DE3725521A1 - Steuerungssystem fuer das brennstoff-luft-mischungsverhaeltnis fuer kraftfahrzeugmotoren - Google Patents

Steuerungssystem fuer das brennstoff-luft-mischungsverhaeltnis fuer kraftfahrzeugmotoren

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Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungssystem für das Brennstoff- Luft-Mischungsverhältnis für den Motor eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein System mit einem elektronischen Brennstoff-Einspritzsystem, das von einer Selbstlernsteuerung gesteuert ist.
Bei einer Ausführungsform von elektronischen Brennstoff- Einspritzsteuerungen wird die Brennstoffmenge, die in den Motor einzuspritzen ist, in Abhängigkeit von den Motorbetriebsvariablen bestimmt, wie z. B. dem Luftmassen- Durchsatz, dem Ansaugluftdruck, der Motordrehzahl und der Motorlast. Die Brennstoffmenge wird durch eine Brennstoffeinspritz-Erregerzeit (Einspritzimpulsbreite) bestimmt.
Im allgemeinen wird eine gewünschte Einspritzmenge dadurch erhalten, daß man eine Basiseinspritzmenge mit verschiedenen Korrektur- oder Kompensationskoeffizienten der Motorbetriebsvariablen oder Motorbetriebsparameter korrigiert.
Die Basiseinspritz-Impulsbreite wird aus einer Tabelle abgeleitet, um ein stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von dem Luftmassen-Durchsatz oder dem Ansaugluftdruck oder der Motordrehzahl zu liefern. Die Basiseinspritz-Impulsbreite T P wird beispielsweise folgendermaßen ausgedrückt:
T P = f (P, N),
wobei P der Ansaugluftdruck ist und N die Motordrehzahl angibt.
Die gewünschte Einspritzimpulsbreite T wird erhalten durch Korrektur der Basiseinspritz-Impulsbreite T P mit Koeffizienten für die Motorbetriebsvariablen. Im folgenden wird ein Beispiel einer Gleichung zur Berechnung der tatsächlichen Einspritzimpulsbreite angegeben:
T = T P × K × α × Ka,
wobei
K Satz von verschiedenen Koeffizienten, z. B. Koeffizienten der Kühltemperatur, der Drosselklappenöffnung usw. α Rückkopplungs-Korrekturkoeffizient, der aus dem Ausgangssignal eines O₂-Meßfühlers in der Abgasleitung erhalten wird, Ka Selbstlern-Korrekturkoeffizient, nachstehend auch als Selbstlern-Steuerkoeffizient bezeichnet, um die zeitlichen Änderungen der Eigenschaften der Einrichtungen in dem Brennstoff-Steuersystem zu kompensieren, beispielsweise die Einspritzer und den O₂-Meßfühler, und zwar aufgrund ihrer Verschlechterung im Betrieb.
Die Koeffizienten K und Ka werden in Tabellen gespeichert und aus den Tabellen in Abhängigkeit von gemessenen Informationen abgeleitet.
Das Steuerungssystem vergleicht das Ausgangssignal des O₂-Meßfühlers mit einem Referenzwert entsprechend dem stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis und bestimmt den Rückkopplungskoeffizienten α , um das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemisches in ein stöchiometrisches Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis umzuwandeln.
Wie oben erwähnt, wird die Basiseinspritz-Impulsbreite T P duch den Ansaugluftdruck P und die Motordrehzahl N bestimmt. Der Ansaugluftdruck ist jedoch nicht immer konstant, auch wenn die Motordrehzahl die gleiche ist wie die vorherige Drehzahl. Wenn beispielsweise ein Ventilspiel, also das Spiel zwischen einer Ventilschaftspitze eines Ansaug- oder Abgasventil und einem Kipphebelarm im Laufe der Zeit groß wird, wird die Ventilöffnungszeit klein. Infolgedessen werden die Überlappungszeiten der Ansaugventil-Öffnungszeit und der Abgasventil-Öffnungszeit kurz. Dementsprechend wird die Menge an Abgas, die aus einer Verbrennungskammer während der Überlappungszeit in eine Ansaugleitung eingeführt wird, klein. Somit nimmt die Menge an Ansaugluft zu. Der Ansaugluftdruck und somit die Menge an Brennstoffeinspritzung ändern sich jedoch nicht. Dementsprechend wird das Brennstoff- Luft-Mischungsverhältnis klein und ergibt ein mageres Brennstoff- Luft-Gemisch. Das gleiche Resultat ergibt sich, wenn man in großer Höhe fährt.
Eine solche Änderung der Eigenschaften einer Einrichtung wird auch durch einen Selbstlern-Steuerkoeffizienten korrigiert. In der US-PS 44 30 976 sind eine Vielzahl von Selbstlern-Steuerkoeffizienten im Zusammenhang mit den Motorbetriebsbedingungen angegeben. Dementsprechend ist ein Speicher mit großer Kapazität erforderlich, und die Konstruktion des Steuerungssystem sowie der Betrieb werden kompliziert. Weiterhin wird eine große Zeitspanne benötigt, um die Einspritzzeit zu berechnen, was eine Verzögerung bei der Steuerung des Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnisses mit sich bringt; daraus ergeben sich Verschlechterungen hinsichtlich des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeuges und des Brennstoffverbrauchs im Motor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungssystem für das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis für Kraftfahrzeugmotoren anzugeben, das eine Vereinfachung hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebes ermöglicht und in der Lage ist, das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen prompt zu steuern, so daß sich das Fahrverhalten des Fahrzeugs verbessern läßt.
Gemäß der Erfindung wird ein Steuerungssystem für das Brennstoff- Luft-Mischungsverhältnis für Kraftfahrzeugmotoren angegeben, das folgende Baugruppen aufweist: eine erste Tabelle zur Speicherung einer Vielzahl von Basisbrennstoffeinspritz- Impulsbreiten, aus denen eine der Impulsbreiten in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen abgeleitet wird; eine zweite Tabelle zur Speicherung einer Vielzahl von maximalen Korrekturwerten zum Korrigieren einer abgeleiteten Basisbrennstoffeinspritz-Impulsbreite, um die Abweichung des Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnisses aufgrund einer Änderung einer Eigenschaft einer in dem Motor verwendeten Einrichtung zu korrigieren; eine erste Einrichtung zur Erzeugung eines erforderlichen Korrekturwertes durch Multiplizieren eines Selbstlernkoeffizienten und eines maximalen Korrekturwertes, der aus der zweiten Tabelle abgeleitet wird; und eine zweite Einrichtung zur Erzeugung einer gewünschten Brennstoffeinspritz-Impulsbreite durch Addieren des erforderlichen Korrekturwertes zu der abgeleiteten Basisbrennstoffeinspritz-Impulsbreite.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Motorbetriebsbedingungen der Ansaugluftdruck und die Motordrehzahl, während ein Ventilspiel die Eigenschaft einer Einrichtung des Motors ist, das sich im Laufe der Zeit ändern kann.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Systems, auf das die Erfindung Anwendung findet;
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung eines Steuerungssystems;
Fig. 3 Diagramme der Ausgangsspannung eines O₂-Meßfühlers und der Ausgangsspannung einer Proportional-Integral-Regelschaltung, nachstehend auch als PI-Regler bezeichnet;
Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Ausgangsspannung des PI-Reglers und den Änderungsbereichen von Motordrehzahl und Ansaugluftdruck;
Fig. 5 eine Darstellung von Kennfeldern für die Menge der Brennstoffeinspritzung; und in
Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Systems.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist eine Brennkraftmaschine einen Zylinder 1, eine Verbrennungskammer 2 und eine Zündkerze 4 auf, die an einen Verteiler 3 angeschlossen ist. Ein Motordrehzahl-Meßfühler 3 a ist am Verteiler 3 vorgesehen. Eine Ansaugleitung 5 steht mit der Verbrennungskammer 2 über ein Ansaugventil 7 in Verbindung, und ein Abgasventil 6 steht mit der Verbrennungskammer 2 über ein Abgasventil 8 in Verbindung. In der Ansaugleitung 5 der Brennkraftmaschine ist eine Drosselkammer 10 stromabwärts von einer Drosselklappe 9 angeordnet, um Pulsierungen der Ansaugluft aufzufangen.
Ein Druckmeßfühler 11 ist vorgesehen, um den Druck der Ansaugluft in der Drosselkammer 10 zu messen und um ein Ansaugluftdrucksignal zu erzeugen. Mehrfach-Brennstoffeinspritzer 12 sind an der Ansaugleitung 5 vorgesehen, und zwar in der Nähe der Ansaugventile 7 um die jeweiligen Zylinder 1 der Brennkraftmaschine mit Brennstoff zu versorgen. Ein O₂-Meßfühler 13 und ein Katalysator 14 sind in der Abgasleitung 6 vorgesehen. Der O₂-Meßfühler 13 ist vorgesehen, um die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen in der Abgasleitung 6 zu messen.
Die Ausgangssignale vom Druckmeßfühler 1 und vom O₂-Meßfühler 13 werden einer elektronischen Steuereinheit 15 zugeführt, die auch als ECU bezeichnet ist und aus einem Mikrocomputer besteht. Der Motordrehzahl-Meßfühler 3 a erzeugt ein Signal der Motordrehzahl, das der elektronischen Steuereinheit 15 zugeführt wird. Die Steuereinheit 15 bestimmt die Brennstoffmenge, die von den Einspritzern 12 eingespritzt wird, und liefert ein Signal an die Einspritzer 12.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist die elektronische Steuereinheit 15 eine CPU oder einen zentralen Rechner 16 auf, der mit einer ALU oder arithmetischen Logikeinheit 17, einem ROM oder Festwertspeicher 18 und einem RAM oder Speicher mit wahlfreiem Zugriff ausgestattet ist. Die arithmetische Logikeinheit 17, der ROM 18 und der RAM 19 sind miteinander über einen Bus 21 verbunden. Ein Analog/Digital- Wandler 20 ist über einen Bus 21 a mit der arithmetischen Logikeinheit 17 verbunden. Ein Abtasthaltesignal wird von der arithmetischen Logikeinheit 17 an den Analog/Digital- Wandler 20 angelegt. Der Analog/Digital-Wandler 20 wird mit analogen Spannungssignalen von dem Druckmeßfühler 11 und dem O₂-Meßfühler 13 versorgt, um die analogen Spannungssignale in digitale Signale umzuwandeln.
Eine Eingangsschnittstelle 22, die mit einer Wellenformschaltung kombiniert ist, wird mit dem Motordrehzahlsignal von dem Motordrehzahl-Meßfühler 3 a versorgt, um eine Wellenformung des Signals vorzunehmen. Ein Ausgangssignal der Schnittstelle 22 wird der arithmetischen Logikeinheit 17 zugeführt. Ein Treiber 23 erzeugt ein Impulssignal zum Treiben der Einspritzer 12.
Das Motordrehzahlsignal von der Eingangsschnittstelle 22 und das Ansaugluftdrucksignal von dem Analog/Digital-Wandler 20 werden über die arithmetische Logikeinheit 17 in dem RAM 19 gespeichert. Das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnissignal von dem Analog/Digital-Wandler 20 wird mit einem Referenz- Spannungssignal, das dem stöchiometrischen Brennstoff-Luft- Mischungsverhältnis entspricht, in regelmäßigen Intervallen in dem Rechner 16 verglichen.
Wenn das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird, im Vergleich mit dem stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis fett ist, wird ein "1"-Signal in dem RAM 19 gespeichert. Wenn das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis mager ist, wird ein "0"-Signal in dem RAM 19 gespeichert. Die Brennstoffeinspritz- Impulsbreite T wird berechnet auf der Basis der in dem RAM 19 gespeicherten Daten und der Kennlinienfelder (Maps) 24 und 25 (vgl. Fig. 5), die in dem ROM 18 gespeichert sind, um die Einspritzer 12 in der nachstehend beschriebenen Weise zu treiben.
Das Kennlinienfeld 24 ist für die Basisbrennstoffeinspritz- Impulsbreiten T P , wenn der Ventilmechanismus ein normales Ventilspiel hat. Das Kennlinienfeld 25 speichert oder enthält maximale Korrekturwerte CLRN für das Ventilspiel. Jeder Korrekturwert CLRN ist ein maximaler Grenzwert für die Anreicherung des Gemisches. Die Daten T P und CLRN werden aus den Kennlinienfelder 24 und 25 abgeleitet, und zwar in Abhängigkeit von dem Ansaugluftdruck P und der Motordrehzahl N.
Obwohl die Kennlinienfelder 24 und 25 in Fig. 5 zur Erleichterung der Darstellung übereinander dargestellt sind, sind beide Kennlinienfelder 24 und 25 in einzelnen Bereichen des ROM 18 vorgesehen.
Die arithmetische Logikeinheit 17 führt arithmetische Prozesse durch, indem sie die in regelmäßigen Intervallen in dem Ram 19 gespeicherten Daten "1" und "0" liest, wie es nachstehend beschrieben ist.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ändert sich das Brennstoff-Luft- Mischungsverhältnissignal von dem O₂-Meßfühler 13 zyklisch gegenüber dem Referenzwert zu den Seiten fetten und mageren Gemisches. Die arithmetische Logikeinheit 17 erzeugt ein Rückkopplungs-Korrektursignal Fc. Wenn sich die Daten von "1" und "0" ändern, springt das Signal Fc in der negativen Richtung, nämlich von α 1 und α 2.
Danach nimmt der Wert des Signals Fc mit einem vorgegebenen Wert in regelmäßigen Abständen ab. Wenn die Daten sich von "1" auf "0" ändern, springt das Signal Fc in der positiven Richtung von α 3 zu α 4, und nimmt mit dem vorgegebenen Wert zu. Somit hat das Signal Fc eine Sägezahnwellenform, wie es Fig. 3 zeigt.
Gemäß der Erfindung wird die gewünschte Brennstoffeinspritz- Impulsbreite T erhalten, indem man eine erforderlichen Korrekturwert NC zu der Basiseinspritz-Impulsbreite T P addiert. Der Korrekturwert NC wird erhalten, indem man den Korrekturwert CLRN mit einem Selbstlernkoeffizienten Kb multipliziert. Der Selbstlernkoeffizient Kb ist ein Maß oder eine Verhältniszahl, um aus dem Korrekturwert CLRN einen geeigneten und richtigen Korrekturwert NC zu erhalten. Der Selbstlernkoeffizient Kb kann beispielsweise den Wert 0,5 haben. Damit ergibt sich die gewünschte Brennstoffeinspritz-Impulsbreite T gemäß der nachstehenden Gleichung:
T = (T P +CLRN × Kb) × α (0 ≦ Kb ≦ 1).
Die oben erwähnten Koeffizienten K und Ka sind in der Gleichung weggelassen. Somit wird in dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem die gewünschte Einspritzimpulsbreite T im gesamten Betriebsbereich in Abhängigkeit von dem Ansaugluftdruck P und der Motordrehzahl N erhalten, indem man nur die beiden Koeffizienten Kb und α verwendet.
Die Wirkungsweise des Systems wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 näher erläutert.
Nach dem Starten der Brennkraftmaschine wird bei einem Schritt S 1 ein Selbstlernkoeffizient Kb zu Beginn auf den Wert "0" gesetzt. Die gewünschte Brennstoffeinspritz-Impulsbreite T wird erhalten, indem man die obige Gleichung berechnet.
Wenn die Brennkraftmaschine warm geworden ist und der O₂-Meßfühler 13 aktiviert wird, geht das Programm zu einem Schritt S 2 weiter, um einen Rückkopplungs-Steuerbetrieb zu starten. Ein Durchschnittswert α 8 des Rückkopplungs-Korrektursignals Fc von dem O₂-Meßfühler 13 für eine Periode, während der ein viermaliger Sprung des Signals Fc erfolgt, wird als arithmetischer Mittelwert der Maximalwerte α 1 und α 5 sowie der Minimalwerte α 3 und α 7 erhalten.
Beim Schritt S 3 wird der Mittelwert α 8 mit dem stöchiometrischen Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis a 0 verglichen, um einen Abweichungswert Δα zu erhalten.
Bei einem Schritt S 4 wird die Motordrehzahl daraufhin abgetastet, ob die Brennkraftmaschine sich in einem stabilen Zustand befindet oder nicht. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der stabile Zustand durch die Bereiche Pr und Nr von Änderungen des Ansaugluftdruckes und der Motordrehzahl für einen Zeitraum T bestimmt, in welchem die vier Sprünge stattfinden. Die Maximalwerte und die Minimalwerte der Motordrehzahl N und des Ansaugluftdruckes P werden erhalten. Die Variationsbereiche Nr und Pr der Motordrehzahl N und des Ansaugluftdruckes P für den Zeitraum T werden erhalten aus den Differenzen zwischen den jeweiligen Maximal-und Minimalwerten.
Wenn diese Variationsbereiche innerhalb vorgegebener Bereiche liegen, wird der Motorbereich als im stabilen Zustand befindlich angesehen, und das Programm geht zu einem Schritt S 5 weiter. Wenn diese Bereiche außerhalb der vorgegebenen Bereiche liegen, kehrt das Programm zum Schritt S 3 zurück.
Beim Schritt S 5 wird festgestellt, ob die Abweichung Δα innerhalb eines vorgegebenen zulässigen Bereiches liegt, also die Beziehung α L ≦ Δα ≦ α R erfüllt ist oder aber außerhalb dieses Bereiches liegt, wenn die Abweichung Δα außerhalb des Bereiches liegt, geht das Programm zu einem Schritt S 6 weiter. Beim Schritt S 6 wird der Selbstlernkoeffizient Kb erneut auf einen Wert in dem Bereich von 0 ≦ Kb ≦ 1, beispielsweise 0,5 eingeschrieben, so daß die Abweichung Δα einen Wert annimmt, der innerhalb des Bereiches liegt, so daß die Beziehung α L ≦ Δα 0 ≦ α R erfüllt ist.
Wenn die Abweichung innerhalb des Bereiches liegt, kehrt das Programm zu dem Schritt S 3 zurück.
Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform der erforderliche Korrekturwert NC zu der Basiseinspritz-Impulsbreite T P addiert wird, kann auch die nachstehende Modifizierung verwendet werden.
Dabei werden nämlich eine Basiseinspritz-Impulsbreite T P und ein maximaler Korrekturwert CLRN addiert, um eine maximale Einspritz-Impulsbreite Tpmax zu erzeugen. Ein Selbstlernkoeffizient Kc ist vorgesehen, um einen erforderlichen Korrekturwert NCs zu erzeugen. Der erforderliche Korrekturwert NCs wird von der maximalen Einspritz-Impulsbreite Tpmax subtrahiert, so daß dadurch eine gewünschte Impulsbreite erhalten wird. Die Berechnung läßt sich folgendermaßen ausdrücken:
T = {(T P +CLRN)-CLRN × Kc} × α ,
wobei Kc = 1-Kb.
Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, daß das Brennstoff- Luft-Mischungsverhältnis in dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem in dem gesamten Betriebsbereich gesteuert wird, indem man nur einen Selbstlernkoeffizienten verwendet, so daß sich der Aufbau und die Wirkungsweise des Systems vereinfachen lassen.
Weiterhin dient die Tabelle zur Speicherung der maximalen Korrekturwerte als Bregrenzer, um eine maximale Menge an eingespritztem Brennstoff zu begrenzen, während die Tabelle für die Basisbrennstoffeinspritz-Impulsbreite als Minimalbegrenzung für den Brennstoff dient.

Claims (5)

1. Steuerungssystem für das Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis für Kraftfahrzeugmotoren, dadurch gekennzeichnet,
  • - eine erste Tabelle (24), in der eine Vielzahl von Basisbrennstoffeinspritz- Impulsbreiten gespeichert sind, aus denen eine Impulsbreite in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen abgeleitet wird;
  • - eine zweite Tabelle (25), in der eine Vielzahl von maximalen Korrekturwerten gespeichert sind, um eine abgeleitete Basisbrennstoffeinspritz-Impulsbreite zu korrigieren, um die Abweichung des Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnisses aufgrund einer Änderung einer Eigenschaft einer in dem Motor verwendeten Einrichtung zu korrigieren;
  • - eine erste Einrichtung (17, 18, 19), die einen erforderlichen Korrekturwert erzeugt, indem sie einen Selbstlernkoeffizienten und einen aus der zweiten Tabelle (25) abgeleiteten maximalen Korrekturwert multipliziert; und
  • - eine zweite Einrichtung (17, 23) zur Erzeugung einer gewünschten Brennstoffeinspritz-Impulsbreite in Abhängigkeit von dem erforderlichen Korrekturwert und der abgeleiteten Basisbrennstoffeinspritz-Impulsbreite.
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Motorbetriebsbedingungen der Ansaugluftdruck (P) und die Motordrehzahl (N) sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eigenschaft der Einrichtung in dem Motor ein Ventilspiel ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Selbstlernkoeffizient (Kb) ein Wert in einem Bereich zwischen 0 und 1 ist.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die gewünschte Brennstoffeinspritz-Impulsbreite (T) erhalten wird, indem man den erforderlichen Korrekturwert zu der abgeleiteten Basisbrennstoffeinspritz-Impulsbreite addiert.
DE3725521A 1986-08-02 1987-07-31 Steuerungssystem fuer das brennstoff-luft-mischungsverhaeltnis fuer kraftfahrzeugmotoren Granted DE3725521A1 (de)

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