DE19846310A1 - Verfahren zur Bestimmung der erforderlichen Einspritzmenge an Kraftstoff für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der erforderlichen Einspritzmenge an Kraftstoff für einen Zweitakt-VerbrennungsmotorInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Bestimmung der erforderlichen Einspritzmenge an Kraftstoff für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor aus dem Luftmassenstrom, welchen der Zweitakt-Verbrennungsmotor über eine Ansaugstrecke mit einem eingangsseitigen Luftfilter und einer ausgangsseitigen Drosselklappe ansaugt, wird eine einfache und gleichzeitig sehr genaue Bestimmung über den gesamten Drehzahlbereich dadurch erreicht, dass in jedem Arbeitszyklus der Absolutdruck in der Ansaugstrecke zwischen dem Luftfilter und der Drosselklappe gemessen wird, dass aus dem gemessenen instationären Druckverlauf (p¶Ansaug¶) ein erstes zeitliches Druckfenster (DF1) ausgewählt und durch Integration des innerhalb des ersten Druckfensters (DF1) liegenden Teils des Druckverlaufs (p¶Ansaug¶) ein Lastdruck (p¶Last¶) ermittelt wird, und dass aus dem ermittlten Lastdruck (p¶Last¶) unter Berücksichtigung des Umgebungsluftdruckes (p¶Luft¶) der Einspritzbeginn (alpha¶i¶) und die Einspritzdauer (T¶i¶) bestimmt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Technik von
Zweitakt-Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffeinspritzung. Sie betrifft ein
Verfahren zur Bestimmung der erforderlichen Einspritzmenge an Kraftstoff
für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor aus dem Luftmassenstrom, wel
chen der Zweitakt-Verbrennungsmotor über eine Ansaugstrecke mit ei
nem eingangsseitigen Luftfilter und einer ausgangsseitigen Drosselklappe
ansaugt.
Eine solches Verfahren ist z. B. aus der DE-A1-196 34 128 der Anmelderin
bekannt.
Es ist seit langem bekannt, dass zur Erfassung des Ansaugmassenstro
mes bei einem Verbrennungsmotor Verfahren auf der Basis von Hitzdraht- bzw.
Hitzfilm-Anemometern eingesetzt werden (siehe dazu z. B.: Sensoren
als Informanten, Krafthand, Heft 12, 22. Juni 1996, 5.800-805). Auch wer
den häufig Kombinationen aus Saugdrossel- und Druckgebern eingesetzt,
um ein lastabhängiges Einspritzsignal zu bilden (DE-A1-41 04 101;
DE-C2-40 02 813 oder DE-C2-32 38 153). Diese Verfahren sind relativ auf
wendig und finden vornehmlich bei grösseren Verbrennungsmotoren An
wendung.
Desweiteren ist eine einfache Methode zur Erfassung des Drucksignals
aus der eingangs genannten Druckschrift DE-A1-196 34 128, einer frühe
ren Anmeldung der Anmelderin, bekannt. Hier wird ein Absolutdrucksen
sor eingesetzt, der in Verbindung mit einem Auswertealgorithmus den
Spitzendruck einer instationären Druckwelle zur Berechnung der erforder
lichen Einspritzmenge heranzieht. Nachteilig ist bei diesem bekannten
Verfahren, dass unter Einsatz spezieller Dämpfungsmittel nur der Maxi
malwert des Unterdrucks der Ansaugdruckwelle ausgewertet wird, was zu
erheblichen Ungenauigkeiten über den gesamten Drehzahlbereich führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art
so zu verbessern, dass mit geringem Aufwand ein dem Ansaugmassen
strom proportionales Signal mit grosser Aussagegenauigkeit gebildet wird,
um damit die erforderliche Einspritzmenge für den Motor festlegen zu
können. Das Verfahren muss dabei im gesamten Drehzahlbereich eines
Zweitakt-Verbrennungsmotors und unabhängig vom Umgebungsdruck
zuverlässige Ergebnisse liefern.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale aus dem Anspruch
1 gelöst. Grundgedanke der Erfindung ist die Erfassung und Verarbeitung
des instationären Saugrohrdruckverlaufs in jedem Arbeitszyklus. Gemes
sen wird mit einem Absolutdruckgeber zwischen Drosselklappe und Luft
filter des Motors. Jede Druckwelle im Ansaugsystem wird durch diverse
Einflüsse geprägt, so z. B. durch die Last (Drosselklappenstellung), die
Drehzahl sowie Reflexionen. Ziel ist es, dass der angesaugten Luftmenge
proportionale Signal zu ermitteln. Im Unterschied zu bekannten Lösungen
wird bei der erfindungsgemässen Lösung nur ein Teil des Druckverlaufs
bzw. der Druckwelle betrachtet.
Es wird davon ausgegangen, dass während des Ansaugvorgangs, also,
wenn eine Luftmenge in den Ansaugkanal des Zylinders transportiert wird,
die Druckwelle die signifikanten Informationen liefert. Deshalb wird für je
den Betriebsdrehzahlbereich der entsprechende Teil der Druckwelle mit
tels Fensterung (Auswertung eines zeitlichen Teilbereiches der Druck
welle) herangezogen. Schwingungsüberlagerungen bzw. Reflexionen, die
den Druckverlauf beeinflussen, spielen dadurch eine untergeordnete Rolle
und können das Messergebnis nur marginal beeinflussen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Umgebungsluftdruckes
aus dem gemessenen instationären Druckverlauf ein zweites zeitli
ches Druckfenster ausgewählt und durch Integration des Druckverlaufs
innerhalb des zweiten Druckfensters der Umgebungsluftdruck ermittelt
wird. Hierdurch wird es möglich, den Einfluss eines unterschiedlichen
Umgebungsdruckes zu eliminieren, ohne einen zweiten Druckgeber zu
benötigen.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprü
chen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zu
sammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einen Zweitakt-Verbrennungs
motor mit einem am Ansaugkrümmer zwischen Luftfilter
und Drosselklappe angeschlossenen Druckgeber zur Er
fassung eines Lastsignals und zur Bestimmung der Ein
spritzmenge und des Einspritzzeitpunktes für den Motor
nach dem erfindungsgemässen Verfahren;
Fig. 2 ein erstes Auswertungsschema nach der Erfindung mit
einer separaten Bestimmung des Umgebungsluftdruckes
bei kleinen Drehzahlen bzw. im Leerlauf; und
Fig. 3 ein zweites Auswertungsschema nach der Erfindung mit
einer Bestimmung des Umgebungsluftdruckes bei beliebi
gen Drehzahlen.
In Fig. 1 ist ein Zweitakt-Verbrennungsmotor 10 dargestellt, der einen Zy
linder 11 umfasst, in welchem sich in an sich bekannter Weise und An
ordnung ein auf einer Kurbelwelle drehbar angeordneter Kolben bewegt.
Der Kolben saugt im bekannten Zweitaktbetrieb durch einen am Zylinder
11 angeordneten Flansch 5 über einen Luftfilter 1 und eine Ansaugstrecke
3 Verbrennungsluft an und verdichtet sie. In die verdichtete Verbren
nungsluft wird zu einem geeigneten Zeitpunkt durch ein Einspritzelement
8 Kraftstoff eingespritzt und anschliessend gezündet. Die Verbrennungs
gase gelangen später durch einen Auslasskanal 9 nach draussen. In der
Ansaugstrecke 3 ist in einem am Flansch 5 angeflanschten Drosselklap
pengehäuse 4 eine Drosselklappe 12 zur Einstellung bzw. Regulierung
des Luftmassenstromes vorgesehen. Zwischen Drosselklappe 12 und
Luftfilter 1 wird die Ansaugstrecke 3 durch einen Ansaugkrümmer 2 ge
bildet, der im gezeigten Beispiel rechtwinklig nach oben gekrümmt ist.
Zur Bestimmung der pro Verdichtungstakt einzuspritzenden Kraftstoff
menge und des Einspritzbeginns bzw. der Einspritzdauer wird ein dem
Luftmassenstrom proportionales Lastsignal benötigt. Um ein dem Ma
ssestrom proportionales Signal im Ansaugtrakt entnehmen zu können und
dieses einem Absolutdrucksensor oder auch einem Differenzdrucksensor
bzw. mehreren Sensoren zuzuführen, wird gemäss der Erfindung die
Druckmessung in der Ansaugstrecke 3 zwischen dem Luftfilter 1 und der
Drosselklappe 12 durchgeführt. Dazu wird beispielsweise zwischen Luft
filter 1 und Drosselklappe 12 am Ansaugkrümmer 2 eine Druckentnah
mebohrung 13 angeordnet. Rückwirkungen der Drosselklappe 12 auf das
instationäre Strömungssignal werden bei kontinuierlichem Luftmassen
fluss dadurch vermieden. Eine zusätzliche Erfassung der Stellung der
Drosselklappe 12 ist nicht erforderlich.
Bei besonders kleinbauenden Zweitaktmotoren, wie sie vor allem bei
Hand- bzw. Arbeitsgeräten wie z. B. Motorsägen Anwendung finden, ist die
in der Fig. 1 gezeigte Lösung bevorzugt, bei der die Druckentnahme im
äusseren Radius des Ansaugkrümmers 2 durchgeführt wird. Dies kann
entweder mittels einer integrierten Wanddrucksonde erfolgen, oder über
einen Druckgeber 6, der direkt an der Druckentnahmebohrung 13 ange
ordnet ist.
Zur exakten Bestimmung der Randbedingungen für die nachfolgende
Auswertung der Betriebsbedingungen und zur Ermittlung der notwendigen
Einspritzmenge ist es weiterhin von Vorteil, unmittelbar in diesem Bereich
auch die Temperatur der angesaugten Luft mittels eines Temperaturge
bers 7 zu messen. Durch diese Massnahmen können in einer (in der Figur
nicht gezeigten) Motorsteuerung aus den Messwerten für Temperatur und
Druck der angesaugten Luft sehr genau nach Massgabe eines Kennlini
enfeldes oder dgl. die optimalen Parameter für die Kraftstoffeinspritzung
bestimmt und zur Ansteuerung des Einspritzelementes 8 verwendet wer
den.
Die Auswertung des vom Druckgeber 6 aufgenommenen Druckverlaufs
erfolgt nun vorzugsweise gemäss den in Fig. 2 bzw. 3 dargestellten Aus
wertungsschemata. Ausgangspunkt der Auswertung sind in beiden Fällen
der aufgenommene Druckverlauf pAnsaug, die Drehzahl n, der Triggerwinkel
αTrig und der (optionale) Synchronwinkel αB/E. Der aufgenommene Druck
verlauf wird in den Figuren durch die Zeitkurve einer gedämpften Schwin
gung symbolisiert.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 geht die Auswertung zwei unterschiedli
che Wege: Liegt die aktuelle Drehzahl n oberhalb der Leerlaufdrehzahl nLL
(n ≧ nLL, wird aus dem Druckverlauf pAnsaug als Zeitfenster ein erstes
Druckfenster DF1 ausgewählt und der innerhalb dieses Druckfensters
DF1 liegende Teil des Druckverlaufs pAnsaug integriert. Das Ergebnis ist ein
Lastdruck pLast der eine Funktion des ersten Druckfensterwinkels αDF1 ist
(pLast = f(αDF1)).
Liegt die aktuelle Drehzahl bei sehr kleinen Drehzahlen, insbesondere
unterhalb der Leerlaufdrehzahl nLL (n ≦ nLL), wird aus dem Druckverlauf
pAnsaug als Zeitfenster ein zweites, in der ausschwingenden Welle liegen
des Druckfenster DF2 ausgewählt und der innerhalb dieses Druckfensters
DF2 liegende Teil des Druckverlaufs pAnsaug integriert. Das Ergebnis ist ein
Umgebungsluftdruck pLuft, der eine Funktion des zweiten Druckfensterwin
kels αDF2 ist (pLuft = f(αDF2)). Hierbei wird eine grosse Messgenauigkeit
erzielt. Die Ermittlung kann dabei nach einem vorgegebenen Zähler 14 er
folgen.
Aus beiden Druckwerten kann nun unter Berücksichtigung der Ansaug
lufttemperatur T1 und der Motortemperatur T2 über eine Lastfunktion L
ein Lastzustand ermittelt werden, nach Massgabe dessen aus einem
Kennwertspeicher 15 der für die Kraftstoffeinspritzung erforderliche Ein
spritzbeginn αi und die Einspritzdauer Ti ausgespeichert und zur Ansteue
rung des Einspritzelementes 8 verwendet werden. Der optimale Fenster
bereich für die unterschiedlichen Drehzahlen wird dabei versuchstech
nisch ermittelt, wie auch ein Korrekturfaktor K in der Lastfunktion L, der
als Durchflusskoeffizient die durchströmte Ansaugstrecke des Motors (für
jeden Motortyp gleich) charakterisiert. Der Durchflusskoeffizient K wird als
Mittelwert aus den Drosselklappenstellungen ermittelt.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wird die Ermittlung des Umgebungsluft
druckes pLuft bei jeder Drehzahl durchgeführt. Auch hier kann ein Zähler
14 festgelegt werden, wobei beim Überschreiten des Zählers 14 die
Druckwelle nach den Druckfenstern DF1 bzw. DF2 ausgewertet wird. Die
Genauigkeit für den Umgebungszustand ist hier nicht so gross wie in Fig.
2, aber für einen gesicherten Motorbetrieb ausreichend.
1
Luftfilter
2
Ansaugkrümmer
3
Ansaugstrecke
4
Drosselklappengehäuse
5
Flansch
6
Druckgeber
7
Temperaturgeber
8
Einspritzelement
9
Auslasskanal
10
Zweitakt-Verbrennungsmotor
11
Zylinder
12
Drosselklappe
13
Druckentnahmebohrung
14
Zähler
15
Kennwertspeicher
Claims (6)
1. Verfahren zur Bestimmung der erforderlichen Einspritzmenge an Kraft
stoff für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor (10) aus dem Luftmassen
strom, welchen der Zweitakt-Verbrennungsmotor (10) über eine Ansaug
strecke (3) mit einem eingangsseitigen Luftfilter (1) und einer ausgangs
seitigen Drosselklappe (12) ansaugt, dadurch gekennzeichnet, dass in
jedem Arbeitszyklus der Absolutdruck in der Ansaugstrecke (3) zwischen
dem Luftfilter (1) und der Drosselklappe (12) gemessen wird, dass aus
dem gemessenen instationären Druckverlauf (pAnsaug) ein erstes zeitliches
Druckfenster (DF1) ausgewählt und durch Integration des innerhalb des
ersten Druckfensters (DF1) liegenden Teils des Druckverlaufs (pAnsaug) ein
Lastdruck (pLast) ermittelt wird, und dass aus dem ermittelten Lastdruck
(pLast) unter Berücksichtigung des Umgebungsluftdruckes (pLuft) der Ein
spritzbeginn (αi) und die Einspritzdauer (Ti) bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Bestimmung des Einspritzbeginns (αi) und der Einspritzdauer (Ti) aus dem
ermittelten Lastdruck (pLast) mittels einer Lastfunktion (L) der jeweilige
Lastzustand abgeleitet und nach Massgabe des Lastzustandes aus einem
Kennwertspeicher (15) die erforderlichen Werte für den Einspritzbeginn
(αi) und die Einspritzdauer (Ti) ausgespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei
der Ableitung des Lastzustandes die Ansauglufttemperatur (T1) und die
Motortemperatur (T2) mitberücksichtigt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass zur Bestimmung des Umgebungsluftdruckes (pLuft) aus
dem gemessenen instationären Druckverlauf (pAnsaug) ein zweites zeitli
ches Druckfenster (DF2) ausgewählt und durch Integration des Druck
verlaufs (pAnsaug) innerhalb des zweiten Druckfensters (DF1) der Umge
bungsluftdruck (pLuft) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Bestimmung des Umgebungsluftdruckes (pLuft) bei sehr kleinen Drehzah
len (n), vorzugsweise im Leerlauf, erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Bestimmung des Umgebungsluftdruckes (pLuft) nach
einem vorbestimmten Zähler (14) erfolgt.
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