DE3743315A1 - Auswerteinrichtung fuer das messsignal einer lambdasonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Auswerteinrichtung zum Gewinnen eines um Störungen bereinigten Ausgangssignales aus dem Meß­ signal einer im Abgas einer Brennkraftmaschine anzuordnenden Lambdasonde.

Stand der Technik

Das Meßsignal einer Lambdasonde hängt von einer Mehrzahl von Größen ab, insbesondere von der festzustellenden Sauerstoff­ konzentration im Abgas, aber auch von ihrer Temperatur und dem Abgasgegendruck. Im folgenden geht es um das Eliminieren der Druckeinflüsse.

Der Einfluß von Druckschwankungen auf das Meßsignal ist für eine Sonde vom Pumpstrom-Typ aus Fig. 1 und für eine Sonde vom Nernst-Typ aus Fig. 2, jeweils für einen Motor mit vier Zylindern erkennbar. In beiden Fällen wurde durch entspre­ chendes Zumessen der Kraftstoffmenge zu der den Zylindern zugeführten Luftmenge ein Lambdawert von 1,25 eingestellt. Wäre keine Druckabhängigkeit vorhanden gewesen, hätten die im Abgasstrom befindlichen Lambdasonden konstant eine Span­ nung entsprechend einem Lambdawert von 1,25 abgeben müssen.

Deutlich erkennbar ist dies nicht der Fall. Vielmehr zeigt Fig. 1 starke Schwankungen mit Maximalabweichungen bis etwa plus 24 Prozent und minus 13 Prozent. Die maximalen Abwei­ chungen an der Sonde vom Nernst-Typ (Fig. 2) betragen etwa plusminus drei Prozent.

Herkömmliche Auswerteinrichtungen für die Meßsignale von Lambdasonden weisen einen Tiefpaß zum Ausfiltern schneller Störsignale und einen A/D-Wandler auf, der nach jedem Pro­ grammzyklus abgetastet wird. Die Integrationszeit des Tief­ passes darf nicht zu lange gewählt werden, damit das Aus­ gangssignal am A/D-Wandler nicht zu träge auf Änderungen des tatsächlichen Lambdawertes reagiert. Dadurch werden die druckbedingten Störungen nicht ausgefiltert, so daß das zum Abtastzeitpunkt bestimmte Ausgangssignal nach oben oder unten vom tatsächlichen Lambdawert abweichen kann. Die Regel­ einrichtung, der das Ausgangssignal zugeführt wird, erhält demgemäß eine fehlerbehaftete Istwert-Information, was ein optimales Regelergebnis verhindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Auswertein­ richtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Druck­ abhängigkeit des Meßsignales einer Lambdasonde korrigiert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Auswerteinrichtung ist durch die Merk­ male von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Auswerteinrichtung zeichnet sich durch eine Integriereinrichtung aus, die nicht kontinuierlich mit sehr kurzer Zeitkonstante integriert wie das bisher verwen­ dete Tiefpaßfilter, sondern die möglichst genau nur über ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer einer Druckschwan­ kung, insbesondere genau über eine Periode, integriert. Die Periodendauer wird durch einen Zeitgeber aus ihm zugeführten Betriebskenngrößen, insbesondere in Abhängigkeit der Motor­ drehzahl, berechnet. Der Zeitgeber legt auch den Startzeit­ punkt für die Integration fest.

Soll auf Grundlage des Ausgangssignales der Auswerteinrich­ tung die Einspritzzeit für alle Einspritzventile einer mehr­ zylindrigen Brennkraftmaschine gemeinsam gleich bestimmt wer­ den, ist der Startzeitpunkt für die Integration frei wähl­ bar. Liegt darüber hinaus der Fall so, daß jeder Zylinder im wesentlichen dieselben Druckschwankungen an der Lambdasonde hervorruft, reicht es aus, gerade über die Periodendauer einer Druckpulsation zu integrieren. Sind die Druckschwan­ kungen dagegen von Zylinder zu Zylinder unterschiedlich, ist es vorteilhafter, über eine Dauer zu integrieren, in der Druckschwankungen von allen Zylindern erfaßt werden, also z.B. über vier Periodendauern bei einer Viertakt-Vierzylin­ der-Brennkraftmaschine.

Soll unterschiedliches Verhalten unterschiedlicher Zylinder erfaßt werden, ist es erforderlich, jeweils so genau wie möglich über eine Periodendauer zu integrieren und mit der Integration jeweils möglichst genau dann zu beginnen, wenn das Abgas von einem bestimmten Zylinder die Luftzahlsonde erreicht. Dies aus dem folgenden Grund.

Öffnet das Auslaßventil an einem bestimmten Zylinder, kommt es zu einer Druckwelle, die sich mit Schallgeschwindigkeit durch das Abgas fortpflanzt. Die Amplitude der Druckwelle, wie sie auch an der Lambdasonde durchläuft, hat gesehen über eine Periodendauer einen Verlauf entsprechend dem Verlauf der durch die Sonde angezeigten Werte der Luftzahl Lambda entsprechend den Fig. 1 oder 2. Es wird nochmals darauf hin­ gewiesen, daß während der Messungen die Luftzahl konstant auf 1,25 gehalten wurde, und die angezeigten Luftzahlschwan­ kungen durch Druckschwankungen verursacht sind. Das Abgas als solches bewegt sich erheblich langsamer von den Ausläs­ sen der Zylinder zur Lambdasonde als sich die von den Zylin­ dern ausgehenden Druckwellen fortpflanzen. So ist es mög­ lich, daß während derjenigen Periodendauer, während der die vom Zylinder 1 ausgehende Druckwelle an der Lambdasonde durchläuft, an der Sonde das vom Zylinder 3 einige Zeit zuvor ausgestoßene Abgas vorbeiströmt. Ändert sich nun die Drehzahl, hat dies keinen Einfluß auf die Ausbreitungsge­ schwindigkeit der Druckwelle, jedoch Einfluß auf die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Abgases. So ist es möglich, daß bei einer anderen Drehzahl als beim zuvor genannten Fall Abgas vom Zylinder 4 in demjenigen Zeitraum an der Sonde vorbei­ strömt, in dem die vom Zylinder 1 ausgehende Druckwelle am Ort der Sonde durchläuft. Bei wieder einer anderen Drehzahl kann in einem ersten Teil der Periodendauer der Druckwelle noch Abgas vom Zylinder 3 durchströmen, während im restli­ chen Teil Abgas vom Zylinder 4 durchströmt. Da jeweils die Luftzahl für einen bestimmten Zylinder gemessen werden soll, muß die Integrationszeit unabhängig vom Beginn einer Druck­ pulsation auf denjenigen Zeitpunkt gelegt werden, zu dem gerade das Abgas von dem bestimmten Zylinder die Lambdasonde erreicht. Um den Einfluß der durchlaufenden Druckwelle auf die Messung der Luftzahl zu eliminieren, erfolgt die Inte­ gration genau über eine Periodendauer, unabhängig von der Phasenlage der Druckwelle.

Die gesamte Auswerteinrichtung kann durch einen Mikrorechner gebildet sein, wie dies derzeit für elektronische Bauelemen­ te in Kraftfahrzeugen weitgehend üblich ist. Um jedoch den Mikrorechner von der Spezialaufgabe des Integrierens zu ent­ lasten, ist es von Vorteil, als Integriereinrichtung ein ge­ sondertes Bauteil zu verwenden, wie es für diesen Zweck im Handel üblich ist. Die Integriereinrichtung erhält dann vom Mikrorechner lediglich ein Startsignal und ein Stopsignal für die Integration oder ein Startsignal und eine Informa­ tion betreffend die Integrationszeit.

Zeichnung

Ein Blockdiagramm einer Auswerteinrichtung mit Integrations­ einrichtung und Zeitgeber ist in Fig. 3 dargestellt. Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung werden ausgehend von Fig. 3 in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 betreffend Darstellungen druckabhängiger Lambdawerte wurden bereits eingangs erläutert.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die Auswerteinrichtung 10 gemäß dem Blockdiagramm von Fig. 3 weist eine Integriereinrichtung 11 und einen Zeitgeber 12 auf. Dem Zeitgeber 12 werden gemäß Ausführungsbeispiel sechs Größen zugeführt, nämlich Werte für die Last L, den Kurbel­ winkel γ, die Drehzahl n, die Zahl Z der Zylinder, die Zahl T der Takte und die Zahl N der Periodendauern, über die in­ tegriert werden soll.

Der Zeitgeber 12 berechnet die Integrationszeit nach folgen­ der Gleichung:

N×T/(2×n×Z).

Der Startzeitpunkt hängt maßgeblich von der seit dem Zeit­ punkt des Auslaßöffners des betreffenden Zylinders verstri­ chenen Kurbelwinkeldifferenz Δ γ ab. Im Zeitgeber 12 ist ein Kennfeld gespeichert, in dem adressierbar über die Last L und die Drehzahl n Startkurbelwinkel abgelegt sind. Für die jeweils gerade vorliegenden Werte von Last L und Drehzahl n wird der zugehörige Startkurbelwinkel ausgelesen. Sobald der zugeführte tatsächliche Kurbelwinkel γ mit dem ausgelesenen Startkurbelwinkel übereinstimmt, gibt der Zeitgeber 12 ein Startsignal an die Integriereinrichtung 11 ab. Außerdem wird eine Zeitschaltung in Gang gesetzt, die ein Stopsignal an die Integriereinrichtung 11 abgibt, sobald die errechnete Integrationszeit verstrichen ist.

Die Integriereinrichtung 11 ist so aufgebaut, daß sie wäh­ rend der gesamten Integrationszeit, die bei langsamer Dreh­ zahl und Integration über mehrere Periodendauern von Druck­ pulsationen bis zu etwa einer Sekunde betragen kann, linear integriert. Dies erfolgt entweder durch häufiges Abtasten durch eine digitale Integriereinrichtung mit vorgeschaltetem A/D-Wandler oder durch ein RC-Glied mit kürzerer Zeitkonstan­ te, das jedoch so häufig abgetastet und bei jedem Abtasten auf Null zurückgesetzt wird, daß es jeweils in seinem linea­ ren Bereich integriert. Die bei jedem Abtasten ausgelesenen Werte werden aufsummiert.

Gibt eine (nicht dargestellte) Lambdasonde bei einer Luft­ zahl Lambda von 1,2 als Meßsignal eine Spannung US von 60 mV konstant oder im Mittel ab, integriert die Integriereinrich­ tung 11 gemäß einem analogen Ausführungsbeispiel bis auf 40 mV oder gemäß einem digitalen Ausführungsbeispiel auf den Zählwert 120. Anderen Integrationswerten USint entsprechen Meßsignale, die um denselben Faktor höher oder kleiner sind als die genannten 60 mV des eingehenden Meßsignales. Die In­ tegrationswerte, die integrierten Spannungen entsprechen, werden in einer (nicht dargestellten) Regeleinrichtung in zu­ gehörige Lambdawerte umgesetzt. Dies erfolgt z.B. mit Hilfe eines in einem Speicher abgelegten Feldes einander zugeordne­ ter Integrations- und Lambdawerte.

Das Summations- bzw. Integrationssignal ist eigentlich noch zeitlich zu normieren, um bei unterschiedlichen Drehzahlen nicht unterschiedliche Integrationswerte ausgehend von glei­ chen Meßspannungen US zu erhalten. Auf diese zeitliche Nor­ mierung kann jedoch in der Regel verzichtet werden, da die Integrationswerte normalerweise in einem Regelsystem verwen­ det werden, das einen über Werte von Adressier-Betriebsgrö­ ßen, insbesondere die Drehzahl, adressierbaren Speicher für Lambda-Sollwerte aufweist. Zweckmäßigerweise werden die Soll­ werte in diesem Speicher so abgelegt, daß sie für unter­ schiedliche Drehzahlen das Vorliegen unterschiedlicher In­ tegrationszeiten berücksichtigen. Dann wirkt sich die fehlen­ de zeitliche Normierung bei verschwindender Regelabweichung gar nicht und bei den in der Praxis auftretenden geringen Re­ gelabweichungen kaum aus. Sollen auch diese kleinen Fehler vermieden werden, ist die zeitliche Normierung vorzunehmen, was durch Division durch die Periodendauer oder durch Multi­ plikation mit der Drehzahl in einer zur Integriereinrichtung gehörenden Normierungseinrichtung erfolgen kann.

Bei einem Versuchsaufbau wurde der Multiplikationsfaktor N zu "1" festgelegt, so daß die Integrationszeit der Perio­ dendauer einer Druckpulsation entsprach. Dies hatte den Vor­ teil, daß sowohl Versuche betreffend das gemeinsame Regeln für alle Einspritzventile einer mehrzylindrigen Brennkraftma­ schine durchgeführt werden konnten, wie auch Versuche für das getrennte Regeln der Einspritzzeit jedes einzelnen Ven­ tiles. Im letzteren Fall wurde der Integrationswert für je­ weils einen Zylinder auf das Stopsignal hin über einen Mul­ tiplexer jeweils in einen Ergebnisspeicher übertragen, der dem Zylinder, für den die Messung stattfand, zugeordnet war. Der Betrieb der Regeleinrichtung wurde so gewählt, daß diese dann, wenn sie für die Regelung der Einspritzzeit des Ein­ spritzventiles an einem bestimmten Zylinder einen Istwert benötigte gerade auf denjenigen Ergebnisspeicher zugriff, in dem der Integrationswert für den zugehörigen Zylinder gespeichert war.

Das Auswerten eines jeweiligen Integrationswertes kann auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Oben wurde dargelegt, daß die (analogen oder digitalen) Integrationswerte einem Kennfeld zugeführt werden, aus dem zugehörige Lambdawerte ausgelesen werden. Um statt solcher Kennfelder herkömmliche Kennfelder verwenden zu können, die einen direkten Zusammen­ hang zwischen einem Sonden-Meßsignal und einem Lambdawert ge­ ben, ist es dagegen von Vorteil, jeden Integrationswert zu­ nächst auf ein Meßsignal zu normieren. Bezogen auf das obige Ausführungsbeispiel bedeutet dies das Folgende. Dort ist an­ gegeben, daß einem mittleren Meßsignal von 60 mV ein Integra­ tionswert von 40 mV entspricht. Daraus läßt sich ein Multi­ plikationsfaktor von 1.5 errechnen, mit dem jeder Integra­ tionswert multipliziert werden muß, um zum tatsächlichen mittleren Wert des Meßsignales zu kommen. Ist diese Multipli­ kation ausgeführt, kann für das Umrechnen in Lambdawerte ein herkömmliches Kennfeld Verwendung finden.

Bei vorstehendem Ausführungsbeispiel wurde der Startzeit­ punkt für die Integration abhängig von der Drehzahl n und der Last L aus einem Kennfeld ausgelesen. Als Adressier­ größen für das Kennfeld können jedoch auch andere Betriebs­ größen Verwendung finden, z.B. gemessene Strömungsverhältnis­ se oder Druckverhältnisse. Auch kann es empfehlenswert sein, die Abgastemperatur mit in die berücksichtigten Größen ein­ zubeziehen, da die Schallgeschwindigkeit, mit der sich die Druckwelle im Abgas fortpflanzt, von der Temperatur des Ab­ gases abhängt. Anstatt die Startzeitpunkte aus einem Kenn­ feld auszulesen, ist es auch möglich, den Startzeitpunkt über berechnete Gaslaufzeiten zu bestimmen. Die Berechnung erfolgt wiederum ausgehend von überwachten Betriebsgrößen. Ob in einem jeweiligen Fall die Startzeitpunkte aus einem Kennfeld ausgelesen werden oder ob sie berechnet werden, hängt unter anderem von der erforderlichen minimalen Zyklus­ zeit für ein Rechenprogramm eines gesamten Regelsystems ab. Steht für das Bestimmen des Startzeitpunktes nur wenig Rechenzeit zur Verfügung, ist es vorteilhafter, mit einem Kennfeld zu arbeiten. Dies erfordert jedoch einen größeren Speicher als die Ausführungsform, bei der berechnet wird.

Die bisherigen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer einzigen Lambdasonde mit Aus­ werteinrichtung. An einer Brennkraftmaschine können jedoch auch mehrere Lambdasonden mit jeweils einer zugehörigen Aus­ werteinrichtung vorhanden sein. Wird im Einzelabgasrohr eines jeden Zylinders eine Lambdasonde angeordnet, kann die Integration über ganzzahlige Vielfache der Periodendauer bei beliebig gewähltem Startzeitpunkt erfolgen. Wird dagegen bei einer Maschine mit mehreren Hosenrohren für jeweils eine Gruppe von Einzelabgasrohren an jedem Hosenrohr jeweils eine Lambdasonde angeordnet, gilt für die jeweilige Sonde das im Hinblick auf eine einzige, im Sammelrohr einer Brennkraft­ maschine angeordnete Sonde oben Beschriebene. Hier ist es wieder zum zylinderspezifischen Zuordnen von Signalen erfor­ derlich, den jeweiligen Startzeitpunkt bezogen auf Kurbel­ winkeldifferenzen festzulegen, wie oben angegeben.

Claims (10)

1. Auswerteinrichtung zum Gewinnen eines um Störungen be­ reinigten Ausgangssignales aus dem Meßsignal einer im Abgas einer Brennkraftmaschine anzuordnenden Lambdasonde, gekennzeichnet durch

• - eine Integriereinrichtung (11), der das Sonden-Meßsignal zugeführt wird, die dieses über eine Integrationszeit ab einem Startzeitpunkt integriert, und die das integrierte Sig­ nal als Ausgangssignal ausgibt, und
• - einen Zeitgeber (12), der den Startzeitpunkt für die Inte­ gration festlegt und aus ihm zugeführten Betriebskenngrößen die Periodendauer von Druckpulsationen des Abgases berechnet und aus dieser berechneten Periodendauer durch Multiplika­ tion mit einem vorgebbaren ganzzahligen Faktor die Integra­ tionszeit bestimmt.

2. Auswerteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Anwenden auf einzelne Zylinder einer Brennkraftma­ schine der Faktor "1" ist und der Zeitgeber (12) abhängig von den ihm zugeführten Betriebsgrößen jeden Startzeitpunkt so bestimmt, daß er jeweils gerade demjenigen Zeitpunkt ent­ spricht, zu dem im Anwendungsfall das Abgas von einem be­ stimmten Zylinder die Lambdasonde erreicht.

3. Auswerteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber (12) einen Startzeitpunktspeicher enthält, der zu vorgegebenen Werten von Betriebsgrößen der Brennkraftma­ schine, insbesondere der Drehzahl, gehörige Startzeitpunkte speichert, die über die vorgegebenen Werte adressierbar sind.

4. Auswerteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber jeden Startzeitpunkt aus den jeweils aktuellen Werten der ihm zugeführten Betriebsgrößen berechnet.

5. Auswerteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mehrere Ergebnisspeicher von denen jeder einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet ist, an der die Auswerteinrich­ tung (10) anzuordnen ist und wobei jeder Ergebnisspeicher mit der Integriereinrichtung so verbunden ist, daß er von dieser dasjenige Ausgangssignal erhält, das aus zum zugehöri­ gen Zylinder gewonnenen Meßsignalen gewonnen ist.

6. Auswerteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Anwendung ohne Unterscheidung einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine der Startzeitpunkt beliebig vom Zeit­ geber (12) bestimmt wird.

7. Auswerteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Startzeitpunkte durch Kurbelwinkel gegeben sind.

8. Auswerteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Zeitgeber (12) durch einen Mikrorechner gebil­ det ist.

9. Auswerteinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Integriereinrichtung (11) ein integriertes Bauelement mit einer rücksetzbaren, abtastbaren RC-Integrationsschal­ tung ist.

10. Auswerteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine zur Integriereinrichtung (21) gehörenden Normierungsein­ richtung, die das integrierte Signal zeitlich auf die Pe­ riodendauer normiert, z.B. durch Division durch die Pe­ riodendauer oder durch Multiplikation mit der Drehzahl einer Brennkraftmaschine.