DE69209460T2

DE69209460T2 - Elektronisches System zur Regelung der Benzineinspritzung

Info

Publication number: DE69209460T2
Application number: DE69209460T
Authority: DE
Inventors: Maurizio Abate; Claudio Carnevale; Pietro Nenzioni; Aldo Perotto
Original assignee: Magneti Marelli SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1992-12-11
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-12-12
Also published as: ITTO910976A0; ES2087417T3; EP0546579A1; DE69209460D1; ITTO910976A1; US5335643A; IT1250530B; EP0546579B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Steuern der Kraftstoffzufuhr eines elektronischen Einspritzsystems.
Bekannte elektronische Einspritzsysteme weisen ein elektronisches Steuersystem mit einer Verarbeitungseinheit zum Empfangen und Verarbeiten von Signalen auf, die proportional zur Maschinendrehzahl sowie zum Luftdruck und der Temperatur im Ansaugverteiler sind, und zum dementsprechenden Liefern eines Ausgangswertes (Qb), welcher die Kraftstoffmenge angibt, die eingespritzt werden muß, um ein im wesentlichen korrektes stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen.
Der Ausgangswert (Qb), der üblicherweise mittels gespeicherter Kennfelder bestimmt wird, wird modifiziert, indem die Zusammensetzung des Abgases mittels eines Sensors im Inneren des Abgaskrümmers überwacht wird, der ein Signal zwischen und 1 V in Abhängigkeit davon liefert, ob das Luft/Kraftstoff-Gemisch im Vergleich zum notwendigen stöchiometrischen Verhältnis mehr oder weniger Kraftstoff enthält.
Das Signal von dem Sensor wird mittels einer Proportional- Integral-Steuervorrichtung verarbeitet, um einen Korrekturfaktor (K&sub0;&sub2;) zu erhalten, mit welchem der vorher berechnete Kraftstoffmengenwert (Qb) modifiziert wird, um die korrekte Kraftstoffmenge (Qbc) zu erzielen. Dies ergibt somit aufgrund des Rückführens des von dem Sensor gelieferten Signals eine Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge in einer geschlossenen Schleife.
Der Abgassensor weist eine Transferfunktion auf, die durch eine nichtlineare Charakteristik und eine Zeitverzögerung simulierbar ist, welche im wesentlichen das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Luft/Kraftstoff-Gemisch von dem stöchiometrischen Wert abweicht, und dem Zeitpunkt ist, bei dem der Sensor nach dem Erfassen der Änderung schaltet.
Hierzu wird eine weitere Verzögerung hinzuaddiert, die aufgrund der zum Durchlaufen des Ansaugverteilers, dem Erfahren der Verbrennung und dem Durchlaufen des Abgaskrümmers notwendigen Zeit aus der Differenz zwischen dem Zeitpunkt, zu welchem der Kraftstoff eingespritzt wird, und dem Zeitpunkt besteht, zu dem das Verlassen des stöchiometrischen Verhältnisses erfaßt wird.
Die obigen Verzögerungen beeinträchtigen wesentlich das Ansprechen sowie die dynamische Leistung des Gesamtsystems, da das Abgassensorsignal nicht mit der tatsächlichen Zusammensetzung des Luft/Kraftstoff-Gemischs übereinstimmt.
Insbesondere unter Übergangsbetriebsbedingungen der Maschine (beispielsweise starken Änderungen des Zufuhrdrucks) ist der Korrekturfaktor (K&sub0;&sub2;) nicht in der Lage, eine adäquate Korrektur der von der Verarbeitungseinheit bestimmten Kraftstoffmenge zu gewährleisten, was dazu führt, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wesentlich vom stöchiometrischen Verhältnis abweicht. Im Dokument EP-A-236 207 ist ein Einspritzsystem beschrieben, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, welches so ausgelegt ist, daß die üblicherweise bei bekannten Einspritzsystemen vorhandenen Nachteile beseitigt sind, indem gewährleistet wird, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis jederzeit unter allen Betriebsbedingungen dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 geschaffen.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Ansicht des Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 Zeitkurven einer Anzahl von Signalen des Steuersystems; und
- Fig. 3a und 3b experimentelle Zeitkurven einer Anzahl von Mengen des Systems von Fig. 1.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein System zum Steuern der Kraftstofflieferung eines elektronischen Einspritzsystems 4 zu einem Benzinmotor 6.
Das System 1 enthält eine Verarbeitungseinheit 10, der drei Eingangssignale geliefert werden, die proportional zum Ansaugluftdruck (P), zur Ansauglufttemperatur (T) und zur Maschinendrehzahl (n) sind. Das Ausgangssignal der Einheit 10 wird an einen ersten Eingang 12 einer Verarbeitungseinheit 14 angelegt, deren Ausgang 15 mit dem elektronischen Einspritzsystem 4 verbunden ist.
Auf der Basis des Drucks (P) und der Temperatur (T) der Luft im Ansaugverteiler berechnet die Einheit 10 (beispielsweise mittels des idealen Gasgesetzes) die Ansaugluft (Q) der Maschine 6, wobei dieser Wert (Q) nachfolgend dafür verwendet wird, eine Menge zu berechnen, die proportional zur von der Maschine 6 benötigten Kraftstoffmenge (Qb) ist, damit ein korrektes Luft/Kraftstof f-Verhältnis erzielt wird.
Zu diesem Zweck bestimmt die Einheit 10 unter Verwendung von gespeicherten Kennfeldern oder in sonstwie bekannter Weise eine theoretische Kraftstoffmenge (Qb) in Abhängigkeit von der Ansaugluft (Q) und der Drehzahl (n) der Maschine, wobei der Wert (Qb) nur eine grobe Schätzung des optimalen Werts ist, der nachfolgend korrigiert wird, wie ausführlich später beschrieben wird.
Die Einheit 14 liefert ein zweites Eingangssignal 16, welches an den Ausgang 17 einer Proportional-Integral-Steuervorrichtung 18 angelegt wird, deren Eingang 19 mit einem Signal (E) von einem Knotenpunkt 20 beliefert wird.
Dem Knotenpunkt 20 werden drei Signale geliefert: ein Signal (Vlambda), welches von einem Sensor 21 im Inneren des Abgaskrümmers der Maschine 6 erzeugt wird; ein konstantes, vorzeicheninvertiertes Referenzsignal (Vst) und ein Korrektursignal, welches ausführlicher nachfolgend beschrieben wird.
Die Steuervorrichtung 18 berechnet eine Korrekturvariable K&sub0;&sub2; auf der Basis des Signals (E) am Eingang 19 und gemäß der Gleichung:
K&sub0;&sub2; = Ki* (E)dt + Kp*(E)
wobei Ki und Kp Konstante sind.
Auf der Basis der Signale an ihren Eingängen berechnet die Verarbeitungseinheit 14 eine korrekte Kraftstoffmenge Qbc gemäß der Gleichung:
Qbc = Qb*(1+K&sub0;&sub2;)
wobei Qb die von der Einheit 10 berechnete theoretische Kraftstoffmenge und K&sub0;&sub2; die von der Steuervorrichtung 18 berechnete Korrekturvariable ist.
Das System 1 enthält auch eine Vorhersagevorrichtung 26 mit einem Eingang 30, der mit dem Ausgang 17 verbunden ist, und einem Ausgang 32, der mit dem Knoten 20 verbunden ist.
Die Vorhersagevorrichtung 26 enthält eine Schaltung 37, die mit dem Eingang 30 und dem Sensor 21 verbunden ist und deren Ausgang 40 mit dem Eingang 43 einer Simulationseinheit 45 verbunden ist, welche drei Blöcke 50, 53 und 57 in Kaskadenschaltung enthält.
Der Ausgang 60 der Simulationseinheit 45 ist direkt mit dem Additionseingang eines Knotens 65 und mit dem Eingang einer Verzögerungsschaltung 70 verbunden, deren Ausgang vorzeicheninvertiert und an den Knoten 65 angelegt wird, der wiederum mit dem Ausgang 32 verbunden ist.
Der Schaltung 37 wird der Wert des Korrekturparameters (K&sub0;&sub2;) und das Signal Vlambda geliefert, welches von dem Sensor 21 erzeugt wird, und sie liefert wiederum ein Ausgangssignal, welches den Wert des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses der Maschine 6 abschätzt.
Die Einheit 45 simuliert die Transferfunktion des Maschinen- Sensor-Systems minus der Verzögerung (T), die durch den Sensor 21 und durch die Zeit eingeführt ist, die vom Gas zum Erreichen des Abgaskrümmers benötigt wird. Genauer gesagt reproduzieren die Blöcke 50, 53 und 57 die Transferfunktion, indem die Verbrennung in der Verbrennungskammer der Maschine 6, die Mischungseffekte im Abgaskrümmer bzw. die Reaktion des Sensors 21 simuliert werden. Die Blöcke 50 und 53 bestehen zweckmäßigerweise aus Tiefpaßfiltern.
Zum Berechnen des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses weist die Schaltung 37 einen Speicher 38 (Ringpuffer) auf, der Werte des Parameters K&sub0;&sub2; enthält, die für jede obere Totpunktlage (TDC) der Maschine 6 berechnet wurden.
Die Schaltung 37 bestimmt das Kraftstoff/Luft-Verhältnis dann, wenn der Sensor 21 schaltet, indem zu der Einheit die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Wert des Parameters K&sub0;&sub2; und dem Wert von K&sub0;&sub2; vor einem Zeitintervall hinzuaddiert wird, welches gleich der von dem System eingeführten Verzögerung (T) ist.
Der Betrieb des Systems wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, in der Zeitkurven von fünf Signalen A, B, C, D und E dargestellt sind, welche das von dem Sensor 21 erzeugte Signal, das am Ausgang 60 anliegende, von der Simulationseinheit 45 geschätzte Signal, das Signal am Ausgang der Verzögerungsschaltung 70, das Korrektursignal am Ausgang 32 (welches gleich der Differenz zwischen den Signalen B und C ist) bzw. das Korrektursignal darstellen, welches am Eingang 19 im Falle eines Referenzsignals (Vst) von konstant Null vorliegt.
In Reaktion auf eine Abweichung des Luft/Kraftstoff-Gemischs vom stöchiometrischen Wert schaltet der Sensor 21 beispielsweise von einem niedrigen Spannungsniveau (in der Nähe von 0 V) auf ein hohes Spannungsniveau (in der Nähe von 1 V). Dies (Signal A) tritt nach einem Zeitintervall (T) auf, das im wesentlichen bedingt ist durch die Zeit, welche das Luft/Kraftstoff-Gemisch benötigt, um eine Verbrennung zu erfahren, durch die Zeit, welche die verbrannten Gase benötigen, um den Abgaskrümmer zu erreichen, und durch die Ansprechzeit des Sensors 21 selbst.
Nachdem die Einheit 45 simuliert, was hinsichtlich des Abweichens des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses vom stöchiometrischen Wert in der Maschine 6 tatsächlich passiert, weist das Signal am Ausgang 60 (Signal B) im wesentlichen dieselbe Form wie das vom Sensor 21 erzeugte Signal (A) abzüglich der von dem System eingeführten Verzögerung (T) auf, während das Signal am Ausgang der Schaltung 70 (Signal C) im wesentlichen dieselbe Form wie das vom Sensor 21 erzeugte Signal (A) einschließlich der Verzogerung (T) aufweist.
Das Signal D, welches gleich der Differenz zwischen den Signalen C und B ist, die mit bzw. ohne Verzögerung T abge schätzt wurden, stellt somit die für das tatsächliche Signal (A) zum Kompensieren der Verzögerung notwendige Korrektur dar.
Daher wird das Korrektursignal (D) zu dem vom Sensor 21 erzeugten tatsächlichen Signal (A) hinzuaddiert, so daß ein korrektes Signal (E) erhalten wird, welches im wesentlichen gleich dem ist, welches vom Sensor 21 beim Fehlen der Systemverzögerung T erzeugt würde und welches somit korrigiert ist, um das dynamische Ansprechen des Systems 1 insgesamt zu verbessern.
Genauer gesagt liefert die obige Verbesserung des Ansprechens auch eine Verbesserung von anderen Systemparametern wie der Effizienz der Proportional-Integral-Steuervorrichtung 18 (Fig. 3a), deren Integralfaktor erhöht werden kann, um das Ansprechen des Systems auf eine Abweichung vom stöchiometrischen Verhältnis zu beschleunigen, ohne daß die von anderen Systemen bekannte Gefahr eines übermäßigen Abweichens vom korrekten Wert (Ansteigen der Steigung der linearen Anstiegsabschnitte) auftritt. Außerdem kann der Proportionalfaktor der Steuervorrichtung reduziert werden, um den Schwingungsbereich des Luft/Kraftstof f-Verhältnisses um das stöchiometrische Verhältnis herum zu verringern.
Die erzielbaren Vorteile sind in den Figuren 3a und 3b zu sehen, in denen die Werte des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und das vom Sensor 21 erzeugte Signal in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt sind.
F und G in den Figuren 3a und 3b bezeichnen Signale, die unter Verwendung eines herkömmlichen Systems erzielbar sind, und H und 1 bezeichnen diejenigen Signale, die bei Labortests des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt wurden.
Beispielsweise kann der Wert des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses von der Schaltung 37 über eine statistische Analyse abgeschätzt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Kalman-Filters oder einer Statusabschätzung.
Auch kann der Block 10 anders ausgelegt sein, und ihm kann die Drehzahl (n) der Maschine 6 und ein Luftzufuhrsignal (Q) von einem (nicht dargestellten) Meßgerät im Inneren des Ansaugverteilers geliefert werden, wobei das Signal (Q) mittels zweier Signale korrigiert werden kann, welche proportional zum Druck (P) bzw. zur Temperatur (T) der Luft im Ansaugverteiler sind, so daß ein korrektes Luftzufuhrsignal (Qc) erhalten wird, mit welchem die theoretische Kraftstoffmenge (Qb) berechnet wird.

Claims

1. Elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, mit:

ersten Mitteln (10) zum Bestimmen einer theoretischen Kraftstoffmenge (Qb) in Abhängigkeit von Informationssignalen (P, T, n);

zweiten Mitteln (18) zum Berechnen eines Parameters (K&sub0;&sub2;) zum Korrigieren der theoretischen Menge (Qb) in Abhängigkeit von einem Eingangssignal (E), welches ein von einem innerhalb des Abgaskrümmers der Maschine (6) angeordneten Sensor (21) erzeugtes Signal (A) enthält;

wobei der Sensor (21) eine Transferfunktion aufweist, die wenigstens eine nichtlineare Charakteristik und eine Zeitverzögerung enthält;

dritten Mitteln (14) zum Berechnen einer korrigierten Kraftstoffmenge (Qbc) in Abhängigkeit von dem Parameter (K&sub0;&sub2;);

Vorhersagemitteln (26), welche wenigstens den Wert des Parameters (K&sub0;&sub2;) empfangen und ein Korrektursignal (D) erzeugen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorhersagemittel (26) enthalten:

- Mittel (45) zum Erzeugen eines Vorhersagesignais (B), welche das von dem Sensor (21) erzeugte Signal (A) minus der von dem System eingeführten Verzögerung simulieren;

- Verzögerungsmittel (70) zum Simulieren der von dem System eingeführten Verzögerung (T); wobei die Verzögerungsmittel (70) das Vorhersagesignal (B) empfangen und ein verzögertes Signal (C) abgeben;

- erste Additionsmittel (60), die mit den Verzögerungsmitteln (70) und den Mitteln (45) zum Erzeugen des Vorhersagesignais (B) verbunden sind, um das verzögerte Signal (C) von dem Vorhersagesignal (B) zu subtrahieren und so das Korrektursignal (D) zu erzeugen;

- zweite Additionsmittel (20) zum addieren des Korrektursignals (D) zu dem von dem Sensor (21) erzeugten Signal (A) und zum Erzeugen des Eingangssignals (E), welches den zweiten Mitteln (18) eingegeben wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorhersagemittel (26) vierte Verarbeitungsmittel (37) enthalten, an deren Eingang (30) der Wert des Korrekturparameters (K&sub0;&sub2;) angelegt ist und deren Ausgang (40) ein Signal in Abhängigkeit von dem geschätzten Kraftstoff/Luft-Verhältnis abgibt, wobei die Vorhersagemittel (26) auch fünfte Verarbeitungsmittel (45) zum Simulieren der Transferfunktion des Maschine-Sensor-Systems minus der von dem System eingeführten Verzögerung (T) enthalten, wobei die fünften Mittel (45) mit dem Signal versorgt werden und am Ausgang (60) das Vorhersagesignal (B) erzeugen.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel (70) eingangsseitig mit den fünften Verarbeitungsmitteln (45) verbunden ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fünften Mittel (45) sechste (50), siebte (53) und achte (57) Verarbeitungsmittel in Kaskadenschaltung enthalten, um die Transferfunktionen durch Simulieren der Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer der Maschine, der Vermischungseffekte innerhalb des Abgaskrümmers bzw. der nichtlinearen Charakteristik des Sensors (21) zu reproduzieren.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sechsten (50) und die siebten (53) Mittel wenigstens ein Tiefpaßfilter enthalten.

6. System nach den vorhergehenden Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Mittel (37) Speichermittel (38) enthalten, welche zu vorbestimmten Zeitpunkten des Betriebszyklus der Maschine (6) berechnete Werte des Parameters (K&sub0;&sub2;) enthalten, wobei die vierten Mittel (37) auch Interpolationsmittel enthalten, um zu der Einheit bei jeder Schaltoperation des Sensors (21) die Differenz zwischen einem ersten Wert des Parameters (K&sub0;&sub2;) und einem vorher gemessenen zweiten Wert des Parameters (K&sub0;&sub2;) hinzuzuaddieren, damit das Kraftstoff/Luft-Verhäitnis abgeschätzt wird.

7. System nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Verarbeitungsmittel (10) die theoretische Kraftstoffmenge (Qb) auf der Basis von gespeicherten Tabellen bestimmen.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Verarbeitungsmittel (10) die theoretische Kraftstoffmenge (Qb) auf der Basis der Luftzufuhr (Q) zum Ansaugkrümmer der Maschine (6) und aufgrund der Maschinendrehzahl (n) bestimmen.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel (18) Mittel zum Berechnen des Korrekturparameters (K&sub0;&sub2;) durch Integrieren des von dem Sensor (21) erzeugten Signals enthalten.