DE4325307A1 - Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Kraft­ stoffzufuhr bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem gattungsgemäßen, aus der DE-OS 23 40 541 bekannten Ver­ fahren ist vorgesehen, zum Schutz des Katalysators vor zu hohen Abgastemperaturen, die Kraftstoffzufuhr zu einem Zylinder zu un­ terbrechen und zwar genau dann, wenn ein im Katalysator angeord­ neter Temperatursensor einen zu hohen Wert signalisiert. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß aufgrund dessen, daß im Katalysator selbst nie eine gleichmäßige Temperaturver­ teilung gegeben ist, die Temperatur des Katalysators an einigen Stellen schon Werte erreicht haben kann, welche das Katalysator­ material zerstören, während der Temperatursensor noch Werte übermittelt, die unterhalb der für die Zerstörung kritischen Grenze liegen. Ferner muß mit diesem Verfahren durch entspre­ chende Steuerung der Zylinderausblendung das Abgastemperaturni­ veau immer auf einem relativ hohen Wert gehalten werden, will man verhindern, daß es Bereiche im Katalysator selbst gibt, wel­ che auf einem derart niederen Temperaturniveau liegen, daß eine vollständige Umsetzung der im Abgas noch vorhandenen Schadstoffe nicht immer gewährleistet ist. Das Halten eines relativ hohen Abgastemperaturniveaus ist aber wiederum mit einem erhöhten Kraftstoffverbrauch verbunden.

Aus der DE-OS 40 02 207 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem zum Schutz eines Katalysators dann, wenn erkannt wird, daß in einem Zylinder Verbrennungsaussetzer auftreten, versucht wird, die Kraftstoffzufuhr zu dem betreffenden Zylinder zu unterbre­ chen. Während dieser Phase der Zylinderausblendung ist gleich­ zeitig die Regelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses ausgeschal­ tet. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Aus­ blendung eines Zylinder nur infolge von Zündaussetzern erfolgen kann, die Einflüsse, welche die Temperatur im Katalysator auf unerwünscht hohe Werte ansteigen lassen, bleiben bei diesem Ver­ fahren gänzlich unberücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenen Art derart weiter­ zubilden, daß ein optimaler Schutz des Katalysators vor zu hohen Temperaturen gewährleistet ist, gleichzeitig aber bei minimalem Kraftstoffverbrauch die Wirksamkeit des Katalysators im Teillastbetrieb voll erhalten bleibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die tatsäch­ liche Abgastemperatur so zu steuern, daß auch eine lokale Überhitzung des Katalysators und damit dessen Zerstörung ausge­ schlossen ist. Der Katalysator kann somit relativ motornah ange­ ordnet werden, wodurch sich die Zeitdauer nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bis hin zum Erreichen der Anspringtempe­ ratur des Katalysators reduzieren läßt. Gleichzeitig ermöglicht dieses Verfahren aber auch, daß im Teillastbereich, in welchem nicht die Leistung aller Zylinder benötigt wird, diesen nicht benötigten bzw. die nicht benötigten Zylinder mit einer be­ stimmte Häufigkeit auszublenden, womit deutlich Kraftstoff ein­ gespart werden kann. Dabei läßt sich aber die Abgastemperatur immer noch auf solch einem Niveau halten, daß ausgeschlossen ist, daß aufgrund eines zu großen Anteils beigemischter Frisch­ luft aus den jeweils ausgeblendeten Zylindern, der Katalysator auch nur örtlich begrenzt unwirksam wird. Die Ermittlung der zu erwartenden Abgastemperatur aus den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ermöglicht sozusagen eine optimale Steuerung der Zylinderausblendung im Hinblick auf den momentanen Betriebs­ punkt der Brennkraftmaschine. Es kann damit bei einer Änderung des Betriebspunktes augenblicklich mit einer Änderung in der Steuerung Zylinderausblendung reagiert werden, noch lange bevor irgendein Temperatursensor in der Abgasleitung oder im Kataly­ sator zeitlich verzögert nach der Änderung des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine ein Signal liefert, welches dann Anlaß für eine Änderung der Zylinderausblendung sein soll. Mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren kann damit die Häufigkeit der Zylin­ derausblendung auch so gesteuert werden, daß in Teillastberei­ chen die Abgastemperatur sich in einem Grenzbereich bewegt, ab welchem der Katalysator gerade wirksam wird, womit Kraftstoff eingespart sowie die Lebensdauer des Katalysators verlängert werden kann. Auf der anderen Seite hingegen kann im Vollastbe­ reich, also wenn der Brennkraftmaschine die maximale Leistung abverlangt wird, die Häufigkeit der Zylinderausblendung so gere­ gelt werden, daß möglichst die maximale Leistung auch gefahren werden kann, die Abgastemperatur sich aber immer noch in einem Bereich bewegt, in welchem eine Zerstörung des Katalysators aus­ geschlossen bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 die Funktionsweise der in Fig. 1 mit bezeichneten 11 elektronischen Steuereinheit.

Fig. 1 zeigt eine vierzylindrige gemischverdichtende Brennkraftmaschine 1, deren Ansaugsystem gebildet ist durch ei­ ne Ansaugleitung 2, welche übergeht in einen Resonanzsammelbe­ hälter 3, von welchem wiederum vier Saugrohre 4a-4d abgezweigt sind, die jeweils in die einzelnen in der Zeichnung nicht sicht­ baren Einlaßkanäle der einzelnen Zylinder 5a-5d übergehen. In jedes der Saugrohre 4a-4d mündet je ein Einspritzventil 6a- 6d ein, über welches der erforderliche Kraftstoff eingespritzt werden kann. Die Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschi­ nenlast erfolgt über eine in der Ansaugleitung 2 angeordnete Drosselklappe 7, die mit einem in der Zeichnung ebenfalls nicht sichtbaren Fahrpedal, über welches die Last vorgegeben wird, in Verbindung steht.

Der Abgastrakt der Brennkraftmaschine 1 besteht aus vier an den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 angeflanschte Abgasrohre 8a-8d, welche in eine gemeinsame Abgassammelleitung 9 überge­ hen, in welcher ein Katalysator 10 zur Reinigung der die Brenn­ kraftmaschine 1 verlassenden Abgase angeordnet ist.

Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erfolgt über eine elek­ tronische Steuereinheit 11, welche die einzelnen Kraftstaffein­ spritzdüsen 6a-6d über die Steuerleitungen 12a-12d ansteu­ ert. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erfolgt in Abhän­ gigkeit verschiedener Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1. Hierzu wird der elektronischen Steuereinheit 1 über den Sen­ sor 13 und die Meßwertleitung 14 ein der aktuellen Brennkraftma­ schinenlast (Drosselklappenstellung (α) entsprechendes Signal, über den Sensor 15 und die Meßwertleitung 16 ein der aktuellen Brennkraftmaschinendrehzahl n entsprechendes Signal, über den Sensor 17 und die Meßwertleitung 18 ein der aktuellen Kühlmit­ teltemperatur T_KM entsprechendes Signal, über den Sensor 19 und die Meßwertleitung 20 ein der aktuellen Ansauglufttemperatur T_L entsprechendes Signal, über den Sensor 21 und die Meßwertleitung 22 ein dem aktuellen Ansaugluftmassenstrom m_L entsprechendes Si­ gnal und über den Sensor 23 (λ-Sonde) und die Meßwertleitung 24 ein dem Restsauerstoffgehalt im Abgas und damit dem aktuellen Luft/Kraftstoffverhältnis λ entsprechendes Signal zugeführt. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung erfolgt gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ablaufdiagramm 25.

Nach dem Start der Brennkraftmaschine 1 wird über den Eingabe­ block 26 zuerst die aktuelle Lastvorgabe α sowie die aktuelle Drehzahl n eingelesen. Ergibt die Abfrage in Block 27, daß Voll­ ast (α = α_max) vorliegt, der Brennkraftmaschine 1 also die maxi­ male Leistung abverlangt werden soll, erfolgt eine Verzweigung in den linken Zweig der Steuerung, andernfalls in den rechten Zweig. Für den Fall, daß Vollast vorliegt, erfolgt über den Aus­ gabeblock 28 eine Ansteuerung der Einspritzdüsen 6a-6d in kon­ ventioneller Weise, d. h. alle Zylinder 5a-5d werden je nach momentaner Drehzahl n mit der entsprechenden Kraftstoffmenge versorgt. Eine Abschaltung eines Zylinders, also eine Unterbre­ chung der Kraftstoffversorgung zu einem Zylinder ist zu diesem Zeitpunkt nicht gegeben (Zylinderausblendhäufigkeit AH=0). Es ist damit möglich, die Brennkraftmaschine 1 mit ihrer maximalen Leistung zu betreiben. Im nachfolgenden Eingabeblock 29 werden dann neben der aktuellen Last α und der aktuellen Drehzahl n zu­ sätzlich noch die aktuellen Werte des Ansaugluftmassenstromes m_L, der Ansauglufttemperatur T_L, der Kühlmitteltemperatur T_KM und des Luft/Kraftstoffverhältnisses λ eingelesen. In Abhängig­ keit dieser Parameter erfolgt nun in dem gestrichelten Block 30 die Ermittlung des infolge der momentan vorliegenden Betriebsbe­ dingungen zu erwartenden Temperaturverlaufes im Katalysator 10. Im einzelnen geschieht dies in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt in Block 31 in Abhängigkeit dieser zuvor über den Block 29 erfaßten Parameter aus einem Kennfeld eine zu erwartende Ab­ gastemperatur T_A (synthetische Abgastemperatur T_A) ausgelesen wird. Aus dieser "synthetischen" Abgastemperatur T_A wird dann schließlich in Block 32 der Temperaturverlauf T_K im Katalysator 10 entlang seiner Länge 1 ermittelt. Dies geschieht entsprechend eines vorgegebenen mathematischen Modells, in welchem spezifi­ sche konstruktive Kenngrößen des Katalysators wie. z. B. Abmes­ sungen, Materialkenndaten, Daten einer gegebenenfalls vorhande­ nen Katalysatorisolierung, etc. berücksichtigt sind. Somit steht schon unmittelbar nach Erfassen der einzelnen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine im Eingabeblock 29 eine Abgastemperatur T_A als Meßgröße zur Verfügung, in Abhängigkeit derer sofort auf die Kraftstoffeinspritzung Einfluß genommen werden kann, um Ein­ fluß auf die tatsächliche Abgastemperatur zu nehmen. Es wird deshalb im nachfolgenden Block 33 abgefragt, ob das Maximum T_Kmax im Temperaturverlauf über der Länge 1 des Katalysators 10 oberhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwertes T_Kgo liegt. Ist dies der Fall, erfolgt über den Ausgabeblock 34 eine Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzdüsen 6a-6d derart, daß die Kraftstoff­ zufuhr zu einem Zylinder mit einer bestimmten Häufigkeit unter­ brochen wird, bzw. in dem Fall, daß die Kraftstoffzufuhr zu ei­ nem Zylinder bereits mit einer vorgegebenen Häufigkeit unterbro­ chen wird, wird diese Häufigkeit um eine bestimmte Schrittweite erhöht (AH↑). Die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zu einem Zylinder bewirkt, daß über diesen Zylinder, zu welchem die Kraftstoffzufuhr zeitweise unterbrochen ist, Frischgase mit ei­ ner relativ niederen Temperatur in den Abgastrakt gefördert wer­ den, wodurch es zu einer Absenkung des Temperaturniveaus im Ab­ gas und demzufolge im Katalysator 10 selbst kommt. Je größer die Anzahl an Unterbrechungen der Kraftstoffzufuhr pro Zeiteinheit (Ausblendhäufigkeit) ist, desto stärker wird das Abgastempera­ turniveau gesenkt und umgekehrt. Wird im Verzweigungsblock 33 festgestellt, daß das Maximum T_Kmax im Temperaturverlauf im Ka­ talysator 10 den oberen Grenzwert T_Kgo noch nicht überschritten hat, wird über den Ausgabeblock 35 die Häufigkeit der Unterbre­ chungen der Kraftsoffzufuhr zu einem Zylinder reduziert (AH↓), sofern momentan überhaupt mit einer Zylinderausblendung gefahren wird. Diese Reduzierung der Ausblendhäufigkeit führt dann wieder zu einer Erhöhung des Abgastemperaturniveaus. Im anschließenden Verzweigungsblock 36 wird überprüft ob seit dem letzten Einlesen der aktuellen Brennkraftmaschinenlast α im Block 29 eine Änderung der Last Δα aufgetreten ist. Falls ja, verzweigt die Steuerung zum Punkt 37 zur erneuten Eingabe von Last α und Drehzahl n, um anschließend feststellen zu können, ob Vollast gegeben ist oder nicht (Verzweigungsblock 27). Ergibt die Abfrage im Block 36, daß immer noch Vollast vorliegt, eine Änderung der Last also nicht festgestellt wurde, erfolgt ein Rücksprung zum Punkt 38 zur erneuten Eingabe sämtlicher Be­ triebsparameter, mit Hilfe derer dann im gestrichelten Block 30 wieder die mit den nun neuen Parametern zu erwartende Abgastem­ peratur T_A bzw. der zu erwartende Temperaturverlauf T_K im Kata­ lysator entlang seiner Länge 1 ermittelt wird. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sofort auf eine Änderung der Häufigkeit der Zylinderausblendung und damit auf eine Änderung der Abgastemperatur T_A reagiert werden, so daß unter Vollastvor­ gabe eine Zerstörung des Katalysators 10 infolge - wenn auch nur bereichsweise - zu hoher Temperaturen immer ausgeschlossen ist. Mit anderen Worten kann also bei Vollast sehr lange ohne Zylin­ derausblendung, d. h. bezogen auf die jeweilige Drehzahl n mit voller Leistung, gefahren werden, denn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, noch bevor eine kritische Abgastemperatur vor­ liegt, signalisiert, daß aufgrund der momentanen Betriebsparame­ ter eine kritische Abgastemperatur zu erwarten ist, worauf so­ fort mit einer entsprechenden Änderung bei der Kraftstoffein­ spritzung durch z. B. Aktivierung der Zylinderausblendung oder falls schon mit Zylinderausblendung gefahren wird, mit einer Er­ höhung der Häufigkeit der Zylinderausblendung reagiert werden kann.

Ergibt die Abfrage im Verzweigungsblock 27, daß keine Vollast vorliegt (α≠α_max), erfolgt eine Verzweigung in den auf der rech­ ten Seite der Fig. 2 dargestellten Zweig der Steuerung. Da hier nun nicht mehr die maximale Leistung der Brennkraftmaschine 1 gefordert ist, kann permanent mit Zylinderausblendung gefahren werden. Über den Ausgabeblock 39 wird daher die Kraftstoffein­ spritzung derart gesteuert, daß für den gerade vorliegenden Lastpunkt die maximale Zylinderausblendhäufigkeit eingestellt wird (AH(α)=max). Dabei bleibt die Zylinderausblendung nicht nur auf einen Zylinder beschränkt, in niederen Lastbereichen kann es durchaus schon ausreichend sein, nur zwei der vier Zylinder mit Kraftstoff zu versorgen. Auch müssen es nicht immer dieselben Zylinder sein, welche von der Kraftstoffversorgung abgetrennt werden, es kann genauso zyklisch unter den einzelnen Zylindern gewechselt werden (Letzteres gilt natürlich auch für den Volla­ stbetrieb). Nach der dem jeweiligen Lastpunkt entsprechenden Grundeinstellung der Zylinderausblendung (Block 39) werden, wie auch im linken Zweig der Steuerung, über den Eingabeblock 40 die aktuellen Werte der Parameter m_L, α, T_L, n, T_KM und λ eingelesen. Aus diesen Parameter wird im gestrichelten Block 41 dann wieder der aufgrund dieser eingelesenen Parameter zu erwartende Verlauf der Temperatur T_K im Katalysator 10 entlang seiner Länge 1 er­ mittelt. Im einzelnen geschieht dies auch hier zunächst, indem in einem ersten Block 42 aus diesen zuvor eingelesenen Parame­ tern die zu erwartende Abgastemperatur T_A ermittelt wird, mit Hilfe derer sich dann im Block 43 der zu erwartende Verlauf der Temperatur T_K im Katalysator entlang seine Länge 1 errechnet. Letzteres geschieht ebenfalls auf der Grundlage eines mathema­ tischen Modells, welches wiederum die konstruktiven Daten des Katalysators berücksichtigt. Im folgenden Abfrageblock 44 wird überprüft, ob das Minimum T_Kmin im Temperaturverlauf unterhalb eines unteren Grenzwertes T_Kgu liegt. Ist dies der Fall, droht also der Katalysator 10 örtlich Temperaturen anzunehmen, die so gering sind, daß hier eine Nachoxidation der Schadstoffe nicht mehr ablaufen kann, wird über den Ausgabeblock 45 veranlaßt, daß die Zylinderausblendhäufigkeit um eine vorgegebene Schrittweite reduziert wird (AH↓), so daß das Abgastemperaturniveau wieder ansteigen kann. Liegt hingegen das Minimum T_Kmin noch oberhalb des unteren Grenzwertes T_Kgu (Verzweigungsblock 44), so wird die Zylinderausblendhäufigkeit über den Ausgabeblock 46 weiter er­ höht (AH↑), um damit das Abgastemperaturniveau weiter absenken zu können. Analog zum Fall der Vollastvorgabe (linker Zweig der Steuerung) kann auch hier durch die erfindungsgemäße Ermittlung der aufgrund der vorliegenden Parameter zu erwartenden Abgastem­ peratur T_A die Zylinderausblendhäufigkeit immer so gewählt wer­ den, daß ein unterer Temperaturgrenzwert T_Kgu an keiner Stelle im Katalysator 10 unterschritten wird. Im nachfolgenden Verzwei­ gungsblock 47 wird überprüft, ob sich die Last α mittlerweile wieder verändert hat. Falls ja, erfolgt eine Verzweigung zum Punkt 37 zu erneuten Eingabe von Last α und Drehzahl n bzw. zur Überprüfung ob Vollast vorliegt oder nicht (Block 27). Wird in Block 47 festgestellt, daß keine Laständerung seit dem letzten Einlesevorgang im Block 40 stattgefunden hat, erfolgt ein Rück­ sprung zum Punkt 48 zur erneuten Erfassung der einzelnen Parame­ ter. Im Teillastbereich der Brennkraftmaschine (rechter Zweig der Steuerung) kann es je nach Betriebszustand durchaus auch da­ zu kommen, daß die Brennkraftmaschine 1 ganz ohne Zylinderaus­ blendung betrieben wird. Dies ist unter anderem dann der Fall, wenn sich die Brennkraftmaschine 1 in ihrer Warmlaufphase befin­ det. Hier durchläuft die Steuerung aufgrund einer noch niederen Kühlmitteltemperatur T_KM den Ausgabeblock 45, über welchen die Zylinderausblendhäufigkeit (AH↓) reduziert wird, zwangsläufig so oft, bis schließlich alle Zylinder kontinuierlich mit Kraftstoff versorgt werden.

Für den gesamten Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 gilt, daß dann, wenn mit Zylinderausblendung gefahren wird, für das Luft/Kraftstoffverhältnis λ nicht der tatsächlich gemessen Wert, sondern der zuletzt gemessene Wert vor dem Beginn der Zylinder­ ausblendung verwendet wird. Im Betrieb mit Zylinderausblendung signalisiert die λ-Sonde aufgrund des jetzt in den Abgasstrang geförderten Luftsauerstoffes aus dem ausgeblendeten Zylinder bzw. aus den ausgeblendeten Zylindern einen sozusagen "falschen" λ-Wert für diejenigen Zylinder, in welchen noch Kraftstoff ver­ brannt wird. Um die Kraftstoffeinspritzung für diese Zylinder infolge des während einer Zylinderausblendung "falschen" λ-Si­ gnals nicht negativ zu beeinflussen, wird der λ-Wert der letzten Messung, bei der noch sämtliche Zylinder mit Kraftstoff versorgt wurden, sozusagen "eingefroren", bis wieder ein Betrieb ohne Zy­ linderausblendung vorliegt.

Die Ermittlung der zu erwartenden Abgastemperatur T_A muß nicht zwingend in Abhängigkeit genau dieser im Ausführungsbeispiel ge­ nannten Parameter erfolgen. Es ist ebenso denkbar, diese Abgas­ temperatur in Abhängigkeit anderer, den Betriebspunkt der Brenn­ kraftmaschine beschreibender Parameter zu ermitteln.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei einer ge­ mischverdichtenden mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, deren Ab­ gas über eine in der Abgasleitung angeordnete Katalysatorein­ richtung gereinigt wird, bei welchem Verfahren die Kraftstoffzu­ fuhr zu wenigstens einem Zylinder in Abhängigkeit der Abgastem­ peratur bedarfsweise unterbrochen wird (Zylinderausblendung), dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für die Abgastemperatur eine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) zu erwartende Abgastemperatur T_A (synthetische Abgastemperatur T_A) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderausblendung zyklisch erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsparameter Last (α), Drehzahl (n), Ansaugluftmas­ senstrom (m_L), Kühlmitteltemperatur (T_KM) und die Ansauglufttem­ peratur (T_L) verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Zylinderausblendung kennfeldmäßig erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der zu erwartenden Abgastemperatur (T_A) unter Berück­ sichtigung der konstruktiven Daten des Katalysators (10) der Temperaturverlauf (T_K) im Katalysator (10) entlang seine Länge (1) ermittelt wird.