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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leerlaufregelung
bei einer Brennkraftmaschine, die einen Dreiwegekatalysator und
eine Kraftstoffeinspritzung aufweist.
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Bei
modernen Füllungs-Regelungssystemen mit
elektrisch betriebener Drosselklappe zur Luftzuführung in eine Brennkraftmaschine,
wird zur weiteren Einsparung von Kosten auf einen separaten Luftpfad,
einen sogenannten Leerlauf-Bypass, mit einer zusätzlichen Stelleinrichtung regelmäßig verzichtet. Hierdurch
wird der Aufbau vereinfacht und Kosten eingespart.
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In
der Folge muss der im Ansaugtrakt vorgesehene Drosselklappenregler
einen sehr großen
Bereich unterschiedlicher Luftmassen einstellen können. Einerseits
muss im Leerlauf eine sehr geringe Luftmasse genau eingestellt werden,
während
bei Volllast der Brennkraftmaschine erheblich größere Luftmassen erforderlich
sind. Indem der Luftpfad sowohl für die minimal als auch maximal
geforderte Luftmasse ausgelegt ist, liegt insbesondere im Leerlauf
eine nur sehr eingeschränkte
Regelgenauigkeit vor. Hinzukommt, dass im Leerlauf noch Reserven zum
Momentenaufbau für
plötzliche
Laständerung vorgehalten
werden müssen.
Dieser Momentenaufbau erfolgt beispielsweise über Änderung der Zündzeitpunkte.
Diese Bedingungen schränken
die Stabilität
der herkömmlichen
Leerlaufregelung ein.
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Zur
Verbesserung der Drehzahlstabilität im Leerlauf sind mehrere
Lösungsansätze bekannt.
Bei einem ersten Lösungsansatz
wird in dem Drosselklappengehäuse
eine Kugelkalotte eingefräst,
um im unteren Luftmassenbereich ein besseres Verhältnis von
Drosselklappenbewegung zur Luftmassenänderung zu erzielen. Die Drosselklappe
wird also durch konstruktive Maßnahmen
im Bereich geringer Luftmassen sensitiver. Bei einem anderen Ansatz
werden separate Bypass-Luftklappen mit gerin gem Durchmesser vorgesehen, über die
die Luftmasse im Leerlauf geführt
wird. Mitunter kann hierdurch sogar die Leerlaufregelung von der
Hauptdrosselklappe vollständig
entkoppelt werden. Beide Ansätze
benötigen
jedoch Maßnahmen,
die konstruktiv aufwendig sind und Kosten verursachen.
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Aus
der
DE 43 32 099 C2 ist
eine Vorrichtung zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
im Leerlauf einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Vorrichtung weist
ein Steuergerät
auf, das mit einem Leerlauferkennungs-Sensor, mit einem Brennkraftmaschinendrehzahl-Sensor,
mit einem Luftzufuhr-Steller und mit einem Kraftstoff-Einspritzventil verbunden
ist. Das Steuergerät
bestimmt die Kraftstoff-Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Luftzahl.
Zur Minimierung des Kraftstoffverbrauches der Brennkraftmaschine
regelt das Steuergerät
sowohl die Kraftstoff-Einspritzmenge als auch den Öffnungsgrad
des Luftzufuhrstellers auf eine Soll Leerlaufdrehzahl. Dabei wird
der Öffnungsgrad
des Luftzufuhr-Stellers derart angesteuert, dass die Luftzahl Lambda
einen größeren Wert
als 1 annimmt. Für
bestimmte Betriebsbedingungen wird bei einer Leerlaufdrehzahlunterschreitung
die Kraftstoff-Einspritzmenge erhöht und bei einer Leerlaufdrehzahlüberhöhung die
Kraftstoff-Einspritzmenge reduziert.
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In
der
DE 198 03 653
A1 ist eine Steuervorrichtung zum Steuern einer mit Kraftstoff-Direkteinspritzung
arbeitenden Brennkraftmaschine beschrieben, wobei in Abhängigkeit
der Betriebsbedingungen ein magerer oder ein stöchiometrischer Gemischwert erzeugt
wird. Die Steuervorrichtung umfasst eine Einrichtung zum Bestimmen
einer Basiskraftstoffeinspritzmenge, eine Einrichtung zum Bestimmen
einer Referenzkraftstoffeinspritzmenge anhand der Motordrehzahl
und einer Fahrpedalstellung und eine Einrichtung zum Berechnen einer
Sollkrafteinspritzmenge durch Multiplizieren der Referenzkraftstoffeinspritzmenge
mit einem Soll-Luftkraftstoff-Verhältnis und durch dividieren
des Produkts durch das stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Die Steuervorrichtung enthält
ferner eine Einrichtung zum Einstellen der Referenzkraftstoffeinspritzmenge
für eine
Motordrehzahlsteuerung und/oder eine Lastkorrektur während des
Leerlaufbetriebs. Die Kraftstoffeinspritzmenge und die Ansaugluftmenge
werden auf der Grundlage der Referenzkraftstoffeinspritzmenge gleichzeitig
und getrennt voneinander gesteuert.
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Die
US 5,975,048 zeigt eine
Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Lastabhängigen Regelung des
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
mit einer mit Kraftstoffdirekteinspritzung betriebenen Brennkraftmaschine,
bei der in Abhängigkeit
der Leerlaufqualität zwischen
magerer und homogener Betriebsart gewechselt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leerlaufregelung für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen,
die mit einfachen Mitteln zuverlässig die
Drehzahl im Leerlauf konstant hält.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt für
vorbestimmte Betriebsbedingungen die Regelung der Drehzahl über die
eingespritzte Kraftstoffmenge. Hierbei wird bei einer Leerlaufdrehzahlüberhöhung ein
magerer Gemischwert für
eine erste Zeitdauer und für
eine Leerlaufdrehzahlunterschreitung ein fetter Gemischwert für eine zweite
Zeitdauer eingesetzt. Die erste und zweite Zeitdauer sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
derart gewählt,
dass im Mittelwert über
zwei aufeinanderfolgende magere und fette Gemischphasen ein vorbestimmter
Lambdawert erzielt wird. Die Auswahl der Zeitdauer stellt mithin
sicher, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Emissionswerte
sich nicht verschlechtern.
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Die
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommene
Einstellung eines fetten oder mageren Gemischs folgt in seinen Grundzügen dem
aus der Abgasreinigung bekannten Verfahren der Zwangsanregung. Bei
der Zwangsanregung wird, wie beispielsweise in
DE 43 44 892 C2 beschrieben, das
Luft/Kraftstoffgemisch so gesteuert, dass unabhängig vom Betriebszustand zwangsweise
eine Oszillation zwischen angereicherten und mageren Zustände erfolgt,
um die Reinigungseffizienz des Katalysators zu erhöhen. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Zwangsanregung mit Schwankungen der Leerlaufdrehzahl synchronisiert,
um die Leerlaufdrehzahl zu stabilisieren. Die Erhöhung der Reinigungseffizienz
erfolgt zusätzlich.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die Drosselklappe
während
der Variation des Kraftstoffgemischs in einer vorbestimmten Position. In
dieser Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Leerlaufregelung
ohne Unterstützung
durch die Drosselklappe.
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Eingesetzt
wird das erfindungsgemäße Verfahren,
wenn die Abweichung der Leerlaufdrehzahl einen ersten vorbestimmten
Wert nicht überschreitet und
einen zweiten vorbestimmten Wert nicht unterschreitet. Dem Verfahrensschritt
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Variation des Kraftstoffgemischs
nur Drehzahlvariationen in einem bestimmten Intervall um eine vorgegebene
Leerlaufdrehzahl variiert werden können.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Lambdawert in der fetten und in der mageren Gemischphase
jeweils auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, wobei der Wert
für die
fette Betriebsphase weniger von dem Mittelwert abweicht als der
Wert in der mageren Betriebsphase. Die bei dem Verfahren verwendete
Amplitude für
das Luft-Kraftstoffgemisch wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf vorbestimmte Amplitudenwerte eingestellt, die unabhängig von
der Größe der Drehmomentabweichung
sind. Die für
die Leerlaufregelung ausschlaggebende Beeinflussung der Drehzahl
erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über das
Produkt aus Dauer und Amplitude, d.h. über die Fläche.
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Die
Synchronisation der Zwangsanregung mit der Leerlaufschwankung erfolgt
in einer bevorzugten Ausführung,
indem ein Wechsel zu einer mageren Gemischphase ansprechend auf
ein Überschreiten
des für
die Drehzahl vorgegebenen Sollwerts auf tritt. Die magere Gemischphase
wirkt momentenreduzierend, wodurch ein Absinken der Drehzahl hervorgerufen
wird. Ebenso erfolgt ein Wechsel zu einer fetten Gemischphase, nachfolgend
auf eine Unterschreitung des vorgegebenen Sollwerts für die Drehzahl.
Das angereicherte Gemisch führt
zu einer Momentenerhöhung
und somit zu einer Drehzahlerhöhung.
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Um
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sicherzustellen,
dass durch einen Wechsel von fetten und mageren Gemisch das Emissionsverhalten
nicht negativ beeinflusst wird, erfolgt die Leerlaufregelung lediglich
dann, wenn der Dreiwegekatalysator mindestens eine vorbestimmte
Sauerstoffspeicherkapazität
besitzt. Die ausreichende Sauerstoffspeicherkapazität stellt
sicher, dass das vom stöchiometrischen Wert
abweichende Luft/Kraftstoffgemisch nicht zu erhöhten Abgaswerten führt.
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Um
auch während
der Leerlaufregelung sicherzustellen, dass ausreichend Sauerstoffkapazität vorhanden
ist, wird nachfolgend auf eine fette und eine magere Gemischphase
während
einer dritten Zeitdauer der vorbestimmte Lambdawert eingestellt und
so die Sauerstoffspeicherkapazität
für den
Dreiwegekatalysator eingestellt. Verfahren zur Bilanzierung der
Sauerstoffspeicherkapazität
des Dreiwegekatalysators sind an sich bekannt.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem vorbestimmten Lambdawert, der durch die
Zwangsanregung aufgeprägt
wird, um ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffgemisch
oder um einen von der Leerlaufregelung vorgegebenen Lambdawert.
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Eine
bevorzugte Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahren
wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Flussdiagramm des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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2 den Verlauf der Lambdawerte
und der Leerlaufdrehzahlabweichung über der Zeit.
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1 zeigt ein Flussdiagramm
zur Leerlaufregelung einer Brennkraftmaschine. In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird überprüft, ob die
Bedingungen für
den Leerlauf erfüllt
sind. Lediglich in dem Fall, dass die Betriebsbedingungen für eine Regelung
der Drehzahl im Leerlauf erfüllt
sind, wird in einer nachfolgenden Abfrage 12 geprüft, ob die
Drehzahldifferenz innerhalb eines vorbestimmten Drehzahlbandes liegt.
Liegt diese Leerlaufbedingung nicht vor, so kehrt das Verfahren
in den Verfahrensschritt 10 zurück.
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Ergibt
die nachfolgende Abfrage 12, dass die Drehzahlabweichung
kleiner als ein vorgegebener maximaler Abweichungswert und größer als
ein vorgegebener minimaler Abweichungswert ist, so wird in einem
nachfolgenden Schritt 14 überprüft, ob eine ausreichende Sauerstoffspeicherkapazität für den Dreiwegekatalysator
vorliegt.
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Wird
in Abfrage 12 festgestellt, dass die Drehzahlabweichung
außerhalb
des vorgegebenen Drehzahlbandes liegt, so wird in Verfahrensschritt 16 eine
konventionelle Leerlaufdrehzahlregelung vorgenommen. Hierbei erfolgt
eine Regelung der Leerlaufdrehzahl indirekt mit mechanischen Mitteln,
beispielsweise über
eine Saugrohrdruckregelung mittels einer Drossel.
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Die
konventionelle Leerlaufregelung erfolgt auch dann, wenn die Drehzahlabweichung
innerhalb des vorbestimmten Drehzahlbandes liegt, aber der Dreiwegekatalysator
keine ausreichende Sauerstoffspeicherkapazität besitzt.
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Wenn
eine ausreichende Sauerstoffkapazität vorhanden ist, so wird nachfolgend
in Schritt 18 eine Leerlaufregelung über eine Zwangsanregung des Luft-/Kraftstoffgemischs
vorgenommen. Beide Leerlaufdrehzahlregler sehen vor, in Schritt 10 stets
das Vorliegen der Leerlaufbedingungen zu erfüllen.
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2 zeigt mit der Kurve 20 den
zeitlichen Verlauf der Leerlaufdrehzahldifferenz. Die Werte sind hierbei
so aufgetragen, dass diese um den mit 22 gekennzeichneten
Wert oszillieren. Hierbei verlaufen die Werte der Leerlaufdrehzahldifferenz
innerhalb eines vorbestimmten Bandes 24, 26, so
dass die Leerlaufdrehzahlregelung ausschließlich über den Lambdawert erfolgt.
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Zur
besseren Übersicht
ist der Verlauf der Lambdawerte in einem getrennten Diagramm dargestellt.
Die Lambdawerte schwanken zwischen einem Amplitudenwert (A1) 28 für ein fettes
Gemisch und einem Amplitudenwert (A2) 30 für ein mageres
Gemisch. Zu dem Zeitpunkt ta wechselt die
Drehzahldifferenz 20 ihr Vorzeichen, so dass nach dem Zeitpunkt
ta eine Drehzahl für den Istwert vorliegt, der kleiner
als der vorgegebene Sollwert ist. Im Zeitpunkt ta wechselt
die Luftkraftstoffzusammensetzung von einem mageren Gemisch zu einem
fetten Gemisch mit einem Lambdawert A1. Dieser Lambdawert wird gehalten,
wodurch nachfolgend der Istwert für die Drehzahl wieder ansteigt.
In dem Augenblick, in dem die Leerlaufdrehzahl erneut das Vorzeichen
wechselt, wird es wieder zu einem mageren Gemisch umgeschaltet.
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Die
Zeitdauer für
das fette Gemisch nach dem Zeitpunkt t
a ist
in
2 mit T1 angegeben.
In dem darauffolgenden Intervall, wird für die Zeitdauer T2 das magere
Gemisch angelegt. Um im zeitlichen Mittel keine Emissionsverschlechterung
zu erhalten, entsprechen die von den Amplituden eingeschlossenen
Flächen
32 und
34 einander.
Mit anderen Worten ausgedrückt,
ist das Verhältnis
der Zeitdauer genau umgekehrt proportional zu dem Verhältnis der
Amplitudenwerte A1
28 und A2
30:
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Die
von den Lambdawerten eingeschlossenen Flächen sind in 2 mit F1 und F2 gekennzeichnet. Die oben
genannte Bedingung lautet somit F1 = F2.
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Die
sich an die magere Phase anschließende Restzeit Tr 36 wird
zur Sauerstoffbilanzierung genutzt. Während der Restzeit wird ein
stöchiometrisches
Luft-/Kraftstoffgemisch oder ein an die Betriebsbedingung im Leerlauf
angepasster Wert für das
Luft-/Kraftstoffgemisch eingespritzt und anhand der nach dem Katalysator
gemessenen Signale, die vorzugsweise durch eine zweite Sauerstoffsonde
gemessen werden, die Sauerstoffbilanz des Katalysators bestimmt.
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Im
Zeitpunkt tc wechselt die Drehzahldifferenz erneut das Vorzeichen,
so dass für
das nachfolgende Intervall wieder ein fettes Gemisch in den Verbrennungszylindern
der Brennkraftmaschine vorliegt.
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Um
den zeitlichen Verlauf der Lambdawerte einzustellen, wird ein stetiger
Lambdaregler mit einer linearen Lambdasonde eingesetzt. Eine beliebige Änderung
des Verbrennungslambdas abweichend vom stöchiometrischen Lambda ist nicht
möglich,
da ansonsten die Gefahr besteht, den Lambdabereich zu verlassen,
so dass der Katalysator nicht mit seinem zur ausreichenden Emissionsreduktion
notwendigen Wirkungsgrad arbeitet. Aus diesem Grund wird weiterhin
mit dem Lambda auf den für
den Leerlauf notwendigen Lambdasollwert geregelt, dies kann der Wert λ = 1 sein.
Diesem Lambdasollwert werden die Schwankungen der Lambdawerte aufgeprägt, die auch
als Zwangsanregung bezeichnet werden können. Diese Zwangsanregung
wird so gewählt,
dass der zeitliche Mittelwert der einzelnen Gemischschwankungen
den Lambdareglersollwert nicht beeinflusst. Diese so generierten
Lambdaabweichungen werden mit den Leerlaufdrehzahlschwankungen synchronisiert,
wobei eine Überhöhung der
Leerlaufdrehzahl durch den momentenreduzierenden Einfluss des Gemischs,
größer dem
stöchiometrischen Lambda,
kompensiert wird und umgekehrt für
eine Unterschreitung der Leerlaufdrehzahl.
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Auf
das gesamte Emissionsverhältnis
der Brennkraftmaschine wird hierbei kein Einfluss genommen.
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Von
besonderer Bedeutung ist, dass die Synchronisierung der Zwangsanregung
und die dadurch induzierte Schwankung des Verbrennungslambdas gegenläufig zu
den Drehzahlabweichungen erfolgt. In der verbleibenden Restphase
T
r erfolgt die Bilanzierung der Sauerstoffspeicherfähigkeit
der Katalysatorbeschichtung durch die Berechnung der Sauerstoffbeladung.
Die Sauerstoffbeladung m
02 wird in bekannter
Weise wie folgt berechnet:
wobei m
Durchsatz die
Masse der pro Zeiteinheit durchgesetzten Luft im Ansaugtrakt bezeichnet.
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Um
zu verhindern, dass der Katalysator seine emissionsreduzierende
Wirkung verliert, wurde für
die Zwangsanregung die Drehzahl reduzierende Amplitude A2 deutlich
höher als
die Drehzahl erhöhende
Amplitude A1 gewählt.
Dies wird dadurch erzielt, dass bei ausgeglichene Flächenverhältnis von „fett" zu „mager" T2 kürzer als
T1 und so der Mittelwert der Zwangsanregung gleich dem Mittelwert
der Lambdaregelung ist. Durch die Synchronität der Perioden zu den Drehzahlabweichungen
und das gleichzeitig ausgeglichene Verhältnis der Katalysatorspeicherfähigkeit
bezüglich über- und
unterstöchiometrischem
Gemisch werden die Emissionswerte erhalten.
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Zu
Beginn der Bilanzierung der Sauerstoffspeicherfähigkeit im Leerlauf muss auch
der Sauerstoffeintrag in den Katalysator vor der eigentlichen Leerlaufphase
berücksichtigt
werden. Weiterhin muss darauf geachtet werden, dass die maximalen Amplituden
der Lambdaabweichung nicht zu einem Durchbrechen der Speicherfähigkeit
des Katalysators führen.
Die Bedingungen hierfür
sind im Leerlauf gut einzuhalten, da der Massen strom durch den Katalysator,
bei kleiner Drehzahl und Last, sehr gering im Verhältnis zur
Gesamtspeicherkapazität
ist, und das Risiko der Emissionsbeeinflussung somit entsprechend
gering ist. Sollte jedoch eine Gefahr für eine Emissionsverschlechterung
durch die Drehzahlsynchronität
auftreten, wird die Sauerstoffbilanz priorisiert und die Perioden
der Zwangsanregung unabhängig
von den Drehzahlabweichungen gewählt,
damit die maximale Speicherkapazität schnellstmöglich wiederhergestellt
ist.
