EP0860596A2 - Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Verbrennungsmotors Download PDF

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EP0860596A2
EP0860596A2 EP98101982A EP98101982A EP0860596A2 EP 0860596 A2 EP0860596 A2 EP 0860596A2 EP 98101982 A EP98101982 A EP 98101982A EP 98101982 A EP98101982 A EP 98101982A EP 0860596 A2 EP0860596 A2 EP 0860596A2
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running
combustion engine
internal combustion
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uneven running
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Guido Dickers
Patrick Dr. Phlips
Manfred Henning
Klemens Grieser
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1497—With detection of the mechanical response of the engine

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating smoothness a multi-cylinder internal combustion engine depending on one Measured value of the uneven running with a control device adjustable manipulated variable to influence the smooth running behavior.
  • Such methods are used in particular in internal combustion engines which work with a lean air / fuel mixture (air / fuel ratio, AFR) (lean burn engines).
  • AFR air / fuel ratio
  • NO x nitrogen oxides
  • the formation of nitrogen oxides (NO x ) can namely be reduced by the engine working with a mixture that is as lean as possible.
  • Limitations of the air / fuel mixture are limited, however, since misfires can result in misfires, which can lead to restless engine operation and, in extreme cases, to engine shutdown.
  • the aim in lean operation is to run the engine with a Air / fuel ratio as high as possible (lean mixture) to operate, however, unrest noticeable by the driver should be avoided.
  • the engine should thus Reduction of raw nitrogen oxide emissions as close as possible an uneven running limit. That to achieve air / fuel ratio required for this purpose can only be determined very imprecisely in advance, as the achievement the uneven running limit of a variety of parameters that partially subject to long-term or short-term drifts depends, e.g. the current engine operating parameters, the geometric properties of the combustion chambers, the quality of the mixture preparation, the condition of the Ignition system etc.
  • a predetermined Air / fuel ratio must be the engine with a relative large safety margin to one of the uneven running limit corresponding air / fuel ratio are operated, which has a negative impact on raw nitrogen oxide emissions.
  • the invention is based on the object such a measured value for uneven running a manipulated variable Influencing the uneven running - preferably the air / fuel ratio - to regulate such that also at changing engine operating conditions a quiet operation is achieved as close as possible to the uneven running limit.
  • the procedure is also intended to regulate the Idle speed, an exhaust gas recirculation rate or at Control of the ignition angle can be used.
  • the invention provides that a threshold value for uneven running is specified and the Manipulated variable in small steps in the direction of an enlarged Uneven running is adjusted when the measured value of uneven running indicates a calmer run than the threshold, and that the manipulated variable in a larger step towards a reduced uneven running is adjusted when the measured value the uneven running indicates a more uneven run than the threshold value.
  • the threshold value for is thus approximated the uneven running in small steps. Is this the manipulated variable is exceeded in a larger step adjusted in the direction of reduced uneven running, so that the area of uneven running is safely left before the Driver can notice irregular running symptoms.
  • the manipulated variable can adaptively in both directions changing engine operating conditions are adjusted.
  • the change in the manipulated variable with a control frequency on the order of at least 1 Hz.
  • a change in each work cycle can be advantageous of the internal combustion engine. This is an optimal one Adjustment of the manipulated variable even with rapid changes the engine operating conditions.
  • a rotational non-uniformity value can preferably be used as the measured value for the uneven running a high-resolution crank angle sensor can be used as described in the above Way obtained from the signal of the crank angle sensor becomes.
  • the air / fuel ratio of the internal combustion engine supplied mixture is used as a manipulated variable to influence the smooth running behavior.
  • a Internal combustion engine with the highest possible air / fuel ratio below a predetermined unrest threshold operate. It can be expediently provided this regulation only during the lean operation of the Internal combustion engine - i.e. within a certain engine operating parameter window - perform.
  • an exhaust gas recirculation rate is used as Control variable to influence the smooth running behavior.
  • an exhaust gas recirculation device can be a more economical and low-emission operation of an internal combustion engine can be achieved. However, it can a too high exhaust gas recirculation rate lead to misfires, which means a regulation of the exhaust gas recirculation rate according to the invention can be avoided.
  • the throttle valve position a device for metering the supplied to the internal combustion engine Air mass flow is used.
  • a device for metering the supplied to the internal combustion engine Air mass flow is used.
  • an electronic controllable throttle valve can be used.
  • the subjective perceptibility of irregular running symptoms is not equally pronounced in all engine operating areas. It can therefore be provided according to the invention that the Threshold for uneven running by means of a functional relationship (Map) depending on the speed and the Torque of the internal combustion engine is varied.
  • Map a functional relationship
  • the necessary The map is preferably carried out using suitable test series certainly.
  • the threshold value of uneven running can also be based on others Engine operating parameters (such as vehicle speed or the accelerator pedal position) can be varied.
  • the measurement and influencing the smooth running behavior for each cylinder of the internal combustion engine takes place individually.
  • the measured value of the Uneven running can be done with the crank angle sensor with little Effort for each cylinder can be determined individually, since individual irregular running symptoms appear without any problems with the respective combustion processes and thus with the correlate respective cylinders causing the uneven running to let.
  • For individual influencing of the air / fuel ratio are the same for each cylinder dosing devices assigned to individual cylinders required. Overall, however, this can improve the control the cylinder with the strongest pronounced uneven running significantly influences the manipulated variable.
  • FIG. 1 In the lower partial diagram of Fig. 1 is the time course an air / fuel ratio controlled according to the invention (AFR) depending on one in the diagram above shown uneven running signal.
  • a rising Air / fuel ratio tends to result in a greater restlessness.
  • the uneven running is by means of a Measurement of the crank angle in the one described above Determined way.
  • the - in this example constant over time - threshold value for the Horizontal line representing uneven running.
  • the Determination of uneven running and the subsequent change the air / fuel ratio is discrete Time intervals, namely once per revolution of the engine crankshaft.
  • the air / fuel ratio increased by a predetermined amount B if the Measured value for uneven running below the threshold for the Uneven running is. If the threshold is exceeded, then the air / fuel ratio is larger than that of B. Amount A is reduced so that the uneven running area is safe is left.

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Abstract

Ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors abhängig von einem Meßwert der Laufunruhe mit einer über eine Regeleinrichtung regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße in kleinen Schritten in Richtung einer vergrößerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen ruhigeren Lauf als ein vorgegebener Schwellwert für die Laufunruhe anzeigt, und daß die Stellgröße in einem größeren Schritt in Richtung einer verkleinerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen unruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt. Als Stellgröße wird vorzugsweise das Luft-/Kraftstoffverhältnis eines Verbrennungsmotorgemisches verwendet. Damit kann der Verbrennungsmotor nahe an der Laufunruheschwelle betrieben werden, wobei eine schnelle Anpassung an sich verändernde Motorbetriebsbedingungen gewährleistet ist. Insbesondere im Magerbetrieb des Motors können so die Stickoxidrohemissionen reduziert werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors abhängig von einem Meßwert der Laufunruhe mit einer über eine Regeleinrichtung regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens.
Derartige Verfahren finden insbesondere bei Verbrennungsmotoren, die mit einem mageren Luft-/Kraftstoffgemisch (air/fuel ratio, AFR) arbeiten (lean burn engines) Verwendung. Im Magerbetrieb kann die Entstehung von Stickoxiden (NOx) nämlich dadurch verringert werden, daß der Motor mit möglichst magerem Gemisch arbeitet. Einer Abmagerung des Luft-/Kraftstoffgemisches sind aber Grenzen gesetzt, da es bei zu magerem Gemisch zu Aussetzern kommen kann, die zu einem unruhigen Motorlauf und im Extremfall zu einem Ausgehen des Motors führen können.
Deshalb wird im Magerbetrieb angestrebt, den Motor mit einem möglichst hohem Luft-/Kraftstoffverhältnis (magerem Gemisch) zu betreiben, wobei allerdings vom Fahrer wahrnehmbare Laufunruhen vermieden werden sollen. Der Motor soll somit zur Reduzierung von Stickoxidrohemissionen möglichst nahe an einer Laufunruhegrenze betrieben werden. Das zum Erreichen dieses Zieles erforderliche Luft-/Kraftstoffverhältnis kann im voraus nur sehr ungenau bestimmt werden, da das Erreichen der Laufunruhegrenze von einer Vielzahl von Parametern, die teilweise langzeitigen oder kurzfristigen Driften unterworfen sind, abhängt, wie z.B. den aktuellen Motorbetriebsparametern, den Geometrieeigenschaften der Verbrennungskammern, der Güte der Gemischaufbereitung, dem Zustand der Zündanlage usw.. Bei Verwendung eines im voraus vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnisses muß der Motor mit einem relativ großen Sicherheitsabstand zu einem der Laufunruhegrenze entsprechenden Luft-/Kraftstoffverhältnis betrieben werden, was die Stickoxidrohemissionen negativ beeinflußt.
Es ist grundsätzlich bekannt, die Laufunruhe eines Verbrennungsmotors zu messen. Zur Gewinnung eines Meßwertes für die Laufunruhe wertet man bevorzugt die Bewegung der Kurbelwelle mittels eines Kurbelwellenwinkelsensors aus. Eine zunehmende Laufunruhe führt zu einem unruhigeren Lauf der Kurbelwelle, so daß mittels statistischer Verfahren (z.B. Vergleich der aktuellen Winkelgeschwindigkeit mit einem Durchschnittswert) ein Meßwert, der ein Maß für die Laufunruhe darstellt, bestimmt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aufgrund eines derartigen Meßwertes für die Laufunruhe eine Stellgröße zur Beeinflussung der Laufunruhe - vorzugsweise das Luft-/Kraftstoffverhältnis - derart zu regeln, daß auch bei wechselnden Motorbetriebsbedingungen ein ruhiger Betrieb möglichst nahe an der Laufunruhegrenze erzielt wird. Das Verfahren soll darüberhinaus auch zur Regelung der Leerlaufdrehzahl, einer Abgasrückführrate oder zu einer Regelung des Zündwinkels verwendet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Schwellwert für die Laufunruhe vorgegeben ist und die Stellgröße in kleinen Schritten in Richtung einer vergrößerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen ruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt, und daß die Stellgröße in einem größeren Schritt in Richtung einer verkleinerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen unruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt. Somit erfolgt eine Annäherung an den Schwellwert für die Laufunruhe in kleinen Schritten. Ist dieser überschritten, wird die Stellgröße in einem größeren Schritt in Richtung einer verkleinerten Laufunruhe verstellt, so daß der Bereich der Laufunruhe sicher verlassen wird, bevor der Fahrer Laufunruheerscheinungen wahrnehmen kann. Auf diese Weise kann die Stellgröße adaptiv in beiden Richtungen an sich ändernde Motorbetriebsbedingungen angepaßt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Veränderung der Stellgröße mit einer Regelfrequenz in einer Größenordnung von wenigstens 1 Hz erfolgt. Besonders vorteilhaft kann eine Veränderung bei jedem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors erfolgen. Damit ist eine optimale Anpassung der Stellgröße auch bei schnellen Änderungen der Motorbetriebsbedingungen gewährleistet.
Als Meßwert für die Laufunruhe kann vorzugsweise ein Drehungleichförmigkeitswert eines hochauflösenden Kurbelwinkelsensors verwendet werden, der in der vorstehend beschriebenen Art und Weise aus dem Signal des Kurbelwinkelsensors gewonnen wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens das Luft-/Kraftstoffverhältnis des dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemisches verwendet wird. Damit kann ein Verbrennungsmotor bei möglichst hohem Luft-/Kraftstoffverhältnis unterhalb einer vorgegebenen Laufunruheschwelle betrieben werden. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, diese Regelung nur während des Magerbetriebs des Verbrennungsmotors - also innerhalb eines bestimmten Motorbetriebsparameterfensters - durchzuführen.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens der Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors verwendet wird. Dies kann beispielsweise in einer Aufwärmphase einer dem Abgassystem des Verbrennungsmotors zugeordneten Katalysatoranordnung zweckmäßig sein. Es ist bekannt, in der Aufwärmphase den Zündvorgang zu einem so späten Zeitpunkt erfolgen zu lassen, daß die Verbrennung teilweise noch im Abgassystem erfolgt und somit eine schnelle Aufheizung der Katalysatoranordnung erreicht wird. Wird der Zündzeitpunkt zu stark verzögert, kann es zu Aussetzern kommen, was durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden kann.
Weiterhin kann alternativ auch vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens eine Abgasrückführrate verwendet wird. Mittels einer Abgasrückfuhreinrichtung kann ein sparsamerer und emissionsärmerer Betrieb eines Verbrennungsmotors erreicht werden. Allerdings kann eine zu hohe Abgasrückführrate zu Aussetzern führen, was mittels einer erfindungsgemäßen Regelung der Abgasrückführrate vermieden werden kann.
Weiterhin kann vorgesehen sein, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens die Drosselklappenstellung einer Einrichtung zur Dosierung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luftmassenstroms verwendet wird. In einer derartigen Ausführungsform kann die Erfindung zweckmäßig zur Leerlaufdrehzahlregelung eines Verbrennungsmotors mit einer elektronisch steuerbaren Drosselklappe eingesetzt werden.
Die subjektive Wahrnehmbarkeit von Laufunruheerscheinungen ist nicht in allen Betriebsbereichen des Motors gleich ausgeprägt. Deshalb kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der Schwellwert für die Laufunruhe mittels eines funktionalen Zusammenhangs (Kennfeldes) abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors variiert wird. Das erforderliche Kennfeld wird vorzugsweise mittels geeigneter Versuchsreihen bestimmt.
Der Schwellwert der Laufunruhe kann aber auch anhand anderer Motorbetriebsparameter (wie z.B. der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Gaspedalstellung) variiert werden.
Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, daß die Messung und Beeinflussung des Laufruheverhaltens für alle Zylinder des Verbrennungsmotors gemeinsam erfolgt. In diesem Falle beeinflußt der Zylinder mit der am stärksten ausgeprägten Laufunruhe die Stellgröße maßgeblich.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, daß die Messung und Beeinflussung des Laufruheverhaltens für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors individuell erfolgt. Der Meßwert der Laufunruhe kann mittels des Kurbelwinkelsensors mit nur geringem Aufwand für jeden Zylinder individuell bestimmt werden, da sich einzelne Laufunruheerscheinungen ohne weiteres mit den jeweiligen Verbrennungsprozessen und somit mit den jeweiligen, die Laufunruhe verursachenden Zylindern korrelieren lassen. Zur individuellen Beeinflussung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses für jeden Zylinder sind allerdings den einzelnen Zylindern zugeordnete Dosiereinrichtungen erforderlich. Insgesamt kann aber hierdurch die Regelung verbessert werden, da nicht mehr der Zylinder mit der am stärksten ausgeprägten Laufunruhe die Stellgröße maßgeblich beeinflußt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
ein schematisches Beispieldiagramm einer erfindungsgemäßen Regelung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses abhängig von einem Laufunruhesignal, und
Fig. 2
ein Diagramm zur Erläuterung des Vorteils einer individuellen Regelung für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors im Vergleich zu einer Regelung für alle Zylinder gemeinsam.
Im unteren Teildiagramm von Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf eines gemäß der Erfindung geregelten Luft-/Kraftstoffverhältnisses (AFR) in Abhängigkeit eines im oberen Diagramm dargestellten Laufunruhesignals dargestellt. Ein steigendes Luft-/Kraftstoffverhältnis führt tendenziell zu einer größeren Laufunruhe. Die Laufunruhe wird mittels einer Messung des Kurbelwinkels in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt. Weiterhin ist im oberen Diagramm eine den - in diesem Beispiel zeitlich konstanten - Schwellwert für die Laufunruhe bezeichnende horizontale Linie dargestellt. Die Bestimmung der Laufunruhe und die auf diese folgende Veränderung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses erfolgt in diskreten Zeitabständen, nämlich jeweils einmal pro Umdrehung der Verbrennungsmotorkurbelwelle.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis um einen vorgegebenen Betrag B erhöht, wenn der Meßwert für die Laufunruhe unter dem Schwellwert für die Laufunruhe liegt. Wird der Schwellwert überschritten, so wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis um einen gegenüber B größeren Betrag A verringert, so daß der Laufunruhebreich sicher verlassen wird. Diese Ereignisse sind durch vertikale Linien in Fig. 1 gekennzeichnet.
Fig. 2 zeigt den Vorteil einer individuellen Einzelzylinder-AFR-Regelung im Vergleich zu einer gemeinsamen Regelung. Die gestrichelt dargestellten Kurven 1,2 zeigen ein gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren individuell geregeltes Luft-/Kraftstoffverhältnis für zwei unterschiedliche Zylinder. Wie ersichtlich, überschreitet der der Kurve 2 zugeordnete Zylinder erst bei einem höheren Luft-/Kraftstoffverhältnis die Laufunruheschwelle und kann infolgedessen mit magererem Gemisch als der der Kurve 1 zugeordnete Zylinder betrieben werden. Derartige Abweichungen in den Laufruhebereichen sind bei üblichen Verbrennungsmotoren z.B. aufgrund von Geometrietoleranzen immer vorhanden. Bei einer für alle Zylinder gemeinsamen Regelung (beispielsweise gemäß Kurve 3) bestimmt der Zylinder mit dem ungünstigsten Laufruhebereich (d.h. mit der größten Tendenz zu Aussetzern) das maximal einstellbare Luft-/Kraftstoffverhältnis, so daß die Stickoxidemissionen insgesamt höher als bei der Individualregelung liegen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung der Laufruhe eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors abhängig von einem Meßwert der Laufunruhe mit einer über eine Regeleinrichtung regelbaren Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellwert für die Laufunruhe vorgegeben ist und die Stellgröße in kleinen Schritten in Richtung einer vergrößerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen ruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt, und daß die Stellgröße in einem größeren Schritt in Richtung einer verkleinerten Laufunruhe verstellt wird, wenn der Meßwert der Laufunruhe einen unruhigeren Lauf als der Schwellwert anzeigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Stellgröße mit einer Regelfrequenz in einer Größenordnung von wenigstens 1 Hz erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwert für die Laufunruhe ein Drehungleichförmigkeitswert eines Kurbelwinkelsensors verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens das Luft-/Kraftstoffverhältnis des dem Verbrennungsmotor zugeführten Gemisches verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens ein Zündzeitpunkt des Verbrennungsmotors verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens eine Abgasrückführrate verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgröße zur Beeinflussung des Laufruheverhaltens die Drosselklappenstellung einer Einrichtung zur Dosierung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Luftmassenstroms verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert für die Laufunruhe mittels eines funktionalen Zusammenhangs abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors variiert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung und Beeinflussung des Laufruheverhaltens für alle Zylinder des Verbrennungsmotors gemeinsam erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung und Beeinflussung des Laufruheverhaltens für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors individuell erfolgt.
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