DE19757893A1 - Kraftstoff/Luft-Gemischregelungssystem einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Kraftstoff/Luft-Gemischregelung für Brennkraftmaschinen auf der Basis einer Auswertung der Verbrennungsgeschwindigkeit.

Aus der DE 24 43 413 ist bereits ein derartiges Lambdarege­ lungssystem bekannt, bei dem die Verbrennungsgeschwindigkeit durch Auswerten eines im Brennraum fließenden Ionenstroms gewonnen wird. Das bekannte System sieht eine Regelung an der Magerlaufgrenze, das heißt bei magerem Kraftstoff/Luft- Gemisch vor. In diesem Bereich von Lambdawerten größer 1 än­ dert sich die mittlere Flammengeschwindigkeit monoton mit Änderungen von Lambda, so daß die Werte der ermittelten Flammengeschwindigkeiten in eindeutiger Weise Werten für das Kraftstoff/Luftgemischverhältnis Lambda zuzuordnen sind. Diese Eindeutigkeit geht bei Einbeziehung weiterer Lambda­ werte, die auch kraftstoffreiche Gemischzusammensetzungen (Lambda < 1) umfassen, verloren, da die Verbrennungs- oder auch Flammengeschwindigkeit im Bereich von Lambda ungefähr = 0,85 ein Maximum aufweist. Mit anderen Worten: Im Bereich des Maximums reicht ein Wert für das Flammengeschwindig­ keitssignal allein nicht zur Regelung aus, da einem Flammen­ geschwindigkeitswert zwei Lambdawerte zugeordnet sein können (Doppeldeutigkeit).

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die eine Lambdaregelung auf der Basis der erfaßten Verbrennungsge­ schwindigkeit auch im Bereich des Maximums der Verbrennungs­ geschwindigkeit erlauben. Dabei kann die Messung der Ver­ brennungsgeschwindigkeit mit einer Doppelionenstromsonde er­ folgen, wie sie aus der DE 35 19 028 bekannt ist.

Diese Aufgabe wird durch die Summe der Merkmale der unabhän­ gigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung bei Zweitakt- Kleinmotoren anwenden, da sie nur einen vergleichsweise kleinen apparativen Aufwand erfordert und damit kostengün­ stig ist. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Er­ findung unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt den Brennraum eines Motors mit einer Doppelio­ nenstromsonde und Flammenfronten. Fig. 2 stellt zeitliche Verläufe von Ionenströmen dar. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Flammengeschwindigkeit als Funktion von Lambda. Fig. 4 zeigt das technische Umfeld der Erfindung. Fig. 5 offenbart eine Struktur eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Ziffer 1 in Fig. 1 bezeichnet die Flammenfront im Brennraum 2 eines Motors. Entsprechend der Pfeilrichtung läuft die Flamme von links auf die rechts im Brennraum ange­ ordnete Doppelionenstromsonde 4 zu, die aus versetzt ange­ ordneten einzelnen Ionenstromsonden 3 und 5 gebildet sein kann. Die Buchstabenkombination Sx (Ziffer 8) bezeichnet den räumlichen Abstand beider Ionenstromsonden. Das Prinzip der Flammengeschwindigkeitsmessung beruht auf der Messung der Laufzeit delta_t, die die Flammenfront 1 zum Zurücklegen der Strecke Sx benötigt. Die Flammengeschwindigkeit WF ergibt sich als Quotient von Wegstrecke und Laufzeit, also als WF = Sx / delta_t (Ziffer 7).

Die delta_t-Ermittlung ist aus Fig. 2 ersichtlich. Dort be­ zeichnet die Ziffer 2.1 das Signal der ersten Ionenstromson­ de und die Ziffer 2.2 bezeichnet das Signal der zweiten Io­ nenstromsonde. Nach dem Beginn der Verbrennung zum Zeitpunkt t0 steigen die Signale beider Sonden mit einem Zeitverzug delta_t an. Delta_t kann beispielsweise ermittelt werden, indem die Ionenstromsignale mit einem Schwellwert SW vergli­ chen werden und delta_t als zeitlicher Abstand der Schwell­ wertüberschreitungen definiert wird. Alternativ zu delta_t kann der Abstand auch in Winkelgraden des Kurbelwellenwin­ kels Alpha bestimmt werden.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der aus Sx und delta_t ermittelten mittleren Flammengeschwindigkeit MWF für eine konstante Mo­ tordrehzahl als Funktion des Luftverhältnisses Lambda mit einem Maximum MWF_max, das zwei Teilkurven MWF_links und MWF_rechts voneinander trennt.

Fig. 4 zeigt als technisches Umfeld der Erfindung den Brennraum 2 mit Ionenstromsondenanordnung 4, Direkt- oder Saugrohreinspritzventil 4.6, Steuergerät 4.7, einem Laster­ fassungsmittel 4.8 und einem Drehzahlsensor 4.9. Anstelle des Einspritzventils kann auch ein geregelter Vergaser ver­ wendet werden.

Das Einspritzsignal ti wird gemäß der Struktur der Fig. 5 gebildet. Danach wird abhängig von Drehzahl n und Last L des Motors 5.1 ein Basiswert tiG des Kraftstoffzumeßsignals aus einem Grundkennfeld GK (Ziffer 5.2) erzeugt. Anschließend wird der Basiswert tiG bspw. wenigstens einmal multiplikativ und/oder additiv in Verknüpfungsblöcken 5.7, 5.8 korrigiert und bspw. als Einspritzimpulsbreite zur Ansteuerung eines Einspritzventiles verwendet. Über die Auswertung der Ionen­ ströme IS wird im Block 5.3 die mittlere Flammengeschwindig­ keit MWF der anschließenden Verbrennung erfaßt.

Es folgt der Regler 5.4, der bspw. als Extremwertregler aus­ gebildet ist und eine maximale mittlere Flammengeschwindig­ keit MWF einregelt. Dieses Ausführungsbsp. eignet sich bspw. besonders für einen Zweitakt-Kleinmotor, der stöchiometrisch bei MWF-max betrieben werden soll. Das Extremwertregelungs­ verfahren beruht auf einer Auswertung der MWF-Reaktion auf eine vorübergehende Veränderung der Kraftstoffmenge. Diese Reaktion zeigt an, ob man sich auf der rechten oder der lin­ ken Seite des MWF-Max befindet.

Dazu wird zunächst die aktuelle mittlere Verbrennungsge­ schwindigkeit MWF1 aus den Ionenstromsignalen gebildet. Die Flammengeschwindigkeit kann entweder rechts oder links vom Maximum MWF_max der Flammengeschwindigkeit liegen. Zur Ent­ scheidung über die relative Lage bezüglich MWF-max erfolgt eine vorbestimmte Veränderung der Kraftstoffmenge, bspw. ei­ ne Erhöhung. Die Veränderung kann selbstverständlich additiv oder multiplikativ über die Verbindung des Reglers 5.4 zum Verknüpfungsblock 5.7 erfolgen. Wenn MWF daraufhin steigt, gehörte MWF1 zum rechten Kennlinienzweig aus Fig. 3 und es muß nochmals angefettet werden. Wird MWF dagegen kleiner, so gehört MWF1 zum linken Kennlinienzweig und es muß nochmals abgemagert werden. Durch Wiederholung dieser Folge läßt sich innerhalb weniger Zyklen die zum Maximum MWF zugehörige Kraftstoffmenge bestimmen. Wegen der waagerechten Tangente im Maximum zeichnet sich diese durch kleine MWF-Reaktionen auf eine Veränderung der Kraftstoffmenge aus. Ein genügend nahe am Maximum liegender Wert kann demnach dadurch erkannt werden, daß die Reaktion der Verbrennungsgeschwindigkeit auf eine Änderung der Kraftstoffmenge ein vorbestimmtes Ausmaß nicht erreicht. Alternativ dazu kann die Nähe des Maximums auch daran erkannt werden, daß die Änderungsrichtung der Verbrennungsgeschwindigkeit wechselt.

Ist das maximale MWF gefunden, dann kann angefettet werden, wenn vorgegeben ist, daß der Motor etwas fetter laufen soll. Wenn der Motor magerer laufen soll, muß entsprechend abgema­ gert werden. Mit anderen Worten: Ein gewünschtes Kraft­ stoff/Luftverhältnis läßt sich durch vorbestimmtes Vergrö­ ßern oder Verkleinern derjenigen Kraftstoffmenge, die zu dem Maximum der Verbrennungsgeschwindigkeit führt, einstellen.

Die Differenz der so erhaltenen Kraftstoffmenge ti, die zum gewünschten Lambda führt, und der Basiskraftstoffmenge tiG wird zu einem Korrekturwert verarbeitet.

Dazu dient der Block 5.5. Dieser repräsentiert eine Mittel­ wertbildung der multiplikativen oder additiven Ausgangsgröße des Reglers 5.4 unter stationären Betriebsbedingungen. Sta­ tionäre Betriebsbedingungen liegen bspw. vor, wenn Last L und Drehzahl n näherungsweise konstant sind.

Zur Erkennung dieser stationären Bedingungen werden dem Block 5.5 die Signal L und n zugeführt. Zur Mittelwertbil­ dung wird dem Block 5.5 das Ausgangssignal des Reglers 5.4 zugeführt und im Block 5.5.1 gemittelt. Bleiben beide Signa­ le L und n in vorgegebenen Zeitintervallen jeweils innerhalb vorgegebener Schwankungsbreiten, wertet Block 5.5 dies als stationäre Betriebsbedingung. In diesem Fall wird der im Block 5.5.1 gebildete Mittelwert der Ausgangsgröße des Reg­ lers 5.4 über den im stationären Fall geschlossenen Schalter 5.5.2 ausgegeben und einem Lernkennfeld KKstat (Ziffer 5.6) übergeben, das abhängig von Last L und Drehzahl n adressier­ bar ist. Die im Kennfeld gespeicherten Werte wirken über den Verknüpfungsblock 5.8 auf Basissignal tiG so ein, wie die Ausgangssignale des Reglers 5.4 im Verknüpfungsblocks 5.7 Mit anderen Worten: Beide Blöcke 5.7, 5.8 wirken entweder additiv oder multiplikativ. Aus tiG wird durch die Korrektur tiK.

Beim nächsten Anfahren eines Lernkennfeldbereiches, dem be­ reits ein Korrekturwert eingeschrieben worden ist, wirkt dieser Korrekturwert im Block 5.8 so, daß sich kein Bedarf für eine weitere Korrektur im Block 5.7 ergibt. Bei voll­ ständigem Lernen und damit optimiertem Inhalt des Lernkenn­ feldes KKstat entfällt so gewissermaßen die Notwendigkeit für den regelnden Eingriff in Block 5.7. Damit werden insbe­ sondere Fehlanpassungen in Übergangsbetriebszuständen, die durch Totzeiten der Regelstrecke bedingt sind, vermieden.

Mit anderen Worten: Im Betrieb des Motors wird der Korrek­ turwert betriebspunktindividuell mit dem Basiswert ver­ knüpft. Das Lernverfahren zur Ermittlung des jeweils aktuell angepaßten Korrekturwertes wird in vorbestimmter Weise wie­ derholt, um eine fortlaufende Anpassung der Kraftstoffzumes­ sung an die sich verändernden Betriebsbedingungen des Motors zu gewährleisten.

Im folgenden wird noch eine vorteilhafte Weiterbildung be­ schrieben. Diese wirkt sich dann aus, wenn der Kleinmotor so lange betrieben worden ist, daß sein Luftfilter verschmutzt ist. Aufgrund des erhöhten Widerstandes des verschmutzten Luftfilters saugt der Kleinmotor weniger Luft an. Die be­ schriebene Lernfunktion reagiert darauf mit einer allmähli­ chen Verkleinerung der Kraftstoffmenge, um die gewünschte Gemischzusammensetzung aufrechtzuerhalten. Wenn nun der ver­ schmutzte Luftfilter gegen einen neuen ausgetauscht wird, stellt sich zunächst ein zu mageres Gemisch ein, das zu ei­ ner Überhitzungsgefahr für den Kleinmotor führt. Dieses zu magere Gemisch ist darauf zurückzuführen, daß im Lernkenn­ feld bspw. Korrekturfaktoren kleiner als Eins gespeichert sind. Um diese plötzliche kritische Abmagerung zu vermeiden wird bei einer plötzlichen Abmagerung das Lernkennfeld mit Einsen überschrieben. Die plötzliche Abmagerung infolge ei­ nes Luftfilterwechsels kann bspw. durch Auswerten der Diffe­ renz des alten und des neuen Korrekturfaktors im Lernkenn­ feld erfolgen. Ist diese zu groß, zeigt dies eine Fehlanpas­ sung an, die vermutlich für alle anderen Kennfeldplätze ebenfalls gilt. Das Überschreiben der Kennfeldplätze mit Einsen als neutralem Element der Multiplikation stellt dann eine definierte Ausgangssituation her, in der der Kleinmotor ohne Überhitzungsgefahr betrieben werden kann.

Alternativ zur Verwendung einer Einspritzanlage ist die Er­ findung auch in Verbindung mit einem Vergaser anwendbar. In diesem Fall bestimmt die Vergasergeometrie den Basiswert der Kraftstoffmenge und ersetzt damit u. a. das Grundkennfeld GK aus der Fig. 5. Der Korrektureingriff kann in diesem Fall auf die Luftmenge einwirken, bspw. durch Veränderung einer Bypassluftmenge außerhalb des an den Vergaserkraftstoffdüsen vorbeigeführten Hauptluftstroms. Der Korrektureingriff kann aber auch im Kraftstoffpfad wirken, bspw. durch Veränderung des Druckes in einer Schwimmerkammer des Vergasers.

Claims (10)

1. Verfahren zur Einstellung des Kraftstoff/Luft-Gemisches für einen Verbrennungsmotor, bei dem als Maß für das genann­ te Verhältnis die mittlere Verbrennungsgeschwindigkeit (MWF) des Kraftstoff/Luftgemisches ermittelt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ermittlung des genannten Maßes neben einem Absolutwert der mittleren Verbrennungsgeschwindigkeit (WF) auch die Änderungsrichtung der mittleren Verbrennungsge­ schwindigkeit als Funktion des Kraftstoff/Luft-Gemisches bei dem genannten Absolutwert ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch geändert wird und daß die resul­ tierende Änderung der Verbrennungsgeschwindigkeit zur Er­ mittlung der Änderungsrichtung ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch wiederholtes Ändern des Kraftstoff/Luft-Gemisches und Auswerten der resultierenden Änderungsrichtung das Maximum der Verbrennungsgeschwindigkeit aufgefunden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gewünschtes Kraftstoff/Luft-Gemisch durch vorbestimmtes Vergrößern oder Verkleinern derjenigen Kraftstoffmenge, die zu dem Maximum der Verbrennungsgeschwindigkeit führt, einge­ stellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Basiswert einer zuzumessenden Kraftstoffmenge abhängig von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors vorgegeben wird, daß ein Maß für den Unterschied des Basiswerts zu der Kraftstoffmenge, die zum gewünschten Kraftstoff/Luft-Gemisch führt, gebildet wird, daß dieses Maß als Korrekturwert gespeichert wird und im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors zur Korrektur des Basiswerts verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Maß betriebspunktindividuell in einem Lernkenn­ feld gespeichert und im weiteren Betrieb des Verbrennungsmo­ tors multiplikativ und/oder additiv mit dem Basiswert ver­ knüpft wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Maß in vorbestimmter Weise wiederholt neu gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein neu gebildetes Maß mit seinem Vorgängerwert verglichen wird und daß, wenn sich beide Werte zu stark unterscheiden, die gespeicherten Korrekturwerte durch neutrale Werte er­ setzt werden.

9. Vorrichtung zur Einstellung des Kraftstoff/Luft-Gemisches für einen Verbrennungsmotor, mit Mitteln zur Erfassung der mittleren Verbrennungsgeschwindigkeit MWF als Maß für die Zusammensetzung des genannten Kraftstoff/Luftgemisches, da­ durch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel neben einem Absolutwert der Verbrennungsgeschwindigkeit (WF) auch die Änderungsrichtung der mittleren Verbrennungsgeschwindigkeit als Funktion des Kraftstoff/Luft-Gemisches bei dem genannten Absolutwert erfassen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Verbrennungsgeschwindigkeit aus den Signalen zweier Ionenstromsonden im Brennraum des Verbrennungsmotors gewonnen wird.