EP0992666B1 - Zylinderselektive Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses - Google Patents

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EP0992666B1
EP0992666B1 EP99117175A EP99117175A EP0992666B1 EP 0992666 B1 EP0992666 B1 EP 0992666B1 EP 99117175 A EP99117175 A EP 99117175A EP 99117175 A EP99117175 A EP 99117175A EP 0992666 B1 EP0992666 B1 EP 0992666B1
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cylinder
fuel
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selective control
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Florian Albrecht
Franz Kofler
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Bayerische Motoren Werke AG
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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
    • F02D41/008—Controlling each cylinder individually
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
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    • F02D41/1473—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method
    • F02D41/1474—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the regulation method by detecting the commutation time of the sensor

Definitions

  • the invention relates to a cylinder-selective control of the air-fuel ratio in a multi-cylinder internal combustion engine and to an apparatus for carrying out such a cylinder-selective control according to the preambles of claims 1 and 7, respectively.
  • the lambda probe is usually installed as a sensor in the exhaust stream in front of the catalyst and that after a merger of the exhaust pipes of the individual cylinders.
  • the lambda probe delivers an averaged value over the individual cylinders.
  • Mixture variations between the individual cylinders are usually not balanced and cause emission degradation for two reasons.
  • the control frequency of the lambda control becomes due to mixture differences shortened. This falsifies the mean lambda set via control parameters.
  • the individual cylinders usually flow to different areas of the catalyst. Due to the mixture differences, these areas do not work in the optimal lambda range.
  • the object of the invention is to provide a simple cylinder-selective control of the air-fuel ratio in a multi-cylinder internal combustion engine of the type mentioned, which is functionally reliable over a long period of operation and their development and hedging costs less. Furthermore, pay attention to a cost-effective system.
  • the operating cycle synchronous voltage fluctuations are in the form of Jump probes selected lambda probes evaluated and assigned to the individual cylinders.
  • the voltage deviation of the lambda probe voltage signal of a cylinder in relation to the voltage signals of the - related to the firing order - adjacent cylinder is formed.
  • the differential value is then used to correct the injection.
  • a correction value for the injection quantity is taken from a characteristic curve or a characteristic diagram.
  • two correction values for the injection quantity are calculated per cylinder, for example a term for long-term and a term for short-term deviations (for example tank venting).
  • the long-term term can form an adaptation value for the cylinder mixture adaptation upon fulfillment of predetermined conditions for a lambda adaptation and be stored non-volatile after engine shutdowns in the holding phase of the control unit.
  • the present invention has the advantage that it can be assumed that a long service life with high control accuracy. Furthermore, jump probes are significantly cheaper than broadband lambda probes, so that generally lower development and production costs are to be expected.
  • a device for carrying out the cylinder-selective control according to the invention is shown.
  • an engine 10 has a plurality of cylinders.
  • the engine 10 has four cylinders.
  • the engine 10 is supplied via an inlet tract 12 with air, wherein the amount of air is determined by an air flow meter 16. A corresponding signal is output to a control unit 24.
  • the exhaust gases of the engine are discharged via an exhaust tract 14 to the environment.
  • a catalyst 18 is provided for the conversion of pollutants into non-toxic substances.
  • a lambda probe 30 is arranged, which is designed as a jump probe.
  • the lambda probe emits a voltage signal corresponding to the exhaust gas composition to the control unit 24.
  • the probe voltage is around 100 mV.
  • the probe voltage changes almost abruptly and reaches values of 800 mV and above for a rich mixture ( ⁇ ⁇ 1).
  • the present Invention is based on the fact that the jump manifests itself in a rapid increase in voltage, but not in a pure Rechteckspung characterizing. Moreover, it is known that jump probes are very reliable and inexpensive.
  • control unit 24 also receives temperature values T of the coolant, rotational speed values n via the rotational speed of the engine and an operating voltage U B.
  • crankshaft sensor 32 is used in the present signal, whose signals are also delivered to the control unit 24.
  • the control unit 24 calculates an injection time t i for each cylinder on the basis of the available information and forwards it to injection valves 20.
  • the injection valves 20 supply the fuel received from a fuel supply 22 via lines 26 corresponding to the injection time t i to the cylinders operating in the engine 10.
  • the controller 24 first calculates an injection time for each cylinder based on the data available to it, such as temperature T, speed n, and air quantity signals, and generates a basic injection time ti_zyl_z, where the letter z designates a particular cylinder. At this Grundeinspritzzeit then a cylinder-specific mixture adjustment is calculated and that from the difference of two - based on the firing order - adjacent cylinder.
  • Fig. 2 a probe voltage signal ULS_1_z over time S is shown. In the course of the voltage, the probe voltage is indicated for different cylinders z.
  • ULS_1_diff_1 ULS_ 1 _ 3 + ULS_ 1 _ 2 / 2 - ULS_ 1 _ 1.
  • ULS_1_z is the probe voltage on the zth cylinder. Accordingly, the differences ULS_1_diff_z are calculated for the other cylinders.
  • an injection correction KF_ti_zyl_z is taken from a characteristic curve. With this correction injection time, the basic injection time ti_zyl_z is corrected.
  • an adaptation value of the cylinder mixture adaptation is formed and stored non-volatile.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine zylinderselektive Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor sowie eine Vorrichtung zur Durchführung einer solchen zylinderselektiven Regelung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 7.
  • Es ist bekannt, daß für eine hohe Konvertierungs- bzw. Umwandlungsrate der in den Abgasen vorhandenen Schadstoffe ein geregelter Katalysatorbetrieb erforderlich ist. Dabei wird die Abgaszusammensetzung durch eine Lambda-Sonde überwacht, und bei einer Abweichung von einem Luftverhältnis λ = 1 wird die Luft-Kraftstoff-Zusammensetzung korrigiert.
  • Die Lambda-Sonde ist üblicherweise als Meßfühler im Abgasstrom vor dem Katalysator eingebaut und zwar nach einer Zusammenführung der Abgasrohre von den einzelnen Zylindern. Damit liefert die Lambda-Sonde einen gemittelten Wert über die einzelnen Zylinder. Gemischschwankungen zwischen den einzelnen Zylindern werden in der Regel aber nicht ausgeglichen und verursachen aus zwei Gründen eine Emissionsverschlechterung. Zum einen wird die Regelfrequenz der Lambdaregelung durch Gemischunterschiede verkürzt. Dadurch wird das über Regelparameter eingestellte mittlere Lambda verfälscht. Zum anderen strömen die einzelnen Zylinder in der Regel verschiedene Bereiche des Katalysators an. Durch die Gemischunterschiede arbeiten diese Bereiche nicht im optimalen Lambdabereich.
  • In der EP 0 670 419 A1 und der EP 0 670 420 A1 sind Systeme zum Abschätzen der Luft-Kraftstoff-Verhältnisse in den einzelnen Zylindern eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors beschrieben. Mit diesem System soll den Gemischschwankungen zwischen den einzelnen Zylindern Rechnung getragen werden. Dabei wird ein mathematisches Modell entwickelt, um das Systemverhalten in Abhängigkeit eines Ausgabesignals eines Breitband-Luft-Kraftstoff-Sensors zu beschreiben. Eine Beobachtung der Entwicklung des Zustands des mathematischen Modells gibt einen Aufschluß über das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den einzelnen Zylindern, woraufhin eine entsprechende Kraftstoff-Luft-Verhältnisänderung für jeden Zylinder veranlaßt werden kann.
  • Das oben beschriebene Verfahren ist jedoch relativ rechenaufwendig und stützt sich auf die Signale von Breitband-Lambdasonden.
  • Ferner ist aus der EP 0 408 206 A2 ein gattungsbildendes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Korrektur des Luft/Kraftstoffverhältnisses für einzelne Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache zylinderselektive Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art anzugeben, das über eine lange Betriebsdauer funktionssicher ist und deren Entwicklungs- und Absicherungsaufwand geringer ausfällt. Ferner ist auf ein kostengünstiges System zu achten.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 7 genannten Merkmale verfahrens- bzw. vorrichtungstechnisch gelöst.
  • Um die Gemischschwankungen zwischen den Zylindern zu minimieren, werden die arbeitsspielsynchronen Spannungsschwankungen der in Form von Sprungsonden gewählten Lambda-Sonden ausgewertet und den einzelnen Zylindern zugeordnet. Insbesondere wird die Spannungsabweichung des Lambda-Sonden-Spannungssignals eines Zylinders in Relation zu den Spannungssignalen der - bezogen auf die Zündfolge - benachbarten Zylinder gebildet. Mit dem Differenzwert wird dann eine Korrektur der Einspritzung vorgenommen.
  • Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird ein Korrekturwert für die Einspritzmenge aus einer Kennlinie oder einem Kennfeld entnommen.
  • Um die Rechenbelastung zu reduzieren, könnte die zylinderindividuelle Gemischanpassung oberhalb einer festen Grenzzahl abgeschaltet werden.
  • Vorzugsweise werden pro Zylinder zwei Korrektur-Werte für die Einspritzmenge berechnet, beispielsweise ein Term für langfristige und ein Term für kurzfristige Abweichungen (z.B. Tankentlüftung).
  • Der langfristige Term kann bei Erfüllung vorgegebener Bedingungen zu einer Lambda-Adaption einen Adaptionswert für die Zylindergemischanpassung bilden und nach Motorabstellen in der Haltephase des Steuergeräts nicht-flüchtig gespeichert werden.
  • Insgesamt bringt die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß von einer langen Betriebsdauer mit hoher Regelgenauigkeit ausgegangen werden kann. Ferner sind Sprungsonden deutlich kostengünstiger als Breitband-Lambda-Sonden, so daß allgemein mit geringeren Entwicklungs- und Herstellungskosten zu rechnen ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
    • Fig. 1
    einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen zylinderselektiven Regelung und
    Fig. 2
    ein Zeitspannungsdiagramm bei einer Lambda-Sprungsonde.
  • In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung der erfindungsgemäßen zylinderselektiven Regelung dargestellt. Dabei weist ein Motor 10 eine Mehrzahl von Zylindern auf. Im vorliegenden Fall besitzt der Motor 10 vier Zylinder.
  • Der Motor 10 wird über einen Einlaßtrakt 12 mit Luft versorgt, wobei die Luftmenge von einem Luftmengenmesser 16 bestimmt wird. Ein entsprechendes Signal wird an ein Steuergerät 24 abgegeben.
  • Die Abgase des Motors werden über einen Abgastrakt 14 an die Umgebung abgeführt.
  • Im Abgastrakt ist ein Katalysator 18 zur Umwandlung der Schadstoffe in ungiftige Stoffe vorgesehen. Zwischen dem Motor 10 und dem Katalysator 18 ist eine Lambda-Sonde 30 angeordnet, die als Sprungsonde ausgebildet ist. Die Lambda-Sonde gibt ein der Abgaszusammensetzung entsprechendes Spannungssignal an das Steuergerät 24 ab. Bei einem mageren Gemisch (λ > 1) beträgt die Sondenspannung beispielsweise um 100 mV. Im Bereich λ = 1 ändert sich die Sondenspannung fast sprunghaft und erreicht bei fettem Gemisch (λ < 1) Werte von 800 mV und darüber. Gerade die starke Änderung der Sondenspannung im Bereich λ = 1 ermöglicht es, bereits geringe Abweichungen vom optimalen Luft-Kraftstoffverhältnis zu erkennen. Die vorliegende Erfindung basiert darauf, daß sich der Sprung zwar in einem schnellen Spannungsanstieg, jedoch nicht in einer reinen Rechteckspungcharakteristik manifestiert. Im übrigen ist es bekannt, daß Sprungsonden sehr zuverlässig und kostengünstig sind.
  • Das Steuergerät 24 erhält im vorliegenden Fall überdies Temperaturwerte T des Kühlmittels, Drehzahlwerte n über die Drehzahl des Motors sowie eine Betriebsspannung UB.
  • Da bei der vorliegenden Erfindung die Spannungsschwankungen der Lambda-Sonden ausgewertet und den einzelnen Zylindern zugewiesen werden, ist es notwendig, das gerade vorliegende Arbeitsspiel eines jeden Zylinders zu kennen. Dazu wird im vorliegenden Signal ein Kurbelwellensensor 32 verwendet, dessen Signale ebenfalls an das Steuergerät 24 abgegeben werden.
  • Das Steuergerät 24 berechnet aufgrund der vorliegenden Informationen eine Einspritzzeit ti für jeden Zylinder und gibt diese an Einspritzventile 20 weiter. Die Einspritzventile 20 liefern den von einer Kraftstoffzufuhr 22 erhaltenen Kraftstoff über Leitungen 26 entsprechend der Einspritzzeit ti an die im Motor 10 arbeitenden Zylinder.
  • Das Steuergerät 24 berechnet zunächst eine Einspritzzeit für jeden Zylinder aufgrund der ihm vorliegenden Daten, wie Temperatur T, Drehzahl n und Luftmengensignale und erzeugt eine Grundeinspritzzeit ti_zyl_z, wobei der Buchstabe z einen bestimmten Zylinder bezeichnet. Zu dieser Grundeinspritzzeit wird sodann eine zylinderindividuelle Gemischanpassung berechnet und zwar aus der Differenz von zwei - bezogen auf die Zündfolge - benachbarten Zylinder.
  • Dies wird nachfolgend anhand Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist ein Sondenspannungssignal ULS_1_z über die Zeit S dargestellt. Im Verlauf der Spannung ist die Sondenspannung für verschiedene Zylinder z angegeben.
  • Die Spannungsabweichung eines Zylinders z errechnet sich nun aufgrund der Spannungswerte der bezogen auf die Zündfolge benachbarten Zylinder. Die Spannungsdifferenz für den ersten Zylinder (z=1) ULS_1_diff_1 berechnet sich wie folgt: ULS_ 1 _diff_ 1 = ULS_ 1 _ 3 + ULS_ 1 _ 2 / 2 - ULS_ 1 _ 1.
    Figure imgb0001
  • Dabei ist ULS_1_z die Sondenspannung am z-ten Zylinder. Entsprechend berechnen sich die Differenzen ULS_1_diff_z bei den anderen Zylindern.
  • Entsprechend der ermittelten Spannungsabweichung wird aus einer Kennlinie eine Einspritzkorrektur KF_ti_zyl_z entnommen. Mit dieser Korrektureinspritzzeit wird die Grundeinspritzzeit ti_zyl_z korrigiert.
  • Sind die Bedingungen zu einer Lambda-Adaption erfüllt, wird ein Adaptionswert der Zylindergemischanpassung gebildet und nicht flüchtig gespeichert.
  • Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit einer zylinderselektiven Regelung gegeben.

Claims (7)

  1. Zylinderselektive Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor, bei der
    - eine im Abgastrakt angeordnete Lambda-Sonde (30) ein einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechendes Spannungssignal erzeugt,
    - das Spannungssignal einer Berechnungseinheit (24) zugeführt wird, welche das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für jeden einzelnen Zylinder bestimmt,
    - eine Kraftstoffzuteilungseinheit eine Kraftstoff-Einspritzmenge zumindest in Abhängigkeit von einem Basis-Kraftstoffeinspritzwert und den ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen der einzelnen Zylinder bestimmt,
    - eine Kraftstoffzufuhreinheit (20) die von der Kraftstoffzuteilungseinheit bestimmte Kraftstoff-Einspritzmenge den Zylindern des Verbrennungsmotor (10) zuführt, und
    - die Berechnungseinheit (24) das Spannungssignal kurbelwinkelsynchron erfaßt und einem bestimmten Zylinder zuordnet,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für jeden Zylinder eine Spannungsabweichung in Relation zu den Spannungssignalen der bezogen auf die Zündfolge benachbarten Zylindern bestimmt wird und
    daß eine Korrektur der Einspritzmenge in Abhänigigkeit der Spannungsabweichung durchgeführt wird.
  2. Zylinderselektive Regelung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Korrekturwert für die Einspritzmenge aus einer Kennlinie oder einem Kennfeld entnommen wird.
  3. Zylinderselektive Regelung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Sprungssonde als Lambda-Sonde (30) verwendet wird.
  4. Zylinderselektive Regelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Korrektur oberhalb einer bestimmten Grenzdrehzahl nicht mehr durchgeführt wird. ,
  5. Zylinderselektive Regelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß pro Zylinder zwei Korrektur-Werte für die Einspritzmenge berechnet werden.
  6. Zylinderselektive Regelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Korrekturwerte nicht-flüchtig abgespeichert werden.
  7. Vorrichtung zur Durchführung der zylinderselektiven Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor g e-mäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der
    - im Abgastrakt eine Lambda-Sonde (30) zur Erzeugung eines einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechendem Spannungssignal vorgesehen ist,
    - eine Bestimmungseinheit (24) vorgesehen ist, der das Spannungssignal zugeführt wird, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für jeden einzelnen Zylinder zu bestimmen, wobei die Bestimmungseinheit (24) derart ausgebildet ist, um das Spannungssignal kurbelwinkelsynchron zu erfassen und einem bestimmten Zylinder zuzuordnen,
    - eine Kraftstoffzuteilungseinheit vorgesehen ist, die eine Kraftstoff-Einspritzmenge zumindest in Abhängigkeit von einem Basis-Kraftstoffeinspritzwert und den ermittelten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen der einzelnen Zylinder bestimmt, und
    - eine Kraftstoffzufuhreinheit (20) vorgesehen ist, die von der Kraftstoffzuteilungseinheit bestimmte Kraftstoff-Einspritzmenge den Zylindern des Verbrennungsmotors (10) zuführt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Bestimmungseinheit (24) derart ausgebildet ist,
    - für jeden Zylinder die Spannungsabweichung in Relation zu den Spannungssignalen der bezogen auf die Zündfolge benachbarten Zylindern zu bestimmen und
    - eine Korrektur der Einspritzmenge in Abhänigigkeit der Spannungsabweichung durchzuführen.
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