DE3438682A1

DE3438682A1 - Brennstoffgemisch-steuersystem

Info

Publication number: DE3438682A1
Application number: DE19843438682
Authority: DE
Inventors: Susumu Okazaki Aichi Harada; Takashi Hekinan Aichi Harada; Masakazu Anjo Aichi Honda; Takehiro Oobu Aichi Kikuchi; Akio Kariya Aichi Kobayashi
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1983-10-22
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1985-05-09
Also published as: JPH0520579B2; JPS6090937A; DE3438682C2; US4663717A

Description

Brennstoffgemisch-Steuersystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffsteuersystem für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoff-Luft-Gemisches nach dem Oberbegriff des Anspruches 5. Die Erfindung betrifft insbesondere einen geschlossenen Regelkreis für ein Magergemisch Steuer/Regelsystem, das durch ein Signal, erzeugt von einem Sensor, der im Auspuffsystem angebracht ist und die Sauerstoffkonzentration ermittelt, gesteuert wird.

Die Anwendung des Sauerstoffsensors geschah bisher in der Weise, daß an den Sensor eine vorher bestimmte Spannung angelegt wird und der Sauerstoffgehalt durch einen entsprechenden Strom angzeigt wurde. Mit einer angelegten Spannung von 0,6 Volt erzeugt der Sensor einen Strom, der einer Funktion des Sauerstoffgehalts zwischen 0 bis 10 %

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steigend entspricht und von 0 bis 10 mA oder größer linear ansteigt. Der Strom gibt den Bereich der Luft-Brennstoffverhältnisse an, die den Magergemischen entsprechen. Dies trifft allerdings nur dann zu, wenn der Sensor bei einer

Temperatur betrieben wird, die höher liegt als ein vorher bestimmter Schwellenwert. Falls die Temperatur in der Umgebung des Sensors kleiner ist als dieser vorher bestimmte
Schwellenwert, so entspricht der angezeigte Strom nicht
mehr dem tatsächlichen Sauerstoffgehalt. Dies trifft vor
allem dann zu, wenn der Motor gestartet wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 5.

5 Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, den aufgezeigten Nachteil des Standes der Technik zu umgehen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden aufeinanderfolgend hohe und niedrige Spannungswerte an den Sauerstoffsensor angelegt, um den Unterschied zwischen den sich daraus ergebenden Strömen zu erfassen und zu bestätigen, daß der Sensor betriebsbereit ist, falls der Unterschied kleiner ist als der vorbestimmte Schwellenwert.

Weiterhin arbeitet das Brennstoff-Steuersystem für einen
Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung in zwei Betriebsarten, und zwar in einem geschlossen und einem

ο« offenen Regelkreis. Wenn der aktive Zustand des Sensors
bestätigt wird, arbeitet das Steuersystem in einem geschlossenen Regelkreis und es wird entsprechend der Funktion des erzeugten Stromes infolge einer höheren Spannung Brennstoff zugeführt. Das Steuersystem schaltet um in die

gc Betriebsart eines offenen Regelkreises, falls ein inaktiver Zustand des Sensors angezeigt wird. Ein geringerer Sauer-

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stoffgehalt ermöglicht dem Sensor bei einer vorgegebenen Arbeitstemperatur in einem größeren Moglichkeitsbereich zu arbeiten, als bei einer Magergemisch-Steuerung. Die Erfindung wendet diesen Vorteil der Arbeitscharakteristik an. Eine geschlossene Regelkreis-Magergemisch-Steuerung mit einem relativ hohen Anteil an Brennstoff kann als Reaktion auf einen Motorstart schnell erzielt werden, selbst wenn der Sauerstoffsensor im gesamten Bereich des Mischungsverhältnisses noch nicht vollständig aktiv ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

l§ Es zeigt:

Fig. 1 u. 2 eine graphische Darstellung des Prinzips dieser Erfindung;

2Q Fig. 3 einen Verbrennungsmotor und eine

Brennstoff-Steuereinheit, die die Brennstoffzuführung zum Motor steuert;

Fig. 4 ein Blockdiagramm mit Einzelheiten

einer Steuereinheit;

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Hauptprogrammes

zur Steuerung des Brennstoffes durch OQ einen Mikrocomputer;

Fig. 6 ein Flußdiagramm eines ünterprogrammes zur Überprüfung des Sensors; und

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Fig. 7 ein Flußdiagramm einer bevorzugten

Ausführungsform.

In Fig. 1 zeigen die Linien der durchgezogenen Kurve A und die Linien der gestrichelten Kurve B die Arbeitscharakteristik eines Sauerstoffsensors. Der Sauerstoffsensor entwickelt einen Strom mit einem Kurvenverlauf, der als Funktion der angelegten Spannung am Anfang stark ansteigt und anschließend einen konstanten Stromwert annimmt, der der

IQ Sauerstoffkonzentration der Umgebung entspricht und somit dem Luft-Brennstoff-Gemisch, das dem Motor zugeführt wird. Wenn ein Temperaturwert über dem Nominalwert erreicht und der Sauerstoffsensor aktiviert ist, entwickelt der Sensor einen Strom entsprechend der durchgezogenen Kurve A und wenn der Sensor in dem inaktiven Zustand verbleibt, fällt der Gradient der ursprünglichen Steigung und der Strom nimmt den Verlauf der gestrichelten Kurve B an. In Fig. 1 ist der Sauerstoffsensor so mit einer Spannung V₂ vorgespannt, daß er konstante Zustandsströme i₂ und i₁₂» ^akhän-9-*·¹? ^vom unterschiedlichen Sauerstoffgehalt, erzeugt. Eine Spannung V₁, welche kleiner ist als V₂ wird so angelegt, daß sie die durchgezogene Kurve im Punkt a und die gestrichelte Kurve im Punkt b kreuzt, wodurch entsprechende Ströme I₁ und I₁ ¹ erzeugt werden. Man kann erkennen, daß der Unterschied i_a zwischen den Strömen i₂ und I₁ wesentlich kleiner ist, als der Unterschied i^, zwischen den Strömen i₂ und I₁ ¹* Die vorliegende Erfindung wendet den Vorteil der Veränderung dieser unterschiedlichen Stromwerte an, um zu entscheiden, ob der Strom einer gültigen oder

ο« falschen Anzeige des Luft-Brennstoff-Verhältnisses entspricht.

Fig. 2 zeigt drei typische Temperaturfälle T₁, T₂ und T3 des Sauserstoffsensors, wobei T₁ < T₂ <T3 ist. Bei der gc niedrigsten Temperatur T₁ kreuzen die Spannungen V₁ und V₂ den steigenden Teil der Kurve mit einem stöchiometrischen

Wert von 20, während sie den konstant verlaufenden Teil von Kurven mit einem stöchiometrischen Wert von 18 und 16 kreuzen. Die Stromdifferenzwerte für die stöchiometrischen Werte von 18 und 20 sind daher größer als normal und die so erzeugten Ströme sind ungeeignet für eine Luft-Brennstoff-Steuerung mit einem geschlossenen Regelkreis. Eine Steuerung der Mischung wird nur dann ausgeführt, wenn der stöchiometrische Wert kleiner als 16 ist und es wird immer dann in die Betriebsart eines offenen Regelkreises geschaltet, wenn der stöchiometrische Wert größer als 18 ist. Bei der mittleren Temperatur T₂ kreuzt die Spannung die Kurve mit dem stöchiometrischen Wert 20 im steigenden Teil, während die Spannung die Kurven mit dem stöchiometrischen Wert 18 bzw. 16 im konstanten Teil kreuzt. Die Spannung V₂

■^5 kreuzt alle Kurven im konstanten Teil. Der Stromdifferenzwert weicht daher nur dann merklich ab, wenn der stöchiometrische Wert 20 oder größer ist. Die Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird durch einen geschlossenen Regelkreis bei einem stöchiometrischen Wert kleiner als 18

2Q vorgenommen und in einen offenen Regelkreis übergeführt, wenn der stöchiometrische Wert größer als 20 ist. Bei der höchsten Temperatur T 3 kreuzen beide Spannungen V^ und V₂ jede Kurve im konstanten Verlauf. Der unter diesen Bedingungen in dem Sensor entwickelte Strom ist gültig und

2Q die Steuerung des Magergemisches wird in einem geschlossenen Regelkreis übergeführt.

Ein Verbrennungsmotor 1 mit dem oben beschriebenen Sauerstoffsensor 16 ist in Fig. 3 dargestellt. Eine Gemisch-

OQ steuerung wird gemäß der Erfindung durch eine Steuereinheit 15 ausgeführt. Die Steuereinheit 15 erhält als Eingangsdaten Motorparamter von einem Luftstrommesser 9, einem Ansaugluft-Temperatursensor 10, einem Drosselklappenpositionssensor 14, einem Motortemperatur sensor 17 und einem

„p. Drehzahlmesser 20, der an einem Zündverteiler 18 angebracht ist. Der Sauerstoffsensor 16 ist im Auspuffrohr 3 ange-

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bracht, um die Sauerstoffkonzentration der Auspuffgase zu messen und er erzeugt dabei einen Strom, der das Verhältnis der durch einen Ansaugkrümmer 6 zugeführten Luft zu dem durch eine Einspritzdüse 13 zugeführten Brennstoff angibt.

In dem Ansaugkrümmer 6 befindet sich eine Drosselklappe 12 und ein Schwallraum 8, verbunden mit einer Umströmungsleitung 11.

Fig. 4 zeigt die Kontrolleinheit 15. Die Kontrolleinheit

IQ enthält einen Mikrocomputer 37 in der herkömmlichen Art mit einem Mikroprozessor, einem ROM und einem RAM. Die Ausgangssignale der Sensoren 9, 10, 14 und 17 werden dem Mikrocomputer über einen Analog-Digital-Wandler 34, und das Signal des Drehzahlmessers 20 dem Mikrocomputer direkt

I^ zugeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinheit mit einer Gleichspannungsquelle 31 und einem Schalter 36 versehen, der entsprechend der Steuerung des Mikrocomputers 37 selektiv auf die Spannung V2 oder V^ schaltet und die entsprechende Spannung an den Sauerstoffsensor 16

2Q anlegt. Der Strom des Sauerstoffsensors 16 erzeugt im geerdeten Widerstand 32 eine Spannung, die durch den Trennverstärker 33 verstärkt und über den Analog-Digital-Wandler dem Mikrocomputer 3 7 zugeführt wird. Eine Spannungsquelle 38, die mit einem Schalter 38a verbunden ist, heizt ein Heizelement 16a entsprechend dem Signal des Mikrocomputers. Dieses Heizelement erwärmt den Sauerstoffsensor, wie oben beschrieben, wenn er nicht vollständig aktiv ist. Brennstoffeinspritzpulse werden durch den Mikrocomputer erzeugt und über den Verstärker 35 an die Einspritzdüse 13 gelegt.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen in Flußdiagrammen die Arbeitsweise des Motors 1. Im Flußdiagramm der Fig. 5 ist das Hauptprogramm des Mikrocomputers 37 dargestellt. Das Hauptprogramm startet mit dem Einschalten des Zündschlüssels. Im Block „,_ 101 werden die verschiedenen, in Registern gespeicherten Motorarbeitsdaten in einen initialisierten Zustand ver-

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setzt. Die nächste Stufe des Hauptprogrammes ist in Block 102 dargestellt. In diesem werden alle Eingangsdaten, die von den in dem Motor liegenden Sensoren geliefert werden, eingelesen. Im Ausführungsblock 103 wird eine Grundmenge K_B der Brennstoffinjektion ermittelt, in dem eine Liste, abhängig von der Funktion der Motordrehzahl und der Luftdurchflußparameter, eingelesen im Block 102, neu erstellt wird. Die optimale Brennstoffmenge erhält man durch Einstellen der Brennstoffgrundmenge sovieler Trimmwerte, wie nötig sind. Aus Gründen der leichteren Erläuterung wird im vorliegenden Beispiel der Brennstoffgrundwert Kg durch Trimmen mit den Werten K₁ und K2 korrigiert. Der erste Trimmwert K₁, der zur Kompensation des Motordrehmomentes während des Startens des Motores und während der Motorbe-

-^g schleunigung notwendig ist, wird in Block 104 ermittelt. Dieser Trimmwert wird entsprechend den Daten der Motor- und Ansauglufttemperatur berechnet.

In Block 105 wird der zweite Trimmwert K₂ ermittelt. Dieser Trimmwert wird benötigt, um die Abweichung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses der Mischung, die dem Motor zugeführt wird, und die durch den Sauerstoffsensor 16 entsprechend dargestellt wird, auf einen optimalen Wert, der entsprechend der Funktion der Motorparameter variiert, neu einzustellen. In Block 106 wird die Brennstoffgrundmenge K_ß durch K₁ und K₂ korrigiert. In Block 107 werden die korrigierten Brennstoffdaten der Brennstoffeinspritzdüse 13 geliefert. Daran anschließend erfolgt ein Rücksprung zu Block 102, um mit den neuen Eingangsdaten diesen Steuervor-OQ gang zu wiederholen.

In Fig. 6 ist das Unterprogramm zur Berechnung von K₂ dargestellt. Es beginnt mit dem Startblock 201, in dem geprüft wird, ob der Motor in einem konstanten Zustand oder op- in einem fetten Mischungszustand mit einer zusätzlichen Brennstoffzuführung arbeitet, wie während des Warmlaufens

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1 oder der Beschleunigung der Maschine, wo geprüft wird, ob der erste Trimmwert K₁ gleich oder kleiner der Einheit ist, welche anzeigt, daß keine zusätzliche Menge an Brennstoff benötigt wird, um die Motorleistung zu steigern. Falls 5K^ 1, folgt als nächster Programmschritt Block 202. Falls K₁ > 1, interpretiert der Mikrocomputer einen vorübergehenden Motorzustand und das Programm springt zu Block 203 In diesem Block wird der Wert K₂ auf eine Einheit zurückgesetzt, die einen geschlossenen Regelkreis der Luft-Brenn-

IQ Stoffsteuerung ausschließt. Dabei wird durch den Mikrocomputer der Schalter 3 6 betätigt und eine Spannung V₁ an den Sauerstoffsensor 16 angelegt. Der in Sensor 16 entwickelte Strom X₁ wird in Block 204 angezeigt und in den Speicherplatz I₁ geschrieben. In Block 205 wird die Steuerung

^g fortgeführt, in dem die an den Sensor geschaltete Spannung V₂ einen Strom i₂ (Block 206) erzeugt und dieser Wert in einen zweiten Speicherplatz I₂ geschrieben. In Block 207 werden die gespeicherten Stromwerte X₁ und X₂ aus dem Speicherplatz gelesen, um den Differenzwert Ai zu ermit-

2Q teln. In Block 208 wird entschieden, ob der Differenzwert Ai kleiner ist als der Schwellenwert i^, welcher jenen Entscheidungschwellenwert darstellt, bei welchem die Arbeitsbedingung des Sauerstoffsensors entschieden wird. Falls der Schwellenwert x^ überschritten wird, interpre-

2g tiert der Mikrocomputer eine falsche Anzeige des Sensorstromes und das Programm springt zu Block 203, um den K₂-Wert auf 1 zurückzusetzen. Falls der Wert des Differenzstromes Δ.Χ unterhalb der Schwelle ijj liegt, interpretiert der Mikrocomputer eine gültige Anzeige und bestimmt somit,

oQ daß der Luft-Brennstoff-Kompensationswert K₂ übernommen wird. Dieser Wert wird in Block 209 bis Block 211 ermittelt. In Block 209 wird aus der Grundbrennstoffmenge Kg ein Stromwert i_o errechnet. In Block 210 wird der Differenzstrom iß zwischen dem Strom i_Q und dem Strom X₂ bestimmt.

In Block 211 wird der Wert für K₂ aus dem Differenzstrom i_R berrechnet.

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Die Erfindung wendet den Vorteil der Arbeitscharakteristik des Motors an, in dem eine geschlossene Regelkreis/Magergemisch-Steuerung mit einem relativ hohen Anteil an Brennstoff dann vorliegt, wenn der Sauerstoffsensor noch nicht vollständig aktiv ist. Eine geschlossene Regelkreis/Magergemisch-Steuerung wird als Reaktion auf einen Motorstart schnell erzielt.

Es ist vorteilhaft, den Sauerstoffsensor 16 mit einem Heizelement 16a zu heizen, nämlich dann, wenn der Sensor nicht genügend aktiv ist. Dies ist der Fall, wenn der Sensor in einem Bereich leicht unterhalb der aktiven-inaktiven Schwellenwertentscheidung i^ liegt. Die Heizwirkung ist in Fig. 7 dargestellt. Entsprechend der Berechnung von K₂ in Block 105, Fig. 5, wird in Block 301 der Wert des Differenzstromes i mit dem Schwellenwert ΐ_χ, welcher kleiner ist als der entsprechende Strom i_R, ermittelt. Falls Ai größer ist als i_x, so ist der Sensor 16 nicht genügend aktiv und der Steuerausgang des Blocks 3 03 bewirkt, daß das 2Q Heizelement 16a eingeschaltet wird, um die Wirkung des Sensors zu beschleunigen. Falls &i. kleiner ist als ϊ_χ, so ist der Sensor aktiv und der Ausgang des Blocks 302 bewirkt, daß das Heizelement 16a abgeschaltet wird. Die Blökke 302 und 303 folgen dem Block 106 in Fig. 5.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

Brennstoffgemisch-Steuersystem für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung zum Zuführen eines gesteuerten Verhältnisses einer Mischung aus Luft und Brennstoff zu dem Motor;

einen Sauerstoffkonzentrationssensor, der im Auspuffsystem des Motors angebracht ist, um entsprechend der Sauerstoffkonzentration des Auspuffgases von dem Motor einen Strom zu erzeugen, wenn der Sensor im aktiven Zustand mit einer konstanten Spannung vorgespannt ist; und

eine Steuervorrichtung zum Anlegen von hohen und niedrigen Spannungswerten in Folge an diesen Sensor, um entsprechend folgende Differenzströme anzuzeigen, die durch den Sensor, abhängig von den angelegten Spannun-

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O / O Π ι"¹ rt

χ gen erzeugt werden, um die Differenz mit einem vorbestimmten Wert zu vergleichen und um das Verhältnis als eine Funktion des erzeugten Stromes durch diesen Sensor in Abhängigkeit der hohen und niedrigen Spannungswerte zu steuern, wenn die Differenz kleiner ist als der vorherbestimmte Wert, und zum Steuern des Mischungsverhältnisses in einem offenen Regelkreis, wenn die Differenz größer ist als der vorbestimmte Wert.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizelement zum Heizen des Sauerstoffkonzentrationssensors, der in dieser Steuereinrichtung eingeschlossen ist, immer dann aufgeheizt wird, wenn der Unterschied größer ist als ein zweiter vorbestimmter ^Wert·
3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vorbestimmte Wert kleiner ist als der oben erwähnte erste vorbestimmte Wert.
4. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtung eine Einrichtung enthält, um die Brennstoffzuführungsvorrichtung zu veranlassen, daß Brennstoff während der offenen Regelung als fettes OC Gemisch zugeführt wird.
5. Verfahren zum Steuern des zugeführten Gemisches zu einer Verbrennungsmaschine, mit einem Brennstoffsteuersystem, das eine Vorrichtung enthält, die ein Gemisch

_a0 von Luft und Brennstoff mit einem gesteuerten Verhältnis dem Motor zuführt, und mit einem Sauerstoffkonzentrationssensor, der im Auspuffsystem des Motors angebracht ist, um einen Strom entsprechend der Sauerstoffkonzentration des Auspuffgases der Maschine zu erzeu-

_oc- gen, wenn der Sensor im aktiven Zustand mit einer ob

vorbestimmten Spannung vorgespannt ist, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß:

a) eine hohe und niedrige Spannung in Folge an den Sensor angelegt wird;

b) Differenzströme angezeigt werden, die in der Folge

erzeugt werden, wie an den Sensor die Spannungen angelegt werden;

IQ c) diese Differenz mit einem vorbestimmten Wert verglichen wird; und

d) das Verhältnis als eine Funktion des Stromes, erzeugt durch den Sensor, in Abhängigkeit der angelegten hohen und niedrigen Spannungen gesteuert wird, wenn die Differenz kleiner ist als der vorbestimmte Wert und das Verhältnis in einem offenen Regelkreis gesteuert wird, wenn die Differenz größer ist als der vorbestimmte Wert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

der Sauerstoffkonzentrationssensor aufgeheizt wird, wenn die Differenz größer ist als der zweite vorbestimmte Wert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der zweite vorbestimmte Wert kleiner ist als der erste vorbestimmte Wert.

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8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine BrennstoffZuführungsvorrichtung stufenweise ein fettes Gemisch dem Motor während des offenen Regelkreises zuführt.