DE2917945C2 - Einrichtung zum Regeln einer die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine beeinflußenden Betriebsgröße - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Regeln einer die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine beeinflussenden Betriebsgröße.

Elektronische Zünd- und Brennstoff-Regelungssysteme für Verbrennungskraftmaschinen werden von der Automobil-Industrie und artverwandten Industrien akzeptiert. Die erste Generation elektronischer Steuerungen bestand aus Steuersystemen (offene Schleife), die zunehmend komplexer wurden, als die amtlich auferlegten Anforderungen anstiegen. Die Anzahl der zu erfassenden benötigten Variablen und ebenso die von Hilfsschaltkreisen, die Korrekturen für diese Variablen lieferten, wuchs mit jedem Anwachsen dieser Anforderungen. Aus dem Grundkonzept der elektronischen Regelungssysteme für Verbrennungskraftmaschinen war es bekannt, daß, wenn das Regelungssystem als geschlossene Schleife für die Maschine ausgebildet werden könnte, einfachere Systeme entwickelt werden könnten. Dies würde die Zahl der Variablen, deren Erfassung notwendig ist, verringern, die Komplexität der Systeme herabsetzen und gleichzeitig ihre Effizienz verbessern. Die Industrie hat sich mit dem Problem der Auswahl eines geeigneten Maschinenparameters beschäftigt bezüglich dessen die Regelschleife geschlossen werden kann.

K.W. Randall und J.D. Powell von der Stanford University haben in ihren Forschungsarbeiten an einem Projekt, das von dem "Department of Transportation" gefördert wurde, festgestellt, daß für eine maximale Effizienz einer Verbrennungskraftmaschine der Zündzeitpunkt so eingestellt werden sollte, daß ein maximaler Zylinderdruck bei einem Kurbelwellenwinkel von 15 Grad nach der oberen Kolbentotpunktstellung auftritt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden in einem abschließenden Bericht "NO SUDAAR-503" mit dem Titel "Regelung des Wirkungsgrades und der Auspuffemission einer Verbrennungskraftmaschine mit geschlossener Regelschleife" veröffentlicht ("Closed Loop Control of Internal Combustion Engine Efficiency and Exhaust Emission"). Der Bericht enthält ein Blockschaltbild eines Systems mit geschlossener Regelschleife, bei dem ein Sensor den Winkel erfaßt, bei dem der Spitzendruck auftritt und wobei dann dieser gemessene Winkel mit dem gewünschten Winkel von 15 Grad verglichen wird. Wenn der gemessene Winkel von dem gewünschten Winkel abweicht, wird ein Fehlersignal erzeugt, das dazu verwendet wird, das Zündzeitsteuersignal zu korrigieren, das in Abhängigkeit von weiteren erfaßten Maschinenparametern erzeugt wird.

Vergleichbare Zündregelungssysteme, bei denen die Regelschleife bezüglich des Zylinderdruckes geschlossen ist, sind in den US-Patentschriften 3 957 023 und 3 977 373 beschrieben.

Ein anderes in der US-PS 3 897 766 beschriebenes Zündregelungssystem mit geschlossener Regelschleife verwendet einen Drehmomentsensor, der die Verwindung (twist) der Ausgangswelle der Antriebsmaschine mißt, um das Drehmoment zu erhalten. Zum Schließen der Regelschleife für die Maschine werden das gemessene Drehmoment und die Drehzahl verwendet.

Die US-PS 4 002 155 zeigt ein Zündsteuersystem mit geschlossener Regelschleife, bei dem die durch Klopfen der Maschine erzeugten Vibrationen durch einen an der Maschine befestigten Beschleunigungsmesser erfaßt werden. Das System zählt die Zahl der einzelnen "Klingel"-Vibrationen, die bei einer vorbestimmten Winkeldrehung der Kurbelwelle auftreten. Wenn die Zahl dieser "Klingel"-Vibrationen eine vorbestimmte Zahl überschreitet, so wird der Zündzeitpunkt zurückgenommen (verzögert) und wenn die Zahl der "Klingel"-Vibrationen kleiner als eine zweite vorbestimmte Zahl ist, so wird der Zündzeitpunkt vorgestellt.

Die US-PS 4 015 566 zeigt ein Zündzeitsteuersystem mit einer geschlossenen Regelschleife, die bezüglich eines Betriebsparameters der Maschine geschlossen ist. Dieses System mißt die Temperatur eines katalytischen Wandlers, die Auspuffgas-Zusammensetzung (insbesondere Stickoxidverbindungen), oder es wird alternativ ein Vibrationssensor verwendet, der einen unrunden (rauhen) Lauf der Maschine feststellt. Die Verwendung des unrunden Laufes (im folgenden mit Rauhigkeit bezeichnet) der Maschine als gemessener Parameter zeigt Ähnlichkeiten mit dem System der oben beschriebenen US-PS 4 002 155. In einem weiteren System mit geschlossener Regelschleife lehrt die US-PS 4 026 251, den Zündzeitpunkt schwanken zu lassen und die Regelschleife bezüglich der Maschinendrehzahl zu schließen.

Das Zündzeitsteuersystem mit geschlossener Regelschleife, bei dem der Zylinderdruck direkt gemessen wird, wie es von Randall und Powell gelehrt und in den US-Patentschriften 3 957 023 und 3 977 373 ausgeführt ist, erscheint als das direkteste und effektivste System, wobei der Zylinderdruck der direkteste und effektivste Maschinenparameter ist, bezüglich dessen die Regelschleife geschlossen werden kann. Allerdings erfordert diese Methode, daß ein Druckwandler in zumindestens einen Zylinder der Maschine eingebaut wird, wo er hohen Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt ist. Derartige Drucksensoren sind teuer, haben relativ kurze Lebenserwartungen und erfordern zusätzliche Veränderungen an der Maschine für ihre Anwendung. Alternativ hierzu sind Drucksensoren bekanntgeworden, die so ausgebildet sind, daß sie zusammen mit den Zündkerzen angewandt werden können, jedoch leiden auch diese unter den oben genannten Nachteilen.

Die direkte Messung des Maschinendrehmomentes, wie es von der US-PS 3 897 766 gelehrt wird, ist als abgewandelte Lösung anzusehen, erfordert jedoch einen relativ komplexen und teuren, das Drehmoment messenden Sensor. Die Messung des Einsatzes eines "Klopfens" der Maschine oder der "Rauhigkeit", wie es aus den US-PS 4 002 155 und 4 015 566 zu entnehmen ist, wird als zu ungenau angesehen, um die heutigen Auflagen zu erfüllen, während das System der US-PS 4 026 251 als ineffektiv angesehen wird, da weitere Einflußgrößen neben der Zündzeitsteuerung, beispielsweise eine Änderung der Last, die Drehzahl beeinflussen kann, was zu einer ungenauen Zündzeitsteuerung führt.

Es wurden verschiedene Arten von Brennstoff-Regelungssystemen mit geschlossener Regelschleife für Verbrennungskraftmaschinen entwickelt, bei denen der Regelkreis für verschiedene Maschinenparameter geschlossen wurde. Einer dieser Parameter für den der Regelkreis geschlossen ist, ist die Zusammensetzung des Auspuffgases, wie es aus der US-PS 3 815 561 zu entnehmen ist. Das System der US-PS 3 815 561 verwendet einen Sauerstoff (O₂)-Sensor, der die Konzentration des Sauerstoffs in dem Auspuffgas mißt und die Regelschleife für eine stöchiometrische Mischung von Luft und Brennstoff schließt. Allerdings wurde gefunden, daß die stöchiometrische Mischung von Luft und Brennstoff für den effektiven Betrieb der Maschine zu fett ist. Es wurden verschiedene Techniken angewandt, um die Maschine bei mageren Luft/Brennstoff-Verhältnissen zu betreiben, jedoch ist die Möglichkeit, zuverlässige Regelschleifen bei der gewünschten mageren Mischung zu erhalten, durch die Eigenschaften der heutigen Sauerstoffsensoren begrenzt.

Eine weitere Lösung ist der US-PS 3 789 816 zu entnehmen, bei der die Maschinenrauhigkeit als derjenige Parameter erfaßt wird, für den die Regelschleife geschlossen ist. Bei diesem System wird die Luft/Brennstoff-Mischung abgemagert, bis ein vorbestimmter Maschinenrauhigkeitspegel erreicht ist. Die Größe der Maschinenrauhigkeit ist so ausgewählt, daß sie einem Maschinenrauhigkeitspegel entspricht, bei dem die Luft/Brennstoff-Mischung so mager wie möglich gemacht ist, bis zu dem Punkt, daß die Bildung solcher Auspuffgase wie HC und CO minimiert ist, ohne daß die Fahreigenschaften des einzelnen Fahrzeuges nicht mehr annehmbar sind. Die Maschinenrauhigkeit, wie sie in dieser Patentschrift gemessen wird, ist die inkrementelle Änderung der Drehgeschwindigkeit der Maschinenausgangswelle. Diese Änderung resultiert aus den einzelnen Drehmomentimpulsen, die von jedem einzelnen Zylinder der Maschine empfangen werden. Das Schließen der Brennstoff-Regelschleife für die Maschinenrauhigkeit scheint der effektivste Weg zu sein, die Brennstoffausnutzung der Maschine zu maximieren.

Die US-PS 4 015 572 zeigt ein ähnliches Brennstoff-Regelungssystem, bei dem die Regelschleife für die Maschinenleistung geschlossen ist. In dem dortigen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Auspuffrückdruck als Darstellung der Maschinenleistung verwendet. Allerdings wurde festgestellt, daß ein gemessenes Drehmoment, ein Zylinderdruck oder ein Zeitintegral des vollständigen Verbrennungsdruckes für eine oder mehrere Maschinenumdrehungen bei einer vorgegebenen Drehzahl alternativ verwendet werden kann. In einer früher angekündigten Broschüre der "Fuel Injection Development Corporation of Bellmawr, New Jersey", mit dem Titel "Breaking the Lean Limit Barrier" hat der Anmelder der US-PS 4 015 572 postuliert, daß der gemessene Parameter die Geschwindigkeit des Schwungrades der Maschine sein sollte.

Bei einem weiteren Brennstoff-Regelungssystem, das die Maschinenrauhigkeit als gemessenen Parameter verwendet, um die Regelschleife zu schließen, zeigt die US-PS 4 044 236, daß die Drehperioden der Kurbelwelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen der Maschine gemessen werden sollen. Die Differenz wird in einem Aufwärts/Abwärts-Zähler gemessen, der mit einer Frequenz proportional der Maschinendrehzahl zählt.

In einem weiteren Brennstoff-Regelungssystem, bei dem die Rauhigkeit gemessen wird, lehrt die US-PS 4 044 234, die Drehperioden von zwei gleichen Winkelintervallen zu messen, wobei eine von ihnen vor und die andere nach der oberen Totpunktlage jedes Kolbens liegt. Die Änderung der Differenz zwischen den zwei Drehperioden für den gleichen Zylinder wird mit einem bestimmten Bezugswert verglichen und es wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Änderung den Bezugswert überschreitet. Die US-PS 4 044 235 zeigt ein anderes Rauhigkeitsregelungssystem, bei dem die Perioden von drei aufeinanderfolgenden Umdrehungen verglichen werden, um die Rundheit des Laufes der Maschine zu bestimmen. Die obigen Systeme berücksichtigen verschiedene Wege, mit denen die Maschinenrauhigkeit, die durch verschiedene Einrichtungen einschließlich Änderungen der Drehgeschwindigkeit des Schwungrades gemessen wird, zum Schließen der Regelschleife für die Maschine verwendet wird.

Im Stand der Technik sind weitere unabhängige Regelsysteme mit geschlossener Regelschleife bekanntgeworden, bei denen jede Regelung, d. h. Zündzeitpunkt, Brennstoff-Steuerung und Brennstoffverteilung als jeweils getrennte Größen behandelt werden, während bei der vorliegenden Erfindung ein integriertes Maschinen-Regelungssystem geschaffen wird, bei dem die Regelschleife für jeden überwachten Parameter für einen einzelnen gemessenen Maschinenbetriebsparameter geschlossen wird und insbesondere für die momentane Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine. Die aus dem einzeln gemessenen Parameter erhaltenen Daten werden auf verschiedene Weisen verarbeitet, um Zeitsteuer- und Brennstoffzufuhr-Korrektursignale zu erzeugen, die durch die Maschine eine Umwandlung der Verbrennungsenergie in ein Drehmoment optimieren.

Der hierzu nächst gelegene Stand der Technik, von dem auch der Oberbegriff der beiden unabhängigen Patentansprüche ausgeht, wird von der DE-OS 27 43 664 gebildet. Dort ist eine solche Regeleinrichtung bekannt, bei der folgende Parameter gemessen werden: Zylinderinnendruck, Winkelstellung der Kurbelwelle sowie obere und untere Totpunktlage eines Kolbens. Mit diesen Meßwerten wird der Zündzeitpunkt so geregelt, daß das Maximum des Zylinderinnendrucks bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel auftritt. Zusätzlich ist dort vorgesehen, daß für die Betriebszustände: Warmlauf, Beschleunigung und Bremsen, der Zündzeitpunkt so verschoben wird, daß der maximale Zylinderinnendruck bei einem anderen Kurbelwellenwinkel auftritt. Dabei werden durch wenigstens einen Winkelstellungsfühler die Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erfaßt und entsprechende Winkelstellungssignale erzeugt. In einer Erfassungseinrichtung wird der tatsächliche Kurbelwellenwinkel festgestellt, bei dem der Druck in einem Zylinder seinen Maximalwert (Scheitelwert) erreicht. Mittels eines Vergleichers wird der tatsächliche Kurbelwellenwinkel mit einem Winkelstellungs-Sollwert (Führungskurbelwellenwinkel) verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis (Regelabweichung) wird der Zündzeitpunkt geregelt.

Aus der DE-OS 24 34 743 ist es bekannt, den Brennraumdruck über die Momentanwerte der Winkelgeschwindigkeit an der Kurbelwelle zu messen. Dabei treten jedoch störende Einflüsse auf.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Regeleinrichtung dahingehend zu verbessern, daß mit meßtechnisch einfachen Mitteln eine möglichst effektive Regelung der Brennkraftmaschine möglich ist, ohne daß an der Maschine selbst wesentliche Änderungen vorgenommen werden müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Lösung gemäß Patentanspruch 1 setzt jedoch eine Möglichkeit voraus, die momentane Geschwindigkeit der Kurbelwelle sehr genau zu bestimmen. Häufig kann jedoch die momentane Geschwindigkeit der Kurbelwelle nur mittels der Zeitabstände ermittelt werden, in denen die Zähne eines mit der Kurbelwelle in Verbindung stehenden Zahnrades an einem Meßfühler vorbeilaufen. Der Winkelabstand der einzelnen Zähne dieses Zahnrades voneinander ist jedoch meist nicht hinreichend genau gleich. Erfindungsgemäß wird daher für einen solchen Fall eine Lösung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die mechanische Beziehung zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle einer typischen Maschine;

Fig. 2 einen Kurvenverlauf des Druckprofiles in einem Zylinder der Maschine als Funktion der Drehstellung der Kurbelwelle;

Fig. 3 einen Kurvenverlauf eines Drehmomentimpulses, der auf die Kurbelwelle der Maschine einwirkt;

Fig. 4, 5 und 6 Kurvenverläufe, die die Drehmomentimpulse für die Kurbelwelle einer Maschine für einen Arbeitszyklus einer 4-, 6- bzw. 8-Zylindermaschine darstellen;

Fig. 7 den Kurvenverlauf der momentanen Drehgeschwindigkeit (ω) der Kurbelwelle einer 8-Zylindermaschine;

Fig. 8 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Zündzeit-Regelungssystems mit geschlossener Regelschleife;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer analogen Ausführungsform des Zündzeit-Regelungsschaltkreises mit geschlossener Regelschleife der Fig. 8;

Fig. 10 ein Schaltbild eines analogen R_r-Generators, der in Fig. 9 gezeigt ist;

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer digitalen Ausführungsform eines Zündregelungsschaltkreises mit geschlossener Regelschleife;

Fig. 12A ein Histogramm der periodischen Daten, die gemäß der digitalen Ausführungsform der Fig. 11 erzeugt werden;

Fig. 12B ein Histogramm der periodischen Daten, die gemäß dem digitalen Ausführungsbeispiel der Fig. 11 erzeugt werden, wobei Zähne auf einem Radkranz verwendet werden, um die Periodenintervalle zu bestimmen;

Fig. 13 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Zündregelkreises mit geschlossener Regelschleife, der in Fig. 8 dargestellt ist;

Fig. 14A die tatsächliche Perioden-Wellenform, die entsprechend dem Schaltkreis der Fig. 8 erzeugt wird;

Fig. 14B die Rechteck-Wellenfunktionen SIGN (sin 2 πi/N) und SIGN (cos 2 πi/N);

Fig. 14C die tatsächlichen Funktionen sin 2 πi/N und cos 2 πi/N;

Fig. 15 ein detaillierteres Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Fig. 13;

Fig. 16A und 16B die Aufteilung des Inhaltes von UPM- und MAP-Registern in die signifikantesten und die am wenigsten signifikanten Bits;

Fig. 17 eine typische Drehzahl/Ansaugdruck-Funktion zur Darstellung der aufgezeichneten Zündwinkel;

Fig. 18 eine Folge von Signalen, die die Beziehung zwischen Oszillator- und Taktsignalen und den Signalen DG0 bis DG15 darstellt, die von dem Zeitsteuer- und Regelkreis erzeugt werden;

Fig. 19 eine Folge von Signalen, die die Beziehung und zeitliche Aufeinanderfolge von Signalen MT0 bis MT7 und TM7 bis TM10 auf einer anderen Zeitskala zeigen;

Fig. 20 ein Schaltbild eines Funktionsgenerators und eines ersten Teiles des in Fig. 15 gezeigten Phasenerfassungs-Schaltkreises;

Fig. 21 die grundlegenden Zeitsteuersignale, die in Fig. 20 verwendet werden;

Fig. 22 die Signalverläufe, die die Berechnung des Phasenwinkels und der Korrektur des Voreilungswinkels steuern;

Fig. 23 ein Schaltbild des in Fig. 15 gezeigten Komparator-, Dividierer-, Arcustangens-ROM- und Cotangens-Korrektur-Schaltkreises;

Fig. 24 ein Diagramm, das die vier Quadranten zeigt, in denen der Phasenwinkel Φ liegen kann;

Fig. 25 ein Schaltbild des Phasenwinkels-Mittelwert-Schaltkreises, des Komparators und des Akkumulators aus Fig. 15;

Fig. 26 eine graphische Darstellung des Ausganges des Phasenwinkel-Mittelwert-Schaltkreises der Fig. 15;

Fig. 27 ein Schaltbild des Schaltkreises zur Erzeugung des Einspritzsignales einschließlich des Verweildauerschaltkreises;

Fig. 28 eine graphische Darstellung der Umwandlung des Zündwinkels in eine Zeitverzögerung;

Fig. 29 eine graphische Darstellung der Betriebsweise des Verweildauerschaltkreises;

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsform Theorie der Wirkungsweise

Vor der Erläuterung des Maschinen-Regelungssystems mit geschlossener Regelschleife, das eine digitale Periodenanalyse (DPA) der momentanen Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine verwendet, wird eine kurze Erläuterung der anwendbaren Theorie gegeben. Wenn eine Brennstoff/Luft-Mischung in jeder Verbrennungskammer der Maschine gezündet und verbrannt wird, so wird ein Drehmoment auf die Kurbelwelle der Maschine ausgeübt, das deren Drehung veranlaßt. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist das auf die Kurbelwelle 1 übertragene Drehmoment eine Funktion des Druckes P, der in der Verbrennungskammer 2 erzeugt wird. Die Verbrennungskammer 2 wird durch eine Wand 3 und einen Zylinderkopf 4 sowie einen Kolben 5 geschlossen und ist durch den Bereich des Kolbens 5, die Länge L eines Hebelarmes 6, der an die Kurbelwelle angebracht ist, sowie durch den Winkel R zwischen dem Arm und der hin- und hergehenden Bewegungsrichtung des Kolbens begrenzt.

Zuerst sei lediglich ein einzelner Arbeitszyklus betrachtet, wobei das Druckprofil in der Kammer 2 als Kurve 7 in Fig. 2 dargestellt ist, wenn sich der Kolben aufgrund der Drehung der Kurbelwelle auf und ab bewegt. Wenn sich die Kurbelwelle in der durch den Pfeil angezeigten Richtung aus der Stellung R=-π zu der Stellung R=0 dreht, so bewegt sich der Kolben von seiner untersten Stellung zu seiner obersten Stellung und der Druck in dem Zylinder vergrößert sich wie dargestellt. Die oberste Stellung des Zylinders wird üblicherweise als obere Totpunktstellung (TDC) des Kolbens bezeichnet. In dem Drehintervall der Kurbelwelle von R=0 bis R=π kehrt der Kolben zu seiner untersten Stellung zurück und der Druck verringert sich auf seinen ursprünglichen Wert. Wenn keine Auslaß- und Einlaßventile, die normalerweise bei 4 Zylinder-Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen sind, vorhanden sind, so würde sich das Druckprofil bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle wiederholen. Allerdings öffnen und schließen sich die Einlaß- und Auslaßventile bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle, so daß der dargestellte Druckzyklus nur einmal pro je zwei Umdrehungen auftritt.

Wenn die Kammer 2 mit einer brennbaren Luft/Brennstoff-Mischung gefüllt ist, die bei einem Winkel α gezündet wird, so vergrößert sich der Druck wie in Kurve 8 der Fig. 2 gezeigt und der maximale Druck in der Kammer 2 wird bei einem Winkel β auftreten. Obwohl der Winkel, bei dem das Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet wird, so dargestellt ist, daß er in dem Drehintervall zwischen -π und 0 liegt, erkennt der Fachmann, daß die Zündung auch so gesteuert werden kann, daß sie in dem Intervall zwischen 0 und +π auftritt, nachdem der Kolben den oberen Totpunkt passiert hat.

Der Winkel β, bei dem der maximale Druck auftritt, ist eine Funktion verschiedener Faktoren, wie z. B. dem Winkel α, bei dem die Zündung auftritt, der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und der Geschwindigkeit mit der das Luft/Brennstoff-Gemisch verbrennt. Im Idealfalle sollte der Winkel, bei dem der maximale Druck auftritt, so gesteuert bzw. festgelegt werden, daß ein maximales Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt wird.

Das momentan auf die Kurbelwelle ausgeübte Drehmoment ist eine Funktion der Kraft, die von dem Kolben aufgrund des Druckes in der Kammer 2 erzeugt wird, der Länge L des Hebelarmes 6 und des Winkels R. Das Drehmoment T_R, das bei dem Winkel R erzeugt wird, ist:

T_R = AP_R L sin R

wobei A die Kolbenfläche und P_R der Druck in der Kammer 2 bei dem Winkel R ist. Das vollständige erzeugte Drehmoment T ist:

Der momentane Wert des Drehmomentes T_R, der auf die Kurbelwelle aufgrund des Druckes in einem einzelnen Zylinder ausgeübt wird, ist als Kurve 9 der Fig. 3 als Funktion des Winkels R dargestellt.

Bei Mehr-Zylindermaschinen wird die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches in jedem Zylinder ein vergleichbares Drehmoment auf die Kurbelwelle in einer vorbestimmten zeitlich festgelegten Folge ausüben. Es sei eine Vier-Zylinder-Vier-Takt-Verbrennungskraftmaschine betrachtet. Jeder Zylinder erzeugt ein Drehmoment, das einmal pro je zwei Umdrehungen (4 π) der Kurbelwelle auftritt, wie allgemein bekannt, so daß das auf die Kurbelwelle durch die einzelnen Zylinder ausgeübte Drehmoment in einer Abfolge von π Radian-Winkelintervallen auftritt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Drehmomentkurve 9 der Fig. 4 zeigt das auf die Kurbelwelle ausgeübte Drehmoment, wobei der Einfluß der auf die anderen mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben ausgeübten Kräfte vernachlässigt ist. Allerdings wird aus Fig. 2 deutlich, daß ein Teil des Drehmomentes, das durch den vergrößerten Druck in einem Zylinder erzeugt wird, dazu verwendet wird, das zu zündende Luft/Brennstoff-Gemisch in dem nächsten Zylinder zu komprimieren. Ein kleinerer Teil des erzeugten Drehmomentes wird auch für die Ansaug- und Auspuffarbeiten der anderen Zylinder verbraucht. Im Ergebnis ist das effektive, an die Kurbelwelle durch die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches in jedem Zylinder angelegte Drehmoment kleiner als das in den Kurven 9 dargestellte und ist realistischer in der Kurve 10 gezeigt.

Bei 6- und 8-Zylindermaschinen werden die resultierenden Drehmomentimpulse, die an die Kurbelwelle angelegt werden, so sein, wie in den Fig. 5 bzw. 6 dargestellt.

Normalerweise ist die Maschine mit einer Einrichtung verbunden, wie z. B. Antriebsrädern eines Automobils, die eine Last für die Kurbelwelle darstellt. Die Drehgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit der Kurbelwelle ist offensichtlich eine Funktion der Last als auch des durch die Verbrennung der Luft/Brennstoff-Mischungen in den einzelnen Zylindern erzeugten Drehmomentes. Da die Drehmomentimpulse, wie in Fig. 4 bis 6 dargestellt, periodisch auf die Kurbelwelle einwirken, ändert sich die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle periodisch im Einklang mit den Drehmomentimpulsen. Wie in Fig. 7 dargestellt, ändert sich die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle einer mit konstanter Geschwindigkeit laufenden Maschine bezogen auf Umdrehungen pro Zeitperiode in inkrementellen Werten innerhalb jeder Umdrehung. Die inkrementellen Änderungen Δω der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle können, obwohl sie relativ klein im Vergleich mit der mittleren Drehgeschwindigkeit sind, erfaßt werden. Die Größe und die Zeit zu der diese inkrementellen Änderungen der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine auftreten, sind eine Funktion verschiedener Maschinen-Betriebsparameter und können durch geeignete Analyse dazu verwendet werden, Rückkopplungssignale für einen oder mehrere der Maschinen-Regelungsparameter zu erzeugen, wodurch die Leistung der Maschine optimiert wird.

Zeitregelkreis für Zündung und Einspritzung

Die Funktion des Zeitregelkreises besteht darin, das Luft/Brennstoff-Gemisch in jeden Zylinder der Maschine (Verbrennungskammer) zu zünden oder alternativ Brennstoff in jeden Zylinder zu einem solchen Zeitpunkt einzuspritzen, daß die durch die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches erzeugte Energie am effektivsten auf die Kurbelwelle übertragen werden kann. Da die Ausbreitung der Flammfront durch das gesamte Volumen der Verbrennungskammer eine endliche Zeit braucht, wird das Luft/Brennstoff-Gemisch zu einem Zeitpunkt gezündet oder eingespritzt, der vor dem Zeitpunkt liegt, bei dem der Kolben in einer Stellung ist, bei der die durch die Verbrennung des Brennstoffes erzeugte Energie am effektivsten auf die Kurbelwelle übertragen wird. Dies wird allgemein als Zünd- bzw. Einspritzvoreilung bezeichnet. Der Winkel, um den die Zündung oder Einspritzung voreilt, ist eine komplexe Funktion der Maschinendrehzahl, der Maschinenlast, der Temperatur, der Feuchtigkeit, der Frage, wie gut die Luft und der Brennstoff gemischt sind (Turbulenz), des Verdampfungs- bzw. Zerstäubungszustandes des Brennstoffes sowie weiterer Faktoren, einschließlich der Zusammensetzung des Brennstoffes selbst.

Um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen bezieht sich die folgende Erläuterung auf die Zündzeitpunktsteuerung. Allerdings wird der Fachmann ohne weiteres erkennen, daß das beschriebene Zeitregelsystem mit geschlossener Regelschleife gleichermaßen auf eine Einspritz-Zeitsteuerung anwendbar ist, wie sie bei funkengezündeten Maschinen und bei Dieselmaschinen mit kleineren Änderungen angewandt werden können, die im Bereich des durchschnittlichen Fachwissens liegen.

Von dem Department of Transportation an der Standford University durchgeführte Studien haben experimentell ergeben, daß das beste mittlere Drehmoment (MBT) erhalten wurde, wenn die Druckspitze in den Zylindern bei einem Winkel von etwa 15 Grad nach dem oberen Totpunkt des Kolbens auftrat. Dieses Ergebnis war unabhängig von Feuchtigkeit und barometrischem Druck sowie von weiteren Faktoren. Weitere Forschungen haben ergeben, daß eine direkte Korrelation zwischen dem Druckprofil in der Verbrennungskammer und dem Profil der inkrementellen Änderungen der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle vorhanden ist.

Im einzelnen haben diese Studien gezeigt, daß der Winkel, bei dem die maximale Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle auftritt, direkt mit dem Winkel in Beziehung steht, bei dem die Druckspitze auftritt.

In Fig. 8 ist ein Blockschaltbild eines Zündzeitsteuersystems mit geschlossener Regelschleife gezeigt, das auf diesem Prinzip beruht. Fig. 8 zeigt eine typische Verbrennungskraftmaschine 20, deren Arbeitsweise einer Vielzahl von Parametern unterworfen ist, wie z. B. manuellen Eingangsgrößen, die die gewünschte Betriebsgeschwindigkeit der Maschine bezeichnen und weitere Umgebungsparameter, wie z. B. Umgebungstemperatur, Druck, Feuchtigkeit etc. Die manuellen Eingangsgrößen können von einer handbetätigten Drosselklappe oder von einem fußbetätigten Gaspedal stammen, wie es allgemein bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Die Luft und der Brennstoff werden in dem gewünschten Verhältnis der Maschine über einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Regler zugeführt, in Abhängigkeit von der manuellen Eingangsgröße, Umgebungsparametern sowie weiteren Maschinen-Betriebsparametern, wie z. B. Maschinendrehzahl, Maschinentemperatur und dem Druck in dem Ansaugkrümmer der Maschine (MAP). Signale für die manuelle Eingangsgröße, die Umgebungsparameter und die Maschinen-Betriebszustände werden von der Maschine zu dem Luft/Brennstoff-Gemisch-Regler 22 über eine Verbindungsleitung geliefert, wie durch den Pfeil 24 dargestellt. Die Luft und der Brennstoff werden der Maschine über ein Ansaugrohr zugeführt, das symbolisch durch den Pfeil 26 dargestellt ist.

Der Luft/Brennstoff-Gemisch-Regler 22 kann ein typischer mechanisch betätigter Vergaser, ein elektronisches Brennstoff-Regelsystem oder irgendein sonstiges im Stand der Technik bekanntes System sein. Die Einzelheiten von Luft/Brennstoff-Gemisch-Reglern sind im Stand der Technik allgemein bekannt und brauchen zum Verständnis des Zündzeit-Steuersystems mit geschlossener Regelschleife nicht näher erläutert zu werden.

Der Zündzeit-Regelkreis besitzt einen Zündzeitpunkt- und Verteilungsregler 28, der zwei grundlegende Funktionen ausführt. Die erste Funktion ist die Erzeugung eines Zündsignales, das in Abhängigkeit von verschiedenen Maschinen- und Umgebungsparametern errechnet wird, so daß ein maximales Drehmoment auf die Kurbelwelle der Maschine ausgeübt wird, als Ergebnis der Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemisches. Die zweite Funktion ist die Verteilung der Zündsignale, um die entsprechenden Zündkerzen in einer vorbestimmten Abfolge nacheinander mit Energie zu versorgen.

Es ist eine Vielzahl von elektronischen Zündzeit-Steuerkreisen bekanntgeworden, die diese Funktionen ausführen können. Da eine elektronische Regelung des Zündzeitpunktes von einem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt rückwärts nicht möglich ist, werden die Zündsignale, die von vorhandenen Schaltkreisen errechnet werden, als Verzögerungszeit von einem Bezugssignal aus erzeugt, das vor dem gewünschten Zündzeitpunkt liegt. Dieses Bezugssignal wird üblicherweise bei einer vorbestimmten Drehstellung der Kurbelwelle erzeugt, die von einer festen Stellung, wie z. B. dem oberen Totpunkt jedes Kolbens um einen Winkel voreilt.

Die Signale, die die Information bzw. Daten enthalten, die zum Berechnen der gewünschten Zündsignale einschließlich des Bezugssignales benötigt werden, werden von der Maschine zu dem Regler für den Zündzeitpunkt und die Verteilung über die mit dem Pfeil 30 bezeichnete Verbindungsleitung zugeführt. Die Verzögerung von dem Bezugssignal R_r wird berechnet und das Zündsignal wird am Ende der berechneten Verzögerung erzeugt. Die Zündsignale werden dann über eine Leitung 32 zu den entsprechenden Zündkerzen geleitet. Die Verteilungsfunktion kann durch einen herkömmlichen mechanischen Verteiler oder durch einen entsprechenden elektronischen Schaltkreis ausgeführt werden, wie im Stand der Technik bekannt.

Ein Signal, das die momentane Kurbelwellengeschwindigkeit (ω) anzeigt und ein Signal, das die Kurbelwellenstellung (R) anzeigt, werden einem Schaltkreis für die Stellung der maximalen Winkelgeschwindigkeit zugeführt, der ein Signal R_m erzeugt, das den Kurbelwellenwinkel bezeichnet, bei dem die momentane Geschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine ihren maximalen Wert hat. Das Signal R_m wird einem Komparator 36 zugeführt. Der Komparator 36 empfängt weiterhin ein Bezugssignal R_R, das den Kurbelwellenwinkel anzeigt, bei dem die maximale Drehgeschwindigkeit aufgetreten sein sollte. Der Komparator 36 erzeugt ein Fehler- oder Korrektursignal, das dem Regler für Zündzeitpunkt und Verteilung 28 zugeführt wird.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Zündzeitregelkreises beschrieben. Der Regler für Zündzeitpunkt und Verteilung 28 erzeugt Zündsignale, die nacheinander die Zündkerzen der Maschine mit Energie versorgen, um die Luft/Brennstoff-Mischung in den Verbrennungskammern der Maschine in Übereinstimmung mit den erfaßten Betriebsparametern der Maschine zu zünden. Wenn der Brennstoff in jeder Verbrennungskammer verbrannt wird, wird eine Folge von Drehmomentimpulsen auf die Kurbelwelle der Maschine ausgeübt, was veranlaßt, daß sich die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle wie in Fig. 7 gezeigt, ändert. Die Signale R und ω, die die momentane Drehposition und -geschwindigkeit der Kurbelwelle anzeigen, werden dem Schaltkreis für die Stellung bei maximaler Geschwindigkeit 34 zugeführt, der das Signal R_m erzeugt, das den Kurbelwellenwinkel anzeigt, bei dem die maximale Kurbelwellengeschwindigkeit für jeden Drehmomentimpuls auftritt.

Der Komparator 36 vergleicht das Signal R_m mit dem festen Bezugssignal R_R, das den Kurbelwellenwinkel anzeigt, bei dem die maximale Drehgeschwindigkeit aufgetreten sein sollte und er erzeugt ein Fehler- oder Korrektursignal ε. Der Regler 28 für Zünd-Zeitpunkt und Verteilung stellt das Zündsignal vor oder zurück, in Abhängigkeit von dem Korrektursignal ε, so daß die Differenz zwischen nachfolgenden R_m und R_R minimiert wird. Auf diese Weise ist die Regelschleife durch die Maschine geschlossen, so daß das maximale Drehmoment an die Kurbelwelle geliefert wird, als Ergebnis der Verbrennung der Luft/Brennstoff-Mischung in jedem Zylinder.

In Fig. 9 ist ein analoges Ausführungsbeispiel des Zündzeitregelkreises dargestellt. In Fig. 9 ist der Regler 22 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt, obwohl er in der Praxis vorhanden ist.

Fig. 9 zeigt einen Kurbelwellengeschwindigkeitssensor 38, der ein Signal ω erzeugt, das die momentane Geschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine bezeichnet. Das Signal ω wird in einem Differenzier-Schaltkreis 40 (dω/dt) differenziert und erzeugt ein Signal , das die erste Ableitung nach der Zeit darstellt. Das Signal wird einem Null-Durchgangsdetektor 42 zugeführt, der jedesmal dann ein Signal erzeugt, wenn von einem positiven Wert zu einem negativen Wert durch Null geht. Dieses Signal wird einem Abtasteingang eines Abtast- und Halteschaltkreises 44 zugeführt.

Ein R-Bezugs-Generator 46 erzeugt jedesmal dann ein Signal R_r, wenn die Kurbelwelle der Maschine eine vorbestimmte Drehstellung durchläuft, die vor der Winkelstellung liegt, bei der die maximale Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle gewünscht ist. Das Signal R_r kann bei Kurbelwellenwinkeln erzeugt werden, die anzeigen, wenn jeder Kolben seine angenommene obere Totpunktstellung oder irgendeinen anderen gewünschten Winkel erreicht hat. Das Signal R_r und das Signal ω für momentane Geschwindigkeit werden einem R-Signal-Generator 48 zugeführt, der ein analoges Signal R erzeugt, das die Winkelstellung der Kurbelwelle bezogen auf den Winkel R_r darstellt. Der in Fig. 10 gezeigte Schaltkreis ist ein Ausführungsbeispiel des R-Generators 48. Das Signal R wird weiterhin dem Abtast- und Halteschaltkreis 44 eingegeben, der ein Signal R_m ausgibt, das den Wert von R zu dem Zeitpunkt angibt, zu dem ein Signal von dem negativ-gehenden Null-Durchgangs-Detektor 42 empfangen wird. Das Ausgangssignal R_m wird in dem Komparator 36 mit dem Bezugssignal R_R verglichen, das den gewünschten Wert von R_m anzeigt. Der Komparator 36 erzeugt ein Fehler- oder Korrektursignal ε, das dem Zündzeitpunkt und Verteilungs-Schaltkreis 28 zugeführt wird, der das Korrektursignal dazu verwendet, den Zeitpunkt zu verändern, zu dem das Zündsignal erzeugt wird, um das Signal ε auf Null zu verringern.

Fig. 10 zeigt Einzelheiten des Schaltkreises des R′-Generators 48. Der Schaltkreis erhält elektrische Energie von einer geregelten Quelle an dem mit A+ bezeichneten Anschluß und empfängt das Signal ω an einem Anschluß 52. Das Signal R_r wird von einem magnetischen Aufnehmer 54 erzeugt, der das Vorbeilaufen jedes Zahnes 56 an einem Zahnrad 58 erfaßt, das an der Kurbelwelle der Maschine befestigt ist. Ein Verstärker 60 empfängt die von dem magnetischen Aufnehmer 54 erzeugten Signale und erzeugt jedesmal dann einen kurzen positiven Impuls, wenn ein Zahn 56 den magnetischen Aufnehmer 54 passiert. Der Ausgang des Verstärkers ist mit der Basis eines Transistors 62 verbunden, dessen Kollektor mit einer Elektrode eines Kondensators 64 verbunden ist, und sein Emitter ist mit der anderen Elektrode des Kondensators 64 mit gemeinsamer Masse verbunden. Der Anschluß 52 ist mit der Basis eines Transistors 66 verbunden, dessen Kollektor mit dem mit A+ bezeichneten Anschluß verbunden ist, und sein Emitter ist mit dem Kollektor des Transistors 62 verbunden und mit der einen Elektrode des Kondensators 64.

Die Arbeitsweise dieses Schaltkreises ist wie folgt:
Wenn ein Zahn 56 den magnetischen Aufnehmer 54 passiert, erzeugt der Verstärker 60 einen kurzen positiven Impuls, der den Transistor 62 voll leitend macht, wodurch der Kondensator 64 entladen wird. Das an der Basis des Transistors 66 empfangene Signal steuert seine Leitfähigkeit. Der Stromfluß durch den Transistor 66 lädt den Kondensator 64 mit einer Geschwindigkeit, die dem Wert des Signales ω proportional ist, so daß der Betrag der Ladung an dem Kondensator 64 ein Maß für die Drehstellung R der Kurbelwelle ist, bezogen auf den Bezugspunkt, der durch den Ort des Zahnes 56 bestimmt ist. Jedesmal wenn ein Zahn den magnetischen Aufnehmer 54 passiert, wird der Kondensator 64 entladen und danach wird ein analoges Signal, das den Winkel R darstellt, erzeugt, bezogen auf den Ort des Zahnes. Da die Geschwindigkeit, mit dem der Kondensator 64 aufgeladen wird, proportional der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle ist, ist der momentane Wert des Signales R eine Funktion des Winkels, um den sich die Kurbelwelle seit den vorhergehenden Bezugssignalen R_r gedreht hat.

Fig. 11 zeigt ein digitales Ausführungsbeispiel des Zündzeit­ regelkreises. Ein magnetischer Aufnehmer 54 erfaßt das Passieren des Zahnes 56 auf dem Rad 58 und versorgt einen Ver­ stärker 60 mit Energie, damit er einen kurzen Impuls (Signal R_r) jedesmal dann erzeugt, wenn ein Zahn den magnetischen Auf­ nehmer 54 passiert, wie oben bei Fig. 10 erläutert. Das Signal R_r wird dem Rücksetzeingang eines Zählers 68 und dem Zündzeit- und Verteilerschaltkreis 28 zugeführt. An der Kurbelwelle ist ein zweites Zahnrad 70 befestigt und dreht sich mit ihr, wobei das Zahnrad eine Vielzahl von Zähnen 72 aufweist, die in kleinen Winkelinkrementen längs seines Umfanges angebracht sind. Beispielsweise kann das Rad 70 der Starterkranz bzw. Drehkranz der Maschine sein, der an dem Schwungrad der Maschine angebracht ist. Ein magnetischer Aufnehmer 74 erfaßt das Passieren jedes Zahnes 72. Ein Verstärker 76 empfängt die von dem magnetischen Aufnehmer erzeugten Signale und erzeugt ein Impuls­ signal, dessen Dauer gleich dem Intervall zwischen den aufeinanderfolgenden Zähnen ist. Der Ausgang des Verstärkers 76 ist mit einem Eingang eines UND-Gatters 78 verbunden und mit dem Zähleingang eines Zählers 68. Der andere Eingang des UND-Gatters 78 empfängt Impulse, die von dem Oszillator 80 erzeugt werden. Die von dem Oszillator 80 erzeugten Impulse haben eine wesentlich höhere Wiederholungsgeschwindigkeit bzw. Frequenz als die Geschwindigkeit, mit der der Zahn 72 den magnetischen Aufnehmer 74 passiert. Die Zahl der von dem Oszillator 80 erzeugten und zu dem UND-Gatter 78 übertragenen Impulse wird in dem Zähler 82 gespeichert. Die Zahl der Impulse in dem Zähler 82 bezeichnet das Zeitintervall oder die Periode zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen auf dem Rad 70. In Fig. 12A ist ein Periodenprofil dargestellt, das die Anzahl von Impulsen zeigt, die in den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen auf dem Rad 70 während eines vollständigen Drehmoment-Impulszyklus gezählt werden. Da die Periode (T) der Reziprokwert der Winkelgeschwindigkeit ω ist, d. h. T = 1/ω, ist die Winkelgeschwindigkeit ein Maximum, wenn das Periodenprofil sein Minimum hat und umgekehrt.

Die in dem Zähler 82 gespeicherten Zählinhalte zwischen auf­ einanderfolgenden Zähnen werden zu einem Register 84 für den alten Wert übertragen und einem Subtrahierschaltkreis 86 zu­ geführt. Der Subtrahierschaltkreis 86 empfängt weiterhin die Zahl von Zählschritten, die in dem Register 84 für den alten Wert von dem vorhergehenden Intervall zwischen zwei aufeinander­ folgenden Zähnen auf dem Rad 70 gespeichert sind und gibt eine Zahl aus, die die Differenz zwischen dem in dem Register für den alten Wert gespeicherten Wert und dem neuen Wert ist. Diese Zahl wird einem digitalen Null-Durchgangs-Detektor 88 zugeführt, der ein Signal ausgibt, wenn die Differenz zwischen der neuen Zahl und der alten Zahl von einem negativen zu einem positiven Wert geht. Der Ausgang des Null-Durchgangs-Detektors 88 wird einem Stop-Eingang des Zählers 68 zugeführt. Der Zähler 68 wird jedesmal dann in seinem Inhalt vergrößert, wenn ein Zahn den magnetischen Aufnehmer 74 passiert und gibt eine Zahl aus, die der Anzahl von Zähnen entspricht, die den magnetischen Aufnehmer 74 in dem Intervall zwischen dem Empfang des Signales R_r aus dem Verstärker 60 und dem Stop-Signal, das von dem Null-Durchgangs-Detektor 88 erzeugt wird, passieren. Der Ausgang des Zählers 68 ist eine Zahl, die den Winkel der Kurbelwelle bezeichnet, bei dem das Zeitintervall oder die Periode zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen ein Minimum ist. Da diese Periode (Zeitintervall) der Reziprokwert der Kurbelwellengeschwindigkeit ist, wird das Stop-Signal von dem Null-Durchgangs-Detektor 88 dann erzeugt, wenn die Winkelge­ schwindigkeit der Kurbelwelle ihren maximalen Wert durchläuft.

Die Zahl von Zählschritten in dem Zähler 68 wird einem zweiten Subtrahier-Schaltkreis 90 zugeführt, wo sie von einer Bezugs­ zahl von Zählschritten subtrahiert wird, die die Anzahl von Zähnen anzeigt, die bei dem maximalen Drehmoment, das auf die Kurbelwelle ausgeübt wird, hätten gezählt sein sollen. Die Differenz ε wird dann dem Zündzeitpunkt- und Verteilungsregler 28 zugeführt, wo sie dazu verwendet wird, den Zeitpunkt, zu dem das Zündsignal erzeugt wird, vor- oder zurückzustellen, wodurch das Differenzsignal ε gegen Null hin verringert wird.

Das in Fig. 11 gezeigte Zündsystem mit geschlossener Regel­ schleife ist praktisch nicht verwendbar, da es keine vom Fahrer verursachten Änderungen kompensieren kann und da es fordert, daß das Zählintervall des Zählers 82 für jedes Winkelintervall der Drehung der Kurbelwelle genau im richtigen Verhältnis mit der Frequenz des Oszillators 80 steht. Diese letztere Tatsache fordert sehr strenge mechanische Toleranzen für die Winkeltrennung der einzelnen Zähne auf dem Rad 70. Tatsächlich erhaltene Daten von einem Zahnkranz eines typischen Automotors zeigen ein Profil, das dem entspricht, wie es in Fig. 12B dargestellt ist, wo die Winkeldifferenzen zwischen den einzelnen Zähnen in Differenzen von Zählschritten dargestellt sind, die größer sein können als die Differenzen in Zähl­ schritten, die aus den Änderungen der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle resultieren. Folglich wird eine genauere Messung der kleinen Winkelinkremente benötigt. Im Stand der Technik sind optische Systeme bekanntgeworden, die kleine Winkelintervalle einer Umdrehung erfassen können, und zwar mit der benötigten Gleichförmigkeit, wobei diese Systeme leicht anstelle eines Zahnrades 70, wie es durch den Schwungradzahnkranz und den magnetischen Aufnehmer 74 in Fig. 11 dargestellt ist, ver­ wendet werden können.

In Fig. 13 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Zünd­ regelsystems mit geschlossener Regelschleife dargestellt, das kleine Differenzen der Winkelinkremente zwischen den einzelnen Zähnen eines Schwungradkranzes auswerten kann. Anstelle einer Erfassung der Stellung der Kurbelwelle zum Zeitpunkt der maximalen Winkelgeschwindigkeit wird bei dem alternativen Aus­ führungsbeispiel die Phase Φ_i des erzeugten Periodenprofils, wie es in den Fig. 12A oder 12B dargestellt ist, mit einem festen Phasenwinkel R_R verglichen.

Das Profil der in den Fig. 12A oder 12B dargestellten Perioden­ wellenformen weist folgende Fourier-Serien-Darstellung auf:

wobei Φ_i der Phasenwinkel der Periodenwellenform und N die Anzahl von einzelnen Abtastungen oder inkrementellen Perioden­ intervallen f(R) ist.

Der Wert von Φ_i für die Frequenz, die mit der Zylindergeschwin­ digkeit übereinstimmt, wird sich mit dem Ort des Spitzendruckes der Verbrennungskammer ändern und folglich kann er zur Regelung der Zündzeitsteuerung verwendet werden.

Eine herkömmliche Methode zur Berechnung von Φ_i aus f(R) besteht in der Berechnung der folgenden Größen:

und Φ = arc tan (A sin Φ / A cos Φ), wenn A sin Φ A cos Φ oder Φ = Π / 2 - arc tan (A cos Φ / A sin Φ), wenn A cos Φ < A sin Φ,
wobei R = Winkelstellung der Kurbelwelle
ω =Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
A = Amplitude der Fourier-Komponente
Φ = relativer Phasenwinkel der Fourier-Komponente.

Da f(R) ein Satz von N diskreten Abtastungen ist, gelten die folgenden Beziehungen

Diese Berechnung besteht aus dem Multiplizieren der Datenab­ tastungen mit sin- und cos-Funktionen und dem Addieren der Produkte über ein Intervall, das gleich einem Zyklus der Perioden­ wellenform ist. Die Multiplikation mit einer Geschwindigkeit, die im Einklang mit den Maschinen-Betriebsanforderungen steht (2 N Multiplikationen pro Zylinderzündung) ist hinsichtlich der heutigen Technologie und Systemkosten-Überlegungen nicht sinnvoll.

Eine vereinfachte Berechnung besteht aus dem Ersetzen dieser sin- und cos-Funktionen durch binäre Signale, die Rechteck­ impulse mit der gleichen Periode darstellen. Die Amplituden sind hierbei auf plus und minus 1 begrenzt. Dies führt zu folgendem Ergebnis:

Die fünf Funktionen cos (2πi/N), sin (2πi/N), SIGN [cos (2πi/N)], SIGN [sin (2πi/N)] und f(R_i) sind in Fig. 14 dargestellt.

Diese vereinfachte Berechnung ruft einen kleinen Fehler hervor, der von den ungeradzahligen Harmonischen der Grundkomponenten der periodischen Impulsformen abhängig ist. Dieser Fehler wird durch Mittelwertbildung der aufeinanderfolgenden Berechnungen der Größen (A cos Φ) und (A sin Φ) verringert.

Die obige Ausführung erfordert das Summieren von 2 N Perioden­ abtastungen, um die Ausdrücke für cos Φ und sin Φ zu erhalten. Folglich wurde der Multiplikations- und Summationsprozeß auf einen Summationsprozeß reduziert.

Eine weitere Vereinfachung resultiert aus der Bildung von Partialsummen der Periodendaten, die folgenden Gesetzmäßigkeiten gehorchen:

dann A sin Φ ≈ 1/N [(P₁-P₃) + (P₂-P₄)] (5)
A cos Φ ≈ 1/N [(P₁-P₃) - (P₂-P₄)] (6)
und Φ ≈ arc tan [(P₁-P₃) + (P₂-P₄)] / [(P₁-P₃)] - (P₂-P₄)] (7)
wenn |(P₁-P₃) - (P₂-P₄)| |(P₁-P₃) + (P₂-P₄)| Φ ≈ π/2 - arc tan [(P₁-P₃) + (P₂-P₄) / (P₁-P₃) - (P₂-P₄)] (8)
wenn |(P₁-P₃) + (P₂-P₄)| < |(P₁-P₃) - (P₂-P₄)|

Bei der Fig. 13 wird der Druck im Ansaugkrümmer der Maschine durch einen Ansaugkrümmer-Druck-Wandler 90 gemessen. Dieser Sensor gibt ein Signal ab, das dem gemessenen Ansaugdruck entspricht, wobei dieses Signal einem Zündwinkel-Schaltkreis 92 zugeführt wird. Wie oben erläutert, erzeugt das Zahnrad 58, der magnetische Aufnehmer 54 und der Verstärker 60 ein Bezugs­ signal R_r, das dem Zündwinkel-Schaltkreis 92, einem Phasen­ winkel-Generator-Schaltkreis 96 und einem Winkel/Verzögerungs- Wandler 102 zugeführt wird. Der Zündwinkel-Schaltkreis 92 er­ rechnet die Maschinendrehzahl aus dem Bezugssignal und erzeugt aus dem Maschinen-Drehzahl- und dem Ansaug­ drucksignal ein Signal R_i′, das bezogen auf R_r den Kurbelwellen­ winkel anzeigt, bei dem das Zündsignal erzeugt werden soll.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 11 erläutert, erzeugt ein Zahnrad 70 mit mehreren Zähnen, beispielsweise der Zahnkranz auf dem Schwungrad zusammen mit dem magnetischen Aufnehmer 74 und dem Verstärker 76 jedesmal dann ein Signal, wenn ein Zahn an dem magnetischen Aufnehmer 74 vorbeiläuft. Der magnetische Aufnehmer 74 ist mit einem Periodenmeß-Schaltkreis 94, der ein Zähler sein kann wie der Zähler 82 in Fig. 11, und mit dem Phasenwinkel-Generator 96 verbunden. Ein Oszillator 98 liefert Taktsignale zu dem Periodenmeß-Schaltkreis 94. Dieser Periodenmeß- Schaltkreis 94 erzeugt ein digitales Periodensignal, das die Anzahl von Taktsignalen anzeigt, die in dem Intervall zwischen den von dem Verstärker 76 empfangenen Signalen empfangen wurden. Die digitalen Periodensignale werden dem Phasen­ winkel-Generator 96 zugeführt, der aus den Periodensignalen entsprechend den Gleichungen 1 bis 8 einen Phasenwinkel Φ_i errechnet. Der Phasenwinkel Φ_i wird einem Komparator 98 zugeführt, der ein Fehler- oder Korrektursignal ΔΦ erzeugt. Das Korrektursignal ΔΦ wird einem Eingang eines Addierschaltkreises 100 zugeführt, wo es mit dem Zündwinkelsignal R_i′ summiert wird, um ein Signal R_i zu erzeugen. Der Winkel/Verzögerungs- Wandler 102 erzeugt ein Signal I, das zu einem Zeitpunkt beendet wird, der aus dem Summensignal R_i und dem Bezugssignal R_r berechnet wird.

Das Signal "I" wird in einem Verstärker 104 verstärkt und versorgt eine herkömmliche Zündspule 106 mit Energie. Diese Zündspule 106 erzeugt jedesmal dann ein Hochspannungs-Zündsignal, wenn das Signal I beendet ist. Das von der Zündspule 106 erzeugte Hochspannungssignal wird über einen Verteiler 108 der entsprechenden Zündkerze zugeführt. Der Verteiler 108 kann ein herkömmlicher, von der Maschine angetriebener mechanischer Verteiler sein, wie er üblicherweise bei Verbrennungskraft­ maschinen verwendet wird, oder er kann eine der jüngst ent­ wickelten Festkörper-Schalteinrichtungen sein.

Die Arbeitsweise des Zündzeitregelsystems ist wie folgt: Der Zündwinkel-Schaltkreis 92 erzeugt ein Signal R_i′, das den Kurbel­ wellenwinkel anzeigt, bei dem die Zündung auftreten sollte, in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl, die aus der Frequenz des Bezugssignales R_r abgeleitet ist und aus dem Drucksignal aus dem Ansaugdrucksensor 90.

Der Periodenmeß-Schaltkreis 94 erzeugt ein Periodensignal, das das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Zähnen an dem Zahnrad 70 anzeigt, wenn sich dieses dreht.

Dieses Periodensignal ist eine digitale Zahl, deren Wert der Anzahl von Taktimpulsen entspricht, die in jedem Zeitintervall erzeugt wurden. Das Periodensignal und das R_r-Signal werden von dem Phasenwinkel-Generator 96 empfangen, der in Überein­ stimmung mit der Gleichung 7 oder 8 den Phasenwinkel R_i erzeugt. Der Phasenwinkel-Generator ist mit dem R_r-Signal so synchronisiert, daß der Phasenwinkel Φ_i bezüglich jedes Dreh­ momentimpulses der Maschine erzeugt wird. Wie oben erläutert, kann ein R_r-Signal dann erzeugt werden, wenn jeder Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat oder zu irgendeinem anderen vorbestimmten Zeitpunkt.

Der Phasenwinkel-Generator 96 summiert dann die Periodensignale, um die Werte P₁, P₂, P₃ und P₄ zu bilden, in Abhängigkeit davon, wie die von dem Verstärker 76 erzeugten Signale empfangen werden. Die Werte von P₁ bis P₄ werden dann addiert bzw. subtrahiert, um die Größen [(P₁-P₃) + (P₂-P₄)] bzw. [(P₁-P₃) - (P₂-P₄)] zu bilden, die dazu verwendet werden, einen numerischen Wert zu bilden, der gleich tan Φ_i ist. Das Signal Φ_i wird darauf­ folgend aus einer "Nachschlagetabelle" erhalten, die das Signal Φ_i in Abhängigkeit von einem Signal ausgibt, das dem tan Φ_i entspricht. Das von dem Phasenwinkel-Generator 96 ausgegebene Signal Φ_i kann der Wert sein, der von der "Nachschlagetabelle" ausgegeben wird oder er kann ein gefilterter Wert sein, von dem die Hochfrequenzänderungen bei jedem errechneten Wert von Φ_i entfernt sind.

Der Wert des Signales Φ_i wird dann in dem Komparator 98 mit einem Bezugssignal Φ_R verglichen, wobei das Signal Φ_R den ge­ wünschten Phasenwinkel für die spezielle Maschine oder Ma­ schinenart anzeigt, um ein Korrektursignal ΔΦ zu erzeugen, das die Verbesserung bzw. Korrektur für den berechneten Zündwinkel R_i′ anzeigt. Das Korrektursignal ΔΦ ist die Summe der Fehler­ signale

so daß, wenn Φ_i sich Φ_R annähert, das Fehlersignal (Φ_R-Φ_i) sich dem Wert Null nähert und das Korrektursignal ΔΦ einen konstanten Wert hat. Der Wert des Signales ΔΦ hat einen Winkel­ versatz gegenüber dem berechneten Wert R_i′, der verursacht, daß der Phasenwinkel Φ_i des gemessenen Periodenprofiles gleich dem gewünschten Phasenwinkel Φ_R ist.

Das Korrektursignal ΔΦ wird in dem Summierschaltkreis 100 dem berechneten Zündwinkel R_i′ hinzuaddiert, so daß der Summier­ schaltkreis 100 ein Summensignal R_i = R_i′ + ΔΦ ausgibt. Das Summensignal R_i wird von dem Winkel/Verzögerungs-Wandler-Schaltkreis 102 empfangen, der ein Signal I erzeugt, das zu einem Zeitpunkt nach Empfang eines Bezugssignales beendet wird, wobei das Bezugssignal durch den Wert des Summensignals R_i bestimmt wird. Das Signal I wird durch den Verstärker 104 verstärkt und das verstärkte Signal versorgt die Zündspule 106 mit Energie. Diese Zündspule erzeugt ein hochenergetisches Zündsignal, das die Zündfunken jedesmal dann erregt, wenn das Signal I beendet wird. Dieses Hochenergie-Zündsignal wird dem Verteiler 108 zu­ geführt, der dieses Hochenergie-Zündsignal den entsprechenden Zündkerzen in einer vorbestimmten Reihenfolge zuführt, wie im Stand der Technik bekannt.

In Fig. 15 ist ein detaillierteres Blockschaltbild des Zünd­ zeit-Regelschaltkreises dargestellt.

Wie oben beschrieben, erzeugen das Zahnrad 58 in Verbindung mit dem magnetischen Aufnehmer 54 und dem Verstärker 60 das Bezugsimpulssignal R_r, das den dargestellten verschiedenen Schaltkreisen zugeführt wird. Ein Zeitsteuer- und Regelschalt­ kreis 110 empfängt das R_r-Signal und Taktimpulse von einem Oszillator 112 und erzeugt eine Vielzahl von Zeitsteuer- und Regelsignalen, die in dem gesamten Schaltkreis verwendet werden.

Ein Schaltkreis 114 für die Steuerung der Zählgeschwindigkeit empfängt das R_r-Signal und die Taktimpulse von dem Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 und erzeugt Zählimpulssignale mit einer ersten Geschwindigkeit. Diese Zählimpulssignale werden in einem Zähler 116 zwischen dem Auftreten aufeinanderfolgender Bezugssignale R_r gezählt. Die Zahl der Zählschritte zwischen aufeinanderfolgenden Bezugssignalen ist der Kurbelwellen- Drehgeschwindigkeit reziprok, wie oben beschrieben. Um die Zahl von Zählschritten, die in dem Zähler 116 gespeichert werden, zu begrenzen und folglich die Kapazität oder Größe des Zählers 116 bei niedrigen Zählgeschwindigkeiten, wird von dem Zähler ein Signal erzeugt, wenn er eine vorbestimmte Zahl er­ reicht hat. Diese Zahl wird über eine Leitung 118 zurück zu dem Schaltkreis 114 für die Steuerung der Zählgeschwindigkeit geführt, der dann eine Verringerung der Geschwindigkeit bewirkt, mit der die Zählimpulse erzeugt werden. Sofern erforderlich, wird ein zweites Signal erzeugt, wenn die Zahl von in dem Zähler 116 gespeicherten Zählschritten eine zweite vorbestimmte Zahl erreicht hat, die ebenfalls dem Schaltkreis 114 für die Steuerung der Zählgeschwindigkeit zurückgeführt wird, um die Geschwindigkeit, mit der Zählimpulse erzeugt werden, weiter herabzusetzen. Nach dem Empfang des nächsten darauffolgenden Bezugssignales R_r werden die in dem Zähler 116 gespeicherten Zählschritte einem Register 120 für die Drehzahl (im folgenden UPM-Register genannt) zugeführt, der Zähler 116 auf Null zurück­ gesetzt und der Steuerschaltkreis 114 für die Zählgeschwindigkeit wird auf seinen anfänglichen Zustand zurückgesetzt, um Zählimpulse mit einer ersten Geschwindigkeit zu erzeugen. Die Zahl von in dem UPM-Register 120 gespeicherten Zählschritten ist ein digitales Wort, das die Maschinendrehzahl an­ zeigt. Dieses Wort (UPM-Wort) hat eine vorbestimmte Zahl von hoch-signifikanten Bits, die mit s_i bezeichnet sind und eine vorbestimmte Zahl von niedrig-signifikanten Bits Δs. Ist bei­ spielsweise diese Zahl ein Acht-(8) Bitwort, so kann s_i die vier (4) signifikantesten Bits und Δs die vier (4) am wenigsten signifikantesten Bits enthalten, wie in Fig. 16A gezeigt. Die vier signifikantesten Bits s_i werden in einem Zündwinkel­ speicher 122 (Nur-Lese-Speicher, ROM) zugeführt und die vier untersten Bits Δs werden einem Speicherdatenregister 124 zugeführt.

Ein von einem Drucksensor 90 erzeugtes Signal, das den Maschinen- Ansaugdruck anzeigt, wird über einen Verstärker 126 dem positiven Eingang eines Komparators 128 zugeführt. Der Kompa­ rator 128 empfängt an seinem negativen Eingang ein von einem Sägezahn-Generator 130 erzeugtes treppenförmiges Sägezahnsignal. Dieses Sägezahnsignal schaltet den Komparator 128 aus, wenn der Wert des Sägezahnsignales das von dem Verstärker 126 erzeugte Signal überschreitet, wobei letzteres Signal den Wert des Druckes in dem Luft/Ansaugsystem der Maschine darstellt. Ein Zähler 132 empfängt den Ausgang des Komparators 128 sowie Taktsignale und zählt die Taktimpulse, die er empfängt, während des Intervalles, in dem der Komparator einen positiven Ausgang hat. Nach Empfang des nächsten darauffolgenden Bezugssignales R_r wird die Zahl von Zählschritten in dem Zähler 132 zu einem Ansaugdruck-Register 134 (MAP-Register) übertragen, der Zähler 132 gelöscht und der Sägezahngenerator 130 auf Null zurückge­ setzt. Die Zahl von in dem MAP-Register 134 gespeicherten Zähl­ schritten ist ein digitales MAP-Wort, das den Druck in dem Luft/Ansaug-Krümmer der Maschine anzeigt. Dieses MAP-Wort ist ebenfalls ein Acht-Bit-Wort mit einer vorbestimmten Zahl von signifikantesten Bits, die mit p_i bezeichnet sind und einer Zahl von am wenigsten signifikanten Bits, die mit Δp bezeichnet sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind drei (3) signifikanteste Bits und fünf (5) am wenigsten signifikante Bits vorgesehen, wie in Fig. 16B dargestellt.

Die signifikantesten Bits s_i und p_i werden dazu verwendet, einen von 128 diskreten Speicherplätzen in dem Zündwinkel-ROM 122 zu adressieren. In jedem Speicherplatz ist ein digitales Wort f(s,p) gespeichert, das einen Zündwinkel anzeigt, der auf den Werten von s_i bzw. p_i basiert. Das digitale Wort f(s,p) wird zu dem Speicherdatenregister 124 zur nachfolgenden Inter­ polation bezüglich der Werte der am wenigsten signifikanten Bits Δs übertragen. Das digitale Wort f(s,p) wird einer Inter­ polationslogik zugeführt, die aus Addierern 136 und 140, einem Schieberegister A (138) und einem Schieberegister B (142) be­ steht. Zu dem Register A werden vielfache (Zweier-Potenzen) des Inhaltes des Speicherdatenregisters 124 addiert, um zwischen gespeicherten Zündwinkelwerten in dem Drehzahlbereich entsprechend Δs zu interpolieren. Es wird ein herkömmlicher zweifach-linearer Interpolationsprozeß durchgeführt. Eine Speicheradreß-Steuerlogik, die dem UPM-Register 120 zugeordnet ist, modifiziert die Speicheradresse, um gespeicherte Datenpunkte zu erhalten, die für die Interpolationsberechnung benötigt werden. Ein ähnlicher Prozeß wird zur Interpolation zwischen gespeicherten Zündwinkelwerten im Druckbereich ent­ sprechend dem Wert von Δp verwendet.

Der Zündwinkel wird durch lineare Interpolation der Drehzahl- Ansaugdruck-Funktion errechnet, wobei diese Funktion (Fläche) aufgelistete Zündwinkel darstellt, wie sie in Fig. 17 dargestellt sind. Die Interpolation wird entsprechend der nachfolgenden Gleichung ausgeführt:

R_i′ = (32-Δp) [(16-Δs)f(s_i,p_i) + Δsf(s_i+1,p_i)] + Δp[(16-Δs)f(s_i,p_i+1) + Δsf(s_i+1,p_i+1)]

Die Logik löst zuerst die Gleichung (16-Δs) f (s_i,p_i) mit den nachfolgenden Schritten: Der Inhalt des Speicherdatenregisters (MDR) 124 wird in das Register A 138 übertragen. Der Inhalt des Registers A läuft dann um und der Inhalt des Speicher­ datenregisters mal dem Komplement des ersten Bits s₀ des letzten signifikanten Bits Δs des UPM-Wortes, das in dem UPM- Register 120 gespeichert ist, wird dem Inhalt des Registers A hinzuaddiert und in dem Register A gespeichert. Der Inhalt des Registers A läuft erneut um (rezirkuliert) und wird dem zweifachen Inhalt des Speicherdatenregisters (um einen Platz ver­ schoben) mal dem Komplement ) des zweiten Bits der letzten signifikanten Bits Δs addiert. Die gleiche Prozedur wird noch zweimal mit dem vorhergehenden Inhalt des Registers A durchgeführt, wobei dieser dem 4- und 8-fachen des Inhaltes des Speicherdatenregisters mal den Komplementen und der dritten Δs₂ und vierten Δs₃ Digits von Δs addiert wird. Die aufeinanderfolgenden Schritte für diese Operation kann durch die folgenden Logikgleichungen dargestellt werden:

wobei: MDR die in dem Speicherdatenregister gespeicherten Daten darstellt, A die laufenden Daten in dem Register A sind und

die Komplemente der vier letzten signifikanten Bits, die in Δs enthalten sind, darstellt.

Die nächste Operation ist die Addition des Faktors Δsf(s_i+1, p_i) zu (16-Δs) · f(s_i,p_i). Um dies auszuführen, werden die signifikantesten Bits in dem UPM-Register 120 um ein Bit inkrementiert und der Inhalt f(s_i+1, p_i) des neuen Speicherplatzes in dem Zündwinkel ROM 122 wird in das Speicher­ datenregister 124 eingespeichert. Die Interpolation mit den neuen Zündwinkeldaten f(s_i+1, p_i) erfolgt nach der gleichen grundlegenden Prozedur wie oben erläutert. Die logischen Gleichungen für diese Operation lauten wie folgt:

MDR = (s_i+1, p_i)

A = A + MDR · Δs₀

A = A + 2MDR · Δs₁

A = A + 4MDR · Δs₂

A = A + 8MDR · Δs₃

A = (16-Δs) · f(s_i, p_i) + s·f (s_i+1, p_i)

Der Inhalt des Registers A ist jetzt (16-ΔS) · f(s_i, p_i) + Δsf (s_i+1, p_i).

Die nächste Operation ist die Multiplikation des Inhaltes des Registers A mit (32-Δp). Dies wird dadurch durchgeführt, daß der Inhalt des Registers A durch 16 geteilt wird (um 4 Plätze verschieben), und dann der verschobene Inhalt in das Register B übertragen wird. Die folgenden logischen Gleichungen geben die ausgeführten Operationen an:

wobei bis die Komplemente der letzten signifikanten Bits Δp des 8-Bit-Druckwortes darstellen, die in dem MAP- Register 134 gespeichert sind. Der Inhalt des Registers B ist jetzt: (32-Δp) [(16-Δs) · f(s_ip_i) + Δs·f(s_i+1, p_i)].

Die nächste Operation ist die Lösung der Gleichung (16-Δs) · f(s_i,p_i+1). Die signifikantesten Bits des UPM-Registers 120 werden um eine Eins dekrementiert, so daß sie wieder auf ihren ursprünglichen Wert zurückgebracht werden und die signifikantesten Bits des MAP-Registers 134 werden um ein Bit inkrementiert. Der Inhalt f(s_i, p_i+1) des neuen Speicher­ platzes des Zündwinkels ROM′s wird dann in dem Speicherdaten­ register gespeichert. Die logische Bezeichnung für die Lösung der Gleichung ist grundsätzlich die gleiche wie die für die Lösung der Gleichung (16-Δs) · f(s_i, p_i) und ist wie folgt:

MDR = f(s_i, p_i+1)

A = MDR

Für die Lösung der Gleichung (16-Δs)·f(s_i, p_i+1) + Δs·f(s_i+1, p_i+1) werden die signifikantesten Bits des UPM- Registers um ein Bit inkrementiert und der Inhalt f(s_i+1, p_i+1) wird in dem Speicherdatenregister (MDR) abgespeichert. Die logische Bezeichnung für die Lösung der Gleichung ist wie folgt:

MDR = f(s_i+1, p_i+1)

A = MDR + Δs₀

A = A + 2MDR Δs₁

A = A + 4MDR Δs₂

A = A + 8 MDR Δs₃

Der Inhalt des Registers A ist jetzt (16-Δs) · f(s_i, p_i+1) + Δs · f(s_i+1, p_i+1).

Die Lösung der vollständigen Gleichung wird durch die Multiplikation des Inhaltes des Registers A mal Δp und die Addition von A·Δp zu dem Inhalt des Registers B durchgeführt. Die logische Bezeichnung für diese Operation ist wie folgt:

A = A/16 (verschiebe A um 4 Plätze)

B = B + AΔp₀

B = B + 2AΔp₁

B = B + 4AΔp₂

B = B + 8AΔp₃

und

B = B + 16AΔp₄

Der Inhalt des Registers B ist jetzt eine Zahl, die den inter­ polierten Wert des Zündwinkels R_i′ (IA) gleich (32-Δp) [(16-Δs)·f(s_i,p_i)+Δs · f(s_i+1, p_i+1)] + Δp [(16-Δs) · f(s_i, p_i+1) + Δs · f(s_i+1, p_i+1)] anzeigt.

Der Effekt der Interpolation ist in Fig. 17 bildlich dargestellt.

In Fig. 18 ist der Ausgang des Oszillators 112 ein zwei (2) MHz-Signal, das durch zwei (÷2) geteilt ist, um ein ein-(1) MHz-Taktsignal zu erzeugen, wie dargestellt. Das Taktsignal wird dazu verwendet, Ziffer-Torsteuer-Signale (digit gate signals) DG0 bis DG15 zu erzeugen, die für verschiedene Zeit­ steuerzwecke verwendet werden. Die Torsteuer-Signale DG0 bis DG15 mit sechzehn (16) Stellen stellen die 16 Bits eines digitalen Wortes mit 16 Bits dar.

Das Zeitdiagramm der Fig. 19 ist mit einer anderen Zeitskala dargestellt und zeigt die Beziehungen der Wort-Zeit zur Stellen- Zeit und zeigt weiter die verschiedenen erzeugten Signale, die die einzelnen Berechnungs- und Interpolationsintervalle steuern, die von dem Zündregelsystem mit geschlossener Regelschleife der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Kurz erläutert werden die Signale MT0 bis MT7 in Abhängigkeit von den Signalen DG15 sequentiell erzeugt und besitzen eine Impuls­ breite von 16 Mikrosekunden, was dem Zeitintervall zwischen 16 aufeinanderfolgenden Taktimpulsen entspricht und die Zeit darstellt, die benötigt wird, ein vollständiges 16-Ziffern- Wort aus irgendeinem der verschiedenen Register des Schalt­ kreises einzugeben oder auszulesen. Die Erzeugung des ersten Satzes von Signalen MT0 bis MT7 wird durch das Signal R_r ein­ geleitet und es werden darauffolgende Signale MT0 bis MT7 in 8 Wortintervallen erzeugt, wie dargestellt. Ein Signal TM7 wird bei Beendigung des ersten MT7-Signales erzeugt, hat eine Dauer von 8 Worten und wiederholt sich in Intervallen von 24 Worten. Das Signal TM8 wird bei Beendigung des TM7-Signales erzeugt und hat eine Dauer von 8 Worten. Das Signal TM8 wiederholt sich ebenfalls in Intervallen von 24 Worten. Das Signal TM9 wird nach einem 24-Wortintervall erzeugt und hat eine Impulsdauer eines ähnlichen 24-Wortintervalles. Das Signal TM9 wird, wie dargestellt, in Intervallen von 48 Worten wiederholt. Das Signal TM10 wird am Ende des ersten TM9-Signales erzeugt und hat eine Dauer eines Intervalles von 48 Worten, die sich in Intervallen von 96 Worten wiederholt.

Die Signale MT0 bis MT7 und TM7 bis TM10 sind Basis-Signale, die die Zeitsteuerung der verschiedenen ausführenden Funktionen regeln. Die zusätzlich in dem Phasenerfassungsteil des Zündzeitsteuer-Schaltkreises verwendeten Signale werden im Zusammenhang mit der Fig. 20 und den in Fig. 21 gezeigten Kurvenverläufen erläutert.

Im folgenden wird auf den Phasenerfassungsteil des in Fig. 15 dargestellten Blockschaltbildes Bezug genommen. An die Kurbelwelle der Maschine ist mit dieser sich drehend ein zweites Zahnrad 144 befestigt, das eine vorbestimmte Anzahl von Zähnen aufweist, die an seinem Umfang in gleichen Winkelintervallen an­ gebracht sind. Die Anzahl der Zähne auf dem Zahnrad 144 wird durch folgende Größen bestimmt: Die Zahl der Zylinder, die Arbeitsweise der Maschine als Zwei-Takt- oder Vier-Taktmaschine und die Zahl von Intervallen, die zum Bestimmen des Phasen­ winkels gewünscht wird. Im folgenden sei eine Acht-Zylinder- Vier-Taktmaschine betrachtet, die zwei Kurbelwellenumdrehungen für einen vollständigen Arbeitszyklus (jeder Zylinder hat einmal gezündet) benötigt, wobei der Phasenwinkel gemäß den Gleichungen 7 und 8 errechnet wird, was vier einzelne Intervalle für jede Phasenrechnung erfordert, wobei dann die Zahl der Zähne 144 wie folgt berechnet wird:

Bei einer 6-Zylinder-4-Taktmaschine wäre die Zähnezahl gleich 12 und bei einer 4-Zylindermaschine wäre sie gleich 8. Ein magnetischer Aufnehmer 146 erfaßt das Passieren jedes Zahnes beim Drehen der Kurbelwelle und erzeugt ein periodisches Signal R_p, das von einem Verstärker 148 verstärkt wird. Aufeinander­ folgende Periodensignale R_p bezeichnen die in den Gleichungen 1 bis 4 genannten Summationsintervalle. Alternativ hierzu können die Zähne auf dem Zahnkranz des Schwungrades erfaßt werden, wie im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 13 erläutert wurde und ein Signal R_p wird jedesmal dann erzeugt, wenn eine Zähnezahl gleich dem gewünschten Winkelintervall gezählt wurde.

Die Periodensignale R_p werden einem Periodenzähler 150, einem Periodenregister 152 und einem Funktionsgenerator 154 einge­ geben. Der Periodenzähler 150 empfängt weiterhin Taktimpulse, die von einem Oszillator 151 erzeugt werden und speichert die Anzahl von Taktimpulsen, die zwischen jeden aufeinanderfolgenden Periodensignalen R_p empfangen wurden. Die in dem Perioden­ zähler 150 zwischen den aufeinanderfolgenden Periodensignalen R_p gespeicherte Zahl von Taktimpulsen wird zu dem Perioden­ register 152 übertragen.

Der Funktionsgenerator 154 empfängt das Periodensignal R_p und das Bezugssignal R_r und erzeugt Signale, die Additions-Subtraktions- Gatter 156 und 158 aktivieren, den Inhalt des Perioden­ registers 152 zu dem Inhalt der sin- bzw. cos-Register 160 bzw. 162 zu addieren oder zu subtrahieren, in Übereinstimmung mit den Gleichungen 7 und 8. Am Ende jedes Summationsinter­ valles sind die Inhalte der sin- und cos-Register Zahlen, die die Werte von sin Φ bzw. cos Φ bezeichnen. Die Inhalte der sin- und cos-Register 160 und 162 werden von einem Komparator 164 empfangen, der bestimmt, welches der beiden Register den größeren Absolutwert enthält. Der Komparator 164 erzeugt ein Signal, das ein Eingangssignal für einen Dividierer 166 für die Inhalte der sin- und cos-Register darstellt. Das von dem Komparator 164 erzeugte Signal wählt den Inhalt des Registers mit dem kleineren Absolutwert als Zähler für die auszuführende Divisionsoperation aus. Der Ausgang des Dividierers 166 ist eine Zahl, die den Wert von tan Φ oder cot Φ anzeigt, in Abhängigkeit davon, ob der Absolutwert des Inhaltes des sin- Registers 160 kleiner oder größer war als der Absolutwert des Inhaltes des cos-Registers 162 oder umgekehrt. Der Ausgang des Dividierers 166 adressiert ein arctan-ROM 168 (Nur-Lese- Speicher), der ein Signal ausgibt, dessen Wert den Winkel Φ darstellt. Das arctan-ROM 168 ist grundsätzlich eine "Nachschlagetabelle", die die Werte von Φ als Funktion von tan Φ speichert, wobei tan Φ durch die Division des Inhaltes des sin-Registers 160 durch den Inhalt des cos-Registers 162 erzeugt wird. Der Ausgang des arctan-ROM wird von einem Cotangens-Korrektur-Schaltkreis 170 empfangen, der folgende Funktion ausführt:

Φ = π/2 - arc tan (A cos Φ / A sin Φ)

sofern der Dividierer 166 den Inhalt des cos-Registers 162 durch den Inhalt des sin-Registers dividiert.

Der Ausgang des Cotangens-Korrektur-Schaltkreises 170 wird von einem Φ-Mittelwert-Schaltkreis 172 empfangen, der den berechneten Phasenwinkel Φ wirksam filtert. Der Komparator 174 vergleicht den Mittelwert von Φ′ mit einem Bezugssignal Φ_R und gibt ein Fehlersignal ΔΦ′ aus, das die Differenz zwischen dem berechneten Phasenwinkel Φ′ und Φ_R darstellt.

Das Fehlersignal ΔΦ′ wird von einem Akkumulator 176 empfangen, der ein Korrektursignal Φ_c ausgibt, das die Summe der Fehlersignale ΔΦ′ darstellt. Das Korrektursignal Φ_c wird dann einem Addierer 178 eingegeben, wo es mit dem Inhalt des Registers B 142, das den berechneten Zündwinkel Φ_i′ enthält, addiert wird und die Summe von Φ_i′ und Φ_c wird in einem Zündwinkelregister 180 gespeichert. Der Inhalt des Zündwinkelregisters 180 wird einem Geschwindigkeitsvervielfacher 182 (rate multiplier) zugeführt, der den Inhalt des Zündwinkelregisters 180 zu sich selbst addiert, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch die von den Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 empfangenen Taktsignale bestimmt wird. Jedesmal wenn der Geschwindigkeitsvervielfacher 182 einen Überlauf hat, wird ein Impulssignal erzeugt und folglich ist die Geschwindigkeit, mit der die Impulssignale erzeugt werden, proportional dem Inhalt des Zündwinkelregisters 180. Die von dem Geschwindigkeitsvervielfacher 182 erzeugten Impulssignale werden in einem Aufwärts-Zähler 184 in dem Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Kurbelwellen- Bezugswinkelsignalen R_r gezählt, so daß der Inhalt des Aufwärts-Zählers 184 am Ende jedes Zählintervalles direkt proportional dem berechneten Zündwinkel und umgekehrt proportional der Motordrehzahl ist. Dies korrigiert den berechneten Zündwinkel in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Der Zündwinkel wird in einen Zeitbereich übertragen, indem der Inhalt des Aufwärts-Zählers 184 zu einem Abwärts-Zähler 186 übertragen wird, wo der Inhalt mit einer festen Geschwindigkeit über Taktsignale abwärts gezählt wird, die von dem Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 empfangen werden. Der Abwärts-Zähler 186 erzeugt ein Signal, das dann beendet wird, wenn die Zahl von Zählschritten den Wert Null erreicht hat.

Das von dem Abwärts-Zähler 186 erzeugte Signal wird einem Verweilzeit- Schaltkreis 188 zugeführt. Das von dem Verweilzeit- Schaltkreis erzeugte Signal schaltet den Verstärker 104 ab, in Abhängigkeit von der Beendigung des Signales, das von dem Abwärts-Zähler 186 erzeugt wird und schaltet den Verstärker 104 nach einer vorgegebenen "Abschaltzeit" wieder an. Die Verweilzeit wird als Funktion des Intervalles zwischen Zündsignalen berechnet, so daß das Verhältnis zwischen Abschalt- und Anschaltzeit des Verstärkers 104 ein fester Wert ist, der unabhängig von der Motordrehzahl ist.

Die Schaltkreis-Einzelheiten des Phasenerfassungsteiles des Zündzeitsteuer-Schaltkreises sind in den Fig. 20 bis 26 gezeigt. Zuerst sei auf Fig. 20 Bezug genommen, wo das Phasenbezugssignal R_p an dem Anschluß 190 empfangen wird. Ein 10 MHz-Taktsignal, das von einem Oszillator 151 erzeugt wird, wird an einem Anschluß 192 empfangen. Der Anschluß 190 ist mit einem Setz-Eingang eines Flip-Flops 194 verbunden, während der Anschluß 192 mit dem entsprechenden Trigger- oder Umschalteingang von Flip-Flops 194 und 196 verbunden ist und mit dem Zähleingang eines Periodenzählers 150. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 194 ist weiterhin mit dem Setz-Eingang eines Flip- Flops 196 und mit dem Eingang eines UND-Gatters 198 verbunden. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 196 ist mit dem Eingang des UND- Gatters 198 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 198 ist mit dem Rücksetz-Eingang des Periodenzählers 150, dem Lade- Eingang eines Schieberegisters 152 mit paralleler Ein- und serieller Ausgabe, mit den Umschalteingängen von Flip-Flops 204 und 206 und mit einem Eingang eines NOR-Gatters 200 verbunden.

Das Kurbelwellen-Stellungs-Bezugssignal R_r wird an einem Anschluß 208 empfangen. Der Anschluß 208 ist mit den Rücksetz- Eingängen der Flip-Flops 204, 206 und 226 verbunden. Der Setz- Eingang des Flip-Flops 204 ist mit dem -Ausgang des Flip-Flops 206 und mit den Eingängen eines UND-Gatters 212 und eines Exklusiv-ODER-Gatters 216 verbunden. Der Q- 67735 00070 552 001000280000000200012000285916762400040 0002002917945 00004 67616Ausgang des Flip-Flops 204 ist mit dem Setz-Eingang des Flip-Flops 206 und mit den Eingängen eines NAND-Gatters 210 und eines UND-Gatters 212 verbunden. Der -Ausgang des Flip-Flops 204 ist mit einem Eingang eines Exklusiv-ODER-Gatters 214 verbunden. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 206 ist mit einem Eingang des NAND-Gatters 210 verbunden.

Der Ausgang des NOR-Gatters 200 ist mit einem Eingang eines NOR-Gatters 202 verbunden. Der Ausgang des NOR-Gatters 202 ist zurückverbunden zu einem weiteren Eingang des NOR-Gatters 200 und zu dem Setz-Eingang des Flip-Flops 218. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 218 ist mit einem Eingang des UND-Gatters 220 verbunden, dessen Ausgang mit dem Setz-Eingang des Flip-Flops 222, einem Eingang des NAND-Gatters 212 und einem Eingang des UND- Gatters 230 verbunden ist. Das UND-Gatter 220 empfängt ein Signal MT01 an seinem anderen Eingang. Der Q-Ausgang des Flip- Flops 222 ist mit dem anderen Eingang des NOR-Gatters 202 verbunden und mit einem Eingang des UND-Gatters 224, dessen Ausgang mit den Rücksetz-Eingängen der Flip-Flops 218 und 222 verbunden ist. Das UND-Gatter 224 empfängt ebenfalls ein Signal MT2, das von dem Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 erzeugt wird.

Der Ausgang des NAND-Gatters 210 ist mit einem Eingang der UND- Gatter 232 bzw. 244 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 232 ist mit Eingängen der Exklusiv-ODER-Gatter 216 und 234 verbunden.

Der serielle Ausgang des Schieberegisters 152 ist mit einem Eingang des UND-Gatters 230 verbunden. Der Ausgang des UND- Gatters 230 ist mit den Eingängen von UND-Gattern 236 und 248, NOR-Gattern 238 und 250 und Exklusiv-ODER-Gattern 234 und 246 verbunden. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 216 ist mit dem Eingang eines UND-Gatters 236 und eines NOR-Gatters 238 verbunden. Die Ausgänge des UND-Gatters 236 und des NOR-Gatters 238 sind mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen des Flip-Flops 240 verbunden. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 240 ist mit einem Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 242 verbunden. Der andere Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 242 ist mit dem Ausgang eines Exklusiv-ODER-Gatters 234 verbunden. Der Ausgang des Exklusiv- ODER-Gatters 242 ist mit dem Anschluß 256 verbunden und mit dem Eingang eines 32-Bit-Schieberegisters 160, das das in Fig. 15 dargestellte sin-Register ist. Der Ausgang des Schieberegisters 160 ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 232 verbunden.

Der Ausgang des UND-Gatters 244 ist mit den Eingängen von Exklusiv-ODER-Gattern 214 und 246 verbunden. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 214 ist mit den Eingängen des UND-Gatters 248 und des NOR-Gatters 250 verbunden. Der Ausgang des UND- Gatters 248 und der des NOR-Gatters 250 ist mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen des Flip-Flops 252 verbunden. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 252 ist mit einem Eingang eines Exklusiv-ODER- Gatters 254 verbunden. Der andere Eingang des Exklusiv-ODER- Gatters 254 ist mit dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 246 verbunden. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 254 ist mit dem Anschluß 264 und mit dem Eingang eines 32-Bit-Schieberegisters 162 verbunden, das das in Fig. 15 dargestellte cos- Register 162 ist. Der Ausgang des cos-Registers 162 ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 244 verbunden. Die Anschlüsse 258 bzw. 266 sind mit zwischenliegenden Bit-Plätzen der Schieberegister 160 und 162 verbunden, um die darauffolgende Teiloperation bei der Berechnung von tan Φ zu erleichtern.

Die Setz- und Rücksetz-Eingänge des Flip-Flops 226 sind mit einer positiven Spannungsquelle verbunden, die mit A⁺, wie dargestellt, bezeichnet ist. Das Signal DG15, das von dem Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 (Fig. 15) erzeugt wird, wird an dem Umschalteingang des Flip-Flops 226 und an einem Eingang des UND-Gatters 228 empfangen. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 226 ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 228 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 228 führt ein Signal, das mit DG31 bezeichnet ist.

Die ODER-Gatter 268, 270, 272 und 274 empfangen die Signale MT0 bis MT7, die von dem in Fig. 15 dargestellten Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 erzeugt wurden und erzeugen die Signale MT01 bis MT67. Die Ausgänge der ODER-Gatter 272 und 274 sind mit den Eingängen des NOR-Gatters 276 verbunden, das ein Signal , erzeugt. Die Ausgänge des ODER-Gatters 274 und des UND-Gatters 228 sind mit den Eingängen des UND-Gatters 278 verbunden, das ein Signal DG31, MT01 erzeugt. Ein Signal P₁ wird an dem Ausgang des UND-Gatters 212 erzeugt und zeigt die Periode P₁ an, die anschließend erläutert wird.

In Fig. 21 ist das Kurbelwellen-Stellungssignal R_r dargestellt, das an dem Ausgang des in Fig. 15 gezeigten und in Verbindung hiermit erläuterten Verstärkers 160 erzeugt wird. Kurz zusammengefaßt wird das Signal R_r bei einem vorbestimmten Winkel vor der oberen Totpunktstellung jedes Kolbens erzeugt und ist das Bezugssignal, von dem die Verzögerungszeit aus berechnet wird. Von dem Ausgang des UND-Gatters 198 wird ein Signal GRES erhalten, das das Signal R_p, das am Ausgang des Verstärkers 148 (Fig. 15) erzeugt wird, synchronisiert mit dem 10 MHz- Signal, das von dem Oszillator 151 erzeugt wird, darstellt. Das GRES-Signal bestimmt das Ende jeder Zählperiode P₁ bis P₄. Zwischen jedem R_r-Signal werden vier GRES-Signale erzeugt, die jeden Drehmomentimpuls in vier gleiche Winkelinkremente der Kurbelwellendrehung teilen.

An den Q-Ausgängen der Flip-Flops 204 bzw. 206 erscheinen Signale FF204 Q und FF206 Q. Das Signal P₁ ist das Signal, das an dem Ausgang des UND-Gatters 212 erscheint und anzeigt, daß die Daten von der Periode P₄ aus dem Schieberegister 152 auszulesen sind und sie sind in den sin- bzw. cos-Registern 160 und 162 vorhanden. Ein Signal ADDT ist das Signal, das am Ausgang des UND-Gatters 220 erzeugt wird und das das UND-Gatter 230 in Bereitschaft setzt, die in dem Schieberegister 152 gespeicherten Daten zu den Addier/Subtrahier-Schaltkreisen 156 und 158 zu übertragen. Am Ausgang des NAND-Gatters 210 wird das Signal RCC erzeugt, das die UND-Gatter 232 und 244 außer Bereitschaft setzt, was den Umlauf (Rezirkulation) der Daten in den sin- bzw. cos-Registern 160 und 162 unterbindet, während neue Daten, die während der Periode P₁ erzeugt wurden, in die sin- bzw. cos-Register eingegeben werden.

Im folgenden wird auf die Fig. 22 Bezug genommen. Das Signal DG15 wird von dem Zeitsteuer- und Regelschaltkreis 110 (Fig. 15) erzeugt und ist das gleiche Signal wie in Fig. 19. Das Signal DG31 ist das durch zwei geteilte Signal DG15 und stellt das Ausgangssignal dar, das von dem UND-Gatter 228 erzeugt wird. Es ist das Zeitsteuer-Bezugssignal für die 32-Bit- Register, die zur Berechnung des Phasenwinkels Φ_i verwendet werden, wie nachfolgend erläutert wird. Die Signale MT01, MT23, MT45 und MT67 sind die Ausgangssignale der ODER-Gatter 268 bis 274 und stellen die entsprechenden Kombinationen der Signale MT0 bis MT7 der Fig. 19 dar. Das Signal GRES ist das gleiche wie in Fig. 21 dargestellt und bezeichnet insbesondere das Ende der Periode P₄ und den Beginn der Periode P₁. Das Signal ADDT ist das erste MT01-Signal, das nach jedem GRES- Signal erzeugt wird und das das UND-Gatter 230 in Bereitschaft setzt, den Inhalt des Schieberegisters 152 über die Additions/ Subtraktions-Schaltkreise 156 und 158 zu den sin- und cos- Registern zu übertragen. Das Signal LDR (Lade-Teiler-Register) wird gleichzeitig mit dem sequentiellen MT23-Signal erzeugt und setzt die Additions/Subtraktions-Schaltkreise in Bereitschaft, den kleineren Wert des Inhaltes des sin- bzw. cos- Registers 160 bzw. 162 in ein Register 318 (Fig. 23) in dem Teiler 166 (Fig. 15) einzugeben. Das Signal CQT (Berechne Quotienten) stellt die sequenziellen Signale MT45, MT67, MT01 bis MT67 dar, während deren Zeit der Teiler 166 den Quotienten berechnet, der den arctan von Φ darstellt. Das Signal LCTR (Lade-Cotangens-Register) setzt ein Cotangeus-Register 358 (Fig. 23) in dem Cotangens-Korrektur-Schaltkreis 170 (Fig. 15) in Bereitschaft, den Inhalt des arctan-ROM′s 168 (Fig. 15) zu übernehmen. Das Signal PAA (Phasenwinkel-Mittelwert) setzt einen Phasenwinkel-Mittelwert-Schaltkreis 172 (Fig. 15) in Bereitschaft, den Mittelwert aus dem neu errechneten Phasenwinkel Φ und dem zuvor errechneten Phasenwinkel zu bilden. Das Signal COM (Vergleiche) setzt den Komparator 174 (Fig. 15) in Bereitschaft, den berechneten Phasenwinkel mit dem Bezugsphasenwinkel zu vergleichen und das Fehlersignal mit dem zuvor berechneten Fehler in dem Akkumulator 176 (Fig. 15) zu addieren. Das Signal AIA (Addierer zum Zündwinkel) setzt den Addierer 178 (Fig. 15) in Bereitschaft, das Fehlersignal des Akkumulators 176 zu dem in dem Register B 180 (Fig. 15) gespeicherten berechneten Voreilungswinkel zu addieren.

Wenn sich die Kurbelwelle mit einer Maximalgeschwindigkeit von 6000 Umdrehungen pro Minute dreht, so liegen ungefähr 600 Mikrosekunden zwischen den GRES-Signalen. Die maximale Zeit für die Berechnung des Phasenwinkels, des Fehlersignales und für die Addition des Fehlersignales mit dem berechneten Voreilungswinkel liegt bei 450 Mikrosekunden. Folglich können die Berechnung und die Korrektur während der Periode P₁ ausgeführt werden, bevor neue Daten von dem nächsten Drehmomentimpuls dem System eingegeben werden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Schaltkreises der Fig. 20 erläutert. Das Phasenbezugssignal R_p wird dem Schaltkreis angelegt, der aus den Flip-Flops 194, 196 und dem UND-Gatter 198 besteht und der ein mit den am Eingangsanschluß 192 empfangenen Taktsignalen synchronisiertes Rücksetzsignal GRES erzeugt. Das Signal GRES setzt den Zähler 150 zurück, aktiviert den Lade-Eingang des Schieberegisters 152 und schaltet die Eingänge der Flip-Flops 204 und 206 um. Das Zeitintervall oder die Periode zwischen aufeinanderfolgenden Rücksetzsignalen wird durch Zählen der Taktsignale in dem Zähler 150 gemessen. Am Ende jeder Periode aktiviert das GRES-Signal den parallelen Lade-Eingang des Schieberegisters 152, das den Inhalt des Zählers 150 in das Schieberegister 152 überträgt und den Zähler 150 zurücksetzt. Das Signal ADDT setzt das UND-Gatter 230 in Bereitschaft, wobei der Inhalt des Registers 152 von dem Inhalt des sin- oder cos-Registers 160 bzw. 162 subtrahiert oder zu ihm addiert wird, in Abhängigkeit von dem Zustand der Flip- Flops 204 und 206. Die sin- und cos-Register 160 und 162 sind 32-Bit-Register. Folglich wird während des Zeitintervalles des Signales ADDT der parallel geladene Inhalt des Schieberegisters 152, dem 16 Nullen folgen, in beide Register 160 und 162 übertragen. Die Gatter 216, 232, 234, 236, 238 und 242 und das Flip-Flop 240 bilden den Additions/Subtraktions-Schaltkreis 156 (Fig. 15). Das Gatter 216 steuert die Additions- und Subtraktions-Funktion und das Gatter 232 stellt eine Einrichtung dar, die den Inhalt des sin-Registers 160 in den anfänglichen Zustand bringt, indem sie dem Addierer einen Null-Eingang zuführt, wenn der Ausgang des NAND-Gatters 210 in Abhängigkeit von den Zuständen des Flip-Flops 204 und 206 negativ ist. Die Gatter 214, 244, 246, 248, 250 und 254 bilden in Kombination mit dem Flip-Flop 252 den Additions/Subtraktions-Schaltkreis 158 und führen die gleiche Funktion für das cos-Schieberegister 162 durch.

Die Flip-Flops 204 bzw. 206 liefern ein Rechteck-Signal, das als Bezugssignal für den Phasenerfassungsvorgang verwendet wird. Die Zustände der Flip-Flops sind auf die Zeitintervalle P₁ bis P₄ bezogen, wie in Fig. 21 dargestellt.

Aus der Gleichung 5 wird eine dem sin des Phasenwinkels proportionale Größe erhalten, die aus den Größen P₁+ P₂- P₃-P₄ erhalten wird. Das Flip-Flop 206 und das Gatter 216 bewirken, daß der dem sin-Schieberegister 160 zugeordnete Ein-Bit-Addierer eine Additionsfunktion vorsieht, wenn der -Ausgang des Flip-Flops 206 eine logische Null (0) führt und eine Subtraktionsfunktion, wenn der -Ausgang des Flip-Flops 206 eine logische Eins (1) führt. Es sei darauf hingewiesen, daß die in dem Zähler 150 während der Periode P₁ gezählten Taktimpulse aus dem Schieberegister 152 während der Periode P₂ ausgelesen werden und daß die in der Periode P₂ gezählten Taktimpulse während der Periode P₃ ausgelesen werden, usw. In ähnlicher Weise wird der cos des Phasenwinkels aus der Gleichung P₁-P₂-P₃+P₄ erhalten. Das Flip-Flop 204 und das Exklusiv-ODER-Gatter 214 veranlassen, daß der dem cos- Schieberegister 162 zugeordnete Ein-Bit-Addierer die Additionsfunktion ausführt, wenn der -Ausgang des Flip-Flops 204 eine logische Null (0) führt und eine Subtraktionsfunktion, wenn der Ausgang des Flip-Flops 204 eine logische Eins (1) führt.

Die Arbeitsweise der Flip-Flops 204 und 206, die das Signal erzeugen, das die Arbeitsweise der Additions/Subtraktions- Schaltkreise 156 und 158 (Fig. 15) steuert, ist wie folgt: Das an dem Anschluß 208 empfangene Signal R_r setzt die Flip-Flops 204 und 206 zurück, so daß die Q-Ausgänge beider Flip-Flops logische Nullen sind. Die beiden Flip-Flops bleiben in diesem Zustand, bis sie durch das Signal GRES umgeschaltet werden, was den Beginn der Periode P₁ anzeigt. Das Flip-Flop 204 ändert seinen Zustand, da es einen logischen Eins-Eingang an seinem Setz-Eingang von dem -Ausgang des Flip-Flops 206 empfängt. Das Flip-Flop 206 bleibt in seinem rückgesetzten Zustand, da das Signal an seinem Setz-Eingang die von dem Q-Ausgang des Flip-Flops 204 empfangene Null war. Das nächste GRES-Signal, das das Ende der zweiten Periode P₁ anzeigt, schaltet wiederum beide Flip-Flops um. Das Flip-Flop 204 bleibt in seinem gesetzten Zustand, da das Signal an seinem Setz-Eingang noch eine logische Eins ist, die von dem -Ausgang des Flip-Flops 206 empfangen wird. Das Flip-Flop 206 wird seinen Zustand ändern, da das an seinem Setz-Eingang von dem Q-Ausgang des Flip-Flops 204 empfangene Signal auf eine logische Eins gewechselt hat. Das nächste Rücksetzsignal, das das Ende der zweiten Zählperiode P₂ anzeigt, schaltet beide Flip-Flops um. Das Flip-Flop 204 wechselt seinen Zustand, was eine logische Null an seinem Q-Ausgang erscheinen läßt, in Abhängigkeit von dem Signal an dem -Ausgang des Flip-Flops 206, der eine logische Null führt. Das Flip-Flop 206 bleibt in seinem gesetzten Zustand, was eine logische Eins an seinem Q-Ausgang erscheinen läßt, da das Signal an seinem Setz-Eingang eine logische Eins war, die von dem Q-Ausgang des Flip-Flops 204 empfangen wurde. Am Ende der dritten Periode P₃ schaltet das GRES-Signal erneut beide Flip-Flops um und das Flip-Flop 206 ändert seinen Zustand. Die Flip-Flops 204 und 206 sind jetzt in ihrem ursprünglichen rückgesetzten Zustand, wodurch der Zyklus vervollständigt ist.

Das NAND-Gatter 210 empfängt die Signale, die an dem -Ausgang des Flip-Flops 204 und dem Q-Ausgang des Flip-Flops 206 vorhanden sind und das ADDT-Signal, das an dem Ausgang des UND- Gatters 220 erzeugt wird, und erzeugt während der Periode P₂ ein Signal RCC (logische Null), wenn die Daten in dem Schieberegister 152, die die Zeit der Periode P₁ anzeigen, zu den Additions/Subtraktions-Gattern 156 und 158 übertragen werden. Das RCC-Signal setzt die UND-Gatter 232 und 244 außer Bereitschaft, was die Rezirkulation der alten Daten, die in den sin- bzw. cos-Registern 160 bzw. 162 gespeichert sind, blockiert. Am Ende der Datenübertragung sind die einzigen in den Registern 160 und 162 gespeicherten Daten die Daten, die während der Periode P₁ erzeugt wurden. Bei allen darauffolgenden Perioden, d. h. P₂ bis P₄ wird der Ausgang des NAND-Gatters 212 positiv, was beide UND-Gatter 232 und 244 in Bereitschaft setzt.

Die Arbeitsweise der Additions- und Subtraktions-Schaltkreise, die dem sin-Register 160 und dem cos-Register 162 zugeordnet sind, ist im Stand der Technik allgemein bekannt und braucht zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erläutert zu werden.

Es ist ausreichend festzuhalten, daß, wenn die Eingänge der Exklusiv-ODER-Gatter 214 und 216 logische Nullen führen, die Additions/Subtraktions-Schaltkreise 156 und 158 den Inhalt des Schieberegisters 152 zu dem rezirkulierten Inhalt des sin- und cos-Registers 160 und 162 addieren. Wenn die Eingänge der Exklusiv-ODER-Gatter 214 und 216 positiv sind (logische Eins), so wird der Inhalt des Registers 152) von dem rezirkulierten Inhalt des sin- und cos-Registers 160 und 162 subtrahiert.

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß der endgültige Ausgang der Exklusiv-ODER-Gatter 242 und 254 anzeigt, ob der endgültige Inhalt der Register 160 und 162 einen positiven oder negativen (Übertrag 1) Wert aufweist. Die Signale, die anzeigen, ob die Summe positiv oder negativ ist, werden von den Ausgängen der Exklusiv-ODER-Gatter 242 und 254 abgegriffen und sind die Ausgänge an den Anschlüssen 256 bzw. 264. Ein endgültiger logischer Null-Ausgang zeigt an, daß die in den Registern gespeicherte Summe einen positiven Wert hat und eine logische Eins zeigt an, daß die Summe in den Registern einen negativen Wert hat.

Der Inhalt der Register 160 und 162 wird an den Anschlüssen 258 und 266 ausgegeben und von dazwischenliegenden Bit-Plätzen abgegriffen, was die Daten um 5 Plätze verschiebt.

Das von dem NOR-Gatter 200 empfangene Signal GRES bewirkt, daß der Ausgang des NOR-Gatters 200 eine logische Null führt, die veranlaßt, daß das NOR-Gatter 202 an seinem Ausgang ein logisches Eins-Signal erzeugt. Die NOR-Gatter 200 und 202 bilden eine elektronische Verriegelung, die in diesem verriegelten Zustand solange bleibt, bis sie durch ein logisches Eins-Signal entriegelt wird, das an dem anderen Eingang des Gatters 202 von dem Q-Ausgang des Flip-Flops 222 empfangen wird. Der Ausgang des NOR-Gatters 202 mit einer logischen Eins wird dem Setz-Eingang des Flip-Flops 218 angelegt, das den Setz-Zustand annimmt, wenn es durch ein Taktsignal umgeschaltet wird, was eine logische Eins an seinem Q-Ausgang hervorbringt. Die logische Eins an dem Q-Ausgang des Flip-Flops 218 setzt das UND- Gatter 220 in Bereitschaft, das erste an seinem anderen Eingang empfangene MT01-Signal durchzulassen. Das von dem UND- Gatter 220 durchgelassene MT01-Signal ist das Signal ADDT, das dem Setz-Eingang des Flip-Flops 222, dem UND-Gatter 230 und dem NAND-Gatter 210 angelegt wird. Das dem Setz-Eingang des Flip-Flops 222 angelegte ADDT-Signal bewirkt, daß das Flip- Flop den Setz-Zustand annimmt, wenn es durch einen Taktimpuls umgeschaltet wird und erzeugt ein logisches Eins-Signal an seinem Q-Ausgang. Das an dem Q-Ausgang des Flip-Flops 222 erzeugte logische Eins-Signal entriegelt die NAND-Gatter 200 und 202, die in dem entriegelten Zustand bleiben, bis das nächste GRES-Signal von dem NAND-Gatter 200 empfangen wird. Das logische Eins-Signal von dem Q-Ausgang des Flip-Flops 222 setzt das UND-Gatter 224 in Bereitschaft, das das nächste MT2-Signal, das an seinem anderen Eingang empfangen wird, durchläßt. Das von dem UND-Gatter 224 durchgelassene MT2-Signal wird den Rücksetz-Eingängen der Flip-Flops 218 und 222 zugeführt, die ihren ursprünglichen Rücksetz-Zustand einnehmen, wenn sie durch Taktimpulse umgeschaltet werden. Das ADDT-Signal wird nur einmal während jeder Periode erzeugt und ist koinzident mit dem ersten MT01-Signal, das nach jedem GRES-Signal erzeugt wird.

Das DG15-Signal wird dem Umschalt-Eingang des Flip-Flops 226 zugeführt, was bewirkt, daß es seinen Zustand ändert. Das DG15-Signal und der Q-Ausgang des Flip-Flops 226 werden den anderen Eingängen des UND-Gatters 228 zugeführt, das an seinem Ausgang das Signal DG31 erzeugt. Das DG31-Signal ist ein Impuls von einer Mikrosekunde Dauer, der in Intervallen von 32 Mikrosekunden auftritt. Dieses DG31-Signal ist das Steuer­ signal für die 32-Bit-Schieberegister, die bei der oben im Zusammenhang mit Fig. 23 erläuterten Divisionsoperation verwendet werden.

Die Fig. 23 zeigt die Einzelheiten der Schaltkreise des Komparators 164, des Dividierers 166, des arctan-ROM′s 168 und des Cotangens-Korrektur-Schaltkreises 170 der Fig. 15. In Fig. 23 ist der Anschluß 258 (Fig. 20) mit den anderen Eingängen des UND-Gatters 282, des NOR-Gatters 284 und des Exklusiv- ODER-Gatters 286 über den Inverter 280 verbunden. Die Ausgänge des UND-Gatters 282 und des NOR-Gatters 284 sind mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen des Flip-Flops 288 verbunden, während der Q-Ausgang des Flip-Flops 288 mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 286 verbunden ist. Das Flip-Flop 290 empfängt den Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 286 an seinem Setzeingang und das Signal DG31, MT01 an seinem Umschalt-Eingang. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 290 ist mit den Eingängen der UND-Gatter 292 und 294 und über Inverter 300 bzw. 302 mit den UND-Gattern 296 und 298 verbunden, sowie mit den Eingängen von Exklusiv-ODER-Gattern 350, 352, 354 und 356 und mit dem dritt-signifikantesten Bit des Schieberegisters 358. Die anderen Eingänge der UND-Gatter 292 und 298 sind mit dem Anschluß 266 (Fig. 20) verbunden und die anderen Eingänge der UND-Gatter 294 und 296 sind mit dem Anschluß 258 verbunden.

Die Ausgänge der UND-Gatter 292 und 296 sind mit den Eingängen des ODER-Gatters 204 verbunden, dessen Ausgang mit dem einen Eingang des UND-Gatters 206 verbunden ist. Ein Signal MT23, wird an dem anderen Eingang des UND-Gatters 306 empfangen und über einen Inverter 310 an einem Eingang des UND-Gatters 308. Ein anderer Eingang des UND-Gatters 308 ist mit der Bit- Stelle 2^-1 eines 32-Bit-Schieberegisters 318 verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter 306 und 308 sind mit den Eingängen eines ODER-Gatters 312 verbunden, dessen Ausgang mit einem Eingang der Exklusiv-ODER-Gatter 314 und 334 verbunden ist.

Die Ausgänge der UND-Gatter 294 und 298 sind mit den Eingängen eines ODER-Gatters 320 verbunden, dessen Ausgang mit einem Eingang eines UND-Gatters 322 verbunden ist. Der andere Eingang des UND-Gatters 322 empfängt das Signal , . Der Ausgang des UND-Gatters 322 ist mit einem anderen Eingang des Exklusiv- ODER-Gatters 314 verbunden und mit den Eingängen der UND-Gatter 324 und 326. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 334 ist mit einem anderen Eingang des UND-Gatters 324 und mit dem Eingang des UND-Gatters 328 verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter 324, 326 und 328 sind mit den Eingängen eines ODER-Gatters 330 verbunden, dessen Ausgang mit dem Setz-Eingang des Flip-Flops 332 und einem Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 338 verbunden ist. Der Umschalteingang des Flip-Flops 332 empfängt das Taktsignal. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 332 ist mit einem Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 316 und dem anderen Eingang der UND- Gatter 326 und 328 verbunden.

Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 314 ist mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 316 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang des 32-Bit-Schieberegisters 318 und mit dem Setz-Eingang des Flip-Flops 336 verbunden ist. Das Fllip- Flop 336 empfängt das Signal DG31 an seinem Umschalt-Eingang. Der -Ausgang des Flip-Flops 336 ist mit den anderen Eingängen der Exklusiv-ODER-Gatter 334 und 338 verbunden.

Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 338 ist mit dem Setz- Eingang des Flip-Flops 340 verbunden, das in Kombination mit den in Serie verbundenen Flip-Flops 342, 344, 346 und 348 ein Quotienten-Register bildet, das den Ausgang des Quotienten der Divisionsoperation speichert, der am Ausgang des Exklusiv- ODER-Gatters 338 erscheint.

Die Q-Ausgänge der Flip-Flops 342 bis 348 sind mit den Adreß- Eingängen des arctan-ROM′s 168 verbunden. Die Exklusiv-ODER- Gatter 314, 316, 334 und 338, die UND-Gatter 306, 308, 322, 324, 326 und 328, die ODER-Gatter 312 und 330, der Inverter 310, die Flip-Flops 332 und 336 und das Schieberegister 318 bilden den Divisions-Schaltkreis, der zusammen mit dem aus den Flip-Flops 340 bis 348 bestehenden Quotienten-Register den Dividierer 166, der in Fig. 15 gezeigt ist, bilden.

Die Vier-Bit-Wort-Ausgänge des arctan-ROM′s 168 sind mit den anderen Eingängen der Exklusiv-ODER-Gatter 350 bis 356 verbunden. Die Ausgänge der Exklusiv-ODER-Gatter 350 bis 356 sind mit den vier niederwertigsten Bit-Eingängen des Schieberegisters 358 verbunden. Das Parallel-Lade-Eingangs-Signal wird von dem Ausgang des UND-Gatters 366 empfangen, das an seinen Eingängen die Signale MT0, MT8 und das Signal P₁ empfängt, welches das Ende der vierten Zählperiode P₄ anzeigt.

Die Anschlüsse 256 und 264, die die Signale anzeigen, die das Vorzeichen des Inhaltes der Schieberegister 160 und 162 (Fig. 20) anzeigen, sind mit den Setz-Eingängen der Flip-Flops 360 bzw. 364 verbunden. Die Flip-Flops 360 und 364 werden durch das Signal DG31 umgeschaltet. Die Q-Ausgänge der Flip-Flops 360 und 364 sind mit den anderen Eingängen des Exklusiv-ODER- Gatters 362 verbunden, dessen Ausgang mit dem zweit-signifikantesten Bit-Eingang des Parallel-Lade-Schieberegisters 358 verbunden ist. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 360 ist weiterhin mit dem signifikantesten Bit-Eingang des Schieberegisters 358 verbunden. Die Exklusiv-ODER-Gatter 350 bis 356 und 362, die Flip-Flops 360 und 364, das UND-Gatter 366 und das Parallel- Lade-Schieberegister 358 bilden den Cotangens-Korrektur- Schaltkreis 170, der in Fig. 15 dargestellt ist.

Die Arbeitsweise des Schaltkreises wird im Zusammenhang mit der Fig. 23, dem Koordinaten-Diagramm der Fig. 24, den in den Fig. 19, 21 und 22 dargestellten Signalverläufen und der Tabelle erläutert. Zuerst sei auf Fig. 24 Bezug genommen, die die vier möglichen Quadranten zeigt, in denen der Phasenwinkel Φ liegen kann. Im ersten Quadranten, d. h. dem Quadranten I sind die Werte von sin und cos beide positiv, d. h. die Signale, die an den Ausgängen der Exklusiv-ODER-Gatter 242 und 254 (Fig. 20) vorhanden sind und an den Anschlüssen 256 bzw. 264 während des DG31-Signales erscheinen, sind beide logische Nullen. Folglich werden die Flip-Flops 360 und 364 in Kombination mit dem Exklusiv-ODER-Gatter 362 logische Nullen den beiden signifikantesten Bit-Eingängen des Parallel-Lade- Schieberegisters 358 darbieten. Wenn der Phasenwinkel Φ in dem Quadranten II liegt, so sind die Signale an den Anschlüssen 256 und 264 eine logische Null bzw. eine logische Eins und die Signale, die den signifikantesten Eingängen des Registers 358 zugeführt werden, sind eine logische Null bzw. eine logische Eins. Für den Quadranten III sind die Signale eine logische Eins und eine logische Null und für den Quadranten IV sind beide Signale logische Einsen. Folglich zeigen die beiden signifikantesten Bits den Wert des Phasenwinkels Φ an.

Der Inhalt der sin- und cos-Schieberegister 160 und 162 wird an den Anschlüssen 258 bzw. 266 empfangen. Wenn der Absolut-Wert des Inhaltes des sin-Registers 160 kleiner ist als der Absolut-Wert des Inhaltes des cos-Registers 162, so ist der Q-Ausgang des Flip-Flops 288 eine logische Eins und der Ausgang des Inverters 280 ist eine logische Eins, die den Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 286 und den Q-Ausgang des Flip- Flops 290 auf eine logische Null gehen läßt. Die logische Null an dem Ausgang des Flip-Flops 290 wird sowohl zu dem Dividierer 166 als auch dem Cotangens-Korrektur-Schaltkreis 170 übertragen. Die logische Null am Ausgang des Flip-Flops 290 bewirkt, daß der Inhalt des sin-Registers 160 dem Dividierer 166 als Zähler zugeführt wird und der Inhalt des cos- Registers 162 dem Dividierer 166 als Nenner. Der logische Null- Ausgang des Flip-Flops 290 zeigt an, daß der Eingang des arctan-ROM′s 168 der Tangens Φ ist und folglich steht der Wert des Φ-Ausganges des arctan-ROM′s 168 in Übereinstimmung mit der Gleichung 7. Die logische Null wird dem dritt-signifikantesten Bit-Eingang des Registers 358 zugeführt und den Eingängen der Exklusiv-ODER-Gatter 350 bis 356. Die Exklusiv- ODER-Gatter 350 bis 356 werden die Ausgänge des arctan-ROM′s 168 direkt zu den vier letzten signifikantesten Bit-Eingängen des Schieberegisters 358 durchlassen.

Wenn der Absolut-Wert des Inhaltes des sin-Registers 160 größer ist als der Absolutwert des Inhaltes des cos-Registers, so führt der Ausgang des Flip-Flops 290 eine logische Eins, die den Inhalt des cos-Registers 162 in den Dividierer 166 als Zähler eingibt und den Inhalt des sin-Registers 160 in den Dividierer 166 als Nenner. Die logische Eins wird weiterhin dem dritt-signifikantesten Bit-Eingang des Schieberegisters 358 zugeführt und zeigt an, daß der Eingang des arctan- Registers 168 der cot Φ ist. Die an die Exklusiv-ODER-Gatter 350 bis 356 angelegte logische Eins bewirkt, daß das Komplement des Ausganges des arctan-ROM′s 168 den vier am wenigsten signifikanten Bit-Eingängen des Schieberegisters 358 zugeführt wird. Der Inhalt des Parallel-Lade-Schieberegisters steht dann in Übereinstimmung mit der Gleichung 8.

Die an den parallelen Eingängen des Schieberegisters 358 anwesenden Signale werden in das Register eingegeben in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal aus dem UND-Gatter 366, das durch die Signale MT0, TM8 und P₁ aktiviert wird, die das Ende der Divisionsoperation bezeichnen, nachdem die Daten aus der vierten Periode P₄ aus den Schieberegistern 160 und 162 ausgeschoben wurden.

Die Wirkungsweise des Dividierers 166 ist wie folgt: der logische Null-Ausgang des Flip-Flops 290 setzt das UND-Gatter 296 in Bereitschaft und die an dem Anschluß 258 erscheinenden Daten aus dem sin-Register 160 werden seriell über das ODER- Gatter 304 zu einem Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 314 übertragen und das UND-Gatter 306 wird durch das Signal MT23, in Bereitschaft gesetzt. Das MT23, -Signal, das durch den Inverter 310 invertiert wird, setzt das UND-Gatter 308 außer Bereitschaft, was verhindert, daß die Daten in dem Schieberegister 318 rezirkuliert werden.

Am Ende des Signales MT23, wird das UND-Gatter 306 außer Bereitschaft gesetzt und das UND-Gatter 308 in Bereitschaft gesetzt, was erlaubt, daß die in dem Schieberegister gespeicherten Daten durch das UND-Gatter 308 hindurch rezirkuliert werden.

Gleichzeitig ist das UND-Gatter 322 durch das , -Signal in Bereitschaft gesetzt und der an dem Anschluß 266 empfangene Inhalt des cos-Registers 162 wird über das UND-Gatter 298, das ODER-Gatter 320 und das UND-Gatter 322 zu dem Additions/Subtraktions- Schaltkreis eingegeben, der aus den Exklusiv-ODER- Gattern 314, 316 und 334, den UND-Gattern 324, 326 und 328, dem UND-Gatter 330 und den Flip-Flops 332 und 336 besteht. Da das Flip-Flop 336 durch das MT23, -Signal zurückgesetzt ist, wird eine logische Eins dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER- Gatters 338 zugeführt, das den Additions/Subtraktions-Schaltkreis in den Subtrahier-Betrieb setzt, so daß die Daten von dem cos-Register 162 von den Daten, die aus dem sin-Register 160 empfangen werden, subtrahiert werden, wobei der Rest in das Schieberegister 318 plaziert wird. Am Ende des Signales MT23, wird das UND-Gatter 306 außer Bereitschaft gesetzt, was verhindert, daß weitere Daten aus dem sin-Register 160 in den Dividierer eingegeben werden, bevor die Divisionsoperation vollständig ausgeführt ist. Während nachfolgender Operationen werden die Daten von dem cos-Register 162 von dem rezirkulierten Rest, der in dem Schieberegister 318 gespeichert ist, subtrahiert oder zu ihm addiert. Ist der in dem Schieberegister 318 gespeicherte Rest größer als der Nenner, so ist die letzte in das Schieberegister eingegebene Stelle eine logische Null und das Flip-Flop 336 bleibt in seinem rückgesetzten Zustand, wenn es durch das Signal DG31 umgeschaltet wird. Ist allerdings der Nenner größer als der Rest, so führt das Flip-Flop 332 eine logische Eins (Übertrag 1) an seinem Ausgang und die letzte Stelle, die in das Schieberegister 318 eingegeben wird, ist eine logische Eins. Dies bewirkt, daß das Flip-Flop 336 seinen Zustand ändert und an seinem -Ausgang eine logische Null erzeugt, die veranlaßt, daß der Additions/Subtraktions- Schaltkreis den Inhalt des cos-Registers 162 während der nächsten Operation zu dem Rest hinzuaddiert. Der Additions/Subtraktions- Schaltkreis ist funktionell der gleiche wie die Additions/ Subtraktions-Schaltkreise 156 und 158, die oben im Zusammenhang mit Fig. 20 erläutert wurden, und braucht hier nicht mehr erläutert zu werden.

An dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 338 wird am Ende jeder Operation ein Quotienten-Signal erzeugt und in einem Quotienten- Register gespeichert, das aus den seriell verschalteten Flip-Flops 340 bis 348 besteht. Wenn der Ausgang des Exklusiv- ODER-Gatters 316 von dem -Ausgang des Flip-Flops 336 verschieden ist, so wird ein logisches Eins-Signal dem Setz-Eingang des Flip-Flops 340 zugeführt, was veranlaßt, daß es seinen Setz-Zustand annimmt, was eine logische Eins an seinem Ausgang hervorbringt, wenn es durch das Signal DG31 umgeschaltet wird. Am Ende der nächsten Operation bestimmt das an dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 338 vorhandene Signal den Zustand des Flip-Flops 340 und der vorhergehende Zustand des Flip-Flops 340 wird dem Flip-Flop 342 übertragen, usw. Diese Arbeitsweise wird fortgeführt, bis 6 Additions- oder Subtraktionsoperationen durchgeführt sind, so daß die an dem Ausgang des Exklusiv- ODER-Gatters 338 am Ende der letzten 5 Operationen erzeugten Signale seriell in den Flip-Flops 340 bis 348 gespeichert sind. Da festgestellt wurde, daß der Zähler kleiner ist als die beiden in den sin- und cos-Registern 160 bzw. 162 gespeicherten Werte, so ist das Ergebnis der ersten Operation am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 338 stets eine Null, die gelöscht wird.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Dividierers anhand typischen Division erläutert, wie sie in der Tabelle dargestellt ist. Es sei beispielsweise angenommen, daß der Wert der Daten in dem sin-Register 160 die Zahl 33 ist und der Wert der Daten in dem cos-Register 162 die Zahl 57. Diese mit 32 multiplizierten Zahlen (um 5 Plätze verschoben) sind in digitaler Form in den ersten beiden Zeilen der Tabelle dargestellt.

Tabelle

Divisions-Beispiel

Stelle (Digit)

Bei dem Einleitungsschritt (0) werden die Daten von dem cos- Register (Nenner "D") von den Daten in dem sin-Register (Zähler "N") subtrahiert und der Rest "R" wird in dem Schieberegister 318 gespeichert. Die Ausgänge des ODER-Gatters 330 und des Flip-Flops 332 führen eine logische Eins, was einen Übertrag von 1 anzeigt, da festgestellt wurde, daß der Zähler kleiner war als die beiden Werte. Der Ausgang des Flip-Flops 336 führt ebenfalls eine logische Eins und folglich führt der Quotienten-Ausgang "Q" des Exklusiv-ODER-Gatters 338 eine logische Null, die dem Flip-Flop 340 eingegeben wird. Am Ende der Periode MT23 wird das Flip-Flop 336 durch das Signal DG31 umgeschaltet und ändert aufgrund des logischen Eins-Ausganges des Exklusiv-ODER-Gatters 316 seinen Zustand. Das an dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 334 angelegte Signal ist jetzt eine logische Null, die bewirkt, daß der Additions/Subtraktions- Schaltkreis den Inhalt des Nenners "D" zu dem Rest "R", der in dem Register 318 gespeichert ist, während des nächsten Schrittes addiert.

Beim nächsten Schritt (Schritt 1) wird der um einen Platz verschobene Inhalt des Schieberegisters 318 zu dem Nenner "D" addiert und das Ergebnis "R" wird in das Schieberegister 318 eingegeben. Am Ende dieses Schrittes führt der Ausgang des ODER- Gatters 330 eine logische Eins (Übertrag 1) und der Ausgang des Flip-Flops 336 eine logische Null. Der Quotienten-Ausgang Q des Exklusiv-ODER-Gatters 338 wird zu einer logischen Eins, die dem Flip-Flop 340 eingegeben wird, wenn es durch das Signal DG31 umgeschaltet wird. Die in dem Flip-Flop 340 von dem vorhergehenden Schritt gespeicherte logische Null wird jetzt in das Flip-Flop 342 übertragen. Die gleiche Prozedur wird bei den Schritten 2 bis 5 wiederholt, wie in der Tabelle dargestellt. Am Ende des fünften Schrittes (Schritt 5) speichert das aus den Flip-Flops 340 bis 348 bestehende Flip-Flop den Quotienten der Division in digitaler Form.

War der Inhalt des sin-Registers 160 größer als der Inhalt des cos-Registers 162, so hätte das Flip-Flop 290 eine logische Eins geführt und der Inhalt des cos-Registers wäre in den Teiler 166 als Zähler über das UND-Gatter 294 eingegeben worden. Die Division wäre dann wie oben beschrieben, durchgeführt worden.

In Fig. 25 ist eine detaillierte Schaltkreis-Ausführung des Phasenwinkel-Mittelwert-Schaltkreises 172, des Komparators 174 und des Akkumulators 176 dargestellt, die in Fig. 15 gezeigt sind. Der Einsatz des Phasenwinkel-Mittelwert-Schaltkreises 172 dient dazu, sicherzustellen, daß die Winkel-Korrektur der Zündvoreilung über eine Serie von Einstellungen ausgedehnt wird anstelle für eine einzelne Einstellung, um die Effekte einer Zyklus zu Zyklus-Veränderung zu vermeiden, um die Fahreigenschaften etc. zu verbessern. Dies wird wie nachfolgend erläutert dadurch ausgeführt, daß der Mittelwert des errechneten Phasenwinkels gebildet wird, so daß der erfaßte Fehler und das errechnete Korrektur-Signal Φ_c auf der Basis des Mittelwertes des erfaßten Phasenwinkels erhalten werden.

Die Logik führt diese Mittelwert-Bildung des Phasenwinkel- Signales mittels einer Tiefpaß-Digital-Filtertechnik durch. Die Arbeitsweise des Filters kann durch die folgende lineare Differenzialgleichung erster Ordnung beschrieben werden:

x(kT) = a (kT) + (1-a) × (kT-T)

wobei "T" die Geschwindigkeit ist, mit der die Berechnungen durchgeführt werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es die Zylinder-Zündgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine. "k" ist der laufende Index der ganzen Zahlen (integers), "(kT)" ist der Eingang des Digital- Filters während des "k"ten "T"-Intervalls, "x(kT-T)" ist der Ausgang des Digital-Filters während des "(k-1"ten "T"-Intervalls und "a" ist eine programmierbare Konstante.

Der Wert der programmierbaren Kontanten "a" kann eine feste Zahl sein oder er kann variabel aus einer vorprogrammierten "Nachschlagetabelle" von gespeicherten Werten von Maschinen- Betriebsparametern ausgewählt werden, wie z. B. aus dem Ansaug- Druck (MAP), der Maschinengeschwindigkeit, dem Luftdurchfluß, der Drosselklappenstellung, der Kühlmitteltemperatur, usw.

Der Wert von "a" bestimmt die Filter-"Zeitkonstante". Beispielsweise sei angenommen, daß der Eingang des Filters eine Einheitsschritt- Funktion bei k=0 sei und es sei angenommen, daß "a" gleich 1/4 ist, d. h. (a = 2ⁿ). Dann sind die darauffolgenden Werte des Filterausganges (x(kT-T) gleich 1/4, 1/4+3/4 (1/4), 1/4 (3/4) + 1/4(1-3/4) - - -. Der Ausgang des Filters ist grafisch in Fig. 26 für die Werte a = 1/2, (n = 1) und a = 1/4, (n = 2) und x = 1 dargestellt.

Zurück zu Fig. 25. Der parallele Ausgang des Schieberegisters 358 des cot-Korrektur-Schaltkreises 170, der in Fig. 23 dargestellt ist, ist ein Eingang für einen Multiplexer 368, dessen Ausgang mit einem Eingang des UND-Gatters 372 verbunden ist. Der Multiplexer, beispielsweise der Schaltkreis RCA CD-4051 der Firma Radio Corporation of America, empfängt ebenfalls den Wert "a" von einer Zeitkonstanten-Regelung 370. Wie oben erläutert, kann die Zeitkonstanten-Regelung 370 eine "Nachschlagetabelle" sein, die mit dem arctan-ROM 168 vergleichbar ist, die in Abhängigkeit von den Maschinen-Betriebsparametern, beispielsweise der Motordrehzahl, dem Ansaugdruck, dem Luftdurchfluß, der Drosselklappenstellung usw., ein Signal ausgibt, das die Filter-Zeitkonstante steuert. Der Ausgang des UND-Gatters 372 ist mit dem Eingang eines 16-Bit-Schieberegisters 388 über ein ODER-Gatter 376 und die Exklusiv-ODER-Gatter 378 und 386 verbunden. Der parallele Ausgang des Schieberegisters 388 ist mit dem parallelen Eingang eines zweiten Multiplexers 390 verbunden, der dem Multiplexer 368 identisch ist und der ebenfalls einen Eingang von der Zeitkonstanten-Regelung 370 empfängt. Der serielle Ausgang des Multiplexers 390 ist mit einem Eingang eines UND-Gatters 374 verbunden, dessen Ausgang mit einem Eingang eines ODER-Gatters 376 verbunden ist. Das UND- Gatter 372 empfängt die Signale MT1 und TM8 an seinen anderen Eingängen, während das UND-Gatter 374 die Signale MT0 und TM8 an seinen anderen Eingängen empfängt. Das Exklusiv-ODER-Gatter 392 empfängt das Signal MT0 an seinem einen Eingang und ist mit seinem Ausgang mit den Eingängen eines UND-Gatters 380 und eines NOR-Gatters 382 verbunden. Die anderen Eingänge des UND- Gatters 380 und des NOR-Gatters 382 sind mit dem Ausgang eines ODER-Gatters 376 verbunden. Die Ausgänge des UND-Gattes 380 bzw. des NOR-Gatters 382 sind mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen eines Flip-Flops 384 verbunden, dessen Q-Ausgang mit dem anderen Eingang eines Exklusiv-ODER-Gatters 386 verbunden ist. Der oben beschriebene Schaltkreis bildet den Phasenwinkel- Mittelwert-Schaltkreis 172 der Fig. 15.

Der serielle Ausgang des Schieberegisters 388 ist weiterhin mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 392 und mit den Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters 386, des UND-Gatters 406 und des NOR-Gatters 408 über das UND-Gatter 394 verbunden, das ebenfalls die Signale MT2 und TM8 an seinen anderen Eingängen empfängt. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 396 ist über die Exklusiv-ODER-Gatter 398, 412 und 418 mit dem Eingang eines 16-Bit-Schieberegister-Akkumulators 422 verbunden und über das Gatter 398 mit den Eingängen eines UND-Gatters 414 und eines NOR-Gatters 416. Der Ausgang eines 16-Bit-Schieberegisters 400, das eine Zahl speichert, die den Bezugswinkel Φ_R bezeichnet, ist mit seinem Eingang (zurück-)verbunden und mit einem Eingang des UND-Gatters 402. An dem anderen Eingang des UND-Gatters 402 werden die Signale MT2 und TM8 empfangen. Der Ausgang des UND-Gatters 402 ist mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 396 verbunden und über einen Inverter 404 mit den anderen Eingängen des UND-Gatters 406 und des NOR-Gatters 408. Die Ausgänge des UND-Gatters 406 bzw. des NOR-Gatters 408 sind mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen eines Flip-Flops 410 verbunden, dessen Q-Ausgang mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 398 verbunden ist. Der aus den Gattern 394, 396, 398, 402, 406 und 408, dem Schieberegister 400, dem Inverter 404 und dem Flip-Flop 410 bestehende Schaltkreis enthält den Komparator 174 der Fig. 15.

Der Ausgang des Schieberegisters 422 ist mit dem Addier-Schaltkreis 178 (Fig. 15) verbunden und mit den Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters 412, des UND-Gatters 414 und des NOR- Gatters 416. Die anderen Eingänge des Exklusiv-ODER-Gatters 412, des UND-Gatters 414 und des NOR-Gatters 416 sind mit dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 398 verbunden. Die Ausgänge des UND-Gatters 414 und des NOR-Gatters 416 sind mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen des Flip-Flops 420 verbunden, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 418 verbunden ist. Die Gatter 412, 416 und 418, das Flip-Flop 420 und das Schieberegister 422 enthalten den Akkumulator 176, der in Fig. 15 dargestellt ist.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Schaltkreises der Fig. 25 erläutert. Die Gatter 372, 374, 376, 378, 380, 382, 386 und 392 bilden zusammen mit dem Flip-Flop 384 den oben im Zusammenhang mit Fig. 20 beschriebenen Additions/Subtraktions-Schaltkreis, der während der Periode MT0 subtrahiert und während der Periode MT1 addiert. Der Multiplexer 368 führt die Funktion a · (kT) aus und der Multiplexer 390 führt die Funktion a · x · (kT), wie oben beschrieben, aus. Wenn "a" konstant ist, so kann der Zeitkonstanten-Steuerkreis 370 fortgelassen werden und die Multiplexer 368 und 390 können Schieberegister sein, in denen die Daten in verschobener Beziehung gespeichert sind, die die Konstante "a" darstellen, so daß, wenn n=1 ist, die Daten um 1 Platz geschoben werden, wenn n=2 ist, die Daten um 2 Plätze geschoben werden, usw.

Während der Zeit MT0, TM8 werden die Daten ax · (kT-T) von dem Multiplexer 390 von dem Inhalt des Schieberegisters 388, die durch das Exklusiv-ODER-Gatter 378 rezirkulieren, subtrahiert und die Daten von dem Schieberegister 358 werden in den Multiplexer 368 eingegeben. Während der Zeit MT1, TM8 werden die Daten a(kT) zu dem neuen Inhalt des Schieberegisters 388 addiert. Am Ende von MT1, TM8 ist der Inhalt des Schieberegisters 388 gleich: x(kT) = a(kT)+(1-a)×(kT-T).

Der gefilterte Phasenwinkel oder Φ_mittel wird von dem Bezugsphasenwinkel Φ_R, der in dem Schieberegister 400 während der Zeitperiode MT2, TM8 gespeichert ist, durch den Subtrahier- Schaltkreis, der aus den Gattern 396, 402, 406 und 408, dem Inverter 404, den Exklusiv-ODER-Gattern 396 und 398 und dem Flip-Flop 410 besteht, subtrahiert und an dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 398 wird das Differenzsignal ΔΦ zu dem Schieberegister 422 in dem Akkumulator 176 ausgegeben. Das Differenzsignal ΔΦ wird in dem Akkumulator-Schaltkreis zu dem Inhalt des Schieberegisters 422 mittels des Addier-Schaltkreises, der aus den Gattern 412, 414, 416 und 418 und dem Flip- Flop 420 besteht, addiert. Die Summe der Differenzsignale Φ_c wird von dem Ausgang des Schieberegisters 422 zu dem in Fig. 15 dargestellten Addierer 178 ausgegeben, wo sie zu dem Inhalt des Registers B 142 addiert wird.

In Fig. 27 sind die Schaltkreis-Einzelheiten des Addier- Schaltkreises 178, des Zündwinkel-Registers 180, des Geschwindigkeits- Vervielfachers 182, des Aufwärts-Zählers 184, des Abwärts-Zählers 186 und des Verweildauer-Schaltkreises 188 dargestellt. Das Signal von dem Register B 142 (Fig. 15) wird an dem Eingang eines UND-Gatters 424 empfangen, dessen Ausgang über Exklusiv-ODER-Gatter 426 und 428 mit einem Eingang des Zündwinkel-Schieberegisters 180 und mit einem Eingang eines UND-Gatters 432 und eines NOR-Gatters 434 verbunden ist. Das Signal Φ_C von dem Ausgang des Schieberegisters 422 (Fig. 25) wird an einem Eigang eines UND-Gatters 430 empfangen. Der Ausgang des UND-Gatters 430 ist mit den anderen Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters 426, des UND-Gatters 432 und des NOR- Gatters 434 verbunden. Die Ausgänge des UND-Gatters 432 und des NOR-Gatters 434 sind mit den Setz- bzw. Rücksetz-Eingängen des Flip-Flops 436 verbunden. Der Q-Ausgang des Flip-Flops 436 ist mit dem anderen Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters 428 verbunden. Die UND-Gatter 424 und 430 empfangen an ihren anderen Eingängen die Signale MT3 und TM8. Die Gatter 424, 426, 428, 430, 432 und 434 und das Flip-Flop 436 bilden einen herkömmlichen Addier-Schaltkreis. Der parallele Ausgang des Schieberegisters 180 ist ein Eingang des Geschwindigkeits-Vervielfachers 182 (Rate Multiplier), der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz proportional den Daten ist, die von dem Zündwinkel-Register 180 empfangen werden. Das Ausgangssignal des Geschwindigkeits-Vervielfachers 182 wird von dem Aufwärts- Zähler 184 empfangen. Der parallele Ausgang des Aufwärts-Zählers 184 ist mit dem Eingang eines Abwärts-Zählers 186 verbunden. Die Zähler 184 und 186 empfangen weiterhin das Signal R_r, das den Zähler 184 periodisch zurücksetzt und die Zählinhalte in dem Zähler 184 zu dem Zähler 186 überträgt. Der Zähler 186 wird durch Taktimpulse abwärts gezählt. Der Zählerstand Null (0) am Ausgang des Abwärts-Zählers 186 wird dem Setz-Eingang eines Flip-Flops 438 zugeführt, dessen Q-Ausgang mit dem Abwärts- (Zähl-)Eingang eines Aufwärts-Abwärts-Zählers 440 verbunden ist. Der Ausgang für den Zählerstand Null (0) des Aufwärts- Abwärts-Zählers 440 ist mit dem Rücksetz-Eingang des Flip-Flops 438 verbunden. Der Ausgang für das Zündsignal "I" am -Ausgang des Flip-Flops 438 wird dem Verstärker 104 (Fig. 15) zugeführt. Die Taktsignale werden direkt an den Abwärts- (Zähl-)Takt-Eingang des Aufwärts-Abwärts-Zählers 440 und an dem Umschalt-Eingang des Flip-Flops 442 empfangen, das in Kombination mit dem UND-Gatter 444 einen durch zwei teilenden Schaltkreis bildet. Die durch zwei geteilten Taktsignale von dem Ausgang des UND-Gatters 444 werden dem Aufwärts-(Zähl-)Takt- Eingang des Aufwärts-Abwärts-Zählers 440 zugeführt.

Die Arbeitsweise dieses Schaltkreises ist wie folgt: Während der Zeit MT3, TM8 wird das Korrektursignal Φ_C von dem Akkumulator 176 über den Addier-Schaltkreis 178 zu dem Inhalt des Registers B 142 addiert und in dem Zündwinkel-Register 180 gespeichert. Der Inhalt des Zündwinkel-Registers 180 wird dem Geschwindigkeits-Vervielfacher 182 zugeführt, der Ausgangssignal- Impulse erzeugt, deren Frequenz durch den Wert der von dem Zündwinkel-Register 180 empfangenen Daten bestimmt wird.

Die von dem Geschwindigkeits-Vervielfacher 182 erzeugten Impuls- Signale werden von dem Aufwärts-Zähler 184 empfangen, der die Zahl von Impulsen aufwärts zählt, die während des Intervalles zwischen aufeinanderfolgenden Kurbelwellen-Bezugssignalen R_r empfangen werden. Die in dem Aufwärts-Zähler gespeicherte Zahl von Impulsen ist dem Inhalt des Zündwinkel-Registers 180 proportional und der Maschinendrehzahl umgekehrt proportional. Das Kurbelwellen-Bezugssignal R_r bezeichnet das Ende der Aufwärts-Zählperiode und überträgt die Anzahl von gespeicherten Impulsen zu dem Abwärts-Zähler 186 und setzt dann den Aufwärts-Zähler 184 zurück auf Null. Im nächsten Intervall wird der Abwärts-Zähler 186 durch Taktsignale abwärts gezählt und er erzeugt ein Signal, wenn er den Zählerstand Null erreicht hat. Die Wirkungsweise des Aufwärts-Zählers 184 und des Abwärts-Zählers 186 ist grafisch in der Fig. 28 dargestellt. In dem ersten Intervall von R_r0 bis R_r1 vergrößert sich die Zahl von in dem Aufwärts-Zähler 184 gespeicherten Zählschritten mit einer Geschwindigkeit proportional dem Inhalt des Zündwinkel-Registers 180, wie es durch die durchgezogene Linie 446 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt R_r1, der mit dem nächsten folgenden Kurbelwellen-Bezugssignal R_r koinzident ist, wird der Inhalt des Aufwärts-Zählers 184 zu dem Abwärts-Zähler 186 übertragen, der mit einer festen Geschwindigkeit abwärts zählt. Diese Geschwindigkeit wird durch die Frequenz der Taktimpulse bestimmt, wie es durch die durchgezogene Linie 448 dargestellt ist. Zu einem Zeitpunkt "t₁" nach dem Signal R_r1, erreicht der Abwärts-Zähler 186 den Zählerstand Null und erzeugt ein Zündsignal 450, wie dargestellt. Die gestrichelten Linien 452 und 454 stellen den Inhalt des Aufwärts-Zählers 184 und des Abwärts- Zählers 186 für einen vergrößerten Wert des Inhaltes des Zündwinkel-Registers 180 dar, wie es durch Addition des Phasenkorrektur-Signales Φ_c zu dem Inhalt des Registers B 142 auftreten kann. Der Abwärts-Zähler 186 erreicht den Zählerstand Null (0) zu einem Zeitpunkt "t₂" und erzeugt ein Zündsignal 456, das zu einem Zeitpunkt später als t₁ erscheint. Auf diese Weise wird der in dem Zündwinkel-Register 180 gespeicherte Wert in eine Zeitverzögerung bezogen auf das Bezugssignal R_r1 umgewandelt.

Es ist offensichtlich, daß, wenn sich die Motordrehzahl vergrößert, sich die Zeit zwischen R_r0 und R_r1 verkleinert und folglich wird die Zahl von Zählschritten, die von dem Aufwärts-Zähler 184 zu dem Abwärts-Zähler 186 übertragen wird, verkleinert, was zu einer Verkleinerung der Zeit zwischen den Kurbelwellen Bezugssignalen R_r1 und der Zeit führt, bei der der Abwärts-Zähler 186 den Zählerstand Null (0) erreicht hat, was den Zeitpunkt verzögert, zu dem das Zündsignal erzeugt wird.

Die Arbeitsweise des Verweildauer-Schaltkreises 188 ist wie folgt: Vor der Erzeugung des Signales an dem Ausgang des Abwärts- Zählers 186 befindet sich das Flip-Flop 438 in dem zurückgesetzten Zustand, was ein positives Signal an seinem -Ausgang erscheinen läßt, was ermöglicht, daß der Verstärker 104 die Zündspule 106 mit Energie versorgt. Das Impulssignal von dem Abwärts-Zähler 186 triggert das Flip-Flop 438, seinen Zustand zu ändern, was das Signal an seinem -Ausgang beendet und den Verstärker 104 und die Zündspule 106 energielos macht, was bewirkt, daß das Feld in der Spule kollabiert und ein Hochspannungssignal erzeugt, das die Zündkerzen in bekannter Weise mit Energie versorgt.

Das Flip-Flop 438 erzeugt in dem zurückgesetzten Zustand weiterhin ein logisches Null-Signal an seinem Q-Ausgang, was den Aufwärts-Abwärts-Zähler 440 veranlaßt, in Abhängigkeit von den an dem Ausgang des UND-Gatters 440 erzeugten Impulsen aufwärts zu zählen. Wie oben erläutert, ist das Signal an dem Ausgang des UND-Gatters 444 das durch zwei geteilte Taktsignal. Der Aufwärts-Abwärts-Zähler zählt so lange aufwärts, bis das Flip-Flop 438 an seinem Setz-Eingang das an dem Ausgang des Abwärts-Zählers 186 erzeugte Zündsignal empfängt. Das Zündsignal bringt das Flip-Flop 438 in den gesetzten Zustand, was das Signal beendet, das, wie oben erläutert, an dem - Ausgang erzeugt wird und es erzeugt ein positives Signal bzw. eine logische Eins an seinem Q-Ausgang. Das logische Eins- Signal bewirkt, daß der Aufwärts-Abwärts-Zähler 440 mit dem Abwärts-Zählen in Abhängigkeit von den Taktimpulsen beginnt. Wenn der Aufwärts-Abwärts-Zähler 440 den Zählerstand Null (0) erreicht, so erzeugt er einen Impuls, der das Flip-Flop 438 zurücksetzt, was das logische Eins-Signal an seinem Q-Ausgang beendet und ein positives Signal an seinem -Ausgang erzeugt, was den Verstärker 104 und die Zündspule 106 erneut mit Energie versorgt. Der Verweildauer-Schaltkreis bleibt so lange in diesem Zustand, bis der Abwärts-Zähler 186 ein weiteres Zündsignal erzeugt, wenn er den Zählerstand Null (0) erreicht. Auf diese Weise wird der Verstärker 104 nach jedem Zündsignal für eine Periode, die der Motordrehzahl proportional ist, energielos gemacht. Die Arbeitsweise des Verweildauer- Schaltkreises ist in Fig. 29 dargestellt. Zu dem dort gezeigten Zeitpunkt t₃ wird das Flip-Flop 438 zurückgesetzt, was seinen -Ausgang 458 positiv werden läßt, was den Verstärker 104 und die Zündspule 106 mit Energie versorgt. Zum gleichen Zeitpunkt beginnt der Aufwärts-Abwärts-Zähler 440 mit dem Zählen, und zwar mit der halben Geschwindigkeit des Taktes, wie es durch die Linie 460 dargestellt ist. Das Zündsignal "I", das zum Zeitpunkt t₁ erzeugt wird, setzt das Flip-Flop 438 und dessen -Ausgang geht auf eine logische Null, wie es durch das Liniensegment 464 dargestellt ist, wobei der Aufwärts- Abwärts-Zähler gleichzeitig damit beginnt, mit der Taktgeschwindigkeit abwärts zu zählen, bis er zum Zeitpunkt t₃′ den Zählerstand Null (0) erreicht hat. Der Aufwärts-Abwärts- Zähler erzeugt jetzt ein Signal, das das Flip-Flop 438 zurücksetzt, so daß dessen -Ausgang ein positives Signal oder eine logische Eins führt, was erneut den Verstärker 104 und die Spule 106 mit Energie versorgt. Der Verweildauer-Schaltkreis bleibt so lange in diesem Zustand, bis das nächste Zündsignal zum Zeitpunkt t₁′ auftritt, das das Flip-Flop 438 zurücksetzt, bis der Aufwärts-Abwärts-Zähler erneut zum Zeitpunkt t₃′′ den Zählerstand Null (0) erreicht. Auf diese Weise wird das Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit des Verstärkers 104 eine feste Zahl bleiben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist dieses Verhältnis 2 : 1, wobei allerdings durch geeignete Auswahl verschiedener Geschwindigkeiten von Taktsignalen, die den Aufwärts-Abwärts- Zähler 440 aufwärts und abwärts zählen, andere Zeitverhältnisse erhalten werden können.

Für den Fachmann dürfte es klar sein, daß die Parameter des Schaltkreises so eingestellt werden können, daß sie anstelle eines Zündsignales zur Energieversorgung der Zündkerzen in einer zündfunkengezündeten Maschine, sie auch erlauben, Einspritz- Zeitsteuersignale für eine zündfunkengezündete Maschine oder eine Dieselmaschine zu erzeugen. Der gezeigte Zeitsteuer-Schaltkreis mit geschlossener Regelschleife kann den Zeitpunkt, zu dem Brennstoff in die Maschine eingespritzt wird, voreilen lassen oder verzögern, so daß der Phasenwinkel der erzeugten Periodenwellen optimiert werden kann.

Claims (10)

1. Einrichtung zum Regeln einer die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine (20) beeinflussenden Betriebsgröße - z. B. Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt, Brennstoffzufuhrmenge - im Sinne einer Optimierung des von der Brennkraftmaschine an eine Ausgangswelle (1) abgegebenen Drehmoments, wobei die Ausgangswelle jeweils durch die Verbrennung in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine einen Drehmomentimpuls erhält,

• - mit einem ersten Fühler (46; 54, 56, 58), der Bezugssignale (R_r) erzeugt, wenn die Ausgangswelle (1) eine vorbestimmte Winkelstellung durchläuft,
• - mit einem zweiten Fühler (38; 70, 72, 74), der bei jeder Drehung der Ausgangswelle um einen vorbestimmten kleinen Drehwinkel einen Impuls abgibt, wobei die zeitlichen Abstände der Impulse der jeweiligen momentanen Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle umgekehrt proportional sind, und
• mit einer Einrichtung (28, 36), die - abhängig von den Ausgangssignalen (R_r) des ersten Fühlers (46; 54, 56, 58) und des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74) sowie einem dem Zylinderinnendruck bei der Verbrennung entsprechenden Signal - eine dem maximalen Zylinderinnendruck entsprechende Winkelstellung (R_m) der Ausgangswelle ermittelt, diese Winkelstellung (R_m) mit einer Soll-Winkelstellung (R_R) für den maximalen Zylinderinnendruck vergleicht und ein von dem Vergleichsergebnis abhängiges Abweichungssignal (ε) zur Regelung der Betriebsgröße erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der dem maximalen Zylinderinnendruck entsprechenden Winkelstellung
• - das der Winkelgeschwindigkeit entsprechende Ausgangssignal des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74) als das dem Zylinderinnendruck entsprechende Signal verwendet wird, und
• - eine Vorrichtung (76, 78, 80, 82) vorgesehen ist zur Umsetzung der Ausgangssignale des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74) in Winkelgeschwindigkeits-Signale und deren Auswertung durch
  • - Bestimmung der zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Impulsen des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74),
  • - Zuordnung der Abstände zu den jeweiligen Winkelstellungen der Ausgangswelle,
  • - Vergleich der Abstände und
  • - Bestimmung derjenigen Winkelstellung (R_m) der Ausgangswelle (1), bei der der Abstand zwischen den Impulsen einen minimalen Wert aufweist entsprechend einer maximalen Winkelgeschwindigkeit.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem ersten Fühler (46; 54, 56, 58) und dem zweiten Fühler (38; 70, 72, 74) erzeugten, impulsförmigen Signale in folgenden Einrichtungen zu dem der Winkelstellung (R_m) entsprechenden Signal verarbeitet werden:
die der Winkelgeschwindigkeit (ω) entsprechenden Impulse des zweiten Fühlers werden einem Eingang einer Torschaltung (78) zugeführt, deren anderem Eingang Impulse eines mit höherer Frequenz schwingenden Oszillators (80) zugeführt werden;
der Ausgang der Torschaltung (78) ist mit einem ersten Zähler (82) verbunden, der gesteuert von den der Winkelgeschwindigkeit entsprechenden Impulsen die Oszillatorimpulse zählt;
das Ausgangssignal des ersten Zählers (82) wird einer Speicher- und Subtrahier-Einrichtung (84; 86) zugeführt, wo der Zählerstand des aktuellen Meßintervalls von dem Zählerstand des vorhergehenden Meßintervalls subtrahiert wird;
das Ausgangssignal der Subtrahier-Einrichtung (86) wird einem Nulldurchgangsdetektor (88) zugeführt, wobei der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors (88) mit dem Anhalteeingang eines weiteren Zählers (68) verbunden ist, dessen Zähleingang ebenfalls die Impulse des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74) zugeführt werden, so daß dieser Zähler (68) diese Impulse zählt, bis der Nulldurchgang der Differenzen der Periodendauern diesen Zähler (68) anhält, so daß der Zähler (68) dann einen dem Wert R_m proportionalen Zählwert enthält.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Brennkammern die Änderungen der Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle (1) aus Meßwerten der Winkelgeschwindigkeit (ω) ermittelt werden, die durch Zündung in verschiedenen Brennkammern verursacht werden.

4. Einrichtung zum Regeln einer die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine (20) beeinflussenden Betriebsgröße - z. B. Einspritzzeitpunkt, Zündzeitpunkt, Brennstoffzufuhrmenge - im Sinne einer Optimierung des von der Brennkraftmaschine an eine Ausgangswelle (1) abgegebenen Drehmoments, wobei die Ausgangswelle jeweils durch die Verbrennung in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine einen Drehmomentimpuls erhält,

• - mit einem ersten Fühler (46; 54, 56, 58), der Bezugssignale (R_r) erzeugt, wenn die Ausgangswelle (1) eine vorbestimmte Winkelstellung durchläuft,
• - mit einem zweiten Fühler (38; 70, 72, 74), der bei jeder Drehung der Ausgangswelle um einen vorbestimmten kleinen Drehwinkel einen Impuls abgibt, wobei die zeitlichen Abstände der Impulse der jeweiligen momentanen Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle umgekehrt proportional sind, und
• - mit einer Einrichtung (28, 36), die - abhängig von den Ausgangssignalen (R_r) des ersten Fühlers (46; 54, 56, 58) und des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74; 144 bis 162) sowie einem dem Zylinderinnendruck bei der Verbrennung entsprechenden Signal - eine dem maximalen Zylinderinnendruck entsprechende Winkelstellung (R_m) der Ausgangswelle ermittelt, diese Winkelstellung (R_m) mit einer Soll-Winkelstellung (R_R) für den maximalen Zylinderinnendruck vergleicht und ein von dem Vergleichsergebnis abhängiges Abweichungssignal (ΔΦ) zur Regelung der Betriebsgröße erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der dem maximalen Zylinderinnendruck entsprechenden Winkelstellung,
• - das der Phasenlage des Verlaufs der Winkelgeschwindigkeit entsprechende Ausgangssignal (Φ_p) des zweiten Fühlers (38; 70, 72, 74) als das dem Zylinderinnendruck entsprechende Signal verwendet wird, und die dem maximalen Zylinderinnendruck entsprechende Winkelstellung (R_m) durch Bestimmung des Phasenwinkels (Φ_i) des Profils des periodischen Verlaufs der Winkelgeschwindigkeit (ω) der Ausgangswelle (1) aus den Abständen zwischen den einzelnen Impulsen mittels eines Phasenwinkelgenerators (96) nach dem Fourier-Verfahren ermittelt wird, wobei der Phasenwinkelgenerator (96) folgendes enthält: Einrichtungen (144, 146, 150, 152, 160, 162), zur Erzeugung von Funktionssignalen, die Werte von A sin Φ und A cos Φ anzeigen, deren Werte die sin- und cos- Fourier-Koeffizienten jedes der auf die Ausgangswelle (1) wirkenden Drehmomentimpulses einer Zündung bezeichnen, in Abhängigkeit von Werten der Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle, wobei Φ der Phasenwinkel des Drehmomentimpulses und A eine Konstante ist, und Wandlereinrichtungen (164, 166, 168, 170), die die Phasenwinkelsignale aus den Funktionssignalen erzeugen.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtungen (164, 170) Einrichtungen (168) enthalten, die die Phasenwinkelsignale durch Arcus- tangensbildung aus den Funktionssignalen (A sin Φ, A cos Φ) erzeugen.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtungen (164 bis 170) folgendes enthalten: Phasenwinkel-Komparatoreinrichtungen (164), die den Wert A sin Φ mit dem Wert A cos Φ vergleichen, um ein Zählersignal zu erzeugen, das das den kleineren Wert aufweisende Funktionssignal bezeichnet, Teilereinrichtungen (166), die das Funktionssignal mit dem kleineren Wert durch das Funktionssignal mit dem größeren Wert teilen, um ein Quotientensignal zu erzeugen, Einrichtungen (168), die aus dem Quotientensignal das Phasensignal erzeugen, dessen Wert dem Arcustangens des Quotientensignals entspricht, und Einrichtungen (170), die das Arcustangenssignal in das Phasenwinkelsignal in Abhängigkeit von dem Zählersignal umwandeln, wobei das Phasenwinkelsignal einen Wert Φ aufweist, das den folgenden Gesetzmäßigkeiten gehorcht: Φ = arctan (A sin Φ / A cos Φ),wenn das Zählersignal anzeigt, daß der Wert von A sin Φ kleiner ist als der Wert von A cos Φ; undΦ = π/2 - arctan (A cos Φ / A sin Φ),wenn das Zählersignal anzeigt, daß der Wert von A cos Φ kleiner ist als der Wert von A sin Φ.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Drehmomentimpuls über ein vorbestimmtes Winkeldrehintervall der Ausgangswelle gemessen wird, und daß der zweite Fühler (144 bis 162) zum Erzeugen der Funktionssignale folgendes enthält: Einrichtungen (144, 146), die die Drehung der Ausgangswelle abtasten, um Perioden-Identifikations- Signale (Φ_p) zu erzeugen, wobei jedes Perioden- Identifikations-Signal (Φ_p) eine Drehung der Ausgangswelle um einen Winkel anzeigt, die gleich einem Viertel einer Umdrehung ist, Einrichtungen (150, 152), die auf die Perioden- Identifikations-Signale (Φ_p) ansprechen, um Periodensignale (P₁, P₂, P₃ und P₄) zu erzeugen, die diejenige Zeitdauer bezeichnen, die von der Welle benötigt wird, um sich jeweils um eine Viertelumdrehung zu drehen und Summiereinrichtungen (156, 160, 158, 162), die die Periodensignale P₁, P₂, P₃ und P₄ entsprechend folgender Gleichung summieren: A sin Φ = 1/N [(P₁-P₃) + (P₂-P₄)]undA cos Φ = 1/N [(P₁-P₃) - (P₂-P₄)],wobei N die Zahl der Periodensignale ist.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Summiereinrichtungen (160, 162) folgendes enthalten:
erste Speichereinrichtungen (160), die das Funktionssignal speichern, das den Wert A sin Φ aufweist, zweite Speichereinrichtungen (162), die das Funktionssignal speichern, das den Wert von A cos Φ aufweist, erste Torsteuereinrichtungen, die auf das Perioden-Identifikations-Signal ansprechen, um die Periodensignale zu den ersten Speichereinrichtungen (160) gemäß der nachfolgenden Gleichung durchzulassen: A sin Φ = P₁+P₂-P₃-P₄ ,um zweite Torsteuereinrichtungen, die auf die Perioden- Identifikations-Signale ansprechen, um die Periodensignale in den zweiten Speichereinrichtungen (162) gemäß der nachfolgenden Gleichung durchzulassen:A cos Φ = P₁-P₂-P₃+P₄ .

9. Verwendung einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Brennkraftmaschine mit Selbstzündung, bei welcher der Einspritzzeitpunkt des Brennstoffs geregelt wird.

10. Verwendung einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der der Zündzeitpunkt geregelt wird.