DE4326949A1

DE4326949A1 - Managementsystem für Kolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE4326949A1
Application number: DE4326949A
Authority: DE
Inventors: Veit Dr Ing Held
Original assignee: Adam Opel GmbH
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2013-08-12
Also published as: DE4326949C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Managementsystem für Kolbenbrennkraftmaschinen insbesondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen, zur Einstellung wichtiger Stellgrößen, vornehmlich Zündwinkel, Einspritzzeit und Drosselklappen stellung, in Abhängigkeit vom jeweiligen Lastpunkt, wobei aus gemessenen Zylinderdrucksignalen eine Lastvariable zur Kennzeichnung des Lastpunkts abgeleitet wird.

Beim Betrieb eines Ottomotors mit sogenanntem Motorma nagement müssen die Stellgrößen Zündwinkel, Einspritzzeit und (bei Verwendung einer Servodrosselklappe) die Dros selklappenstellung in Abhängigkeit vom Lastpunkt, reprä sentiert durch Drehzahl und Drehmoment des Motors, einge stellt werden. Angesichts des nachteiligen Umstands, daß das Drehmoment als Meßgröße im allgemeinen nicht zur Ver fügung steht, verwendet man beim derzeitigen Stand der Technik als Lastvariable entweder den Saugrohrdruck oder die Größe Luftmassenstrom/Drehzahl.

Der Saugrohrdruck als Meßgröße ist indessen nicht exakt proportional zur Füllung eines Zylinders mit Frischgas, sondern - über den Liefergrad - auch drehzahlabhängig. Damit wird eine empirische Einmessung dieses funktionalen Zusammenhangs am Motor erforderlich.

Bei der zentralen Messung des Luftmassenstroms mit Hilfe eines Luftmassenmessers kann es in manchen Betriebspunk ten infolge von Resonanz- oder Rückstromeffekten zu Fehl messungen kommen. Zudem erlaubt die zentrale Messung des Luftmassenstroms oder Saugrohrdrucks keine zylinderindi viduelle Bestimmung der Kraftstoffmenge oder des Zündwin kels, da Unterschiede in der Füllung der einzelnen Zylin der nicht erfaßt werden.

Bei einem diesbezüglichen durch die DE-38 30 603 C2 be kannt gewordenen Verfahren zur Regelung von Drehzahl und Drehmoment als Ausgangsgrößen eines Verbrennungsmotors werden Ansaugluftmenge, Zusatzluftmenge und Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von einer elektrischen Regelgröße mit Hilfe eines Bordcomputers geändert, der auf der Basis ei nes Drosselklappensensors, eines Absolutdrucksensors, ei nes Kühltemperatursensors, eines Drehzahlgebers und eines Hallelements für die Anzeige der elektrischen Last die Betriebsbedingungen des Motors regelt.

In der DE-41 26 182 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Einspritzzeit auf der Basis von Zylinderdrucksignalen angegeben. Der angegebene repräsentative Wert für den Zy linderinnendruck wird aber nur empirisch und ohne physi kalische Interpretation definiert. Zudem wird diese Größe nur zur Bestimmung der Einspritzzeit, nicht aber für Zündwinkel und Drosselkappenstellung herangezogen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lastva riable zu ermitteln, ohne auf die bisher verwendeten we nig geeigneten Meßgrößen Saugrohrdruck oder Luftmassen strom/Drehzahl zurückgreifen zu müssen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Manage mentsystem der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß zur Bestimmung des jeweiligen Lastpunktes und damit der Lastvariablen der während der Verdichtungsphase in mehreren diskreten Winkelstellungen der Kurbelwelle zu messende Zylinderinnendruck dient.

Grundlage der erfindungsgemäßen Motorsteuerung ist also die Erzeugung einer Lastvariablen P_r aus gemessenen Zy linderdruckverläufen. Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß der Zylinderinnendruck in sehr guter Näherung proportional zur erfaßten Luftmasse ist und nicht nur mehr oder weniger annähernd wie die bisher herangezogenen Meßgrößen Saugrohrdruck oder Luftmassenstrom/Drehzahl.

Während die vorgenannten bisher verwendeten Meßgrößen der zu ermittelnden Lastvariablen nur ein globales Signal zu grundezulegen vermögen, das also die Gesamtluft für alle Zylinder erfaßt und keine direkte Kontrolle und Optimie rung der zylinderindividuellen Brennverläufe erlaubt, sind bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zylin derindividuelle Bestimmungen der einzuspritzenden Kraft stoffmenge oder des Zündwinkels möglich.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke beruht darauf, daß als Lastvariable die auf einen festen, willkürlich festgeleg ten Kurbelwellenwinkel innerhalb der Verdichtungsphase bezogene Größe, der Kompressionsdruck P_r, definiert wird. Als zweckmäßig hat sich hierfür ein Kurbelwellenwinkel von 90° vor dem oberen Kolbentotpunkt (O.T.) erwiesen. Bei der exakten Erfassung des Kompressionsdrucks in der definierten Referenzstellung 90° vor O.T. ergibt sich nun das Problem, daß bei den üblichen Meßverfahren (z. B. Piezoelemente) den ermittelten Drucksignalen im allgemei nen Störungen und ein unbekannter Gleichwert überlagert sind. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird deshalb zur Erhöhung der Meßgenauigkeit vorgeschlagen, den Druck p (90°) nicht unmittelbar zu messen, sondern über eine Regression aus mehreren Meßpunkten rechnerisch zu bestimmen. Dazu sind mindestens zwei Kolbenstellungen als Meßwerte zugrundezulegen, die zwischen 90° und 40° vor dem oberen Totpunkt (O.T.) liegen. Vorzugsweise soll ten der Rechnung drei Meßwerte in den Kurbelwellenstel lungen 90°, 60° und 40° vor O.T. zugrundegelegt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung dienen zur Er mittlung des Zylinderinnendrucks (P_zyl) Sensoren, die eine druckproportionale Analogspannung liefern, und die Analogspannung wird über eine Regressionsrechnung in die gesuchten Referenzdruckwerte umgewandelt.

Was nun die lastabhängige Regulierung der Drosselklappen stellung im einzelnen anbelangt, so sieht die Erfindung in vorteilhafter Weiterbildung ihres Grundgedankens vor, daß die in jedem einzelnen Zylinder ermittelten Innen drücke (P_zyl) über die Anzahl der Zylinder zu einem Zy linder-Istdruck gemittelt werden, wobei der gemittelte Zylinder-Istdruck mit einem durch die jeweilige Fahrpe dalstellung vorgegebenen Zylinder-Solldruck in einem Mo torsteuerungsrechner verglichen und die Druckdifferenz vom Motorsteuerungsrechner in einen Regler eingegeben wird, der den Drosselklappenwinkel so lange verstellt, bis die Druckdifferenz zu Null wird.

Der erfindungsgemäß verwendete Zylinderinnendruck bzw. der daraus ermittelte Referenzdruck kann aber darüber hinaus auch zur Bestimmung bzw. Regelung der Kraftstoff- Einspritzzeit dienen, derart, daß der Referenzdruck im Motorsteuerungsrechner mit einer empirisch zu ermitteln den Konstanten multipliziert wird.

Hierbei ist es sogar möglich, Druckdifferenzen zwischen den Innendrücken der einzelnen Zylinder zur zylinderindi viduellen Bestimmung der Einspritzzeiten und damit zum Ausgleich unterschiedlicher Kraftstoffluftgemisch-Fül lungsgrade zu verwenden.

Schließlich ist es erfindungsgemäß aber auch möglich, den ermittelten Referenzdruck, zusammen mit der jeweiligen Motordrehzahl, mittels eines in den Motorsteuerungsrech ner eingegebenen Kennfeldes zur Bestimmung des Zündwin kels zu verwenden.

Die Erfindung ist nun anhand eines Blockschaltbildes und in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert.

Die Figur zeigt in schematischer und vereinfachter Dar stellung einen Signalflußplan der erfindungsgemäßen Mo torsteuerung auf der Basis von Zylinderdrucksignalen.

In der Figur bezeichnet 10 einen Ottomotor eines Kraft fahrzeugs, 11 einen Algorithmus zur Bestimmung einer Lastvariablen aus Zylinderdrucksignalen, 12 einen digita len Filteralgorithmus, 13 eine Vorsteuerung der Drossel klappenstellung, 14 ein Zündkennfeld, 15 ein Grundkenn feld der Einspritzzeit und 16 eine Fahrpedalkennlinie.

Im einzelnen haben die in der Figur verwendeten Symbole folgende Bedeutung:

ϕ_pdl = Fahrpedalstellung

Stellgrößen am Motor:

ϕ_dk = Drosselklappenwinkel
ϕ_z = Zündwinkel
T_Inj = Einspritzzeit

Meßsignale:

P_zyl = Zylinderdrucksignale
n_M = Motordrehzahl

Kennfelder/statische Funktionen:

f_pdl = Fahrpedalkennlinie
f_vst = Vorsteuerung der Drosselklap penstellung
f_zw = Zündkennfeld
f_Inj = Grundkennfeld der Einspritz zeit

Dynamische Übertragungsfunktionen (Filter, Regler):

G_F(z) = Tiefpaßfilter

Um schnellen Lastwechseln beim Betrieb des Motors 10 bzw. des Kraftfahrzeugs folgen zu können, wird die Grundein stellung der elektrischen Drosselklappe, der Einspritz zeit, der Zündwinkel und ggf. der Abgasrückführung über Einstelltabellen als Funktion des Lastpunkts vorgenommen. Zur Definition des Lastpunkts benötigt man neben der Drehzahl eine weitere, annähernd drehmomentproportionale Meßgröße. Da das Drehmoment bei konstantem Kraftstoff-/Luft- Verhältnis proportional zu der von den Zylindern erfaßten Gemischmasse ist und diese aus dem Zylinder druckverlauf während der Kompressionsphase bestimmt wer den kann, erlauben gemessene Drucksignale die Ableitung einer geeigneten Lastvariablen. Gemäß der physikalischen Grundgleichung

pV = m R T (1)

ist die Masse m des erfaßten Kraftstoff-/Luft-Gemischs bei einem gegebenen Volumen proportional zur Größe p/T. Daher wird als Lastvariable die auf einen festen, will kürlich festgelegten Kurbelwellenwinkel innerhalb der Verdichtungsphase (z. B. 90° vor O.T.) bezogene Größe

P_r = p(90°)/T (2)

definiert.

Um P_r zu ermitteln, wird mit Hilfe von Zylinderdrucksen soren (nicht gezeigt) der Zylinderinnendruck P_zyl während der Verdichtungsphase in n diskreten, festen Winkelstel lungen der Kurbelwelle, vorzugsweise in den drei Winkel stellungen 90°, 60° und 40° vor O.T., gemessen. Aus den n (vorzugsweise drei) Meßwerten läßt sich im Rechner über eine Regressionsrechnung in Block 11 der Zylinderinnen druck in einer festgelegten Referenzposition der Kurbel welle (vorzugsweise 90° vor O.T.) ermitteln, der dann als Lastvariable P_r zur Motorsteuerung verwendet wird. Zur Ermittlung des als Lastvariable zur Motorsteuerung ver wendbaren Referenzdruckes P_r wird im einzelnen wie folgt vorgegangen.

Die zur Zeit verfügbaren Sensoren zur Messung des Zylin derdrucks P_zyl liefern allgemein eine Analogspannung U_p, die proportional zum Zylinderinnendruck P ist und einen unbekannten, annähernd konstanten Gleichwert U₀ überla gert hat:

U_p = U₀ + K_pP (3)

K_p ist eine Sensorkonstante. Setzt man in der Kompressi onsphase näherungsweise adiabatische Kompression an, so kann man den Druck in einer beliebigen Winkelstellung α_i der Kurbelwelle mit dem Druck in einer willkürlich fest gelegten Referenzstellung α_r (z. B. 90° vor O.T.) über die Gleichung

in Beziehung setzen, wobei V(α) das von der Kurbelwellen stellung abhängige Zylindervolumen ist. Der Polytropenex ponent n kann für das Benzin-Luft-Gemisch mit 1, 3 ange setzt werden. Einsetzen in Gleichung (3) liefert

U_pi = U₀ + K_p c_i P_r (5)

wird der Druck in n verschiedenen Stellungen der Kurbel welle gemessen, erhält man aus den Meßwerten U_p1, U_p2 bis Upn ein überbestimmtes Gleichungssystem zur Bestimmung der Unbekannten U₀ und P_r:

Nach der Methode der kleinsten Quadrate zur Lösung über bestimmter Gleichungssysteme wird die Fehlerquadratsumme ("T" kennzeichnet den transponierten Vektor)

E = e ^T e (7)

mit dem Fehlervektor

e = U _p - Ψ R (8)

minimal, wenn die unbekannten Parameter U₀ und P_r über die Gleichung

bestimmt werden. Im vorliegenden Fall ist die Matrix M für einen gegebenen Motor und gegebene Meßwinkel konstant und kann einmalig errechnet werden. Der zur Motorsteue rung verwendete Rechner muß nur während der Verdichtungs phase in den festgelegten Kurbelwellenwinkeln den Zylin derdruck messen und anschließend Gleichung (9) auswerten. In Versuchen, die an einem 2-Liter-Motor durchgeführt wurden, führten drei Messungen in den Positionen 90°, 60° und 40° vor dem oberen Totpunkt (O.T.) bereits zu einer hinreichenden Genauigkeit.

Die Hinzunahme weiterer Meßpositionen erlaubt durch die so erzielte Mittelung eine gewisse Kompensation der durch die verwendeten Analog/Digitalwandler vorgegebenen be grenzten Meßgenauigkeit.

Im folgenden soll nun die Nutzung des als Lastvariable ermittelten Referenzdruckes P_r näher erläutert werden. Der Fahrer gibt über die Stellung des Fahrpedals, die elektronisch gemessen wird, einen Drehmomentwunsch ab. Der nach dem oben angegebenen Verfahren bestimmte Refe renzzylinderdruck P_r ist in guter Näherung proportional zur angesaugten Gemischmasse und damit bei konstantem Kraftstoff-Luft-Verhältnis auch proportional zum abgege benen Drehmoment. Die Fahrpedalstellung wird daher über die Pedalkennlinie 16 in einen Zylinder-Solldruck P_w um gesetzt. Das Vorsteuerkennfeld 13 zur Ansteuerung einer Servodrosselklappe wird am Prüfstand so eingemessen, daß in jedem Lastpunkt die Ist-Lastvariable P_r mit dem über die Kennlinie 16 vorgegebenen Wert übereinstimmt. In ei ner weiteren Ausbaustufe kann diese Vorsteuerung durch einen PID-Regler ergänzt werden, der verbleibende Abwei chungen zwischen dem Soll- und Ist-Wert von P_r durch Kor rektur des Drosselklappenwinkels ausregelt.

Was die Kraftstoffgrundzuteilung anbelangt, so geht der Regler hierbei davon aus, daß die angesaugte Luftmenge in erster Näherung proportional zum Referenzdruck P_r ist. Die Einspritzzeit T_Inj kann daher über eine Multiplika tion mit einer Konstanten oder über eine Tabelle direkt als Funktion von P_r bestimmt werden. Die Auswertung von Druckdifferenzen zwischen den Referenzdrücken der einzel nen Zylinder erlaubt dabei die Berücksichtigung von un terschiedlichen Füllungsgraden.

Der Zündwinkel ϕ_z wird in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Referenzdruck P_r dem Kennfeld 14 entnommen. Auch hier erlaubt die Auswertung von Druckdifferenzen zwischen den Zylindern eine zylinderindividuelle Einstellung.

Claims

1. Managementsystem für Kolbenbrennkraftmaschinen, ins besondere Ottomotoren von Kraftfahrzeugen, zur Ein stellung wichtiger Stellgrößen, vornehmlich Zündwin kel (ϕ_z), Einspritzzeit (T_Inj) und Drosselklappen stellung (ϕ_dk), in Abhängigkeit vom jeweiligen Last punkt, wobei aus gemessenen Zylinderdrucksignalen eine Lastvariable zur Kennzeichnung des Lastpunktes abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Be stimmung des jeweiligen Lastpunktes und damit der Lastvariablen (Referenzdruck P_r) der während der Verdichtungsphase in mehreren diskreten Winkelstel lungen der Kurbelwelle zu messende Zylinderinnen druck (P_zyl) dient.

2. Managementsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zylinderinnendruck (P_zyl) in min destens zwei Kolbenstellungen vor dem oberen Tot punkt (O.T.) ermittelt wird.

3. Managementsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zylinderinnendruck (P_zyl) in drei Kolbenstellungen, vorzugsweise 90°, 60° und 40° vor dem oberen Kolbentotpunkt (O.T.), ermittelt wird.

4. Managementsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Zylinderin nendrucks (P_zyl) Sensoren dienen, die eine druckpro portionale Analogspannung (U_p) liefern, und daß die Analogspannung (U_p) über eine Regressionsrechnung in die gesuchten Referenzdruckwerte (P_r) umgewandelt wird.

5. Managementsystem nach einem oder mehreren der vor stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in jedem einzelnen Zylinder ermittelten Innendrücke (P_zyl) über die Anzahl der Zylinder zu einem Zylin der-Istdruck (P′_r) gemittelt werden.

6. Managementsystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der gemittelte Zylinder-Istdruck (P′_r) mit einem durch die jeweilige Fahrpedalstellung (ϕ_pdl) vorgegebenen Zylinder-Solldruck (P_w) in einem Motorsteuerungsrechner verglichen und die Druckdif ferenz vom Motorsteuerungsrechner in einen Regler eingegeben wird, der den Drosselklappenwinkel (ϕ_dk) so lange verstellt, bis die Druckdifferenz zu Null wird.

7. Managementsystem nach einem oder mehreren der vor stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Referenzdruck (P_r) zur Bestimmung bzw. Regelung der Kraftstoff-Einspritzzeit (T_Inj) dient, derart, daß der Referenzdruck (P_r) im Motorsteue rungsrechner (11) mit einer empirisch zu ermitteln den Konstanten multipliziert wird.

8. Motorsteuerungssystem nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß Druckdifferenzen zwischen den Re ferenzdrücken (P_r) der einzelnen Zylinder zur zylin derindividuellen Bestimmung der Einspritzzeiten (T_Inj) und damit zum Ausgleich unterschiedlicher Kraftstoffluftgemisch-Füllungsgrade dienen.

9. Managementsystem nach einem oder mehreren der vor stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Referenzdruck (P_r), zusammen mit der je weiligen Motordrehzahl, mittels eines in den Motor steuerungsrechner (11) eingegebenen Kennfeldes (14) zur Bestimmung des Zündwinkels (ϕ_z) dient.

10. Managementsystem nach Anspruch 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Druckdifferenzen zwischen den Referenzdrücken (P_r) der einzelnen Zylinder zur zy linderindividuellen Bestimmung der Zündwinkel (ϕ_z) dienen.