DE3841684C1 - Method for optimising the control of the fuel-air ratio in an internal combustion engine - Google Patents
Method for optimising the control of the fuel-air ratio in an internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for optimizing the Air-fuel ratio of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Aus der DE-OS 33 36 894 ist ein Verfahren zur Luft-Kraft stoff-Gemischbildung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die in ihrem Abgasweg eine Abgasmeßsonde aufweist. Die den einzelnen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zugeord neten Werte für die entsprechend zuzuführende Kraftstoff menge sind in einem Kennfeld abgespeichert. Ausgehend von diesen Kennfeldwerten wird die der Brennkraftmaschine zu zuführende Kraftstoffmenge mit einer zeitlich veränderli chen Störgröße moduliert. Mit Hilfe dieses Verfahrens sol len Fehler bei der Zumessung der Kraftstoffmenge bei schnellen Laständerungen, das heißt also im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine, vermieden werden, jedoch sollen gleichzeitig auch langsame Veränderungen der Be triebsbedingungen der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Zu diesem Zweck wird den aus dem Kennfeld ausgele senen Werten eine Störung hoher Frequenz und kleiner Ampli tude überlagert, wobei die Amplitude jedoch mindestens so groß gewählt sein muß, daß ein Schaltvorgang der Abgasmeß sonde erfolgt.DE-OS 33 36 894 describes a method for air force Known substance mixture formation for an internal combustion engine, which has an exhaust gas measuring probe in its exhaust gas path. The the assigned individual operating points of the internal combustion engine values for the fuel to be supplied accordingly quantities are stored in a map. Starting from These map values become those of the internal combustion engine amount of fuel supplied with a time-varying Chen disturbance modulated. With the help of this procedure len error in metering the amount of fuel rapid load changes, that is to say in the transient Operation of the engine can be avoided, however slow changes in loading should driving conditions of the internal combustion engine taken into account will. For this purpose, the map is read out a high frequency and low ampli tude superimposed, but the amplitude at least so must be chosen large that a switching operation of the exhaust gas measurement probe takes place.
Auch aus der DE-PS 26 58 617 ist ein Regelsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem das den Restsauerstoff gehalt im Abgas einer Brennkraftmaschine anzeigende Signal einer Abgasmeßsonde in bekannter Weise einer Komparator schaltung und einer darauffolgenden Proportional-Inte gral-( PI)-Regeleinrichtung zugeführt wird. Kurz bevor das von der Regeleinrichtung herrührende Sprung-Rampe-Signal einer Kraftstoff/Luft-Zumeßeinrichtung zugeführt wird, wird auf dieses Steuersignal ein periodisches Wechselsi gnal aufaddiert, dessen Amplitude etwa der des Steuersi gnals entspricht, dessen Frequenz jedoch höher ist als jene, mit der die Abgaszusammensetzung pulsiert, d.h. hö her als die sich normalerweise einstellende Regelfrequenz. Auf diese Weise schwankt das Steuersignal - und als Folge davon auch das Kraftstoff/Luft-Verhältnis - innerhalb ei ner Periode der Regelschwingung mehrmals über und unter den Vergleichspegel des Komparators, d.h. über und unter den idealstöchiometrischen Wert. Dies bewirkt, daß Abwei chungen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses vom idealstö chiometrischen Wert schnell ausgeregelt werden können.From DE-PS 26 58 617 is a control system for one Internal combustion engine known, in which the residual oxygen content signal in the exhaust gas of an internal combustion engine an exhaust gas measuring probe in a known manner a comparator circuit and a subsequent proportional inte Grail (PI) control device is supplied. Just before that jump ramp signal originating from the control device is fed to a fuel / air metering device, is a periodic change to this control signal gnal added, whose amplitude approximately that of the Steueri gnals, but whose frequency is higher than that with which the exhaust gas composition pulsates, i.e. high than the control frequency that is normally set. In this way the control signal fluctuates - and as a result of which also the fuel / air ratio - within an egg ner period of the control oscillation several times over and under the comparison level of the comparator, i.e. over and under the ideal stoichiometric value. This causes deviation the air / fuel ratio of the ideal noise chiometric value can be adjusted quickly.
Ein Nachteil dieser beiden genannten Regelungen besteht darin, daß zum Erreichen einer schnellen Ausregelung die Frequenz der aufaddierten Wechselschwingung in jedem Fall höher gewählt werden muß, als die der sich normalerweise einstellenden Regelfrequenz, die hauptsächlich durch die Geometrie des Systems, d.h. durch Laufzeiten im System, bestimmt wird. Außerdem muß die Amplitude der Wechsel schwingung im Bereich der Steuersignalamplitude liegen, das heißt die Amplitude dieser Wechselschwingung ist im wesentlichen gleich oder kleiner als die Regelamplitude. Das sich bei einer derartigen Regelung im eingeschwungenen Zustand einstellende Kraftstoff/Luft-Gemisch ist zwar glei che Zeit lang fett und gleiche Zeit lang mager, also im zeitlichen Mittel stöchiometrisch, nicht jedoch im räumli chen Mittel, da die Abgasmeßsonde die Zusammensetzung der Rohemission erfaßt und somit statistische Schwankungen, die durch (z.B. ständig "fette") Einzelzylinder bestimmt sind, dominieren. Die Abhängigkeit der Frequenz der auf addierten Wechselschwingung von der Motordrehzahl berück sichtigt dabei Motorbedürfnisse, nicht jedoch Katalysator anforderungen, wie z.B. die Alterung.A disadvantage of these two regulations mentioned in that to achieve a fast adjustment the Frequency of the added alternating vibration in any case must be chosen higher than that normally adjusting control frequency, mainly by the System geometry, i.e. through running times in the system, is determined. In addition, the amplitude of the change vibration are in the range of the control signal amplitude, that is, the amplitude of this alternating oscillation is in substantially equal to or less than the control amplitude. That is settled in such a regulation The state-setting fuel / air mixture is the same fat for a long time and lean for the same time, i.e. in temporal mean stoichiometric, but not in spatial Chen means, since the exhaust gas probe the composition of the Raw emissions recorded and thus statistical fluctuations, which are determined by (e.g. constantly "fat") single cylinders are dominate. The dependence of the frequency on added alternating vibration from the engine speed takes into account engine requirements, but not catalytic converter requirements such as the aging.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelverfahren zur Op timierung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses einer Brenn kraftmaschine derart auszugestalten, daß unter Beibehal tung einer herkömmlichen λ-Regelung mit ihren Vorteilen der Integralreglercharakteristik eine direkte Beeinflus sung der Regelfrequenz nicht nur im Hinblick auf die Motor bedürfnisse, sondern auch auf Katalysatorbedürfnisse mög lich ist. The object of the invention is to provide a control method for optimizing the fuel / air ratio of an internal combustion engine in such a way that, while maintaining a conventional λ control with its advantages of the integral controller characteristic, a direct influencing of the control frequency not only with regard to the engine needs, but also on catalyst needs is possible.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge löst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.The task is inventively characterized in ning part of claim 1 mentioned features ge solves. Further advantages and configurations come from the Subclaims and the description.
Zur Vermeidung der oben genannten Nachteile wird auf die der Kraftstoffzumeßeinrichtung zugeführte Größe, die die benötigte Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine zuteilt, eine über die Regelung dominierende periodische Wechsel schwingung wählbarer Amplitude und Frequenz aufgeprägt. Die Amplitude der aufgeprägten Schwingung ist also größer als die Amplitude der Regelschwingung ohne Aufprägung. Der herkömmlichen PI-Regelung mit dem aus einem Vergleich des Signals der Abgasmeßsonde mit einem vorgegebenen Schwell wert gewonnenen Eingangssignal und der Sprung-Rampe-Funk tion als Ausgangssignal bleibt es überlassen, insbesondere im eingeschwungenen Zustand mit ihrer Integralreglercha rakteristik, d.h. also ohne bleibende Regelabweichung, einen Mittelwert von λ=1 einzustellen. Die sich bei einer herkömmlichen Regelung einstellende Regelfrequenz ist ab hängig von der Systemgeometrie, wohingegen die Regelfre quenz beim erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Fre quenzvorgabe der aufgeprägten, vor der Regelung dominie renden, Schwingung durch erzwungene Signaldurchgänge durch den Schwellwert eingestellt werden kann. Im Gegensatz zur herkömmlichen Lambda-Regelung, die eine Vorzeichenregelung ist, aber keine quantitativen Aussagen über das Kraft stoff/ Luft-Verhältnis macht, kann aus dem nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren gewonnenen Tastverhältnis von fetten zu mageren Zeiten d.h. von Zeiten, in denen das Schwingungssignal oberhalb bzw. unterhalb des Schwellwerts liegt, das Kraftstoff/ Luft-Verhältnis ermittelt werden, da dieses proportional zum Tastverhältnis ist.In order to avoid the above-mentioned disadvantages, a variable periodic alternating oscillation of selectable amplitude and frequency is impressed on the quantity supplied to the fuel metering device, which allocates the required amount of fuel to the internal combustion engine. The amplitude of the impressed vibration is therefore greater than the amplitude of the control vibration without an impression. The conventional PI control with the input signal obtained from a comparison of the signal of the exhaust gas measuring probe with a predetermined threshold value and the step-ramp function as the output signal is left to it, in particular in the steady state with its integral controller characteristic, that is to say without a permanent control deviation, set an average of λ = 1. The regulating frequency which arises in a conventional regulation is dependent on the system geometry, whereas the regulating frequency in the method according to the invention can be set by means of a frequency specification of the impressed, dominating before the regulation, oscillation by forced signal passes through the threshold value. In contrast to the conventional lambda control, which is a sign control, but does not make any quantitative statements about the fuel / air ratio, the duty cycle obtained by the method according to the invention can change from rich to lean times, ie from times in which the vibration signal If the fuel / air ratio is determined above or below the threshold value, since this is proportional to the duty cycle.
Insbesondere kann die Regelung über eine Beeinflussung der Frequenz und der Amplitude der aufgeprägten Schwingung an unterschiedliche Last- und Drehzahlzustände der Brennkraft maschine angepaßt werden. Des weiteren kann die Regelfre quenz erhöht werden, um die Regelung an die sich mit stei gender Betriebsdauer des Katalysators vermindernde Konver tierungsrate anzupassen.In particular, the regulation can be influenced by Frequency and the amplitude of the impressed vibration different load and speed states of the internal combustion engine machine can be adjusted. Furthermore, the Regelfre quenz be increased to the regulation to which stei converter operating time reducing converter adjustment rate.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an hand der Zeichnung beschrieben.An embodiment of the invention is below hand described in the drawing.
Die einzige Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Regelung. Der herkömmliche Regelkreis zur Lambda-Regelung besteht aus einem PI-(Proportional-Integral-)Regler 1, dessen Stellgröße auf eine Kraftstoff/ Luft-Zumeßeinrich tung 2 einwirkt. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch gelangt von dieser Zumeßeinrichtung 2 zu einer Brennkraftmaschine 3, die das durch Leitungen usw. bedingte Verhalten eines Tot zeitgliedes aufweist. Die Abgase der Brennkraftmaschine 3 werden zu einem Katalysatorvolumen 4 geführt, das inner halb des Regelkreises liegt. Dieses Katalysatorvolumen 4 kann von einem Vorkatalysator gebildet werden, auf den eine Abgasmeßsonde 5 und ein zweiter Katalysator 6 folgen oder aus einem einzigen Katalysator, in welchem an geeigneter Stelle eine Abgasmeßsonde 5 eingesetzt ist. Die Tatsache, daß die Abgasmeßsonde 5 nicht im Bereich der Abgasrohemission liegt, sondern stromab eines bestimmten Katalysatorvolumens, bewirkt, daß die durch Einzelzylinder hervorgerufenen statistischen Schwankungen in der Abgas zusammensetzung keinen besonders großen Einfluß auf die Messung mehr ausüben können. Das Signal der, z.B. als Sau erstoffsonde ausgebildeten, Abgasmeßsonde 5, die auf den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit der ihr eigenen Charak teristik anspricht, gelangt zu einem Komparator 7, mit dessen Hilfe dieses Zweipegelsignal mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird und die Abweichung vom den idealstöchiometrischen Wert darstellenden Schwellwert er kannt wird. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird als Ein gangsgröße einer Regeleinrichtung zugeführt. Diese Regel einrichtung ist, wie eingangs beschrieben, als PI-Regler 1 ausgebildet, wobei der P-Anteil des Reglers 1 für eine rasche Einstellung der Stellgröße sorgt, während der das Totzeitverhalten der Regelstrecke berücksichtigende I-An teil in bekannter Weise eine bleibende Regelabweichung verhindert. Das Ausgangssignal des Reglers 1, das bei der herkömmlichen λ-Regelung mit PI-Regler eine Sprung-Rampe- Form aufweist, wird anschließend als Korrekturwert auf die Kraftstoff/Luft-Zumeßeinrichtung 2 gegeben.The single figure shows schematically a control according to the invention. The conventional control loop for lambda control consists of a PI (proportional-integral) controller 1 , the manipulated variable of which acts on a fuel / air metering device 2 . The fuel / air mixture passes from this metering device 2 to an internal combustion engine 3 which has the behavior of a dead time element caused by lines, etc. The exhaust gases of the internal combustion engine 3 are led to a catalyst volume 4 which lies within half of the control loop. This catalyst volume 4 can be formed by a pre-catalyst followed by an exhaust gas measuring probe 5 and a second catalytic converter 6 or by a single catalytic converter in which an exhaust gas measuring probe 5 is used at a suitable point. The fact that the exhaust gas measuring probe 5 is not in the region of the raw exhaust gas emission, but downstream of a certain catalyst volume, has the effect that the statistical fluctuations in the exhaust gas composition caused by single cylinders can no longer exert a particularly great influence on the measurement. The signal of, for example, as an oxygen probe designed exhaust gas measuring probe 5 , which responds to the residual oxygen content in the exhaust gas with its own characteristic, passes to a comparator 7 , with the aid of which this two-level signal is compared with a predetermined threshold value and the deviation from the ideal stoichiometric Value representing threshold he is known. The result of this comparison is fed to a control device as an input variable. This control device is, as described at the beginning, designed as a PI controller 1 , the P component of the controller 1 ensuring a rapid setting of the manipulated variable, while the I-component, which takes into account the dead time behavior of the controlled system, prevents a permanent control deviation in a known manner . The output signal of the controller 1 , which has a jump ramp shape in the conventional λ control with PI controller, is then given to the fuel / air metering device 2 as a correction value.
Auf die der Zumeßeinrichtung 2 zugeführte und damit die der Brennkraftmaschine 3 zuzuteilende Kraftstoffmenge be stimmende Größe z wird eine mittels eines Schwingungsgene rators 8 erzeugte periodische Schwingung aufgeprägt, die über ein Steuergerät 9 in ihrer Frequenz und ihrer Ampli tude veränderbar ist. Diese Schwingung dominiert über die herkömmliche T-Regelung. Die Amplitude der aufgeprägten Schwingung ist dabei größer gewählt als die Amplitude der Regelschwingung. Durch die am Steuergerät 9 einstellbare Frequenz der aufgeprägten Schwingung, sowie durch die ebenfalls am Steuergerät 9 einstellbare Amplitude, werden die Durchgänge des aufgeprägten Schwingungssignals durch den vorgegebenen Schwellwert erzwungen. Auf diese Weise kann durch die Möglichkeit der Frequenzbeeinflussung die Regelfrequenz in bestimmten Grenzen willkürlich und unab hängig von der Geometrie des Gesamtsystems, also unabhän gig von Laufzeiten des Abgases im System, verändert wer den. Durch die zusätzlich noch vorhandene konventionelle Lambda-Regelung mit ihrer schon vorher beschriebenen In tegralreglercharakteristik ist außerdem, insbesondere im eingeschwungenen Zustand, eine Regelung ohne bleibende Regelabweichung gewährleistet. Die Einstellung von Fre quenz und Amplitude der aufgeprägten Schwingung erfolgt zur Anpassung an die verschiedenen Betriebszustände der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Last und Drehzahl. Die Frequenz könnte dabei z.B. mit zunehmendem Luftdurch satz durch die Brennkraftmaschine erhöht werden.On the metering device 2 supplied and thus the amount of fuel to be allocated to the internal combustion engine 3 be a suitable size z , a periodic vibration generated by means of a vibration generator 8 is impressed, the frequency and amplitude of which can be changed via a control unit 9 . This vibration dominates over the conventional T control. The amplitude of the impressed vibration is chosen to be larger than the amplitude of the control vibration. The adjustable at the control unit 9 of the impressed frequency oscillation, and by the likewise adjustable on the control unit 9 amplitude, the passages of the impressed oscillation signal are forced by the predetermined threshold value. In this way, the frequency can influence the control frequency within certain limits arbitrarily and independently of the geometry of the overall system, i.e. regardless of the runtime of the exhaust gas in the system, who the. Due to the additionally existing conventional lambda control with its previously described integral controller characteristic, control without permanent control deviation is also guaranteed, especially in the steady state. The frequency and amplitude of the impressed vibration are adjusted to adapt to the various operating states of the internal combustion engine as a function of load and speed. The frequency could be increased, for example, with increasing air flow through the internal combustion engine.
Eine weitere Beeinflussungsmöglichkeit besteht darin, die Frequenz der aufgeprägten Schwingung mit steigender Lauf strecke des Katalysators zu erhöhen, um die mit der Lauf strecke des Katalysators geringer werdende Konvertierungs rate, d.h. die höheren Abgasemissionen, durch eine Regelfrequenzsteigerung wieder auszugleichen. Als Maß für die Laufstrecke können dabei Signale eines Wegstrecken aufnehmers an einem Fahrzeug oder eines Betriebsstundenzäh lers verwendet werden.Another possibility to influence this is that Frequency of the impressed vibration with increasing run stretch the catalyst to increase that with the barrel stretch the catalytic converter conversion rate, i.e. the higher exhaust emissions, by one Compensate control frequency increase again. As a measure of the route can be signals of a route sensor on a vehicle or an hourly operating hours be used.
Als Signalform für die aufgeprägte Schwingung wird vor teilhafterweise eine Sinusschwingung gewählt, da diese Form durch die im Regelkreis vorkommenden Übertragungs glieder am wenigsten verfälscht wird. Es ergibt sich hier bei höchstens eine zeitliche Verschiebung aufgrund des Totzeitverhaltens und eine Amplitudendämpfung wegen der Tiefpaßcharakteristik des als Verzögerungsglied wirkenden Katalysatorvolumens. Andererseits spricht der höhere Auf wand zur Schwingungserzeugung gegen die Sinusschwingung, so daß unter Inkaufnahme von Verzerrungen auch eine Drei eckschwingung in Betracht gezogen werden kann.As a signal form for the imprinted vibration partially chosen a sine wave, because this Form through the transmission occurring in the control loop least adulterated. It results here at most a time shift due to the Dead time behavior and amplitude damping because of Low-pass characteristic of the acting as a delay element Catalyst volume. On the other hand, the higher up speaks wall for generating vibrations against the sine wave, so that, at the expense of distortion, a three corner vibration can be considered.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der kontinuierliche Regler durch einen digitalen Regler er setzt werden, der auf der Basis des Auszählens der Fett/ Mager-Zeiten des Kraftstoff/Luft-Gemischs arbeitet. Der artige digitale Regler lassen sich außerdem sehr leicht implementieren.In a further embodiment of the invention, the continuous controller through a digital controller based on the count of fat / Lean times of the fuel / air mixture works. The Like digital controllers are also very easy to implement.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
|
| 8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |