DE19823021B4

DE19823021B4 - Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine mit geregeltem Abgaskatalysator und elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen

Info

Publication number: DE19823021B4
Application number: DE19823021A
Authority: DE
Inventors: Günter Prof. Dr.-Ing. Schmitz
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2018-05-23
Also published as: US6269632B1; DE19823021A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine mit elektromagnetischen Ventiltrieben zur Betätigung der Gaswechselventile, die über eine elektronische Motorsteuerung zur Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen voll variabel ansteuerbar sind, sowie mit jeweils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für die einzelnen Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß in der Motorsteuerung die Funkti- on der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder der Zündeinrichtung eines jeden Zylinders überwacht wird und daß beim Kaltstart und/oder bei einem Erkennen einer Fehlfunktion einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder einer Zündeinrichtung an einem Zylinder die Ansteuerung der elektromagnetischen Ventiltriebe des betreffenden Zylinders an die durch die funktionsbedingten geänderten Betriebsbedingungen angepaßt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine mit elektromagnetisehen Ventiltrieben zur Betätigung der Gaswechselventile, die über eine elektronische Motorsteuerung zur Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen voll variabel ansteuerbar sind, Sowie mit jeweils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für die einzelnen Zylinder.

Bei derartigen Kolbenbrennkraftmaschinen kann bei Fehlfunktionen der Zündeinrichtung eine Beschädigung des Katalysators eintreten, da dann unverbranntes Gemisch in das Abgassystem gelangt. Bei Fehlfunktionen des Einspritzsystems gelangt Falschluft in das Abgassystem, mit der Folge, daß van der Katalysatorregelung die Kraftstoffzufuhr zu den anderen Zylindern angefettet wird, was wiederum nachteilig für die Emissionen aber auch für den Katalysator sein kann.

Aus der DE 42 41 499 A1 ist eine Ansteuerung von Kraftstoffeinspntzventilen über eine CPU bekannt, wobei eine Überwachung auf Fehlzündungen anhand eines Brennstoff/Luft-Gemisches und eines Zündzeitpunktes bzw. anhand einer Zündspannung, bei einer stabilen Verbrennung erfolgen soll. Wird im stabilen Motorlaufbereich eine Fehlfunktion der Zündeinrichtung festgestellt, soll das Brennstoff/Lufl-Gemisch über die Luftzufuhr durch Anpassung einer Drosselklappenstellung und/oder durch Anpassung einer Stellung eines Einspritzventils erfolgen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das diese Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Motorsteuerung die Funktion der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und der Zündeinrichtung eines jeden Zylinders überwacht wird und daß beim Kaltstart und/oder bei einem Erkennen einer Fehlfunktion einer Kraftstoffeinspritzung und/oder einer Zündeinrichtung an einem Zylinder die Ansteuerung der elektromagnetischen Ventiltriebe Für die Gaswechselventile des betreffenden Zylinders an die durch die Funktionsbedingungen geänderten Betriebsbedingungen angepaßt wird. Da sowohl die Kraftstoffeinspritzeinrichtung als auch das Vorhandensein von Zündausset zern überwacht wird, kann mit Hilfe der Motorsteuerung jeweils angepaßt reagiert werden.

Bei einem Zündaussetzer ist der betreffende Zylinder mit einem Kraftstoffluftgemisch gefüllt, das im normalen Arbeitszyklus unverbrannt in das Abgassystem ausgeschoben werden würde. Bei einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Abgas katalysator, insbesondere mit geregeltem Abgaskatalysator, kann hierdurch nicht nur eine Überhitzung des Katalysatorsystems erfolgen, sondern durch eine Fehlmessung der Regeleinrichtung des Abgaskatalysators, die über die Lambdasonde einen fehlerhaften Wert für einen Kraftstoffüberschuß im Abgas erfaßt, die Kraftstoffzufuhr zu den übrigen, an sich "richtig" arbeitenden Zylindern verändert werden.

Bei Einspritzaussetzern wird von dem betreffenden Zylinder anstelle von Abgas Luft in das Abgassystem ausgeschoben, so daß die Lambdasonde der Regeleinrichtung des Abgasakatalysators zuviel Sauerstoff im Abgas erfaßt und dann für die restlichen, an sich "richtig" arbeitenden Zylinder die Kraftstoffzufuhr erhöht und hier das Gemisch anfettet, was nachteilig für den Katalysator sein und zu erhöhten Emissionen führen kann.

Dieses Verfahren kann bei Kaltstartbedingungen angewendet werden, um die eingespritzte Kraftstoffmenge zu vergrößern. Hierdurch kann eine günstigere Auslegung der Einspritzdüse erfolgen. Eine Einspritzdüse muß normalerweise so ausgelegt sein, daß sie die erforderliche Kaltstartmehrmenge abgeben kann. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Düse jedoch günstiger ausgelegt werden, da die Mengenspreizung nur auf den normalen Motorbetrieb auszulegen ist. Bei dieser Kaltstartstrategie kann die Zündung im "ersten" zweiten Takt ausgeschaltet bleiben oder aber man versucht, bereits eine Zündung vorzunehmen, so daß im Erfolgsfall die Zusatzeinspritzung gespart werden kann.

In Abwandlung dieses Verfahrens für den Kaltstart kann auch der Einlaß für einen weiteren halben oder ganzen Arbeitszyklus geschlossen bleiben, so daß insbesondere beim ersten Arbeitszyklus eine ausreichende Startmehrmenge zur Verfügung steht. Da dieses Verfahren bei allen Zylindern der Kolbenbrennkraftmaschine in der Startphase angewendet wird, entfällt auch das Einschieben eines halben Taktes zur Aufsynchronisation durch Leertakte.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun mit Vorteil ausgenutzt, daß bei elektromagnetischen Ventiltrieben in Verbindung mit einer elektronischen Motorsteuerung die Ansteuerung der Gaswechselventile voll variabel ist, d. h. über die elektronische Motorsteuerung nicht nur die Ventilbetätigungszeiten in der üblichen Weise zur Anpassung an die unterschiedlichen Lastfälle verändert werden können, sondern, daß je nach dem Bedarf, für einzelne Zylinder eine individuelle Ansteuerung vorgenommen werden kann. Wird durch die Motorsteuerung ein Verbrennungsaussetzer erkannt, der auf einem Zündaussetzer basiert, dann können über die Motorsteuerung die Gasauslaßventile des betreffenden Zylinders geschlossen gehalten werden. Im nächsten Arbeitszyklus wird dann mit dem "alten" Gemisch erneut eine Zündung versucht. Zugleich wird für den betreffenden Arbeitszyklus die Kraftstoffeinspritzeinrichtung dieses Zylinders stillgesetzt. Gelingt die Zündung, kann der Betrieb normal weitergeführt werden. Mißlingt die Zündung, muß das Ausschieben des Gemisches in das Abgassystem in Kauf genommen werden. Bei mehrfachem Mißlingen besteht dann auch die Möglichkeit, bei abgeschalteter Kraftstoffeinspritzung das Gemisch portionsweise auszuschieben, wobei bei einer Füllung mit einer großen Gemischmenge, wie beispielsweise bei Vollast oder hoher Teillast, die Gasauslaßventile so angesteuert werden, daß die Portionen über mehrere Arbeitszyklen verteilt ausgelassen werden. Hierdurch wird eine zu hohe Belastung des Katalysators vermieden.

Beruht der Verbrennungsaussetzer auf einem Einspritzaussetzer, dann werden bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens die Gaseinlaßventile anstelle der Gasauslaßventile geöffnet und die im Zylinder enthaltene Luft zurück in den Ansaugtrakt geschoben. Damit kann eine erneute Zufuhr von Kraftstoff in die zurückgeschobene Luft erfolgen. Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß Falschluft in das Abgassystem gelangt und hierdurch über die Lambdasonde der Regeleinrichtung des Abgaskatalysators ein falsches Signal über die Abgaszusammensetzung übermittelt wird, das über eine Erhöhung der Kraftstoffzufuhr zu den übrigen Zylindern zu einer Anfettung des Gemisches führen würde. Sollte die Einspritzung zu einem Zylinder mehrfach in Folge aussetzen, können über die Motorsteuerung die Gaswechselventile dieses Zylinders vollständig oder auch nur die Gasauslaßventile in halboffener Stellung stillgesetzt und die zugehörige Einspritzeinrichtung auch auf der Seite der Motorsteuerung abgeschaltet werden, so daß die Kolbenbrennkraftmaschine nur noch mit den restlichen Zylindern arbeitet. Bei entsprechender Ausgestaltung der Motorsteuerung kann hierbei bis zu einem gewissen Grad der Ausfall des einen Zylinders kompensiert werden, so daß die Kolbenbrennkraftmaschine noch mit vertretbarer Leistung arbeitet, beispielsweise durch eine Veränderung der Steuerzeiten der Gaswechselventile der anderen Zylinder, um so eine größere Ladungsmenge je Zylinder sicherzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zweckmäßigerweise so ausgestaltet, daß von der Motorsteuerung an die Regeleinrichtung des Abgaskatalysators ein nach dem jeweiligen Störfall (Zündaussetzer oder Einspritzaussetzer) differenziertes Stellsignal zur Beeinflussung der Katalysatorregelung aufgeschaltet wird. Hierdurch wird die Regelung der Lambdasonde über die jeweilige Steuerstrategie der Motorsteuerung "informiert" und dahingehend beeinflußt, daß bei der Regelung des Katalysators die Zufuhr von unverbranntem Gemisch in das Abgassystem bei Zündaussetzern oder von Falschluft bei Einspritzaussetzern berücksichtigt wird, so daß die restlichen Zylinder nicht fälschlicherweise durch eine Veränderung der Kraftstoffzufuhr abgemagert bzw. angefettet werden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Darstellungen eines Zylinders eines 4-Takt-Otto-Motors für unterschiedliche Betriebsweisen erläutert. Es zeigen:
1 den Funktionsablauf eines Zylinders über zwei Arbeitszyklen im Normalbetrieb,
2 den Funktionsablauf bei einem Zündaussetzer in einem Arbeitszyklus,
3 eine Verfahrensweise bei einem Zündaussetzer mit Einschaltung eines Sondertaktes,
4 eine Verfahrensweise mit "portionsweisem" Ausschieben von unverbranntem Gemisch,
5 den Verfahrensablauf bei einem Einspritzaussetzer.
In den Darstellungen ist die Gasbewegung durch einen Pfeil dargestellt. Die Einspritzeinrichtung durch ein Düsensymbol mit Sprühstrahl und die Zündeinrichtung durch einen "Blitz". Für die Fehlfunktion ist das betreffende Symbol durchkreuzt.
In 1 ist für einen Zylinder der Normalbetrieb in zwei aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen dargestellt. Im ersten Takt erfolgt das Ansaugen des mit Kraftstoff versetzten Gemisches. Im zweiten Takt die Kompression mit Zündung. Im dritten Takt erfolgt die Verbrennung mit Energieabgabe an den Kolben und damit an die Kurbelwelle. Im vierten Takt erfolgt das Ausschieben des verbrannten Gemisches. Anschließend erfolgt die Wiederholung der Taktabfolge im nächsten Arbeitszyklus.
2 zeigt die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung beim Vorliegen einer Fehlzündung. Ergibt sich im zweiten Takt des ersten Arbeitszyklus ein Zündaussetzer, dann wird im vierten Takt das Gemisch nicht in den Abgastrakt ausgeschoben, sondern es werden alle Ventile, d. h. sowohl die Gaseinlaßventile als auch die Gasauslaßventile, geschlossen gehalten, so daß das Gemisch im Brennraum verbleibt. Im zweiten Takt des folgenden Arbeitszyklus wird dann eine erneute Zündung versucht, so daß bei Erfolg der normale Ablauf fortgesetzt werden kann.
Bei der Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach 3 im Gegensatz zur Verfahrensweise nach 2 bereits in der nächsten Aufwärtsbewegung des Kolbens, d. h. also in dem an sich vorgesehenen vierten Takt, das Gasauslaßventil geschlossen gehalten, so daß das Gemisch wie bei einem zweiten Arbeitstakt erneut komprimiert wird und ein erneuter Zündversuch gegebenenfalls mit geändertem Zeitpunkt durchgeführt werden kann. Führt die Zündung zu einer Verbrennung, dann kann der Betrieb sofort wieder aufgenommen werden. Das Gemisch verbrennt, so daß die Abgaszusammensetzung nicht durch unverbrannten Kraftstoff verändert wird. Bei dieser Verfahrensweise tritt allerdings gegenüber den anderen Zylindern eine Taktverschiebung im Arbeitszyklus auf. Es ist daher zweckmäßig, zwei Leertakte einzuschieben, also eine Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens ohne weitere Funktion einzuschalten. Anschließend kann dann für den betreffenden Zylinder der Arbeitszyklus wieder mit den anderen Zylindern synchronisiert werden. Ergibt sich allerdings eine erneute zweite Fehlzündung, kann in dieser Zeit ein dritter Versuch erfolgen. Während dieser erneuten Zündversuche wird die Kraftstoffeinspritzung zu dem betreffenden Zylinder abgeschaltet, um nicht durch Kraftstoffansammlungen vor dem Gaseinlaßventil für den nächsten funktionsfähigen Arbeitstakt eine Zylinderfüllung zu erhalten, die nicht nur einen erhöhten Kraftstoffanteil aufweist, sondern bei der auch durch die Kraftstoffansammlungen im Gaseinlaßbereich das derart angereicherte Gemisch schlecht aufbereitet ist.
4 zeigt bei Zündaussetzern die Möglichkeit, Katalysatorschäden zu vermeiden, indem bei erkannter und nicht behebba rer Fehlzündung das im Brennraum des betreffenden Zylinders vorhandene Gemisch über mehrere Zyklen verteilt in kleinen Portionen ausgeschoben wird. Wird beispielsweise entsprechend dem Verfahren gemäß 3 mit einem eingeschobenen Sondertakt in dem eingeschobenen "zweiten Takt" wiederum eine Fehlzündung festgestellt, dann wird bei gleichzeitiger Abschaltung der Kraftstoffzufuhr zu diesem Zylinder jeweils in den nachfolgenden Aufwärtsbewegungen des Kolbens bei verkürzter Öffnung der Gasauslaßventile die Zylinderladung in zwei kleinen Portionen in den Abgastrakt ausgeschoben.
5 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Einspritzaussetzer. Falls erkannt wird, daß in einem Arbeitstakt die Einspritzung versagt hatte, dann kann im vierten Takt die Zylinderladung statt in den Auslaßtrakt wieder in den Einlaßtrakt zurückgeschoben werden. Damit besteht die Möglichkeit, eine erneute Kraftstoffeinspritzung zu versuchen. Wird vor dem ersten Zündversuch der Einspritzfehler erkannt, kann auch der Zündversuch unterbleiben.
Sowohl zur Überwachung von Zündaussetzern wie zur Überwachung von Einspritzaussetzern kann jeweils der Stromverlauf in der Zündanlage und bei den in der Regel elektrischen Stellantrieben der Einspritzdüsen erfaßt werden, wobei die Zuordnung der entsprechenden Zündeinrichtung bzw. der entsprechenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu einem Zylinder sich ohne weiteres über die Motorsteuerung ergibt, die über einen entsprechenden Geber an der Kurbelwelle angesteuert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei allen Konzeptionen für die Kraftstoffeinspritzung einsetzen, also sowohl bei einer Direkteinspritzung als auch bei einer sogenannten Zentraleinspritzung.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine mit elektromagnetischen Ventiltrieben zur Betätigung der Gaswechselventile, die über eine elektronische Motorsteuerung zur Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen voll variabel ansteuerbar sind, sowie mit jeweils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für die einzelnen Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß in der Motorsteuerung die Funkti- on der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder der Zündeinrichtung eines jeden Zylinders überwacht wird und daß beim Kaltstart und/oder bei einem Erkennen einer Fehlfunktion einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und/oder einer Zündeinrichtung an einem Zylinder die Ansteuerung der elektromagnetischen Ventiltriebe des betreffenden Zylinders an die durch die funktionsbedingten geänderten Betriebsbedingungen angepaßt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Erkennung eines Zündaussetzers an einem Zylinder die Gaswechselventile für den Arbeitszyklus geschlossen bleiben und die Einspritzeinrichtung dieses Zylinders für den nachfolgenden Arbeitszyklus abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im folgenden Arbeitszyklus ohne Ladungswechsel ein neuer Zündversuch unternommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrfachen Zündaussetzern an dem Zylinder die Gemischfüllung durch mehrfaches, kurzfristiges Öffnen des Gasauslaßventils in einem oder mehreren nachfolgenden Arbeitszyklen in den Abgastrakt ausgeschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen eines Einspritzaussetzers an einem Zylinder die Luftfüllung durch Öffnung des Gaseinlaß ventils statt des Gasauslaßventils wieder in den Einspritzbereich des Luftansaugkanals zurückgeschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrfachen Einspritzaussetzern in Folge an dem Zylinder die elektromagnetischen Ventiltriebe der Gaswechselventile des betreffenden Zylinders stromlos gesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von der Motorsteuerung auf die Regeleinrichtung des Abgaskatalysators ein nach dem jeweiligen Störfall (Zündaussetzer oder Einspritzaussetzer) differenziertes Stellsignal zur Beeinflussung der Katalysatorregelung aufgeschaltet wird.