EP1317610B1 - Verfahren zur bestimmung des kraftstoffgehaltes des regeneriergases bei einem verbrennungsmotor mit benzindirekteinspritzung im schichtbetrieb - Google Patents

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft das technische Umfeld der Tankentlüftung bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung.
• Motoren mit Benzindirekteinspritzung können sowohl in der Betriebsart Schichtbetrieb als auch in der Betriebsart Homogenbetrieb betrieben werden.
• Aus der DE 198 50 586 ist ein Motorsteuerungsprogramm bekannt, das die Umschaltung zwischen beiden Betriebsarten steuert.
• Im Schichtbetrieb wird der Motor mit einer stark geschichteten Zylinderladung und hohem Luftüberschuß betrieben, um einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Die geschichtete Ladung wird durch eine späte Kraftstoffeinspritzung erreicht, die im Idealfall zur Aufteilung des Brennraums in zwei Zonen führt: Die erste Zone enthält eine brennfähige Luft-Kraftstoff-Gemischwolke an der Zündkerze. Sie wird von der zweiten Zone umgeben, die aus einer isolierenden Schicht aus Luft und Restgas besteht. Das Potential zur Verbrauchsoptimierung ergibt sich aus der Möglichkeit, den Motor unter Vermeidung von Ladungswechselverlusten weitgehend ungedrosselt zu betreiben. Der Schichtbetrieb wird bei vergleichsweise niedriger Last bevorzugt.
• Bei höherer Last, wenn die Leistungsoptimierung im Vordergrund steht, wird der Motor mit homogener Zylinderfüllung betrieben. Die homogene Zylinderfüllung ergibt sich aus einer frühen Kraftstoffeinspritzung während des Ansaugvorganges. Als Folge steht bis zur Verbrennung eine größere Zeit zur Gemischbildung zur Verfügung. Das Potential dieser Betriebsart zur Leistungsoptimierung ergibt sich zum Beispiel aus der Ausnutzung des gesamten Brennraumvolumens zur Füllung mit brennfähigem Gemisch.
• Im Kraftstofftank eines Fahrzeugs fällt je nach Kraftstofftemperatur, Kraftstoffsorte und Druckverhältnissen eine unterschiedliche Menge an Kraftstoffdampf pro Zeiteinheit an. Es ist bereits bekannt, diesen Kraftstoffdampf zunächst im einem Aktivkohlefilter zu speichern und dann während des Betriebs des Verbrennungsmotors über ein steuerbares Tankentlüftungsventil mit Luft vermischt der motorischen Verbrennung zuzuführen. Dadurch wird der Aktivkohlefilter wieder aufnahmefähig für weiteren Kraftstoffdampf (regeneriert). Der mit Luft vermischte Kraftstoffdampf wird als Regeneriergas bezeichnet.
  Zur Kompensation des über das Tankentlüftungsventil fließenden Kraftstoffstroms wird der über die Einspritzventile fließende Kraftstoffstrom reduziert. In diesem Zusammenhang ist es für einen Motor mit Saugrohreinspritzung aus der DE 38 13 220 bekannt, ein Maß FTEAD für den Kraftstoffgehalt des Regeneriergases aus den im Steuergerät bekannten Größen wie dem Kraftstoffstrom über die Einspritzventile, der Menge des Regeniergases bei göffnetem Tankentlüftungsventil, der Ansaugluftmenge des Motors und dem Signal einer Abgassonde zu lernen. Das gelernte Maß dient zur Abstimmung der Reduktion des Kraftstoffstroms über die Einspritzventile zum Kraftstoffstrom über das Tankentlüftungsventil mit dem Ziel, die Zusammensetzung des gesamten Kraftstoff/Luftgemisches zu kontrollieren. Beim Betrieb eines Motors mit Saugrohreinspritzung tritt wie beim Betrieb eines Motores mit Benzindirekteinspritzung in der Betriebsart Homogenbetrieb eine homogene Füllung des Brennraums mit Gemisch auf. Für diese Betriebsart ist daher die Tankentlüftungssteuerung anwendbar, wie sie aus dem Bereich der Saugrohreinspritzung bekannt ist.
• Beim Betrieb eines Motors mit Benzindirekteinspritzung in der Betriebsart Schichtbetrieb hat sich dagegen gezeigt, dass bei der Kontrolle des gesamten Kraftstoff/Luftgemisches bei offenem Tankentlüftungsventil Störungen auftreten.
• Die Erfindung zielt auf die Beseitigung der genannten Störungen und damit auf eine Verbesserung Vorhersagbarkeit des Einflusses der Tankentlüftung auf die Gemischzusammensetzung im Schichtbetrieb.
• Die angestrebte Wirkung wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
• Im einzelnen sieht die erfindungsgemäße Bestimmung des Kraftstoffgehaltes eines Regeneriergases bei der Regeneration eines Kraftstoffdampfzwischenspeichers bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung im Mager-(Schicht)-Betrieb, bei dem der gespeicherte Kraftstoffdampf dem Verbrennungsmotor als Reneriergas über ein steuerbares Tankentlüftungsventil zugeführt wird und bei dem zur Bestimmung des Kraftstoffgehaltes des Regneriergases das Signal einer Abgassonde im Abgas des Verbrennungsmotors berücksichtigt wird, folgende Schritte vor:
• Durchführen eines Abgleichs zwischen dem Signal der Abgassonde und einem vorgegebenen Sollwert bei geschlossenem Tankentlüftungsventil, bei dem das Signal der Abgassonde bei geschlossenem Tankentlüftungsventil mit einer Korrekturgröße so verknüpft wird, dass das Ergebnis der Verknüpfung dem Sollwert entspricht.
• Verknüpfen des Signals der Abgassonde bei offenem Tankentlüftungsventil mit dem vorher gewonnenen Korrekturwert auf gleiche Weise und
• Bestimmung der Beladung des Regeneriergases aus dem Ergebnis der Verknüpfung.
• Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass im Schichtbetrieb der gemessene Lambdawert vom physikalisch vorhandenen Lambdawert vergleichsweise stark abweichen kann. Als Ursache kommen Sondenexemplarstreuungen, Alterungseffekte und stark schwankende Abgastemperaturen im Schichtbetrieb bei nicht geregelter Sondenheizung in Frage. Unabhängig davon, welche Ursache letztlich vorliegt, tritt jedenfalls das Problem der Abweichung zwischen Sondensignal und tatsächlich vorhandenem Lambdawert auf.
• Die erfindungsgemäße Lösung sieht einen Abgleich des Sondensignals im Schichtbetrieb bei geschlossenem Tankentlüftungsventil vor. Dadurch wird das Sondensignal vom absoluten Lambdawert entkoppelt. Kommt dann bei offenem Tankentlüftungsventil der Einfluss des Regeneriergases hinzu, so kann dieser Einfluss aus der relativen Änderung des Sondensignals bestimmt werden.
• Eine Ausführungsform der Efindung sieht vor, daß aus dem Signal der Abgassonde ein gemessener Lambdawert (Lambdamess) gebildet wird und daß die Differenz des gemessenen Lambdawertes vom Produkt aus Abgleichfaktor und der Differenz des Lambdasollwertes (Lambdasoll) vom Wert 1 ermittelt und integriert wird.
• Eine weitere Ausführungsform zeichent sich dadurch aus, daß der Abgleichsfaktor im eingeschwungenen Zustand dem mittleren Quotienten (Lambdamess -1) / (Lambdasoll - 1) entspricht.
• Diese Funktion liefert den Vorteil, dass Schwankungen von Lambdamess durch den Integrationsprozess während des Abgleichvorgangs ausgemittelt werden und damit den Abgleichsfaktor nicht verfälschen.
• Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß das tatsächliche Lambda im Betrieb mit offenem Tankentlüftungsventil durch folgende Vorschrift bestimmt wird:
• tatsächliches $$\mathrm{Lambda}=(1/\mathrm{Abgleichsfaktor})*(\mathrm{Lambdamess}-1)+1$$
  
• Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß ein neuer Abgleich im Schichtbetrieb bei einem Arbeitspunktwechsel des Verbrennungsmotors oder bei der Änderung bestimmter Umgebungsbedingungen durchgeführt wird.
• Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß die Umgebungstemperatur und die Höhe, in der der Motor betrieben wird, solche Umgebungsbedingungen sind.
• Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß ein Arbeitspunktwechsel durch eine Mindeständerung des Lambdasollwertes definiert ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Abgleich beendet, wenn der Absolutbetrag des Integratoreingangs einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
• Die Erfindung richtet sich auch auf eine elektronische Steuereinrichtung zur Durchführung wenigstens eines der oben genannten Verfahren und Ausführungsformen.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezug auf die Figuren erläutert.
• Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung und Fig. 2 offenbart ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Form von Funktionsblöcken.
• Die 1 in der Fig. 1 repräsentiert den Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Über ein Einlaßventil 2 wird der Zustrom von Luft zum Brennraum gesteuert. Die Luft wird über ein Saugrohr 3 angesaugt. Die Ansaugluftmenge kann über eine Drosselklappe 4 variiert werden, die von einem Steuergerät 5 angesteuert wird. Dem Steuergerät werden Signale über den Drehmomentwunsch des Fahrers, bspw. über die Stellung eines Fahrpedals 6, ein Signal über die Motordrehzahl n von einem Drehzahlgeber 7 und ein Signal über die Menge ml der angesaugten Luft von einem Luftmengenmesser 8 zugeführt und ein Signal Us über die Abgaszusammensetzung und/oder Abgastemperatur von einem Abgassensor 16 zugeführt. Abgassensor 12 kann beispielsweise eine Lambdasonde sein, deren Nernstspannung oder, je nach Sondentyp, deren Pumpstrom den Sauerstoffgehalt im Abgas angibt. Das Abgas wird durch wenigstens einen Katalysator 15 geführt, in dem Schadstoffe aus dem Abgas konvertiert und/oder vorübergehend gespeichert werden.
• Aus diesen und ggf. weiteren Eingangssignalen über weitere Parameter des Verbrennungsmotors wie Ansaugluft- und Kühlmitteltemperatur und so weiter bildet das Steuergerät 5 Ausgangssignale zur Einstellung des Drosselklappenwinkels alpha durch ein Stellglied 9 und zur Ansteuerung eines Kraftstoffeinspritzventils 10, durch das Kraftstoff in den Brennraum des Motors dosiert wird. Außerdem wird durch das Steuergerät die Auslösung der Zündung über eine Zündeinrichtung 11 gesteuert.
• Der Drosselklappenwinkel alpha und die Einspritzimpulsbreite ti sind wesentliche, aufeinander abzustimmende Stellgrößen zur Realisierung des gewünschten Drehmomentes. Eine weitere wesentliche Stellgröße zur Beeinflussung des Drehmomentes ist die Winkellage der Zündung relativ zur Kolbenbewegung. Die Bestimmung der Stellgrößen zur Einstellung des Drehmomentes ist Gegenstand der DE 1 98 51 990, die insoweit in die Offenbarung einbezogen sein soll.
• Weiterhin steuert das Steuergerät eine Tankentlüftung 12 sowie weitere Funktionen zur Erzielung einer effizienten Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches im Brennraum. Die aus der Verbrennung resultierende Gaskraft wird durch Kolben 13 und Kurbeltrieb 14 in ein Drehmoment gewandelt.
• Die Tankentlüftungsanlage 12 besteht aus einem Aktivkohlefilter 15, der über entsprechende Leitungen beziehungsweise Anschlüsse mit dem Tank, der Umgebungsluft und dem Saugrohr des Verbrennungsmotors kommuniziert, wobei in der Leitung zum Saugrohr ein Tankentlüftungsventil 16 angeordnet ist.
• Der Aktivkohlefilter 15 speichert im Tank 5 verdunstenden Kraftstoff. Bei vom Steuergerät 6 öffnend angesteuertem Tankentlüftungsventil 11 wird Luft aus der Umgebung 17 durch den Aktivkohlefilter gesaugt, der dabei den gespeicherten Kraftstoff an die Luft abgibt. Dieses auch als Tankentlüftungsgemisch oder auch als Regeneriergas bezeichnete Kraftstoff-Luft-Gemisch beeinflußt die Zusammensetzung des dem Verbrennungsmotor insgesamt zugeführten Gemisches. Der Kraftstoffanteil am Gemisch wird im übrigen durch eine Zumessung von Kraftstoff über die Kraftstoffzumeßvorrichtung 10 mitbestimmt, die der angesaugten Luftmenge angepaßt ist. Dabei kann der über das Tankentlüftungssystem angesaugte Kraftstoff in Extremfällen einem Anteil von ca. einem Drittel bis zur Hälfte der Gesamtkraftstoffmenge entsprechen.
• Fig. 2 zeigt eine Funktionsblockdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Zunächst wird ein geschlossenes Tankentlüftungsventil und ein stationärer Betriebszustand vorausgesetzt.
• Block 2.1 stellt den gemessenen Lambdawert bereit, der aus dem Signal Us der Abgassonde gewonnen wird. Block 2.2. stellt den Sollwert für die Zusammensetzung Lambda des gesamten, von dem Verbrennungsmotor verbrannten Gemisches bereit. Im Block 2.3 erfolgt die Bildung der Differenz des Sollwertes vom Wert 1. Diese Differenz wird im Block 2.4 mit einem Abgleichfaktor verknüpft. Im Block 2.5 erfolgt die Bildung der Differenz des gemessenen Lambdawertes vom Wert 1. Im Block 2.6 wird die Abweichung der Differenz des gemessenen Lambdawertes vom Produkt aus Abgleichfaktor und der der Differenz des Lambdasollwertes vom Wert 1 ermittelt. Diese Abweichung wird einem Integrator 2.7 zugeführt. Block 2.8 liefert einen Korrekturwert für Betriebspunkte in der Nachbarschaft des Betriebspunktes, in dem der Abgleich erfolgt. Unter der oben angegebenen Voraussetzung eines stationären Betriebszustands liefert Block 2.8 den Wert 1, so das der Ausgangswert des Integrators 2.7 durch das Ergebnis der Verknüpfungen in den Blöcken 2.9 bis 2.11 nicht geändert wird.
• In diesem Fall wird der Ausgangswert des Integrators direkt als Abgleichsfaktor zurückgeführt und mit dem gewünschten Lambdasollwert verknüpft.
• Diese Struktur bewirkt folgende Funktion:
• Solange das Produkt aus Abgleichsfaktor und der Abweichung des gewünschten Lambdawerts von 1 kleiner ist als die Abweichung des gemessenen Lambdawerts von 1, ist der Integratoreingang positiv und der Integratorausgang wächst an. Dadurch wird der Abgleichsfaktor vergrößert. Dies vergrößert das o.a. Produkt. Als Folge verkleinert sich der Abstand des Produktes von der Abweichung des gemessenen Lambdawerts von 1. Der Integratoreingang wird kleiner. Der Integratorausgang wächst langsamer.
• Wird der Integratorausgang zu groß, ändert sich durch die Rückführung das Vorzeichen des Integratoreingangs und der Integratorausgang wird in der Folge wieder verkleinert.
• Dies führt dazu, dass der Adaptionsfaktor im eingeschwungenen Zustand gewissermaßen dem mittleren Quotienten (Lambdamess -1) / (Lambdasoll - 1) entspricht.
• Diese Funktion liefert den Vorteil, dass Schwankungen von Lambdamess durch den Integrationsprozess während des Abgleichvorgangs ausgemittelt werden und damit den Abgleichsfaktor nicht verfälschen.
• Im Betrieb mit offenem Tankentlüftungsventil kann das tatsächliche Lambda durch folgende Vorschrift bestimmt werden:
• tatsächliches $$\mathrm{Lambda}=\left(1/\mathrm{Abgleichsfaktor}\right)\ast \left(\mathrm{Lambdamess}-1\right)+1$$
  
• Das tatsächliche Lambda ist zum Quotienten aus gesamter Luftmenge und gesamter Kraftstoffmenge proportional.
• Die gesamte Luftmenge setzt sich aus der Luftmenge, die über die Drosselklappe fließt und dem Luftanteil am Regeneriergas aus der Tankentlüftung zusammen. Der Luftanteil am Regeneriergas entspricht etwa der Regeneriergasmenge. Diese ist aus im Steuergerät bekannten Größen wie Saugrohrdruck und dem Ansteuertastverhältnis ableitbar. Der Luftanteil ist daher bekannt. Gleiches gilt für die über die Drosselklappe strömende Luftmenge, die beispielsweise durch einen Heißfilmluftmassenmesser erfaßt werden kann. Die über die Einspritzventile fließende Kraftstoffmenge ist aus den Ansteuerimpulsbreiten und den Druck im Kraftstoffsystem, also aus bekannten Größen ableitbar.
• Daher kann der Kraftstoffanteil der Tankentlüftung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch im Schichtbetrieb mit Hilfe des Abgleichfaktors aus dem gemessenen Lambdawert bestimmt werden.
• Die Blöcke 2.12 bis 2.17 stellen eine Struktur zur Auslösung des Abgleichs dar. Ein neuer Abgleich im Schichtbetrieb wird bei einem Arbeitspunktwechsel des Verbrennungsmotors oder bei der Änderung bestimmter Umgebungsbedingungen durchgeführt. Beispiele solcher Umgebungsbedingungen sind die Umgebungstemperatur, die bspw. durch einen Ansauglufttemperaturfühler bereitgestellt werden kann und die Höhe, in der der Motor betrieben wird. Eine Information über diese Höhe ist in modernen Motorsteuerungen vorhanden. Sie wird beispielsweise aus dem Signal eines Umgebungsdruckfühlers ermittelt oder aus der Lasterfassung (Ansaugluftmenge, Zylinderfüllung) berechnet. Ein Arbeitspunktwechsel läßt sich beispielsweise definieren als eine Mindeständerung des Lambdasollwertes, beispielsweise um einen Mindestwert von 0,3. Tritt eine dieser Bedingungen ein, aktiviert Block 2.12 über den Flip-Flop 2.13 ein Schließen des Tanlentlüftungsventils im Block 2.14 und einen Start des Integrators 2.7.
• Das Ende des Abgleichs wird durch die Blöcke 2.15 bis 2.17 erkannt. Block 2.15 stellt einen Schwellwert DLAMSCE bereit und Block 2.16 liefert den positiven Absolutbetrag des Integratoreingangs. Unterschreitet der genannte Betrag den genannten Schwellwert, wird dies im Block 2.17 erkannt und der Schließbefehl für das Tankentlüftungsventil durch Rücksetzen des Flip-Flop 2.13 aufgehoben.
• Die Blöcke 2.8 bis 2.11 ermöglichen eine Berücksichtigung kleiner Lambdasollwertänderungen, die noch nicht als Arbeitspunktwechsel im o.a. Sinne gelten.
• Die Beziehung zwischen der Sondenspannung und dem Lambdawert ist im allgemeinen nicht linear.
• Bei größeren Lambdasolländerungen (Arbeitspunktwechsel) erfolgt daher ein neuer Abgleich. Bei kleineren Lambdasolländerungen liefert Block 2.7 ersatzweise eine Korrekturgröße, bspw. auf der Basis einer rechnerischen Linearisierung der Beziehung-zwischen Us und Lambdasoll in einer Umgebung des abgeglichenen Arbeitspunktes.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung des Kraftstoffgehaltes eines Regeneriergases bei der Regeneration eines Kraftstoffdampfzwischenspeichers bei Verbrennungsmotoren mit Benzindirekteinspritzung im Mager-(Schicht)-Betrieb, bei dem der gespeicherte Kraftstoffdampf dem Verbrennungsmotor als Regeneriergas über ein steuerbares Tankentlüftungsventil zugeführt wird und bei dem zur Bestimmung des Kraftstoffgehaltes des Regeneriergases das Signal einer Abgassonde im Abgas des Verbrennungsmotors berücksichtigt wird,
   dadurch gekennzeichnet,
   das bei geschlossenem Tankentlüftungsventil ein Abgleich zwischen dem Signal der Abgassonde und einem vorgegebenen Sollwert erfolgt, bei dem das Signal der Abgassonde bei geschlossenem Tankentlüftungsventil mit einer Korrekturgröße so verknüpft wird, dass das Ergebnis der Verknüpfung dem Sollwert entspricht und bei dem das Signal der Abgassonde bei offenem Tankentlüftungsventil auf gleiche Weise mit dem vorher gewonnenen Korrekturwert verknüpft wird und bei dem die Beladung des Regeneriergases aus dem Ergebnis der Verknüpfung bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Signal der Abgassonde ein gemessener Lambdawert (Lambdamess) gebildet wird und daß die Differenz des gemessenen Lambdawertes vom Produkt aus Abgleichfaktor und der Differenz des Lambdasollwertes (Lambdasoll) vom Wert 1 ermittelt und integriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleichsfaktor im eingeschwungenen Zustand dem mittleren Quotienten (Lambdamess -1) / (Lambdasoll - 1) entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das tatsächliche Lambda im Betrieb mit offenem Tankentlüftungsventil durch folgende Vorschrift bestimmt wird:

   tatsächliches $$\mathrm{Lambda}=\left(1/\mathrm{Abgleichsfaktor}\right)\ast \left(\mathrm{Lambdamess}-1\right)+1$$

   
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein neuer Abgleich im Schichtbetrieb bei einem Arbeitspunktwechsel des Verbrennungsmotors oder bei der Änderung bestimmter Umgebungsbedingungen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebungstemperatur und die Höhe, in der der Motor betrieben wird, solche Umgebungsbedingungen sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, ein Arbeitspunktwechsel definiert ist als eine Mindeständerung des Lambdasollwertes.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgleich beendet wird, wenn der Absolutbetrag des Integratoreingangs einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.

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