DE3700942C1

DE3700942C1 - Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3700942C1
Application number: DE3700942A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr-Ing Oblaender; Joerg Dr-Ing Abthoff; Karl-Walter Dipl-Ing Schmidt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1987-01-15
Filing date: 1987-01-15
Publication date: 1988-08-11
Also published as: US4829963A; JPS63176645A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ge mischzusammensetzung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei heutigen gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen mit elektronisch gesteuerter Kraftstoffeinspritzung (z. B. L- Jetronic), Abgas über einen Katalysator nachbehandelt wird, ist es üblich, die Gemischzusammensetzung über eine in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnete Lambda- Sonde zu regeln. Diese Lambda-Sonde hat den Nachteil, daß sie erst dann arbeitet, wenn sie durch das Abgas oder mittels eines Heizelements ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Wird sie, um diesen Nachteil zu verbessern, in unmittel barer Nähe der Brennkraftmaschine angeordnet, besteht jedoch die Gefahr, daß sie durch die auftretenden Abgasspitzentem peraturen Schaden nimmt. Darüber hinaus kann bei Verwendung von nur einer Lambda-Sonde im Abgassammelrohr nur die Ge mischzusammensetzung für alle Zylinder gleichzeitig ge regelt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein im Ober begriff des Hauptanspruches beschriebenes Verfahren zu schaffen, bei dem auf die Verwendung einer Lambda-Sonde verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem auf eine Lambda- Sonde verzichtet werden kann, kann die Gemischregelung schon unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine durchge führt werden und zwar separat für jeden Zylinder, so daß eventuell auftretende Fehler in der Luft- oder Kraftstoff verteilung auf die einzelnen Zylinder sofort ausgeglichen werden. Die Steuerung zur Durchführung des Verfahrens ist problemlos in die bei einer elektronischen Kraftstoffein spritzung ohnehin schon vorhandene Steuerelektronik zu inte grieren, so daß die Realisierung des Verfahrens mit nur re lativ geringen Kosten verbunden ist. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß es nicht nur zur Regelung auf eine stöchiometrische Gemischzusammensetzung sondern auch zur Regelung des Gemisches an der Magergrenze einge setzt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unter ansprüchen zu entnehmen.

In der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Fig. 1 bis 4 dargestellt.

Im einzelnen zeigt

Fig. 1 in einem Diagramm p _me=f( λ) den Zusammenhang zwischen der Gemischzusammensetzung und dem effektiven Mitteldruck p _me,

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des Verlaufes des Graphen nach Fig. 1 innerhalb des mit A bezeichneten Kreises,

Fig. 3 in einer Prinzipskizze den Aufbau der Steuerung zur Durchführung des Verfahrens und

Fig. 4 in einem Flußdiagramm die Bestimmung der Kraft stoffeinspritzdauer t _{i (Z)} für jeden Zylinder Z.

Fig. 1 zeigt in einem Schaubild 1 den allgemeinen Zusammen hang bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine zwi schen dem effektiven Mitteldruck p _me und der Luftverhält niszahl λ als Maß für die Gemischzusammensetzung. Dabei ist zu sehen, daß der Mitteldruck p _me bei Werten von λ <1 stetig abnimmt, denn je größer der Luftüberschuß im Brennraum, bzw. je kleiner die bei einem Arbeitstakt verbrennende Kraftstoff menge ist, desto geringer ist infolge des geringeren Energie angebotes aus dem Kraftstoff auch das entstehende Druckniveau im Brennraum und somit auch der durch die Verbrennung in die Kurbelwelle eingeleitete Energieimpuls zur Erzeugung eines Drehmomentes. Dieser Energieimpuls nimmt somit mit steigen dem λ, also mit sinkender in den Brennraum eingebrachter Kraftstoffmenge stetig ab.

Bei einer Luftverhältniszahl λ, die kleiner als 1 ist, also bei fetten Gemischen bleibt jedoch die Kraftstoffmenge, die pro Arbeitstakt verbrennen kann, theoretisch gleich, denn es kann nur in dem Maße Kraftstoff umgesetzt werden, wie über haupt noch Luftsauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht und da bei λ <1 keinerlei Luftüberschuß mehr gegeben ist, kann auch bei fetteren Gemischen nicht mehr Kraftstoff umgesetzt werden als bei λ = 1. Somit ist auch der maximal erreichbare Mitteldruck p _{me (max)} bei λ = 1 erreicht und steigt bei fetter werdenden Gemischen nicht mehr an. In der Realität sieht es jedoch so aus, daß dieser maximale Mittel druck p _{me (max)} erst bei einem λ von etwa 0,9 erreicht wird, was darauf zurückzuführen ist, daß in der Praxis nie eine ideale Gemischbildung gegeben ist, so daß im Abgas immer ein ge ringer Anteil an noch unverbranntem Kraftstoff vorliegt. Dies führt dazu, daß bei dem Graphen im Bereich zwischen λ=1 und λ=0,9 immer noch ein geringfügiger Anstieg in Richtung kleinerer λ-Werte zu verzeichnen ist. Auf jeden Fall aber ist der Betrag der Steigung in diesem Bereich (0,9 <λ <1) gegenüber dem im mageren Bereich (λ <1) vernachläs sigbar klein. Es ergibt sich somit bei λ=1 eine Knickstel le 2 in dem Kurvenverlauf (siehe auch Fig. 2), wobei die Kurve in den Bereichen unmittelbar um die Knickstelle 2 nahe zu linear verläuft. Wird nun z. B. das Gemisch in kleinen Schritten abgemagert (λ↑) und bei jedem Arbeitstakt der in die Kurbelwelle eingeleitete Energieimpuls ermittelt, so ist eine Impulsänderung zwischen zwei Messungen im fetten Bereich (g <1) kleiner, als im mageren (λ <1) Bereich, und für λ <0,9 ist die Impulsänderung sogar gleich 0. Dies be deutet auch, daß eine bei einem fetten Gemisch gemessene Im pulsänderung kleiner und eine bei einem mageren Gemisch ge messene Impulsänderung größer ist als ein aus diesen beiden Größen gebildeter Mittelwert.

Das erfindungsgemäße Regelungsverfahren besteht nun darin, daß während dem Anfetten oder Abmagern des Gemisches per manent die Energieimpulsänderungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zündungen gemessen und mit dem vorgegebenen Mittelwert verglichen werden.

Ist der Betrag der Impulsänderung während des Anfettens des Gemisches kleiner als der Mittelwert, ist das Gemisch also schon zu fett und es muß sozusagen "umgeschaltet" werden, um das Gemisch wieder abzumagern. Es wird nun immer weiter abgemagert, bis der Betrag der gemessenen Impulsänderung wieder größer ist als der Mittel wert, so daß jetzt erneut in Richtung Anfetten "umgeschaltet" wird. Der Mittelwert bildet damit einen Umschalt-Vergleichs wert, um den die gemessenen Impulsänderungen ständig schwingen. Die Schritte während des Abmagerns und des Anfettens sind da bei so klein gewählt, daß quasi andauernd ein nahezu stöchio metrisches Gemisch vorliegt, also λ=1 gegeben ist.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Steuerung zur Durchführung des Verfahrens bei einer vierzylindrigen gemisch verdichtenden Brennkraftmaschine 3 mit einer elektronisch ge steuerten Kraftstoffeinspritzvorrichtung, deren Funktionsweise mit der der bekannten L-Jetronic übereinstimmt. Hierbei wird die Gemischzusammensetzung über die von der elektronischen Steuereinheit 4 der Kraftstoffeinspritzvorrichtung betriebs parameterabhängig ermittelte Kraftstoffeinspritzdauer t _i fest gelegt. (Die Fig. 3 zeigt der Einfachheit halber nur eine Zylindereinheit). Die von der Steuereinheit 4 je nach Betriebs zustand ermittelte Einspritzdauer t _i, die zunächst für alle Zylinder gleich ist, wird nun erfindungsgemäß in einem zusätz lichen Steuerungsblock 5 speziell auf jeden Zylinder Z je nach Gemischzusammensetzung abgestimmt. Im einzelnen geschieht dies in den vier Blöcken 6 bis 9. Dazu werden dem Steuerungsblock 5 der Druck p _s im Saugrohr 10 der Brennkraftmaschine 3 als Maß für die aktuelle Last, ein die Drehbewegung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 3 charakterisierendes Impulssignal I _G mittels eines Impulsgebers 11, der am Anlasserzahnkranz 12 des auf der Kurbelwelle aufgesetzten Schwungrades 13 angeordnet ist, die von der Steuereinheit 4 in bekannter Weise ermittelte Einspritzdauer t _i für alle Zylinder Z und ein Zündimpulssig nal I _Z1 vom Zündkabel 14 des 1. Zylinders zugeführt.

Die Bestimmung der Einspritzdauer t _{i (Z)} für jeden einzelnen Zylinder Z aus dem Ausgangssignal der Steuereinheit 4 (Blöcke 6 bis 9) erfolgt bei allen Zylindern auf die gleiche Art und Weise und ist in Fig. 4 in Form eines Flußdiagrammes 15 prinzipiell dargestellt.

Zunächst wird im Block 16 aus den Eingangsgrößen I _G und I _Z1 die mittlere Änderung D _{tm (Z)} des in die Kurbelwelle durch die Verbrennung im Zylinder Z eingeleiteten Energieimpulses ermittelt.

Dazu wird mit Hilfe des Gebers 11 am Anlasserzahnkranz 12 in einem Bereich von minimal 20° bis maximal 90° nach dem Zünd-O.T. des Zylinders (Z) die Zeit t _{ZF (n)} zwischen der Fortbewegung einer festen Zähnezahl F gemessen (F steht für Fenster). Das Fenster liegt deshalb zwischen 20° bis 90° nach dem Zünd-O.T., weil in diesem Bereich der wesentliche Teil der Energieumsetzung im Zylinder Z abgelaufen ist.

Unabhängig davon wird in einem separaten Block 17 (Fig. 3) laufend die Zeit t _{u (n)} für eine Kurbelwellenumdrehung gemes sen (n = Index für Umdrehung). Diese wird durch Division mit der Gesamtzähnezahl und Multiplikation mit der Fenster zähnezahl F auf eine mittlere Drehzahl für die jeweilige Umdrehung n auf das Fenster F zu dem Wert t _{mF (n)} reduziert.

Dieses gerade aktuelle t _{mF (n)} wird nun dem jeweiligen Block 6, 7, 8 oder 9, je nachdem, welcher Zylinder Z sich momentan im Arbeitstakt befindet, zugeführt ( siehe auch Fig. 3).

Die Differenz

Δ t _{Z (n)} = t _{mF (n)} - t _{ZF (n)}

stellt nun ein Maß für die Größe des Energieimpulses dar, der durch die Verbrennung im Zylinder Z in das Schwungrad 13 eingeleitet wurde. Je größer die eingeleitete Energie, desto kürzer wird t _{ZF (n)} (Durchlauf des Fensters F) und desto größer wird Δ t _{Z (n)} · Δ t _{Z (n)} ist somit proportional dem Energieimpuls des Zylinders Z.

Die Anfettung bzw. Abmagerung des Gemisches bei jeder Um drehung der Brennkraftmaschine 3 in kleinen Schritten be wirkt nun eine proportionale Änderung des Energieimpulses von Zündung zu Zündung. Die Impulsänderung D _{tZ (n)} wird aus der Differenz von Δ t _{Z (n)} und dem Impuls der vorigen Um drehung Δ t _{z (n-1)} ermittelt.

D _{tZ (n)} = Δ t _{Z (n)} - Δ t _{Z (n-1)}

Zur Glättung dieses Wertes wird aus einer Anzahl i _(Z) von Energieimpulsänderungen D _{tZ (m)} dann schließlich die mittlere Impulsänderung

gebildet. Beim Start der Brennkraftmaschine ist D _{tm (Z)} auf den Wert 0 gesetzt, d. h. es wird von einem fetten Gemisch ausgegangen (λ≈0,9).

Nach der Bestimmung von D _{tm (Z)} wird im Verzweigungsblock 18 (Fig. 4) überprüft, ob der Betrag |D _{tm (Z)}| dieser mittleren Energieimpulsänderung D _{tm (Z)} größer oder gleich einem vorge gebenen Umschalt-Vergleichswert D _{tm (st)} ist.

Dieses D _{tm (st)} wird aus einem abgespeicherten Kennfeld 19 (siehe Fig. 3) in Abhängigkeit der gerade aktuellen Last (Saugrohrdruck p _S) und der gerade aktuellen Brennkraftma schinendrehzahl, für die die Größe t _{mF (n)} ein Maß ist, vor gegeben. Die Werte für D _{tm (st)} werden wie folgt ermittelt: Auf einem Motorprüfstand werden beim Anfetten oder Abmagern mehrere mittlere Energieimpulsänderungen D _{tm (Z)} für Gemisch zusammensetzungen von λ <0,96 und λ <1,04 in Abhängigkeit von vorgegebenen Drehzahl- und Laststützstellen stationär ge messen. Aus den "mageren" und den "fetten" Energieimpulsän derungsbeträgen |D _{tm (Z)}| wird ein Mittelwert gebildet, der dann als Umschalt-Vergleichswert D _{tm (st)} entsprechend den Stützstellen in einem Kennfeld 19 abgelegt wird (Fig. 3). Das Anfetten bzw. Abmagern des Gemisches erfolgt mit einer konstanten Schrittweite.

Ergibt sich aus der Abfrage im Block 18 (Fig. 4), daß der gerade ermittelte Betrag |D _{tm (Z)}| kleiner ist als der zughörige aus dem Kennfeld 19 ausgelesene Umschalt- Vergleichswert D _{tm (st)}, d. h. ist das Gemisch noch zu fett, so wird im Block 20 eine Schaltvariable V(Z) auf -1 gesetzt, was im daran anschließenden Block 21 bewirkt, daß die von der Steuereinheit 4 vorgegebene Einspritzdauer t _i, für den jetzt gerade gemessenen Zylinder Z reduziert wird, d. h. es wird abgemagert. Die Schrittweite, mit der die Einspritzdauer t _{i (Z)} für jeden Zylinder Z verändert wird, ist abhängig von der Größe S, die fest vorgegeben ist, wobei zwischen den bei den Größen S und t _{i (Z)} ein umgekehrter proportionaler Zu sammenhang besteht. Ist die Abfrage im Block 18 mit ja zu beantworten, also bei zu magerem Gemisch, wird im Block 22 die Schaltvariable V(z) auf 1 gesetzt, um das Gemisch wieder anzufetten. Damit nicht das Gemisch in allen 4 Zylindern gleichzeitig angefettet werden kann, ist ein Anfetten eines Zylinders Z nur dann möglich, wenn der zuvor zündende Zylin der Z-1 gerade abgemagert wird. Hierzu schließt sich ein Eingabeblock 23 an, an den der Stand der Schaltvariablen V(Z-1) des zuvor zündenden Zylinders Z-1 übergeben wird (siehe auch Fig. 3 Übergabe von V(1) bis V(4)). Wird im zuvor zündenden Zylinder gerade abgemagert (Ver zweigungsblock 24), so schaltet die Steuerung durch zum Block 21, so daß jetzt aufgrund der positiven Schaltvariab len V(Z) = 1 (Block 22) das Gemisch des Zylinders wieder angefettet werden kann, und zwar durch eine schrittweise Vergrößerung der von der Steuereinheit 4 vorgegebenen Einspritz dauer t _i. Wird aber im Gegensatz dazu im zuvor zündenden Zylinder Z-1 gerade angefettet, so verzweigt die Steuerung zurück zum Eingabeblock 23. Die Steuerung durchläuft nun solange die Schleife 25 bis die Schaltvariable V(Z-1) = -1 ist. Um jedoch zu verhindern, daß bei allen 4 Zylindern das Gemisch gleichzeitig zu mager ist, -V(1)=V(2)=V(3)=V(4)=1 würde bedeuten, daß die Steuerung für jeden Zylin der Z in der Schleife 25 verharren würde -, ist innerhalb der Schleife 25 noch eine Verzweigung (Block 26) vorgesehen, an die sich für den Fall, daß eben das Gemisch aller 4 Zylinder zu mager ist, ein Block 27 anschließt, in dem die Schaltvariable V(1) für den ersten Zylinder auf -1 gesetzt wird, so daß das Gemisch des darauffolgend zün denden Zylinders wieder angefettet werden kann. Ein zu star kes Abmagern des Gemisches des ersten Zylinders ist in die sem Fall dennoch ausgeschlossen, denn schon bei der nächsten Abfrage im Block 24 wird erkannt, daß es nicht weiter abge magert werden darf und V(1) wird wieder auf 1 gesetzt.

Am Ausgang des Steuerungsblockes 5 (Fig. 3) liegen somit immer 4 Stellwertsignale t _{i (1)} bis t _{i (4)} an, welche die in der Zeichnung nicht dargestellten, in den Saugkanälen der einzelnen Zylinder angeordneten Kraftstoffeinspritzventile entsprechend ansteuern. Somit ist gewährleistet, daß in je dem der 4 Zylinder zu jedem Zeitpunkt ein nahezu stöchiome trisches Gemisch (λ = 1) vorliegt. Der Steuerungsblock 5 (Fig. 3) wurde der Übersichtlichkeit wegen aus eine von der Steuereinheit 4 abgetrennte Funktionseinheit dargestellt, je doch kann der Steuerungsblock 5 selbstverständlich auch in die Steuerelektronik der Steuereinheit 4 integriert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ebenso zur Regelung der Gemischzusammensetzung an der Magergrenze einsetzen, denn in diesem Bereich 28 ( siehe Fig. 1) ändert sich der effektive Mitteldruck p _me ebenfalls unstetig. So ist der Betrag der Steigung des Graphen oberhalb der Magergrenze u. a. auch bedingt durch ab der Magergrenze auftretende Zündaussetzer wesentlich größer als unterhalb der Magergrenze. Bei der Regelung an der Magergrenze muß beim Vergleich von |D _{tm (z)}| mit D _{tm (st)} (Fig. 4 Block Fig. 18) lediglich auf ein anderes Kennfeld zugegriffen werden, in dem die Umschalt-Vergleichs werte an der Magergrenze last- und drehzahlabhängig abge legt sind.

Um ein fettes Gemisch während der Warmlaufphase realisieren zu können, ist es denkbar bei der Ermittlung des ersten Wer tes für D _{tm (Z)} das i _(Z) relativ groß zu wählen, so daß in diesem Betriebsbereich für die Bestimmung von t _{i (Z)} eine mittlere Energieimpulsänderung D _{tm (Z)} zugrunde liegt, die gleich 0 ist (Startwert für D _{tm (Z)}) und somit ein λ von ca. 0,9 vorliegt.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Gemischzusammensetzung bei einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, die pro Zylinderein heit ein im zugehörigen Saugkanal angeordnetes, von einer elektronischen Steuereinheit ansteuerbares Kraftstoffein spritzventil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine (3) für je de Zylindereinheit (Z) das Gemisch zunächst angefettet oder ab gemagert wird und daß anschließend fortwährend die Änderung des durch eine Zündung in die Kurbelwelle der Brennkraftma schine (3) eingeleiteten Energieimpulses (D _{tz (n)}) zwischen zwei auf einanderfolgenden Zündungen oder ein dieser Größe entsprechen der Parameter ermittelt wird und daß dann das Gemisch für den Fall, daß der Betrag der jeweils ermittelten Energieimpulsän derung (D _{tz (n)}) oberhalb eines betriebsparameterabhängig vorgegebenen Umschalt-Vergleichswertes (D _{tm (st)}) liegt, angefettet und andernfalls abgemagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anfetten des Gemisch einer Zylindereinheit (Z) nur dann erfolgt, wenn das Gemisch der zuvor zündenden Zylinder einheit (Z-1) gerade abgemagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalt-Vergleichswert (D _{tm (st)}) aus einem in einem Festwert speicher der elektronischen Steuereinheit (5) abgespeicher ten Kennfeld (19) ermittelt wird, in welchem die Umschalt- Vergleichswerte (D _{tm (st)}) als Mittelwerte aus stationär gemessenen Energieimpulsänderungen bei fetten und bei mageren Gemischen last- und drehzahlabhängig abgelegt sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anfetten bzw. das Abmagern des Gemisches schrittweise erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischregelung in Abhängigkeit von einer mittleren Energieimpulsänderung (D _{tm (z)}) erfolgt, welche aus der Summe mehrerer Einzelenergieimpulsänderungen (D _{tz (n)}) bezogen auf deren Anzahl (i _(Z)) ge bildet ist.