DE4306208A1 - Kraftstoffeinspritzsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsystem für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit einem Saugrohr, mit einer im Saugrohr angeordneten Drosselklappe, mit einer Recheneinrichtung, mit einer durch die Recheneinrichtung gesteuerten Einspritzeinrichtung, mit einem Motordrehzahlsensor, der ein der Motordrehzahl entsprechendes Signal erzeugt, mit einem Drosselklappenpositionssensor, der ein der Drosselklappenposition oder der Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit entsprechendes Signal erzeugt, mit einem Saugrohrdrucksensor und einem Motortemperatursensor, mit einem Sensor zur Messung des Restsauerstoffgehaltes des Abgases (Lambda-Sonde), mit einem der Recheneinrichtung zugeordneten Kennfeldspeicher, wobei die Recheneinrichtung aufgrund der von den Sensoren abgegebenen Sensorsignale und der im Kennfeldspeicher abgelegten Daten, die Ansteuerungszeit für die Einspritzeinrichtung (Einspritzzeit) berechnet und die Einspritzeinrichtung entsprechend ansteuert und wobei beim Auftreten eines instationären Betriebszustandes die Recheneinrichtung einen Korrekturterm für die Berechnung der Einspritzzeit berechnet und die Recheneinrichtung den Korrekturterm zeitlich variiert, um eine Anpassung an die in den Einlaßkanal einströmende zusätzliche Luftmasse zu erzielen.

Unter einem instationären Betriebszustand eines Verbrennungsmotors soll hier ein Betriebszustand verstanden werden, den der Verbrennungsmotor aufgrund kurzfristiger Lastwechsel annimmt. In der folgenden Beschreibung sollen dabei ausschließlich solche instationären Betriebszustände angesprochen werden, welche durch eine Lastvergrößerung erreicht werden.

Ein Kraftfahrzeug benötigt zur optimalen katalytischen Abgasreinigung eine genaue Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses. Diese Regelung kann im Stationärbetrieb des Verbrennungsmotors gut anhand des Restsauerstoffgehaltes des Abgases, welches durch eine sogenannte Lambda-Sonde gemessen wird, durchgeführt werden.

Die Gemischbildung im instationären Motorbetrieb, insbesondere bei Beschleunigungen, erfordert zusätzliche Funktionen der Einspritzsteuerung, welche die instationären Einflußfaktoren auf die Gemischbildung berücksichtigen. Hierzu zählen bei einem nach Saugrohrdruck und Motordrehzahl geführten Einspritzsystem vor allem die Änderung des Kraftstoffwandfilmes, der reaktive Charakter der Einspritzsteuerung, das heißt der Zeitversatz zwischen Füllungserfassung und Kraftstoffbereitstellung (abhängig von der Einspritzvorlagerung, der Einspritzzeit selbst, den Rechenzeiten und dem Zeitpunkt der Füllungsabfrage), der infolge Saugrohrspeicherwirkung nicht synchrone Verlauf von Saugrohrdruck und Drosselklappenstellung und die verzögerte Anpassung der Zylinderwandtemperaturen an den neuen Betriebspunkt.

Aufgrund ihres reaktiven Charakters sind Einspritzkorrekturfunktionen auch theoretisch nicht in der Lage, das Verbrennungsluftverhältnis im Instationärbetrieb vollständig konstant zu halten. Dazu wäre eine mit der Einspritzung koordinierte Steuerung des Verlaufes des Luftmassenstromes erforderlich. Die Ausgestaltung der Einspritzkorrekturfunktion entscheidet wesentlich darüber, inwiefern dennoch eine ausreichend genaue Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses im Instationärbetrieb erreicht werden kann.

Die Fig. 2 erläutert hierzu die Funktionsweise eines bekannten Kraftstoffeinspritzsystems. Tritt bei diesem ein instationärer Betriebszustand auf, welcher insbesondere durch die Auswertung der Änderung oder der Änderungsgeschwindigkeit der Drosselklappenposition erkannt wird, so wird aufgrund verschiedener Kennfeld- oder Kennliniengrößen ein Korrekturfaktor für die Einspritzzeit berechnet. Dieser Korrekturfaktor wird anschließend in vorgegebenen Zeitintervallen oder auch zünd- oder arbeitsspielsynchron, und zwar ebenfalls abhängig von Kennfeld- oder Kennliniengrößen abgeregelt. Dieses geschieht insbesondere dadurch, daß jeweils der aktuelle Korrekturfaktor um einen Wert vermindert wird, der sich als Produkt aus eben dem aktuellen Korrekturfaktor sowie einer Funktion aus aktuellen motorspezifischen Betriebsgrößen ergibt.

Ein solches Regelsystem ist hinsichtlich seiner Funktionsweise in mehreren Punkten verbesserungsfähig.

So ist zu Beginn eines instationären Betriebszustandes je nach Drehzahl- und Saugrohrdruckverlauf die eingespritzte Kraftstoffmehrmenge oftmals zunächst zu groß, so daß die Luftzahl Lambda (definiert als Verhältnis der zugeführten, zu der für eine optimale Verbrennung theoretisch benötigten Luftmenge) eine Zeitlang deutlich unter dem für die katalytische Abgasreinigung idealen Wert von 1 absinkt. Der Grund hierfür sei im folgenden näher erläutert: So wird bei dem vorbekannten Kraftstoffeinspritzsystem die Einspritzung einer Kraftstoffmehrmenge veranlaßt sobald die Änderungsgeschwindigkeit der Drosselklappenposition eine vorgebbare minimale Schwelle überschreitet. Die Kraftstoffmehrmenge wird bis zum Einsetzen der Abregelung als Funktion der Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit und dem jeweils aktuellen Betriebspunkt (gegeben durch die Betriebsgrößen Saugrohrdruck, Motordrehzahl und Motortemperatur) errechnet. Hierbei wird als Führungsgröße die Änderungsgeschwindigkeit der Drosselklappenposition anstatt derjenigen des Saugrohrdruckes verwendet, um den Nachteil des reaktiven Charakters der Einspritzung (systembedingter Zeitversatz zwischen Kraftstoffbereitstellung und Füllungsermittlung) möglichst weit zu kompensieren, da der Verlauf des Saugrohrdruckes infolge der Saugrohrspeicherwirkung gegenüber dem der Drosselklappenposition leicht verzögert ist. Dieses Vorgehen ist jedoch nicht optimal, da sich der für die Korrekturfunktion maßgebliche Luftmassenstrom in den Motor etwa linear und zeitgleich zum Saugrohrdruck, keinesfalls jedoch linear zur Drosselklappenposition verhält. Saugrohrdruck und Drosselklappenposition verlaufen nicht synchron, das heißt, nicht linear und mit Zeitversatz zueinander. Wird nun die Kraftstoffmehrmenge bis zu ihrer Abregelung so gesteuert, daß während des Instationärvorganges die Luftzahl Lambda nie größer als 1 wird, so ist diese Kraftstoffmehrmenge zu Beginn der Drosselklappenöffnung zunächst zu groß, bis sich eine mit der Änderung der Drosselklappenposition korrespondierende Änderung des Saugrohrdruckes eingestellt hat und zugleich der zeitliche Abstand zwischen Füllungserfassung und Kraftstoffbereitstellung demjenigen zwischen Drosselklappenbewegung und Saugrohrdruckänderung entspricht. Hierdurch kommt es zum schon erwähnten Absinken der Luftzahl Lambda.

Im Verlauf der anschließenden Abregelung kommt es dann zu einer Abmagerung des Gemisches.

Dieses wird dadurch bewirkt, daß nach einem positiven Lastsprung die Stationärverhältnisse, insbesondere bei der Zylinderwandtemperatur und der Einlaßtemperatur, erst verzögert erreicht werden, wodurch der Luftmassenstrom gegenüber dem stationären Zustand noch kurzzeitig überhöht ist.

Bei der Berechnung des Einspritzkorrekturwertes wird zunächst die Kraftstoffmehrmenge, etwa synchron zum Abklingen der Kraftstoffwandfilmbildung zurückgenommen.

Der gegenüber den Stationärverhältnissen noch überhöhte Luftmassenstrom erfordert ebenfalls eine gewisse Kraftstoffmehrmenge.

Aufgrund der vorgegebenen Abregelungsgeschwindigkeit wird diese Kraftstoffmehrmenge nun schneller abgebaut als zur Anpassung des Luftmassenstromes an die Stationärverhältnisse nötig ist. Hierdurch kommt es zu der zeitweiligen Abmagerung des Gemisches bis sich ein neuer stationärer Zustand eingestellt hat.

Bei dem bekannten Kraftstoffeinspritzsystem wird daher das stöchiometrische Gemisch bei Lastzunahme auch bei geeigneter Anpassung der Korrekturterme nicht optimal eingehalten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem zu schaffen, mit dem eine bessere Ausregelung der Luftzahl im instationären Betrieb eines Verbrennungsmotors möglich ist und bei dem die Abweichungen vom stöchiometrischen Luftverhältnis (Lambda gleich 1) möglichst klein gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Korrekturterm regelmäßig mit einem variablen Faktor multipliziert wird und daß die Abregelung der zusätzlichen Einspritzmenge in mindestens zwei Phasen erfolgt.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem ermöglicht so eine wesentlich verbesserte Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses zu Beginn des instationären Betriebes und während des anschließenden Wiederangleichens an den stationären Betrieb.

Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 eine Skizze des Aufbaus des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems;

Fig. 2 einen Ablaufplan zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines bekannten Kraftstoffeinspritzsystems;

Fig. 3 einen Ablaufplan zur Verdeutlichung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems.

Die Fig. 1 zeigt den zu einem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystem gehörenden Aufbau.

In einem Saugrohr (1) befindet sich eine Drosselklappe (2), welche mit einem Drosselklappensensor (6) in Verbindung steht. Der Drosselklappensensor (6) gibt Signale, welche der Drosselklappenposition oder der zeitlichen Änderung der Drosselklappenposition entsprechen an eine Recheneinrichtung (3) ab.

Weiterhin befindet sich im Saugrohr (1) ein Saugrohrdrucksensor (7), welcher die Druckverhältnisse im Saugrohr (1) mißt und entsprechende Signale an die Recheneinrichtung (3) gibt. Zur Kraftstoffbereitstellung befinden sich außerdem in den an das Saugrohr anschließenden Einlaßkanälen mindestens eine Einspritzeinrichtung (4), welche durch die Recheneinrichtung (3) gesteuert wird. Die Recheneinrichtung (3) berechnet hierzu aus den Signalen des Drosselklappenpositionssensors (6) und des Saugrohrdrucksensors (7) sowie weiterer Sensoren (5, 8, 9) unter Zuhilfenahme von in einem Kennfeldspeicher (10) abgelegten Daten, die jeweils benötigte Ansteuerungszeit (Einspritzzeit) für die Einspritzeinrichtung (4).

Wichtige Eingangsgrößen für die Recheneinrichtung (3) geben hierzu auch ein Motordrehzahlsensor (5), ein Motortemperatursensor (8) sowie ein Sensor zur Bestimmung des Restsauerstoffgehaltes des Abgases (Lambda-Sonde [9]).

Die Fig. 2 erläutert die Funktionsweise eines vorbekannten Einspritzsystems beim Auftreten eines instationären Betriebszustandes.

Im Funktionszweig "Trigger" wird zunächst festgestellt, ob ein instationärer Betriebszustand vorliegt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß eine Abfrage erfolgt, ob die zeitliche Änderung der Drosselklappenposition größer als eine vorgebbare Schwelle ist.

In einem solchen Beschleunigungsfall muß das Einspritzsystem bei jedem Einspritzvorgang eine gegenüber dem stationären Betriebszustand vergrößerte Kraftstoffmenge zur Verfügung stellen. Dies geschieht durch eine Vergrößerung der Einspritzzeit TI durch einen zusätzlichen Term FBA_NEU (wobei FBA für Beschleunigungsanreicherungsfunktion steht). TIKF ist die Basiseinspritzzeit, die in Abhängigkeit von den Betriebsparametern Motordrehzahl, Saugrohrdruck und Motortemperatur für den stationären Betriebszustand durch ein Kennfeld vorgegeben wird.

Beim Auftreten eines instationären Betriebszustandes wird zunächst im Funktionszweig "Trigger" ein Anfangswert FBA_TR berechnet, in welchen die Variablen TR_DYN, TR_TMOT und TR_PN eingehen, welche mit den Sensorsignalen Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit (d-Phi/dt) Motortemperatur und Saugrohrdruck korrespondieren, wobei zur Berechnung des Anfangswertes FBA_TR diesen Variablen aufgrund der Sensorsignale Werte zugewiesen werden, die sich aus dem im Kennfeldspeicher abgelegten Kennlinien oder Kennfeldern ergeben.

Der so ermittelte Anfangswert FBA_TR wird der Variablen FBA_NEU zugewiesen, welche als Korrekturterm für die Einspritzzeit fungiert.

Anschließend beginnt im Funktionszweig "Abregelung" die zeitliche Verkleinerung des Wertes der Korrekturvariablen FBA_NEU, wobei in den Faktor 1 - AB_TMOT _* AB_PN zur Verkleinerung des Korrekturwertes FBA_NEU, die durch Kennfelder oder Kennlinien bestimmten Variablen AB_TMOT und AB_PN eingehen, die ebenfalls von den Sensorsignalen für Motortemperaturen, Saugrohrdruck und Motordrehzahl abhängen.

Durch den Funktionszweig "Abregelung", welcher in zeitlich regelmäßigen Abständen oder auch vorzugsweise zünd- oder arbeitsspielsynchron durchlaufen wird, wird der Korrekturterm FBA_NEU langsam auf einen gegen Null strebenden Wert gebracht, wobei sich die Einspritzzeit TI wieder der Basiseinspritzzeit TIKF annähert, entsprechend dem "Stationärwerden" des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors.

Der Funktionsschritt "Maximalentscheid" erlaubt hierbei, daß bei einem andauernden oder erneut auftretenden instationären Betriebszustand der Funktionszweig "Trigger" auch bei einem noch laufenden Abregelvorgang wirksam werden kann.

Dieses vorbekannte Einspritzsystem vollzieht somit bei Lastvergrößerung zunächst eine Anreicherung des Gemisches, welches anschließend wieder auf den durch Kennfelder vorgegebenen stationären Wert zurückgefahren wird.

Wie bereits zuvor erläutert, ist diese Gemischanreicherung aus verschiedenen Gründen zeitlich nicht optimal, so daß es zu Beginn des Instationärbetriebes zu einer Gemischüberfettung und zum Ende des Instationärbetriebes zu einer Gemischabmagerung kommt, was beides unter dem Gesichtspunkt einer katalytischen Abgasreinigung mit minimalem Schadstoffausstoß nachteilig ist, da die optimale Luftzahl von Lambda gleich 1 nicht ausreichend genau eingehalten werden kann.

Das in der Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem weist diese Nachteile nicht auf.

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem ähnelt im Funktionsprinzip dem in der Fig. 2 Beschriebenen, so daß sich die nachfolgende Beschreibung in der Hauptsache auf die erfindungsgemäßen Verbesserungen beziehen kann.

Eine neu eingeführte Korrekturvariable FK (Wertbereich 0 bis 1) wird mit der Einspritzzeitkorrektur FBA_NEU zu dem Wert FBA_NEUKOR multipliziert. Die Variable FK wird dabei in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Zeitpunkt innerhalb der Instationärphase festgelegt. Deshalb erfolgt die Wertzuweisung zu FK aus für unterschiedliche Drehzahlen gültigen Kennlinien mit Stützstellen die Zeiten, Anzahl Zündungen oder Arbeitsspiele darstellen können.

Die Stützstellen können insbesondere auch durch den Wert eines Zählers gegeben sein, dessen Inkrementierung sich als Funktion der Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit ergibt.

Die Initialisierung des Zählers beginnt immer, sobald die Einspritzzeitkorrektur von dem Funktionszweig "Trigger" übernommen wird und die alte Inkrementierung beendet ist. Die Inkrementierung ist beendet, wenn der Zählerstand einen vorgebbaren Grenzwert erreicht oder überschreitet.

Der Korrekturfaktor FK ergibt sich somit als Kennfeldfunktion einer Drehzahl und eines Zählerstandes, wobei die Inkrementierung des Zählers durch die Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit gegeben ist.

Die Korrekturvariable FK bewirkt dabei, daß die eingespritzte Kraftstoffmehrmenge zu Beginn des Instationärbetriebes aufgrund des Zeitversatzes zwischen der Änderung der Drosselklappenposition und der Anpassung des Saugrohrdruckes nicht zu einer Überfettung des Gemisches führt. Dies geschieht auf einfache und vorteilhafte Weise dadurch, daß die Korrekturvariable FK abhängig von der Betriebsgröße und der Motordrehzahl aus einem Kennfeld ausgelesen wird, wobei die Variation der Variablen von dynamischen Größen, wie der Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit abhängt. Die Beeinflussung der Variablen FBA_NEUKOR durch den Faktor FK wird durch ein Kennfeld für einen solchen Zeitraum vorgegeben, bis sich die Änderung des Saugrohrdruckes einem der Änderung der Drosselklappenposition entsprechenden Wert angeglichen hat. Danach kann der Faktor FK durch das Kennfeld auf FK gleich konstant 1 vorgegeben werden.

Im weiteren Verlauf des instationären Betriebszustandes kann es zu einer Gemischabmagerung kommen, da stationäre Verhältnisse bezüglich Zylinderwandtemperatur und Einlaßkanaltemperatur erst verzögert erreicht werden. Somit ist der Luftmassenstrom gegenüber dem stationären noch kurzzeitig überhöht. Die Beschleunigungsanreicherung muß deshalb zunächst die Kraftstoffmehrmenge synchron zum Abklingen der Kraftstoff-Wandfilmbildung zurücknehmen, bis ein Restbetrag erreicht ist, der dem gegenüber Stationärverhältnissen noch überhöhten Luftmassenstrom entspricht. Anschließend erfolgt die Rücknahme der restlichen Kraftstoffmehrmenge entsprechend dem Angleichen des Luftmassenstromes an die Stationärverhältnisse. Diese Aufteilung in zwei unterschiedliche Verläufe der Rücknahme der Kraftstoffmehrmenge wird dadurch erreicht, daß die Rücknahme der Kraftstoffmehrmenge im Funktionszweig "Abregelung" in zwei Phasen verläuft.

Hierzu werden zunächst die Variablen AB, ABG und ABV eingeführt. AB ist das Verhältnis zweier Einspritzzeitkorrekturen - hier KR 2/KR 1 genannt - innerhalb einer ununterbrochenen Steuerung der Einspritzzeitkorrektur durch den Funktionszweig "Abregelung". KR 2 ist die jeweils aktuelle Einspritzzeitkorrektur. KR 1 stellt die Einspritzzeitkorrektur dar, die beim vorausgehenden, das heißt beim letzten Übergang der Einspritzzeitkorrektur vom Funktionszweig "Trigger" auf den Funktionszweig "Abregelung" bestand. Bei jeder Übernahme der Steuerung der Einspritzzeitkorrektur durch den Funktionszweig "Trigger" wird AB gleich 1 gesetzt. Das Produkt der Variablen AB_PN und AB_TMOT wird nun zusätzlich mit der Variablen ABV multipliziert, sobald AB kleiner als der vorgebbare Grenzwert ABG wird. Somit verläuft ab diesem Zeitpunkt die Rücknahme der Einspritzzeitkorrektur mit einem anderen Gradienten. Die Werte von ABG und ABV (Wertebereich 0 bis 1) werden jeweils aus einer Kennlinie mit Drehzahlstützstellen entnommen.

Durch die beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses sowohl zu Beginn des Instationärbetriebes als auch während der abschließenden Wiederangleichung an den Stationärbetrieb wesentlich verbessert.

Bezugszeichenliste

Fig. 1
1 Saugrohr
2 Drosselklappe
3 Recheneinrichtung
4 Einspritzeinrichtung
5 Motordrehzahlsensor
6 Drosselklappenpositionssensor
7 Saugrohrdrucksensor
8 Motortemperatursensor
9 Sensor zur Bestimmung des Restsauerstoffgehaltes des Abgases (Lambda-Sonde)
10 Kennfeldspeicher

Claims (5)

1. Kraftstoffeinspritzsystem für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit einem Saugrohr (1), mit einer im Saugrohr (1) angeordneten Drosselklappe (2), mit einer Recheneinrichtung (3), mit einer durch die Recheneinrichtung (3) gesteuerten Einspritzeinrichtung (4), mit einem Motordrehzahlsensor (5), der ein der Motordrehzahl entsprechendes Signal erzeugt, mit einem Drosselklappenpositionssensor (6), der ein der Drosselklappenposition oder der Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit entsprechendes Signal erzeugt, mit einem Saugrohrdrucksensor (7) und einem Motortemperatursensor (8), mit einem Sensor zur Messung des Restsauerstoffgehaltes des Abgases (Lambda-Sonde) (9), mit einem der Recheneinrichtung (3) zugeordneten Kennfeldspeicher (10), wobei die Recheneinrichtung (3) aufgrund der von den Sensoren (5, 6, 7, 8, 9) abgegebenen Sensorsignale und der im Kennfeldspeicher (10) abgelegten Daten, die Ansteuerungszeit für die Einspritzeinrichtung (4) (Einspritzzeit) berechnet und die Einspritzeinrichtung (4) entsprechend ansteuert und wobei beim Auftreten eines instationären Betriebszustandes die Recheneinrichtung (3) einen Korrekturterm für die Berechnung der Einspritzzeit berechnet und die Recheneinrichtung (3) den Korrekturterm zeitlich variiert, um eine Anpassung an die in das Saugrohr (1) einströmende zusätzliche Luftmasse zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturterm regelmäßig mit einem variablen Faktor (FK) multipliziert wird und daß die Abregelung der zusätzlichen Einspritzmenge in mindestens zwei Phasen erfolgt.

2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor (FK) im Kennfeldspeicher (10) abgelegt ist.

3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstellen des Faktors (FK) Zeiten, Arbeitsspiele oder die Anzahl von Zündvorgängen sind.

4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstellen des Faktors (FK) Zählerstände sind, wobei die Inkrementierung der Zählerstände abhängig von der Drosselklappen-Positionsänderungsgeschwindigkeit geschieht.

5. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor (FK) in verschiedenen für jeweils vorgegebene Drehzahlbereiche gültigen Kennlinien im Kennfeldspeicher (10) abgelegt ist.