DE4412020C2 - Verfahren zur rechnergesteuerten Bestimmung der Brennstoffmenge für die Einspritzung in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur rechnergesteuerten Bestimmung der Brennstoffmenge für die Einspritzung in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur rechner­ gesteuerten Bestimmung der Brennstoffmenge, die einem Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine für ein Gemisch mit einer Luftladung eingespritzt wird.
Die bekannten Brennstoff-Einspritzsysteme von Brennkraft­ maschinen für Kraftfahrzeuge arbeiten in der Regel mit einem Luftmengenflußsensor, welcher die über den Ansaug­ krümmer der Maschine zuströmende Luftmenge erfaßt. Die von dem Sensor bereitgestellten Daten werden zur Berechnung der Luftladung eines Zylinders benutzt, aus welcher dann die Impulsbreite der Brennstoff-Einspritzpumpe bestimmt wird, die für die Bereitstellung eines gewünschten Luft/Brennstoff- Mischungsverhältnisses benötigt wird. Aus der US-PS 5 159 914 ist ein Brennstoff-Einspritzsystem bekannt, bei welchem ein Heißdraht-Luftmengenflußsensor eine grobe Angabe über die Luftströmungsrate an den Rechner liefert. Der Rechner korrigiert die grobe Angabe für eine Kompensation der Leckage der Luftströmung in dem Ansaugsystem. Die kompen­ sierte Angabe über die Luftströmung wird in einem Füllungs­ modell für den Ansaugkrümmer benutzt, welches die Angabe modifiziert, um die Auswirkungen der Maschinenbelastung auf den volumetrischen Wirkungsgrad der Maschine zu berücksich­ tigen. Der Rechner berechnet die Luftladung des Zylinders unter Verwendung der modifizierten Angabe aus dem Füllungs­ modell des Ansaugkrümmers. Nachdem die Luftladung des Zylinders bestimmt wurde, wird die Impulsbreite der Brenn­ stoff-Einspritzpumpe bestimmt, die für ein gewünschtes Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnis benötigt wird.
Zur Verbesserung des Brennstoff-Wirkungsgrades und zur Verringerung des Schadstoffausstoßes bei einer Brennkraft­ maschine kann eine Veränderung der Synchronisation oder des relativen Phasenwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle nützlich sein, um bei verschiedenen Drehzahl/ Last-Bedingungen der Maschine einen optimaleren Betrieb zu erhalten. Aus einer älteren Anmeldung ist eine Steuerung der Phasenverschiebung unter Verwendung einer Hydraulikvor­ richtung bekannt, welche ein Antriebskettenrad der Nocken­ welle mit einem Flansch der Nockenwelle drehbar kuppelt. Der die Maschine steuernde Rechner spricht auf die sich stetig ändernden Betriebsbedingungen der Maschine an, um die Hydraulikvorrichtung zu steuern und den gewünschten relativen Phasenwinkel auf die Bedingung einzustellen, die zu jedem beliebigen Zeitpunkt vorliegt. Eine geeignete Hydraulikvor­ richtung ist in der US-PS 5 117 784 beschrieben und ist in die vorliegende Erfindung einbezogen.
Der volumetrische Wirkungsgrad Veff ergibt eine Angabe darüber, wie wirksam eine Maschine beim Füllen eines Zylin­ ders ist, so daß er mit einem prozentualen Anteil der gesam­ ten Zylinderkapazität ausgedrückt wird. Weil sich der Zylinder nicht vollständig mit Luft und Brennstoff füllt, ändert sich der Wert für Veff typischerweise zwischen 50% und 85% der gesamten Zylinderkapazität. Der Wert für Veff wird von verschiedenen Faktoren beeinflußt, wie der Zylinder­ verstellung, dem Kolbenhub, der Luftansauggeometrie und der Ventilsynchronisation. Das Ansaugsystem und im besonderen das Einlaßventil begrenzt die Luftmenge, die eine Maschine ansaugen kann. Bei einer Veränderung der Nockensynchronisa­ tion in Abhängigkeit von den sich stetig ändernden Betriebs­ bedingungen der Maschine wird eine Beeinflussung des Zeit­ punktes erhalten, wenn sich das Einlaßventil öffnet und schließt, so daß daraus Änderungen des volumetrischen Wirkungs­ grades erhalten werden.
Um die mit einer veränderlichen Nockensynchronisation erhaltenen Gewinne einer wirtschaft­ lichen Brennstoffnutzung und die Verringerungen des Schad­ stoffausstoßes zu erhalten oder zu verbessern, besteht somit die Aufgabe der Erfindung darin, eine Strategie für das Berechnen der Luftladung eines Zylinders und damit die Brennstoff-Impuls­ breite vorzusehen, die zu Veränderungen des volumetrischen Wirkungsgrades beiträgt, welche bei einer Veränderung der Nockensynchronisa­ tion auftreten.
Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ergibt eine rechnergesteuerte Bestimmung der in einen Zylinder einge­ spritzten Brennstoffmenge durch eine Berechnung der Luftladung eines Zylinders in Abhängigkeit von dem momentanen Phasenwinkel der Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle. Dabei wird die Berechnung eines Koeffizienten der Füllung des Ansaugkrümmers, welcher für ein betreffendes Füllungsmodell benutzt wird, als eine Funktion von Kalibrierungswerten dargestellt, welche die Wirkung des Nockenphasenwinkels und der Maschinen­ drehzahl auf den volumetrischen Wirkungsgrad ausdrücken. Das Füllungsmodell benutzt dabei die Angabe eines Luftmengen­ flußsensors, die mit der Leckage der Luftströmung in dem Ansaugsystem kompensiert wurde, wobei das Füllungsmodell diese kompensierte Luftströmungsangabe in Übereinstimmung mit dem Füllungskoeffizienten modifiziert und so die Bezie­ hung zwischen dem volumetrischen Wirkungsgrad und dem vorhandenen Nockenphasenwinkel ausdrückt. Die durch das Füllungsmodell berechnete Luftladung wird für die Vorhersage der Luftladung eines Zylinders benutzt, die ihrerseits für die Berechnung der Impulsbreite einer Einspritzpumpe benutzt wird, welche für die Bereitstellung eines gewünschten Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnisses benötigt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur näheren Erläuterung der Betriebs­ weise des bei dem Verfahren verwendeten Rechners.
Das Verfahren für eine rechnergesteuerte Bestimmung der Brennstoffmenge, die in jeden Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wird unter Verwendung einer Einrichtung realisiert, welche die Phasenwinkel einer linken Nockenwelle und einer rechten Nockenwelle der Maschine 14 relativ zu der Kurbelwelle der Maschine verändern läßt. Die Einrichtung arbeitet dafür mit sog. VCT-Solenoiden 10 und 12 für die Positionierung der Kolben einer geeigneten Hydraulikvorrichtung zur Erzielung einer veränderlichen Nockensynchronisierung. Das der linken Nockenwelle zugeord­ nete eine VCT-Solenoid 10 wird aus einer Gleichstromquelle unter Vermittlung eines in seiner Impulsbreite während eines Arbeitszyklus mit veränderlicher Konstantfrequenz modulierten Ausgangssignals VCT1 versorgt, welches aus einem die Maschine 14 steuernden Rechner 16 angeliefert wird. Der Rechner 16 hat eine normale Ein-/Ausgabesteuerung, einen ROM-Speicher, einen RAM-Speicher und eine zentrale Prozessoreinheit. Das der rechten Nockenwelle zugeordnete VCT-Solenoid 12 wird andererseits von einem entsprechenden Ausgangssignal VCT2 des Rechners 16 gesteuert, welches ebenfalls ein in der Impulsbreite moduliertes Signal ist. Auf der anderen Seite werden von Positionssensoren 18 und 20 rückgekoppelte Steuersignale LCAM und RCAM an den Rechner 16 geliefert, welche den aktuellen Phasenwinkel der linken und der rechten Nockenwelle angeben. Einer dieser beiden Positionssensoren kann dabei auch ein Zylinder-Identifizie­ rungssignal CTD an den Rechner 16 liefern. Weiterhin erhält der Rechner 16 noch ein Zündungs-Abtastsignal PIP, mit welchem eine Information über die Position der Kurbelwelle und damit die Maschinendrehzahl vermittelt wird und welches auch die Synchronisierungs- und Unterbrechungssignale liefert, welche die Berechnungen zur Steuerung der Luft­ strömung und des Brennstoffes einleitet. Dieses PIP-Signal kann in Abhängigkeit von dem Ausgang eines herkömmlich ausgebildeten Kurbelwellensensors erzeugt werden. Der Rechner 16 benutzt die CID-, PIP-, LCAM- und RCAM-Daten sowie weitere Betriebsparameter der Maschine 14 für eine Berechnung von optimalen Werten der VCT1- und VCT2-Signale, um die Leerlaufbedingungen der Maschine zu verbessern, das Maschinendrehmoment zu erhöhen und den Schadstoffausstoß zu verringern. Bei einem Auftreten eines Unterschiedes zwischen dem gesteuerten gewünschten Phasenwinkel der Nockenwelle und dem aktuell gemessenen Phasenwinkel wird eine PTD- Steuerroutine durchgeführt, um jeden vorhandenen Fehler zu verringern.
Der Rechner 16 liefert einen Brennstoff-Impulsbreitenaus­ gang FUELPW an das Brennstoffeinspritzsystem der Maschine, wobei der Betrieb des Computers durch verschiedene, nach­ folgend näher beschriebene Software-Moduln gesteuert wird. Durch herkömmliche Sensoren wird die Temperatur des Kühl­ wassers der Maschine unter Anlieferung eines ECT-Signals, die Temperatur der Luftladung unter Anlieferung eines ACT- Signals, die Position der Drosselklappe unter Anlieferung eines TP-Signals, die Maschinendrehzahl unter Anlieferung eines RPM-Signals und die Luftmengenströmung unter Anliefe­ rung eines MAF-Signals an den Rechner 16 überwacht, wobei alle diese Signale die Berechnung des FUELPW-Ausgangssignals beeinflussen. Die verschiedenen analogen Eingänge werden periodisch unter einer Programmsteuerung ausgelesen und durch einen A/D-Wandler in Digitalworte umgewandelt sowie in dem RAM-Speicher gespeichert, um für die Berechnung eines Digitalwortes durch die zentrale Prozessoreinheit verwendet zu werden, welches für jeden Zylinder den FUELPW- Signalausgang definiert. Der FUELPW-Signalausgang wird zu einem in der Impulsbreite während eines Arbeitszyklus veränderlich modulierten Steuersignal verwandelt und an ein herkömmliches Brennstoffeinspritzsystem geliefert, welches eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzpumpen bzw. -einspritz­ düsen aufweist. Aus dem Flußdiagramm der Fig. 2 ist die Berechnung der Luftladung und der Brennstoffmenge für die Bereitstellung eines gewünschten Luft/Brennstoff-Mischungs­ verhältnisses herleitbar. Der Ausgang des MAF-Sensors wird zu einem Digitalwert umgewandelt und in dem RAM-Speicher des Rechners 16 gespeichert. Ein die aktuelle Luftladung berechnender Modul 30 integriert die MAF-Daten über zwei Erfassungszeiträume, um einen aktuellen integrierten Luft­ mengenwert AM_INT[t] zu erhalten. Ein Luftmengenbetrag AIR_CHG_COMP repräsentiert die Summe der Luftleckage in dem Ansaugkrümmer, also der nicht durch den MAF-Sensor gemesse­ nen Luftströmung, und der Driftkomponenten des Luftdurchfluß­ zählers. Diese AIR_CHG_COMP-Menge wird berechnet und zu dem AM_INT[t]-Wert hinzugefügt, um eine aktuelle Luftladung AIR_CHG_CUR[t] zu erhalten, worin [t] zur Identifizierung des aktuellen integrierten Luftladungswertes benutzt wird. Die vorhergehend integrierte Luftladungsberechnung wird nachfolgend als AIR_CHG_CUR[t-1] bezeichnet.
Ein den Nockenwinkel erfassender und auswählender Modul 32 liest die LCAM- und RCAM-Eingänge aus, welche den erfaßten Phasenwinkel der linken und rechten Zylinderreihen ergeben, und er wählt denjenigen Eingang aus, welcher den größeren Winkel ergibt, bei welchem also eine größere Verzögerung in Bezug auf die Kurbelwelle vorhanden ist. Diese Auswahl resultiert in der kleinsten Zeitkonstanten für das Füllungs­ modell des Ansaugkrümmers. Wenn also der am meisten verzöger­ te Phasenwinkel ausgewählt wird, dann wird dadurch ein kleinerer Füllungskoeffizient für den Ansaugkrümmer erzeugt und damit ein langsameres Ansprechen auf Veränderungen der Luftströmung. Das Digitalwort, welches dem so ausgewählten Winkel entspricht, wird mit AIR_PHASE bezeichnet und eben­ falls in dem RAM-Speicher des Rechners 16 gespeichert.
Ein Modul 34 für die Berechnung des Luftladung-Hintergrundes übt zwei Tabellenfunktionen aus und verwendet dafür die in dem RAM-Speicher gespeicherten AIR_PHASE- und RPM-Werte. Die in den Tabellen enthaltenen Werte beziehen sich auf die Neigung SL und den Versatz, welche beim Berechnen eines abgeleiteten absoluten Ansaugkrümmer-Druckwertes INF_MAP für den interessierenden Nockenwinkel und die interessieren­ de Maschinendrehzahl benutzt werden. Der in den Tabellen gespeicherte Wert dieser Konstanten wird aus Versuchsreihen mit dem jeweils interessierenden Fahrzeug erhalten, um die Wirkung einer Veränderung des Nockenphasenwinkels über einen Bereich von Maschinendrehzahlen auf den Absolutdruck im Ansaugkrümmer und damit auf den volumetrischen Wirkungs­ grad zu bestimmen. Dabei wird eine Interpolationsroutine an den aus jeder Tabelle erhaltenen Werten durchgeführt, um den Wert für die interessierende Drehzahl und den Winkel zu erhalten. Der aus der Tabelle erhaltene Versatz wird vorzugs­ weise mit einem Multiplikator korrigiert, der aus einer dritten Tabelle erhalten wird, bei welcher der barometrische Druck BP als Eingangsgröße benutzt wird. Der korrigierte Versatz wird nachfolgend als OFF bezeichnet. Unter Verwen­ dung dieser Tabellenwerte kann dann der Absolutdruck MAP im Ansaugkrümmer wie folgt abgeleitet werden:
INF_MAP[t] = SL*AIR_CHG[t-1]+OFF.
Der volumetrische Wirkungsgrad Veff kann als aktuelle Luftladung bei einem vorgegebenen Absolutdruck MAP mit einer Korrektur für die Luftladungstemperatur ACT und die Kühlwassertemperatur ECT der Maschine geteilt durch die theoretische Luftladung ausgedrückt werden, wenn der Zylin­ der mit Luft bei dem vorgegebenen Absolutdruck MAP gefüllt werden würde. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:
Veff = AIR_CHG[t-1]*FN(ACT,ECt)/AIR_THEO[t]
worin
AIR_THEO[t] = INF_MAP[t]*(ENGDIS/ENGCYL)*8.488E-5
also:
worin
ENGDIS = Maschinenverstellung
ENGCYL = Anzahl der Zylinder in der Maschine
FN(ACT,ECT) = Kalibrierungskonstante, die aus einer Tabelle unter Verwendung der ACT- und ECT-Werte als Eingänge erhalten wird.
Ein Führungsmodul 36 für den Ansaugkrümmer berechnet einen Füllungskoeffizienten F[t], der als ein Multiplikator für eine Modifizierung des von dem Modul 30 erhaltenen AIR_CHG_CUR[t]-Wertes benutzt wird, um einen korrigierten Luftladungswert AIR_CHG[t] zu erhalten und so den Wechsel des volumetrischen Wirkungsgrades zu berücksichtigen, der von einem Wechsel des Nockenphasenwinkels resultiert. Die durch den Modul 34 ausgeführten Hintergrund-Berechnungen sind synchron zu den durch den Modul 36 ausgeführten Vorder­ grund-Berechnungen, welche in den RAM-Speicher gespeichert und zur Verwendung durch den Modul 36 zu dem Zeitpunkt verfügbar sind, wenn der AIR_CHG_CUR[t]-Wert von dem Modul 30 verfügbar ist. Der Modul 34 speichert die beiden SL- und OFF-Werte in dem RAM-Speicher für eine Verwendung durch den Modul 36 sowie einen dritten Wert, der als AIR_NUM_MULT-Wert bezeichnet ist und die Konstante 11781.34/(ENGDIS/ENGCYL) ausdrückt, die durch den Multiplikator FN(ACT,ECT) modifi­ ziert ist. Der Modul 36 benutzt diese Werte für eine Berech­ nung wie folgt:
worin AIR_CHG[t-1] der vorhergehend berechnete und gespeicherte Wert von AIR_CHG[t] ist. Der Wert von F[t] wird als F[t-1] zur Verwendung während der nächsten Berechnung gespeichert, so daß Veränderungen des volumetrischen Wirkungsgrades von einem Ereignis zu dem nächsten kompensiert werden. Wenn F[t] nicht gleich Null ist, dann berechnet der Modul 36 einen Luftladungswert, des vorhandenen Nockenphasenwinkels, die in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung korrigiert ist:
Wenn F[t] wie während der Initialisierung Null ist, dann ergibt sich die folgende Gleichung:
AIR_CHG[t] = AIR_CHG_[t-1]
Der Wert AIR_CHG[t] wird durch einen Vorhersagungsmodul 38 benutzt, welcher die beiden zukünftigen Ereignisse der Luftladung vorhersagt, um Verzögerungen bei der Zumessung des Brennstoffs zu berücksichtigen. Die in dem Modul 38 durchgeführten Rechnungen sind auf der Basis einer Annahme von linearen Veränderungen des AIR_CHG_CUR[t]-Wertes für das nächste Ereignis [t+1] und daß kein Wechsel von diesem Niveau für das folgende [t+2]-Ereignis stattfindet. Die in dem Modul 38 durchgeführten Berechnungen sind auch auf der Basis einer Annahme, daß der Führungskoeffizient F[t] des Ansaugkrümmers für die nächsten beiden Ereignisse gleich bleibt. Es ergibt sich daher die folgende Gleichung:
AIR_CHG[t+2] = F[t]*(2-F[t]*(2*AIR_CHG_CUR[t] -
AIR_CHG_CUR[t-1]) + ((1-F[t])2 *AIR_CHG[t]
Der erwartete Luftladungswert AIR_CHG[t+2] wird in dem RAM- Speicher gespeichert und durch einen Modul 40 zur Bestimmung der endgültigen Luftladung benutzt, der einen CYL_AIR_CHG- Wert bestimmt. Dieser CYL_AIR_CHG-Wert wird von einem Modul 42 durch die Berechnung des Brennstoffs benutzt, wobei dieser Modul wegen der Brennstoffladung eines Zylinders auf die korrespondierende Impulsbreite FUELPW der Einspritzpumpe oder Einspritzdüse bestimmt, die für die Erzielung eines gewünschten Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnisses benötigt wird. Die durch den Modul 38 durchgeführte Vorhersage kann einen AIR_CHG[t+2]-Wert erzeugen, der größer ist als die maximal mögliche Luftströmung und sollte daher nicht für die Berechnung der Brennstoffströmung benutzt werden. Der Modul 40 vergleicht den AIR_CHG[t+2]-Wert mit einem maxima­ len vorhergesagten Luftströmungsschwellwert AIR_WOT_ANT, der von dem Modul 34 berechnet wird unter Verwendung der Standardluftladung der Maschine, korrigiert mit den ACT-, ECT-, RPM-, TP- und BP-Werten. Wenn der AIR_CHG[t+2]-Wert größer ist als der AIR_WOT_ANT-Wert, dann wird der CYL_AIR CHG-Wert gleichgesetzt mit den AIR_CHG[t]-Ausgangswert des Füllungsmodells. Ein zweiter Schwellwert AIR_CHG_WOT, welcher die maximale Luftladung für die interessierende Maschine ergibt, wird für eine Begrenzung des CYL_AIR_CHG- Wertes auf die maximale Luftladung der Maschine benutzt.

Claims (6)

1. Verfahren zur rechnergesteuerten Bestimmung der Brenn­ stoffmenge, die in einen Zylinder einer mehrzylindrigen Brennstoffmaschine für ein Gemisch mit einer Luftladung eingespritzt wird, wobei eine Einrichtung zur Veränderung oder Steuerung des Phasenwinkels von wenigstens einer Nockenwelle der Maschine relativ zu der Kurbelwelle der Maschine vorhanden ist, bei welchem
  • a) ein Wert der für eine Ansaugung in die Maschine bestimmten Luftladung auf der Basis eines gemessenen Luftmengenflusses berechnet wird;
  • b) die Maschinendrehzahl und der bei dieser Drehzahl vorhandene Phasenwinkel der Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle der Maschine erfaßt werden;
  • c) ein Füllungskoeffizient des Ansaugkrümmers der Maschi­ ne in Abhängigkeit von der erfaßten Maschinendrehzahl und des bei dieser Drehzahl vorhandenen Phasenwinkels berechnet wird;
  • d) die berechnete Luftladung mit dem berechneten Füllungs­ koeffizienten modifiziert wird;
  • e) die Luftladung eines Zylinders unter Verwendung der mit dem Füllungskoeffizienten modifizierten berechne­ ten Luftladung berechnet wird; und
  • f) eine Brennstoffladung des Zylinders für die Bereit­ stellung eines gewünschten Luft/Brennstoff-Mischungs­ verhältnisses berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Wert für die Luftladung berechnet wird durch eine Integrierung des Luftmengenflusses, der mittels eines Luftdurchflußzählers während wenigstens zweier Erfassungszeiträume gemessen wurde, und eine Hinzufügung einer mit einer Luftleckage gleichgesetzten Menge.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem bei einem Vorhandensein von je einer Einrichtung zur Veränderung oder Steuerung des Phasenwinkels der Nockenwelle einer linken Zylinderreihe und der Nockenwelle einer rechten Zylinderreihe relativ zu der Kurbelwelle der Maschine der mehr verzögerte Phasenwinkel für die Berechnung des Füllungskoeffizienten berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die erfaßte Maschinendrehzahl und der dabei vorhandene Phasenwinkel der Nockenwelle für einen Zugriff in eine erste und in eine zweite Tabelle benutzt werden, um zwei Kalibrierungskonstanten zu erhalten, welche die Steigung und den Versatz der Kurve für die Luftladung eines Zylinders über dem Absolutdruck in dem Ansaugkrümmer bei der erfaßten Maschinendrehzahl und dem Phasenwinkel angeben, wobei die Kalibrierungskonstanten bei der Berechnung des Füllungskoeffizienten benutzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Tabellendaten für die Ableitung eines Absolutdruckes im Ansaugkrümmer der Maschine benutzt werden.
6. Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, bei welcher die Einspritzung des Brennstoffs in einen Zylinder und seine Vermischung mit einer Luftladung zur Bereitstellung eines gewünschten Luft/Brennstoff-Mischungsverhältnisses durch einen Rechner gesteuert wird, der mit einem Ver­ fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gesteuert wird.
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