DE3438682C2 - - Google Patents
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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 ia zwischen den Strömen i₂ und i₁ wesentlich
kleiner ist als der Unterschied ib 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 KB
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 KB 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 KB
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 iR, welcher jenen
vorbestimmten Wert darstellt, bei welchem über die momentane
Arbeitsbedingung des Sauerstoffsensors entschieden wird.
Falls der Schwellenwert iR 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 iR 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 KB ein
Stromwert i₀ errechnet. In Block 210 wird ein Differenzstrom
iK zwischen dem Strom i₀ und dem Strom i₂ bestimmt.
In Block 211 wird der Trimmerwert für K₂ aus dem Differenzstrom iK
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 iE 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 ix, welcher kleiner
ist als der entsprechende Strom iR, ermittelt. Falls Δi
größer ist als ix, 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 ix, 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 (8)
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 (iR) verglichen wird,
- (e) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) in geschlossenem Regelkreis geregelt wird, wenn der Differenzwert (Δi) kleiner als der erste vorbestimmte Wert (iR) 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 (iR) 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 (ix) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite vorbestimmte Wert (ix) kleiner als der erste vor
bestimmte Wert (iR) 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 (iR) vergleicht,
- (2d) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) in geschlossenem Regelkreis regelt, wenn der Differenzwert (Δi) kleiner als der erste vorbestimmte Wert (iR) ist, und
- (2e) das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) bei offenem Regelkreis steuert, wenn der Differenzwert (Δi) größer als der erste vorbestimmte Wert (iR) 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
(ix) ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite vorbestimmte Wert (ix) kleiner als der erste vorbestimmte
Wert (iR) 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.
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