Verfahren zum Steuern und Regeln einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Ein Verfahren zum Steuern und Regeln einer Brennkraftmaschine (1), bei welchem in Abhängigkeit von Betriebsgrößensignalen, wie z.B. der Drehzahl (n), der Gaspedalstellung, der Motortem­peratur etc. in einer Recheneinrichtung ein digitales, binäres Ausgangssignal (b) errechnet, dieses errechnete Binärsignal in ein Ansteuersignal (s) umgewandelt wird, das aus Impulsen konstanter Höhe besteht, wobei die Gesamtdauer des Ansteuer­signals innerhalb einer Taktperiode dem Wert des Binärsignals proportional ist und dieses Ansteuersignal zur Steuerung eines elektromechanischen Stellgliedes herangezogen wird. Hiebei wird das Ansteuersignal innerhalb jeder Taktperiode je nach dem Wert des Binärsignals (b) in Einzelimpulse aufgeteilt, de­ren Gesamtdauer dem Wert des Binärsignales (b) proportional ist und die Einzelimpulse im wesentlichen gleichmäßig inner­halb jeder Taktperiode verteilt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern und Regeln einer Brennkraftmachine nach dem Oberbegriff des An­spruches 1 sowie auf eine elektronische Regel- und Steuer­einrichtung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruches 4.

[0002] Bei der elektronischen Regelung eines Dieselmotors liefert ein Regler ein digitales Ausgangssignal. In Abhängigkeit von diesem Signal soll ein elektromechanischer Antrieb für das Stellglied z.B. der Einspritzpumpe oder von Pumpedüsen ver­stellt werden. Als Digital-Analog-Wandler wird dann mit Vor­teil ein Pulsbreitenmodulator mit nachgeschaltetem Tiefpaß­filter verwendet. Hiebei ist zu berücksichtigen, daß der An­trieb auf Grund seiner elektrischen (Induktivität) und mecha­nischen (Masse) Eigenschaften ein mehr oder weniger ausgepräg­tes Tiefpaßverhalten zeigt, daß bei der Dimensionierung des Tiefpaßfilters eine Rolle spielt. Bei ungenügender Filterung des Ansteuersignales kann es jedenfalls zu einer mechanischen Unruhe des Stellgliedes kommen, nämlich zu einer oszillieren­den Bewegung mit der Taktfrequenz des Ansteuersignals. Der insbesondere bei niedrigeren Taktfrequenzen für das Tiefpaß­filter erforderliche Aufwand ist als Nachteil anzusehen.

[0003] Die Anwendung pulsbreitenmodulierter Signale zur Ansteuerung von Stellgliedern für die Einspritzmenge geht beispielsweise aus der DE-A-33 11 351 hervor, wobei in diesem Fall das Stellglied direkt von dem pulsbreitenmodulierten Signalen angesteuert wird. Aus der DE-A-37 30 443 der Anmelderin geht gleichfalls die Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Sig­nales hervor, doch wird dieses Signal hier als Führungsgröße eines Servokreises für das Stellglied herangezogen. Der Begriff "Ansteuersignal zur Steuerung eines elektromechani­schen Stellgliedes" ist somit in dem Sinne zu verstehen, daß er eine direkte Ansteuerung ebenso umfaßt, wie eine Ansteuerung eines Servokreises für das Stellglied.

[0004] Ein Pulsbreitenmodulator zur Umwandlung eines dualen Digi­talwertes in ein pulsbreitenmoduliertes Signal, der unter Verwendung eines Mikrocomputers realisiert ist, kann z.B. der Firmenschrift "Embedded Controller Handbook", Intel, Or­der Number 21 09 18-005, 1987 entnommen werden. Hierbei wird der Digitalwert einem Register zugeführt, an dessen Ausgang der Wert z.B. 8-stellig (im Dualsystem) vorliegt. Eine Takt­frequenz wird einem Zählereingang zugeführt, dessen hier gleichfalls 8-stelliger Ausgang in einem Komparator mit dem zuvor erwähnten Wert verglichen wird. Der Ausgang des Kompa­rators, der auf Gleichheit überprüft, wird dem Reset-Eingang eines Flip-Flop zugeführt, dessen Set-Eingang des Overflow-­Signal des Zählers erhält. Am Q-Ausgang des Flip-Flop liegt dann ein pulsbreitenmoduliertes Signal vor. Dieses Signal weist innerhalb jedes Taktes einen Impuls auf, dessen Breite bzw. Länge mit zunehmender Größe des genannten Wertes zunimmt. Bei einem Registerwert 0 verschwindet die Breite des Impulses, bei einem Registerwert 255 entspricht die Breite fast der Periodendauer T₀.

[0005] Bei dieser bekannten Lösung beträgt die relative Amplitude der Spannungschwankungen unabhängig von der Anzahl der Bits bei einer Filterzeitkonstanten τ = T₀ und bei einem Tastver­hältnis für die Impulse innerhalb jedes Taktes von 1:1 fast 25 %. Mit kleiner oder größer werdendem Tastverhältnis nimmt die relative Amplitude der Spannungsschwankungen ab, sie be­trägt aber bei einem Tastverhältnis von 1:5 oder 5:1 immer noch etwa 10%. Um die relativen Spannungsschwankungen herab­zusetzen muß man daher größere Filterzeitkonstanten wählen, wodurch sich eine entsprechende Verschlechterung der Dynamik ergibt, die sich äußerst ungünstig auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges auswirkt.

[0006] Es sei hier angemerkt, daß die Begriffe "Dualcode" und "Binärcode" in Einklang mit der deutschsprachigen Literatur (z.B. U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik", Springer-Verlag, Berlin 1983) verwendet werden.

[0007] Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, an Stelle der bisher üblichen Pulsbreitenmodulation eine Umwandlung des Ausgangssignales der Recheneinrichtung in ein Ansteuersignal für ein elektromechanisches Stellglied zu schaffen, die bei gleichem Aufwand, insbesondere auch hinsichtlich der Filterung, wesentlich geringere relative Spannungsschwankungen des Ana­logsignales aufweist. Dieses Ziel läßt sich mit einem Ver­fahren gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 bzw. mit einer Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 3 erreichen.

[0008] Die Erfindung bietet den Vorteil, daß bei gleichem Schal­tungsaufwand wie nach dem Stand der Technik, eine signifi­kante Herabsetzung der Welligkeit des Ausgangssignals erhal­ten wird. Bei gleichen Ansprüchen an die Restwelligkeit kann der Aufwand für ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter erheblich geringer gehalten werden, als nach dem Stand der Technik. Der Begriff "nachgeschaltetes Tiefpaßfilter" umfaßt hier auch einen Verbraucher mit Tiefpaßcharakter, was weiter oben bereits erläutert wurde.

[0009] Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0010] Die Erfindung samt anderer Vorteile ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung in einem Blockschaltbild, Fig. 2 ein anderes Ausführungsbei­spiel einer Vorrichtung nach der Erfindung und Fig. 3a und b in Zeitdiagrammen innerhalb eines Taktes die Form des Aus­gangssignales in Abhängigkeit des Vorgabesignales bei einer Vorrichtung nach dem Stand der Tecknik (Fig. 3a) bzw. bei einer Vorrichtung nach der Erfindung (Fig. 3b).

[0011] Fig. 1 zeigt schematisch einen Dieselmotor 1 mit einer Ein­spritzpumpe 2, deren die zugeführte Kraftstoffmenge bestim­mende Regelstange 3 mit Hilfe eines elektromechanischen An­triebes 4 verstellbar ist. Eine Recheneinrichtung 5 berech­net aus Betriebsgrößensignalen des Motors 1 bzw. auch des Fahrzeuges ein Ausgangssignal b, das die Grundlage für die Verstellung der Regelstange 3 darstellt.

[0012] Wesentliche Betriebsgrößen als Eingangsgrößen der Rechenein­richtung 5 sind die Fahrpedalstellung, die über einen Geber 7 ein entsprechendes Signal f erzeugt und die Drehzahl des Motors 1, wobei ein Drehzahlsignal n von einem Drehzahlgeber 8 an die Recheneinrichtung 5 geliefert wird. In Fig. 1 sind noch weitere Geber 9 schematisch angedeutet, die zusätzliche Betriebsgrößensignale, z.B. hinsichtlich Motortemperatur, Luftdruck, Kraftstofftemperatur etc. liefern können.

[0013] Das Ausgangssignal b der Recheneinrichtung 5 sowie allfällige weitere Ausgangssignale b′, b˝ liegt in digitaler, dual co­dierter Form vor und wird einem Register 10 zugeführt, von wo es 8-stellig als Wort B zu den Eingängen B₀ bis B₇ eines 8-Bit Komparators 11 gelangt. Ein solcher Komparator kann beispielsweise mit Logikbausteinen MM54C85, 4-Bit Magnitude Comparator von National Semiconducter realisiert werden. Die Firmenschrift "Logic Databook, Volume 1, National Semiconductor Corporation", 1984 zeigt den logischen Aufbau derartiger Bausteine und beschreibt ihr Zusammenschalten zu Wortlängen, die größer als 4 bit sind.

[0014] Zurückkommend auf Fig. 1 ist zu sagen, daß das Ausgangssignal b bzw. das Wort B stellenwertrichtig dem Komparator 11 zuge­führt ist, d.h. der Ausgang mit dem niedrigsten Stellenwert (LSB= least significant bit) des Registers ist mit dem Eingang B₀ des Komparators 11 verbunden.

[0015] Es ist weiters ein Dualzähler 12 vorgesehen, dem ein Zähl­takt f₁ der Periodendauer T₁ zugeführt wird. Dieser Zähltakt stammt zweckmäßigerweise aus einem von der Recheneinrichtung 5 benötigten, nicht näher gezeigten Taktgeber. Ein 8-stelliger Ausgang des Zählers 12 ist mit dem zweiten Ein­gang des Komparators 11 verbunden, doch ist hier der Zähler­ausgang mit dem Komparatoreingang so zusammengeschaltet, daß der Ausgang MSB (most significant bit) des Zählers 12 dem Eingang A₀ des Komparators 11 mit niedrigstem Stellenwert (LSB) entspricht, d.h. die Reihenfolge der Stellen wird beim Be­schalten umgekehrt, oder, mit anderen Worten, das Zählersig­nal a wird dem Komparator 11 in gestülpter Form zugeführt.

[0016] Am Ausgang des Komparators 11, der überprüft, ob das Wort A an den Eingängen A₀ bis A₇ kleiner ist, als das Wort B an den Eingängen B₀ bis B₇ tritt ein Ansteuersignal der Periode T₀ auf, das innerhalb jeder Periode aus Einzelimpulsen be­steht, deren Gesamtlänge innerhalb jeder Periode T₀ dem Wert des Ausgangssignales b der Recheneinrichtung 5 proportional ist. Für einen 4-Bit-Komparator ist dies in Fig. 3b veran­schaulicht, wobei in Fig. 3a die bisher übliche Pulsbreiten­modulation gegenübergestellt ist. Der Vorgabewert B ist links mit den Zahlen 0 bis 15 bezeichnet.

[0017] Periodendauer T₀ mit Zählertakt T₁ stehen über die Wortlänge n des Komparators über T₀ = T₁.2ⁿ miteinander in Beziehung. In Fig. 1 ist die Wortlänge mit 8 bit dargestellt, in Fig. 3 mit 4 bit. In der Praxis wird man allerdings Wortlängen von 8 bis 16 bit oder darüber verwenden.

[0018] Dem Ausgang des Komparators 11 kann ein D-Flip-Flop 13 nach­geschaltet sein, das von dem Zählertakt f₁ taktflankenge­steuert ist und das Ansteuersignal von Schaltspikes befreit, die in dem Komparator 11 entstehen. Ein Inverter ist hiebei dem Takteingang des Flip-Flops 13 vorgeschaltet. Die Beseitigung von Schaltspikes ist vor allem bei höheren Takt­frequenzen geboten, wenn Laufzeiten im Komparator zu Spikes von deutlich merkbarer Länge führen, die eine Verfälschung des Vorgabesignales hervorrufen könnten.

[0019] Das Ansteuersignal s wird über ein einfaches Tiefpaßfilter 14 und eine Endstufe 15 dem elektromechanischen Antrieb 4 zugeführt.

[0020] Fig. 2 zeigt ein Realisierungsbeispiel eines 4-bit Komparators unter Verwendung üblicher Gatterbausteine und Fig. 3b, wie be­reits erwähnt, das zugehörige Ansteuersignal für die sechzehn möglichen Vorgabewerte. Aus Fig. 3b geht für den Fachmann be­reits aus dem Augenschein die signifikante Verbesserung der Welligkeit einer nach Filterung erhaltenen Spannung hervor. Selbstverständlich zeigt sich diese Verbesserung auch rechne­risch und experimentell und wird nachstehend an Hand eines Vergleiches für den jeweils ungünstigsten Fall des Tastver­hältnisses (z.B. Zahl 8 in Fig. 3a) angegeben.

[0021] Bei einem Pulsbreitemodulator nach dem Stand der Technik be­tragen dann die relativen Spannungsschwankungen bei einer Fil­terzeitkonstanten τ = T₀ etwa 25 %, und zwar unabhängig von der Anzahl der verwendeten Bits.

[0022] Bei der Erfindung liegen diese Spannungsschwankungen bei glei ­cher Filterzeitkonstante für
4 Bit unter 12 %
10 Bit unter 0,2 %
16 Bit unter 40.10⁻⁶

[0023] Daraus ist ersichtlich, daß sich der Aufwand für die Filte­rung bei Anwendung der Erfindung drastisch reduziert. In Hin­blick auf die bereits erwähnte, elektromechanischen Stellglie­dern inhärente Tiefpaßeigenschaft kann in vielen Fällen ein Tiefpaßfilter gänzlich entfallen.

[0024] Stellglieder, die ausgehend von dem Ausgangssignal b der Recheneinrichtung 5 angesteuert werden sollen sind insbesondere die Regelstange einer Einspritzpumpe, wie in Fig. 1 gezeigt. Es kann sich aber ebenso um Stellglieder zum Verstellen des Einspritzzeitpunktes, der Luftmenge, eines Abgasrückführventils, einer Drosselklappe und dgl. mehr handeln, was durch Signale b′, b˝ in Fig. 1 angedeutet ist.

[0025] Ein mit der Erfindung verbundener besonderer Vorteil ist in der raschen und fehlerfreien Reaktion auf eine Änderung des Vorgabewertes zu sehen, die nicht nur durch die günstigere Filterdimensionierung gegeben ist. Ändert man nämlich inner­ halb der Periodendauer T₀ den Vorgabewert B auf einen insbe­sondere kleineren Wert, so zeigt sich bei erfindungsgemäßem Aufbau in fast allen Fällen noch vor Beendigung derselben Pe­riode eine Reaktion in die gewünschte Richtung. Bei Ausführun­gen nach dem Stand der Technik treten im ungünstigsten Fall bei Änderungen des Vorgabewertes während des Ablaufes der Pe­riode entweder sogenannte Ausreißer (einmalige Ausgabe von 100 %) auf, oder es tritt erst beim Durchlaufen der nächsten Periode T₀ die gewünschte Änderung ein. Ein solches Fehlver­halten kann für den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges fatale Folgen haben.

[0026] Wenn in der vorliegenden Anmeldung davon die Rede ist, daß die Gesamtdauer des Ansteuersignales s dem Wert des dualen bzw. binären Ausgangssignals b im wesentlichen proportional ist, so soll dies nicht bedeuten, daß ein Gleichanteil (offset) ausge­schlossen ist.

Ansprüche

1. Verfahren zum Steuern und Regeln einer Brennkraftmaschine, bei welchem in Abhängigkeit von Betriebsgrößensignalen, wie z.B. der Drehzahl, der Gaspedalstellung, der Motortemperatur etc. in einer Recheneinrichtung ein digitales, binäres Aus­gangssignal errechnet und dieses errechnete Binärsignal in ein Ansteuersignal umgewandelt wird, das aus Impulsen kon­stanter Höhe besteht, wobei die Gesamtdauer des Ansteuersig­nals innerhalb einer Taktperiode dem Wert des Binärsignals proportional ist und dieses Ansteuersignal zur Steuerung ei­nes elektromechanischen Stellgliedes herangezogen wird, da­durch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal innerhalb jeder Taktperiode je nach dem Wert des Binärsignals (b) in Einzel­impulse aufgeteilt wird, wobei die Summe aus den Einzelim­pulsdauern innerhalb der Taktperiode dem Wert des Binärsig­nales (b) proportional ist und die Einzelimpulse im wesent­lichen gleichmäßig innerhalb jeder Taktperiode verteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das errechnete Binärsignal (b) als n-stelliges Vorgabedual­signal dargestellt wird, die Taktimpulse zur Erzeugung der Einzelimpulsdauern dual gezählt werden, um als n-stelliges Zählerdualsignal (a) vorzuliegen, welches mit dem Vorgabe­dualsignal mit einem Vergleicher verglichen wird, wobei zum Vergleich das Zählerdualsignal (a) seinen Binärstellen ent­sprechend in umgekehrter Reihenfolge an den Vergleicher an­gelegt wird und vergleichen wird, ob der Zahlenwert entspre­chend der umgekehrten Reihenfolge der Binärstellen des Zählerdualsignals kleiner ist, als der Zahlenwert des Vorgabedualsignales.

3. Elektronische Regel- und Steuereinrichtung für Brenn­kraftmaschinen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2, mit einer Rechenschaltung (5), der das Drehzahlsignal (n) eines Drehzahlsensors (8) sowie weitere, mit Hilfe von Meßwertgebern ermittelte Betriebsgrößensignale, zugeführt werden, wobei die Rechenschaltung (5) zur Abgabe eines aus den Betriebsgrößen errechneten n-stelligen Vorga­bedualsignals (b) eingerichtet ist, mit einem n-stelligen Dualzähler, dem zur Bildung eines n-stelligen Zählerdualsig­nales (a) ein Taktsignal (f1) zugeführt ist und mit einem n-Bit Komparator (11) der zum Vergleich des Zählerdualsigna­les (a) mit dem n-stelligen Vorgabedualsignal (b) eingerich­tet ist und dessen Ausgangssignal (s) zur Ansteuerung eines elektromechanischen Stellgliedes (4) herangezogen ist, da­durch gekennzeichnet, daß das Zählerdualsignal (a) und das Vorgabedualsignal (b) dem Komparator (11) so zugeführt sind, daß das Zählerdualsignal (a) in bezug auf den Komparatorein­gang (b) entsprechend seinen Binärstellen in umgekehrter Reihenfolge verwendet wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (11) zur Abgabe eines Ausgangssignales einge­richtet ist, falls der jeweilige Wert des Vorgabedualsigna­les (b) größer ist, als der entsprechende Wert des Zähler­dualsignales (a), das entsprechend seinen Binärstellen in umgekehrter Reihenfolge verwendet wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­net, daß dem Komparator (11) ein taktflankengesteuertes D-Flip-Flop (13) nachgeschaltet ist.

Zeichnung