DE3912579C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine auf einen optimalen Wert zur Erzielung eines optimalen Drehmomentes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5.

Brennkraftmaschinen, die nach dem Otto-Prinzip arbeiten, werden mit einem Gemisch aus Benzin und Luft versorgt. Das Gemisch wird in den Zylindern der Maschine verbrannt, wobei der aus der Verbrennung resultierende Druck in ein Drehmoment umgewandelt wird. Um ein maximales Drehmoment zu erzielen, muß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches optimal sein. Wenn auch das theoretisch ermittelte Luft/Kraftstoff- Verhältnis zur Erzielung einer maximalen Leistung in einem Idealzyklus bei 14,6 liegt, so variiert doch das Luft/Kraftstoff- Verhältnis, bei welchem das Drehmoment maximal ist, mit den Betriebsbedingungen der Maschine; so z. B. mit der Drehzahl der Kurbelwelle und der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmantel um die Zylinder. Um ein maximales Drehmoment unter Hochlastbedingungen zu erzielen, ist es notwendig, die Betriebsbedingungen der Maschine zu ermitteln und das Luft/ Kraftstoffverhältnis des Gemisches, welches den Zylindern zugeführt wird, in Übereinstimmung mit diesen einzustellen.

Aus der JP 60-212643 ist eine Vorrichtung zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bekannt, die zum Zweck einer späteren Bezugnahme nachfolgend genauer beschrieben ist.

Fig. 1 zeigt die Organisation der bekannten Vorrichtung für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Der durch ein Luftfilter 1 eintretende Luftstrom wird von einem Luftstromfühler 2 gemessen, von einer Drosselklappe 3 gesteuert und in einen Einlaßkrümmer 4 geführt, um jedem Zylinder 5 der Maschine zugeführt zu werden. Das Abgas wird aus dem Zylinder 5 über einen Auslaßkrümmer 6 abgeführt. Kraftstoff, z. B. Benzin, wird in die Einlaßleitung zu jedem Zylinder 5 über ein Kraftstoffeinspritzventil 7 eingespritzt, und zwar in einer Menge, die von einer Regelanordnung 8 bestimmt wird. Das resultierende Gemisch von Benzin und Luft wird dem Zylinder 5 zur Verbrennung zugeleitet und dort über eine Zündkerze 9 gezündet. Das Fühlersystem zum Feststellen der Betriebsbedingungen der Maschine umfaßt zusätzlich zum Luftstromfühler 2 zur Messung der Luftmenge, die dem Einlaßkrümmer 4 zugeführt und dort mit Kraftstoff vermischt wird, einen Wassertemperaturfühler 10 zum Feststellen der Temperatur des Kühlwassers im Kühlmantel um die Zylinder 5 der Maschine, einen Kurbelwinkelfühler 11 im Verteiler (bei der in der Abbildung gezeigten Anordnung) und einen Abgasfühler 12 zum Feststellen der Konzentration einer Komponente (z.B. der Sauerstoffkonzentration) im Abgas. Der Kurbelwinkelfühler 11 erzeugt einen Bezugspositionspuls bei jeder Bezugsposition einer Kurbelwelle (in 180° Abstand im Falle einer 4-Zylinder­ maschine, in 120° Abstand im Falle einer 6-Zylindermaschine) und einen Einheitswinkelpuls jedesmal, wenn die Kurbelwelle um einen Einheitswinkel (z.B. 1°) weiterdreht. Auf diese Weise kann der Kurbelwinkel durch Zählen einer Anzahl von Ein­ heitswinkeln festgestellt werden, die nach einem Bezugsposi­ tionspuls erzeugt werden. Die Drehzahl der Maschine kann aus der Frequenz oder der Periode der Einheitswinkelpulse er­ mittelt werden. Der Kurbelwinkelfühler 11 funktioniert so auch als Drehzahlfühler.

Die Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 ist schema­ tisch in Fig. 2 zusammengefaßt. Die Regelanordnung 8, die z.B. aus einem Mikrocomputer mit einer CPU, einem RAM, einem ROM und einem Eingangs/Ausgangs-Interface besteht, berechnet eine geeignete Menge von Kraftstoff, die durch das Einspritzventil 7 eingespritzt werden soll auf Grundlage der Signale, welche verschiedene Abtastwerte der Fühler darstellen. Die Fühler, die in der rechten Spalte nach Fig. 2 gezeigt sind, umfassen zusätzlich zu denen nach Fig. 1 (d. h. Luftströmungsfühler 2, Drehzahl- oder Kurbelwinkelfühler 11, Wassertemperaturfühler 10 und Abgasfühler 9) einen Schalter für den vollständig ge­ schlossenen Zustand der Drosselklappe, einen Motoranlasser­ schalter, einen Batteriespannungsfühler usw. Die Berechnung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge kann in zwei Teile ge­ teilt werden. Ein erster Teil umfaßt die Berechnung einer Fun­ damental- oder Starteinspritzmenge und der zweite Teil umfaßt die Korrekturen in bezug auf die verschiedenen Betriebsbedin­ gungen, so z.B. die Korrekturen bezüglich der Batteriespan­ nung, hoher Last usw. und die zusätzlichen Korrekturen für die Wassertemperatur und für die Zeit nach dem Starten oder dem Leerlauf der Maschine. Auf diese Weise errechnet die Regelan­ ordnung 8 die Menge von Kraftstoff auf Basis der Signale ein­ schließlich der Signale S1 bis S4, wie in Fig. 1 gezeigt, die von den Fühlern ausgegeben werden, welche in der rechten Spal­ te nach Fig. 2 aufgezeichnet sind, und gibt ein Einspritzsignal S5 ab, auf welches hin das Ventil 7 eine gesteuerte Menge von Kraftstoff einspritzt, die von der Steueranordnung 8 errechnet wurde.

Genauer gesagt, wird beim oben erläuterten Vorgang die Kraft­ stoffeinspritzmenge Ti durch die Regelanordnung 8 z.B. nach der folgenden Gleichung errechnet:

Ti = Tp × (1 + Ft + KMR/100) × β × Ts ; (1)

wobei Tp die Fundamentaleinspritzmenge und Ft, KMR, β und Ts verschiedene Korrekturkoeffizienten sind, wie sie im folgenden erläutert werden. Die Fundamentaleinspritzmenge Tp wird z.B. durch die Gleichung

Tp = K × Q/N ; (2)

errechnet, wobei Q und N die Ansaugluftmenge bzw. die Drehzahl (z.B. Umdrehungen pro Minute) der Maschine und K eine Konstan­ te darstellen. Der Korrekturkoeffizient Ft entspricht der Temperatur des Kühlwassers der Maschine und steigt beispiels­ weise im Wert, wenn die Temperatur fällt. Der Koeffizient KMR, ein Korrekturfaktor in Beziehung zu hoher Last, wird aus einer Tabelle von Werten ausgelesen, die in einem Speicher der Regelanordnung 8 gespeichert sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die KMR-Werte in tabellenhafter Form in bezug auf die Fundamentaleinspritzmenge Tp und die Drehzahl der Maschine ge­ speichert. Weiterhin kompensiert der Batteriespannungskorrek­ turkoeffizient Ts die Variation in der Betriebsspannung des Kraftstoffeinspritzventils 7. Der Korrekturkoeffizient β wird auf der Basis des Abgaskonzentrationssignals S4 vom Abgasfüh­ ler 12 festgestellt. Durch Multiplikation dieses Koeffizienten β mit der Gleichung (1) kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einen vorbestimmten Wert (z.B. in der Gegend des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von 14,6) mittels einer Rückkopplungsregelung eingestellt werden. Wenn die Regelung unter Verwendung des Signals S4 ausgeführt wird, so wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches auf einen vorbestimmten konstanten Wert eingestellt, so daß der Effekt der Korrekturen bezüglich der Wasserkühlmitteltemperatur und hoher Last eliminiert wird. Somit wird nur dann eine Regelung unter Einbeziehung des Abgassignals S4 durchgeführt, wenn die oben beschriebenen Koeffizienten Ft und KMR gleich Null sind.

Die gerade beschriebene bekannte Vorrichtung zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses weist den Nachteil auf, daß in Betriebszuständen bei hoher Last zufällige Variationen in den Kenndaten des Luftströmungsfühlers 2 oder in den Einspritzventilen 7 oder deren Änderungen über die Zeit durch das System nicht berücksichtigt werden, da dieses bei hoher Last auf eine offene Schleife reduziert wird. Dadurch kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis vom Optimalverhältnis abweichen, wodurch das Drehmoment der Maschine verringert und deren Stabilität gestört werden. Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen Vorrichtung liegt darin, daß der Luftstromfühler 2 die Menge an Luft, die im Ansaugkanal gehalten wird, zusammen mit derjenigen Luftmenge mißt, welche tatsächlich in die Zylinder 5 der Maschine eingelassen wird. Aus diesem Grund wird auch bei Regelung im Rückkopplungsbetrieb das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis oftmals von seinem Grundwert abweichen.

Aus der DE 34 22 384 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstofflieferung an Brennkraftmaschinen bekannt. Gemäß dem darin beschriebenen Verfahren wird die zu liefernde Kraftstoffmenge durch Multiplizieren eines Basiswertes mit Korrekturkoeffizienten, die von Betriebszuständen der Maschine abhängen, und durch Addieren von Korrekturvariablen, die ebenfalls von den Betriebszuständen der Maschine abhängen, zu dem Basiswert bestimmt.

Zwar wird bei diesem Verfahren eine Ist-Kraftstofflieferung im Sinne eines von einer Einrichtung ermittelten optimalen Wertes in einer offenen Schleife korrigiert. Eine Regelung eines Kraftstoffgemisches im Sinne einer minimalen Abweichung zwischen einer Gemisch-Ist-Größe und einer entsprechenden Sollgröße ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.

In der DE 34 03 395 A1 ist ein Kraftstoff-Luft-Gemischzumeßsystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem ein von Betriebsgrößen aufgespanntes Kennfeld zur Vorsteuerung von Maschinenvariablen, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch beeinflussen, dient. Das Kennfeld wird mit Hilfe einer Regeleinrichtung durch zumindest eine Betriebsgröße derart korrigiert, daß entweder ein minimaler Kraftstoffverbrauch oder eine maximale Leistung gewährleistet sein soll. Bei einer Regelung auf maximale Leistung wird die Kraftstoffmenge über die Einspritzzeit gewobbelt und die Erfassung der Drehmomentänderung erfolgt über eine Analyse der Drehzahländerung.

Bei diesem Gemischzumeßsystem können jedoch Schwankungen in den Kennlinien oder charakteristischen Daten der Sensoren negative Einflüsse auf die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses haben.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der JP 58-107 826 A bekannt. Bei dieser Vorrichtung zur Optimierung des Luft/Kraftstoffgemisches bei einer Brennkraftmaschine wird aus der Motordrehzahl N und der Ansaugluftmenge oder dem Drosselklappenöffnungsgrad eine Soll-Größe (dP/dR)*max berechnet, die mit der tatsächlichen Ist-Größe (dP/dR)max verglichen wird. Dabei stellt P den Druck in einem Zylinder und R den Kurbelwellenwinkel dar. Die Soll-Größe ist so ausgelegt, daß ein optimales Drehmoment erzielt werden soll. Aus der Abweichung beider Größen wird die Kraftstoffeinspritzmenge im Sinne einer Verringerung der Abweichung beider Größen korrigiert.

Allerdings ist die maximale Druckänderungsrate (dP/dR)max nicht nur eine Funktion des Luft/Kraftstoffverhältnisses und der Motordrehzahl, sondern auch des Zündzeitpunktes, so daß bei unbekanntem Zündzeitpunkt aus den Parametern (dP/dR)max allein nicht auf ein optimales Luft/Kraftstoffverhältnis geschlossen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, mit der das Luft/Kraftstoffverhältnis unter allen Betriebsbedingungen präzise beim Optimalwert gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch die im Anspruch 1 und vorrichtungstechnisch durch die im Anspruch 5 genannten Merkmale gelöst.

Die Regelung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erfolgt unter der Berücksichtigung einer Beziehung zwischen Werten des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F einerseits und den Werten des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax andererseits, welches den Quotienten der maximalen Änderungsrate (dP/dR)max des Druckes in einem Zylinder über den Kurbelwellenwinkel R während eines vorbestimmten Zeitintervalls zum Maximaldruck im Zylinder während desselben vorbestimmten Zeitintervalls darstellt. Diese Beziehung kann experimentell bestimmt werden. Zum Ausführen der Erfindung wird der Druck im Zylinder gemessen und eine Ist-Größe (dP/dR)max/Pmax bei jedem Zyklus bestimmt. Ferner wird eine Soll-Größe (dP/dR)max/Pmax unter Zugrundelegen des Luft/Kraftstoffverhältnisses und anhand der experimentell hergeleiteten Beziehungen erhalten. Das Luft/ Kraftstoffverhältnis selbst wird über die Betriebsbedingungen der Maschine erhalten. Die Änderung der Kraftstoffmenge wird dann im Sinne einer Verringerung einer Abweichung der Ist- von der Soll-Größe festgelegt.

Diese Art der Regelung ist unabhängig vom Zündzeitpunkt, der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine, da die Größen Pmax und (dP/dR)max im wesentlichen in der gleichen Weise von den verschiedenen Betriebsbedingungen abhängen. Die verschiedenen Abhängigkeiten kürzen sich also bei der Quotientenbildung heraus.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Mittel über die Werte der maximalen Änderungsrate (dP/dR)max innerhalb eines Zylinders für jeden Zyklus und über den Maximaldruck Pmax im Zylinder bei jedem Zyklus über eine vorbestimmte Zeitdauer oder über eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen gebildet, wobei dann das Verhältnis der Mittelwerte von (dP/dR)max und Pmax anstelle des aktuellen Ist-Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax verwendet wird.

Insgesamt kann die Regelung unter jeder Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine stattfinden und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird präzis auf den optimalen Wert eingestellt, bei welchem das größte Drehmoment erzeugt wird und die Stabilität der Maschine maximal ist. Auch Schwankungen in den Kennlinien oder charakteristischen Daten der Sensoren haben keine negativen Einflüsse auf die Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die im folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Schnittansicht eines Lufteinlaß­ abschnittes einer Brennkraftmaschine zur Darstellung der Gesamtorganisation einer herkömmlichen Vorrichtung zum Einstellen eines Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Fühlerausgängen und der Berechnung der Kraft­ stoffeinspritzmenge, die durch die Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführt wird,

Fig. 3 eine Tabelle zur Darstellung der Werte eines Korrek­ turkoeffizienten, die in einem Speicher der Vorrichtung nach Fig. 1 gespeichert sind,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 1 zur Erläuterung der Gesamtorganisation einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5(A) und (B) einen Druckfühler der Vorrichtung nach Fig. 4 in genauerer Darstellung, wobei 5(A) eine Draufsicht und Fig. 5(B) einen Längsschnitt entlang der Linie B-B aus Fig. 5(A) zeigen,

Fig. 6 eine partielle Schnittansicht eines Basisabschnittes der Zündkerze der Maschine nach Fig. 4 zur Darstel­ lung des Druckfühlers nach Fig. 5(A) und (B), der dort montiert ist,

Fig. 7 ein Blockdiagramm der Organisation wesentlicher Ab­ schnitte der Vorrichtung nach Fig. 4 in schemati­ sierter Form zur Erläuterung des Wirkungsprinzips der vorliegenden Erfindung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Be­ ziehung zwischen den Werten des Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisses A/F und den Werten des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax, welches grundlegend für das Prinzip dieser Erfindung ist,

Fig. 9(a) ein Flußdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemä­ ßen Verfahrensschritte, die von einem Mikroprozessor der Vorrichtung nach Fig. 4 beim Feststellen des Ist-Wertes des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax durch­ geführt werden, und

Fig. 9(b) ein Flußdiagramm, das die erfindungsgemäßen Ver­ fahrensschritte zeigt, die von einem Host-Prozessor der Vorrichtung nach Fig. 4 beim Feststellen des Grundwertes des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax durch­ geführt werden und die beim Regeln der eingespritz­ ten Kraftstoffmenge ablaufen.

In den Zeichnungen bedeuten dieselben Bezugsziffern gleiche oder ähnliche Abschnitte bzw. Teile.

Im folgenden wird anhand der Fig. 4 bis 9 eine bevorzugte Aus­ führungsform der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 4 zeigt die Gesamtorganisation der Vorrichtung zum Einstellen des Luft/Kraftstoffverhältnisses bzw. der Luft/Kraftstoff-Regel­ anordnung gemäß dieser Erfindung. Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung weist dieselben Sensoren auf, die bei der Vorrichtung nach Fig. 1 benutzt werden, nämlich einen Luftströmungsfühler 2 zum Messen der Luftmenge Q, die durch ein Luftfilter 1 in einen Einlaßkrümmer 4 strömt und durch eine Drosselklappe 3 eingestellt wird; einen Wassertemperaturfühler 10 zum Fest­ stellen der Temperatur von Kühlwasser im Kühlmantel des Zylin­ ders 5 der Maschine; einen Kurbelwinkelfühler 11 zum Fest­ stellen des Kurbelwinkels der Maschine, der - wie oben be­ schrieben - ein Bezugspulssignal in jeder Bezugsposition einer Kurbelwelle und einen Einheitswinkelpuls bei jedem Einheits­ drehwinkel der Kurbelwelle erzeugt; und einen Abgasfühler 12 zum Feststellen der Konzentration einer Komponente (z. B. Sauerstoff) im Abgas. Zusätzlich umfaßt das System nach Fig. 4 einen Druckfühler 13, der an der Basis einer Zündkerze 9 an­ stelle deren Dichtring zum Feststellen des Drucks im Zylinder 5 der Maschine vorgesehen ist. Wie dies genauer in Fig. 5 gezeigt ist, besteht der Druckfühler 13 aus einem Paar von ringförmigen piezoelektrischen Elementen 13A, die jeweils zwi­ schen einer axialen zentralen positiven Elektrode 13C und einem Paar von ringförmigen negativen Elektroden 13B an ihren beiden Seiten gehalten werden. Die piezoelektrischen Elemen­ te 13A und die positive sowie die negative Elektrode 13C bzw. 13B sind in einem zylindrischen Raum untergebracht, der zwi­ schen einem inneren und einem äußeren zylindrischen Gehäuse 13D und 13E gebildet ist. Wie weiterhin in Fig. 6 gezeigt, ist der Druckfühler 13 dicht am Zylinderkopf 14 mittels der Zündkerze 9 gesichert. Der so gebildete Druckfühler 13 gibt eine Spannung über die positive und die negative Elektrode 13C und 13B aus, welche proportional zum Druck auf die piezoelek­ trischen Elemente 13A ist. Nachdem der Druck, der auf die piezoelektrischen Elemente 13A wirkt, dem Druck im Zylinder 5 der Maschine entspricht, ist das Ausgangssignal S6 des Druck­ fühlers 13 proportional zum Druck P im Zylinder 5. Die Fühler außer dem Druckfühler 13 und die Maschine mit ihren Zusatz­ elementen sind ähnlich denen nach Fig. 1 und weisen dieselben Bezugsziffern auf, so daß sich eine weitere Erläuterung hier erübrigt.

Eine Regelanordnung 8, die aus einem Mikrocomputer besteht, umfaßt eine CPU, welche einen Host-Prozessor bildet sowie einen Coprozessor des Datenflußtyps, der - wie unten beschrie­ ben - Ausgangssignale von den Fühlern aufnimmt. Diese sind im einzelnen: ein Luftansaugmengensignal S1 vom Luftströmungsfüh­ ler 2, welches kennzeichnend für die Luftmenge Q ist, die in den Einlaßkrümmer strömt und nach Vermischung mit einer vom Kraftstoffeinspritzventil 7 eingespritzten Kraftstoffmenge dem Zylinder 5 der Maschine zugeführt wird; ein Wassertemperatur­ signal S2 vom Temperaturfühler 10, das die Kühlwassertempera­ tur im Kühlmantel des Zylinders 5 der Maschine darstellt; ein Kurbelwinkelsignal S3 vom Kurbelwinkelfühler 11, welches einen Bezugspunkt und eine Einheitswinkelposition der Kurbelwelle beinhaltet; ein Abgassignal S4 vom Abgasfühler 12, das die Konzentration einer Abgaskomponente darstellt; und ein Druck­ signal S6 vom Druckfühler 13, welches den Druck P im Zylin­ der 5 der Maschine repräsentiert. Auf der Basis dieser Signale S1 bis S4 und S6 berechnet die Regelanordnung 8 die Kraftstoffmenge Ti, die von dem Einspritzventil 7 bei jedem Zyklus des Kolbens im Zylinder 5 der Maschine eingespritzt werden soll und gibt ein entsprechendes Einspritzsignal S5 ab. Auf das Signal S5 von der Regelanordnung 8 hin spritzt das Einspritzventil 7 eine Kraftstoffmenge ein, die der Men­ ge Ti entspricht, welche von der Regelanordnung 8 berechnet wurde. Die Einzelheiten der Wirkungsweise der Regelanordnung 8 werden im folgenden beschrieben.

Fig. 7 zeigt einen wesentlichen Abschnitt der Vorrichtung nach Fig. 4 der charakteristisch für die Erfindung ist, in einer schematisierten Form. Wie in der Abbildung gezeigt, umfaßt die Regelanordnung 8 die folgenden Berechnungseinhei­ ten oder Elemente: eine Rückkopplungssignalberechnungsein­ richtung 81 zum Berechnen des Verhältnisses einer Maximalra­ te der Druckänderung im Zylinder zum Maximaldruck; eine Be­ zugssignalberechnungseinrichtung 82 zum Berechnen des Bezugs­ werts r, auf welchen das von der Rückkopplungssignalberech­ nungseinrichtung 81 berechnete Verhältnis eingestellt wird, wobei die Bezugssignalberechnungseinrichtung 82 eine Berech­ nungseinrichtung 82a zum Berechnen eines optimalen Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses entsprechend den Betriebsbedingungen (die über die Ausgangssignale aus den Fühlern herleitbar sind) sowie eine Umwandlungseinrichtung 82b zum Umwandeln des opti­ malen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf einen Wert, der mit dem Ausgangswert der Berechnungseinrichtung 81 vergleich­ bar ist; eine Fehlerberechnungseinrichtung 83 zum Berechnen der Abweichung bzw. des Fehlers e des von den Einrichtungen 81 berechneten Verhältnisses vom Bezugswert r, der durch die Einrichtung 82 berechnet wird; ein PI (proportional-integral) oder PID (proportional-integral-differential) Regelelement 84 zum Berechnen der Kraftstoffeinspritzmenge Ti auf Grundlage des Fehlersignals e und zum Ausgeben eines Einspritzsignals S5 entsprechend der berechneten Menge Ti, um das Einspritz­ ventil 7 anzusteuern. Das Regelelement 84 steuert die Menge von eingespritztem Kraftstoff Ti so, daß der Fehler e bzw. die Abweichung des von den Einrichtungen 81 errechneten Ver­ hältnisses vom Bezugssignal r (errechnet von der Einrichtung 82) auf Null korrigiert wird, entsprechend einem PI- bzw. einem PID-Regelver­ fahren. Durch Minimierung des Fehlers e kann nun das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis des dem Zylinder 5 zugeführten Gemisches auf einen Optimalwert eingestellt werden, bei welchem ein ma­ ximales Drehmoment erzeugt wird. Die Gründe hierfür und eine genauere Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtungen 81 bis 84 der Regelanordnung 8 werden im folgenden erläutert.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis A/F (auf der Abszisse eingetragen) und dem Verhältnis (dP/dR)max/Pmax (entlang der Ordinate), also der maximalen Druckän­ derungsrate über den Kurbelwinkel R, (dP/dR)max, zum Maximal­ druck Pmax im Zylinder über eine vorbestimmte Zeitperiode innerhalb jedes Zyklus der Maschine, z.B. in einer Zeitperio­ de vom Beginn des Kompressionshub bis zum Ende des Verbren­ nungshubs (Leistungshubs) des Kolbens in einem Zylinder der Maschine. Wie in der Abbildung gezeigt, kann bei festgehal­ tener Drehzahl N der Maschine die Beziehung des Verhältnis­ ses (dP/dR)max/Pmax zum Luftkraftstoffverhältnis A/F korrekt über eine einzelne Kurve dargestellt werden. Solange die Dreh­ zahl N festliegt, ist das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax eine Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses A/F, und die Ab­ hängigkeit des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax vom Ansaugdruck Pb im Einlaß zum Zylinder der Maschine ist vernachlässigbar. Die Tatsache, daß das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax eine Funk­ tion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist und bei festgehal­ tener Drehzahl einzig durch dessen Wert bestimmt ist, zeigt, daß, obwohl beide Größen (dP/dR)max und Pmax von der Drehzahl und der Last der Maschine abhängen, die durch den Saugdruck Pb in mmHg - gemessen im Ansaugkanal, der die Luft dem Zylin­ der 5 der Maschine zuführt -, nämlich die Größen (dP/dR)max und Pmax im selben Maße von der Last auf die Maschine abhän­ gen so daß das Verhältnis dieser Größen zueinander, d. h. das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax nicht wesentlich von der Last abhängt. Die in Fig. 8 gezeigten Resultate konnten überraschen­ derweise durch wiederholte Experimente gezeigt werden und sind wesentlich für das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Im einzelnen legt die Umwandlungseinrichtung 82b der Bezugs­ signalberechnungseinrichtung 82 den Bezugswert r vom optima­ len Luft/Kraftstoff-Verhältnis (festgestellt durch die Be­ rechnungseinrichtung 82a für das optimale Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis) auf der Basis der Beziehung fest, die in Fig. 8 ge­ zeigt und im folgenden beschrieben ist.

Die Wirkungsweise der Bezugssignalberechnungseinrichtung 82 ist wie folgt: Zunächst stellt die Berechnungseinrichtung 82a für das optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis dieses optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F entsprechend den Betriebsbe­ dingungen der Maschine (z.B. Drehzahl N und zugeführte Luft­ menge Q) fest. Wie oben beschrieben, ist das optimale Luft/ Kraftstoff-Verhältnis dasjenige Verhältnis, bei welchem das maximale Drehmoment erzeugt und die Stabilität der Maschine maximiert werden. Die Einrichtung 82a zur Berechnung des op­ timalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nimmt Signale auf, z.B. das Ansaugluftmengensignal S1, das Wassertemperatursignal S2 und das Kurbelwinkelsignal S3 vom Luftströmungsfühler 2 bzw. vom Wassertemperaturfühler 10 bzw. vom Kurbelwinkel­ fühler 11 und stellt die Betriebsbedingungen der Maschine ent­ sprechend diesen Signalen fest. Die Maschinenbetriebsbedin­ gungen werden z.B. durch folgende Variablen festgelegt: Drehzahl N der Maschine (die in Umdrehungen pro Minute ge­ messen und aus der Periode oder der Frequenz des Einheits­ winkelpulssignals im Signal S3 aus dem Kurbelwinkelfühler 11 errechnet wird), die Luftströmungsmenge Q oder den Saugdruck Pb im Ansaugkanal und die Temperatur des Kühlwassers im Kühl­ mantel um den Zylinder 5 der Maschine. Es können hier auch weitere Variable zusätzlich zu den vorgenannten in einer Art analog zu der verwendet werden, die in Fig. 2 gezeigt ist, um die Betriebsbedingungen der Maschine festzulegen. Andererseits ist es auch möglich, die Anzahl von Variablen, welche die Be­ triebsbedingungen bestimmen, zu reduzieren, indem man bei­ spielsweise die Temperatur des Kühlwassers fortläßt. Weiterhin berechnet die Berechnungseinrichtung 82a das optimale Luft/ Kraftstoff-Verhältnis A/F entsprechend den so hergeleiteten Betriebsbedingungen unter Verwendung einer Gleichung ähnlich der oben beschriebenen Gleichung (1). Bei einer anderen bevor­ zugten Ausführungsform umfaßt die Berechnungseinheit 82a einen Speicher, in welchem Werte für das optimale Luft/Kraftstoff- Verhältnis in tabellarischer Form der Betriebsbedingungen der Maschine gespeichert sind und legt das optimale Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis A/F fest, indem der den Betriebsbedingungen entsprechende Wert ausgelesen wird. Die Umwandlungseinrich­ tung 82b stellt den Bezugswert r vom Luft/Kraftstoff-Verhält­ nis A/F mittels der oben beschriebenen Beziehung zwischen dem Verhältnis A/F und dem Verhältnis (dP/dR)max/Pmax fest. Ins­ besondere umfaßt die Umwandlungseinrichtung 82b einen Speicher, in welchem die Beziehungen zwischen dem Verhältnis A/F und dem Verhältnis (dP/dR)max/Pmax, wie in Fig. 8 gezeigt, über die verschiedenen Drehzahlwerte N der Maschine gespeichert sind. Nach Berechnung der Drehzahl N der Maschine aus dem Einheitspulssignal im Kurbelwinkelsignal S3 aus dem Kurbel­ winkelfühler 11 legt die Umwandlungseinrichtung 82b den Wert des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax fest, der dem Verhältnis A/F (aus der Berechnungseinrichtung 82a) bei der Drehzahl N entspricht, die gerade errechnet wurde. Die Umwandlungseinrichtung 82b gibt diesen Wert des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax als Bezugs­ wert r an die Fehlerberechnungseinrichtung 83 weiter. Der so aus der Umwandlungseinrichtung 82b ausgegebene Wert r stellt einen Grundwert für das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax dar. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist beim Optimalwert, wenn das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax mit dem Bezugswert r übereinstimmt.

Die Rückkopplungssignalberechnungseinrichtung 81 berechnet den Ist-Wert des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax bei jedem Zyklus des Kolbens im Zylinder 5, und zwar aus dem Wert des Druckes P und des Winkels R. Hierbei wird der Wert des Druckes P im Zylinder durch das Signal S6 aus dem Druckfühler 13 angezeigt, und der Wert des Kurbelwinkels R wird vom Signal S3 vom Kurbelwinkelfühler 11 angezeigt. Genauer gesagt berechnet die Berechnungseinrichtung 81 die Änderungsrate des Drucks P über den Kurbelwinkel R (d. h. dP/dR) und stellt seinen Maximalwert (dP/dR)max während einer vorbestimmten Zeit­ periode bei jedem Zyklus z.B. vom Beginn des Kompressions­ hubs bis zum Ende des Verbrennungshubs fest. Die Berechnungs­ einrichtung 81 legt außerdem den Maximaldruck Pmax im Zylinder 5 während derselben Zeitperiode fest und berechnet das Ver­ hältnis (dP/d R)max/Pmax aus diesen zwei Werten. Dies stellt das Arbeitsprinzip der Berechnungs­ einrichtung 81 dar. In der Praxis kann jedoch die Änderungs­ rate des Drucks (nämlich dP/dR) durch eine begrenzte Druckän­ derungsrate (nämlich ΔP/ΔR) bestimmt werden. Wenn somit der Kurbelwinkelfühler 11 ein Einheitswinkelpulssignal jedesmal dann abgibt, wenn sich die Kurbelwelle um 1° dreht, so ist das Druckinkrement ΔP in einem Intervall zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Einheitswinkelpulsen gleich der begrenzten Druckänderungsrate ΔP/ΔR, da die Gleichung ΔP/ΔR=ΔP/1 gilt. In diesem Fall berechnet die Berechnungseinrichtung 81 das Druckinkrement ΔP und sucht den Maximalwert (ΔP)max aus diesen Werten heraus, die in einer vorbestimmten Periode in jedem Zyklus berechnet wurden. In diesem Fall wird das Verhältnis (ΔP)max/Pmax anstelle des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax verwen­ det. Wenn der Kurbelwinkelfühler 11 Einheitswinkelpulse ab­ gibt, die voneinander um jeweils 2° getrennt sind, so wird das Inkrement ΔP im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einheitswinkelpulsen durch 2 geteilt, um die begrenzte Druck­ änderungsrate zu erhalten, da in diesem Fall die Gleichung ΔP/2=ΔP/ΔR gilt. In diesem Fall wird das Verhältnis (ΔP)max/ 2Pmax von der Einrichtung 81 berechnet und anstelle des Ver­ hältnisses (dP/dR)max/Pmax verwendet.

Wenn die Drehzahl N der Maschine sich nicht ändert und ihr Wert bekannt ist, so kann die Rate der Änderung des Drucks P über den Kurbelwinkel R (nämlich dP/dR) aus der Änderungs­ rate des Drucks P über die Zeit t (nämlich dP/dR) errechnet werden, und zwar unter Anwendung der annähernden Beziehung dR = 6 N dt:

dP/dR = (dP/dt)/6N ; (3).

Mittels der obigen Gleichung (3) kann die Berechnungseinrich­ tung 81 das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax=(dP/dR)max/Pmax-6 N ohne Verwendung des Kurbelwinkelsignals S3 zur Anzeige des Kurbelwinkels R errechnen. Im Ergebnis kann die Regelein­ richtung 8 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nicht nur unter Hochlastbedingungen sondern auch während einer Übergangszeit berechnen, wenn beispielsweise das Gaspedal betätigt (weiter niedergedrückt) wird. Die Fehlerberechnungseinrichtung 83 be­ rechnet den Fehler e oder die Abweichung des Ist-Verhältnis­ ses (dP/dR)max/Pmax (was in der Berechnungseinrichtung 81 berechnet und von dieser ausgegeben wird) zum Bezugs- oder Grundwert r aus der Umwandlungseinrichtung 82b der Bezugs­ signalberechnungseinrichtung 82. Insbesondere berechnet die Berechnungseinrichtung 83, die eine Subtraktionsschaltung um­ faßt, die Differenz e (diese entspricht dem Fehler e aus der Einrichtung 83) über die folgende Gleichung:

e = r-(dP/dR)max/Pmax ; (4)

wobei das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax auf der rechten Seite den Ist-Wert darstellt, der von der Berechnungseinrichtung 81 be­ rechnet wird.

Das Regelelement 84 regelt die Menge von Kraftstoff Ti, der durch das Einspritzventil 7 eingespritzt wird zur Verringerung des Fehlers e über eine PI-Wirkungsweise. Genauer gesagt ist das Inkrement ΔTi der Kraftstoffmenge proportional zum Fehler e und seinem Integral über eine Zeitperiode. Alternativ kann das Regelelement 84 die Kraftstoffeinspritzmenge Ti über eine PID-Wirkung ausregeln, bei welcher das Inkrement ΔTi der Kraftstoffeinspritzmenge Ti eine Linearkombination des Fehlers e, seines Integrals und seines Differentials ist. Nachdem die­ se Regelmethoden dem Fachmann an sich bekannt sind, erübrigt sich eine weitere Beschreibung.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Verhältnis (dP/dR)max/Pmax, das von der Rückkopplungssignalberechnungs­ einrichtung 81 während eines jeden Zyklus der Maschine be­ rechnet wird direkt mit einem entsprechenden Grundwert ver­ glichen, d. h. dem Bezugswert r, der aus der Bezugssignalbe­ rechnungseinrichtung 82 stammt. Die Rückkopplungssignalbe­ rechnungseinrichtung 81 kann jedoch auch Einrichtungen umfas­ sen, um einen Mittelwert über eine Anzahl von Werten der maxi­ malen Änderungsrate (dP/dR)max und des Maximaldrucks Pmax über eine vorbestimmte Zeitperiode oder eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen errechnen, wobei dann die Rückkopplungssignalbe­ rechnungseinrichtung 81 das Verhältnis dieser zwei Mittelwerte ausgibt, nämlich des Mittelwerts über die maximale Druckände­ rungsrate (dP/dR)max und den Maximaldruck Pmax. In diesem Fall wird der Fehler e, der von der Fehlerberechnungseinrichtung 83 errechnet wird, durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

e = r-(Mittelwert von (dP/dR)max)/Mittelwert von Pmax) ; (5)

wobei dann das Regelelement 84 die Kraftstoffeinspritzmenge Ti zur Reduzierung dieses Fehlers e bestimmt.

In der obigen Beschreibung der Wirkungsweise der Regelanord­ nung 8 nach Fig. 7 wurde insbesondere das Wirkungsprinzip be­ schrieben. Im folgenden werden die tatsächlichen Verfahrens­ schritte, die vom Mikrocomputer, der die Regelanordnung 8 bil­ det, vollzogen werden, im Detail beschrieben. Die folgenden Schritte gelten für den folgenden Fall: Der Kurbelwinkelfüh­ ler 11 gibt Einheitswinkelpulse in Intervallen von 1° aus; das oben erwähnte Verhältnis (dP/dR)max/Pmax wird für jeden Zyklus des Kolbens im Zylinder über eine Zeitperiode er­ mittelt, die vom Beginn des Kompressionshubs bis zum Ende des Verbrennungshubs reicht; der Mikrocomputer, der die Regel­ anordnung 8 bildet, umfaßt einen Host-Prozessor und einen Co­ prozessor vom Datenflußtyp, wobei die Hauptroutine (gezeigt in Fig. 9(b)) im Host-Prozessor die Funktionen der Bezugs­ signalberechnungseinrichtung 82, der Fehlerberechnungsein­ richtung 83 und des Regelelements 84 übernimmt, während die Subroutine (gezeigt in Fig. 9(a)) im Coprozessor die Funktion der Berechnungseinrichtung 81 übernimmt. Weiterhin wird der Fehler e über die obige Gleichung (4), nicht durch die Glei­ chung (5) errechnet: Die Rückkopplungssignalberechnungsein­ richtung umfaßt keine Mittel zur Herleitung der Mittelwerte der maximalen Druckänderungsrate (dP/dR)max und des maximalen Drucks Pmax, der in jedem Zyklus festgestellt wird.

Fig. 9(a) zeigt ein Beispiel der in der Subroutine durchge­ führten Schritte des Coprozessors, welche die oben beschriebe­ ne Berechnungseinrichtung 81 ersetzen, und zwar zum Festle­ gen des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax. Wenn die Programmdurch­ führung des Mikrocomputers in die in Fig. 9(a) gezeigte Sub­ routine läuft, so werden folgende Schritte durchgeführt:
Im Schritt 100 wird der Kurbelwinkel R registriert, der durch Zählung der Anzahl von Einheitswinkelpulsen festgelegt wird, die nach einem Referenzpulssignal im Signal S3 aus dem Kur­ belwinkelfühler 11 erzeugt werden. Im Schritt 101 wird abge­ fragt, ob der Kurbelwinkel R aus dem vorigen Schritt 100 zu einem Kompressionshub oder einem Verbrennungshub (Leistungs­ hub) gehört. Wenn der Winkel R zum Kompressions- oder Verbrennungshub gehört, so wird der Druck P(R) im Zylin­ der 5 (entsprechend dem Signal S6 aus dem Druckfühler 13) im Schritt 102 festgestellt und registriert. Wenn im Schritt 101 die Antwort nein lautet, so kehrt das Programm zum Schritt 100 zurück und wartet auf den nächsten Einheitswinkelpuls aus dem Kurbelwinkelfühler 11.

Im Schritt 103 wird nach dem Schritt 102 abgefragt, ob der Kurbelwinkel R aus dem vorigen Schritt 100 am unteren Totpunkt am Ende des Saughubs (d. h. am Beginn des Kompressionshubs) liegt. Wenn ja, so wird der im vorigen Schritt 102 festge­ stellte Druck P(R) und der Wert Null als Werte für die Varia­ blen P1 bzw. ΔP1 im darauffolgenden Schritt 104 im Speicher abgelegt. Insbesondere wird abgelegt:

P1=P(R), und
ΔP1=0;

Im darauffolgenden Schritt 105 wird der Wert von P1 der im vorigen Schritt 104 gespeichert wurde als Initialwert der Variablen Pmax gespeichert. Diese Speicherung erfolgt insbe­ sondere nach der Formel

Pmax = P1;

danach kehrt das Programm zum Schritt 100 zurück.

Wenn im Schritt 103 die Antwort nein lautet, wird daraufhin in einem Schritt 106 abgefragt, ob der Kurbelwinkel R am un­ teren Totpunkt am Ende des Verbrennungshubs liegt oder nicht. Wenn nein (dies geschieht im Schritt 106 nur dann, wenn der Kurbelwinkel R, der im vorigen Schritt 100 festgelegt wurde, zum Kompressions- oder Verbrennungshub gehört, wobei der un­ tere Totpunkt am Beginn des Kompressionshubs und am Ende des Verbrennungshubs ausgenommen sind), so schreitet das Programm zum Schritt 107, in welchem die Werte

ΔP2=P(R)-P1, und
ΔP=ΔP2-ΔP1

berechnet und registriert werden. Im nächsten Schritt 108 wird der Wert der Variablen P1 neu geschrieben. Insbesondere wird der Wert P(R), der im vorigen Schritt 102 festgelegt und regi­ striert wurde, als Wert für die Variable P1 gespeichert. Dann wird in Schritten 109 und 110 der Wert der Variablen ΔP1 wenn nötig neu geschrieben, so daß dieser Wert das größte Inkrement ΔP im Intervall zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Ein­ heitswinkelpulsen im Signal S3 nach Beginn des Kompressions­ hubs darstellt. Genauer gesagt wird im Schritt 109 abgefragt, ob die im vorigen Schritt 107 errechnete Variable ΔP positiv ist oder nicht. Wenn ja, d. h., wenn ΔP2 größer ist als ΔP1, so wird der Wert der Variablen P1 überschrieben, d. h. der neue Wert von ΔP2, der im vorigen Schritt 107 errechnet wurde, wird als Wert der Variablen im Schritt 110 gespeichert. Wenn die Antwort im Schritt 109 nein war so wird der Wert der Variablen ΔP1 nicht neu überschrieben und das Programm schrei­ tet zu den Schritten 111 und 112 fort, in welchen der Maximal­ druck Pmax im Zylinder neu eingeschrieben wird. Genauer ge­ sagt wird im Schritt 111 festgestellt, ob P(R), das im vorigen Schritt 102 festgestellt und registriert wurde, größer ist als der Wert von Pmax oder nicht. Wenn ja, so wird der Wert von Pmax neu überschrieben, d. h. der Wert von P(R), der im vorigen Schritt 102 festgestellt wurde, wird als neuer Wert von Pmax gespeichert. Wenn im Schritt 111 die Antwort nein lautet, so kehrt das Programm zum Schritt 100 zurück, ohne den Wert von Pmax neu zu überschreiben.

Durch eine Wiederholung der Schritte 100 bis 103 und der Schritte 106 bis 112 wird ein Näherungswert für die maximale Druckänderungsrate im Zylinder 5 der Maschine während einer Zeitperiode nach Beginn des Kompressionshubs bis zum Ende des Verbrennungshubs in jedem Zyklus des Kolbens (dP/dR)max als letzter Wert von ΔP1 erhalten. Der Maximaldruck im Zylinder 5 während derselben Zeitperiode bei jedem Zyklus wird als Wert von Pmax erhalten. Wenn die Antwort im Schritt 106 am Ende des Verbrennungshubs in einem Zyklus endgültig bestäti­ gend ist, so wird das Verhältnis ΔP1/Pmax der letzten Werte der Variablen ΔP1 und Pmax, die in den Schritten 110 bzw. 112 gespeichert wurden, im Schritt 113 errechnet, und das Programm kehrt zum Programm im Host-Prozessor zurück.

Die Durchführung der Schritte 100 bis 103 und der Schritte 106 bis 112 muß innerhalb eines Zeitintervalls beendet sein, innerhalb dessen die Kurbelwelle sich um 1° dreht. Wie oben erwähnt ist es darum bevorzugt, daß die in Fig. 9(a) gezeigte Subroutine von einem Datenfluß-Coprozessor durchgeführt wird. Da der Datenflußprozessor automatisch ein Programm durch­ führt, wenn notwendige Daten für das Programm zugeführt wer­ den, kann der Host-Prozessor, der die Funktionen der Einrich tungen 82 bis 84 in der Regelanordnung 8 übernimmt, die Ver­ arbeitung der Subroutine nach Fig. 9(a) durch den Coprozes­ sor in der folgenden Art steuern. Insbesondere dann, wenn das Kurbelwinkelsignal S3 eingegeben wird, übermittelt der Host- Prozessor, der ein herkömmlicher Neumann-Computer sein kann und den Gesamtbetrieb der Regelanordnung 8 steuert, die Daten des Kurbelwinkels R und des Drucks P(R) im Zylinder zu diesem Zeitpunkt zum Coprozessor. Der Datenflußcoprozessor, in wel­ chem das Programm zur Durchführung der in Fig. 9(a) gezeigten Schritte gespeichert ist, beginnt automatisch diese Schritte durchzuführen. Wenn die Subroutine nach Fig. 9(a) im Schritt 113 endet, so gibt der Coprozessor den Wert ΔP1/Pmax, der im Schritt 113 errechnet wurde, an den Host-Prozessor, der daraufhin die in Fig. 9(b) gezeigten Schritte abzuarbeiten beginnt.

Es ist natürlich auch möglich, einen unabhängig funktionieren­ den Datenfluß-Prozessor als Host-Prozessor zu verwenden. In diesem Fall kann der Host-Prozessor zur Aufführung der in Fig. 9(a) gezeigten Subroutine ebenso herangezogen werden als zur Durchführung der in Fig. 9(b) gezeigten Schritte, die weiter unten erläutert werden. Alternativ kann die maximale Druckänderungsrate (dP/dR)max und der Maximaldruck Pmax von einer Analogschaltung festgelegt werden, von einer Spitzenwert­ halteschaltung anstelle einer reinen softwaremäßigen Darstel­ lung der Funktion.

Es sei hier noch erwähnt, daß die Schritte nach Fig. 9(a) auch leicht modifiziert werden können, wie dies oben in Ver­ bindung mit der Wirkung der Rückkopplungsberechnungseinrich­ tung 81 beschrieben wurde, z.B. in dem Fall, in welchem der Druckwert P(R) in einem Intervall von 2 oder mehr Grad Kurbel­ winkel R abgetastet wird. Wenn beispielsweise die Drehzahl der Kurbelwelle der Maschine 3000/min beispielsweise überschrei­ tet, so kann es auch bei Verwendung eines Datenflußprozessors schwierig werden, den gesamten Zyklus der Schritte 100 bis 103 und 106 bis 112 in einem Intervall von 1° Kurbelwinkel durch­ zuführen. In diesem Fall wird der Druck P(R) in Intervallen von 2° abgetastet. Dann müssen die Werte der Variablen ΔP1, ΔP2 und ΔP in den Schritten 107, 109 und 110 nur durch die durch 2 geteilten Werte, also das Abtastintervall des Kurbelwinkels, geteilt werden.

Fig. 9(b) zeigt die Schritte, die danach der Host-Prozessor zur Erfüllung der Funktionen der Einrichtungen 82 bis 84 der Regelanordnung 8 durchführt. Wenn der Wert von ΔP1/Pmax vom Coprozessor ausgegeben wird, der die Subroutine nach Fig. 9(a) abarbeitet, so entscheidet der Host-Prozessor in einem Schritt 114, ob der Wert ΔP1/Pmax innerhalb eines vorbestimmten Be­ reiches liegt oder nicht. Wenn nein, so wird die Kraftstoff­ einspritzmenge Ti auf eine Fundamentaleinspritzmenge Tp fest­ gelegt, die beispielsweise durch die Gleichung (2) errechnet wird, und ein dementsprechendes Einspritzsignal S5 wird im Schritt 121 ausgegeben. In diesem Fall wird keine Regelung (mit Rückkopplung) durchgeführt. Wenn im Schritt 114 die Ant­ wort ja lautet, so wird daraufhin in den Schritten 115 und 116 das optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine festgelegt. Insbesondere werden im Schritt 115 die Betriebsbedingungen der Maschine aus der Drehzahl N und der Ansaugluftmenge Q (oder dem Saug-Unter­ druck Pb im Ansaugkanal für die Luft zum Zylinder 5) fest­ gelegt. Im Schritt 116 wird das Optimal- oder Grundluft/Kraft­ stoff-Verhältnis A/F entsprechend den Betriebsbedingungen, die im vorigen Schritt 115 festgelegt wurden, festgestellt, indem der entsprechende Wert in einer im Speicher gespeicherten Ta­ belle nachgeschlagen wird. Die Schritte 115 und 116 entspre­ chen in ihrer Funktion derjenigen der Korrektureinrichtung 82a für das optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die oben be­ schrieben wurde. Im nächsten Schritt 117, der in seiner Funk­ tion der oben beschriebenen Umwandlungseinrichtung 82b ent­ spricht wird das optimale Verhältnis A/F in einem entspre­ chenden Betrag des Verhältnisses (dP/dR)max/Pmax umgewandelt, der mit dem Wert von P1/Pmax verglichen werden kann, und zwar unter Verwendung der Beziehung nach Fig. 8. Die Werte aus der Umwandlung im Schritt 117 werden als Wert des Bezugswerts r im Schritt 118 gespeichert. Daraufhin wird im Schritt 119, welcher die Funktion der Fehlerberechnungseinrichtung 83 dar­ stellt, der Fehler e durch folgende Gleichung berechnet:

e = r - RP1 .

In einem letzten Schritt 120, der die Funktion des Regelele­ ments 84 übernimmt, wird die Kraftstoffeinspritzmenge Ti über eine PI- oder PID-Regelmethode eingestellt. Wenn das Ein­ spritzsignal S5, welches die Kraftstoffeinspritzmenge Ti be­ zeichnet, im Schritt 120 festgelegt und ausgegeben wird, so beginnt der Host-Prozessor den Kurbelwinkel R und den Druck P dem Coprozessor zuzuführen. Der Coprozessor beginnt darauf­ hin die Subroutine nach Fig. 9(a) durchzuführen.

Im obigen wurde eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Es ist aber auch möglich, anstelle des oben beschriebenen Druckfühlers, der den Wert des Druckes P im Zylinder mißt, einen Fühler zu verwenden, der die Änderungs­ rate des Drucks P direkt herleitet. Dies erleichtert die oben beschriebene Funktion der Regelanordnung.

Claims (18)

1. Verfahren zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei einer Brennkraftmaschine auf einen optimalen Wert zur Erzielung eines maximalen Drehmomentes, bei welchem mindestens der Kurbelwinkel (R), der Druck (P) in einem Zylinder (5) und die Ansaugluftmenge (Q) der Brennkraftmaschine gemessen und aus den Meßgrößen ein Luft/Kraftstoff- Verhältnis (A/F) berechnet werden, und bei welchem aus einer gespeicherten Funktion f(N;A/F) unter Verwendung der Motordrehzahl (N) und des errechneten Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) eine Soll-Größe (r) bestimmt wird, die mit einer Ist-Größe verglichen wird, um anhand einer so festgestellten Abweichung (e) eine einzuspritzende Kraftstoffmenge im Sinne einer Verringerung der Abweichung (e) zu regeln, dadurch gekennzeichnet, daß als Soll-Größe (r) das Verhältnis der maximalen Druckänderungsrate ((dP/dR)max) zum maximalen Druck (Pmax) im Zylinder innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls (z. B. vom Beginn der Kompression bis zum Ende der Verbrennung) verwendet wird, und daß die Ist-Größe als tatsächliches Verhältnis ((dP/dR)max/Pmax) aus dem im Zylinder (5) gemessenen Druck (P) und der Drehzahl (N) errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in vorbestimmten Kurbelwinkelintervallen (ΔR) Einheitswinkelpulse erzeugt werden, und daß die Druckänderung (ΔP) in einem Intervall zwischen zwei Pulsen bestimmt wird, welches einer vorbestimmten Anzahl (n) der Einheitswinkelpulse (also (n · ΔR)) entspricht, daß eine finite Druckänderungsrate (dP/n · ΔR) als Näherungswert der Druckänderungsrate (dP/dR) verwendet wird, und daß eine maximale finite Druckänderungsrate (dP/n · ΔR)max innerhalb dem vorbestimmten Zeitintervall in jedem Zyklus ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als vorbestimmtes Kurbelwinkelintervall (ΔR) der Wert 1 Grad (1°) verwendet wird und die vorbestimmte Anzahl (n) gleich eins ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Zeitintervall, innerhalb der die maximale finite Druckänderungsrate (ΔP/n · ΔR) bestimmt wird, ein Zeitintervall umfaßt, das vom Beginn eines Kompressionshubs bis zum Ende eines Verbrennungshubs im Zylinder innerhalb eines Zyklus von vier Hüben dauert.

5. Vorrichtung zum Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses bei einer Brennkraftmaschine auf einen optimalen Wert zur Erzielung eines maximalen Drehmomentes, umfassend
Fühler (2, 11, 13) zur Messung mindestens des Kurbelwellenwinkels (R), des Drucks (P) in einem Zylinder (5) und der Ansaugluftmenge (Q) der Brennkraftmaschine,
eine erste Einrichtung (82a) zur Errechnung eines Luft-/ Kraftstoffverhältnisses (A/F) mindestens aus der Ansaugluftmenge (Q),
eine zweite Einrichtung (82b), um aus einer gespeicherten Funktion f(N;A/F) eine Soll-Größe (r) zu bestimmen,
eine dritte Einrichtung (81), um aus dem im Zylinder (5) gemessenen Druck (P) und der Drehzahl (N) eine Ist-Größe zu bestimmen,
einen Vergleicher (83), der die Soll-Größe (r) und die Ist-Größe miteinander vergleicht, und
einen Regler (84), der aus der Abweichung (e) der Ist-Größe von der Soll-Größe (r) die einzuspritzende Kraftstoffmenge im Sinne einer Verringerung der Abweichung (e) regelt, so daß bei einer bestimmten Ansaugluftmenge (Q) ein maximales Drehmoment erzielt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Einrichtung (82b) die Soll-Größe (r) als Verhältnis der maximalen Druckänderungsrate ((dP/dR)max) zum maximalen Druck (Pmax) im Zylinder (5) innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls (z. B. vom Beginn der Kompression bis zum Ende der Verbrennung) unter Verwendung der Motordrehzahl (N) und des errechneten Luft/ Kraftstoffverhältnisses (A/F) herleitet, und
die dritte Einrichtung (81) die Ist-Größe als das tatsächliche Verhältnis ((dP/dR)max/Pmax) bestimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (82b) eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl (N) auf der Basis des Signals vom Kurbelwinkelfühler umfaßt, und die Soll-Größe (r) aus dem Verhältnis A/F bei der Drehzahl (N) bestimmt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (82a) eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl (N) auf der Basis des Signals vom Kurbelwinkelfühler umfaßt und die Drehzahl (N) zusätzlich zur Ansaugluftmenge (Q) zur Berechnung des Luft/ Kraftstoffverhältnisses (A/F) verwendet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler zum Messen der Ansaugluftmenge (Q) einen Luftströmungsmesser (2) umfaßt, der in einem an den Zylinder der Brennkraftmaschine gekoppelten Ansaugkanal (4) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler zur Messung des Drucks (P) in einem Zylinder (5) ein piezoelektrisches Element (13A) umfaßt, das an einem Sockelabschnitt einer Zündkerze (9) angeordnet ist, wobei vom piezoelektrischen Element eine Spannung abgegeben wird, welche dem Druck (P) im Zylinder der Brennkraftmaschine entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (84) derart ausgebildet ist, daß die Kraftstoffeinspritzmenge proportional zur Abweichung (e) und/oder ihrem Integral über eine Zeitperiode (Proportional- Integral-Methode) bestimmt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (84) derart ausgebildet ist, daß die Kraftstoffeinspritzmenge proportional einer Linearkombination der Abweichung (e), ihres Integrals und ihres Differentials bestimmt wird (Proportional-Integral- Differential-Methode).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrocomputer vorgesehen ist, der die Funktionen der ersten, zweiten und dritten Einrichtung (82a, 82b, 81) sowie des Vergleichers (83) und des Reglers (84) übernimmt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer aus einem Host- und einem Co-Prozessor vom Datenflußtyp besteht, wobei der Co-Prozessor die Ist-Größe berechnet, während der Host-Prozessor die Soll-Größe bestimmt und die Funktionen des Vergleichers (83) sowie des Reglers (84) übernimmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (11) zur Messung des Kurbelwinkels (R) eine Einrichtung zur Erzeugung von Einheitswinkelpulsen in vorbestimmten Kurbelwinkelintervallen (ΔR) umfaßt, und daß der Co-Prozessor eine Subroutine umfaßt, um die Druckänderung (ΔP) in einem Zeitintervall zwischen zwei Pulsen zu errechnen, welches einer vorbestimmten Anzahl (n) der Einheitswinkelpulse entspricht (n · ΔR), wobei die finite Druckänderungsrate (dP/n · ΔR) als Näherungswert der Druckänderungsrate (dP/dR) und die maximale finite Druckänderungsrate (ΔP/n · ΔR)max innerhalb einer vorbestimmten Periode in jedem Hubzyklus als Näherungswert für die maximale Druckänderungsrate (dP/dR)max verwendet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als vorbestimmtes Kurbelwinkelintervall (ΔR) der Wert 1 Grad (1°) verwendet wird und die vorbestimmte Anzahl (n) gleich eins ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (81) eine erste Vorrichtung umfaßt, um einen Mittelwert über eine Anzahl von Werten der maximalen Druckänderungsrate (dP/dR)max im Zylinder während des vorbestimmten Zeitintervalls innerhalb eines Hubzyklus zu errechnen, und daß eine zweite Vorrichtung vorgesehen ist, um einen Mittelwert einer Anzahl von Werten des Maximaldrucks (Pmax) im Zylinder während des vorbestimmten Zeitintervalls in einem Hubzyklus herzuleiten, wobei die Ist-Größe aufgrund der ermittelten Mittelwerte bestimmt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Vorrichtungen derart ausgebildet sind, daß die Mittelwerte über eine Anzahl von Werten der maximalen Druckänderungsrate (dP/dR)max und des Maximaldrucks (Pmax) für eine vorbestimmte Anzahl von Hüben im Zylinder gebildet werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Vorrichtungen derart ausgebildet sind, daß die Mittelwerte über eine Anzahl von Werten der maximalen Druckänderungsrate (dP/dR)max und des Maximaldrucks (Pmax) über eine vorbestimmte Zeitperiode gebildet werden.