DE4303332A1

DE4303332A1 - Otto-Motor für Kraftfahrzeuge mit Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE4303332A1
Application number: DE4303332A
Authority: DE
Inventors: Veit Dr Ing Held
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1993-02-03
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: DE4303332C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Otto-Motor für Kraftfahrzeuge mit Kraftstoffeinspritzung, der mit extrem magerem Gemisch der Ladung betrieben wird und/oder eine Abgasrückführung aufweist, wobei als Stellgrößen für die Gemischzusammensetzung im wesentlichen die Einspritzzeit, die Einstellung des Abgas-Rückführungsventils und - gege benenfalls - die Drosselklappeneinstellung dienen, mit einer Zündfunken generierenden Zündanlage, ferner mit ei nem Brennraumdrucksensor, der an Zündaussetzern die Ma gergrenze des Ladungsgemisches erkennt, und mit einem Regler, der die für die Gemischzusammensetzung maßgebende Stellgröße im Sinne eines mageren Gemisches beeinflußt.

Durch magere Ladungsgemische und/oder Abgasrückführung lassen sich gegenüber der herkömmlichen Abstimmung Ver brauchsvorteile und eine Reduzierung der Rohemissionen erzielen. Extrem magere Gemische oder ein hoher Anteil von Inertgasen im Gemisch (als Folge der Abgasrückfüh rung) haben jedoch eine erschwerte Entflammbarkeit des Gemisches zur Folge, wodurch wiederum die Gefahr von Zündaussetzern bewirkt bzw. erhöht wird.

In Motorsteuerungen, wie sie gegenwärtig üblich sind, werden die für die Gemischzusammensetzung maßgeblichen Stellgrößen in Abhängigkeit vom Lastpunkt aus einem Kenn feld entnommen und an die entsprechenden Aktuatoren aus gegeben. Bei den Stellgrößen handelt es sich im wesentli chen um die Einspritzzeit, die Einstellung des Abgasrück führungsventils und - bei Verwendung einer Servodrossel klappe - um die Drosselklappenstellung. Zur Ermittlung der für extrem magere Ladungsgemische oder einen mög lichst hohen Abgasanteil einzustellenden Werte werden die entsprechenden Stellgrößen üblicherweise auf einem Prüf stand bis zum Auftreten von Zündaussetzern oder bis zum Auftreten erhöhter Schadstoffemissionswerte verstellt. Die so gefundene Einstellung wird um einen Erfahrungswert im Sinne einer besseren Zündfähigkeit verändert und in einem Kennfeld abgelegt.

Die bekannte Einstellung der Stellgrößen über Kennfelder stellt im regelungstechnischen Sinne eine "Steuerung" dar und erlaubt im Gegensatz zu einer "Regelung" keinen Aus gleich von Störungen, die z. B. infolge von Umweltein flüssen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) auf das Sy stem einwirken. Um bei schwer entflammbaren Gemischzusam mensetzungen im kennfeldgesteuerten Betrieb die sichere Zündung zu gewährleisten, muß ein gewisser Sicherheitsab stand von der durch das Auftreten von Zündaussetzern ge gebenen Einstellung eingehalten werden. Dadurch werden die möglichen Stellreserven nicht ausgenutzt. Mit sinken der Luftzahl λ steigt im Magerbereich jedoch insbesondere der Ausstoß von NO_x stark an.

Durch die DE 40 02 208 A1 ist es allgemein bekannt, einen Brennraum-Drucksensor zu verwenden, der an Zündaussetzern die Magergrenze des Kraftstoffgemisches erkennt. Das gleichmäßige, also korrekte Auftreten von Zündimpulsen und somit erfolgter Zündungen dient als Signal im Sinne einer noch möglichen Reduzierung des Kraftstoffanteils im Gemisch. Bei diesem bekannten System werden die Zündaus setzer, d. h. das Unterbleiben einzelner Zündungen, in Kauf genommen, was solch bekanntermaßen nachteilig für die Laufruhe des Motors und in Abgasemissionen auswirkt.

Die DE 35 37 531 C2 lehrt zwar eine Regelung des Luft- Brennstoff-Verhältnisses im Gemisch der Ladung mittels einer selbsttätig arbeitenden Reglereinheit. Hierzu ist eine Sauerstoffsonde am Eingang einer Vergleichsschaltung vorgesehen, und ein Proportional-Integrations-Kreis dient zur Korrektur des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von Antriebszuständen, um das Gemisch entweder zu verdünnen oder anzureichern. Zur Erreichung dieses Ziels werden Vorgaben gesetzt, und zwar durch einen Feststellkreis für den Schwerlast- und für den Leichtlastbereich, wobei die Antriebszustände jeweils durch einen Unterdruckfühler am Ansaugkanal ermittelt werden. Auch bei diesem bekannten System können indessen Zündaussetzer auftreten, die als solche nicht mehr korrigierbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Motorre gelung zu bewerkstelligen, derart, daß das Gemisch so ma ger wie möglich oder der Abgasanteil so hoch wie möglich wird, zugleich aber ein gleichmäßiger Lauf des Motors er halten bleibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zündanlage mindestens einen Nachfunken oder einen länger brennenden Zündfunken generiert, wobei der verzö gerte Druckanstieg des Brennverlaufes bei einer von einem Nachfunken oder einem nachbrennenden Zündfunken initiier ten Zündung und/oder die Quote der auf einen ersten Fun ken bzw. auf einen Folgefunken einsetzenden Zündungen als Signal für die Erkennung der Magergrenze des Gemisches dienen.

Gemäß der Erfindung soll also die Einspritzzeit oder die Menge des rückgeführten Abgases selbsttätig so einge stellt werden, daß das Gemisch der Ladung so mager wie möglich bzw. der Abgasanteil so hoch wie möglich wird. Da dieser Betriebspunkt durch das erste Auftreten von Zünd aussetzern bei einem ersten Funken gegeben ist, kann der Regler die richtige Einstellung nur finden, indem die Ge mischzusammensetzung systematisch bis zum Auftreten sol cher fehlerhafter Zündungen geändert wird. Der Regler benötigt also zwar zur Bestimmung der Magergrenze des Ge misches Zündaussetzer bei einem ersten Funken als Infor mationsquelle. Generelle Zündaussetzer müssen anderer seits aber im praktischen Betrieb aus Gründen der Lauf ruhe, zur Schonung des Katalysators und zur Minimierung der Rohemissionen unbedingt vermieden werden. An diesem Problempunkt greift die Erfindung mit einer Zusatzmaß nahme ein, indem sie eine modifizierte Zündanlage vor schlägt, die in der Lage ist, in schneller Folge mehrere Funken zu generieren.

Im Falle einer korrekt mit dem ersten Funken gezündeten Zylinderfüllung feuert der Zweitfunken dann ins bereits brennende Gemisch, andernfalls initiiert er die Verbren nung der Ladung, wobei sich allerdings im Brennverlauf ein entsprechend verzögerter Druckanstieg bemerkbar macht, welcher als Signal verwertbar ist.

Der erfindungsgemäße Regler stellt die für die Zusammen setzung des Ladungsgemisches verantwortliche Stellgröße (z. B. die Kraftstoff-Einspritzzeit oder die Öffnungs dauer des Ventils der Abgasrückführung) so ein, daß ein vorzugebender kleiner Anteil der Zündungen auf einen der Folgefunken erfolgt. Dazu kann beispielsweise ein PI-Reg ler verwendet werden. Der Regler sollte jedenfalls ein Controller zur Auswertung der Drucksignale und zur Gene rierung der Stellgrößen sein.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Zündanlage - alternativ - so konzipiert sein, daß sie entweder in schneller Folge so viele Nachfunken gene riert, daß schließlich doch die betreffende Zündung er folgt, oder daß sie einen einzigen Funken generiert, der so lange andauert, daß eine Zündung immer sichergestellt ist, und daß die Zeitdauer zwischen Zündbeginn und Beginn der Flammenausbreitung (sogenannter Zündverzug) als Si gnal zum Erkennen der Magergrenze des Ladungsgemisches dient.

In vorteilhafter Weiterbildung dieses Gedankens wird vor geschlagen, durch statistische Auswertung dieses Signals für den Zündverzug ein binäres Hilfssignal zu erzeugen, das die Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Wertes für den Zündverzug kennzeichnet.

Vorzugsweise sind Zündanlage und Regler so aufeinander abgestimmt, daß die von der Zündanlage durch Generierung von Nachfunken jeweils veranlaßte Nachzündung spätestens beim Erreichen des oberen Totpunktes des betreffenden Kolbens erfolgt.

Da die Zündbedingungen in der Nähe des oberen Totpunkts mit zunehmender Verdichtung durch den erhöhten Druck und die höhere Temperatur im Zylinder besser werden, ist die Zündung durch einen weiteren Funken hochwahrscheinlich.

Die Messung des Zylinderinnendrucks erlaubt eine Ermitt lung des zeitlichen Brennverlaufs und über eine thermody namische Rechnung eine Zuordnung des Brennbeginns zu ei nem der Funken.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Regelung besteht damit vorzugsweise aus drei wesentlichen Systembestandteilen:

a) Zündanlage zur Generierung von mindestens zwei Zünd funken pro Arbeitstakt,
b) Sensoren zur Messung des Zylinderinnendrucks,
c) Controller zur Auswertung der Drucksignale und Gene rierung der Stellgrößen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung anhand von zwei Blockschaubildern dargestellt, die im folgenden beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1. eine Ausführungsform der Hardwarestruktur für die erfindungsgemäße Regelung und

Fig. 2 eine Ausführungsform der Reglerstruktur selbst.

In Fig. 1 bezeichnet bei einem mit 10 bezifferten Otto- Motor α_Z den Zündwinkel einer Zündanlage 11, α_EGR die Ventilstellung eines sogenannten EGR-Systems 12 (EGR = Exhaust Gas Recirculation), ϕ_PDL die Fahrpedalstellung und T_inj die Einspritzzeit für den zugeführten Kraft stoff. Eine hierfür vorgesehene Einspritzanlage ist mit 13 beziffert. Mit y sind Meßsignale gekennzeichnet, die sich insbesondere aus Drehzahl, Saugrohrdruck, Luftmas senstrom, Temperatur und insbesondere den Brennraumdruck signalen des Motors herleiten.

Wie des weiteren aus Fig. 1 hervorgeht, werden die Größen α_Z, T_inj und α_EGR in Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrpedalstellung (ϕ_PDL) und von den Meßsignalen y durch ein Steuergerät 14 beeinflußt. Das Steuergerät 14 steuert also Zündanlage 11, Einspritzanlage 13 und EGR-System 12 unmittelbar an, wodurch - wie Pfeile 15, 16 und 17 andeu ten - der eigentliche Zweck, nämlich die Ansteuerung des Motors 10 selbst, erreicht wird. Die sich hierdurch erge benden Motordaten (Drehzahl, Saugrohrdruck, Brennraum druck etc.) werden - in Form der bereits erwähnten Meßsi gnale y - ständig dem Steuergerät 14 zugeleitet (siehe Pfeil 18) und beeinflussen den Steuerungsvorgang entspre chend.

In der die Reglerstruktur schematisierenden Fig. 2 kenn zeichnet ein mit u₀ bezeichnetes Signal (Pfeil 19) - je nach Motorkonzeption - entweder die Kraftstoffeinspritz zeit (T_inj) (im Sinne der anzustrebenden Magerregelung) oder die Ventilstellung (α_EGR) der Abgasrückführung (EGR- Regelung). Magerregelung und EGR-Regelung sind daher in Fig. 2 durch einen gemeinsamen Kasten 20 symbolisiert worden. Die übrigen Stellgrößen (z. B. α_Z) sind in einem Vektor u₁ zusammengefaßt (Pfeil 21). P_ZYL (Pfeil 22) steht für die sich aus dem gemessenen Zylinderdruck erge benden Signale, Y₁ (Pfeil 23) für die übrigen Meßgrößen.

Fig. 2 macht deutlich, daß die Zylinderdrucksignale P_ZYL in eine thermodynamische Analyse eingehen, die durch ei nen Kasten 24 symbolisiert ist. Durch die hier erfolgende thermodynamische Auswertung der Zylinderdruckverläufe wird rechnerintern eine Hilfsgröße h₁ (Pfeil 25) gene riert, die angibt, durch welchen der Funken die letzte Zündung erfolgte. Der Zünderfolg der Einzelfunken wird - bei 26 - statistisch ausgewertet. Ein binäres Hilfssignal h₂ (Pfeil 27) gibt an, ob die gewünschte Verteilung gege ben ist oder nicht. Man kann beispielsweise h₂ = + 1 set zen, wenn weniger als der vorgegebene Prozentsatz an Zün dungen auf den ersten Funken erfolgt. Andernfalls setzt man h₂ = - 1. Ein der Stellgröße überlagertes Signal Δu₀ (Pfeil 28) erhält man dann im einfachsten Fall durch eine Integration der Hilfsgröße h₂ oder durch einen aufwendi geren Regelalgorithmus.

Anstelle einer Zündanlage, die mehrere diskrete Funken generiert, kann man - alternativ - auch eine Anlage ver wenden, die einen einzigen, aber zeitlich lang andauern den Funken generiert (wie dies z. B. durch eine AC-Zünd anlage bekannt ist). In diesem Fall steht das Hilfssignal h₁ für die Zeitdauer zwischen Zündungsbeginn und dem Be ginn der Flammenausbreitung (Zündverzug). Das binäre Si gnal h₂ kennzeichnet in diesem Fall, ob ein vorgegebener Wert für den Zündverzug über- oder unterschritten wurde.

Claims

1. Otto-Motor für Kraftfahrzeuge mit Kraftstoffein spritzung, der mit extrem magerem Ladungsgemisch be trieben wird und/oder eine Abgasrückführung auf weist, wobei als Stellgrößen für die Ladungsgemisch zusammensetzung im wesentlichen die Einspritzzeit (T_inj), die Einstellung des Abgasrückführungsventils (α_EGR) und - gegebenenfalls - die Drosselklappenein stellung dienen, mit einer zündfunkengenerierenden Zündanlage (11), ferner mit einem Brennraumdrucksen sor (24), der an Zündaussetzern die Magergrenze des Gemisches erkennt, und mit einem Regler (14), der die für die Gemischzusammensetzung maßgebende Stell größe im Sinne eines mageren Gemisches beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanlage (11) min destens einen Nachfunken oder einen länger brennen den Zündfunken generiert, wobei der verzögerte Druckanstieg des Brennverlaufes bei einer von einem Nachfunken oder einem nachbrennenden Zündfunken in itiierten Zündung und/oder die Quote der auf einen ersten Funken bzw. auf einen Folgefunken einsetzen den Zündungen als Signal für die Erkennung der Ma gergrenze des Gemisches dienen.

2. Otto-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regler ein Controller zur Auswertung der Drucksignale und zur Generierung der Stellgrößen vorgesehen ist.

3. Otto-Motor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine derartige Konzeption der Zündanlage (11), daß sie in schneller Folge so viele Nachfunken gene riert, daß die Zündung des Gemisches auch bei Aus bleiben der Zündung durch einen Restfunken sicherge stellt ist.

4. Otto-Motor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine derartige Konzeption der Zündanlage (11), daß sie einen einzigen Nachfunken generiert, der so lange andauert, daß die Zündung des Gemisches auch bei Ausbleiben der Zündung durch Funkenbeginn si chergestellt ist, und daß die Zeitdauer zwischen Zündungsbeginn und Beginn der Flammenausbreitung (sogenannter Zündverzug) als Signal (h₁) zum Erken nen der Magergrenze des Gemisches dient.

5. Otto-Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch statistische Auswertung (bei 26) des Si gnals (h₁) für die Zeitdauer zwischen Zündungsbeginn und Beginn der Flammenausbreitung (sogenannter Zünd verzug) ein binäres Hilfssignal (h₂) erzeugbar ist, das die Über- oder Unterschreitung eines vorgegebe nen Wertes für den Zündverzug kennzeichnet.

6. Otto-Motor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zündanlage (11) und Regler (14) so aufeinander abgestimmt sind, daß die von der Zündanlage (11) durch Generierung von Nachfunken jeweils veranlaßte Nachzündung späte stens beim Erreichen des oberen Totpunktes des be treffenden Kolbens erfolgt.