DE3800088A1 - Verfahren zur verbesserung des abgasverhaltens von ottomotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesse­ rung des Abgasverhaltens von Ottomotoren, wobei das Ausgangssignal einer im Abgaskanal des Ottomotors angeordneten Sauerstoffmeßsonde einem Regler zuge­ führt wird und die Ausgangsspannung des Reglers eine Stellgröße zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhält­ nisses bildet.

Mit der Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses bei Brennkraftmaschinen wird in erster Linie eine Verminderung schädlicher Anteile der Abgasemissionen von Brennkraftmaschinen angestrebt. Es ist dazu bei­ spielsweise ein Verfahren mit einer im Abgasstrom der Brennkraftmaschine angeordneten Sauerstoffmeß­ sonde bekannt, die eine Integriereinrichtung ansteu­ ert, wobei das Ausgangssignal der Abgasmeßsonde an einen Schwellwertschalter gelegt wird und diesen bei Erreichen des Schwellwertes umschaltet und wobei mit dem Umschalten des Schwellwertschalters die Integra­ tionsrichtung der Integriereinrichtung geändert wird. In Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebs­ parameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge der Brennkraft­ maschine, wird die Zeitkonstante der Integrierein­ richtung geändert. Die im Zusammenhang mit dem be­ kannten Verfahren vorgeschlagene Integriereinrich­ tung mit veränderbarer Zeitkonstante genügt jedoch nicht allen Anforderungen bezüglich einer genauen und anpassungsfähigen Regelung. Insbesondere folgt bei dem bekannten Verfahren die Stellgröße nicht genügend schnell plötzlichen Laständerungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Änderung der Betriebsbedin­ gungen die Stellgröße auf einen für die neuen Betriebsbedingungen typischen gespeicherten Wert gebracht wird.

Es ist zwar bereits ein Verfahren vorgeschlagen wor­ den, bei welchem der Regelung des Kraftstoff-Luft- Verhältnisses eine Steuerung nach einem gespeicher­ ten Kennfeld überlagert wird; dieses Verfahren benötigt jedoch einen erheblichen Speicheraufwand im elektronischen Steuergerät.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für verschiedene Kraftstoffeinspritzsysteme geeignet, wie beispiels­ weise kontinuierlich oder intermittierend einsprit­ zende Systeme mit zentraler oder zylinderweisen Einspritzung. Dementsprechend kann die vom Regler abgegebene Stellgröße die Einspritzdauer oder den Druck des Kraftstoffes im Einspritzsystem steuern.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in vorteil­ hafter Weise vorgesehen sein, daß eine Änderung der Betriebsbedingungen durch Auswertung mindestens einer der folgenden Größen erkannt wird: Stellung des Leerlaufkontakts, Stellung der Drosselklappe, Lastgradienten wie Luftmengen oder -massen, Saugrohr­ druckänderungsgeschwindigkeit, Drehzahländerungs­ geschwindigkeit.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mindestens ein für Leerlaufbetrieb vorge­ sehener gespeicherter Wert während im wesentlichen stationärer Betriebsbedingungen durch Mittelung der Extremwerte der Stellgröße gebildet und gespeichert wird. Hierdurch ist eine laufende Anpassung der gespeicherten Werte an veränderliche Parameter des Ottomotors, wie beispielsweise die Betriebstempera­ tur, möglich.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann jeweils ein gespeicherter Wert für Leerlaufbetrieb und Teillastbetrieb vorgesehen sein.

Es kann jedoch auch ein für Teillastbetrieb gespei­ cherter Wert einem gespeicherten Kennfeld in Abhän­ gigkeit von der Last und der Drehzahl entnommen werden.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines Kraftstoffeinspritz­ systems an einem Vier-Zylinder-Motor, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens geeignet ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Steuergerätes, welches in dem Kraftstoffeinspritzsystem nach Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 Zeitdiagramme der Ausgangsspannung der Abgas­ sonde und der Ausgangsspannung des Steuer­ gerätes und

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines für den Mikrocomputer des Steuergerätes vorgesehenen Programms.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Kraft­ stoffeinspritzsystem ist jedem Zylinder des Motors 13 ein Einspritzventil 21, 22, 23, 24 zugeordnet. Die Einspritzventile sind Teile eines Kraftstoff­ kreislaufes, der in an sich bekannter Weise aus einem Tank 1, einer elektrischen Kraftstoffpumpe 2, einem Kraftstoffilter 3 und einem Druckregler 8 be­ steht, von dem über eine Leitung 15 der überschüssi­ ge Kraftstoff in den Tank 1 zurück befördert wird.

Die Verbrennungsluft erhält der Motor 13 von einem nicht dargestellten Luftfilter über einen Luftmassen­ messer 6, eine Drosselklappe 5 und den Ansaugkanal 9. In einem Bypass zur Drosselklappe 5 befindet sich das Stellglied 4 eines Leerlaufreglers.

Im Abgaskanal 14 des Motors 13 ist eine Sauerstoff­ meßsonde 11 angeordnet, deren elektrisches Ausgangs­ signal in an sich bekannter Weise vom Sauerstoffan­ teil der Abgase abhängt. Die Temperatur des Motors 13 wird von einem Temperatursensor 10 gemessen. Fer­ ner sind am Motor 13 ein Drehzahlgeber 16, ein Kur­ belwellenpositionsgeber 19 und ein Zündsignalgeber 20 vorgesehen. Ein Temperatursensor 25 mißt die Abgastemperatur.

Die Drosselklappenstellung wird von einem Geber 7 zusätzlich zu den Signalen der bereits aufgeführten Sensoren dem Steuergerät 12 zugeführt, wobei außer­ dem von einem Schalter 18 ein die Leerlaufstellung kennzeichnendes Schaltsignal erzeugt wird. Steuerge­ räte zur elektronischen Regelung der Kraftstoffein­ spritzung sind an sich bekannt, so daß im Zusammen­ hang mit der vorliegenden Erfindung lediglich eine schematische Erläuterung eines solchen Steuergerätes anhand von Fig. 2 erfolgt.

Im Steuergerät 12 ist ein Mikrocomputer 31 vorgese­ hen, der nach einem festgelegten Programm die erfor­ derlichen Funktionen steuert. Die analogen Größen werden über einen Multiplexer 33 und einen Analog/ Digital-Wandler 32 zugeführt, während die impulsför­ migen Eingangsgrößen bzw. binären Signale über Schnittstellen 34 zum Mikrocomputer 31 gelangen. Aus­ gangsseitig ist der Mikrocomputer 31 mit Leistungs­ stufen 35 verbunden, dabei sind jeweils für ein Ein­ spritzventil eine Leistungsstufe sowie eine Lei­ stungsstufe zur Steuerung eines nicht dargestellten Relais für die Kraftstoffpumpe 2 (Fig. 1) und eine Leistungsstufe für den Leerlaufsteller 4 vorgesehen. Zur Speicherung von Daten auch bei abgeschaltetem Steuergerät ist ein nichtflüchtiger Speicher 36, bei­ spielsweise ein programmierbarer Nur-Lese-Speicher (PROM), mit dem Mikrocomputer verbunden.

Bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit kontinuierlicher Einspritzung erfolgt anstelle der Steuerung der Ein­ spritzdauer eine Steuerung des Systemdrucks, wozu der Druckregler 8 als Drucksteller ausgebildet ist und an eine Endstufe des Steuergerätes 12 angeschlos­ sen ist.

Den Eingängen des Multiplexers 33 werden analoge Sig­ nale vom Luftmassenmesser 6, vom Drosselklappenstel­ lungsgeber (Drosselklappenpotentiometer) 7, vom Kühl­ wasser-Temperatursensor 10, vom Abgastemperatursen­ sor 25, die Bordnetzspannung von der Batterie 17 und, gegebenenfalls über an sich bekannte Schaltun­ gen, die Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde 11 zugeführt. Die Eingänge der Schnittstellen 34 sind mit dem Drehzahlgeber 16, mit dem Kurbelwellenposi­ tionsgeber 19, mit dem Zündsignalgeber 20 und mit dem Drosselklappenschalter 18 verbunden.

Fig. 3 zeigt die Ausgangsspannung Ua der Sauerstoff­ meßsonde und die vom Steuergerät 12 ausgegebene Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Dabei sind in den Zeilen a) und b) die Ausgangsspannung Ua der Sauerstoffmeßsonde und die Stellgröße S für den Fall dargestellt, daß eine an sich bekannte Regelung durchgeführt wird. Die Zeilen c) und d) stellen die Ausgangsspannung Ua der Sauerstoffmeßsonde 2 und die Stellgröße S bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Die Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde nimmt einen geringen Wert von beispielsweise 0,2 V bei magerem und einen hohen Wert von beispielsweise 0,75 V bei fettem Gemisch ein. Durch die Zwei-Punkt- Regelung erfolgt im stationären Zustand ein perio­ discher Wechsel zwischen diesen Werten mit einer Frequenz, die unter anderem durch die Laufzeit des Gemisches und der Abgase im Ottomotor gegeben ist. Nach jeweils einem Sprung der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde erfolgt ein Sprung der in Zeile b) dargestellten Ausgangsspannung des Reglers, an den sich eine etwa zeitlineare Funktion anschließt.

Vom Zeitpunkt t 0 bis zum Zeitpunkt t 1 liegen statio­ näre Verhältnisse vor, d. h. die Drehzahl und die Luftmasse sind im wesentlichen konstant. Es sei nun angenommen, daß kurz nach dem Zeitpunkt t 1 Gas gege­ ben wird, worauf sich mageres Gemisch einstellt. Diejenige Stellgröße S, welche bei dem Betriebs­ zustand zwischen t 0 und t 1 Lambda = 1 ergibt, ist in Fig. 2b) gestrichelt angedeutet und mit S 10 bezeich­ net. Nach dem Gasgeben ist zur Erreichung eines Wer­ tes Lambda = 1 der ebenfalls gestrichelt angedeutete Wert S 11 erforderlich. Es dauert eine geraume Zeit bis die Ausgangsspannung des Reglers den Wert S 11 erreicht und schließlich auch soweit überschreitet, daß ein Umschlag der Ausgangsspannung der Sauerstoff­ meßsonde erfolgt. Etwa von t 1 bis t 2 arbeitet der Motor mit zu magerem Gemisch. Nach dem Zeitpunkt t 2 wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wieder geregelt. Entsprechendes gilt bei anderen Lastwechseln, bei­ spielsweise von Teillast auf Leerlauf. In diesem Fall läuft der Motor zu lange mit zu fettem Gemisch.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch einen Wechsel der Betriebsbedingungen ein Übergang der Stellgröße auf einen gespeicherten Wert vorgenommen. Dieses Ereignis kann beispielsweise der Übergang von Leerlauf auf Teillast sein und durch die Stellung des Leerlaufkontakts am Gaspedal erkannt werden. Der Übergang kann sehr schnell, also sprunghaft, oder in Form einer Rampe mit linearem, progressivem oder degressivem Verlauf erfolgen, was dem Fachmann im Einzelfall überlassen bleibt. Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 erfolgt bei t 3 ein Sprung auf eine Stellgröße S 12, woran sich eine Regelung in an sich bekannter Weise anschließt, welche nach einer Über­ gangszeit von wenigen Regelschwingungen um den Wert S 11 pendelt. Aus den Darstellungen gemäß Fig. 3c) und 3d) ist ersichtlich, daß nach einer Änderung der Betriebsbedingungen die Stellgröße S wesentlich schneller den neuen Betriebsbedingungen angepaßt ist als bei dem bekannten Verfahren.

Das Flußdiagramm gemäß Fig. 4 stellt im wesentlichen denjenigen Teil des Programms für den Mikrocomputer 31 dar, welcher zur Durchführung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens vorgesehen ist. Das zur Durchführung der an sich bekannten Regelung dienende Programm ist lediglich angedeutet, während der Übersichtlichkeit halber weitere im Mikrocomputer vorgesehene Program­ me für verschiedene Steuerungs- und Überwachungsauf­ gaben nicht dargestellt sind.

Bei 41 wird das Programm in Abhängigkeit davon ver­ zweigt, ob ein Ereignis eingetreten ist, das zu einer deutlichen Änderung der Betriebsbedingungen führt. Ist dieses nicht der Fall, so wird bei 42 die an sich bekannte Regelung durchgeführt. Danach wird bei 43 festgestellt, ob sich der Motor im Leerlauf­ betrieb befindet. Zutreffendenfalls wird bei 44 der Mittelwert aus den Extremwerten der Stellgröße gebil­ det. In diesem Ausführungsbeispiel wird als Stell­ größe der Strom IDS für einen Drucksteller des Ein­ spritzsystems angenommen. Dabei bedeutet IDSLL der Strom während des Leerlaufbetriebes. Ferner sind durch + und - der obere und der untere Extremwert gekennzeichnet.

Nach dem Programmteil 44 bzw. - wenn kein Leerlauf­ betrieb vorliegt - nach der Verzweigung 43 wird das Programm bei der Verzweigung 41 wiederholt, bis eines der vorerwähnten Ereignisse eingetreten ist. Danach wird bei einer Verzweigung 45 geprüft, ob der Leerlaufbetrieb vorliegt. Trifft dieses zu, so wird bei 46 der Strom IDS des Druckstellers auf IDSLL ge­ setzt und das Programm mit der Ausgabe dieses Wertes bei 47 fortgesetzt. Liegt kein Leerlauf vor, wird bei 48 das Programm in Abhängigkeit davon verzweigt, ob Vollastbetrieb vorliegt. Bei Teillastbetrieb wird der Strom IDS des Druckstellers auf IDSTL gesetzt. Dieser Wert wird einem Kennfeld entnommen, welches Werte IDSTL als Funktion der Last und der Drehzahl n enthält. Nach dem Programmteil 49 wird bei 47 der Wert IDS ausgegeben. Schließlich ist für Vollastbe­ trieb bei 50 eine an sich bekannte Vollastanreiche­ rung vorgesehen, wonach der sich daraus ergebende Wert für den Strom IDS bei 47 ausgegeben wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verbesserung des Abgasverhaltens von Ottomotoren, wobei das Ausgangssignal einer im Abgaskanal des Ottomotors angeordneten Sauerstoffmeß­ sonde einem Regler zugeführt wird und die Ausgangs­ spannung des Reglers eine Stellgröße zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses bildet, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Änderung der Betriebs­ bedingungen die Stellgröße auf einen für die neuen Betriebsbedingungen typischen gespeicherten Wert gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Änderung der Betriebsbedingungen durch Auswertung mindestens einer der folgenden Größen erkannt wird: Stellung des Leerlaufkontakts, Stel­ lung der Drosselklappe, Lastgradienten wie Luftmen­ gen oder -massen, Saugrohrdruckänderungsgeschwindig­ keit, Drehzahländerungsgeschwindigkeit.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein für Leer­ laufbetrieb vorgesehener gespeicherter Wert während im wesentlichen stationärer Betriebsbedingungen durch Mittelung der Extremwerte der Stellgröße gebil­ det und gespeichert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein gespei­ cherter Wert für Leerlaufbetrieb und Teillastbetrieb vorgesehen ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein für Teillastbetrieb gespeicherter Wert einem gespeicherten Kennfeld in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl entnommen wird.