DE3726867A1 - Gemischverhaeltnissteuersystem fuer einen kraftfahrzeugmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gemischverhältnissteuersystem für ei­ nen Kraftfahrzeugmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Insbesondere handelt es sich hierbei um ein solches Steuersystem, das eine elektronische Kraftstoffeinspritzung umfaßt, die über eine selbstlernende Steuerung gesteuert wird.

Bei einer Art von elektronischer Kraftstoffeinspritzsteuerung wird die Menge von in die Maschine einzuspritzendem Kraftstoff in Übereinstimmung mit Betriebsvariablen des Motors, wie z.B. Luftmassenstrom, Ansaugluftdruck, Motorlast und Motordrehzahl bestimmt. Die Menge von Kraftstoff wird über die Betriebsdauer einer Einspritzanordnung, also über die Einspritzpulsbreite festgelegt.

Im allgemeinen wird die gewünschte Einspritzmenge dadurch erhalten, daß man eine Basiseinspritzmenge mit verschiedenen Korrektur- oder Kompensationskoeffizienten abhängig von den Motorbetriebsvariablen korrigiert. Die Basiseinspritz­ pulsbreite wird aus einer Nachschlagetabelle derart abge­ leitet, daß ein gewünschtes (stöchiometrisches) Gemischver­ hältnis entsprechend dem Luftmassenstrom oder dem Einlaß- bzw. Ansaugluftdruck und der Maschinendrehzahl entsteht. Die Basiseinspritzpulsbreite TP wird beispielsweise fol­ gendermaßen ausgedrückt:

T _P = f (P, N)

hierbei ist P der Einlaßluftdruck, N ist die Motordrehzahl.

Die gewünschte Einspritzpulsbreite (T) erhält man, indem man die Basiseinspritzpulsbreite TP mit Koeffizienten ent­ sprechend den Motorbetriebsvariablen korrigiert. Im folgen­ den wird ein Beispiel einer Gleichung zum Berechnen der ak­ tuellen Einspritzpulsbreite angegeben:

T = T _P × K × α × Ka

hierin ist K mindestens ein Koeffizient, ausgewählt aus verschiedenen Koeffizienten wie z.B. Kühlmitteltemperatur, volle Drosselklappenöffnung usw., α ist ein Rückkopplungs- Korrekturkoeffizient, der aus dem Ausgangssignal eines O₂- Fühlers abgeleitet wird, welcher im Abgaskanal angeordnet ist, Ka ist ein Korrekturkoeffizient, der durch Lernen (im folgenden Lernsteuerungskoeffizient genannt) erhalten wird und der zum Kompensieren von zeitabhängigen Änderun­ gen der Charakteristika von Anordnungen beim Kraftstoff­ steuerungssystem dient, wie z.B. Änderungen der Einspritz­ anordnung oder eines Einlaßluftdruckfühlers, aufgrund vor­ kommender Störungen, Abnutzung oder dergleichen. Die Koef­ fizienten K und Ka werden in Nachschlagetabellen gespei­ chert und in Übereinstimmung mit abgetasteten Informatio­ nen aus den Tabellen abgeleitet.

Das Steuersystem vergleicht das Ausgangssignal des O₂-Fühlers mit einem Bezugswert entsprechend einem gewünschten Gemisch­ verhältnis und legt den Rückkopplungskoeffizienten α derart fest, daß das Gemischverhältnis der Kraftstoff-/ Luftmischung auf ein gewünschtes Gemischverhältnis konver­ giert.

Wie oben beschrieben, wird die Basiseinspritzpulsbreite TP über den Einlaßluftdruck P und die Maschinendrehzahl N festgelegt. Der Einlaßluftdruck ist aber auch bei denselben Maschinendrehzahlen nicht immer derselbe. Wenn z.B. ein Ventilspiel (das Spiel zwischen einem Einlaß- oder Auslaß­ ventilstößel und einem Kipphebel) mit der Zeit zunimmt, so wird die Ventilöffnungszeit kürzer. Daraus resultiert eine Verkürzung der Überlappungszeiten zwischen der Einlaß­ ventilöffnungszeit und der Auslaßventilöffnungszeit. Dem­ entsprechend wird die Menge von Abgas, das in den Einlaß aus einer Verbrennungskammer während der Überlappungszeit strömt, gering. Auf diese Weise wächst die Menge an Ein­ laßluft. Andererseits ändert sich der Druck der Einlaß­ luft nicht, damit aber auch nicht die eingespritzte Kraftstoffmenge. Demzufolge wird das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff groß, ein mageres Gemisch entsteht. Dasselbe Phänomen tritt beim Fahren in großer Höhe auf.

Die Änderung der Charakteristika bzw. Eigenschaften einer Anordnung wird über eine Aktualisierung eines Lernsteuerungs­ koeffizienten korrigiert. Aus der US-PS 44 45 481 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher der Lernsteuerungskoeffi­ zient allmählich bzw. schrittweise aktualisiert wird. Dem­ zufolge dauert es sehr lange, bis der gewünschte Koeffi­ zient eingestellt ist, was wiederum eine Verzögerung der korrekten Steuerung des Gemischverhältnisses bedeutet.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine schnelle Steuerung des Gemischverhältnisses auf einen gewünschten Verhältniswert erfolgt und damit das Fahrverhal­ ten des Kraftfahrzeuges verbessert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gemischverhältnis­ steuerungssystem für einen Kraftfahrzeugmotor vorgeschlagen, umfassend einen O₂-Fühler zum Abtasten der Sauerstoffkon­ zentration im Abgas und zum Abgeben eines Rückkopplungs­ signales, erste Mittel, die entsprechend dem Rückkopplungs­ signal ein Gemischverhältnis-Signal abgeben, zweite Mittel, zum Abgeben eines Abweichungssignales, welches das Gemisch­ verhältnis bzw. dessen Abweichung vom gewünschten Gemisch­ verhältnis abhängig vom Gemischverhältnis-Signal darstellt, eine erste Nachschlagetabelle, in welcher eine Vielzahl von Basiseinspritzpulsbreiten gespeichert ist, aus der eine Pulsbreite in Übereinstimmung mit Motorbetriebsbedin­ gungen abgeleitet wird, eine zweite Nachschlagetabelle, in welcher eine Vielzahl von Maximal-Korrekturgrößen gespei­ chert ist, zum Korrigieren einer abgeleiteten Basisein­ spritzpulsbreite, um die Abweichung des Gemischverhältnisses zu korrigieren, die aufgrund einer Veränderung einer Charak­ teristik oder Eigenschaft einer Anordnung auftritt, welche im Motor Verwendung findet, dritte Mittel, zum Abgeben ei­ ner notwendigen Korrekturgröße, durch Multiplikation ei­ nes Lernkoeffizienten und einer abgeleiteten Maximalkor­ rekturgröße, vierte Mittel zum Abgeben einer gewünschten Einspritzpulsbreite in Übereinstimmung mit der notwendigen Korrekturgröße und der abgeleiteten Basiseinspritzpuls­ breite, fünfte Mittel zum Aktualisieren des Lernkoeffi­ zienten mit einem Korrekturwert, wenn die Abweichung, wel­ che durch das Abweichungssignal dargestellt wird, außer­ halb eines zulässigen Bereiches liegt, wobei der Korrektur­ wert bei jedem Aktualisieren graduell bzw. abgestuft redu­ ziert wird.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevor­ zugter Ausführungsformen der Erfindung, die anhand von Ab­ bildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motors mit dem erfindungsgemäßen System;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems;

Fig. 3 eine Graphik zur Erläuterung der Ausgangsspan­ nungen eines O₂-Fühlers und der Ausgangsspan­ nung eines Proportional-Integralkreises (im fol­ genden PI-Kreis genannt);

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen Ausgangsspannung des PI-Krei­ ses, des Veränderungsbereiches der Maschinen­ drehzahl und des Luftdruckes;

Fig. 5 eine (dreidimensionale) Graphik zur Darstellung von Kennlinienfeldern für die Einspritzmenge;

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens; und

Fig. 7 eine Graphik zur Darstellung der Aktualisierungs­ schritte für den Lernkoeffizienten.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein Motor einen Zylinder 1, eine Brennkammer 2 und eine Zündkerze 4, die mit einem Ver­ teiler 3 verbunden ist. Am Verteiler 3 ist ein Drehzahl­ fühler 3 a angebracht. Ein Ansaugdurchlaß 5 kommuniziert mit der Brennkammer 2 über ein Einlaßventil 7, ein Auslaß­ kanal 6 kommuniziert mit der Brennkammer 2 über ein Aus­ laßventil 8. Im Einlaßkanal 5 des Motors ist unterhalb ei­ ner Drosselklappe 9 eine Drosselkammer 10 vorgesehen, die zur Absorption oder Dämpfung von pulsierenden Schwingungen in der Einlaßluft dient. In der Kammer 10 ist ein Druckfühler 11 vorgesehen, der den Druck der Einlaßluft in der Kammer 10 abtastet und ein Einlaßluftdrucksignal abgibt. Im Einlaß­ kanal 5 sind gegenüber den Einlaßventilen 7 jeweils Mehr­ fach-Kraftstoff-Einspritz-Anordnungen 12 vorgesehen, welche jedem Zylinder 1 des Motors Kraftstoff zuführen. Im Abgas­ kanal 6 sind ein O₂-Fühler 13 und ein Katalysator 14 vorge­ sehen. Der O₂-Fühler 13 ist zum Abtasten der Sauerstoff- Konzentration des Abgases im Abgaskanal 6 vorgesehen.

Die Ausgangssignale des Druckfühlers 11 und des O₂-Fühlers 13 werden einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 15 zuge­ führt, die von einem Mikrocomputer gebildet wird. Der Dreh­ zahlfühler 3 a gibt ein Drehzahlsignal ab, das ebenfalls der Steuereinheit 15 zugeführt wird. Die Steuereinheit 15 be­ stimmt die Menge an Kraftstoff, der von den Einspritzanord­ nungen 12 eingespritzt werden soll und gibt ein entsprechen­ des Signal an die Einspritzanordnungen 12.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt die elektronische Steuerein­ heit 15 eine Zentraleinheit (CPU) 16, die eine arithmeti­ sche Logikeinheit (ALU) 17, einen Festwertspeicher (ROM) 18 und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 19 umfaßt. Die ALU 17, das ROM 18 und das RAM 19 sind über Datenbus­ leitungen 21 verbunden. Ein A/D-Wandler 20 ist über einen Datenbus 21 a mit der ALU 17 verbunden. Der A/D-Wandler 20 bekommt von der ALU 17 ein Sample-Hold-Signal. Eingangssei­ tig werden dem A/D-Wandler 20 Analogspannungen aus dem Druckfühler 11 und dem O₂-Fühler 13 zugeführt, der diese Analogspannungen dann in digitale Signale wandelt. Einem Eingangs-Interface 22, das eine Wellenformschaltung auf­ weist, wird das Drehzahlsignal aus dem Drehzahlfühler 3 a zugeführt, so daß die Wellenform des Signales entsprechend den Notwendigkeiten der digitalen Verarbeitung geformt wird. Das Ausgangssignal des Interfaces 22 wird der ALU 17 zugeführt. Ein Treiber 23 gibt Pulssignale ab, über welche die Einspritzanordnungen 12 angesteuert werden.

Die Drehzahlsignale aus dem Eingangs-Interface 22 und das Einlaßluftdrucksignal aus dem A/D-Wandler 20 werden im RAM 19 über die ALU 17 gespeichert. Das Gemischverhältnissig­ nal aus dem A/D-Wandler 20 wird mit einem Bezugsspannungs­ signal entsprechend einem gewünschten Gemischverhältnis in der CPU 16 in regelmäßigen Intervallen verglichen. Wenn das Verhältnis des dem Motor zugeführten Gemisches fett im Ver­ gleich mit einem gewünschten Gemisch ist, so wird eine "1" im RAM 19 gespeichert. Wenn das Gemischverhältnis mager ist, wird eine "0" im RAM 19 gespeichert. Die Einspritzpuls­ breite T wird, basierend auf im RAM 19 gespeicherten Daten und auf Kennlinienfeldern 24 und 25 (Fig. 5) berechnet und im ROM 18 zum Steuern der Einspritzanordnungen 12 gespei­ chert, wie dies weiter unten beschrieben wird. Das Kennli­ nienfeld 24 ist für die Basiseinspritzpulsbreite TP zu­ ständig, wenn die Ventilanordnung normales Ventilspiel auf­ weist. Das Kennlinienfeld 25 speichert maximale Korrektur­ größen CLRN für das Ventilspiel. Jede Korrekturgröße CLRN stellt einen maximalen Grenzwert für eine Anreicherung des Gemisches dar. Die Daten TP und CLRN werden aus den Kennli­ nienfeldern 24, 25, abhängig vom Einlaßluftdruck P und der Maschinendrehzahl N abgeleitet.

In Fig. 5 sind die Kennlinienfelder 24 und 25 ausschließ­ lich zum Zwecke der besseren Erklärbarkeit übereinander ge­ zeichnet, jedoch sind beide Kennlinienfelder in unabhängi­ gen Abschnitten des ROM 18 gespeichert.

Die ALU 17 führt die Berechnungsvorgänge durch Auslesen von "1" und "0"-Daten aus, die im RAM 19 in regelmäßigen Abständen gespeichert sind, wie dies weiter unten beschrie­ ben wird.

Wie in Fig. 3 gezeigt, variiert das Gemischverhältnissignal aus dem O₂-Fühler 13 zyklisch um den Bezugswert zwischen fett und mager. Die ALU 17 gibt ein Rückkopplungskorrektur­ signal Fc ab. Wenn sich die Daten von "0" zu "1" ändern, so kippt das Signal Fc in negative Richtung (von α 1 nach α 2).

Danach wird der Wert des Signales Fc um einen vorbestimmten Betrag in gleichmäßigen Intervallen dekrementiert. Wenn die Daten sich von "1" nach "0" ändern, so kippt das Signal Fc in positive Richtung (von α 3 nach α 4) und wird um den vor­ bestimmten Betrag inkrementiert. Auf diese Weise erhält das Signal Fc eine Sägezahnform, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.

Die gewünschte Einspritzpulsbreite T wird bei dem System durch Addition einer notwendigen Korrekturgröße NC zur Ba­ siseinspritzpulsbreite Tp erhalten. Die Korrekturgröße NC wird durch Multiplikation der Korrekturgröße CLRN mit einem Lernkoeffizienten Kb erhalten. Insbesondere stellt hierbei der Lernkoeffizient Kb eine Rate zum Erzielen einer korrek­ ten Korrekturgröße NC aus der Korrekturgröße CLRN dar. Der Lernkoeffizient Kb ist z.B. 0,5 und wird Schritt für Schritt korrigiert, während der Lernvorgang andauert. Auf diese Weise ergibt die gewünschte Einspritzpulsbreite T sich zu

T = Tp + CLRN × Kb (0 ≦ Kb ≦ 1)

Die oben erwähnten Koeffizienten K, Ka und α wurden aus dieser Gleichung fortgelassen. Auf diese Weise wird die ge­ wünschte Einspritzpulsbreite im gesamten Bereich entsprechend dem Einlaßluftdruck P und der Maschinendrehzahl ausschließ­ lich unter Verwendung des einen Koeffizienten Kb erhalten.

Im folgenden wird unter Bezug auf Fig. 6 die Wirkungsweise des Systems detaillierter beschrieben.

Beim Starten der Maschine im Schritt Sl wird der Lernkoeffi­ zient Kb anfangs auf den Wert 0,5 gesetzt. Die gewünschte Einspritzpulsbreite T wird durch die obige Rechnung erhalten.

Wenn der Motor warm ist und der O₂-Fühler 13 aktiv bzw. funktionsfähig ist, so schreitet das Programm zu einem Schritt S 2 weiter und beginnt mit der Rückkopplungsregelung. Der Mittelwert α 8 des Rückkopplungskorrektursignales Fc des O₂-Fühlers 13 über eine Periode, welche vier Sprünge des Signales Fc umfaßt, wird als arithmetischer Mittelwert der Maximalwerte α 1, α 5 und Minimalwerte α 3 und α 7 er­ halten.

Im Schritt S 3 wird der Mittelwert α 8 mit einem gewünschten Gemischverhältnis α 0 verglichen, um einen Abweichungswert Δ α zu erhalten.

Die Motorbetriebsbedingung wird im Schritt S 4 abgetastet und zwar nach der Frage, ob sich der Motor im stetigen Zu­ stand befindet oder nicht. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird als stetiger Zustand der Fall definiert, in welchem sich der Einlaßluftdruck und die Motordrehzahl während einer Zeit­ periode Tr innerhalb des Bereiches Tr bzw. Nr befinden, wo­ bei diese Zeitperiode vier Sprünge des Signales Fc beträgt. Die Maximal- und Minimalwerte von Motordrehzahl N und Ein­ laßluftdruck P werden abgeleitet. Die Variationsbereiche Nr und Pr der Maschinendrehzahl N und des Einlaßluftdruckes P für die Zeitdauer Tr werden aus den Differenzen zwischen Maximal- und Minimalwerten dieser Größen erhalten.

Wenn derartige Variationsbereiche innerhalb vorbestimmter Bereiche liegen, so wird der Betriebszustand des Motors als stetiger Zustand definiert, woraufhin das Programm zum Schritt S 5 fortschreitet. Wenn die Bereiche außerhalb der vorbestimmten Bereiche liegen, so kehrt das Programm zum Schritt S 3 zurück.

Im Schritt S 5 wird abgefragt, ob die Abweichung Δ α inner­ halb eines vorbestimmten erlaubten Bereiches (α R ≦ Δ α ≦ α L) liegt oder außerhalb des Bereiches. Wenn die Abweichung Δ α außerhalb des Bereiches liegt, so schrei­ tet das Programm zum Schritt S 6 weiter. Im Schritt S 6 wird der Lernkoeffizient Kb wie weiter unten beschrieben aktuali­ siert.

Wenn die Abweichung innerhalb des Bereiches liegt, so kehrt das Programm zum Schritt S 3 zurück.

Wenn die Abweichung Δ α größer ist als der Wert des maximal mageren Gemisches α L (Δ a < α L), so wird bei einem er­ sten Lernvorgang der Lernkoeffizient Kb in einen ersten Lern­ koeffizienten Kbl mit einem Korrekturwert D=1/2² umge­ schrieben, wie folgt:

Kb 1 = Kb + (1/2²)

Wenn die Abweichung Δ α immer nocht größer ist, als der Mager- Wert α L beim zweiten Lernen, so wird ein zweiter Lernkoeffizient Kb 2 folgendermaßen abgeleitet:

Kb 2 = Kb 1 + (1/2³)

Wenn aber die Abweichung geringer ist als der Wert für fettes Gemisch α R (Δ α < α R), und zwar beim ersten Lernvorgang, so wird der erste Lernvorgang Kb 1  wie folgt hergeleitet:

Kb 1 = Kb-(1/2²)

Beim zweiten Lernvorgang wird, wenn die Abweichung Δ α immer noch geringer ist, als der Fett-Wert α R, ein zweiter Lernkoeffizient Kb 2 folgendermaßen hergeleitet:

Kb 2 = Kb 1-(1/2³)

Dementsprechend erhält man den Lernkoeffizienten Kn bei n-maligem Lernen durch die Gleichung:

Wenn der Korrekturwert (D) 1/2⁶ für den fünften Lernkoeffi­ zienten Kb5 wird, so wird dieser Korrekturwert (D) nach dem fünften Lernvorgang auf den Wert 1/2⁶ festgelegt.

Fig. 7 zeigt die oben beschriebenen Lernvorgänge.

Aus obiger Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende Er­ findung nicht nur eine Anordnung, sondern auch ein Verfah­ ren betrifft, das zum Aktualisieren von Lernvorgängen der­ art dient, daß die Abweichung des Koeffizienten schnell auf einen zulässigen Wert reduziert wird.

Claims (4)

1. Gemischverhältnissteuersystem für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch
einen O₂-Fühler (13) zum Abtasten der Sauerstoffkonzentration im Abgas und zum Abgeben eines Rückkopplungssignales;
erste Mittel (20), die auf das Rückkopplungssignal hin ein Gemischverhältnissignal abgeben;
zweite Mittel (16), die ein Abweichungssignal abgeben, wel­ ches die Abweichung des Gemischverhältnisses bzw. des ent­ sprechenden Signales von einem gewünschten Gemischverhältnis darstellt;
eine erste Tabelle (24) zum Speichern einer Vielzahl von Basiseinspritzpulsbreiten, aus denen eine Einspritzpuls­ breite in Übereinstimmung mit Motorbetriebsdaten abge­ leitet wird;
eine zweite Tabelle (25) zum Speichern einer Vielzahl von Korrekturgrößen (CLRN) zum Korrigieren der abgeleiteten Basispulsbreiten, um dadurch die Abweichung des Gemisch­ verhältnisses zu korrigieren, welche aufgrund von Verän­ derungen von Charakteristika einer Anordnung auftreten, welche in dem Motor Verwendung findet;
dritte Mittel (16) zur Erstellung einer notwendigen Kor­ rekturgröße durch Multiplikation eines Lernkoeffizienten mit einer abgeleiteten Maximalkorrekturgröße;
vierte Mittel zum Abgeben einer gewünschten Einspritzpuls­ breite in Übereinstimmung mit der notwendigen Korrektur­ größe und der abgeleiteten Basiseinspritzpulsbreite;
fünfte Mittel (S 6) zum Aktualisieren des Lernkoeffizienten mit einem Korrekturwert, wenn die durch das Abweichungs­ signal dargestellte Abweichung außerhalb eines zulässigen Bereiches liegt,
wobei der Korrekturwert bei jedem Aktualisierungsvorgang graduell reduziert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Motorbetriebsgrößen der Einlaßluftdruck und die Motordrehzahl dienen.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Anordnung das Ventilspiel ist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert bei jeder Aktualisierung auf 1/2 vermindert wird.