DE4326950C2

DE4326950C2 - Verfahren zur zylinderselektiven Kraftstoffzumessung bei Ottomotoren

Info

Publication number: DE4326950C2
Application number: DE19934326950
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: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2013-08-12
Also published as: DE4326950A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zylinderselekti ven Kraftstoffzumessung bei Ottomotoren zum Ausgleich un terschiedlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnisse in den ein zelnen Zylindern.

Bei Ottomotoren mit mehreren Zylindern verteilt sich die angesaugte Luft aufgrund von Schwingungsvorgängen im Saugrohr lastpunktabhängig unterschiedlich auf die ein zelnen Zylinder. Wird nun die Einspritzdauer des Kraft stoffes global für alle Zylinder aus dem Signal des Luft massenmessers bzw. aus dem Saugrohrdruck ermittelt und jedem Zylinder eine gleiche Menge Kraftstoff zugeführt, so führen die Unterschiede der Gasfüllungen zu verschie denen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen in den Zylindern, die eine exakte Lambda-Regelung zur Erzielung optimaler Ab gaswerte erschweren oder gar unmöglich machen.

Mit der DE-PS 38 33 122 wird eine Vorrichtung zum Über wachen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einer Brenn kraftmaschine beschrieben, die das Luft-Kraftstoff-Ver hältnis unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftma schine auf einen Sollwert einregeln soll, indem der Maxi malwert des Druckanstieges in einem Zylinder während ei nes Zündzyklus oder dessen Mittelwert in einer vorbe stimmten Anzahl von Zyklen erfaßt wird und dieser Wert in Relation gesetzt wird mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Anwendung der Erkenntnis, daß der Maximalwert des Druckanstiegs groß ist, wenn ein fettes Luft-Kraftstoff- Gemisch vorliegt und umgekehrt, unabhängig von Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine. Die Relation ist dabei in einer Wertetabelle festgelegt, nach der ein Rechner nach dem ermittelten Druckanstieg das angemessene Luft- Kraftstoff-Verhältnis für den jeweiligen Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine ermittelt, damit es dem Maximalwert des Druckanstieges entspricht.

Da jedoch eine physikalisch exakte Beziehung zwischen den jeweiligen motorischen Kenngrößen und der Abgaszusammen setzung in einer Wertetabelle nicht gegeben werden kann, müssen die Sollwerte empirisch vorgegeben werden. In der Praxis ist die Vorgabe von nicht unmittelbar physikalisch zu interpretierenden Zielgrößen aus meßtechnischen Grün den und auch wegen der ungesicherten Reproduzierbarkeit problematisch, so daß der angestrebte Sollwert des Luft- Kraftstoff-Verhältnisses nicht in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erreichbar ist.

Mit DE 41 26 182 ist eine elektronische Steuereinrichtung für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmo tor beschrieben, welche die an die jeweiligen Zylinder gelieferte Ansaugluftmenge messen kann und die das Luft- Kraftstoff-Verhältnis des Zylinders mit einem vorher festgelegten Verhältnis in Übereinstimmung bringen soll. Dazu sind ein Zylinderinnendrucksensor, ein Kurbelwinkel sensor, Mittel zur Berechnung eines repräsentativen Wer tes des erfaßten Zylinderinnendruckes bei vorbestimmten Kurbelwinkeln, Mittel zum Berechnen der zugehörigen An saugluftmenge und eines dazu gehörenden repräsentativen Wertes für vorbestimmte Zyklen sowie Mittel zur Berech nung der Kraftstoffmenge für diesen repräsentativen Wert der Ansaugluftmenge vorgeschlagen.

Die Steuereinrichtung muß jedoch zur Errechnung der An saugluftmenge auf Wertetabellen zurückgreifen, so daß nicht für alle Betriebspunkte der reale Wert für die Kraftstoffzumessung ermittelbar ist. Unterschiedliche Kraftstoffqualitäten bleiben für die Zumessung unberück sichtigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ohne empi risch zu ermittelnde Wertetabellen auskommt und bei dem keine zylinderindividuellen Kenngrößen über Absolutwert regler auf vorzugebende Sollwerte eingeregelt werden müs sen, welches aber für jeden Betriebspunkt der Brennkraft maschine ein gleiches Luft-Kraftstoff-Verhältnis in jedem Zylinder erzielt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein mittleres Maß Φ_B für die Brenndauer jedes Zylinders einer n-zylindrigen Brennkraftmaschine zugrunde gelegt wird, aus den Φ_B-Werten aller n Zylinder ein arithmeti scher Mittelwert Φ_Bave gebildet wird, von dem arithmeti schen Mittelwert Φ_Bave zur Ermittlung einer korrigierten Einspritzzeit T_I1 bzw. einer analogen Einspritzmenge V_I1 eines ersten Zylinders Z₁ die individuellen Brenndauer- Werte Φ_B2 bis Φ_Bn aller anderen Zylinder Z₂ bis Z_n sub trahiert werden, die so für den Zylinder Z₁ erhaltene Ab weichung der Brenndauer ΔΦ_B1 durch einen PI-Regler auf integriert wird und so einen Reglerausgangswert y₁ lie fert, welcher als Korrekturfaktor mit der global von z. B. einem Luftmassenmesser vorgegebenen mittleren Grund einspritzzeit T_I0 multipliziert wird und damit eine kor rigierte Einspritzzeit T_I1 für den Zylinder Z₁ liefert und daß die Ermittlung der Einspritzzeiten T_I2 bis T_In für die weiteren Zylinder Z₂ bis Z_n in analoger Weise er folgt.

Für Zylinder mit magerer Gemischzusammensetzung, d. h. mit überdurchschnittlich langer Brenndauer, ist ΔΦ_B po sitiv; für Zylinder mit fettem Gemisch entsprechend nega tiv. Durch die PI-Regler werden daher die Einspritzzeiten der mager laufenden Zylinder verlängert, d. h. das Ge misch wird gegenüber der Grundeinspritzzeit T_I0 angefet tet, und die Einspritzzeiten der fett laufenden verkürzt, d. h. die Gemische gegenüber der Grundeinspritzzeit abge magert. Der Regelvorgang ist auf den angestrebten Zustand eingeschwungen, wenn die ΔΦ_B-Werte als Eingangswerte der PI-Regler zu Null werden, d. h. wenn die Φ_B-Werte ihrem Mittelwert entsprechen und somit untereinander gleich sind. Damit ist auch der angestrebte Ausgleich von unter schiedlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen zwischen den Zylindern erreicht.

Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann auf einen der n PI-Regler verzichtet werden, d. h. für eine n-zylindrige Brennkraftmaschine sind lediglich n-1 PI- Regler erforderlich, indem die zylinderspezifische Brenn dauer Φ_B der Zylinder Z₁ bis Z_n-1 gemäß den Verfahrens schritten nach Anspruch 1 zu Einspritzzeiten T_I bearbei tet werden und dann für den Zylinder Zn die Einspritzzeit T_In als Differenz zwischen der vom Luftmassenmesser er mittelten mit n multiplizierten globalen Einspritzzeit T_I0 und der Summe aller übrigen zylinderspezifischen Ein spritzzeiten T_Ix errechnet wird.

Ein mittleres Maß der Brenndauer Φ_B kann gewonnen werden als überstrichener Winkel zwischen Zündwinkel und dem Winkel des maximalen Verbrennungsdruckes, gemessen an der Kurbelwelle.

Ein mittleres Maß der Brenndauer Φ_B kann ebenfalls ermit telt werden mit Hilfe des in den US-PS 4 621 603, 4 622 939 und 4 624 229 sowie im US-Research Report EN-347 dar gestellten "Pressure Ratio Management" zur Zündwinkel regelung. Eine damit gewonnene Größe P₁₀ stellt ein Maß für den Anteil des unverbrannten Kraftstoffs bei 10° Kurbelwinkel nach OT dar und ergibt nach der Formel

1 - P₁₀ = Φ_B

einen Wert zwischen Null und Eins.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an hand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm für die verfahrensge mäßen Schritte nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer abgewandelten vorteil haften Art;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens gemäß dem Ablaufdiagramm nach Fig. 2;

Fig. 4a und Fig. 4b Schaubilder zur Verdeutlichung der Herlei tung des Rechenwertes P₁₀ für die Ermitt lung der zylinderspezifischen Brenndauer Φ_B der Einzelzylinder Z_x.

Ein einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine zugeordnetes Motormanagement ermittelt ständig und für jeden der vier Zylinder gesondert eine zwischen den vier Zylindern Z_{x(1, 2, 3, 4)} vergleichbare Brenndauer Φ_{Bx(1, 2, 3, 4)}. Dies kann beispielsweise nach dem dargestellten "Pressure Ratio Managment" erfolgen, wie es gemäß den US-Patent schriften 4 621 603, 4 622 939 und 4 624 229 als Ansatz für eine Zündwinkelregelung dargestellt ist. Danach wird eine Größe P₁₀, die ein Maß für den prozentualen Anteil des eingespritzten Kraftstoffs darstellt, der in einer definierten Stellung der Kurbelwelle kurz nach dem oberen Totpunkt, z. B. 10° nach OT, bereits verbrannt ist, her geleitet und den weiteren Regelungen zugrundegelegt. Hohe Werte für P₁₀ kennzeichnen eine schnelle Verbrennung, niedrige eine langsame.

Zur Bestimmung der Größe P₁₀ werden mehrere Druckmeßwerte des jeweiligen Verbrennungsraumes ausgewertet, die in fest vorgegebener Stellung der Kurbelwelle erfaßt werden, z. B. -90°, -60°, -40°, 10° und 90°, bezogen auf den obe ren Totpunkt (vgl. Fig. 4a).

Zur Herleitung der Kenngröße P₁₀ werden bei zwei Kurbel wellenstellungen αϕ während der Verbrennungsphase die Druckquotienten r_x ("Pressure Ratios") betrachtet:

wobei P_mot( _ϕ ₎ für den Druck im ungefeuerten Betrieb steht (ausgezogene Linie in Fig. 4 a) und P₍ _ϕ ₎ für den Druck im gefeuerten Betrieb (punktierte Linie in Fig. 4a).

Der Wert für r_x liegt vor der Zündung naturgemäß bei Eins und nach Abschluß des Brennvorganges annähernd konstant bei ca. 3,5 (vgl. Fig. 4 b).

Der zeitliche Verlauf der Hilfsgröße

h₍ _ϕ ₎ = r_x( _ϕ ₎ - 1

ist näherungsweise proportional zum Anteil des bereits verbrannten Kraftstoffs. Legt man zwei Meßstellen derart fest, daß die erste Messung während des Brennvorganges (10° nach OT) und die zweite nach vollständig abgeschlos sener Verbrennung (z. B. 90° nach OT) erfolgt, so gibt der Quotient

ein Maß für den Anteil des verbrannten Kraftstoffs in der ersten Stellung an. Dieser Wert P₁₀ kann für die vorlie gende Erfindung zur Ermittlung einer zylinderspezifischen Brenndauer Φ_Bx des Zylinders x genutzt werden, indem

Φ_Bx = 1 - P_10(x)

gesetzt wird.

Φ_B liegt in diesem Fall zwischen Null und Eins und stellt ein Maß für den Anteil des unverbrannten Kraftstoffs 10° nach OT dar.

Eine weitere Möglichkeit zur Darstellung eines Φ_Bx wäre der Wert des überstrichenen Kurbelwinkels zwischen der Zündung und dem Winkel des maximalen Verbrennungsdruckes im jeweiligen Zylinder.

Der erste Schritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens be steht darin, die jeweilige Brenndauer Φ_B jedes Zylinders zu ermitteln, also im vorliegenden Fall Φ_B1, Φ_B2, Φ_B3 und Φ_B4. In einem nächsten Schritt 2 wird der arithmetische Mittelwert Φ_Bave der vier Φ_B-Werte ermittelt, indem die Einzelwerte addiert und das Ergebnis durch vier, nämlich die Anzahl der Zylinder, dividiert wird.

In einem weiteren Schritt 3 wird die Differenz ΔΦ_Bx zwi schen jeder zylinderspezifischen Brenndauer Φ_Bx und der mittleren Φ_Bave gebildet.

Die so erhaltenen Differenzen ΔΦ_B1, ΔΦ_B2, ΔΦ_B3 und ΔΦ_B4 sind bei überdurchschnittlich langer Brenndauer, d. h. bei Füllungen mit magerem Gemisch, positiv und bei kürzerer Brenndauer als die durchschnittliche Brenndauer Φ_Bave, d. h. bei Füllungen mit fettem Gemisch, negativ.

Diese Differenzen ΔΦ_Bx werden in Schritt 4 durch jeweils einen PI-Regler aufintegriert zu Faktoren y₁, y₂, y₃ und y₄, jeweils einem Zylinder zugehörig.

Im Schritt 5 werden die Faktoren y_x multipliziert mit der global vorgegebenen Grundeinspritzzeit T_I0. Das Ergebnis ist die für jeden Zylinder zu einer gleichen Gemisch zusammensetzung tendierende Einspritzmenge V_Ix an Kraft stoff.

Durch die PI-Regler werden die Einspritzzeiten der mager laufenden Zylinder verlängert und die der fett laufenden verkürzt. Der Regelvorgang ist eingeschwungen, wenn die Eingänge der PI-Regler, also die ΔΦ_Bx-Werte zu Null werden; d. h., wenn die in Schritt 1 ermittelten Werte Φ_Bx für die Brenndauer ihrem Mittelwert entsprechen und somit untereinander gleich sind.

Gemäß der Erfindung kann das Verfahren auch abgewandelt werden, indem, wie in Fig. 2 dargestellt, für den vierten Zylinder die Einspritzzeit T_I4 nicht über einen von einem PI-Regler zu ermittelnden Faktor y₄ errechnet wird, son dern, gemäß Schritt 6, unter Verwendung der global vorge gebenen Grundeinspritzzeit T_I0, die mit 4 multipliziert wird und indem von diesem Wert die wie oben beschrieben ermittelten Einspritzzeiten T_I1, T_I2 und T_I3 subtrahiert werden. Damit kann in der Schaltung, die in Fig. 4 darge stellt ist, ein PI-Regler eingespart werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Abgaswerte einer Brennkraftmaschine gegenüber den bisher bekannten Verfahren weiter verbessert werden.

Claims

1. Verfahren zur zylinderselektiven Kraftstoffzumessung bei Ottomotoren zum Ausgleich unterschiedlicher Luft-Kraftstoff-Verhältnisse in den einzelnen Zylin dern, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) es wird ein mittleres Maß Φ_B für die Brenndauer jedes Zylinders einer n-zylindrigen Brennkraft maschine zugrunde gelegt,
b) aus den Brenndauer-Werten Φ_B aller n Zylinder wird ein arithmetischer Mittelwert Φ_Bave gebil det,
c) von dem arithmetischen Mittelwert Φ_Bave werden zur Ermittlung einer korrigierten Einspritzzeit T_I1 bzw. einer analogen Einspritzmenge V_I1 ei nes ersten Zylinders Z₁ die individuelle Brenn dauer Φ_B2 bis Φ_Bn aller anderen Zylinder Z₂ bis Z_n subtrahiert,
d) die so erhaltene Abweichung ΔΦ_B1 der Brenn dauer des Zylinders Z₁ wird durch einen PI-Reg ler aufintegriert und liefert so einen Regler ausgangswert y₁, welcher als Korrekturfaktor mit der global von z. B. einem Luftmassenmesser vorgegebenen mittleren Grundeinspritzzeit T_I0 multipliziert wird und damit eine korrigierte Einspritzzeit T_I1 für den Zylinder Z₁ liefert,
e) die Ermittlung der Einspritzzeiten T_I2 bis T_In für die weiteren Zylinder Z₂ bis Zn erfolgt in analoger Weise.

2. Verfahren nach dem Oberbegriff und den Merkmalen a) bis d) des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich für die Zylinder Z₁ bis Z_n-1 gemäß den Verfahrensschritten a) bis d) des Anspruches 1 die zylinderspezifischen Einspritzzeiten T_I1 bis T_I(n-1) ermittelt werden und dann für den Zylinder Z_n die Einspritzzeit T_In als Differenz zwischen einer vom z. B. Luftmassenmesser ermittelten mit n multipli zierten globalen Einspritzzeit T_I0 und der Summe al ler übrigen zylinderspezifischen Einspritzzeiten T_I1 bis T_I(n-1) errechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein mittleres Maß der Brenndauer Φ_B gewonnen wird durch Messung des überstrichenen Win kels an der Kurbelwelle zwischen Zündwinkel und dem Winkel des maximalen Verbrennungsdruckes.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein mittleres Maß der Brenndauer Φ_B gewonnen wird durch Ermittlung eines Anteiles P₁₀ des unverbrannten Kraftstoffes bei 10° Kurbelwinkel nach OT, gemessen nach dem in den US-Patentschriften 4 621 603, 4 622 939 und 4 624 229 dargestellten "Pressure Ratio Management", wobei die mittlere Brenndauer Φ_B als 1-P₁₀ definiert ist.