DE4446081A1 - Brennstoff-Regelsystem für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff-Regelsystem für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen gemäß der durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.

Elektronische Brennstoff-Regelsysteme für Brennkraftmaschi­ nen von Kraftfahrzeugen werden zunehmend verfeinert, um die Menge an benötigtem Brennstoff für eine Anpassung an die Maschinenerfordernisse unter wechselnden Bedingungen präzise zu dosieren. Die Regelsysteme verändern dabei die für die Verbrennung benötigte Liefermenge des Brennstoffs in Abhän­ gigkeit von einer Vielzahl von Parametern als den maßgeb­ lichen Systemeingängen, wobei diese Parameter vorrangig die Stellung der Drosselklappe und die Konzentration des Sauer­ stoffanteils in den bei der Verbrennung von Luft und Brenn­ stoff erzeugten Abgasen der Maschine einschließen. In aller Regel arbeiten solche Regelsysteme mit einer geschlossenen Regelschleife in Abhängigkeit von dem Sauerstoffanteil in den Abgasen für die Beibehaltung eines Luft/Brennstoff- Gemisches bei oder nahe der Stöchiometrie. Verbesserte Ausbildungen solcher Regelsysteme beinhalten adaptive Mechanismen, welche ein lernfähiges Erinnerungsvermögen an die wahrscheinliche Brennstoffmenge haben, die eingespritzt werden muß bei solchen Betriebsbedingungen, die früher bereits einmal in Erscheinung getreten sind und die aktuell wieder durch Werte identifiziert werden können, die eine Verknüpfung bspw. mit der Maschinendrehzahl, der Maschinen­ last, der Kühlmitteltemperatur der Maschine oder auch der benutzten Brennstoffart erfahren können.

Die Geschwindigkeit, mit welcher elektrisch betätigte Brennstoffeinspritzdüsen auf ein vorgegebenes Steuersignal reagieren können, und damit auch die Menge des in Abhängig­ keit von einem solchen Signal eingespritzten Brennstoffs, wird beeinflußt von der Batteriespannung, die für die Stellorgane der Einspritzdüsen zur Verfügung steht. Mit Rücksicht darauf sind daher bei den herkömmlichen Einspritz­ systemen für flüssigen Brennstoff, wie bspw. Benzin, Metha­ nol und Ethanol, solche Maßnahmen für eine Verarbeitung von Daten getroffen, daß die Dauer der Befehlssignale für die Brennstoffeinspritzung geändert wird, um die Auswirkungen der Batteriespannung auf die Brennstofflieferung zu kompen­ sieren.

Die zur Verwendung bei Fahrzeugen, die mit flüssigem Brenn­ stoff betrieben werden, entworfenen Brennstoff-Regelsysteme haben sich dort bis jetzt als sehr nachteilig erwiesen, wo anstelle eines Betriebs mit flüssigen Brennstoffen die Brennkraftmaschine mit Druckgasen betrieben wird, wie bspw. Naturgasen. Diese Nachteile ergeben sich in erster Linie bei den verwendeten Druckreglern, die bei der Verwendung für die Anlieferung von flüssigem Brennstoff unter einem im wesentlichen konstanten Druck von typisch etwa 40 psig (etwa 27.5 N/cm² Überdruck) über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen arbeiten, während die für natürliches Druckgas verwendeten Druckregler bei wesentlich höherem Druck arbeiten müssen, typischerweise bei einem Druck von etwa 100 psig (etwa 68.67 N/cm² Überdruck), wobei die Regler nicht dazu fähig sind, diesen höheren Druck über einen größeren Bereich an Betriebstemperaturen und Fließ­ raten konstant beizubehalten, denen die Maschine unterworfen ist. Daneben führen Änderungen in der Umgebungstemperatur bei den Einspritzdüsen zu einer Änderung des Widerstands, der bei den Betätigungssolenoiden auftritt, und diese Widerstandsänderung ändert ihrerseits wieder die Zeit, die für die Einspritzdüsen für ein Ansprechen auf ihre Betäti­ gungssignale benötigt wird, was zu einer wesentlichen Veränderung bei der Menge des an die Einspritzdüsen ange­ lieferten Brennstoffes führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brenn­ stoff-Regelsystem der angegebenen Gattung derart auszubilden, daß es optimal auch für eine Brennkraftmaschine von Kraft­ fahrzeugen eingesetzt werden kann, die mit Druckgas betrie­ ben wird und bei welchem somit ein Druckregler eingesetzt ist, der bei solchen viel höheren Druckwerten regelt, als es bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem flüssigen Brennstoff der Fall ist.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff-Regelsystem gemäß der durch den Patentanspruch 1 angegebenen Ausbildung, die optimal mit den Merkmalen der weiteren Ansprüche versehen sein kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde es somit als vorteil­ haft befunden, die Fähigkeiten eines elektronischen Steuer­ systems für die Brennstoffeinspritzung durch eine Änderung der Dauer der Befehlssignale für die Einspritzung des Brennstoffs zuerst durch eine Auswahl eines vorbestimmten Korrekturwertes aus einem Satz von derartigen Werten zu ändern, die in einer Tabelle gespeichert sind, wobei der ausgewählte Wert in Übereinstimmung sowohl mit dem gegen­ wärtigen Brennstoffdruck wie auch mit der gegenwärtigen Temperatur der Einspritzdüse identifiziert wird. Das Regel­ system weist dafür einen herkömmlichen Regler mit geschlos­ sener Regelschleife auf, der auf den erfaßten Sauerstoff­ anteil in den Abgasen der Brennkraftmaschine anspricht, der durch einen üblichen Sauerstoffsensor gemessen wird. Dieser Sensor erzeugt eine "reiche" Anzeige, wenn der Sauerstoff­ anteil niedrig ist, und eine "magere" Anzeige, wenn der Sauerstoffanteil hoch ist. Der Regler spricht auf jede "magere" Anzeige mit einer fortschreitenden Erhöhung der Brennstoff-Lieferungsrate an, bis in den Abgasen eine "reiche" Anzeige erhalten ist. Gleichartig spricht der Regler andererseits auf eine "reiche" Anzeige durch eine fortschreitende Erniedrigung der Lieferungsrate des Brenn­ stoffs an, bis die "magere" Anzeige wieder erscheint. Der Regler stellt dabei die Lieferungsrate des Brennstoffs durch eine Veränderung der Zeitdauer ein, während welcher die Einspritzdüsen während jedes Zyklus offen sind. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Dauer jedes Befehlssignals für eine Einspritzdüse durch einen Korrekturwert eingestellt, der aus einer Tabelle ausgewählt wird, die aus einem Satz von vorbestimmten Werten besteht, wobei der betreffende Korrekturwert ausge­ wählt wird in einer gemeinsamen Abhängigkeit von den gegen­ wärtig erfaßten Werten des Brennstoffdruckes und der Umge­ bungstemperatur der Einspritzdüse.

Gemäß der Erfindung ergänzt der Korrekturwert, der für die Einstellung der Dauer des Befehlssignals für die Einspritz­ düse verwendet wird, additiv einen weiteren Korrekturfaktor, der Änderungen in der Fließrate kompensiert, die aus Ände­ rungen der Versorgungsspannung resultieren, welche zur Betätigung der Einspritzdüsen angeliefert wird.

Durch eine Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfin­ dung wird die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit des Einspritzsystems über einen weiten Bereich von Betriebsbe­ dingungen beträchtlich verbessert. Die Erfindung erlaubt eine Anpassung eines sonst herkömmlichen Regelsystems für flüssigen Brennstoff an die viel strengeren Erfordernisse, die bei der Verwendung von Druckgas auferlegt sind, insbe­ sondere dann, wenn das Liefersystem des Brennstoffs unter merklich unterschiedlichen Bedingungen betrieben wird.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoff- Regelsystems wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein schematisches Blockdiagramm der Bauteile des Regelsystems in der Verknüpfung mit einer Brennkraft­ maschine zeigt.

Gemäß diesem Blockdiagramm ist ein Tank 10, der natürliches Druckgas enthält, mit einer Brennkraftmaschine 11 über einen Druckregler 12 und eine Versorgungsleitung 13 verbun­ den, welche über herkömmliche Brennstoffeinspritzdüsen 14 an die Maschine angeschlossen ist. Die Einspritzdüsen 14 weisen die herkömmliche Ausbildung auf, die auch für die Einspritzung von flüssigem Brennstoff geeignet ist.

Ein Regler 100 mit geschlossener Regelschleife wird mit Signaleingängen beliefert, die mit 101 bis 107 angegeben sind. Der Signaleingang 101 liefert einen Druckwert des Brennstoffs, der von einem Drucksensor 111 erhalten wird, welcher mit der den Brennstoff anliefernden Leitung 13 in Verbindung steht. Der Signaleingang 102 liefert einen Temperaturwert des Brennstoffs, der von einem Temperatur­ sensor 112 erhalten wird, welcher ebenfalls mit der den Brennstoff liefernden Leitung 13 in Verbindung steht. Der Sensor 112 ist vorzugsweise in der Verteilerleitung des Brennstoffs nahe an den Einspritzdüsen 14 angeordnet, so daß der mit dem Signal 102 gelieferte Wert bei 120 mit dem Eingangssignal 103 kombiniert werden kann, welches von einem Temperatursensor 113 für das Kühlmittel der Maschine erhalten wird, so daß aus diesen beiden Temperaturwerten ein Steuersignal 121 gebildet werden kann, dessen Wert die geschätzte Betriebstemperatur innerhalb der Einspritzdüsen 14 ergibt. Weiterhin wird das Eingangssignal 105 von einem sog. HEGO-Sauerstoffsensor 115 erhalten, der den Sauerstoff­ anteil in den Abgasen der Maschine 11 erfaßt. Die Eingangs­ signale 106 und 107 geben schließlich die Maschinendrehzahl und die Maschinenlast an. Das Drehzahlsignal 106 wird dabei typischerweise durch eine Bestimmung der Impulsrate von einem Kurbelwellentachometer 116 erhalten, während das Eingangssignal 107 der Maschinenlast abgeleitet wird von dem Ansaugdruck der Maschine, der mittels eines Sensors 117 in dem Ansaugkrümmer der Maschine angeordnet ist.

Der Regler 100 entwickelt ein Befehlssignal 150, welches einen elektronischen Schalter 152 steuert, der aus einer Spannungsquelle 114 eine Betriebsspannung für ein Öffnen und Schließen der Einspritzdüsen 14 liefert. Die Dauer jedes Befehlssignals 150 bestimmt die an die Maschine gelieferte Brennstoffmenge. Diese Dauer wird durch einen Generator 172 bestimmt, der ein Befehlssignal für die Einspritzdüsen erzeugt, dessen Dauer in Abhängigkeit von vier verschiedenen Eingängen wechselt: dem Ausgang eines (PID) Reglers 160 mit geschlossener Regelschleife und den Ausgängen von drei Tabellen 170, 180 und 190. Jede dieser drei Tabellen enthält einen Satz von vorbestimmten Werten, wobei ein bestimmter Wert ausgewählt wird, um die Dauer des Befehlssignals auf der Basis der gegenwärtigen Betriebsbe­ dingungen der Maschine zu ändern.

Der Betrieb des PID Reglers 160 ist herkömmlich und macht Gebrauch von dem Mechanismus mit geschlossener Regelschleife für eine Verwirklichung der Lieferungsrate des Brennstoffs. Das von dem HEGO Sensor erhaltene Signal 105 für die Anzeige des Sauerstoffanteils wird an den PID Regler 160 über einen Tiefpaßfilter 161 angeliefert, der aus dem Signal 105 die hochfrequenten Komponenten entfernt. Wenn das über den Filter 161 an den Regler 160 angelieferte Signal unter eine vorbestimmte Größe abfällt, das eine "reiche" Bedingung anzeigt, dann erzeugt die proportionale Komponente des Reglers eine stufenweise Erniedrigung der Dauer des Ein­ spritzsignals, so daß die Dauer des Befehlssignals dann allmählich und fortschreitend erniedrigt wird und damit auch die Brennstoffmenge eine Verringerung erfährt, die an die Maschine angeliefert wird, bis schließlich die den Sensor 115 erreichenden Verbrennungsprodukte einen hohen Sauerstoffanteil erzeugen, was dann eine "magere" Anzeige ergibt. Der Regler erhöht dann sofort die Dauer des Befehls­ signals und beginnt mit einer allmählichen und progressiven Erhöhung des Befehlssignals unter Verwendung seiner inte­ gralen Komponente, so daß schließlich eine vergrößerte Brennstoffmenge wieder so lange angeliefert wird, bis der Sensor wieder eine "reiche" Anzeige ermittelt. Die Zyklen wiederholen sich in dieser Art und Weise, wobei das Gemisch falls erwünscht bei oder nahe der Stöchiometrie gehalten wird. Eine zusätzliche Information über die Verwendung von solchen Regelmechanismen mit einer geschlossenen Regel­ schleife ist im übrigen zu finden in D.R. Hamburg und M.A. Schulman in SAE Paper 800826.

Die erste der drei Korrekturtabellen, nämlich die Tabelle 170 mit adaptiven Werten, ist herkömmlich, wobei diese Tabelle das Regelsystem mit der Fähigkeit eines adaptiven Lernens ausrüstet und danach mit der Fähigkeit einer ange­ näherten Voraussage, wie groß die Lieferungsrate des Brenn­ stoffs sein sollte, um bei einer vorgegebenen Maschinendreh­ zahl und Last eine Stöchiometrie zu erreichen. Wenn die Maschine einen stabilen Betriebspunkt erreicht hat und der PID Regler 160 eine Lieferungsrate des Brennstoffs bestimmt hat, die bei oder nahe der Stöchiometrie liegt, dann spei­ chert eine adaptive Logikeinheit 171 diese Lieferrate des Brennstoffs, welche dabei die Form eines Befehlswertes der Einspritzdauer in der adaptiven Tabelle 170 annimmt. Die adaptive Tabelle 170 ermöglicht das adaptive Lernen und Speichern von annehmbaren Lieferungsraten des Brennstoffs und deren spätere Auslesung, wenn sich die Betriebsbedingun­ gen der Maschine abrupt verändern, so daß eine Verwendung des gelernten Wertes als eine Schätzung erlaubt wird, welche die mit dem PID Regler 160 realisierte geschlossene Regelschleife dann verfeinern kann, um einen rascheren stöchiometrischen Betrieb zu erreichen.

Die zweite Tabelle 160 ist ebenfalls herkömmlich und erfaßt die Spannung, die von der Spannungsquelle 114 für den Betrieb der Einspritzdüsen 14 geliefert wird. Mit dieser Tabelle wird die Dauer des Befehlssignals korrigiert, um damit die Tatsachen zu kompensieren, daß die Ansprechzeit der Einspritzdüsen eine vorhersagbare Funktion der Betriebs­ spannung der Einspritzdüsen ist. Der Korrekturwert von der Tabelle 180 nimmt die Form eines Bestandswertes an, der in Millisekunden ausgedrückt werden kann und das Befehlssignal direkt einstellt, um die Auswirkungen von Änderungen bei der Lieferspannung der Einspritzdüsen zu kompensieren.

Die Kombination des PID Reglers 160 und der Funktionen der adaptiven Tabelle 170 und der Tabelle 180 für die Batterie­ spannung hat sich als verläßlich und auch überaus genau erwiesen für den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit flüssigen Brennstoffen. Wenn die Maschine jedoch mit Druck­ gas betrieben wird, dann reicht diese Kombination nicht mehr aus, einen verläßlichen Betrieb zu garantieren. Dies ist ursächlich auf die beiden Tatsachen zurückzuführen, daß der Druckregler 12 unfähig ist, den Druck des Druckgases präzise zu regeln, welches den Einspritzdüsen zugeleitet wird, sobald sich die Maschinentemperatur und die Fließraten ändern. Als zweite Ursache sind die Auswirkungen der Tempera­ tur auf den Betriebswiderstand der Stellorgane der Einspritz­ düsen anzugeben, weil damit die Ansprechzeit der Einspritz­ düsen so nachhaltig geändert wird, daß sich wesentliche Änderungen bei der Anlieferungsrate des Druckgases ergeben. Die nachteilige Auswirkung dieser beiden Ursachen wird jedoch stark reduziert, wenn ein zusätzlicher Satz an Korrekturwerten für das Befehlssignal der Einspritzdüsen in der zweidimensionalen Tabelle 190 gespeichert wird, die in der einen Dimension durch den Druckwert 101 des Brennstoffs und in der anderen Dimension durch den Schätzwert 121 für die Umgebungstemperatur der Einspritzdüsen angegeben wird.

Der Regler 100 ist vorzugsweise mit einem integrierten Schaltkreis eines Mikroreglers und mit Speichereinrichtungen ausgeführt, die unter einer gespeicherten Programmsteuerung arbeiten. Geeignete Mikroregler sind herkömmlich in einer großen Vielzahl zu erhalten, so bspw. aus der Motorola 6800 Familie, wie näher beschrieben in Motorola′s Microcontroller and Microprocessor Families, Band 1 (1988), veröffentlicht von Motorola, Inc., Microcontroller Division, Oak Hill, Texas.

Das Befehlssignal 110 wird mit der Drehung der Kurbelwelle der Maschine synchronisiert und damit auch mit den Bewegun­ gen der Kolben und Ventile, wobei Ereignissignale von einen oder mehreren Signalen verarbeitet werden, wie bspw. einem Tachometer 116, die dann dem Mikroregler als Unterbrechungs­ signale angeliefert werden. Diese Signale werden damit normal an den Unterbrecheranschluß (nicht dargestellt) des Mikroreglers angeliefert, um Unterbrechungs-Handhabungsrou­ tinen auszuführen, welche zeitkritische Betriebsweisen unter der Steuerung von Variablen ausführen, die in dem Speicher gespeichert sind. Durch ein Ansammeln dieser Unterbrechungssignale können numerische Werte zur Verfügung gestellt werden, welche eine Anzeige für die Kurbelwellen­ drehung ergeben und an das adaptive Brennstoff-Regelsystem übergeben werden.

Analoge Signalwerte von Sensoren, wie von den Temperatur­ sensoren 112 und 113, dem Drucksensor 111 und dem HEGO Sensor 115, können mit dem Regler verbunden werden, um eine Information in der Form von analogen Spannungssignalen zu liefern, die dann für eine Verarbeitung in eine digitale Form durch (A-D) Wandler umgewandelt werden, die in den Mikroregler eingebaut sind. Die adaptive Tabelle 170 nimmt wegen ihrer Fähigkeit zu lesen und zu aktualisieren vorzugs­ weise die Form eines nicht-flüchtigen "Haltespeichers" bzw. (KAM) an, während die Korrekturtabelle 190 von das von dem Druck und der Temperatur abhängige Befehlssignal sowie auch die Korrekturtabelle 180 für die Betriebsspannung der Einspritzdüsen die Form von Werten annehmen können, die empirisch für ein bestimmtes Fahrzeug bestimmt sind und dauerhaft in einem Auslesespeicher bzw. (ROM) gespeichert werden zusammen mit anderen, für die Maschine berücksichtig­ ten Parametern. In der Praxis wurde gefunden, daß eine 5×5 Tabelle, die also durch fünf getrennte Druckwerte und fünf ebenfalls getrennte Temperaturwerte angegeben ist, eine angemessene Korrekturgenauigkeit für die Dauer des Befehls­ signals ergibt und die Zuverlässigkeit des Brennstoff- Regelsystems wesentlich verbessert.

Claims (3)

1. Brennstoff-Regelsystem für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen, bei welchem die Anlieferung von Brenn­ stoff an Einspritzdüsen der Maschine in Abhängigkeit von einem Befehlssignal eines elektronischen Regelsystems mit geschlossener Regelschleife gesteuert wird, dessen Dauer die Menge des eingespritzten Brennstoffs ergibt und derart abhängig ist von dem die Höhe des Sauerstoff­ anteils in den Abgasen der Maschine angebenden Ausgangs­ signal eines Abgassensors, daß wenn dieses Ausgangssignal größer ist als ein erster Schwellwert das Befehlssignal verlängert wird, während es verkürzt wird, wenn das Ausgangssignal des Abgassensors kleiner ist als ein zweiter Schwellwert, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Befehlssignals (150) in Abhängigkeit wenigstens von einem für den Brenn­ stoff bei der Anlieferung an die Einspritzdüsen (14) erfaßten Drucksignal (101) und/oder von wenigstens einem in der Nähe von wenigstens einer Einspritzdüse (14) erfaßten Temperatursignal (102, 103) geregelt wird, wobei das Drucksignal (101) und/oder das Temperatursignal (102, 103) einen Vergleich mit einer Vielzahl von ge­ speicherten Korrekturwerten für unterschiedliche druck- und/oder temperaturabhängige Betriebsbedingungen der Maschine (11) einer Tabelle (190) des Regelsystems (100) erfahren, die für einen Vergleich mit den jeweils aktuel­ len Ist-Werten der Druck- und/oder Temperatursignale und eine Regelung der Dauer des Befehlssignals (150) perio­ disch ausgelesen werden.

2. Brennstoff-Regelsystem nach Anspruch 1, bei welchem die Dauer des Befehlssignals (150) in Abhängigkeit von Meß­ werten (104) für die Batteriespannung (114) des Fahr­ zeuges adaptiv geregelt wird und mit dem Befehlssignal elektromechanische Stellorgane (152) der Einspritzdüsen (14) gesteuert werden.

3. Verwendung des Brennstoff-Regelsystems nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 für eine mit Druckgas betriebene Brenn­ kraftmaschine (11) von Kraftfahrzeugen.