DE102008000521B4

DE102008000521B4 - System und Verfahren zum Vorverarbeiten eines Ionisationssignals zu einem Ionisationssignal mit gesteigerter Klopfinformation

Info

Publication number: DE102008000521B4
Application number: DE102008000521.5A
Authority: DE
Inventors: Guoming G. Zhu; Ross Pursifull
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2028-03-06
Also published as: US20070186902A1; US7472687B2; DE102008000521A1

Abstract

Es wird ein System und ein Verfahren zum Vorverarbeiten eines Ionisationssignals offenbart, um eine Klopfinformation zu verstärken und die verstärkte Klopfinformation mit dem Ionisationssignal zu kombinieren, um ein klopfgesteigertes Ionisationssignal zu erzeugen. In einer Ausführungsform erkennt ein direkt integrierter Ionisationserkennungsschaltkreis das Ionisationssignal, verarbeitet das Ionisationssignal, um ein klopfverstärktes Ionisationssignal zu erzeugen, und kombiniert dann in einem Addierabschnitt das Originalionisationssignal mit dem klopfverstärkten Ionisationssignal, um ein klopfgesteigertes Ionisationssignal zu erzeugen und auszugeben. Der Schritt des Verarbeitens des Ionisationssignals zum Erzeugen eines klopfverstärkten Ionisationssignals kann einen der Schritte oder eine Kombination der Schritte des Verstärkens, Bandpassfilterns, A/C-Koppelns und Versetzens des Zylinderionisationssignals umfassen.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine teilweise Weiterführung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 11/046,383, bei der es sich um eine teilweise Weiterführung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 10/458,704, eingereicht am 11. Juni 2003 (jetzt US-Patentschrift 7,134,423 ) handelt, die Priorität über die provisorischen US-Patentanmeldungen mit den Serien-Nrn. 60/423,163, eingereicht am 1. November 2002, und 60/467,660, eingereicht am 2. Mai 2003, beanspruchte, wobei die gesamte Offenbarung dieser Anmeldungen als Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung betrachtet wird und durch Bezug hierin aufgenommen ist.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Zünddiagnosesysteme von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft sie das Gebiet der Zünddiagnose- und Steuersysteme und die Möglichkeit, das Ionisationssignal derart vorzukonditionieren, dass die Klopfkomponente des Ionisationssignals leichter verarbeitet und analysiert werden kann.
2. Stand der Technik
Der Stand der Technik umfasst verschiedene herkömmliche Verfahren zum Erkennen und Verwenden von Ionisationsstrom in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors. Eine der allgemein bekannteren Verwendungen des Ionisationssignals ist das Erkennen des Motorklopfens und daher das Steuern des Zündsystems derart, dass dieses vermieden wird.
Auf dem Fachgebiet ist es allgemein bekannt, das Vorhandensein und die Intensität des Klopfens aus dem Zylinderionisationssignal zu bestimmen, wie z. B. in der US-Patentschrift Nr. 6,945,229 (die „229er Patentschrift”) beschrieben, dessen gesamte Offenbarung durch Bezug hierin aufgenommen ist. Üblicherweise und wie in der 229er Patentschrift beschrieben stellt der Ionisationserkennungsschaltkreis ein einzelnes Ionisationsausgabesignal bereit, das von einem Zylinder zum Antriebssteuermodul (Powertrain Control Module, PCM) gesendet wird. Das PCM verarbeitet das Ionisationssignal, z. B. durch Konditionieren, Bandpassfiltern und Verstärken des Signals, und leitet daraus Klopfinformationen ab. Es ist üblich, dass ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) diese Klopfinformationen berechnet, obwohl auch andere Systeme und Verfahren verwendet werden können (zum Beispiel kann ein Mikroprozessor mit geeigneter Software den ASIC ersetzen).
Das übliche Verfahren zur Bestimmung des Motorklopfens aus dem Ionisationssignal besteht darin, die Klopffrequenzen vom Ionisationssignal zu trennen, diese Frequenzen zu verstärken und das verstärkte, klopfgesteigerte Ionisationssignal an einen ASIC oder einen Mikrocontroller mit Analog-digital-Wandler zu übergeben. Bei dieser gegenwärtigen Konstruktion besteht eine Anzahl von Beschränkungen, u. a. die zusätzlichen Kosten eines weiteren Schaltkreises oder einer weiteren Funktionalität im PCM zum Verarbeiten des Ionisationssignals, bevor es an den ASIC oder den Mikrocontroller mit Analog-digital-Wandler übergeben wird, sowie die zusätzlichen Kanäle, die benötigt werden, um die Eingabe des verstärkten, klopfgesteigerten Ionisationssignals getrennt vom und zusätzlich zum Ionisationssignal aufzunehmen. Wünschenswert sind ein System und ein Verfahren, die das Vorkonditionieren und Verstärken des Klopfabschnittes des Ionisationssignals innerhalb des Ionisationserkennungsschaltkreises ermöglichen, so dass beim PCM die zusätzliche Komplexität und die zusätzlichen Kosten erspart bleiben.
Aus der DE 103 17 377 A1 ist eine Klopferfassungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, welche Klopfen von Rauschen genau unterscheidet, selbst wenn Rauschen mit einer Frequenzkomponente, die identisch einer Klopffrequenzkomponente ist, einem Ionenstromsignal überlagert ist. Die Vorrichtung umfasst eine Ionenstromerfassungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung an Elektroden, die in einer Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sind, und zum Erfassen eines Ionenstromes, welcher zwischen den Elektroden über Ionen fließt, die der Verbrennung in der Verbrennungskammer folgend erzeugt werden; eine Klopferfassungsvorrichtung zum Erfassen von Klopfen, welches einem ungewöhnlichen Ansteigen von Druck oder Temperatur in der Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine folgend auftritt; eine Schwerpunktberechnungsvorrichtung zum Berechnen einer Schwerpunktposition einer mittels der Ionenstromerfassungsvorrichtung erfassten Ionenstromwellenform und eine Klopfermittlungsvorrichtung zum Ermitteln von Klopfen oder Rauschen in Übereinstimmung mit Ausgaben der Klopferfassungsvorrichtung und der Schwerpunktberechnungsvorrichtung.
Die US 5 803 047 A betrifft eine Methode und ein System für die optimale Steuerung einer Verbrennungsmaschine, wobei durch die Verbrennungssteuerung das Klopfen reduziert werden soll. Das bereitgestellte Verfahren umfasst das Detektieren des Grades der Ionisation in einer Verbrennungskammer, das Generieren eines Ionisationssignals in Abstimmung mit dem Grad der Ionisation, Erfassen, ob ein Klopfzustand bei der Verbrennung auftritt, und das Integrieren des Ionisationssignals entsprechend dem Grad der Ionisierung. Währenddessen wird ein Messfenster offen gehalten. Nachfolgend erfolgt ein Variieren eines Steuerparameters des Motors in einer solchen Weise, dass der integrierte Wert des Ionisationssignals maximiert wird, ohne dass ein Klopfen auftritt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des oben Dargestellten betreffen die beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung allgemein eines oder mehrere verbesserte Systeme, Verfahren und/oder Vorrichtungen zum Erkennen und/oder Verwenden eines Ionisationsstroms in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors, um die Leistung des Zündsystems und die Verbrennungsqualität zu optimieren.
In einer Ausführungsform ist ein Zündsystem offenbart, das ein Ionisationssignal zum Überwachen des Motorklopfens verwendet. Das Zündsystem umfasst einen Ionisationserkennungsschaltkreis, der für das Ausgeben eines klopfgesteigerten Ionisationssignals konfiguriert ist. Der Ionisationserkennungsschaltkreis weist einen Ionisationserkennungsabschnitt auf, der für das Erkennen eines Zylinderionisationssignals konfiguriert ist, einen Klopfverarbeitungsabschnitt, der für das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals konfiguriert ist, um ein klopfverstärktes Ionisationssignal auszugeben, und einen Addierabschnitt, der mit dem Ionisationserkennungsabschnitt und dem Klopfverarbeitungsabschnitt verbunden und dafür konfiguriert ist, das klopfverstärkte Ionisationssignal und das Zylinderionisationssignal zu empfangen, sowie das klopfverstärkte Ionisationssignal auf das Zylinderionisationssignal aufzusetzen und ein daraus gebildetes klopfgesteigertes Zylinderionisationssignal auszugeben.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Verarbeiten eines Ionisationssignals offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte des Erkennens eines Zylinderionisationssignals, des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals zum Erzeugen eines klopfverstärkten Ionisationssignals, des Empfangens des klopfverstärkten Ionisationssignals und des Zylinderionisationssignals in einem Addierabschnitt, des Aufsetzens des klopfverstärkten Ionisationssignals auf das Zylinderionisationssignal im Addierabschnitt, um ein klopfgesteigertes Ionisationssignal zu erzeugen, und des Ausgebens des klopfgesteigerten Ionisationssignals.
Der weitere Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der folgenden ausführlichen Beschreibung sowie aus den Ansprüchen und Zeichnungen ersichtlich. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung aufzeigen, aber nur zum Zweck der Veranschaulichung dargelegt sind, da sich dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen erschließen, die im Geist und Schutzumfang der Erfindung liegen.
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger aus der hierin im Weiteren dargelegten ausführlichen Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
1 ein Ionisationsrückkopplungs- und Steuersystem,
2 ein Diagramm eines Ionisationssignals,
3 ein Diagramm, das die Sekundärsignale und die Ionisationssignale vergleicht,
4 ein Diagramm eines Ionisationssignals, wenn die Zündkerzen verrußt sind und die Isolierung überhitzt ist,
5 die Auswirkung einer Vorentflammung auf das Ionisationssignal,
6 ein Ablaufdiagramm der Diagnoseschritte, die in der vorliegenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Überwachen der Zündeffizienz vorgenommen werden,
7 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die in der vorliegenden Ausführungsform vorgenommen werden, um die Zündung unter Verwendung des Ionisationssignals zu analysieren,
8 einen elektrischen Schaltplan eines Schaltkreises zur Messung des Ionisationsstroms in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors,
9a ein Diagramm eines Steuersignals V_EIN vom PCM zum IGBT im Verhältnis zur Zeit,
9b ein Diagramm des Stromflusses I_PW durch die Primärseite der Zündspule im Verhältnis zur Zeit,
9c ein Ausgangsspannungssignal V_AUS, das sich aus einem normalen Verbrennungsereignis ergibt,
100 ein Blockdiagramm des Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems der vorliegenden Erfindung,
10b ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems, das die Merkmale jedes Teilsystems enthält,
11 ein Diagramm eines Ionisationsstromsignals, das mit dem Ladestromrückkopplungssignal gemultiplext wird,
12 eine Zeichnung des Zünddiagnoseteilsystems der vorliegenden Erfindung,
13 einen Logikblockplan der Systemarchitektur des Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems,
14 eine Serie von Luft-Kraftstoff-Verhältnismessungen im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel,
15 eine Kurve der durchschnittlichen Ionisation aus 300 Zyklen einer Serie von Luft-Kraftstoff-Verhältnismessungen bei Volllast (Wide Open Throttle, WOT) bei MBT für Lambda = 1,2; 1,1; 1,0; 0,95; 0,9; 0,85; 0,8,
16 eine Serie von Luft-Kraftstoff-Verhältnismessungen bei Volllast (WOT),
17 eine Serie von Luft-Kraftstoff-Verhältnismessungen bei Volllast bei 3000 U/min Zündwinkel = 20°BTDC,
18 den Störeinfluss des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der vorliegenden Erfindung,
19 die erfindungsgemäße Optimierung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
20 das erfindungsgemäße Echtzeitoptimierungsverfahren für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast,
21 ein Ablaufdiagramm des Echtzeitoptimierungsverfahrens für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast,
22 einen Logikblockplan des erfindungsgemäßen Echtzeitoptimierungsreglers für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast,
23 die erfindungsgemäße Zündverzögerungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung einer Ionisationsstromrückkopplungsvorrichtung,
24 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die erfindungsgemäß bei der Entscheidung vorgenommen werden, ob der Zündzeitpunkt vorverlegt oder verzögert wird,
25a das Kaltstartsteuerverfahren im geschlossenen Regelkreis, wenn der Teilverbrennungsindex und der Fehlzündungsindex nicht aktiv sind,
25b das Kaltstartsteuerverfahren im geschlossenen Regelkreis, wenn der Teilverbrennungsindex aktiv und der Fehlzündungsindex nicht aktiv ist,
25c das Kaltstartsteuerverfahren im geschlossenen Regelkreis, wenn der Fehlzündungsindex aktiv ist,
26 einen Logikblockplan eines adaptiven Lernmanagers,
27 Kurven von drei Ionisationswellenformen,
28 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Mehrkriterien-Schätzungsverfahrens für den MBT-Zeitpunkt,
29 einen erfindungsgemäßen Logikblockplan,
30 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die mit dem erfindungsgemäßen Mehrkriterien-Schätzungsverfahren und der Mehrkriterien-Schätzvorrichtung für den MBT-Zeitpunkt vorgenommen werden,
31 einen Logikblockplan eines MBT-Zeitpunktreglers eines einzelnen Zylinders,
32 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die vom erfindungsgemäßen PI-Regler vorgenommen werden.
33 einen Logikblockplan des erfindungsgemäßen PI-Reglers für den MBT-Zeitpunkt mit geschlossenem Regelkreis,
34 einen Logikblockplan der erfindungsgemäßen Klopfgrenzensteuerung mit geschlossenem Regelkreis,
35 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die erfindungsgemäß während der Steuerung im geschlossenen Regelkreis vorgenommen werden, wenn der Motors klopfbegrenzt ist,
36 einen Logikblockplan der erfindungsgemäßen Steuerung der Zündverzögerungsgrenze mit geschlossenem Regelkreis,
37 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die von der vorliegenden Erfindung während der Steuerung im geschlossenen Regelkreis vorgenommen werden, wenn der Motor fehlzündungsbegrenzt ist,
38 einen Logikblockplan der erfindungsgemäßen MBT-Zeitpunkt-Steuerung nach einem Mittelwertansatz,
39 einen Logikblockplan der erfindungsgemäßen MBT-Zeitpunkt-Steuerung nach gemischtem Ansatz,
40 eine Kurve der Beziehung zwischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem MBT-Zündzeitpunkt,
41 die Beziehung zwischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und MBT-Zündzeitpunkt für die einzelnen Zylinder eines 2,0 I-Vier-Zylinder-Motors,
42 eine Kurve der linearen Beziehung zwischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und MBT-Zeitpunktdaten für die einzelnen Zylinder eines 2,0 I-Vier-Zylinder-Motors,
43 einen Logikblockplan eines erfindungsgemäßen Steuerverfahrens im geschlossenen Regelkreis zum Ausgleich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der einzelnen Zylinder,
44 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens im geschlossenen Regelkreis zum Ausgleich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der einzelnen Zylinder,
45 die Nachschlagetabelle, die Vektoren des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_OPTM umfasst,
46 einen Logikblockplan des erfindungsgemäßen Steuersystems des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
47 eine Kurve der IMEP-Kovarianz im Verhältnis zum MBT-Zeitpunkt als Funktion der EGR-Rate,
48 eine Kurve der erfindungsgemäßen klopfbegrenzten EGR,
49 einen Logikblockplan der erfindungsgemäßen EGR-Steuerung mit geschlossenem Regelkreis,
50 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die vom erfindungsgemäßen EGR-Regler mit geschlossenem Regelkreis vorgenommen werden,
51a ein Ablaufdiagramm der Schritte, die von den Logikblöcken der 49 vorgenommen werden,
51b ein Ablaufdiagramm der Schritte, die von den Logikblöcken der 49 vorgenommen werden,
52 ein Diagramm der Massenanteilverbrennung und ihrer ersten und zweiten Ableitung,
53 ein Diagramm des Nettodrucks und seiner Ableitungen im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel,
54 ein Diagramm der Drehmomentänderung gegenüber dem Zündzeitpunkt,
55 ein Diagramm der Nettodruckbeschleunigungsänderung gegenüber dem Zündzeitpunkt,
56 ein Diagramm eines beispielhaften Ionisationssignals und seiner normalisierten Integration im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel auf der x-Achse,
57 einen Logikblockplan einer alternativen EGR-Steuerung im geschlossenen Regelkreis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
58 ein Diagramm eines beispielhaften Ionisationsrückkopplungssignals im Verhältnis zur Zeit,
59 einen Logikblockplan eines beispielhaften Systems zum Auswählen von Dateninhalt eines Ionisationsruckkopplungssignals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
60 einen Logikblockplan eines beispielhaften Systems zum Vorverarbeiten eines Ionisationssignals zum Erzeugen eines klopfgesteigerten Ionisationssignals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung erkennt ein Ionisationssignal in der Brennkammer eines Motors von einem Ionisationserkennungsschaltkreis. Das hierin beschriebene System und die dazugehörigen Teilsysteme verwenden neben weiteren, in den folgenden Ausführungsformen offenbarten Merkmalen das erkannte Ionisationssignal, um die Zündparameter zu überwachen, die Motorleistung zu analysieren und zu verbessern, die Zünddiagnose für die einzelnen Zylinder vorzunehmen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu steuern, den Zündverzögerungszeitpunkt zu steuern, die Minimalzeit für den Zeitpunkt des besten Drehmoments (MBT-Zeitpunkt) zu steuern, die Abgasrückführraten zu steuern und das Laden der Zündspule zu steuern. Der Klarheit wegen sei angemerkt, dass viele Einzelheiten, die das erfindungsgemäße System und Verfahren zum Steuern des Dateninhalts des Ionisationsrückkopplungssignals betreffen, in Abschnitt L der detaillierten Beschreibung beschrieben sind.
Die detaillierte Beschreibung umfasst eine Anzahl von Erfindungsmerkmalen, die sich allgemein auf die Erkennung und/oder Verwendung eines Ionisationsstroms beziehen. Die Merkmale können allein oder in Kombination mit weiteren beschriebenen Merkmalen verwendet werden. Während eines oder mehrere Merkmale Gegenstand der anhängigen Ansprüche sind, können weitere Merkmale, die nicht in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche fallen, in den Ansprüchen in einer oder mehreren separaten Patentanmeldungen enthalten sein, die zeitgleich vom Anmelder oder im Namen des Anmelders der vorliegenden Patentanmeldung eingereicht wurden.
Der Klarheit wegen ist jedes der Merkmale in separaten Abschnitten dieser ausführlichen Beschreibung beschrieben. Abschnitt A offenbart die Verwendung eines Ionisationssignals von einem Ionisationserkennungsschaltkreis, um die Zündparameter zu überwachen, wie etwa den Primärladezeitpunkt (oder die -zeit), die Primärladedauer, die Zündung oder den Zündzeitpunkt sowie die Zündung oder Zünddauer für eine zukünftige „intelligente” Zündsystemsteuerung.
Abschnitt B offenbart einen Schaltkreis zur Messung des Ionisationsstroms in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors. In diesem Schaltkreis fließen der Zündstrom und der Ionisationsstrom in die gleiche Richtung durch die Sekundärseite der Zündspule und der Schaltkreis erkennt ein Ionisationssignal durch Anlegen einer Vorspannung in einem Elektrodenabstand. Ungeachtet des beschriebenen bevorzugten Schaltkreises wird ein Fachmann erkennen, dass viele Merkmale der Erfindung auch mit anderen Ionisationserkennungsschaltkreisen oder -verfahren umgesetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.
Abschnitt C offenbart ein Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystem, das auf dem in einem einzelnen Zylinder erkannten Ionisationsstrom basiert. Das System ist in zwei Teilsysteme unterteilt: das Teilsystem zur Zünddiagnose und das Teilsystem zur Zündrückkopplungssteuerung, wobei beide dazu dienen, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und den Motor derart einzustellen, dass die Emissionen verringert werden.
Abschnitt D offenbart die Verwendung eines Ionisationssignals zum Optimieren des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Brenngemisches, wenn ein Motor mit Volllast betrieben wird. Das Ionisationssignal wird verwendet, um dasjenige Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erkennen, das das höchste Drehmoment bei Volllast erbringt. Gleichzeitig wird ein Regler mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu regulieren, wenn der Motor mit Volllast betrieben wird.
Abschnitt E offenbart die Verwendung eines Zündzeitpunktreglers mit geschlossenem Regelkreis, um den Zündverzögerungszeitpunkt während eines Motorkaltstarts derart zu steuern, dass der Zündzeitpunkt des Motors so lange wie ohne Motorfehlzündung und mit minimaler Teilverbrennung möglich verzögert wird. Die erhöhte Abgastemperatur heizt den Katalysator rasch auf, was im Ergebnis die Kohlenwasserstoffemissionen verringert.
Abschnitt F offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des frühesten Zündzeitpunktes eines Motors für den Zeitpunkt des besten Drehmoments bei den aktuellen Betriebszuständen unter Verwendung eines Zündkerzenionisationssignals. Es ist ein Mehrkriterienverfahren zum Schätzen des frühesten Zeitpunktes für den Zeitpunkt des besten Drehmoments, das eine Kombination des Punktes der maximalen Flammenbeschleunigung, des Punktes der 50%igen Verbrennung und der Lage des zweiten Höchstpunktes verwendet, um den frühesten Zündzeitpunkt eines Motors für den Zeitpunkt des besten Drehmoments zu bestimmen.
Abschnitt G offenbart ein Teilsystem, das einen Regler mit geschlossenem Regelkreis umfasst, der die geschätzten Kriterien des frühesten Zeitpunktes für den Zeitpunkt des besten Drehmoments, die aus einem Ionisationssignal oder einem Zylinderinnendrucksignal (oder aus beiden) erzeugt werden, sowie eine Zünddiagnose (Klopfen, Teilverbrennung, Fehlzündung) verwendet, um den Motorzündzeitpunkt zu steuern. Es werden drei verschiedene Ausführungsformen der Steuerarchitektur im geschlossenen Regelkreis für den frühesten Zeitpunkt für den Zeitpunkt des besten Drehmoments offenbart. Sie unterscheiden sich dadurch, dass der früheste Zeitpunkt für den Zeitpunkt des besten Drehmoments entweder Zylinder für Zylinder oder zentral gesteuert wird. Die erste Ausführungsform steuert den frühesten Zündzeitpunkt des Motors für das beste Drehmoment für jeden Zylinder einzeln. Das heißt, die Informationen zum frühesten Zeitpunkt für das beste Drehmoment, zum Klopfen und zur Fehlzündung eines bestimmten Zylinders werden verwendet, um den frühesten Zeitpunkt dieses Zylinders für den Zeitpunkt des besten Drehmoments zu bestimmen. Die zweite Ausführungsform verwendet einen Ansatz auf der Basis von Durchschnittswerten. Die dritte Ausführungsform verwendet einen gemischten Ansatz.
Abschnitt H verwendet die lineare Beziehung zwischen den Kriterien des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und des frühesten Zeitpunktes für das beste Drehmoment, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die einzelnen Zylinder auszugleichen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Regler mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um den Kraftstoff für die einzelnen Zylinder derart zu justieren (oder anzupassen), dass alle Zylinder das gleiche Kriterium des frühesten Zeitpunktes für den Zeitpunkt des besten Drehmoments aufweisen.
Abschnitt I verwendet das Ionisationssignal und die Steuerung der Abgasrückführung mit geschlossenem Regelkreis, um dem Motor entweder den frühesten Zeitpunkt für den Zeitpunkt des besten Drehmoments oder den klopfbegrenzten Zeitpunkt zuzuführen, um die maximale Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen, die mit der Abgasrückführung verbunden ist.
Abschnitt J verwendet die maximale Beschleunigungsrate des Nettodruckanstiegs, der aus der Verbrennung in einem Zylinder resultiert, um den Zündzeitpunkt zu steuern.
Abschnitt K verwendet das Ionisationssignal und die Steuerung der Abgasrückführung mit geschlossenem Regelkreis, um dem Motor die genaue Grenze der Abgasrückführung zuzuführen, die durch Überwachen der Verbrennungsstabilität und durch Steuern des Umfangs der Abgasrückführung bestimmt wird, so dass die Verbrennung in einem stabilen Bereich verbleibt.
Abschnitt L beschreibt ein neuartiges Verfahren und System zum Ausgeben sowohl des Zylinderionisationssignals als auch der Zündspulenschließzeitdaten während der Phase vor der Zündung je nach den Betriebszuständen des Motors.
Abschnitt M beschreibt ein System und Verfahren zum Vorverarbeiten eines Ionisationssignals, um ein klopfgesteigertes Ionisationssignal zu erzeugen, das zur Zünddiagnose und -steuerung verwendet wird.
Abschnitt A: ZÜNDDIAGNOSE UNTER VERWENDUNG EINES IONISATIONSSIGNALS
Dieses Merkmal verwendet das Ionisationssignal von einem Ionisationserkennungsschaltkreis, um die Zündparameter, wie den Primärladezeitpunkt (oder die -zeit), die Primärladedauer, den Zündzeitpunkt und die Zünddauer für eine zukünftige „intelligente” Zündsystemsteuerung zu überwachen. Außerdem wird das Ionisationssignal auch verwendet, um die Verrußung der Zündkerze, das Überhitzen der Isolierung, Vorentflammung sowie eine ausgefallene Ionisationsschaltung oder Zündkerze zu erkennen.
Die Leistung eines Motors hängt in starkem Maße von der Leistung seines Zündsystems ab, insbesondere bei Zuständen geringer Last und hoher Abgasrückführung (Exhaust Gas Recirculation, EGR). Zur „intelligenten” Steuerung des Zündsystems ist es sehr vorteilhaft zu verstehen, wie sich das Zündsystem bei verschiedenen Motorzuständen verhält. Üblicherweise wird die Primärspule eines Zündsystems je nach den Motorbetriebsbedingungen, wie etwa dem örtlichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches, Druck, Temperatur und EGR-Konzentration, bis fast auf eine gewünschte Energiemenge geladen. Die tatsächliche Ladeenergie der Primärspule und die Entladungsenergie der Sekundärspule sind unbekannt. Dies führt zu einem Zündsystem, das nicht widerstandsfähig gegen Schwankungen von Bauteil zu Bauteil, gegen Motoralterung, Veränderungen im Betriebsumfeld des Motors usw. ist. Um die Robustheit des Zündsystems zu verbessern, ist ein „intelligentes” Zündsystem wünschenswert, das seine Ladeenergie entsprechend der Entladungsenergie verändern kann. Deshalb ist die Sekundärentladungsinformation von großer Wichtigkeit. Da die Durchbruchspannung und die Zünddauer im Entladungsmoment von Zyklus zu Zyklus verschieden sein können, ist es wünschenswert, einige dieser Parameter zu überwachen.
Die Erfindung verwendet das Zündkerzenionisationssignal zum Überwachen der Primärladezeit (oder des Primärladezeitpunktes 146) und der Primärladedauer und auch der Sekundärentladungszeit und -dauer, um die Grundlage für eine „intelligente” Steuerung des Zündsystems 110 zu legen. Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung des Ionisationssignals zum Erkennen einer Zündkerzenfehlfunktion, wie der Verrußung oder der Isolierungsüberhitzung 197, der Vorentflammung 190 und einer ausgefallenen Ionisationsschaltung und/oder Zündspule.
Dieses Merkmal der Erfindung ist allgemein auf ein Teilsystem eines Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems gerichtet, das eine Ionisationsstromrückkopplung verwendet. Die Beziehung dieses Teilsystems zum Diagnose- und Rückkopplungssteuersystem ist in 1 im oberen Kästchen „Zündsystemdiagnose” 140, 150, 146, 160, 170 und 197 dargestellt und umfasst die folgenden Zündparameter: Zünddauer 170, Ladedauer 150, Warnsignal 197, Primärladezeit 146, Zündzeitpunkt 160 und Vorladung 140. Die vier Blöcke des Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems unter Verwendung einer Ionisationsstromrückkopplung, die auf den Zündzeitpunkt 1480 gerichtet sind, sind die Klopfgrenzensteuerung zur Zündungsvorverlegung mit geschlossenem Regelkreis 1450, die MBT-Zündsteuerung mit geschlossenem Regelkreis 1430, 1490 und 1495, die Fehlzündungs- und Teilverbrennungsgrenzensteuerung zur Zündverzögerung mit geschlossenem Regelkreis 1460 und die Kaltstart-Verzögerungsgrenzensteuerung mit geschlossenem Regelkreis 1000. Zwei Blöcke sind auf den Kraftstoffoptimalwertvektor 975 gerichtet: die Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung für den einzelnen Zylinder 1300 und die Luft-Kraftstoff-Verhältnisoptimierung bei Volllast 1900. Ein Block ist auf die gewünschte EGR-Rate 1630 gerichtet: die EGR-Ratenoptimierung 1600. Die drei weiteren, in 1 dargestellten Blöcke sind ein Analogsignalverarbeitungsblock ASP, ein A/D-Wandlerblock A/D und ein Parameterschätzblock 1800. Der dargestellte Parameterschätzblock gibt ein Klopf- 1404, MBT- 1435 und ein Fehlzündungssignal 1414 aus. Die Eingabe in den Analogsignalverarbeitungsblock ASP ist ein Ionisationsstrom 100.
Ein übliches Ionisationssignal 100 im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel ist in 2 dargestellt. Es ist zu beachten, dass das dargestellte Signal eine Spannung ist, die proportional zum erkannten Ionisationsstrom ist. Beim Vergleichen der Wellenform der Sekundärspannung 120 und des Sekundärstroms 130 ist offensichtlich, dass der anfängliche Anstieg des Ionisationssignals vor der deutlichen Formveränderung zur Zündzeit die Vorladung (oder der Beginn der Ladung) der Primärseite 140 ist. Siehe 2. Nachdem die Ladung der Primärspule abgeschlossen ist, sinkt das Signal ab und steigt im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel fast senkrecht an (d. h. ein Stufenanstieg). Der Durchbruch tritt an der Stufenanstiegsflanke ein. Der Zündzeitpunkt kann auf der Basis dieses Punktes erkannt werden. Das heißt, die Zündzeit tritt ein, wenn das Ionisationssignal einen Stufenanstieg aufweist. Dies ist die Zündzeit 160. Die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Anstieg und dem Stufenanstieg ist die Primärladedauer 150. Wenn der Lichtbogen im Elektrodenspalt verlischt, fällt das Signal schnell ab und der Sekundärstrom 130 infolge des Funkens erreicht Null (siehe 3). Die Dauer vom deutlichen Stufenanstieg bis zum nachfolgenden Abfall stellt die Zünddauer 170 dar. Deshalb können auf der Basis des Ionisationssignals die Primärladezeit 146, die Primärladedauer 150, der Zündzeitpunkt 160 und die Zünddauer 170 erkannt werden. Diese Parameter können für jeden Zylinder des Motors in jedem Motorzyklus überwacht werden.
Wenn eine Zündkerze verrußt ist oder die Zündkerzenisolierung überhitzt ist oder die Kerze selbst zeitweilig durch Kraftstoffspray verunreinigt ist, fungiert die Isolierung der Zündkerze als Leiter. Bei diesen Zuständen ist der Impulsboden des Ionisationssignals nicht mehr gleich der Vorspannung 105. Je nachdem, wie stark die Kerze verrußt und wie überhitzt die Isolierung ist, liegt der Ionisationsimpulsboden mit dem Abstand 180 (4) über der Vorspannung 105. Indessen leckt während der Primärladedauer ein Teil der Zündenergie durch die verrußte Kerze oder die Isolierung heraus. Schließlich reicht die verbleibende Energie nicht, um den Elektrodenabstand zu überspringen und eine Fehlzündung tritt auf (196) (siehe 6). In einigen Fällen kann der Impulsboden so hoch sein, dass er die Grenze des Ionisationssignals erreicht und das Signal kaum verwendbar wird. Sobald der Impulsboden bis zu einem bestimmten Schwellenwert angehoben ist (oder darüber hinaus) (z. B. eine Anhebung von etwa 20% oder 1 Volt über den anfänglichen Impulsboden hinaus), wird ein Warnsignal gesendet 197, das die Verrußung oder Überhitzung der Kerze anzeigt (siehe 6).
Wenn im Zylinder eine Vorentflammung auftritt, erkennt das Ionisationssignal 100 Ionen, bevor die Zündung stattfindet (190), siehe 5, was eine Vorionisation aufgrund von Vorentflammung anzeigt. Ein Vorentflammungszyklus kann zu einer noch leichteren Vorentflammung im nächsten Zyklus führen und den Motor beschädigen. Es ist wünschenswert, den Motor auf einen kühleren Betriebszustand zu regeln, sobald die Vorentflammung erkannt wird.
Um einen offenen oder kurzgeschlossenen Ionisationsschaltkreis zu erkennen, wird die Vorspannung (105) wert entfernt von der Zündung und der Verbrennung gemessen (z. B. bei 180 Grad nach dem oberen Totpunkt). Liegt die gemessene Vorspannung unter einem gegebenen Schwellenwert (wie etwa 0,5 Volt), kann als Fehler ein offener Ionisationsschaltkreis oder ein Masseschluss erkannt werden 198 (6); ist die Vorspannung größer als ein Schwellenwert (z. B. 4,5 Volt), wird ein Ionisationsschaltkreis, der mit der Batterie kurzgeschlossen ist, festgestellt 199 (6). Die Informationen über den offenen oder kurzgeschlossenen Schaltkreis können dann verwendet werden, um den Zustand des Zündsystems zu analysieren (siehe 6 und 7).
Abschnitt B: SCHALTKREIS ZUR MESSUNG DES IONISATIONSSTROMS
8 ist ein Basisschaltplan eines Schaltkreises 10 zum Messen eines Ionisationsstroms in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors. Zuerst werden die Komponenten und der Aufbau des Schaltkreises 10 beschrieben, gefolgt von einer Beschreibung seiner Funktionsweise.
Zunächst umfasst der Schaltkreis 10 im Hinblick auf Komponenten und den Aufbau dieses Merkmals eine Zündspule 12 und eine Zündkerze 14, die in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors angeordnet sind. Die Zündspule 12 umfasst eine Primärseite 16 und eine Sekundärseite 18. Die Zündkerze 14 ist zwischen einem ersten Ende der Sekundärseite 18 und einem Massepotential elektrisch in Reihe geschalten. Die elektrischen Verbindungen zu einem zweiten Ende der Sekundärseite 18 werden nachfolgend genauer beschrieben. Ein erstes Ende der Primärseite 16 ist elektrisch mit einer positiven Elektrode einer Batterie 20 verbunden. Ein zweites Ende der Primärseite 16 ist elektrisch mit dem Kollektoranschluss eines Bipolartransistors mit isolierter Gatterelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) oder einer anderen Art von Transistor oder Schalter 22 und mit einem ersten Ende eines ersten Widerstandes 24 verbunden. Der Basisanschluss des IGBT 22 empfängt ein Steuersignal, in 8 mit V_EIN bezeichnet, von einem nicht dargestellten Antriebssteuermodul (Powertrain Control Module, PCM). Das Steuersignal V_EIN schaltet den IGBT 22 ein und aus. Zwischen dem Emitteranschluss des IGBT 22 und der Masse ist ein zweiter Widerstand 25 elektrisch in Reihe geschaltet. Ein zweites Ende des ersten Widerstandes 24 ist elektrisch mit der Anode einer ersten Diode 26 verbunden.
Der Schaltkreis 10 umfasst ferner einen Kondensator 28. Ein erstes Ende des Kondensators 28 ist elektrisch mit der Kathode der ersten Diode 26 und einem Stromspiegelschaltkreis 30 verbunden. Ein zweites Ende des Kondensators ist geerdet. Eine erste Zenerdiode 32 ist quer über den Kondensator 28 oder mit anderen Worten parallel zu diesem geschaltet, wobei die Kathode der ersten Zenerdiode 32 elektrisch mit dem ersten Ende des Kondensators 28 und die Anode der ersten Zenerdiode 32 elektrisch mit der Masse verbunden ist.
Der Stromspiegelschaltkreis 30 umfasst einen ersten und einen zweiten PNP-Transistor 34 beziehungsweise 36. Die PNP-Transistoren 34 und 36 sind paarige Transistoren. Die Emitteranschlüsse der PNP-Transistoren 34 und 36 sind elektrisch mit dem ersten Ende des Kondensators 28 verbunden. Die Basisanschlüsse der PNP-Transistoren 34 und 36 sind elektrisch miteinander sowie mit einem ersten Knoten 38 verbunden. Der Kollektoranschluss des ersten PNP-Transistors 34 ist ebenfalls elektrisch mit dem ersten Knoten 38 verbunden, wobei der Kollektoranschluss und der Basisanschluss des ersten PNP-Transistors 34 kurzgeschlossen sind. Somit fungiert der PNP-Transistor 34 als Diode. Ein dritter Widerstand 40 ist elektrisch zwischen dem Kollektoranschluss des zweiten PNP-Transistors 36 und der Masse in Reihe geschaltet.
Im Schaltkreis 10 ist auch eine zweite Diode 42 enthalten. Die Kathode der zweiten Diode 42 ist elektrisch mit dem ersten Ende des Kondensators 28 und den Emitteranschlüssen des ersten und des zweiten PNP-Transistors 34 und 36 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 452 ist elektrisch mit dem ersten Koten 38 verbunden.
Der Schaltkreis 10 umfasst außerdem einen vierten Widerstand 44. Ein erstes Ende des vierten Widerstandes 44 ist elektrisch mit dem ersten Knoten 38 verbunden. Ein zweites Ende des vierten Widerstandes 44 ist elektrisch mit dem zweiten Ende der Sekundärseite 18 (gegenüber der Zündkerze 14) und der Kathode der zweiten Zenerdiode 46 verbunden. Die Anode der zweiten Zenerdiode 46 ist geerdet.
In 8 und 9 ist die Funktionsweise des Schaltkreises 10 beschrieben. 9a ist ein Diagramm des Steuersignals V_EIN des PCM an den IGBT 22 im Verhältnis zur Zeit. 9b ist ein Diagramm des Stromflusses I_PW durch die Primärseite 16 der Zündspule 12 im Verhältnis zur Zeit. 9c ist ein Diagramm eines Spannungsausgabesignals des Schaltkreises 10 im Verhältnis zur Zeit. Wie oben angemerkt, empfängt der IGBT 22 das Steuersignal V_EIN vom PCM, um die Zeitpunkte 1) der Zündung oder Verbrennung und 2) des Ladens des Kondensators 28 zu steuern. In diesem Schaltaufbau wird der IGBT 22 als Schalter betrieben, der einen AUS-, oder nichtleitenden Zustand und einen AN-, oder leitenden Zustand aufweist.
Anfänglich, zum Zeitpunkt = t₀, ist der Kondensator nicht vollständig geladen. Das Steuersignal V_EIN vom PCM ist NIEDRIG (siehe 9a), der IGBT befindet sich dabei im AUS- oder nichtleitenden Zustand. Die Primärseite 16 erkennt einen offenen Schaltkreis und somit fließt kein Strom durch die Primärseite 16.
Zum Zeitpunkt = t₁ schaltet das Steuersignal V_EIN vom PCM von NIEDRIG auf HOCH (siehe 9a) und bringt damit den IGBT 22 in den AN- oder leitenden Zustand. Von der Batterie 20 beginnt Strom durch die Primärseite 16 der Zündspule 12, den leitenden IGBT 22 und den zweiten Widerstand 25 zur Masse zu fließen. Es kann jeder beliebige aus einer Anzahl von Schaltern oder Schaltmechanismen verwendet werden, um Strom durch die Primärseite 16 hindurchzuschalten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der IGBT 22 verwendet. Zwischen dem Zeitpunkt = t₁ und dem Zeitpunkt = t₂ beginnt die Stromstärke der Primärseite I_PW anzusteigen (in 8 durch eine gepunktete Linie dargestellt). Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt = t₁ und dem Zeitpunkt = t₂ beträgt etwa eine Millisekunde, wobei sich diese mit dem Typ der verwendeten Zündspule ändert.
Zum Zeitpunkt = t₂ schaltet das Steuersignal V_EIN vom PCM von HOCH zu NIEDRIG (siehe 9a) und versetzt somit den IGBT in den AUS- oder nichtleitenden Zustand. Während der IGBT 22 in den AUS-Zustand geschalten wird, beginnt eine Rücklaufspannung von der Primärseite 16 der Zündspule 12 den Kondensator 28 schnell auf die erforderliche Vorspannung zu laden. Zwischen dem Zeitpunkt = t₂ und dem Zeitpunkt = t₃ steigt die Spannung am ersten Ende der Sekundärseite 18, die mit der Zündkerze 14 verbunden ist, auf die Spannungshöhe an, bei der die Zündung beginnt. Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt = t₂ und dem Zeitpunkt = t₃ beträgt etwa zehn Millisekunden. Der erste Widerstand 24 wird verwendet, um den Ladestrom zum Kondensator 28 zu begrenzen. Der Widerstandswert des ersten Widerstandes 24 wird derart ausgewählt, dass sichergestellt ist, dass der Kondensator 28 vollständig geladen wird, wenn die Rücklaufspannung großer ist als die der Zenerdiode.
Zum Zeitpunkt = t₃ wird eine Zündspannung von der Sekundärseite 18 der Zündspule 12 an die Zündkerze 14 angelegt und die Zündung beginnt. Zwischen dem Zeitpunkt = t₃ und dem Zeitpunkt = t₄ beginnt die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und ein Zündstrom I_ZÜND (in 8 durch eine Strich-Punkt-Linie dargestellt) fließt durch die zweite Zenerdiode 46, die Sekundärseite 18 der Zündspule 12 und die Zündkerze 14 zur Masse. Zum Zeitpunkt = t₄ ist die Zündung abgeschlossen und die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches dauert an.
Zum Zeitpunkt = t₅ dauert der Verbrennungsvorgang an und der geladene Kondensator 28 legt eine Vorspannung an die Elektroden der Zündkerze 14 an und erzeugt damit aufgrund der durch den Verbrennungsvorgang erzeugten Ionen einen Ionisationsstrom I_ION, der vom Kondensator 28 fließt. Der Stromspiegelschaltkreis 30 erzeugt einen isolierten Spiegelstrom I_SPIEGEL, der mit dem Ionisationsstrom I_ION identisch ist. Ein Vorstrom I_VOR (in 8 durch eine Langstrich-Kurzstrich-Kurzstrich-Linie dargestellt), der vom Kondensator 28 zum zweiten Knoten 48 fließt, ist gleich der Summe aus dem Ionisationsstrom I_ION und dem isolierten Spiegelstrom I_SPIEGEL (d. h. I_ION = I_ION + I_SPIEGEL).
Der Ionisationsstrom I_ION (in 8 durch eine gestachelte Linie dargestellt) fließt vom zweiten Knoten 48 durch den ersten PNP-Transistor 34, den ersten Knoten 38, den vierten Widerstand 44, die Sekundärseite 18 der Zündspule 12 und die Zündkerze 14 zur Masse.
Auf diese Weise wird der geladene Kondensator 28 als Energiequelle zum Anlegen einer Vorspannung von etwa 80 Volt an die Zündkerze 14 verwendet, um den Ionisationsstrom I_ION zu erzeugen. Die Vorspannung wird durch die Sekundärseite 18 und den vierten Widerstand 44 an die Zündkerze 14 angelegt. Die Induktion der Sekundärseite, der vierte Widerstand 44 und die effektive Kapazität der Zündspule begrenzen die Bandbreite des Ionisationsstroms. Dementsprechend ist der Widerstandswert des vierten Widerstandes 44 derart ausgewählt, dass die Bandbreite des Ionisationssignals maximiert wird, die Frequenzkurve optimiert wird und auch der Ionisationsstrom begrenzt wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der vierte Widerstand 44 einen Widerstandswert von 330 kΩ auf, woraus sich eine Bandbreite des Ionisationsstroms von bis zu zwanzig Kilohertz ergibt.
Der Stromspiegelschaltkreis 30 wird verwendet, um den erkannten Ionisationsstrom I_ION und den Ausgabeschaltkreis zu isolieren. Der isolierte Spiegelstrom I_SPIEGEL (in 8 mit einer Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt) ist gleich dem Ionisationsstrom I_ION oder mit anderen Worten ein Spiegel desselben. Der isolierte Spiegelstrom I_SPIEGEL fließt vom zweiten Knoten 48 durch den zweiten PNP-Transistor 36 und den dritten Widerstand 40 zur Masse. Um ein isoliertes Spiegelstromsignal I_SPIEGEL zu erzeugen, das verhältnisgleich zum Ionisationsstrom I_ION ist, müssen der erste und der zweite PNP-Transistor 34 und 36 paarig sein, d. h. identische elektronische Eigenschaften aufweisen. Ein Weg, solche gleichen Eigenschaften zu erreichen, besteht darin, zwei Transistoren zu verwenden, die auf dem gleichen Siliziumchip sitzen. Das isolierte Spiegelstromsignal I_SPIEGEL ist üblicherweise niedriger als 300 Mikroampere. Der dritte Widerstand 40 wandelt das isolierte Spiegelstromsignal I_SPIEGEL in ein entsprechendes Ausgabespannungssignal um, welches in 8 als V_AUS gekennzeichnet ist. Der Widerstandswert des dritten Widerstandes 40 ist derart ausgewählt, dass die Stärke des Ausgabespannungssignals V_AUS justiert wird. Die zweite Diode 42 schützt die Spiegeltransistoren 34 und 36 durch Anlegen einer Vorspannung und Bereitstellen eines Weges zur Masse, wenn die Spannung am Knoten 38 einen Schwellenwert überschreitet. Ein dritter Transistor kann ebenfalls verwendet werden, um den Spiegeltransistor zu schützen.
9c stellt ein Ausgabespannungssignal V_AUS dar, das aus einem normalen Verbrennungsereignis entsteht. Der Abschnitt des Ausgabespannungssignals V_AUS vom Zeitpunkt = t₅ an kann als Diagnoseinformation der Verbrennungsleistung verwendet werden. Um die Verbrennungsleistung für den gesamten Motor zu bestimmen, kann der Ionisationsstrom in einer oder in mehreren Brennkammern des Motors mit einem beziehungsweise mehrerer Schaltkreisen 10 gemessen werden.
Im vorliegenden Schaltkreis 10 fließen der Zündstrom I_ZÜND und der Ionisationsstrom I_ION in der gleichen Richtung durch die Sekundärseite 18 der Zündspule 12. Als Ergebnis erfolgen die Initiation oder, mit anderen Worten, der Fluss des Ionisationsstroms sowie die die Erkennung des Ionisationsstroms schnell. Im vorliegenden Schaltkreis 10 fungiert der Kondensator 28 als Energiequelle. Folglich ist der Schaltkreis 10 passiv oder, mit anderen Worten, er erfordert keine ihm zugeordnete Energiequelle. Der geladene Kondensator 28 stellt eine verhältnismäßig hohe Vorspannung sowohl von der Ionisationserkennung als auch vom Stromspiegelschaltkreis 30 bereit. Als Ergebnis ist die Stärke des gespiegelten, isolierten Stromsignals I_SPIEGEL hoch und folglich ist das Signal-Rausch-Verhältnis hoch.
Abschnitt C: ZÜNDDIAGNOSE- UND VERBRENNUNGSRÜCKKOPPLUNGSSTEUERSYSTEM UNTER VERWENDUNG EINES IONISATIONSSIGNALS
Der Verbrennungsvorgang in einem Fremdzündungsmotor wird vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Zylinderinneren, der Temperatur und dem Druck, der Abgasrückführrate (EGR-Rate), dem Zündzeitpunkt und der -dauer und anderen Faktoren beeinflusst. Die Emission und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors hängen vom Verbrennungsvorgang des Motors ab. Für Verbrennungsmotoren mit homogenem Betrieb wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis meist in einem geschlossenen Regelkreis unter Verwendung eines Rückkopplungssignals von entweder einem HEGO-Sensor (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor) oder von einem UEGO-Sensor (Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor) gesteuert. Die Abgasrückführrate (EGR-Rate) wird mit Hilfe einer Delta-(Δ)-Druckmessung gesteuert. Wegen der hohen Kosten eines Zylinderinnendrucksensors, wird der Motorzündzeitpunkt in einem offenen Regelkreis gesteuert und unter Verwendung eines Klopferkennungsergebnisses korrigiert. Infolge der Steuerung im offenem Regelkreis reagiert der Motorverbrennungsvorgang empfindlich auf Betriebszustände, Schwankungen von Motor zu Motor, Motoralterung oder andere relevante Faktoren. Aus dieser Empfindlichkeit ergibt sich ein komplizierter Kalibrierungsvorgang aufgrund des Motorspeicherabbildes und des Kalibrierungsvorgangs der verschiedenen Nachschlagetabellen, Anpassungen und Addierer für den Zündzeitpunkt, wobei die Zündzeitpunkttabellen verwendet werden, um den Zündzeitpunkt als Funktion der Motordrehzahl und -last zu verändern, und die Anpassungen und Addierer verwendet werden, um den Zündzeitpunkt des Motors auszugleichen, wenn ein besonderer Motorbetriebszustand (z. B. vorübergehender Betrieb) auftritt. Die Erfindung schlägt ein Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystem vor, das einen Ionisationsstrom als Rückkopplungssignal verwendet, um die Robustheit des Zündsystems in Bezug auf Motorbetriebszustände, Schwankungen von Motor zu Motor, Motoralterung und andere relevante Faktoren zu verbessern, um die notwendigen Motorkalibrierungen zu verringern.
Fremdgezündete Motorsysteme nach dem Stand der Technik weisen verschiedene Nachteile und Beeinträchtigungen auf. Zum Beispiel findet der Zündsteuervorgang im offenen Regelkreis statt und der tatsächliche Zündzeitpunkt und die tatsächliche Zünddauer sind unbekannt. Ferner wird der Zündzeitpunktbefehl in einem offenen Regelkreis mit Nachschlagetabellen als Funktion der Motordrehzahl, -last usw. zusammen mit Anpassungen und Addierern gesteuert, um die Schwankungen der Motorbetriebszustände auszugleichen. Außerdem verhindern die Beschränkungen, die aus der Verwendung einer auf einem Beschleunigungsmesser basierenden Motorklopferkennung resultieren, dass der Fremdzündungsmotor an seiner Klopfgrenze läuft, wenn dies erforderlich ist, was zu verringerter Kraftstoffwirtschaftlichkeit führt.
Im Gegensatz dazu weisen die Merkmale der vorliegenden Erfindung einzelne Zylinderdiagnosemerkmale auf, wie etwa die Zündsystemdiagnose: Ladezeitpunkt 146, Ladedauer 145, Zündzeitpunkt 160, Zünddauer 170, Kerzenverrußung 197, Vorentflammung 190 usw.; die Fehlzündungserkennung: Fehlzündungskennzeichen 414, Teilverbrennungskennzeichen 412 und andere relevante Faktoren; die Klopferkennung: Kopfkennzeichen 404 und Klopfintensität 402; und der robuste Mehrkriterien-Schätzer für den MBT-Zeitpunkt 200.
Weiterhin weisen die Merkmale der vorliegenden Erfindung auch Steuermerkmale auf, wie etwa die Kaltstart-Zündverzögerungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung einer Ionisationsrückkopplung 1000; die MBT-Zeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung einer Ionisationsrückkopplung 1430, 1490, 1495; den Ausgleich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der einzelnen Zylinder mit geschlossenem Regelkreis 1300; die Optimalsteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast 1900 und die Abgassteuerung unter Verwendung eines Zündkerzenionisationssignals 1600.
Die vorliegende Erfindung weist ein Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystem auf, das auf dem erkannten Ionisationsstrom in einem einzelnen Zylinder 801 basiert. Das System 800 ist in zwei Teilsysteme unterteilt, die in 10a und 10b dargestellt sind. Das Zünddiagnose-Teilsystem 802 und das Zündrückkopplungssteuer-Teilsystem 803 dienen beide dazu, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und den Motor derart einzustellen, dass die Emission verringert wird.
Ein übliches Ionisationssignal ist in 11 im Diagramm dargestellt, das zeigt, dass das erkannte Ionenstromsignal 100 in zwei Abschnitte unterteilt werden kann, das Signal während des Ladens der Zündung 141 und das Signal nach dem Laden der Zündung 143.
Die Architektur des Zünddiagnose-Teilsystems 802 ist in 12 dargestellt und weist vier Hauptmerkmale auf. Erstens stellt die Zündsystemdiagnose unter Verwendung des Zündladeabschnitts 141 des Ionenstromsignals 100 den Ladezeitpunkt der Primärzündspule 146, die Ladedauer 145, den Entladungszeitpunkt der Sekundärspule (oder mit anderen Worten den Zündzeitpunkt 160), die Zünddauer 170 und Signale zu Zündsystemdefekten (wie etwa ausgefallene Spule, ausgefallene Zündkerze usw.) bereit. Außerdem wird das Ionisationsstromsignal nach der Zündung 143 verwendet, um die Verrußung der Zündkerze 197 zu erkennen.
Zweitens stellt das Fehlzündungserkennungsmerkmal unter Verwendung des Ionisationsstromsignals nach der Zündung 143 und der Ergebnisse der Zündsystemdiagnose Fehlzündungsinformationen für einzelne Zylinder 1410, wie etwa Fehlzündungs- und Teilverbrennungszustände, bereit. Die daraus resultierende Fehlzündungserkennung ist sehr viel genauer als bestehende, auf der Motordrehzahl basierende Fehlzündungserkennungssysteme, insbesondere beim Motorbremszustand, bei dem gegenwärtige Erkennungssysteme keine genaue Fehlzündungserkennung bereitstellen. Außerdem ist es schwierig, mit den bestehenden, auf der Drehzahl basierenden Fehlzündungserkennungssystemen eine Fehlzündung in Motoren mit mehr als acht Zylindern zu erkennen.
Drittens stellt das Klopferkennungsmerkmal ein Klopfintensitätssignal 1402 und ein Klopfkennzeichensignal 1404 bereit, die auf einem bandpassgefilterten Abschnitt des Ionisationssignals 100 nach der Zündung basieren. Ein Vorteil der Verwendung eines Ionisationssignals 100 zur Klopferkennung besteht darin, dass es eine Klopferkennung der einzelnen Zylinder ermöglicht und außerdem ein reineres Klopfsignal erzeugt, verglichen mit gegenwärtigen, auf einem Beschleunigungsmesser basierenden Klopferkennungstechniken, die infolge von Motorventilgeräuschen eine gründliche Kalibrierung erfordern.
Viertens stellen die Vorrichtung und das Verfahren für die robuste Mehrkriterien-Schätzung des MBT-Zeitpunkts (des frühesten Zeitpunktes für das beste Drehmoment) 200 einen zusammengesetzten Index bereit, der auf dem Ionisationsstromsignal nach der Zündung 143 für einen einzelnen Zylinder basiert. Dieser Index kombiniert mehrere MBT-Zeitpunkt-Indizes, die mit Hilfe von Informationen berechnet werden, die zwecks verbesserter Robustheit der Schätzung vom Ionisationsstromsignal 100 für die 10%ige Massenanteilverbrennung, 50%ige Massenanteilverbrennung und den Höchstpunkt des Zylinderdrucks (Peak Cylinder Pressure, PCP) bereitgestellt werden. Wenn der Motor nicht klopfbegrenzt ist, kann der Index zur Steuerung des Motorzündzeitpunktes im geschlossenen Regelkreis verwendet werden, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern, die Emissionen zu verringern, den Kalibrierungsaufwand zu verringern usw.
Die Systemarchitektur des Ionisationsrückkopplungssteuer-Teilsystems 803 ist in 13 dargestellt und weist vier Regler auf: (1) eine Kaltstart-Zündverzögerungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung der Ionisationsrückkopplung 1000; (2) die MBT-Zeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung der Ionisationsrückkopplung 1430, 1490, 1495; (3) das Ausgleichssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 1300 der einzelnen Zylinder und (4) die Optimalsteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast 1900 und (5) die Abgassteuerung unter Verwendung eines Zündkerzenionisationssignals 1600.
Hinsichtlich der Kaltstart-Zündverzögerungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung der Ionisationsrückkopplung 1000 sei angemerkt, dass 70% der HC-Emissionen in einem FTP-Zyklus während eines Kaltstarts erzeugt werden, da der Katalysator seine Betriebstemperatur nicht schnell erreicht. Auf dem Fachgebiet wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um den Katalysator während des Kaltstarts schnell aufzuheizen. Eine Technik umfasst das deutliche Verzögern des Zündzeitpunktes, um die Abgastemperatur zu erhöhen, so dass der Katalysator schnell aufgeheizt werden kann. Da jedoch die Verzögerung des Zündzeitpunktes durch Teilverbrennung und Fehlzündung begrenzt Ist, wird die Kalibrierung des verzögerten Kaltstart-Zündzeitpunktes im offenen Regelkreis wegen der Schwankungen von Motor zu Motor, der Motoralterung Schwankungen der Betriebszustände usw. sehr konservativ vorgenommen. Mit der erfindungsgemäßen Zündzeitpunktverzögerungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis wird während eines Kaltstarts die Zeitpunktverzögerungsgrenze des Motors justiert, um die Konservativität zu verringern und den Katalysator schneller anspringen zu lassen, wodurch die HC-Emissionen während eines Kaltstarts verringert werden.
Was die MBT-Zeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung einer Ionisationsrückkopplung 1430, 1490, 1495 betrifft, arbeitet, wenn der Zündzeitpunkt eines Verbrennungsmotors weder klopfbegrenzt noch fehlzündungs-/teilverbrennungsbegrenzt ist, der Motor mit seinem MBT-Zündzeitpunkt, um die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei zufrieden stellender Emission zu erreichen. Die bestehende, nach dem Stand der Technik offenbarte MBT-Zeitpunksteuerung wird in einem offenen Regelkreis auf der Basis von Motorspeicherabbilddaten gesteuert. Dieser Ansatz gleicht die Schwankungen von Motor zu Motor, die Motorbetriebszustände, die Alterung der Komponenten und andere relevante Faktoren nicht aus. Folglich müssen viele Zündzeitpunktkorrekturen, die zum Ausgleich dieser verschiedenen Zustände verwendet werden und Addierer oder Anpassungen genannt werden, hinzugefügt werden, um die Motorleistung zu verbessern. Die Strategie der erfindungsgemäßen MBT-Zündzeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis justiert den Motorzündzeitpunkt, wenn der Motor 161 weder klopf- noch fehlzündungsbegrenzt ist, um eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitzustellen. Wenn der Motor 161 klopfbegrenzt ist, justiert die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis der vorliegenden Erfindung den Motorzündzeitpunkt derart, dass der Motor 161 an seiner Klopfgrenze läuft, wodurch eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit und eine hohe Drehmomentleistung bereitgestellt werden.
Der dritte Regler ist das Ausgleichssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 1300 der einzelnen Zylinder. Nach dem Stand der Technik ist der Luftdurchlass eines Ansaugkrümmers für jeden Zylinder recht verschieden. Folglich sind das Ladeluftvolumen und das Strömungsmuster für jeden einzelnen Zylinder verschieden, selbst bei Dauerbetriebszuständen. Deshalb kann selbst dann, wenn das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis aller Zylinder stöchiometrisch bleibt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis jedes einzelnen Zylinders vom stöchiometrischen Verhältnis abweichen. In der vorliegenden Erfindung wird die in jeden einzelnen Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge derart justiert, dass gewährleistet ist, dass jeder Zylinder das gleiche Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufweist. Das/die vorgeschlagene erfindungsgemäße Ausgleichsverfahren und Ausgleichsvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der einzelnen Zylinder verwendet die MBT-Zeitpunktschätzung, die während der MBT-Zeitpunktsteuerung im geschlossenem Regelkreis gewonnen wird, zum Justieren/Anpassen des Kraftstoffes für jeden Zylinder, der unter Verwendung eines Kraftstoffverteilers für jeden Zylinder abgemessen wird. Des Weiteren hält ein Regler mit geschlossenem Regelkreis, der einen HEGO- oder UEGO-Sensor verwendet, das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis im stöchiometrischen Bereich. Durch Ausnutzung der Tatsache, dass der MBT-Zündzeitpunkt eines fett betriebenen Zylinders im Vergleich zu einem Zylinder mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis verhältnismäßig verzögert ist und der MBT-Zündzeitpunkt eines mager betriebenen Zylinders im Vergleich zu einem stöchiometrisch betriebenen Zylinder verhältnismäßig vorverlegt ist, kann der Kraftstoffverteiler für die einzelnen Zylinder auf der Basis des erkannten MBT-Zeitpunktindexes oder der daraus resultierenden MBT-Zeitpunktsteuerung derart modifiziert werden, dass das relative Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen den einzelnen Zylindern ausgeglichen wird.
Wie bereits angemerkt, ist der vierte Regler die Optimalsteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast 1900. Gewöhnlich ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast (Wide Open Throttle, WOT) derart justiert, dass es die Motordrehmomentleistung optimiert. An diesem Punkt arbeitet der Motor 161 mit seinem geringstmöglich vorverlegten MBT-Zeitpunkt. Nach dem Stand der Technik wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast mit Hilfe eines Kalibrierungsverfahrens im offenen Regelkreis auf der Basis von Motorspeicherabbilddaten optimiert. Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung justieren das Luft-Kraftstoff-Verhältnis derart, dass die Vorverlegung der MBT-Zündung minimiert wird, wenn der Motor 161 bei Volllast arbeitet.
Schließlich wird bei der Abgassteuerung unter Verwendung eines Zündkerzenionisationssignals 1600 ein Ionisationssignal 100 verwendet, um einen Verbrennungsstabilitätsindex zu berechnen. Der Verbrennungsstabilitätsindex kann die Verbrennungsrate oder ein auf die Brenndauer bezogener Parameter sein. Der Verbrennungsstabilitätsindex wird dann verwendet, um die Abgasrückführrate (EGR-Rate) so zu steuern, dass die Abgasbeimischung erhöht wird. Die EGR-Rate wird erhöht, wenn der Verbrennungsstabilitätsindex unter einem Schwellenwert liegt. Dies ermöglicht den Betrieb des Motors bei erhöhter EGR-Rate, während eine stabile Verbrennung beibehalten wird. Infolgedessen wird die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert, während die Emissionen verringert werden.
Abschnitt D: OPTIMALSTEUERUNG DES LUFT-KRAFTSTOFF-VERHALTNISSES BEI VOLLLAST
Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet ein Ionisationssignal, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Brenngemisches zu optimieren, wenn der Motor bei Volllast arbeitet. Dies ergibt den höchsten mittleren effektiven Druck (Brake Specific Mean Effective Pressure, BMEP), oder mit anderen Worten, maximiert die Drehmomentleistung des Motors bei bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Zusätzlich wird auch der Zündzeitpunkt optimiert.
Motoren werden üblicherweise mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben (welches für Benzin etwa 14,7 zu 1 beträgt), um die Leistung des Katalysators zu optimieren. Das Betreiben eines Motors bei unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (niedriger als 14,7 zu 1) führt dazu, dass der Motor mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird. In diesem Fall verbrennt der Kraftstoff nicht vollständig und der Katalysator kann durch die entstehenden Emissionen verstopfen. Andererseits führt das Betreiben eines Motors oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (höher als 14,7 zu 1) dazu, dass ein Motor mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird. In diesem Fall gibt es in den Emissionen einen Sauerstoffüberschuss. Dies bewirkt, dass der Katalysator mit einer erhöhten Temperatur arbeitet, wodurch die Umwandlung von Stickstoff-Sauerstoffverbindungen (NOx) eingeschränkt ist. Noch wichtiger ist, dass ein lang andauernder Betrieb bei diesen Bedingungen den Katalysator beschädigen kann.
Gewöhnlich werden für die Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses Sauerstoffsensoren verwendet. Der Sauerstoffsensor misst den in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch vorhandenen Sauerstoff. Wenn jedoch ein Motor mit Volllast betrieben wird, liegt das Luft-Kraftstoff-Gemisch außerhalb des stöchiometrischen Bereiches, gewöhnlich unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Zündzeitpunkt für Motoren, die mit Volllast laufen, verwenden umfangreiche Kalibrierungen, um die beste Drehmomentleistung zu erzeugen. Aufgrund des nicht stöchiometrischen Betriebes bei Volllast kann der Sauerstoffsensor (der entweder ein „Fett” oder ein „Mager”-Signal erzeugt) nicht als Indikator des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet werden. Deshalb wird unter Volllast-Bedingungen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht in einem geschlossenen Regelkreis gesteuert.
Die vorliegende Erfindung 900 verwendet das Ionisationssignal, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erkennen, das bei Volllast das höchste Drehmoment oder den höchsten BMEP ergibt. Gleichzeitig wird ein Regler mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu regulieren, wenn der Motor mit Volllast betrieben wird. Zusätzlich wird der Zündzeitpunkt für die entsprechenden Bedingungen auf seinen frühesten Zeitpunkt für den Zeitpunkt des besten Drehmoments (MBT) optimiert.
Die Erkennung des optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast schließt das Optimieren des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast ein. Wenn ein Motor mit Volllast betrieben wird, ist es wünschenswert, dass der Motor den höchsten BMEP (das höchste Drehmoment) ausgibt, um den Drehmomentanforderungen zu genügen. Der höchste BMEP bei jedem Motorbetriebszustand hängt nicht nur vom Zündzeitpunkt ab, sondern auch vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis, wenn zugelassen wird, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht. Wenn ein geeigneter Zündzeitpunkt für den Betriebszustand gefunden wurde, wird mit Hilfe der effizientesten Verbrennung der höchste BMEP erzeugt. Die beste Verbrennungseffizienz kann erreicht werden, wenn das brennbare Gemisch seine schnellste laminare Flammgeschwindigkeit erreicht. Bei den meisten Kraftstoffen tritt die schnellste laminare Flammgeschwindigkeit gewöhnlich bei einem Äquivalenzverhältnis Φ gleich 1,1 ein (wobei λ als Umkehrwert von gleich 0,9 ist). Der Luftüberschussfaktor λ ist ein Faktor, der den Umfang angibt, zu dem ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis über oder unter einem stöchiometrischen Gemisch liegt.
Folglich ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch stöchiometrisch, wenn λ = 1,0. Bei λ = 1,3 liegt das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei 130% des stöchiometrlschen Verhältnisses oder 30% über dem stöchiometrischen Verhältnis.
Da ein Sauerstoffsensor (der entweder ein „Fett” oder ein „Mager”-Schaltsignal erzeugt) von wenig Nutzen ist, wenn man versucht, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu messen, das weit vom stöchiometrischen Gemisch entfernt ist, verwenden bestehende Technologien eine Steuerstrategie mit offenem Regelkreis und umfangreichen Kalibrierungsaufwand, wenn ein Motor bei Volllast arbeitet. Um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast-Bedingungen in einem geschlossenen Regelkreis zu steuern, wird ein Sensor benötigt, der eine effiziente Verbrennung erkennen kann.
11 stellt ein übliches, von einer Zündkerze 14 im Inneren einer Brennkammer erkanntes Ionisationssignal 100 dar. Die Figur zeigt eine Kurve des Ionisationssignals 100 sowohl während des Ladens der Zündung 141 als auch nach dem Laden der Zündung 143. Nach dem Funkendurchschlag wird im Elektrodenabstand ein Flammenkern gebildet. Der erste Höchstpunkt 162 des Ionisationssignals 100 wird als Ergebnis der ersten Flammenbildung erzeugt. Die durch die Flammenbildung verursachte chemische Reaktion erhöht die Anzahl der im Zylinder vorhandenen Ionen. Nachdem der Flammenkern ganz aufgebaut ist, pflanzt sich die Flammenfront ausgehend vom Elektrodenabstand allmählich fort und das Ionisationssignal 100 fällt allmählich ab. Unterdessen drückt die Flammenfront unverbrannte und verbrannte Gase vor und hinter sich zusammen und bewirkt damit, dass die örtliche Temperatur in der Nähe des Elektrodenabstands zusammen mit dem Zylinderdruck ansteigt. Da das Gemisch in der Nähe des Elektrodenabstandes der erste Teil des Gemisches ist, der im Zylinder verbrannt wird, und der erste Teil des verbrannten Gemisches ist, der im Zylinder zusammengepresst wird, ist die örtliche Temperatur des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Elektrodenabstand stets am höchsten. Während sich die Flamme von diesem weg fortpflanzt, beginnt das Ionisationssignal 100 infolge der erhöhten Temperatur wieder anzusteigen. Wenn der Zylinderdruck seinen Höchstpunkt erreicht, erreicht auch die Temperatur im Elektrodenabstand ihren Höchstpunkt. Deshalb tritt der zweite Höchstpunkt 166 des Ionisationssignals 100 als Ergebnis der sekundären Ionisation aufgrund der hohen Temperatur ein.
Die US-Patentschrift Nr. 6,029,627 offenbart, dass der erste Höchstpunkt 162 seinen höchsten Wert erreicht, wenn der Luftüberschussfaktor λ zwischen 0,9 und 0,95 liegt. Des Weiteren erreicht der zweite Höchstpunkt 166 seinen höchsten Wert, wenn λ etwa 1,1 beträgt. Bei einem Zustand geringer Last erreicht der erste Höchstpunkt 162 mit größter Wahrscheinlichkeit seinen Höchstpunkt bei etwa λ = 0,9, wie in 14 dargestellt. Wenn jedoch die Motorlast größer wird, steigt der erste Höchstpunkt 162, während λ über 0,9 steigt. Der Anstieg des ersten Höchstpunkts 162 erfolgt durch die vermehrte Dissoziation von Kohlenstoffarten, die durch höhere Temperaturen infolge der erhöhten Last verursacht wird. Des Weiteren erreicht der zweite Höchstpunkt 166 seinen höchsten Wert üblicherweise nicht bei etwa λ = 1,1, wie in der US-Patentschrift Nr. 6,029,627 beschrieben, sondern tritt stattdessen bei etwa λ = 0,9 ein.
Bei etwa λ = 0,9 sind sowohl die Flammengeschwindigkeit als auch die Flammentemperatur am höchsten. Die höchste Flammengeschwindigkeit zeigt den effizientesten Verbrennungsvorgang an. Das Auftreten und die Lage des zweiten Höchstpunktes 166 hängen von verschiedenen Lasten, Zündfunken und Luft-Kraftstoff-Verhältnissen ab und können bei einigen Betriebszuständen möglicherweise überhaupt nicht auftreten. Bei Volllast-Bedingungen tritt jedoch der zweite Höchstpunkt 166 immer dann auf, wenn das Gemisch fetter als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
Das Maximieren entweder des Tiefstwertes 164 oder des zweiten Höchstwerts 166 im Verhältnis zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann als Kriterium verwendet werden, um den dynamischsten Verbrennungszustand zu bestimmen. Dieser Zustand tritt gewöhnlich ein, wenn λ zwischen 0,9 und 0,925 beträgt. Aus 15 und 17 wird ersichtlich, dass dieses Kriterium auch gilt, wenn für jedes Luft-Kraftstoff-Verhältnis der früheste Zeitpunkt für den MBT-Zeitpunkt verwendet wird. In 17 liegt der zweite Höchstpunkt 166 bei etwa 2,6 Volt, wenn λ zwischen 0,9 und 0,925 beträgt, und der Tiefstpunkt 164 liegt bei etwa 1,3 Volt. Sowohl der zweite Höchstpunkt 166 als auch der Tiefstpunkt 364 sind Maximalwerte. Dieses Kriterium gilt, wenn ein fester Zündzeitpunkt für den Volllast-Zustand mit 1500 U/min und den Volllast-Zustand mit 2000 U/min verwendet wird, wie in 14 beziehungsweise in 16 dargestellt ist.
Um die Robustheit der Fähigkeit zur Erkennung des optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (AFR) zu verbessern, werden die Werte des Tiefstpunktes 164 und des zweiten Höchstpunktes 166 kombiniert, um das optimale Luft-Kraftstoff-Verhältnis während des Betriebes mit Volllast zu schätzen. K_AFR = (W_Tiefstpunkt + W_{2·Höchstpunkt})/2, (Gleichung 1)
W_Tiefstpunkt + W_{2·Höchstpunkt} ist in 17 graphisch dargestellt. Er erreicht bei etwa λ = 0,9 ein Maximum.
Algorithmus zur Echtzeitsteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses: Es ist zu beachten, dass der Index des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses K_AFR für ein spezifisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis keine Information darüber bereitstellt, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, mit dem der Motor betrieben wird, optimal ist oder nicht Um das bevorzugte Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Betrieb mit Volllast zu bestimmen, wird eine vollständige Beziehung zwischen K_AFR und Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwendet. Diese Beziehung hängt jedoch von vielen Faktoren ab, wie etwa von den Schwankungen von Motor zu Motor, der Motoralterung, den Motorbetriebsbedingungen (Höhe über Normal-Null, Feuchtigkeit usw.). Demzufolge ist es schwierig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für Volllast-Zustände mit Hilfe einer lokalen Optimierung zu optimieren.
Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung optimiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast prozessintern unter Verwendung der Beziehung zwischen K_AFR und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast. Ähnlich einem System zur Steuerung eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im geschlossenen Regelkreis wird zum gewünschten mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Störeinfluss (oder Versatz) addiert. Siehe dazu 18, wo Δ_AFR und T_St die Größe bzw. die Dauer des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Störeinflusses oder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Versatzes darstellen. Der übliche Wert der Störeinflussgröße Δ_AFR beträgt 0,05 und die übliche Störeinflussdauer liegt zwischen einer viertel Sekunde und einer halben Sekunde bei einem 50%igen Arbeitszyklus. Ein Gradientenparameter der Optimalsteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast kann definiert werden als: P_AFR = (K_AFR(H) – K_AFR(N))/Δ_AFR (Gleichung 2), wobei der Luft-Kraftstoff-Verhältnisindex K_AFR(H) dem maximalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisindex entspricht, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Addieren von Δ_AFR gestört wird, und K_AFR(N) dem minimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisindex entspricht, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Subtraktion von Δ_AFR gestört wird. In einem üblichen Fall, in dem λ nominal 0,925 mit Δ_AFR gleich 0,05 beträgt, wenn der Motor bei 3000 U/min mit Volllast läuft, beträgt K_AFR(H) 1,85 und K_AFR(N) 1,95. Da der Luft-Kraftstoff-Verhältnisindex K_AFR eine konvexe Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist (siehe 16 und 17), bestehen drei mögliche Verhältnisgradienten für P_AFR (Siehe 19):
P_AFR > 0: Das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors in Bezug auf das optimale Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast ist fett.
P_AFR = 0: Das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors ist für das beste Drehmoment optimiert und
P_AFR < 0: Das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors in Bezug auf das optimale Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast ist mager.
In einer bevorzugten Ausführungsform justiert die Echtzeitsteuerstrategie das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors auf der Basis des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Gradientenparameters. Während des Betriebes mit Volllast wird der Korrekturfaktor des gewünschten mittleren Luftüberschusses des Motors λ aktualisiert mit Hilfe von: Δλ_gewünscht(k + 1)Δλ_gewünscht(k) + α·P_AFR (Gleichung 3), wobei α > 0 ein kalibrierbarer konstanter Koeffizient für den Echtzeitoptimierungsalgorithmus ist. Wenn in diesem Fall P_AFR größer als 0 ist (das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist), wird eine positive Korrektur (αP_AFR > 0) zum Korrekturfaktor des gewünschten mittleren Luftüberschusses (Δλ_gewünscht) addiert, indem die gewünschte Kraftstoffmenge verringert wird, um das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors zu erhöhen, wodurch der Prozentsatz an Luft ansteigt. Wenn P_AFR kleiner als 0 ist (das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist), wird eine negative Korrektur (αP_AFR < 0) addiert, um den Korrekturfaktor des gewünschten mittleren Luftüberschusses Δλ zu verringern, wodurch die gewünschte Kraftstoffmenge erhöht und der Prozentsatz an Luft verringert wird. Wenn P_AFR gleich 0 ist, ist keine Justierung erforderlich.
20 ist ein Diagramm des oben beschriebenen Verfahrens zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast (WOT). Jeder Schritt ist mit einer Nummer versehen und die Einzelheiten sind nachfolgend beschrieben. In Schritt 910 werden die Werte des Tiefst- und des zweiten Höchstpunktes ermittelt. Insbesondere der Wert des Tiefstpunktes 164 und der Wert des zweiten Höchstpunktes 166 werden unter Verwendung des Ionisationssignals berechnet wie in „Erkennung des optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast” beschrieben, wobei die Definition des Tiefstpunktes 164 und des zweiten Höchstpunktes 166 in den 14 und 16 zu sehen ist. Dieser Schritt wird bei jedem Zündereignis aktualisiert.
In Schritt 920 werden K_AFR(H) und K_AFR(N) unter Verwendung der Gleichung 1 berechnet. Wie in 18 beschrieben, wird ein positiver oder ein negativer Störeinfluss zum Korrekturfaktor des gewünschten mittleren Luftüberschusses M addiert. Wenn der positive Störeinfluss addiert wird, wird K_AFR(H) berechnet und wenn der negative Störeinfluss hinzugefügt wird, wird K_AFR(N) berechnet. Die Mittelwerte von K_AFR(H) und K_AFR(N) einer Störeinflussperiode werden als Ausgabe dieses Schrittes verwendet. Deshalb wird dieser Schritt bei jedem Zündereignis durchgeführt, die Ausgabe erfolgt jedoch zu jeder Störeinflussperiode (T_St). Bei Motoren mit Saugrohreinspritzung wird wegen der Kraftstofftransportverzögerung die Berechnung verzögert, bis der Übergang vollzogen ist.
In Schritt 930 wird der Steuergradient des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses P_AFR berechnet. Dieser Schritt wird in jedem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Störeinflusszyklus durchgeführt. Um sicherzustellen, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast bei einer gegebenen Motordrehzahl optimiert wird, berechnet dieser Schritt P_AFR, wenn die Abweichung der Motordrehzahl innerhalb eines kalibrierbaren Wertes liegt.
In Schritt 940 wird der aktualisierte Korrekturfaktor des gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses Δλ_gewünscht(k + 1) mit Hilfe der Gleichung 2 berechnet. Dieser Schritt wird in jeder Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Störeinflussperiode durchgeführt. In Fällen, in denen P_AFR aufgrund größerer Schwankungen der Motordrehzahl nicht berechnet wird, sollte Δλ_gewünscht(k + 1) auf Null gesetzt werden.
In Schritt 950 wird der Optimalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ_OPTM berechnet. Der Optimalwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basiert auf einer Nachschlagetabelle, die eine Funktion der Motordrehzahl 135 und anderer Faktoren ist. Diese Tabelle stellt im offenen Regelkreis ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis für das Motorsystem bereit. Gewöhnlich wird diese Tabelle durch den Motorkalibrierungsvorgang gewonnen. Der herkömmliche Kalibrierungsvorgang zum Gewinnen der Optimalwerttabelle besteht darin, die Motordrehmomentleistung bei Volllast als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei jeder gegebenen Motordrehzahl abzubilden. Dann kann die Optimalwerttabelle durch Auswählen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, das der maximalen Drehmomentleistung bei Volllast bei verschiedenen Motordrehzahlen zugeordnet ist, gewonnen werden. Für das Steuersystem mit adaptiver Lernfähigkeit, z. B. Schritt 960, wird die Optimalwerttabelle unter Verwendung des berechneten Δλ_gewünscht(k + 1) aktualisiert, um Schwankungen von Motor zu Motor, Motoralterung usw. auszugleichen.
In Schritt 960 wird die Optimalwertsteuerung OPTM aktualisiert. Dieser Schritt aktualisiert den Optimalwertsteuerungsabschnitt für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei Volllast. Der Schritt berechnet die Differenz zwischen der aktuellen Optimalwertausgabe und dem letztlich gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis Δλ_gewünscht(k + 1) und verwendet die Differenz, um die Optimalwerttabelle allmählich zu aktualisieren. Ein Motordrehzahlsignal 135 wird von einem im Motor 161 angeordneten Motordrehzahlsensor 136 empfangen. Die Motordrehzahl wird als Eingabe in die Optimalwertnachschlagetabelle verwendet. Dieser Schritt wird in jeder Störeinflussperiode durchgeführt.
In Schritt 970 wird das Kraftstoffbedarfssignal berechnet. Dieser Schritt berechnet das Kraftstoffbedarfssignal auf der Basis des gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ_gewünscht(k + 1), wobei Δλ_gewünscht(k + 1) gleich Δλ_gewünscht(k + 1) + λ_OPTM ist, und auf der Basis des aktuellen Luftdurchsatzes des Motors m_LUFT 137, der von einem im Motor 161 angeordneten Luftmassensensor 138 empfangen wird. Der gewünschte Kraftstoffdurchsatz m_KRAFTSTOFF(k + 1) ist gleich dem aktuellen Luftdurchsatz des Motors m_LUFT dividiert durch das gewünschte Luft-Kraftstoff-Verhältnis Δλ_gewünscht(k + 1). Dieser Schritt aktualisiert den Motorkraftstoff, der bei jedem Motorverbrennungsereignis angefordert wird, oder er wird in der gleichen Geschwindigkeit ausgeführt, mit der der Kraftstoffzufuhrschritt abläuft.
Ein Ziel des vorliegenden Steuerungsverfahrens besteht darin, den Gradienten des optimalen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses P_AFR auf Null zu halten. Mit Hilfe der konvexen Eigenschaft von K_AFR als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei Volllast sollte dieses Gradientenannäherungsverfahren mit einem korrekt kalibrierten α zusammenlaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schritte (oder Befehle) in 20 und 21 in einer Software oder Firmware 107 gespeichert 900, die im Speicher 111 (siehe 22) angeordnet ist. Die Schritte werden von einem Regler 121 ausgeführt. Der Speicher 111 kann auf dem Regler oder getrennt vom Regler 121 angeordnet sein. Der Speicher 111 kann ein RAM, ein ROM oder ein beliebiges von vielen anderen Formen von Speichermitteln sein. Der Regler 121 kann ein Prozessor, ein Mikroprozessor oder ein beliebiges von vielen anderen Formen digitaler oder analoger Verarbeitungsmittel sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Regler die Motorsteuereinheit (Engine Control Unit, ECU) 121.
Die ECU 121 empfängt von einem Ionisationserkennungsschaltkreis 10 ein Ionisationssignal 100. Die ECU 121 führt die im Speicher 111 gespeicherten Befehle aus, um ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen. Sie gibt dann den gewünschten Kraftstoffbedarf 975 an eine Form eines Kraftstoffsteuermechanismus aus, wie etwa an ein im Motor 161 angeordnetes Kraftstoffeinspritzventil 151.
Abschnitt E: KALTSTART-ZÜNDVERZÖGERUNGSTEUERUNG MIT GESCHLOSSENEM REGELKREIS UNTER VERWENDUNG DER IONISATIONSRÜCKKOPPLUNG
Die durch Kraftfahrzeugabgas entstehende Luftverschmutzung wird teilweise durch Kohlenwasserstoff-(HC)-Emissionen verursacht. Um diese Schadstoffe durch Umwandeln von gesundheitsschädlichen Materialien in unschädliche Materialien zu verringern, wird in einem Verbrennungsmotor ein Katalysator verwendet. Da der Katalysator nicht funktioniert, wenn die Temperatur des Katalysators unter seinem Betriebspunkt liegt, werden etwa 70% der Kohlenwasserstoffemissionen im FTP-Zyklus während des Kaltstarts erzeugt, wenn die Temperatur des Katalysators unter seinem Betriebspunkt liegt. Es wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um den Katalysator während des Kaltstarts schnell aufzuheizen (oder die Anspringtemperatur des Katalysators schnell zu erreichen). Eine Möglichkeit ist das Verzögern (oder Hinausschieben) der Zündzeit (oder des Zündzeitpunktes), um die Abgastemperatur zu erhöhen. Infolgedessen heizt sich der Katalysator während des Kaltstarts schnell auf und die HC-Emission wird verringert. Da die Zündverzögerung durch Teilverbrennung und Fehlzündung begrenzt ist, wird die Kalibrierung der Zündverzögerung für den Kaltstart im offenen Regelkreis langsam und konservativ ausgeführt. Diese Konservativität der Kalibrierung im offenen Regelkreis beruht hauptsächlich auf den Schwankungen von Motor zu Motor, auf der Motoralterung, den Schwankungen in den Betriebszuständen usw.
Das Zündverzögerungssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet einen Zündverzögerungsregler mit geschlossenem Regelkreis, um die Zündverzögerungsgrenze des Motors während eines Kaltstarts zu justieren. Ziel ist es, einen Motor während eines Kaltstarts ohne Teilverbrennung und Fehlzündung an seiner Verzögerungsgrenze zu betreiben, um die zum schnellen Aufheizen des Katalysators benötigte Zeit zu verringern. Daher wird die Verwendung einer Zündverzögerung zum schnellen Aufheizen eines Katalysators während eines Kaltstarts maximiert und die HC-Emission während eines Kaltstarts verringert.
Das in Abschnitt E beschriebene Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst ein Teilsystem des in 13 offenbarten Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems, das einen Ionisationsrückkopplungsstrom verwendet, um die Katalysatortemperatur schnell zu erhöhen. Die Beziehung des Teilsystems zum Zünddiagnose- und Steuersystem ist in 13 dargestellt, wobei die Kaltstart-Zündverzögerungssteuerung als Logikblock 1000 markiert ist. Das Verfahren umfasst die Verwendung eines geschlossenen Regelkreises zum Steuern der Zündverzögerungszeitpunktes während eines Kaltstarts des Motors, um den Zündzeitpunkt des Motors ohne Motorfehlzündung und mit einer minimalen Teilverbrennung so lange wie möglich zu verzögern. Die erhöhte Abgastemperatur heizt den Katalysator schnell auf, was im Ergebnis die HC-Emissionen verringert.
Das erfindungsgemäße Kaltstart-Zundverzögerungssteuersystem mit geschlossenem Regelkreis 1000 unter Verwendung eines Ionisationsrückkopplungsregelkreises 1010 ist in 23 dargestellt. Ein Kaltstartfreigabekennzeichen 1020 (oder -befehl oder -signal) wird verwendet, um die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis freizuschalten (oder zu aktivieren). Das Freigabekennzeichen 1020 wird erzeugt, wenn die Katalysatortemperatur (gemessen oder geschätzt) einen Schwellenwert 1015 übersteigt. Die übliche Größenordnung des Grenzwertes liegt bei etwa 400°C.
Als Eingaben in den geschlossenen Regelkreis 1010 können einige oder alle der nachfolgend beschriebenen Signale dienen, zu denen ein Teilverbrennungsindex 1030, ein Fehlzündungsindex 1040, die Motordrehzahl (U/min) 135, die Motorlast 1060 und die Temperatur des Kühlmittels im Motor 1070 gehören. Des Weiteren sind diese Eingaben in den Regelkreis nicht auf diese Signale beschränkt, sondern können in weiteren Ausführungsformen zusätzliche Eingaben umfassen. Das Teilverbrennungsindexsignal 1030 wird während eines Parameterschätzvorganges zur Fehlzündungserkennung gewonnen. Das Fehlzundungsindexsignal 1040 wird während einer Berechnung zur Fehlzündungserkennung durch Integration des Ionenstromes während des Verbrennungsvorgangs und/oder durch Integration des Höchstwertes des Ionisationsstroms während der Verbrennung gewonnen. Für die Fehlzündungsberechnung wird ein Schwellenwert verwendet. Die aktuelle Motordrehzahl 135 wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen. Die Motorlast 1060 wird als Prozentsatz der maximalen Last, der Kraftstoffzufuhr oder des indizierten Mitteldrucks (Indicated Mean Effective Pressure, IMEP) berechnet. Das Temperatursignal des Motorkühlmittels 1070 ist ein konditioniertes Temperatursignal des Motorkühlmittels.
Das Ausgabesignal des geschlossenen Regelkreises ist das Kaitstartzündsignal 1080, bei dem es sich um ein Zündzeitpunktsignal handelt, das eine Zündkerze bei einem Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt (Crank Angle After Top Dead Center, CATDC) zündet. Gewöhnlich wird die Zündkerze in einem Zylinder zum MBT-Zeitpunkt gezündet, der gewöhnlich vor dem oberen Totpunkt liegt. Der Zündzeitpunkt kann jedoch verzögert (oder hinausgeschoben) werden, was bewirkt, dass die Zündkerze zu einem verzögerten Zeitpunkt zündet (z. B. nach dem oberen Totpunkt), um die Abgastemperatur zu erhöhen, wodurch sich der Katalysator schnell aufheizt.
Die Kaltstart-Zündverzögerungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung einer Ionisationsstromrückkopplung 1010 besteht aus vier Hauptkomponenten oder -funktionen (siehe 23), zu denen ein Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100, ein Verarbeitungsblock der proportional-integralen (PI-)Steuerung 1200, ein Standardzündzeitpunktprozessor 1210 und eine adaptive Lernvorrichtung 1220 gehören. Diese sind nachfolgend mit ausführlichen Beschreibungen aufgeführt.
23 stellt die vier Hauptkomponenten des Reglers mit geschlossenem Regelkreis (GR) 1010 der vorliegenden Erfindung dar. Die erste ist der Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100. Das Teilverbrennungsindexsignal 1030 und das Fehlzündungsindexsignal 1040 sind Eingaben in den Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100 ein Prozessor, ein Mikroprozessor oder jede beliebige Form eines Verarbeitungsmittels sein. Der Fehlzündungsindex wird in Abschnitt A der vorliegenden Anmeldung unter Verwendung des Ionisationsstromsignals berechnet und der Teilverbrennungsindex kann mit Hilfe der Informationen berechnet werden, die während des Fehlzündungserkennungsvorgangs berechnet werden, wie etwa die Flächenintegration des Ionisationsstroms über das Brennintervall und des Höchstwertes über das Brennintervall. Durch Setzen exakter Schwellenwerte, die höher als die der Fehlzündung sind, kann durch Vergleichen der Schwellenwerte und der berechneten Werte der Teilverbrennungsindex gewonnen werden. Der Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100 gibt zwei Signale aus, GR_Abweichung 1090 und GR_Zuwachs 1095, wobei GR_Zuwachs sowohl aus dem proportionalen als auch aus dem integralen Zuwachs besteht. Die Signale GR_Abweichung 1090 und GR_Zuwachs 1095 können jeder beliebige der drei Ausgabewerte „minus Eins”, „Eins” und ein „kalibrierbarer positiver Wert” sein, die vom Status des Teilverbrennungsindex und des Fehlzündungsindex abhängen.
Das Teilverbrennungsindexsignal 1030 und das Fehlzündungsindexsignal 1040 werden in den Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100 eingegeben (siehe 24), der den Status der Signale überprüft 1115. Sind sowohl der Teilverbrennungsindex 1030 als auch der Fehlzündungsindex 1040 inaktiv 1120, wird das Abweichungssignal im geschlossenen Regelkreis GR_Abweichung 1090 auf „Eins” gesetzt, der proportionale Zuwachs des Zuwachssignals im geschlossenen Regelkreis GR_Zuwachs 1095 wird auf „Null” gesetzt, während der integrale Zuwachs von GR_Zuwachs auf einen kalibrierbaren positiven Wert gesetzt wird 1130. Die übliche Größenordnung des kalibrierbaren positiven Wertes liegt zwischen 0,01 und 2. Als Reaktion auf diese Eingaben bewegt der Verarbeitungsblock der proportional-integralen (PI-)Steuerung 1200 das Ausgabesignal der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis 1080 in die Verzögerungsrichtung 1140 und verzögert damit den Zündzeitpunkt. Somit wird die Zündung der Zündkerze für diesen Zylinder hinausgeschoben, was bewirkt, dass die Zündkerze bei einem verzögerteren Kurbelwellenwinkel als beim vorhergehenden Zündereignis gezündet wird. 25a zeigt, wie das Steuerverfahren in diesem Falle arbeitet.
Wenn der Teilverbrennungsindex aktiv und der Fehlzündungsindex inaktiv ist 1150, wird GR_Abweichung 1090 auf „minus Eins” und der proportionale Zuwachs von GR_Zuwachs 1095 auf „Null” gesetzt, während der integrale Zuwachs von GR_Zuwachs 1095 auf einen kalibrierbaren positiven Wert in einer ähnlichen Größenordnung wie in Fall 1 gesetzt wird 1160. Als Reaktion auf diese Eingaben bewegt die Steuerausgabe 1205 des Verarbeitungsblocks der proportional-integralen (PI-)Steuerung 1200 das Zündzeitpunktausgabesignal 1080 in die Zündvorverlegungsrichtung 1170. Somit wird die Zündung der Zündkerze für diesen Zylinder vorverlegt, was bewirkt, dass die Zündkerze vor dem bisherigen Zündzeitpunkt gezündet wird. 25b zeigt, wie das Steuererfahren in diesem Falle arbeitet.
Wenn das Fehlzündungsindexsignal 1040 aktiv ist, wird GR_Abweichung 1090 auf „minus Eins” und der proportionale Zuwachs von GR_Zuwachs 1095 auf „Null” gesetzt, während der integrale Zuwachs von GR_Zuwachs 1095 auf einen kalibrierbaren positiven Wert gesetzt wird, der größer ist als in den Fällen 1 und 2. Die Obergrenze des kalibrierbaren positiven Wertes kann 4 erreichen, um im nächsten Verbrennungsereignis eine Fehlzündung zu vermeiden. Als Reaktion auf diese Eingaben addiert der Verarbeitungsblock der proportional-integralen (PI-)Steuerung 1200 einen kalibrierbaren negativen Wert (oder Versatz, z. B. –5 Grad) zum PI-Integrator, was bewirkt, dass dessen Steuerungsausgabe 1205 das Zündzeitpunktausgabesignal 1080 in die Zündvorverlegungsrichtung bewegt, um eine Fehlzündung zu vermeiden, und entweder zu Fall 1 oder zu Fall 2 zurückkehrt (1195). Wenn eine Fehlzündung auftritt, wird der PI-Integrator durch Addieren einer kalibrierbaren Zündvorverlegung (negativer Wert) auf das bestehende Integratorregister zurückgesetzt, um die Fehlzündung schnell zu eliminieren. 25c zeigt, wie das Steuerverfahren in diesem Falle arbeitet.
Somit umfasst das allgemeine Verfahren der vorliegenden Erfindung das Steuern des Zündzeitpunktes des Motors an seiner Verzögerungsgrenze. Das heißt, der Motor wird mit einer maximal zulässigen Verzögerungszeit ohne Fehlzündung und mit minimaler Teilverbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches betrieben. Daraus folgt: 1) wenn im Motor keine Teilverbrennung erfolgt, bewegt sich der Zündzeitpunkt mit einer bestimmten Geschwindigkeit in die Verzögerungsrichtung 1140, wie etwa mit einem viertel Grad Kurbelwellenwinkel pro Verbrennungsereignis, 2) wenn der Zündzeitpunkt im Bereich der Teilverbrennung liegt, bewegt sich der Zündzeitpunkt mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die der im Fall 1 ähnlich ist, in die Vorverlegungsrichtung 1170, und 3) wenn eine Fehlzündung stattfindet, wird eine Korrektur zum PI-Integrator addiert, um den Zündzeitpunkt schnell in die Vorverlegungsrichtung zu lenken, um weitere Fehlzündungen zu vermeiden 1195.
Die zweite Hauptkomponente ist der Verarbeitungsblock der proportional-integralen (PI-)Steuerung 1200. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur der integrale Abschnitt des PI-Reglers 1200 oder der Integralregler 1200 für die Kaltstart-Zündverzögerungssteuerung im geschlossenen Regelkreis verwendet. Sowohl der integrale Zuwachs GR_Zuwachs 1095 als auch die integrale Abweichung GR_Abweichung 1090 werden vom Abweichungs- und Zuwachsgenerator 1100 für den PI-Regler 1200 bereitgestellt.
Die dritte Hauptkomponente ist der Standardzündzeitpunktprozessor 1210. Der Standard- oder Referenz-)zündzeitpunkt ist in einer Nachschlagetabelle 1213 gespeichert, die eine Funktion der Motordrehzahl 135, der Motorlast 1060, der Temperatur des Motorkühlmittels im Motor 1070 und anderer Faktoren ist. Sie kann aus dem Motorkalibrierungsvorgang gewonnen werden. Die Nachschlagetabelle 1213 kann in einem Speicher im Standardzündzeitpunktprozessor 1210 gespeichert sein oder auf einem separaten Speicherchip. Aufgrund des adaptiven Lernmerkmals dieses Prozessors oder Reglers 1210 wird die Standardzündzeitpunkttabelle 1213 durch die Eingabe 1225 (das adaptive Lernausgabesignal) von der adaptiven Lernvorrichtung 1220 modifiziert, so dass das Standard-(oder Referenz-)zündzeitpunktsignal 1215 durch den Standardzündzeitpunktprozessor 1210 oder Zeitpunktprozessor 1210 ausgeglichen wird, um den Schwankungen von Motor zu Motor, der Motoralterung und anderen entsprechenden Faktoren Rechnung zu tragen. Die Ausgabe der Standardzündzeitpunktvorrichtung 1210 ist das Referenzsignal 1215, das durch den Summierer 1230 mit der Ausgabe 1205 des PI-Reglers 1200 zusammengefasst wird, um das Kaltstart-Zündsignal 1080 zu erzeugen.
Die vierte Hauptkomponente ist die adaptive Lernvorrichtung 1220. Die adaptive Lernvorrichtung 1220 vergleicht (im Komparator 1224) das aktuelle Kaltstart-Zündzeitpunktausgabesignal ZZ_AKTUELL 1080 (oder das aktuelle Zündzeitpunktsignal 1080 oder das aktuelle Zündzeitpunkt-Korrektursignal 1080) mit einem Kaltstart-Standardzündzeitpunktsignal ZZ_STANDARD 1221, das auf der Basis der gegenwärtigen Betriebszustände des Motors (135, 1060, 1070) aus einer Nachschlagetabelle 1223 erzeugt wird, wobei beide Signale als Eingabe in den adaptiven Lernblock 1220 dienen. Die Nachschlagetabelle 1223 kann in einem Speicher gespeichert sein, der in einem Prozessor 1222 angeordnet ist, oder auf einem separaten Speicherchip. Wenn der Motorbetriebszustand nahe einer Stützstelle der Standardzündzeitpunkttabelle 1223 liegt, wird der Wert des Zündzeitpunktes ZZ_TABELLE(ALT) der Nachschlagetabelle 1223 an diesem speziellen Punkt ZZ_TABELLE mit Hilfe der folgenden Formel durch ZZ_TABELLE(NEU) ersetzt: ZZ_TABELLE(NEU) = ZZ_TABELLE(ALT) + β·(ZZ_AKTUELL – ZZ_STANDARD) 1226, wobei β ein kalibrierbarer positiver Koeffizient mit einem üblichen Wert von 0,02 ist. Um die Leistungsfähigkeit des adaptiven Algorithmus aus Sicherheits- und anderen Gründen zu begrenzen, kann die maximal mögliche Abweichung des Werts ZZ_TABELLE(NEU) 1226 von der Standardkalibrierung nicht größer sein als eine kalibrierte Gradzahl des Kurbelwellenwinkels. Wenn die Abweichung des berechneten ZZ_TABELLE(NEU) 1226 die Grenze übersteigt, wird der Grenzwert als ZZ_TABELLE(NEU) 1226 verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die adaptive Lernvorrichtung 1220 einen Prozessor 1222, einen Komparator 1224 und eine in einem Speicher gespeicherte Software, die Befehle 1227 umfasst (wobei es sich um den gleichen Speicher 1223 handeln kann, in dem die Tabelle 1223 gespeichert ist, oder um einen anderen Speicher).
Die Standardzündzeitpunkt-Nachschlagetabelle ist in 26 zu sehen. Die Betriebszustände umfassen die Motordrehzahl (U/min) 135, die Motorlast 1060 und die Kühlmitteltemperatur 1070. Die adaptive Lernvorrichtung 1220 bildet zusammen mit dem Standardzündzeitpunktprazessor 1210 den Rückkopplungsabschnitt 1217 oder Rückkopplungsregler 1217 des geschlossenen Regelkreises 1010.
Abschnitt F: ROBUSTES MEHRKRITERIEN-SCHÄTZUNGSVERFAHREN FÜR DEN MBT-ZEITPUNKT UNTER VERWENDUNG DES IONISATIONSSIGNALS
Ziel eines Zündsystems eines Verbrennungsmotors ist es, die Zündung zeitlich so zu regulieren, dass der Motor mit einem gegebenen Luft-Kraftstoff-Gemisch sein maximales Drehmoment erzeugt. Dieser Zündzeitpunkt wird als frühester Zeitpunkt für das beste Drehmoment oder als MBT-Zeitpunkt bezeichnet. Das mittlere Drehmoment eines Verbrennungsmotors ist abhängig von vielen Faktoren, wie dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis, dem Zündzeitpunkt, der Ansauglufttemperatur, der Temperatur des Motorkühlmittels usw. Durch Festlegung aller Faktoren, die das mittlere Drehmoment eines Verbrennungsmotors beeinflussen, ist das mittlere Drehmoment eines Motors eine konvexe Funktion des Zündzeitpunktes, wenn der Zündzeitpunkt innerhalb eines bestimmten Bereiches schwankt, wobei der MBT-Zeitpunkt dem höchsten Punkt der konvexen Funktion entspricht. Wenn der Zündzeitpunkt im Verhältnis zum MBT-Zeitpunkt verzögert oder vorverlegt wird, wird das ausgegebene mittlere Drehmoment nicht maximiert. Daher stellt das Betreiben eines Verbrennungsmotors an seinem MBT-Zeitpunkt die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereit. Deshalb ist es wünschenswert, Kriterien zu finden, die verwendet werden können, um eine verlässliche Schätzung des MBT-Zeitpunktes für die Steuerung des Motorzündzeitpunktes im geschlossenen Regelkreis zu finden. Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Bestimmen des MBT-Zeitpunktes des Motors bei aktuellen Betriebszuständen unter Verwendung eines Zündkerzen-Ionisationssignals vor.
Anders als das Zylinderdrucksignal, das eine verhältnismäßig stabile Druckkurve bei allen Motorbetriebzuständen zeigt, kann sich die Wellenform eines Zündkerzen-Ionisationssignals bei verschiedenen Lasten, Drehzahlen, Zündzeitpunkten, Luft-Kraftstoff-Verhältnissen, Abgasrückführraten usw. verändern. Die Suche nach dem Ionisationshöchstpunkt nach der Zündung, der mit der Lage des Druckhöchstpunktes übereinstimmen sollte, ist nicht immer ein verlässliches Kriterium des MBT-Zeitpunktes, da dieser Höchstpunkt bei geringer Last, verzögertem Zündzeitpunkt, mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen oder höheren EGR-Raten nicht erscheint. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch den Einsatz eines robusten Mehrkriterien-Schätzungsverfahrens für den MBT-Zeitpunkt unter Verwendung verschiedener Ionisationssignalwellenformen, die bei verschiedenen Motorbetriebszuständen erzeugt werden.
Das Zündkerzen-Ionisationssignal 100 ist ein Messwert der Leitfähigkeit des örtlichen Brenngemisches zwischen den Zündkerzenelektroden während des Verbrennungsvorgangs. Das Signal 100 wird nicht nur durch die komplexen chemischen Reaktionen, die während der Verbrennung auftreten, beeinflusst, sondern auch durch die örtliche Temperatur und den Verwirbelungsstrom im Elektrodenabstand während des Vorgangs. Das Ionisationssignal 100 ist üblicherweise weniger stabil als das Zylinderdrucksignal, das ein Maß der gesamten Druckveränderungen im Zylinder ist.
Bislang basieren die nach dem Stand der Technik vorhandenen Steuerstrategien des MBT-Zeitpunktes überwiegend auf der Erkennung des Nachflammhöchstpunktes. Die Erkennung des Nachflammhöchstpunktes stimmt gewöhnlich mit der Lage des Druckhöchstpunktes überein. Es wurde erkannt, dass der MBT-Zeitpunkt eintritt, wenn der Druckhöchstpunkt bei etwa 15° nach dem oberen Totpunkt (After Top Dead Center, ATDC) liegt. Es wird angenommen, dass durch Vorverlegen oder Verzögern des Zündzeitpunktes bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der zweite Höchstpunkt des Ionisationssignals seinen Höchstpunkt bei etwa 15° ATDC erreicht, der MBT-Zeitpunkt gefunden wird.
Leider erscheint der zweite Höchstpunkt des Ionisationssignals 100 nicht bei allen Motorbetriebszuständen in der Wellenform des Ionisationssignals 100. Bei geringer Last, mageren Gemischen oder hohen EGR-Raten kann der zweite Höchstpunkt schwer zu erkennen sein. Unter diesen Umständen ist es meist unmöglich, den MBT-Zeitpunkt unter Verwendung des zweiten Höchstpunktes des Ionisationssignals 100 zu finden.
Die vorliegende Erfindung stellt mehrere MBT-Zeitpunkt-Kriterien auf, um die Verlässlichkeit und Robustheit der auf der Wellenform des Zündkerzen-Ionisationssignals 100 basierenden MBT-Zeitpunkt-Schätzung zu erhöhen. Deshalb optimiert das vorliegende Verfahren den Zündzeitpunkt, indem es aus dem Ionisationssignal entnimmt, wo im Zyklus das Verbrennungsereignis angeordnet ist, das dem MBT-Zeitpunkt entspricht.
11 zeigt ein übliches Ionisationssignal 100 im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel. Anders als die Wellenform des Drucksignals stellt die Wellenform des Ionisationssignals 100 tatsächlich mehr Einzelheiten des Verbrennungsvorgangs dar. Zum Beispiel zeigt die Wellenform des Ionisationssignals 100, wann ein Flammenkern gebildet wird und sich vom Elektrodenabstand fortpflanzt, wann die Verbrennung intensiv beschleunigt wird, wann die Verbrennung ihren Höchstpunkt der Verbrennungsgeschwindigkeit erreicht und wann die Verbrennung endet. Ein Ionisationssignal 100 besteht gewöhnlich aus zwei Höchstpunkten. Der erste Höchstpunkt 162 des Ionisationssignals 100 stellt Wachstum und Entwicklung des Flammenkerns dar und der zweite Höchstpunkt 166 wird durch die Reionisation infolge des Temperaturanstieges verursacht, der aus dem Druckanstieg im Zylinder resultiert.
Der Verbrennungsvorgang in einem Verbrennungsmotor 161 wird gewöhnlich mit Hilfe der Massenanteilverbrennung im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel beschrieben. Durch die Massenanteilverbrennung kann festgestellt werden, wann die Verbrennung ihren Höchstpunkt der Verbrennungsbeschleunigung und ihren Höchstpunkt der Verbrennungsgeschwindigkeit aufweist. Das Zuordnen dieser Ereignisse zu einem speziellen Kurbelwellenwinkel ermöglicht es, den effizientesten Verbrennungsvorgang zu erzielen. Mit anderen Worten kann durch diese Ereignisse der MBT-Zeitpunkt festgestellt werden. Der Wendepunkt 163 gleich nach dem ersten Höchstpunkt 162 kann dem maximalen Beschleunigungspunkt des Zylinderdrucksignals entsprechen. Dieser Punkt liegt gewöhnlich zwischen 10% und 15% verbrannten Massenanteils (siehe 27, Punkt 163 von Fall 1). Der Wendepunkt 165 direkt vor dem zweiten Höchstpunkt 166 des Ionisationssignals 100 entspricht in etwa dem maximalen Wärmeabgabepunkt des Zylinderdrucksignals und liegt bei etwa 50% verbrannten Massenanteils (siehe 27, Punkt 165 von Fall 1). Außerdem steht der zweite Höchstpunkt 166 mit dem Druckhöchstpunkt des Drucksignals in Beziehung oder entspricht diesem (siehe 27, Punkt 166 von Fall 1).
Zum MBT-Zeitpunkt liegt der maximale Flammenbeschleunigungspunkt am oberen Totpunkt (TDC). Es wurde festgestellt, dass die 50%ige Massenanteilverbrennung bei etwa 8–10° nach dem oberen Totpunkt (ATDC) liegt und der Druckhöchstpunkt bei etwa 15° ATDC, wenn ein Verbrennungsvorgang zum MBT-Zeitpunkt beginnt. Die Kombination aller drei einzelnen MBT-Zeitpunkt-Kriterien zu einem Kriterium erzeugt eine erhöhte Verlässlichkeit und Robustheit der MBT-Zeitpunkt-Prognose.
Die Fälle 1, 2 und 3 in 27 stellen drei Wellenformen dar, die das Ionisationssignal bei verschiedenen Motorbetriebszuständen annimmt (Fall 1 –1500 U/min, 2,62 bar BMEP, EGR = 0%; Fall 2 –1500 U/min, 2,62 bar BMEP, EGR = 15%; Fall 3 –3000 U/min, Volllast, Zylinder #3). Fall 1 stellt eine normale Wellenform dar, wobei beide Höchstpunkte 162, 166 in der Wellenform vorhanden sind. In Fall 2 erscheint der zweite Höchstpunkt nicht infolge der verhältnismäßig niedrigen Temperatur, die aus der hohen EGR-Rate, einem mageren Gemisch oder einem geringen Lastzustand oder aus einer Kombination dieser Faktoren entsteht. In Fall 3 verschmilzt der erste Höchstpunkt 162 mit dem Ionisationssignal infolge der längeren, auf den Kurbelwellenwinkel bezogenen Zünddauer, die aus einer verhältnismäßig konstanten Zünddauer bei hoher Motordrehzahl resultiert.
Die Punkte 162–166 in 28 sind wie folgt definiert 162 bezeichnet die Lage des ersten Höchstpunktes des Ionisationssignals; 163 bezeichnet den Punkt der maximalen Flammenbeschleunigung (zum MBT-Zeitpunkt nahe des oberen Totpunkts TDC oder diesem entsprechend); 164 bezeichnet die Lage des Tiefstpunktes des Ionisationssignals; 165 bezeichnet den Punkt der maximalen Wärmefreisetzung (entspricht dem Punkt 50%iger Verbrennung und liegt zum MBT-Zeitpunkt nahe bei 8–10° nach dem oberen Totpunkt ATDC) und 166 bezeichnet die Lage des zweiten Höchstpunktes (entspricht dem Höchstpunkt des Zylinderdrucks und liegt zum MBT-Zeitpunkt nahe bei 15–17° nach dem oberen Totpunkt ATDC).
In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die vorliegende Erfindung ein MBT-Zeitpunkt-Schätzkritertum, das eine Kombination des Punktes der maximalen Flammbeschleunigung 163, des Punktes 50%iger Verbrennung 165 und des zweiten Höchstpunktes 166 ist, die in den Fällen 1 bis 3 der 27 dargestellt sind.
Wenn die Wellenform des Ionisationssignals 100 die Wellenform von Fall 1 annimmt, werden wegen ihrer Verfügbarkeit alle drei MBT-Zeitpunkt-Kriterien verwendet. Das heißt: L_MBT = (L₁₆₃ + (L₁₆₅ – L_{50%VERBRENNUNG}) + (L₁₆₆ – L_PCP))/3, (Gleichung 1), wobei L_MBT die Lage des geschätzten MBT-Zeitpunktes ist, L₁₆₃ der Punkt der maximalen Flammenbeschleunigung ist, L₁₆₅ der Punkt der maximalen Wärmefreisetzung ist, L_{50%VERBRENNUNG} der Punkt des Drucksignals bei 50%iger Verbrennung ist, wenn der Motor beim MBT-Zeitpunkt betrieben wird, L₁₅₆ die Lage des zweiten Höchstpunktes ist und L_PCP der Punkt des Zylinderhöchstdrucks (Peak Cylinder Pressure, PCP) ist, wenn der Motor beim MBT-Zeitpunkt betrieben wird. L_{50%VERBRENNUNG} und L_PCP liegen üblicherweise bei 8–10° beziehungsweise 15–17° ATDC. Da sich der MBT-Zeitpunkt für L_{50%VERBRENNUNG} und L_PCP in Abhängigkeit von den Motorbetriebszuständen verändert, kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Nachschlagetabelle, die die Werte von L_{50%VERBRENNUNG} und L_PCP enthält, bei der Berechnung des gewünschten MBT-Punktes für die verschiedenen Betriebszustände verwendet werden.
Für Fall 2 ist das einzig verfügbare MBT-Kriterium Punkt 163. Deshalb wird Gleichung 1 reduziert auf: L_MBT = L₁₆₃ (Gleichung 2), wobei L_MBT der geschätzte MBT-Zeitpunkt ist.
Für Fall 3 sind die Punkte L₁₆₅ und L₁₆₆ verfügbar. Die Berechnung des MBT-Zeitpunktes verwendet beide Punkte L₁₆₅ und L₁₆₆, um die Lage des geschätzten Zeitpunktes wie folgt zu berechnen: L_MBT = ((L₁₆₅ – L_{50%VERBRENNUNG}) + (L₁₆₆ – L_PCP))/2(Gleichung 3).
Wie in Fall 1 können sowohl L_{50%VERBRENNUNG} als auch I_PCP als konstante Werte (d. h. 8–10° beziehungsweise 15–17°) gewählt werden oder es können die Ausgaben von Nachschlagetabellen verwendet werden, um Schwankungen aufgrund der Motorbetriebszustände Rechnung zu tragen. Die Nachschlagetabellen 113 können im Speicher 111 gespeichert sein. Es kann jede beliebige Form eines Speichers verwendet werden, wie z. B. ein RAM, ein ROM oder sogar eine analoge Speichereinheit, wie etwa ein Magnetband. Auf die Daten der Nachschlagetabelle kann ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein Regler, eine Motorsteuereinheit oder jedes beliebige einer Anzahl von Verarbeitungs- oder Steuermitteln 122 zugreifen.
28 ist ein Blockdiagramm des robusten Mehrkriterien-Schätzungsverfahrens für den MBT-Zeitpunkt der vorliegenden Erfindung. 29 veranschaulicht einen Logikblockplan der vorliegenden Erfindung 1800. Die Motorsteuereinheit ECU 121 empfängt das Ionisationssignal 100 von einer Ionisationserkennungseinheit 10 (Schritt 1801), (siehe 30). Als Nächstes führt der Prozessor 122 in der ECU die Software oder Firmware 107 aus, die im Speicher gespeichert ist (bei dem es sich um den gleichen Speicher 111 handeln kann, in dem auch die Nachschlagetabelle 113 gespeichert ist, oder um einen anderen). Die Software 107 umfasst Befehle zum Bestimmen, auf welchen Fall die Wellenform des Ionisationssignals 100 passt, d. h. Fall 1, 2 oder 3 (1810). Wenn das Ionisationssignal 100 auf Fall 1 passt (1815), werden die Punkte L₁₆₃, L₁₆₅ und L₁₆₆ berechnet (1817). Als Nächstes berechnet die Software 105 den MBT-Zeitpunkt durch Ausführen der Gleichung 1, L_MBT = (L₁₆₃ + (L₁₆₅ – L_{50%VERBRENNUNG}) + (L₁₆₆ – L_PCP))/3 (1820).
Wenn das Ionisationssignal 100 auf Fall 2 passt (1825), wird der Punkt 1163 berechnet (1827). Als Nächstes berechnet die Software 105 den MBT-Zeitpunkt durch Ausführen der Gleichung 2, L_MBT = L₁₆₃ (1830). Wenn das Ionisationssignal 100 auf Fall 3 passt (1835), werden die Punkte L₁₆₅ und L₁₆₆ berechnet (1837). Als Nächstes berechnet die Software 107 den MBT-Zeitpunkt durch Ausführen der Gleichung 3, L_MBT = ((L₁₆₅ – L_{50%VERBRENNUNG}) + (L₁₆₆ – L_PCP))/2 (1840).
Die ECU 121 berechnet ein Zündzeitpunktsteuersignal V_EIN unter Verwendung eines MBT-Zeitpunktreglers mit geschlossenem Regelkreis (z. B. des in Abschnitt G beschriebenen) und gibt es an einen Treiberschaltkreis 75 aus (1850) Der Treiberschaltkreis 75 lädt die Zündspule 12, deren Strom zwischen den Elektroden der Zündkerze 14 fließt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch zwischen den Elektroden leitet gut und gibt die in der Zündspule 12 gespeicherte Energie in den Elektrodenabstand der Zündkerze 14 ab. Die plötzliche Entladung der in der Spule 12 gespeicherten Energie zündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder.
Abschnitt G: MBT-ZEITPUNKTSTEUERUNG MIT GESCHLOSSENEM REGELKREIS UNTER VERWENDUNG DER IONISATIONSRÜCKKOPPLUNG
Dieses Merkmal der Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des frühesten Zündzeitpunktes eines Motors für den Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment (MBT-Zündzeitpunkt) in einem geschlossenen Regelkreis unter Verwendung entweder der Ionisations- oder der Druckrückkopplung. Sowohl das Ionisationssignal als auch das Zylinderinnendrucksignal können zum Berechnen und Schätzen des MBT-Zeitpunkt-Kriteriums (oder der -Kriterien) des Motors für jeden einzelnen Zylinder verwendet werden, wobei dieses Kriterium ein relatives Maß der Entfernung des gegenwärtigen Motorzündzeitpunktes vom MBT-Zeitpunkt bereitstellt, siehe Abschnitt F, „Robustes Mehrkriterien-Schätzungsverfahren für den MBT-Zeitpunkt unter Verwendung des Ionisationssignals” und Abschnitt J, „Die Bestimmung des MBT-Zeitpunktes anhand der Beschleunigung des Nettodrucks des Verbrennungsvorganges”. Wenn der Motor weder klopfbegrenzt ist (d. h. die MBT-Zündung weiter vorverlegt ist als der klopfbegrenzte Zündzeitpunkt) noch fehlzündungs-/teilverbrennungsbegrenzt (d. h. die gewünschte Zündung weiter verzögert (oder hinausgeschoben) ist als der fehlzündungs-/teilverbrennungsbegrenzte Zündzeitpunkt), wird der Motor in einem MBT-Zeitpunkt-Steuermodus im geschlossenen Regelkreis unter Verwendung einer MBT-Zeitpunkt-Kriterienrückkopplung betrieben.
Wenn der Motor hingegen klopfbegrenzt ist, hält ein Klopfgrenzenmanager unter Verwendung einer Klopfgrenzensteuerung im geschlossenen Regelkreis den Betrieb des Motors an seiner nicht hörbaren Klopfgrenze. Wenn der Motor fehlzündungs-/teilverbrennungsbegrenzt ist (z. B. ist es während des Kaltstarts wünschenswert, den Motor an seiner Verzögerungsgrenze zu betreiben, um den Katalysator schnell aufzuheizen, siehe Abschnitt E), hält der Fehlzündungsgrenzenmanager den Motor an seiner Fehlzündungs-/Teilverbrennungsgrenze.
Für verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit ist es wünschenswert, den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs möglichst an seinem MBT-Zündzeitpunkt zu betreiben. Da nach dem Stand der Technik ein Verbrennungsrückkopplungssteuersystem fehlt, wird der Zündzeitpunkt in einem offenen Regelkreis gesteuert, der auf einer MBT-Zeitpunkt-Tabelle basiert, der die Daten des Motorspeicherabbildes zu Grunde liegen. Ein Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass ein langer Kalibrierungsvorgang erforderlich ist und das MBT-Zeitpunkt-Steuersystem empfindlich auf Veränderungen der Systemparameter reagiert. Mit anderen Worten ist die MBT-Zeitpunktsteuerung im offenen Regelkreis nicht in der Lage, die Veränderungen des MBT-Zündzeitpunktes infolge der Schwankungen von Motor zu Motor, der Motoralterung und der Veränderungen der Motorbetriebsbedingungen (Höhe über Normal-Null, Temperatur usw.) auszugleichen. Außerdem verlängert der lange Kalibrierungsvorgang die Entwicklungszeit und erhöht die Kosten. Eine Zündzeitpunktsteuerung im offenen Regelkreis schränkt ihre Kalibrierung auf eine konservative Kalibrierung ein, so dass der Motor nicht an seinen physischen Grenzen (z. B. Klopfgrenze) betrieben werden kann. Dies wiederum verringert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine MBT-Zeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis mit Hilfe einer Klopf- und Fehlzündungs-/Teilverbrennungsgrenzensteuerung, um die Robustheit einer Zündzeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis zu verbessern. Dies wiederum verringert die Motorsystemkalibrierungen und verbessert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Motors.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Teilsystem eines Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems unter Verwendung einer Ionisationsrückkopplung. Die Beziehung dieses Teilsystems zu dem Diagnose- und Steuersystem ist in 13 dargestellt und die Logikblöcke sind mit 1450, 1430, 1490, 1495 und 1460 bezeichnet. Dieses Teilsystem umfasst einen Regler mit geschlossenem Regelkreis, der geschätzte MBT-Zeitpunkt-Kriterien verwendet, die entweder aus einem Ionisationssignal 100 oder einem Zylinderinnendrucksignal (oder beiden) erzeugt wird, sowie Zünddiagnosewerte (Klopfen, Teilverbrennung und Fehlzündung), um einen Motorzündzeitpunkt zu steuern. Wenn der Motor nicht klopfbegrenzt ist, läuft der Motor zwecks bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit an seiner nicht hörbaren Klopfgrenze. Wenn der Motor fehlzündungs-/teilverbrennungsbegrenzt ist, wird der Motor an seiner Fehlzündungs-/Teilverbrennungsgrenze gehalten.
Nachfolgend sind drei verschiedene Ausführungsformen der Architektur einer MBT-Zeitpunktsteuerung mit geschlossenem Regelkreis beschrieben: a) ein Zylinder-für-Zylinder-Ansatz, b) ein Mittelwertansatz und c) ein gemischter Ansatz. Sie werden danach unterscheiden, ob der MBT-Zeitpunkt Zylinder für Zylinder oder zentral gesteuert wird. Die erste Ausführungsform steuert den MBT-Motorzündzeitpunkt jedes Zylinders einzeln. Die MBT-, Klopf- und Fehlzündungsinformationen eines gegebenen Zylinders werden verwendet, um den MBT-Zeitpunkt dieses Zylinders zu steuern. Die zweite Ausführungsform verwendet einen gemittelten Ansatz. Genauer ausgedruckt werden alle Zylinder unter Verwendung eines einzigen MBT-Zeitpunkt-Steuerparameters gesteuert. Die dritte Ausführungsform verwendet einen gemischten Ansatz. Das heißt, Fehlzündung und Klopfen des Motors werden einzeln gesteuert, während der MBT-Zeitpunkt zentral gesteuert wird. Im Folgenden ist jede Ausführungsform ausführlich beschrieben.
Im Zylinder-für-Zylinder-Ansatz werden das MBT-Zeitpunkt-Kriterium 1435, die Klopfinformation 1400 und die Fehlzündungsinformation 1410 jedes einzelnen Zylinders getrennt berechnet. Des Weiteren steuert der einzelne MBT-Zeitpunkt-Regler des Motors 1430 den Zündzeitpunkt (siehe 31). Der Zylinder-für-Zylinder-Regler mit geschlossenem Regelkreis 1430 wird zu jedem Zündereignis tätig. Die Ausgabe dieses Reglers mit geschlossenem Regelkreis ist das empfohlene MBT-Zeitpunkt-Signal 1480 für jeden einzelnen Zylinder. Die Eingaben in diesen Regler mit geschlossenem Regelkreis 1430 sind nachfolgend angegeben.
Das MBT-Kriterium für den einzelnen Zylinder 1435 oder das MBT-Zeitpunkt-Kriterium für den einzelnen Zylinder 1435 wird aus dem Ionisationssignal 100 oder dem Zylinderinnendrucksignal berechnet, die unter Verwendung eines Parameterschätzungsverfahrens für den Ionisationsfall erzeugt werden (siehe Abschnitt F, „Robustes Mehrkriterien-Schätzungsverfahren für den MBT-Zeitpunkt unter Verwendung des Ionisationssignals” und Abschnitt J. „Die Bestimmung des MBT-Zeitpunktes anhand der Beschleunigung des Nettodrucks des Verbrennungsvorganges”). Dieser Parameter offenbart, ob die gegenwärtige Motorzündung vor oder nach dem MBT-Zündzeitpunkt für diesen einzelnen Zylinder liegt.
Die Klopfinformation des einzelnen Zylinders 1400 besteht aus einem Klopfintensitätsparameter 1402 und einem Klopfkennzeichen 1404. Die Klopfintensität 1402 zeigt an, wie heftig das Klopfen ist, und das Klopfkennzeichen 1404 zeigt an, ob ein hörbares Klopfen vorliegt oder nicht. Es ist zu beachten, dass sowohl die Klopfintensität 1402 als auch das Klopfkennzeichen 1404 entweder aus dem Ionisationssignal 100 oder dem Zylinderinnendrucksignal gewonnen werden können.
Die Fehlzündungsinformation für den einzelnen Zylinder 1410 besteht sowohl aus dem Teilverbrennungskennzeichen 1412 als auch aus dem Fehlzündungskennzeichen 1414, Wieder können sowohl das Teilverbrennungs- 1412 als auch das Fehlzündungskennzeichen 1414 aus dem Ionisationsstrom- 100 oder dem Zylinderinnendrucksignal gewonnen werden.
Der erfindungsgemäße Zylinder-für-Zylinder-MBT-Zeitpunkt-Regler mit geschlossenem Regelkreis 1430 besteht aus drei Hauptteilsystemen: 1) einem proportional-integralen (PI-)Steuerungsregler des MBT-Zeitpunktes mit geschlossenem Regelkreis 1440, 2) einem Klopfgrenzenmanager zur Zündungsvorverlegung 1450 und 3) einen Fehlzündungsgrenzenmanager zur Zündungsverzögerung 1460. Das MBT-Kriterium 1435 wird mit dem MBT-Referenzsigral 1437 verglichen (1500) und die entstandene Abweichung 1438 ist die Eingabe in den PI-Regler 1440 (1510) (siehe 32). Die Ausgabe 1442 des PI-Reglers 1440 stellt den gewünschten MBT-Zeitpunkt bereit, wenn der Motor 161 weder klopfbegrenzt noch fehlzündungsbegrenzt ist. Der Sättigungsmanager 1470 gibt das Zündzeitpunktsignal 1480 aus, das zum Steuern des Zündzeitpunktes für diesen einzelnen Zylinder verwendet wird. in einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sättigungsmanager 1470 ein Aufschaukeln der Ausgabe verhindern.
Der Klopfgrenzenmanager 1450 stellt ein Klopfgrenzensignal 1452 bereit, das die bei den aktuellen Betriebszuständen des Motors 161 maximal zulässige Vorverlegung der Zündung bereitstellt. Wenn zum Beispiel der Motor 161 nicht klopfbegrenzt ist, stellt der Klopfmanager 1450 ein Zündvorvertegungsgrenzsignal 1452 bereit, das dem physischen Aufbau und den Kalibrierungen des Motors 161 zugeordnet ist. Ist der Motor 161 klopfbegrenzt, stellt der Klopfmanager 1450 ein Zündvorverlegungsgrenzsignal 1452 bereit, das es dem Motor 161 ermöglicht, an seiner Klopfgrenze zu laufen, oder es mit anderen Worten dem Motor 161 ermöglicht, mit leichtem oder nicht hörbarem Klopfen zu laufen.
In ähnlicher Weise stellt der Fehlzündungsgrenzenmanager 1460 ein Fehlzündungsgrenzsignal 1462 bereit. Wenn zum Beispiel der Motor 161 ohne Teilverbrennung oder Fehlzündung läuft, stellt er für den Motor 161 ein physisches Zündverzögerungsgrenzsignal 1462 bereit, das dem physischen Aufbau und den Kalibrierungen des Motors 161 zugeordnet ist. Wenn der Zündzeitpunkt des Motors 161 fehlzündungsbegrenzt ist, stellt er ein Verzögerungsgrenzsignal 1462 bereit, um es dem Motor 161 zu ermöglichen, an seiner Teilverbrennungs-/Fehlzündungsgrenze zu laufen. Das Zündverzögerungsgrenzsignal 1462 wird in den Sättigungsmanager 1470 eingegeben.
Wenn der Motor 161 entweder klopf- oder fehlzündungsbegrenzt ist, d. h. der Sättigungsmanager aktiv ist, wird die entsprechende Klopfgrenzeninformation 1452 oder die Verzögerungsgrenzeninformation 1462 durch den Sättigungsmanager 1470 weitergeleitet und verwendet, um den PI-Integrator zurückzusetzen (siehe im Folgenden Logik zur Integralzurücksetzung), um Integrationsaufschaukelungsprobleme zu vermeiden.
Der PI-Regler 1440 von 31 (zum ausführlichen Aufbau siehe 33) besteht aus einem proportionalen 1441 und einem integralen Regler 1444, einem Optimalwertregler 1446 mit adaptiver Lernfähigkeit 1447 und einem Logikmanager zur Integralzurücksetzung 1448, um Überlauf- und Aufschaukelungsprobleme der integralen Steuerung zu verhindern. Die Funktionsweise dieser Logikeinheiten ist nachfolgend beschrieben.
Der Optimalwertregler 1446 ist dafür ausgelegt, den MBT-Zeitpunkt im offenen Regelkreis über das gegebene Motorbetriebsabbild zu modifizieren. Außerdem wird ein adaptiver Lernmanager 1447 verwendet, um die Schwankungen von Motor zu Motor, die Motoralterung und umgebungsbedingte Schwankungen im Betrieb usw. auszugleichen. Der Optimalwertregler 1446 gibt die Optimalwertausgabe 1449 aus.
Der proportionale Regler 1441 und der integrale Regler 1444 geben eine proportionale Steuerausgabe 1443 beziehungsweise eine integrale Steuerausgabe 1445 aus. Die proportionale Steuerausgabe 1443 wird durch Multiplizieren der eingegebenen MBT-Abweichung 1438 mit dem proportionalen Zuwachs erzeugt (1520), wodurch ein proportionales Abweichungssignal 1443 erzeugt wird. Der übliche Wert des proportionalen Zuwachses beträgt etwa 0,2. Die integrale Steuerausgabe 1445 wird durch Multiplizieren der integrierten MBT-Abweichung 1438 mit dem integralen Zuwachs erzeugt (1530), wodurch ein integriertes Abweichungssignal 1445 erzeugt wird. Der übliche Wert für den integralen Zuwachs beträgt etwa 0,1. Das integrierte Abweichungssignal kann zurückgesetzt werden, wenn der Motor klopf- oder fehlzündungsbegrenzt ist (siehe unten). Das proportionale Abweichungssignal 1443, das integrierte Abweichungssignal 1445 und die Optimalwertausgabe 1449 werden summiert, um ein Zeitpunktsignal 1442 zu erzeugen.
Der Integralzurücksetzungsmanager 1448 ist eine Logikeinheit 1448, die aktiv wird, wenn der Motor 161 klopfbegrenzt oder fehlzündungsbegrenzt ist. Das Signal zur Zurücksetzung der integrierten Abweichung wird derart berechnet, dass die Summe 1442 der Ausgaben 1449, 1445, 1445 des Optimalwertreglers, des proportionalen Reglers und des integralen Reglers entweder durch den Klopfgrenzenmanager 1450 oder durch den Fehlzündungsgrenzenmanager 1460 begrenzt wird. Das heißt, wenn der Motore klopf- oder fehlzündungsbegrenzt ist, wird das integrale Abweichungssignal zurückgesetzt (1540), so dass das Endausgabesignal entweder genau an der Klopfgrenze oder genau an der Fehlzündungs-/Teilverbrennungsgrenze bleibt.
Das zweite Hauptteilsystem, der Klopfgrenzenmanager zur Zündungsvorverlegung 1450, steuert die Klopfgrenze des geschlossenen Regelkreises. Er umfasst einen PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447, einen Klopfabweichungs- und -zuwachsgenerator 1454 und einen Sättigungsmanager 1470.
Zur Klopfgrenzensteuerung im geschlossenen Regelkreis 1450 wird nur der integrale Abschnitt des PI-Reglers (der die Blöcke 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 im Klopfmanager 1450 umfasst) verwendet (siehe 34), da der proportionale Zuwachs zu jeder Zeit auf Null gesetzt ist. Der integrale Zuwachs und die Abweichung, die vom PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 verwendet werden, werden vom Klopfabweichungs- und -zuwachsgenerator 1454 bereitgestellt (1552) (siehe 35). Die Logikeinheit zur Integralzurücksetzung 51448 wird verwendet, um den integralen Zuwachs und die Ausgabe 51445 des Integratorreglers 51444 zurückzusetzen, um Überlauf und Aufschaukeln zu verhindern, wenn die Ausgabe gesättigt ist (1540).
Der Klopfgrenzenmanager zur Zündungsvorverlegung 1450 (zum ausführlichen Aufbau siehe 34) besteht aus einem Klopfabweichungs- und -zuwachsgenerator 1454, der mit dem im Klopfmanager 1450 in 3 enthaltenen PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 betriebsbereit verbunden ist, welcher im Klopfmanager 1450 in 34 offenbart ist.
Der Klopfabweichungs- und -zuwachsgenerator 1454 ist ein Logikblock oder eine Logikeinheit, in dem/der sowohl die Klopfintensität 1402 als auch das Klopfkennzeichen 1404, die in einer bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung des Ionisationsstromsignals 100 berechnet werden, als Eingaben verwendet werden. Der Generator 1454 gibt zwei Signale aus, „Abweichung” 1455 und „Zuwachs” 1459, wobei „Zuwachs” 1459 sowohl aus dem proportionalen als auch aus dem integralen Zuwachs besteht. Beide Ausgaben „Abweichung” 1455 und „Zuwachs” 1459 werden unter Verwendung des Klopfintensitätssignals 1402 und des Klopfkennzeichensignals 1404 erzeugt und in drei Zustände gegliedert: a) kein Klopfen, b) nicht hörbares Klopfen und c) hörbares Klopfen.
Der Zustand ohne Klopfen tritt auf, wenn das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und die Klopfintensität 1402 unter dem Klopfschwellenwert liegt. in dem Fall, dass das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und die Klopfintensität 1402 unter dem Klopfschwellenwert liegt (1554), wird die Ausgabe „Abweichung” 1455 auf Eins gesetzt. Des Weiteren wird der proportionale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 1459 auf Null gesetzt, während der integrale Zuwachs auf einen kalibrierbaren positiven Wert wie etwa 0,2 gesetzt wird (1556). Somit ist die proportionale Steuerungsausgabe 51443 des PI-Reglers 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 Null, während die integrale Reglerausgabe 51445 einen positiven Wert aufweist. Der Klopfabweichungs- und -zuwachsgenerator 1454 bewegt die Zeitpunktausgabe 51442 des geschlossenen Regelkreises in die Vorverlegungsrichtung zwischen die feste Vorverlegungsuntergrenze 1456 und die feste Vorverlegungsobergrenze 1458, da die Logik zur Integralzurücksetzung 51448 den Integrator zurücksetzt, um die Zeitpunktausgabe innerhalb der durch 1456 und 1458 definierten Zeitpunktgrenze zu halten, wenn die Zeitpunktausgabe 51442 außerhalb der Grenze liegt.
Der Zustand nicht hörbaren Klopfens tritt auf, wenn das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und die Klopfintensität 1402 über dem Klopfschwellenwert liegt. Dies ist der gewünschte Betriebszustand, wenn der Motor 161 klopfbegrenzt ist. In dem Fall, dass das Klopfkennzeichensignal 1404 inaktiv ist und die Klopfintensität 1402 über dem Schwellenwert für nicht hörbares Klopfen liegt (1560), wird die Ausgabe „Abweichung” 1455 auf Null gesetzt. Des Weiteren wird der proportionale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 1459 auf Null gesetzt, während der integrale Zuwachs auf dem kalibrierten Wert wie im Fall ohne Klopfen verbleibt (1562). Somit ist die proportionale Steuerungsausgabe 51443 des PI-Reglers 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 Null, während die integrale Reglerausgabe 51445 auf ihrem vorherigen positiven Wert verbleibt. Dadurch wird ermöglicht, dass das Signal der Zeitpunktvorverlegungsgrenze 1452 unverändert bleibt.
Der Zustand hörbaren Klopfens tritt auf, wenn das Klopfkennzeichen 1404 aktiv wird. In dem Fall, dass das Klopfkennzeichen 1404 aktiv ist (1565), wird die Ausgabe „Abweichung” 1455 auf minus Eins gesetzt. Des Weiteren wird der proportionale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 1459 auf Null gesetzt, während der integrale Zuwachs auf einen kalibrierbaren Wert wie etwa 0,4 gesetzt wird (1567). Außerdem wird zum Integrator ein kalibrierbarer negativer Wert addiert, um den Zündzeitpunkt in die Verzögerungsrichtung zu bewegen, um Motorklopfen zu verhindern und unverzüglich entweder zu Fall b oder zu Fall a zurückzukehren.
Das allgemeine Verfahren der Klopfgrenzensteuerung im geschlossenen Regelkreis besteht darin, es dem Motor zu ermöglichen, den Zündzeitpunkt genau oder so nahe wie möglich an seine Vorverlegungsgrenze (äußerste Vorverlegungsobergrenze 1458) zu legen. Das heißt, wenn der Motor 161 klopfbegrenzt ist, läuft der Motor 161 an seiner maximalen Zeitpunktvorverlegungsgrenze mit einem nicht hörbaren Klopfen (d. h. Fall b, Zeitpunkt an der Klopfgrenze in Grad des Kurbelwellenwinkels vor dem oberen Totpunkt, DBTDC). Wenn der Motor 161 nicht klopfbegrenzt ist, bewegt sich das Zündzeitpunktsignal 1452 mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine Vorverlegungsrichtung, bis es die äußerste Grenze erreicht. Wenn der Motor 161 genau an seiner Grenze nicht hörbaren Klopfens läuft, bleibt das Zündzeitpunktgrenzensignal 1452 unverändert. Und wenn der Motor 161 mit einem hörbaren Klopfen läuft, wird zum PI-Regler 51441, 51444, 51446, 51448, 51447 eine Korrektur addiert, um das Zündzeitpunktsignal 1480 schnell in die Verzögerungsrichtung zu bewegen, um weiteres Klopfen des Motors zu verhindern.
Der Klopfgrenzenoptimalwertregler der 51446 und der adaptive Klopfgrenzenregler 51447 setzen eine Optimalwert-Zündgrenze, die von der Motordrehzahl 135 und der Motorlast 1060 abhängt. Er kann durch den Motorkalibrierungsvorgang gewonnen werden. infolge des adaptiven Lernmerkmals dieses Reglers 51447 wird der Zündgrenzenoptimalwert basierend auf der Ausgabe des adaptiven Lernverfahrens modifiziert, so dass der Zündgrenzenoptimalwert in der Lage ist, die Schwankungen von Motor zu Motor, die Motoralterung usw. auszugleichen. Der adaptive Lernregler 51447 vergleicht die aktuelle Zündgrenze mit dem Optimalwertsignal für die Zeitpunktgrenze 51442 bei den aktuellen Motorbetriebszuständen (wie der Motordrehzahl und -last), um den Optimalwert für die Zeitpunktgrenze 51442 adaptiv zu korrigieren.
Das dritte Hauptteilsystem, der Fehlzündungsregler im geschlossenen Regelkreis 1460 oder der Manager für die Fehlzündungsverzögerungsgrenze 1460, steuert Fehlzündungen im geschlossenen Regelkreis. Der Fehlzündungsregler im geschlossenen Regelkreis 1460 (zum ausführlichen Aufbau siehe 36) besteht aus einem Fehlzündungsabweichungs- und -zuwachsgenerator 1463. Hier wird der PI-Regler 61441, 61444, 6144 61448, 61447 verwendet, um ein Signal für die Zundungsvorverlegungsgrenze zu erzeugen. Der integrale Zuwachs und die integrale Abweichung, die vom PI-Regler 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 verwendet werden, werden vom Fehlzündungsabweichungs- und -zuwachsgenerator 1463 bereitgestellt (1578) (siehe 37).
Zur Steuerung der Zündverzögerungsgrenze im geschlossenen Regelkreis wird nur der integrale Abschnitt des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 verwendet. Sowohl der integrale Zuwachs als auch die integrale Abweichung werden vom Abweichungs- und Zuwachserzeugungsblock (oder Abweichungs- und Zuwachsgenerator) 1463 bereitgestellt. Wenn eine Fehlzündung auftritt, wird der PI-Integrator 61444 durch Addieren einer kalibrierbaren Zündvorverlegung (ein positiver Wert) auf das bestehende Integratorregister zurückgesetzt, um die Fehlzündung schnell zu beseitigen.
Im Fehlzündungsabweichungs- und -zuwachsgeneratorblock 1463 werden sowohl das Teilverbrennungskennzeichen 1412 als auch das Fehlzündungskennzeichen 1414, die in einer bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung des Ionisationsstromsignals 100 berechnet werden, als Eingaben verwendet. Dieser Block gibt die Signale „Abweichung” 61455 und „Zuwachs” 61459 aus, wobei das Signal „Zuwachs” sowohl aus dem proportionalen als auch aus dem integralen Zuwachs besteht. Es können drei Zustände unterschieden werden: d) sowohl das Teilverbrennungskennzeichen 1412 als auch das Fehlzündungskennzeichen 1414 sind inaktiv, e) das Teilverbrennungskennzeichen 1412 ist aktiv, aber das Fehlzündungskennzeichen 1414 ist nicht aktiv und f) aktives Fehlzündungskennzeichen (oder -index) 1414.
In dem Fall, in dem sowohl das Teilverbrennungskennzeichen 1412 als auch das Fehlzündungskennzeichen 1414 inaktiv sind (1574), wird die Ausgabe „Abweichung” 61455 auf minus Eins gesetzt, der proportionale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 61459 wird auf Null gesetzt, während der integrale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 61459 auf einen kalibrierbaren positiven Wert wie etwa 0,2 gesetzt wird (1576). Somit ist die proportionale Steuerungsausgabe 61443 des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 Null, während sich die integrale Reglerausgabe 61445 verringert. Damit kann sich die Steuerungsausgabe 1462 des geschlossenen Regelkreises in die Verzögerungsrichtung bewegen, bis sie die äußerste Verzögerungsobergrenze 1468 erreicht. Es ist zu beachten, dass der Integrator von der Zurücksetzungslogik 61448 zurückgesetzt wird, wann immer die Ausgabe 1462 nicht zwischen der äußersten Ober- und Untergrenze (1468 und 1466) liegt, so dass die Ausgabe in diesem Bereich bleibt.
In dem Fall, in dem das Teilverbrennungskennzeichen 1412 aktiv ist, aber das Fehlzündungskennzeichen 1414 nicht aktiv ist (1578), wird die Ausgabe „Abweichung” 61455 auf Eins gesetzt und der proportionale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 61459 wird auf Null gesetzt, während der integrale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 61459 wie in Fall d auf eine kalibrierbare positive Zahl gesetzt wird (1580). Somit ist die proportionale Steuerungsausgabe 61443 des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 Null, während die integrale Reglerausgabe 61445 auf einen positiven Wert gesetzt ist. Damit kann sich der Zündzeitpunkt 1462 in die Vorverlegungsrichtung bewegen.
In dem Fall, in dem das Fehlzündungskennzeichen (oder der -index) 1414 aktiv ist (1582), wird die Ausgabe „Abweichung” 61455 auf Eins gesetzt und der proportionale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 61459 wird auf Null gesetzt, während der integrale Zuwachs der Ausgabe „Zuwachs” 61459 auf einen kalibrierbaren Wert gesetzt wird, der größer als in Fall e ist (1584), wie etwa 0,4. Somit ist die proportionale Steuerungsausgabe 61443 des PI-Reglers 61441, 61444, 61446, 61448, 61447 Null, während sich die integrale Reglerausgabe 61445 in eine Vorverlegungsrichtung bewegt. Zum PI-Integrator 61444 wird ein kalibrierbarer positiver Wert addiert, um das Steuerungsausgabesignal des geschlossenen Regelkreises 1462 unverzüglich in die Vorverlegungsrichtung zu lenken, um eine Fehlzündung zu vermeiden und sofort entweder zu Fall e oder zu Fall d zurückzukehren.
Das allgemeine Verfahren der Fehlzündungsgrenzensteuerung im geschlossenen Regelkreis besteht darin, das Motorzündzeitpunktsignal 1462 genau an seiner Verzögerungsgrenze bereitzustellen, das heißt, es dem Motor zu ermöglichen, mit seiner maximal zulässigen Verzögerungszeit (d. h. maximales Hinausschieben über den MBT-Zeitpunkt für diesen Zylinder) ohne Fehlzündung und mit einer minimalen Teilverbrennung zu laufen. Wenn sich der Motor 161 nicht im Teilverbrennungszustand befindet, bewegt sich das Zündzeitpunktsignal 1462 mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die von dem in Fall d kalibrierten integralen Zuwachs bestimmt wird, in die Verzögerungsrichtung. Wenn sich der Motor 161 im Teilverbrennungszustand befindet, bewegt sich das Zündzeitpunktsignal 1462 mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die von dem in Fall b definierten integralen Zuwachs vorgegeben wird, in die Vorverlegungsrichtung. Im Fall des Auftretens einer Fehlzündung wird zum PI-Integrator 61444 eine Korrektur addiert, um das Zündzeitpunktsignal 1462 schnell in die Vorverlegungsrichtung zu bewegen, um wertere Fehlzündungen zu vermeiden.
Der Optimalwertregler der Zündverzögerungsgrenze 61446 und der adaptive Lernregler für die Zündverzögerungsgrenze 61447 legen einen Optimalwert für die Zündverzögerungsgrenze fest, der von der Motordrehzahl 135 und der Motorlast 1060 abhängt. Er kann während des Kalibrierungsvorganges des Motors berechnet werden. Aufgrund des adaptiven Lernmerkmales des Reglers 61447 wird der Zündgrenzenoptimalwert basierend auf der Ausgabe des adaptiven Lernverfahrens modifiziert, so dass der Zündgrenzenoptimalwert in der Lage ist, die Schwankungen von Motor zu Motor, die Motoralterung usw. auszugleichen. Der adaptive Lernschaltkreis 61447 vergleicht die aktuelle Zündverzögerungsgrenze mit der Standardgrenze bei den aktuellen Motorbetriebzuständen (wie etwa der Motordrehzahl 135 und -last 1060), um den Optimalwert der Zündverzögerungsgrenze adaptiv zu korrigieren.
Wie oben ausgeführt, verwendet die zweite Ausführungsform der Architektur zum Steuern des MBT-Zeitpunktes einen Mittelwertansatz. In dieser Ausführungsform werden die Klopfinformation 1400 und die Fehlzündungsinformation 1410 aller einzelnen Zylinder verwendet, um die Information zum ungünstigsten Fall des Klopfens 1406 und die Information zum ungünstigsten Fehlzündungsfall 1416 zu berechnen, die dann dem Vorverlegungsgrenzenmanager 1450 und dem Verzögerungsgrenzenmanager 1460 zugeführt werden. Ein Klopfprozessor 1408 und ein Fehlzündungsprozessor 1418 führen die Berechnungen aus. Des Weiteren wird das jüngste MBT-Zeitpunkt-Kriterium 1435 des Motors verwendet, um den Zündzeitpunkt zu steuern, siehe 38.
Die Information zum ungünstigsten Fall des Klopfens 1406 besteht sowohl aus einem Kennzeichen des ungünstigsten Falls des Klopfens 1407 als auch aus dem ungünstigsten Fall der Klopfintensität 1409. Das Kennzeichen des ungünstigsten Falls des Klopfens 1407 ist auf „aktiv” gesetzt, solange eines der Klopfkennzeichen 1404 der einzelnen Zylinder über einen Motorzyklus aktiv ist. Der ungünstigste Fall der Klopfintensität 1409 ist gleich dem Maximum alter Klopfintensitäten 1402 aller Zylinder über einen Motorzyklus.
Ähnlich der Information zum ungünstigsten Fall des Klopfens 1406 besteht die Information zum ungünstigsten Fehlzündungsfall 1416 sowohl aus einem Kennzeichen des ungünstigsten Teilverbrennungsfalls 1417 als auch aus einem Kennzeichen des ungünstigsten Fehlzündungsfalls 1419. Solange das Teilverbrennungskennzeichen 1412 oder das Fehlzündungskennzeichen 1414 über einen Motorzyklus aktiv ist, ist das entsprechende Kennzeichen des ungünstigsten Teilverbrennungsfalls 1417 oder das Kennzeichen des ungünstigsten Fehlzündungsfalls 1419 über einen Motorzyklus auf „aktiv gesetzt.
Die Funktionsweise des MBT-Zeitpunkt-Reglers 1490 der Ausführungsform mit einem Mittelwertansatz ähnelt der Funktionsweise des Reglers, der in der Ausführungsform mit dem Zylinder-für-Zylinder-Verfahren verwendet wird (vergleiche 31 und 38). Des Weiteren verwendet das Verfahren des Mittelwertansatzes nur einen PI-Regler 1440, einen Klopfgrenzenmanager 1450 und einen Fehlzündungsgrenzenmanager 1460, um ein mittleres MBT-Zündzeitpunkt-Signal 1480 zu erzeugen, das zum Steuern der Zündung aller Zylinder verwendet wird. Ein Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der Zylinder-für-Zylinder-Ausführungsform besteht darin, dass die Information zum ungünstigsten Fall des Klopfens 1406 und die Information zum ungünstigsten Fehlzündungsfall 1416 vom Klopfgrenzenmanager zur Zündungsvorverlegung 1450 beziehungsweise vom Fehlzündungsgrenzenmanager zur Zündverzögerung 1460 verwendet wird (siehe 38). Des Weiteren dient das aktuelle MBT-Kriterium (oder die -Kriterien) 1435 für den jeweiligen Zylinder als Eingabe in den MBT-PI-Regler 1440. Der Vorteil des Mittelwertverfahrens besteht darin, dass nur ein PI-Regler 1440 für alle Zylinder verwendet wird, was die Datendurchsatzanforderungen verringert. Da dieses Verfahren jedoch keine Klopf- und Fehlzündungsgrenzensteuerung für die einzelnen Zylinder verwendet, findet eine konservativere Klopf- und Fehlzündungssteuerung eines jeden Zylinders statt, da ein mittleres Signal 1480 für alle Zylinder verwendet wird.
Wie oben ausgeführt, verwendet die dritte Ausführungsform der Architektur zum Steuern des MBT-Zeitpunktes einen gemischten Ansatz. In dieser Ausführungsform werden die einzelnen Klopfinformationen 1400 und Fehlzündungsinformationen 1410 verwendet, um die Klopfinformation 1400 und die Fehlzündungsinformation 1410 für jeden einzelnen Zylinder zu berechnen. Des Weiteren dient die aktuelle Klopf- 1400 und Fehlzündungsinformation 1410 als Eingabe in den MBT-PI-Regler 1440. Auch wird das aktuelle Motor-MBT-Kriterium 1435 für den jeweiligen Zylinder verwendet, um den Zündzeitpunkt zu steuern, siehe 39.
Das gemischte MBT-Steuerverfahren 1495 wird bei jedem Verbrennungsereignis ausgeführt. Der Klopfgrenzenmanager 1450 und der Fehlzündungsgrenzenmanager 1460 wählen die Klopf- und die Fehlzündungsgrenze für den jeweiligen Zylinder aus und verwenden diese mit Hilfe des Klopfprozessors 1408 und des Fehlzündungsprozessor 1418 für die PI-Sättigung. Der PI-Integrator wird jedoch mit Hilfe der Klopf- und Fehlzündungsgrenze des nächsten Zylinders zurückgesetzt. Das heißt, wenn die Ausgabe entweder durch Klopfen oder Fehlzündung für den nächsten Zylinder gesättigt werden konnte, wird der Integrator auf seinen entsprechenden Grenzwert zurückgesetzt.
Der MBT-Zeitpunkt-Regler des gemischten Verfahrens 1495 ähnelt dem des Verfahrens mit dem Mittelwertansatz (vergleiche 38 und 39). Das Mittelwert- und das gemischte Verfahren verwenden beide nur einen PI-Regler 1440. Der Unterschied besteht darin, dass das Mittelwertverfahren einen einzelnen Klopfmanger 1450 und einen einzelnen Fehlzündungsmanager 1460 verwendet, während das gemischte Verfahren mehrere verwendet. Somit weist das ausgegebene Zeitpunktgrenzensignal 1480 individuelle Klopf- und Fehlzündungsgrenzen auf. Der Vorteil bei der Verwendung des gemischten Verfahrens liegt darin, dass nur ein PI-Regler 1440 für alle Zylinder verwendet wird, was die Datendurchsatzanforderungen verringert. Außerdem erzeugt die Verwendung mehrerer Klopf- 1450 und Fehlzündungsmanager 1460 eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Abschnitt H: AUSGLEICH DES LUFT-KRAFTSTOFF-VERHÄLTNISSES DER EINZELNEN ZYLINDER IM GESCHLOSSENEN REGELKREIS
Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern der Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der einzelnen Zylinder unter Verwendung eines geschlossenen Regelkreises 1300 und eines Ionisationssignals 100. Das Ionisationssignal eines einzelnen Zylinders 100 wird verwendet, um die Information zum frühesten Zeitpunkt für das beste Drehmoment (MBT) dieses Zylinders zu berechnen. Diese MBT-Zeitpunktinformation 1320 wird dann verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des einzelnen Zylinders unter Verwendung eines geschlossenen Regelkreises 1300 zu steuern. Die Steuerung basiert auf der Beziehung zwischen der MBT-Zündzeitpunktinformation und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Des Weiteren wird ein adaptives Lernverfahren eingesetzt, um den Logikblock der Optimalwertsteuerung der vorliegenden Erfindung zu modifizieren (oder zu aktualisieren).
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der einzelnen Zylinders eines Verbrennungsmotors 161 schwankt aufgrund des Umstandes, dass der Ansaugkrümmer den Luftstrom in die einzelnen Zylinder nicht gleichmäßig verteilen kann, selbst wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis insgesamt (d. h. das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis aller Zylinder) stöchiometrisch gehalten wird. Der Unterschied im Luft-Kraftstoff-Verhältnis der einzelnen Zylinder beeinflusst die Emissionen des Motors, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit, die Leerlaufstabilität, das NVH-Verhalten des Fahrzeugs (NVH = Noise, Vibration, Harshness) usw.
Die erfindungsgemäße Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines einzelnen Zylinders im geschlossenen Regelkreis verwendet das MBT-Kriterium, siehe Abschnitt F: „Robustes Mehrkriterien-Schätzungsverfahren für den MBT-Zeitpunkt unter Verwendung des Ionisationssignals”, das vom Ionisationssignal 100 oder vom Zylinderinnendrucksignal bereitgestellt wird, siehe Abschnitt J: „Die Bestimmung des MBT-Zeitpunktes anhand der Beschleunigung des Nettodrucks des Verbrennungsvorganges”, um die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der einzelnen Zylinder auszugleichen.
Diese Erindung ist ein Teilsystem eines Zünddiagnose- und Rückkopplungssteuersystems unter Verwendung der Ionisationsstromrückkopplung, das in 13 dargestellt ist. Es ist in 13 mit 1300 bezeichnet. Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, dass, wenn ein Motor nahe seines MBT-Zeitpunktes betrieben wird, das MBT-Zeitpunkt-Kriterium des Motors, das entweder aus dem Zylinderinnendruck oder aus dem Ionisationssignal 100 berechnet wird, eine Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist, mit dem der Motor 161 betrieben wird. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis verringert wird oder sich in die magere Richtung (d. h. in Richtung eines magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) bewegt, wird der MBT-Zündzeitpunkt vorverlegt und bewegt sich vom oberen Totpunkt (Top Dead Center, TDC) aus vorwärts. Diese Verlegung erfolgt auf Grund des Umstandes, dass die Entwicklung der Verbrennungsflamme umso länger dauert, je magerer ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. 40 zeigt eine Testkurve des Verhältnisses des MBT-Zündzeitpunktes zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung eines 2,0 I-Vier-Zylinder-Motors, der mit 3000 U/min bei Volllast betrieben wird.
Wenn der Motor 161 nahe des MBT-Zündzeitpunktes betrieben wird, bleibt die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der MBT-Zündzeitpunktinformation oder dem -kriterium (das entweder aus dem Ionisationssignal 100 oder dem Zylinderinnendrucksignal gewonnen wird) auch auf der Ebene des einzelnen Zylinders bestehen. Aus den gleichen, oben genannten Gründen wird der MBT-Zündzeitpunkt eines relativ mager betriebenen Zylinders (d. h. eines Zylinders, der mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird) im Vergleich zu Zylindern, die mit verhältnismäßig fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen betrieben werden, vorverlegt.
41 zeigt einen Test des Verhältnisses der MBT-Zeitpunktinformation zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis für einen 2,0 I-Vier-Zylinder-Motor, der mit 1500 U/min, 2,62 bar mittlerem effektiven Druck (Brake Specific Mean Effective Pressure, BMEP) mit 20% Abgasrückführrate und einem Zündzeitpunkt bei 47° vor dem oberen Totpunkt (Before Top Dead Center, BTDC) betrieben wird. Der Motor 161 wurde mit einem Luft-Kraftstoff Verhältnis von 14,54 sehr nahe am stöchiometrischen Verhältnis betrieben. Des Weiteren wies der verhältnismäßig am magersten betriebene Zylinder (z. B. Zylinder #4 mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,96) ein MBT-Zeitpunkt-Kriterium (ein relatives Kriterium, das anzeigt, wie weit der gegenwärtige Zündzeitpunkt des Zylinders vom MBT-Zeitpunkt entfernt liegt) auf, das um 2 Grad werter vorverlegt war als das mittlere MBT-Kriterium. In ähnlicher Weise wies der Zylinder mit dem fettesten Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Zylinder #3 mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,13) ein MBT-Zeitpunkt-Kriterium auf, das 1 Grad hinter (oder verzögert im Vergleich zu) dem mittleren MBT-Zündzeitpunkt lag.
41 wurde in 42 anders dargestellt, um die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und dem MBT-Zeitpunkt-Kriterium der einzelnen Zylinder zu zeigen. Aus 42 wird ersichtlich, dass die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem MBT-Kriterium allgemein linear verläuft, selbst wenn die Daten von den einzelnen Zylindern erhoben wurden. Aus 42 ist zu erkennen, dass zwischen der MBT-Zeitpunkt-Information und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis selbst auf der Ebene der einzelnen Zylinder eine überwiegend lineare Beziehung besteht, wenn der Motor nahe seines MBT-Zeitpunktes betrieben wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet diese Beziehung, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für jeden einzelnen Zylinder auszugleichen. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren verwendet einen Regler mit geschlossenem Regelkreis, um den Kraftstoff für die einzelnen Zylinder derart zu justieren (oder anzupassen), dass alle Zylinder das gleiche MBT-Zeitpunkt-Kriterium aufweisen. Unter Verwendung der in 40 und 42 dargestellten Beziehungen wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der einzelnen Zylinder ausgeglichen. 43 stellt das erfindungsgemäße Steuererfahren mit geschlossenem Regelkreis zum Ausgleich der Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der einzelnen Zylinder dar.
Dieses Steuererfahren besteht aus sieben Hauptlogikblöcken oder -schritten: a) Berechnen eines mittleren MBT-Zeitpunkt-Koeffizienten 1320, b) Berechnen der Abweichung des Ungleichgewichts 1330, c) Abweichungsintegration der Differenz der einzelnen Zylinder 1340, d) Berechnen des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten für jeden einzelnen Zylinder 1350, e) Neuskalieren des Anpassungskoeffizienten für jeden einzelnen Zylinder 1360, f) adaptives Aktualisieren des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten 1370 und g) Berechnen des endgültigen Kraftstoffzufuhrkoeffizienten 1380. Das Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung gleicht die Unterschiede im Luft-Kraftstoff-Verhältnis zwischen den einzelnen Zylindern aus, die durch Schwankungen von Motor zu Motor, ungleichmäßigen Luftstrom der Ansaugluft aufgrund der Geometrie des Ansaugkrümmers und andere, damit zusammenhängende Faktoren verursacht werden. Dieser Regler ist deaktiviert, wenn der Motor entweder klopf- oder fehlzündungsbegrenzt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform läuft das Steuerverfahren einmal pro Motorzyklus ab, so dass die MBT-Zeitpunkt-Information für jeden Zylinder aktualisiert wird.
Die Eingaben in das vorliegende Steuerverfahren sind die MBT-Zeitpunkt-Kriterien, die mit Hilfe des in Abschnitt F: „Robustes Mehrkriterien-Schätzungsverfahren für den MBT-Zeitpunkt unter Verwendung des Ionisationssignals” beschriebenen Verfahrens gewonnen werden. Die Ausgabe der Steuerung mit geschlossenem Regelkreis 1300 in der vorliegenden Erfindung wird als ein Multiplikator eines Kraftstoffbedarfs für den einzelnen Zylinder verwendet, um die Luft-Kraftstoff-Verhältnisse der einzelnen Zylinder zu korrigieren. Im Folgenden wird jeder der sieben Funktionsblöcke oder -schritte oder Logikblöcke des geschlossenen Regelkreises 1300 des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Vorrichtung (siehe 44) beschrieben.
Zuerst wird ein mittlerer Koeffizient des MBT-Zeitpunktes berechnet 1320. Die Ausgabe des MBT-Zeitpunkt-Schätzungsverfahrens, entweder aus dem Zylinderinnendruckverfahren oder aus einer Schätzung, die das Ionisationssignal 100 verwendet, kann als Vektor mit einer Größe dargestellt werden, die gleich der Anzahl der Zylinder ist, und in Grad nach oberem Totpunkt (Degree After Top Dead Center, DATDC) gemessen werden. L_MBT(i) stellt das MBT-Zeitpunkt-Kriterium dar, das aus der MBT-Zeitpunkt-Schätzung in Abschnitt F gewonnen wurde, wobei der Index i die Zylinderanzahl darstellt. Das mittlere MBT-Zeitpunkt-Kriterium für alle Zylinder kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden: L_MBT-MTTEL = 1/nΣL_MBT(i), (Gleichung 1) 1320, wobei n die Anzahl der Zylinder ist und L_MBT(i) über 1 bis n summiert ist.
Als Nächstes wird eine Abweichung des Ungleichgewichts berechnet 1330. Die Abweichung im MBT-Zeitpunkt-Koeffizienten, d. h. die MBT-Zeitpunkt-Koeffizientabweichung L_MBT-ABW(i), die durch das Ungleichgewicht der einzelnen Zylinder verursacht wird, wird durch Subtrahieren des Mittelwertes des MBT-Zeitpunkt Koeffizienten I_MBTMITTEL vom MBT-Zeitpunkt-Kriterium L_MBT(i) berechnet, wie in der folgenden Gleichung dargestellt: L_MBT-ABW(i) = L_MBT(i) – I_MBT-MITTEL, I = 1, 2, ..., n (Gleichung 2) 1330.
Drittens wird die Abweichungsintegration der Differenz des einzelnen Zylinders 1340 ausgeführt. Die Integration der MBT-Zeitpunkt Abweichung, d. h. die integrale Abweichung des MBT-Zeitpunkt-Koeffizienten für einen einzelnen Zylinder, ABW_MBT(k + 1), kann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden: ABW_MBT(k + 1) = K₁·[ABW_MBT(k) + L_MBT-ABW(k)], (Gleichung 3) 1340, wobei k ein Zeitschrittindex ist, der den k. Motorzyklus darstellt, ABW_MBT(k) der Abweichungsvektor ist, der aus Schritt b im k. Motorzyklus gewonnen wird, K₁ der integrale Zuwachskoeffizient mit einem üblichen Wert von 0,001 ist, der als Kalibrierungskoeffizient für das erfindungsgemäße Steuerverfahren im geschlossenen Regelkreis verwendet werden kann.
Viertens wird ein Optimalwert des Kraftstoffanpassungskoeffizienten für jeden einzelnen Zylinder 1350 berechnet. Der Vektor des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_OPTM (jedes Element stellt einen entsprechenden einzelnen Zylinder dar) ist die Ausgabe einer Nachschlagetabelle 1352. Er ist eine Funktion der Motordrehzahl und der Motorlast. Infolge der Geometrie des Ansaugkrümmers verändert sich das Ungleichgewicht jedes Zylinders mit der Veränderung des Luftdurchlasses. Die Nachschlagetabelle 1352 wird verwendet, um diese Veränderungen auszugleichen. Der kombinierte Kraftstoffanpassungskoeffizient wird als unbearbeiteter Kraftstoffanpassungskoeffizient KA_UNBEARB. bezeichnet und wird durch Addieren der Integration der MBT-Zeitpunkt-Abweichung ABW_MBT und des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_OPTM 1350 berechnet. Siehe folgende Gleichung 4: KA_UNBEARB. = ABWG_MBT + KA_OPTM, (Gleichung 4) 1350.
Es ist zu beachten, dass, wenn der Motor 161 mit abnormen Verbrennungszuständen (wie Klopfen, Fehlzündung/Teilverbrennung usw.) betrieben wird, das MBT-Zeitpunkt-Kriterium aufgrund einer unzuverlässigen MBT-Zeitpunkt-Schätzung nicht zur Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ausgleichs verwendet wird 1353 und in diesem Fall der integrierte Wert nicht aktualisiert wird. Folgerichtig wird der unbearbeitete Kraftstoffanpassungskoeffizient KA_UNBEARB. auf den Optimalwert des Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_OPTM gesetzt 1354.
45 ist ein Beispiel der Nachschlagetabelle 1352, die im Speicher 112 gespeichert ist. Der Speicher kann ein RAM, ein ROM oder ein beliebiges von vielen anderen Formen eines Speichermittels sein. Die Motordrehzahl ist entlang der vertikalen Achse von 650 U/min (z. B. Leerlauf) bis 6500 U/min (z. B. Nenndrehzahl) in 12 Inkrementen abgebildet. Die normalisierte Motorlast ist entlang der horizontalen Achse von 0 bis 1 in 10 Inkrementen abgebildet. Somit weist die Matrix mit 12 × 10 Datenparametern Werte auf, die für den Vektor des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_OPTM für jede Kombination der Motordrehzahl und Motorlast gespeichert sind. Gewöhnlich wird diese Tabelle 1352 durch den Motorkalibrierungsvorgang gewonnen.
Fünftens wird der Anpassungskoeffizient für jeden einzelnen Zylinder neu skaliert 1360. Der unbearbeitete Kraftstoffanpassungskoeffizient KA_UNBEARB. muss nicht die Bedingung erfüllen, dass die Summe des Vektors KA_UNBEARB. gleich der Anzahl der Zylinder ist, so dass der Gesamtkraftstoffdurchsatz unverändert bleibt. Dafür sorgt der folgende Neuskalierungsvorgang 1360, in dem der Kraftstoffanpassungskoeffizient KA_UNBEARB neu skaliert wird, was den neu skalierten Anpassungskoeffizient KA_SKALIERT ergibt. KA_SKALIERT(k) = (n·KA_UNBEARB.(k))/(ΣKA_UNBEARB.(k)), (Gleichung 5) 1360, wobei der Index k den k. Zylinder darstellt, n die Anzahl der Zylinder ist und KA_UNBEARB.(k) aus 1 und n addiert ist. Das heißt, der neu skalierte Anpassungskoeffizient KA_SKALIERT wird durch Multiplizieren des unbearbeiteten Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_UNBEARB. mit der Anzahl der im Motor 161 vorhandenen Zylinder und anschließendes Dividieren dieses Gesamtwertes durch die Summe aller unbearbeiteten Kraftstoffkoeffizienten KA_UNBEARB. für jeden einzelnen Zylinder in Motor 161 berechnet.
Mit Hilfe dieses Schrittes ist der Kraftstofffluss für einen gegebenen Motor gleich dem angeforderten Kraftstofffluss. Er wird jedoch umverteilt, so dass die einzelnen Zylinder ausgeglichen werden. Um einen ausfallsicheren Betrieb zu gewährleisten, werden auf die Kraftstoffanpassungen für die einzelnen Zylinder Sättigungen (d. h. Ober- und Untergrenzen) angewendet 1362. KA_OBER und KA_UNTER stellen die Vektoren der Ober- und Untergrenze für einen Kraftstoffanpassungsvektor dar. Sowohl KA_OBER als auch KA_UNTER, sind Kalibrierungskoeffizienten. Gewöhnlich sind der obere und der untere Sättigungsvektor KA_OBER und KA_UNTER solcherart gesetzt, dass genug Freiraum besteht, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für alle Zylinder mit einem angemessenen Abweichungsbereich auszugleichen. Übliche Werte von KA_OBER und KA_UNTER sind 0,9 und 1,1, die eine 10%ige Abweichung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgleichen können. Wenn irgendeines der Elemente von KA_SKALIERT außerhalb der Ober- oder Untergrenze liegt, wird es auf seinen Grenzwert zurückgesetzt und die dazugehörigen ungesättigten Elemente werden unter Verwendung des Vorganges, der der (Gleichung 5) ähnelt, neu skaliert 1364, so dass der Mittelwert des Anpassungsvektors gleich der Anzahl der Zylinder des Motors 161 ist. Der gesättigte Kraftstoffanpassungsvektor wird der endgültige Anpassungsvektor KA_END genannt.
Nachdem der endgültige Kraftstoffanpassungsvektor KA_END durch Neuskalierung der ungesättigten Elemente von KA_SKALIERT berechnet wurde 1364, wird der Abweichungsintegrator für die einzelnen Zylinder für den (k + 1). Motorzyklus ABW_MBT(k + 1) zurückgesetzt 1366, um den Vorgang der Skalierung und Sättigung zu reflektieren. Er wird durch Subtrahieren des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten KA_OPTM vom endgültigen Kraftstoffanpassungsvektor KA_END und nachfolgendes Dividieren des Ergebnisses durch den integralen Zuwachskoeffizienten K₁ berechnet. Siehe die folgende Gleichung 6: ABW_MBT(k + 1) = [KA_END(k + 1) – KA_OPTM(k + 1)]/K₁, (Gleichung 6) 1366.
Das Zurücksetzen des Abweichungsintegrators der einzelnen Zylinder ABW_MBT(k + 1) 1366 dient dazu, Überlaufen und übliche Integratoraufschaukelungsprobleme zu verhindern.
Im sechsten Schritt wird der Optimalwertkoeffizient der Kraftstoffanpassung adaptiv aktualisiert 1370. In einer bevorzugten Ausführungsform modifiziert oder aktualisiert der adaptive Abschnitt des Steuerverfahrens im geschlossenen Regelkreis die Optimalwert-Nachschlagetabelle 1352 auf der Basis der aktuellen Motorbetriebszustände 1372 (Motordrehzahl und -last). Wenn der Motor 161 in der Nähe einer Stützstelle der Nachschlagetabelle betrieben wird, aktualisiert der adaptive Algorithmus den neuen Stützstellenwert OTS durch: OTS_NEU(k) = OTS_ALT(k) + ABW_MBT(k), wobei k die Motorzyklenkennzahl ist und OTS_NEU(k) und OTS_ALT(k) beide den aktualisierten und aktuellen Stützstellenwert darstellen. Ziel ist, dass, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für alle Zylinder ausgeglichen ist, die Optimalwertausgabe den endgültigen Kraftstoffanpassungskoeffizienten bereitstellt.
Im siebenten Schritt wird der endgültige Kraftstoffzufuhrkoeffzient der einzelnen Zylinder berechnet 1380. Der endgültige Bedarf an Kraftstoffzufuhr (KRAFTSTOFF_END) für jeden einzelnen Zylinder wird durch Multiplizieren der erforderlichen Kraftstoffzufuhr oder des Kraftstoffzufuhrbedarfs (KRAFTSTOFF_BED) und des endgültigen Kraftstoffan passungskoeffizienten KA_END eines entsprechenden Zylinders berechnet, wie in der folgenden Gleichung gezeigt: KRAFTSTOFF_END(i) 140 = KRAFTSTOFF_BED·KA_END(i), i = 1, 2, ..., n. (Gleichung 7) 1380.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schritte (oder Befehle) in 43 in einer Software oder einer Firmware 107 gespeichert, die sich im Speicher 111 befindet (siehe 46, die einen Logikblockplan des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystems der vorliegenden Erfindung ist). Die Schritte werden von einem Regler 121 ausgeführt. Der Speicher 111 kann in dem Regler 121 oder getrennt vom Regler 121 angeordnet sein. Der Speicher 111 kann ein RAM, ein ROM oder ein beliebiges von vielen anderen Formen von Speichermitteln sein. Der Regler 121 kann ein Prozessor, ein Mikroprozessor oder ein beliebiges von vielen anderen Formen analoger oder digitaler Verarbeitungsmittel sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Regler einer Motorsteuereinheit (ECU) 121.
Die ECU 121 empfängt ein Ionisationssignal 100 von einem Ionisationserkennungsschaftkreis 10. Die ECU 121 führt die im Speicher 111 gespeicherten Befehle 107 aus, um ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis für jeden Zylinder zu bestimmen. Dann gibt sie den Bedarf der gewünschten Kraftstoffmenge 975 an eine Form eines Kraftstoffsteuermechanismus aus, wie etwa an ein Kraftstoffeinspritzventil 151 im Motor 161
Abschnitt I: ABGASSTEUERUNG UNTER VERWENDUNG EINES ZÜNDKERZENIONISATIONSSIGNALS
sDie Abgasrückführung (EGR) ist eine wirkungsvolle Möglichkeit, NOx-Emissionen in einem Verbrennungsmotor 161 zu verringern. Die nach dem Stand der Technik weitgehend verwendete externe Abgasrückführung wird mit Hilfe von Motorspeicherabbildpunkten eingestellt. Das heißt, die gewünschten Abgasrückführraten, die zum Steuern eines Motors verwendet werden, sind in Bezug auf verschiedene Motorbetriebszustände, wie Last und Drehzahl, abgebildet. Es ist zu beachten, dass der Umfang der Abgasrückführung die Emission des Motors beeinflusst und ebenso seine Verbrennungsstabilität. Um die Reduzierung der NOx-Emission ohne Abstriche bei der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu maximieren, ist eine hohe EGR-Rate erwünscht, andererseits kann aber eine zu hohe EGR den Verbrennungsvorgang im Motor destabilisieren. Deshalb ist es in einigen Fällen wünschenswert, so viel Abgas wie bei stabiler Verbrennung möglich zurückzuführen. Aufgrund der Schwankungen von Motor zu Motor, der Motoralterung und Schwankungen in der Betriebsumgebung des Motors ist die Kalibrierung einer gewünschten EGR-Rate im offenen Regelkreis sehr konservativ. In der vorliegenden Erfindung wird ein Regler mit geschlossenem Regelkreis verwendet, um die externe Abgasrückführung EGR zu regulieren, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu maximieren und die Emissionen zu minimieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die interne Abgasrückführung durch den geschlossenen Regelkreis 1600 gesteuert.
Die Abgasrückführung wird verwendet, um die Flammentemperatur zu verringern und den Verbrennungsvorgang zu verlangsamen. Aus diesem Grund wird sie nicht verwendet, wenn der Motor mit geringer Last oder im Leerlauf betrieben wird. Die Abgasrückführung erbringt ihren größten Nutzen, wenn sie in Teillastzuständen verwendet wird, wobei der Pumpverlust durch eine verhältnismäßig größere Öffnung der Drosselklappe verringert wird. Auch der Verbrennungsvorgang profitiert von einer weiteren Öffnung der Drosselklappe.
Bei Volllast, bei der der Pumpverlust am geringsten ist und die Drehmomentleistung Priorität besitzt, wird die Abgasrückführung nicht werter verwendet. Wie bereits dargelegt, bedarf die Steuerung der Abgasrückführung im offenen Regelkreis eines beträchtlichen Aufwandes bei der Motorkalibrierung, um eine gewünschte Abgasrückführrate bei verschiedenen Teillastzuständen einzustellen. Aufgrund der Steuerung der Abgasrückführung und des Zündzeitpunktes im offenen Regelkreis ist die gewünschte Abgasrückführung gewöhnlich zu konservativ, um den Nutzen der Abgasrückführung für die Kraftstoffwirtschaftlichkeit vollständig auszuschöpfen. Des Weiteren wird die Abgasrückführrate 1610 üblicherweise durch die Position des Abgasrückführventils 1620 gesteuert. Mit zunehmender Alterung des Motors 161 setzen sich das Abgasrückführventil und seine Zuleitungen durch Abgasablagerungen zu und die an die Zylinder geleitete tatsächliche Abgasrückführung kann sich drastisch verändern.
Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung verwendet das Ionisationssignal 100 und die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis 1600 der Abgasrückführung EGR, um für den Motor 161 entweder den frühesten Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment (MBT) oder den klopfbegrenzten Zeitpunkt bereitzustellen, um den mit der Abgasrückführung verbundenen maximalen Nutzen für die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen.
Der Zweck der Abgasrückführung EGR ist 1) die Verringerung der NOx-Emission und 2) die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotors 161 bei einer gegebenen NOx-Emission. Die Bildung von NOx hängt von zwei Faktoren ab: erstens muss genügend Sauerstoff vorhanden sein, um das N₂ zu oxidieren, und zweitens muss die Temperatur hoch genug sein, um die Reaktion der NOx-Bildung zu beschleunigen. Wenn die Abgasrückführung in die Brennkammer eingeleitet wird, verhält sich das Abgas wie ein inertes Gas und absorbiert die Wärme der Verbrennungsreaktion. Infolgedessen wird die Gesamttemperatur des Gases, die Temperatur, bei der die Verbrennung stattfindet, durch die Wirkung der Abgasbeimischung verringert. Die verringerte Temperatur verlangsamt die NOx-Bildung. Die unterdrückende Wirkung der EGR auf die Bildung des NOx verstärkt sich mit zunehmender Menge des zurückgeführten Abgases im Verhältnis zur Menge der Frischluft, die in den Motor eingeführt wird, d. h. mit zunehmender EGR-Rate.
Wenn im Motor 161 Abgasrückführung verwendet wird, tritt weniger Frischluft in die Brennkammer ein, da das heiße Abgas mehr Platz in der Kammer einnimmt. Somit wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch verdünnt, da im Zylinder weniger Raum für Sauerstoff ist (d. h. der Beimischungseffekt). Um die gleiche Lastanforderung zu bewältigen, muss die Drosselklappenöffnung vergrößert werden, um die Zunahme des Drucks im Ansaugkrümmer infolge der Abgasrückführung auszugleichen und somit den gleichen Luftdurchsatz (oder Sauerstoffdurchsatz) aufrecht zu erhalten. Die vergrößerte Drosselklappenöffnung verringert nicht nur den Pumpverlust, sondern beschleunigt auch den Verbrennungsvorgang aufgrund der Verwirbelung, die aus der Erhöhung des Drucks im Ansaugkrümmer resultiert.
Obwohl die Rückführung von Abgas die Verbrennungsgeschwindigkeit wegen des Beimischungseffekts im Zylinder verringert, gleicht die stärkere Verwirbelung dies zu einem gewissen Maß aus. Die zwei Effekte führen dazu, dass die Abgasbeimischung die Verbrennung mit zunehmender EGR-Rate 1610 allmählich verlangsamt. An dem Punkt, an dem zuviel Abgas in die Brennkammer zurückgeführt wird, wird die Verbrennung instabil. Somit bewirkt die Anwendung hoher EGR-Raten tendenziell eine Instabilität des Motorbetriebes. Demzufolge sollte die EGR-Rate derart gesteuert werden, dass eine Balance zwischen der Unterdrückung der NOx-Emission und der Verbrennungsstabilität des Motors erhalten bleibt.
Eines der Maße für die Verbrennungsstabilität ist die Kovarianz (COVariance, COV) des indizierten Mitteldrucks (Indicated Mean Effective Pressure, IMEP), da diese ansteigt, wenn die Verbrennung instabil wird. Um die bestmögliche Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erzielen, besteht die Steuerstrategie darin, so viel Abgas wie möglich in die Brennkammer zurückzuführen, ohne die Verbrennungsqualität zu verschlechtern. Nach dem Stand der Technik wird zur Berechnung der IMEP-COV ein Zylinderinnendrucksignal verwendet. Es ist jedoch schwierig, bei Serienmotoren die Verbrennungsstabilität zu messen, da es an Zylinderinnendrucksensoren fehlt, die serienreif sind, einen niedrigen Preis haben und verlässlich sind. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, das Ionisationssignal 100 zum Erzeugen eines Verbrennungsstabilitätskriteriums zu verwenden und dieses Kriterium zu verwenden, um die Abgasrückführrate 1610 zu maximieren und dadurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei einem gegebenen Emissionswert zu maximieren.
Mit zunehmender Abgasrückführrate 1610 verwendet die Verbrennung einen früheren Zündzeitpunkt, um die längere Verbrennungsdauer zwecks bester Kraftstoffwirtschaftlichkeit auszugleichen, oder mit anderen Worten, um den Motor an seinem frühesten Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment (MBT) zu betreiben. Wenn der Zündzeitpunkt nicht klopfbegrenzt ist, nimmt der früheste Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment mit zunehmender Abgasrückführrate 1610 zu. Unterdessen nimmt aufgrund des Erfordernisses einer längeren Verbrennungsdauer die Verbrennungsinstabilität allmählich zu. Wenn sich 0–90% der Verbrennungsdauer über mehr als 70 Grad Kurbelwellenwinkel hinziehen, neigt die Verbrennung üblicherweise dazu instabil zu werden und ist für gewöhnlich nicht länger akzeptabel. Aufgrund des sich verschlechternden Verbrennungsvorganges beginnt an diesem Punkt der Kraftstoffverbrauch zu steigen. Auch die Kohlenwasserstoff-(HC-)Emission steigt aufgrund des unverbrannten Kraftstoffes rapide an, wenn mehr Abgas zurückgeführt wird. Diese Instabilitätsgrenze ist erreicht, wenn der früheste Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment über eine bestimmte Gradzahl des Kurbelwellenwinkels vor dem oberen Totpunkt (BTDC), mit einem üblichen Wert von 40 Grad, hinaus vorverlegt ist. Um dies zu verhindern, ist die Abgasrückführrate 1610 so kalibriert, dass der früheste Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment unter dem kalibrierten Wert liegt, wie etwa 40 Grad BTDC. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt darin, dass die Kalibrierung aufgrund der Tatsache, dass sich die tatsächliche Abgasrückführrate 1610 wegen Motoralterung usw. verändert, sehr konservativ ist.
Der vorgeschlagene Regler der maximalen Abgasrückführate mit geschlossenem Regelkreis 1600 nutzt die Beziehung zwischen dem frühesten Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment und der CDV des IMEP (siehe 47). Im Allgemeinen werden bei der Verwendung der CDV des IMEP als Indikator der Verbrennungsinstabilität weniger als 3% als eine gute Verbrennung betrachtet. Wie in 47 gezeigt, nimmt die COV des IMEP mit zunehmendem frühestem Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment zu, wenn mehr Abgas in die Zylinder zurückgeführt wird. Wenn die COV des IMEP größer als 3% ist, liegt der MBT-Zeitpunkt bei etwa 43 Grad BTDC und die Abgasrückführate 1610 beträgt etwa 20%.
in der vorliegenden Erfindung wird statt des COV des IMEP der früheste Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment als ein Maß für die Steuerung der maximalen Beimischungsrate (Abgasrückführate 1610) verwendet. 47 stellt die Beziehung zwischen der CDV des IMEP und dem frühesten Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment für einen 2,0 I-4-Zylinder-Motor dar, der mit 1500 U/min bei 2,62 bar BMEP betrieben wird.
Wenn Abgas in den Zylinder zurückgeführt wird, steigt wegen des heißen Abgases die Anfangstemperatur des unverbrannten Gemisches an. Das unverbrannte Gemisch neigt mehr zur Selbstentftammung, wenn die Anfangstemperatur höher ist, und bewirkt das Klopfen des Motors. Der früheste Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment ist ohne Abgasrückführung EGR möglicherweise nicht klopfbegrenzt. Mit steigender Abgasrückführrate kann jedoch der Zündzeitpunkt des Motors klopfbegrenzt werden. Wenn mehr Abgas zurückgeführt wird, wird außerdem das Gasgemisch heißer und das Klopfen heftiger. Als Ergebnis wird der Zündzeitpunkt vom MBT-Zeitpunkt zurückgesetzt, um das Klopfen zu vermeiden. Dies führt zu schlechter Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Andererseits verringert eine höhere Abgasrückführate den Motorpumpverlust. Deshalb ist die bevorzugte oder optimale Abgasrückführrate 1606 für die beste Kraftstoffwirtschaftlichkeit eine Abgasrückführrate, die ein wenig höher ist als die klopfbegrenzte Abgasrückführrate 1608, siehe 48. Da eine direkte Messung der EGR-Rate aufgrund der hohen Kosten nicht zu bevorzugen ist, berechnet die vorliegende Erfindung einen bevorzugten klopfbegrenzten Zündzeitpunkt unter Verwendung des aus einem Ionisationssignal 100 erzeugten MBT-Zeitpunkt-Kriteriums. Wenn der Motor durch Abgasrückführung klopfbegrenzt ist, läuft der Motor nicht mit seinem frühesten Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment 1612. Stattdessen wird der Motor mit einem verzögerten (oder hinausgeschobenen) Zündzeitpunkt betrieben, der zum MBT-Zündzeitpunkt verzögert ist. Der Umfang der Verzögerung wird als „MBT-Versatz” 1614 bezeichnet und durch das MBT-Zeitpunk-Kriterium quantitativ bestimmt (siehe 48). Die Abgasrückführrate wird auf den klopfbegrenzten Zündzeitpunkt verringert.
In der Zusammenfassung wird eine Bestimmung vorgenommen, ob der Motor 161 klopfbegrenzt ist (1603) (siehe 50). Wenn die Abgasrückführrate nicht klopfbegrenzt ist, stellt der Motor 161 seine Abgasrückführrate 1610 auf eine optimale Abgasrückführrate 1606 ein, so dass der Motor 161 an der Abgasrückführungsgrenze für den frühesten Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment (oder EGR-MBT-Zeitpunkt-Grenze) läuft (1607). Wenn die Abgasrückführrate klopfbegrenzt ist, stellt der Motor 161 seine Abgasrückführrate auf eine klopfbegrenzte Abgasrückführrate 1608 ein, bei welcher der Motor 161 an einer verzögerten MBT-Zündzeitpunkt-Grenze läuft (1609). Der Motor 161 verwendet ein kalibrierbares MBT-Zeitpunkt-Kriterium, um die verzögerte MBT-Zündzeitpunkt-Grenze zu bestimmen. Die Differenz zwischen der verzögerten MBT-Zündzeitpunkt-Grenze und der EGR-MBT-Zeitpunkt-Grenze wird als MBT-Versatz 1614 bezeichnet.
Als Teil des Steuersystems mit Ionisationsrückkopplung (siehe Abschnitt C) zeigt 49 einen Logikblockplan der Steuerung der EGR-Rate im geschlossenen Regelkreis 1600, die die Beimischungsrate maximiert. Der EGR-Regler mit geschlossenem Regelkreis 1600 arbeitet mit dem MBT-Zeitpunkt-Regler im geschlossenen Regelkreis 1430, 1490, 1495 zusammen (siehe Abschnitt I). Der Regler 1600 weist fünf Eingaben und sieben Logikblöcke oder Logikeinheiten auf. Der Regler 1600 gibt den EGR-Ventil-Befehl 1630 aus. Eine Funktionsbeschreibung jedes der fünf Eingabesignale Motordrehzahl (U/min) 135, Motorlast 1060, Klopfgrenzenkennzeichen 1404, MBT-Zeitpunkt-Signal 1480 und Abweichung des MBT-Kriteriums 1438 ist nachfolgend angeführt.
Die aktuelle Motordrehzahl 135, gemessen in U/min (Umdrehungen pro Minute), ist die gefilterte Motordrehzahl, die die Motordrehzahl im Dauerbetrieb darstellt. Die Motorlastinformation 1060 wird als Prozentsatz der maximalen Last, der Kraftstoffzufuhr oder des indizierten Mitteldrucks (IMEP) berechnet. Das Klopfgrenzenkennzeichen 1404 wird vom MBT-Zeitpunkt-Regler im geschlossenen Regelkreis 1430, 1490, 1495 gewonnen (siehe Abschnitt G, „MBT-Zeitpunktsteuerung unter Verwendung der Ionisationsrückkopplung mit geschlossenem Regelkreis”). Wenn der Motor 161 im klopfbegrenzten Modus betrieben wird, erkennt der Klopfgrenzenmanager 1450, ob sich das Klopfkennzeichen 1404 oder die Klopfintensität 1402 im Zustand des Klopfens oder des nicht hörbaren Klopfens befinden. Das MBT-Zeitpunkt-Eingabesignal 1480 wird ebenfalls vom MBT-Zeitpunkt-Regler im geschlossenen Regelkreis 1430, 1490, 1495 gewonnen (siehe Abschnitt G). Wenn der Absolutwert der Abweichung 1438 des MBT-Kriteriums 1435 kleiner ist als ein kalibrierter Wert, wird der aktuelle Zündzeitpunkt als MBT-Zeitpunkt betrachtet. Der in diesem Regler 1600 verwendete MBT-Zeitpunkt ist gefiltert. Die Abweichung 1438 des MBT-Kriteriums ist die Regler-Abweichung des MBT-Zeitpunkt-Reglers mit geschlossenem Regelkreis 1430, 1490, 1495. Das MBT-Zeitpunkt-Kriterium der einzelnen Zylinder 1435 wird aus dem Ionisationssignal 100 oder dem Zylinderinnendrucksignal berechnet, die unter Verwendung eines Parameterschätzungsverfahrens erzeugt werden (siehe Abschnitte F, J). Dieser Parameter offenbart, ob die aktuelle Motorzündung vor oder nach dem MBT-Zündzeitpunkt 1612 für den einzelnen Zylinder liegt. Die Abweichung 1438 des Kriteriums wird gefiltert, um den Faktor der Schwankung von Verbrennung zu Verbrennung zu entfernen.
Die Funktionsweise jedes der Logikblöcke (oder Logikeinheiten), der EGR-MBT-Grenzentabelle 1640, des proportional-integralen (PI-)Zuwachs- und -Abweichungsgenerators 1650, des proportional-integralen (PI-)Reglers 1660, der EGR-Raten-Optimalwert-Tabelle 1670, des adaptiven EGR-Raten-Lernadapters 1680, des Sättigungsmanagesr 1690 und des EGR-Ventilöffnungsreglers 1695, wird nachfolgend erläutert.
Die EGR-MBT-Grenzentabelle 1640 ist ein Logikblock, der als eine Nachschlagetabelle fungiert, die die Motordrehzahl 135 und die Motorlast 1060 als Eingaben verwendet. Sie kann in einem RAM-Speicher, einem ROM-Speicher, auf einem Magnetband, einer CD oder in jeder beliebigen einer Anzahl von digitalen oder analogen Speichereinheiten gespeichert sein. Jeder einzelne Punkt der Nachschlagetabelle kann durch Abbilden der EGR-Rate 1610 auf eine spezifische Motordrehzahl 135 und Motorlast 1060 kalibriert werden (siehe Schritt 1700 in 51a). Sie stellt für den PI-Zuwachs- und -Abweichungsgenerator 1650 ein Signal der empfohlenen EGR-MBT-Zeitpunkt-Grenze 1642 (oder gibt es aus), das einem Verbrennungsstabilitätskriterium wie etwa der COV des IMEP entspricht. Mit einem gewünschten Verbrennungsstabilitätskriterium (wie etwa dem, dass die COV des IMEP kleiner als 2,5% ist) kann eine MBT-Zeitpunkt-Grenze bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der PI-Zuwachs- und -Abweichungsgenerator ein Prozessor, ein Mikroprozessor oder jede beliebige Form eines Verarbeitungsmittels sein. Diese Logikeinheit kann in zwei verschiedenen Motorzuständen, dem klopfbegrenzten oder dem nicht klopfbegrenzten, arbeiten. Die Eingabe des Klopfgrenzenkennzeichens 1404 wird verwendet um zu bestimmen, in welchem der beiden Zustände der PI-Zuwachs- und -Abweichungsgenerator arbeitet (1720), a) dem klopfbegrenzten Zustand oder b) dem nicht klopfbegrenzten Zustand. Das Ausgabesignal 1652 des PI-Zuwachs- und -Abweichungsgenerators 1650 umfasst beide Zuwächse (den proportionalen und den integralen) des PI-Reglers 1660, PI_Zuwachs, und die Eingabeabweichung des PI-Reglers 1660, PI_Abweichung. Der proportionale Zuwachs ist jederzeit auf Null gesetzt.
Im klopfbegrenzten Zustand werden der PI-Zuwachs (PI_Zuwachs) und die PI-Abweichung (PI_Abweichung) unter Verwendung des Eingabesignals der Abweichung des MBT-Kriteriums 1438 erzeugt. Der erste Schritt besteht darin zu bestimmen, ob die Abweichung des MBT-Kriteriums 1438 kleiner ist als eine kalibrierbare MBT-Zeitpunkt-Verzögerungsgrenze (1730), wie etwa 3 Grad Kurbelwellenwinkel. Ist die Abweichung des Kriteriums 1438 kleiner als eine kalibrierbarere MBT-Zeitpunkt-Verzögerungsgrenze, liegt der Zündzeitpunkt unter dem Versatz zum MBT-Zeitpunkt. Demzufolge kann die Abgasrückführrate erhöht werden, bis sie die klopfbegrenzte EGR 1608 erreicht (siehe 48).
Somit wird, wenn die Abweichung des MBT-Kriteriums 1438 kleiner ist als eine kalibrierbarere MBT-Zeitpunkt-Verzögerungsgrenze (das heißt, eine höhere EGR-Rate benötigt wird), die PI-Abweichung (PI Abweichung) auf Eins gesetzt und der integrale Zuwachs von PI Zuwachs auf einen kalibrierbaren Wert wie etwa 0,1 (1732). Im Ergebnis erhöht sich die Ausgabe der PI-Steuerung, um die EGR zu erhöhen.
Ist die Abweichung des MBT-Kriteriums 1438 größer oder gleich einer kalibrierbaren MBT-Zeitpunkt-Verzögerungsgrenze, liegt der Zündzeitpunkt über dem Versatz zum MBT-Zeitpunkt. Die Abgasrückführrate sollte verringert werden, bis der Zündzeitpunkt am MBT-Zeitpunkt-Versatz oder EGR-MBT-Zeitpunkt liegt. Infolgedessen kann die Abgasrückführrate verringert werden, bis sie die klopfbegrenzte EGR 1608 erreicht (siehe 48).
Somit wird, wenn die Abweichung des MBT-Kriteriums 1438 größer als eine kalibrierbare MBT-Zeitpunkt-Verzögerungsgrenze ist (das heißt eine niedrigere EGR-Rate benötigt wird), die PI Abweichung auf minus Eins und der integrale Zuwachs von PI_Zuwachs auf einen kalibrierbaren Wert gesetzt (1734). Im Ergebnis nimmt die Ausgabe der PI-Steuerung ab, um die EGR-Rate 1610 zu verringern.
Im nicht klopfbegrenzten Zustand wird das Ausgabesignal von PI-Zuwachs und -Abweichung 1652 unter Verwendung des MBT-Zündzeitpunktsignals 1480 vom MBT-Zeitpunkt-Regler 1430, 1490, 1495 erzeugt. Der erste Schritt besteht darin zu bestimmen, ob das MBT-Zündzeitpunktsignal 1480 kleiner ist als die EGR-MBT-Zündgrenze (1735). Ist der MBT-Zeitpunkt kleiner als die EGR-MBT-Zündgrenze, wird PI Abweichung auf Eins und der integrale Zuwachs von PI Zuwachs auf einen kalibrierbaren Wert gesetzt. Infolgedessen erhöht sich die Ausgabe der PI-Steuerung 1662, um die EGR-Rate 1610 zu erhöhen, bis sie eine optimale Abgasrückführrate 1606 erreicht. Ist das MBT-Zündzeitpunktsignal 1480 größer oder gleich der EGR-MBT-Grenze, wird PI_Abweichung auf minus Eins und der integrale Zuwachs von PI Zuwachs auf einen kalibrierbaren Wert gesetzt (1739). Im Ergebnis verringert die Ausgabe der PI-Steuerung 1662 die EGR-Rate 1610, bis sie die optimale Abgasrückführrate 1606 erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der proportional-integrale (PI-)Regler 1660 ein Regler, ein Prozessor, ein Mikroprozessor oder jede beliebige Form eines Steuerungs- oder Verarbeitungsmittels sein. Wie oben erläutert, empfängt der PI-Regler 1660 als eine Eingabe das Ausgabesignal 1652 des PI-Zuwachs- und -Abweichungsgenerators 1650, das beide Zuwächse (den proportionalen und den integralen) des PI-Reglers 1660, PI_Zuwachs, und die Eingabeabweichung des PI-Reglers 1660, PI Abweichung, umfasst (1740). Die Ausgabe 1662 des PI-Reglers 1660 ist die Summe der proportionalen und integralen Steuerausgaben. Die proportionale Steuerausgabe wird berechnet, indem das Produkt aus PI Abweichung und dem proportionalen Zuwachs gebildet wird (1744).
Ein neuartiges Merkmal des Reglers besteht darin, dass der integrierte Wert zurückgesetzt wird, wenn die kombinierte Ausgabe (Optimalwert- und PI-Ausgaben) gesättigt ist. Wenn dieser Zustand eintritt, wird der PI-Integrationswert so gesetzt, dass die kombinierte Ausgabe gleich dem gesättigten Wert ist (siehe unten), um Überlauf und Aufschaukeln zu verhindern.
Die EGR-Raten-Optimalwert-Tabelle 1670 ist eine Funktion der Motordrehzahl 135 und der Motorlast 1060. Die Tabelle 1670 kann zunächst durch Abbilden der maximalen EGR-Rate des Motors 1610 mit einem zufrieden stellenden Verbrennungsstabilitätskriterium (wie COV des IMEP) gewonnen werden 1750 (siehe 51b). Die Genauigkeit dieses Abbildungsvorganges kann durch den adaptiven Lernvorgangsregler 1680 korrigiert werden (siehe unten). Sie kann in einem RAM-Speicher, in einem ROM-Speicher, auf einem Magnetband, einer CD oder in jeder beliebigen einer Anzahl von digitalen oder analogen Speichereinheiten gespeichert sein. Die Tabelle 1670 gibt einen EGR-Raten-Optimalwert 1672 aus (1752), der vom Summierer 1663 zur Ausgabe 1662 des PI-Reglers 1664 addiert wird, um ein gewünschtes EGR-Raten-Signal 1664 zu erzeugen (1754).
Wie oben erwähnt, vergleicht der adaptive EGR-Raten-Lernadapter 1680 die endgültige gewünschte EGR-Rate 1664 mit einer Standard-EGR-Rate, die aus den aktuellen Betriebszuständen des Motors 161 erzeugt wird (d. h. gegebene Motordrehzahl 135 und -last 1060), die als Eingaben in die adaptive Lerneinheit 1680 dienen (1756). (Folglich umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die adaptive Lernvorrichtung 1680 einen Prozessor und einen Komparator.) Die adaptive Lerneinheit 1680 erzeugt ein Korrekturwertsignal 1682 für die Optimalwert-Tabelle 1670 (1758). Wenn der Motor 161 über eine kalibrierbare Zeit im aktuellen Betriebszustand läuft, wird der aktualisierte Wert 1682 für diesen Betriebszustand an die Optimalwert-Tabelle 1670 gesendet, um die Werte in der Tabelle 1670 adaptiv zu korrigieren. Die adaptive Lernvorrichtung 1680 bildet zusammen mit der EGR-Raten-Optimalwert-Tabelle 1670 den Rückkopplungsabschnitt des Regelkreises 1600.
Der Sättigungsmanager 1690 ist eine Logikeinheit, die für das zulässige Maximum der gewünschten EGR-Rate 1610 eine Ober- und eine Untergrenze festlegt. Die integrale Ausgabe der PI-Regler-Ausgabe 1662 wird zurückgesetzt, wenn das kombinierte Ausgabesignal 1664 (Optimalwert- 1672 und PI-Ausgabe 1662) gesättigt ist (1760), d. h. die gewünschte EGR-Rate entweder die Ober- oder die Untergrenze überschreitet. Wenn dieser Zustand eintritt, wird der Pl-Integrationswert so gesetzt, dass die kombinierte Ausgabe gleich dem gesättigten Wert 1692 ist. Die Untergrenze liegt gewöhnlich bei Null und die Obergrenze ist von einer Anzahl von Faktoren abhängig, wie etwa der maximalen Öffnung des EGR-Ventils, dem Druckunterschied im Abgas- und im Ansaugkrümmer usw. Die Obergrenze kann auch eine Funktion der Betriebszustände des Motors 161 sein.
Der EGR-Ventilöffnungsregler 1695 wandelt die gewünschte EGR-Rate 1664 durch Ausgeben eines EGR-Ventil-Befehls 1630 in eine gewünschte Ventilöffnung 1620 um (1764). Aufgrund des geschlossenen Regelkreises ist die Anforderung an die Genauigkeit bei dieser Umwandlung viel geringer als bei einer herkömmlichen EGR-Raten-Steuerung im offenen Regelkreis.
Abschnitt J: DIE BESTIMMUNG DES MBT-ZEITPUNKTES ANHAND DER BESCHLEUNIGUNG DES NETTODRUCKS DES VERBRENNUNGSVORGANGES
Die Bestimmung des MBT-Zeitpunktes (frühester Zündzeitpunkt für bestes Drehmoment) bei verschiedenen Motorbetriebszuständen erfordert beträchtliche Abbildungsaufwendungen. Der für die MBT-Zeitpunkt-Steuerung entwickelten vorhandenen Steuerschemata auf der Basis von Zylinderdrucksensoren, wie etwa die Lage des Druckhöchstpunktes, der Punkt 50%iger Massenanteilverbrennung und die Druckverhältnissteuerung, basieren noch immer auf der Beobachtung des Drucksignals und erfordern noch immer einen bestimmten Kalibrierungsaufwand.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, die maximale Beschleunigungsrate des Nettodruckanstiegs zu verwenden, der aus der Verbrennung im Zylinder resultiert, um den Zündzeitpunkt zu steuern. Wenn der maximale Beschleunigungspunkt des Nettodruckes mit dem oberen Totpunkt (TDC) zusammenfällt, ist der MBT-Zeitpunkt erreicht. Die Erfindung vereinfacht nicht nur das Steuerschema für den Zündzeitpunkt, sondern gestaltet auch die Suche des MBT-Zeitpunktes viel verlässlicher.
Der MBT-Zeitpunkt wird auch frühester Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment oder Zündzeitpunkt für das maximale Drehmoment genannt. Wenn der Zündzeitpunkt bei einem bestimmten Motorbetriebszustand nicht durch Klopfen begrenzt oder für einen bestimmten Zustand absichtlich verzögert ist, ist der beste Zündzeitpunkt immer dort, wo die gleiche Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches die maximale Arbeit erzielen kann. Bei einem idealen Verbrennungszyklus geschieht ein Verbrennungsvorgang unverzögert, wobei die Zündung, die Flammenkernentwicklung und die Flammenausbreitung zur gleichen Zeit stattfinden. Der TDC ist der Punkt, an dem die ideale Verbrennung stattfindet. In Wirklichkeit kann die Verbrennung nicht unverzögert beendet werden. Der MBT-Zeitpunkt ist das Ergebnis einer stetigen Veränderung des Brennkammervolumens infolge der Kolbenbewegung und des nicht idealen Verbrennungsvorganges.
Traditionell wird die Suche des MBT-Zeitpunktes durch eine Serie von Messungen des Zündzeitpunktes (Spark Sweep) ausgeführt. Sofern nicht Betriebszustände einen verzögerten Zündzeitpunkt erfordern, benötigt fast jeder Kalibrierungspunkt einen Spark Sweep um festzustellen, ob der Motor im MBT-Zeitpunkt-Zustand betrieben werden kann. Wenn das nicht der Fall ist, wird ein bestimmtes Maß an Sicherheitsspielraum für den Zustand benötigt, um Vorentflammung oder Klopfen zu verhindern. Die Abbildung der Zündung im offenen Regelkreis erfordert gewöhnlich einen immensen Aufwand, um eine zufrieden stellende Kalibrierung zu erreichen.
In den letzten Jahren wurden verschiedene Zündzeitpunkt-Steuerschemata mit geschlossenem Regelkreis vorgeschlagen, die auf Messungen des Zylinderdruckes oder auf dem Messen der Zündionisation beruhen. Basierend auf massiver Testdatenbeobachtung wurde festgestellt, dass der Druckhöchstpunkt beim MBT-Zündzeitpunkt gewöhnlich bei etwa 15 Grad ATDC auftritt und die 50%ige Massenanteilverbrennung beim MBT-Zündzeitpunkt bei 7 bis 9 Grad ATDC geschieht. Der im Dokument SAE 2000-01-0932 nach dem Stand der Technik veröffentlichte Algorithmus regelt die Druckverhältnissteuerung auf einen Wert von etwa 0,55, um den MBT-Zeitpunkt zu gewinnen. Da die Kriterien auf Beobachtungen basieren und sich bei verschiedenen Betriebszuständen ändern können, benötigt jeder Algorithmus immer noch einen bestimmten Umfang an Kalibrierungsaufwand. Es ist klar, dass der Verbrennungsvorgang mit den Volumenveränderungen der Zylinder des Motors abgeglichen werden muss, um das beste Drehmoment zu erzielen. Es existiert jedoch keine fundierte Theorie, die belegen könnte, warum der Druckhöchstpunkt bei etwa 15 Grad ATDC auftreten muss oder warum die 50%ige Verbrennung bei etwa 8 Grad ATDC geschehen muss oder warum die Druckverhältnissteuerung für den MBT-Zeitpunkt-Zustand bei etwa 0,55 liegen sollte.
Ein Verbrennungsvorgang ist nicht grundsätzlich ein chemischer Vorgang. Er ist vielmehr sowohl ein chemischer Vorgang als auch ein physikalischer Vorgang und wird gewöhnlich durch die Massenanteilverbrennung im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel beschrieben. Die Massenanteilverbrennung gibt nicht nur an, wie viel chemische Energie bei jedem Kurbelwellenwinkel während der Verbrennung freigesetzt wird, sondern auch wie schnell die chemische Energie freigesetzt wird. Sie weist eine charakteristische S-Form auf und verändert sich ”cm Beginn bis zum Ende der Verbrennung von Null zu Eins. 52 zeigt die Massenanteilverbrennung und ihre erste und zweites Ableitung. Die erste Ableitung der Massenanteilverbrennung kann als die Rate der Wärmefreisetzung oder die Geschwindigkeit des Verbrennungsvorganges behandelt werden, während die zweite Ableitung als die Beschleunigung des Verbrennungsvorganges behandelt werden kann. Nach der Entladungszündung beginnt sich der Flammenkern zu bilden. Sobald der Flammenkern stabil wird, entwickelt er sich sehr schnell und der Verbrennungsvorgang erreicht seinen maximalen Beschleunigungspunkt. Dann beginnt die schnelle Brennperiode und erreicht ihre maximale Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit und danach wird der Verbrennungsvorgang verlangsamt und er erreicht seinen maximalen Verlangsamungspunkt. Da die Verbrennung nicht unverzögert abgeschlossen werden kann und das Kammervolumen sich stetig verändert, kann das Ausrichten dieser kritischen Punkte im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel deutliche Auswirkungen darauf haben, wie viel nutzbare Arbeit während des Verbrennungsvorganges erreicht werden kann. Wenn das Gemisch zu früh gezündet wird, erzeugt der Druckanstieg infolge der Wärmefreisetzung vor dem TDC eine schlechte Leistung. Wenn das Gemisch nicht rechtzeitig gezündet wird, ist der Wärmefreisetzungsvorgang nicht effizient genug, um die Vorteile des kleinen Volumens genau zum oder gleich nach dem TDC zu nutzen. Daher wird es für das Erreichen des besten Drehmoments zu einem bestimmten Zündzeitpunkt entscheidend, wann das Brenngemisch gezündet wird.
Die Massenanteilverbrennung wird meist mit dem allgemein bekannten Rassweiler-Withrow-Verfahren bestimmt, das 1938 durch Druckmessung eingeführt wurde. Es verwendet das Kammervolumen bei der Zündung als Referenzgröße, berechnet den Nettodruckanstieg bei jedem Kurbelwellenwinkel für den gesamten Verbrennungsvorgang und normalisiert dann den Druck mit dem maximalen Druckanstieg gegen Ende der Verbrennung. Das Verfahren ignoriert den Wärmeverlust und das Entweichen von Gemisch während der Verbrennung. Jeder Prozentsatz des Druckanstieges gibt den Prozentsatz des verbrannten Massenanteils des Kraftstoffes bei entsprechendem Kurbelwellenwinkel an.
Statt der Massenanteilverbrennung verwendet die vorliegende Erfindung die Veränderung des Nettodruckes und ihre erste und zweite Ableitung, um den Hub, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Verbrennungsvorganges darzustellen. Der Nettodruck wird wie folgt abgeleitet.
Bei jedem Kurbelwellenwinkel nach der Zündung wird der Druck P(i + 1) verglichen mit dem des vorherigen Kurbelwellenwinkels P(i), wobei die Differenz aus zwei Teilen zusammengesetzt ist. Ein Teil der Druckveränderung aufgrund der Volumenänderung ergibt sich aus der Differenz zwischen P(i)·(V(i)/V(i + 1))^1,3 – P(i), unter der Annahme, dass der Druck isentrope Verdichtung oder Ausdehnung erfährt. Dann ist die Druckdifferenz, die aus der Verbrennung zwischen diesen zwei Kurbelwellenwinkeln resultiert, P(i + 1) – P(i)·(V(i)/V(i + 1))^1,3. Diese Differenz wird immer noch als Volumen V(i) bewertet. Wenn der Nettodruck ohne Volumenänderung seit der Zündung ermittelt werden soll, wird die Differenz wiederum mit dem Volumen zum Zündzeitpunkt verglichen, als ob die Verbrennung mit konstantem Volumen abliefe. Dann beträgt die Nettodruckänderung zwischen zwei Kurbelwellenwinkeln: dP(i) = P(i + 1) – P(i)·(V(i)/V(i + 1))^1,3V(i)/V_zünd.
Schließlich beträgt der Nettodruck bei jedem Kurbelwellenwinkel: P_netto(i) = P_netto(i – 1) + dP(i), wobei P der Druck ist, V das Volumen und V_Zünd das Kammervolumen zum Zündzeitpunkt. Danach wird der Nettodruck für den gesamten Verbrennungsvorgang bestimmt. Seine erste und seine zweite Ableitung können als die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Nettodrucks behandelt werden, was auch als Angabe zur Geschwindigkeit und Beschleunigung des Verbrennungsvorganges verwendet werden kann (in 53 gezeigt). Sobald das Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die EGR-Rate bestimmt sind, ändern sich der Höchstpunkt der Geschwindigkeit und der Höchstpunkt der Beschleunigung des Verbrennungsvorganges nicht sehr viel mit dem Zündzeitpunkt. Der gesamte Verbrennungsvorgang gleicht einem Langstreckenläufer, der an einem Rennen teilnimmt. Wann er seine maximale Beschleunigung und wann die höchste Geschwindigkeit erreicht, ist entscheidend dafür, wie gut das Endergebnis ist. Bekanntermaßen wird die Arbeit, die vor dem oberen Totpunkt (TDC) erzeugt wird, im Widerstand gegen die Kolbenbewegung und in der Erzeugung von Wärme verschwendet. Es ist jedoch ein notwendiger Schritt, dass sich die Flamme aufbaut, um sich dann weiter entwickeln zu können. Die nutzbare Arbeit wird nach dem TDC verrichtet. Aus 52 und 53 wird ersichtlich, dass der Verbrennungsvorgang seinen maximalen Beschleunigungspunkt in einer verhältnismäßig frühen Phase erreicht, was anzeigt, dass die Erzeugung der frühen Flamme an diesem Punkt abgeschlossen ist. Wird dieser maximale Beschleunigungspunkt vor dem TDC erreicht, wird ein Teil der schnellen Brennphase vor dem TDC verschwendet. Wenn der maximale Beschleunigungspunkt nach dem TDC erzielt wird, erfolgt die schnelle Brennphase direkt nach dem maximalen Beschleunigungspunkt bei einem größeren Zylindervolumen, was zu einer geringeren Verbrennungseffizienz führt. Deshalb ist es sinnvoll, die schnelle Brennperiode genau am oberen Totpunkt zu beginnen, wodurch die am besten nutzbare Arbeit am effizientesten erzeugt werden kann. Wenn mit anderen Worten der Zündzeitpunkt auf den Punkt vorverlegt wird, an dem sich der maximale Beschleunigungspunkt mit dem oberen Totpunkt deckt, kann die am besten nutzbare Arbeit aus dem Verbrennungsvorgang gewonnen und der MBT-Zeitpunkt erreicht werden.
54 zeigt den Wert des Drehmoments zu einem anderen Zündzeitpunkt für 2500 U/min, 7,86 bar (114 psi) BMEP und 55 zeigt die entsprechenden Kurven der Nottodruckbeschleunigung zu verschiedenen Zündzeitpunkten. Aus 54 wird ersichtlich, dass der MBT-Zeitpunkt bei 28 Grad BTDC liegt. Die in 55 gezeigten Höchstbeschleunigungspunkte rücken in dem Maß vor wie der Zündzeitpunkt vorverlegt wird. Bei 28 Grad BTDC liegt der Höchstpunkt der Druckbeschleunigung nahe des TDC.
Die bei verschiedenen Motorbetriebszuständen durchgeführten Tests haben auch belegt, dass die Lenkung des maximalen Beschleunigungspunktes auf den TDC dazu führt, dass der MBT-Zeitpunkt erreicht wird. Diese Regel gilt für den Verbrennungsvorgang mit einer Wärmefreisetzungskurve mit nur einem Höchstpunkt, wie bei Motoren mit Saugrohreinspritzung (Port Fuel Injection, PFI), Erdgasmotoren und Motoren mit Benzindirekteinspritzung (Gasoline Direct Injection, GDI) mit nur einmaliger Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder.
Abschnitt K: STEUERN DER MAXIMALEN MOTORBEIMISCHUNG UNTER VERWENDUNG EINES VERBRENNUNGSSTABILITÄTSMESSERS, DER AUS DEM IONISATIONSSIGNAL ABGELEITET IST
Wie bereits in Abschnitt I beschrieben, hat das Betreiben eines Verbrennungsmotors an seiner Abgasrückführungsgrenze (EGR-Grenze) viele Vorteile, z. B. verringerte NOx-Emissionen und eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Das Betreiben des Motors mit einer EGR-Rate, die höher ist als die EGR-Grenze des Motors, verursacht jedoch Verbrennungsinstabilität, woraus eine verringerte Leistung und mögliche Motorschäden entstehen. Um keine Beschädigung des Motors zu riskieren, wird nach dem Stand der Technik der konservative Ansatz des Verwendens einer EGR-Rate genutzt, die deutlich unter der wahren EGR-Grenze des Motors liegt. Außerdem war es nach dem Stand der Technik erforderlich, bei der Schätzung der EGR-Grenze eines Motors ultrakonservativ vorzugehen, da die wahre EGR-Grenze eines gegebenen Motors schwer zu bestimmen war, weil sie eine Funktion der Motorbetriebszustände ist und sich im Verlauf der Motoralterung fast mit Sicherheit ändert. Dieser ultrakonservative Ansatz garantiert einen sicheren Betrieb des Motors, aber eine weniger als optimale Leistung bei einem gegebenen Betriebszustand. Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Motors bei (oder sehr nahe) seiner wahren EGR-Grenze bereit, während die Verbrennungsstabilität des Motors erhalten bleibt.
Die Verbrennungsstabilität wird oft über die Kovarianz des indizierten Mitteldrucks („COV des IMEP”) gemessen. Je niedriger der COV-Wert des IMEP ist, desto besser ist die Verbrennungsstabilität des Motors. Jedoch besteht die einzige Möglichkeit, die COV des IMEP zu bestimmen, in der Verwendung eines Zylinderinnendrucksensors, der kostspielig und im Allgemeinen unzuverlässig ist und damit solch ein System ungeeignet zur Massenproduktion macht. Die vorliegende Erfindung verwendet das Ionisationssignal, um einen Verbrennungsstabilitätswert zu bestimmen, und verwendet diesen Verbrennungsstabilitätsmesswert, um den Betrieb des Motors zu steuern. Wie bereits erläutert, können die Ionisationssignale des Motors verlässlich aus den Ionisationserkennungsschaltkreisen gewonnen werden, die mit den Zündspulen eines Motors verbunden sind, was das Verfahren und System der vorliegenden Erfindung gut geeignet für die Massenproduktion macht.
Wenn die Verbrennungsstabilität in einem Motor über der stabilen Grenze liegt, ist der Kurbelwellenwinkel, den die Verbrennung zum Erreichen einer bestimmten Massenanteilverbrennung oder zu ihrem Abschluss benötigt, gewöhnlich größer als bei einer normalen Verbrennung. Außerdem nimmt die Standardabweichung des Kurbelwellenwinkels zu, wenn der Motor über der Verbrennungsstabilitätsgrenze betrieben wird. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Beobachtungen, um einen Verbrennungsstabilitätswert zu bestimmen und diesen Verbrennungsstabilitätsmesswert auf oder unter dem gewünschten Maß zu halten.
Das aus der Zündkerze oder dem Ionisationssensor abgeleitete Ionisationssignal stellt reichhaltige Informationen über die Verbrennung bereit. Obwohl die Stärke des Ionisationssignals aufgrund der Schwankungen von Verbrennungszyklus zu Verbrennungszyklus, des Elektrodenabstandes usw. wesentlich schwankt, ist seine Form über einen gegebenen Betriebzustand hinweg ziemlich konstant. Die Form des Ionisationssignals kennzeichnet den gesamten Verbrennungsvorgang. Bei hoher Verbrennungsstabilität verändert sich die Form des Ionisationssignals wenig. Verschlechtert sich die Verbrennungsstabilität, wird das Ionisationssignal unregelmäßig und die Formveränderungen nehmen zu. Basierend auf (1) der Dauer (in Kurbelwellenwinkelgrad), über die das Ionisationssignal einen bestimmten Prozentsatz seines gesamten integrierten Wertes erreicht („Integrationsdauer” genannt), und (2) der Standardabweichung dieses Kurbelwellenwinkels für mehrere Verbrennungsereignisse ist die vorliegende Erfindung in der Lage, die Verbrennungsstabilität zu messen. Sowohl die Integrationsdauer als auch die Standardabweichung hängen von der Stärke des Ionisationssignals ab und folglich ist der Ansatz der vorliegenden Erfindung zur Messung der Verbrennungsstabilität robust gegenüber Veränderungen in der Stärke des Ionisationssignals.
in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 56 dargestellt ist, wird die Integrationsdauer 1975 folgenderweise gewonnen. Zuerst wird durch Integrieren des Ionisationssignals 1900 vom Ende des Zündfunkens bis zum Ende des Ionisationssignals 1900 ein Ionisationsintegrationswert 1960 gewonnen. Nachdem der Ionisationsintegrationswert 1960 gewonnen wurde, wird durch Messen des Kurbelwellenwinkels vom Ende des Zündfunkens bis zu dem Punkt, an dem die Integration einen definierten Prozentsatz erreicht (in einer bevorzugten Ausführungsform 90%), die Integrationsdauer 1975 bestimmt. 56 zeigt ein Ionisationssignal 1900 und die normalisierte Integration 1950 des Ionisationssignals 1900, die im Verhältnis zum Kurbelwellenwinkel auf der x-Achse aufgezeichnet sind. Der definierte Prozentsatz 1955 beträgt in diesem Beispiel 90% und der Wert der x-Achse an diesem Punkt ist die Integrationsdauer 1975. Die Integrationsdauer kann auch auf andere Weise definiert werden, zum Beispiel vom TDC (oberen Totpunkt) statt vom Ende des Zündfunkens ausgehend. Die Integrationsdauer ist ein Indikator der Verbrennungsstabilität und kann damit zur Steuerung der EGR-Rate des Motors verwendet werden.
Basierend auf der Integrationsdauer wird gemäß dem folgenden Vorgang die EGR gesteuert. Die gewonnene Integrationsdauer wird mit einer Grenze der stabilen Integrationsdauer verglichen. Wenn die Integrationsdauer größer als die Grenze ist, wird eine lange (oder langsame) Verbrennung festgestellt. Wenn eine lange Verbrennung festgestellt ist, wird die EGR-Menge verringert. Die Verringerung der EGR-Menge verkürzt die Integrationsdauer. Der Vorgang des Gewinnens der Integrationsdauer wird dann wiederholt, bis die Integrationsdauer unter die Grenze der stabilen Integrationsdauer fällt, die eine stabile Verbrennung anzeigt.
Der Steuervorgang kann auch auf mehreren anderen Wegen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der Regler derart konfiguriert sein, dass die EGR-Rate nur nach einer festgelegten Anzahl von Motorzyklen verringert wird, in denen die Integrationsdauer die festgesetzte Grenze übersteigt. Alternativ kann die Standardabweichung der Integrationsdauer für die EGR-Steuerung berechnet und verwendet werden. Während des Motorbetriebes mit stabiler Verbrennung sollte die Standardabweichung der Integrationsdauer verhältnismäßig klein sein, und mit steigender Standardabweichung steigt auch die Verbrennungsinstabilität. Auf diese Weise kann die EGR-Rate durch Vergleichen der Standardabweichung der Integrationsdauer mit einer festgesetzten Standardabweichungsgrenze gesteuert werden, wobei die Grenze derart bestimmt ist, dass sie mit der höchsten Standardabweichung zusammenfällt, die der stabilen Verbrennung entspricht. Ist die Standardabweichung der Integrationsdauer größer als diese Grenze, wird die EGR verringert, um die Verbrennungsstabilität zu erhöhen, ähnlich dem bereits erläuterten Vorgang im Zusammenhang mit der Grenze der stabilen Integrationsdauer.
57 zeigt einen stochastischen Regler der maximalen Beimischungsgrenze im geschlossenen Regelkreis 2000 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Haupteingaben in den Regler 2000 sind: (I) die Motordrehzahl/-last 2010, bei denen es sich um die aktuelle Betriebsdrehzahl und -last des Motors handelt, die mit dem Antriebssteuermodul (Powertrain Module, PCM) verfügbar sind, (II) die gewünschte Ionisationsintegrationsdauer 2020, die die Höhe der Grenze der stabilen Integrationsdauer definiert, (III) die Ionisationsintegrationsdauerrückkopplung 2030, bei der es sich um die Integrationsdauerrückkopplung handelt, die berechnet wird, indem zuerst das unbearbeitete Ionisationssignal gleich nach Abschluss des Zündfunkens integriert und dann der Kurbelwellenwinkel eines gegebenen integrierten Prozentwertes bestimmt wird (was gewöhnlich durch eine Software ausgeführt wird) und (IV) die gewünschte Integrationsdauer 2040, bei der es sich gewöhnlich um das Signal von der PCM-Beimischungsratenstrategie handelt und die gewöhnlich aus dem oben beschriebenen Motorkalibrierungsvorgang gewonnen wird.
Der Regler 2000 von 57 enthält drei Rückkopplungsregelkreise. Diese Regelkreise sind:

a) Rückkopplungsregelkreis mit adaptiver Suchfunktion 2100: Dieser Regelkreis dient einem zweifachen Zweck: Verringern der Kalibrierungskonservativität des Motorbetriebes an seiner wahren maximalen Grenze der Beimischungsrate und Verbessern der Robustheit der Steuerung der maximalen Beimischungsrate, wenn der Motor in verschiedenen Umgebungen betrieben wird. Die wird erreicht durch Verwendung eines Abweichungssignals zwischen der gewünschten Ionisationsintegrationsdauer und einem stochastischen Kriterium, das maximaler Streuwert genannt wird und durch Bestimmen des maximalen Wertes einer gegebenen Streuung (z. B. 95%) gewonnen wird. Wenn zum Beispiel die gegebene Streuung 95% beträgt, liegen 5 Prozent der Daten (Streupunkt) über dem berechneten Maximalwert und der maximale Streuwert ist das Maximum des Restes der 95 Prozent der Daten. Durch Integrieren von „Abweichung Adp” verringert der adaptive Suchalgorithmus die Integrationsdauerreferenz, wenn der maximale Streuwert größer ist als die gewünschte Integrationsdauer; anderenfalls wird der Integrationsdauerreferenzwert erhöht.
b) Stochastischer Rückkopplungsregelkreis 2200: Der Zweck dieses Regelkreises liegt darin, den Mittelwert der Integrationsdauer auf einem bestimmten Wert zu halten, so dass die tatsächliche Integrationsdauer die gewünschte Integrationsdauer nicht übersteigt. Der gewünschte Wert der mittleren Integrationsdauer wird durch weiteres Verringern des Integrationsdauerreferenzwertes um einen Versatzwert gewonnen. Der Versatzwert wird entweder auf der Basis der Signalvarianz der Integrationsdauer oder seiner stochastischen Streuung berechnet. Wird die Varianz der Integrationsdauer verwendet, kann mit einem gegebenen Vertrauenswert (z. B. sollen 93,3% der Integrationsdauer unter dem Integrationsdauerreferenzwert liegen) ein Versatzwert basierend auf der angenommenen normalen Streufunktion (z. B. ist sie bei 93,3% das Dreifache der Standardabweichung) bestimmt werden. Wird die Streufunktion direkt verwendet, kann der Versatzwert direkt durch Festlegen des gegebenen Vertrauenswertes über die Streufunktion bestimmt werden.
c) Sofortkorrektur-Rückkopplungsschaltkreis 2300: Der Zweck dieses Rückkopplungsschaltkreises hegt darin, eine extrem langsame Verbrennung für den Fall zu vermeiden, dass der stochastische Rückkopplungssteuerschaltkreis die Integrationsdauer nicht unter dem gewünschten Integrationsdauerwert halten kann. Es ist zu beachten, dass dieser Steuerrückkopplungsschaltkreis Signale nur zum Integrationsabschnitt des PI-Reglers 2500 führt.

Die Ausgabe 3000 des Reglers 2000 umfasst die wahre EGR-Grenze für eine stabile Verbrennung für jeden Zylinder des Motors und wird wie folgt gewonnen. Die gewünschte Ionisationsintegrationsdauer 2020 wird in den Abbildungsblock der gewünschten Intensität 2400 eingegeben. Der Abbildungsblock der gewünschten Intensität 2400 umfasst gewöhnlich eine Nachschlagetabelle mit „Motordrehzahl” und „Motorlast” als Eingabevariablen, obwohl auch jede beliebige Form eines Speichers, der Variablen einer Ausgabe zuordnet, verwendet werden kann. Die Ausgabe dieses Blocks ist die korrigierte gewünschte Integrationsdauer 2410, die ein Produkt der Nachschlagetabellenausgabe und der gewünschten Ionisationsintegrationsdauer 2020 ist. Zweck dieses Blockes ist es, die Notwendigkeit, die gewünschte Integrationsdauer von der Motordrehzahl und -last abhängig zu machen, auszugleichen. Die korrigierte gewünschte Integrationsdauer 2410 wird als Eingabe verwendet wie nachfolgend beschrieben.
Der Berechnungsblock der stochastischen Information 2600 empfängt als eine Eingabe die Ionisationsintegrationsdauerrückkopplung 2030 und verwendet diese zum Berechnen und Ausgeben von vier Schlüsselvariablen, die zusammen mit den drei Rückkopplungsregelkreisen zu verwenden sind. Diese vier Ausgaben sind:

I) der Streuungsmaximalwert 2610 ist der Maximalwert der Ionisationsintegrationsdauerrückkopplung 2030, die über einen gegebenen Prozentsatz empfangen wird, wobei die Daten von „gering” nach „hoch” geordnet sind. Wenn zum Beispiel die gegebene Streuung 95 Prozent beträgt, liegen 5 Prozent der Daten über dem berechneten „Streuungsmaximalwert” und der „Streuungsmaximalwert” ist das Maximum der restlichen 90% der Daten,
II) die lange Standardabweichung 2620 ist als die endliche Standardabweichung festgelegt, die basierend auf der tatsächlichen Ionisationsintegrationsdauer 2030 mit einer speziellen Datengröße berechnet wird, wobei die Datenlänge verhältnismäßig länger ist als die, die nachfolgend bezüglich des kurzen Mittelwerts 2640 definiert ist,
III) der lange Mittelwert 2630 ist als der mit der gleichen Datenlänge wie bei der langen Standardabweichung 2620 berechnete Mittelwert der Ionisationsintegrationsdauerrückkopplung 2030 festgelegt und
IV) der kurze Mittelwert 2640 ist als der Mittelwert festgelegt, der mit einer verhältnismäßig kürzeren Datenlänge berechnet wird, als sie zum Berechnen des langen Mittelwerts 2630 verwendet wird.

Die Verwendung dieser vier Ausgaben wird im Folgenden beschreiben.
Der Algorithmusblock mit adaptiver Suchfunktion 2650 verwendet die Abweichung zwischen der korrigierten gewünschten Integrationsdauer 2410 und dem Streuungsmaximalwert 2610, um durch Integrieren der Abweichung über das Verbrennungsereignis im Motor mit einem gegebenen Zuwachs die Ausgabe der adaptiven Suche „Integrationsdauerreferenz” 2655 zu erzeugen. Der Zweck dieses Algorithmus ist das Verringern der Konservativität des stochastischen Rückkopplungsregelkreises 2200.
Der Vertrauenswertversatzblock 2660 berechnet einen Vertrauensversatzwert 2665, der dann von der Integrationsversatzreferenz 2655 subtrahiert wird. Der Vertrauensversatzwert 2665 kann auf mindestens zwei Arten berechnet werden. Eine ist das Definieren des Vertrauensversatzwertes 2665 als ein gegebener Wert, der mit der langen Standardabweichung 2620 multipliziert wird. Die andere Möglichkeit besteht darin, den Vertrauensversatzwert 2665 zu einer Funktion der Motordrehzahl und -last 2010 zu machen, basierend auf einer vorher angenommenen Streuung. Alternativ kann der Vertrauensversatzwert 2665 in einer Nachschlagetabelle zugeordnet werden, die auf der Motordrehzahl und -last 2010 basiert.
Der Sofortkorrektur-Abbildungsblock 2670 bestimmt ein Sofortkorrektursignal 2675, das in den integralen Abschnitt des PI-Reglers 2500 geführt wird. Das Sofortkorrektursignal 2675 wird wie folgt bestimmt: wenn die Abweichung zwischen der korrigierten gewünschten Integrationsdauer 2410 und der tatsächlichen Ionisationsintegrationsdauer 2030 größer als Null ist, ist die Ausgabe Null (das heißt, es ist keine Korrektur erforderlich), und wenn die Abweichung kleiner als Null ist, wird die Abweichung in eine eindimensionale Nachschlagetabelle geführt, um ein negatives Sofortkorrektursignal 2675 für den integralen Abschnitt des PI-Reglers 2500 zu bestimmen.
Der Optimalwertblock 2680 besteht aus einer zweidimensionalen Nachschlagetabelle, die die Motordrehzahl und -last 2010 als Eingaben verwendet, und aus einem dynamischen Regler, der die Ausgabe der Nachschlagetabelle als Eingabe verwendet. Die Nachschlagetabelle erzeugt im offenen Regelkreis ein Grenzsignal der maximalen Beimischungsrate 2685 als Funktion der Motordrehzahl und -last 2010, das im PI-Regler 2500 verwendet wird.
Der PI-Regler 2500 besteht aus drei Hauptabschnitten: der Optimalwertsteuerung 2510, der proportionalen Steuerung 2520 und der integralen Steuerung 2530. Die Optimalwertsteuerung 2510 verwendet die Ausgabe des Optimalwertblocks 2680 als Eingabe und addiert sie zur Ausgabe des PI-Reglers 2500. Die proportionale Steuerung 2520 verwendet als Eingabe die Abweichung zwischen dem langen Mittelwert 2630 und dem Integrationsdauerreferenzsignal 2655 abzüglich des Vertrauensversatzwertes 2665, multipliziert die Eingabe mit dem proportionalen Zuwachs und addiert das Ergebnis zur Ausgabe des PI-Reglers 2500. Die integrale Steuerung 2530 verwendet als Eingaben sowohl das Sofortkorrektursignal 2675 als auch die mittlere Abweichung zwischen dem kurzen Mittelwert 2640 und der Integrationsdauerreferenz 2655 abzüglich des Vertrauensversatzwertes 2665 und erzeugt den integralen Abschnitt des PI-Steuersignals. Der Zweck des Verwendens einer relativen Abweichung des kurzen Mittelwerts 2640 zur Integration besteht darin, die Reaktionszeit zu verkürzen.
Der Sättigungssteuerungsblock 2700 verwendet die Ausgabe des PI-Reglers 2500 als Eingabe und gibt ein Signal der maximalen Beimischungsrate 2710 aus. Ist die Ausgabe des PI-Reglers 2500 größer als die gewünschte Beimischungsrate von der Beimischungsratenstrategie des PCM (das heißt, ist das Suchen nach der maximalen Beimischungsrate nicht erforderlich), ist die Ausgabe diese gewünschte Beimischungsrate, anderenfalls ist sie die Ausgabe des PI-Reglers 2500.
Der Block des Versatzes zur Beimischungsratengrenze der einzelnen Zylinder 2800 erzeugt auf der Basis des Ionisationsintegrationsdauersignals 2030 einen Versatzwert 2810. Da die Maximalgrenze der Beimischungsrate 2710 für jeden einzelnen Zylinder anders ist, berechnet dieser Block den Versatzwert 2810 für jeden einzelnen Zylinder derart, dass die vom PI-Regler 2500 erzeugte allgemeine Grenze der Beimischungsrate korrigiert werden kann. Der Einzelzylinderausgleichsblock 2900 addiert den Versatzwert 2810 zur vom PI-Regler 2500 erzeugten Ausgabe der Beimischungsgrenze.
Abschnitt 1: AUSWÄHLEN VON DATENINHALT DES IONISATIONSRÜCKKOPPLUNGSSIGNALS
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen sowohl von Zündspulenschließzeitdaten als auch von Ionisationsdaten während der Phase vor der Zündung des Verbrennungsvorganges bereitgestellt. Wie oben beschrieben, ermöglicht die Erkennung und Verwendung des Ionisationssignals im Zylinderinneren das Steuern und Optimieren des Zündsystems. Die zwei Merkmale, die in diesem Aspekt der Erfindung überwacht werden, sind (1) die Zündspulenladung und (2) die Vorentflammung. Bekannt ist das Überwachen der Zündspulenladung durch Überwachen des Zündladesignals während des Ladevorganges. Die beim Laden verstreichende Zeit (auch als Schließzeitperiode oder einfach Schließzeit bekannt) ist eine Schlüsseleigenschaft des Zündsystems. Das Zündsystem verwendet die überwachte Schließzeit auf verschiedene Art, z. B. um die Elektrodenabnutzung zu überwachen und um die gewünschte Zündenergie bereitzustellen, wie auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist. Die Vorentflammung kann durch Auswertung des Ionisationssignals im Zylinderinneren erkannt werden. Wie in 5 dargestellt, kann die Vorentflammung 190 am Vorhandensein von Ionen im Zylinder und folglich am Vorhandensein eines Ionisationssignals vor der Zündung erkannt werden.
Üblicherweise werden, wie in 58–59 dargestellt, die Schließzeitdaten 3100 mit den Ionisationssignaldaten 3200 zu einem einzigen Ionisationsrückkopplungssignal 3000 zusammengefasst, das über eine einzige Ausgabeleitung von der Ionisationsspulenelektronik 3300 an das Antriebssteuermodul (PCM) 3400 ausgegeben wird. Das Ionisationsrückkopplungssignal 3000 wird durch Zeitmultiplexen der Schließzeitdaten 3100 mit dem Ionisationssignal 3200 gewonnen, sodass die Schließzeitdaten während des Ladens der Spule (vor der Zündung) ausgegeben werden und das Ionisationssignal während der Zündung und in der Phase nach der Zündung ausgegeben wird. Auf diese Weise ist das PCM 3400 in der Lage, sowohl die Schließzeitdaten (während der Schließzeitperiode) als auch das Ionisationssignal (während der Zündung und nach der Zündung) zum Optimieren des Zündsystems und der Verbrennung im Motor zu verwenden. Eine unglückliche Auswirkung des Zeitmultiplexens liegt darin, dass die Fähigkeit des Zündsystems, aus dem Ionisationssignal Vorentflammung zu erkennen, verringert wird, da das Ionisationssignal durch die Schließzeitdaten während der Schließzeitperiode maskiert wird. Somit kann Vorentflammung während der Schließzeitperiode nicht aus dem Ionisationsrückkopplungssignal erkannt werden.
Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein System und ein Verfahren bereit, die die Ausgabe der Zündspulenschließzeitdaten wie auch des Ionisationssignals während der Periode vor der Zündung in ein- und demselben Ionisationsrückkopplungssignal ermöglichen. In einer Ausführungsform wird ein direkt integrierter Ionisationserkennungsschaltkreis 3300 verwendet, um vor der Zündung je nach den Betriebszuständen des Motors entweder die Zündspulenschließzeitdaten oder das Ionisationssignal an das PCM 3400 auszugeben. In einer weiteren Ausführungsform wählt das PCM 3400 in Abhängigkeit von den Betriebszuständen aus, welches Signal es vom Zündungsschaltkreis zu empfangen wünscht.
Das System der vorliegenden Erfindung weist einen Ionisationserkennungsabschnitt auf, wie z. B. oben in Abschnitt A beschrieben, der das Ionisationssignal im Zylinderinneren erkennt. Das System weist ferner einen Abschnitt zur Erkennung der Zündspulenschließzeit auf. Dieser Abschnitt zur Erkennung der Zündspulenschließzeit überwacht das Laden der Zündspule des Zündsystems, z. B. den Stromfluss I_PW durch die Primärseite 16 der Zündspule 12 im Verhältnis zur Zeit, wie in 9b dargestellt, und bestimmt die Zündspulenschließzeitdaten. Diese Zündspulenschließzeitdaten umfassen ein Signal, das die Leistung des Ladeschaltkreises anzeigt. Einige Beispiele für Zündspulenschließzeitdater” sind (I) die Schließzeit, (II) der Stromfluss I_PW und (III) die Maximalspannung, obwohl jedwede Daten, die das Laden der Zündspule anzeigen, verwendet werden können.
In einem ersten Modus gibt das System ein Ionisationsrückkopplungssignal aus, das eine zeitgemultiplexte Kombination des Ionisationssignals und der Zündspulenschließzeitdaten ist. Dies wird erreicht, indem das Ionisationsrückkopplungssignal so aufgebaut wird, dass es während der Periode vor der Zündung gleich den Spulenschließzeitdaten und während der Zündung und der Periode nach der Zündung gleich dem Ionisationssignal ist. in einem zweiten Modus gibt das System das Ionisationssignal während der Periode vor der Zündung als das Ionisationsrückkopplungssignal aus. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das System zusätzliche Modi aufweist, in denen das System andere Kombinationen der Zündspulenschließzeitdaten, des Ionisationssignals und anderer Zünddatensignalen in beliebigen Kombinationen ausgibt.
In einer Ausführungsform tritt der erste, oben beschriebene Modus ein, wann immer die Betriebszustände des Motors außerhalb möglicher Vorentflammungszustände liegen, z. B. bei Motorleerlauf. In einer weiteren Ausführungsform wird der erste Modus vom PCM als ein Weg ausgewählt, um die Zündspulenschließzeitdaten periodisch zu überwachen. In dieser Ausführungsform nutzt das System die Tatsache aus, dass die Zündspulenschließzeitdaten nicht fortdauernd überwacht werden müssen, um das optimale (oder fast optimale) Laden der Zündspule zu gewährleisten. In noch einer weiteren Ausführungsform werden die zwei Ausführungsformen kombiniert, um ein System zu erhalten, dass die Zündspulenschließzeitdaten bei Fehlen möglicher Vorentflammungszustände, während der das Ionisationssignal fortdauernd ausgegeben wird, periodisch überwacht.
Ein beispielhaftes System der vorliegenden Erfindung sowie ein System, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen kann, sind in 59 dargestellt. Das PCM 3400 ist über vier Verbindungsleitungen mit der Ionisationsspulenelektronik 3300 verbunden: Masse 3310, Ionisationsrückkopplung 3320, Steuerung 3330 und Batteriestromversorgung V_zünd 3340. Die Ionisationsspulenelektronik 3300 umfasst einen Ionisationserkennungsabschnitt, der das Ionisationssignal im Zylinderinneren erkennt (ein beispielhafter Schaltkreis 10 des Ionisationserkennungsabschnittes ist in 8 dargestellt), und einen Erkennungsabschnitt der Zündspulenschließzeit, der das Laden der Zündspule überwacht und die Zündspulenschließzeitdaten wie oben beschrieben bestimmt. Ein Regler 3410, z. B. ein Prozessor, ein Mikroprozessor oder ein ähnlicher Schaltkreis, steuert die Ausgabe entweder des Ionisationssignals oder des Zündspulenschließzeitdatensignals in der Rückkopplungsleitung 3320 zum PCM 3400 je nach den Betriebszuständen des Motors. In der dargestellten Ausführungsform befindet sich der Regler 3410 im PCM 3400 und wählt durch Senden eines Steuersignals an die Ionisationsspulenelektronik 3300 über die Steuerleitung 3300 aus, welches Signal von der Ionisationsspulenelektronik 3300 ausgegeben werden soll. In einer weiteren Ausführungsform wählt das PCM 3400 durch Bereitstellen eines analogen Steuersignals, das abhängig vom gewünschten Ergebnis drei verschiedene Spannungen aufweist, aus, welches Signal von der Ionisationsspulenelektronik 3300 ausgegeben werden soll. Wenn die Schließzeit bei Spannung 1 aktiviert wird, wird die Zündspule deaktiviert und das Rückkopplungssignal 3320 wird als Ionisationsrückkopplungssignal 3000 ausgegeben. Wird die Schließzeit bei einer Spannung 2 aktiviert, wird die Zündspule geladen und das Ionisationssignal 3320 wird als Ionisationsrückkopplungssignal 3000 ausgegeben. Und wenn schließlich die Schließzeit bei einer Spannung 3 aktiviert wird, wird die Zündspule geladen und die Zündspulenschließzeitdaten werden während der Schließzeitperiode als Ionisationsrückkopplungssignal 3300 ausgegeben. Ein Fachmann wird erkennen, dass verschiedene andere Steuerverfahren und Kombinationen verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Abschnitt M: VORVERARBEITEN EINES IONISATIONSSIGNALS, UM DIE KLOPFINFORMATION ZU VERSTÄRKEN, UND KOMBINIEREN DER VERSTÄRKTEN KLOPFINFORMATION MIT DEM IONISATIONSSIGNAL, UM EIN KLOPFGESTEIGERTES IONISATIONSSIGNAL ZU ERZEUGEN
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Gewinnen eines klopfgesteigerten Ionisationssignals offenbart. Ein Ionisationssignal im Zylinderinneren kann erkannt und für verschiedene Motordiagnose- und -steuerschemata verwendet werden, einschließlich der Vermeidung von Motorklopfen, wie oben beschrieben. Üblicherweise wird das Motorklopfen durch eine besondere Verarbeitung des Ionisationssignals gesteuert und erkannt, bevor dieses besonders verarbeitete Signal dem Klopferkennungsschaltkreis vorgelegt wird. Der Klopferkennungsschaltkreis überwacht das besonders verarbeitete Signal auf eine Signatur, die das Motorklopfen anzeigt. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zum Vorverarbeiten des gemessenen Ionisationssignals bereit (um unter anderem die Klopffrequenzen zu verstärken) und kombiniert dann das vorverarbeitete Ionisationssignal mit dem Originalionisationssignal, um ein klopfgesteigertes Ionisationssignal zu bilden. Dieses klopfgesteigerte Ionisationssignal kann dann zur Zünddiagnose und -steuerung auf einer Leitung an das Antriebssteuermodul (PCM) ausgegeben werden.
In einer in 60 dargestellten Ausführungsform wird das Vorverarbeiten im direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis 3300 ausgeführt, der dann das klopfgesteigerte Ionisationssignal 3500 zur Verwendung bei der Motorsteuerung an das PCM 3400 (und seinen dazugehörigen Klopferkennungsschaltkreis) ausgibt. Der Ionisationserkennungsschaltkreis 3300 weist einen Ionisationserkennungsschaltkreis 3350 auf, der das Ionisationssignal im Zylinderinneren erkennt und es auch konditionieren kann, um das Ionisationssignal 3200 zur weiteren Verwendung auszugeben, z. B. wie oben in Abschnitt B beschrieben. Das in 60 dargestellte System unterscheidet sich vom üblichen Ionisationserkennungsschaltkreis durch den Zusatz der Komponenten Klopfverarbeitungsabschnitt 3360 und Addierabschnitt 3370 ab. Die Funktionsweise dieser zwei Komponenten wird unten ausführlicher beschrieben.
Im System der vorliegenden Erfindung wird das Ionisationssignal 3200 sowohl zum Klopfverarbeitungsabschnitt 3360 als auch zum Addierabschnitt 3370 gesendet. Im Klopfverarbeitungsabschnitt 3360 wird das Ionisationssignal 3200 vorverarbeitet, um ein klopfverstärktes Ionisationssignal 3250 zu erzeugen, das dann an den Addierabschnitt 3370 ausgegeben wird. Der Klopfverarbeitungsabschnitt 3360 kann das Ionisationssignal 3200 A/C-koppeln, verstärken, bandpassfiltern, versetzen und/oder in anderer Weise verarbeiten. In einer Ausführungsform wird das Ionisationssignal 3200 vom Klopfverarbeitungsabschnitt 3360 A/C-gekoppelt, verstärkt, bandpassgegefiltert und dann versetzt, um ein klopfverstärktes Ionisationssignal 3250 zu erzeugen.
Der Addierabschnitt 3370 empfängt sowohl das Originalionisationssignal 3200 als auch das klopfverstärkte Ionisationssignal 3250 und kombiniert diese zwei Signale zu einem klopfgesteigerten Ionisationssignal 3500. In einer Ausführungsform erzeugt der Addierabschnitt 3370 das klopfgesteigerte Ionisationssignal 3500 durch Aufsetzen des klopfverstärkten Ionisationssignals 3250 auf das Originalionisationssignal 3200, obwohl jede beliebige Form der Kombination oder des Multiplexens verwendet werden kann. Dieses klopfgesteigerte Ionisationssignal 3500 wird dann vom Ionisationserkennungsschaltkreis 3300 an das PCM 3400 und seinen dazugehörigen Klopferkennungsschaltkreis ausgegeben. Diese einzelne Signalausgabe vom direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis 3300 stellt eine verbesserte Leistung gegenüber herkömmlichen Systemen bereit, da das klopfgesteigerte Ionisationssignal 3500 im Klopfabschnitt des Signals robuster gegenüber Rauschen und anderen Übertragungsproblemen ist.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, den Klopferkennungsschaltkreis im PCM 3400 zu vereinfachen, da der spezialisierte Verarbeitungsschaltkreis aus dem Klopferkennungsschaltkreis entfernt wird. Es gibt eine Anzahl verschiedener Verfahren und Systeme zum Ausführen der Klopferkennung im PCM 3400. Zum Beispiel kann der Klopferkennungsschaltkreis des PCM 3400 einen Analog-digital-Wandler in Form eines ASIC oder eines Mikrocontrollers umfassen, der dafür konfiguriert ist, die Klopfinformation vom klopfgesteigerten Ionisationssignal zu trennen und zu analysieren. in einer weiteren Ausführungsform kann das PCM 3400 die Klopferkennungsfunktionen des Klopferkennungsschaltkreises direkt am empfangenen klopfgesteigerten Ionisationssignal selbst ausführen (dies wird manchmal als Softwareklopferkennung bezeichnet).
Es sind weitere Ausführungen des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung möglich. In einer Ausführungsform wird das Vorverarbeiten außerhalb des direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreises 3300 ausgeführt, z. B. von einem separaten, spezialisierten Verarbeitungsschaltkreis oder innerhalb des PCM 3400 selbst, obwohl dies einige Vorteile dieser Erfindung beeintrachtgen würde.
Obwohl die Erfindung in dieser Patentschrift durch Bezug auf die Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurde, versteht es sich, dass die Offenbarung veranschaulichend und nicht begrenzend sein soll, da in Betracht gezogen wird, dass sich dem Fachmann ohne Weiteres Modifikationen erschließen, die im Geiste der Erfindung und im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente liegen.
Bezugszeichenliste

ASP: Analogsignalverarbertungsblock
A/D: A/D-Wandlerblock
10: Schaltkreis zur Messung eines Ionisationsstroms
12: Zündspule
14: Zündkerze
16: Primärseite der Zündspule
18: Sekundärseite der Zündspule
20: Batterie
22: IGBT oder Transistor oder Schalter
24: Widerstand
25: Widerstand
26: Diode
28: Kondensator
30: Stromspiegelschaltkreis
32: Zenerdiode
34: PNP-Transistor
36: PNP-Transistor
38: Knoten
40: Widerstand
42: Diode
44: Widerstand
48: zweiter Knoten
75: Treiberschaltkreis
100: Ionisationsstromsignal
105: Vorspannung
107: Software oder Firmware
110: Zündsystem
111: Speicher
112: Speicher
113: Nachschlagetabelle
120: Sekundärspannung
121: Regler (ECU)
122: Verarbeitungs- oder Steuermittel, Prozessor
130: Sekundärstrom
135: Motordrehzahl
136: Motordrehzahlsensor
137: Luftdurchsatz
138: Luftmassenmesser
140: Vorladung der Primärseite
141: Signal während des Ladens der Zündung
143: Signal nach Laden der Zündung
145: Ladedauer
146: Primärladezeitpunkt
150: Primärladedauer
151: Kraftstoffeinspritzventil
160: Zündzeitpunkt
161: Motor
162: erster Höchstpunkt des Ionisationssignals
163: Wendepunkt des Ionisationssignals
164: Tiefstwert des Ionisationssignals
165: Wendepunkt des Ionisationssignals
166: zweiter Höchstpunkt des Ionisationssignals
170: Zünddauer
180: Erhöhung des Impulsbodens über die Vorspannung
190: Vorentflammung
196: Signal Fehlzündung
197: Warnsignal Isolierungsüberhitzung, Zündkerzenverrußung
198: offener/kurzgeschlossener Ionisationsschaltkreis
199: Kurzschluss des Ionisationsschaltkreises mit Batterie
200: Mehrkriterien-Schätzer für den MBT-Zeitpunkt
402: Klopfintensität
404: Klopfkennzeichen
412: Teilverbrennungskennzeichen
414: Fehlzündungskennzeichen
801: Zylinder
802: Zünddiagnose-Teilsystem
803: Zündrückkopplungssteuer-Teilsystem
975: Kraftstoffoptimalwertvektor
1000: Kaltstart-Verzögerungsgrenzensteuerung
1010: Ionisationsrückkopplungsregelkreis
1015: Grenzwert für Freigabekennzeichen
1020: Kaltstartfreigabekennzeichen
1030: Teilverbrennungsindex
1040: Fehlzündungsindex
1060: Motorlast
1070: Temperatur des Motorkühlmittels
1080: Kaltstartzündsignal
1090: Signal GR_Abweichung
1095: Signal GR_Zuwachs
1100: Abweichungs- und Zuwachsgenerator
1200: Verarbeitungsblock der proportional-integralen (PI-)Steuerung
1205: Steuerausgabesignal der proportional-integralen (PI-)Steuerung
1210: Standardzündzeitpunktprozessor
1213: Nachschlagetabelle für Standardzündzeitpunkt
1215: Standardzündzeitpunktsignal
1217: Rückkopplungsregler
1220: adaptive Lernvorrichtung
1221: Kaltstart-Standardzündzeitpunktsignal
1222: Prozessor
1223: Nachschlagetabelle für Kaltstart-Standardzündzeitpunkt
1224: Komparator
1225: Ausgabesignal der adaptiven Lernvorrichtung
1226: aktualisierter Wert ZZ_TABELLE(NEU)
1227: Softwarebefehle
1230: Summierer
1300: Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung für die einzelnen Zylinder
1320: MBT-Zeitpunkt
1330: Logik zum Berechnen der Abweichung des Ungleichgewichts
1340: Logik zur Abweichungsintegration der Differenz der einzelnen Zylinder
1350: Logik zum Berechnen des Optimalwertkoeffizienten der Kraftstoffanpassung
1352: Nachschlagetabelle zu Optimalwertkoeffizienten
1360: Logik zum Neuskalieren des Anpassungskoeffizienten für jeden einzelnen Zylinder
1370: Logik zum adaptiven Aktualisieren des Optimalwertes des Kraftstoffanpassungskoeffizienten
1380: Logik zum Berechnen des endgültigen Kraftstoffzufuhrkoeffizienten
1400: Klopfinformation
1402: Klopfintensitätssignal
1404: Klopfkennzeichensignal
1406: ungünstigster Fall des Klopfens
1407: Kennzeichen des ungünstigsten Falls des Klopfens
1408: Klopfprozessor
1409: ungünstigster Fall der Klopfintensität
1410: Fehlzündungsinformatione nfür einzelne Zylinder
1412: Teilverbrennungssignal
1414: Fehlzündungssignal
1416: ungünstigster Fehlzündungsfall
1417: Kennzeichen des ungünstigsten Teilverbrennungsfalles
1418: Fehlzündungsprozessor
1419: Kennzeichen des ungünstigsten Fehlzündungsfalles
1430, 1490, 1495: MBT-Zündsteuerung mit geschlossenem Regelkreis
1430: MBT-Zeitpunkt-Regler
1435: MBT-Zeitpunktsignal
1437: MBT-Referenzsignal
1438: Abweichung zwischen MBT-Zeitpunktsignal und MBT-Referenzsignal
1440: proportional-integraler (PI-)Steuerungsregler des MBT-Zeitpunktes
1441: proportionaler Regler
1442: Zeitpunktausgabesignal des PI-Reglers
1443: proportionales Abweichungssignal
1444: integraler Regler
1445: integriertes Abweichungssignal
1446: Optimalwertregler
1447: adaptiver Lernmanager
1448: Logikmanager zur Integralzurücksetzung
1449: Optimalwertausgabe
1450: Klopfgrenzenmanager zur Zündpunktvorverlegung
1452: Klopfgrenzensignal
1454: Klopfabweichungs- und -zuwachsgenerator
1455: Signal „Abweichung”
1456: Vorverlegungsuntergrenze
1458: Vorverlegungsobergrenze
1459: Signal „Zuwachs”
1460: Fehlzündungs- und Teilverbrennungsgrenzenmanager
1462: Zündverzögerungsgrenzsignal
1463: Fehlzündungsabweichungs- und -zuwachsgenerator
1466: Verzögerungsuntergrenze
1468: Verzögerungsobergrenze
1470: Sättigungsmanager
1480: MBT-Zündzeitpunkt
1490: MBT-Zeitpunkt-Regler
1600: EGR-Ratenoptimierung
1606: optimale Abgasrückführrate
1608: klopfbegrenzte Abgasrückführrate
1610: maximale Abgasrückführ-(EGR-)Rate
1612: frühester Zündzeitpunkt für das beste Drehmoment
1614: MBT-Versatz
1620: Position des Abgasrückführventils
1630: EGR-Ventil-Befehl
1640: EGR-MBT-Grenzentabelle
1642: empfohlene EGR-MBT-Zeitpunkt-Grenze
1650: proportional-integraler (PI-)Zuwachs- und -Abweichungsgenerator
1652: Ausgabesignal des (PI-)Zuwachs- und Abweichungsgenerators
1660: proportional-integraler (PI-)Regler
1662: Ausgabesignal des PI-Reglers
1664: gewünschtes EGR-Raten-Signal
1663: Summierer
1670: EGR-Raten-Optimalwert-Tabelle
1672: EGR-Raten-Optimalwert
1680: adaptiver EGR-Raten-Lernadapter
1682: Korrekturwertsignal
1690: Sättigungsmanager
1692: gesättigter Wert
1695: EGR-Ventilöffnungsregler
1800: Parameterschätzblock
1900: Luft-Kraftstoff-Verhältnisoptimierung bei Volllast
1950: normalisierte Integration
1955: definierter Prozentsatz der Integration
1960: Ionisationsintegrationswert
1975: Integrationsdauer
2000: stochastischer Regler der maximalen Beimischungsgrenze
2010: Motordrehzahl/-last
2020: gewünschte Ionisationsintegrationsdauer
2030: Ionisationsintegrationsdauerrückkopplung
2040: gewünschte Integrationsdauer
2100: Rückkopplungsregelkreis mit adaptiver Suchfunktion
2200: stochastischer Rückkopplungsregelkreis
2300: Sofortkorrektur-Rückkopplungsschaltkreis
2400: Abbildungsblock der gewünschten Intensität
2410: korrigierte gewünschte Integrationsdauer
2500: PI-Regler
2510: Optimalwertsteuerung
2520: proportionale Steuerung
2530: integrale Steuerung
2600: Berechnungsblock der stochastischen Information
2610: Streuungsmaximalwert
2620: lange Standardabweichung
2630: langer Mittelwert
2640: kurzer Mittelwert
2650: Algorithmusblock mit adaptiver Suchfunktion
2655: Integrationsdauerreferenz
2660: Vertrauenswertversatzblock
2665: Vertrauensversatzwert
2670: Sofortkorrektur-Abbildungsblock
2675: Sofortkorrektursignal
2680: Optimalwertblock
2685: Grenzensignal der maximalen Beimischungsrate
2700: Sättigungssteuerungsblock
2710: Signal der maximalen Beimischungsrate
2800: Block des Versatzes zur Beimischungsratengrenze der einzelnen Zylinder
2810: Versatzwert
2900: Einzelzylinderausgleichsblock
3000: Ausgabe des stochastischen Reglers der maximalen Beimischungsgrenze
3000: Ionisationsrückkopplungssignal
3100: Schließzeitdaten
3200: Ionisationssignaldaten
3250: klopfverstärktes Ionisationssignal
3300: Ionisationsspulenelektronik
3310: Masseanschluss
3320: Ionisationsrückkopplungsleitung
3330: Steuerleitung
3340: Batteriestromversorgung
3350: Ionisationserkennungsschaltkreis
3360: Klopfverarbeitungsabschnitt
3370: Addierabschnitt
3400: Antriebssteuermodul (PCM)
3410: Regler
3500: klopfgesteigertes Ionisationssignal
51441, 51444, 51446, 51448, 51447: PI-Regler
51442: Optimalwertsignal für die Zündzeitpunktgrenze
51443: proportionale Steuerungsausgabe
51444: Integratorregler
51445: Ausgabesignal des Integratorreglers
51446: Klopfgrenzenoptimalwertregler
51447: adaptiver Klopfgrenzenregler
51448: Logikeinheit zur Integralzurücksetzung
61441, 61444, 61446, 61448, 61447: PI-Regler
61443: proportionale Steuerungsausgabe
61445: integrale Steuerungsausgabe
61446: Optimalwertregler der Zündverzögerungsgrenze
61447: adaptiver Lernregler für die Zündverzögerungsgrenze
61448: Zurücksetzungslogik
61455: Signal „Abweichung”
61459: Signal „Zuwachs”

Claims

Zündsystem (110), das ein Ionisationssignal (100) zum Überwachen des Motorklopfens verwendet und Folgendes umfasst: einen Ionisationserkennungsschaltkreis (3300), wobei der Ionisationserkennungsschaltkreis für das Ausgeben eines klopfgesteigerten Ionisationssignals (3500) konfiguriert ist und Folgendes umfasst: einen Ionisationserkennungsabschnitt (3350), wobei der Ionisationserkennungsabschnitt für das Erkennen eines Zylinderionisationssignals (3200) konfiguriert ist, einen Klopfverarbeitungsabschnitt (3360), wobei der Klopfverarbeitungsabschnitt für das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) konfiguriert ist, um ein klopfverstärktes Ionisationssignal (3250) auszugeben, und einen Addierabschnitt (3370), der mit dem Ionisationserkennungsabschnitt (3350) und dem Klopfverarbeitungsabschnitt (3360) verbunden ist, wobei der Addierabschnitt (3370) dafür konfiguriert ist, das Orginalzylinderionisationssignal (3200) und das klopfverstärkte Ionisationssignal (3250) zu empfangen und durch Aufsetzen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) auf das Orginalzylinderionisationssignal (3200) ein klopfgesteigertes Ionisationssignal (3500) auszugeben.
Zündsystem (110) nach Anspruch 1, wobei der Klopfverarbeitungsabschnitt (3360) in einem Antriebssteuermodul (PCM) (3400) vorhanden ist.
Zündsystem (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) zum Ausgeben des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) das Verstärken des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Zündsystem (110) nach Anspruch 3, wobei das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) zum Ausgeben des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) ferner das Bandpassfiltern des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Zündsystem (110) nach Anspruch 4, wobei das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) zum Ausgeben des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) ferner das A/C-Koppeln des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Zündsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) zum Ausgeben des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) ferner das Bandpassfiltern des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Zündsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) zum Ausgeben des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) ferner das A/C-Koppeln des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Zündsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Klopfverarbeitungsabschnitt (3360) in einem direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis (3300) vorhanden ist.
Zündsystem (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner ein Antriebssteuermodul (PCM) (3400) umfassend, wobei das PCM das klopfverstärkte Ionisationssignal (3250) vom direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis (3300) empfängt.
Zündsystem (110) nach Anspruch 9, wobei das Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200) zum Ausgeben des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) das Verstärken, das Bandpassfiltern und das A/C-Koppeln des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Verfahren zum Verarbeiten eines Ionisationssignals (100), Folgendes umfassend: Erkennen eines Zylinderionisationssignals (3200), Verarbeiten des Zylinderionisationssignals (3200), um ein klopfverstärktes Ionisationssignal (3250) zu erzeugen, Empfangen des Zylinderionisationssignals (3200) und des klopfverstärkten Ionisationssignal (3250) in einem Addierabschnitt und nachfolgendes Aufsetzen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) auf das Zylinderionisationssignal (3200), um ein klopfgesteigertes Ionisationssignal (3500) zu erzeugen, und Ausgeben des klopfgesteigerten Ionisationssignals (3500).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) das Verstärken des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) ferner das Bandpassfiltern des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) ferner das A/C-Koppeln des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Schritt des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) in einem direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis (3300) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner den Schritt des Empfangens des klopfgesteigerten Ionisationssignals (3500) in einem Antriebssteuermodul (PCM) (3400) umfassend.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) das Verstärken, das Bandpassfiltern und das A/C-Koppeln des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Schritt des Aufsetzens des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) auf das Zylinderionisationssignal (3200) zum Erzeugen des klopfgesteigerten Ionisationssignals (3500) in einem direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis (3300) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Schritte des Erkennens eines Zylinderionisationssignals (3200), des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) und das Aufsetzen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) auf das Zylinderionisationssignal (3200) zum Erzeugen eines klopfgesteigerten Ionisationssignals (3500) in einem direkt integrierten Ionisationserkennungsschaltkreis (3300) ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei der Schritt des Verarbeitens des Zylinderionisationssignals (3200) zum Erzeugen des klopfverstärkten Ionisationssignals (3250) das Verstärken, das Bandpassfiltern und das A/C-Koppeln des Zylinderionisationssignals (3200) umfasst.