DE4440639A1 - Verfahren zur Stationärsteuerung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stationär­ steuerung von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekannte Steuerungen von Brennkraftmaschinen erfassen verschiedene Maschinenbetriebsparameter, wie z. B. die Maschinendrehzahl, die Luftmasse im Ansaugrohr, die Sauerstoffkonzentration im Abgas, die Kühlmitteltempe­ ratur, um auf deren Basis den Zündzeitpunkt und die Kraftstoffeinspritzmenge mittels einer vorbestimmten mathematischen Beziehung unter Einsatz eines Mikropro­ zessors zu bestimmen. Diese mathematische Beziehungen, die üblicherweise in Tabellenform in einem ROM-Speicher abgelegt sind, liefern geeignete Einspritzmengen und dazu passende Zündzeitpunkte für die Brennkraftma­ schine.

Im Grundsatz erfolgt die Zündwinkelberechnung in Ab­ hängigkeit der Drehzahl n und der Motorlast Q_L sowie in Abhängigkeit von Korrekturfunktionen. Die Einspritzzeit ergibt sich ebenfalls aus der Motorlast Q_L und gegebe­ nenfalls verschiedenen Korrekturfunktionen, aus der an­ hand einer Ventilkennlinie die Einspritzmenge je Hub abgeleitet wird.

Die Motorlast Q_L ist definiert als die je Hub ange­ saugte Luftmenge:

Q_L ≈ Q/n,

wobei Q die je Zeiteinheit (z. B. in kg/h) angesaugte Luftmenge und n die Motordrehzahl in der Einheit 1/min darstellt.

Der Durchsatz der an der Brennkraftmaschine zugeführten Ansaugluft wird mittels sogenannter Ansaugluftmassen­ strommeßgeräte für Verbrennungsmotoren, in den meisten Fällen Hitzdraht- und Heißfilmluftmassenstrommeßgeräte, erfaßt, weil solche Geräte vergleichsweise kosten­ günstig sind.

Bei einem Hitzdrahtluftmassensensor befindet sich ein von einem Strom aufgeheizter dünner Draht in dem ange­ saugten Luftstrom und bildet den Zweig einer Wheatstone- Brücke. Die vorbeiströmende Luft entzieht dem erhitzten Draht Wärme, wodurch sein Widerstand sich verändert und die Brücke verstimmt wird. Die Brückenverstimmung ruft über einen entsprechenden Regelkreis eine solche Verän­ derung des Heizstroms hervor, daß die Brücke wieder ab­ geglichen wird. Die Brücke ist so abgestimmt, daß der Hitzdraht eine bestimmte Übertemperatur erreicht, die mit Hilfe der Regelschaltung konstant gehalten wird.

Da der angesaugte Luftmassenstrom aufgrund der Kolben­ bewegung des Motors große Druck-, Dichte- und Geschwin­ digkeitsschwankungen aufweist, sind die elektrischen Ausgangsspannungssignale solcher Hitzdraht- oder Heiß­ filmluftmassenstrommeßgeräte nicht konstant, sondern unterliegen periodischen Änderungen.

Ein entsprechendes Signaldiagramm eines Hitzdrahtluft­ massenstrommeßgerätes zeigt die Fig. 1, das neben den absoluten Maxima auch relative Maxima mit gleicher Fre­ quenz zeigt. Dieses Phänomen tritt in vielen Fällen im unteren Drehzahlbereich auf. Die Ursache hierfür liegt unter anderem in der hohen Dynamik der Meßgröße wie auch einer dadurch bedingten mangelnden Regelgeschwin­ digkeit, da die Reaktion des Heizstromes auf den hohen Gradienten der Luftgeschwindigkeit verzögert erfolgt. Erreicht die Luftgeschwindigkeit nahezu den Wert 0, wird die Wärmeabfuhr drastisch reduziert, worauf die Drahttemperatur und in dessen Folge der Drahtwiderstand steigt. Im Gesamtablauf ergibt sich dadurch der Span­ nungsverlauf gemäß der Fig. 1.

Wird die im Stationärbetrieb solcher Luftmassensensoren aufgenommene Spannungs-Luftmassenstromkennlinie (U_L-m_L- Kennlinie), wie sie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist, dazu verwendet, die augenblicklichen Spannungs­ werte mittels dieser Kennlinie zu konvertieren, werden in manchen Motorbetriebspunkten Abweichungen von der tatsächlich angesaugten Luftmenge von mehr als 70% festgestellt.

Den Abweichungen liegen weitere Fehlerquellen zugrunde, die auf motor- und sensorspezifische Gegebenheiten, wie Motor-Saugrohrgeometrie, Sensorposition, Resonanzphäno­ mene sowie auf Fehlerquellen in der Signalverarbeitung zurückzuführen sind.

Zur Reduzierung der Fehler bei der Meßwerterfassung ist es bekannt, zunächst den Spannungsmittelwert U über alle Meßwerte eines bestimmten Kurbelwellenwinkelinter­ valls (KW-Intervall) zu bilden und erst danach die Konvertierungen anhand der U_L-m_L-Kennlinie gemäß der Fig. 2 auszuführen. Dieses Verfahren erlaubt eine Re­ duzierung der Meßwertfehler auf knapp unter 50%. Den­ noch verbleiben nach wie vor erhebliche Abweichungen, die über den Drehzahlbereich nicht gleichförmig ver­ teilt sind, insbesondere schwerpunktmäßig in dessen un­ terem Teilbereich liegen.

Dies führt jedoch zu keinem optimalen Kraftstoffluftge­ misch als auch zu keinem optimalen Zündzeitpunkt im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad als auch eine ge­ ringe Schadstoffemission.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Steuerverfahrens für eine Brennkraftmaschine im stationären Betrieb der eingangs genannten Art, bei dem abhängig von der angesaugten Luftmenge in allen Last- und Drehzahlbereichen eine optimale Steuerung der Brennkraftmaschine mit hoher Genauigkeit erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stationärsteuerung von Brennkraftmaschinen, bei dem mittels eines Luftmas­ sensensors für den Durchsatz der Ansaugluft repräsenta­ tive Signale abgetastet und in deren Abhängigkeit mit­ tels einer Steuereinheit, in der Regel ein Mikroprozes­ sor, Steuersignale für den Betrieb der Kraftstoffver­ sorgung, insbesondere einer Einspritzvorrichtung, als auch einer Zündimpulssteuerschaltung berechnet werden, nimmt eine Auswertung und Korrektur der abgetasteten, vom Luftmassensensor zur Verfügung gestellten Ausgangs­ signale in folgender Weise vor:
Zur Erzeugung von Meßsignalen werden zunächst über ein vorbestimmtes KW-Intervall eine bestimmte Anzahl von Abtastungen an dem verfügbaren Spannungssignal des Luftmassensensors und anschließend eine arithmetische Mittelwertbildung vorgenommen. Da das Ausgangssignal des Luftmassensensors den pulsförmigen Schwankungen des Luftdurchsatzes (vgl. Fig. 1) entspricht, wird eine Amplitudenauswertung zur Bestimmung der Werte der maxi­ malen Amplituden der absoluten und relativen Maxima vorgenommen.

Anschließend erfolgt die Konvertierung des Spannungs­ mittelwertes mittels einer Spannungs-Luftmassenstrom­ kennlinie in einen Luftmassenstrommittelwert (vgl. Fig. 2), der in Abhängigkeit der zuvor bestimmten maxi­ malen Amplitudenwerte der absoluten und relativen Ma­ xima korrigiert wird, um schließlich mit Hilfe der detektierten Drehzahl in einen Motorlastwert umgesetzt und der Steuereinheit zugeführt zu werden.

Die zur Konvertierung der Spannungsmittelwerte in den Luftmassenstrommittelwert gemäß Fig. 2 verwendete Kennlinie wird im Stationärbetrieb, also bei konstantem Luftmassenstrom mit weitgehend optimalen Strömungsver­ hältnissen erstellt.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Bestim­ mung der Menge der Ansaugluft, die tatsächlich der Brennkraftmaschine gerade zugeführt wird, mit einer ho­ hen Genauigkeit, die im Bereich zwischen 5 und 10% liegt. Insbesondere kompensiert dieses Konzept die durch die instationäre Luftmassenströmung im Ansaugrohr hervorgerufenen pulsförmigen Spannungsschwankungen in bestimmten Betriebszuständen des Motors. Da keine Zwi­ schenspeicherung der Abszissenwerte der Meßsignale er­ forderlich ist, ist der Speicher- und Rechenzeitbedarf für die Steuereinheit gering, so daß die Implementie­ rung in einem Motorsteuersystem kostengünstig durch­ führbar ist.

Die Korrektur des Luftmassenstrommittelwertes wird vor­ zugsweise mittels Korrekturfunktionen durchgeführt, die in Abhängigkeit der maximalen Amplitudenwerte der abso­ luten oder relativen Maxima jeweils einen Korrekturwert angeben.

Die Korrekturfunktionen werden dadurch erstellt, daß die Werte der Abweichungen der aus den Meßsignalen des Luftmassensensors berechneten Luftmassenstromwerte von den Luftmassenstromwerten eines Referenzsensors in Ab­ hängigkeit der maximalen Amplitudenwerte der absoluten oder relativen Maxima dargestellt werden und hieraus eine Kurve mittels eines Regressionsverfahrens bestimmt wird, die dann als Kennlinienfeld in einem Speicher der Steuereinrichtung abgelegt werden kann.

Da das Auffinden solcher Korrekturfunktionen über den gesamten Betriebsbereich eines Motors besonders hin­ sichtlich einer hohen Genauigkeit sehr schwierig ist, wird bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der gesamte Motorbe­ triebsbereich in Unterbetriebsbereiche aufgeteilt. So wird der Luftmassenstrommittelwert mittels einer er­ sten, einen Korrekturwert in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes der absoluten Maxima erzeugende Kor­ rekturfunktion korrigiert, falls in einem ersten Unterbetriebsbereich die Meßsignale bei Umwandlung in einen Luftmassenstromwert zu großen negativen Abwei­ chungen gegenüber dem tatsächlichen Wert des Luftmas­ senstroms führen würden und gleichzeitig kleine Werte der maximalen Amplitude der relativen Maxima vorliegen. Vorzugsweise wird zur Definition dieses ersten Unterbetriebsbereichs derjenige Drehzahlbereich be­ stimmt, bei dem die großen negativen Abweichungen auf­ treten würden.

Ein zweiter Unterbetriebsbereich des Motors wird da­ durch definiert, daß die Meßsignale bei Umwandlung in einen Luftmassenstromwert zu großen positiven Abweichungen gegenüber dem tatsächlichen Wert des Luftmassenstromwertes führen würden und gleichzeitig große Werte der maximalen Amplitude vorliegen. In die­ sem Fall wird der Luftmassenstrommittelwert mittels ei­ ner zweiten, einen Korrekturwert in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes der relativen Maxima erzeu­ gende Korrekturfunktion korrigiert. Auch hierbei kann dieser Unterbetriebsbereich als Drehzahlbereich defi­ niert werden.

Diese Aufteilung des Motorbetriebsbereichs in bestimmte Unterbetriebsbereiche bietet ferner den Vorteil, daß die Kriterien für die Ermittlung der die Korrekturfunk­ tionen bildenden Korrekturfaktoren an das motorspezifi­ sche Signalverhalten angepaßt werden können. So treten die Resonanzphänomene bei konstruktiv verschiedenen Mo­ toren in unterschiedlichen Drehzahlbereichen auf und werden auch durch konstruktive Maßnahmen im Ansaugkanal beeinflußt.

So kann beispielsweise eine Korrektur der Luftmassen­ strommittelwerte entfallen, falls es zu keinen relati­ ven Maxima kommt, beispielsweise bei kleinen Drossel­ klappenöffnungswinkeln. Dies entspricht in der Regel einem Lastwert des Motors bei seiner Leerlaufdrehzahl und wird meistens als minimaler Lastwert bezeichnet.

Besonders gute Ergebnisse liefert das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Korrekturen additiv durchgeführt werden.

Zur weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens kann jeweils eine rekursive 50%-Filterung des ma­ ximalen Amplitudenwertes des absoluten Spannungsmaxi­ mums und des relativen Spannungsmaximums als auch des Spannungsmittelwertes durchgeführt werden, so daß hier­ durch in vorteilhafter Weise Abweichungen zwischen auf­ einanderfolgenden Zyklen vermindert werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfin­ dung werden die Abweichungen aufgrund der Mittelwert­ bildung, die ihre Ursache in der Integrationsmethode haben, durch eine weitere, jedoch multiplikative Kor­ rektur kompensiert, indem der Korrekturfaktor von einer von der Drehzahl abhängigen dritten Korrekturfunktion geliefert wird. Da die Abtastrate pro Motorzyklus nicht konstant ist, wird die Rechteckintegrationsmethode ver­ wendet.

Das der Meßwertauswertung zugrundeliegende vorbestimmte KW-Intervall beträgt bevorzugt 180°KW, so daß dies bei einer 4-Zylinder-Maschine einem einzigen Saughub ent­ spricht. In vorteilhafter Weise liegt die Abtastrate zwischen 3 und 15°KW, wodurch sichergestellt ist, daß die Amplitudenerfassung der relativen Maxima hinrei­ chend sicher ist. Eine bevorzugte Abtastrate zwischen 10 und 15°KW ergibt ein optimales Ergebnis hinsicht­ lich der Rechenzeit, des Speicherbedarfs und der Genau­ igkeit.

Ein nachfolgendes Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den Figuren soll das erfindungsgemäße Verfahren darstellen und erläutern. Es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Spannungssignalverlauf eines Luftmassensensors,

Fig. 2 eine Spannungs-Luftmassenstromkennlinie zu Kalibrierungszwecken,

Fig. 3 ein Spannungs-KW-Diagramm mit dem Original­ signalverlauf bzw. dem entsprechenden Verlauf der abgetasteten Signale eines Luftmassensen­ sors,

Fig. 4 ein allgemeines Ablaufdiagramm gemäß dem er­ findungsgemäßen Verfahren,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Abweichung des Luftmassenstromwertes in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes U_a,m der absoluten Spannungsmaxima,

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Abweichung des Luftmassenstromwertes in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes U_r,m der relativen Spannungsmaxima,

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung des Abtastmodus gemäß der Erfindung,

Fig. 8 bis 12 ein Ablaufdiagramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 13 ein Diagramm der Luftmassenstromabweichung in Abhängigkeit der Motordrehzahl zur Darstel­ lung der Unterbetriebsbereiche.

Das von einem Luftmassensensor ausgegebene Spannungs­ signal gemäß den Fig. 1 oder 3 wird mittels einer geeigneten Schaltung abgetastet, digitalisiert und ei­ ner Steuereinheit mit Speicher, beispielsweise einem Mikroprozessor zugeführt. In Fig. 3 ist das Original­ signal mit einer gestrichelten Linie und das abge­ tastete Signal mit einer durchgezogenen Linie darge­ stellt.

Die in den Fig. 1 und 3 dargestellten Signalverläufe weisen neben den absoluten Maxima auch mehrere relative Maxima auf, deren Ursache neben Resonanzphänomenen bei bestimmten Drehzahlen bzw. Betriebszuständen der Brenn­ kraftmaschine, die häufig auch als Rückströmung inter­ pretiert werden, auch in EMV-Störungen, hervorgerufen durch synchrone Störimpulse der Zündung, zu suchen sind.

Die Auswertung der abgetasteten Meßwerte U_i, i = 1, 2, 3, . . . erfolgt jeweils nach einem KW-Intervall bestimm­ ter Länge, die gemäß dem allgemeinen Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Fig. 4 mit der Aus­ wahl der maximalen und minimalen Spannungswerte m₁, m₂, m₃, . . . sowie der Spannungsmittelwerterfassung über das entsprechende KW-Intervall beginnt.

Das Verfahren setzt sich nach Fig. 4 fort mit einer Amplitudenerfassung der Meßwerte U_i, d. h., es wird festgestellt, welche Maxima relativ oder absolut sind, wobei die jeweiligen maximalen Werte m_r,i bzw. m_a,i der Meßsignale U_i in dem entsprechenden Speicher der Steuereinheit gespeichert werden.

Daran schließt sich am Ende des KW-Intervalls eine Kon­ vertierung des Spannungsmittelwertes in den entspre­ chenden Luftmassenstrommittelwert m_L anhand einer Span­ nungs-Luftmassenkennlinie gemäß Fig. 2 an.

Nach Fig. 4 erfolgt nun die Korrektur dieses konver­ tierten Luftmassenstrommittelwertes m_L bei bestimmten vorgegebenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine. Diese Korrektur erfolgt entweder in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes U_a,m der absoluten Span­ nungsmaxima oder in Abhängigkeit des maximalen Amplitu­ denwertes U_r,m der relativen Spannungsmaxima (vgl. Fig. 3). Die entsprechenden Korrekturfunktionen f₁ und f₂ sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt und sind mit entsprechenden Stützstellen in Tabellenform in je einem Speicher abgelegt. Zwischen den Stützstellen wird li­ near interpoliert. Bei ausreichend kleiner Stützstel­ lenschrittweite können die Korrekturfunktionen f₁ und f₂ auch in einem Speicher zusammengefaßt werden.

Das Verfahren schließt mit der Berechnung des Motor­ lastwertes Q_L mittels des korrigierten oder nicht korrigierten Luftmassenstrommittelwertes sowie der zu detektierenden Drehzahl n ab.

Aus diesem Lastwert Q_L erstellt die Steuereinheit die Einspritzzeit t_i im Zusammenhang mit einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzung unter Berücksichti­ gung eines λ_Soll-Wertes, der anhand des detektierten Betriebszustandes aus einer Tabelle ausgelesen wird. Dies kann mittels einer ebenfalls abgespeicherten und experimentell erstellten Ventilkennlinie durchgeführt werden. Ferner kann für die ermittelte Einspritzzeit t_i eine versorgungsspannungsabhängige multiplikative Kor­ rektur vorgenommen werden, worauf - wie die Praxis zeigt - nicht verzichtet werden kann. Die Kraftstoff­ masse pro Impuls ergibt sich aus einer weiteren, eben­ falls in dem entsprechenden Speicher abgelegten Ein­ spritzventilkennlinie.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ablaufschemas gemäß den Fig. 7 bis 12 erläu­ tert werden.

Die Auswertung erfolgt jeweils zyklusweise über ein KW- Intervall, dessen Intervallänge L eine Funktion der Taktzahl i und der Zylinderzahl z gemäß folgender For­ mel ist:

L = 360/i · z (°KW),

wobei i = 1 für Zweitaktmotoren und i = 0,5 für Vier­ taktmotoren gilt. Die Formel gilt ferner unter der Vor­ aussetzung, daß die Zylinder über einen Ansaugtrakt miteinander verbunden sind.

Für das gemäß den Fig. 7 bis 12 vorliegende Ausfüh­ rungsbeispiel ergibt sich für einen 4-Zylinder-Motor eine Intervallänge von 180°.

Zur Auswertung der Meßwerte U_i eines solchen KW-Inter­ valles werden auch die beiden letzten Meßwerte des vor­ angegangenen KW-Intervalls herangezogen, indem mit die­ sem eine Übergangszone gemäß Fig. 7 gebildet wird. Diese beiden Meßwerte werden als U_alt sowie als Diffe­ renz d₁ zum vorletzten Meßwert gespeichert. Mit dieser Übergangszone kann festgestellt werden, ob der erste Meßwert U₁ des neuen KW-Intervalls ein Maximum, ein Minimum oder ein Zwischenwert darstellt.

Nach Fig. 8 beginnt das Verfahren mit dem Setzen der Variablen U_s, d₁, d₂ sowie der Laufindizes j, l und k. Die Variable U_s stellt die Summe der Meßwerte U_i dar, d₁ ist die Differenz der Meßwerte in der Übergangszone bzw. der letzten beiden Meßwerte und d₂ die Differenz zwischen dem neuen Meßwert U₁ und dem zuletzt bearbei­ teten Meßwert U_alt aus der Übergangszone.

Die Routinen nach Fig. 8 und Fig. 9 dienen dazu, die Minima und Maxima aus dem Verlauf der abgetasteten Meß­ werte U_i zu detektieren. Die entsprechenden Meßwerte m_i, i = 1, 2, 3, . . . werden zu einem Vektor m mit dem Laufindex l zusammengefaßt. Hierbei stellen Laufindizes mit ungeradem Wert Minima und solche mit geradem Wert Maxima dar.

Gemäß Fig. 8 wird zunächst die Übergangszone ausgewer­ tet, deren Ergebnis gemäß den Schritten 1 bis 4 abge­ speichert wird.

Gemäß der dem Schritt 1 zugrundeliegenden Konstellation der Meßwerte U₁, U_alt und U_alt - d₁ ergibt sich als er­ stes Minimum m₁ der Meßwert U₁ und als erstes Maximum m₂ der zuletzt genannte Wert U_alt - d₁ aus der Über­ gangszone. Somit wird der Laufindex l des Vektors m auf den Wert 2 gesetzt. Der Laufindex j zeigt die Wahr­ scheinlichkeit des Auftretens eines Minimums in der Übergangszone an, so daß j = 0 ein unsicheres Minimum m₁ bedeutet. Somit bleibt im zuletzt genannten Fall dieser Zeiger j auf 0 gesetzt, da es nicht sicher ist, ob dieser Meßwert U₁ ein absolutes Minimum darstellt. Ferner wird der Laufindex k auf den Wert 1 gesetzt, was bedeutet, daß das in der Übergangszone detektierte Ma­ ximum ein relatives Maximum darstellt. In der Kon­ stellation nach Schritt 3 stellt der Meßwert U_alt da­ gegen ein sicheres Maximum dar, da die benachbarten Meßwerte kleiner sind. Jedoch muß der Meßwert U_alt - d₁ wiederum als unsicheres Minimum bezeichnet werden.

In den Schritten 2 und 4 wird dagegen ein sicheres Minimum in der Übergangszone detektiert, also j = 1 ge­ setzt, da der vorangehende und nachfolgende Meßwert des Minimums m₁ jeweils einen größeren Wert aufweist und gemäß Schritt 4 der erste Wert U_alt - d₁ in der Über­ gangszone der kleinste Wert darstellt.

Der dem Schritt 3 nachfolgende Schritt 31 stellt fest, ob der Meßwert U₁ oder der Meßwert U_alt - d₁ ein Mini­ mum darstellt.

An die Routine nach Fig. 8, die der Auswertung der Übergangszone diente, schließt sich diejenige nach Fig. 9 zur Feststellung der Minima und Maxima der in dem neuen 180°KW-Intervall abgetasteten Meßwerte U_i dar. Mit den Schritten 5, 51 und 52 wird in Abhängigkeit des Laufindex i der letzte Meßwert als U_alt, beginnend mit U_alt = U₁, gespeichert, bevor im Schritt 6 der nächste Meßwert U_i+1 bearbeitet wird. Die vorhergehenden Meß­ werte werden dagegen nicht gespeichert. Mit Schritt 6 werden gleichzeitig sukzessiv die Summe U_s der Meßwerte U_i gebildet sowie die Differenzen d₁ und d₂ ak­ tualisiert bzw. berechnet.

Die nachfolgenden Schritte, beginnend mit Schritt 7 dienen der Bestimmung der Minima und Maxima in dem neuen KW-Intervall mittels Vergleich der die Diffe­ renzen zwischen den Meßwerten darstellenden Größen d₁ und d₂. Ist d₁ < 0 und d₂ 0 so stellt der Meßwert U_alt ein Maximum dar, das im Falle von l = 0 ein erstes Maximum mit l = 2 ist und im anderen Fall diesem Lauf­ index l ein gerader Wert zugeordnet wird. Dieser Meß­ wert m_l wird im Schritt 77 als Maximum gespeichert.

Stellt dagegen der Meßwert U_alt gemäß Schritt 71 ein Minimum dar, also d₁ 0 und d₂ < 0, so muß mit dem Schritt 72 zunächst unterschieden werden, ob bei der Bearbeitung des zweiten Meßwertes U₂ aus dem neuen In­ tervall in der vorhergehenden Übergangszone ein un­ sicheres Minimum vorliegt, d. h. ob j = 0 ist. Gegebe­ nenfalls wird ein Vergleich gemäß des Schrittes 73 mit dem ersten unsicheren Minimum m₁ und mit dem Schritt 74 eine entsprechende Korrektur des ersten Minimums vorge­ nommen. Im anderen Fall wird gemäß Schritt 75 der Lauf­ index l weitergesetzt und das detektierte Minimum m_l gespeichert. Gleichzeitig wird mit dem Laufindex j die letzte Position des Minimums gespeichert, der somit nicht mehr die vorherige Bedeutung im Zusammenhang mit der Auswertung der Übergangszone hat.

Falls gemäß der Abfrage 71 auch kein Minimum vorliegt, stellt der entsprechende Meßwert U_i ein Zwischenwert dar, d. h. es liegt zusammen mit den beiden vorhergehen­ den Meßwerten U_alt und U_alt - d₁ ein monotoner Span­ nungsverlauf vor. Falls gemäß der Abfrage 78 noch nicht alle Meßwerte U_i eines KW-Intervalls abgearbeitet sind, beginnt die Routine wieder bei Schritt 51.

Die Routine ab Schritt 51 wird nun so oft wiederholt, bis alle Meßwerte U_i abgearbeitet sind. Am Ende dieser Routine ist somit ein Vektor m der Länge l gespeichert, wobei l die Anzahl der Extrema angibt.

Im darauffolgenden Schritt 8 gemäß Fig. 10 wird der arithmetische Mittelwert U aus den Meßwerten U_i gebil­ det sowie der letzte Meßwert U_i,max aus dem 180°KW-In­ tervall als U_alt und die letzte Differenz d₂ gespei­ chert.

Bevor die Amplitudenauswertung der Maxima (m₁, . . . , m₁) erfolgen kann, muß sichergestellt sein, daß der Motor im Stationärbetrieb arbeitet, der keinesfalls die Regel im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine darstellt. Im stationären Betrieb entspricht der Wert des Luftmas­ senstrom am Ort des Luftmassensensors demjenigen Wert am Ort des Ventils, also am Eingang zum Motorzylinder.

Beim dynamischen Übergang von einem Betriebspunkt in einen anderen ergibt sich dagegen aus der Speicherwir­ kung des Saugrohrs eine von Null verschiedene Differenz der beiden Luftmassenströme. An dem Spannungsverlauf der Meßsignale des Luftmassensensors ist der instatio­ näre Betriebszustand an dessen Monotonie oder an dessen großen Spannungsänderung erkennbar.

Ob eine Monotonie oder eine große Pegeländerung vor­ liegt, ist anhand der Indizes l und j oder anhand des Mittelwertes U feststellbar. Falls l = 0 und j = 1 ist, liegt ein monoton steigender Verlauf vor, da kein Maxi­ mum vorliegt und m₁ ein Minimum darstellt. Dagegen wird mit l = 2 und j = 0 ein monoton fallender Verlauf ange­ zeigt, da ein einziges Maximum vorliegt, jedoch kein sicheres Minimum. Schließlich kann eine große Pegel­ änderung mit folgender Formel erfaßt werden:

(| - _alt|)/ < K,

wobei _alt der Spannungsmittelwert aus dem vorhergehen­ den KW-Intervall und K eine Konstante ist. Diese Kon­ stante K kann beispielsweise den Wert 0,25 annehmen.

Eine solche Abfrage ist in Fig. 10 mit dem Schritt 81 gezeigt, dem dann bei Vorliegen der entsprechenden Be­ dingung die Bearbeitung der Signale gemäß einem Schritt 82 nachfolgt, dessen Inhalt Gegenstand einer parallelen Anmeldung ist.

Liegen die entsprechenden Bedingungen dagegen nicht vor, wird ein Index K_in auf den Wert 0 gesetzt.

Mit den nun folgenden Schritten 9 und 91 wird auf dem Platz l + 1 des Vektors m ein neues Minimum gesetzt, das dem letzten Minimum auf Platz l - 2 entspricht, falls das letzte Extremum des Vektors m ein Maximum ist. Damit wird die weitere Bearbeitung erleichtert, da nun alle Vektoren m die gleiche Länge aufweisen.

Um Abweichungen zwischen aufeinanderfolgenden 180°KW- Intervallen zu vermindern, wird mit dem Schritt 10 eine rekursive Filterung des Mittelwertes durchgeführt, indem mit dem gespeicherten Mittelwert _alt aus dem vorangegangenen Zyklus ein arithmetischer Mittelwert gebildet wird.

Mit dem nun folgenden Schritt 11 beginnt die Amplitu­ denauswertung der mit dem Vektor m gegebenen Extrema. Falls das erste Maximum ein relatives Maximum dar­ stellt, d. h. wenn k = 1 ist, wird die Amplitude U_r,m dieses relativen Maximums festgestellt und gespeichert.

Mit Schritt 12 wird der maximale Meßwert d aus den Ma­ xima des Vektors m bestimmt und der Abstand U_a,m dieses Wertes zu dem Wert des kleinsten Minimums berechnet. Diese Variable U_a,m gibt den Wert der größten Amplitude der Maxima an bzw. die größte Differenz zwischen dem Wert d und dem Wert des kleinsten Minimums m_i, i = 1, 3, 5, . . . , l. Um auch hier Abweichungen zwischen darauffolgenden Zyklen zu vermeiden, wird dieser Ampli­ tudenwert U_a,m durch einen arithmetischen Mittelwert mit dem aus dem vorangehenden Zyklus gespeicherten Am­ plitudenwert U_a,m,alt ersetzt.

Mit den Verfahrensschritten nach Fig. 11 sollen die relativen Maxima bestimmt sowie deren Amplituden be­ rechnet werden. Falls gemäß Schritt 13 der Vektor m mehr als 3 Elemente aufweist, gibt es wenigstens ein relatives Maximum. Dies folgt für ein 180°KW-Intervall aus Fig. 3, wonach sich für das erste 180°-Intervall fünf Maxima ergeben. Um dieses relative Maximum festzu­ stellen, wird mit Schritt 14 das entsprechende Extremum m_i mit dem Wert d des größten absoluten Maximums ver­ glichen. Stimmen diese Werte überein, liegt kein re­ latives Maximum vor, andernfalls ist die Differenz zwi­ schen dem Wert d und diesem Meßwert m_i gemäß Schritt 15 dafür maßgebend, ob dieser Meßwert ein absolutes oder ein relatives Maximum darstellt. Als Entscheidungs­ schwelle hat sich gemäß Schritt 15 die Bedingung

d - m_i < U_a,m/3

in der Praxis als geeignet erwiesen, da die Rückströmungen immer deutlich geringer als die Vor­ wärtsströmungen im Ansaugrohr sind, d. h., die Amplitu­ den der relativen Maxima werden immer wesentlich klei­ ner als die Amplituden der absoluten Maxima sein. Falls die oben genannte Bedingung nicht erfüllt wird, wird gemäß Schritt 15 der Wert m_i des relativen Maximums eliminiert, weil dann von einer Fehlereinstreuung in das Sensorsignal in Form eines "spikes" auszugehen ist, das möglicherweise durch die Zündimpulse ausgelöst wer­ den kann. Ist dagegen die genannte Differenz d größer als 1/3 des maximalen Amplitudenwertes U_a,m der absolu­ ten Maxima, wird mit der Funktion gemäß des Schrittes 16 ein maximaler Amplitudenwert U_r,m der relativen Ma­ xima gebildet.

Haben alle Maxima diese Routine durchlaufen, wird der mit Schritt 16 bestimmte maximale Amplitudenwert U_r,m der relativen Maxima gemäß Schritt 17 auf den Wert 0 gesetzt, falls dieser größer ist als 2/3 des maximalen Amplitudenwertes U_a,m der absoluten Maxima oder falls der Vektor m mehr als 7 Extrema anzeigt. Denn dann liegt wiederum eine Fehlereinstreuung in das Sen­ sorsignal vor oder bei Vorliegen der Bedingung l < 7 ist die Anzahl der Extrema so groß, daß das Spannungs­ signal kein wichtiges relatives Maximum enthält, das berücksichtigt und folglich korrigiert werden müßte.

Gemäß Schritt 18 wird wieder eine arithmetische Mit­ telwertbildung mit dem entsprechenden Wert aus dem letzten Zyklus durchgeführt.

Das Verfahren schließt nun gemäß Fig. 12 mit der Kon­ vertierung des Spannungsmittelwertes und der Bestim­ mung der Korrekturfaktoren ab. Die Konvertierung des Spannungsmittelwertes in den Luftmassenstrommittel­ wert m_L nach Schritt 19 erfolgt mittels einer Span­ nungs-Luftmassenstromkennlinie gemäß Fig. 2, die mit­ tels Stützstellen in Tabellenform im Speicher der Steuereinheit gespeichert ist.

Die Korrektur des Luftmassenstrommittelwertes m_L wird nun im folgenden in Abhängigkeit der maximalen Ampli­ tude U_a,m der absoluten Maxima durch eine erste Korrek­ turfunktion f₁ oder in Abhängigkeit der maximalen Am­ plitude U_r,m der relativen Maxima durch eine zweite Korrekturfunktion f₂ sowie in Abhängigkeit von der Drehzahl durch eine dritte Korrekturfunktion f₃ durch­ geführt.

Diese Korrekturfunktionen f_i (i = 1, 2, 3) könnten im Prinzip so bestimmt werden, daß sie über den gesamten Motorbetriebsbereich Anwendung finden. Dabei bestünden jedoch die Schwierigkeiten, sowohl die notwendige Genauigkeit im gesamten Betriebsbereich zu sichern als auch die im gesamten Betriebsbereich gültigen f_i-Funk­ tionen zu finden.

Zur einfacheren Erfassung der Korrekturfunktionen wird daher der Motorbetriebsbereich in Unterbetriebsbereiche aufgeteilt. Die Aufteilung in Unterbetriebsbereiche ist motorspezifisch, da die Resonanzphänomene an verschie­ denen Motoren in unterschiedlichen Drehzahlbereichen auftreten.

Falls in bestimmten Betriebspunkten keine Rückströmun­ gen auftreten, also auch keine relativen Maxima detek­ tierbar sind, ist natürlich keine Korrektur notwendig. Solche Betriebspunkte treten dann auf, wenn der momen­ tane Lastwert kleiner als ein bestimmter minimaler Lastgrenzwert ist, der bei kleinen Drosselklappenöffnungswinkeln auftritt und in der Regel bei Leerlauf des Motors vorliegt.

Allgemein wird der Wert für die Last Q_L aus folgender Formel ermittelt:

wobei sich der Luftmassenstrom m_L aus der Formel

errechnet. Hierbei bedeuten Z die Zylinderzahl, V_H der Zylinderhub in m³, n die Motordrehzahl in 1/min, λ_a der Luftaufwand und ϕ_o die Umgebungsluftdichte in kg/m³.

Aus diesen Formeln kann der Lastgrenzwert abgeleitet werden, wenn für die Leerlaufdrehzahl ca. 800 1/min und für λ_a ≈ 0,7 angenommen wird. Für einen 2-Liter-4-Zy­ linder-Motor erhält man ca. 400 mg/Hub für den mini­ malen Lastgrenzwert. Von diesem Wert wird bei der Ab­ frage 20 gemäß Fig. 12 ausgegangen.

Ferner werden jene Bereiche von einer Korrektur ausge­ schlossen, wo entweder die Meßunsicherheit zu groß ist oder die Amplituden der relativen Maxima sehr gering sind.

So ergibt sich eine Betriebsbereichsaufteilung nach Fig. 13, bei der die Luftmassenstromabweichung in % ge­ genüber der Drehzahl aufgetragen ist. In dieser Dar­ stellung sind alle Betriebspunkte mit einem Lastwert kleiner als 400 mg/Hub eliminiert.

In dieser Fig. 13 sind diejenigen Betriebspunkte zu einem Bereich 1 zusammengefaßt, die zu großen negativen Luftmassenstromabweichungen führen und zu einem Dreh­ zahlbereich mit n < 1400 1/min gehören. Ferner werden in diesem Bereich 1 nur kleine Amplitudenwerte U_r,m (vgl. Abfrage 21: U_r,m 0,2 V) der relativen Maxima detektiert, während jedoch die Amplitudenwerte U_a,m der absoluten Maxima sich entsprechend den Werten der Luft­ massenstromabweichungen verhalten. In diesem Bereich 1 wird daher der Luftmassenstrommittelwert m_L in Abhän­ gigkeit der Amplitudenwerte der absoluten Maxima mit­ tels einer ersten Korrekturfunktion f₁ korrigiert, falls die entsprechenden, den ersten Betriebsbereich definierende Bedingungen bezüglich der Drehzahl und der Amplitude U_a,m der absoluten Maxima vorliegen.

Diese Korrekturfunktion f₁ wird in dem ausgewählten Be­ reich 1 aufgenommen und eine Kurve oder Polylinie durch ein Regressionsverfahren bestimmt. Daraus ergibt sich die Korrekturfunktion f₁ gemäß Fig. 5, mit der ein Korrekturfaktor k₁ bestimmt wird und gemäß den Schrit­ ten 21 und 22 zum korrigierten Luftmassenstrommittel­ wert m_L + k₁ führt.

Ein Bereich 2 nach Fig. 13 umfaßt solche Betriebs­ punkte, die zu großen positiven Abweichungen führen, die in einem engen Drehzahlbereich mit n < 2000 1/min und n < 1000 1/min auftreten. In diesem Bereich 2 tre­ ten auch große Amplitudenwerte (vgl. Abfrage 23: U_r,m < 0,1 V) der relativen Maxima auf, so daß die in diesem Bereich 2 auftretenden Luftmassenstrommittelwerte m_L in Abhängigkeit der Amplitudenwerte U_r,m mittels einer zweiten Korrekturfunktion f₂ korrigiert werden.

Eine solche Korrekturfunktion f₂ zeigt die Fig. 6, die in entsprechender Weise wie die erste Korrekturfunktion erzeugt wird. Liegen die entsprechenden, den zweiten Betriebsbereich definierenden Bedingungen für eine Kor­ rektur gemäß Schritt 23 der Fig. 12 vor, liefert die zweite Korrekturfunktion f₂ einen Korrekturfaktor k₂, mit dem der korrigierte Luftmassenstrommittelwert m_L + k₂ berechnet wird (vgl. Schritt 24 gemäß Fig. 12).

Um die durch die Spannungsmittelwertbildung entste­ henden Abweichungen gemäß dem Bereich 3 nach Fig. 13 zu berücksichtigen, wird in einem letzten Schritt 25 der korrigierte Luftmassenstrommittelwert m_L mittels eines von der Motordrehzahl n abhängenden multiplikati­ ven Faktors f₃ (n) korrigiert. Hierzu dient eine dritte Korrekturfunktion f₃, die mittels Stützwerten ebenfalls abgespeichert ist und in gleicher Weise wie die oben beschriebenen Korrekturfunktionen erstellt wird. Ab­ schließend werden noch die Amplitudenwerte U_r,m und U_a,m sowie der Spannungsmittelwert für den nächsten Zyklus als _alt gespeichert.

Das Verfahren gemäß den Fig. 8 bis 12 kann mit einer Abtastrate zwischen 3 und 15°KW durchgeführt werden, da mit einer Abtastrate von größer als 15°KW die De­ tektion der relativen Maxima verhindert wird. Ein op­ timaler Wert hinsichtlich der Rechenzeit, des Speicher­ bedarfes sowie der Genauigkeit ergibt sich mit einer Abtastrate zwischen 10 und 15°KW. Eine Steigerung der Abtastrate auf 3 bis 6°KW ergibt wohl eine höhere Ge­ nauigkeit, die jedoch mit einer wesentlich höheren Re­ chenzeit erkauft werden muß.

Claims (14)

1. Verfahren zur Stationärsteuerung von Brennkraft­ maschinen, bei dem ein Luftmassensensor zum Messen des Durchsatzes der Ansaugluft elektrische Spannungssignale erzeugt, die mittels einer Steuereinheit in Motorlast­ werte unter Zuhilfenahme der detektierten Drehzahl um­ gesetzt werden, aus denen zusammen mit anderen detek­ tierten Betriebsparametern und motorspezifischen Daten die für den jeweiligen Betriebspunkt erforderlichen Steuersignale für die Zündzeitpunkteinstellung und der Kraftstoffzumessung erzeugt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zyklusweise folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

• a) Abtastung der Spannungssignale des Luftmassensen­ sors über ein vorbestimmtes Kurbelwellenwinkel (KW)-Intervall zwecks Erzeugung von Meßsignalen (U_i, i = 1, 2, 3, . . . ),
• b) Bildung des Spannungsmittelwertes (U) aus den Wer­ ten der Meßsignale (U_i, i = 1, 2, 3, . . . ),
• c) Erfassung der absoluten und relativen Maxima (m_a,i, m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ) aus den Werten der Meßsignale (U_i, i = 1, 2, 3, . . . ),
• d) Bestimmung des jeweils maximalen Amplitudenwertes (U_a,m, U_r,m) der absoluten und relativen Maxima (m_a,i, m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ),
• e) Konvertierung des Spannungsmittelwertes (U) anhand einer Spannungs-Luftmassenkennlinie in einen Luft­ massenstrommittelwert (m_L),
• f) Korrektur des Luftmassenstrommittelwertes (m_L) in Abhängigkeit der maximalen Amplitudenwerte (U_a,m) U_r,m) der maximalen und relativen Maxima (m_a,i) m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ) und
• g) Bestimmung des Motorlastwertes (Q_L) aus dem korri­ gierten Luftmassenstrommittelwert (m_L + f₁ (U_a,m) bzw. m_Lm + f₂ (U_r,m)) und dessen Weitergabe an die Steuereinheit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur des Luftmassenstrommittelwertes (m_L) mittels Korrekturfunktionen (f₁, f₂) durchgeführt wird, die in Abhängigkeit der maximalen Amplitudenwerte (U_a,m, U_r,m) der absoluten oder relativen Maxima (m_a,i, m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ) jeweils einen Korrekturwert an­ geben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motorbetriebsbereich in verschiedene Unterbetriebsbereiche aufgeteilt wird und daß die Kor­ rektur zusätzlich in Abhängigkeit dieser Unterbetriebs­ bereiche erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftmassenstrommittelwert (m_L) mittels einer ersten, einen Korrekturwert (f₁(U_a,m)) in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes (U_a,m) der absoluten Ma­ xima (m_a,i, i = 1, 2, 3, . . . ) erzeugende Korrektur­ funktion (f₁) korrigiert wird, falls in einem ersten Unterbetriebsbereich die Meßsignale (U_i) i = 1, 2, 3, . . . ) bei Umwandlung in einen Luftmassenstromwert zu großen negativen Abweichungen gegenüber dem tatsächli­ chen Wert des Luftmassenstroms führen würden und gleichzeitig kleine Werte der maximalen Amplitude (U_r,m) der relativen Maxima (m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ) vorliegen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definition des ersten Unterbetriebsbereichs derjenige Drehzahlbereich bestimmt wird, bei dem die großen negativen Abweichungen auftreten würden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Luftmassenstrommittelwert (m_L) mit­ tels einer zweiten, einen Korrekturwert (f₂(U_r,m)) in Abhängigkeit des maximalen Amplitudenwertes (U_r,m) der relativen Maxima (m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ) erzeugende Korrekturfunktion (f₂) korrigiert wird, falls in einem zweiten Unterbetriebsbereich die Meßsignale (U_i) i = 1, 2, 3, . . . ) bei Umwandlung in einen Luftmassenstromwert zu großen positiven Abweichungen gegenüber dem tatsäch­ lichen Wert des Luftmassenstromwertes führen würden und gleichzeitig große Werte der maximalen Amplitude (Ur,m) der relativen Maxima (m_r,i, i = 1, 2, 3, . . . ) vorlie­ gen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definition des zweiten Unterbetriebsbereichs derjenige Drehzahlbereich bestimmt wird, bei dem die großen negativen Abweichungen auftreten würden.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durchgeführte Korrektur der Luftmassenstrommittelwerte (m_L) additiv erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert (U_a,m) der maxima­ len Amplitude der absoluten Spannungsmaxima (m_a,i) durch einen mit dem entsprechenden Wert (U_a,m,alt) des vorangehenden KW-Intervalles gebildeten arithmetischen Mittelwert ersetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert (U_r,m) der maxima­ len Amplitude der relativen Spannungsmaximas (m_r,i) durch einen mit dem entsprechenden Wert (U_r,m,alt) des vorangegangenen KW-Intervalles gebildeten arithmeti­ schen Mittelwert ersetzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der korrigierte Luftmassen­ strommittelwert (m_L + f_i) i = 1, 2) aufgrund von Abwei­ chungen in der Spannungsmittelwertbildung einer multi­ plikativen Korrektur mittels einer von der Drehzahl (n) abhängigen dritten Korrekturfunktion (f₃) unterzogen wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zyklus ein 180°KW- Intervall umfaßt.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastrate von 3 bis 20°KW vorgesehen ist.

14. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastrate von 10 bis 15°KW vorgesehen ist.