DE19653521A1 - Elektronische Steuerung einer mehrzylindrigen insbesondere fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuerung zumindest für die Ge­ mischaufbereitung einer mehrzylindrigen insbesondere fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei ein mehreren Zylindern zugeführter Ansaugluft­ strom in einem einzigen Meßorganes mengenmäßig erfaßt und hieraus zu­ mindest die zylinderindividuelle Kraftstoffmenge ermittelt wird. Zum techni­ schen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 38 00 176 A1 verwiesen.

Das in den Brennräumen einer Brennkraftmaschine verbrannte Gemisch aus Ansaugluft und Kraftstoff muß selbstverständlich dem jeweiligen Betrieb­ spunkt der Brennkraftmaschine entsprechen, d. h. einer gewissen Ansaug­ luftmenge muß - zumindest bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - eine gewisse Kraftstoffmenge beigemengt werden. Hierzu ist es erforderlich, die den Zylindern der mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zugeführte An­ saugluftmenge zu messen. Diese Ansaugluftmenge, die beispielsweise vo­ lumenmäßig in Litern/min. oder massenmäßig in Gramm/min. ausgedrückt werden kann, definiert dann - wie dem Fachmann bekannt ist - zusammen mit der jeweiligen Drehzahl der Brennkraftmaschine exakt den jeweiligen Brennkraftmaschinen-Betriebspunkt. Die einzelnen Betriebspunkte einer Brennkraftmaschine werden oftmals anstelle des Begriffpaares "Drehzahl und Ansaugluftmenge" auch durch das Begriffspaar "Drehzahl und Last" be­ zeichnet. Soll nun in einem gewissen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschi­ ne der aktuelle Brennkraftmaschinen-Lastzustand ermittelt werden, so ist also die jeweilige Ansaugluftmenge zu messen. Diese sog. Lasterfassung erfolgt bei heutigen elektronischen Steuerungen für fremdgezündete Brenn­ kraftmaschinen durch Abtastung eines Luftmassenstromsensors oder Luftvo­ lumenstromsensors oder eines Saugrohrdrucksensors in einem engen zeitli­ chen Raster. Dabei werden die einzelnen Luftmengen-Meßwerte (dieser Be­ griff soll auch die Luftmassen-Meßwerte umfassen) zeitsynchron oder syn­ chron zum Kurbelwellenwinkel der Brennkraftmaschine abgetastet und in fest zugeordneten kurbelwinkelsynchronen Intervallen aufsummiert und gemittelt. Aus diesen gemittelten Luftmengenstrom-Werten wird dann für jeden Betriebspunkt bzw. jedes Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine die zu­ gehörige Kraftstoffmasse berechnet. Dabei wird jedem Zylinder die gleiche Kraftstoffmasse zugeteilt, da davon ausgegangen wird, daß der durch den Luftmassenstromsensor oder Luftmengenstromsensor oder Saugrohrdruck­ sensor, d. h. allgemein der durch das Meßorgan ermittelte Luftmengenstrom gleichmäßig auf alle Zylinder aufgeteilt wird.

Beispielsweise in der eingangs genannten DE 38 00 176 A1 ist eine demge­ genüber verfeinerte elektronische Steuerung für die Gemischaufbereitung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine beschrieben, wonach den einzel­ nen Zylindern individuelle Korrekturwerte zugeordnet sind, mit Hilfe derer die in einem festen Betriebspunkt den einzelnen Zylindern zugeteilte Kraftstoff­ masse zylinderindividuell angepaßt wird. Die Ermittlung dieser individuellen Korrekturwerte bzw. die entsprechende Anpassung erfolgt dabei unter Rückgriff auf die Auswertung der Signale einer im Abgasstrang der Brenn­ kraftmaschine vorgesehenen Lambda-Sonde. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann mit Hilfe einer derartigen Lambda-Sonde die Abgaszusammenset­ zung in der Weise ausgewertet werden, daß in der Brennkraftmaschine ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Tatsächlich wird nämlich der mehreren Zylindern über eine gemeinsame Sauganlage zuge­ führte Ansaugluftmengenstrom nicht zu gleichen Teilen auf die einzelnen Zylinder aufgeteilt, vielmehr ist oftmals eine Ungleichverteilung zu beobach­ ten. Grundsätzlich vermieden werden kann eine daraus resultierende Ge­ mischungleichverteilung über den einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern nun durch eine dementsprechende Kraftstoffmengen-Ungleichverteilung, wofür die in der eben genannten Schrift vorgesehenen individuellen Korrek­ turwerte, die aus den Signalen einer Lambda-Sonde in geeigneter Weise abgeleitet werden, ein Mittel darstellen.

Zwar stellt dieses letztgenannte Verfahren einen deutlichen Fortschritt ge­ genüber dem eingangs zitierten Stand der Technik mit gleichmäßiger Kraft­ stoff-Mengenverteilung über den einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern dar, jedoch läßt die Ermittlung der Ungleichverteilung anhand der Abgasana­ lyse an Genauigkeit zu wünschen übrig. Eine demgegenüber verbesserte Möglichkeit zur Ermittlung der Luftmengen-Ungleichverteilung über den ein­ zelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern, und zwar im Hinblick auf eine dem­ entsprechend angepaßte Gemischaufbereitung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Ansaugluft für jeden Zylinder individuell erfaßt wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß soll die angesaugte Luftmenge für jeden Zylinder einzeln ermittelt werden, so daß eine elektronische Steuereinheit hieraus für jeden einzelnen Zylinder individuell die geeignete Kraftstoffmenge berechnen und zuteilen kann. Indem die Berücksichtigung der Luftmengen-Un­ gleichverteilung über den einzelnen Zylindern direkt über die Ermittlung der den einzelnen Zylindern zugeführten Luftmenge erfolgt, werden selbst­ verständlich Ungenauigkeiten, wie sie sich bei der Ermittlung über die Ab­ gaszusammensetzung ergeben, vermieden.

Nun wäre es zwar theoretisch möglich, für jeden Zylinder einer mehrzylindri­ gen Brennkraftmaschine ein eigenes Meßorgan zur Ermittlung der diesem Zylinder zugeführten Luftmasse/Luftmenge vorzusehen, jedoch stellte dies einen unvertretbaren hohen Aufwand dar. Daher wird vorgeschlagen, die Signale eines einzigen für mehrere Zylinder vorgesehenen Luftmengenmeß­ organes derart in geeigneter Weise auszuwerten, daß die einem einzelnen Zylinder zugeführte Luftmenge individuell ermittelt wird. Insbesondere wird hierzu im Meßorgan die Ansaugluft-Menge für die Dauer des Einströmens der Ansaugluft in den jeweiligen Zylinder unter Berücksichtigung der Laufzeit der Ansaugluft-Welle zwischen dem Meßorgan sowie den jeweiligen Zylin­ der-Einlaßorganen ermittelt, wie im Folgenden näher erläutert wird:
Der Öffnungs- und Schließzeitpunkt eines Zylinder-Einlaßorganes, bei­ spielsweise Einlaßventiles, ist bekannt. Bekannt ist auch die durchschnittli­ che Laufzeit, die der Ansaugluftstrom benötigt, um vom Meßorgan zum Zy­ linder-Einlaßorgan zu gelangen. Da durch das Öffnen des Zylinder-Ein­ laßorganes sowie durch das Schließen desselben im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine Schwingungen hervorgerufen werden, wird in diesem Zusammenhang auch von einer Ansaugluft-Welle gesprochen. Geht man nun von diesen beiden bekannten Größen, nämlich der Öffnungsdauer des Zylinder-Einlaßorganes bei bekanntem Öffnungszeitpunkt sowie von der be­ kannten Laufzeit der Ansaugluft-Welle aus, so ist es durchaus möglich, die Messung im Meßorgan zu demjenigen Zeitpunkt zu starten, zu welchem der für den jeweiligen Zylinder bestimmte Ansaugluftstrom erstmalig das Meßor­ gan passiert und zu demjenigen Zeitpunkt zu beenden, in welchem kein An­ teil des das Meßorgan passierenden Luftstromes mehr in den jeweils rele­ vanten Zylinder mit geöffnetem Zylinder-Einlaßorgan mehr gelangt. Die ent­ sprechende Zeitdauer, die im wesentlichen gleich ist der Dauer des Einströ­ mens der Ansaugluft in den jeweiligen Zylinder wird im folgenden auch als zylinderindividuelle Meßzeitspanne bezeichnet.

In anderen Worten bzw. anhand von Beispielswerten soll dieser erfindungs­ gemäße Zusammenhang nochmals erläutert werden:
Es sei angenommen, daß das Einlaßventil eines ersten Zylinders bei 60° Kurbelwinkel öffnet und bei 180° Kurbelwinkel schließt. Die Dauer des Ein­ strömens der Ansaugluft in diesen Zylinder beträgt somit 120° Kurbelwinkel.

Weiter ist bekannt, daß bei einer bestimmten Drehzahl von beispielsweise 3000 U/min. die sog. Ansaugluft-Welle 40° Kurbelwinkel benötigt, um vom Meßorgan zum Zylinder-Einlaßventil zu gelangen, d. h. ein Partikel des An­ saugluftstromes passiert zunächst das Meßorgan und benötigt dann 40° Kurbelwinkel, um beim Zylinder-Einlaßventil anzukommen. Mit diesen Zah­ lenwerten würde dann die zylinderindividuelle Meßzeitspanne im Bereich zwischen 20° und 140° Kurbelwellenwinkel liegen.

Entsprechend der bisherigen Erläuterung ist bevorzugt vorgesehen, die Ab­ tastung einzelner Meßwerte des Meßorganes während einer zylinderindivi­ duellen Meßzeitspanne synchron zur Winkelposition der Brennkraftmaschi­ nen-Kurbelwelle in geringen Winkelschritten durchzuführen, d. h. einzelne Meßwerte des Meßorganes werden beispielsweise in Schritten von 6° Kur­ belwinkel abgetastet. Um aus diesen einzeln abgetasteten Meßwerten nun eine relevante Aussage über die Größe der während dieser Meßzeitspanne am Meßorgan vorbeistreichenden Ansaugluftmenge zu erhalten, werden schließlich die einzelnen Abtast-Meßwerte über dieser Meßzeitspanne gemit­ telt. Diese sog. kurbelwinkelsynchrone Abtastung des Meßorganes löst da­ bei zugleich ein weiteres im bekannten Stand der Technik auftretendes Pro­ blem. Es ist nämlich bekannt, daß im Ansaugsystem, d. h. im Saugrohr der Brennkraftmaschine Pulsationen auftreten, die zu deutlichen Schwingungen am Lasterfassungssignal des Meßorganes führen, wobei im Bereich dessel­ ben sogar Rückströmungen auftreten können. Fehlmessungen mit negativen Auswirkungen auf die Gemischzusammensetzung bzw. Gemischaufberei­ tung sind die Folge, insbesondere da bislang eine zeitsynchrone Abtastung und Mittelung des an sich kurbelwinkelsynchron schwingenden Luftmassen­ signales erfolgt. Kommt nun hingegen ein Meßorgan zum Einsatz, welches auch geeignet ist, Rückströmungen zu erkennen, so treten diese gesamten Probleme nicht mehr auf, wenn die Abtastung während der zylinderindivi­ duellen Meßzeitspanne kurbelwellenwinkelsynchron (anstelle bislang zeit­ synchron) erfolgt.

Wie mehrfach erwähnt, kann mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Steuerung nun die angesaugte Luftmasse für jeden Brennkraftmaschinen-Zy­ linder einzeln berechnet werden. Demzufolge sollte auch die Zuteilung der Kraftstoffmasse für jeden einzelnen Zylinder abhängig von der jeweiligen zylinderspezifisch angesaugten Luftmasse erfolgen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, eine zylinderindivi­ duelle Laststeuerung zu realisieren. Sind nämlich die Zylinder-Einlaßorgane (Einlaßventile) für den Ansaugluftstrom für jeden Zylinder einzeln ansteuer­ bar, d. h. unabhängig von den Steuerzeiten der Einlaßorgane der anderen Zylinder öffenbar und schließbar, so kann unter Rückgriff auf die nunmehr bekannte zylinderindividuelle Ansaugluftmenge für alle Zylinder eine im we­ sentlichen gleiche Ansaugluftmenge eingestellt werden. Indem somit die Ventilöffnungszeiten und Ventilschließzeiten, d. h. allgemein die Steuerzei­ ten der Zylinder-Einlaßorgane so angepaßt werden, daß jeder Zylinder im wesentlichen die gleiche Ansaugluftmenge oder -masse erhält, wird bei dann auch exakt gleicher Kraftstoffmasse für alle Zylinder von jedem Zylinder ex­ akt die gleiche Arbeit geleistet, was den Rundlauf der Brennkraftmaschine weiter verbessert. Drehungleichförmigkeiten werden hierdurch verringert, wobei noch anzumerken ist, daß diese Gleichstellung aller Zylinder bezüglich der Ansaugluftmenge selbstverständlich nur im Falle eines konstanten Be­ triebszustandes der Brennkraftmaschine sinnvoll ist, d. h. nur dann, wenn der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine nicht geändert werden soll.

Unter der gleichen Randbedingung, nämlich im Falle eines im wesentlichen unveränderten Betriebszustandes der Brennkraftmaschine, bietet die sog. zylinderindividuelle Lasterfassung schließlich noch die Möglichkeit für eine verbesserte Diagnose. Sollten nämlich signifikante Unterschiede zwischen den Ansaugluftmengen einzelner Brennkraftmaschinen-Zylinder erkannt werden, so kann hieraus auf eine Störung im zylinderindividuellen Ansaug­ luft- und/oder Zündsystem geschlossen werden. Signifikante Unterschiede werden sich nämlich nur dann einstellen, wenn die mechanischen Toleran­ zen in der Steuerung der Zylinder-Einlaßorgane unzulässig hoch wären oder wenn sich Zündaussetzer einstellen, da dann als Folge des daraufhin kühle­ ren Zylinder-Brennraumes eine größere Luftmasse in den jeweiligen Zylin­ der-Brennraum gelangen könnte.

Zusammenfassend ergibt sich dadurch, daß die Menge der Ansaugluft für jeden Zylinder individuell erfaßt wird und hieraus eine zylinderindividuelle Kraftstoffmenge ermittelt wird, in allen Fällen eine geringere Gemischabwei­ chung zwischen den einzelnen Zylindern, und zwar insbesondere auch bei einer Änderung des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine. Nachdem nämlich bereits die sog. Vorsteuerwerte für die Kraftstoffzumessung deutlich exakter sind, muß eine ggf. zusätzlich vorgesehene zylinderindividuelle Lambda-Regelung entsprechend dem eingangs genannten Stand der Tech­ nik nur noch deutlich geringere mögliche Abweichungen ausgleichen. Nach­ dem nun eine absolute Lambda-Gleichstellung aller Zylinder möglich ist, er­ gibt sich selbstverständlich auch eine verbesserte Schadstoffreduzierung in einem den Zylindern nachgeschalteten Abgaskatalysator. Ferner können Pulsationen im Ansaugsystem aufgrund der zylinderindividuellen Erfassung der Ansaugluftmenge deutlich besser beherrscht werden bzw. deren negati­ ve Folgen werden durch eine erfindungsgemäße elektronische Steuerung eliminiert.

Claims (5)

1. Elektronische Steuerung zumindest für die Gemischaufbereitung einer mehrzylindrigen insbesondere fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei ein mehreren Zylindern zugeführter Ansaugluftstrom in einem einzigen Meßorgan mengenmäßig erfaßt und hieraus zumindest die zylinderindividuelle Kraftstoffmenge ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Ansaugluft für jeden Zy­ linder individuell erfaßt wird.

2. Elektronische Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßorgan die Ansaugluft-Menge für die Dauer des Einströmens der Ansaugluft in den jeweiligen Zylinder unter Berücksichtigung der Laufzeit der Ansaugluft-Welle zwischen dem Meßorgan sowie den jeweiligen Zylinder-Einlaßorganen ermittelt wird.

3. Elektronische Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung einzelner Meßwerte des Meßorganes während einer zylinderindividuellen Meßzeitspanne syn­ chron zur Winkelposition der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle in ge­ ringen Winkelschritten erfolgt und daß die einzelnen Abtast-Meßwerte über der Meßzeitspanne gemittelt werden.

4. Elektronische Steuerung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines im wesentlichen unver­ änderten Betriebszustandes der Brennkraftmaschine zylinderindivi­ duell ansteuerbare Zylinder-Einlaßorgane für den Ansaugluftstrom unter Rückgriff auf die zylinderindividuelle Ansaugluftmenge im Hin­ blick auf eine für alle Zylinder im wesentlichen gleiche Ansaugluft­ menge gesteuert werden.

5. Elektronische Steuerung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines im wesentlichen unver­ änderten Betriebszustandes der Brennkraftmaschine bei Auftreten si­ gnifikanter Unterschiede zwischen den Ansaugluftmengen einzelner Brennkraftmaschinen-Zylinder auf eine Störung im zylinderindividuel­ len Ansaugluft- und/oder Zündsystem geschlossen wird.