DE2840793C3

DE2840793C3 - Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge

Info

Publication number: DE2840793C3
Application number: DE2840793A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Bauer; Peter Dipl Ing Schmidt; Herbert Dipl Ing Stocker; Bernd Przybyla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-09-20
Filing date: 1978-09-20
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 1998-09-21
Also published as: GB2031186B; JPH0134288B2; US4275695A; GB2031186A; DE2840793C2; DE2840793A1; JPS5543292A; FR2436881A1; JPH0134287B2; FR2436881B1; JPS62157245A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Bestimmen der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge nach dem Oberbegriff des Verfahrensanspruchs, sowie von einer entsprechend arbeitenden Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Bekannt ist aus der DE-OS 21 50 187 Eine "Mit Luftmengenmessung ar beitende elektrisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzanlage für Brenn kraftmaschinen". Der dort offenbarte Sensor für die das Ansaugrohr durchströmende Luftmasse ist ein sogenannter Hitzdraht-Luftmassen sensor, der nach dem Prinzip des Konstanttemperatur-Anemometers ar beitet. Dieses Prinzip beruht auf der Tatsache, daß die Abkühlung eines im Ansaugstrom der Brennkraftmaschine liegenden Hitzdrahts von der vorbeiströmenden Luftmasse abhängig ist, und der zur Aufrechter haltung einer konstanten Temperatur erforderliche Strom kann als Luftmassensignal ausgewertet werden. Zusammen mit dem Drehzahlsignal wird dann eine Einspritzzeit für Einspritzventile bestimmt.

Die DE-OS 24 48 304 offenbart eine "Elektrisch gesteuerte Kraft stoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen". Dort wird der Strom meßwert nahe des Sensors in eine Frequenz umgewandelt, das Frequenz signal linearisiert und schließlich in einer Steuereinrichtung zu sammen mit der Drehzahl und weiteren Größen zu einem Einspritzsignal weiter verarbeitet.

Aus der US-PS 3 991 727 ist ein elektronisch gesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem bekannt, bei dem die das Luftansaugrohr der Brennkraftmaschine durchströmende Luftmasse mittels eines Klappen-Luftmengenmessers bestimmt wird. Dabei ist die Klappe mit einem Potentiometer gekuppelt, dessen Ausgangsspannung nach einer Analog/Digital-Wandlung einem Lese-Speicher (ROM) zur Linearisierung zugeführt wird. Im weiteren wird das linearisierte und digitale Signal zur Bildung einer Einspritzzeit über eine Multiplizierstufe weiter verarbeitet.

Die DE-OS 28 00 645 betrifft eine "Einrichtung zur Erfassung von Analogdaten für Digitalrechner". Als Anwendung dieser Einrichtung ist die Verwendung der offenbarten Einrichtung in Verbindung mit einem Kraftstoffeinspritzsystem bei einer Brennkraftmaschine behandelt. Dabei heißt es, daß die für die Bestimmung des Kraftstoffanteils in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch wesentliche Größe die im Zylinder im Augenblick der Verbrennung vorhandene Luftmenge ist, die über das Integral während einer oder mehrerer Halbumdrehungen des Motors berechnet wird. Die bekannten Einrichtungen haben sich noch nicht als optimal bezüglich der Bereitstellung eines exakten Last signals erwiesen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge bzw. -masse sowie eine entsprechende Einrichtung zu schaffen, die Nichtlinea ritäten im Ausgangssignal des Sensors optimal und kostengünstig verarbeitet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber der bekannten Einrichtung den Vorteil, daß für die Bildung des Zumeß signals die einzelnen Betriebskenngrößen in sehr günsti ger Weise verarbeitet werden. Es wird fortlaufend ein auf die Bedürfnisse der Brennkraftmaschine in optimaler Weise zugeschnittenes Zumeßsignal bereitgestellt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, das digitalisierte Signal des Luftmengenmessers zur Linearisierung einem Kennfeld zu zuführen und dessen Ausgangssignal dann als Luftmengen signal zu verarbeiten. Da in bestimmten Betriebsbereichen und Lastzuständen der Brennkraftmaschine eine Pulsation der Luftmenge im Luftansaugrohr stattfindet und damit das Ausgangssignal des Luftmengenmessers verfälscht ist, empfiehlt sich ein weiteres Korrekturkennfeld, welches unter anderem gerade diese Pulsationsfehler auszugleichen vermag.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in grob schematischer Darstellung eine Einrichtung zum Erzeugen von Einspritz signalen samt den dazugehörigen Betriebskenngrößengebern,

Fig. 2 das Ausgangssignal eines Luftmengenmessers auf getragen über dem Kurbelwellenwinkel,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Einspritzimpulserzeugerstufe,

Fig. 4 drei Diagramme zur Erläuterung der Art und Weise, wie das Luftmengensignal digitalisiert wird,

Fig. 5 ein Kennfeld bezüglich des Ausgangssignals des Luftmengen messers abhängig vom Luftdurchsatz,

Fig. 6 verdeutlicht die Wirkungsweise der Summierstufe beim Gegenstand von Fig. 3, und

Fig. 7 gibt an, wie ein Pulsationsfehler des Luftmengenmesser-Ausgangssignals entsteht.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein großes Übersichtsblockschaltbild einer Einspritzanlage bei einer Brennkraftmaschine. Mit 10 ist ein Drehzahlmesser bezeichnet, mit 11 ein Luftmengen messer. Die Ausgänge beider Sensoren sind zu den Ein gängen 12 und 13 eines Zeitgliedes 14 geführt, an des sen Ausgang 15 ein unkorrigiertes Einspritzsignal der Länge tl auftritt. Es folgt eine Korrekturstufe 16 zur Korrektur des aus Drehzahl und Last ermittelten Ein spritzsignals abhängig von den Ausgangssignalen eines λ-Sensors 17 sowie eines Temperaturmessers 18. Der Korrekturstufe 16 folgt schließlich gegebenenfalls über eine Treiberstufe die Magnetwicklung eines elektroma gnetischen Einspritzventiles 19.

Das Blockschaltbild von Fig. 1 gilt sowohl für die Ein richtung nach dem Stande der Technik als auch prinzipiell für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 2 ist das Ausgangssignal des Luftmengenmessers 11 über der Zeit dargestellt. Auf der Zeitachse sind gleichzeitig Winkelangaben zur jeweiligen Stellung der Kurbelwelle gemacht. Erkennbar ist ein schwankender Luftdurchsatz im Ansaugrohr über einer vollen Kurbel wellenumdrehung, der davon herrührt, daß die Luftein trittsöffnungen in die Brennräume nicht immer den glei chen Querschnitt aufweisen. Zwar hat beim Vier-Zylinder- Vier-Takt-Motor jeweils ein Ventil geöffnet und es tre ten sogar Überschneidungen der geöffneten Einlaßventile auf, doch schwankt das Maß der Gesamteintrittsflächen sowie die Richtung der Luftströmung und dadurch ergibt sich auch ein schwankender Luftdurchsatz im Ansaugrohr entsprechend der Darstellung von Fig. 2. Die Kurve macht deutlich, daß bei der Bestimmung der Einspritz zeit abhängig vom Luftdurchsatz nicht ein einzelner mo mentaner Wert verwertet werden darf, sondern vielmehr der Luftdurchsatz wenigstens über und pro 360° Kurbel wellenwinkel gemittelt werden muß. Um dies zu erreichen, wird das Luftmengensignal über eine volle Kurbelwellen umdrehung integriert, da dann der gesamte Luftdurchsatz bzw. die gesamte angesaugte Luftmenge erfaßt wird.

Fig. 3 zeigt ein ausführliches Blockschaltbild des Ge genstandes von Fig. 1. Der Luftmengenmesser 11 enthält einen Hitzdraht 20 in einer Brückenschaltung mit drei weiteren Widerständen 21, 22 und 23 und in Reihe zu die ser Brückenschaltung liegt ein Meßwiderstand 25 gegen Masse. Die Spannung über diesem Meßwiderstand 25 ent spricht in einer bestimmbaren Funktion dem Luftdurchsatz im Ansaugrohr und sie wird über einen Spannungswandler 26 auf den Ausgang des Luftmengenmessers 11 durchgeschal tet. Dem Eingang 13 des Zeitgliedes 14 von Fig. 1 folgt ein Spannungs-Zahlen-Wandler 30 und nachfolgend ein Kenn feld 31. Diesem ist wiederum ein Summierer 32 nachge schaltet. Er wirkt als Integrator und bildet in dieser Eigenschaft die Summe der Produkte eines Zeitintervalls TA mal der jeweiligen Luftmenge m(i). Das Ausgangssi gnal des Summierglieds 32 in Form eines Zahlenwertes wird in einem weiteren Kennfeld 33 korrigiert und schließ lich einem Zahlen-Zeit-Wandler 34 zugeführt. Das dreh zahlabhängig getriggerte Ausgangssignal des Zahlen-Zeit- Wandlers 34 wird dann über eine Treiberstufe den Ein spritzventilen zugeführt.

Das Summierglied 32 addiert die angegebenen Produkte je weils nur über einen bestimmten Winkelbereich der Kurbel welle, so daß eine Additionssteuerstufe 36 einem Steuer eingang 37 des Summiergliedes 32 vorgeschaltet ist und die Addiersteuerstufe 36 wiederum mit dem Drehzahlmesser 10 in Verbindung steht.

Der Spannungs-Zahlenwandler 30 arbeitet nach dem soge nannten Auszähl-Verfahren, d. h., daß der Eingangsspan nungswert mittels einer konstanten Zählfrequenz ausge zählt wird und dieser Zählvorgang jeweils nach bestimm ten Zeit- oder Winkelintervallen von neuem erfolgt.

Der Spannungs-Zahlen-Wandler 30 wirkt zusammen mit einem ersten Oszillator 40 für die Zählfrequenz, die mittels eines Schalters 41 während bestimmter Zeitintervalle dem Auszählvorgang der Eingangsspannung U_H dient. Die Inter vallsteuerung des Schalters 41 nimmt dabei ein weiterer Oszillator 42 wahr, der ein Impulssignal gegebenenfalls veränderbarer Frequenz liefert. In Fig. 3 ist diese Änderungsmöglichkeit abhängig von der Drehzahl mit ei nem (geschlossenen) Schalter 43 angedeutet, der eine Verbindung von Oszillator 42 mit dem Drehzahlmesser 10 schafft.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung von Fig. 3 läßt sich am besten anhand der Fig. 4 bis 7 beschrei ben, wobei die einzelnen Figuren einzelnen Bausteinen der Fig. 3 zuzuordnen sind.

In Fig. 4 ist das Signalverhalten des Spannungs-Zahlen- Wandlers 30 zusammen mit den Oszillatoren 40 und 42 so wie dem Schalter 41 dargestellt. So zeigt Fig. 4a das Ausgangssignal des Oszillators 42, dessen Periodendauer TA etwa eine Millisekunde beträgt, um eine feine Abstu fung des abzufragenden Luftmengenmesser-Ausgangssignals zu erhalten.

Fig. 4b verdeutlicht die Arbeitsweise des Spannungs-Zah len-Wandlers 30. Die geschwungene Linie zeigt das Aus gangssignal des Luftmengenmessers 11. Ein Zähler im Spannungs-Zahlen-Wandler 30 zählt jeweils ausgelöst durch Impulse vom Oszillator 42 bis zu einem Wert, der dem jeweiligen momentanen Wert der Eingangsspannung ent spricht. Da der Einzählvorgang mit konstanter Frequenz aus dem Oszillator 40 erfolgt, ist somit die Einzähl dauer und das Zählergebnis proportional zur jeweiligen Höhe des Eingangssignals zum Ende des Zählvorgangs. In Fig. 4b ist eine sehr starke Zeitdehnung gewählt. In Wirklichkeit ergeben sich keine so hohen Wertesprünge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zählvorgängen und das Ausgangssignal des Spannungs-Zahlen-Wandlers weist zeit lich gesehen eine kaum wahrzunehmende Abweichung vom Eingangssignal auf nur mit dem Unterschied, daß die je weiligen Werte als Zahlen und nicht als analoge Span nungswerte vorliegen. Der proportionale Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Einzählvorgang aufgrund der konstanten Zählfrequenz ist in Fig. 4c verdeutlicht. Gleichzeitig sind die Grenzen der Eingangsspannung, UH/min und UH/max dargestellt, die entsprechende Zähl zeiten TP/min und TP/max ergeben.

Da der Zähler im Spannungs-Zahlen-Wandler 30 jeweils zu Beginn eines Ausgangsimpulses des Oszillators 42 zurück gesetzt wird, steht das Zählergebnis jeweils für eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Zeit dauer zur Verfügung.

In Fig. 5 ist der Zusammenhang von Luftmassendurchsatz im Ansaugrohr und dem Ausgangssignal des Luftmengenmes sers 11 dargestellt. Da der Zusammenhang nichtlinear ist, bedarf es einer Linearisierung des Signals, um einen Mittelwertfehler zu vermeiden. Er kommt dadurch zustande, weil die Schwankungen im Luftstrom nicht sym metrisch übertragen werden und somit der Mittelwert des Ausgangssignals nicht dem Mittelwert des Luftmassen durchsatzes entspricht. Zwar haben die einzelnen Grenzwerte eine feste Zuordnung, doch ergibt sich wegen der Nicht linearität bei exakt sinusförmigem Eingangssignal nicht auch ein sinusförmiges Ausgangssignal.

Um eine Proportionalität zwischen Luftmassendurchsatz und Luftmassensignal zu erhalten, wird das in Fig. 3 mit 31 bezeichnete Kennfeld verwendet. Sie ist erreichbar mit tels eines Speichers mit nichtlinearen Werten, die ent sprechend dem jeweiligen Eingangssignal ausgelesen wer den. Die Linearisierung kann auch über entsprechende Werte im Speicher 33 erreicht werden, sofern eine gewisse Ge nauigkeitseinbuße in Kauf genommen wird.

Die Figuren von Fig. 6 verdeutlichen Aufgabe und Wir kungsweise des Summiergliedes 32 von Fig. 3.

Es ist bekannt, daß die Einspritzzeit bei einer Brenn stoff-Einspritzanlage proportional zum Quotienten /n sein muß. Da der reziproke Wert der Drehzahl der Perio dendauer entspricht, ist die Einspritzzeit auch der Fläche unterhalb der Luftdurchsatzlinie über der Zeit (T_KW) einer Umdrehung der Kurbelwelle proportional. In mathematischer Schreibweise ergibt sich folgender Zusam menhang.

Eine angenäherte Integration läßt sich in bekannter Weise auch durch Addition endlicher Flächenelemente bilden. Man unterteilt zu diesem Zweck das zuvor genannte Integra tionsintervall - die Periodendauer einer Kurbelwellenum drehung - in eine Vielzahl konstanter Zeitintervalle der Dauer TA, ermittelt zum Zeitpunkt eines jeden Zeitinter valls TA den dazugehörigen Wert des Luftmassendurchsatzes L(i) und addiert entsprechend der nachfolgend genannten Formel.

Zur bildlichen Erläuterung des Integrations- und Addi tionsvorganges wird auf die Fig. 6a und 6b verwiesen. Während die Kurve nach Fig. 6a keine Unstetigkeiten in Wert und Steigung aufweist, und die darunterliegende Fläche dem integrierten Wert entspricht, enthält die Darstellung von Fig. 6b auf der Zeitachse konstante Zeitintervalle der Dauer TA, zu deren Anfangszeiten jeweils der entspre chende Luftmengendurchsatzwert bestimmt wird. Wählt man die Dauer der Zeitintervalle TA hinreichend klein, dann wird auch der Fehler, der beim Additionsvorgang im Ver gleich zur Integration auftritt, vernachlässigbar klein.

Beim Gegenstand von Fig. 3 wird die aus Fig. 6b er sichtliche Abtastung des Luftmassendurchsatz-Wertes zu bestimmten Zeiten und anschließende Addition der Produkte von Zeitintervall und momentanem Durchsatzwert ausgenutzt. Dazu muß die Additionssteuerstufe 36 die jeweiligen Addi tionsvorgänge steuern. Das bedeutet eine Triggerung des Summiergliedes 33 abhängig von Winkelpositionen der Kur belwelle, die mit dem Drehzahlmesser 10 erfaßt werden. Der Additionsendwert am Ende einer Kurbelwellenumdrehung wird als Zahlenwert den weiteren Stufen, z. B. einem wei teren Kennfeld 33 zur Verfügung gestellt und anschließend in eine Zeitdauer umgewandelt, die dann das eigentliche Einspritzsignal darstellt.

Dabei kann die Zahlen-Impulsdauer-Wandlung im Zahlen- Zeit-Wandler 34 abhängig von einem Triggersignal vom Drehzahlmesser 10 erfolgen.

Um auch bei hohen Drehzahlen der Kurbelwelle der Brenn kraftmaschine noch ein ausreichend exaktes Additionser gebnis zu erhalten, wird eine Intervalldauer TA für den Abtastvorgang des Luftmengenmesser-Ausgangssignal von etwa einer Millisekunde gewählt.

Realisierbar ist das in Fig. 3 dargestellte Summierglied 32 zweckmäßigerweise mittels eines Kleinrechners, dessen Struktur bekannt ist und dessen Einzelteile handelsüblich sind.

Bei einer bestimmten Kombination der Betriebskenngrößen Drehzahl und Last kann der Luftstrom im Luftansaugrohr derart stark pulsieren, daß zeitweilig die Luftsäule auch entgegen der Ansaugrichtung wandert. Der Luftmen genmesser in Form eines Hitzdrahts oder Heißfilmes kann in der Regel eine Luftstromrichtungsumkehr nicht erken nen und das Ausgangssignal des Luftmengenmessers 11 ist daher bei diesen speziellen Betriebszuständen nicht korrekt. Verdeutlicht wird dies beim Diagramm von Fig. 7. Dort ist gestrichelt gezeichnet der Verlauf des tat sächlichen Luftstromes, wobei der negative Wert eine Stromrichtungsumkehr bedeutet. Da diese Stromrichtungs umkehr vom Hitzdraht als Luftmengenmesser nicht erkannt wird, wird auch während dieser Winkelphase ein Luftstrom zur Brennkraftmaschine hin signalisiert.

Mit Hilfe des Kennfeldes 33 in Fig. 3 kann diesem Meß fehler begegnet werden, indem bei bestimmten Betriebs kenngrößen ein entsprechend eingeschriebener Wert aus dem Kennfeld 33 ausgelesen wird. Des weiteren ist die ses Kennfeld 33 z. B. zur Korrektur des Einspritzsignals abhängig von der Temperatur vorgesehen.

Mit der vorgeschlagenen Einrichtung läßt sich somit das Kraftstoffzumeßsignal für eine Brennkraftmaschine exakt bestimmen, wobei programmierbare Kennfelder dafür sor gen, daß aus der Signalaufbereitung resultierende Fehler sowie auf den Brennkraftmaschinentyp bezogene Fehler an der jeweils günstigsten Stelle korrigiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge bzw. -masse unter Verwendung eines Lastfühlers, der als Ausgangssignal ein der angesaugten Luftmenge bzw. -masse entsprechendes Analogsignal erzeugt, das Analogsignal in ein Digitalsignal gewandelt wird und anschließend eine Linearisierung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal zu bestimmten Zeiten oder zu bestimmten Winkelstellungen der Kurbelwelle abgetastet wird, eine Vielzahl von Abtastungen des Analogsignals während eines vorgegebenen Winkelbereichs der Kurbelwelle erfolgt, die Digitalsignale nach der Linearisierung über den vorgegebenen Winkelbereich der Kurbelwelle zu einem Summensignal summiert werden und dieses Summensignal als das der angesaugten Luftmenge bzw. -masse entsprechendes Signal im Rahmen der Bildung eines Kraftstoffzumeßsignals korrigiert wird, und bei dieser Korrektur die Auswirkungen von Pulsationen des Luftansaugstroms auf das Meßergebnis berücksichtigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisierung und/oder Korrektur mittels eines Kennfeldes erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analog-Digital-Wandlung des Lastsignals mittels eines Auszählvorganges des zu wandelnden Wertes in zuvor bestimmbaren Zeiten mit insbesondere gleichbleibenden Zeitintervallen erfolgt.

4. Einrichtung zum Bestimmen der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge bzw. -masse unter Verwendung eines Lastfühlers, der als Ausgangssignal ein der angesaugten Luftmenge bzw. -masse entsprechendes Analogsignal erzeugt, mit einem Analog-Digitalwandler (Spannungs-Zahlen-Wandler 30) sowie einem nachgeschalteten Linearisierungsmittel (31), dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal zu bestimmten Zeiten oder zu bestimmten Winkelstellungen der Kurbelwelle abgetastet wird, eine Vielzahl von Abtastungen des Analogsignals während eines vorgegebenen Winkelbereichs der Kurbelwelle erfolgt, die Digitalsignale nach der Linearisierung über den vorgegebenen Winkelbereich der Kurbelwelle zu einem Summensignal summiert werden und dieses Summensignal als das der angesaugten Luftmenge bzw. -masse entsprechendes Signal im Rahmen der Bildung eines Kraftstoffzumeßsignals korrigiert wird, bei dieser Korrektur die Auswirkungen von Pulsationen des Luftansaugstromes auf das Meßergebnis berücksichtigt werden, und die Linearisierung und/oder Korrektur mittels eines Kennfeldes erfolgt.