DE3925179C2 - Ansaugluftsteuersystem zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Leerlaufdrehzahlregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansaugluftsteuersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-PS 27 49 369, F 02 M 23/04, in der Weise bekannt, daß oberhalb eines wählbaren Drosselklappenöffnungswinkels und/oder im Schubbetrieb der
Ausgang der Regelung auf bestimmte Pegel steuerbar ist. Mit anderen Worten: Während in einem leerlaufnahen Drehzahlbereich eine Drehzahlregelung mit Vergleich von Soll- und Istwert der jeweiligen Drehzahl zur für die jeweiligen Betriebsparameter der Ma­ schine optimalen Füllung erfolgt, sieht der Stand der Technik bei höheren Drehzahlen keine Regelung, sondern eine feste Ansteuerung des Stellglieds der Regeleinrichtung vor.

Betrachtet man den Drehzahlbereich außerhalb des leerlaufnahen Bereichs, das heißt denjenigen Bereich, der auch als leerlaufferner Bereich charakterisiert werden kann, so können sich beim Stand der Technik bei geschlossener Drosselklappe und höheren Dreh­ zahlen hohe Unterdrücke im Saugrohr ergeben, die - abgesehen von der Gefahr der Schmutzansaugung - infolge schlechter Füllung zu unvollständiger Verbrennung in der Maschine und damit verbunden zu einer hohen Konzentration unerwünschter Abgasbe­ standteile führen können. Derartig hohe Unterdruckwerte stellen sich beim Übergang zwischen Leerlauf- und Lastbetrieb ein. Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Stan­ des der Technik ist darin zu sehen, daß Toleranzen der Kennlinie des Stellglieds, das üblicherweise als Drosselklappe ausgebildet ist, außerhalb des geregelten leerlaufnahen Drehzahlbereichs unmittelbaren Einfluß auf das Verhalten der Brennkraftmaschine haben. Demgemäß müssen in der Fertigung enge Toleranzgrenzen eingehalten werden.

Aus der DE 28 14 174 A ist ein Zusatzluft-Steuersystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem im Luftansaugrohr der Brennkraftmaschine ein Unterdrucksensor angeordnet ist, über den ein Bypass, der parallel zu der Drosselklappe angeordnet ist, angesteuert wird. Mit diesem Nebenweg-Drosselklappensystem wird die Luftströmung im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine unter verschiedenen Motor- bzw. Maschinen­ bedingungen bereitgestellt, wobei bei höheren Drehzahlen eine Luftmengenregelung der­ art stattfindet, daß bei geschlossener Drosselklappe und hoher Motordrehzahl der Einlaß­ rohrdruck derart angehoben wird, daß unvollständige Verbrennungen des Luft-Kraftstoff- Gemisches in den Zylindern vermieden werden. Gleichzeitig werden über den Bypass auch Vorsteuerwerte beim Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt. Hierzu wird die Luftströmung im Ansaugkanal mittels eines Luftströmungsfühlers erfaßt und die Luftströmung im Ansaugkanal auf eine gewünschte Luftströmungsrate unter normalen Leerlaufbedingungen geregelt. Um Leerlaufschwankungen, die durch die Motortempera­ tur oder das Einschalten von motorbetriebenen Zusatzeinrichtungen (beispielsweise der Klimaanlage) bedingt sind, entgegenzuwirken, werden hierfür Vorsteuerwerte bereit­ gestellt, d. h. bei niedriger Motortemperatur bzw. beim Einschalten einer Zusatzeinrich­ tung wird die Luftströmungsrate in dem Ansaugkanal um einen festgelegten Betrag angehoben. Ein solches Zusatzluft-Steuersystem für eine Brennkraftmaschine stellt gegenüber der eingangs erwähnten Anordnung einen anders gestalteten Kompromiß dar, bei dem im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine bessere Abgaswerte erreicht werden, im Leerlauf hingegen müssen Komforteinbußen hingenommen werden, d. h. die Leer­ laufdrehzahl ist bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen schwankend.

Aus der DE 37 39 805 A1 ist eine Drehzahlregelvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die ein sehr schnelles und genaues Regelverhalten im Leerlauf der Brennkraft­ maschine hat. Das rasche Einstellverhalten wird erreicht durch die Serienschaltung von zwei Regel kreisen, wobei der eine Regelkreis die Luftansaugrate entsprechend einer Vorgabe verhältnismäßig schnell einstellt und der andere Regelkreis die Vorgabe ent­ sprechend der Soll-Drehzahl der Brennkraftmaschine (langsam) anpaßt. Diese Serien­ schaltung von zwei Regel kreisen ermöglicht es, anormale Drehzahlschwankungen zu erkennen und bei der Ansteuerung des Regelventils zu berücksichtigen. Das Problem der unvollständigen Verbrennung im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine wird bei dieser Regeleinrichtung nicht gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein komfortabler und niedertouriger Leerlaufbetrieb bei gleichzeitiger Vermeidung einer unvollständigen Verbrennung im Schubbetrieb verwirklicht ist. Die Vorrichtung soll dabei ohne Mehraufwand gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen verwirklich­ bar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkma­ len des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Un­ teransprüche.

Schlagwortartig kann man die Erfindung als ablösende Regelung bezeichnen, da beim Übergang von leerlaufnahem Betrieb in Lastbetrieb die Drehzahlregelung durch eine Luftdurchsatzregelung abgelöst wird; in umgekehrter Richtung, das heißt beim Über­ gang von Lastbetrieb zum Leerlaufbetrieb, erfolgt sinngemäß ein Übergang von Luft­ durchsatzregelung zu Drehzahlregelung. Besonders zweckmäßig ist verständlicherweise die Ausbildung, in der im gesamten Drehzahlbe­ reich der Brennkraftmaschine eine Regelung vorliegt. An dieser Stelle sei darauf hin­ gewiesen, daß unter dem Luftdurchsatz, der mittels des Stellglieds im Bypass geregelt wird, der Luftdurchsatz der gesamten Saugrohranordnung, das heißt über Leistungsstell­ glied und Stellglied des Regelkreises, verstanden ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie mit üblichen und er­ probten elektronischen Bausteinen auskommt. Zur Ermittlung sowohl des Drehzahlsoll­ werts während der Drehzahlregelung als auch des Sollwerts für den Luftdurchsatz wäh­ rend der Luftdurchsatzregelung können übliche Kennfeldspeicher Einsatz finden, in de­ nen verschiedene Sollwerte in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Maschine, ins­ besondere ihrer jeweiligen Drehzahl, ihrer Belastung durch Zusatzaggregate und ihrer Kühlwassertemperatur (oder einer anderen Temperatur der Maschine) gespeichert sind. Entsprechend kann auch derjenige Drehzahlwert, bei dem der Übergang zwischen Dreh­ zahlregelung und Luftdurchsatzregelung erfolgen soll, das heißt die Umschaltdrehzahl, in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Maschine - gegebenenfalls mit Hysterese - in Kennfeldspeichern abgelegt sein, so daß die Erfindung eine sehr feinfühlige Rege­ lung im gesamten Drehzahlbereich der Maschine vorzunehmen gestattet, wie dies bei­ spielsweise bei Brennkraftmaschinen wichtig ist, die als Antriebsmaschinen von Kraft­ fahrzeugen dienen.

Wie Anspruch 2 besagt, ist jedoch auch eine Auslegung der Erfindung möglich, bei der eine einseitige Luftdurchsatzregelung erfolgt, das heißt, daß das Stell­ glied der Regelung nur dann weiter öffnet, wenn ein vorgegebener Mindestwert des Luftdurchsatzes unterschritten ist. Bei Überschreiten dieses Mindestwerts erfolgt da­ gegen keine Veränderung der Stellung des Stellglieds.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert, deren Fig. 1 gleichsam das Blockschaltbild einer Anordnung wiedergibt, während Fig. 2 den Ablaufplan zeigt.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist bei 1 die Brennkraftmaschine üblichen und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus angedeutet. Ihr ist das Saugrohr 2 zugeordnet, das zur Zufuhr über das Luftfilter 3 gereinigter Verbrennungsluft zu den in diesem Beispiel vier Zylindern der Maschine dient. Im Saugrohr erkennt man bei 4 die das Lei­ stungsstellglied bildende Drosselklappe, die mittels des Gaspedals 5 vom Fahrer des mit der Maschine ausgerüsteten Fahrzeugs betätigt wird.

In dem die Drosselklappe 4 umgehenden Bypass 6 ist das ebenfalls als Drosselklappe ausgeführte Stellglied 7 der noch zu beschreibenden Regeleinrichtung angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist ihm eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 8 zu geordnet.

In Strömungsrichtung der Verbrennungsluft hinter dem Bypass 6 ist im Saugrohr 2 der hier als Druckfühler ausgeführte Luftdurchsatzmesser 9 angeordnet, der ein Signal für den jeweiligen Istwert des Luftdurchsatzes an die eigentliche Regeleinrichtung liefert. Ein weiterer Istwertgeber, nämlich der Drehzahlsensor 10, erfaßt die jeweilige Dreh­ zahl der Ausgangswelle 11 der Brennkraftmaschine 1. Derartige Sensoren sind bekannt und brauchen daher im einzelnen nicht beschrieben zu werden. Anstelle eines Unter­ drucksensors kann als Luftdurchsatzmesser auch ein Klappenluftmengenmesser in Strö­ mungsrichtung vor dem Bypass Einsatz finden.

Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 8 des Stellglieds 7 erhält in Abhängig­ keit von der jeweiligen Drehzahl der Maschine 1 Stellsignale entweder von dem Dreh­ zahlregler 12 oder von dem Luftdurchsatzregler 13. Beide Regler 12 und 13 sind in üb­ licher Weise als Komparatoren ausgebildet, die den jeweiligen Istwert von Drehzahl bzw. Luftdurchsatz vergleichen mit einem Sollwert, der in Abhängigkeit von Betriebs­ parametern der Maschine, hier der Drehzahl n und einer Maschinentemperatur T, aus einem Kennfeldspeicher 14 für die Drehzahl bzw. einem Kennfeldspeicher 15 für den Luftdurchsatz entnommen wird. Wie aus Fig. 1 unmittelbar zu entnehmen, werden den Reglern 12 und 13 auch Sensorsignale für den jeweiligen Istwert der durch sie zu re­ gelnden Größe, also Drehzahl bzw. Luftdurchsatz, zugeführt.

Die Auswahl der jeweiligen Regelung, also zwischen Drehzahl- und Luftdurchsatzrege­ lung, trifft der Drehzahlschwellwertschalter 16, der bei Vorliegen einer leerlaufnahen Drehzahl nur den Drehzahlregler 12, dagegen beim Vorliegen einer außerhalb des leer­ laufnahen Drehzahlbereichs liegenden Drehzahl nur den Luftdurchsatzregler 13 aktiviert. Auch dieser Umschaltwert der Drehzahl ist in dem figürlich dargestellten Ausführungs­ beispiel der Erfindung abhängig von den jeweiligen Betriebsparametern n und T, so daß der Drehzahlschwellwertschalter 16 eingangsseitig mit dem Kennfeldspeicher 17 für die Umschaltdrehzahl in Verbindung steht.

Fig. 2 zeigt den Regelablauf:

Im Schritt 20 erfolgt zunächst die Berechnung der Umschaltdrehzahl aus den Betriebsparametern der Maschine. Im Schritt 21 wird ermittelt, ob der Istwert der Drehzahl kleiner oder größer als die ermittelte Umschaltdrehzahl ist. Ist die Dreh­ zahl kleiner als die Umschaltdrehzahl, liegt also leerlaufnaher Betrieb der Maschine vor (stets einschließlich Betrieb mit Leerlaufdrehzahl), erfolgt unter Berücksichtigung der Betriebsparameter der Maschine im Schritt 22 die Ermittlung des jeweiligen Drehzahl­ sollwerts. Lautet das Ergebnis des Schritts 23, in dem die jeweilige Drossel­ klappenstellung ermittelt wird, daß diese geschlossen ist, so erfolgt im Schritt 24 die Drehzahlregelung, das heißt an die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 8 des Stellglieds 7 werden Drehzahlregelungssignale gegeben.

Ist dagegen die Drosselklappe nicht geschlossen, wird im Schritt 25 ermittelt, ob der Istwert der Drehzahl wesentlich kleiner ist als der Sollwert. Nur dann, wenn dies der Fall ist, erfolgt ebenfalls die Drehzahlregelung gemäß Schritt 24, andernfalls wird die Stellung des Stellglieds 7 beibehalten.

Bisher war der Fall einer leerlaufnahen Drehzahl betrachtet. Ist der Istwert der Dreh­ zahl größer als die Umschaltdrehzahl, was im Schritt 21 ermittelt wird, er­ folgt die Einschaltung der Luftdurchsatzregelung. Im Schritt 26 wird demge­ mäß der Sollwert des Luftdurchsatzes unter Berücksichtung der jeweiligen Betriebspa­ rameter der Maschine ermittelt, und im Schritt 27 wird der Luftdurchsatz mittels des schon bei der Drehzahlregelung verwendeten Stellglieds 7 auf seinen jewei­ ligen Sollwert geregelt.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Vorrichtung geschaffen, die unter Wahrung der Vorteile der Drehzahlregelung bei Betrieb der Brennkraftmaschine im leerlaufnahen Drehzahlbereich mit einfachen Maßnahmen eine wesentliche Verbesse­ rung des Übergangsverhaltens der Maschine sicherstellt.

Claims (5)

1. Ansaugluftsteuersystem einer Brennkraftmaschine, das ein Saugrohr mit einem will­ kürlich betätigbaren Leistungsstellglied und einen dieses umgehenden Bypass mit einem einen Bestandteil einer Regeleinrichtung bildenden Stellglied enthält, wobei durch Beeinflussung des Luftdurchsatzes mittels des Stellglieds nur in einem leer­ laufnahen Drehzahlbereich eine Drehzahlregelung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des leerlaufnahen Drehzahlbereiches bei Überschreitung einer vor­ gegebenen Umschaltdrehzahl auf einen Luftdurchsatzregler (13) umgeschaltet wird, der unter Soll-Istwert-Vergleich des Luftdurchsatzes mittels des Stellgliedes (7) im Bypass (6) den Luftdurchsatz regelt, wobei der Sollwert des Luftdurchsatzes von Betriebsparametern der Maschine (1) bestimmt wird.

2. Ansaugluftsteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein­ seitige Luftdurchsatzregelung in dem Sinne erfolgt, daß nur bei Unterschreiten des jeweiligen Sollwertes des Luftdurchsatzes die Regelung erfolgt.

3. Ansaugluftsteuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf von der Drehzahl (n) und/oder einer Temperatur (T) der Brennkraftmaschine (1) abhängige Sollwerte des Luftdurchsatzes zurückgegriffen wird.

4. Ansaugluftsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von Drehzahlregelung auf Luftdurchsatzregelung bei Erreichen einer Umschaltdrehzahl übergegangen wird, die von Betriebsparametern (n, T) der Maschine (1) abhängig ist.

5. Ansaugluftsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdurchsatz mittels eines Unterdrucksensors oder eines Klappenluftmengenmessers bestimmt wird.