DE3714902A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen der einlassluftmenge einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Einlaßluftmenge einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, das dazu dient, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt festzulegen.

Bei einem herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystem ist ein Strömungsmesser für die Luft im Einlaßkanal oberhalb eines Drosselventiles vorgesehen, um die Menge (Q) an Einlaßluft festzustellen. Der Einspritzzeitpunkt Tp für den Kraftstoff wird über die Rechnung Tp = Q/N (N = Drehzahl) festgelegt.

Weiterhin wird der Zündzeitpunkt auch über die Luftmenge Q der Einlaßluft festgelegt. Demzufolge wird eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Einlaßluftmenge gefordert. Nach dem Stand der Technik ist es jedoch schwierig, die Einlaßluftmenge sehr genau zu messen, wie dies im folgenden ausgeführt wird.

Nachdem das Strömungsmeßgerät oberhalb des Drosselventiles vorgesehen ist, wird die Luftmenge, welche in die Zylinder der Maschine eingesaugt wird, nicht direkt gemessen. Insbesondere existiert ein Zwischenraum zwischen der Drosselklappe und den Zylindern, z. B. eine Kammer, die nach der Drosselklappe vorgesehen ist, sowie ein Einlaßkrümmer. Wenn also die Drosselklappe sehr schnell geöffnet wird, so tritt die angesaugte Luft in den Zwischenraum und erhöht dort den Druck. Mit anderen Worten umfaßt also die über die Drosselklappe strömende Luftmenge auch eine gewisse Luftmenge, die dazu nötig ist, den Druck im Zwischenraum anzuheben. Das Strömungsmeßgerät mißt die Menge an Einlaßluft einschließlich derjenigen Luft, die nicht in die Zylinder eingesaugt wird. Demzufolge steigt zeitweise die gemessene Luftmenge an. Wenn der Zündzeitpunkt, basierend auf der angestiegenen Einlaßluftmenge berechnet wird, so wird eine größere Menge Treibstoff eingespritzt als nötig, so daß das Lufttreibstoffgemisch vorübergehend angereichert wird. Das Anreichern des Gemisches bewirkt ein Sinken der Ausgangsleistung und ein Ansteigen toxischer Emissionen, wie z. B. CO und HC. Darüber hinaus weicht der eingestellte Zündzeitpunkt vom gewünschten Zündzeitpunkt ab, wenn die Berechnung des Zündzeitpunktes auf der angestiegenen Ansaugluftmenge basiert.

Wenn weiterhin die Drosselklappe geschlossen wird, weichen wiederum die Gemischverhältnisse und der Zündzeitpunkt von den gewünschten Werten ab.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Eingangsluft erzielbar ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Menge an Einlaßluft, welche in dem Raum im Einlaßkanal außer den Zylindern der Maschine eintritt, berechnet und zwar basierend auf der Maschinendrehzahl und dem Öffnungsgrad des Drosselventiles. Demgemäß kann die aktuelle, in die Zylinder eingesaugte Luftmenge sehr genau gemessen werden, indem man die Differenz zwischen der Menge an Einlaßluft - gemessen von einem Strömungssensor - und der in den Zwischenraum eintretenden Luftmenge bestimmt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Messung der Einlaßluftmenge einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug versehen mit einem Einlaßkanal, einer Drosselklappe im Einlaßkanal, wobei der Einlaßkanal einen ersten Einlaßabschnitt vor der Drosselklappe und einen zweiten Einlaßabschnitt zwischen der Drosselklappe und den Zylindern der Maschine umfaßt, wobei das System sich durch folgende Merkmale auszeichnet: Ein Strömungsmesser im ersten Einlaßabschnitt zum Messen einer ersten Größte der Einlaßluft, welche den ersten Einlaßabschnitt durchströmt, erste Detektormittel, zum Feststellen des Öffnungsgrades der Drosselklappe und zum Abgeben eines dem Öffnungsgrad proportionalen Signales, zweite Detektormittel zum Abgeben eines Maschinen-Drehzahlsignales, erste Mittel, welche auf das Öffnungs-Winkelsignal hin und das Drehzahlsignal hin ein Drucksignal abgeben, das dem Druck im Einlaßkanal entspricht, zweite Mittel, welche auf das Drucksignal hin eine zweite Größe der Einlaßluft berechnen, die in den zweiten Einlaßabschnitt einströmt, ohne in die Zylinder gesaugt zu werden, und dritte Mittel zum Abgeben eines Signales, das der Menge an Einlaßluft entspricht, welche tatsächlich in die Zylinder gesaugt wird und zwar in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der ersten Größe und der zweiten Größe.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung berechnen die ersten Mittel den Druck, basierend auf dem Druck im ersten Einlaßabschnitt, dem Widerstand an der Drosselklappe und dem Widerstand in der Maschine.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Einlaßsystems;

Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 und 5 Kurven zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Widerständen R ₁ und R ₂ und dem Drosselöffnungsgrad sowie der Maschinendrehzahl;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 7 den Zeitverlauf verschiedener Werte;

Fig. 8 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 9 Kurven zur Erläuterung der Beziehung zwischen Drosselöffnungsgrad und korrektem Widerstand R _1c .

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist im Einlaßkanal 2 einer Brennkraftmaschine 1 eine Drosselkammer 3 unterhalb einer Drosselklappe 4 vorgesehen, um die Pulsation von Ansaugluft zu absorbieren. Ein Hitzedrahtanemometer 10 ist oberhalb der Drosselklappe 4 vorgesehen. In der Nähe des Einlaßventiles eines jeden Zylinders der Maschine 1 sind Einspritzdüsen 5 in den Einlaßkanälen vorgesehen, um den Zylindern Kraftstoff zuzuführen. Weiterhin sind ein Drosselklappensensor 11 zum Abtasten deren Position, ein Kühlmittelsensor 12, ein Kurbelwellen-Winkelsensor 13 und ein Kurbelwellen- Winkelsensor 13 und ein O₂-Sensor 14 vorgesehen, um die entsprechenden Parameter abzutasten und Signale auszugeben, die einer Steuereinheit 20 zugeführt werden. Die Steuereinheit 20 umfaßt einen Mikrocomputer, der die Kraftstoffeinspritzdüsen 5 und die Ansteuerung der Zündspule 6 bewirkt. Die Steuereinheit 20 berechnet die Kraftstoffeinspritzzeit Tp = Q/n und korrigiert diese über das Kühlmitteltemperatursignal vom Sensor 12 und ein Rückkopplungssignal vom O₂-Sensor 14.

Unter Bezug auf die Fig. 2 und 7 wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Einlaßluft beschrieben. Wenn die Drosselklappe 4 schnell geöffnet wird (Fig. 7(a)), so schwingt die Menge Qa, die vom Strömungsmesser 10 gemessen wird über, wie dies in Fig. 7(b) gezeigt ist. Fig. 7(c) zeigt die Veränderung des Luft/Treibstoffverhältnisses nach dem Stand der Technik, bei der das Luft/Treibstoffverhältnis gering wird (fettes Gemisch). Die Steuereinheit 20 berechnet die Menge Qe an Luft, die in die Zylinder der Maschine 1 gesaugt wird, indem die Menge Qc berechnet wird, welche in die Kammer 3 und den Einlaßkanal 2 fließt, um dort den Druck beim Öffnen der Drosselklappe ansteigen zu lassen, wie dies nachfolgend beschrieben wird.

Das in Fig. 2a schematisiert dargestellte Einlaßsystem weist im wesentlichen ein Ersatzschaltbild auf, wie es in Fig. 2b gezeigt ist. Insbesondere entspricht der Druck P im Einlaßkanal 2 unterhalb der Drosselklappe 4 und in der Kammer 3 der Spannung V, während die Menge Qa dem Strom I in Fig. 2b entspricht. Po repräsentiert einen Druck oberhalb der Drosselklappe 4 und entspricht der Spannung Vo in Fig. 2b. Die Spannung V wird durch folgende Gleichung beschrieben:

Der Widerstand R ₁ entspricht dem Widerstand an der Drosselklappe 4, der Widerstand R ₂ entspricht dem Widerstand in der Maschine 1.

Wenn die Spannung V und der Strom I durch P und Qa ersetzt werden, so ergibt sich der Druck P zu

worin

C ist hierbei eine Konstante, welche die Kapazität (das Volumen) des Einlaßkanals und der Drosselkammer 3 bestimmt. Aus obigem ist ersichtlich, daß der Druck P mit Verzögerung zum Eingangssignal mit einer Verzögerung erster Ordnung auftritt, die durch die Zeitkonstante T = C × R ₁ R ₂/(R ₁ + R ₂) bestimmt ist.

Andererseits kann, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, der Widerstand R ₁ als Funktion des Öffnungsgrades ϑ der Drosselklappe 4 und der Widerstand R ₂ als Funktion der Maschinendrehzahl N angesehen werden. Dementsprechend werden die Widerstände R ₁ und R ₂ in Speichern als Funktion von ϑ und N gespeichert, während der Druck Po und die Kapazität C ebenfalls in Speichern gespeichert werden. In der Steuereinheit sind somit Verrechnungsmittel für die Verzögerung erster Ordnung vorgesehen, so daß der Druck P im Einlaßkanal unterhalb der Drosselklappe 4 und in der Kammer 3 bestimmt werden kann.

Die Menge Qc, welche den Druck P anhebt, kann berechnet werden, wenn man das Differential aus dem Druck P bei einer bestimmten Drosselklappenöffnung nach der Zeit (dp(dt) wie folgt berechnet:

Qc = dp/dt × C ₁ (C ₁ = Konstante)

dementsprechend ergibt sich die gesuchte Größe Qe zu

Qe = Qa - Qc.

Basierend auf der Größe Qe kann der korrekte Kraftstoffeinspritzzeitpunkt Tp errechnet werden. Die Fig. 7(d) bis (f) zeigen Variationen des Drucks P und der Größen Qc und Qe, während Fig. 7(g) ein verbessertes Luft/Treibstoffverhältnis zeigt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt die Steuereinheit 20 bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen Rechner 21 zum Berechnen der Maschinendrehzahl N, basierend auf dem Ausgangssignal des Kurbelwellensensors 13, einen Abschnitt 22 zur Messung der Luftströmung und zum Abgeben eines Mengensignales Qa aus dem Ausgangssignal des Strömungssensors 10 und einen R ₁-Rechner 26 zum Berechnen des Widerstandes R ₁ an der Drosselklappe 4, basierend auf dem Ausgangssignal einer R ₁ Tabelle 23 im Speicher. Ein R ₂- Rechner 27 berechnet den Widerstand R ₂ in der Maschine 1 in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl N und dem Ausgangssignal einer R ₂-Tabelle 24. Weiterhin ist ein Speicher 25 vorgesehen zum Speichern der Konstanten C für die Kapazität (Volumen) und den Druck Po. Ein Zeitkonstantenrechner 28 ist vorgesehen, der die Zeitkonstante T basierend auf den Ausgangssignalen R ₁, R ₂ und C der Rechner 26, 27 und des Speichers 25 berechnet. Ein Druckrechner 29 ist vorgesehen, welcher die Berechnung des Drucks im Einlaßkanal durchführt, und zwar die Rechnung P _B = Po × R ₂/(R ₁ + R ₂) basierend auf den Ausgangssignalen R ₁, R ₂ und Po der Rechner 26, 27 und des Speichers 25. Weiterhin sind Verrechnungsmittel 30 für die Verzögerung erster Ordnung vorgesehen, welche den Druck P(t) im Einlaßkanal zu einem Zeitpunkt t über folgende Rechnung berechnen:

(Δ t ist das Operationsintervall).

Ein Qc-Rechner ist vorgesehen, welcher die Größe Qc auf die Ausgangssignale der Verrechnungsmittel 30 für die Verzögerung erster Ordnung und den Speicher 25 hin berechnet und ein Ausgangssignal Qc abgibt. Ein Qe-Rechner 32 ist vorgesehen, um die Größe Qe auf die Ausgangssignale Qa und Qc des Abschnittes 22 für die Strömungsmessung und des Qc-Rechners 31 zu errechnen und ein Ausgangssignal Qe abzugeben. Ein Tp-Rechner 33 ist vorgesehen, um den Einspritzzeitpunkt Tp zu berechnen, während zur Berechnung des Zündzeitpunktes ein Zündzeitpunktsrechner 34 vorgesehen ist, die auf die Ausgangssignale N und Qe des Maschinendrehzahlrechners 21 und des Qe-Rechners 32 hin arbeiten. Das Ausgangssignal des Tp-Rechners 33 wird der Einspritzdüse 5, das Ausgangssignal des Zündzeitpunktrechners 34 der Zündspule 6 zugeführt, so daß diese entsprechend gesteuert werden.

Die Arbeitsweise des Systems wird im folgenden anhand der Fig. 3 und 6 näher beschrieben. Die Größe Qa wird im Strömungsmessungsabschnitt 22, basierend auf einem Eingang vom Strömungsmesser 10 berechnet (Schritt S 101). Der Drosselklappenöffnungsgrad ϑ wird aus dem Ausgangssignal des Drosselklappenpositionssensors 11 hergeleitet, die Maschinendrehzahl N wird vom Rechner 21, basierend auf dem Ausgangssignal des Kubelwellensensors 13 berechnet (Schritt S 102). Die Widerstände R ₁ und R ₂ werden in den Rechnern 26, 27, basierend auf Daten errechnet, die aus den Tabellen 23 und 24 in Übereinstimmung mit dem Drosselklappenöffnungsgrad ϑ und der Maschinendrehzahl N abgeleitet werden (Schritt 103). Die Zeitkonstante T wird im Konstantenrechner 28, basierend auf den Signalen R ₁, R ₂ und C berechnet (Schritt S 104). Der Druckrechner 29 berechnet den Druck P _B = Po × R ₂/(R ₁ + R ₂) und zwar basierend auf den Ausgangssignalen des Speichers 25 und der Rechner 26 und 27 (Schritt S 105). Der Druck P(t) wird (im Schritt S 106) in den Verrechnungsmitteln 30 für die Verzögerung erster Ordnung erhalten. Der Druck P(t) und die Konstante C, die im Speicher 25 gespeichert ist, werden dem Qc-Rechner 31 zugeführt, der (im Schritt S 107) die Rechnung Qc = C × dp/dt durchführt. Die Größe Qe wird im Qe-Rechner 32 über die Rechnung Qa - Qc (im Schritt S 108) berechnet. Der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt Tp wird im Tp-Rechner 33 über die Rechnung Tp = K × Qe/N (im Schritt S 109) berechnet. Weiterhin wird der Zündzeitpunkt im Zündzeitpunktsrechner 34 (im Schritt S 110) berechnet. Das Ausgangssignal des Tp- Rechners 33 wird den Einspritzdüsen 5 zugeführt, so daß zum richtigen Zeitpunkt und während eines korrekten Intervalles Kraftstoff eingespritzt wird. Das Ausgangssignal des Zündzeitpunktrechners 34 wird der Zündspule 6 zugeführt, so daß die Zündung zum korrekten Zeitpunkt erfolgt.

Im obigen wurden die Verhältnisse so beschrieben, daß die Drosselklappe geöffnet wird. Die Wirkung ist jedoch dieselbe, wenn die Drosselklappe geschlossen wird, wodurch sonst ebenfalls eine Abweichung gewünschten Gemisches unvermeidbar war.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in der Fig. 8 erläutert wird, ist der R ₁-Rechner durch einen R ₃-Rechner 26 a ersetzt, in dem der Widerstand R ₁ über die Menge Qa an Einlaßluft korrigiert wird. Ein korrekter Widerstandswert R ₃ ergibt sich wie folgt:

R ₃ = R _1c × Qa × K

worin

und K ein Koeffizient sind.

R _1c wird in einer R _1c -Tabelle 23 a als Funktion des Drosselklappenöffnungsgrades ϑ gespeichert (siehe Fig. 9). Der R ₃-Rechner 26 a berechnet den korrigierten Widerstand R ₃ auf das Ausgangssignal Qa des Strömungsmessungsabschnittes 22 und basierend auf Daten aus der R _1c -Tabelle 23 a in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal ϑ des Drosselklappensensors 11. Der korrigierte Widerstand R ₃ wird den Rechnern 28 und 29 zugeführt. Andere Teile des Systems entsprechen denen der ersten bevorzugten Ausführungsform, die Wirkungsweise ist im wesentlichen dieselbe. Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird eine genauere Arbeit gewährleistet, da der Widerstand R ₁ über die Größe Qa korrigiert wird.

Erfindungsgemäß wird also die Menge an Einlaßluft, welche in einem Raum eintritt, der nicht mit dem Zylinderinneren übereinstimmt, basierend auf dem Druck in den Räumen berechnet. Auf diese Weise kann die korrekte Luftmenge, die den Zylindern zugeführt wird, gemessen werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Messen der Einlaufluftmenge einer Brennkraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Einlaßkanal (2), einer Drosselklappe (4) im Einlaßkanal (2), wobei der Einlaßkanal einen ersten Einlaßabschnitt oberhalb der Drosselklappe und einen zweiten Einlaßabschnitt zwischen der Drosselklappe und den Zylinder der Maschine aufweist, gekennzeichnet durch
ein Luftströmungsmesser (10) im ersten Einlaßabschnitt zum Messen einer ersten Größe der Einlaßluft, welche in den ersten Einlaßabschnitt eintritt;
erste Detektormittel (11) zum Feststellen des Öffnungsgrades (ϑ) der Drosselklappe (4) und zum Abgeben eines Drosselklappen- Öffnungssignales (ϑ);
zweite Detektormittel (13) zum Abgeben eines Maschinendrehzahlsignales (N);
erste Mittel (29), die auf das Öffnungsgradsignal (ϑ) und das Drehzahlsignal (N) ein Drucksignal abgeben, das dem Druck im zweiten Einlaßabschnitt entspricht;
zweite Mittel (31), welche auf das Drucksignal hin eine zweite Größe der Einlaßluft berechnen, welche in den zweiten Einlaßabschnitt eintritt, ohne in die Zylinder zu gelangen; und durch
dritte Mittel (32) zum Abgeben eines Signales, das die Größe an Einlaßluft darstellt, die tatsächlich in die Zylinder strömt und zwar in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der ersten Größe und der zweiten Größe.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel (29) den Druck basierend auf dem Druck im ersten Einlaßabschnitt, auf dem Widerstand bei der Drosselklappe und auf dem Widerstand der Maschine berechnen.

3. Verfahren zum Messen der Einlaßluftmenge einer Brennkraftmaschine, wobei man die Strömung der Einlaßluft und die Drehzahl mißt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
man mißt die Strömung vor der Drosselklappe (S 101),
man mißt den Öffnungsgrad (ϑ) der Drosselklappe und die Maschinendrehzahl (N) (S 102);
man leitet die Strömungswiderstände (R ₁ und R ₂) bei der Drosselklappe und in der Maschine her (S 103);
man berechnet die Zeitkonstante (T) der Verzögerung erster Ordnung des Systems (S 104);
man berechnet den Druck (Pb) im Einlaßkanal (Schritt 105);
man berechnet den momentanen Druck (P(t)) im Einlaßkanal (S 106);
man berechnet die der Druckänderung (dp/dt) proportionale Luftmenge (Qc) (S 107);
man berechnet die Differenz zwischen der druckänderungs- proportionalen Menge und der gemessenen Menge (S 108) und
man errechnet den Zündzeitpunkt und den Einspritzzeitpunkt (Einspritzdauer) aus dem Ergebnis der Differenz.