DE19537465A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 359 791 B1 (US-Patent 5,014,668) bekannt. Dort wird vorgeschlagen, beim Übergang vom unteren in den oberen Lastbereich durch Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine das Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-/Kraftstoffgemisches zu verändern. Dabei wird die Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich mit einem mageren Gemisch, im oberen Lastbereich mit einem Gemisch stöchiometrischer Zusammensetzung (λ = 1) betrieben. Die gewünschte Einstellung des Luft-/Kraftstoff- Verhältnisses wird bei der Steuerung der Luftzufuhr nur beim Übergang zwischen den beiden Betriebsarten berücksichtigt, Maßnahmen außerhalb dieses Übergangszustandes werden nicht angesprochen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, die die gewünschte Einstellung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses bei der Einstellung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine berücksichtigen.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.

Aus der DE 39 30 396 A1 (US-Patent 5,095,847) wird ein Verfahren zum Einstellen von Luft- und Kraftstoffmengen vorgeschlagen, bei welchem in Abhängigkeit von der Fahrpedalstellung sowohl die einzuspritzende Kraftstoffmenge als auch die zuzuführende Luft bestimmt wird. Dabei wird zur Kompensation der systembedingten Verzögerungen bei der Kraftstoffeinspritzung die Veränderung der Luftzufuhr nach Maßgabe einer vorgegebenen, betriebsgrößenabhängigen Totzeit durchgeführt, so daß die Veränderung der Luftmenge erst dann erfolgt, wenn die auf der Basis der veränderten Luftmenge bestimmte Einspritzmenge angesaugt wird.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird ein vorgegebener Sollwert für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei der Einstellung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine in allen Betriebszuständen berücksichtigt.

Dadurch ergeben sich die folgenden, erheblichen Vorteile beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit magerem Luft- /Kraftstoffgemisch.

Besonders vorteilhaft ist, daß das vorgegebene Luft- /Kraftstoffverhältnis auf das beim jeweiligen Fahrerwunsch maximal realisierbare Luft-/Kraftstoffverhältnis begrenzt wird. Dies ergibt Vorteile insbesondere im Vollastbereich, in dem bei Magerbetrieb durch die Begrenzung des vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnisses das Laufverhalten der Brennkraftmaschine verbessert wird.

Diese Vorteile zeigt die erfindungsgemäße Vorgehensweise sowohl beim Einsatz in einem luftgeführten als auch in einem kraftstoffgeführten Motorsteuersystem.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild einer Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, während in

Fig. 2 an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Einstellung der Luftzufuhr, anhand Fig. 3 die der Kraftstoffzufuhr dargestellt ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein elektronisches Motorsteuergerät 10, dem eine Eingangsleitung 12 von einem Fahrpedalstellungsgeber 14, eine Eingangsleitung 16 von einem Motordrehzahlgeber 18, eine Eingangsleitung 20 von einem Luftmassen- bzw. Luftmengenmesser 22 sowie weitere Eingangsleitungen 24 bis 26 von Meßeinrichtungen 28 bis 30 für weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs zugeführt sind. Eine Ausgangsleitung 32 verbindet das Steuergerät mit einem Leistungsstellelement 34, welches einen elektrisch betätigbaren Motor 36 umfaßt, der über eine mechanische Verbindung 38 mit einer im Luftansaugkanal 40 der Brennkraftmaschine angeordneten Drosselklappe 52 verbunden ist. Über Ausgangsleitungen 44, 46, 48 und 50 bestimmt das Steuergerät 10 die den einzelnen Zylindern 52, 54, 56 und 58 der Brennkraftmaschine zuzumessende Kraftstoffmenge sowie gegebenenfalls über nicht dargestellte Leitungen den einzustellenden Zündwinkel.

Das elektronische Steuergerät 10 bestimmt aus seinen Eingangsgrößen in bekannter Weise die der Brennkraftmaschine zuzuführende Luftmenge sowie die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Dabei kann sowohl ein herkömmliches Steuerprinzip (Vorgabe der Luftzufuhr durch den Fahrer) als auch ein Steuerprinzip, bei der Fahrer direkt die einzuspritzende Kraftstoffmenge vorgibt, Anwendung finden. Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine, insbesondere in bezug auf das Abgasverhalten, kann es vorteilhaft sein, die Brennkraftmaschine mit einem Luft-/Kraftstoffverhältnis zu betreiben, welches vom stöchiometrischen Verhältnis abweicht. Dabei hat sich insbesondere ein Magerbetrieb (z. B. λ = 1,2 bis 1,7) als vorteilhaft erwiesen. Da im mageren Bereich gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis mehr Luft der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt wird, kann es Betriebszustände geben, in denen das vorgegebene Verhältnis nicht eingestellt werden kann bzw. in denen die Einstellung des vorgegebenen Verhältnisses negative Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine hat. Ein derartiger Betriebsbereich ist beispielsweise der Vollastbereich, in dem bei vollständig geöffneter Drosselklappe die maximale Luftmenge zugeführt wird. Daher wird erfindungsgemäß das vorgegebene Luft-/Kraftstoffverhältnis bei der Bestimmung der einzustellenden Luftzufuhr mit einberechnet. Um auch extreme Betriebsbereiche zu beherrschen, ist ferner eine Begrenzung des vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnisses auf einen durch die Luftzufuhr einstellbaren Maximalwert vorgesehen. Dieser Maximalwert wird abhängig vom Fahrerwunsch (vorgegebenes Drehmoment, vorgegebene Füllung) bestimmt.

Fig. 2 zeigt ein Übersichtsblockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Einstellung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine, wobei das vorgegebene Luft-/Kraftstoffverhältnis berücksichtigt wird. Die Blockschaltbilddarstellung ist lediglich aus Übersichtlichkeitsgründen gewählt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die dargestellte Vorgehensweise als Rechnerprogramm realisiert. Die in Fig. 2 dargestellten Blöcke entsprechen dann Programmelementen bzw. -schritten, die als Kennfelder, Formeln, Routinen oder Tabellen realisiert sind.

Die Eingangsleitungen 12, 16 und 20 bis 24 des elektronischen Steuergeräts 10 werden einer Berechnungseinheit 100 zugeführt. Die Leitung 16 wird ferner einer Kennlinie 102 zugeführt. Die Ausgangsleitung 104 des Berechnungselements 100 sowie die Ausgangsleitung 106 der Kennlinie 102 führen zu einer Auswahlstufe 108. Deren Ausgangsleitung 110 führt auf ein dividierendes Element 112, welchem ferner eine Leitung 114, die von der Leitung 106 abzweigt, zugeführt ist. Die Ausgangsleitung 116 des Elements 112 führt auf ein multiplizierendes Element 118. Eine Leitung 120, die von der Leitung 110 abgeht, führt auf ein invertierendes Element 122, dessen Ausgangsleitung 124 auf eine Auswahlstufe 126 führt. Dieser wird ferner die Leitung 128 von einem Sollwertbildner 130 zugeführt, dem ausgewählte Eingangsleitungen des elektronischen Steuergeräts zugeführt sind. Die Ausgangsleitung 132 der Auswahlstufe 126 führt auf das multiplizierende Element 118. Dessen Ausgangsleitung 134 führt auf ein Kennfeld 136, dem ferner die Leitung 16 zugeführt ist. Die Ausgangsleitung des Kennfelds 136 stellt die Leitung 32 dar.

Im Berechnungselement 100 wird die vom Fahrer vorgegebene Eingangsgröße Fahrpedalwinkel (Leitung 12) mittels eines vorprogrammierten Kennfeldes unter Berücksichtigung der Motordrehzahl (Leitung 16) in einen Sollwert umgerechnet. Der Sollwert repräsentiert dabei ein gewünschtes Drehmoment, eine vorgegebene Last oder Füllung (Gemischmenge pro Zylinder, Zylinderfüllung) umgesetzt. Ferner werden in der Berechnungseinheit 100 Sollwerte beispielsweise von einem Antriebsschlupfregelsystem, von einer Getriebesteuerung, von einem Fahrgeschwindigkeitsregler und/oder von einem Leerlaufdrehzahlregler berücksichtigt. Dabei wird der Sollwert gegebenenfalls über entsprechende Kennlinien, Kennfelder, Tabellen oder Berechnungen in eine dem Fahrerwunsch entsprechende Größe umgesetzt (z. B. Moment in Füllung unter Verwendung der Motordrehzahl). Durch logische Verknüpfung dieser Größen wird der jeweils größere Wert (in bezug auf Fahrerwunsch, Leerlaufdrehzahlregler, Fahrgeschwindigkeitsregler) bzw. der jeweils kleinere Wert (in bezug auf die Antriebsschlupfregelung, Getriebeeingriff) ausgewählt und über die Leitung 104 ausgegeben.

Die Kennlinie 102 beschreibt die für den jeweiligen Arbeitspunkt, der durch die Motordrehzahl gegeben ist, maximale Füllung, Last bzw. das maximale Moment.

In der Auswahlstufe 108 wird aus dem vorgegebenen Füllungswert tlsoll und dem maximalen Füllungswert tlmax der jeweils kleinere ausgewählt und über die Leitung 110 an das dividierende Element 112 abgegeben. Die vom Element 108 ausgegebene Sollfüllung tlres wurde dabei mit Blick auf einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit λ = 1 ermittelt. Eine Korrektur der Luftzufuhr nach Maßgabe des vorgegebenen λ-Wertes wird im Element 118 durchgeführt.

Im Element 112 wird aus den Ausgangsgrößen der Auswahlstufe 108 (resultierende Sollfüllung tlres) und der Kennlinie 102 (maximale Füllung tlmax) die relative Sollfüllung (tlrel) ermittelt. Vorzugsweise stellt diese den Quotienten der Sollfüllung und der maximalen Füllung das (tlrel = tlres/tlmax). Die relative Füllung weist dabei Werte in einem Wertebereich zwischen nahe 0 und 1 auf, wobei der Wert 0 infolge der Funktion des Leerlaufdrehzahlreglers (der eine minimale Füllung vorgibt) nie erreicht werden kann.

Durch das invertierende Element 122 wird der Kehrwert der im Element 112 ermittelten relativen Füllung tlres gebildet. Die inverse relative Füllung stellt im aktuellen Betriebszustand maximal zulässige Luft-/Kraftstoffverhältnis (λ_max) dar, welches sich (bei konstanter Einspritzzeit) durch vollständige Öffnung der Drosselklappe (maximal mögliche Luftzufuhr) höchstens einstellen läßt.

In der Auswahlstufe 126 wird der über die Leitung 128 zugeführte Lambda-Sollwert λ_Soll auf den ermittelten maximal realisierbaren Wert λ_max begrenzt. Dies erfolgt vorzugsweise im Rahmen einer Minimalwertauswahl, bei der der jeweils kleinste Wert weitergegeben wird. Der ausgewählte Wert λ_res (λ_Soll oder λ_max) wird über die Leitung 132 zum multiplizierenden Element 118 abgegeben. Dort wird der über die Leitung 116 zugeführte relative Füllungswert tlrel gemäß dem einzustellenden Lambda (λ_res) korrigiert. Der korrigierte relative Füllungswert wird über die Leitung 134 auf ein Kennfeldelement 136 geführt, in dem die einzustellende Drosselklappenstellung über der relativen Füllung und der Motordrehzahl vorgespeichert ist. Der durch die korrigierte relative Füllung und die Motordrehzahl vorgegebene Drosselklappeneinstellwert wird über die Leitung 32 an das Leistungsstellglied abgegeben und im bevorzugten Ausführungsbeispiel im Rahmen eines Regelkreises (Lageregelkreis) eingeregelt.

Dabei kann in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel eines kraftstoffgeführten Motorsteuersystems, wie es im eingangs genannten Stand der Technik dargestellt ist, bei der Berechnung der Drosselklappeneinstellung eine Totzeit berücksichtigt werden, welche die systembedingten Totzeiten in Verbindung mit der Einspritzung kompensiert.

Durch die in Fig. 2 dargestellte Vorgehensweise wird die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine derart eingestellt, daß in jeder Betriebsphase der vorgegebene Lambda-Sollwert bzw. der vorgegebene Begrenzungswert eingestellt wird.

Neben der Einstellung der Luftzufuhr berechnet das elektronische Steuergerät 10 auch die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Dies erfolgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf herkömmlichem Wege, indem auf der Basis von Motordrehzahl und erfaßter Luftmasse die einzuspritzende Kraftstoffmenge bestimmt wird. Da die Korrektur bezüglich des vorgegebenen Luft- /Kraftstoffverhältnisses im Rahmen der Einstellung der Luftzufuhr vorgenommen wird, wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge in herkömmlicher Weise mit den für einen λ = 1-Betrieb vorliegenden Daten durchgeführt. Dabei wird in vorteilhafter Weise auf der Basis der aus diesen Größen ermittelten Einspritzzeit sowie der im Rahmen der Einstellung der Luftzufuhr ermittelte resultierende Füllung unter Berücksichtigung des Wertes λ_res eine Abschätzung der Luftdichte vorgenommen werden.

Eine entsprechende Vorgehensweise wird im folgenden anhand des Blockschaltbilds nach Fig. 3 dargestellt.

In einem ersten Kennfeld 200 wird auf Basis der ermittelten Luftmasse (Leitung 20) und der Motordrehzahl (Leitung 16) die eingestellte Last tl ermittelt. Diese wird über die Leitung 202 auf ein dividierendes Element 204 geführt. Ferner geht von der Leitung 202 eine Leitung 206 zu einem Korrekturelement 208. Dessen Ausgangsleitungen stellen die Leitungen 44 bis 50 dar. Dem Element 204 wird ferner eine Leitung 132a, die von der Leitung 132 ausgeht, zugeführt. Die Ausgangsleitung 210 des Elements 204 führt auf ein Element 212 zur Dichtebestimmung. Dem wird ferner die Leitung 110a, die von der Leitung 110 ausgeht, zugeführt. Die Ausgangsleitung 214 des Elements 212 führt auf das Korrekturelement 208.

Die ermittelte Istlast tl des Motors wird zum einen zur Bestimmung der Einspritzzeit herangezogen (Leitung 206), zum anderen im Element 204 durch das über die Luftzufuhr eingestellte λres geteilt. Dies ergibt ein Maß für die tatsächlich gemessene Luftmenge, die über die Leitung 210 zum Element 202 geführt wird. Dort wird anhand eines Vergleichs des gemessenen und des vorgegebenen Füllungswertes tlres die Dichte der Luft bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise anhand einer Tabelle. Der Dichtewert wird über die Leitung 214 zum Korrekturelement 208 geführt. Dort wird die vom Kennfeldelement 200 ermittelte Einspritzzeit beispielsweise durch multiplikative Korrektur entsprechend der Dichtenbestimmung korrigiert und die korrigierte Einspritzzeit ausgegeben. Zur Dichtebestimmung werden somit Größen herangezogen, welche Einspritzzeiten repräsentieren.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die Einspritzzeit durch die aufgrund des Fahrerwunsches und der anderen Parameter ermittelte resultierende Füllung bestimmt.

In diesem Fall wird auf die Leitung 206 verzichtet, und die Leitung 110a bildet Eingangsleitung des Elements 208. Der dichtekorrigierte Wert für die resultierende Füllung stellt dann die über die Leitungen 44 bis 50 dem jeweiligen Zylinder zugeführte Einspritzzeit dar.

Neben der Berechnung auf der Ebene von Füllungswerten kann in anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen eine Berechnung auf der Basis von Motorlastwerten, von Motormomentenwerten und Motorleistungswerten stattfinden.

Dabei wird anstelle der relativen Füllung das relative Moment, die relative Motorlast oder -leistung entsprechend der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise berechnet und weiterverarbeitet.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, wobei abhängig von Betriebsgrößen Luftzufuhr und Kraftstoffzufuhr nach Maßgabe eines vorgegebenen Luft-/Kraftstoffverhältnis eingestellt wird, wobei die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine wenigstens abhängig vom Fahrerwunsch bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine ferner abhängig vom vorgegebenen Wert für das Luft-/Kraftstoffverhältnis bestimmt wird, wobei aus dem Fahrerwunsch eine Sollgröße für eine das Leistungsvermögen der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe gebildet wird, die abhängig von dem vorgegebenen Wert für das Luft-/Kraftstoffverhältnis korrigiert wird, wobei das vorgegebene Luft-/Kraftstoffverhältnis eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert für das Luft-/Kraftstoffverhältnis begrenzt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzuspritzende Kraftstoffmenge auf der Basis des vorgegebenen Luft- /Kraftstoffverhältnisses korrigiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswert für das vorgegebene Luft- /Kraftstoffverhältnis abhängig von der vom Fahrer bzw. von Zusatzfunktionen wie Antriebsschlupfregelung, Getriebesteuerung, Leerlaufregelung und/oder Fahrgeschwindigkeitsregelung vorgegebenen Sollgröße für das Leistungsvermögen der Brennkraftmaschine ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollgröße für das Leistungsvermögen ein die Füllung, die Last, die Leistung oder das Drehmoment repräsentierende Größe ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine relative Sollgröße als Quotient aus der vom Fahrer bzw. von Zusatzfunktionen vorgegebenen Sollgröße und einer vorzugsweisen betriebsgrößenabhängigen maximalen Sollgröße ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzungswert die inverse relative Sollgröße ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Sollgröße drehzahlabhängig ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig vom vorgegebenen, gegebenenfalls begrenzten Luft- /Kraftstoffverhältnis und der vom Fahrer, der wenigstens einen Zusatzfunktion und/oder dem Maximalwert vorgegebenen Sollgröße die Dichte der angesaugten Luft bestimmt wird.

10. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, mit einem elektronischen Steuergerät, das wenigstens die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine und die Kraftstoffeinspritzung beeinflußt, wobei es ein vorgegebenes Luft-/Kraftstoffverhältnis einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine ferner abhängig vom vorgegebenen Wert für das Luft- /Kraftstoffverhältnis bestimmt wird, wobei aus dem Fahrerwunsch eine Sollgröße für eine das Leistungsvermögen der Brennkraftmaschine repräsentierende Größe gebildet wird, die abhängig von dem vorgegebenen Wert für das Luft- /Kraftstoffverhältnis korrigiert wird, wobei das vorgegebene Luft-/Kraftstoffverhältnis eingestellt wird.