DE3838120C2 - 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.

Es wurde zwar bereits ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem nach einer Änderung der Betriebsbedingungen die Stellgröße auf einen für die neuen Betriebsbedin­ gungen typischen gespeicherten Wert gebracht wird (Patentanmeldung P 38 00 088.1 der Anmelderin).

Aus der DE 37 13 533 A1 ist weiterhin eine Regelung eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei bei einem Übergang zwischen zwei Betriebszuständen und der damit verbundenen sprunghaften Änderung des notwendigen Mischungsverhältnisses AFd, die Führungsgröße Mdc für den Regler zunächst für einen Zeitabschnitt T konstant gehalten wird. Danach wird die Führungsgröße Afdc in Richtung auf eine Erhöhung des Kraftstoff-Luft-Verhält­ nisses verändert. Die Regelung dieses Verhältnisses wird dabei nicht unterbrochen (vgl. Fig. 4, Schritte 110 bis 115 der DE 37 13 533 A1).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, gegenüber den bekannten und dem vorgeschlagenem Verfahren eine weitere Verbesserung des Abgasverhaltens von Otto­ motoren zu erreichen. Insbesondere sollen Emissions­ spitzen, die sich beim Übergang von Leerlauf in Teil­ last ergeben und vom jeweiligen Ausgangssignal der Lambdasonde abhängen, vermindert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach einem Übergang von Leerlauf auf Teillast die Stellgröße auf einem vorgegebenen Wert für einen ersten vorgegebenen Zeitabschnitt konstant gehalten wird, daß danach die Stellgröße unabhängig vom Ausgangssignal der Sauerstoffmeßsonde für einen zweiten vorgegebenen Zeitabschnitt in Richtung auf eine Erhöhung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses verändert wird und daß danach die Regelung wieder einsetzt.

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 Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbes­ serungen 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 Flußdiagramme von für den Mikrocomputer des Steuergerätes vorgesehenen Programmen.

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 t0 bis zum Zeitpunkt t1 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 t1 Gas gege­ ben wird, worauf sich mageres Gemisch einstellt. Diejenige Stellgröße S, welche bei dem Betriebs­ zustand zwischen t0 und t1 Lambda = 1 ergibt, ist in Fig. 2b) gestrichelt angedeutet und mit S10 bezeich­ net. Nach dem Gasgeben ist zur Erreichung eines Wer­ tes Lambda = 1 der ebenfalls gestrichelt angedeutete Wert S11 erforderlich. Es dauert eine geraume Zeit bis die Ausgangsspannung des Reglers den Wert S11 erreicht und schließlich auch soweit überschreitet, daß ein Umschlag der Ausgangsspannung der Sauerstoff­ meßsonde erfolgt. Etwa von t1 bis t2 arbeitet der Motor mit zu magerem Gemisch. Nach dem Zeitpunkt t2 wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis wieder geregelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach einem Übergang von Leerlauf auf Teillast die vom Regler er­ zeugte Stellgröße durch eine vorgegebene Stellgröße S12 ersetzt, die während eines ersten Zeitabschnitts von t1 bis t3 dem Stellglied zugeführt wird. Während eines zweiten Zeitabschnitts von t3 bis t4 steigt die Stellgröße S an, bis am Ende des zweiten Zeit­ abschnitts bei t4 wieder auf eine Regelung zurückge­ schaltet wird. Wie aus den Diagrammen c) und d) er­ sichtlich ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren gegenüber den bekannten Verfahren die Emissions­ zeit wesentlich verkürzt.

Fig. 4 zeigt Flußdiagramme zweier Programme, welche von dem Mikrocomputer 31 (Fig. 2) neben anderen Pro­ grammen regelmäßig durchlaufen werden. Das in Fig. 4a) dargestellte Programm dient zur Vorgabe des ersten und des zweiten Zeitabschnitts. Dazu wird bei 41 das Programm in Abhängigkeit davon verzweigt, ob ein Übergang von Leerlauf auf Teillast vorliegt. Ist dieses nicht der Fall, so wird das in Fig. 4a) darge­ stellte Programm umgangen. Liegt jedoch ein Übergang vor, so wird bei 42 geprüft, ob der Mittelwert bei Teillast (MWTL) kleiner als derjenige Wert S0 ist, bei welchem Lambda = 1 ist. S0 wird bei jedem herge­ stellten Fahrzeug durch eine Einstellung von S auf Lambda = 1 während des Leerlaufs ermittelt und dauer­ haft gespeichert. Bei MWTL < S0 wird bei 43 ein erster Zähler auf den Wert T1 und bei 44 ein zweiter Zähler auf den Wert T2 gesetzt, womit die Vorgabe des ersten und des zweiten Zeitabschnitts erfolgt ist.

Wenn MWTL nicht kleiner als S0 ist, folgt eine weite­ re Verzweigung 45 in Abhängigkeit davon, ob MWTL größer als S0 ist. Ist dieses der Fall, werden bei 46 und 47 der erste und der zweite Zähler auf die Werte T3 und T4 gesetzt.

Ist MWTL = S0, so werden bei 48 und 49 der erste und der zweite Zähler auf die Werte T5 und T6 gesetzt. Nach dem Setzen der Zähler wird bei 50 ein Flag E auf 1 gesetzt. Damit wird für weitere Programm­ abschnitte gespeichert, daß ein Übergang von Leer­ lauf auf Teillast stattgefunden hat. Dieses wird in dem in Fig. 4b) dargestellten Programm zu einer Ver­ zweigung 51 verwendet. Ist E = 0, so erfolgt die übliche Lambdaregelung im Programmteil 52. Ist jedoch E = 1, wird das Programm mit einer Verzwei­ gung 51 fortgesetzt und in Abhängigkeit davon ver­ zweigt, ob der erste Zähler den Wert 0 enthält.

Beim erstmaligen Durchlaufen des in Fig. 4b) darge­ stellten Programms nach einem Übergang von Leerlauf auf Teillast ist der Inhalt des ersten Zählers un­ gleich 0, so daß das Programm damit fortgesetzt wird, daß die Stellgröße S = S12 gesetzt wird. S12 kann dem Mittelwert der vorangegangenen Extremwerte der Stellgröße S entsprechen. Eine andere Wahl kann jedoch je nach Erfordernissen des Einzelfalls vorge­ nommen werden, ohne die Lehre der Erfindung zu ver­ lassen. Auch eine Abhängigkeit der Größe S12 von den Betriebsparametern des Ottomotors ist möglich. Da­ nach wird der erste Zähler bei 55 dekrementiert.

Solange kein weiterer Übergang von Leerlauf auf Teil­ last erfolgt, wird bei jedem Programmdurchlauf der erste Zähler dekrementiert bis er 0 erreicht. Wäh­ rend dieser Zeit ist S = S12 = konstant. Dadurch wird eine Übersattigung des Ottomotors vermieden. Danach wird bei 53 das Programm nach 56 verzweigt, wo eine weitere Verzweigung in Abhängigkeit davon erfolgt, ob der zweite Zähler auf 0 steht. Da dieser nach dem Auftreten des Übergangs noch nicht dekremen­ tiert wurde, ist der Zählerstand zunächst nicht 0, so daß bei 57 der Verlauf der Stellgröße innerhalb des zweiten Zeitabschnitts (t3 bis t4, Fig. 3) ermit­ telt wird. Bei dem angenommenen Beispiel erfolgt ein zeitlineares Ansteigen, was durch die Gleichung S = S12 + DeltaS dargestellt ist. Dabei ist DeltaS ein Inkrement der Stellgröße, welches bei jedem Pro­ grammdurchlauf hinzugefügt wird. Bei 58 wird dann der zweite Zähler dekrementiert.

Die Programmteile 57 und 58 werden dann solange durchlaufen, bis der zweite Zähler den Zählerstand 0 erreicht. Danach wird bei 59 das Flag E = 0 gesetzt, so daß beim erneuten Aufruf des in Fig. 4b) darge­ stellten Programms nach der Verzweigung 51 die übli­ che Lambdaregelung 52 wieder durchgeführt wird, sofern nicht bereits im Programmteil 41 (Fig. 4a)) ein erneuter Übergang von Leerlauf auf Teillast fest­ gestellt wurde.

Die durch Setzen des ersten Zählers auf T1, T3 oder T5 vorgegebenen Werte entsprechen dem ersten Zeit­ abschnitt von t1 bis t3, der beispielsweise 1 s beträgt. Die Werte T2, T4 und T6 bestimmen den zwei­ ten Zeitabschnitt von t3 bis t4 von beispielsweise 2 s. Mit zunehmendem MWTL werden auch die Zeitab­ schnitte größer. Es gilt deshalb T1 < T5 < T3 und T2 < T6 < T4.

Claims (6)

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 ge­ kennzeichnet, daß nach einem Übergang von Leerlauf auf Teillast die Stellgröße auf einem vorgegebenen Wert für einen ersten vorgegebenen Zeitabschnitt kon­ stant gehalten wird, daß danach die Stellgröße unab­ hängig vom Ausgangssignal der Sauerstoffmeßsonde für einen zweiten vorgegebenen Zeitabschnitt in Richtung auf eine Erhöhung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses verändert wird und daß danach die Regelung wieder einsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der vorgegebene Wert dem Mittelwert der vor­ angegangenen Extremwerte der Stellgröße entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der vorgegebene Wert von den jeweiligen Betriebsparametern (Last, Drehzahl) des Ottomotors abhängig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der vorgegebene Wert vom Mittelwert der vor­ angegangenen Extremwerte der Stellgröße und einem Korrekturwert gebildet wird, wobei der Korrekturwert von Betriebsparametern (Last, Drehzahl) des Ottomo­ tors abhängig ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der vorgegebenen Zeitabschnitte von Betriebsparame­ tern (Last, Drehzahl) des Ottomotors abhängig ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungs­ geschwindigkeit der Stellgröße innerhalb des zweiten vorgegebenen Zeitabschnitts von Betriebsparametern (Last, Drehzahl) des Ottomotors abhängig ist.