DE3837719A1 - 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, wobei ferner auf einen Umschlag der Ausgangsspannung der Sauerstoffmeßsonde ein von der Richtung des Umschlags abhängiger Sprung und danach eine im wesentlichen zeitkontinuierliche Änderung einer Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis erfolgt.

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-Ver­ hältnisses 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.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

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 Verlauf der Stellgröße gemäß Fig. 3d) wird zum Zeitpunkt t 3 festgestellt, daß kein Sprung seit dem Zeitpunkt t 1 erfolgt ist. Daraufhin wird nach Ablauf einer kurzen Zeit Delta t der Stellgröße ein Sprung SP überlagert. Dieses führt dazu, daß die Stellgröße S 11, welche Lambda = 1 bei den geänderten Betriebsbedingungen entspricht, überschritten wird. Nach der durch die jeweilige Drehzahl und jeweilige Belastung bedingten Laufzeit erfolgt bei t 4 wiederum ein Umschlag der Sauerstoffmeßsonde.

Durch einen Vergleich der Diagramme c) und d) mit den Diagrammen a) und b) ist deutlich ersichtlich, daß diejenige Zeit, in welcher eine Fehlsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt, wesentlich ver­ kürzt ist. Dieses führt zu einer wesentlich verrin­ gerten NO _x -Emission, was in Zeile e) dargestellt ist. Dabei bedeutet die gestrichelte Linie den Ver­ lauf der NO _x -Emission bei dem bekannten Verfahren, während die durchgezogene Linie die NO _x -Emission bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jeweils nach einem Lastwechsel bedeutet.

Das in Fig. 4 dargestellte Flußdiagramm zeigt denje­ nigen Ausschnitt aus einem für den Mikrocomputer 31 (Fig. 2) vorgesehenen Programm, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient. Zunächst wird das Programm bei 41 in Abhängigkeit davon ver­ zweigt, ob die Sauerstoffmeßsonde zu fettes oder zu mageres Gemisch meldet. Bei fettem Gemisch wird bei 42 die Stellgröße 8 um Delta S verringert, um die im wesentlichen zeitkontinuierliche Änderung der Stell­ größe zu bewirken. Dabei wird vorausgesetzt, daß in einem vorangegangenen Programmabschnitt der direkt auf einen Umschlag der Ausgangsspannung der Sauer­ stoffmeßsonde folgende Sprung der Stellgröße bereits durchgeführt wurde. Nach dem Programmteil 42 ver­ zweigt sich das Programm bei 43 in Abhängigkeit davon, ob ein Zähler Z bereits den Zählerstand 0 erreicht hat. Ist dieses nicht der Fall, so wird bei 44 der Zähler um 1 dekrementiert und bei 45 die Stellgröße S ausgegeben.

Bei magerem Gemisch erfolgt nach der Verzweigung 41 eine Inkrementierung der Stellgröße um Delta S (Pro­ grammteil 46), worauf wiederum eine Verzweigung bei 47 in Abhängigkeit davon erfolgt, ob der Zähler Z den Zählerstand 0 erreicht hat. Ist dieses nicht der Fall, so wird bei 44 der Zähler um 1 dekrementiert und die Stellgröße bei 45 ausgegeben.

Ist jedoch Z = 0, so wird nach den Verzweigungen 43 bzw. 47 die Stellgröße um den Sprung SP bei 48 dekre­ mentiert bzw. bei 49 inkrementiert. Um erneut fest­ stellen zu können, ob innerhalb der vorgegebenen Zeit kein Sprung erfolgt, wird der Zähler Z im Pro­ grammteil S 0 auf einen vorgegebenen Wert X gesetzt und anschließend bei 45 der Größe S ausgegeben. Gemäß einer Weiterbildung wird X jeweils als eine Funktion der Drehzahl und der Last ermittelt, wozu die Funktion in einem Festwertspeicher in Form einer Tabelle abgelegt sein kann. Gemäß einer anderen Weiterbildung gilt dieses auch für die Größe des Sprungs SP.

Claims (3)

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, wobei fer­ ner auf einen Umschlag der Ausgangsspannung der Sau­ erstoffmeßsonde ein von der Richtung des Umschlags abhängiger Sprung und danach eine im wesentlichen zeitkontinuierliche Änderung einer Stellgröße für das Kraftstoff-Luft-Verhältnis erfolgt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Ausbleiben eines zu erwarten­ den Sprungs der Stellgröße ein weiterer Sprung über­ lagert wird, welcher die gleiche Richtung wie der vorangegangene Sprung der Stellgröße aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Größe des weiteren Sprungs von Betriebs­ parametern des Ottomotors (Last, Drehzahl) abhängig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß nach jeweils einem Sprung geprüft wird, ob der folgende Sprung innerhalb einer vorgegebenen Zeit stattfindet, wobei die vorgegebene Zeit der Laufzeit des Kraftstoff-Luftgemisches bzw. der Abgase zwischen der Einspritzung und der Sauerstoff­ meßsonde als Funktion der Drehzahl und Last zuzüg­ lich eines Toleranzwertes entspricht.