrennungswerte überprüft und die
durch das jeweilige Kraftstoff-Luftgemisch im Verbrennungsraum
erfolgende Beeinflussung des Prüfimpulses als elektrisches Signal
erfasst und mit einem elektrischen Sollwert verglichen wird und damit
während des Fahrbetriebs der Lambdawert des Kraftstoff-
Luftgemisches auf einen dem elektrischen Sollwert entsprechenden
Lambda-Sollwert geregelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Umschaltfunktion vorgesehen ist, wobei
in einem ersten Schaltstatus (S1) ein Kalibrierzyklus durchfahren wird,
in dem der Lambdawert von einem Wert < 1 auf einen Wert < 1 reduziert wird und in dem die sich dabei ergebenden elektrischen Ionisationssignalwerte gemessen und ein für die Luftzahl charakteristischer Ionisationssignalwert gespeichert wird und dass mit diesem Lambdawert der elektrische Sollwert nachgestellt wird, um auf den Lambda-Sollwert zu regeln, und dass in einem zweiten Schaltstatus (S2) der auf den Lambda-Sollwert geregelte Fahrbetrieb erfolgt
und dass in einem dritten Schaltstatus (S3) ein für das Starten des Verbrennungsmotors geeigneter Lambda-Sollwert wirksam ist.
dass eine Umschaltfunktion vorgesehen ist, wobei
in einem ersten Schaltstatus (S1) ein Kalibrierzyklus durchfahren wird,
in dem der Lambdawert von einem Wert < 1 auf einen Wert < 1 reduziert wird und in dem die sich dabei ergebenden elektrischen Ionisationssignalwerte gemessen und ein für die Luftzahl charakteristischer Ionisationssignalwert gespeichert wird und dass mit diesem Lambdawert der elektrische Sollwert nachgestellt wird, um auf den Lambda-Sollwert zu regeln, und dass in einem zweiten Schaltstatus (S2) der auf den Lambda-Sollwert geregelte Fahrbetrieb erfolgt
und dass in einem dritten Schaltstatus (S3) ein für das Starten des Verbrennungsmotors geeigneter Lambda-Sollwert wirksam ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrische Signal ein Ionisationssignal ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Schaltstatus immer oder gelegentlich eingeschaltet wird,
wenn der Verbrennungsmotor im Leerlauf oder in einem anderen
definierten Betriebszustand läuft.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Schaltstatus unterdrückt wird oder nicht unterdrückt
wird, wenn der Benutzer den Verbrennungsvorgang beeinflusst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Schaltstatus etwa 1 s oder weniger dauert.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kalibrierzyklen für die einzelnen Verbrennungsräume
nacheinander erfolgen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass, wenn in einem Kalibrierzyklus festgestellt wird, dass die
elektrische Größe außerhalb von für die Nachstellung bestehenden
Grenzen liegt, der dritte Schaltstatus eingeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der Reduzierung des Lambdawertes dieser auf einen Wert
< 1 erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Sensor zur Ermittlung des Ionisationssignals die Zündkerze
verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Sensor für die Ermittlung der Luftzahl ein elektrischer, ein
optischer oder ein akustischer Sensor verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Auswertung der Ionisationssignalwerte im Kalibrierzyklus
ein Fenster vorgegeben ist, wobei außerhalb des Fensters liegende,
gemessene Ionisationssignalwerte auf einen an der Fenstergrenze
oder innerhalb des Fensters liegenden Wert gesetzt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren
Verbrennungsräumen der jeweilige Kalibrierzyklus für den jeweiligen
Verbrennungsraum durchfahren wird, bevor die Kalibrierzyklen für
nächste Verbrennungsräume durchfahren werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Verbrennungsraum mit mehreren
Verbrennungsräumen die Kalibrierzyklen für die Verbrennungsräume
zeitlich überlappen, quasi gleichzeitig durchfahren werden.
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