DE10236979C1

DE10236979C1 - Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorganges in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10236979C1
Application number: DE2002136979
Authority: DE
Inventors: Hubert Nolte; Martin Herrs
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2022-08-14

Abstract

Mit einem Regelungsverfahren werden ein Zündimpuls und ein Prüfimpuls an eine Zündkerze gelegt. Während des Prüpfimpulses wird ein Ionisationssignal erfasst. Um eine Ionisations-Signaldrift in einer üblichen Regelfunktion zu erfassen und zu kompensieren, wird ein Kalibrierzyklus durchfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorganges eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Ottomotor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist in der DE 196 14 388 C1 beschrieben. In der Verbrennungsphase wird folgend auf den Zündimpuls ein Prüfimpuls an die Zündherze gelegt. Die durch das jeweilige Kraftstoff- Luftgemisch des Verbrennungsraumes erfolgende Beeinflussung des Prüfimpulses wird als elektrische Größe, insbesondere als Ionisationssignal, erfasst. Die elektrische Größe wird zur Steuerung des Gemischverhältnisses des Kraftstoff-Luftgemisches der folgenden Verbrennungsphase oder zur Steuerung des Zündzeitpunktes verwendet. Dadurch ist ein schadstoffarmer, kraftstoffsparender und klopffreier Betrieb ermöglicht. Es hat sich gezeigt, dass im Laufe des Betriebs das Ionisationssignal durch unerwünschte Einflüsse abdriften kann. Dies führt zu einer Beeinträchtigung der Regelung.

In der DE 195 81 053 T1 ist ein Verfahren zur Kraftstoffzumessung bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren beschrieben. Dem Motor wird in Abhängigkeit von Motorparametern eine bestimmte Kraftstoffmenge zugeführt. Danach wird die Kraftstoffmenge in die magere Richtung bis zum Klopfen reduziert und ein Grenzwert wird gespeichert.

Anschließend wird die Kraftstoffmenge in die fette Richtung erhöht, bis es zu einer Fehlzündung kommt, und der entsprechende Grenzwert wird gespeichert. Aus den Grenzwerten wird ein Wert errechnet, der mit der bestimmten Kraftstoffmenge verglichen wird. Bei einer Abweichung wird die Kraftstoffmenge korrigiert. An die Klopfgrenze und die Fehlzündungsgrenze zu fahren, erscheint ungünstig.

In der EP 11 32 608 A2 wird bei einem Kalibrierungsverfahren in einem Verbrennungsmotor die Kolbenstellung und der Wert der höchsten Temperaturentwicklung des Abgases bezogen auf den Einspritzzeitpunkt gemessen und mit einem für den Motortyp bekannten Wert verglichen. Bei diesem Verfahren sind wenigstens zwei Sensoren nötig.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eine Beeinflussung der Luftzahlerfassung durch unerwünschte Einflüsse zyklisch zu überprüfen und gegebenenfalls eine Signaldrift zu kompensieren, insbesondere mittels Ionisationssignal.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In dem bei bestimmten Betriebsweisen, beispielsweise jeweils im Leerlauf des Motors, eingestellten ersten Schaltstatus wird ein Kalibrierzyklus durchfahren. In diesem wird der Lambdawert des Kraftstoff-Luftgemisches gezielt von einem Wert < 1 auf einen Wert < 1 reduziert. Ein sich dabei ergebender charakteristischer Wert, beispielsweise Maximalwert, wird gespeichert und mit dem voreingestellten elektrischen Sollwert verglichen. Bei einer Abweichung wird der Sollwert entsprechend nachgestellt. Damit lässt sich, auch wenn infolge eines Verschleisses der Zündkerze oder anderer betriebsbedingter Änderungen in der Sensorik, der Aktorik und der Elektronik das Ionisationssignal verschoben ist, erreichen, dass der Motor mit dem gewünschten Lambda-Sollwert betrieben wird.

Bei Motortypen, die bei Lambda = 1 arbeiten, wird im Kalibrierzyklus der Lambdawert vor der Reduzierung zunächst auf einen Wert < 1 erhöht, damit sich der charakteristische Wert, beispielsweise der Maximalwert des Ionisationssignals, sicher ermitteln lässt.

Im zweiten Schaltstatus erfolgt der aus der DE 196 14 388 C1 bekannte Regelbetrieb auf den vorgegebenen Lambda-Sollwert.

Der dritte Schaltstatus ist vorgesehen, um den Motor sicher zu starten. Der im dritten Schaltstatus wirksame Lambda-Sollwert ist zweckmäßigerweise kleiner als der im Regelbetrieb wirksame Lambda- Sollwert, d. h. zum Starten wird ein fetteres Gemisch eingestellt. Es kann auch vorgesehen sein, den dritten Schaltstatus zu initiieren, wenn eine nicht mehr kompensierbare Verschiebung des Ionisationssignals eingetreten ist.

Der erste Schaltstatus kann immer oder gelegentlich eingeschaltet werden, wenn der Verbrennungsmotor im Leerlauf läuft. Es kann vorgesehen sein, den ersten Schaltstatus zu unterdrücken oder nicht zu unterdrücken, wenn der Benutzer den Verbrennungsvorgang beeinflusst, insbesondere indem er das Gaspedal betätigt.

Der Motor hat gewöhnlich mehrere Verbrennungsräume (Zylinder). Vorzugsweise erfolgen die Kalibrierzyklen für jeden Verbrennungsraum einzeln nacheinander. Damit kann die Kalibrierung für die Zustände in den einzelnen Verbrennungsräume, beispielsweise den Verschleisszustand der jeweiligen Zündkerzen, separat vorgenommen werden (vgl. Anspruch 6).

Zu Anspruch 9 wird noch auf die DE 38 28 518 A1 verwiesen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen (Ansprüche 2-5, 7-13). Anhand der folgenden Beschreibung wird die Erfindung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Schaltungsprinzip der DE 196 14 388 C1 bei der Regelung,

Fig. 2a das Ionisationssignal bei einem Lambdawert ≈ 1 des Kraftstoff- Luftgemisches,

Fig. 2b das Ionisationssignal bei einem Lambdawert << 1,

Fig. 3a den Strom-Spannungsverlauf an dem Ersatz- Ionisationswiderstand RF in einem Verbrennungsraum,

Fig. 3b eine schematische Darstellung des Verbrennungsraumes,

Fig. 4 das Ionisationssignal (Io-Signal) in Abhängigkeit von der Luftzahl (Lambda in Werkseinstellung (durchgezogene Linie) und dieser gegenüber abgedriftet, verschoben (punktierte Linie),

Fig. 5 die zeitlichen Änderungen der Einspritzvorgänge bei der Kalibrierung und das sich dabei ergebende Ionisationssignal (Io-Signal),

Fig. 6 ein Blockschaltbild der für die Kalibrierung geeigneten Einrichtung, wobei die in Fig. 1 dargestellten Funktionen der Zündimpulserzeugung und der Prüfimpulserzeugung nicht nochmals dargestellt sind,

Fig. 7 und Fig. 8 eine schematische Darstellung von Driften des Ionisationssignals,

Fig. 9 das Ionisationssignal (Io-Signal) in Abhängigkeit von der Luftzahl bei einer Fenstertechnik,

Fig. 10 ein Blockschaltbild der Datenerfassung und Datenausgabe bei einem Mehrzylindermotor,

Fig. 11a bis c Darstellungen einer Kalibrierung der Zylinder nacheinander und

Fig. 12a bis c Darstellungen einer Kalibrierung der Zylinder quasi gleichzeitig.

Ein Verbrennungsmotor weist wenigstens einen Verbrennungsraum 1, d. h. Zylinder, mit Zündkerze 2 auf. Eine Zündspuleneinheit 3 wird primärseitig von einem Unterbrecherkontakt 4 geschaltet. Während der Verbrennungsphase wird an der Zündkerze 2 zunächst von der Zündspuleneinheit 3 ein Zündimpuls Z und diesem gegenüber zeitverzögert von einem Prüfimpulsgenerator 5 ein Prüfimpuls P (vgl. Fig. 2) erzeugt. Ein solcher Prüfimpuls P ist in Fig. 2 strichliert dargestellt. Der Prüfimpuls kann jedoch auch so gestaltet sein, dass er - unabhängig vom Zündimpuls - während des gesamten Motorbetriebs dauernd, d. h. über viele Umdrehungen der Kurbelwelle des Motors, anliegt, gegebenenfalls an allen Zylindern anliegt. Dies verringert den Schaltungsaufwand. Die Zündspannung des Zündimpulses Z liegt bei etwa 15 kV. Die Amplitude Uo des rechteckförmigen Prüfimpulses P liegt zwischen 100 V und 1000 V, beispielsweise bei 600 V. Die Amplitude Uo wird vom Prüfimpulsgenerator 5 vor einem Messwiderstand R1 während der Impulsdauer konstant gehalten. Hinter dem Messwiderstand R1, der dem Prüfimpulsgenerator 5 nachgeschaltet ist, verringert sich die Spannungsamplitude infolge der während der Verbrennung im Verbrennungsraum 1 auftretenden Ionisation. Die je nach der Gemischzusammensetzung unterschiedliche Größe des Ionisationssignals Io bzw. der gegenüber dem rechteckigen Prüfimpuls P geänderte Verlauf der Spannung, wird über den Messwiderstand R1 in der Auswerteschaltung 7 erfasst. Der Prüfimpuls P ist über den Messwiderstand R1 an die Zündkerze 2 gelegt. Zur Erfassung des Zündzeitpunktes liegt der Prüfimpulsgenerator 5 über eine Signalleitung 6 an dem Unterbrecherkontakt 4 oder der Sekundärwicklung der Zündspuleneinheit 3. Die Sekundärwicklung der Zündspuleneinheit 3 ist über einen oder mehrere spannungsabhängige Widerstände R2 vom Prüfimpuls P entkoppelt. Dadurch ist einerseits gewährleistet, dass der Zündimpuls Z ungestört auf die Zündherze 2 wirkt, und dass andererseits der Prüfimpuls P nach dem Zündimpuls Z zur Zündkerze 2 gelangt. An der Auswerteschaltung 7 ist ein elektrischer Sollwert Se eingestellt, der einem für den Motorbetrieb gewünschten Lambda- Sollwert, beispielsweise λ = 1,3, entspricht.

Die Spannungshöhe Uo des Prüfimpulses P ist an den Widerstand RF der Ionisationsstrecke (vgl. Fig. 3) angepasst. Fig. 3a zeigt die nichtlineare Strom-Spannungsabhängigkeit des Widerstands RF. Die Prüfimpulsspannung Uo ist so gewählt, dass in allen Betriebszuständen gewährleistet ist, dass die Ionisationsstrommessung im linearen, ohmschen Bereich der Strom-Spannungskurve des Widerstands RF stattfindet.

Der Prüfimpuls P ist über die Reihenschaltung aus dem Messwiderstand R1 und die Zündkerze 2 sowie den Widerstand RF der Ionisationsstrecke an das entflammte Kraftstoff-Luftgemisch gelegt. Der über die Ionisationsstrecke fließende Ionisationsstrom bewirkt am Messwiderstand R1 den genannten Spannungsabfall, der in der Auswerteschaltung 7 erfasst und ausgewertet wird. Die Auswerteschaltung 7 vergleicht den jeweiligen Ist-Wert mit dem voreingestellten elektrischen Sollwert und berechnet die für den folgenden Zündvorgang bzw. folgenden Zündvorgänge nötigen Stellgrößenänderungen für Aktoren, wie Drosselklappe 8, Zündzeitpunktverstellung über eine Signalleitung 9 und/oder Einspritzsystem 10 des jeweiligen Verbrennungsraumes 1.

Ein Verteiler 11 ist vorgesehen, um die Zündimpulse Z und die Prüfimpulse P nacheinander an die weiteren Verbrennungsräume des Motors zu legen.

Der während eines Prüfimpulses P auftretende Ionisations- Spannungsverlauf Io (Io-Signal) kann in verschiedener Weise ausgewertet werden (vgl. Fig. 2). Dabei werden während der jeweiligen durch die jeweilige Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgenden Ionisation viele, beispielsweise 10 bis 100, speziell 50, Ionisationssignalwerte gemessen. Diese Messwerte werden zur Bildung des Ionisationssignals ausgewertet. Für die Auswertung kann wahlweise erfasst werden:

a) das Integral aller gemessenen Ionisationssignalwerte pio während der Dauer des Prüfimpulses P;
b) das bis zum Erreichen eines vorbestimmten Ionisationssignal- Schwellwertes U_S verstreichende Zeitintervall Δts;
c) der Wert der Ionisationsspannung U_S bei einem vorgegebenen Zeitintervall Δts;
d) der maximale Ionisationssignalwert Um während der Prüfimpulsdauer;
e) das Zeitintervall ΔtF bis zum Erreichen des Flächenschwerpunktes der unter dem Ionisations-Spannungsverlauf liegenden Fläche,
f) das Zeitintervall Δtw bis zum Erreichen des Wendepunktes des Anstiegs der Ionisationsspannung,
g) das Zeitintervall ΔtM bis zum Erreichen des Maximums des Ionisations-Spannungsverlaufes,
h) die Änderungen der zeitlichen Priorität zwischen den oben genannten Ereignissen.

Fig. 4 zeigt das Ionisationssignal Io in Abhängigkeit von der Luftzahl λ, das durch das Integrationsverfahren nach dem obigen Verfahren a) ermittelt wurde. Das Kraftstoff-Luftgemisch wurde bei durchgeführten Versuchen zwischen λ = 0,7 bis λ = 1,5 variiert. Die durchgezogene Kurve zeigt die in einem weiten Bereich (etwa zwischen λ = 0,9 bis λ = 1,5) lineare Abhängigkeit zwischen der Luftzahl λ und den ermittelten Ionisationssignalen Io, wobei in der Nähe des stöchiometrischen Punktes (λ = 1) ein Maximum (bei λ = 0,9) des Ionisationssignals auftritt.

Ein geringer Kraftstoffbedarf lässt sich erreichen, wenn der Motor im Magerbetrieb mit einem luftreichen Gemisch in der Nähe der Klopfgrenze betrieben wird. Der Lambdawert beträgt dabei beispielsweise 1,3 . . . 1,6. Je nach Motortyp und Betriebszustand ist durch eine Kennlinie ein Lambda-Sollwert für ein ideales Gemisch werkseitig festgelegt. Dieser Lambda-Sollwert beträgt beispielsweise 1,3. Dem entspricht ein Ionisationsspannungs-Sollwert von beispielsweise 240 V (vgl. Punkt a in Fig. 4).

Im Betrieb wirken verschiedene Störgrößen, wie Motortemperatur, Treibstoffzusammensetzung, aufzubringendes Lastmoment, Lufttemperatur, Luftmenge, auf die Gemischregelung ein. Mit dem beschriebenen Regelsystem wird die Gemischzusammensetzung konstant gehalten. Wenn die Luftzahl λ sinkt, steigt das Ionisationssignal an. Die Einrichtung erkennt diesen Signalanstieg und magert dementsprechend das Gemisch ab (Erhöhung der Luftzahl). Dies erfolgt durch Reduzierung der Treibstoffmenge oder durch Erhöhung der Luftmenge. Umgekehrtes gilt bei steigender Luftzahl.

Verschleißerscheinungen der Zündkerze, Ablagerungen oder alternde Bauteile der Elektronik können einen störenden Einfluss auf den Io- Signalverlauf haben. Mit zunehmender Betriebszeit entsteht eine Signaldrift, die den physikalen Zusammenhang zwischen der Luftzahl λ und der Ionisationssignalspannung verändert. In Fig. 4 ist eine gedriftete Kennlinie punktiert dargestellt. Ohne die im folgenden beschriebene Kalibrierung würde sich die Gemischzusammensetzung im Regelkreis unerwünschterweise in Richtung, fettes Gemisch, ändern. Im Beispielsfall von Punkt a (λ = 1,3) zu Punkt b (λ = 1,1), was den gewünschten verbraucharmen Betrieb beinträchtigen würde.

Die Kalibrierung erfolgt zyklisch. In der Kalibrierungsphase wird das Maximum des gedrifteten Ionisationssignalverlaufes ermittelt. Dies ist der Punkt c der Fig. 4. Aus diesem Wert wird ein neuer Ionisations- Sollwert U_SW berechnet. Dies ist der Punkt d der Fig. 4. Bei dem gedrifteten Ionisationssignal wird der gewünschte Lambdawert λ 1,3 bei der Ionisationsspannung von 200 V erreicht.

Bei dem Kalibriervorgang wird das Gemisch ausgehend vom Magerbetrieb schrittweise angefettet, d. h. mit Kraftstoff angereichert. Ist der Motor ein λ = 1-Motor, dann wird das Gemisch zunächst abgemagert.

Fig. 5a zeigt in der Zeitachse ta die beim Kalibriervorgang schrittweise erhöhte Kraftstoffmenge und in der Zeitachse tb die sich dadurch ergebenden Ionisationssignalverläufe m, n, o, p, die in der oben beschriebenen Weise ausgewertet werden. Ersichtlich steigt das Ionisationssignal m, n, o bis zum Erreichen des Maximalwertes. Um diesen sicher zu detektieren, wird über diesen hinaus angefettet, wobei nach dem Überschreiten des Maximalwertes das Ionisationssignal p sinkt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Fig. 5 nur vier Stufen dargestellt.

Der Kalibriervorgang dauert Bruchteile einer Sekunde bis 1 s. Der Kalibriervorgang wird, um den nicht dargestellten Abgas-Katalysator des Motors zu schützen, nacheinander für jeden der Verbrennungsräume 1 einzeln durchgeführt.

Das beim Kalibriervorgang gezielte Durchfahren der Ionisationssignal- Kennlinie (vgl. Fig. 4) kann durch Verändern der Brennstoffmenge bei konstanter Luftmenge oder durch Verändern der Luftmenge bei konstanter Brennstoffmenge oder durch Verändern der Brennstoffmenge und der Luftmenge geschehen. Die Auswertung der Ionisationssignale (vgl. Fig. 5b) kann, wie oben beschrieben, durch Auswerten des Flächenintegrals, der Anstiegsgeschwindigkeit des Signals, der Lage des Flächenschwerpunktes oder des Wendepunktes des Signals oder des absoluten Signal-Maximalwertes oder die zeitliche Priorität der Ereignisse erfolgen.

Figur C zeigt die Struktur einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens, die in einem Mikroprozessor integriert sein kann.

Eine Aktivierungs- und Steuereinheit 21 kann Bestandteil einer Motorsteuerung sein. Sie generiert nach werkseitig vorgegebenen Kennfeldern Steuergrößen für den Motorstart und den Regelbetrieb. Ein von der Steuereinheit 21 gesteuerter Umschalter 22 aktiviert in einem ersten Schaltstatus S1 den Kalibrierzyklus, in einem Schaltstatus S2 die Luftzahlregelung (Regelbetrieb) und in einem Schaltstatus S3 den Motorstart oder den Notbetrieb.

Beim Motorstart steht der Umschalter 22 im Schaltstatus S3. Das für den Motorstart benötigte Gemisch wird über die Steuereinheit 21, einen Sollwertgeber 23 und über eine Ansteuereinheit 34, die mit dem Einspritzventil 10 verbunden ist, bestimmt. Nach einem erfolgreichen Motorstart aktiviert die Steuereinheit 21 den Kalibriermodus durch Einstellen des Schaltstatuses S1 und steuert einen Rampengenerator 26 an, um das Gemisch über die Ansteuereinheit 34 und das Einspritzventil 10 anzufetten. Der Rampengenerator 26 steuert die Luftmenge und/oder die Brennstoffmenge in der Weise, dass das Gemisch ausgehend von einem luftreichen Gemisch schrittweise angefettet wird. Vorzugsweise wird dieser Vorgang bei Leerlaufdrehzahl aus dem Regelbetrieb heraus bei einer konstanten Drosselklappenstellung vorgenommen. Im Kalibriermodus ist der aus den Elementen 29, 30, 31, 32 und 33 bestehende Zweig aufgrund des Schaltstatuses S1 ansteuerseitig vor der Ansteuereinheit 34 getrennt. Der Rampengenerator 26 ist am Umschalter 22 wirksam.

Eine Detektionsschaltung 27 generiert einen Prüfimpuls und erfasst den während der Prüfimpulsdauer fließenden Ionisationsstrom. Die Detektionsschaltung 27 ist über eine Auswerteschaltung 28 mit der Steuereinheit 21 verbunden. Der Auswerteschaltung 28 nachgeschaltet ist ein Vergleicher 29, eine Speichereinheit 30 und ein Sollwertgeber 31. Beim Kalibrieren wird nach jedem Gemischanfettungsschritt das steigende Ionisationssignal beobachtet und im Vergleicher 29 mit dem Ionisationssignal der vorherigen Messung verglichen. Ist der aktuelle Wert größer als der vorherige Wert, dann wird der vorherige Wert in der Speichereinheit 30 überschrieben und der aktuelle Wert wird gespeichert. Ergibt der Größenvergleich ein steigendes Ionisationssignal, wird das Gemisch so lange weiter angefettet, bis das Maximum in der Speichereinheit 30 abgespeichert ist. Dazu wird, um sicher das Maximum zu detektieren, um einen definierten Betrag weiter angefettet, bis das Ionisationssignal unter einen definierten Grenzwert relativ zum gemessenen Maximum abgesunken ist. In der Speichereinheit 30 wird eine Plausibilitätskontrolle und Gewichtung des gewonnen Kalibrierwertes vorgenommen und ein neuer Ionisations-Sollwert U_SW berechnet und dem Sollwertgeber 31 zugeführt, welcher Wert als aktueller Sollwert am Vergleicher 32 ansteht.

Bei aktivierter Gemischregelung im Schaltstatus S2 wird im Vergleicher 32 der Sollwert mit dem Ionisationssignal-Istwert verglichen. Die resultierende Regelabweichung wird berechnet und die Stellgröße R_A wird ausgegeben. In einer Vorsteuerungseinheit 33 wird die Stellgröße R_A mit einer Vorsteuergröße R_B überlagert, die der Vorsteuereinheit 33 die zu erwartende Regelrichtung vorgibt. Mit dem Reglerausgangssignal R_C wird über den Umschalter 22 und die Ansteuereinheit 34 das Kraftstoff- Einspritzventil 10 angesteuert.

Bevor der aktuelle Kalibrierwert U_kalneu für die Gemischoptimierung benutzt wird, werden zwei Übergabekriterien überprüft. Das erste Kriterium erfasst eine plötzliche Veränderung aller Komponenten des Regelkreises. Es ist erfüllt, wenn die Abweichung des aktuellen Kalibrierwertes U_kalneu von dem in der Speichereinheit 30 werkseitig gespeicherten vorherigen Wert ausreichend klein ist. Das zweite Kriterium überwacht eine schleichende Drift des gesamten Regelkreises. Es ist erfüllt, wenn die Abweichung des aktuellen Kalibrierwertes U_kalneu von dem in der Speichereinheit 30 werkseitig gespeicherten Kalibrierwert ausreichend klein ist.

Verläuft die Überprüfung der beiden Kriterien erfolgreich, dann erfolgt eine schleichende Mittelwertbildung, indem der aktuelle Kalibrierwert prozentual gewichtet wird. Dieser Mittelwert wird zur Neuberechnung des Sollwertes U_SW herangezogen, indem der Quotient aus dem werkseitigen Kalibrierwert und dem werkseitigen Sollwert gebildet wird und das Ergebnis dieser Quotientenbildung mit dem aktualisierten Mittelwert multipliziert wird. Der so berechnete Sollwert steht für weitere Regelprozeduren zur Verfügung.

Ergibt die Überprüfung der beiden Übergabekriterien einen Verstoß gegen werkseitig festgelegte Grenzwerte, dann wird über eine Signalleitung 35 ein Störungssignal an die Steuereinheit 21 übertragen, die den Umschalter 22 dann in den Schaltstatus S3 bringt, wodurch ein Notbetrieb aktiviert ist, bei dem die Gemischbildung über eine Kennfeldregelung erfolgt.

Fig. 7 zeigt eine schleichende Drift innerhalb der zulässigen, werkseitig festgelegten Grenzen, wobei die gepunktete Linie um jeden einzelnen Kalibrationspunkt die Grenzen des ersten Übergabekriteriums "Erkennung einer plötzlichen Drift" repräsentiert. Die Erkennung einer schleichenden Drift wird durch die Festlegung von Grenzwerten längs der gestrichelten Linie ermöglicht.

Fig. 8 zeigt die Detektion einer Störung im System. Der Wert des Kalibrationspunktes P1 verstößt gegen das erste Übergabekriterium "Erkennung einer plötzlichen Drift". Der Wert des Kalibrationspunktes P2 verstößt gegen das zweite Übergabekriterium "Erkennung einer schleichenden Drift" durch Überschreiten oder Unterschreiten der strichliert dargestellten Grenzen.

In der Fig. 6 ist zur Vereinfachung der Darstellung nur eine Ansteuerung des Einspritzventils 10 gezeigt. Es kann jedoch auch die Drosselklappe 8 und/oder eine Einrichtung für die Steuerung des Zündzeitpunktes angesteuert werden, wie dies bei Fig. 1 angegeben ist.

Die Elemente, Vergleicher 32, Sollwertgeber 31 und Vorsteuereinheit 33 der Fig. 6 sind in der Auswerteschaltung 7 nach Fig. 1 enthalten.

Bei obigen Ausführungsbeispielen ist davon ausgegangen, dass die Zündkerze 2 selbst als Sensor zur Erfassung des Ionisationssignals verwendet ist. Bei anderen Ausführungen ist es zur Erfassung der Luftzahl auch möglich, einen anderen elektrischen Sensor oder einen optischen Sensor, der über das Farbbild der Verbrennungsflamme die Luftzahl erfasst, oder einen akustischen Sensor (Klopfsensor), der mittels Schalldruckmessung der bei der Verbrennung auftretenden Schwingungen die Luftzahl erfasst, einzusetzen. Der jeweilige Sensor kann im Verbrennungsraum oder in der Abgasleitung des Verbrennungsraumes wirken. Bei solchen Sensoren ist der für die Luftzahl charakteristische Wert nicht unbedingt ein Maximum der Kennlinie. Der charakteristische Wert kann beispielsweise auch ein Minimalwert oder anderer Extremwert der Kennlinie sein.

Die während der Kalibrierung gemessenen Ionisationssignale können durch externe oder interne Hochspannungsimpulse beeinflusst sein. Eine solche Beeinflussung kann zu unpassenden Kalibrierwerten führen. Solche unpassenden Werte lassen sich mit der im Folgenden anhand von Fig. 9 beschriebenen Fenstertechnik von der Steuerelektronik dadurch erkennen, dass zum jeweiligen Messzeitpunkt dem zu messenden Wert nur ein begrenzter Abstand zum zuvor gemessenen Wert zugestanden wird. Es wird eine Fensterhöhe a mit oberen Grenzwerten o und unteren Grenzwerten u als motorspezifische Größen vorgegeben.

Zweckmäßigerweise ist die Fensterhöhe a mindestens so groß wie die maximal mögliche Änderung des Ionisationssignals pro Anfettungsschritt. Wirkt während der Kalibrierung ein störender Impuls (EMV-Impuls), der beispielsweise als Ausreisser A in Fig. 9 dargestellt ist, dann führt der Größenvergleich des Ausreissers A mit den Grenzwerten o und u zu seiner Entdeckung. Treten Ausreisser auf, wird ihr Wert nach der Erkennung auf die jeweilige Fenstergrenze o oder u gesetzt und die Kalibrierung wird durch einen weiteren Anfettungsschritt fortgesetzt.

Die gewonnenen Kalibrierwerte können in werkseitig vorgegebenen Grenzen bei steigendem Zündkerzenabbrand dazu dienen, das Motormanagement zyklisch zu optimieren.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen Möglichkeiten der beschrieben Kalibrierung bei einem Viertakt-Vierzylindermotor schematisch. In den Fig. 10 bis 12 sind zur Verbesserung der Übersichtlichkeit die vier Kolben an der Kurbelwelle mehrfach dargestellt. Eine Einheit KW misst, beispielsweise mittels Hallsensoren, den jeweiligen Drehwinkel der Kurbelwelle. Die Zündung, die Steuerung und die Kalibrierung müssen wegen des Kurbelwellenversatzes für jeden Verbrennungsraum zu einem entsprechenden Zeitpunkt erfolgen. Zu diesem Zweck ist an der Steuereinheit 21 für jeden Verbrennungsraum ein eigener Port P1 bis Port P4 eingerichtet (Eingang und Ausgang). Die Ports P1 bis P4 kommunizieren mit der Steuereinheit 21 über bidirektionelle Kanäle K1 bis K4. Über den jeweiligen Port 1 bis 4 erfolgt zum passenden Zeitpunkt die Zündung Z1 bis Z4 (vgl. Fig. 10). über einen jeweiligen Kanal Ion wird in der oben beschriebenen Weise das Ionisationssignal gemessen. über Ausgänge E1 bis E4 wird die Einspritzung gesteuert. In jedem Port P1 bis P4 sind die oben beschriebenen Einrichtungen (Detektionsschaltung, Vergleicher, Speicherstufe, Sollwertgeber und Ansteuereinheit) integriert, so dass die beschriebenen Funktionen über jeden Port für jeden Zylinder getrennt erfolgen können. In der Steuereinheit 21 werden die Kalibrierwerte erfasst. Es erfolgt eine zylinderspezifische Optimierung des Einspritzvorganges bzw. des Zündwinkels.

Nach Fig. 11 werden die Kalibrierungen für jeden Zylinder nacheinander jeweils in der oben beschriebenen Weise durchgeführt. In Fig. 11 sind aufeinanderfolgende, der Kurbelwellenstellung entsprechende Zeitpunkte T1 bis T12 gezeigt. Zwischen den Zeitpunkten T1 bis T12 liegen jeweils 180° Kurbelwellendrehung. Fig. 11 zeigt drei im Kalibrierzyklus erfolgende Anfettungsschritte des Zylinders "1", wobei die Zylinder 3, 4, 2 im normalen Regelbetrieb betrieben werden. Im Stadium der Fig. 11a erfolgt zum Zeitpunkt T1 ein durch die Einspritzdauer D1 bestimmter erster Anfettungsschritt und es wird ein Ionisationssignal mit dem Wert U1 gemessen, der das oben genannte Maximum noch nicht erreicht hat. Die Zylinder 3, 4, 2 werden zu den entsprechenden Zeitpunkten T2, T3, T4 gezündet.

Im Stadium der Fig. 11b erfolgt am Zylinder 1 zum Zeitpunkt T5 ein zweiter Anfettungsschritt auf der rampenförmigen Funktion mit der Einspritzdauer D2, wobei D2 < D1 ist. Es ist zur Vereinfachung der Darstellung angenommen, dass bei diesem Anfettungsschritt das Ionisationssignal seinen Maximalwert U2 erreicht. Die Zylinder 3, 4, 2 werden zu den entsprechenden Zeitpunkten T6, T7, T8 wie im Stadium der Fig. 11a im Regelbetrieb betrieben.

Im zeitlich folgenden Stadium der Fig. 11c wird zum Zeitpunkt T9 weiter angefettet, also die Einspritzdauer auf D3 erhöht. Es ist angenommen, dass dabei das Ionisationssignal das Maximum überfährt und den Wert U3 annimmt. Damit sind die für den Zylinder 1 nötigen Kalibrierwerte gewonnen. Im Stadium der Fig. 11 werden die Zylinder 3, 4, 2 wie in den vorhergehenden Stadien im Regelbetrieb gezündet.

Anschließend wird dann die Kalibrierung der Zylinder 3, 4, 2 nacheinander in gleicher Weise durchgeführt.

Fig. 12 zeigt eine Alternative zu Fig. 11, wobei die Zylinder quasi gleichzeitig kalibriert werden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Fig. 12 die schematischen Darstellungen der Einspritzdauer und des Ionisationssignals über der Zeit nicht nochmals dargestellt.

Im Stadium der Fig. 12a arbeitet der am Port P1 liegende Zylinder 1 im Regelbetrieb. In den Zeitpunkten T2, T3, T4 wird an den an den Ports P2, P3 und P4 liegenden Zylindern Kalibrierungsschritte durchgeführt, wobei über den Port P4 ein erster Anfettungsschritt (vgl. Fig. 11a), über den Port P3 ein nächster Anfettungsschritt (vgl. Fig. 11b) und über den Port P2 ein letzter Anfettungsschritt (vgl. Fig. 11c) für den jeweiligen Zylinder durchgeführt wird. Im folgenden Stadium (vgl. Fig. 12b) ist die Einspritzung für den am Port P2 liegenden Zylinder kalibriert und dieser wird zum Zeitpunkt T6 wie der am Port P1 liegende Zylinder zum Zeitpunkt T5, im Regelbetrieb betrieben. Der zum Zeitpunkt T7 über den Port P3 erfolgende Kalibrierschritt ist der letzte für die Einspritzung des zugeordneten Zylinders (vgl. Fig. 11c). Der zum Zeitpunkt T5 über den Port P4 erfolgende Anfettungsschritt ist der vorletzte Kalibrierschritt (vgl. Fig. 11b). Es ergibt sich dann im folgenden Stadium der Fig. 12c, dass die an den Ports P1, P2, P3 liegende Zylinder zu den Zeitpunkten T9, T10, T11 im Regelbetrieb arbeiten und im Zeitpunkt T12 über den Port P4 der letzte Kalibrierschritt für den zugehörigen Zylinder eingeleitet wird. Danach sind dann die Einspritzungen für alle Zylinder kalibriert und arbeiten im Regelbetrieb, bis wieder ein neuer Kalibrierzyklus einsetzt. Die Fig. 11 und 12 stellen die Abläufe nur schematisch und vereinfacht dar. In der Praxis werden sich je nach der Notwendigkeit der Kalibrierung mehr Stadien vom Beginn der Kalibrierung bis zum Abschluss der Kalibrierung ergeben, wobei diese auch abhängen von der jeweiligen Miskalibrierung der Verbrennung im jeweiligen Zylinder.

Die quasi gleichzeitige Kalibrierung nach Fig. 12 der Zylinder hat den Vorteil, dass die Gesamtdauer der Kalibrierung aller Zylinder weniger lang dauert als beim Verfahren nach Fig. 11. Das Verfahren nach Fig. 11 hat den Vorteil, dass die mit einer Anfettung des Gemisches verbundene Kalibrierung für die Zylinder nacheinander erfolgt, so dass Anfettungsschritte immer nur in einem der Zylinder erfolgen, was einen den Zylindern nachgeschalteten Abgaskatalysator weniger belastet als es beim Verfahren nach Fig. 12 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach Fig. 11 kann auch darin bestehen, dass es mit weniger Aufwand als das Verfahren nach Fig. 12 durchführbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Verbrennungsvorgangs eines Kraftstoff- Luftgemisches in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Ottomotor, wobei ein zyklisch die Verbrennungphase einleitender elektrischer Zündimpuls an eine Zündkerze eines Verbrennungsraums gelegt wird, und während der Verbrennungsphase ein Prüfimpuls das Verbrennungsgemisch zyklisch auf charakteristische Verbrennungswerte überprüft und die durch das jeweilige Kraftstoff-Luftgemisch im Verbrennungsraum erfolgende Beeinflussung des Prüfimpulses als elektrisches Signal erfasst und mit einem elektrischen Sollwert verglichen wird und damit während des Fahrbetriebs der Lambdawert des Kraftstoff- Luftgemisches auf einen dem elektrischen Sollwert entsprechenden Lambda-Sollwert geregelt wird, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Umschaltfunktion vorgesehen ist, wobei
in einem ersten Schaltstatus (S1) ein Kalibrierzyklus durchfahren wird,
in dem der Lambdawert von einem Wert < 1 auf einen Wert < 1 reduziert wird und in dem die sich dabei ergebenden elektrischen Ionisationssignalwerte gemessen und ein für die Luftzahl charakteristischer Ionisationssignalwert gespeichert wird und dass mit diesem Lambdawert der elektrische Sollwert nachgestellt wird, um auf den Lambda-Sollwert zu regeln, und dass in einem zweiten Schaltstatus (S2) der auf den Lambda-Sollwert geregelte Fahrbetrieb erfolgt
und dass in einem dritten Schaltstatus (S3) ein für das Starten des Verbrennungsmotors geeigneter Lambda-Sollwert wirksam ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal ein Ionisationssignal ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltstatus immer oder gelegentlich eingeschaltet wird, wenn der Verbrennungsmotor im Leerlauf oder in einem anderen definierten Betriebszustand läuft.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltstatus unterdrückt wird oder nicht unterdrückt wird, wenn der Benutzer den Verbrennungsvorgang beeinflusst.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltstatus etwa 1 s oder weniger dauert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierzyklen für die einzelnen Verbrennungsräume nacheinander erfolgen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn in einem Kalibrierzyklus festgestellt wird, dass die elektrische Größe außerhalb von für die Nachstellung bestehenden Grenzen liegt, der dritte Schaltstatus eingeschaltet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Reduzierung des Lambdawertes dieser auf einen Wert < 1 erhöht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor zur Ermittlung des Ionisationssignals die Zündkerze verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor für die Ermittlung der Luftzahl ein elektrischer, ein optischer oder ein akustischer Sensor verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung der Ionisationssignalwerte im Kalibrierzyklus ein Fenster vorgegeben ist, wobei außerhalb des Fensters liegende, gemessene Ionisationssignalwerte auf einen an der Fenstergrenze oder innerhalb des Fensters liegenden Wert gesetzt werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Verbrennungsräumen der jeweilige Kalibrierzyklus für den jeweiligen Verbrennungsraum durchfahren wird, bevor die Kalibrierzyklen für nächste Verbrennungsräume durchfahren werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Verbrennungsraum mit mehreren Verbrennungsräumen die Kalibrierzyklen für die Verbrennungsräume zeitlich überlappen, quasi gleichzeitig durchfahren werden.