DE3802444A1 - Verfahren zur regelung des kraftstoff-luft-verhaeltnisses einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraft­ maschine, wobei die Ausgangsspannung einer Sauer­ stoffmeßsonde, die im Abgaskanal der Brennkraftma­ schine angeordnet ist, derart zur Regelung des Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses herangezogen wird, daß auf einen Umschlag der Ausgangsspannung der Sauerstoff­ meßsonde ein von der Richtung des Umschlags abhängi­ ger Sprung und danach eine im wesentlichen zeitkon­ tinuierliche Änderung einer Stellgröße für das Kraft­ stoff-Luft-Verhältnis erfolgt.

Bei den bekannten Verfahren zur Regelung des Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses wird durch die zeitkontinu­ ierliche Änderung der Stellgröße dasjenige Kraft­ stoff-Luft-Verhältnis, welches zu einem Umschlag der Sauerstoffmeßsonde führt, über- bzw. unterschritten, da ein Umschlag der Sauerstoffmeßsonde erst nach der Laufzeit des Gemischs bzw. der Abgase vom Einspritz­ punkt bis zur Sauerstoffmeßsonde erfolgt. Dadurch ergeben sich Abweichungen vom idealen stöchiometri­ schen Verhältnis von Lambda = 1.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine genauere Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhält­ nisses zu ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei im wesentlichen stationären Be­ triebsbedingungen die Zeitpunkte der Sprünge unab­ hängig von den Umschlägen der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde derart festgelegt werden, daß die Zeiten zwischen den Sprüngen kleiner als die Zeiten zwischen vorangegangenen Umschlägen der Ausgangsspan­ nung der Sauerstoffmeßsonde sind. Dieses führt vor­ zugsweise zu kleineren Hüben des Kraftstoff-Luft-Ver­ hältnisses.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für verschiedene Kraftstoffeinspritzsysteme geeignet, wie beispiels­ weise kontinuierlich oder intermittierend einsprit­ zende Systeme mit zentraler oder zylinderweisen Einspritzung. Dementsprechend kann die vom Regler abgegebene Stellgröße die Einspritzdauer oder den Druck des Kraftstoffes im Einspritzsystem steuern.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß während des Betriebs der Regelung wiederholt geprüft wird, ob im wesentlichen statio­ näre Betriebsbedingungen vorliegen, daß bei Erkennen von im wesentlichen stationären Betriebsbedingungen die Zeiten zwischen aufeinaderfolgenden Umschlägen ermittelt werden und daß danach die Zeitpunkte der Sprünge unabhängig von den dann auftretenden Umschlä­ gen gesteuert werden. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, daß bei der Festlegung der Sprünge von den­ jenigen Zeiten zwischen einigen Sondenumschlägen ausgegangen wird, welche unmittelbar zuvor ermittelt wurden.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, daß Zeiten zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Umschlägen ermittelt werden und daß daraus der Mit­ telwert gebildet wird. Hierdurch wird die Genauig­ keit der ermittelten Zeiten erhöht.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß bei Auftreten eines Umschlags vor einer vorgege­ benen Zeit der Steuerung wieder auf eine Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses umgeschaltet wird. Da ein Auftreten eines Umschlags vor dem festgeleg­ ten Sprung auf eine Änderung der Betriebsbedingungen des Motors schließen läßt, wird durch diese Weiter­ bildung eine schnelle Anpassung an die erneuten Betriebsbedingungen ermöglicht.

Ferner besteht eine Weiterbildung darin, daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit auf eine Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses umgeschaltet wird. Diese Maßnahme verhindert, daß bei einem längeren im wesentlichen stationären Betrieb sich die Stellgröße nach und nach von der durch eine Regelung zu ermit­ telnden Stellgröße entfernt.

Schließlich besteht eine andere Weiterbildung darin, daß während der Zeit der Steuerung die Stellgröße allmählich in die Richtung gesteuert wird, die der Richtung des letzten Sprunges der Stellgröße vor dem Beginn der Steuerung entspricht. Dadurch wird ver­ mieden, daß während der Zeit der Steuerung die Stell­ größe sich vom optimalen Lambda-Wert entfernt, ohne daß dieses durch einen entsprechenden Sprung der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde korrigiert werden kann.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines Kraftstoffeinspritz­ systems an einem Vier-Zylinder-Motor, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens geeignet ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Steuergerätes des Kraftstoffeinspritzsystems nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Teils des für den Mikrocomputer vorgesehenen Programms,

Fig. 4 Zeitdiagramme verschiedener Größen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 5 weitere Zeitdiagramme.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Kraft­ stoffeinspritzsystem ist jedem Zylinder des Motors 13 ein Einspritzventil 21, 22, 23, 24 zugeordnet. Die Einspritzventile sind Teile eines Kraftstoff­ kreislaufes, der in an sich bekannter Weise aus einem Tank 1, einer elektrischen Kraftstoffpumpe 2, einem Kraftstoffilter 3 und einem Druckregler 8 be­ steht, von dem über eine Leitung 15 der überschüssi­ ge Kraftstoff in den Tank 1 zurück befördert wird.

Die Verbrennungsluft erhält der Motor 13 von einem nicht dargestellten Luftfilter über einen Luftmassen­ messer 6, eine Drosselklappe 5 und den Ansaugkanal 9. In einem By-pass zur Drosselklappe 5 befindet sich das Stellglied 4 eines Leerlaufreglers.

Im Abgaskanal 14 des Motors 13 ist eine Sauerstoff­ meßsonde 11 angeordnet, deren elektrisches Ausgangs­ signal in an sich bekannter Weise vom Sauerstoffan­ teil der Abgase abhängt. Die Temperatur des Motors 13 wird von einem Temperatursensor 10 gemessen. Fer­ ner sind am Motor 13 ein Drehzahlgeber 16, ein Kur­ belwellenpositionsgeber 19 und ein Zündsignalgeber 20 vorgesehen. Ein Temperatursensor 25 mißt die Abgastemperatur.

Die Drosselklappenstellung wird von einem Geber 7 zusätzlich zu den Signalen der bereits aufgeführten Sensoren dem Steuergerät 12 zugeführt, wobei außer­ dem von einem Schalter 18 ein die Leerlaufstellung kennzeichnendes Schaltsignal erzeugt wird. Steuerge­ räte zur elektronischen Regelung der Kraftstoffein­ spritzung sind an sich bekannt, so daß im Zusammen­ hang mit der vorliegenden Erfindung lediglich eine schematische Erläuterung eines solchen Steuergerätes anhand von Fig. 2 erfolgt.

Im Steuergerät 12 ist ein Mikrocomputer 31 vorgese­ hen, der nach einem festgelegten Programm die erfor­ derlichen Funktionen steuert. Die analogen Größen werden über einen Multiplexer 33 und einen Analog/ Digital-Wandler 32 zugeführt, während die impulsför­ migen Eingangsgrößen bzw. binären Signale über Schnittstellen 34 zum Mikrocomputer 31 gelangen. Über die Schnittstelle wird auch ein Schaltsignal an den Ausgang 56 ausgegeben. Ausgangsseitig ist der Mikrocomputer 31 mit Leistungsstufen 35 verbunden, dabei sind jeweils für ein Einspritzventil eine Lei­ stungsstufe sowie eine Leistungsstufe zur Steuerung eines nicht dargestellten Relais für die Kraftstoff­ pumpe 2 (Fig. 1) und eine Leistungsstufe für den Leerlaufsteller 4 vorgesehen. Zur Speicherung von Daten auch bei abgeschaltetem Steuergerät ist ein nichtflüchtiger Speicher 36, beispielsweise ein NV-RAM, mit dem Mikrocomputer verbunden. Der Mikro­ computer 31 selbst besteht in an sich bekannter Weise aus verschiedenen nicht dargestellten Baugrup­ pen wie einem Mikroprozessor, einem Bussystem, einem Nur-Lese-Speicher für das Programm und Konstanten und einem Schreib-Lese-Speicher für Variable.

Den Eingängen des Multiplexers 33 werden analoge Sig­ nale vom Luftmassenmesser 6, vom Drosselklappenstel­ lungsgeber (Drosselklappenpotentiometer) 7, vom Kühl­ wasser-Temperatursensor 10, von der Sauerstoffmeß­ sonde 11, vom Abgastemperatursensor 21 und die Bord­ netzspannung von der Batterie 17 zugeführt. Die Ein­ gänge der Schnittstellen 34 sind mit dem Drehzahlge­ ber 16, mit dem Kurbelwellenpositionsgeber 19, mit dem Zündsignalgeber 20 und mit dem Drosselklappen­ schalter 18 verbunden.

Das Flußdiagramm gemäß Fig. 3 stellt einen Teil des Programms für den Mikrocomputer 31 dar. Teile des Programms, welche sich auf die an sich bekannte Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und mög­ licherweise andere Regelungs- und Überwachungsaufga­ ben beziehen, sind nicht dargestellt. Der in Fig. 3 gezeigte Teil des Programms sieht zunächst eine Verzweigung 41 vor, in Abhängigkeit davon, ob eine Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses aktiv ist. Ist dieses nicht der Fall - beispielsweise bei noch nicht betriebsbereiter Sauerstoffmeßsonde - wird auf eine Steuerung 42 umgeschaltet. Ist jedoch die Regelung aktiv, so wird bei 43 geprüft, ob im wesentlichen stationäre Betriebsbedingungen vorlie­ gen. Dazu wird die zeitliche Änderung der Last und der Drehzeit n gemessen und mit vorgegebenen Grenz­ werten verglichen. Liegt kein im wesentlichen stati­ onärer Betrieb vor, so wird bei 44 die übliche Rege­ lung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses durchgeführt.

Bei einem im wesentlichen stationären Betrieb wird nach der Verzweigung 43 bei 45 ein Zähler z auf 0 gesetzt. Danach wird bei 46 die Laufzeit t 0 des Inte­ grators gemessen und bei 47 der Zähler z inkremen­ tiert. Dieses wird so lange wiederholt, bis der Zäh­ ler z einen Sollwert zsoll erreicht. Nach der Ver­ zweigung 48 wird im Programmteil 49 der Mittelwert tm der bei 46 gemessenen Laufzeiten t 0 ermittelt.

Mit der darauffolgenden Verzweigung 50 wird eine Warteschleife gebildet, welche eine Verzögerung des Programmablaufs bis zum folgenden Sondenumschlag bewirkt. Danach wird bei 51 ein Zeitzähler t 1 auf 0 gesetzt. Bei 52 wird dann ein P-Sprung und ein I-An­ teil in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl n einer Tabelle entnommen und mit einem Vorzeichen, das entgegengesetzt zum Vorzeichen des vorangegange­ nen Sondenumschlags ist, dem Ausgang des Steuergerä­ tes zugeführt.

Bei 53 wird die Sollaufzeit bis zum folgenden Sprung durch Differenzbildung zwischen der Laufzeit t 0 m und einem aus einer weiteren Tabelle gelesenen Wert t 2 berechnet. Der Wert t 2 ist eine Funktion der Last und der Drehzahl. Bei 54 wird die Zeit tist gemes­ sen, welche seit dem vorangegangenen Sprung vergan­ gen ist. Solange die Zeit tist noch kleiner als die Sollaufzeit tsoll ist, wird die Messung der Zeit tist nach der Verzweigung 55 wiederholt. Hat tist den Wert von tsoll erreicht, so wird bei 56 der P-Sprung und der I-Anteil der Stellgröße umgesteu­ ert, das heißt ein P-Sprung und anschließend der I-Anteil werden ausgegeben.

Bei 57 wird die Zeit tist, welche jeweils seit dem bei 56 ausgegebenen Sprung vergangen ist, gemessen, worauf sich bei 58 das Programm in Abhängigkeit davon, ob ein Sondenumschlag vorliegt, verzweigt. Im Falle eines Sondenumschlags wird auf die Regelung bei 44 umgeschaltet. Wenn kein Sondenumschlag vor­ liegt, wird bei 59 geprüft, ob noch stationäre Betriebsbedingungen vorliegen. Ist dieses nicht der Fall, so wird ebenfalls bei 44 die Regelung wieder aufgenommen. Liegen noch stationäre Betriebsbedin­ gungen vor, so wird bei 60 die Zeit tist mit der Zeit tsoll verglichen und solange tist kleiner als tsoll ist, das Programm bei 57 wiederholt.

Sobald tist den Wert von tsoll erreicht hat, wird bei 61 der P-Sprung und der I-Anteil umgesteuert. Im Anschluß daran wird bei 62 das Programm in Abhängig­ keit davon verzweigt, ob der bei 51 gesetzte Zeit­ zähler t 1 einen Sollwert t 1 soll erreicht hat. Solan­ ge dieses nicht der Fall ist, erfolgt eine Wieder­ holung des Programms bei 57. Wenn jedoch die vorgege­ bene Zeit abgelaufen ist, wird das Programm bei 44 mit einer üblichen Regelung fortgesetzt.

Fig. 4 zeigt Zeitdiagramme der Stellgröße, also im Falle eines Druckstellgliedes für das Einspritz­ system den Strom IDS durch das Stellglied, und der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde. Bei dem bekannten Regelsystem ergibt sich jeweils bei einem Umschlag der Sonde ein Sprung der Stellgröße, an welchen sich ein im wesentlichen zeitlinearer An­ stieg bzw. Abfall der Stellgröße anschließt. Wegen der oben erwähnten Laufzeit erfolgt jedoch der Son­ denumschlag erst eine Zeit delta t nach dem Errei­ chen des Wertes Lambda = 1. Während dieser Zeit steigt der I-Anteil weiter an, was zu einer Entfer­ nung des tatsächlichen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von dem Sollwert führt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun während eines im wesentlichen stationären Betriebszustandes der Sprung vorher durchgeführt, so daß die Zeit, in welcher das Kraft­ stoff-Luft-Verhätnis von Lambda = 1 abweicht, möglichst zu null wird. Die aus einem Kennfeld ent­ nommene Größe t 2 (Fig. 3, Bezugszeichen 53) ist deshalb derart gewählt, daß sie möglichst der Zeit delta t entspricht.

Fig. 5 zeigt die Stellgröße IDS und die Ausgangsspan­ nung Ua der Sauerstoffmeßsonde in einem gegenüber Fig. 4 veränderten Zeitmaßstab. Bis zum Zeitpunkt T 1 erfolgt eine übliche Regelung, wobei jeweils die Zei­ ten t 0 gemessen werden. Bei dem dargestellten Bei­ spiel werden nur die Zeiten gemessen, die auf einen negativen Sprung folgen. Der vor dem Zeitpunkt T 1 vorliegende stationäre Betriebszustand hat eine Weile angedauert, so daß zum Zeitpunkt T 1 von einer Regelung auf eine Steuerung der Stellgröße IDS umge­ schaltet wird. Dazu wird der Mittelwert der zuvor ermittelten Zeiten t 0 gebildet und ein kleinerer Zeitabschnitt zwischen jeweils zwei Sprüngen der Stellgröße IDS festgelegt.

Außerdem wird bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel die Höhe der Sprünge verringert und die Sprünge in positiver Richtung geringfügig größer gewählt als die Sprünge in negativer Richtung. Dadurch verläuft die Stellgröße IDS während der Zeit der Steuerung in Richtung auf einen Sondenumschlag. Es wird somit vermieden, daß während dieser Zeit eine Entfernung von dem optimalen Lambda-Wert er­ folgt, ohne daß eine Korrektur durch einen Sprung der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde möglich ist.

Bei einem Beginn der Steuerung mit einem negativen Sprung der Stellgröße IDS wird die Höhe der negati­ ven Sprünge gegenüber den positiven Sprüngen etwas vergrößert, so daß dann die Stellgröße langsam in die negative Richtung driftet. Insgesamt ergibt sich während der Steuerung ein kleinerer Hub des Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses als bei der Regelung, was in Fig. 5 durch waagerechte strichpunktierte Linien angedeutet ist. Spätestens nach der Zeit t 1 soll wird wieder auf die Regelung umgeschaltet, was in Fig. 5 zum Zeitpunkt T 3 dargestellt ist. Tritt jedoch vor dem Erreichen von T 3 ein Sprung der Spannung Ua auf, wie es in Fig. 5 bei T 2 angedeutet ist, so wird bereits dann die Regelung wieder aktiviert.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Ver­ hältnisses einer Brennkraftmaschine, wobei die Aus­ gangsspannung einer Sauerstoffmeßsonde, die im Abgas­ kanal der Brennkraftmaschine angeordnet ist, derart zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses heran­ gezogen wird, daß auf einen Umschlag der Ausgangs­ spannung der Sauerstoffmeßsonde ein von der Richtung des Umschlags abhängiger Sprung und danach eine im wesentlichen zeitkontinuierliche Änderung einer Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis er­ folgt, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentli­ chen stationären Betriebsbedingungen die Zeitpunkte der Sprünge unabhängig von den Umschlägen der Aus­ gangsspannung der Sauerstoffmeßsonde derart gesteu­ ert werden, daß die Zeiten zwischen den Sprüngen kleiner als die Zeiten zwischen vorangegangenen Umschlägen der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeß­ sonde sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ferner die Höhe der Sprünge kleiner als die Höhe der durch die Umschläge der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde veranlaßten Sprünge ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes der Regelung wiederholt geprüft wird, ob im wesent­ lichen stationäre Betriebsbedingungen vorliegen, daß bei Erkennen von im wesentlichen stationären Betriebsbedingungen die Zeiten zwischen aufeinander­ folgenden Umschlägen ermittelt werden und daß danach die Zeitpunkte der Sprünge gesteuert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß Zeiten zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Umschlägen ermittelt werden und daß daraus der Mittelwert gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines Umschlags vor einer vorgegebenen Zeit der Steuerung wieder auf eine Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhält­ nisses umgeschaltet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit auf eine Regelung des Kraftstoff- Luft-Verhältnisses umgeschaltet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zeit der Steuerung die Stellgröße allmählich in die Rich­ tung gesteuert wird, die der Richtung des letzten Sprunges der Stellgröße vor dem Beginn der Steuerung entspricht.