DE3741527A1 - Steuer-/regelsystem fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuer-/Regelsystem zum Einstel­ len des Luft/Kraftstoff-Gemisches einer Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Derartige Systeme weisen eine dem Abgas der Brennkraftmaschi­ ne ausgesetzte λ-Sonde auf, die ein Ausgangssignal abgibt, das ein Maß für die Luftzahl λ darstellt. Insbesondere kommt eine λ-Sonde zur Anwendung, deren Kennlinie im Bereich von λ =1 im wesentlichen sprungartiges Verhalten aufweist (λ-Sonde vom Nernst-Typ). Weiterhin verfügt das Steuer-/Regelsystem über einen Grundspeicher, einen Sollwertspeicher und eine Regeleinrichtung. Im Grundspeicher werden Kraftstoffzumeß­ zeiten (z. B. Einspritzzeiten für die Einspritzventile der Brennkraftmaschine) in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine gespeichert und im Sollwertspeicher werden Sollwerte der Luftzahl λ in Abhängigkeit von Betriebs­ kenngrößen der Brennkraftmaschine abgelegt. Die Regeleinrich­ tung korrigiert in Abhängigkeit eines jeweils gemessenen Ausgangssignals der g-Sonde und eines zugeordneten aus dem Sollwertspeicher ausgelesenen Sollwerts die jeweils aus dem Grundspeicher ausgelesene Kraftstoffzumeßzeit.

Üblicherweise werden schadstoffarme Fahrzeuge mit einem im Abgas der Brennkraftmaschine angeordneten Drei-Wege-Katalysa­ tor betrieben. Um die optimale Konvertierungsrate des Kataly­ sators zu gewährleisten, ist es erforderlich, daß eine Luft­ zahl von λ=1 nahezu exakt eingehalten wird, d. h. die Luft­ zahl λ darf nur um einen bestimmten zulässigen Betrag um den Wert von λ=1 schwanken (sogenanntes Katalysator-Fenster). Bei praktisch ausgeführten Regelsystemen wird häufig nicht exakt auf λ=1 sondern auf λ≈1 (z. B. λ=0,998) geregelt. Aus Vereinfachungsgründen wird im folgenden weiterhin der Begriff λ=1-Regelung verwendet, wobei dieser Begriff auch eine Regelung auf λ≈1 umfassen soll.

Verzichtet man auf das Anordnen eines Katalysators, besteht eine weitere Möglichkeit, bestimmte Schadstoffkomponenten der Abgase einer Brennkraftmaschine zu reduzieren darin, die Brennkraftmaschine im mageren Bereich (λ<1) zu betreiben. So wird beispielsweise bei einer Luftzahl von λ=1,4 eine starke Absenkung der im Abgas enthaltenen Stickoxide (NOx) erreicht. Der Kohlenmonoxydgehalt (CO) des Abgases ist be­ reits bei Luftzahlen ab λ=1 sehr gering. Allerdings kommt es bei großen Luftzahlen (ab λ≈1,1) zu einem Anstieg des Kohlenwasserstoffgehaltes (HC) des Abgases. Dem Vergrößern der Luftzah λ und dem damit möglichen Reduzieren der genann­ ten Schadstoffkomponenten steht jedoch das Fahrverhalten der Brennkraftmaschine entgegen. Um ein ausreichendes Fahrverhal­ ten der Brennkraftmaschine in jeder Betriebsphase zu errei­ chen, ist es erforderlich, in bestimmten Betriebsphasen (z. B. Leerlauf, Vollast) das Luft/Kraftstoff-Gemisch durch Vergrößern der zugegebenen Kraftstoffmenge anzufetten, so daß sich Werte der Luftzahl λ einstellen, die unter Umstän­ den kleiner als 1 sind.

Um einen solchen breiten Regelungsbereich (λ≈0,9 bis 1,4) regelungstechnisch sicher abdecken zu können, ist es gemäß den im Stand der Technik vorhandenen Lösungen erforderlich, mehrere Regler einzusetzen oder mittels aufwendiger schalt­ technischer Maßnahmen ein Umschalten zwischen einzelnen Regelbereichen zu erreichen. So ist aus der DE-OS 32 31 122 eine Regeleinrichtung für die Gemischzusammensetzung einer Brennkraftmaschine mit umschaltbaren Regelbereichen für λ=1-Bereich und Magerbereich bekannt, wobei die λ=1-Re­ gelung mittels eines Zweipunktreglers und Magerregelung ent­ weder über einen geänderten Sollwert des Zweipunktreglers oder mit Hilfe eines stetigen Reglers erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer-/Regel­ system zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Gemisches insbeson­ dere für eine Regelung im Magerbereich zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Steuer-/Regelsystem zeichnet sich da­ durch aus, daß der Sollwertspeicher den Kehrwert der Luft­ zahl g speichert und abhängig von den Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine die aus dem Grundspeicher zum Vorsteuern der Brennkraftmaschine auf eine vorgegebene Luftzahl λ je­ weils ausgelesene Kraftstoffzumeßzeit mit dem zugeordneten aus dem Sollwertspeicher ausgelesenen Kehrwert der Luftzahl λ zum Gewinnen einer an eine Änderung der vorgegebenen Luft­ zahl λ angepaßten Kraftstoffzumeßzeit multiplikativ ver­ knüpft wird. Um den Einfluß von Störgrößen zu berücksichti­ gen, wird der Vorsteuerung eine λ-Regelung überlagert. Hier­ zu weist das erfindungsgemäße Steuer-/Regelsystem eine Umwandlungseinrichtung auf, die mit Hilfe eines zumindest näherungsweise bekannten sondencharakteristischen Zusammen­ hangs zwischen dem Ausgangssignal der λ-Sonde und der Luft­ zahl λ das Ausgangssignal in einen entsprechenden Kehrwert der Luftzahl λ umwandelt, und der Regeleinrichtung des erfin­ dungsgemäßen Steuer-/Regelsystems eine Regelabweichung zuge­ führt wird, die auf Grundlage der Differenz von in Abhängig­ keit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine aus dem Sollwertspeicher ausgelesenen Kehrwerten der Luftzahl λ und den zugeordneten von der Umwandlungseinheit aufgrund des Aus­ gangssignal der λ-Sonde ermittelten Kehrwerten der Luftzahl als Ist-Werten bestimmt wird.

Gegenüber den bekannten Systemen hat das erfindungsgemäße Steuer-/Regelsystem den Vorteil, daß beispielsweise bei einer Regelung im mageren Bereich (λ≈0,9 bis 1,4) im gesamten Bereich nur eine Regeleinrichtung notwendig ist und zusätzliche aufwendige schaltungstechnische Maßnahmen vermie­ den werden. Die bekannten Regelsysteme regeln auf die Luft­ zahl λ und verändern proportional zur Regelabweichung die Kraftstoffzumeßzeit. In Wirklichkeit besteht jedoch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Luftzahl λ und der zugegebenen Kraftstoffmenge. So ist die Luftzahl λ proportio­ nal dem Kehrwert der Kraftstoffmenge bzw. umgekehrt die zuge­ gebene Kraftstoffmenge proportional dem Kehrwert der Luft­ zahl λ. Bei einer Regelung auf λ=1 ergibt sich bei einer proportionalen Kraftstoffzumessung ein relativ geringer Feh­ ler, sofern die Regelabweichung genügend klein gehalten wird, da die Luftzahl λ in diesem Bereich ungefähr mit ihrem Kehrwert identisch ist. Eine solche Regeleinrichtung im ge­ samten Magerbereich einzusetzen führt jedoch aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Luftzahl λ und der Kraftstoffmenge bei der Kraftstoffzumessung im mageren Be­ reich zu erheblichen Fehlern. Diese Fehler werden beim erfin­ dungsgemäßen Steuer-/Regelsystem durch Regelung auf den Kehr­ wert der Luftzahl λ vermieden. Das erfindungsgemäße Steuer-/ Regelsystem hat den Vorteil, daß die Regelung im gesamten zu regelnden λ-Bereich linear ist, da die Umwandlungseinrich­ tung der Regeleinrichtung den Kehrwert der Luftzahl λ zu­ führt und daß nicht wie üblich, die Ausgangssignale der λ-Sonde direkt zur Regelung herangezogen werden. Unabhängig von der Höhe des jeweiligen Sollwertes entspricht eine be­ stimmte prozentuale Regelabweichung bezogen auf den Sollwert derselben Stellgröße, so daß die Verstärkung des Reglers un­ abhängig vom Sollwert gewählt werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Speicher (Grundspeicher, Sollwertspeicher), die Regeleinrich­ tung und die Umwandlungseinheit Funktionseinheiten eines Mikrorechners. Besonders vorteilhaft ist es, die Kraftstoff­ zumeßzeiten, die Sollwerte der Luftzahl λ und den sondencha­ rakteristischen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal der λ-Sonde und der Luftzahl λ in Kennfeldern abzulegen, die mittels den Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine adres­ siert werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung werden Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In der Figur ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Steuer-/ Regelsystems dargestellt, das Kraftstoffeinspritzzeiten auf Grundlage von 1/λ-Werten regelt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Das Steuer-/Regelsystem gemäß der Figur verfügt über einen Grundspeicher 10, aus dem Kraftstoffzumeßzeiten T _LKF zum Vor­ steuern einer Brennkraftmaschine (BKM) 12 ausgelesen werden. Als Eingangsparameter des Grundspeichers 10 dienen die Dreh­ zahl n und eine Lastkenngröße L der Brennkraftmaschine 12. Je nach vorhandener Sensoreinrichtung kann als Lastkenngröße die Drosselklappenstellung der Brennkraftmaschine, der Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine oder die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse verwendet werden.

Das Steuer-/Regelsystem weist weiterhin eine λ-Sonde 14, eine Umwandlungseinheit 16, einen Sollwertspeicher 18 und eine Regeleinrichtung 20 auf. Die Regeleinrichtung 20 ver­ fügt über ein Zeitglied 20.1 und eine Korrektureinrichtung 20.2. Weiterhin sind eine Umschalteinrichtung 22 und eine Regelungsfreigabe-Einrichtung 24 vorhanden.

Der wie der Grundspeicher 10 über die Drehzahl und eine Last­ kenngröße der Brennkraftmaschine adressierbare Sollwertspei­ cher 18 ist in drei Bereiche unterteilt, nämlich in einen Bereich, in dem die Kehrwerte der Solluftzahl λ für λ größer und kleiner als 1 gespeichert sind, einen Bereich, in dem der Soll-Kehrwert der Luftzahl g=1 für eine Regelung mit Katalysator gespeichert ist und einen Bereich, in dem Soll- Kehrwerte der Luftzahl λ für eine Steuerung der Brennkraftma­ schine 12 bei bestimmten Betriebsphasen (z. B. Warmlaufpha­ se, Beschleunigungsphase, Verzögerungsphase) gespeichert sind. Aus welchem der drei Bereiche jeweils die Soll-Kehrwer­ te der Luftzahl λ ausgelesen werden, bestimmt die Umschalt­ einrichtung 22, der die Motortemperatur T _W , die Änderungsge­ schwindigkeit einer Lastkenngröße dL/dt und die Information, ob ein Katalysator im Abgas der Brennkraftmaschine vorhanden ist, zugeführt wird und die aufgrund der genannten Größen über einen Schalter 22.1 den zugeordneten Bereich ansteuert, in dem der Kehrwert der Luftzahl λ als Sollwert abgespei­ chert ist.

Der Grundspeicher 10 wird zweckmäßigerweise als Grundkenn­ feld für Kraftstoffzumeßzeiten für eine Steuerung/Regelung auf λ=1 ausgebildet. Ein solches Grundkennfeld ist für viele Fahrzeuge ausgemessen und erprobt. Das Einstellen die­ ser Kraftstoffzumeßzeiten wird üblicherweise auf einem Prüf­ stand durchgeführt.

Die aus dem Grundspeicher 10 ausgelesenen Kraftstoffzumeßzei­ ten T _LKF werden mit den aus dem Sollwertspeicher entspre­ chend der Stellung des Schalters 22.1 der Umschalteinrich­ tung 22 ausgelesenen Kehrwerten der Luftzahl λ, die gleich­ zeitig Korrekturfaktoren (MFK) darstellen, multiplikativ ver­ knüpft, wobei sich die Kraftstoffzumeßzeit T _LKF* ergibt. Hat die Brennkraftmaschine 12 ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht oder befindet sich die Brennkraftmaschine 12 in einer instationären Phase (Beschleunigung, Verzögerung) dient die Kraftstoffzumeßzeit T _LKF zur Vorsteuerung der Brennkraftmaschine 12.

Hat die Brennkraftmaschine 12 ihre normale Betriebstempera­ tur erreicht und arbeitet sie in stationärem Betrieb, d. h. der Betrag der Änderungsgeschwindigkeit einer Lastkenngröße ist kleiner als ein vorgegebener Wert, so schließt die Regelungsfreigabe-Einrichtung 24 einen Schalter 24.1 und die Kraftstoffzumeßzeit T _LKF wird multiplikativ mit einem von der Regeleinrichtung 20 ausgegebenen Korrekturfaktor FALK überlagert, wodurch sich die Kraftstoffzumeßzeit T _E ergibt. Die Ermittlung des Korrekturfaktors FALK wird im folgenden näher erläutert.

Zunächst gibt die im Abgas der Brennkraftmaschine 12 angeord­ nete λ-Sonde 14 ein Ausgangssignal U _S ab, das einer Umwand­ lungseinheit 16 zugeführt wird. Die Umwandlungseinheit 16 er­ mittelt mit Hilfe eines zumindest näherungsweise bekannten sondencharakteristischen Zusammenhang zwischen dem Ausgangs­ signal der λ-Sonde 14 und der Luftzahl λ den entsprechenden Kehrwert der Luftzahl λ. Dieser aktuelle Kehrwert der Luftzahl λ als Istwert wird einem Vergleicher 26 zugeführt. Gleichzeitig steht an dem Vergleicher 26 ein aus dem Soll­ wertspeicher 18 ausgelesener entsprechender Kehrwert der Luftzahl λ als Sollwert an. Die Differenz von Istwert und Sollwert der Luftzahl λ wird dem Zeitglied 20.1 der Regelein­ richtung 20 als Regelabweichung zugeführt. Die nachgeschalte­ te Korrektureinrichtung 20.2 ermittelt daraufhin den Korrek­ turfaktor FALK.

Eine sprungartige Änderung der Luftzahl λ bei relativ großen Abweichungen des Sollwertes vom Istwert und damit eine sprungartige Änderung der Kraftstoffzumeßzeit hat eine sprungartige Änderung des Drehmomentes der Brennkraftmaschi­ ne zur Folge. Dies äußert sich für den Fahrer einer Brenn­ kraftmaschine in einem ruckartigen Verhalten des Fahrzeugs. Bei einem Beschleunigungsvorgang ist dieser Ruck durchaus erwünscht. Negativ wird ein Ruck jedoch empfunden, falls bei Verzögerungsphasen eine sprungartige Änderung (Vergrößerung) der Luftzahl λ in den mageren Bereich hinein erfolgt. So bringt beispielsweise ein Abmagerungssprung der Luftzahl von ca. 20% (z. B. λ-Soll alt = 1,2, λ-Soll neu = 1,3) einen Leistungsabfall von ca. 10 bis 15% mit sich. Damit dieser Leistungsabfall nicht plötzlich erfolgt, wird bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Steuer-/Regelsystems durch eine Abregelungseinheit (27) mit vorgegebener Absenkgeschwindigkeit ein langsames Absenken vom alten 1/λ-Sollwert zum neuen 1/λ-Sollwert durchgeführt. Die Absenkgeschwindigkeit ist zu einigen wenigen Prozent Sollwertänderung pro Sekunde gewählt.

Um die Regelgenauigkeit zu erhöhen ist es von Vorteil, höher­ frequente Anteile des Sondensignals, die beispielsweise in einer Streuung des Luft-Kraftstoff-Gemisches von Zylinder zu Zylinder oder in sonstigen Störsignalen ihre Ursache haben, mittels einer Filtereinrichtung herauszufiltern, um ein "Ver­ rauschen" des Sondensignals zu unterdrücken.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind alle Speicher und Einrichtungen des Steuer-/Regelsystems Funk­ tionseinheiten eines Mikrorechners innerhalb eines elektroni­ schen Steuergerätes. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwie­ sen, zusätzlich eine Paramter-Einstelleinrichtung anzuord­ nen, mit der die Parameter einer Regeleinrichtung mit bei­ spielsweise PID-Verhalten variiert werden können. Dadurch ist es möglich, das elektronische Steuergerät mit demselben Aufbau sowohl für eine λ=1-Regelung als auch für eine Ma­ gerregelung einzusetzen. Liegt nämlich eine λ-Sonde vom Nernst-Typ vor, d. h. das Ausgangssignal der λ-Sonde zeigt im Bereich von λ=1 ein sprungartiges Verhalten, muß bei einer λ=1-Regelung die Regeleinrichtung eine hohe Regelgeschwindigkeit aufweisen, um ein vorgegebenes schmales Katalysator-Fenster einzuhalten, was unter Umständen zu einer Komforteinbuße hinsichtlich des Fahrverhaltens führt, da die Regelparamater so eingestellt werden müssen, um das Katalysator-Fenster einzuhalten, daß die Regeleinrichtung nahe an ihrer Schwingungsgrenze arbeitet. Bei einer Mager­ regelung ist jedoch eine solch hohe Regelgeschwindigkeit, d. h. ein Arbeiten der Regeleinrichtung in der Nähe ihrer Stabilitätsgrenze nicht erforderlich, da das Sondensignal im Magerbereich stetiges Verhalten aufweist. Durch die Parame­ ter-Einstelleinrichtung ist es möglich, die Regeleinrichtung optimal auf das jeweils vorliegende Regelkonzept (λ=1-Rege­ lung, Magerregelung) einzustellen.

Bei Verwenden einer λ-Sonde vom Nernst Typ ist das Ausgangs­ signal der λ-Sonde im mageren Bereich von geringer Größe (ca. 100 bis 30 mV). Bei den heutzutage in der Kraftfahrzeug­ technik üblichen Meßvorrichtungen ist es deshalb erforder­ lich, das Ausgangssignal im mageren Bereich zu verstärken (z. B. VF = 7 ). Im Bereich von λ=1 wird das Ausgangssignal um den Faktor 4 bis 5 verstärkt und im fetten Bereich (λ=1) ist ein Verstärken des Ausgangssignals nicht erforderlich. Vor diesem Hintergrund ist es besonders vorteilhaft, die Umwandlungseinheit in drei Bereiche zu unterteilen. Nämlich einen Bereich zum Regeln im Bereich von λ=1 (z. B. zwischen λ=0,97 und λ=1,03), einen fetten Bereich (z. B. λ<0,97) und einen mageren Bereich (z. B. λ<1,03). Dadurch wird die zum Ermitteln des λ-Kehrwerts aus dem gemessenen Ausgangssig­ nal der λ-Sonde benötigte Rechenzeit verkürzt.

Claims (3)

1. Steuer-/Regelsystem zum Einstellen des Luft/Kraftstoff- Gemisches einer Brennkraftmaschine (12) mit

• - einer dem Abgas der Brennkraftmaschine (12) ausgesetzten Lambdasonde (14), die ein Ausgangssignal abgibt, das ein Maß für die Luftzahl λ darstellt,
• - einem Grundspeicher (10) zum Speichern von Kraftstoffzumeß­ zeiten in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraft­ maschine (12) zum Vorsteuern der Brennkraftmaschine (12) auf eine vorgegebene Luftzahl λ,
• - einem Sollwertspeicher (18) zum Speichern von Sollwerten der Luftzahl λ in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine (12) und
• - einer Regeleinrichtung (20), die in Abhängigkeit eines je­ weils gemessenen Ausgangssignals der λ-Sonde und eines zuge­ ordneten aus dem Sollwertspeicher (18) ausgelesenen Soll­ werts die jeweilige aus dem Grundspeicher (10) ausgelesene Kraftstoffzumeßzeit korrigiert (überlagerte λ-Regelung) dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Sollwertspeicher (12) Kehrwerte der Luftzahl λ als Sollwerte speichert,
• - die jeweils aus dem Grundspeicher (10) ausgelesene Kraft­ stoffzumeßzeit mit dem zugeordneten, aus dem Sollwertspei­ cher (18) ausgelesenen Kehrwert (Soll) der Luftzahl λ zum Gewinnen einer an eine Änderung der vorgegebenen Luftzahl λ angepaßten Kraftstoffzumeßzeit multiplikativ verknüpft wird,
• - eine Umwandlungseinrichtung (16) vorhanden ist, die mit Hilfe eines zumindest näherungsweise bekannten sondencharak­ teristischen Zusammenhangs zwischen dem Ausgangssignal der Lambdasonde und der Luftzahl λ das Ausgangssignal in einen entsprechenden Kehrwert 1/λ der Luftzahl λ als Istwert umwan­ delt.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundspeicher (10), der Sollwertspeicher (18), die Regeleinrichtung und die Umwandlungseinrichtung (16) durch einen Mikrorechner gebildet sind.

3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherwerte des Grundspeicher (10), des Sollwert­ speichers (18) und der sondencharakteristische Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal der λ-Sonde und der Luftzahl λ in Kennfeldern abgelegt sind, die mittels Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine (12) adressierbar sind.