Verfahren und Steuervorrichtungen für einen Verbrennungsmotor

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor (208) mit mindestens einem Zylinder (501-504). Bei dem Verfahren wird ein erster Ionenstrom (301-303) für den Zylinder (501-504) erfasst, während der Verbrennungsmotor (208) mit einem ersten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, und ein zweiter Ionenstrom (301-303) für den Zylinder (501-504) erfasst, während der Verbrennungsmotor (208) mit einem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch sind unterschiedlich. Aus dem ersten und zweiten Ionenstrom (301-303) des Zylinders (501-504) wird eine Ionenstromdifferenz für den Zylinder (501-504) bestimmt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren für einen Verbrennungsmotor, insbesondere Verfahren zur Erkennung und Korrektur von Zylinderungleichverteilungen im Luft-Kraftstoffgemisch, sowie entsprechende Steuervorrichtungen.

[0002] Im Rahmen einer sauberen und effizienten Verbrennung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor von Fahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, wird eine sogenannte Zylindergleichstellung angestrebt. Unter der Zylindergleichstellung fällt beispielsweise, dass jeder Zylinder einen gleichen Leistungsbeitrag zur Gesamtleistung des Motors beiträgt und darüber hinaus in jedem Zylinder bei gleichen Betriebsbedingungen der Verbrennungsvorgang möglichst gleich ist. Eine Kenngröße ist dabei der Lambda-Wert eines jeden Zylinders. Bei Ottomotoren wird üblicherweise ein Lambda-Wert von näherungsweise 1 angestrebt und über eine oder mehrere Lambda-Sonden im Abgastrakt des Motors über eine entsprechende Luft-Kraftstoff-Gemischeinstellung eingestellt. Auch wenn im Abgastrakt im Wesentlichen der Wert Lambda gleich 1 erreicht wird, können die einzelnen Zylinder systembedingt oder aufgrund von Fertigungstoleranzen der Einspritzventile unterschiedliche Lambdawerte ungleich 1 aufweisen. Dies kann zu einer Verschlechterung von Emissionswerten, einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs oder einer Laufunruhe führen. Weiterhin kann es aufgrund gesetzlicher Anforderungen, beispielsweise gemäß dem Kalifornischen On-Board-Diagnose-Gesetz (OBD-Gesetz) erforderlich sein, eine derartige Lambda-Ungleichverteilung zwischen den einzelnen Zylindern zu erkennen. In dem Stand der Technik sind daher verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Erkennung von ungleich eingestellten Zylindern bekannt.

[0003] Die DE 2 944 834 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung der Luftzahl Lambda bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Aus den Brennräumen der Brennkraftmaschine austretende Gasbestandteile werden durch eine in unmittelbarer Nähe eines Auslassventils der Brennkraftmaschine angeordnete Ionenstromsonde in Form eines Ionenstroms erfasst. Der Ionenstrom dient als Regelgröße in einer Regeleinrichtung, welche die Zusammensetzung des Betriebsgemisches bezüglich der Luftzahl beeinflusst. Der Ionenstrom wird über ein Arbeitsspiel integriert bzw. gemittelt, weil die auftretende Nachverbrennung zu sehr unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils ihr Maximum hat und auch über den Verlauf eines Arbeitsspiels stark wechselnde Anstiege der Reaktionen und der resultierenden Ionenströme aufweist.

[0004] Die DE 101 15 902 C1 betrifft ein Lambda-Zylindergleichstellungsverfahren zur Lambda-Gleichstellung bei einer auf Lambda gleich 1 geregelten, einen Katalysator im Abgastrakt aufweisende Mehrzylinder-Brennkraftmaschine. Bei dem Verfahren wird fortlaufend im Abgastrakt der Brennkraftmaschine stromabwärts des Katalysators ein Abgäsparameter erfasst, der ein lokales Minimum zeigt, wenn die Verbrennung in allen Zylindern bei Lambda gleich 1 erfolgt. Die Kräftstoffversorgung bei jeweils zwei Zylindern wird durch gleichzeitige Anreicherung des Gemisches für den einen und Abmagerung für den anderen Zylinder vertrimmt, wobei die Vertrimmung so gewählt ist, dass das zusammengeführte Abgas beider Zylinder einem Abgas einer Verbrennung von gemittelt Lambda gleich 1 entspricht und die Vertrimmung so eingestellt wird, dass der Abgasparameter minimiert wird. Der Abgasparameter kann beispielsweise die Abgastemperatur oder die Katalysatortemperatur oder eine NO_x-Konzentration umfassen.

[0005] Die DE 10 2004 041 230 A1 betrifft eine Zylindergleichstellung mittels Ionenstrommessung. Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern und mindestens einem Abgassammler bilden Zylinder, die einem gleichen Abgassammler zugeordnet sind, eine Zylindergruppe. Für ein Zeitintervall werden maximale Zylinderdrücke in einem einzelnen Zylinder mittels Ionenstrommessung ermittelt und die zylinderspezifischen Mittelwerte der maximalen Drücke gebildet. Aus den zylinderspezifischen Mittelwerten jeder Zylindergruppe werden durch Mittelung zylindergruppenspezifische Mittelwerte gebildet. Jeder der zylinderspezifischen Mittelwerte wird mit dem zugehörigen zylindergruppenspezifischen Mittelwert verglichen und in Abhängigkeit dieser Vergleiche mindestens ein Zylinder identifiziert, welcher in seinem Betriebsverhalten zu beeinflussen ist.

[0006] Aus der DE 10 2007 030 527 A1 ist ein Verfahren zur Zylindergleichstellung bei einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Zusammenhang zwischen der Vertrimmung eines Zylinders und der Laufruhe des Zylinders ermittelt und auf Basis dieses Zusammenhangs auf die Abweichung der Gemischzusammensetzung der Zylinder untereinander geschlossen und schließlich auf Basis der Abweichungen die Gemischzusammensetzung jedes Zylinders korrigiert.

[0007] Die DE 10 2009 026 839 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem die Zylinder durch eine Auswertung der Laufruhe bei zylinderindividueller Abmagerung des Gemischs gleichgestellt werden.

[0008] Schließlich stellt die DE 199 16 204 C1 ein Verfahren zur Verbrennungskenngrößenbestimmung einer Brennkraftmaschine bereit. Bei dem Verfahren wird während aufeinanderfolgender Arbeitsspiele jeweils eine Ionenstromkurve durch einen Ionenstromsonde gemessen. Aus den aufeinanderfolgend gemessenen Ionenstromkurven wird eine verbrennungskenngrößenspezifische Ionenstromkenngröße und aus dieser die Verbrennungskenngröße bestimmt. Insbesondere kann mit diesem Verfahren als Verbrennungskenngröße das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, d.h. der Lambda-Wert des im Brennraum zu verbrennenden Luft-Kraftstoff-Gemischs und die Abgasrückführrate ermittelt werden. Durch Messung des Ionenstroms an einer Zündkerze in jedem einzelnen Zylinder kann die momentane Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs bestimmt werden. Dazu kann der Lambda-Wert aus der Steigung der Flanke des ersten Ionenstrommaximums im Rahmen einer Ionenstromanalyse bestimmt werden.

[0009] Eine Diagnose einer Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch (Lambda) auf der Grundlage eines Ionenstromsignals ist jedoch sehr empfindlich gegenüber Querabhängigkeiten und unerwünschten Nebeneffekten. Eine Querabhängigkeit zwischen den einzelnen Zylindern kann insbesondere durch eine Variation des Restgases aufgrund einer Veränderung von Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile auftreten. Auch bei Motoren mit mehreren Zylindergruppen in V- oder W-Anordnung und asymmetrischer Zündfolge ist eine genaue Bestimmung des Luft-Kraftstoffgemischs einzelner Zylinder problematisch. Darüber hinaus können beispielsweise unterschiedliche Kraftstoffqualitäten als weitere unerwünschte Nebeneffekte eine Diagnose einer Zylinderungleichverteilung auf der Grundlage eines Ionenstromsignals negativ beeinflussen.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, verbesserte Verfahren zur Bestimmung und Korrektur einer Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch bereitzustellen.

[0011] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 17 und ein Fahrzeug nach Anspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

[0012] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder bereitgestellt. Bei dem Verfahren wir ein erster Ionenstrom für den Zylinder erfasst, während der Verbrennungsmotor mit einem ersten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Weiterhin wird ein zweiter Ionenstrom für den mindestens einen Zylinder erfasst, während der Verbrennungsmotor mit einem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch sind unterschiedlich. In Abhängigkeit von dem ersten Ionenstrom und dem zweiten Ionenstrom wird für den Zylinder eine Ionenstromdifferenz bestimmt. Das Verändern des Luft-Kraftstoffgemischs im Betrieb des Verbrennungsmotors wird auch als Kraftstoffvertrimmung bezeichnet. Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren wird daher eine Veränderung des Ionenstroms in Abhängigkeit der Kraftstoffvertrimmung bestimmt. Die Ionenstromdifferenz kann für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors individuell bestimmt werden. Die Ionenstromdifferenz, welche aufgrund der Kraftstoffvertrimmung auftritt, ist im Wesentlichen unabhängig von dem Absolutwert des Ionenstroms. Dadurch können die oben genannten Querabhängigkeiten und Nebeneffekte, welche im Wesentlichen den Absolutwert des Ionenstroms beeinflussen, wirksam eliminiert werden. Eine Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch zwischen mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors kann somit in Abhängigkeit von den Ionenstromdifferenzen der mehreren Zylinder bestimmt werden, indem der Verbrennungsmotor zunächst mit dem ersten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, wobei der erste Ionenstrom für jeden der Zylinder erfasst wird, und danach mit dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, wobei der zweite Ionenstrom für jeden Zylinder bestimmt wird. Da alle Zylinder mit der gleichen Kraftstoffvertrimmung betrieben wurden, zeigen unterschiedliche Ionenstromdifferenzen entsprechende Zylinderungleichverteilungen an. Bei gleichgestellten Zylindern sind die Ionenstromdifferenzen der einzelnen Zylinder bei gleicher Kraftstoffvertrimmung im Wesentlichen gleich, unabhängig von Querabhängigkeiten und der Kraftstoffqualität.

[0013] Dementsprechend kann gemäß einer Ausführungsform eine Einspritzmenge für einen jeweiligen Zylinder der mehreren Zylinder des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der Ionenstromdifferenzen der mehreren Zylinder derart eingestellt werden, dass ein Unterschied zwischen den Ionenstromdifferenzen der mehreren Zylinder verringert wird. Dadurch wird eine robuste Korrektur der Einspritzmenge und somit eine robuste Zylindergleichstellung auf der Grundlage einer Ionenstrommessung erreicht.

[0014] Der Ionenstrom kann beispielsweise im Brennraum des jeweiligen Zylinders erfasst werden, insbesondere mittels einer in dem Brennraum des jeweiligen Zylinders angeordneten Zündkerze. Der Ionenstrom kann beispielsweise in einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich erfasst werden, beispielsweise in einem Kurbelwellenwinkelbereich von -20° bis +30° in Bezug auf den oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders. Um die Ionenstrommessung unabhängig von dem Zündfunken der Zündkerze zu erfassen, sollte der Kurbelwellenwinkelbereich derart gewählt werden, dass der Zündzeitpunkt des jeweiligen Zylinders nicht in dem Kurbelwellenwinkelbereich enthalten ist. Ein Kurbelwellenwinkelbereich vom Zündzeitpunkt bis +30° in Bezug auf den oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders umfasst einen Arbeitsbereich des Zylinders, in welchem der Ionenstrom eine charakteristische Aussage über das zu verbrennende Luft-Kraftstoffgemisch anzeigt. Daher ist dieser Kurbelwellenwinkelbereich besonders geeignet.

[0015] Gemäß einer Ausführungsform werden der erste und/oder zweite Ionenstrom folgendermaßen erfasst: Über dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich, beispielsweise vom Zündzeitpunkt bis +30° in Bezug auf den oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders, wird ein Ionenstromverlauf erfasst und über den Kurbelwellenwinkel integriert. Der erfasste Ionenstrom stellt somit das Integral des Ionenstromverlaufs über dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich dar. Da sich der Verlauf des Ionenstromsignals über dem Kurbelwellenwinkel in Abhängigkeit einer normalen, mageren und fetten Verbrennung erheblich unterscheiden kann, kann durch die Bildung des Ionenstromintegrals über dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich ein charakteristischer Wert des Ionenstromsignals bestimmt werden, welcher unabhängig von dem tatsächlichen Ionenstromsignalverlauf und somit unabhängig von der Art der Verbrennung (normal, mager oder fett) ist. Darüber hinaus können durch die Integration des Ionenstromverlaufs Schwankungen im Ionenstromverlauf aufgrund von Messfehlern ausgeglichen werden.

[0016] Weiterhin können mehrere Ionenstromverläufe bei mehreren Arbeitsspielen des jeweiligen Zylinders erfasst werden und ein Mittelwertionenstromverlauf durch Mitteln der mehreren Ionenstromverläufe gebildet werden, welcher dann über den Kurbelwellenwinkel integriert wird, um einen Ionenstromwert zu bestimmen. Durch das Mitteln der Ionenstromverläufe über mehrere Arbeitsspiele des jeweiligen Zylinders können Messungenauigkeiten und punktuell auftretende Störungen ausgemittelt werden, so dass der integrierte Ionenstrom einen zuverlässigen charakteristischen Wert des Zylinders darstellt.

[0017] Gemäß einer weiteren Ausführungsform können für jeden Zylinder mehrere zweite Ionenströme bei unterschiedlichen zweiten Luft-Kraftstoffgemischen erfasst werden. Somit können mehrere zweite Ionenströme bei unterschiedlicher Kraftstoffvertrimmung bestimmt werden und ein Zusammenhang zwischen der Kraftstoffvertrimmung und den zweiten Ionenströmen bestimmt werden. Aus dem Verlauf des Zusammenhangs zwischen den zweiten Ionenströmen und der Kraftstoffvertrimmung kann ein Bereich des Luft-Kraftstoffgemischs bestimmt werden, in welchem eine Kraftstoffvertrimmung eine charakteristische Änderung des Ionenstroms bewirkt. Dieser Bereich ist üblicherweise in der Nähe von Lambda gleich 1 und daher für die Zylindergleichstellung besonders geeignet.

[0018] Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch durch unterschiedliche Kraftstoffmengen. Beispielsweise kann die Kraftstoffmenge in dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch in einem Bereich von -40 % bis +40 % gegenüber der Kraftstoffmenge des ersten Luft-Kraftstoffgemischs verändert werden. Durch eine Veränderung der Kraftstoffmenge in dem vorgenannten Bereich kann der Verbrennungsmotor in einem Bereich betrieben, welcher sowohl eine magere Verbrennung als auch eine fette Verbrennung umfasst. Somit können Lambda-Werte von unter und über 1 zuverlässig angefahren werden. Trotzdem bleibt ein zuverlässiger Betrieb des Verbrennungsmotors in diesem Bereich gewährleistet, so dass das Verfahren im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt werden kann, ohne dass unangenehme Auswirkungen auf den Betrieb des Verbrennungsmotors und somit auf den Betrieb eines Fahrzeugs, in welchem der Verbrennungsmotor untergebracht ist, auftreten können.

[0019] Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor sprunghaft zwischen einem Betrieb mit dem ersten Luft-Kraftstoffgemisch und einem Betrieb mit dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch umgestellt. Sprunghaft bedeutet in diesem Zusammenhang, dass beispielsweise zunächst für jeden Zylinder der erste Ionenstrom bei einem Betrieb mit dem ersten Luft-Kraftstoffgemisch bestimmt wird und dann bei der nächsten Füllung eines Zylinders der Verbrennungsmotor mit dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Durch den sprunghaften Wechsel zwischen dem ersten und zweiten Luft-Kraftstoffgemisch findet auch eine sprunghafte Änderung der Ionenstromdifferenz statt. Da sich die übrigen Parameter des Fahrzeugs, wie z.B. Frischlufttemperatur, Ladedruck eines Turboladers, Motortemperatur oder Sauerstoffgehalt nicht oder nur geringfügig ändern, können Randbedingungen beim Bestimmen der lonenstromdifferenz im Wesentlichen konstant gehalten werden.

[0020] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern bereitgestellt, bei welchem ein Ionenstrom für jeden Zylinder von mindestens zwei Zylindern der mehreren Zylinder während eines Betriebs des Verbrennungsmotors erfasst wird. In Abhängigkeit von den erfassten Ionenströmen der mindestens zwei Zylinder wird ein Ionenstrommittelwert bestimmt. Für jeden der mindestens zwei Zylinder wird eine Abweichung des Ionenstroms von dem Ionenstrommittelwert bestimmt und eine Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch zwischen den mindestens zwei Zylindern in Abhängigkeit von den Abweichungen der mindestens zwei Zylinder untereinander bestimmt. Da der Ionenstrom im Wesentlichen von der Zusammensetzung des Luft-Kraftstoffgemischs in dem jeweiligen Zylinder abhängt, kann eine Zylinderungleichverteilung, insbesondere eine Lambda-Ungleichverteilung, mit einfachen Mitteln aus den Ionenströmen bestimmt werden. Die Ionenströme können insbesondere, wie zuvor beschrieben wurde, aus einer Integration eines jeweiligen Ionenstromverlaufs oder einer Integration mehrerer gemittelter Ionenstromverläufe bestimmt werden.

[0021] Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch, welche nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt wurde, als On-Board-Diagnose-Information bereitgestellt werden. Diese On-Board-Diagnose-Information (OBD-Information) kann beispielsweise in einem Speicher einer Motorsteuerung zur Dokumentation der Überwachung der Lambda-Ungleichverteilung gespeichert werden und, beim Überschreiten einer vorbestimmten Zylinderungleichverteilung, dazu verwendet werden, beispielsweise eine Kontrollleuchte im Fahrzeug anzusteuern.

[0022] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor weist in dem mindestens einen Zylinder ein Ionenstromerfassungsmittel auf. Die Steuervorrichtung ist mit dem Ionenstromerfassungsmittel koppelbar und ausgestaltet, einen ersten Ionenstrom für den mindestens einen Zylinder zu erfassen, während der Verbrennungsmotor mit einem ersten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Weiterhin ist die Steuervorrichtung ausgestaltet, einen zweiten Ionenstrom für den mindestens einen Zylinder zu erfassen, während der Verbrennungsmotor mit einem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird. Das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch sind unterschiedlich. Aus dem ersten Ionenstrom und dem zweiten Ionenstrom des Zylinders bestimmt die Steuervorrichtung eine Ionenstromdifferenz für den Zylinder. Die Steuervorrichtung ist somit zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet und umfasst daher auch die zuvor beschriebenen Vorteile.

[0023] Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine weitere Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern bereitgestellt. In jedem von mindestens zwei Zylindern der mehreren Zylinder des Verbrennungsmotors ist ein Ionenstromerfassungsmittel angeordnet. Die Steuervorrichtung ist mit den Ionenstromerfassungsmitteln koppelbar und erfasst für jeden Zylinder der mindestens zwei Zylinder einen Ionenstrom während eines Betriebs des Verbrennungsmotors. In Abhängigkeit von den erfassten Ionenströmen der mindestens zwei Zylinder bestimmt die Steuervorrichtung einen Ionenstrommittelwert. Weiterhin bestimmt die Steuervorrichtung für jeden der mindestens zwei Zylinder eine Abweichung des Ionenstroms des jeweiligen Zylinders von dem Ionenstrommittelwert und bestimmt in Abhängigkeit von den jeweiligen Abweichungen eine Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch zwischen den mindestens zwei Zylindern. Die Steuervorrichtung ist somit zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet und umfasst daher auch die zuvor beschriebenen Vorteile.

[0024] Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen Verbrennungsmotor und eine der zuvor beschriebenen Steuervorrichtungen umfasst. Der Verbrennungsmotor umfasst mindestens einen Zylinder, in welchem ein Ionenstromerfassungsmittel angeordnet ist.

[0025] Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt Ionenstromintegralwerte verschiedener Zylinder eines Verbrennungsmotors bei Variation der Einlassventilansteuerung.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Zylindergleichstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 zeigt Ionenstromsignalverläufe bei Variation einer Einspritzmenge.

Fig. 4 zeigt Ionenstromintegralwerte in Abhängigkeit einer Kraftstoffvertrimmung.

Fig. 5 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

[0026] Zur Bestimmung und Diagnose einer Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch, einer sogenannten Lambda-Ungleichverteilung, zwischen den einzelnen Zylindern kann beispielsweise ein Ionenstromsignal verwendet werden, welches beispielsweise an den Elektroden einer Zündkerze in einem jeden Zylinder des Verbrennungsmotors bestimmt wird. Eine derartige Diagnose kann beispielsweise aufgrund von gesetzlichen Anforderungen, wie z.B. dem Kalifornischen On-Board-Diagnose-Gesetz (OBD-Gesetz) erforderlich sein. Zur Bestimmung des Ionenstromsignals kann das Ionenstromsignal über einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich als Ionenstromsignalverlauf erfasst werden und über den vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich integriert werden. Dadurch kann ein charakteristischer Ionenstromwert gewonnen werden. Insbesondere bei Motoren mit einer Vielzahl von Zylindern in beispielsweise einer V- oder W-Anordnung und asymmetrischer Zündfolge oder bei Motoren mit veränderlicher Ventilsteuerung werden jedoch sowohl das Ionenstromsignal als auch das integrierte Ionenstromsignal von Querabhängigkeiten, welche beispielsweise aus unterschiedlichen Restgasmengen resultieren, beeinflusst. Darüber hinaus kann eine Kraftstoffqualität das Ionenstromsignal als auch das integrierte Ionenstromsignal beeinflussen. Fig. 1 zeigt beispielsweise eine Veränderung eines integrierten Ionenstromsignals aufgrund einer Veränderung eines Einlassventilnockenwellenwinkels für verschiedene Zylinder eines Verbrennungsmotors. In dem in Fig. 1 gezeigten Diagramm sind die integrierten Ionenstromsignale (int. Ionenstromsig.) für verschiedene Zylinder (Zyl.) bei verschiedenen Nockenwellenwinkeln, zu denen die entsprechenden Einlassventile geöffnet werden, dargestellt. Insbesondere durch Querabhängigkeiten zwischen den Zylindern in Bezug auf das Restgas unterscheiden sich die integrierten Ionenstromsignale der einzelnen Zylinder erheblich. Daher ist eine Betrachtung der Absolutwerte der integrierten Ionenstromsignale für eine Erkennung einer Lambda-Ungleichverteilung ungeeignet.

[0027] Fig. 2 zeigt daher Verfahrensschritte eines verbesserten Verfahrens 200 zur Bestimmung einer Lambda-Ungleichverteilung. In einem ersten Schritt 201 werden für jeden Zylinder in einem drehzahlsynchronen Messraster Ionenstromsignale gemessen. Weiterhin werden zusätzliche Motorinformationen, beispielsweise ein Zündwinkel, von beispielsweise einer Motorelektronik eingelesen. Im Schritt 202 werden die Ionenstromsignale für jeden Zylinder in einem definierten Kurbelwellenwinkelfenster, welcher zündwinkelabhängig sein kann, integriert. Fig. 3 zeigt beispielhaft drei Ionenstromsignale 301, 302 und 303, welche in einem Zylinder bei unterschiedlichen Verbrennungen auftreten können. Die Kurve 301 zeigt beispielsweise den Verlauf des Ionenstromsignals bei einer normalen Verbrennung, d.h. bei einer Verbrennung mit näherungsweise Lambda gleich 1, wohingegen die Kurve 302 eine Verbrennung mit einem fetten Gemisch, d.h. mit einem erhöhten Kraftstoffanteil, und die Kurve 303 eine magere Verbrennung, d.h. eine Verbrennung mit einem verminderten Kraftstoffanteil, zeigt. Zur Bestimmung des Ionenstromintegralwerts werden die entsprechenden Ionenkurven 301-303 über dem Kurbelwellenwinkel, welcher in Fig. 3 auf der x-Achse gezeigt ist, integriert. Da der Ionenstrom beispielsweise mit Hilfe einer Zündkerze in dem entsprechenden Zylinder des Verbrennungsmotors erfasst werden kann, wird der Integrationsbereich derart gewählt, dass der Einfluss des Zündfunkens nicht in den Integrationsbereich fällt. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist der Einfluss des Zündfunkens im Bereich von -20° bis näherungsweise -16° deutlich zu erkennen. Daher wird der Ionenstrom beispielsweise im Bereich von -16° bis näherungsweise +28° bezogen auf den oberen Totpunkt des entsprechenden Zylinders integriert. Der Integrationsbereich ist in Fig. 3 durch den Pfeil 304 gekennzeichnet.

[0028] Die zylinderselektiven Integralwerte werden über eine vorbestimmte Anzahl von Arbeitsspielen gemittelt und ergeben einen ersten Ionenstromwert, einen sogenannten Referenzwert (Schritt 203). Die Ionenstromsignale für die jeweiligen Referenzwerte der jeweiligen Zylinder werden vor einer Vertrimmung der Kraftstoffmenge erfasst, d.h., die Referenzwerte sind gemittelte Ionenstromintegralwerte bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem ersten Luft-Kraftstoffgemisch. Im Schritt 204 wird die Kraftstoffmenge für alle Zylinder vertrimmt, d.h. der Verbrennungsmotor wird nachfolgend mit einem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben, welches unterschiedlich zu dem ersten Luft-Kraftstoffgemisch ist. Das zweite Luft-Kraftstoffgemisch kann beispielsweise ein fetteres oder ein magereres Luft-Kraftstoffgemisch sein. Im Schritt 205 werden aus entsprechend erfassten Ionenstromsignalen beim Betrieb mit dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch für jeden Zylinder jeweils ein mittlerer Ionenstromintegralwert über eine definierte Anzahl von Arbeitsspielen bestimmt. Somit wird für jeden Zylinder ein zweiter gemittelter Ionenstromintegralwert bestimmt, ein sogenannter Vertrimmwert.

[0029] Fig. 4 zeigt beispielhaft die Auswirkung der Kraftstoffvertrimmung auf den integrierten Ionenstrom. Auf der x-Achse des in Fig. 4 gezeigten Diagramms ist die Kraftstoffvertrimmung in Prozent aufgetragen. Eine negative Kraftstoffvertrimmung gibt eine entsprechende Verringerung des Kraftstoffanteils in dem Luft-Kraftstoffgemisch an und eine positive Kraftstoffvertrimmung eine Erhöhung des Kraftstoffanteils in dem Luft-Kraftstoffgemisch. Auf der y-Achse ist der integrierte Ionenstrom über alle Zylinder gemittelt aufgetragen (Graph 401). Zusätzlich wurde der Ionenstrom für die Kraftstoffvertrimmung von 0 % auf 0 normiert. Die bei den Kraftstoffvertrimmungen -30 %, -25 %, -15 %, -5 %, 10 %, 20 % und 30 % dargestellten Bereiche 402-408 zeigen eine Bandbreite der integrierten Ionenströme der einzelnen Zylinder bei den entsprechenden Kraftstoffvertrimmungen an. So variiert der integrierte Ionenstrom bei einer Kraftstoffvertrimmung von beispielsweise -30 % zwischen den einzelnen Zylindern eines Verbrennungsmotors im Bereich von näherungsweise -7,5 bis -9,5. Diese Bandbreite resultiert aus den oben genannten Querabhängigkeiten zwischen den Zylindern. Eine Änderung des Ionenstromintegrals ist jedoch charakteristisch für eine entsprechende Kraftstoffvertrimmung, d.h. für eine entsprechende Änderung der Kraftstoffmenge. Daher wird im Schritt 206 nicht der Absolutwert der integrierten Ionenströme betrachtet, sondern für jeden Zylinder eine Differenz aus Vertrimmwert minus Referenzwert gebildet. Da die Differenz unabhängig von den oben genannten Querabhängigkeiten ist, kann anhand der Differenzen der Ionenstromsignale eine Lambda-Ungleichstellung bestimmt werden. In Fig. 4 ist beispielsweise eine definierte Kraftstoffvertrimmung 409 zwischen -30 % und -20 % und eine entsprechende Änderung des Ionenstromintegrals 410 dargestellt. Da die Kraftstoffvertrimmung für alle Zylinder gleichermaßen durchgeführt wurde, kann aus unterschiedlichen Differenzen aus Vertrimmwert und Referenzwert der einzelnen Zylinder eine entsprechende Lambda-Ungleichverteilung der einzelnen Zylinder bestimmt werden. Diese Lambda-Ungleichverteilung kann beispielsweise als On-Board-Diagnose-Information in einer Motorsteuerung abgelegt werden oder über eine entsprechende Anzeige einem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt werden.

[0030] Im Schritt 207 kann auf der Grundlage der so festgestellten Lambda-Ungleichverteilung eine Korrektur der Einspritzmenge für jeden Zylinder durchgeführt werden und somit eine Gleichstellung des Lambda für alle Zylinder erreicht werden. Die Korrektur der Einspritzmengen bewirkt eine Lambda-Änderung der einzelnen Zylinder des Motors 208 und kann wie zuvor beschrieben mit den Schritten 201-206 erneut bestimmt werden.

[0031] Fig. 5 zeigt ein Fahrzeug 500 mit einem Verbrennungsmotor 208 mit vier Zylindern 501-504. In jedem der vier Zylinder 501-504 ist jeweils eine Zündkerze 505-508 angeordnet, welche mit einer Steuervorrichtung 509 gekoppelt sind. Die Steuervorrichtung 509 ist in der Lage, mit Hilfe der Zündkerzen 505-508 in den Brennräumen der Zylinder 501-504 jeweils einen Ionenstrom zu erfassen. In Abhängigkeit der erfassten Ionenströme bestimmt die Steuervorrichtung 509, wie zuvor in Zusammenhang mit dem Ablaufdiagramm 200 der Fig. 2 beschrieben wurde, eine Lambda-Ungleichverteilung. Wenn die Lambda-Ungleichverteilung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, steuert die Steuervorrichtung 509 eine Kontrollleuchte 510 des Fahrzeugs 500 an, um dem Fahrer anzuzeigen, dass die Lambda-Ungleichverteilung den vorbestimmten Schwellenwert überschritten hat. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 509 eine (nicht gezeigte) Motorsteuerung des Verbrennungsmotors 208 derart ansteuern, dass eine Lambda-Gleichstellung erreicht wird, wie im Schritt 207 der Fig. 2 beschrieben wurde.

Ansprüche

1. Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, umfassend:

- Erfassen eines ersten Ionenstroms (301-303) für den mindestens einen Zylinder (501-504), während der Verbrennungsmotor (208) mit einem ersten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird,

- Erfassen eines zweiten Ionenstroms (301-303) für den mindestens einen Zylinder (501-504), während der Verbrennungsmotor (208) mit einem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, wobei das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch verschieden sind, und

- Bestimmen einer Ionenstromdifferenz für den mindestens einen Zylinder (501-504) aus dem ersten und zweiten Ionenstrom (301-303) des mindestens einen Zylinders (501-504).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (208) mehrere Zylinder (501-504) umfasst, wobei für jeden Zylinder von mindestens zwei Zylindern der mehreren Zylinder jeweils eine Ionenstromdifferenz aus dem ersten und zweiten Ionenstrom (301-303) des jeweiligen Zylinders (501-504) bestimmt wird, wobei das Verfahren ferner umfasst:

- Bestimmen einer Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch zwischen den mindestens zwei Zylindern in Abhängigkeit von den Ionenstromdifferenzen der mindestens zwei Zylinder.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren ferner für jeden der mindestens zwei Zylinder umfasst:

- Korrigieren einer Einspritzmenge für den jeweiligen Zylinder (501-504) in Abhängigkeit der Ionenstromdifferenzen der mindestens zwei Zylinder derart, dass ein Unterschied zwischen den Ionenstromdifferenzen der mindestens zwei Zylinder verringert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Ionenstrom (301-303) im Brennraum des jeweiligen Zylinders (501-504) erfasst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste und/oder zweite Ionenstrom (301-303) mittels einer in dem Brennraum des jeweiligen Zylinders angeordneten Zündkerze (505-508) erfasst wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder zweite Ionenstrom (301-303) in einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich (304) erfasst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der vorbestimmte Kurbelwellenwinkelbereich (304) einen Kurbelwellenwinkelbereich von -20° bis +30° in Bezug auf einen oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Erfassen des erste und/oder zweite lonenstrom (301-303) umfasst:

- Erfassen eines Ionenstromverlaufs über dem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich (304), und

- Integrieren des Ionenstromverlaufs über dem Kurbelwellenwinkelbereich (304).

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Erfassens des Ionenstromverlaufs umfasst:

- Erfassen mehrerer Ionenstromverläufe bei mehreren Arbeitsspielen des jeweiligen Zylinders, und

- Bilden eines Mittelwertionenstromverlaufs durch Mitteln der mehreren Ionenstromverläufe.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Erfassens des zweiten Ionenstroms (301-303) für den jeweiligen Zylinder (501-504) umfasst:

- Erfassen mehrerer zweiter Ionenströme mit unterschiedlichen zweiten Luft-Kraftstoffgemischen.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch unterschiedliche Kraftstoffmengen aufweisen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kraftstoffmenge in dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch in einem Bereich von -40% bis +40% gegenüber der Kraftstoffmenge des ersten Luft-Kraftstoffgemischs verändert ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (208) sprunghaft zwischen einem Betrieb mit dem ersten Luft-Kraftstoffgemisch und einem Betrieb mit dem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch umgestellt wird.

14. Verfahren für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, wobei das Verfahren umfasst:

- Erfassen eines Ionenstroms (301-303) für jeden Zylinder (501-504) von mindestens zwei Zylindern der mehreren Zylinder während eines Betriebs des Verbrennungsmotors,

- Bestimmen eines Ionenstrommittelwerts (401) in Abhängigkeit von den erfassten Ionenströmen der mindestens zwei Zylinder,

- für jeden der mindestens zwei Zylinder: Bestimmen einer Abweichung (402-408) des Ionenstroms von dem Ionenstrommittelwert (401), und

- Bestimmen einer Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch zwischen den mindestens zwei Zylindern in Abhängigkeit von den Abweichungen (402-408) der mindestens zwei Zylinder.

15. Verfahren nach Anspruch 2 oder 14, ferner umfassend:

- Bereitstellen einer On-Board-Diagnose-Information in Abhängigkeit von der bestimmten Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch.

16. Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, wobei der Verbrennungsmotor (208) in dem mindestens einen Zylinder (501-504) ein Ionenstromerfassungsmittel (505-508) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (509) mit dem Ionenstromerfassungsmittel (505-508) koppelbar ist und ausgestaltet ist:

- einen ersten Ionenstrom (301-303) für den mindestens einen Zylinder (501-504) zu erfassen, während der Verbrennungsmotor (208) mit einem ersten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird,

- einen zweiten Ionenstrom (301-303) für den mindestens einen Zylinder (501-504) zu erfassen, während der Verbrennungsmotor (208) mit einem zweiten Luft-Kraftstoffgemisch betrieben wird, wobei das erste Luft-Kraftstoffgemisch und das zweite Luft-Kraftstoffgemisch verschieden sind, und

- eine Ionenstromdifferenz für den mindestens einen Zylinder (501-504) aus dem ersten und zweiten Ionenstrom (301-303) des mindestens einen Zylinders (501-504) zu bestimmen.

17. Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern, wobei der Verbrennungsmotor (208) in jedem Zylinder von mindestens zwei Zylindern der mehreren Zylinder (501-504) jeweils ein Ionenstromerfassungsmittel (505-508) aufweist, wobei die Steuervorrichtung (509) mit den Ionenstromerfassungsmitteln (505-508) koppelbar ist und ausgestaltet ist:

- für jeden Zylinder (501-504) der mindestens zwei Zylindern einen Ionenstrom (301-303) während eines Betriebs des Verbrennungsmotors (208) zu erfassen,

- einen Ionenstrommittelwert (401) in Abhängigkeit von den erfassten Ionenströmen (301-303) der mindestens zwei Zylinder zu bestimmen,

- für jeden der mindestens zwei Zylinder eine Abweichung (402-408) des Ionenstroms von dem Ionenstrommittelwert (401) zu bestimmen, und

- eine Zylinderungleichverteilung im Luft-Kraftstoffgemisch zwischen den mindestens zwei Zylindern in Abhängigkeit von den Abweichungen der mindestens zwei Zylinder zu bestimmen.

18. Steuervorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Steuervorrichtung (509) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-15 ausgestaltet ist.

19. Fahrzeug, umfassend:

- einen Verbrennungsmotor (208) mit mindestens einem Zylinder (501-504), wobei der Verbrennungsmotor (208) in dem mindestens einen Zylinder (501-504) ein Ionenstromerfassungsmittel (505-508) aufweist, und

- eine Steuervorrichtung (509) nach einem der Ansprüche 16-18.

Zeichnung