DE4112013A1 - Verfahren und vorrichtung zur kraftstoffzumessung bei einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen der hier ange­ sprochenen Art bekannt, bei denen mittels einer Lambda-Sonde der Sauerstoffgehalt der Abgase der Brennkraftmaschine erfaßt und geregelt wird. Die Stellgröße des Reglers wird auf eine sogenannte Vorsteuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei Vollast aufgeschaltet. Die Vorsteuerung unterstützt den Lambda-Regler dynamisch, weil seine Regelge­ schwindigkeit durch Totzeit in der Strecke be­ schränkt ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Toleranzen der Vorsteuerung bei der Ablö­ sung von Teillast in die Vollast durch die Lambda- Regelung zu Streuungen im instationären Verhalten des Systems führen. Es entstehen Rußspitzen bei ei­ ner raschen Beschleunigung oder zu schlechte Be­ schleunigungswerte aus niederen Drehzahlen heraus bzw. bei einer Belastung der Brennkraftmaschine.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Kraftstoffzumessung bei ei­ ner Brennkraftmaschine haben demgegenüber den Vorteil, daß sich die Streuungen reduzieren lassen, so daß sich ein definiertes instationäres Verhalten des Systems einstellt.

Insbesondere durch die Kaskaden-Regelung, bei der ein Lambda-Regler mit einem Rampenregler für die zeitliche Ableitung des Lambda-Werts kombiniert wird, kann bei einem Vollastsprung des Systems eine rasche Einstellung des Sollwerts der Kraftstoff­ menge erreicht werden, ohne daß es zu Rußspitzen oder zu einer zu geringen Beschleunigung des mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahr­ zeugs kommt.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Regelung der zeitlichen Ab­ leitung des Lambda-Werts in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal bzw. von der Stellgröße der Regelung des Lambda-Wertes erfolgt. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Regelung wirken sich die Ein­ flüsse von ungenauen Vorsteuersignalen nur gering im Regelverhalten aus.

Weiter wird eine Ausführungsform des Verfahrens be­ vorzugt, bei dem große Ausgangssignale des Lambda­ Reglers einen vorgebbaren konstanten Grenzwert für die Regelung der zeitlichen Änderung des Lambda- Werts bewirken. Durch die gewünschte Nichtlineari­ tät des Systems kann bei großen Ausgangssignalen ein konstanter Sollwert an den Regler für die zeit­ liche Ableitung des Lambda-Werts angelegt werden.

Weitere Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Auch die Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine hat gegenüber den bekannten Vorrichtungen den Vorteil, daß Streuungen im instationären Verhalten des Systems reduziert werden, so daß Rußspitzen und eine schlechte Be­ schleunigung vermieden werden. Durch die vorge­ schlagene Kaskaden-Regelung ergibt sich ein de­ finiertes instationäres Verhalten des Systems wo­ durch sich die genannten Nachteile reduzieren las­ sen.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung bei Diesel-Brennkraftmaschinen einsetzen, daher wird als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Diesel-Brennkraftmaschine gewählt.

Zeichnung

Die Erfindung wir im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm des Rußanteils in den Ab­ gasen einer Diesel-Brennkraftmaschine bei einem Vollastsprung bei verschiedenen Regelverhalten des Kraftstoffzumessung-Systems und

Fig. 2 eine Skizze eines Regelkreises für Vor­ richtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Diesel-Brennkraftmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 gibt ein Diagramm wieder, aus dem der zeit­ liche Verlauf des Regel-Verhaltens der Vorrichtung bei einem Vollastsprung wiedergegeben ist. Fig. 1 zeigt das Verhalten einer Diesel-Brennkraftmaschine bei untertouriger Fahrweise (siehe die gestrichelte Linie a) sowie bei einem sehr steil ansteigenden Drehzahlverlauf, bei einer Beschleunigung aus dem ersten Gang heraus (siehe die strichpunktierte Li­ nie b).

Schließlich ist zwischen den beiden Kurvenverläufen das Verhalten einer Brennkraftmaschine eingezeich­ net, welche mit einem Verfahren bzw. einer Vorrich­ tung zur Kraftstoffzumessung versehen ist, welches anhand von Fig. 2 erläutert wird.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß bei einem Kurvenver­ lauf gemäß Diagramm a, beispielsweise bei einer Be­ schleunigung aus dem vierten Gang heraus, die Dreh­ zahl nur sehr langsam ansteigt und der Ladedruck­ aufbau vorwiegend über die eingespritzte Kraft­ stoffmenge erfolgt. Diagramm a verdeutlicht auch, daß sich erst nach einer relativ langen Zeit die Vollastbeschleunigung einstellt, bei der sich der Sollwert Lambda_soll einstellt. In Fig. 1 ist ein sogenannter Kleinsignalbereich für den Sollwert Lambda_soll ± 10% eingezeichnet.

Bei einer zusätzlichen Belastung des Kraftfahr­ zeugs, beispielsweise durch einen Anhänger oder bei einer Beschleunigung im vierten Gang am Berg wird der eingeschwungene Arbeitspunkt nach einem Vollastsprung, also nach der vollen Betätigung des Fahrpedals, noch später erreicht. Dasselbe Verhal­ ten stellt sich auch dann ein, wenn sich aufgrund der Vorsteuerung des Systems bezüglich der vorge­ gebenen einzuspritzenden Kraftstoffmenge ein Men­ genfehler von beispielsweise -10% einstellt.

Ein grundsätzlich anderes Verhalten ergibt der Kur­ venverlauf gemäß Diagramm b in Fig. 1. Er stellt sich bei einem steilen Ladedruckanstieg ein, der bei einer Beschleunigung aus dem ersten Gang heraus gegeben ist. Aus der strichpunktierten Linie wird deutlich, daß zunächst der Kleinsignalbereich für den Sollwert von Lambda überschritten wird. Bei diesem Überschwingen ergibt sich eine Rußspitze, die aus umwelttechnischen Gründen unbedingt vermie­ den werden soll. Insgesamt erreicht allerdings das Diagramm b den Kleinsignalbereich früher als das Diagramm a. Jedoch findet ein relativ langsamer Einschwingvorgang statt, bis der Arbeitspunkt end­ gültig erreicht ist.

Ein anhand von Diagramm b dargestelltes Über­ schwingverhalten ergibt sich auch bei einer zu großen Vorsteuermenge von beispielsweise 10%.

Schließlich wird in dem mit durchgezogener Linie angedeuteten Diagramm c die Reaktion des Systems auf den Vollastsprung, der unten in Fig. 1 darge­ stellt ist, wiedergegeben. Dieses Diagramm zeigt das Verhalten des Systems bei Einsatz des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die anhand von Fig. 2 näher erläu­ tert wird.

Fig. 2 zeigt eine Kaskaden-Regelung für eine Vor­ richtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Diesel-Brenn­ kraftmaschine.

Mit durchgezogenen Linien ist eine Regelung für die zeitliche Ableitung des Lambda-Werts eingezeichnet, der die Ausgangswerte bzw. Stellgröße einer Lambda- Regelung eingegeben werden, die in Fig. 2 mit ge­ strichelten Linien dargestellt ist. Die Lambda-Re­ gelung ist an sich bekannt, so daß hier auf Einzel­ heiten nicht eingegangen zu werden braucht. Bei diesem Verfahren wird der Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine erfaßt und auf den Sollwert von Lambda beziehungsweise Sauerstoff geregelt, so daß die zu einem vorgegebenen Ruß-Grenzwert ge­ wünschte Kraftstoffmenge M_Esoll eingespritzt wird. Die Brennkraftmaschine ist hier lediglich durch ein Rechteck angedeutet und als Regelstrecke gekenn­ zeichnet.

Der Sollwert von Lambda wird bei einer erfindungs­ gemäßen Regelung 10 auf eine Additionsstelle 12 ge­ geben, an die andererseits der Istwert von Lambda Lambda_ist mit negativem Vorzeichen aufgegeben wird. Die Differenz des Sollwertes und des Istwertes wird einem Lambda-Regler 14 eingegeben, der beispiels­ weise als PI-Regler ausgebildet ist. Die Stellgröße dieses Lambda-Reglers, also das Ausgangssignal die­ ses Reglers bildet das Eingangssignal für die Rege­ lung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Wertes, die - wie gesagt- mit durchgezogenen Linien darge­ stellt ist.

Gemäß Fig. 2 wird das Ausgangssignal des Lambda­ Reglers 14 auf ein nichtlineares Regelglied 16 auf­ gegeben, an dessen Ausgang das Signal für den Soll­ wert der zeitlichen Ableitung des Lambda-Wertes er­ scheint. Dieses Ausgangssignal wird auf eine zweite Additionsstelle 18 gegeben, der mit negativem Vor­ zeichen das Ausgangssignal eines Differenzierers 20 zugeleitet wird. Der Differenzierer verarbeitet das Istsignal der Regelstrecke 22. An seinem Ausgang liegt das Signal für die zeitliche Ableitung des Lambda-Wertes an, welches an die zweite Additions­ stelle 18 weitergeleitet wird.

Die Differenz zwischen der zeitlichen Ableitung des Sollwertes und der zeitlichen Ableitung des Ist­ wertes von Lambda wird einem Rampen-Regler 24 mit P-Verhalten eingegeben, an dessen Ausgang die ge­ wünschte Kraftstoffmenge M_soll der Diesel-Brenn­ kraftmaschine, erscheint.

Im folgenden soll auf die Funktion der Kaskaden-Re­ gelung der Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bzw. auf das Verfahren zur Kraftstoffzumessung näher eingegangen werden.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß es zwei Kurvenver­ läufe gibt, nämlich das Diagramm gemäß der ge­ strichelten Linie a und das Diagramm der strich­ punktieren Linie b, die quasi das Grenzverhalten einer Vorrichtung wiedergeben: Zum einen ist er­ sichtlich, daß ohne eine Kaskaden-Regelung gemäß Fig. 2 das Einschwingverhalten aufgrund eines Vollastsprungs sehr lange dauert, während das Dia­ gramm gemäß der Kurve b verdeutlicht, daß zwar eine sehr rasche Reaktion des Systems möglich ist, daß dabei jedoch eine Rußspitze aufgrund eines Über­ schwingvorgangs auftritt. Aufgrund der mit der Kas­ kaden-Regelung gemäß Fig. 2 erreichten geregelten Rampensteilheit ergibt sich ein relativ rasches Einschwingverhalten des Systems, ohne daß es zu Rußspitzen aufgrund eines Überschwingens kommt.

Dabei zeichnet sich die Kaskaden-Regelung gemäß Fi­ gur 2 durch ein selektives Verhalten aus: Bei einem Großsignal, also bei einem großem Ausgangssignal des Lambda-Reglers 14 wird durch das nichtlineare Regelglied 16 eine Begrenzung auf einen vorgebbaren Grenzwert erreicht. Das nichtlineare Verhalten des Regelglieds 16 ist so eingestellt, daß bei einem hohen eingangswert der Sollwert der zeitlichen Ab­ leitung des Lambda-Werts begrenzt wird. Damit wird sichergestellt, daß der unterlagerte Regler 24 die Rampensteilheit, also die zeitliche Ableitung des Lambda-Werts, definiert begrenzt. Dem Rampenregler 24 wird durch das nichtlineare Regelglied 16 ein konstanter Sollwert vorgegeben, solange die Stell­ größe des Lambda-Reglers 14 einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

In dieser Phase bestimmt daher der Rampenregler 24 das Verhalten des Gesamtsystems, indem sich eine geregelte Rampensteilheit gemäß dem Kurvenverlauf c in Fig. 1 ergibt. Durch die Bestimmung der Parame­ ter des Rampenreglers 24 und des nichtlinearen Re­ gelglieds 16 kann die Steilheit der Rampe einge­ stellt werden, was durch eine gestrichelte Kurven­ schar zu dem Diagramm angedeutet wird.

Aufgrund der Tatsache, daß der Regelstrecke 22, also, der Brennkraftmaschine, mit einer definierten Änderungsgeschwindigkeit eine Eingespritze Kraft­ stoffmenge M_Esoll eingegeben wird entspricht letztlich die Annäherung des Istwerts für Lambda an den Sollwert. Dadurch reduziert sich das Ausgangs­ signal des Lambda-Reglers 14 immer weiter, bis schließlich die Stellgröße am Eingang des nicht­ linearen Reglerelements 16 so klein geworden ist, daß der vorgegebene Grenzwert nicht mehr erreicht ist. Innerhalb des in Fig. 1 wiedergegebenen Kleinsignalbereichs, also innerhalb des Bandes um den Lambda-Sollwert Lambda_soll arbeitet der Rampen­ regler 24 linear, so daß dieser keinen weiteren Einfluß auf das Regelverhalten des Gesamtsystems nimmt. In diesem Fall bestimmt sich das Verhalten der Kaskaden-Regelung ausschließlich nach dem vor­ gegebenen Sollwert für Lambda, dem eingegebenen Lambda_soll. Das heißt, der Lambda-Regler 14 be­ stimmt dann das Regelverhalten des Gesamtsystems.

Insgesamt ist erkennbar, daß aufgrund des nicht­ linearen Regelelements 16 im Anstiegsbereich des Diagramms c (siehe Fig. 1) eine konstante Steigung eingestellt wird. Im stationären Fall, also nach Erreichen des Kleinsignalbandes um den Sollwert von Lambda liefert der Differenzierer 20 keinen weite­ ren Beitrag an die Additionsstelle 18, so daß schließlich das Gesamtverhalten der Vorrichtung von dem Sollwert von Lambda eingestellt wird.

Für die Differentiation des Differenzierers 20 kön­ nen mehrere Verfahren eingesetzt werden:
Der Istwert von Lambda kann gemessen und an­ schließend differenziert werden. Bei diesem Verfah­ ren geht die Totzeit der Strecke 22 in das gesamte Regelverhalten mit ein.

Es ist auch möglich, die eingespritzten Kraftstoff­ mengen M_E sowie die der Brennkraftmaschine zuge­ führten Luftmengen M_L zu berechnen und dann eine Differentiation durchzuführen. Bei diesen Verfahren gehen Totzeiten der Regelstrecke 22 nicht in die Kraftstoffzumessung mit ein.

Schließlich ist es noch möglich, einen sogenannten Beobachter einzusetzen, bei dem durch eine Kombina­ tion von Erfassung und Berechnung der einzelnen Meßwerte eine Teilsimulation durchgeführt wird, und anschließend das Ergebnis einer Differentiation un­ terworfen wird. Auch hierbei wird vermieden, daß die Totzeit der Strecke 22 in das Berechnungsver­ fahren mit eingeht.

Insgesamt ist erkennbar, daß sowohl die Vorrichtung als auch das hier beschriebene Verfahren zur Kraft­ stoffzumessung ein definiertes instationäres Ver­ halten des Gesamtsystems ergeben, so daß sich Streuungen innerhalb einer Fahrzeugflotte, soweit Rußspitzen und Beschleunigungsverhalten angespro­ chen sind, reduzieren lassen.

Zu der Kurvenschar des Diagramms c in Fig. 1 ist noch festzuhalten, daß im Falle eines Großsignals im fetten Lambda-Bereich die Kennlinie des Dia­ gramms steiler verläuft, weil bei bereits auf­ tretendem Rauch im Abgas die eingespritzte Kraft­ stoffmenge noch schneller reduziert werden soll.

Die in Fig. 2 dargestellten Regler für den Lambda-Wert bzw. für die zeitliche Ableitung des Lambda- Werts können noch mit zusätzlichen Signalen beauf­ schlagt werden, beispielsweise, um einen gesteuer­ ten Eingriff auf die Rampenzunahme zu erreichen. Hierbei kann unter anderem der momentan gewählte Gang des Kraftfahrzeugs Berücksichtigung finden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine, bei dem mittels einer Lambda-Sonde der Sauerstoffgehalt der Abgase erfaßt und eine Vorsteuerung der eingespritzten Kraft­ stoffmenge durchgeführt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gewünschte Kraftstoffmenge (M_Esoll) durch eine Kombination einer Regelung für den Lambda-Wert mit einer Regelung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Werts eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Regelung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Werts in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Regelung des Lambda-Werts erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem großen Ausgangssignal der Rege­ lung des Lambda-Werts ein vorgebbarer, konstanter Grenzwert für die Regelung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Werts vorgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grenzwert von anderen Größen steuerbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem kleinen Ausgangssignal der Rege­ lung des Lambda-Werts ein lineares Verhalten der Regelung der zeitlichen Ableitung des Lambda-Werts eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß bei der Regelung der Ram­ pensteilheit ein Sollwert für die zeitliche Ablei­ tung des Lambda-Werts und die zeitliche Ableitung des Istwerts des Lambda-Werts berücksichtigt wer­ den.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verfahren zur Steuerung einer Diesel-Brennkraftmaschine oder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendet wird.

8. Vorrichtung zur Kraftstoffzumessung bei einer Brennkraftmaschine, mit einer Lambda-Sonde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den Abgasen und mit einer Vorsteuereinrichtung für die der Brennkraftmaschine eingespritzen Kraftstoffmenge, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kaskaden-Regelung für den Lambda-Wert und für die zeitliche Ableitung des Lambda-Werts vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Regler (24) für die zeitliche Ab­ leitung des Lambda-Werts ein unterlagerter Regler verwendbar ist, der sowohl einen Sollwert für die zeitliche Ableitung als auch die zeitliche Ablei­ tung des Istwerts des Lambda-Werts verarbeitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit dem, Regler (24) für die zeitliche Ableitung des Lambda-Werts ein Differenzierer (20) kombinierbar ist, der die zeitliche Ableitung des Istwerts des Lambda-Werts liefert.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Ableitung sowohl durch Differenzieren des Meßsi­ gnals Lambda_ist, als auch durch Berechnung (zur Vermeidung von Totzeit) gewonnen wird.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung der Rampensteilheit beim alleinigen Lambda-Regler (ohne Kaskade) abhängig von der Abweichung zwischen Lambda_soll und Lambda_ist erfolgt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschal­ tung des alleinigen Lambda-Reglers auf einen Lambda-Regler im mageren Bereich bis zu einem Schwellwert erfolgt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung einer Diesel-Brennkraft­ maschine oder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendet wird.