DE19706807C2 - Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Lauf­ ruhe eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors abhängig von einem Meßwert der Laufunruhe mit einer über eine Regeleinrichtung regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruhever­ haltens.

Derartige Verfahren finden insbesondere bei Verbrennungsmoto­ ren, die mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch (air/fuel ratio, AFR) arbeiten (lean burn engines) Verwendung. Im Magerbetrieb kann die Entstehung von Stickoxiden (NO_x) näm­ lich dadurch verringert werden, daß der Motor mit möglichst magerem Gemisch arbeitet. Einer Abmagerung des Luft- /Kraftstoffgemisches sind aber Grenzen gesetzt, da es bei zu magerem Gemisch zu Aussetzern kommen kann, die zu einem unru­ higen Motorlauf und im Extremfall zu einem Ausgehen des Mo­ tors führen können.

Deshalb wird im Magerbetrieb angestrebt, den Motor mit einem möglichst hohem Luft-/Kraftstoffverhältnis (magerem Gemisch) zu betreiben, wobei allerdings vom Fahrer wahrnehmbare Lauf­ unruhen vermieden werden sollen. Der Motor soll somit zur Re­ duzierung von Stickoxidrohemissionen möglichst nahe an einer Laufunruhegrenze betrieben werden. Das zum Erreichen dieses Zieles erforderliche Luft-/Kraftstoffverhältnis kann im vor­ aus nur sehr ungenau bestimmt werden, da das Erreichen der Laufunruhegrenze von einer Vielzahl von Parametern, die teil­ weise langzeitigen oder kurzfristigen Driften unterworfen sind, abhängt, wie z. B. den aktuellen Motorbetriebs­ parametern, den Geometrieeigenschaften der Verbrennungs­ kammern, der Güte der Gemischaufbereitung, dem Zustand der Zündanlage usw.. Bei Verwendung eines im voraus vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnisses muß der Motor mit einem relativ großen Sicherheitsabstand zu einem der Laufunruhegrenze ent­ sprechenden Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben werden, was die Stickoxidrohemissionen negativ beeinflußt.

Es ist grundsätzlich bekannt, die Laufunruhe eines Verbren­ nungsmotors zu messen. Zur Gewinnung eines Meßwertes für die Laufunruhe wertet man bevorzugt die Bewegung der Kurbelwelle mittels eines Kurbelwellenwinkelsensors aus. Eine zunehmende Laufunruhe führt zu einem unruhigeren Lauf der Kurbelwelle, so daß mittels statistischer Verfahren (z. B. Vergleich der aktuellen Winkelgeschwindigkeit mit einem Durchschnittswert) ein Meßwert, der ein Maß für die Laufunruhe darstellt, be­ stimmt werden kann.

Aus der DE 39 13 191 A1 ist ein Regelungsverfahren für einen Zündwinkel ΘK abhängig vom Meßwert eines Klopfsensors be­ kannt. Wenn das Klopfsignal einen vorgegebenen Wert über­ schreitet, wird ein dem Klopfsignal entsprechender Wert ΘK berechnet. Andernfalls wird ΘK in Schritten DeltaΘ dekremen­ tiert, solange ΘK größer als Null ist. Es werden also in die­ sem Falle gespeicherte oder jeweils berechnete Absolutwerte von ΘK eingestellt. Diese Absolutwerte müssen bekannt sein. Da das Laufunruheverhalten von einer Vielzahl von Parametern abhängt, die während des Fahrzeugbetriebes ständigen Schwan­ kungen unterliegen, ist die Bereitstellung dieser Absolut­ werte schwierig. Bei dem bekannten Verfahren sind weiterhin keine Maßnahmen für den Fall vorgesehen, daß der berechnete Wert von ΘK keine Verbesserung des Klopfverhaltens unter den Klopf-Schwellwert bewirkt.

Aus der o. g. Schrift ist weiterhin ein Steuersystem für Fahrzeugmotoren bekannt, bei dem ein Verzögerungswinkel an­ fänglich auf einen Wert ΘA eingestellt und nach Abschluß ei­ nes Getriebeschaltvorganges um kleine Winkelschritte vermin­ dert wird, bis ΘA wieder den Wert 0 erreicht hat. Hierbei handelt es sich um keine Rückkopplungs-Regelung, da der An­ fangswert ΘA fest vorgegeben ist und nach dem durch den Schaltablauf bestimmten Zeitpunkt t₂' kontinuierlich auf den ebenfalls fest vorgegebenen Wert 0 zurückgefahren wird. Die kleinere Schrittweite, die in diesem Falle gewählt wird, dient lediglich dazu, Unstetigkeiten im Motorbetrieb zu ver­ meiden.

Aus der US-PS 54 58 102 ist ein Verfahren zur Steuerung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem abhängig von einer Laufunruhegröße zwischen verschiedenen Korrektur­ kurven für das Luft-/Kraftstoffverhältnis umgeschaltet wird. Diese Kurven sind fest abhängig von bestimmten Motorbe­ triebsparametern (z. B. Kraftstofftemperatur) vorgegeben. Die Bestimmung der Korrekturkurven ist aufwendig und macht das bekannte Verfahren unflexibel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aufgrund eines der­ artigen Meßwertes für die Laufunruhe eine Stellgröße zur Be­ einflussung der Laufunruhe - z. B. das Luft- /Kraftstoffverhältnis - derart zu regeln, daß auch bei wech­ selnden Motorbetriebsbedingungen ein ruhiger Betrieb mög­ lichst nahe an der Laufunruhegrenze erzielt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Schwellwert für die Laufunruhe vorgegeben ist und die Stellgröße in kleinen Schritten in Richtung einer vergrößer­ ten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufun­ ruhe einen ruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt, und daß die Stellgröße in einem größeren Schritt in Richtung ei­ ner verkleinerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen unruhigeren Lauf als der Schwellwert an­ zeigt. Somit erfolgt eine Annäherung an den Schwellwert für die Laufunruhe in kleinen Schritten. Ist dieser überschrit­ ten, wird die Stellgröße in einem größeren Schritt in Rich­ tung einer verkleinerten Laufunruhe verstellt, so daß der Be­ reich der Laufunruhe sicher verlassen wird, bevor der Fahrer Laufunruheerscheinungen wahrnehmen kann. Auf diese Weise kann die Stellgröße adaptiv in beiden Richtungen an sich ändernde Motorbetriebsbedingungen angepaßt werden. Da die subjektive Wahrnehmbarkeit von Laufunruheerscheinungen nicht in allen Betriebsbereichen des Motors gleich ausgeprägt ist, wird der Schwellwert für die Laufunruhe mittels eines funktionalen Zu­ sammenhangs (Kennfeldes) abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors variiert. Das erforderliche Kennfeld wird vorzugsweise mittels geeigneter Versuchsreihen bestimmt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Veränderung der Stellgröße mit einer Regelfre­ quenz in einer Größenordnung von wenigstens 1 Hz erfolgt. Be­ sonders vorteilhaft kann eine Veränderung bei jedem Arbeits­ zyklus des Verbrennungsmotors erfolgen. Damit ist eine opti­ male Anpassung der Stellgröße auch bei schnellen Änderungen der Motorbetriebsbedingungen gewährleistet.

Als Meßwert für die Laufunruhe kann vorzugsweise ein Drehun­ gleichförmigkeitswert eines hochauflösenden Kurbelwinkelsen­ sors verwendet werden, der in der vorstehend beschriebenen Art und Weise aus dem Signal des Kurbelwinkelsensors gewonnen wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruhever­ haltens das Luft-/Kraftstoffverhältnis des dem Verbrennungs­ motor zugeführten Gemisches verwendet wird. Damit kann ein Verbrennungsmotor bei möglichst hohem Luft-/Kraftstoff­ verhältnis unterhalb einer vorgegebenen Laufunruheschwelle betrieben werden. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, diese Regelung nur während des Magerbetriebs des Verbren­ nungsmotors - also innerhalb eines bestimmten Motorbe­ triebsparameterfensters - durchzuführen.

Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens der Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors verwendet wird. Dies kann beispiels­ weise in einer Aufwärmphase einer dem Abgassystem des Ver­ brennungsmotors zugeordneten Katalysatoranordnung zweckmäßig sein. Es ist bekannt, in der Aufwärmphase den Zündvorgang zu einem so späten Zeitpunkt erfolgen zu lassen, daß die Ver­ brennung teilweise noch im Abgassystem erfolgt und somit eine schnelle Aufheizung der Katalysatoranordnung erreicht wird. Wird der Zündzeitpunkt zu stark verzögert, kann es zu Ausset­ zern kommen, was durch das erfindungsgemäße Verfahren vermie­ den werden kann.

Weiterhin kann alternativ auch vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens eine Ab­ gasrückführrate verwendet wird. Mittels einer Abgasrückführ­ einrichtung kann ein sparsamerer und emissionsärmerer Betrieb eines Verbrennungsmotors erreicht werden. Allerdings kann eine zu hohe Abgasrückführrate zu Aussetzern führen, was mit­ tels einer erfindungsgemäßen Regelung der Abgasrückführrate vermieden werden kann.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beein­ flussung des Laufruheverhaltens die Drosselklappenstellung einer Einrichtung zur Dosierung des dem Verbrennungsmotor zu­ geführten Luftmassenstroms verwendet wird. In einer derarti­ gen Ausführungsform kann die Erfindung zweckmäßig zur Leer­ laufdrehzahlregelung eines Verbrennungsmotors mit einer elek­ tronisch steuerbaren Drosselklappe eingesetzt werden.

Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, daß die Messung und Beeinflussung des Laufruheverhaltens für alle Zylinder des Verbrennungsmotors gemeinsam erfolgt. In diesem Falle beeinflußt der Zylinder mit der am stärksten ausgepräg­ ten Laufunruhe die Stellgröße maßgeblich.

Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, daß die Messung und Beeinflussung des Laufruheverhaltens für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors individuell erfolgt. Der Meßwert der Laufunruhe kann mittels des Kurbelwinkelsensors mit nur ge­ ringem Aufwand für jeden Zylinder individuell bestimmt wer­ den, da sich einzelne Laufunruheerscheinungen ohne weiteres mit den jeweiligen Verbrennungsprozessen und somit mit den jeweiligen, die Laufunruhe verursachenden Zylindern korrelie­ ren lassen. Zur individuellen Beeinflussung des Luft-/Kraft­ stoffverhältnisses für jeden Zylinder sind allerdings den einzelnen Zylindern zugeordnete Dosiereinrichtungen er­ forderlich. Insgesamt kann aber hierdurch die Regelung ver­ bessert werden, da nicht mehr der Zylinder mit der am stärk­ sten ausgeprägten Laufunruhe die Stellgröße maßgeblich beein­ flußt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Beispieldiagramm einer erfindungs­ gemäßen Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses ab­ hängig von einem Laufunruhesignal, und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Vorteils einer individuellen Regelung für jeden Zylinder des Verbren­ nungsmotors im Vergleich zu einer Regelung für alle Zylinder gemeinsam.

Im unteren Teildiagramm von Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf eines gemäß der Erfindung geregelten Luft-/Kraftstoff­ verhältnisses (AFR) in Abhängigkeit eines im oberen Diagramm dargestellten Laufunruhesignals dargestellt. Ein steigendes Luft-/Kraftstoffverhältnis führt tendenziell zu einer größe­ ren Laufunruhe. Die Laufunruhe wird mittels einer Messung des Kurbelwinkels in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt. Weiterhin ist im oberen Diagramm eine den - in diesem Bei­ spiel zeitlich konstanten - Schwellwert für die Laufunruhe bezeichnende horizontale Linie dargestellt. Die Bestimmung der Laufunruhe und die auf diese folgende Veränderung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses erfolgt in diskreten Zeitab­ ständen, nämlich jeweils einmal pro Umdrehung der Ver­ brennungsmotorkurbelwelle.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Luft-/Kraftstoff­ verhältnis um einen vorgegebenen Betrag B erhöht, wenn der Meßwert für die Laufunruhe unter dem Schwellwert für die Lau­ funruhe liegt. Wird der Schwellwert überschritten, so wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis um einen gegenüber B größeren Betrag A verringert, so daß der Laufunruhebreich sicher ver­ lassen wird. Diese Ereignisse sind durch vertikale Linien in Fig. 1 gekennzeichnet.

Fig. 2 zeigt den Vorteil einer individuellen Einzelzylinder- AFR-Regelung im Vergleich zu einer gemeinsamen Regelung. Die gestrichelt dargestellten Kurven 1, 2 zeigen ein gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren individuell geregeltes Luft-/Kraftstoffverhältnis für zwei unterschiedliche Zylin­ der. Wie ersichtlich, überschreitet der der Kurve 2 zugeord­ nete Zylinder erst bei einem höheren Luft-/Kraftstoff­ verhältnis die Laufunruheschwelle und kann infolgedessen mit magererem Gemisch als der der Kurve 1 zugeordnete Zylinder betrieben werden. Derartige Abweichungen in den Laufruhe­ bereichen sind bei üblichen Verbrennungsmotoren z. B. aufgrund von Geometrietoleranzen immer vorhanden. Bei einer für alle Zylinder gemeinsamen Regelung (beispielsweise gemäß Kurve 3) bestimmt der Zylinder mit dem ungünstigsten Laufruhebereich (d. h. mit der größten Tendenz zu Aussetzern) das maximal ein­ stellbare Luft-/Kraftstoffverhältnis, so daß die Stickoxide­ missionen insgesamt höher als bei der Individualregelung lie­ gen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Mehrzylinder- Verbrennungsmotors abhängig von einem Meßwert der Laufun­ ruhe mit einer über eine Regeleinrichtung regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Schwellwert für die Laufun­ ruhe vorgegeben ist und die Stellgröße in kleinen Schrit­ ten in Richtung einer vergrößerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen ruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt, daß die Stellgröße in einem größeren Schritt in Richtung einer verkleinerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufun­ ruhe einen unruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt, und daß der Schwellwert für die Laufunruhe mittels eines funktionalen Zusammenhangs abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Stellgröße mit einer Regelfrequenz in einer Größenordnung von wenigstens 1 Hz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwert für die Laufunruhe ein Drehungleichför­ migkeitswert eines Kurbelwinkelsensors verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens das Luft-/Kraftstoffverhältnis des dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemisches verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens ein Zündzeitpunkt des Verbrennungsmo­ tors verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens eine Abgasrückführrate verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens die Drosselklappenstellung einer Einrichtung zur Dosierung des dem Verbrennungsmotor zuge­ führten Luftmassenstroms verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Messung und Beeinflussung des Lauf­ ruheverhaltens für alle Zylinder des Verbrennungsmotors gemeinsam erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Messung und Beeinflussung des Lauf­ ruheverhaltens für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors individuell erfolgt.