DE2509505C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des ersten Verfahrensanspruchs bzw. des ersten VorrichtungsansDruchs und ist Zusatz zum Deutschen Patent 24 34 743.

Infolge verschärfter Abgasbestimmungen und aufgrund der allgemeinen Treibstoffknappheit wird nach Lösungen gesucht, bei denen Brennkraftmaschinen in einem Betriebsbereich betrieben werden können, in dem die schädüchen Anteile des Abgases auf ein Minimum reduziert werden können und/oder der verbrauchte Kraftstoff ein Minimum ist

Eine derartige Forderung wird erfüllt. w:nn die Brennkraftmaschine mit einem möglichst mageren ίο Kraftstoff-Luft-Gemisch an der sogenannten Magerlaufgrenze, an der die Brennkraftmaschine mit einer gerade noch vertretbaren Laufunruhe läuft, betrieben wird. Mit steigender Abmagerung des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine treten verstärkt vcris schleppte Verbrennungen auf, da die Ladung der Brennräume der Brennkraftmaschine nicht schnell und gleichmäßig genug entflammbar ist Das resultiert in unterschiedlich hohe Brennraumdruckverläufe, die wiederum ursächlich für Drehzahl- bzw. Drehmomentschwankungen an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine sind. Die Möglichkeit, aus einer Art Laufunruhesignal Mittel zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine zu gewinnen, ist bekannt (US-PS 37 89 816). Zu diesem Zweck wird bei der bekannten Lösung die Geschwindigkeit der Kurbelwellendrehung kontinuierlich in Form einer djehzahlproportionalen Frequenz erfaßt Nach dem Passieren von statischen Filtern, durch die unerwünschte Frequenzen unterdrückt werden sollen, wird das verbleibende Signal differenziert, um die Geschwindigkeitsänderungen zu erfassen und durch Gleichrichten des differenzierten Signals einen Absolutwert der Geschwindigkeitsänderung zu gewinnen. Da bestimmte niedrige Frequenzen, die z. B. von willkürlich ausgelösten Beschleunigungsvorgängen herrühren, nicht völlig durch die Filter unterdrückt werden können, ist bei derl>ekannten Lösung ferner ein Schaltkreis vorgesehen, durch den diese Frequenzen gesondert herausgefiltert und in eine gleichgerichtc'e Absolutgröße verwandelt werden sollen, wobei bei Überschreiten eines Schwellwertes eines solche Regeiung abgeschaltet wird. Als nachteilig könnte hierbei angesehen werden, daß ein auf diese Weise erzeugtes Laufunruhesignal kein reines, nur auf die abmagerungsbedingten Schwankungen des Brennraumdrucks zurückzuführendes Signal darstellt, sondern insbesondere in nachteiliger Weise auch noch Anteile aufweist, die auf teilweise nicht kontrollierbare Parameter der Brennkraftmaschine zurückzuführen sind, wie beispielsweise Luftzahl-, Füllungsund Turbulenzschwankungen. Ferner können störende so Einflüsse durch oszillierende Massen des Kurbeltriebs und durch Ungleichförmigkeiten der Lastverhältnisse bei einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine auftreten.

Zweck des im Patent 24 34 743 beschriebenen Systems ist es, Brennkraftmaschinen möglichst in einem Betriebsbereich arbeiten zu lassen, in welchem die schädlichen Bestandteile des Abgases möglichst gering sind und/oder der Kraftstoffverbrauch kleingehalten werden kann, um so verschärften Abgasbestimmungen und einer allgemeinen Treibstoffknappheit begegnen zu können. Hierdurch ist es möglich, eine Brennkraftmaschine mit einem möglichst mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch zu betreiben, d. h. die Einstellung der Brennkraftmaschine wird in Richtung mager vorgenommen, so daß diese in einem Bereich mit einem relativ schadstoffarmen Abgas und einem geringen Kraftstoffverbrauch arbeitet; allerdings ist es von wesentlicher Bedeutung, den gewünschten Betriebspunkt der mageren

Laufgrenze der Brennkraftmaschine möglichst genau festzustellen und einzuregeln. Da die Laufunruhe einer Brennkraftmaschine um so größer wird, je weiter man sich, grob gesagt, vom stöchiometrischen Verhältnis (Luftzahl λ« 1) entfernt, werden in dem Patent 24 34 743 die Schwankungen im Druckverlauf in den Zylindern der jeweiligen Brennkraftmaschine, die die Laufunruhe bestimmen, dadurch gemessen, daß man auf die durch die Dmckschwankungen in den Zylindern der Brennkraftmaschine verursachten Drehmoment-Schwankungen zurückgreift und diese dadurch bestimmt, daß ein drehzahisynchrones Laufunruhesignal aus den Beschleunigungsänderungen, die die Kurbelwelle erfährt abgeleitet und zur Erzeugung eines Stellsignales ausgewertet wird.

Dabei wird aus dem Vorbeilauf einer Marke an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein Signal bevorzugt auf induktive Weise gewonnen und über eine Impulsformerstufe einer Phasenvergleichsschaltung zugeführt Gleichzeitig wird dieses Signal nach zweimaliger Integrierung einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt dessen Ausgangssignal einem zweiten Eingang der Phasenvergleichsschaltung zugeführt wird. Auf diese Weise wird ein sogenannter PLL-Kreis gebildet (Phase locked loop).

Sinn einer solchen Schaltung ist die Bestimmung der Laufzeit zwischen am Umfang der Kurbelwelle angeordneten Marken und die Schaffung eines elektronischen Simulationssystems, das als Vergleichäsystem dient synchron mit der Grunddrehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine umläuft, jedoch nicht den zyklischen Schwankungen unterworfen ist deren Auswertung zur Gewinnung des Stellsignals führt Mit anderen Worten wird den beiden Eingängen der Vergleichsschaltung einmal ein positive und negative Beschleunigungsänderungen aufweisendes und von der vorgeschalteten Impulsformerstufe herrührendes Eingangssignal zugeführt, der andere Eingang der Phasenverglcichsschaltung erhält ein Eingangssignal, welches einer praktisch gleichförmig umlaufenden Brennkraftmaschine entspricht.

Das Ausgangssignal nach der zweiten Integrierstufe, welches der Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine entsprich·., wird in einen proportionalen Strom umgewandelt und dient zur Aufladung eines Kondensators, dabei wird die Kondensatoraufladung jedoch gesteuert vom Ausgangssignal der Phasenvergleichsschaltung, welches der Änderung der Kurbelwellenumlaufzeit entspricht; somit erfolgt die Aufladung des Kondensators proportional zum Laufzeitfehler multipliziert mit der Drehzahl und die über dem Kondensator liegende Spannung ist diesen Werten proportional. Im einzelnen ist eine solche Schaltung in Fig. 3 ries Patents 24 34 743 dargestellt; das Signal über dem drehzahlproportional aufgeladenen Kondensator geht zu dem nicht invertierenden Eingang eines als Komparator geschalteten Operationsverstärkers, dessen anderem Eingang ein Sollv/ert zugeführt wird. Der Ausgang des vergleichenden Operationsverstärkers beaufschlagt ein bistabiles Kippglied, das an seinem Ausgang ein L-Signal oder ein O-Signal erzeugt. Liegt am Ausgang des bistabilen Kippgliedes ein O-Signal, dann integriert ein nachgeschaltetes, integrierendes Stellglied, welches die Form eines Operationsverstärkers aufweist, in positiver Richtung, d. h. die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wächst an; ergibt sich um Ausgang des bistabilen Kippgliedes ein I.-Signal, dann ist bei dieser gegebenen Schaltung der Istwert größer als der Sollwert und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (Stellglied) geht gegen Null Mit einem Taktimpuls mittelbar vom Ausgang der Phasenvergleichsschaltung (genauer gesagt von einer nachgeschalteten Verstärkerschaltung) wird das bistabile Kippglied jeweils gesetzt

Hierbei ist nicht auszuschließen, daß sich ein problematisches Verhalten bei der Regelung dann ergeben kann, wenn beim Betrieb der Brennkraftmaschine auf einem extrem mageren Betriebspunkt eine λ- Korrektur (d.h. Änderung des Kraftstoff-Luft-Gemisches) durch Änderung der zugeführten Kraftstoffmenge in Richtung fett erfolgt und es dadurch zu einer Zunahme des Drehmoments der Brennkraftmaschine und einer positiven Beschleunigungsänderung kommt, die dann im Grunde zwar keine Laufunruhe mehr darstellt, sondern durchaus erwünscht ist von dem Regelsystäm jedoch trotzdem als weitere Laufunruhe erfaßt wird und das Stellglied gezwungen wird, eine weitere /Z-Korrektur in Richtung fett vorzunehmen. Dies karr zu einer gewissen insiabiiitäi oder einem Schwingveriialten der Regelung führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei dem System des Patents 24 34 743 für ein stabileres Regelverha'ten zu sorgen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs und hat den Vorteil, daß lediglich auf negative Beschleunigungsänderungen reagiert und der Einfluß positiver Beschleunigungsänderungen, die auf ein durchaus gewolltes Anfetten des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs zurückgehen, nicht berücksichtigt werden. Es wird daher auch stets nur so weit angefettet wie es dem Bedarf der Brennkraftmaschine zur Erzielung eines stabilen Betriebspunktes in einem gewünschten mageren Betriebsbereicl. entspricht Ein solches Regelverhalten ist daher frei von Schwingungen und der jeweils neue gewünschte Betriebspunkt läßt sich ohne Durchlaufen eines instabilen Regelverhaltens aufsuchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Das von dem weiter vorn schon erwähnten Vergleicher angesteuerte bistabile Kippglied ist in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 1 versehen; die Ansteuerung vom Vergleicher, der im Patent 24 34 743 das Bezugszeichen 38 trägt, erfolgt über die Eingangsklemme 2 der dargestellten Zeichnung auf den Setzeingang des birtab^:'efi Kippglieds 1, das dadurch jeweils in eine Schaltlage gebracht wird, in welcher an seinem Ausgang ein L-Signal anliegt. Über die Klemme 3 der Schaltung wird dem bistabilen Kippglied 1 ein Taktsignal zugeführt, welches das Kippglied in seine bevorzugte Schaltlage zurückbringt, in welcher an seinem Ausgang ein O-Signal liegt. Das Taktsignal ist abgeleitet von einem Schalttransistor, der eingangsmäßig mit dem Ausgang der Phasenvergleichsschaltung verbunden ist. Er ergibt sich dann folgende Wirkung: Die Vergleichsschaltung erzeugt an ihrem Ausgang kurze Impulse, wenn bei dem Sollwert-Istwert-Vergleich der Istwert größer als der Sollwert ist, wodurch sich 'am Ausgang des bistabilen Kippgliedes 1 ein L-Signal ergibt und das integrierende Stellglied, welches über einen einstellbaren Widerstand 4 dem bistabilen Kippglied 1 nachgeschaltet ist und als

Operationsverstärker 5 ausgebildet ist, dadurch mit seinem Ausgangssignal gegen Null geht.

Da das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 5 in das Steuergerät beispielsweise einer elektronischen Kraftstoffeinspritzanlage eingreift, läßt sich durch Verlängerung oder Verkürzung der Kraftstoffeinspritzimpulse eine Veränderung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreichen.

Tritt der Fall ein, in welchem der Istwert kleiner als der Sollwert ist, dann gelangen auf den Setzeingang des bistabilen Kippgliedes 1 keine Impulse und das dem integrierenden Stellglied zugeführte O-Signal wird in positiver Richtung durch dieses aufintegriert.

Bei der bisherigen Schaltung wird das Laufruhesignal,

welches durch den Ausdruck bestimmt ist und

positive und negative Winkelbeschleunigungsänderungen umfaßt, gleichwertig behandelt, was bedeutet, daß sowohl bei positiven als auch bei negativen Winkelbeschleunigungsänderungen eine Λ-Korrektur mittels Anderung der zugeführten Kraftstoffmenge in Richtung fett bei der Regelung extrem magerer Betriebspunkte vorgenommen wird. Dies führt jedoch zu einer Zunahme des Drehmomentes und somit wiederum einer positiven Beschleunigungsänderung, die dann aber keine Laufunruhe mehr darstellt, sondern die gewünschte Annäherung des Istwertes an den Sollwert bildet, von der vorgeschlagenen Regelschaltung jedoch ebenfalls als Laufunruhesignal erfaßt wird.

Erfindungsgemäß erfolgt daher bei positiven Beschleunigungsänderungen keine Korrektur der zugeführten Kraftstoffmenge, sondern es wird der jeweils vorher vorhandene Abmagerungsgrad bzw. Betriebspunkt festgehalten, beispielsweise dadurch, daß das integrierende Stellglied von dem ihm an seinem invertierenden Eingang zugeführten Signal abgetrennt wird. Dadurch wird bei starken positiven Beschleunigungsänderungen die Integratorsteilheit auf »Null« reduziert. Bei der dargestellten Schaltung ist im Falle des Auftretens von positiven Bcschleunigungsänderungen ein Unterbrecherschalter 6 vorgesehen, der in der Eingangsleitung zum integrierenden Stellglied 5 liegt und der jeweils dann öffnet, wenn die Regelschaltung positive Beschleunigungsänderungen erfaßt. Zu diesem Zweck wird der Unterbrecherschalter 6 an einer Eingangsklemme 7 mit einem Signal angesteuert, welches direkt von der Phasenvergleichsschaltung abgeleitet sein kann und welches so bemessen und ausgebildet ist, daß bei Auftreten positiver Beschleunigungsänderungen der Unterbrecherschalter 6 öffnet Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht dieser Unterbrecherschalter aus einem in die Speiseleitung für das integrierende Stellglied 5 eingeschalteten Feldeffekttransistor, der bei positiven Beschleunigungsänderungen sperrt. Man erzielt auf diese Weise bei extrem magerem Betrieb ein stabileres Reglerverhalten und bewirkt dennoch eine drehzahlproportionale Integratorsteilheit, da das System bei negativen Beschleunigungsänderangen grundsätzlich in Betrieb ist

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine mit Bildung eines von den Schwankungen des Brennraumdrucks in den aufeinanderfolgenden Arbeitstakten der Brennkraftmaschine abhängigen Laufunruhesignals, entsprechend dessen Abweichung von einem Sollwert eine sich auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkende Einstellgröße änderbar ist, und wobei ein Vergleich der ungleichförmig umlaufenden Brennkraftmaschine mit einem einen gleichförmigen Umlauf der Brennkraftmaschine mit deren Drehzahl elektronisch simulierenden System durch Ermittlung des jeweiligen Phasenwinkels zwischen Brennkraftmaschine und System aus einem von der Brennkraftmaschine erzeugten elektrischen Signal und einem das gleichförmig umlaufende System charakterisierenden elektrischen Signal und durch Bildung eines der Änderung des Phasenwinkels entsprechendes elektrisches Signals als Laufunruhesignal, das ein Maß für die zyklischen Schwankungen des mittleren Brennraumdrucks ist, vorgenommen wird und die sich auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkende Stellgröße in Abhängigkeit von der Abweichung dieses Laufunruhesignals von einem Sollwert verstellt wird, wobei die Stellgröße das Krsftstoff-Luft-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugc.ührten Kraftstoff-Luft-Gemisches und/ oder die rückgeführti Abgarmenge ist, nach Patent 2434743, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des gewonnene- Abweichungssignals zur Stellgröße zur Eliminierung eines systematischen Fehiereinnusses während positiver Besehieunigungsänderungen unterbrochen und der vorhandene Abmagerungsgrad im Kraftstoff-Luft-Verhältnis beibehalten wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei ein mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehender Impulsgeber an einen ersten Eingang einer Phasenvergleichsschaitung angelegt ist, an deren zweiten Eingang eine Schaltungsanordnung anliegt, die das elektrische Signal abgibt, welches das synchron mit der Grunddrehzahl der Brennkraftmaschine umlaufende, gleichförmige System charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, daß in der ein integrierendes Stellglied (5) zur Verstellung der Stellgröße beaufschlagenden Speiseleitung ein Unterbrecherschalter (6) angeordnet ist, der bei positiven Beschleunigungsänderungen so angesteuert ist, daß er öffnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecherschalter als Feldeffekttransistor (6) ausgebildet ist, dessen Eingang mit dem positive und negative Beschleunigungsänderungen der Kurbelwelle anzeigenden Ausgangsanschluß der Phasenvergleichsschaltung verbunden ist.