[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für die Luftzahl von Brennkraftmaschinen,
mit einem Ansaugluft-Durchsatzmesser, einem Abgassensor und einem Regler, der mit
den Signalen des Durchsatzmessers und des Abgassensors den Kraftstoffdurchsatz entsprechend
den jeweiligen Betriebsbedingungen variabel regelt.
[0002] Bei einer derartigen Regeleinrichtung, wie sie beispielsweise aus derDE-OS 24 07
859 bekannt ist, ist der Abgassensor üblicherweise eine sogenannte Lambda-Sonde, die
auf einen Bestandteil des Abgases, hier Sauerstoff, anspricht. Eine derartige Sonde
zeigt bei Werten der LuftzahlN das heißt dem Verhältnis der zugeführten Luftmenge
zu der für stöchiometrische Verbrennung notwendigen Luftmenge, von 1, das heißt einem
stöchiometrischen Gemisch, ein charakteristisches Sprungverhalten. Aus diesem Grund
ist es le- ' diglich möglich, mit Hilfe der Lambda-Sonde die Luftzahl λ auf den Wert
1 zu regeln. Verbrauchsoptimale Auslegungen erfordern aber Luftzahlwerte, die wesentlich
höher als 1, das heißt etwa beil,2 bis 1,4, liegen. Neben diesem Nachteil, mit Hilfe
der Lambda-Sonde derartige magere Gemische üblicherweise nicht regeln zu können, ist
die Verwendung der Lambda-Sonde nur bei bleifreiem Kraftstoff möglich. Damit scheidet
die Verwendung beispielsweise in Westeuropa mit dem dort vorhandenen bleihaltigen
Kraftstoff aus.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit der die Luftzahl auf beliebige Werte und unabhängig von der Qualität
des Kraftstoffs bzw. dessen Zusätzen geregelt werden kann.
[0004] DieErfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Abgassensor ein Abgas-Durchsatzmesser
ist.
[0005] Durch die Bestimmung der Durchsätze von Ansaugluft und Abgas läßt sich mit Hilfe
der Massenstromverhältnisse die zugeführte Kraftstoffmasse bestimmen. Sie ist im stationären
Betrieb bzw. im instationären Betrieb ohne Berücksichtigung von Phasenverschiebungen
gleich der Differenz der Durchsätze von Abgas und Ansaugluft. Der Vorteil dieser rechnerischen
Methode besteht darin, daß sie auch beispielsweise bei Kraftstoff-Einspritzsystemen
mitkraftstoff-Rücklaufeine exakte Bestimmung der dem Brennraum zugeführten Kraftstoffmasse
ermöglicht.
[0006] Aus den so gewonnenen Werten für Ansaugluft- und Kraftstoffdurchsatz kann die tatsächliche
Luftzahl in der üblichen Weise bestimmt und mit einem beispielsweise in Kennfeldern
gespeicherten Sollwerten verglichen werden. Bei Abweichungen läßt sich ohne weiteres
ein Korrektursignal für die Kraftstoffzumeßeinrichtung gewinnen.
[0007] Durch die Berücksichtigung des gesamten Abgasdurchsatzes sind ferner empfindliche
und meist nicht langzeitstabile Abgassensoren für spezielle Abgaskomponenten nicht
erforderlich. Vielmehr können die bereits für die Ansaugluft hinreichend bekannten
Durchsatzmesser verwendet werden, die beispielsweise nach dem Hitzdraht-, dem Wirbel-
oder dem Ultraschallverfahren arbeiten.
[0008] Zwar ist es bekannt, die Luftzahl aus der Abgaszusammensetzung zu berechnen. Hierzu
ist jedoch eine chemische Analyse des Abgases erforderlich. Aufgrund des damit verbundenen
Zeitaufwands ist dieses Verfahren insbesondere bei instationärem Betrieb der Brennkraftmaschine
völlig ungeeignet. (Vgl. Motortechnische Zeitschrift 37 (1976) 3, Seite 75.)
[0009] Um einerseits durch Pulsa_tionserscheinungen der Ansaugluft und des Abgases verursachte
Schwankungen des Ausgangssignals der beiden Durchsatzmesser zu eliminieren und andererseits
ein schnelles Ansprechen auf Durchflußänderungen infolge von Lastwechsel zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, die Zeitbasen des Ansaugluft- und des Abgas-Durchsatzmessers etwa
gleich der Dauer einer Kurbelwellenumdrehung zu wählen.
[0010] Weiterhin ist es vorteilhaft, die Ausgangssignale des Abgas- und des Ansaugluft-Durchsatzmessers
etwa um die Laufzeit der Gasmassen zwischen den beiden Durchsatznessern in ihrer Phase
zu verschieben. Dadurch werden die "richtigen" Gasmassen miteinander in Beziehung
gesetzt.
[0011] Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
weiter erläutert.
[0012] Eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 erhält ihre Ansaugluft über einen
Ansaugkanal 2, in den eine Einspritzdüse 3 Kraftstoff einbringt. Die Abgase werden
über einen Abgaskanal 4 abgeführt.
[0013] Im Ansaugkanal 2 und im Abgaskanal 4 sitzt jeweils ein Massenmesser 5 bzw. 6, der
in der üblichen Weise als Hitzdraht-, Wirbel- oder Ultraschallgeber ausgebildet ist,
und der ein dem jeweiligen Massendurchsatz m
L bzw. m
A proportionales Signal s
L bzw. s
A liefert. Die Ausgangssignale der Massenmesser 5 und 6 werden in einem Integrator
7 bzw. 8 summiert. Die Zeitbasis der beiden Integratoren 7 bzw. 8 ist gleich der Dauer
einer Kurbelwellenumdrehung gewählt.
[0014] Ein entsprechendes Signal hierfür wird mit Hilfe eines induktiven Aufnehmers 9 gewonnen,
der auf eine Markierung 10 eines Schwingungsdämpfers 11 der Brennkraftmaschine 1 anspricht.
[0015] Die Ausgangssignale S
L bzw. S
A der beiden Integratoren 7 bzw. 8 entsprechen dem Ansaug- bzw. Abgas-(Massen-)Durchsatz
pro Kurbelwellenumdrehung der Brennkraftmaschine. Der durch die Laufzeit bedingte
Phasenverzug des Abgases gegenüber der Ansaugluft ist dabei zusätzlich durch eine
entsprechende Verzögerung des die Arbeitsweise des Integrators 8 steuernden Impulssignals
12 eines Zeitbasis-Generators 13 gegenüber dem entsprechenden Impulssignal 14 für
den Integrator 7 berücksichtigt. Der Zusammenhang zwischen dem drehzahlproportionalen
Signal des Aufnehmers 9 und den beiden Impulssignalen 12 und 14 ist schematisch innerhalb
des Generators 13 dargestellt.
[0016] Mit Hilfe der phasenrichtigen Signale S
L und S
A läßt sich nunmehr die Luftzahl λ berechnen. Hierzu wird von den Massenstromverhältnissen
ausgegangen, die in der Zeichnung als Gleichung I wiedergegeben sind. Ein der Größe
m
A entsprechendes Signal liegt in Form des Signals S
A vor. Ein entsprechendes Signal für die Größe m
L ist das Signal S
Lt Die Differenz dieser beiden Werte ist dem Wert ṁ
K, das heißt dem Kraftstoffdurchsatz proportional. Die Proportionalitätskonstante ist,
gleiche Arbeitsweise der Integratoren 7 und 8 vorausgesetzt, für die drei Werte von
Gleichung I gleich.
[0017] Daraus ergibt sich, daß die Luftzahl λ dadurch gewonnen werden kann, daß in der ebenfalls
in der Zeichnung angegebenen Gleichung II statt der dort verwendeten Werte für Luft-
bzw. Kraftstoffdurchsatz die entsprechenden Ausgangssignale des Integrators 7 bzw.
im Falle des Kraftstoffdurchsatzes die Differenz der Ausgangssignale der beiden Integratoren
8 und 7 gesetzt wird. Da der im Nenner des Bruches stehende Bruch eine von der Kraftstoffqualität
abhängige Konstante ist, ergibt sich somit die Luftzahl des der Brennkraftmaschine
tatsächlich zugeführten Gemisches unmittelbar durch entsprechende Umsetzung der Ausgangssignale
der beiden Integratoren 7 und 8 entsprechend der Gleichung II in einer Rechenschaltung
15.
[0018] Der so gewonnene Wert für ist für die Luftzahl des der Brennkraftmaschine tatsächlich
zugeführten Gemisches wird in einen Sollwertvergleicher 16 eingegeben, der mit einem
Sollwertspeicher 17 in Verbindung steht. Im Speicher 17 sind die Sollwerte der Luftzahl
λ, entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine als Kennfelder gespeichert.
[0019] Sofern Ist- und Sollwert der Luftzahlen nicht übereinstimmen, liefert der Sollwertvergleicher
16 ein Korrektursignal Δ S
k für eine Regeleinrichtung 18, die das Einspritzventil 3 steuert. Auf diese Weise
ist es möglich, das zunächst gewählte Steuersignal S für das Einspritzventil 3 entsprechend
den tatsächlichen Erfordernissen zu korrigieren und auf den richtigen Wert einzustellen.
[0020] Mit Hilfe der Erfindung ist es somit möglich, die Luftzahl der Brennkraftmaschine,
das heißt das zugeführte Gemisch, variabel zu regeln. Hierfür bedarf es neben dem
ohnehin meist vorhandenen Durchsatzmesser für die Ansaugluft im wesentlichen le- diglich
eines beispielsweise entsprechend arbeitenden Durchsatzmessers für das Abgas.
1. Regeleinrichtung für die Luftzahl von Brennkraftmaschinen, mit einem Ansaugluft-Durchsatzmesser,
einem Abgassensor und einem Regler, der mit den Signalen des Durchsatzmessers und
des Abgassensors den Kraftstoffdurchsatz entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen
variabel regelt, dadurch gekennzeichnet , daß der Abgassensor ein Abgas-Durchsatzmesser
(6) ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitbasen des
Ansaugluft- und des Abgas-durchsatzmessers (5 bzw. 6) etwa gleich der Dauer einer
Kurbelwellenumdrehung sind.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale
des Abgas- und des Ansaugluft-Durchsatzmessers (5 bzw. 6) etwa um die Laufzeit der
Gasmassen zwischen den beiden Durchsatzmessern phasenverschoben werden.