DE4007548A1 - Verfahren zum bestimmen des integrationsanteils des stellwertes bei einer digitalen lambdaregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Integrationsanteils des Stellwertes bei einer digitalen Lambdaregelung.

Stand der Technik

Bei allen derzeit üblichen Lambdaregelungsverfahren enthält der digital berechnete Wert der Stellgröße einen Integrationsanteil. Dabei wird mit jedem Durchlauf des Rechenverfahrens zur Regelung ein Integrationswertinkrement zum aktuellen Stellwert hinzuaddiert oder von diesem abgezogen, je nach aktueller Integrationsrichtung, d. h. abhängig davon, ab gerade mageres Gemisch vorliegt, das anzufetten ist, oder fettes Gemisch, das abzumagern ist. Die Größe des jeweils verwendeten Integrationswertinkrementes hängt von der jeweiligen Totzeit ab, die zwischen dem Zumessen von Kraftstoff zu einem Zylinder und demjenigen Zeitpunkt vergeht, zu dem Abgas, das zur zugemessenen Kraftstoffmenge gehört, an einer Lambdasonde angelangt. Diese Totzeit hängt vom Betriebszustand der geregelten Brennkraftmaschine ab. Werden alle Größen in exakter Weise berücksichtigt, die Einfluß auf die Totzeit nehmen, ergibt sich ein sehr komplexer arithmetischer Zusammenhang. Daher wurde das für jeden Be­ triebszustand angemessene Integrationswertinkrement nicht aus einer Gleichung berechnet, sondern es wurde durch Interpolieren aus einem über Werte verschiedener Betriebsgrößen adressierbaren Kennfeld gewonnen. Herkömmliche derartige Kennfelder enthalten Integrationswertinkremente, die für Rechenverfahren appliziert sind, die in einem festen zeitlichen Raster arbeiten, z. B. in einem Raster, gemäß dem jeweils alle 10 ms der Rechenablauf zum Bestimmen des Sollwertes für die Lambdaregelung bestimmt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß als eine Größe, die zum Adressieren der angesprochenen Kennfelder verwendet wird, grundsätzlich eine Lastgröße verwendet wird, d. h. eine Größe, die die Luftmasse anzeigt, die mit einem jeweiligen Hub angesaugt wird. Für Lambdaregelungsverfahren muß diese Größe immer aktuell bekannt sein, da mit Hilfe dieser Größe diejenige Kraftstoffmenge zu bestimmen ist, die der geregelten Brennkraftmaschine jeweils zuzuführen ist.

Es besteht seit langem der Wunsch, das genannte Verfahren des Interpolierens von Werten aus einem zu applizierenden Kennfeld durch ein Verfahren zu ersetzen, bei dem Integrationswertinkremente auf schnelle Weise aus einer einfachen Gleichung berechnet werden können.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Integrationsanteils des Stellwertes bei einer digitalen Lambdaregelung, bei der der jeweils aktuelle Wert LAST einer Lastgröße erfaßt wird, zeichnet sich dadurch aus, daß

• - das Integrationswertinkrement wie folgt bestimmt wird: DELTA_I=CONST×LAST,wobei CONST eine für die zu regelnde Brennkraftmaschine zu applizierende Größe ist,
• - und das Integrationswertinkrement mit jeder Segmentzeit je nach der aktuellen Integrationsrichtung entweder zum jeweils aktuellen Integrationswert addiert oder von diesem subtrahiert wird, wobei die Segmentzeit gleich Zeit für zwei Umdrehungen/ Zylinderzahl ist.

Die soeben angegebene Gleichung ist äußerst einfach auswertbar. Der einfachen Gleichung liegen zwei Erkenntnisse zugrunde. Die eine Erkenntnis ist die, daß es zur Gleichungsvereinfachung beiträgt, wenn statt auf ein festes Zeitraster auf ein festes Winkelraster Bezug genommen wird. Die noch bedeutendere Erkenntnis ist die, daß für das Verhältnis zwischen Abgastemperatur und Last ein verhältnismäßig einfacher Zusammenhang angenommen werden kann, der weiter unten näher erläutert wird. Die Anwendung dieser beiden Erkenntnisse auf Gleichungen, die die Zusammenhänge zwischen dem Integrationswertinkrement und Betriebsgrößen beschreiben, führt zwar immer noch zu einer relativ komplizierten Gleichung, jedoch weisen Werte, die aus dieser Gleichung für das Lambdawertinkrement berechnet werden, keine allzu großen Abweichungen mehr von Werten auf, wie sie aus der oben angegebenen linearen Gleichung folgen. Die obige Gleichung ist damit eine sehr gute Näherung zum Bestimmen des jeweils zweckmäßigsten Integrationswertinkrementes, vorausgesetzt, daß der weiter unten erläuterte vereinfachte Zusammenhang zwischen Abgastemperatur und Last gilt, was jedoch für die meisten Brennkraftmaschinen der Fall ist.

Zeichnung

Fig. 1 Diagramm zum Veranschaulichen des Zusammenhangs zwischen den Werten einer Lastgröße und des Integrationswert­ inkrementes und

Fig. 2 Verfahren zum Bestimmen des Integrationsanteils des Stellwertes bei einer digitalen Lambdaregelung.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Totzeit DT, die zwischen dem Zeitpunkt des Zumessens von Kraftstoff zu einem Zylinder und dem Zeitpunkt vergeht, zu dem Abgas an einer Lambdasonde angelangt, das zur zugemessenen Kraftstoffmenge gehört, gilt:

DT=Verweilzeit im Motor+(Gaslaufzeit Motor - Lambdasonde)

=Z×SEGMENTZEIT+(V_AUSPUFF/V_HUB)×1×SEGMENTZEIT (1)

mit Z=Zylinderzahl.

SEGMENTZEIT ist hierbei die Zeit für zwei Umdrehungen/Z. Diese Zeit hängt von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Für Gleichung (1) ist angenommen, daß die genannte Zeitspanne während der Totzeit in etwa konstant bleibt. Diese Annahme ist mit sehr guter Näherung erfüllt, solange nicht stark instationäre Vorgänge vorliegen, z. B. plötzliches Gasgeben oder plötzliches Gaswegnehmen bei ausgekuppelter Maschine.

Im folgenden wird der Wert von SEGMENTZEIT als Zeiteinheit angenommen und daher nicht mehr weiter aufgeführt.

In Gleichung (1) bedeuten:
V_AUSPUFF: Volumen des Auspuffs zwischen Auslaß eines Zylinders und Lambdasonde,
V_HUB: Abgasvolumen pro Hub.

Das Integrationswertinkrement soll sich umgekehrt proportional zur Totzeit DT ändern, also:

Umgeformt ergibt dies:

DELTA_I=K×V_HUB/(V_AUSPUFF+Z×V_HUB) (3)

Das Abgasvolumen pro Hub V_HUB hängt nur von der angesaugten Luftmasse und der Abgastemperatur ab. Die angesaugte Luftmasse ist als Wert LAST einer Lastgröße bei jedem Lambdaregelungsverfahren bekannt, da es ja bei einer Lambdaregelung um nichts anderes geht, als einer bestimmten Luftmenge gerade so viel Kraftstoff zuzuführen, daß sich ein vorgegebener Lambdawert einstellt. Für das genannte Volumen gilt:

V_HUB=K2×LAST×(T_ABGAS/T_U) (4)

mit K2: Konstante,
T_ABGAS: aktuelle Abgastemperatur,
T_U: Abgastemperatur, wie sie bei einer beliebigen, jedoch niedrigen Last vorliegt, z. B. im Leerlauf.

In dieser Gleichung ist die Abgastemperatur nicht bekannt. Für sie wird folgende einfache Annahme getroffen, was entscheidend für das endgültige Ergebnis der Rechnung ist:

T_ABGAS=T_U(1+(LAST/LASTMAX)) (5)

mit LASTMAX: maximale Last, unter der die Brennkraftmaschine betrieben werden kann, bei der das Verfahren angewandt wird.

Gleichung (5) liefert einen linearen Zusammenhang zwischen Last und Abgastemperatur, wobei bei der niedrigen Last in etwa T_U vorliegt und bei LASTMAX die Abgastemperatur etwa 2×T_U beträgt, und zwar jeweils als absolute Temperatur. Beträgt die Abgastemperatur bei niedriger Last z. B. 600 K, ergibt sich für maximale Last eine Abgastemperatur von etwa 1200 K. In °C entspricht dies etwa 300°C bzw. 900°C.

Durch Einsetzen der Gleichungen (4) und (5) in Gleichung (3) ergibt sich:

Der Zusammenhang gemäß Gleichung (6) ist für beliebige Einheiten von LAST und DELTA_I in Fig. 1 dargestellt. Vernachlässigt man in Gleichung (6) den zweiten Term im Nenner, ergibt sich eine Überlagerung eines parabelförmig ansteigenden Terms mit einem linear ansteigenden Term. Tatsächlich ist der zweite Term im Nenner jedoch zu beachten. Auch dieser Term enthält einen parabelförmig anwachsenden Anteil, was dazu führt, daß die Abweichung des Gesamtverlaufs, wie er durch Gleichung (6) gegeben ist, nicht allzu stark von einer Geraden abweicht. Die Gleichung (6) kann daher mit guter Näherung durch eine Geradengleichung dargestellt werden, also:

DELTA_I=CONST×LAST (7)

Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der gemäß Gleichung (5) angenommene Zusammenhang zwischen Abgastemperatur und Last gilt, ergibt sich also ein sehr einfacher Zusammenhang zwischen dem zweckmäßigen jeweiligen Integrationswertinkrement und dem jeweils aktuellen Wert der Lastgröße. Der Wert von CONST wird zweckmäßigerweise appliziert, d. z. durch Versuche auf einem Bremsstand ermittelt.

Ein Verfahren zum Bestimmen des Integrationsanteils des Stellwertes bei einer digitalen Lambdaregelung unter Ausnutzung von Gleichung (7) wird nun anhand von Fig. 2 erläutert. Der Verfahrens­ ablauf gemäß Fig. 2 weist Schritte s1, s2 sowie s3.d und s3.u auf. Unterschiedlich zu einem herkömmlichen Verfahrensablauf ist nur das Vorgehen in Schritt s1. Dort wird nämlich nach dem Start des Verfahrens zum Bestimmen des Integrationswertes das Integrationswertinkrement DELTA_I mit Hilfe von Gleichung (7) berechnet, anstatt es durch Interpolation aus einem applizierten Kennfeld zu gewinnen. Im anschließenden Schritt s2 wird die Integrationsrichtung abgefragt, d. h. es wird festgestellt, ob der Stellwert für die Kraftstoffzumessung erniedrigt werden muß, weil der Lambdawert gerade unter dem Sollwert liegt, oder ob die Verhältnisse umgekehrt liegen. Bei verschiedenen Verfahren wird das Integrationswertinkrement nicht unmittelbar vom Stellwert abgezogen oder zu diesem addiert, sondern es wird vom Integrationsanteil des Stellwertes abgezogen oder zu diesem addiert, welcher Anteil gesondert weiterverarbeitet wird, z. B. zu Adaptionszwecken und schließlich zum Gewinnen des Stellwertes der Lambdaregelung. Muß das Inkrement abgezogen werden, erfolgt dies in Schritt s3.d, andernfalls wird in Schritt s3.u das Inkrement DELTA_I zum Integrationswert I addiert. In beiden Fällen wird anschließend das Ende des Verfahrens zum Bestimmen des Integrationswertes erreicht.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Integrationswertinkrement mit jeweiligem Ablauf einer Segmentzeit berechnet und es wird der Integrationsanteil des Stellwertes der Lambdaregelung akutalisiert. Von Bedeutung für das Verfahren ist, daß die Segmentzeit nicht einen zeitlich festen Takt darstellt, sondern von der Drehzahl abhängt. Während der Integrationsanteil mit jeder Segmentzeit zu aktualisieren ist, kann das Neuberechnen des Integrationswertinkrementes in größeren Zeitabständen erfolgen, insbesondere dann, wenn das Lambdaregelungsverfahren anzeigt, daß gerade kein Instationärvorgang ausgelöst wurde.

Claims (1)

1. Verfahren zum Bestimmen des Integrationsanteils des Stellwertes bei einer digitalen Lambdaregelung, bei der der jeweils aktuelle Wert LAST einer Lastgröße erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

   • - das Integrationswertinkrement wie folgt bestimmt wird: DELTA_I=CONST×LAST,wobei CONST eine für die zu regelnde Brennkraftmaschine zu applizierende Größe ist,
   • - und das Integrationswertinkrement mit jeder Segmentzeit je nach der aktuellen Integrationsrichtung entweder zum jeweils aktuellen Integrationswert addiert oder von diesem subtrahiert wird, wobei die Segmentzeit gleich Zeit für zwei Um­ drehungen/Zylinderzahl ist.