DE10354978A1 - Multicylinder internal combustion engine, has control device which operates knocking cylinder with richer fuel mixture, and non-knocking cylinders with leaner fuel mixture - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern.The The invention relates to a multi-cylinder internal combustion engine.
An solchen Verbrennungsmotoren sind häufig Zündfunkenerzeugungseinrichtungen und eine Kraftstoffzuführeinrichtung vorgesehen. Im Betrieb taucht gelegentlich der Zustand auf, dass ein so genanntes "Klopfen" abgetastet wird.At such internal combustion engines are often spark generators and a fuel supply device intended. In operation, the condition sometimes arises that a so-called "knocking" is scanned.
Die
Im Betrieb ist dabei von Nachteil, dass es gelegentlich zu Bauteilversagen bei derart ausgerüsteten Motoren kommt.in the Operation is disadvantageous in that it sometimes leads to component failure in such equipped Engines is coming.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen stets zuverlässig arbeitenden Verbrennungsmotor, eine verbesserte Steuerungseinrichtung für einen solchen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Verbrennungsmotors beispielsweise in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen.The Invention is based on the task of always reliable working Internal combustion engine, an improved control device for such Internal combustion engine and a method for operating such To provide internal combustion engine, for example in a motor vehicle.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen.The Task is solved by the independent claims. advantageous Further developments emerge from the respective dependent claims.
Die Klopfgrenze hängt bei erfindungsgemäßen Benzinmotoren u. a. auch von unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten (Oktanzahl) und Motortoleranzen (Verdichtungsverhältnis) ab. Deshalb sind diese mit einer Klopfregelung ausgerüstet, damit ein optimales Drehmoment und eine optimale Leistung erzielt werden kann. Der aktuelle Zündzeitpunkt kann sich in einem Vollastpunkt bei Betrieb mit 91 ROZ-Kraftstoff gegenüber 98 ROZ um bis zu acht Grad Kurbelwinkel verändern. In Volllast besteht dabei zwischen Abgastemperatur und Zündzeitpunkt eine relativ lineare Abhängigkeit von ca. 5 bis 10 K pro Grad Kurbelwinkel. Speziell bei motornah angeordneten Katalysatoren muss das Gemisch in Volllast bei hohen Drehzahlen unter das leistungsoptimale Luftverhältnis von ca. Lambda = 0,9 angefettet werden, damit der Katalysator nicht überhitzt. Entsprechend der o. g. Abhängigkeit werden in Temperaturschutzfunktionen die Zündrücknahmen der Klopfregelung bzw. Korrekturen des Zündzeitpunktes als Funktion von Motor- und Ansauglufttemperatur berücksichtigt, um nur so stark anzufetten, dass die zulässige Maximaltemperatur eingehalten wird.The Knock limit depends in gasoline engines according to the invention u. a. also of different fuel qualities (octane number) and motor tolerances (compression ratio) from. That's why these are equipped with a knock control, for optimum torque and performance can be. The current ignition timing can operate at a full throttle point with 91 RON fuel versus 98 RON by up to eight degrees crank angle change. In full load exists thereby between exhaust gas temperature and ignition a relatively linear dependence from about 5 to 10 K per degree crank angle. Especially near the engine arranged catalysts must the mixture at full load at high Speeds below the power-optimal air ratio of about lambda = 0.9 be greased so that the catalyst does not overheat. According to the o. g. dependence In temperature protection functions, the ignition returns the knock control or corrections of the ignition point considered as a function of engine and intake air temperature, To grease only so strong that the maximum permissible temperature is maintained becomes.
Die Abhängigkeit der Klopfgrenze vom Luftverhältnis (bei Lambda = 1 ist die Klopfneigung am stärksten) wird in der Erfindung berücksichtigt. Die Erfindung nutzt die Möglichkeit, die Klopfneigung durch Anfetten oder Abmagern zu verringern.The dependence the knock limit of the air ratio (At lambda = 1, the tendency to knock is strongest) is in the invention considered. The invention makes use of the possibility To reduce the tendency to knock by fattening or leaning.
Falls die Klopfgrenzen der einzelnen Zylinder eines Motors unterschiedlich sind (z. B. wegen baulicher Toleranzen, Luft-, Kraftstoff-, Blow-By-, Ölansaugung oder schlechter "AGR- Verteilung" = unterschiedliche Abgasrückführraten für die Einzelzylinder) wird das Triebwerk durch eine zylinderindividuelle Anfettung wesentlich besser geschützt als durch eine globale Anfettung. Der Ansatz, nicht nur das Gemisch der klopfenden Zylinder zu verändern, sondern auch das Gemisch eventuell nicht klopfender Zylinder entgegengesetzt zu modifizieren, vermeidet erhöhte Abgasemissionen und erhöhten Kraftstoffverbrauch.If the knock limits of the individual cylinders of an engine are different are (eg because of structural tolerances, air, fuel, blow-by, oil suction or worse "AGR distribution" = different Exhaust gas recirculation rates for the Single cylinder), the engine is a cylinder-individual Enrichment much better protected than by a global one Enrichment. The approach, not just the mixture of knocking cylinders to change, but also the mixture of possibly non-knocking cylinder opposite to modify, avoids increased Exhaust emissions and increased Fuel consumption.
Die konkrete Ausgestaltung der Ausführungsbeispiele geht von der erfindungsgemäßen Erkenntnis aus, dass die bei den im, Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotoren im Dauerversuch abgerissenen Auslassventile unter anderem auf überhöhte Abgastemperaturen des betreffenden Zylinders infolge von Zündrücknahmen der Klopfregelung zurückzuführen sind.The Concrete embodiment of the embodiments starts from the knowledge according to the invention from that in the known in the prior art internal combustion engines exhaust valves demolished during the endurance test, among other things, to excessive exhaust gas temperatures of the cylinder in question as a result of the ignition being canceled by the knock control are attributed.
Die Erfindung sieht in Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Motors drei sehr wirksame Verfahren vor, von denen zwei alternativ zueinander angewandt werden können. Dabei ist es vorgesehen, je eines der beiden alternativ anzuwendenden Verfahren zusammen mit einem dritten erfindungsgemäßen Verfahren anzuwenden.The Invention looks dependent From the operating mode of the engine three very effective method before, from which two can be used alternatively to each other. there it is envisaged to use one of the two alternatively Method together with a third method according to the invention apply.
1. Verfahren:1st method:
Im Einzelnen wird gemäß der Erfindung bei einem im Wesentlichen stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotor beim Abtasten eines Klopfsignals an wenigstens einem Zylinder oder einer Zylindergruppe der oder die klopfenden Zylinder oder Zylindergruppen jeweils um eine vorbestimmte Anfettungsmenge vom Kraftstoff angefettet bei gleichzeitiger Zündrücknahme. Die übrigen nichtklopfenden werden jeweils um eine vorbestimmte Abmagerungsmenge vom Kraftstoff abgemagert.in the Individual will be according to the invention at a substantially stoichiometric operated internal combustion engine when sensing a knock signal at least one cylinder or a cylinder group of the or knocking cylinder or cylinder groups each by a predetermined Amount of fuel enriched with simultaneous ignition reset. The remaining non-knocking are each by a predetermined amount of emaciation emaciated from the fuel.
Dabei ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die übrigen Zylinder bzw. Zylindergruppen derart abgemagert betrieben werden, dass in dem von allen Zylindern bzw. Zylindergruppen stammenden Abgas eine im Wesentlichen stöchiometrische Zusammensetzung vorliegt. Dadurch ist es möglich, einen bestimmten Zylinder oder eine bestimmte Zylindergruppe wirksam abzukühlen, wodurch Klopfen vermieden wird. Durch das Abmagern der übrigen Zylinder bzw. Zylindergruppen wird dabei im Abgas eine Mischung bereitgestellt, die von einem nachgeschalteten Katalysator auf einfache Weise stöchiometrisch umgewandelt werden kann.It is provided according to the invention that the other cylinders or cylinder groups are operated so emaciated that in the exhaust gas originating from all cylinders or cylinder groups, a substantially stoichiometric composition is present. This makes it possible to effectively cool a particular cylinder or cylinder group, thereby avoiding knocking. By leaning out the remaining cylinders or cylinder groups is doing in the exhaust provided a mixture that can be easily stoichiometrically converted by a downstream catalyst.
Bei einem Vierzylindermotor mit z. B. schlechter gekühlten und damit klopfempfindlicheren mittleren Zylindern könnten entsprechend Zylinder 1 und 4 ohne Klopfaktivitäten mit einem mittleren Gemisch von z. B. Lambda = 1,03, Zylinder 2 (klopft am stärksten, späteste Zündung) mit Lambda = 0,96 und Zylinder 3 mit Lambda = 0,98 laufen. Die thermische oder mechanische Belastung von Komponenten der einzelnen Zylinder ist entsprechend gleichmäßiger. Infolge der im Mittel geringer notwendigen Spätverstellung auf den durch die Anfettung gleichzeitig schneller verbrennenden mittleren Zylindern verschlechtert sich außerdem der motorische Gesamtwirkungsgrad weniger stark.at a four-cylinder engine with z. B. badly cooled and thus knock sensitive middle Cylinders could according to cylinders 1 and 4 without knocking activities with a middle mixture from Z. Lambda = 1.03, cylinder 2 (knocking the strongest, latest Ignition) with lambda = 0.96 and cylinder 3 with lambda = 0.98 run. The thermal or mechanical load of components of each cylinder is correspondingly more uniform. As a result the on average less necessary retardation on the the enrichment of simultaneously faster burning middle cylinders worsens as well the overall motor efficiency less strong.
In Ausgestaltung dieses Verfahrens wird vorzugsweise derjenige bzw. diejenigen übrigen Zylinder bzw. Zylindergruppen jeweils abgemagert betrieben, bei dem bzw. bei denen am längsten kein Klopfen detektiert worden ist. Bei diesen Zylindern ist zu er warten, dass ein zusätzlicher Abmagerungsvorgang kein zusätzliches Klopfen erzeugen wird.In Embodiment of this method is preferably the one or the rest Cylinder or cylinder groups each operated emaciated, at the longest no knock has been detected. These cylinders are waiting for him that an additional Slimming process no additional Knocking will produce.
2. Verfahren:2nd method:
Bei dem alternativ zu den vorstehenden Verfahrensausbildungen vorgesehenen erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Abtasten eines Klopfsignals bei im Wesentlichen stöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors an demjenigen Zylinder bzw. an derjenigen Zylindergruppe, an der Klopfen detektiert wird, ein Abmagerungsbetrieb bewirkt. Durch das Abmagern wird die Klopfneigung leicht reduziert. Unabhängig davon und auch zusätzlich können der bzw. die klopfenden Zylinder oder Zylindergruppen mit einem späteren Zündzeitpunkt betrieben werden als Zylinder oder Zylindergruppen, bei denen kein Klopfsignal abgetastet worden ist.at the alternative to the above method training provided inventive method becomes substantially stoichiometric when sampling a knock signal Operation of the internal combustion engine on that cylinder or on that Cylinder group at which knocking is detected, a leaning operation causes. By leaning the knock tendency is slightly reduced. Independently and also in addition can the knocking cylinders or cylinder groups with a later ignition timing operated as cylinders or cylinder groups, where no Knocking signal has been sampled.
Da in beiden Verfahren ein Temperaturanstieg im Katalysator auftritt, muss sichergestellt werden, dass die zulässige maximale Katalysatortemperatur nicht überschritten wird, beispielsweise durch zeitweises Vorsehen eines unterstöchiometrischen Betriebs (Lambda < 1) entweder für jeden Einzelzylinder oder gemittelt über alle Zylinder.There in both processes a temperature rise in the catalyst occurs, it must be ensured that the permissible maximum catalyst temperature not exceeded is, for example, by temporarily providing a substoichiometric operation (Lambda <1) either for each Single cylinder or averaged over all cylinders.
3. Verfahren:3rd method:
Eine Alternative zu den beiden vorstehend erläuterten Verfahren sieht gemäß der Erfindung vor, dass bei im Wesentlichen unterstöchiometrischem Betrieb des Motors der bzw. die klopfenden Zylinder oder Zylindergruppen jeweils zusätzlich angefettet betrieben werden, wobei die klopfenden Zylinder oder Zylindergruppen mit demselben Zündzeitpunkt betrieben werden, wie diejenigen Zylinder oder Zylindergruppen, bei denen kein Klopfsignal abgetastet wird.A Alternative to the two methods explained above according to the invention suggest that in substantially substoichiometric operation of the Motors the knocking cylinders or cylinder groups respectively additionally be operated greased, with the knocking cylinder or Cylinder groups operated with the same ignition timing be like those cylinders or cylinder groups in which no knock signal is sampled.
Generell kann zur Erzielung des max. Drehmoments bzw. der max. Leistung eine Anfettung vorgesehen werden. Zum Schutz von zylinderindividuellen Bauteilen wie z. B. der Auslassventile oder des Abgassystems kann ebenfalls eine Anfettung zur Temperaturabsenkung genutzt werden. In diesem Fall wird bei Klopfereignissen zur Erhöhung der Klopfgrenze nur das Gemisch des betreffenden Zylinders zusätzlich, kurzzeitig angefettet, um das Klopfen zu unterbinden. Die Vorzündung bleibt dabei unverändert.As a general rule can to achieve the max. Torque or the max. Performance one Enrichment be provided. To protect cylinder-individual Components such. B. the exhaust valves or the exhaust system can also an enrichment for lowering the temperature can be used. In this case, in knock events to increase the knock limit only the Mixture of the relevant cylinder additionally, briefly enriched, to stop the knocking. The pre-ignition remains unchanged.
Bei konventionellen Systemen sind Zündrücknahmen in der Regel für einen Zeitraum von 5 bis 60 sec. aktiv. Bei einer zylinderindividuellen Anfettung zur Erhöhung der Klopfgrenze sind nur wenige Einspritzpulse notwendig, um weitere Klopfereignisse sicher zu vermeiden, weil der Brennraum und alle betroffenen Bauteile sofort abgekühlt werden. Entsprechend bleibt die Motorleistung nahezu unverändert, wodurch sich ein Wirkungsgradvorteil gegenüber Verfahren mit Zündverstellung ergibt.at Conventional systems are ignition returns usually for a period of 5 to 60 sec. active. In a cylinder-individual Enrichment to increase the knock limit only a few injection pulses are necessary to more To avoid knocking events safely because of the combustion chamber and all affected Components immediately cooled become. Accordingly, the engine power remains virtually unchanged, thereby an efficiency advantage over methods with ignition timing results.
Die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können auch kombiniert miteinander betrieben werden.The above-described method according to the invention can also be operated in combination with each other.
Bei
der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung
handelt es sich um eine handelsübliche
Industriesteuerung, die ein vorgegebenes Computerprogramm wie in
Es ist möglich, statt einer einzigen Steuerungseinrichtung auch mehrere Steuerungseinrichtungen zu verwenden, z. B. eine Steuerungseinrichtung für die Zündung, eine weitere Steuerungseinrichtung für die Einspritzung und eine weitere übergeordnete Steuerungseinrichtung für die Messung und Gesamtsteuerung.It is possible to use a plurality of control devices instead of a single control device, for. As a control device for the ignition, a further Steuerungsein Direction for the injection and another higher-level control device for the measurement and overall control.
Die erfindungsgemäße Steuerung verwendet dabei die folgenden Variablen:The Control according to the invention uses the following variables:
- αz α z
- Basiszündwinkelbasic ignition
- Δαz,j Δα z, j
- zylinderindividuelle Abweichung von αz cylinder-specific deviation from α z
- Δαzd Δα zd
- Zündwinkeländerung zur schrittweisen Rückführung auf αz pro LoopIgnition angle change for gradual return to α z per loop
- λges λ ges
- Luftverhältnis, gemittelt über alle ZylinderAir ratio, averaged over all cylinder
- λj λ j
- Luftverhältnis des Einzelzylinders jAir ratio of Single cylinder j
- λLim λ Lim
- zylinderindividuelle Magergrenzeindividual cylinder lean limit
- Δλj Δλ j
- zylinderindividuelle Abweichung von λges cylinder-specific deviation of λ ges
- Δλd Δλ d
- Luftverhältnisänderung zur schrittweisen Rückführung auf λges pro LoopAir ratio change for the stepwise return to λ ges per loop
- nn
- Anzahl ZylinderNumber of cylinders
- ii
- Anzahl der Zylinder, deren Gemisch/Zündwinkel momentan von der Klopfregelung beeinflusst werdenNumber of cylinders, their mixture / ignition angle currently be influenced by the knock control
Die Steuerungseinrichtung tastet im ersten Schritt nach dem Feld "Start" ab, ob an dem Verbrennungsmotor ein Klopfen erkannt worden ist. Dabei wird auch festgestellt, welcher der n Zylinder klopft. Hierfür wird ein Klopfsensor eines Klopferkennungssystems eingesetzt, das z.B. auf Ionenstrom-Messung oder Auswertung des Zylinderdrucksignals basiert.The Control means in the first step scans for the field "Start", whether on the internal combustion engine a knock has been recognized. It is also determined which the n cylinder is knocking. Therefor a knock sensor of a Knockferkennungssystems is used, the e.g. on ion current measurement or evaluation of the cylinder pressure signal based.
Wenn ein Klopfen erkannt worden ist, dann geht die Steuerungseinrichtung in einen Abfragezustand, in dem festgestellt wird, ob der Verbrennungsmotor stöchiometrisch mit λges = 1 oder unterstöchiometrisch mit λges < 1 betrieben wird.If a knock has been detected, then the controller goes into a polling state in which it is determined whether the engine is operated stoichiometrically at λ ges = 1 or substoichiometrically at λ ges <1.
Bei
stöchiometrischem
Betrieb mit λges = 1 wird in einer besonderen Ausgestaltung
der Erfindung sowohl der Winkel der Vorzündung als auch das zylinderindividuelle λ verstellt.
In dem Programm in
Im vorliegenden Fall wird der Wert λj auf den Wert λges – Δλj gesetzt. Der Wert λ1..(n–1) wird auf den Wert (λges + (Σ1..i Δλj)/(n-i)) gesetzt, wobei dieser Wert stets < λLim (Zylinder individuelle Magergrenze) gehalten werden soll. Im vorliegenden Fall ist λ = 1, so dass sich λj zu 1 – Δλj und λ1..(n-1) = (1 + (Σ 1..i Δλj)/(n-i)) berechnet.In the present case, the value λ j is set to the value λ ges - Δλ j . The value λ 1 .. (n-1) is set to the value (λ ges + (Σ 1..i Δλ j ) / (ni)), and this value should always be kept <λ Lim (cylinder individual lean limit) , In the present case λ = 1, so that λ j is calculated to be 1 - Δλ j and λ 1 .. (n-1) = (1 + (Σ 1..i Δλ j ) / (ni)).
Durch die Zündrücknahme und durch das vorstehend beschriebene gleichzeitige Anfetten des Verbrennungsgemisches des klopfenden Zylinders wird bei gleichzeitiger Einhaltung der Bauteiltemperaturgrenzen für den oder die klopfenden Zylinder wirksam die Klopfneigung reduziert. Die anderen Zylinder werden um einen Betrag von (Σ1..i Δλj)/(n-i) abgemagert, wodurch sich ein λges von 1 erhalten lässt.By the Zündrücknahme and by the above-described simultaneous enrichment of the combustion mixture of the knocking cylinder while maintaining the component temperature limits for the one or more knocking cylinder effectively reduces the tendency to knock. The other cylinders are emaciated by an amount of (Σ 1..i Δλ j ) / (ni), whereby a λ ges of 1 can be obtained.
Wenn beim nächsten Durchgang erkannt wird, dass kein Klopfen mehr vorliegt, dann wird sowohl die zylinderindividuelle Abweichung Δαz,j als auch die zylinderindividuelle Abweichung Δλj zurück genommen. Dies wird im Zweig "Klopfen erkannt?" gleich "Nein" bewerkstelligt. Alternativ kann das Programm den Wert für Δαzd und/oder Δλd auch für eine bestimmte Zeit zu „0" setzen und somit eine Haltezeit für die Zündwinkelverstellung und/oder Anfettung vorsehen. Diese Möglichkeit ist in dem Programmablaufplan nicht näher ausgeführt.If it is recognized at the next pass that there is no more knock, then both the cylinder-specific deviation Δα z, j and the cylinder-specific deviation Δλ j are withdrawn. This is detected in the "Knocking?" equal to "No" accomplished. Alternatively, the program can zd the value of Δα and / or Δλ and d for a specific time to "0" set and thus a hold time for the ignition angle and / or enrichment provision. This possibility is not detailed in the program schedule.
In
Um weiterhin ein Gesamtluftverhältnis von λges =1 zu gewährleisten, müssen die Zylinder 3 bis n = 6 zur Kompensation der Anfettung von Zylinder 2 noch weiter abgemagert werden, und zwar insgesamt um einen Wert von (0.07 + 0.035/6-2) = 0,02625 auf λ1..(n-i) = 1.02625In order to further ensure a total air ratio of λ ges = 1, the cylinders 3 to n = 6 must be further emaciated to compensate for the enrichment of cylinder 2, and in total by a value of (0.07 + 0.035 / 6-2) = 0 , 02625 to λ 1 .. (ni) = 1.02625
In
einem weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel analog zu
In
dem Fall, dass der Verbrennungsmotor und jeder Einzelzylinder unterstöchiometrisch
betrieben wird, also λges < 1,
wird Δαz,,j auf
0 gesetzt, d.h. es erfolgt keine Zündwinkelrücknahme (siehe
Im
nächsten
Durchlauf des Programms wird wieder überprüft, ob die entsprechende Änderung bereits
ein Verschwinden des Klopfens bewirkt hat. Gegebenenfalls wird die
Anfettung weiter erhöht
auf z. B. Δλj ca.
0,15. Wenn das Klopfen an dem betreffenden Zylinder aufgehört hat,
dann verzweigt das Programm gemäß
Wenn Δλj bei dieser Überprüfung bereits den Wert 0 hat, dann wird die Schleife bei „Start" ohne Änderung von Δλj fortgeführt.If Δλ j already has the value 0 in this check, then the loop is continued at "Start" without changing Δλ j .
Auf diese Weise wird im unterstöchiometrischen Betrieb stets sichergestellt, dass Folgeklopfen vermieden wird, wobei eine Verstellung des momentanen Zündwinkels nicht erfolgt.On this way is in substoichiometric Always ensuring that knocking is avoided, wherein an adjustment of the current ignition angle does not occur.
Selbstverständlich werden
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