Die
Erfindung betrifft eine elektronische Steuerung zumindest für die Gemischaufbereitung einer
mehrzylindrigen insbesondere fremdgezündeten Brennkraftmaschine,
wobei ein mehreren Zylindern zugeführter Ansaugluftstrom in einem
einzigen Meßorganes
mengenmäßig erfaßt und hieraus
zumindest die zylinderindividuelle Kraftstoffmenge ermittelt wird.
Zum technischen 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 Betriebspunkt der Brennkraftmaschine entsprechen, d. h.
einer gewissen Ansaugluftmenge muß – zumindest bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine – eine gewisse
Kraftstoffmenge beigemengt werden. Hierzu ist es erforderlich, die
den Zylindern der mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zugeführte Ansaugluftmenge
zu messen. Diese Ansaugluftmenge, die beispielsweise volumenmäßig 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" bezeichnet.
Soll nun in einem gewissen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine
der aktuelle Brennkraftmaschinen-Lastzustand ermittelt werden, so
ist also die jeweilige Ansaugluftmenge zu messen. Diese sog. Lasterfassung
erfolgt bei heutigen elektronischen Steuerungen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen
durch Abtastung eines Luftmassenstromsensors oder Luftvolumenstromsensors
oder eines Saugrohrdrucksensors in einem engen zeitlichen Raster.
Dabei werden die einzelnen Luftmengen-Meßwerte (dieser Begriff soll
auch die Luftmassen-Meßwerte umfassen)
zeitsynchron oder synchron 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 zugehörige
Kraftstoffmasse berechnet. Dabei wird jedem Zylinder die gleiche
Kraftstoffmasse zugeteilt, da davon ausgegangen wird, daß der durch
den Luftmassenstromsensor oder Luftmengenstromsensor oder Saugrohrdrucksensor,
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 demgegenüber verfeinerte elektronische
Steuerung für
die Gemischaufbereitung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
beschrieben, wonach den einzelnen Zylindern individuelle Korrekturwerte
zugeordnet sind, mit Hilfe derer die in einem festen Betriebspunkt
den einzelnen Zylindern zugeteilte Kraftstoffmasse 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 Brennkraftmaschine
vorgesehenen Lambda-Sonde. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann mit
Hilfe einer derartigen Lambda-Sonde die Abgaszusammensetzung 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 zugeführte
Ansaugluftmengenstrom nicht zu gleichen Teilen auf die einzelnen
Zylinder aufgeteilt, vielmehr ist oftmals eine Ungleichverteilung
zu beobachten. Grundsätzlich
vermieden werden kann eine daraus resultierende Gemischungleichverteilung über den
einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern nun durch eine dementsprechende
Kraftstoffmengen-Ungleichverteilung, wofür die in der eben genannten
Schrift vorgesehenen individuellen Korrekturwerte, die aus den Signalen
einer Lambda-Sonde in geeigneter Weise abgeleitet werden, ein Mittel
darstellen.
Zwar
stellt dieses letztgenannte Verfahren einen deutlichen Fortschritt
gegenüber
dem eingangs zitierten Stand der Technik mit gleichmässiger Kraftstoff-Mengenverteilung über den
einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern
dar, jedoch lässt
die Ermittlung der Ungleichverteilung anhand der Abgasanalyse an
Genauigkeit zu wünschen übrig.
Aus
der
US 4,860,222 ist
eine Treibstoffsteuerung auf Rechnergrundlage für Kraftfahrzeugmotoren bekannt.
Die gemessene Luftströmungsrate
wird mit feststehenden Zeitabständen
abgetastet und die Luftmassenströmung
für einen
Zylinderzeitraum berechnet, der sich mit der Motordrehzahl ändert. Ein Fühler im
Motor erfaßt
die Zylinderstellung zur Bestimmung des Zylinderzeitraums. Ein unabhängiger Takt
steuert die Zeitabschnitte, in denen die Luftströmungsrate abgetastet wird.
Während
jedes Zylinderintervalls wird die Luftströmungsrate für jeden ganzen Abtastzeitraum
integriert und für
jeden Teilzeitraum an den Begrenzungen des Zylinderintervalls angenähert. Die
Resultate werden summiert, um die Luftmassenströmung während des Zylinderzeitraums
zu erhalten.
Die
DE 42 27 431 A1 beschreibt
ein Verfahren zur zylinderspezifischen Bestimmung der in den Brennraum
ein Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kfz-Motors, eingesaugten
Luftmasse. Für
jeden Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist ein
eigenes Messorgan zur Ermittlung der diesem Zylinder zugeführten Luftmasse/Luftmenge vorgesehen.
Dies führt
jedoch zu hohen Kosten und einem hohen technischen Aufwand. In einem
Anfangsschritt pro Arbeitsspiel werden der Zylinderzahl der betreffenden
Brennkraftmaschine entsprechend viele Kurbelwinkel-(KW-)Marken definiert,
z. B. für 4-Zylinder-Motoren im Abstand
von 180° KW.
In dem Zeitraum zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Kurbelwinkel-Marken
wird das lineare oder linearisierte Ausgangssignal eines Luftmassensensors, eines
Luftvolumensensors oder eines p-korrigierten Luftvolumensensors
von einem fest vorgegebenen Anfangswert, vorzugsweise Null, an aufintegriert.
Am Ende des vorgegebenen Intervalls wird der erreichte Wert dieses
Integrals zwischengespeichert, wobei dieser Wert der angesaugten
Luftmasse desjenigen Zylinders entspricht, dessen Ansaugphase während des
Integrations-Intervalls gerade wirksam war. Aus der Summe der aufintegrierten
Werte, die den Zylindern während
eines Arbeitsspiels zuzuordnen sind, wird auf die während des
Arbeitsspiels insgesamt angesaugte Luftmasse geschlossen.
Aus
der
DE 36 28 962 A1 ist
eine Kraftstoffzumesseinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit
Sensoren für
die Betriebskenngrössen
Maschinendrehzahl und angesaugte Luftmenge/Masse sowie Sensoren
für weitere
Betriebskenngrössen,
mit einer die Signale der Sensoren verarbeitenden elektronischen
Steuereinrichtung zur Bestimmung der der Brennkraftmaschine zuzuführenden
Kraftstoffmenge bekannt. Die Einrichtung weist Mittel auf, um der
Brennkraftmaschine die von der Steuereinrichtung ermittelte Kraftstoffmenge
zuzuführen.
Ein zur Luftmasse/Menge proportionales Signal wird zeitlich verzögert und
die Kraftstoffmenge wird aus dem zeitlich verzögerten Signal bestimmt.
Eine
insbesondere gegenüber
der
DE 42 27 431 A1 verbesserte
Möglichkeit
zur Ermittlung der Luftmengen-Ungleichverteilung über den
einzelnen Brennkraftmaschinen-Zylindern, und zwar im Hinblick auf
eine dementsprechend angepasste Gemischaufbereitung aufzuzeigen,
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Diese
Aufgabe wird durch die Weiterbildung des Stands der Technik gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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-Ungleichverteilung über den
einzelnen Zylindern direkt über
die Ermittlung der den einzelnen Zylindern zugeführten Luftmenge erfolgt, werden
selbstverständlich
Ungenauigkeiten, wie sie sich bei der Ermittlung über die Abgaszusammensetzung
ergeben, vermieden.
Nun
wäre es
zwar theoretisch möglich,
für jeden
Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ein eigenes Messorgan
zur Ermittlung der diesem Zylinder zugeführten Luftmasse/Luftmenge vorzusehen,
jedoch stellte dies einen unvertretbaren hohen Aufwand dar. Daher
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
die Signale eines einzigen für
mehrere Zylinder vorgesehenen Luftmengenmessorganes derart in geeigneter
Weise auszuwerten, dass die einem einzelnen Zylinder zugeführte Luftmenge
individuell ermittelt wird. Hierzu wird erfindungsgemäß 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, wie im Folgenden näher erläutert wird:
Der Öffnungs-
und Schliesszeitpunkt eines Zylinder-Einlassorganes, beispielsweise
Einlassventiles, ist bekannt. Bekannt ist auch die durchschnittliche Laufzeit,
die der Ansaugluftstrom benötigt,
um vom Messorgan zum Zylinder-Einlassorgan zu gelangen. Da durch
das Öffnen
des Zylinder-Einlassorganes 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 bekannten 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 Meßorgan passiert
und zu demjenigen Zeitpunkt zu beenden, in welchem kein Anteil des das
Meßorgan
passierenden Luftstromes mehr in den jeweils relevanten Zylinder
mit geöffnetem
Zylinder-Einlaßorgan
mehr gelangt. Die entsprechende Zeitdauer, die im wesentlichen gleich
ist der Dauer des Einströmens
der Ansaugluft in den jeweiligen Zylinder wird im folgenden auch
als zylinderindividuelle Meßzeitspanne
bezeichnet.
In
anderen Worten bzw. anhand von Beispielswerten soll dieser erfindungsgemäße 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 Einströmens 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 Ansaugluftstromes passiert zunächst das
Meßorgan
und benötigt
dann 40° Kurbelwinkel,
um beim Zylinder-Einlaßventil
anzukommen. Mit diesen Zahlenwerten würde dann die zylinderindividuelle
Meßzeitspanne
im Bereich zwischen 20° und
140° Kurbelwellenwinkel
liegen.
Entsprechend
der bisherigen Erläuterung
ist bevorzugt vorgesehen, die Abtastung einzelner Meßwerte des
Meßorganes
während
einer zylinderindividuellen Meßzeitspanne
synchron zur Winkelposition der Brennkraftmaschinen-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
gemittelt. Diese sog. kurbelwinkelsynchrone Abtastung des Meßorganes
löst dabei
zugleich ein weiteres im bekannten Stand der Technik auftretendes
Problem. 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 desselben sogar Rückströmungen auftreten können. Fehlmessungen
mit negativen Auswirkungen auf die Gemischzusammensetzung bzw. Gemischaufbereitung
sind die Folge, insbesondere da bislang eine zeitsynchrone Abtastung und
Mittelung des an sich kurbelwinkelsynchron schwingenden Luftmassensignales
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 zylinderindividuellen Meßzeitspanne
kurbelwellenwinkelsynchron (anstelle bislang zeitsynchron) erfolgt.
Wie
mehrfach erwähnt,
kann mit einer erfindungsgemäßen elektronischen
Steuerung nun die angesaugte Luftmasse für jeden Brennkraftmaschinen-Zylinder 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 zylinderindividuelle Laststeuerung zu realisieren. Sind nämlich die
Zylinder-Einlaßorgane
(Einlaßventile)
für den
Ansaugluftstrom für
jeden Zylinder einzeln ansteuerbar, 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 wesentlichen gleiche Ansaugluftmenge eingestellt werden.
Indem somit die Ventilöffnungszeiten
und Ventilschließzeiten,
d. h. allgemein die Steuerzeiten 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 exakt 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 Betriebszustandes 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 Ansaugluft- und/oder Zündsystem geschlossen werden.
Signifikante Unterschiede werden sich nämlich nur dann einstellen,
wenn die mechanischen Toleranzen in der Steuerung der Zylinder-Einlaßorgane
unzulässig hoch
wären oder
wenn sich Zündaussetzer
einstellen, da dann als Folge des daraufhin kühleren Zylinder-Brennraumes
eine größere Luftmasse
in den jeweiligen Zylinder-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 Technik nur noch deutlich geringere mögliche Abweichungen ausgleichen.
Nachdem nun eine absolute Lambda-Gleichstellung aller Zylinder möglich ist,
ergibt 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 negative Folgen werden durch
eine erfindungsgemäße elektronische
Steuerung eliminiert.