DE19946730C2 - Verfahren zur Steuerung einer mit einer Abgasrückführeinrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine im Schichtladebetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer mit einer Abgasrückführeinrichtung ausgestatteten Brennkraftma­ schine im Schichtladebetrieb nach dem Oberbegriff von Patent­ anspruch 1.

Um den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen mit ottomoto­ rischem Antrieb weiter zu reduzieren, kommen immer häufiger Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die außer mit stöchiometri­ schem Gemisch (Lambda = 1) wahlweise auch mit magerem Gemisch betrieben werden. Dabei wird zwischen zwei grundlegenden Be­ triebsarten unterschieden.

Im unteren Lastbereich wird die Brennkraftmaschine mit einer stark geschichteten Zylinderladung und hohem Luftüberschuß betrieben (Schichtladebetrieb). Dies wird durch eine späte Einspritzung in den Verdichtungshub, kurz vor dem Zündzeit­ punkt erreicht. Dabei wird das eingespritzte Luft- Kraftstoffgemisch geschichtet im Brennraum verteilt. Im Be­ reich der Zündkerze wird ein leicht entflammbares Gemisch ausgebildet, während sich an den Randstellen im Brennraum ein sehr mageres Gemisch befindet. Mit einem solchen Schichtlade­ betrieb läßt sich neben einer Kraftstoffersparnis auch eine deutliche Reduzierung der NO_x-Emissionen erzielen. Die Luft­ zahl Lambda kann bei Schichtladebetrieb Werte zwischen 2 und 4,5 annehmen. Die Brennkraftmaschine wird weitgehend unge­ drosselt betrieben.

Im oberen Lastbereich wird die Brennkraftmaschine mit homoge­ ner Zylinderladung betrieben. Die Einspritzung erfolgt dabei bereits vor dem Ansaugtakt oder während des Ansaugtaktes, um eine gute Durchmischung von Kraftstoff und Luft zu erhalten. Die angesaugte Luftmasse wird entsprechend dem Drehmomentwunsch des Fahrers über eine Drosselklappe eingestellt. Die benötigte Einspritzmenge wird beispielsweise aus der Luftma­ sse und der Drehzahl berechnet und u. a. über die Lambdarege­ lung korrigiert.

Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt dabei entweder in herkömmlicher Weise in das Saugrohr oder bevorzugt direkt in den oder die Zylinder der Brennkraftmaschine (Direkteinsprit­ zung).

Zur weiteren Reduzierung des Stickoxidanteiles im Abgas der Brennkraftmaschine werden Abgasrückführsysteme eingesetzt. Über ein Abgasrückführleitung wird ein Teil des Abgases in den Ansaugtrakt zurückgeführt. Über Signale einer Steuerungs­ einrichtung wird ein im Abgasrückführleitung angeordnetes Ab­ gasrückführventil angesteuert und damit die Masse des rückge­ führten Abgases eingestellt. Da das Abgas der Brennkraftma­ schine in seinen wesentlichen Bestandteilen ein Inertgas ist, kann durch Zumischen von Abgas zur angesaugten Verbrennungs­ luft die Verbrennungs-Spitzentemperatur gesenkt und damit der Ausstoß von Stickoxiden reduziert werden. Die Masse des rück­ geführten Abgases im Verhältnis zur Summe aus der Masse eines Frischgases (Ansaugluft) und der Masse des rückgeführten Ab­ gases wird im allgemeinen als Abgasrückführrate bezeichnet.

Bei einer Abgasrückführrate von 10% werden die Stickoxidemis­ sionen bereits um etwa 50% reduziert. Je höher der Anteil des rückgeführten Abgases ist, desto mehr wird der Ausstoß an Stickoxiden reduziert. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschi­ ne steigt mit der Masse des rückgeführten Abgases, da weniger Wärme an die Zylinderwände abgegeben wird und Pumpverluste verringert werden.

Ab einer bestimmten hohen Abgasrückführrate steigt die Häu­ figkeit von Zündaussetzern stark an, so daß auch die HC- Emissionen unzulässig stark ansteigen. Ein Maß für die Häufigkeit von Zündaussetzern und nur teilweiser Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches in den Zylindern ist die Laufunruhe. Die HC- und CO-Emissionen der Brennkraftmaschine können durch ein Abgasrückführ-System nicht signifikant verringert werden. Die Abgasrückführrate muß möglichst genau eingestellt werden, da sonst bei einer zu hohen Abgasrückführrate ein Anstieg der HC- und CO-Anteile im Abgas erfolgt.

Die maximale Abgasrückführrate wird vom Verbrennungslambda begrenzt, da mit steigender Abgasrückführung der Anteil des Sauerstoffs im Luft-Kraftstoffgemisch sinkt und somit bei gleichbleibender Füllung weniger Sauerstoff für die Verbren­ nung zur Verfügung steht. Die Laufunruhe im Fahrzeug nimmt zu und dies kann zu schlechter Fahrbarkeit und aufgrund von Zündaussetzern zu höheren HC-Emissionen führen.

Der Wert für die maximale Abgasrückführrate kann abhängig vom Lastpunkt der Brennkraftmaschine aus einem Kennfeld ausgele­ sen werden.

Aus der EP 0 485 089 A2 ist ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Grenzwert der Abgas­ rückführrate ermittelt wird durch ein Erhöhen der Abgasrück­ führrate, bis die Laufunruhe der Brennkraftmaschine einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Sollwert der Abgasrückführrate wird dabei schrittweise jeweils um einen vorgegebenen Erhöhungswert erhöht, bis die Laufunruhe der Brennkraftmaschine den vorgegebenen Schwellenwert überschrei­ tet. Dem Grenzwert der Abgasrückführrate wird dann der zu­ letzt ermittelte Sollwert der Abgasrückführrate abzüglich des Erhöhungswertes zugewiesen. Der Grenzwert wird in dem Kenn­ feld abhängig von der aktuellen Drehzahl und Last fest ge­ speichert. Bei dem bekannten Verfahren muß die Ermittlung der Grenzwerte für jeden Kennfeldwert einzeln erfolgen. Zudem muß zu einem sicheren Erkennen der Laufgrenze der Brennkraftma­ schine in der Praxis der Schwellenwert sehr hoch gewählt wer­ den. Dies hat jedoch zur Folge, daß jedesmal, wenn der Grenzwert ermittelt wird, ein unangenehmes Ruckeln der Brennkraft­ maschine auftritt. Dies kann dazu führen, daß ein Fahrer ei­ nes Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine eingebaut ist, fälschlicherweise eine Fehlfunktion der Brennkraftmaschine annimmt.

In der DE 197 27 793 A1 ist ein Verfahren zum Steuern einer mit homogener Zylinderladung betriebenen Brennkraftmaschine beschrieben. Diese Brennkraftmaschine weist ein Stellglied zum Einstellen einer Abgasrückführrate auf. Ein aktueller Sollwert der Abgasrückführrate wird abhängig von mindestens einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Drehzahl ermittelt. Der Sollwert der Abgasrückführrate wird mit einem Korrekturfaktor korrigiert. Das Stellglied wird abhängig von dem korrigierten Sollwert der Abgasrück­ führrate angesteuert. Der Korrekturfaktor wird abhängig von der Laufunruhe der Brennkraftmaschine ermittelt, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern einer mit einer Abgasrückführeinrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere im Schichtladebetrieb die optimale Abgasrückführrate eingestellt werden kann und die Emissionen reduziert sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Abgasrückführrate einer mit Schichtladung be­ treibbaren Brennkraftmaschine abhängig von der Laufunruhe der Brennkraftmaschine geregelt wird. Durch eine Grenzregelung der Abgasrückführrate über den Öffnungsgrad eines Abgasrück­ führventils und/oder der Luftzahl über die Einstellung der Drosselklappe wird eine gute Anpassung der Abgasrückführrate an Fahrbarkeit und Reduzierung der Emissionen erreicht.

Somit ist es möglich, zu jedem Zeitpunkt die optimale Abgas­ rückführrate einzustellen und damit die NOx-Emissionen auf einen minimalen Wert zu reduzieren. Verlangen die Werte für die Laufunruhe weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Fahr­ barkeit bzw. der Emissionen und ist bereits eine vorgegebene minimale Abgasrückführrate erreicht, wird als zusätzliche Maßnahme eine Reduzierung der Luftzahl z. B. durch Verstellung der Drosselklappe vorgenommen. Durch die Reduzierung des Drosselklappenwinkels bei quasi unveränderter Einspritzung verringert sich die Füllung und bewirkt somit eine Begrenzung der Luftzahl. Sobald die Luftzahl des Luft-Kraftstoff- Gemisches einen bestimmten minimalen Wert erreicht hat wird als letzte Konsequenz in den homogenen Motorbetrieb überge­ wechselt.

Des weiteren berücksichtigt die Regelung über die Laufunruhe bestimmte Parameter, die in der Motorsteuerung im allgemeinen nicht vorgesehen sind, wie z. B. die Beschaffenheit des Kraftstoffes oder das Fahren in großen Höhen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführein­ richtung und einer Steuerungseinrichtung zum Durch­ führen des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2: Ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.

In Fig. 1 ist in Form eines Blockschaltbildes sehr verein­ facht eine Otto-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ge­ zeigt, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Dabei sind nur diejenigen Komponenten dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesonde­ re ist der Kraftstoffkreislauf sowie die Abgasnachbehand­ lungsanlage nicht gezeigt.

Ein Ansaugtrakt 1 weist einen Sammler 2 und ein Saugrohr 3 auf. Des weiteren ist im Ansaugtrakt 1 ein Lastsensor in Form eines Luftmassenmessers 4 und eine Drosselklappe 5 angeord­ net. Das Saugrohr 3 verbindet den Sammler 2 mit einem Einlaß eines Zylinders 6. Der Zylinder 6 ist mit einem Abgastrakt 7 verbunden, über den die Abgase ausgestoßen werden. Eine Ab­ gasrückführleitung 8 zweigt von dem Abgastrakt 7 ab und mün­ det stromabwärts der Drosselklappe 5 in den Ansaugtrakt 1. Die Strömungsrichtung der Ansaugluft ist mit einem Pfeilsym­ bol gekennzeichnet. Ein Abgasrückführventil 9, das einen nicht dargestellten elektromagnetischen Aktor umfaßt, ist in der Abgasrückführleitung 8 angeordnet.

Eine elektronische Steuerungseinrichtung 10 umfaßt eine Vor­ verarbeitungseinheit 11, die Signale von Sensoren aufberei­ tet, welche Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine erfassen. Ein Drosselklappenstellungsgeber 12 erfaßt den Öffnungswinkel der Drosselklappe 5, ein Drehzahlgeber 13 erfaßt die aktuelle Drehzahl einer Kurbelwelle 15, ein Öffnungsgrad-Fühler 14 er­ faßt einen Öffnungsgrad des Abgasrückführventils 9 und ein Abgassensor 16 erfaßt den Sauerstoffgehalt im Abgas der Brenn­ kraftmaschine. Weitere für die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine benötigte Signale liefern beispielsweise ein Motortemperatursensor oder ein Kühlmitteltemperatursen­ sor, und ein Abgastemperatursensor (nicht dargestellt).

Die elektronische Steuerungseinrichtung 10 weist darüber hin­ aus eine Einrichtung 17 zur Berechnung der Laufunruhe der Brennkraftmaschine auf, wie sie beispielsweise in der WO 97/20195 beschrieben ist. Darüber hinaus weist die elektronische Steuerungseinrichtung 10 auch eine elektrische Einrich­ tung 18 zum Steuern des Aktors des Abgasrückführventils 9 auf, welche in Abhängigkeit von einer oder mehreren Betriebs­ größen der Brennkraftmaschine - z. B. dem Öffnungswinkel der Drosselklappe 5 und einer Drehzahl der Kurbelwelle 15 - den Öffnungsgrad des Abgasrückführventils 9 einstellt. Mit dem Signal der Abgassonde 16 wird die Luftzahl entsprechend den Sollwertvorgaben in den verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine (homogene oder geschichtete Zylinderla­ dung) geregelt. Diese Funktion übernimmt eine an sich bekann­ te Lambdregelungseinrichtung 19, die vorzugsweise in die elektronische Steuerungseinrichtung 10 integriert ist. Die Steuerungseinrichtung 10 ermittelt in bekannter Weise abhän­ gig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, insbe­ sondere Last und Drehzahl einen Basiswert für eine Kraft­ stoffmasse, der mittels mehrerer Korrekturfaktoren, u. a. auf der Grundlage des Signales der Abgassonde korrigiert wird. Die so ermittelte Kraftstoffmasse wird mittels Einspritzven­ tile 20 pro Arbeitsspiel des Zylinders 6 eingespritzt.

Ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Brenn­ kraftmaschine ist in Fig. 2 dargestellt. Mit dem Start der Brennkraftmaschine wird das Programm in einem ersten Verfah­ rensschritt S1 gestartet.

In einem Verfahrensschritt S2 wird abgefragt, ob die Brenn­ kraftmaschine mit geschichteter Ladung betrieben wird. Diese Abfrage wird ständig wiederholt, bis das Ergebnis der Abfrage positiv ist. Ist der Schichtladebetrieb aktiv, so wird als nächstes in einem Verfahrensschritt S3 überprüft, ob die Ab­ gasrückführung aktiviert worden ist. Hierzu wird das Signal des Öffnungsgradfühlers 14 in der Abgasrückführleitung 8 aus­ gewertet. Wird kein Abgas vom Abgastrakt 7 in den Ansaugtrakt 1 zurückgeführt, so wird zum Anfang des Verfahrens verzweigt und die Verfahrensschritte S2 und S3 werden wiederholt ausge­ führt.

Ergibt die Abfrage in Verfahrensschritt S3, daß die Brenn­ kraftmaschine mit Abgasrückführung betrieben wird, erfolgt anschließend eine Prüfung des Laufverhalten der Brennkraftma­ schine. Hierzu wird in einem Verfahrensschritt S4 der mit ei­ nem beliebigen, bekannten Verfahren, beispielsweise nach dem in der WO 97/20195 angegebenen Verfahren ermittelten Laufun­ ruhewert LU mit einem vorgegebenen Schwellenwert SW vergli­ chen. Der Schwellenwert SW wird experimentell auf dem Prüf­ stand ermittelt und ist in einem Kennfeld eines Speicher der Steuerungseinrichtung 10 abgelegt. Der Laufunruhewert LU steigt, wenn die Anzahl der Arbeitszyklen mit unvollständiger Verbrennung oder auch Zündaussetzern zunimmt.

Liegt der Laufunruhewert LU unterhalb des Schwellenwertes SW so wird in einem Verfahrenssschritt S5 die Abgasrückführrate der Brennkraftmaschine erhöht und die Verfahrensschritte S2 bis S4 werden wiederholt durchlaufen. Die Erhöhung der Abgas­ rückführrate erfolgt durch Ansteuern des Abgasrückführventils in öffnende Richtung. Der Öffnungsquerschnitt des Abgasrück­ führventils wird schrittweise solange vergrößert, bis der Laufunruhewert LU den Schwellenwert SW überschreitet. Ist dies der Fall, wird in einem Verfahrenssschritt S6 abgefragt, ob bereits die minimale Abgasrückführrate erreicht ist. Hier­ zu wird der aktuelle Wert der eingestellten Abgasrückführra­ te, der von der elektronischen Steuerungseinrichtung 10 ab­ hängig von entsprechenden Signalen, beispielsweise der ange­ saugten Frischluftmasse und der Masse des rückgeführten Abga­ ses ermittelt wird, mit einem Grenzwert verglichen. Dieser Grenzwert für die minimale Abgasrückführrate wird für jede Brennkraftmaschine individuell experimentell am Prüfstand er­ mittelt und in einem Kennfeld eines Speichers der Steuerungseinrichtung 10 abgelegt. Ein typischer Wert für die minimale Abgasrückführrate ist z. B. 5%.

Ist die minimale Abgasrückführrate noch nicht erreicht (Ab­ frage in Verfahrenssschritt S6 negativ), so wird in einem Verfahrenssschritt S7 die Abgasrückführrate reduziert. Dies erfolgt durch Ansteuern des Aktors des Abgasrückführventils 9 in schließende Richtung. Anschließend wird wieder zum Verfah­ renssschritt S2 verzweigt.

Ergibt die Abfrage in Verfahrenssschritt S6, daß die minimale Abgasrückführrate schon erreicht ist, wird als weitere Maß­ nahme zur Verbesserung der Fahrbarkeit und zur Reduzierung der Emissionen in einem Verfahrenssschritt S8 der Lambdawert reduziert. Dies kann beispielsweise durch Reduzierung des Drosselklappenwinkels erfolgen. Durch die die Reduzierung des Drosselklappenwinkels bei quasi unveränderter Einspritzung verringert sich die Füllung und bewirkt somit eine Begrenzung des maximal erlaubten Lambdas. Weist die Brennkraftmaschine ein System zur Laststeuerung mittels unabhängig von der Stel­ lung der Nockenwelle verstellbarer Gaswechselventile auf, so kann die Reduzierung des Lambdawertes auch durch frühes Schließen des Einlaßventiles erfolgen.

Nach Reduzieren des Lambdawertes wird in einem Verfahrens­ schritt S9 überprüft, ob der reduzierte Lambdawert unterhalb eines vorgegebenen Minimalwertes liegt. Ist dies noch nicht der Fall, wird zum Verfahrensschritt S2 verzweigt. Sobald der Lambdawert den minimalen Wert unterschreitet, beispielsweise aufgrund schlechter Kraftstoffqualität, wird als Konsequenz in einem Verfahrensschritt S10 der Betrieb mit geschichteter Ladung verlassen und die Brennkraftmaschine mit homogenem Ge­ misch betrieben. Anschließend wird zum Verfahrensschritt S2 verzweigt.

Das Flußdiagramm wird vorzugsweise in der Steuerungseinrich­ tung 10 als ein Programm realisiert. Es kann aber auch alter­ nativ als eine festverdrahtete Schaltungsanordnung realisiert werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Steuern einer mit einer Abgasrückführein­ richtung ausgestatteten Brennkraftmaschine, wobei
die Abgasrückführrate betriebspunktabhängig mittels eines Stellgliedes eingestellt wird,
bei der Einstellung der Abgasrückführrate die Laufunruhe der Brennkraftmaschine mittels Laufunruhewerten berücksich­ tigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennkraftmaschine abhängig von Betriebsparametern wahlweise mit homogenem Luft-Kraftstoff-Gemisch oder mit geschichtetem Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird,
im Schichtladebetrieb der Brennkraftmaschine und bei akti­ ver Abgasrückführung die Laufunruhewerte (LU) mit einem Schwellenwert (SW) verglichen werden,
die Abgasrückführrate erhöht wird, wenn die Laufunruhewer­ te (LU) den Schwellenwert (SW) nicht erreichen,
bei Überschreiten des Schwellenwertes (SW) für die Laufun­ ruhewerte (LU) überprüft wird, ob ein Grenzwert für eine minimale Abgasrückführrate erreicht ist,
die Abgasrückführrate reduziert wird, wenn der Wert für die minimale Abgasrückführrate noch nicht erreicht ist,
bei Überschreiten des Grenzwertes für die minimale Abgas­ rückführrate die Luftzahl Lambda des Luft-Kraftstoff- Gemisches reduziert wird,
dieser Wert mit einem Grenzwert für eine minimale Luftzahl verglichen wird und
auf Betrieb der Brennkraftmaschine mit homogenem Luft- Kraftstoff-Gemisch umgeschaltet wird, wenn dieser Grenz­ wert überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung bzw Reduzierung der Abgasrückführrate durch Ansteu­ ern des Stellgliedes für die Abgasrückführrate in öffnende bzw schließende Richtung mittels Signale einer die Brenn­ kraftmaschine steuernden Steuerungseinrichtung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (SW), der Grenzwert für die minimale Abgasrückführrate und der Grenzwert für die minimale Luftzahl experimentell ermittelt werden und in einem Speicher einer die Brennkraftmaschine steuernden Steuerungseinrichtung abge­ legt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Luftzahl durch Verstellung einer im Ansaug­ trakt (1) der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe (5) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Luftzahl durch Ansteuern von Gaswechselventi­ len an der Einlaßseite eines Zylinders (6) der Brennkraftma­ schine erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Abgasrückführventil (9) ist.