DE4236008A1 - Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven Einzelzylinder-Lambdaregelung bei einem Motor mit variabler Ventilsteuerung - Google Patents

Description

Das Folgende betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur adaptiven Einzelzylinder-Lambdaregelung der Einlaßventil- Öffnungszeitspannen bei einem Verbrennungsmotor mit variab­ ler Ventilsteuerung.

Stand der Technik

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind im Dokument P 39 40 752 beschrieben. Das bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiel betrifft eine Regelung der Luftzufuhr dadurch, daß die Einlaßventile für alle Einzelzylinder jeweils beim selben Kurbelwellenwinkel, bezogen auf den Beginn des An­ saughubs, geöffnet werden, jedoch zu einem jeweiligen Winkel geschlossen werden, der abhängig von der anzusaugenden Luft­ menge vorgesteuert und durch die Lambdaregelung feingeregelt wird. Dabei ist der Vollständigkeit halber angegeben, daß der Regler auch adaptiv arbeiten kann.

Zur adaptiven Lambdaregelung der Kraftstoffzufuhr sind zahl­ reiche Varianten bekannt, um verschiedenen Gesichtspunkten möglichst optimal genügen zu können. Die Vielfalt der von dorther bekannten Problemlösungen macht es augenscheinlich, daß es schwierig ist, für jede Einzelanwendung das jeweils optimale Adaptionsverfahren und die zugehörige Vorrichtung zu entwickeln.

Es bestand demgemäß das Problem, ein adaptives Lambdarege­ lungsverfahren und eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, die zur Regelung der Luftzufuhr bei einem Motor mit variab­ ler Ventilsteuerung besonders gut geeignet sind.

Darstellung der Erfindungen

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale von Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale von Anspruch 3 gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren trägt der Beobachtung Rech­ nung, daß die Stellcharakteristik variabel angesteuerter Einlaßventile relativ stark temperaturabhängig ist. Um trotz dieser Temperaturabhängigkeit bereits ab dem Start eines Motors, zu dem eine Sauerstoff-Meßsonde, wie sie zur Lambda­ regelung verwendet wird, noch gar nicht betriebsfähig ist, eine Gleichstellung der von den Zylindern angesaugten Luft­ massen zu erzielen, wird wie folgt verfahren. Bei betriebs­ fähiger Sonde werden Adaptionswerte temperaturabhängig er­ faßt, und aus den Meßwerten wird der von der Motortemperatur abhängige Gang des Adaptionswertes bestimmt, um dann mit diesem ermittelten Wert einen Adaptionswert aus der aktuel­ len Motortemperatur nach dem Start eines Motors bereits dann abschätzen zu können, wenn die Sauerstoffsonde noch gar nicht betriebsfähig ist.

Wenn der Temperaturzusammenhang linear ist, reicht es für jeden Zylinder aus, den jeweils aktuellen Adaptionswert bei einer Motortemperatur von 40°C und dann von 80°C zu erfas­ sen und daraus die Steigung der Adaptionswert/Motortempera­ tur-Geraden zu erfassen. Mit Hilfe dieser Steigung und des Adaptionswertes bei z. B. 40°C kann dann für jede beliebige andere Motortemperatur der zugehörige Adaptionswert abge­ schätzt werden.

Beim genannten Beispiel können als Werte, die für den Tempe­ raturgang charakteristisch sind, entweder die zwei genannten Adaptionswerte bei den zwei genannten Temperaturen abgespei­ chert werden, oder es kann der Adaptionswert bei einer Tem­ peratur und die genannte Steigung abgespeichert werden. Wenn der Zusammenhang nicht linear ist, z. B. parabelförmig oder exponentiell, müssen mindestens drei Adaptionswerte bei je­ weils unterschiedlichen Temperaturen erfaßt werden, und es müssen diese drei Werte abgespeichert werden oder einer der Werte und eine aus allen drei Werten bestimmte Parabelkon­ stante bzw. Zeitkonstante.

Wenn ein Motor bei einer Temperatur von z. B. 100°C abge­ stellt wird, gilt für die Adaption ein anderer Wert als dann, wenn er z. B. bei 20°C wieder gestartet wird und 15 Sekunden nach dem Start die Sauerstoffsonde betriebsbereit ist. Würde dann der zuletzt geltende Adaptionswert weiter­ verwendet werden, was bei Adaptionsverfahren eigentlich die übliche Vorgehensweise ist, würde die Adaption mit einem ziemlich falschen Wert starten. Vorzugsweise wird daher bei Start der Adaption nicht der zuletzt geltende Wert verwen­ det, sondern es wird von demjenigen Wert ausgegangen, wie er für diejenige Motortemperatur abgeschätzt wurde, die zum Zeitpunkt der Freigabe der Sauerstoffsonde vorliegt.

Als Motortemperatur kann jede beliebige Temperatur verwendet werden, die in Zusammenhang mit der Stellcharakteristik der Einlaßventile steht. Wenn der Motor wassergekühlt ist, ist es besonders zweckmäßig, die Kühlwassertemperatur als maß­ gebliche Motortemperatur zu erfassen. Wenn eine hydraulische Steuereinrichtung vorliegt, ist es zweckmäßig, die Öltempe­ ratur des Motors zu erfassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Ausüben des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. In der Praxis wird sie vorzugsweise durch einen entsprechend programmierten Mikro­ prozessor realisiert.

Zeichnung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor­ richtung werden im folgenden anhand von durch Figuren veran­ schaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen: Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung zur adaptiven Einzelzylinder-Lambdaregelung der Einlaßventilöffnungszeitspannen bei einem Motor mit variabler Ventilsteuerung; Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Verfah­ rens, das mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ausführbar ist; und Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit eines Adap­ tionswertes AW von der Motortemperatur ϑ_MOT zeigt.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 10 mit va­ riabel ansteuerbaren Einlaßventilen 11 und einem Motortempe­ ratursensor 12, eine Lambdaregelungseinrichtung 13, eine Freigabeeinrichtung 14 zur Reglerfreigabe mit gleichzeitiger Sperrung von Adaptionswertextrapolation, eine Adaptionsein­ richtung 15, einen Adaptionswert-Speicher/Extrapolator (16), vier Addierer 17.1 bis 17.4, vier Multiplizierer 18.1 bis 18.4 sowie eine Einrichtung 19 für Einzelzylindermaßnahmen, die wahlweise vorhanden sein kann.

Alle diese Einrichtungen befinden sich innerhalb eines grö­ ßeren Systems, wie es ausführlich im Dokument P 39 40 752 beschrieben ist. Auf die dortigen Ausführungen wird Bezug genommen. Hier werden nur Unterschiede erläutert.

Für die folgenden Erläuterungen wird auf einen Betrieb Bezug genommen, gemäß dem der Kurbelwellenwinkel, bei dem ein Ein­ laßventil geöffnet wird, dauernd konstant gehalten wird, je­ doch der Kurbelwellenwinkel, bei dem es wieder geschlossen wird, abhängig von der anzusaugenden Luftmenge verändert wird. Bei welchem Winkel ein Ventil zu schließen ist, wird für einen jeweiligen Motortyp abhängig von der Motordrehzahl und der vorgegebenen Last ermittelt. Der Zusammenhang wird in Form eines Kennfelds oder in Form einer Gleichung in ein Steuergerät eingespeichert. Tritt dann beim tatsächlichen Fahrbetrieb ein bestimmtes Wertepaar von Motordrehzahl und Last auf, wird aus diesem Wertepaar und dem abgespeicherten Zusammenhang mit dem Kurbelwellenwinkel, zu dem das Einlaß­ ventil zu schließen ist, der letztere bestimmt. Der ausge­ lesene Wert kann dann noch vorkorrigiert werden, z. B. ab­ hängig von der Motortemperatur, der Lufttemperatur und/oder dem Luftdruck, wie im Dokument P 39 40 752 beschrieben. Es liegt dann der korrigierte Wert ES_K für Einlaß schließen vor, wie er in Fig. 1 unten links eingetragen ist. Dieser Wert wird durch die Multiplizierer 18.1 bis 18.4 für jeden Zylinder mit einem jeweils individuellen Adaptionswert modi­ fiziert.

Im folgenden wird beschrieben, wie die eben genannten Adap­ tionswerte bestimmt werden. Dazu sei angenommen, daß die (nicht dargestellte) Sauerstoffsonde für jeden der Einzel­ zylinder bereits betriebswarm ist und einen Lambdawert aus­ gibt, der von einem Sollwert abgezogen wird, um für jeden Zylinder eine Regelabweichung zu bestimmen, also Werte ÑΠ1 bis ÑΠ4. Aus diesen Regelabweichungen bestimmt die Lambdare­ gelungseinrichtung 13 nach einem vorgegebenen Algorithmus, z. B. einem reinen P-Algorithmus, Regelfaktoren RF1 bis RF4. In der Adaptionseinrichtung 15 wird für jeden Regelfaktor der Unterschied zum Wert 1 mit einer vorgegebenen Zeitkon­ stanten aufintegriert, und jeder aufintegrierte Wert wird im zugehörigen der Addierer 17.1 bis 17.4 zum zugehörigen Re­ gelfaktor RF1 bis RF4 addiert. Insoweit handelt es sich um eine standardmäßige Form einer Adaption.

Um die Funktion der Adaptionswert-Speicherungs/Expolations- Einrichtung 16 zu erläutern, sei zunächst das Diagramm von Fig. 3 kommentiert. Es sei angenommen, daß ein Motor bei einer Kühlmitteltemperatur und damit Motortemperatur von 20°C gestartet wird. Die Sauerstoffsonde ist dann abhängig von ihrem Aufbau, insbesondere davon, ob sie beheizt ist oder nicht, nach etwa 10 bis 30 Sekunden betriebswarm. Die Motortemperatur hat in dieser Zeitspanne noch kaum zugenom­ men. Sobald die Sonde für einen Zylinder betriebswarm ist, wird die Regelungseinrichtung 13 für den betreffenden Zylin­ der freigegeben, und es wird von ihr ein Regelungsfaktor er­ mittelt. Aus dessen Abweichung vom Wert 1 wird wiederum ein Adaptionswert von der Adaptionseinrichtung 15 bestimmt. Wenn nun die Motortemperatur ansteigt, zeigt sich, daß der Adap­ tionswert im wesentlichen linear mit der Motortemperatur an­ wächst, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Etwa 10 Minuten nach dem Start hat der Motor eine Temperatur von 80°C er­ reicht. Da somit der Anstieg der Motortemperatur relativ langsam vor sich geht, kann die Adaption mit relativ großer Zeitkonstante, z. B. von einigen 10 Sekunden, eingestellt werden, was gewährleistet, daß sich die Adaption nicht de­ stabilisierend auf die Regelung auswirkt. Wie aus Fig. 3 er­ sichtlich, kann der jeweilige Adaptionswert bei zwei ver­ schiedenen Temperaturen erfaßt werden, z. B. bei 40°C und bei 80°C, und dann kann aus diesen Werten auf den Adap­ tionswert bei jeder anderen Motortemperatur geschlossen wer­ den. Wird dann der Motor ein anderes Mal bei 20°C gestar­ tet, kann mit Hilfe dieser Motortemperatur und des Zusammen­ hangs gemäß Fig. 3 ein Adaptionswert abgeschätzt werden, ob­ wohl wegen noch nicht betriebswarmer Sauerstoffsonde noch gar nicht adaptiert werden kann.

Der anhand von Fig. 3 kurz skizzierte Verfahrensablauf wird nun anhand von Fig. 2 ausführlicher erläutert. Nach dem Start des Motors 10 wird in einem Schritt s1 die Motortempe­ ratur ϑ_MOT gemessen. In einem Schritt s2 wird untersucht, ob die Regelungseinrichtung 13 bereits freigegeben wurde. Da der Motor eben erst gestartet wurde, ist dies noch nicht der Fall, woraufhin sich ein Schritt s3 anschließt, in dem für jeden einzelnen Zylinder der zugehörige Adaptionswert aus den für diesen Zylinder abgespeicherten Adaptionswert für 40°C und 80°C unter Verwendung der aktuell gemessenen Mo­ tortemperatur extrapoliert wird. Der für jeden Zylinder ex­ trapolierte Adaptionswert wird an den jeweils zugehörigen der Addierer 17.1 bis 17.4 ausgegeben.

Der Durchlauf der Schritte s1, s2 und s3 wird so lange wie­ derholt, bis sich in Schritt s2 herausstellt, daß die Sauer­ stoffsonde betriebswarm ist und damit die Lambdaregelungs­ einrichtung 13 freigegeben werden kann. Diese Freigabe be­ sorgt die Freigabeeinrichtung 14, die dann ein Freigabesi­ gnal an die Lambdaregelungseinrichtung 13 ausgibt. Dieses Signal wird auch an die Adaptionseinrichtung 15 gegeben, und zwar um diese freizugeben, wie auch an die Adaptionswert- Speicher/Extrapolier-Einrichtung 16, um deren weitere Arbeit zu sperren. Gleichzeitig mit dem Sperren der zuletzt genann­ ten Einrichtung und dem Freigeben der Adaptionseinrichtung werden die aktuell abgeschätzten Adaptionswerte von der Adaptionswert-Speicher/Extrapolier-Einrichtung 16 in die Adaptionseinrichtung 15 übertragen, damit diese ausgehend von diesen abgeschätzten Werten weiter adaptiert. Diese Übernahme der abgeschätzten Werte für die weitere Adaption ist im Flußdiagramm von Fig. 2 durch einen Schritt s4 veran­ schaulicht.

Nach Schritt s4 werden auf Dauer nur noch Schritte s5, s6, s7 und s9 durchlaufen, unter Umständen mit Verzweigungen zu Schritten s9 bzw. s10, falls in den Schritten s7 bzw. s9 bestimmte Bedingungen erfüllt sind.

Im Schritt s5 erfolgt Adaption für jeden der vier Regelfak­ toren. Der jeweils ermittelte Adaptionswert wird an jeweili­ gen der Addierer 17.1 bis 17.4 ausgegeben. In Schritt s6 wird die Motortemperatur ϑ_MOT gemessen. In Schritt s7 wird untersucht, ob diese 40°C entspricht. Ist dies der Fall, wird in Schritt s8 für jeden des Zylinder der zugehörige ak­ tuelle Adaptionswert in der Adaptionswert-Speicher/Extrapo­ lier-Einrichtung 16 abgespeichert. Anschließend folgt wieder Schritt s5. Ist die Motortemperatur nicht 40°C, wird in einem Schritt s9 überprüft, ob sie 80°C ist. Solange dies noch nicht der Fall ist, werden die Schritte s5, s6, s7 und s9 mehrfach durchlaufen. Beträgt jedoch die Motortemperatur 80°C, wird in Schritt s10 für jeden Zylinder der jeweils aktuelle Adaptionswert in die Adaptionswert-Speicher/Extra­ polier-Einrichtung 16 eingeschrieben. Dann laufen auf Dauer nur noch die Schritt s5, s6, s7 und s9 ab. Um den Ablauf zu verkürzen, kann auf Schritt s5 eine Abfrage erfolgen, ob die Motortemperatur über 80°C liegt oder ob ein Flag gesetzt ist, das mit dem Erreichen von Schritt s10 gesetzt wurde. Dann werden immer nur der Schritt s5 und der genannte Ab­ frageschritt durchlaufen.

Für das Ausführungsbeispiel ist der lineare Zusammenhang von Fig. 3 für die Abhängigkeit des Adaptionswertes von der Mo­ tortemperatur vorausgesetzt. Für variable Ventilsteuerung wurden jedoch unterschiedlichste Lösungsmöglichkeiten vorge­ schlagen, wie mechanische Ansteuerungen, hydraulische An­ steuerungen oder elektromechanische Ansteuerungen. Es sind daher die unterschiedlichsten Temperaturabhängigkeiten der Stellcharakteristik zu erwarten, jedoch ist es unwahrschein­ lich, daß Unstetigkeitsstellen oder sehr komplizierte Ver­ läufe auftreten. Vielmehr ist anzunehmen, daß alle Tempera­ turgänge durch relativ einfache Funktionen beschrieben wer­ den, so daß es in aller Regel ausreichen wird, Adaptions­ werte bei drei unterschiedlichen Motortemperaturen zu erfas­ sen, um daraus den Temperaturgang zu ermitteln, mit Hilfe dessen der Adaptionswert für eine beliebige Motortemperatur abgeschätzt werden kann, wie sie in einem Zeitraum vorliegt, zu dem eine Sauerstoffsonde noch nicht betriebsbereit ist.

Beim Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß die Winkel für das Öffnen der Einlaßventile konstant sind und nur die Schließwinkel variiert werden. Es kann jedoch auch gerade umgekehrt sein, oder beide Winkel können variiert werden. Derartige Details sind für das Prinzip der Erfindung uner­ heblich. Für diese ist allein entscheidend, daß der Tempera­ turgang der Stellcharakteristik durch das Erfassen von Adap­ tionswerten bei unterschiedlichen Motortemperaturen erfaßt wird und dann aus dem Temperaturgang der Stellcharakteristik auf einen Adaptionswert geschlossen wird, solange eine Sonde noch nicht betriebsbereit ist.

Wie bereits weiter oben erwähnt, ist in Fig. 1 noch eine Einrichtung 19 für Einzelzylindermaßnahmen als Option einge­ zeichnet. Dies nur, um Fig. 1 in Übereinstimmung mit Fig. 3 des Dokumentes P 39 40 752 zu bringen. Eine Einzelzylinder­ maßnahme ist insbesondere das Abschalten einzelner Zylinder im unteren Lastbereich.

Claims (3)

1. Verfahren zur adaptiven Einzelzylinder-Lambdaregelung der Einlaßventil-Öffnungszeitspannen bei einem Motor mit va­ riabler Ventilsteuerung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Ermitteln, ob Lambdaregelung freigegeben ist;
• - wenn Lambdaregelung freigegeben ist:
  • - Ausführen der Adaption;
  • - Erfassen von Adaptionswerten für mindestens zwei Motor­ temperaturen für jeden Zylinder; und
  • - Ableiten und Abspeichern mindestens zweier Werte aus den erfaßten Adaptionswerten für jeden Zylinder, welche Werte für den von der Motortemperatur abhängigen Verlauf des Adap­ tionswertes charakteristisch sind; und
• - wenn Lambdaregelung noch nicht freigegeben ist:
  • - Erfassen der aktuellen Motortemperatur;
  • - Abschätzen des aktuellen Adaptionswertes für jeden Zylin­ der aus der aktuellen Motortemperatur und den mindestens zwei Werten, die für die Temperaturabhängigkeit des Adap­ tionswertes charakteristisch sind; und
  • - Verwenden des abgeschätzten Adaptionswertes für die adap­ tive Lambdaregelung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Freigeben der Lambdaregelung der aktuell abgeschätzte Adaptionswert für jeden Zylinder als aktueller Anfangswert für die Adaption verwendet wird.

3. Vorrichtung zur adaptiven Einzelzylinder-Lambdaregelung der Einlaßventil-Öffnungszeitspannen bei einem Motor mit va­ riabler Ventilsteuerung, mit:

• - einer Einrichtung (12) zum Messen der Motortemperatur;
• - einer Einrichtung (14) zum Ermitteln, ob Lambdaregelung freigegeben ist;
• - einer Adaptionseinrichtung (15) zum Ausführen folgender Schritte, wenn Adaption freigegeben ist:
  • - Ausführen der Adaption;
  • - Erfassen von Adaptionswerten für mindestens zwei Motor­ temperaturen für jeden Zylinder; und
  • - Ableiten und Abspeichern mindestens zweier Werte aus den erfaßten Adaptionswerten für jeden Zylinder, welche Werte für den von der Motortemperatur abhängigen Verlauf des Adap­ tionswertes charakteristisch sind; und
• - einer Speicher/Extrapolations-Einrichtung (16) zum:
  • - Abspeichern der genannten mindestens zwei Werte für jeden Zylinder;
  • - Abschätzen des aktuellen Adaptionswertes für jeden Zylin­ der aus der aktuellen Motortemperatur und den mindestens zwei Werten, die für die Temperaturabhängigkeit des Adap­ tionswertes charakteristisch sind; und
  • - Verwenden des abgeschätzten Adaptionswertes für die adap­ tive Lambdaregelung.