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Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Steuerung des Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses für einen Innenverbrennungsmotor, bei dem Luftstrom und Abgasrückführungsstrom ausgehend von Drucksensoren berechnet werden.
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Motorsteuerungssysteme bestimmen häufig die einzuspritzende Kraftstoffmenge durch Messung eines Ansaugkrümmerdrucks in Verbindung mit anderen Motorbetriebszuständen. Dieses Verfahren wird von den Fachleuten als Drehzahl/Dichte-Verfahren (speed density method) bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird ein Mittelwertmodell des Motorbetriebs aufgebaut, bei dem ein durchschnittlicher Ansaugkrümmerdruck bei einer gegebenen Drehzahl zu einem bestimmten Luftzufluß in den Zylinder führt. Bei dieser Art von System ist die Messung des Ansaugkrümmerdrucks entscheidend für die korrekte Voraussage des Luftstroms in den Zylinder und damit für die korrekte Steuerung des Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses.
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Wie oben ausgeführt, stehen zahlreiche Verfahren zur Verfügung, um unter Verwendung eines Ansaugkrümmerdrucksensors die Füllung des Zylinders mit Luft zu schätzen. Typischerweise werden Motorkennfelder erstellt, die eine Füllung des Zylinders mit Luft als Funktion eines gemessenen Ansaugkrümmerdrucks, der Temperatur des Krümmers und der Motordrehzahl liefern. Bei Motoren, bei denen Abgasrückführung erfolgt, wird eine verbesserte Schätzung der Füllung des Zylinders mit Luft dadurch erhalten, daß auf der Grundlage der Menge an Abgasrückführung Korrekturfaktoren geliefert werden.
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Ein besonderes Verfahren wird im US-Patent
US 5 205 260 A beschrieben. Bei diesem Verfahren wird der EGR-Strom auf der Grundlage der Druckdifferenz beidseits eines Flußsteuerungsventils und weiter basierend auf der Querschnittsfläche des Ventils geschätzt. Anschließend wird dieser Strom bei einem Ansaugkrümmerfüllmodell herangezogen, um einen EGR-Teildruck im Anlaßkrümmer zu schaffen. Anschließend wird aufgrund des EGR-Teildrucks und des gemessenen Krümmerdrucks ein Wert für die Füllung des Zylinders mit Luft berechnet.
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Die in der Erfindung genannten Erfinder erkannten einen Nachteil des oben dargestellten Systems. Insbesondere führt die Schätzung des EGR-Stroms in dieser Form aufgrund der Unsicherheit der Ventilfläche zu Ungenauigkeiten der Schätzung. Diese Unsicherheit kann durch Ablagerungen im Ventil verursacht werden. Da Ungenauigkeiten beim EGR-Strom direkt die geschätzte Füllung des Zylinders mit Luft beeinflussen, führt dies zu Ungenauigkeiten bei der berechneten Kraftstoffeinspritzmenge, und demzufolge kann diese die Steuerung des Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses verschlechtern.
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Ein anderer Ansatz zur Ermittlung der EGR-Menge griff auf eine Druckdifferenzmessung beidseits einer Öffnung zurück, um einen Strom an Abgas abzuleiten. Traditionell liegt die Öffnung stromauf vom Steuerventil für den Abgasrückführungsstrom. Demzufolge sind die Druckmessungen abgeschirmt von den Schwankungen des Ansaugkrümmerdrucks; die Druckmessungen sind jedoch nicht abgeschirmt von den Schwankungen des Auspuffdrucks. Bei dem an sich bekannten System werden die hochfrequenten Druckschwankungen bei den Druckmessungen dadurch reduziert, daß ein an sich bekannter Tiefpassfilter verwendet wird. Ein solches System wird im US-Patent
US 5 613 479 A offenbart.
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Die in der Anmeldung genannten Erfinder erkannten eine bedeutende Möglichkeit zur Reduzierung der Systemgesamtkosten durch Verlegen der Öffnung in Richtung stromab vom Steuerventil für den Abgasrückführungsstrom, jedoch vor dem Ansaugkrümmer. Demzufolge kann der Ansaugkrümmerdrucksensor zur Messung des Drucks stromab von der Öffnung verwendet werden, und ein einzelner Absolutdrucksensor kann verwendet werden, um den Druck stromauf von der Öffnung zu messen. Dies schafft den nötigen Druckunterschied zur Messung des Abgasrückführungsstroms ebenso wie die Möglichkeit der Schätzung der Frischfüllung des Zylinders.
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DE 43 01 655 C1 betrifft eine Ventilanordnung für eine Abgasrückführung bei einem Verbrennungsmotor mit einem membrangesteuerten Ventil, wobei das Ventil eine vorgeschaltete Einschnürung aufweist.
AT 388809 B betrifft eine Messanordnung zur Durchflussmengenmessung von Fluid-, vorzugsweise Gasströmen, wobei das Fluid durch zumindest eine in einem Rohr angeordnete Messblende geführt ist, die eine ihre Durchflussöffnung begrenzende, radial nach innen gerichtete scharfe Kante aufweist.
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Ein hiermit beanspruchter Erfindungszweck ist die Lieferung eines Systems zur Messung der Abgasrückführung und eines Systems zur Schätzung der Zylinderluftfüllung, welche die Genauigkeit verbessern.
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Der obige Zweck wird erreicht, und Probleme früherer Ansätze werden überwunden durch ein System gemäß dem Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung.
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Durch Verwendung gemeinsamer Signale für die Schätzung des EGR-Stroms und der Füllung des Zylinders mit Luft werden eine vereinfachte Struktur und ein System mit reduzierten Kosten erhalten. Des weiteren wird durch Verwendung eines bestimmten Öffnungsbereichs stromab von einem Steuerventil für die Rückführung des Abgases verbunden mit Druckmessungen stromauf und stromab von der Öffnung eine genauere EGR-Stromschätzung erhalten. Insbesondere muß das Schätzungsschema nicht die sich verändernde Ventilfläche berücksichtigen, und demzufolge müssen weniger Einflußgrößen berücksichtigt werden. Des weiteren muß nach der Erfindung die Auspuffkrümmertemperatur oder der Auspuffkrümmerdruck nicht gemessen oder abgeleitet werden.
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Ein Vorteil des obigen Merkmals der Erfindung liegt darin, daß eine genauere Schätzung der Füllung des Zylinders mit Luft erhalten wird.
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Ein weiterer Vorteil des genannten Merkmals der Erfindung ist, daß die genauere Schätzung der Luft im Zylinder zu verbesserten Emissionen bei reduzierten Systemkosten führt.
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Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen
- 1 ein Blockdiagramm eines Motors, bei dem die Erfindung zum Einsatz kommt;
- 2A und 2B alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung;
- 3 bis 6 Flußdiagramme hohen Niveaus verschiedener Routinen zur Steuerung des EGR-Stroms;
- 7 ein Blockdiagramm eines Motors, bei dem die Erfindung genutzt wird;
- 8 bis 10 Flußdiagramme hohen Niveaus verschiedener Abläufe, die durch einen Teil des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels durchgeführt werden, und
- 11 bis 12 Beispiele einer fluktuierenden Wellenform, mit der die Erfindung vorteilhafterweise genutzt wird,
- 13A und 13B sind Diagramme, die den Frequenzgehalt eines Drucksignals und ein Beispiel der Magnituden/Frequenzcharakteristika des Spitzenfilters.
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Ein Innenverbrennungsmotor 10, welcher eine Mehrzahl von Zylindern, von denen ein Zylinder in 1 gezeigt wird, aufweist, wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Motor 10 weist einen Verbrennungsraum 30 und Zylinderwände 32 mit darin angeordneten Kolben 36 auf, die mit der Kurbelwelle 40 verbunden sind. Der Verbrennungsraum 30 steht mit dem Ansaugkrümmer 44 und dem Auspuffkrümmer 48 über jeweilige Ansaugventile 52 und Auslaßventile 54 in Verbindung. Der Abgassauerstoffsensor 16 wird stromauf eines Katalysators 20 mit dem Auspuffkrümmer 48 des Motors 10 verbunden.
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Der Ansaugkrümmer 44 steht mit dem Drosselklappengehäuse 64 über die Drosselklappe 66 in Verbindung. Der Ansaugkrümmer 44 weist in der Zeichnung eine damit verbundene Kraftstoffeinspritzdüse 68 zur Abgabe einer Kraftstoffmenge, die proportional zur Pulsweite des Signals (fpw) aus dem Steuergerät 12 ist, auf. Kraftstoff wird zur Kraftstoffeinspritzdüse 68 durch ein (nicht gezeigtes) an sich bekanntes Kraftstoffversorgungssystem zugeführt, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine (nicht gezeigte) Kraftstoffverteilerleitung aufweist. Der Motor 10 weist des weiteren ein an sich bekanntes kontaktloses Zündsystem 88 zur Lieferung von Zündfunken über eine Zündkerze 92 in den Verbrennungsraum 30 nach Vorgaben des Steuergeräts 12 auf. Bei dem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 12 ein an sich bekannter Mikrocomputer, welcher aufweist: eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs/Ausgangsanschlüsse 104, ein elektronisches Speicherchip 106, welches bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel ein elektronisch programmierbarer Speicher ist, einen Informationsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 108 und einen konventionellen Datenbus.
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Das Steuergerät 12 erhält zusätzlich zu den vorstehend erörterten Signalen verschiedene Signale aus mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren, diese umfassen: Messungen des induzierten Luftmassenstroms (MAF) aus dem Luftmassenstromsensor 110, welcher mit dem Drosselklappengehäuse 64 verbunden ist; Motorkühlmitteltemperatur (ECT) aus dem mit dem Kühlmantel 114 verbundenen Temperatursensor 112, eine Messung des Ansaugkrümmerdrucks von dem mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen Ansaugkrümmerdrucksensor 116, eine Messung der Drosselklappenstellung (TP) von dem mit der Drosselklappe 66 verbundenen Drosselklappenstellungssensor 117 und ein Profil-Zündungsabgriff-signal (PIP) aus dem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hall-Sensor 118, welcher eine Motordrehzahl (N) liefert.
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Dem Ansaugkrümmer 44 wird Abgas durch ein an sich bekanntes EGR-Rohr 202 zugeführt, das mit dem Auspuffkrümmer 48, einer EGR-Ventileinheit 200 und einer EGR-Öffnung 205 in Verbindung steht. Alternativ könnte das Rohr 202 ein im Motor intern verlaufender Weg sein, der eine Verbindung zwischen dem Auspuffkrümmer und dem Ansaugkrümmer 44 herstellt. Der Stromsensor 206 steht mit dem EGR-Rohr 202 zwischen der Ventileinheit 200 und der Öffnung 205 in Verbindung. Der Stromsensor 206 steht auch mit dem Ansaugkrümmer 44 in Verbindung. Mit anderen Worten fließt Abgas vom Ansaugkrümmer 44 zunächst durch die Ventileinheit 200, dann durch die EGR-Öffnung 205 zum Ansaugkrümmer 44. Die EGR-Ventileinheit 200 kann damit als stromauf von der Öffnung 205 angeordnet bezeichnet werden.
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Der Stromsensor 206 liefert über die Öffnung 205 (DP) eine Messung des Ansaugkrümmerdrucks (MAP) und des Druckverlustes an das Steuergerät 12. Die Signale MAP und DP werden dann verwendet, um den EGR-Strom zu berechnen, wie dies hierin weiter unten unter besonderer Bezugnahme auf die 3 bis 5 beschrieben wird. Die EGR-Ventileinheit 200 hat eine (nicht gezeigte) Ventilstellung für die Steuerung einer variablen Begrenzung der Flächen im EGR-Rohr 202, wodurch der EGR-Strom entsprechend gesteuert wird. Die EGR-Ventileinheit 200 kann entweder den EGR-Strom durch das Rohr 202 minimal einschränken oder aber den EGR-Strom durch das Rohr 202 vollständig unterbinden. Ein Vakuumregler 224 ist mit der EGR-Ventileinheit 200 verbunden. Der Vakuumregler 224 erhält vom Steuergerät 12 ein Steuerungssignal (226) zur Steuerung der Ventilstellung der EGR-Ventileinheit 200. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die EGR-Ventileinheit 200 ein vakuumbetätigtes Ventil. Jedoch kann, wie es für den Fachmann offensichtlich ist, jede Art von Stromsteuerungsventil verwendet werden, wie z.B. ein Magnetventil oder ein von einem Schrittmotor angetriebenes Ventil.
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Unter Bezugnahme auf die 2A und 2B und insbesondere die 2A wird ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem ein Gehäuse 250 einen Pfad 252 mit einem Einlaßende 254 und einem Auslaßende 256 enthält. Eine variable Öffnung 258 wird durch die Nadel 260 des Ventils 200 gesteuert. Das Gehäuse 250 enthält auch den Vakuumregler 224, der mit dem Ventil 200 verbunden ist und damit die Nadel 260 regelt. Der Pfad 252 weist auch die mit dem Auslaßende 256 verbundene Öffnung 205 auf. Ein Druckdifferenzsensor 262 mißt die Druckdifferenz beidseits der Öffnung 205 und liefert ein Druckdifferenzsignal 266 an den Schaltkreis 268. Das Drucksensormeßgerät 264 steht über den Meßwertpfad 269 mit dem Auslaßende 256 in Verbindung, mißt den Druck stromab von der Öffnung 205 und liefert ein Drucksignal 270 an den Schaltkreis 268. Der Schaltkreis 268 berechnet entweder digital unter Verwendung von an sich bekannten Mikroprozessorschaltkreisen oder analog unter Verwendung von an sich bekannten Analogschaltkreisen das Produkt der Signale 266 und 270. Der Schaltkreis 268 stellt dann das Ergebnis dieser Berechnung beim Signal 272 zur Verfügung.
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Alternativ stehen, wie in 2B gezeigt, der Differentialsensor 262 und der Sensor 264 über einen zweiten Verbindungspfad 274 mit dem (nicht gezeigten) stromab verlaufenden Strom in Verbindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Pfade 256 und 274 so gestaltet, daß sie mit dem Ansaugkrümmer eines Innenverbrennungsmotors verbunden sind. Dann stehen die Pfade 274 und 256 über den Ansaugkrümmer in Fluidverbindung. Eine solche Anordnung ist dann vorzuziehen, wenn der Schaltkreis 268 auch ein Signal 276 liefert, das für den vom Sensor 264 gemessenen Druck charakteristisch ist.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird nun eine Routine für die Berechnung des EGR-Stroms (EM) beschrieben. Bei Schritt 210 wird das Signal MAP vom Steuergerät 12 aus dem Sensor 206 ausgelesen und liefert somit einen Meßwert für den Druck stromab von der Öffnung 205. Dann wird bei Schritt 212 vom Steuergerät 12 die Druckdifferenz DP beidseits der Öffnung 205 aus dem Sensor 206 ausgelesen. Bei Schritt 214 wird ein Korrekturfaktor CF1, der teilweise die Komprimierbarkeitseffekte des EGR-Stroms berücksichtigt, als der vom Signal MAP gemessene absolute Druck berechnet. Wenn alternativ der bei Schritt 210 gemessene stromab anliegende Druck der Druck relativ zur Atmosphäre war, würde der Korrekturfaktor CF1 als die Summe des Drucks relativ zur Atmosphäre zuzüglich des auf der Atmosphäre beruhenden absoluten Drucks berechnet werden. Anschließend wird bei Schritt 216 der EGR-Strom EM als die Quadratwurzel des Produktes des Korrekturfaktors CF1 und der Druckdifferenz DP multipliziert mit der Konstante K berechnet. Die Konstante K ist für einen Kalibrierungsausdruck charakteristisch, der verschiedene Einheitsumrechnungen und die Fläche der Öffnung 205 berücksichtigt. Auf diese Weise werden Druck- und Temperatureffekte aufgrund der Ausdehnung des EGR-Stroms durch das Ventil 200 ausreichend beseitigt, und der Meßfehler wird reduziert.
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Die in 3 beschriebene Routine nutzt die Natur des Stroms, welche auf de Ausdehnung zunächst durch Stromsteuerventil 200 und dann durch die Öffnung 205 beruht, wobei die Quelle des Stroms der Auspuffkrümmer 48 und die Senke der Ansaugkrümmer 44 des Innenverbrennungsmotors 10 ist. Aufgrund typischer Bereiche von Auspuffkrümmerdruck und -temperatur und Ansaugkrümmerdruck (MAP) kann unter Verwendung des Produktes der Druckdifferenz (DP) beidseits der Öffnung 205 und des Drucks stromab der Öffnung 205 (MAP) eine Annäherung an den EGR-Strom erfolgen, ohne daß die Notwendigkeit der Messung der Temperatur stromauf der Öffnung 205 (stromab des Stromsteuerventils 200) besteht.
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Unter Bezugnahme auf 4 wird nun eine alternative Routine für die Berechnung des EGR-Stroms EM beschrieben. Bei Schritt 310 wird das Signal MAP vom Steuergerät 12 aus dem Sensor 206 ausgelesen und liefert einen Meßwert für den Druck bei der Öffnung 205. Dann wird bei Schritt 312 die Druckdifferenz DP beidseits der Öffnung 205 vom Steuergerät 12 aus dem Sensor 206 ausgelesen. Bei Schritt 314 wird ein Korrekturfaktor CF1, der teilweise die Komprimierbarkeitseffekte des EGR-Stroms berücksichtigt, als der vom Signal MAP gemessene absolute Druck berechnet. Wenn alternativ der bei Schritt 310 stromab gemessene Druck der Druck relativ zur Atmosphäre war, würde der Korrekturfaktor CF1 als die Summe des Drucks relativ zur Atmosphäre zuzüglich des auf der Atmosphäre beruhenden absoluten Drucks berechnet werden. Dann wird bei Schritt 316 der Korrekturfaktor CF2 als Funktion sowohl der Druckdifferenz DP wie auch des stromabseitigen Drucks MAP berechnet, wobei k für das Verhältnis spezifischer Hitzewerte des Abgases charakteristisch ist. Der Korrekturfaktor CF2 berücksichtigt ferner die Komprimierbarkeitseffekte des EGR-Stroms. Anschließend wird bei Schritt 318 der Korrekturfaktor CF3 als Funktion des Stroms durch den Motor MAF berechnet. Der Korrekturfaktor CF3 berücksichtigt Schwankungen beim Auspuffdruck. Die Funktion h stellt eine Funktion dar, welche den Luftstrom durch den Motor, MAF, mit dem Auspuffdruck korrigiert, und sie wird experimentell ermittelt. Zusätzlich kann die Funktion h einen Korrekturfaktor für den barometrischen Druck mit einschließen. Mit anderen Worten wird der Auspuffdruck als Funktion sowohl von MAF wie auch vom barometrischen Druck berechnet. Die Auswirkung des barometrischen Drucks auf den Auspuffdruck wird ebenfalls experimentell ermittelt. Der barometrische Druck kann entweder gemessen oder geschätzt werden, indem an sich bekannte Verfahren herangezogen werden. Anschließend wird bei Schritt 320 der EGR-Strom EM als Funktion der Korrekturfaktoren CF1, CF2, CF3, der Druckdifferenz DP und der Konstante K berechnet. Auf diese Art und Weise werden Druck- und Temperaturauswirkungen aufgrund der Ausdehnung des EGR-Stroms durch das Ventil 200 weiter ausgeschlossen, und der Meßfehler wird bei zusätzlicher Komplexität weiter reduziert.
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Unter Bezugnahme auf 5 wird nun eine Routine für die Steuerung des EGR-Stroms beschrieben. Bei Schritt 410 wird der gewünschte EGR-Strom DESEM als Funktion des Motorbetriebszustandes berechnet, der die (ausgehend vom Signal PIP ermittelte) Motordrehzahl und den Luftstrom (MAF) einschließt. Dann wird der Wert von EM, der entweder nach 3 oder 4 berechnet wird, von DESEM abgezogen, um ein Fehlersignal ERROR zu erzeugen. Dann wird bei Schritt 414 das Betätigungssignal 226 als Funktion (f) des Signals ERROR berechnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die Funktion (f) ein PID-Steuergerät dar. Alternativ kann die Funktion (f) jeden beliebigen Typ von an sich bekannten Steuergeräten mit oder ohne Rückkopplung darstellen.
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Unter Bezugnahme auf
6 wird nun eine Routine für die Berechnung der Füllung des Zylinders mit Luft gezeigt. Die Routine wird einmal pro Zündvorgang des Motors ausgeführt. Mit anderen Worten wird die Routine synchron mit Zündvorgängen des Motors ausgeführt. Zunächst wird bei Schritt
610 die gesamte Zylindermassenfüllung (diese ist die Summe der Zylinderluftmenge und der Menge des rückgeführten Abgases im Zylinder) auf der Grundlage von Krümmerdruck und Krümmertemperatur bestimmt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die folgende Gleichung verwendet, bei der die Steigung (
s) und der Versatz (
o) als eine Funktion der Motordrehzahl ermittelt werden.
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Anschließend wird bei Schritt
612 der EGR-Strom
EM dividiert durch die Motordrehzahl (
N) und die Zahl der Zylinder (
ncyl ) bestimmt.
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Anschließend wird bei Schritt
614 die Abgasrückführungsmenge im Zylinder durch Filtern von
m egr bestimmt. Insbesondere wird erfindungsgemäß der Wert synchron mit Zündvorgängen des Motors gefiltert. Der Filterkoeffizient (
a) ist eine Funktion der Motordrehzahl. Die folgende Gleichung zeigt das Filterverfahren.
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Unter Verwendung des Ausführungsbeispiels nach
3 kann dies umgeschrieben werden als:
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Als nächstes wird bei Schritt
616 die Luftmenge im Zylinder dadurch ermittelt, daß die Menge der Abgasrückführung im Zylinder von der Zylindergesamtmenge, die nachstehend dargestellt, abgezogen wird.
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Dann wird dieser Wert verwendet, um eine Kraftstoffeinspritzmenge (
f) auf der Grundlage eines gewünschten Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses (a/f
d) (im offenen Kreis) zu berechnen. Des weiteren kann die Kraftstoffeinspritzmenge (
f) basierend auf einer gemessenen Abgassauerstoffkonzentration angepaßt werden aus einem HEGO-Sensor (Sensor für Sauerstoff im erhitzten Abgas) unter Verwendung von an sich bekannten Verfahren, um eine Kraftstoff/Luftgemischverhältnis-Steuerung im geschlossenen Kreis zu liefern.
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Erfindungsgemäß ist es also möglich, die verbesserte EGR-Stromschätzung heranzuziehen, welche dadurch geliefert wird, daß eine stromab gelegene Öffnung und ein stromauf gelegenes Ventil vorhanden sind, wobei die Druckdifferenz beidseits der stromab liegenden Öffnung und der Krümmerdruck die EGR-Stromschätzung liefert. Des weiteren wird diese verbesserte EGR-Stromschätzung anschließend gefiltert, um Krümmerdynamik zu berücksichtigen, und dazu verwendet, eine verbesserte Zylinderluftfüllung zu berechnen. Anschließend wird diese verbesserte Zylinderluftfüllung bei der Steuerung des Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses verwendet.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Innenverbrennungsmotor 10, welcher eine Mehrzahl von Zylindern aufweist, von denen einer in 7 gezeigt wird, durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. Der Auspuffkrümmer 48 wird als über das EGR-Rohr 202 mit einem Abgasrückführungsventil 70 verbunden dargestellt. Das Abgasrückführungsventil 70 ist auch über die Rohröffnung 74 mit dem Ansaugkrümmer 44 verbunden. Die Rohröffnung 74 weist die Öffnung 205 zur Einschränkung des Stroms auf. Alternativ kann der Motor so konfiguriert sein, daß Kraftstoff direkt in den Zylinder des Motors eingespritzt wird, was für den Fachmann als Direkteinspritzmotor bekannt ist. Ein binärer Abgassauerstoffsensor 98 wird als stromab des Katalysators 20 mit dem Auspuffkrümmer 48 verbunden dargestellt. Der Sensor 16 liefert das Signal EGO an das Steuergerät 12, welches das Signal EGO in das binäres Signal EGO1S umwandelt. Ein hohes Potential des Signals EGO1S gibt an, daß die Abgase fetter sind als ein Referenz-Kraftstoff/Luftgemischverhältnis, und ein niedriges Potential des umgewandelten Signals EGO1S gibt an, daß die Abgase magerer sind als das Referenz-Kraftstoff/Luftgemischverhältnis. Der Sensor 98 liefert das Signal EGO2 an das Steuergerät 12, welches das Signal EGO2 in das Zweistufensignal EGO2S umwandelt. Ein hohes Potential des Signals EGO2S gibt an, daß die Abgase fetter sind als ein Referenz-Kraftstoff/Luftgemischverhältnis, und ein niedriges Potential des umgewandelten Signals EGO2S gibt an, daß die Abgase magerer sind als das Referenz-Kraftstoff/Luftgemischverhältnis.
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Das Steuergerät 12 erhält nach der Darstellung zusätzlich zu den vorstehend erörterten verschiedene Signale aus mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren, welche umfassen: eine Messung des Krümmerdrucks (MAP) vom mit dem Ansaugkrümmer 44 verbundenen Krümmerdrucksensor 116 und eine Messung des Abgasrückführungsdrucks (EGRP) von dem mit der Rohröffnung 74 stromab der Öffnung 205 verbundenen Abgasdrucksensor 119. Bei einem bevorzugten Merkmal der Erfindung gibt der Motordrehzahlsensor 119 bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorherbestimmte Anzahl von periodischen Impulsen ab.
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Unter Bezugnahme auf 8 wird nun ein Flußdiagramm einer von dem Steuergerät 12 zur Generierung des Kraftstoffeinstellsignals FT ausgeführten Routine beschrieben. Zunächst wird festgestellt, ob eine Kraftstoff/Luftgemischsteuerung im geschlossenen Kreis begonnen werden muß (Schritt 122), indem Motorbetriebszustände, wie z.B. Temperatur, geprüft werden. Wenn die Steuerung im geschlossenen Kreis beginnt, wird das Signal EGO2S aus dem Sensor 98 ausgelesen (Schritt 124) und anschließend in einem proportionalen und integralen Steuergerät, wie nachstehend beschrieben, verarbeitet.
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Zunächst wird auf Schritt 126 Bezug genommen; das Signal EGO2S wird mit der Verstärkerkonstante GI multipliziert, und das daraus resultierende Produkt wird bei Schritt 128 zu den Produkten hinzuaddiert, die vorher gespeichert wurden (GI * EGO2Si-1). Mit anderen Worten wird das Signal EGO2S bei jeder Musterperiode (i) in Schritten integriert, die durch die Verstärkerkonstante GI bestimmt werden. Bei Schritt 132 wird das Signal EGO2S ferner mit der Proportionalverstärkung GP multipliziert. Der integrale Wert aus Schritt 128 wird zu dem proportionalen Wert aus Schritt 132 während des Additionsschrittes 134 hinzuaddiert, um das Kraftstoffsteuersignal FT zu generieren.
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Die vom Steuergerät 12 ausgeführte Routine zur Generierung der gewünschten Menge an flüssigem Kraftstoff, die dem Motor 10 zuzuführen ist, und zur Anpassung dieser gewünschten Kraftstoffmenge aufgrund einer Rückmeldungsvariablen, die sowohl mit dem Sensor 98 wie auch dem Reguliersignal FT korreliert ist, wird nun unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Während des Schritts 158 wird die im offenen Kreis geregelte Kraftstoffmenge zunächst dadurch bestimmt, daß die Differenz zwischen dem induzierten Luftmassenstrom (AMPEM, ermittelt aus dem Signal FMAP und RPM, wie hierin weiter unten unter besonderer Bezugnahme auf 10 beschrieben), welche sowohl frische Füllung als auch Abgasrückführung enthält, und der Schätzung für Abgasrückführung (EM), weiche im weiteren Verlauf unter besonderer Bezugnahme auf 10 beschrieben wird, durch das gewünschte Kraftstoff/Luftgemischverhältnis AFd, welches normalerweise der stöchiometrische Wert für Benzinverbrennung ist, dividiert wird. Wenn jedoch AFd auf einen fetten Wert eingestellt wird, führt dies dazu, daß der Motor in einem fetten Betriebszustand läuft. Analog wird das Einstellen von AFd auf einen mageren Wert dazu führen, daß der Motor in einem Magerzustand arbeitet. Demzufolge wird das Signal AMPEM aufgrund von FMAP und RPM nach dem üblichen Drehzahl/Dichteverfahren aufgebaut, das dem Fachmann bekannt ist und leicht empirisch ermittelt werden kann. Diese im offenen Kreis ermittelte Kraftstoffmenge wird dann angepaßt, in diesem Beispiel wird sie durch die Rückmeldungsvariable FV dividiert.
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Nach der Feststellung, daß eine Steuerung im geschlossenen Kreis gewünscht wird (Schritt 160), nachdem Motorbetriebszustände, wie z.B. Temperatur (ECT), überwacht wurden, wird während des Schritts 162 das Signal EGO1S ausgelesen. Während des Schritts 166 wird das Kraftstoffanpassungssignal FT von der vorstehend unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Routine transferiert und zu dem Signal EGO1S hinzuaddiert, um das Anpassungssignal TS zu erzeugen.
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Während der Schritte 170, 172, 176 und 178 wird mit dem angepaßten Signal TS als Eingang eine proportionale und integrale Rückmeldungsroutine ausgeführt. Das Anpassungssignal TS wird zunächst mit dem integralen Verstärkungswert KI (Schritt 170) multipliziert, und das resultierende Produkt wird zu den vorher gespeicherten Produkten hinzugefügt (Schritt 172). Das heißt, das Anpassungssignal TS wird während des Schrittes 172 von der Verstärkungskonstante KI während jeder Musterperiode (i) bestimmt. Ein Produkt der proportionalen Verstärkung KP mal dem angepaßten Signal TS (Schritt 176) wird dann zur Integration von KI * TS während des Schrittes 178 hinzugefügt, um die Rückmeldungsvariable FV zu generieren.
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Nun wird unter besonderer Bezugnahme auf das in 10 gezeigte Diagramm die Berechnung der Schätzung der Abgasrückführung (EM) beschrieben. Insbesondere zeigt 10, wie der stromauf anliegende Druck (p1), der in diesem Beispiel das Signal EGRP ist, und das Signal MAP in diesem Beispiel für den stromab anliegenden Druck (p2) verarbeitet werden, um das Signal EM zu bilden. Zunächst wird bei Block 1000 der stromauf anliegende Druck P1 durch einen ersten Filter verarbeitet, der den Fachleuten als Anti-Aliasing-Filter bekannt ist und der eine Grenzfrequenz gleich f1 aufweist. Analog wird bei Block 1002 der stromab anliegende Druck p2 durch einen zweiten Anti-Aliasing-Filter mit einer Grenzfrequenz gleich f2 verarbeitet. Bei einigen Anwendungen ist es unnötig, entweder den ersten oder den zweiten Anti-Aliasing-Filter zu verwenden, weil die Geometrie der Abgasrückführung einen mechanischen Filter schafft, der die unerwünschten hohen Frequenzen beseitigt. Des weiteren werden die Frequenzen f1 und f2 beträchtlich höher gesetzt als die notwendige Steuerungsbandbreite.
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Anschließend wird bei Block 1004 das Ergebnis des Blocks 1000 synchron mit einem Motordrehzahlsignal, wie z.B. RPM, in der Weise vermischt, daß das Abtasten mit einer Häufigkeit proportional zur Zündungsfrequenz des Motors entspricht. Beispielsweise könnte die Abtasthäufigkeit das Zweifache der Zündfrequenz des Motors sein. Das Verhältnis wird im allgemeinen in der Weise gewählt, daß die Abtasthäufigkeit bei einer Rate von zweimal der höchsten harmonischen Frequenz liegt, die signifikante Energie enthält. Des weiteren wäre es für den einschlägigen Fachmann offensichtlich, und es wird von dieser Offenbarung nahegelegt, daß jedes Mehrfache der Zündfrequenz, das größer ist als das oben gewählte, ebenfalls verwendet werden könnte. Wenn beispielsweise die Abgasrückführung und die Motorgeometrie so sind, daß in dem stromaufseitigen Drucksignal p1 harmonische Schwingungen höherer Ordnung enthalten sind, wie z.B. harmonische Schwingungen von zweimal oder viermal der Zündfrequenz, kann möglicherweise eine Abtasthäufigkeit von vier- oder achtmal der Zündfrequenz notwendig sein. Analog wird bei Block 1006 das Ergebnis von Block 1002 synchron mit dem Motordrehzahlsignal RPM in der Weise vermischt, daß das Abtasten mit einer Rate erfolgt, die zur Zündfrequenz des Motors proportional ist. Zusätzlich ist es nicht notwendig, daß die Abtasthäufigkeit bei den Blocks 1004 und 1006 gleich ist. Beispielsweise könnte Block 1004 synchron bei der zweifachen Zündfrequenz des Motors Abtastungen vornehmen, und Block 1006 könnte bei achtmal der Zündfrequenz des Motors Abtastungen vornehmen.
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Im übrigen ist es für einen einschlägigen Fachmann offensichtlich und wird von dieser Offenbarung nahegelegt, daß das Drucksignal bei einer Frequenz abgetastet werden könnte, die im wesentlichen proportional zur dominanten in dem Signal enthaltenen Frequenz ist. Diese dominante Frequenz ist üblicherweise gleich der Zündfrequenz. Damit könnte eine Abtastung mit einer zu dieser dominanten Frequenz proportionalen Rate dadurch erreicht werden, daß ein Schaltkreis herangezogen wird, der Fachleuten als eine PLL (phase locked loop) bekannt ist. Da jedoch das PLL-Schema manchmal während der Übergänge nach der Dominanzfrequenz sucht, kann dieser Prozeß auf der Grundlage einer Stellungsänderung der Drosselklappe 62 ausgesetzt werden. Während des Übergangs muß im offenen Kreis eine Schätzung erhalten werden, die die Veränderung bei der Drosselklappe 62 die Abgasrückführung und den Krümmerdruck beeinflußt. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß ein vorherbestimmtes Kennfeld herangezogen wird, das durch Tests oder analytische Verfahren erhalten wird und an sich bekannt ist, wobei das Übergangsverhalten auf der Grundlage der Änderung der Drosselklappenstellung 62 und sonstiger Betriebsbedingungen, wie z.B. Motordrehzahl, geschätzt wird.
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Als nächstes verarbeiten digitale Filter bei den Blöcken
1008 und
1010 die Ergebnisse der Blöcke
1004 und
1006. Die in den Blöcken
1008 und
1010 verwendeten durch G(z) oder G'(z) dargestellten digitalen Filter sind den Fachleuten an sich als digitaler Spitzenfilter bekannt. Bei dieser Anwendung entfernt jeder Spitzenfilter die Zündfrequenz (und falls erforderlich, höhere harmonische Schwingungen) des Motors. Die nachstehende Gleichung zeigt ein Beispiels eines Spitzenfilters in dem diskreten Bereich für eine Abtastung mit einer Rate von zweimal der Zündfrequenz. Die Verwendung des Spitzenfilters G(z) wird auch im weiteren Verlauf hierin unter besonderer Bezugnahme auf die
5 beschrieben.
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Würde das Abtasten mit einer Geschwindigkeit von achtmal der Zündfrequenz durchgeführt, dann würde der folgende Spitzenfilter wie durch G'(z) beschrieben, verwendet werden. Dies beseitigt wiederum unerwünschte Frequenzen, aber die Übergangsleistung wird nicht behindert. Eine Verwendung eines Spitzenfilters, wie z.B. G'(z), wird im weiteren Verlauf hierin unter besonderer Bezugnahme auf die
6 und
7 beschrieben.
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Der Digitalfilter kann zwischen den Blöcken 1008 und 1010 anders sein bzw. anders als oben dargestellt, falls dies notwendig ist, beispielsweise wenn die Geometrie des Abgasrückführungssystems so gestaltet ist, daß bestimmte Frequenzen aufgrund von Resonanzen übermäßig verstärkt werden. Der Filter kann auch zwischen den Blöcken 1008 und 1010 dann unterschiedlich sein, wenn Block 1004 synchron mit der zweifachen Zündfrequenz des Motors abgetastet wird und wenn 1006 mit der achtfachen Zündfrequenz des Motors abgetastet wird.
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Die Druckdifferenz wird dann dadurch geschaffen, daß der Ausgang von Block 1010, welcher gefilterter Krümmerdruck FMAP ist, von dem Ausgang von Block 1008 abgezogen wird. Diese Druckdifferenz wird dann bei 1012 dazu verwendet, das Signal EM durch ein vorherbestimmtes Kennfeld oder eine Gleichung zwischen Druckdifferenz und Abgasrückführungsstrom und gegebenenfalls Motorbetriebsbedingungen zu schaffen. Beispielsweise kann die Abgastemperatur herangezogen werden, um die Berechnung von Abgasrückführungsstrom anzupassen.
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Entsprechend werden bei Block 1014 die Signale FMAP und RPM herangezogen, um die Masse an in den Zylinder eintretenden Gasstrom zu berechnen (AMPEM). Die üblichen Drehzahl/Dichtegleichungen, die dem Fachmann bekannt sind, werden herangezogen, um den gefilterten absoluten Krümmerdruck zusammen mit der Motordrehzahl in die Gesamtgasmasse (Abgas- und Frischluftfüllung), die in den Zylinder eintritt, umzurechnen. Falls notwendig, können diese Basisgleichungen durch Motorbetriebsbedingungen, wie z.B. Gastemperatur, oder beliebige sonstige, dem Fachmann bekannte und durch diese Offenbarung nahegelegte Zustände geändert werden.
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So wird eine Schätzung der Abgasrückführung und der Frischluft, die in den Zylinder eintreten, erhalten, die im wesentlichen frei ist von unerwünschten Frequenzen, gleichwohl aber eine Bandweite hält, die sehr viel größer ist als sie mit konventionellen Filterungsmethoden erhalten würde. Demzufolge kann die Schätzung Lastwechselvorgänge genauer verfolgen und eine genauere Kraftstoff/Luftgemischverhältnis-Steuerung erzielen.
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Ein Beispiel des synchronen Abtastens einer Wellenform wird nun unter besonderer Bezugnahme auf das in 11 gezeigte Diagramm beschrieben. Ein schwankendes Drucksignal, das durch die durchgezogene Linie dargestellt und mit A bezeichnet wird, wird mit einer Frequenz abgetastet, die zweimal der Frequenz des tatsächlichen Signals entspricht. Die abgetasteten Werte werden durch Punkte dargestellt. Die rekonstruierte, auf den synchron abgetasteten Werten basierende Wellenform und der vorstehend hierin unter besonderer Bezugnahme auf die Funktion G(z) beschriebene Filter werden als gestrichelte Linie dargestellt und mit B bezeichnet. Vergleichsweise wird ein Signal, das einen konventionellen Tiefpassfilter verwendet, der für an sich bekannte Abtastschemata erforderlich ist, durch eine-Strichpunktlinie gezeigt und mit C bezeichnet. Bei diesem Beispiel liefert die unter Verwendung des synchronen Abtastens gebildete Abgasrückführungsschätzung einen genaueren Wert, der insgesamt eine bessere Steuerung des Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses erlaubt.
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Ein weiteres Beispiel des synchronen Abtastens einer Wellenform wird nun unter besonderer Bezugnahme auf das in 12 gezeigte Diagramm beschrieben. Ein schwankender Druck, der durch die durchgezogene Linie dargestellt und mit D bezeichnet wird, wird mit einer Frequenz abgetastet, die achtmal der Frequenz der niedrigsten harmonischen Ordnung entspricht. Dieses Signal ist für einen typischen Abgasdruck während stabiler Betriebsbedingungen charakteristisch. Die abgetasteten Werte werden durch Punkte dargestellt. Die auf der Grundlage der synchron abgetasteten Werte und dank des vorstehend hierin unter besonderer Bezugnahme auf die Funktion G'(z) beschriebenen Filters rekonstruierte Wellenform wird in gestrichelter Linie dargestellt und mit E bezeichnet. Dieses Ergebnis konnte nur dann erhalten werden, wenn die abgetasteten Werte alle in perfektem Abstand entsprechend der Rotation des Motors liegen, die synchrone Abtastfrequenz so gewählt wurde, daß sie dem Zweifachen der höchsten signifikanten harmonischen Frequenz des Drucksignals entsprach und der entsprechende Spitzenfilter genutzt wurde. Bei diesem Beispiel liefert die Schätzung des in den Zylinder eintretenden Luftstroms (die durch das synchrone Abtasten erhalten wurde) einen präzisen Wert, der eine optimale Steuerung des Kraftstoff/Luftgemischverhältnisses ermöglicht.
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Unter Bezugnahme auf die 13A bis 13B und insbesondere auf die 13A zeigt das Diagramm den Frequenzinhalt der in 12 gezeigten Druckwellenform. Dieser Druck könnte beispielsweise für den Auspuffkrümmerdruck bei einer Zündfrequenz des Motors von ungefähr 50 Hz und gleichbleibendem Betriebszustand charakteristisch sein. 13B zeigt ein Diagramm der Magnitude gegen Frequenz des Filters G'(z). Demzufolge umfaßt das hierin unter besonderer Bezugnahme auf die 10 beschriebene Schema (auf dem Gebiet der Frequenz) das Multiplizieren der Diagramme der 13A und 13B. Dies zeigt, daß der Mittelwert oder die Gleichstromkomponente, die dem Fachmann bekannt ist, gewahrt bleibt. Das Ergebnis ist ein Signal, das bei Mittelwertmodellberechnungen im wesentlichen von unerwünschten Frequenzen frei ist. Es gibt auch weitere alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung. Beispielsweise hängt die Verwendung eines synchronen Abtastschemas nicht davon ab, daß die Öffnung stromab von dem Steuerventil des Abgasrückführungsstrom liegt. Das Schema könnte eingesetzt werden, wenn ein Drucksensor stromauf und ein Drucksensor stromab von der Öffnung eingesetzt werden und das Steuerventil des Abgasrückführungsstroms immer noch zwischen dem stromab gelegenen Drucksensor und dem Ansaugkrümmer wie bei heute üblichen Fahrzeugen liegt. Darüber hinaus ist das Verfahren nicht beschränkt auf Strommessung mit einer Öffnung. Andere, dem Fachmann bekannte Strommeßverfahren könnten mit dem oben beschriebenen Verfahren genutzt werden, wie z.B. ein Mischrohr, ein Staudruckrohr oder ein Lamellenflußelement.
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Dies schließt die Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels ab. Deren Lektüre durch einen Fachmann führt zu zahlreichen Änderungen und Modifikationen, ohne Geist und Rahmen der Erfindung zu verlassen. Statt eines Druckdifferenzsensors und eines stromab gelegenen Absolutdrucksensors könnten beispielsweise zwei Absolutdrucksensoren (einer stromauf von der Öffnung mit festem Bereich (
p1 ) und einer stromab von der Öffnung mit festem Bereich (
p2 )), wie oben dargestellt, genutzt werden. Ausgehend von den beiden Absolutdrucksensoren könnten ein Druckdifferenzsignal und ein Stromabdrucksignal erzeugt werden. Mit anderen Worten könnte der Krümmerdruck von dem stromab gelegenen Drucksensor geliefert werden, und die Druckdifferenz könnte aufgrund der Differenz zwischen den stromauf und stromab gelegenen Drucksensoren geliefert werden. Die Differenz könnte intern in dem Mikroprozessor oder in einem mit den beiden Drucksensoren verbundenen Analogschaltkreis berechnet werden. Mit anderen Worten würde die Gleichung nach Schritt
216 dann lauten:
Entsprechend ist es klar, daß der Rahmen der Erfindung durch die nachstehenden Patentansprüche bestimmt wird.