EP0449851B1

EP0449851B1 - Verfahren zur kraftstoffmengenbestimmung

Info

Publication number: EP0449851B1
Application number: EP89913031A
Authority: EP
Inventors: Martin Klenk; Winfried Moser; Kurt Ingrisch; Christian Klinke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-12-14
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1993-07-07
Anticipated expiration: 2009-11-29
Also published as: EP0449851A1; KR910700403A; DE3842075A1; JP3138467B2; WO1990007053A1; KR0148796B1; DE58904884D1; JPH04502352A

Abstract

Eines der beiden angegebenen Verfahren zur Kraftstoffmengenbestimmung zeichnet sich dadurch aus, daß der beim nächsten Ansaugtakt voraussichtlich vorliegende Saugrohrdruck berechnet wird und mit Hilfe desselben die für den nächsten Ansaugtakt einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt wird. Das zweite Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die mit Hilfe des Saugrohrdruckes bestimmte Luftmenge mit Hilfe eines Modelles korrigiert wird, das Temperatureffekte berücksichtigt. Beide Verfahren tragen dazu bei, daß Kraftstoffmengen besser als bisher vorausberechnet werden können, was insbesondere im Falle von Instationärübergängen von Vorteil ist. Mit Hilfe der vorausberechneten Luftmengen wird vorteilhafterweise auch der Zündzeitpunkt eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der einer Brennkraftmaschine pro Takt zuzuführenden Kraftstoffmenge.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren werden im folgenden unter Bezugnahme auf die in Fig. 8 dargestellte bekannt Anordnung beschrieben. Diese Anordnung weist ein Mittel 11 zur Steuerwertbestimmung, ein Mittel 12 zum Bestimmen von Instationär-Übergangswerten, ein Mittel 13 zum Regeln sowie eine Brennkraftmaschine 14 mit Drosselklappe 15, Einspritzventilanordnung 16 und Drucksensor 17 im Saugrohr 18 sowie mit einer Lambdasonde 19 im Abgasrohr 20 auf. Es sei zunächst angenommen, daß die Brennkraftmaschine 14 gesteuert betrieben wird. In diesem Fall wirkt nur das Signal vom Mittel 11 zur Steuerwertbestimmung auf die Einspritzventilanordnung 16. Dem Mittel 11 zur Steuerwertbestimmung werden Werte von Betriebsgrößen, insbesondere der Stellwinkel der Drosselklappe 15 und die Drehzahl, zugeführt, woraufhin das Mittel 11 ein Einspritzzeitsignal ausgibt. Als Eingangssignal kann dem Mittel 11 zur Steuerwertbestimmung auch nur das Drucksignal vom Saugrohr-Drucksensor 17 zugeführt werden. Die Einspritzzeit wird dann im wesentlichen proportional zum gemessenen Druck eingestellt. Für den Vollastbereich wird das Signal vorteilhafterweise noch mit Werten korrigiert, die abhängig von Werten von Betriebsgrößen aus einem Kennfeld ausgelesen werden.
Das bloße Steuern der Einspritzzeit reicht häufig nicht aus, um eine gewünschte Aboasqualität zu erzielen. Diese läßt sich mit Hilfe der Lambdasonde 19 und des Mittels 13 zum Regeln verbessern. Zu diesem Zweck wird der Lambda-Istwert von der Lambdasonde 19 mit einem Lambda-Sollwert in einer Vergleichsstelle 21 verglichen und der Differenzwert wird als Regelabweichung dem Mittel 13 zum Regeln zugeführt, welches abhängig von der Regelabweichung einen Stellwert in Form eines Regelfaktors RF bestimmt, der mit dem vom Mittel 11 zur Steuerwertbestimmung ausgegebenen Wert in einer Stellwert-Verknüpfungsstelle 22 multipliziert wird. Der beschriebene Regelkreis gewährleistet, daß Steuerwerte, mit denen allein der gewünschte Lambdawert nicht erzielt wird, so korrigiert werden, daß dieses Ziel doch erreicht wird.
Unabhängig davon, ob die einzuspritzende Kraftstoffmenge nur gesteuert wird, oder ob eine Vorsteuerung mit überlagerter Regelung vorhanden ist, ist zu beachten, daß die vom Mittel 11 zur Steuerwertbestimmung ausgegebenen Werte normalerweise für stationäre Betriebszustände bestimmt werden. Findet aber zwischen einem ersten stationären Beiriebszustand und einem zweiten stationären Betriebszustand z. B. eine Beschleunigung statt, ist zwischenzeitlich eine Beschleunigungsanreicherune erforderlich. Um diesen Instationärfall gemäß Beispiel oder auch andere Instationärfälle behandeln zu können, ist das Mittel 12 zum Bestimmen von Instationär-Übergangswerten vorhanden. Ändern sich Werte von Betriebsgrößen mit hohem zeitlichen Gradienten, gibt das Mittel 12 zum Bestimmen von Instationär-Übergangs werten eine Zeitfolge von Werten aus, die mit Steuerwerten in einer Instationär-Korrekturstelle 23 verknüpft werden.
Die Instationärkorrektur kann an lediglich gesteuerten Systemen oder an vorgesteuerten Systemen mit überlagerter Regelung vorhanden sein. Bei allen Anwendungen sind diejenige Fälle besonders problematisch, bei denen in kurzer Zeitfolge mehrere Instationärbedingungen erfüllt werden, sie jeweils neue Instationär-Übergangsfunktionen auslösen. Dadurch kommt es in der Praxis häufig zu sich unerwünschterweise verstärkenden oder aufhebenden Überschneidungen.
Um derartige Überschneidungen zu vermeiden, gehen Bestrebungen dahin, die Steuerwerte dauernd nach demselben Verfahren zu bestimmen, also nicht danach zu unterscheiden, ob stationäre oder instationäre Betriebszustände vorliegen. Ein derartiges Verfahren ist beschrieben in: "Instationärverhalten - ein neuer Schwerpunkt bei der Motorabstimmung von M. Theissen, H.-St. Braun und G. Krämer in Tagungsband 1. Aachener Kolloquium, Fahrzeug- und Motorentechnik '87, Aachen Oktober 1987". Die Fehler, die beim Bestimmen von Steuerwerten in Instationärvorgängen auftreten, wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, werden als Aktualisierungsfehler, Phasenfehler und Wandfilmfehler bezeichnet. Der Aktualisierungsfehler wird auf herkömmliche Art und Weise behandelt, nämlich dadurch, daß dann, wenn nach dem Berechnen der im nächsten Takt zuzuführenden Kraftstoffmenge ein Instationärereignis eintrat und die neue, dieses Ereignis berücksichtigende Kraftstoffmenge vor Abschluß des Ansaugtaktes berücksichtigt werden kann, ein Nachspritzer erfolgt. Der Wandfilmfehler wird individuell in Abhängigkeit der Werte verschiedener Betriebsgrößen berechnet. Beim Phasenfehler handelt es sich um einen Fehler, der insbesondere davon herrührt, daß durch einen Luftmengenmesser nicht nur diejenige Luft gemessen wird, die zur Verbrennung angesaugt wird, sondern auch diejenige Luft, die dazu dient, den Druck im Saugrohr zu erhöhen. Dieser Phasenfehler wird dadurch kompensiert, daß die Steigung des Signales des Luftmengenmessers an die Steigung des Saugrohrdruckes angepaßt wird. Der Saugrohrdruck wird also gemessen und die zur Verbrennung pro Takt angesaugte Luftmasse wird mit Hilfe des Saugrohrdruckes bestimmt.
Dadurch, daß der Phasenfehler durch Anpassung der Steigung des Signales des Luftmassenmessers an die Steigung des Signales des Drucksensors angepaßt wird, verhält sich dieses Verfahren im Instationärfall ähnlich wie diejenigen in Serie befindlichen Verfahren, bei denen die zur Verbrennung angesaugte Luftmasse unmittelbar aus dem gemessenen Saugrohrdruck bestimmt wird. Von diesen Verfahren ist aber bekannt, daß sie den bei einem Instationärvorgang auftretenden Phasenfehler nicht zu voller Zufriedenheit kompensieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der einer Brennkraftmaschine pro Takt zuzuführenden Kraftstoffmenge anzugeben, mit dem sich Phasenfehler weitgehend vermeiden lassen.
Ferner ist als Stand der Technik das SAE-paper 81 0494 von C.F. Aquino anzusehen. Es betrifft "Transient A/F Control Characteristics of the 5 Liter Central Fuel Injection Engine" und offenbart auf Seite 11 ff eine Berechnung der am Einlaßventil angesaugten Luftmenge M'ap ausgehend vom Drosselklappenwinkel bzw. dem wirksamen Querschnitt an der Drosselklappe sowie der Drehzahl. Angesaugte Luftmenge und Druck werden dabei mit einer Rekursionsformel (Formel 7) berechnet, die eine Zeitkonstante [(RPM)*D*eta-vol/2V] enthält, die von der Drehzahl abhängt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 sind Gegenstand der Unteransprüche 2 - 4. Ein Verfahren zur zusätzlichen Korrektur auch des Zündzeitpunktes ist Gegenstand von Anspruch 5.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß die zur Verbrennung angesauste Luftmasse nicht mehr aus dem aktuell gemessenen Saugrohrdruck bestimmt wird, sondern daß ermittelt wird, welcher Saugrohrdruck sich voraussichtlich im nächsten Takt einstellt, und daß die Luftmassenberechnung mit Hilfe dieses vorausberechneten Saugrohrdruckes erfolgt. Diese Verfahrensweise nutzt die Erkenntnis, daß sich der Saugrohrdruck bei Instationärübergängen von Takt zu Takt relativ stark ändert, daß also erheblich bessere Steuerwerte erzielbar sind, wenn für die im nächsten Takt zuzuführende Kraftstoffmenge bereits der dann voraussichtlich vorliegende Saugrohrdruck berücksichtigt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4 zeichnet sich dadurch aus, daß die mit Hilfe des Saugrohrdrucks bestimmte Luftmasse noch mit einem Wert korrigiert wird, der insbesondere Temperatureinflüsse berücksichtigt. Es hat sich herausgestellt, daß die zur Verbrennung angesaugte Luftmasse nicht mit derjenigen Masse übereinstimmt, die aufgrund der Druckverhältnisse eigentlich zu erwarten wäre. Hierbei ist zu beachten, daß Druckverhältnisse eigentlich die Strömung eines Luftvolumens, aber nicht einer Masse beeinflussen. Die in einem bestimmten Volumen vorhandene Luftmasse hängt noch von der Temperatur der angesaugten Luft ab. Die Temperaturverhältnisse in einer Brennkraftmaschine ändern sich jedoch bei Instationärübergängen. Der Zusammenhang zwischen dem Korrekturwert und Werten von Betriebsgrößen läßt sich vorherbestimmen. Dieser vorherbestimmte Zusammenhang wird dann zum Korrigieren derjenigen Luftmasse verwendet, die zunächst mit Hilfe des Sauarohrdrucks bestimmt wurde.
Zum Bestimmen des Saugrohrdruckes im folgenden Takt gemäß dem Verfahren von Anspruch 1 werden verschiedene Varianten angegeben, die abhängig von verschiedenen Gesichtspunkten jeweils besonders vorteilhaft sind.
Um einen zukünftigen Saugrohrdruck berechnen zu können, muß davon ausgegangen werden, daß sich der Saugrohrdruck zeitlich nach einer bestimmten Funktion ändert. Im einfachsten Fall wird eine lineare Änderung angenommen, jedoch hat sich gezeigt, daß geringste Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Werten dann auftreten, wenn für die Änderung ein Übergang erster Ordnung angesetzt wird. Ein solcher weist vier Parameter auf. Diese können z. B. dadurch bestimmt werden, daß der Zeitpunkt des Auftretens einer Störung und der Saugrohrdruck für drei aufeinanderfolgende Zyklen, einschließlich des aktuellen Zyklus, gemessen wird, die Werte gespeichert werden und dann die aktuellen Werte der Parameter aus den vier Meßergebnissen errechnet werden. Mit Hilfe der somit bekannten Übergangsfunktion läßt sich der im nächsten Takt voraussichtlich vorliegende Saugrohrdruck bestimmen. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es immer mit aktuellen Werten, also ohne Kennfelder arbeitet, was dann zu hoher Genauigkeit führt, wenn nach einer Änderung der Strömungsquerschnitte, insbesondere durch Änderung des Stellwinkels einer Drosselklappe, keine weiteren solchen Änderungen mehr stattfinden. Ändert sich der Querschnitt jedoch laufend, ändern sich auch die Parameter der Übergangsfunktion laufend, was jedoch nicht ausreichend berücksichtigt wird, da für die Berechnung veraltete Werte herangezogen werden.
Im letzteren Fall genauer sind Verfahren, die immer nur ausgehend vom aktuellen Saugquerschnitt, von der aktuellen Drehzahl und dem aktuellen Saugrohrdruck den im nächsten Takt voraussichtlich vorliegenden Saugrohrdruck bestimmen. Diese Aktualität, ist dann möglich, wenn der Beginn eines jeden Rechenzyklus als Beginn der Übergangsfunktion gesetzt wird und wenn Kennfelder verwendet, werden, und zwar eines für den Endwert der Übergangsfunktion und eines für die Zeitkonstante der Übergangsfunktion. Der letzte Parameter wird mit Hilfe des Bestimmens des aktuellen Saugrohrdruckes festgelegt. Dieses Bestimmen kann dadurch, erfolgen daß in einer Rekursionsformel als aktueller Saugrohrdruck derjenige Saugrohrdruck verwendet wird, der im vorigen Zyklus als nächstfolgender Druck berechnet wurde. Dies hat den Vorteil, daß kein Drucksensor erforderlich ist, jedoch kann der aus der Rekursionsformel errechnete Druck vom tatsächlichen Druck geringfügig abweichen.
Von hervorragendem Vorteil ist es, mit Hilfe der im voraus berechneten Luftmasse nicht nur die zuzusetzende Kraftstoffmenge, sondern auch den Zündzeitpunkt zu bestimmen.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - 4: zeitkorrelierte Diagramme betreffend die Änderung des Stellwinkels einer Drosselklappe, die zugehörige Änderung des Saugrohrdruckes, eine zugehörige temperaturabhängige Luftmassenänderung bzw. eine Wandfilm-Kraftstoffmassenänderung;
Fig. 5: eine Darstellung des bevorzugten Verfahrensablaufes in Form eines Blockdiagrammes;
Fig. 6 - 7: Darstellungen von Teilverfahrensabläufen zum Bestimmen des im nächsten Zyklus voraussichtlich vorliegenden Saugrohrdruckes;
Fig. 8: ein Diagramm zum Erläutern des zeitlichen Zusammenhangs zwischen Ansaugtakten und Rechenzyklen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die folgende Beschreibung geht davon aus, daß zum Einstellen des Strömungsquerschnittes für angesaugte Luft eine Drosselklappe vorliegt, entsprechend der Drosselklappe in Fig. 10. Statt des Strömungsquerschnittes wird daher immer der Drosselklappenwinkel angesprochen. Wird statt einer Drosselklappe zum Einstellen des Querschnittes eine andere Einrichtung verwendet, z. B. ein Schieber oder eine Lamellenanordnung, ist an die Stelle des Drosselklappenwinkels sinngemäß ein Verschiebeweg oder ein Lamellenwinkel zu setzen. Im folgenden wird auch immer davon ausgegangen, daß die Kraftstoffzufuhr mit Hilfe einer Einspritzventilanordnung erfolgt. Es kann jedoch gleichermaßen eine andere Kraftstoffzumeßeinrichtung verwendet werden, z. B. ein Vergaser, der jeweils so eingestellt wird, daß bezogen auf einen Ansaugtakt eine bestimmte Kraftstoffmenge der angesaugten Luftmasse zugesetzt wird. Schließlich wird darauf hingewiesen, daß es unerheblich ist, ob die gemäß den im folgenden beschriebenen Verfahren berechneten Werte nur zur Steuerung der Kräftstoffmasse oder zur Vorsteuerung mit überlagerter Regelung verwendet werden.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird nun mit Hilfe der Fig. 1 - 5 im Überblick besprochen.
In Fig. 1 ist der Drosselklappenwinkel α über der Zeit t aufgetragen. Zu einem Zeitpunkt t₀ ändertsich der Drosselklappenwinkel sprunghaft von einem alten stationären Wert zu einem neuen stationären Wert, der einem größeren Öffnungsquerschnitt entspricht, als er zuvor vorlag.
Aufgrund des erhöhten Öffnungsquerschnittes steigt der Sauarohrdruck nach der Änderung im Drosselklappenwinkel an, und zwar im wesentlichen nach einer Übergangsfunktion erster Ordnung, also gemäß der Formel $pS(t) = pS(t₀) + (pStat(t₀) - pS(t₀)(1 - e ^{{-(t - t}_{0})/kp})$
In Fig. 2 ist diese zeitliche Änderung des Saugrohrdruckes pS(t) aufgetragen. Mit ihrer Hilfe läßt sich voraussagen, welchen Wert der Sauarohrdruck zu einem Zeitpunkt einnehmen wird, der um die Zeitspanne 4 t(ω) später liegt als der jetzige Zeitpunkt. Diese Zeitspanne ist in Fig. 2 ebenfalls eingetragen. Es ist für das folgende zu beachten, daß beim tatsächlichen Berechnen des Saugrohrdruckes nicht eine Vorhersage über eine bestimmte Zeitspanne hinweg, sondern über eine bestimmte Kurbelwinkelspanne hinweg erfolgen muß. Die Vorhersagezeitspanne ist also abhängig von der Drehzahl ω . Der Einfachheit halber sei zunächst angenommen, daß die Voraussagezeitspanne einer dauernd festen Kurbelwinkelspanne von 720° entspricht, also dem Abstand zwischen zwei Ansaugtakten für jeweils einen festen Zylinder. Die Zahl von Rechenzyklen für jeweils einen Zylinder ist dann mit der Zahl von Ansaugtakten für diesen Zylinder identisch. Der jeweils aktuelle Rechenzyklus wird im folgenden mit dem Buchstaben n gekennzeichnet.
Gemäß Fig. 5 erfolgt das Berechnen des Saugrohrdruckes in einem Mittel 24 zur Druckberechnung. Beim aktuellen Rechenzyklus n wird der Druck pS(n + 1) berechnet, wie er voraussichtlich beim nächsten Ansaugtakt für den jeweils einen betrachteten Zylinder vorliegen wird. Beispiele für die Berechnung werden weiter unten anhand der Fig. 6 - 8 erläutert.
Aus Fig. 5 ist weiter erkennbar, daß aus dem Saugrohrdruck pS(n + 1) für den nächsten Takt eine vorläufige Luftmasse mLV(n + 1) berechnet wird, wie sie mit dem nächsten Ansaugtakt voraussichtlich angesaugt werden wird. Es ist bekannt, daß diese Masse außer im Vollastbereich im wesentlichen proportional zum Saugrohrdruck ist. Beim Ausführungsbeispiel wird die vorläufige Luftmasse mLV(n + 1) aus einem Luftmassen -Kennfeld 25 ausgelesen, und zwar adressiert über Werte des berechneten Saugrohrdruckes pS(n + 1), der Drehzahl ω und der Motortemperatur T_w.
Der zeitliche Verlauf der vorläufig berechneten Luftmasse mLV(t) als Funktion des Saugrohrdruckes pS(t) ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist eine weitere Luftmasse eingezeichnet, und zwar eine temperaturabhängige Luftmasse mLT(t), die zur vorläufigen Luftmasse zu addieren ist, um die tatsächlich zur Verbrennung angesaugte Luftmasse mL(t) zu erhalten. Die temperaturabhängige Luftmasse mLT(t) wird mit Hilfe einer Temperaturhilfsgröße ΔT(t) berechnet. Dazu werden gemäß Fig. 5 aus einem Temperaturhilfsgrößen-Kennfeld 26 Hilfgrößen TStat(n), h₁(n) und h₂(n) ausgelesen, adressierbar über Werte des Drosselklappenwinkels, der Drehzahl und der Motortemperatur zum Rechenzyklus n. Die ausgelesenen Werte werden durch ein Mittel 27 zur Rekursionsberechnung in einen zukünftigen Wert ΔT(n + 1) umgerechnet und dieser wird mit einer Konstanten kT und der vorläufigen Luftmasse mLV(n + 1) multipliziert und die so erhaltene temperaturabhängige Luftmasse mLT(n + 1) wird zur vorläufigen Luftmasse mLV(n + 1) addiert.
Aus der so ermittelten, aus dem Saugrohr angesaugten Luftmasse mL(n + 1) läßt sich die Kraftstoffmasse berechnen, die der Luftmasse zuzusetzen ist, um einen bestimmten Lambdawert zu erzielen. Gemäß Fig. 5 erfolgt diese Umrechnung in einer Dividierstelle 28. Die nun berechnete Kraftstoffmasse ist jedoch nicht genau diejenige, die der angesaugten Luftmasse zuzusetzen ist, da ein Teil Kraftstoff noch zusätzlich für einen Wandfilmaufbau zu verwenden ist oder aus dem Wandfilm frei wird, wenn, abweichend von Fig. 1, statt einer Beschleunigung eine Verzögerung eingeleitet wird. Die aus der angesaugten Luftmasse mL(n + 1) berechnete Kraftstoffmasse ist somit nur eine vorläufige Kraftstoffmasse mKV(n + 1).
Der zeitliche Verlauf dieser vorläufigen Kraftstoffmasse mKV(t) ist in Fig. 4 eingezeichnet. Dort ist auch die Kraftstoffmasse mKÜ(t) eingezeichnet, die für den Wandfilmaufbau zusätzlich einzuspritzen ist. Die tatsächlich einzuspritzende Kraftstoffmasse mK(t) ist die Summe aus der vorläufigen Kraftstoffmasse und der für den Wandfilmaufbau benötigten Kraftstoffmasse. Diese Summenbildung ist auch in Fig. 5 dargestellt.
Das gesamte Verfahren läuft also so ab, daß aus dem Drosselklappenwinkel der Saugrohrdruck berechnet wird, mit Hilfe des Saugrohrdrucks die angesaugte Luftmasse vorläufig bestimmt wird, der vorläufige Wert mit Hilfe eines temperaturabhängigen Wertes korrigiert wird, aus dem korrigierten Wert die zum Erzielen eines vorgegebenen Lambdawertes erforderliche Kraftstoffmasse berechnet wird und diese Kraftstoffmasse mit Hilfe eines Wandfilmmodells korrigiert wird, um die tatsächlich einzuspritzende Kraftstoffmasse für den auf den aktuellen Takt folgrenden Takt zu erhalten.
Anhand der Fig. 6 - 7 werden nun Ausführungsbeispiele beschrieben, wie die Druckberechnung vorteilhafterweise erfolgt. Ausgangspunkt für alle zwei anhand der Fig. 6 - 7 erläuterten Teilverfahren ist die Übergangsfunktion 1. Ordnung gemäß Fig. 2 und gemäß Gleichung (1). Eine Übergangsfunktion 1. Ordnung beschreibt das an bisher untersuchten Brennkraftmaschinen beobachtete Verhalten nach einer plötzlichen Änderung des Drosselklappenwinkels am genauesten. Die Übergangsfunktion 1. Ordnung gemäß Gleichung (1) weist drei Parameter auf, und zwar den Enddruck pStat, den Anfangsdruck pS(t₀) und die Zeitkonstante kp.
Drosselklappenänderungen, die vor dem aktuellen Zyklus stattgefunden haben, beeinflussen Verfahren nicht, wie sie nun anhand der Fig. 6 und 7 erläutert werden. Bei beiden Verfahren werden zwei der drei Parameter von Gleichung (1) aus Kennfeldern ausgelesen, nämlich der Enddruck pStat und die Zeitkonstante kp, welche Werte von den zum aktuellen Zyklus vorliegenden Werten von Drosselklappenwinkel α und Drehzahl abhängen. Aus einem Stationärdruck-Kennfeld 28 wird somit adressierbar über die Werte α (n) und ω (n) der Stationärdruck pStat(n) ausgelesen und aus einem Zeitkonstanten-Kennfeld 29 wird adressierbar über dieselben Werte der für diese Werte gültige Wert κp(n) der Zeitkonstanten ausgelesen. Die Werte von Stationärdruck und Zeitkonstante werden an ein Mittel 30 zur Gleichungsberechnung gegeben, dem außerdem der aktuelle Wert pS(n) des Saugrohrdrucks zugeführt wird. Mit Hilfe dieses Meßwertes wird aus Gleichung (1) der dritte Parameter t₀ berechnet. Ist dies erfolgt, wird mit Hilfe von Gleichung (1) der sich beim nächsten Zyklus voraussichtlich einstellende Saugdruck pS(n + 1) berechnet. Bei diesem Verfahren werden somit alle drei Parameter allein aufgrund aktuell vorliegender Meßwerte bestimmt.
Mit sehr einfachen Mitteln kommt das nun anhand von Fig. 7 erläuterte Verfahren aus. Es verwendet nur die ohnehin an Brennkraftmaschinen zur Verfügung stehenden Werte von Drosselklappenwinkel α und Drehzahl ω . Mit Hilfe dieser Werte werden die anhand von Fig. 6 beschriebenen Kennfelder adressiert. Das Verfahren gemäß Fig. 7 unterscheiden sich von dem gem. Fig. 6 dadurch, daß der saugrohrdruck pS(n) nicht gemessen wird, sondern in einem Mittel 31 zur Rekursionsberechnung aus einer Rekursionsformel ermittelt wird. Dies erfolgt nach der folgenden Gleichung: $pS(n + 1) = pS(n) + G(α(n), ω(n))x(pStat(n) - pS(n))$
Der durch diese Rekursionsformel ermittelte Saugrohrdruck pS(n + 1) für den nächsten Zyklus wird für die Berechnung im nächsten Zyklus abgespeichert, was in Fig. 8 durch ein Abtast/ Halte-Glied 32 angedeutet ist. Im folgenden Zyklus ist der auf die eben beschriebene Art und Weise berechnete Druck pS(n + 1) für den nächsten Zyklus der aktuelle Druckwert pS(n). Der Faktor G und die Zeitkonstante kp, wie sie in Gleichung (1) steht, sind ineinander umrechenbar.
Bei der Beschreibung zum Stand der Technik wurde ausgeführt, daß Systeme in Serie sind, bei denen der Saugdruck dauernd gemessen wird und aus dem aktuellen Saugdruckwert die Einspritzzeit für den folgenden Ansaugtakt berechnen wird. Die Genauigkeit der Steuerwertbestimmung bei derartigen Systemen ist erheblich verbesserbar, wenn der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Saugrohrdruck verwendet wird, also nicht der aktuell gemessene Saugrohrdruck, sondern der für den nächsten Ansaugtakt für einen Zylinder im voraus berechnete Druck.
Eine weitere Verbesserung ist dadurch erzielbar, daß der berechnete Wert noch mit einer temperaturabhängigen Luftmasse mLT korrigiert wird, wie weiter oben anhand der Fig. 3 und 5 bereits kurz angedeutet. Diese Maßnahme läßt sich auch ohne die beschriebene Saugdruck-Vorausberechnung durchführen, also auch dann, wenn der aktuell gemessene Saugrohrdruck als beim nächsten Zyklus vorliegender Saugrohrdruck verwendet wird.
Der temperaturabhängigen Korrektur liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dann, wenn sowohl das Saugrohr wie auch der Motor relativ kalt sind, sich die in das Saugrohr und den Motor strömenden Massen anders aufteilen, als wenn das Saugrohr kalt und der Motor heiß ist. Die zur Verbrennung in den Motor strömende Luftmasse hängt also nicht nur vom Saugrohrdruck, sondern auch von Temperaturdifferenzen ab. Es hat sich herausgestellt, daß sich das zeitliche Verhalten derartiger Temperatureinflüsse mit Hilfe einer Übergangsfunktion 2. Ordnung relativ gut nachbilden läßt, die im wesentlichen nur einen stark von Werten von Betriebsgrößen abhängigen Parameter aufweist, nämlich eine Stationärtemperatur ΔTStat. Solche Stationärtemperaturen sind im Temperaturhilfsgrößen-Kennfeld 26 adressierbar über Werte des Drosselklappenwinkels, der Drehzahl und der Motortemperatur abgelegt, also ΔTStat(n) = f(α(n), ω(n), T_w(n)). Die Rekursionsformel lautet: $ΔT(n + 1) = k1(n)x(ΔTStat(n) -ΔT(n)) + k2(n)x(ΔT(n) -ΔT(n - 1))$
Auch die konstanten Werte k1(n) und k2(n) werden entsprechend wie die Stationärtemperatur ΔTStat(n) aus dem Temperaturhilfsgrößen -Kennfeld 26 ausgelesen. Mit Hilfe dieser Größen wird die vorstehende Rekursionsformel ( 3) im Mittel 27 zur Rekursionsberechnung ausgewertet.
Die zur Korrektur der vorläufig errechneten Luftmasse mLV verwendete Hilfsgröße ΔT trägt nur der Anschaulichkeit halber die Dimension einer Temperatur, um dadurch zum Ausdruck zu bringen, daß die korrigierten Einflüsse hauptsächlich Temperatureinflüsse sind. Die Korrekturgröße könnte ohne weiteres auch dimensionslos sein. Weitere Effekte neben Temperatureffekten, insbesondere Schwingungseffekte, können durch Modifizieren der vorstehend angegebenen Rekursionsformel berücksichtigt werden, z. B. dadurch, daß noch mit einer trigonometrischen Schwingungsfunktion multipliziert wird.
Unter Berücksichtigung des Korrekturwertes ergibt sich die mit Kraftstoff zu versehende Luftmasse wie folgt: $mL(n + 1) = mLV(n + 1) x (1 + kT x ΔT(n + 1))$
Auch in bezug auf die Luftmasse mL kann ein Adaptionsverfahren durchgeführt werden. Dazu wird die berechnete Luftmasse mL(n + 1) mit der Luftmasse verglichen, wie sie zum Zyklus n + 1 tatsächlich angesaugt wird. Diese Messung erfolgt z. B. mit Hilfe eines Luftmassenmessers, der den Luftmassenstrom erfaßt. Aus dem Massestrom und der Ansaugzeit ergibt sich die angesaugte Masse. Überschreitet die Differenz zwischen der tatsächlich angesaugten Luftmasse und der berechneten Luftmasse einen Schwellenwert, wird vorzugsweise die Stationärtemperatur TStat rückwärts so berechnet, daß sich mit der korrigierten Stationärtemperatur die richtige Luftmasse eraeben hätte. Die korrigierte Stationärtemperatur wird dann im Kennfeld 26 abgelegt.
Ausgehend von der berechneten Luftmasse mL(n + 1) wird zum einen der Zündzeitpunkt eingestellt und zum anderen wird die dieser Luftmasse zuzusetzende Kraftstoffmasse berechnet. Das Einstellen des Zündzeitpunktes erfolgt dadurch, daß ein herkömmliches Drehzahl-Luftmassen-Zündzeitpunkt-Kennfeld angesteuert wird. Vorteilhaft ist, daß das Ansteuern dieses üblichen Kennfeldes nicht mehr mit Hilfe des aktuell gemessenen Luftmassenwertes erfolgt, sondern mit Hilfe des im voraus berechneten Wertes. Statt aus einem Kennfeld kann der Zündzeitpunkt aus Werten der Drehzahl und der Luftmasse auch mit Hilfe einer Gleichung berechnet werden. Auch in diesem Fall ergibt sich der Vorteil, daß das Berechnen mit dem Wer: Tür die erwartete und nicht für die aktuelle Luftmasse erfolgt.
Das Berechnen der Kraftstoffmasse erfolgt aus der Luftmasse mit Hilfe des vorgegebenen Lambdasollwertes λ·SOLL(n + 1) in der Dividierstelle 27. Die durch Division der Luftmasse mL(n + 1) mit dem Sollwert erhaltene Kraftstoffmasse ist nur eine vorläufige Kraftstoffmasse mKV(n + 1). Sie ist vorläufig, da noch berücksichtigt werden muß, wieviel Kraftstoff in den Aufbau eines Wandfilms übergeht, bei erhöhter Zufuhr von Kraftstoff oder wieviel Kraftstoff aus dem Abbau eines Wandfilms erhalten wird, bei verminderter Kraftstoffzufuhr. Die Wandfilmkorrektur erfolgt mit einem beliebigen bekannten Verfahren, vorzugsweise mit demjenigen, das beschrieben ist in "Transient A/F Control Characteristics of the 5 l Central Fuel Injection Engine von C.F. Aquino in SAE-Paper 81 0494, S. 1 - 15". Demgemäß berechnet sich die zeitliche Änderung der Wandfilm-Kraftstoffmasse mKF aus einer zugeführten Kraftstoffmasse mKZ gemäß der folgenden Gleichung: $\frac{dmKF}{dt} = X x mKZ - \frac{1}{τ} x mKF$

mit
X = Niederschlagsrate
τ = Verdampfungszeitkonstante
Daraus ergibt sich als Übergangskraftstoffmenge mKÜ, die aus dem Wandfilm herrührt oder in diesen übergeht, die folgende $τ(1 - X) \frac{dmKÜ}{dt} + mKÜ = τ x X x \frac{dmKV}{dt}$
Die tatsächlich abzuspritzende Kraftstoffmenge mK(n + 1) berechnet sich dann zu: $mK(n + 1) = mKV(n + 1) + mKÜ(n + 1)$
Es wird darauf hingewiesen, daß die oben angegebenen Übergangsfunktionen und Rekursionsformeln zum Berechnen des Saugrohrdruckes oder des Temperatureinflusses nur Beispiele sind, die sich aus bisherigen Messungen als vorteilhaft herausgestellt haben. In besonderen Anwendungsfällen können auch andere Übergangsfunktionen und zugehörige Rekursionsformeln die tatsächlich gemessenen Verhältnisse besser beschreiben. Entscheidend ist, daß zwei Verfahren angeaeben werden, von denen jedes die bekannten Verfahren verbessert. Die Verfahren können jeweils für sich oder gemeinsam angewendet werden. Das eine Verfahren besteht darin, daß der für den nächsten Ansauazyklus jeweils vorliegende Sauarohrdruck im voraus berechnet wird und das andere Verfahren besteht darin, daß der Saugrohrdruck, unabhängig davon, wie dieser ermittelt wurde, mit Hilfe eines Temperatureffektmodells korrigiert wird.
Im bisherigen wurde der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß für den Ansaugtakt jeweils eines einzelnen Zylinders jeweils ein Rechenzyklus erfolgt, daß also bei einem Viertaktmotor für jeden Zylinder alle 720° des Kurbelwinkels die Berechnung neu vorgenommen wird. Da die Ansaugtakte bei einem Vierzylinder-Viertaktmotor jedoch nur um 180° gegeneinander versetzt sind, bedeutet dies, daß für alle vier Zylinder die Berechnung gesondert durchgeführt werden muß und für jeden Zylinder der jeweils letzte berechnete Wert gespeichert werden muß, der in die Berechnung für den jeweils nächsten Wert für diesen Zylinder eingeht. Für jeden Zylinder erfolgt ein Anpassen an geänderte Bedingungen, insbesondere an eine geänderte Stellung der Drosselklappe, nur alle 720°. Die für das Verständnis einfache Vorgehensweise bringt somit eine Anzahl von Nachteilen mit sich.
Anhand von Fig. 8 wird nun eine Vorgehensweise beschrieben, die die eben genannten Nachteile vermeidet. In Fig. 8 sind für vier Zylinder Z1 - Z4 die jeweiligen Ansaugtakte als rechteckige Kästchen mit jeweils gleicher Länge, d. h. gleicher Kurbelwinkelüberdeckung, aufgezeichnet. Es soll jeweils der Saugrohrdruck zur Mitte eines Ansaugtaktes berechnet werden, um daraus die einzuspritzende Kraftstoffmasse bestimmen zu können. Die Mitten aller Ansaugtakte liegen um jeweils 180° voneinander entfernt. Auf diese Mitten sind Marken M1 - M4 bezogen. Die Marke M1 gibt den Kurbelwinkel an, zu dem abgefragt wird, welche Kraftstoffmasse für den Zylinder Z1 eingespritzt werden soll, damit dieser diesen Kraftstoff bei seinem nächsten Ansaugzyklus ansaugen kann. Im dargestellten Fall liegt die Marke M1 beim Kurbelwinkel 0 und die Mitte des zugehörigen Ansaugtaktes bei 540°. Die Berechnung der Kraftstoffmasse wird jeweils wenige Kurbelwinkelgrade vor dem Auftreten einer der Marken gestartet, damit das Rechenergebnis beim Auftreten der Marke vorliegt.
Ausgehend von diesen Voraussetzungen wird nun das Auswerten der Rekursionsformel (2) für den Saugrohrdruck beschrieben.
Da alle 180° eine Berechnung des Saugrohrdrucks erfolgt, sind die Konstantenwerte G(α(n), ω(n)) jeweils für die Zeitspanne abgelegt, in der bei der jeweiligen Drehzahl 180° Kurbelwinkel überdeckt werden. Wird die Rekursionsformel (2) einmal berechnet, liegt der Saugrohrdruck vor, wie er sich voraussichtlich 180° später, also vor der Marke M2 einstellen wird. Da jedoch der Saugrohrdruck zur Marke M4 interessiert, wird die Rekursion gemäß Gleichung (2) noch zweimal ausgeführt. Kurz vor dem Auftreten der Marke M1, läuft also die Auswertung der Rekursionsformel (2) dreimal schnell hintereinander ab. Somit liegt das Rechenergebnis für die einzuspritzende Kraftstoffmenge für den zur Marke M4 vorliegenden Ansaugtakt des Zylinders Z1 vor, wenn die Marke M1 auftritt.
Es ist zweckmäßig, das Zwischenergebnis für jede einzelne Rekursionsberechnung zu speichern, und zwar aus dem folgenden Grund. Das Rechenergebnis des ersten Anwendens der Rekursion bildet den Anfangswert, wenn kurz vor dem Auftreten der Marke M 2 die Rekursion wieder dreimal ausgeführt wird, um die Kraftstoffmasse zu berechnen, die für den Ansaugtakt des Zylinders Z2 um die nächste Marke M1 erforderlich ist. Wenn mit diesem Ausgangswert die Rekursionsformel einmal angewendet wird, müßte das Ergebnis mit demjenigen übereinstimmen, das nach dem zweifachen Anwenden der Rekursionsformel kurz vor dem Auftreten der Marke M1 erzielt wurde. Ein Übereinstimmen liegt aber dann nicht vor, wenn sich in der Zwischenzeit die Stellung der Drosselklappe geändert hat. Fehlt es an Übereinstimmung, wird dies vorzugsweise dazu genutzt, die Kraftstoffmasse für den immer noch bevorstehenden Ansaugtakt des Zylinders Z1 um die Marke M4 zu korrigieren. Ist mehr Kraftstoff erforderlich als zunächst berechnet, wird die Differenzmenge zusätzlich eingespritzt. Ergibt sich, daß weniger Kratstoff erforderlich gewesen wäre als bereits eingespritzt, wird der Differenzwert bei der nächsten Einspritzung für den Zylinder Z1 abgezogen. Wird beim gegenwärtig vorliegenden Betriebszustand nur mit geringer Vorlagerung gearbeitet, wurde also beim Auftreten der Marke M2 der Kraftstoff für den Ansaugtakt des Zylinders Z1 um die Marke M4 noch nicht abgespritzt, wird die erforderliche Kraftstoffmenge neu berechnet.
Es ist auch möglich, mit jedem Rekursionsschritt nicht 180°, sondern einen geringeren Winkelbereich, z. B. nur 60° zu überdecken. Dann wird alle 60° Kurbelwinkel eine Rechenmarke ausgegeben. Zu denjenigen Rechenmarken, die nicht kurz vor einer der Marken M1 - M4 liegen, wird die Rekursionsformel (2) nur einfach angewandt. Bei der kurz vor einer der Marken M1 - M4 ausgeführten Berechnung wird dagegen die Rekursionsgleichung neunmal aufeinanderfolgend ausgeführt, um den Saugrohrdruck für einen Zeitpunkt vorauszusagen, zu dem der Kurbelwinkel weitere 540° überdeckt hat. Je kleiner der Winkelbereich ist, der mit einer Rekursionsauswertung überdeckt wird, desto aktueller ist die Anpassung an eventuelle Änderungen des Drosselklappenwinkels, umso höher ist aber der Rechenaufwand.
Die Voraussage muß nicht notwendigerweise um einen Winkelbereich von 540° im voraus erfolgen. Dieser Bereich wurde im Beispielsfall gewählt, da er auch die größten Vorlagerungszeiten abdeckt. Wird das Verfahren bei einem Motor eingesetzt, der eine kleinere maximale Vorlagerungszeit aufweist, wird um einen entsprechend kleineren Winkelbereich in die Zukunft gerechnet.
Für das Auswerten von Gleichung (3) für die Temperaturhilfsgröße Δt gilt das in bezug auf das Auswerten von Gleichung (2) vorstehend Erläuterte entsprechend.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der einer Brennkraftmaschine pro Ansaugtakt abhängig von Betriebskenngrößen zuzuführenden Kraftstoffmenge durch in Rechenzyklen ablaufende Berechnungen, wobei
- die zur Verbrennung pro Ansaugtakt angesaugte Luftmasse mit Hilfe des Saugrohrdrucks bestimmt wird und

- aus dieser Luftmasse unter Berücksichtigung eines Wandfilmmodells die pro Ansaugtakt zuzuführende Kraftstoffmenge ermittelt wird,
wobei
- mit Werten einer den Luftansaug-Querschnitt anzeigenden Größe sowie der Drehzahl ein zugehöriger Saugrohrdruck sowie ein Faktor G(n) entsprechend einer Zeitkonstanten für die Änderung des Saugrohrdrucks bestimmt werden, und

- ausgehend von diesen Werten der für einen Ansaugtakt maßgebliche, in der Zukunft liegende Saugrohrdruck pS(n+1) für stationäre Betriebsbedingungen mittels einer Rekursionsformel berechnet wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Wert für den Saugrohrdruck aus einem Kennfeld auslesbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Wert für den Faktor G(n) aus einem Kennfeld auslesbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch
- Berechnen einer vorläufigen für die Verbrennung angesaugten Luftmasse,

- Berechnen eines Temperatureinflüsse berücksichtigenden Luftmassen-Korrekturwertes aus einem für die zu regelnde Brennkraftmaschine vorherbestimmten Zusammenhang zwischen Werten von Betriebskenngrößen und dem jeweiligen Korrekturwert, und

- Korrigieren der berechneten vorläufigen Luftmasse mit dem Luftmassen-Korrekturwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündzeitpunkt für jeden Takt in üblicher Weise aus dem Luftmassenwert bestimmt wird, wobei als Wert für die Luftmasse der vorausschauend berechnete Wert verwendet wird.