DE3243002A1 - Verfahren zur steuerung des brennstoff/luft-gemischs bei verbrennungsmotoren mit innerer verbrennung - Google Patents
Verfahren zur steuerung des brennstoff/luft-gemischs bei verbrennungsmotoren mit innerer verbrennungInfo
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Description
Verfahren zur Steuerung des Brennsto£f/Luft-Gemischs bei
Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des
Brennstoff/Luft-Gemischs bei Verbrennungsmotoren mit innerer
Verbrennung» wobei die eingelassene Luftmenge gemessen und dieser entsprechend zugeordnete Parameter für den Betrieb
des Motors eingestellt werden.
Es sind verschiedene Steuerungssysteme bekannt, bei denen
die dem Motor zugeführte Brennstoffmenge durch im Abgasstrom
angeordnete Sensoren gesteuert wird* welche das Brennstoff/ Luft-Verhältnis anzeigen. Dennoch verbleibt die außerordentliche
Schwierigkeit, die sich ständig ändernden Betriebsbedingungen des Motors, Abweichungen zwischen verschiedenen Motoren derselben Serie usw. auszugleichen, um jeden Motor mit
einem bestimmten Brennstoff/Luft-Verhältnis zu betreiben»
Dieser Nachteil kann besonders kritisch werden, ΐίτβηη der Motor
mit einem Abgaskatalysator zur Reduzierung unerwünschter Abgasbestandteile ausgestattet ist.
Eine gebräuchliche Technik zur Einstellung des stöchiometrischen Brennstoff/Luft-Verhältnisses benutzt einen zyklisch
und integral wirkenden Regler. Dabei wird ein die Brennstoffzufuhr beeinflussendes Stellglied mittels eines typischen,
zwischen zwei Zuständen unterscheidenden Fühlers für Sauerstoff im Abgas (sogenannter EGO-Fühler) jeweils in der Richtung
verstellt, daß der augenblicklichen Abweichung des Brenn· stoff/Luft-Verhältnisses vom Sollwert entgegengewirkt wird.
So wird z.B. jedesmal,wenn der EGO-Fühler einen Übergang vom
Betrieb mit fettem, zu einem Betrieb mit magerem Gemisch anzeigt, die Bewegungsrichtung eines Stellorgans am Vergaser
umgekehrt, so daß wieder ein fetteres Gemisch erseugt wird,
bis der Sensor den Übergang vom mageren zu einem fetten Ge<-
misch anzeigt. Daraufhin wird die Bewegungsrichtung des Stellorgans
am Vergaser abermals gewechselt,und zwar diesmal in die Richtung, daß ein magereres Brennstoff/Luft-Gemisch erzeugt *
wird.
In Figur IA und IB ist gezeigt, wie bei dem geschilderten
Stand der Technik stufenförmige Änderungen der Ausgangsspannung des Sensors abwechselnd schräg ansteigende und abfallende Abschnitte der das Stellorgan betätigenden Spannung erzeugen.
Wenn diese zyklisch und integral wirkende Regelung benutzt wird, kann das gewünschte Brennstoff/Luft-Verhältnis nur
als ein Durchschnittswert gewonnen werden, da das tatsächliche Brennstoff/Luft-Verhältnis in einem begrenzten Ausmaß ständig
um den Mittelwert schwankt. Das Regelsystem ist also dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler, der zwei Zustände haben kann,
entweder einen Betrieb mit fettem oder einen Betrieb mit magerem Gemisch einstellt. Die durchschnittliche Abweichung des
Mischungsverhältnisses vom Sollwert ist eine Funktion eines als Motordurchgangsverzögerungszeit f bezeichneten Parameters.
Dieser ist definiert als die Zeitspanne, welche nach einer Änderung des Mischungsverhältnisses mittels des Stellorgans am Vergaser
vergeht, bis der EGO-Sensor diese Änderung feststellt.
Die Motordurchgangsverzögerungszeit ist abhängig von der Auslegung
der Brennstoffzufuhr, der Drehzahl des Motors, dem Luftstrom und den Eigenschaften des EGO-Sensors. Wegen dieser
Verzögerungszeit läßt das bekannte Regelsystem das Brennstoff/
Luft-Verhältnis ständig in zyklischer Weise um einen mittleren
Wert schwanken, wobei jeweils einer Betriebsphase mit fettem Brennstoff/Luft-Gemisch eine Phase mit magerem Mischungsverhältnis
folgt. Je kürzer die Motordurchgangsverzögerungszeit ist, desto höher ist die Frequenz der Abwechslung zwischen den
beiden Phasen, und desto kleiner sind auch die Amplituden der Abweichungen des Mischungsverhältnisses vom Mittelwert. Es ist
leicht einzusehen, daß ein Regelsystem ohne Motordurchgangsverzögerungszeit
ideal wäre.
Bei Motoren mit innerer Verbrennung, die mit einem Abgaskatalysator
ausgerüstet sind, wie z.B. einem Platin-Rhodium-Katalysator, ist ein Betrieb mit stöchiometrischem Mischungsverhältnis
erwünscht, um schädliche Abgasemissionen zu minimieren» Unter stöchiometrischen Verhältnissen beträgt das
Verhältnis von Luft zu Brennstoff 14,64. In solch einem System wird die Brennstoffzufuhr zum Motor berechnet, indem des·' Luftstrom
gemessen und durch 14,64 geteilt wird»
Bei Motoren mit innerer Verbrennung kann das gewünschte Brennstoff/Luft-Verhältnis
entweder durch Regelung oder durch Steuerung eingestellt werden. Im Falle von Regelsystemen seigt ein
EGO-Sensor das Brennstoff/Luft-Verhältnis an und korrigiert das
Stellsignal für das Mischungsverhältnis. Wird dagegen anstelle eines Regelsystems mit Rückkoppelung im geschlossenen
Regelkreis mit einem Steuersystem mit offenem Steuerkreis gearbeitet, so wird das Brennstoff/Luft-Verhältnis als eine
Funktion gespeicherter Betriebsparameter in Abhängigkeit vom gemessenen Luftstrom gewonnen. Die gespeicherten Betriebsparameter
und der gemessene Luftstrom berücksichtigen im Einzelfall aber nicht alle Störeinflüsse, wie z.B» den Verschleiß
und die bisherige Betriebsweise des Motors, Es kann z.B. wünschenswert sein, die Steuerung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses
eines Motors im offenen Steuerkreis hinsichtlich nicht berücksichtigter Luftstromleckagen und Alterung de«? Brennstoffsystems
zu korrigieren. Typischerweise findet die Einstellung
des Brennstoff/Luft-Gemischs durch Steuerung im offenen Steuerkreis
nach Kaltstart und bei Betrieb des Motors mit weit geöffneter Drosselklappe statt. Unter diesen Bedingungen ist eine
Regelung mittels EGO-Sensor ungeeignet. Die Einstellung der Brennstoffzufuhr erfolgt dann entsprechend der Menge der in den
Motor einströmenden Luft. Da unter den genannten Bedingungen der EGO-Sensor abgeschaltet, d.h. aus dem geschlossenen Regelkreis
ausgeschaltet ist, kann man von einer Steuerung im offenen Steuerkreis sprechen. Dabei können jedoch nicht erfaßte
Luftleckagen und Alterung des Brennstoffsystems Schwierigkeiten bei der Einstellung des gewünschten Brennstoff/Luft-Verhältnisses
bereiten.
— O —
Es ist weiterhin zu berücksichtigen, daß ein Unterschied besteht zwischen der ursprünglichen Einstellung einer Luftstrom-Meßeinrichtung
eines Fahrzeugs in der Werkstatt und dem praktischen Betrieb im Leerlauf. Die Abweichung kann die Größenordnung von 30 % erreichen. Da der geschätzte Fehler des Injektors
im Leerlauf bei ungefähr 5 % liegt, ist die wahrscheinliche Ursache
der genannten Abweichung wahrscheinlich in Luftverlusten
im Motor hinter der Luftstrom-Meßeinrichtung zu sehen. Dieser Fehler ist am größten im Leerlauf, wenn der Luftstrom am kleinsten
und der Druck im Verteilerrohr niedrig ist. Luftverluste dieser Art stellen grundsätzlich bei Steuer- oder Regelsystemen
mit einer Luftstrom-Meßeinrichtung ein Problem dar und erfordern
gewöhnlich eine individuelle Einstellung an jedem einzelnen Fahrzeug. Diese Einstellarbeiten sind jedoch kompliziert
und teuer, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Steuervorrichtungen, die ganz oder zeitweise für
Betrieb mit offenem Steuerkreis vorgesehen sind, dahingehend zu verbessern, daß sie keiner individuellen Einstellung bedürfen»
sondern sich selbst korrigieren.
Vorstehende Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß, ausgehend von einer bestimmten Einstellung der Parameter,
im Leerlauf des Motors über eine gewisse Zeitdauer mehrmals der Ist-Wert des Brennstoff/Luft-Gemischs ermittelt und durch
einen Regelkreis an den Soll-Wert angepaßt wird, aus dem Vergleich des Mittelwerts der Stellsignale der Regelvorgänge mit
dem Steuersignal zur Einstellung der ursprünglichen Betriebsparameter ein Abweichungssignal gewonnen wird und dieses zur
Korrektur des Meßwerts der eingelassenen Luftmenge benutzt wird, wonach in einem Steuervorgang die zugeordneten Betriebsparameter entsprechend dem korrigierten Wert der eingelassenen
Luftmenge eingestellt werden.
Ein derartiges Verfahren zur selbsttätig anpassenden Korrektur der Luftstrommessung hat mehrere Vorteile. Die Korrekturen
gleichen kurzzeitig und langfristig auftretende Änderungen der
Luftverluste im Motor aus, kompensieren die Alterung des
Brennstoff-Zufuhrsystems und bilden auch einen Ausgleich für Unterschiede zwischen verschiedenen Motoren derselben Serie.
Es entfällt damit die Notwendigkeit, am Ende der Fertigungslinie individuelle Einstellungen an den Motoren vorzunehmen..
Man hat eine Korrektur für kurzfristige Änderungen der Luftverluste des Motors, wie z.B. infolge eines losen ölpeilstabs®
Es bedarf keiner individuellen Kalibrierung der Luftstrom-Meßeinrichtungen
zur Einstellung bzw. Anpassung des Leerlaufgemischs.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Pig. Ia eine graphische Darstellung der Ausgangsspannung
eines Fühlers für den Sauerstoffgehalt im Abgas im Zeitablauf bei einem herkömmlichen Regelverfahren
mit zyklisch und integral arbeitenden Reglern?
Fig. Ib eine graphische Darstellung der über der Zeit
aufgetragenen Betätigungsspannung eines Stellglieds für die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit
von der Fühlerausgangsspannung nach Fig. IA;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der über der Zeit
aufgetragenen Steuerspannung für die Brennstoffzufuhr,
wobei zunächst ein erster Mittelwert eingestellt ist, welcher als Bezugswert dient, und
dann aus mehreren Regelvorgängen ein zweiter Mittelwert gewonnen wird, dessen Abweichung vom
ersten Mittelwert zur Korrektur der Luftstrommessungen benutzt wird;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches die Ermittlung des
Korrekturwerts der Luftstromntessung geigt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Steuer- und Regelsystems für die Einstellung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses bei einem
Motor mit innerer Verbrennung»
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Brennstoff/Luft-Verhältnis zeitweise im geschlossenen Regelkreis geregelt, dabei das Brennstoff/Luft-Verhältnis bestimmt,
die dem Motor zugeführte Luftmenge gemessen und diese mit einer zu erwartenden oder früher, vor dem Einschalten des Regelsystems
gemessenen Luftmenge verglichen. Die Differenz zwischen den beiden Werten für den Luftstrom ist der Abweichungsoder Korrekturwert, der erfindungsgemäß gewonnen wird. Somit
kann durch das vorgeschlagene Anpassungsverfahren die Steuerung der Brennstoffzufuhr im offenen Steuerkreis korrigiert
werden, um kurzzeitige und langfristige Abweichungen sowohl der Luft- als auch der Brennstoffzufuhr von den erwarteten
Werten zu korrigieren. Insbesondere kann, wie in Fig. 2 gezeigt, ein erstes mittleres Steuersignal für die Brennstoffzufuhr
(MIT.l), welches einem bestimmten, dadurch eingestellten
Brennstoff/Luft-Verhältnis zugeordnet ist, bestimmt werdenf
und dann kann durch Regelung der Brennstoffzufuhr im geschlossenen
Regelkreis mit Rückkopplung ein zweites Steuersignal für die Brennstoffzufuhr (MIT.2) gewonnen werden, welches besser
an den Sollwert des bestimmten Brennstoff/Luft-Verhältnisses
heranführt»
Gemäß der logischen Flußdarstellung nach Fig. 3 zur meßtechnischen
und rechnerischen Ermittlung des Korrekturwerts, der bei der Luftstrommessung zu berücksichtigen ist, beginnt das logische
Schema mit einem Block 31, welcher den Start des Anpassungsvorgangs darstellt. Im folgenden Block 32 ist ein Status
von Iterationsvorgängen durch das Flußdiagramm gezeigt, wobei eine Zähler- und Summenbeschreibung benutzt wird. Im Block
findet eine Abfragung statt, um festzustellen, ob das System in einem geschlossenen Regelkreis arbeitet. Wenn es nicht im
geschlossenen Regelkreis arbeitet, geht die Steuerung zu einem Ausgangsblock 44, und es wird keine Korrektur berechnet. Wenn
jedoch der Betrieb im geschlossenen Regelkreis stattfindet, geht die logische Operation zu einem Block 34 weiter, wo abgefragt
wird, ob sich das System im Leerlauf befindet. Ist dies
_ Q —
nicht der Fall, geht die logische Operation wiederum zum Block 44 und damit zum vorzeitigen Ausgang. Befindet sich das
System jedoch im Leerlauf, schreitet die logische Operation zu einem Block 35 fort, wo der Zählerwert um "1" erhöht wird.
Dadurch wird angezeigt, daß ein weiterer Durchgang durch die logische Operation erfolgt. Diese geht dann vom Block 35 weiter
zum Block 36, wo der Mittelwert des Steuersignals für die zu einem stöchiometrischen Brennstoff/Luft-Verhältnis führende
Brennstoffzufuhr berechnet wird. Der Mittelwert des Steuersignals
ist gleich der Differenz zwischen dem größten und dem
kleinsten Steuersignal, dividiert durch 2.
Der logische Fluß geht dann zu einem Block 37, wo eine "Summe",
anfangs ein Wert aus einer früheren Berechnung, erhöht wird um den Betrag des berechneten mittleren Steuersignals. Danach
geht die logische Operation zu einem Block 38, wo festgestellt wird, ob bereits die vorgesehene Zahl von tausend Zählungen
bzw. Durchgängen durch das Berechnungsschema erreicht sind. Ist dies nicht der Fall, geht die logische Operation zurück zum
Block 33. Sind dagegen die tausend Durchgänge erreicht, schreitet die logische Operation zu einem Block 39 fort, wo aus den
tausend Berechnungen durch Division mit der Zahl 1.000 der Mittelwert gebildet wird. Die Zahl der Iterationen, z.B. 1.000,
ist so gewählt, daß ein verhältnismäßig stabiler Mittelwert für das Steuersignal der Treibstoffzufuhr erhalten wird. Eine
durchschnittliche Zeitdauer von ungefähr 10 Sekunden hat sich als geeignet erwiesen, um eine stabile Basis für die Korrekturen
zu haben.
Vom Block 39 geht die logische Operation weiter zu einem Block 40, wo der Betrag der erforderlichen Kompensation ermittelt
wird aus der Differenz zwischen dem im Block 39 berechneten Mittelwert und einem früher gespeicherten Referenzsignal für
die Steuerung der Treibstoffzufuhr. Dieses Referenzsignal entspricht
dem Steuersignal für die Treibstofffzufuhr im Leerlauf,
wie es vorher bei Steuerung im offenen Steuerkreis eingestellt war und in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuersystems des
Motors zu speichern ist. Nach der Berechnung der Differenz zwischen dem früheren und dem durch die Regelvorgänge gewonnenen
Steuersignal für die Treibstoffzufuhr geht die logische
Operation zu einem Block 41, wo der bisher berechnete Kompensationswert
mit einer Konstanten K multipliziert und dadurch ein Abweichungssignal gewonnen wird. Die Dimension der Konstanten
K ist derart, daß das berechnete Signal für die Brennstoffzufuhr umgewandelt wird in ein Signal betreffend die
Luftzufuhr. Anschließend geht die logische Operation vom Block 41 zu einem Block 42, wo die Berechnung des Korrekturwerts
des Luftstroms endet.
Im folgenden wird auf Fig. 4 bezug genommen. Dort ist ein Motor 50 gezeigt· mit einer Brennstoffdosiereinrichtung 51,
durch welche dem Motor Brennstoff in Verbindung mit Luft zugeführt wird, die durch eine Luftstrom-Meßeinrichtung 52 strömt.
Eine elektronische Steuereinheit 53 zur Steuerung des Betriebs
des Motors ist verbunden mit der Luftstrom-Meßeinrichtung 52, einem Fühler 54 für die Stellung einer Drosselklappe, einem
Fühler 55 für den Sauerstoffgehalt im Abgas und einem Fühler 56 für die Kurbelwellenstellung. Die elektronische Steuereinheit
53 verarbeitet die ihr von den genannten Sensoren zugeleiteten Eingangssignale und erzeugt ein Steuersignal für die
Brennstoff-Dosiereinrichtung 51. Nach der Verbrennung des Brennstoff/Luft-Gemischs im Motor 50 werden die Abgase durch
einen Platin-Rhodium-Abgaskatalysator 57 geleitet. Das vorbestimmte Brennstoff/Luft-Verhältnis wird eingestellt durch die
Brennstoff-Dosiereinrichtung 51, welche zu diesem Zweck durch ein Ausgangssignal der elektronischen Steuereinheit 53 gesteuert
wird. Die Brennstoff-Dosiereinrichtung 51 kann z.B. ein Vergaser
oder eine Brennstoff-Einspritzanlage sein. Der Fühler 56
für die Kurbelwellenstellung ist typischerweise ein mit dieser verbundener magnetischer oder elektrischer Sensor zur Anzeige
der Drehwinkelstellung. Der Fühler 55 für Sauerstoff im Abgas erzeugt eine elektrische Spannung, die dem Sauerstoffanteil im
Abgas entspricht und damit anzeigt, ob das dem Motor 50 zugeführte Brennstoff/Luft-Gemisch mit Bezug auf das stöchiometri-
sehe Verhältnis fett oder mager ist. Die elektronische Steuereinheit
53 ist in der US-PS 3,969,614 näher beschrieben, auf die der Einfachheit halber hier bezug genommen wird. Wenn bei
einer Ausfuhrungsform der Erfindung Luft in den Luftkanal des
Motors 50 hinter der Luftstrom-Meßeinrichtung 52 eintritt,
kann das von der elektronischen Steuereinheit S3 abgegebene
Steuersignal für die Brennstoffzufuhr so angepaßt werden,, daß der Vorgang kompensiert wird«
kann das von der elektronischen Steuereinheit S3 abgegebene
Steuersignal für die Brennstoffzufuhr so angepaßt werden,, daß der Vorgang kompensiert wird«
Es vessteht sichp daß abweichend von dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel die Zahl der gur Korrektur des
Steuersignals ausgelösten Regelvorgäng® oder deren Frequenz
anders gewählt werden können-·.
Steuersignals ausgelösten Regelvorgäng® oder deren Frequenz
anders gewählt werden können-·.
Leerseite
Claims (7)
1.1 Verfahren zur Steuerung des Brennstoff/Luft-Gemischs bei
Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung, v/obei die
eingelassene Luftmenge gemessen und dieser entsprechend zugeordnete Parameter für den Betrieb des Motors eingestellt
werden, dadurch gekennzeichnet, daß, ausgehend von einer bestimmten Einstellung
der Parameter, im Leerlauf des Motors über eine gewisse Zeitdauer mehrmals der Ist-Wert des Brennstoff/Luft-Gemischs
ermittelt und durch einen Regelkreis an den Soll-Wert angepaßt wird, aus dem Vergleich des Mittelwerts der
Stellsignale der Regelvorgänge mit dem Steuersignal zur Einstellung der ursprünglichen Betriebsparameter ein Abweichungssignal gewonnen wird und dieses zur Korrektur des
Meßwerts der eingelassenen Luftmenge genutzt wird, wonach in einem Steuervorgang die zugeordneten Betriebsparameter
entsprechend dem korrigierten Wert der eingelassenen Luftmenge eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Mittelwert der Stellsignale in einer Vielzahl von Regelvorgängen während einer Zeitdauer
von ungefähr 10 Sekunden gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e ke
nnzeichnec, daß der Mittelwert der Stellsignale
aus ungefähr 1.000 Regelvorgängen gewonnen wird»
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abweichungssignal der Differenz zwischen dem tatsächlichen
und dem dem Sollwert des Brennstoff/Luft-Verhältnisses zugeordneten
Brennstofffluß sowie weiterhin auch der Differenz zwischen dem gemessenen und dem dem Soll-Wert des Brennstoff/
Luft-Verhältnisses zugeordneten Luftstrom proportional ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ist-Werte des Brennstoff/Luft-Gemischs aus Messungen der Abgaszusammensetzung gewonnen werden, Abweichungen
vom Soll-Wert des Brennstoff/Luft-Gemischs der Leckage
von Luft hinter der Luftstrom-Meßeinrichtung zugeordnet werden und die Brennstoffzufuhr so eingestellt wird, daß
das Brennstoff/Luft-Gemisch zu seinem Soll-Wert hin verändert
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur
des gemessenen Werts des Luftstroms das dem Brennstofffluß zugeordnete Abweichungssignal mit einer bestimmten
Proportionalitätskonstanten verfielfacht wird, so daß in der Dimension ein Luftstromwertsignal gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert
der Stellsignale zur Einstellung des Brennstoffflusses gewonnen wird, indem jeweils aufeinanderfolgende
maximale und minimale Stellsignale zusammengefaßt und gemittelt werden, und anschließend diese mittleren Werte
einer Vielzahl von Regelvorgängen nochmals gemittelt werden.
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