DE19955252C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses einer Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses in den Zylindern einer mehrzy­ lindrigen Otto-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung sowie eine Regelvor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Bei Otto-Brennkraftmaschinen ist das Verhältnis des in den Zylindern zu verbrennenden Kraftstoff/Luftgemisches derart einzuregeln, daß zündfähiges Gemisch in den Brennräumen der Zylinder vorliegt. Desweiteren sind Otto-Brennkraftmaschi­ nen, insbesondere solche zum Antrieb von Fahrzeugen, meist mit Abgaskatalysatoren auszustatten. Für die Wirksamkeit der Katalysatoren ist ein bestimmtes Kraftstoff/Luftver­ hältnis in dem zu reinigenden Abgas erforderlich, bei­ spielsweise ist bei Einsatz des bekannten Dreiweg-Katalysa­ tors das Kraftstoff/Luftverhältnis in einem engen Fenster um den stöchiometrischen Bereich λ = 1 zu halten.

Bei bekannten Regelungen des Kraftstoff/Luftverhältnisses wird im Abgas ein Ist-Wert des Kraftstoff/Luftverhältnisses gemessen und einer Reglereinheit eingegeben, welche durch anpassende Änderung der Kraftstoffeinspritzmengen den ge­ messenen Ist-Wert einem vorgegebenem Sollwert des Kraft­ stoff/Luftverhältnisses angleicht. Eine einzige Meßein­ richtung kann dabei in einer mehrere Zylinder zusammenfassenden Abgassammelleitung angeordnet sein und liefert daher einen Mittelwert des Kraftstoff/Luftverhältnisses aller zu­ sammengeschlossenen Zylinder, ohne dabei die Abweichungen der Verbrennungsvorgänge in den einzelnen Zylindern zu be­ rücksichtigen. Insbesondere bei Einsatz einer zentralen Kraftstoffzumeß-Vorrichtung, die beispielsweise im Saugrohr der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann und mehrere Zy­ linder versorgt, können ungleiche Kraftstoffverteilungen auf die einzelnen Zylinder erfolgen. Dabei können überfette Gemischbildungen oder gleichfalls schädliche magere Ver­ brennungen auftreten. Um eine individuelle Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses in den einzelnen Zylindern zu erreichen, ist die Anordnung jeweils einer Meßvorrichtung in jedem Zylinderauslaß zur Feststellung der Abgaszusammen­ setzung des jeweiligen Zylinders bekannt. Die Reglereinheit kann auf der Grundlage der zylinderspezifischen Meßsignale die Regelmaßnahmen für die Zylinder individuell einleiten. Die Anordnung jeweils einer Meßeinrichtung pro Zylinder ist jedoch sehr aufwendig und teuer.

In der DE 33 03 617 C2 ist ein Verfahren zur Regelung von Be­ triebsparametern einer Brennkraftmaschine insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine beschrieben. Bei diesem Ver­ fahren wird mittels der Differenz zwischen einem Sollwert eines Betriebsparameters der Brennkraftmaschine und einem vom Be­ triebszustand der Brennkraftmaschine abhängigen Istwert ein mengenbestimmendes Einstellorgan angesteuert. Als Meßgröße zur Charakterisierung des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine wird die Temperatur der ausgestoßenen Abgase herangezogen. Bei diesem bekannten Verfahren wird somit die Temperatur der zusam­ mengefaßten Abgase aller Zylinder als Maß für die zuzumessende Kraftstoffmenge zugrunde gelegt, und zwar im Vollastbereich. Um ein entsprechendes Signal zu erhalten, ist ein Meßwertgeber vor­ gesehen, der aus einer Wheatstoneschen Brücke sowie einem Diffe­ renzverstärker besteht. Dadurch wird ein reaktionsschneller und reaktionsempfindlicher Temperaturfühler zur Bestimmung der Ab­ gastemperatur geschaffen, dessen Signal zu Steuer- und Regel­ zwecken verwendet werden kann.

Die DE 36 20 775 A1 schlägt eine Kraftstoffzuführ-Einrich­ tung für eine Otto-Brennkraftmaschine mit einer zylinderse­ lektiven Regelung der Kraftstoffmengen für die einzelnen Zylinder vor. Dabei ist in der Abgassammelleitung mehrerer Zylinder der Brennkraftmaschine eine einzelne Meßvorrich­ tung vorgesehen, welche zur Abgabe von den einzelnen Zylin­ dern der Brennkraftmaschine individuell zugeordneten Meßsi­ gnalen ausgebildet ist. Die Reglereinheit bestimmt in Ab­ hängigkeit der individuellen Meßsignale die von der Zuführ­ einrichtung abgetrennt abzugebenden und die einzelnen Zy­ linder erreichenden Kraftstoffmengen. Als Meßvorrichtung ist eine in der Abgassammelleitung angeordnete Sauerstoff­ sonde vorgesehen, deren Meßsignal den Mittelwert der Abgas­ zusammensetzungen der zusammengeführten Zylinder darstellt und von einer Vorsteuereinheit sowie einem Selektierglied aufgeschlüsselt wird in zylinderindividuelle Abgasmeßsigna­ le. Die Korrektur der den Zylindern individuell zuzumessen­ den Kraftstoffmengen erfolgt dabei auf der Grundlage zylin­ derselektiver Referenzmeßsignale, welche dem Takt der Brennkraftmaschine entsprechen. Bei der bekannten Anordnung werden der Vorsteuereinheit laufend gemessene Zustandsgrö­ ßen der Brennkraftmaschine eingegeben, nämlich zum einen die Betriebslast, die Drehzahl und die Temperatur der Brennkraftmaschine. Die Temperatur- und Drehzahlsignale werden zusätzlich dem Selektierglied zugeführt, dem darüber hinaus ein drehzahlsynchrones Referenzmeßsignal eingegeben werden muß, welches das Erreichen des oberen Totpunktes ei­ nes ausgewählten Zylinders angibt. Desweiteren wird dem Se­ lektierglied der bekannten Anordnung der Meßwert der Sauer­ stoffsonde eingegeben und auf der Grundlage des drehzahl­ synchronen Referenzsignals sollen schwankende Meßwerte der Sauerstoffsonde unterschiedlichen Zylindern zugeordnet wer­ den.

Bei der bekannten Anordnung mit einer Vorsteuereinrichtung müssen eine Vielzahl von Meßwerten erfaßt werden, um eine zylinderselektive Aufschlüsselung des Meßsignals einer für die Abgase mehrerer Zylinder vorgesehenen Meßeinrichtung zu ermöglichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses in den Zylindern einer mehrzylindrigen Otto-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen und die gattungsgemäße Vorrichtung zur Regelung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5 derart weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln eine genaue zylinderselektive Re­ gelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Erfindungsgemäß wird weitgehend unabhängig von der Messung des Ist-Wertes im Abgas von der Reglereinheit zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses durch Korrektur der den Zylindern individuell zuzumessenden Kraftstoffmengen die Betriebstemperatur jedes Zylinders herangezogen. Jedem Zy­ linder ist dabei ein Temperaturmeßfühler zugeordnet, wel­ cher signalübertragend an die Reglereinheit angeschlossen ist. Die Reglereinheit paßt durch entsprechende Änderung der den Zylindern zuzumessenden Kraftstoffmengen deren Be­ triebstemperaturen einander an, wobei das Kraftstoff/Luft­ verhältnis auf den vorgegebenen Sollwert eingeregelt wird. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß bei unterschiedlichen Kraftstoff/Luftverhältnissen in den Zy­ lindern der Brennkraftmaschine unterschiedliche Verbren­ nungstemperaturen entstehen. Bei Vorliegen unterschiedli­ cher Betriebstemperaturen der Zylinder kann daher auf un­ terschiedliche Gemischverhältnisse geschlossen werden und durch Angleich der Betriebstemperaturen unter Veränderung der jeweils den Zylindern zuzumesssenden Kraftstoffmengen optimale Kraftstoff/Luftverhältnisse eingestellt werden. Zur zylinderindividuellen Regelung der Kraftstoff/Luftver­ hältnisse ist lediglich die Messung der Betriebstemperatu­ ren der einzelnen Zylinder erforderlich, was mit geringem baulichem Aufwand durch Einsatz herkömmlicher Temperatur­ meßfühler gewährleistet werden kann. Die jeweiligen Be­ triebstemperaturen der Zylinder liefern ausreichende Infor­ mationen über gegebenenfalls unterschiedliche Gemischver­ hältnisse in den Zylindern, wodurch die bisher erforderliche Aufschlüsselung der Meßwerte der Abgasmeßeinrichtung entfallen kann.

Zweckmäßig werden die Temperaturen der einzelnen Zylinder einer Durchschnittstemperatur aller Zylinder angeglichen. Die temperaturanpassenden Änderungen der zuzumessenden Kraftstoffmengen werden der Regelung des Kraftstoff/Luft­ verhältnisses unter Berücksichtigung des im gesammelten Ab­ gas mehrerer Zylinder gemessenen Ist-Wertes überlagert.

Vorteilhaft wird der Ist-Wert des Kraftstoff/Luftverhält­ nisses aus dem Meßsignal eines Sauerstoffsensors wie einer Lambda-Sonde in einer mehrere Zylinderauslässe zusammenfas­ senden Abgassammelleitung hergeleitet. Bei vielzylindrigen Brennkraftmaschinen ist eine gruppenweise Zusammenfassung der Zylinder vorteilhaft, wobei jeder Zylindergruppe eine Lambda-Sonde zugeordnet ist. Über das Meßsignal der jewei­ ligen Lambda-Sonden wird das gesammelte Abgas der jeweili­ gen Zylindergruppen auf den vorgegebenen Sollwert eingere­ gelt. Der Angleich der im Abgas jeder Gruppe vorliegenden tatsächlichen Kraftstoff/Luftverhältnisse an den vorgegebe­ nen Sollwert erfolgt bei jeder Zylindergruppe erfindungsge­ mäß unter Berücksichtigung der jeweiligen Zylindertempera­ turen. Bei sechszylindrigen Brennkraftmaschinen können bei­ spielsweise zwei Lambda-Sonden für jeweils drei Zylinder umfassende Zylindergruppen vorgesehen sein. Bei achtzylin­ drigen Brennkraftmaschinen werden jeder Lambda-Sonde vier Zylinder zugeordnet und die Betriebstemperaturen der je­ weils vier Zylinder einander angepaßt. Bei zwölfzylindrigen Brennkraftmaschinen können entsprechend sechs oder auch drei Zylinder pro Zylindergruppe und Lambda-Sonde vorgese­ hen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine Otto-Brennkraftma­ schine 1 mit vier Zylindern 2. Die Zylinderauslässe 4 der Zylinder 2 münden in eine gemeinsame Abgassammelleitung 5, in der ein Katalysator 7 zur Abgasnachbehandlung, im Aus­ führungsbeispiel ein Dreiweg-Katalysator, angeordnet ist. Die Zylindereinlässe 14 werden aus einem gemeinsamen Saug­ rohr 9 versorgt, durch das Verbrennungsluft zugeführt wird. Im Saugrohr 9 ist ein Einspritzventil 8 angeordnet, welches zur Bildung eines in den Zylindern 2 zu verbrennenden Gemi­ sches Kraftstoff in die Verbrennungsluft einspritzt. Das Einspritzventil 8 wird dabei aus einer Kraftstoffleitung 15 versorgt. Eine Reglereinheit 10 ist mit dem Einspritzventil 8 über eine Steuersignalleitung 16 verbunden und bestimmt die vom Einspritzventil 8 in das Saugrohr abzugebenden Ein­ spritzmengen m. Die für den jeweils vorliegenden Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine vorgesehenen Kraftstoffmengen m werden einem Kennfeldspeicher 11 entnommen. Zum Auslesen des Kennfeldspeichers 11 wird in der Reglereinheit 10 ein entsprechender Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1, beispielsweise deren Drehzahl eingegeben.

Durch geeignete Kraftstoffzumessung wird in den Zylindern 2 ein vorgegebenes Kraftstoff/Luftverhältnis λ eingeregelt. In der Abgassammelleitung 5 ist in Durchströmungsrichtung 17 vor dem Katalysator 7 eine Lambda-Sonde 6 angeordnet, welche über eine Meßsignalleitung 12 mit dem Eingang der Reglereinheit 10 signalübertragend verbunden ist. Die Lam­ bda-Sonde 6 mißt den Restsauerstoffgehalt im Abgas, wobei aus dem Meßsignal λ der Lambda-Sonde 6 das Kraftstoff/Luft­ verhältnis hergeleitet wird und mit dem vorgegebenen Soll­ wert verglichen wird. Der Sollwert des Kraftstoff/Luftverhältnisses liegt dabei im stöchiometrischen Fenster, wel­ ches zur wirkungsvollen Abgasreinigung im Katalysator 7 be­ nötigt wird.

Die Anpassung des Kraftstoff/Luftverhältnisses in den Zy­ linder 2 an den vorgegebenen Sollwert durch entsprechende Änderung der zugemessenen Kraftstoffmengen m erfolgt zylin­ derindividuell, wobei die Reglereinheit 10 den Angleich des von der Lambda-Sonde 6 gemessenen Mittelwertes aller Zylin­ der 2 an den vorgegebenen Sollwert überwacht. Das Ein­ spritzventil 8 gibt jeweils die einzelnen Zylinder 2 errei­ chende Kraftstoffmengen m in das Saugrohr 9 ab, wobei der Zeitpunkt und die Menge der Einspritzungen von der Regler­ einheit 10 bestimmt werden. Zur Synchronisation der Kraft­ stoffeinspritzungen mit den Arbeitsspielen der einzelnen Zylinder 2 wird der Reglereinheit 10 ein entsprechendes Re­ ferenzmeßsignal 13 eingegeben, beispielsweise die Zündzeit­ punkte der einzelnen Zylinder 2 oder die jeweilige Lage der Kolben im Zylinder. Das Referenzmeßsignal 13 kann auch drehzahlsynchron sein und als Motorparameter zum Auslesen des Kraftstoff-Kennfeldes 11 herangezogen werden. Auf diese Weise gibt das Einspritzventil 8 den jeweiligen Zylindern 2 zugeordnete Kraftstoffmengen in die Verbrennungsluft im Saugrohr 9 ab.

Alternativ zur "single point" Einspritzung mit einem Ein­ spritzventil für alle Zylinder ist auch eine "multi point" Einspritzung vorteilhaft, wobei in jedem Zylindereinlaß 14 jeweils ein Einspritzventil angeordnet ist. Jedem Zylinder wird von seinem zugeordneten Einspritzventil die jeweils optimale Kraftstoffmenge zugemessen, die von der Reglerein­ heit 10 bestimmt wird. Die Kraftstoffzumessung kann auch zur inneren Gemischbildung direkt in die Zylinder 2 erfol­ gen.

An Stelle der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Saugrohreinspritzung können auch andere zentrale Kraftstoffzumeß-Vorrichtungen für sämtliche Zylinder 2 im Saugrohr 9 vorgesehen sein, welche zur zeitdiskreten Abgabe unterschiedlicher Kraftstoffmengen für die einzelnen Zylin­ der 2 geeignet sind, beispielsweise Vergaser.

Um das Kraftstoff/Luftverhältnis in jedem Zylinder 2 indi­ viduell zu regeln, ist jedem Zylinder 2 ein Temperaturmeß­ fühler 3 zugeordnet, welcher signalübertragend mit einem Referenzsignaleingang 18 der Regelreinheit 10 verbunden ist. Die Reglereinheit 10 erfaßt so die Temperatur T jedes einzelnen Zylinders 2, wobei unterschiedliche Temperaturen voneinander abweichende Kraftstoff/Luftverhältnisse anzei­ gen. Der ggf. abweichende Kraftstoffanteil führt dabei zu unterschiedlichem Verbrennungsverhalten in den Zylindern 2, was sich in der meßbaren Temperaturabweichung nieder­ schlägt. Bei Abweichungen der Betriebstemperaturen T verän­ dert die Reglereinheit 10 die Einspritzmengen m der Zylin­ der 2, welche von der Durchschnittstemperatur aller Zylin­ der 2 abweichen. Die vorgesehenen Einspritzmengen für jeden Zylinder 2 werden durch den Angleich der Betriebstemperatu­ ren zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses korri­ giert.

Der Reglereinheit 10 ist ein Algorithmus vorgegeben, mit dem die Temperatursignale T der Temperaturmeßfühler 3 der Zylinder 2 ausgewertet werden, um die Einspritzmenge m für jeden Zylinder 2 individuell zu korrigieren. Dadurch ent­ steht eine gleichmäßige Abgastemperatur aller Zylinder 2, welche der Lambda-Sonde 6 zugeordnet sind. Die Temperatur­ meßfühler 3 können dabei zweckmäßig im Bereich der Zylinderauslässe 4 der Zylinder 2 angeordnet sein, um die jewei­ lige Abgastemperatur der Zylinder 2 zu erfassen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhältnisses in den Zylindern (2) einer mehrzylindrigen Otto-Brenn­ kraftmaschine (1), wobei eine Kraftstoffzumeß-Vorrich­ tung (8) einzelne Zylinder (2) erreichende Kraftstoff­ mengen (m) abgibt und eine Reglereinheit (10) einen im gesammelten Abgas mehrerer Zylinder (2) gemessenen Ist- Wert (λ) des Kraftstoff/Luftverhältnisses einem vorge­ gebenem Sollwert angleicht durch Korrektur der den Zy­ lindern (2) individuell zuzumessenden Kraftstoffmengen auf der Grundlage eines zylinderselektiven Referenzmeß­ signals (T), dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung die Temperatur (T) jedes Zylinders (2) herangezogen wird und die Reg­ lereinheit (10) durch entsprechende Änderung der den Zylindern (2) jeweils zuzumessenden Kraftstoffmengen (m) deren Betriebstemperaturen einander anpaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen (T) der einzelnen Zylinder (2) einer Durchschnittstemperatur aller Zylinder (2) angeglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert (λ) des Kraft­ stoff/Luftverhältnisses aus dem Meßsignal eines Sauer­ stoffsensors wie eine Lambda-Sonde (6) in einer mehrere Zylinderauslässe (4) zusammenfassenden Abgassammellei­ tung (5) hergeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur katalytischen Ab­ gasnachbehandlung geeignetes Kraftstoff/Luftverhältnis eingeregelt wird.

5. Vorrichtung zur Regelung des Kraftstoff/Luftverhält­ nisses in den Zylindern einer Otto-Brennkraftmaschine, mit einer Reglereinheit (10), die ausgangsseitig über eine Steuersignalleitung (16) mit einer Kraftstoffzu­ meßeinrichtung (8) verbunden ist und auf ihrer Ein­ gangsseite über eine Meßsignalleitung (12) mit einer Meßeinrichtung (6) für das Kraftstoff/Luftverhältnis verbunden ist, welche in einer mehrere Zylinderauslässe (4) zusammenfassenden Abgassammelleitung (5) angeordnet ist, wobei die Reglereinheit (10) einen Referenzsignal­ eingang (18) zum Empfang eines zylinderselektiven Meß­ signals (T) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder (2) ein Tem­ peraturmeßfühler (3) zugeordnet ist, welcher an den Re­ ferenzsignaleingang (18) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (6) in der Abgassammelleitung (5) ein Sauerstoffsensor wie ei­ ne Lambda-Sonde (6) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei vielzylindrigen Brenn­ kraftmaschinen die Zylinder (2) gruppenweise zusammen­ gefaßt sind, wobei jeder Zylindergruppe eine Lambda- Sonde (6) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgassammelleitung (5) stromab der Lambda-Sonde (6) ein Abgaskatalysator (7) angeordnet ist.