DE3438682C2

DE3438682C2 -

Info

Publication number: DE3438682C2
Application number: DE3438682A
Authority: DE
Inventors: Akio Kariya Aichi Jp Kobayashi; Susumu Okazaki Aichi Jp Harada; Takashi Hekinan Aichi Jp Harada; Takehiro Oobu Aichi Jp Kikuchi; Masakazu Anjo Aichi Jp Honda
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1983-10-22
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1992-07-02
Also published as: US4663717A; DE3438682A1; JPH0520579B2; JPS6090937A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einem Verbrennungsmotor zugeführten Luft-Brennstoff-Gemischs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus der DE-OS 31 49 136 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren ist in einem Abgassystem des betreffenden Verbrennungsmotors ein Sauerstoffsensor angeordnet, an den eine konstante vorbestimmte Spannung angelegt wird und der als Ausgangssignal einen sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Sauerstoffkon zentration in den Abgasen des Verbrennungsmotors ändernden Sättigungsstrom erzeugt. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal dieses Sauerstoffsensors wird schließlich in einer Steuer- und Regeleinheit das Luft-Brennstoff-Verhältnis geregelt bzw. auf einen geeigneten Wert eingestellt.

Der bei einem derartigen Verfahren eingesetzte Sauerstoffsensor hat eine bestimmte Strom/Spannungskennlinie, die beispielsweise aus der JP 57-1 92 852 A, der JP 57-1 92 854 A oder der DE-OS 29 46 440 bekannt ist und zur Vereinfachung auch in der vorliegenden Fig. 1 gezeigt ist. Wie aus der Kennlinien- Schar der Fig. 1 hervorgeht, hat ein derartiger Sauer stoffsensor eine Temperaturabhängigkeit in der Weise, daß sich der Wert des jeweiligen Sättigungsstrom, der den mo mentanen Istwert der Sauerstoffkonzentration wiedergibt, nur dann linear ändert, wenn die Temperatur über einem bestimmten Grenzwert liegt.

Wenn die Temperatur demgegenüber unter diesem Grenzwert liegt, ist es möglich, daß der Ausgangsstrom des Sauerstoffsensors bei der jeweils angelegten Spannung nicht-linear, d. h. im jeweils schrägen Teil der in Fig. 1 gezeigten Kurven verläuft. Das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors ist daher beispielsweise bei der in Fig. 1 gezeigten Spannung V₁ und der Kennlinie der Temperatur B unbrauchbar, so daß die Regelung mit falschem Werten durchgeführt wird. Dieses Problem tritt vor allem bei kaltem Motor auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 derart weiterzubilden, daß dem Motor unter allen Umständen ein möglichst optimal eingestelltes Luft-Brennstoff-Gemisch zugeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit den im Kenn zeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten bzw. bezüglich der Vorrichtung mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 5 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Erfindungsgemäß wird erreicht, daß die geeignete Einstellung des Luft-Brennstoff-Gemischs in zwei Betriebsarten durchgeführt werden kann, wobei stets diejenige Betriebsart gewählt ist, die eine unter den jeweiligen Temperaturverhältnissen optimale Anpassung des Luft-Brennstoff-Gemischs gewährleistet. Der Motor läuft demnach trotz der Temperaturabhängigkeit des verwendeten Sauerstoffsensors stets mit einem gut eingestellten Luft-Brennstoff-Gemisch, und zwar insbesondere auch unmittelbar nach seiner Inbetriebnahme, d. h. im kalten Zustand.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 graphische Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens;

Fig. 3 einen Verbrennungsmotor und eine Steuer- und Regeleinheit, die die Brennstoffzuführung zum Motor steuert;

Fig. 4 ein Blockdiagramm mit Einzelheiten der Steuer- und Regeleinheit;

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Hauptprogramms zur Steuerung der Brennstoffzufuhr durch einen Mikrocomputer;

Fig. 6 ein Flußdiagramm eines Unterprogramms zur Überprüfung des Sauerstoffsensors; und

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer bevorzugten Regelungsart.

In Fig. 1 zeigen die Linien der durchgezogenen Kurve A und die Linien der gestrichelten Kurve B die Kennlinie eines Sauerstoffsensors. Der Sauerstoffsensor erzeugt einen Strom mit einem Kurvenverlauf, der als Funktion der angelegten Spannung am Anfang stark ansteigt und anschließend eine konstante Stromstärke annimmt, die der 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, erzeugt der Sauerstoffsensor einen Strom entsprechend der durchgezogenen Kurve A; wenn der Sauerstoffsensor demgegenüber im inaktiven Zustand verbleibt, fällt der Gradient der ursprünglichen Steigung und der Ausgangsstrom nimmt den Verlauf der gestrichelten Kurve B an. In Fig. 1 ist der Sauerstoffsensor so mit einer Spannung V₂ vorgespannt, daß er konstante Ausgangsströme i₂ und i₁₂, abhängig vom jeweiligen 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 Ausgangsströme i₁ und i₁′ erzeugt werden. Man kann erkennen, daß der Unterschied i_a zwischen den Strömen i₂ und i₁ wesentlich kleiner ist als der Unterschied i_b zwischen den Strömen i₂ und i₁′. Die vorliegende Erfindung wendet den Vorteil der Veränderung dieser unterschiedlichen Stromstärken an, um zu entscheiden, ob der Ausgangsstrom das Luft-Brennstoff-Verhältnis korrekt anzeigt oder nicht.

Fig. 2 zeigt drei typische Temperaturen T₁, T₂ und T₃ des Sauerstoffsensors, wobei T₁<T₂<T₃ gilt. Bei der niedrigsten Temperatur T₁ schneiden die Spannungen V₁ und V₂ den steigenden Teil der Kurve mit einem stöchiometrischen Wert von 20, während sie den konstant verlaufenden Teil der jeweiligen Kurve mit einem stöchiometrischen Wert von 18 bzw. 16 schneiden. Die Stromdifferenzwerte für die stöchiometrischen Werte von 18 und 20 sind daher größer als normal und die dabei erzeugten Ausgangsströme sind folglich ungeeignet für eine Luft-Brennstoff- Steuerung in einem geschlossenen Regelkreis. Eine Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird nur dann ausgeführt, wenn der stö chiometrische 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 schneidet die Spannung V₁ die Kurve mit dem stöchiometrischen Wert 20 im steigenden Teil, während die Spannung V₁ die Kurven mit dem stöchiometrischen Wert 18 bzw. 16 im konstanten Teil schneidet. Die Spannung V₂ schneidet 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 folglich in einem geschlossenen Regelkreis vorgenommen, wenn der stöchiometrische Wert kleiner als 18 ist, und in einen offenen Regelkreis übergeführt, wen der stöchiometrische Wert größer als 20 ist. Bei der höchsten Temperatur T₃ schneiden beide Spannungen V₁ und V₂ jede Kurve im konstanten Verlauf. Der unter diesen Bedingungen in dem Sauerstoffsensor erzeugte Ausgangsstrom entspricht dem Istwert und, die Steuerung des Gemisches wird in einem geschlossenen Regelkreis durchgeführt.

Ein Verbrennungsmotor 1 mit dem oben beschriebenen Sauer stoffsensor 16 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses wird von einer Steuer- und Regeleinheit 15 ausgeführt. Die Steuer- und Regeleinheit 15 erhält als Eingangs daten Motorparameter von einem Luftstrommesser 9, einem An saugluft-Temperatursensor 10, einem Drosselklappenpositionssensor 14, einem Motortemperatursensor 17 und einem Drehzahlmesser 20, der an einem Zündverteiler 18 angebracht ist. Ein Sauerstoffsensor 16 ist im Abgassystem des Motors 1, nämlich einem Auspuffrohr 3, angebracht, um die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen zu messen, und er erzeugt dabei einen Ausgangsstrom, 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 Steuer- und Regeleinheit 15. Diese enthält einen herkömmlichen Mikrocomputer 37 mit einem Mikroprozessor, einem ROM und einem RAM. Die Aus gangssignale der Sensoren 9, 10, 14 und 17 werden dem Mikrocomputer über einen Analog-Digital-Wandler 34 zugeführt, während das Signal des Drehzahlmessers 20 direkt zugeführt wird. Die Steuer- und Regeleinheit ist mit einer Gleichspannungsquelle 31 und einem Schalter 36 versehen, der entsprechend der Steuerung des Mikro computers 37 selektiv auf die Spannung V₂ oder V₁ schaltet und die entsprechende Spannung an den Sauerstoffsensor 16 anlegt. Der Ausgangsstrom des Sauerstoffsensors 16 erzeugt in einem ge erdeten Widerstand 32 eine Spannung, die mittels eines Trennver stärkers 33 verstärkt und über den Analog-Digital-Wandler dem Mikrocomputer 37 zugeführt wird. Eine Spannungsquelle 38, die mit einem Schalter 38a verbunden ist, heizt ein Heizelement 16a entsprechend einem Signal des Mikrocomputers. Dieses Heizelement 16a erwärmt den Sauerstoffsensor 16, wie oben beschrieben, wenn er nicht betriebswarm ist. Ferner werden durch den Mikrocomputer Brennstoffeinspritzimpulse erzeugt und über den Verstärker 35 an die Einspritzdüse 13 angelegt.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen in Flußdiagrammen die Arbeitsweise der Steuer- und Regeleinheit 15. Im Flußdiagramm der Fig. 5 ist das Haupt programm des Mikrocomputers 37 dargestellt, das mit Betätigung des Zündschlüssels startet. Im Block 101 werden die verschiedenen, in Registern gespeicherten Motorarbeitsdaten in einen initialisierten Zustand versetzt. Die nächste Stufe des Hauptprogramms 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 Brennstoffeinspritzung ermittelt, indem eine Liste, die von der Funktion der Motordrehzahl und der Luftdurchflußparameter abhängig ist und im Block 102 eingelesen wird, neu erstellt wird. Die optimale Brennstoffmenge erhält man durch Einstellen der Brennstoffgrundmenge so vieler Korrekturwerte (nachfolgend als Trimmwerte bezeichnet), wie nötig sind. Aus Gründen der leichteren Erläuterung wird im vorliegenden Beispiel der Brennstoffgrundwert K_B durch Trimmen mit den Werten K₁ und K₂ korrigiert. Der erste Trimmwert K₁, der zur Kompensation des Motordrehmomentes während des Startens des Motors und während der Motor beschleunigung 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 vom Sauerstoffsensor 16 ermittelte Abweichung des Luft-Brenn stoff-Verhältnisses des dem Motor zugeführten Gemisches auf einen optimalen Wert, der entsprechend der Funktion der Motorparameter variiert, neu einzustellen. In Block 106 wird die Brennstoffgrundmenge K_B durch K₁ und K₂ korrigiert. In Block 107 werden die korri gierten Brennstoffdaten der Brennstoffeinspritzdüse 13 geliefert. Daran anschließend erfolgt ein Rücksprung zu Block 102, um mit den neuen Eingangsdaten diesen Steuervorgang 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 in einem Zustand mit einer zusätzlichen Brennstoffzuführung arbeitet, wie während des Warmlaufens oder der Beschleunigung des Motors, wo geprüft wird, ob der erste Trimmwert K₁ gleich oder kleiner derjenigen Einheit ist, welche anzeigt, daß keine zusätzliche Menge an Brennstoff benötigt wird, um die Motorleistung zu steigern. Falls K₁1, folgt als nächster Programmschritt Block 202. Falls K₁<1, interpretiert der Mikrocomputer einen vorüber gehenden Motorzustand, und das Programm springt zu Block 203. In diesem Block wird der Trimmwert K₂ auf eine Einheit zurück gesetzt, die einen geschlossenen Regelkreis der Luft-Brenn stoff-Steuerung ausschließt. Dabei wird durch den Mikrocomputer der Schalter 36 betätigt und die Spannung V₁ an den Sauerstoffsensor 16 angelegt. Der im Sauerstoffsensor 16 erzeugte Strom i₁ wird in Block 204 ermittelt und in den Speicherplatz I₁ geschrieben. In Block 205 wird die Steuerung fortgeführt, wobei die an den Sauerstoffsensor angelegte Spannung V₂ einen Strom i₂ (Block 206) hervorruft, dessen Wert in einen zweiten Speicherplatz I₂ geschrieben wird. In Block 207 werden die gespeicherten Stromwerte i₁ und i₂ aus dem jeweiligen Speicherplatz ausgelesen, um einen Differenzwert Δi zu ermitteln. In Block 208 wird entschieden, ob der Differenzwert Δi kleiner ist als ein Schwellenwert i_R, welcher jenen vorbestimmten Wert darstellt, bei welchem über die momentane Arbeitsbedingung des Sauerstoffsensors entschieden wird. Falls der Schwellenwert i_R überschritten wird, interpretiert der Mikrocomputer ein unbrauchbares Ausgangssignal des Sauerstoffsensors, und das Programm springt zu Block 203, um den Trimmwert K₂ auf 1 zurückzusetzen. Falls der Wert des Differenzstromes Δi unterhalb des Schwellenwerts i_R liegt, schließt der Mikrocomputer auf ein verwendbares Ausgangssignal und bestimmt somit, daß der Trimmwert K₂ übernommen wird. Dieser Wert wird in Block 209 bis Block 211 ermittelt. In Block 209 wird aus der Grundbrennstoffmenge K_B ein Stromwert i₀ errechnet. In Block 210 wird ein Differenzstrom i_K zwischen dem Strom i₀ und dem Strom i₂ bestimmt. In Block 211 wird der Trimmerwert für K₂ aus dem Differenzstrom i_K berechnet.

Es ist vorteilhaft, den Sauerstoffsensor 16 mit einem Heizelement 16a zu heizen, nämlich dann, wenn der Sauerstoffsensor nicht genügend betriebsbereit ist. Dies ist der Fall, wenn sein Ausgangsstrom in einem Bereich leicht unterhalb des Schwellenwerts i_E 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 Diffe renzstromes Δi mit einem Schwellenwert i_x, welcher kleiner ist als der entsprechende Strom i_R, ermittelt. Falls Δi größer ist als i_x, so ist der Sauerstoffsensor 16 nicht betriebsbereit und der Steuerausgang des Blocks 303 bewirkt, daß das Heizelement 16a eingeschaltet wird, um die Betriebsbereitschaft des Sauerstoffsensors zu beschleunigen. Falls Δi kleiner ist als i_x, so ist der Sauerstoffsensor aktiv und der Ausgang des Blocks 302 bewirkt, daß das Heizelement 16a abgeschaltet wird. Die Blöcke 302 und 303 folgen dem Block 106 in Fig. 5.

Claims

1. Verfahren zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses (A/F) eines einem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Luft- Brennstoff-Gemischs, bei dem in einem Abgassystem (3) des Verbrennungsmotors (1) ein Sauerstoffsensor (16) angeordnet ist, an den eine konstante vorbestimmte Spannung angelegt wird und der als Ausgangssignal einen sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen des Verbren nungsmotors (1) ändernden Sättigungsstrom (i) erzeugt, und bei dem in einer Steuer- und Regeleinheit (15) das Luft- Brennstoff-Verhältnis (A/F) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors (16) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) abwechelnd eine höhere (V₂) und eine niedrigere Spannung (V₁) angelegt wird,
(b) die bei den abwechselnd angelegten Spannungen (V₁, V₂) jeweils fließenden Ströme ermittelt werden,
(c) ein Differenzwert (Δi) der ermittelten Ströme gebildet wird,
(d) der gebildete Differenzwert (Δi) mit einem ersten vor bestimmten Wert (i_R) verglichen wird,
(e) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) in geschlossenem Regelkreis geregelt wird, wenn der Differenzwert (Δi) kleiner als der erste vorbestimmte Wert (i_R) ist, und daß
(f) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) bei offenem Regelkreis gesteuert wird, wenn der Differenzwert (Δi) größer als der erste vorbestimmte Wert (i_R) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sauerstoffsensor (16) ein Heizelement (16a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (16a) zum Aufheizen des Sauerstoffsensors (16) eingeschaltet wird, wenn der Differenzwert (Δi) größer als ein zweiter vorbestimmter Wert (i_x) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vorbestimmte Wert (i_x) kleiner als der erste vor bestimmte Wert (i_R) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Verbrennungsmotor (1) bei offenem Regel kreis ein fettes Luft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird.

5. System zum Regeln des Luft-Brennstoff-Verhältnisses (A/F) eines einem Verbrennungsmotor (1) zugeführten Luft-Brenn stoff-Gemischs zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem in einem Abgassystem (3) des Verbrennungsmotors (1) angeordneten Sauerstoffsensor (16), an den eine konstante vorbestimmte Spannung anlegbar ist und der als Ausgangssignal einen sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen des Verbrennungsmotors (1) ändernden Sättigungsstrom (i) erzeugt, und mit einer Steuer- und Regeleinheit (15), die das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors (16) regelt, dadurch gekennzeichnet, daß

(1) eine Schaltvorrichtung (31, 36) vorgesehen ist, mittels der an den Sauerstoffsensor (16) abwechselnd eine höhere (V₂) und eine niedrigere Spannung (V₁) anlegbar ist, und daß
(2) die Steuer- und Regeleinheit (15)
(2a) die bei der anliegenden Spannung (V₁, V₂) jeweils fließenden Ströme ermittelt,
(2b) einen Differenzwert (Δi) der ermittelten Ströme bildet,
(2c) den gebildeten Differenzwert (Δi) mit einem ersten vor bestimmten Wert (i_R) vergleicht,
(2d) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) in geschlossenem Regelkreis regelt, wenn der Differenzwert (Δi) kleiner als der erste vorbestimmte Wert (i_R) ist, und
(2e) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) bei offenem Regelkreis steuert, wenn der Differenzwert (Δi) größer als der erste vorbestimmte Wert (i_R) ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffsensor (16) ein Heizelement (16a) aufweist und daß die Steuer- und Regeleinheit (15) das Heizelement (16a) zum Aufheizen des Sauerstoffsensors (16) einschaltet, wenn der Differenzwert (Δi) größer als ein zweiter vorbestimmter Wert (i_x) ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite vorbestimmte Wert (i_x) kleiner als der erste vorbestimmte Wert (i_R) ist.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuer- und Regeleinheit (15) dem Verbren nungsmotor (1) bei offenem Regelkreis ein fettes Luft-Brenn stoff-Gemisch zuführt.