DE3918772C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Regelung des Betriebs eines Verbrennungsmotors.
Bisher wurden Geräte zur elektronischen Steuerung der
Brennstoffeinspritzung und der Zündung von Ottomotoren
mittels eines Mikrocomputers verwendet. So ist auch "Bosch
Technische Berichte 7 (1981) 3", S. 139 bis 151, ein
System bekannt, welches Sensoren umfaßt, die Informationen
über diverse momentane Betriebsparameter des Motors
liefern, z. B. Luftansaugmenge, Motortemperatur, ferner
Motordrehzahl etc. Außerdem sind in dem System
motorspezifische Daten gespeichert, so daß aus dem
erfaßten Betriebszustand des Motors zusammen mit diesen
Daten Werten für den Zündzeitpunkt sowie die
Brennstoffeinspritzmenge bestimmt werden.
Aus DE 36 09 070 A1 ist ein elektronisches Regelsystem für
Verbrennungsmotoren bekannt, welches zwei zentrale
Prozessoreinheiten (CPU) umfaßt. Von diesen regelt die
eine die Brennstoffzufuhr, während die andere die Regelung
des Zündzeitpunktes übernimmt. Zur Erfassung der
Betriebsbedingungen des Motors sind Sensoren vorgesehen,
welche Betriebsinformationen an die Verarbeitungseinheit
liefern.
Aus "Toyota Engine: 4V-EU E-VG System, troubleshooting
Manual", 1978-11, S. 1 bis 16, ist ein Regelsystem für
Verbrennungsmotoren bekannt, welches Sensoren für
Ansaugluftmenge, Motorbelastung und die Zusammensetzung
der Abgase umfaßt. Die detektierte Zusammensetzung des
Abgases wird in einem Rückführungsregelsystem dazu
verwendet, das Luft-Brennstoff-Gemisch einzustellen.
Aus JP 62-85 148 ist ein Regelgerät bekannt, das eine
präzisere Regelung durch Erfassung des Verbrennungsdruckes
des Motors und Abstimmung des Druckes auf einen
vorausbestimmten Wert vornimmt. Bei diesem Regelgerät wird
die Verbrennungsbedingung durch das Ausgangssignal eines
Zylinderinnendrucksensors (Verbrennungsdruck) in jedem
Zylinder erfaßt, so daß die Regelung der
Zündzeiteinstellung und anderer Parameter einem
vorausbestimmten Muster entspricht.
Bei diesen bekannten Geräten wird die Regelung mit dem
Ziel ausgeführt, den Verbrennungsdruck in Einklang mit
einem im voraus anhand eines Standardmotors bestimmten
Verbrennungsmuster zu bringen. Im Falle der
Massenherstellung einer großen Anzahl von Motoren ergibt
sich aber eine beträchtliche Streuung. Dementsprechend
erfordern individuelle Motoren individuell
unterschiedliche Verbrennungsmuster. Aus diesem Grunde
kann nicht absolut gesagt werden, daß die Genauigkeit der
Regel verbessert wird, wenn der Verbrennungsdruck durch
Verwendung eines einheitlichen Standardmusters geregelt
wird. Durch eine solche Regelung kann im Gegenteil das
Leistungsverhalten des Motors eher vermindert werden.
Weiter werden bei dem bekannten Gerät die
Brennstoff-Einspritz-Zeiteinstellung, die Zusammensetzung
der Abgase und dgl. als Betriebsparameter zur Regelung des
Verbrennungsdruckes gesteuert. Die wirksamsten Parameter
der Ausgangsleistung des Motors sind aber die
Verbrennungseinspritzmenge und das zugehörige
Zündzeiteinstellungsoptimum.
Allgemein ist der frei regelbare Bereich der
Brennstoffeinspritzmenge begrenzt, um die
Komponentenkonzentration des Abgases auf ein niedriges
Niveau herabzudrücken. Daher müssen die
Brennstoffeinspritzmenge und die Zündzeiteinstellung
zusammenhängend geregelt werden, um den Einfluß der
Komponenten des Abgases mit dem Leistungsverhalten des
Motors miteinander in Einklang zu bringen.
Weiter ist es bei einem Benzinmotor zur Reinigung des
Abgases und zur Verbesserung der Ausgangsleistung des
Motors erforderlich, das Luft-Brennstoff-Verhältnis und
die Zündzeiteinstellung genau in Übereinstimmung mit der
Betriebsbedingung des Motors zu regeln. Aus diesem Grunde
ist bei Kraftfahrzeug-Benzinmotoren ein Verfahren in
großem Umfange benutzt worden, bei dem ein Mikrocomputer
dazu verwendet wird, das Luft-Brennstoff-Verhältnis und
die Zündzeiteinstellung zu regeln.
Beispielsweise wird die Regelung des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses auf Basis der
Brennstoffmengeneinspritzung in der folgenden Weise
ausgeführt. Die Menge der Ansaugluft (Qa) im Motor wird
durch einen Luftstromsensor im Lufteinlaßkanal erfaßt. Die
Motorgeschwindigkeit bzw. die Anzahl der Motorumdrehungen
pro Zeiteinheit (Ne) wird durch das Ausgangssignal eines
Umdrehungszahlsensors auf der Kurbelwelle oder dgl.
gewonnen. Die auf eine Motorumdrehung entfallende
Luftmenge (Qa/Ne) wird berechnet und dementsprechend
wird die Menge der Brennstoffgrundeinspritzung anhand der
Luftmenge (Qa/Ne) ermittelt. Die Größe der
Brennstoffgrundeinspritzung wird dazu benutzt, ein
Luft-Brennstoff-Zielverhältnis für jeden vorausbestimmten
Betriebspunkt zu gewinnen. Dann wird in Übereinstimmung
mit dem Ausgangssignal eines Wassersensors oder dgl., der
zur Erfassung der Temperatur des Motorkühlwassers
vorgesehen ist, eine Korrektur vorgenommen, um auf diese
Weise endgültig die Brennstoffeinspritzmenge zu bestimmen.
Aufgrund eines Einspritzimpulssignals mit einer, der wie
oben bestimmten, Brennstoffeinspritzmenge entsprechenden
Impulsbreite wird ein Einspritzgerät zum synchronen Öffnen
seines Ventils mit der Motorumdrehung und Einspritzen von
Brennstoff in den Motor betätigt. Weiter wird im unteren
Belastungsbereich und im Teillastbereich ein
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor, bei dem sich das
Ausgangssignal in der Nähe des theoretischen
Luft-Brennstoff-Verhältnisses rasch ändert, verwendet, um
daraus zu schließen, ob das tatsächliche
Luft-Brennstoff-Verhältnis auf der fetten Seite oder auf
der mageren Seite liegt. Eine auf dieser Beurteilung
basierende Rückführungskorrektur wird auf die Menge der
Brennstoffeinspritzung ausgeübt, so daß das
Luft-Brennstoff-Verhältnis in der Weise geregelt wird, daß
es sich dem theoretischen Luft-Brennstoff-Verhältnis
annähert. Indem das Luft-Brennstoff-Verhältnis immer auf
das theoretische Luft-Brennstoff-Verhältnis hin geregelt
wird, kann die Reinigung der Abgase hochwirksam durch eine
ternärkatalytische Methode ausgeführt werden.
Des weiteren wird die Regelung der Zündzeiteinstellung in
der folgenden Weise durchgeführt. Im allgemeinen wird eine
auf einer Karte vorausbestimmte Frühzündungseinstellung
entsprechend der Luftmenge (Qa/Ne) und der
Motorgeschwindigkeit (Ne) abgelesen. Die Stromführung
einer Zündspule wird durch ein auf der so abgelesenen
Frühzündungseinstellung beruhendes Zündsignal gesteuert.
Im allgemeinen ist die Frühzündungseinstellung so
eingestellt, daß eine MBT (die zur Erzeugung des maximalen
Motordrehmomentes erforderliche
Minimum-Frühzündungseinstellung) angestrebt wird. Da die
MBT in weitem Umfange aufgrund einer Reihe von Faktoren
variiert, wie etwa Streuung der Motortemperatur und des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses, Maßfehler bei der
Brennstoffkammer, Temperatur und Feuchtigkeit der
Ansaugluft und dgl., ist es schwierig, durch ein solches
einfaches "offenes" Regelverfahren kontinuierlich die
optimale Zündzeiteinstellung zu erreichen. Es gibt das
Problem, daß eine Störung durch Klopfen oder eine
Verringerung des Drehmomentes auftreten kann. Deshalb
wurde eine Verbesserung solcher Art vorgeschlagen, wie sie in
der ungeprüften japanischen Patentpublikation Nr. 62-82 273
beschrieben ist. Die Verbesserung ist so konzipiert, daß
die Rückführungsregelung der Zündzeiteinstellung auf der
Basis des gemessenen Wertes des Zylinderinnendruckes
erfolgt, um das Motordrehmoment zu maximieren.
Entsprechend dem Rückführungsregelverfahren auf Basis des
Zylinderinnendruckes ist beispielsweise ein
Umdrehungszahlsensor vorgesehen, der für jeden
Kurbelwellenwinkelgrad (1°) einen Impuls erzeugt. Der für
jeden erzeugten Impuls gemessene Ausgangswert (P0) des
Zylinderinnendrucksensors wird nacheinander abgelesen, so
daß ein mittlerer Effektivdruck (P1) aus dem
Zylindervolumen (V) und der Kolbenverschiebung (Vn)
entsprechend dem laufend erfaßten Kurbelwellenwinkel
berechnet wird, entsprechend der folgenden Gleichung:
Somit dient die Rückführungsregelung der
Zündzeiteinstellung zur Maximierung von P1.
Wie oben beschrieben, ist das herkömmliche
Rückführungsregelverfahren des Zylinderinnendruckes der
Versuch, ein maximales Drehmoment durch Korrektur der
Zündzeiteinstellung zwecks Maximierung des mittleren
Effektivdruckes (P1) zu erzielen. Im oberen
Belastungsbereich wird aber die Rückführungsregelung des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses unterbunden, so daß dort die
"offene" Regelung stattfindet. Infolgedessen äußert sich
ein durch Merkmalsstreuung auf seiten der Sensoren,
Einspritzgeräte und Brennstoffe verursachter
Luft-Brennstoff-Verhältnisfehler als Verminderung des
Drehmomentes. Damit wird es unmöglich, das beste
Drehmoment aus dem Motor herauszuholen, selbst wenn die
Rückführungsregelung des Zylinderinnendruckes durch
Korrektur der Zündeinstellung erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Verfahren zur Regelung des Betriebes eines
Verbrennungsmotors zu schaffen, dessen Betrieb so zu
regeln ist, daß die Verbrennungsbedingungen des Motors
entsprechend der Betriebsbedingungen des Motors geregelt
werden, um eine maximale Leistung und einen maximalen
Wirkungsgrad des Motors zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur
Regelung des Betriebes eines Verbrennungsmotors mit den
Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vielzahl von
Vorteilen erzielt. Zum einen wird durch die
erfindungsgemäße Regelung bewirkt, daß Leistung und
Wirkungsgrad des Motors verbessert werden. Gleichzeitig
wird die Konzentration schädlicher Komponenten und Abgase
innerhalb oder unter einem vorbestimmten Niveau
gehalten, so daß der so geregelte Motor auch schadstoffarm
ist. Damit wird einerseits eine hohe Motorleistung und ein
optimaler Wirkungsgrad erreicht, zum anderen wird der
Schadstoffausstoß minimiert, was sich wiederum günstig auf
den Brennstoffverbrauch des Motors und somit auf dessen
Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird
die Brennstoffversorgungsmenge Qf oder die
Zündzeiteinstellung Ri in vorteilhafter Weise so
korrigiert, daß der auf der Basis der Ansaugluftmenge
Qa, der Motorgeschwindigkeit N und des mittleren
Effektivdruckes Pi im Motor erhaltene
Bewertungsparameter A = Pi/(Qa/N) maximiert wird, oder
daß der auf der Basis des Ansaugleitungsdruckes Pb und
des mittleren Effektivdrucken Pi gewonnene Parameter
B = Pi/Pb maximiert wird, oder daß der maximale Druck
Pmax oder der mittlere Effektivdruck Pi bei jedem
Verbrennungszyklus maximiert wird, so daß die Regelung auf
der Basis des Ergebnisses der vorgenannten Korrektur
erfolgt.
Weiter wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die
Rückführungsregelung der Brennstoffversorgungsmenge Qf
mit einer Regeleinheit durchgeführt und die
Zündzeiteinstellung durch das oben erwähnte
Korrekturmittel berichtigt.
Weiter wird beim Verfahren gemäß der Erfindung mit einer
im Regelgerät des Verbrennungsmotors die
Rückführungsregelung vorteilhaft in einem vorausbestimmten
Belastungs-Betriebsbereich des Motors ausgeführt und in
anderen Betriebsbereichen des Motors die
Rückführungsregelung unterbunden und die
Brennstoffversorgungsmenge Qf korrigiert.
Ein Motorregelgerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß
der Erfindung umfaßt: ein
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelungsmittel zur Regelung
des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Motors; ein
Zündzeiteinstellungregelungsmittel zur Regelung der
Zündeinstellung des Motors; ein
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsmittel zur Erfassung
des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Motors; ein
Belastungserfassungsmittel zur Erfassung der Belastung
des Motors; ein Zylinderinnendruck-Erfassungsmittel zur
Erfassung des Innendruckes eines Zylinders des Motors; ein
erstes Mittel zur Erzeugung eines
Zylinderinnendruck-Rückführungssignals, das auf das
Ausgangssignal des Zylinderinnendruck-Erfassungsmittels
anspricht zur Erzeugung eines ersten
Zylinderinnendruck-Rückführungssignal und zum Anlegen des
ersten Zylinderinnendruck-Rückführungssignals an das
Zündzeiteinstellungsregelungsmittel, um auf diese Weise
das Ausgangsdrehmoment des Motors aufgrund des
Zylinderinnendruckes wesentlich zu maximieren; ein
Belastungsbeurteilungsmittel, das auf das Ausgangssignal
des Belastungserfassungsmittels anspricht, um zu
entscheiden, ob die Belastung des Motors im unteren oder
im Teillastbereich oder im oberen Belastungsbereich liegt;
ein Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückführungssignal-
Erzeugungsmittel zur Erzeugung eines
Luft-Brennstoff-Rückführungssignals und zum Anlegen des
Luft-Brennstoff-Rückführungssignals an das
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelungsmittel, um auf diese
Weise das Luft-Brennstoff-Verhältnis einem theoretischen
Wert anzunähern, wenn das Belastungsbeurteilungsmittel
nachweist, daß die Belastung des Motors im unteren oder im
Teillastbereich liegt; und ein zweites Mittel zur
Erzeugung eines Zylinderinnendruck-Rückführungssignals zur
Erzeugung eines zweiten
Zylinderinnendruck-Rückführungssignals und zum Anlegen des
zweiten Zylinderinnendruck-Rückführungssignals an das
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelungsmittel, um auf diese
Weise das Drehmoment des Motors wesentlich zu maximieren,
wenn das Lastbeurteilungsmittel nachweist, daß die
Belastung des Motors im oberen Belastungsbereich liegt.
Das Gerät besitzt ein besonderes Merkmal insofern, als die
Rückführungsregelung des Last-Brennstoff-Verhältnisses wie
auch die Rückführungsregelung der Zündzeiteinstellung
erfolgt, um das Drehmoment des Motors im oberen
Belastungsbereich wesentlich zu maximieren, wo nach dem
Stande der Technik die Rückführungsregelung des
Last-Brennstoff-Verhältnisses bisher nicht durchgeführt
worden ist.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dient
vorteilhaft dazu, den maximalen Druck Pmax oder den
mittleren Effektivdruck Pi bei jedem Verbrennungszyklus
auf der Basis des Verbrennungskammerdruckes Pc und des
Kurbelwellenwinkels Rc zu erzielen; es wird die
Brennstoffversorgungsmenge Qf oder die
Zündzeiteinstellung Ri korrigiert, um mindestens einen
der folgenden Parameter maximaler Druck Pmax, mittlerer
Effektivdruck Pi und Bewertungsparameter A und B zu
maximieren; und es wird auf der Basis der korrigierten
Brennstoffversorgungsmenge Qf der Motor mit Brennstoff
versorgt bzw. auf der Basis der korrigierten
Zündzeiteinstellung Ri die Zündregelung durchgeführt.
Weiter erfaßt das Regelgerät zur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung auf der Basis der vom
Abgasdetektor erfaßten Komponentenkonzentration des
Verbrennungsgases das Luft-Brennstoff-Verhältnis; es führt
die Rückführungsregelung der Brennstoffversorgungsmenge
Qf derart aus, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis einen
vorausbestimmten Wert annimmt; und es korrigiert die
Zündzeiteinstellung Ri um mindestens einen der folgenden
Parameter maximaler Druck Pmax, mittlerer Effektivdruck
Pi und Bewertungsparameter A und B zu maximieren.
Weiter erfaßt das Regelgerät zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf der Basis der vom
Abgassensor erfaßten Komponentenkonzentration des
Verbrennungsgases das Luft-Brennstoff-Verhältnis; es führt
die Rückführungsregelung der Brennstoffversorgungsmenge
Qf derart aus, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis einen
vorausbestimmten Wert erreicht und unterbindet die
Rückführungsregelung in einem vorausbestimmten
Last-Betriebs-Bereich des Motors; und es korrigiert zur
gleichen Zeit die Brennstoffversorgungsmenge Qf derart,
daß mindestens einer der folgenden Parameter maximaler
Druck Pmax, mittlerer Effektivdruck Pi sowie
Bewertungsparameter A und B maximiert werden.
Weiter wird im unteren Belastungsbereich und im
Teillastbereich das
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelungsmittel so betrieben,
daß es die Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelung auf der
Basis des Ausgangssignals der
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsmittel ausführt. Auf
diese Weise wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis des Motors
im wesentlichen dem theoretischen
Luft-Brennstoff-Verhältnis angenähert. Weiter erfolgt die
Zündzeiteinstellungsregelung auf der Basis des
Ausgangssignals des Zylinderinnendruck-Erfassungsmittels,
um das Drehmoment des Motors wesentlich zu maximieren.
Im oberen Belastungsbereich werden sowohl die
Zündzeiteinstellungsregelung als auch die
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Regelung auf der Basis des
Ausgangssignals des Zylinderinnendruck-Erfassungsmittels
durchgeführt. Infolgedessen wird der Innendruck
(Verbrennungsdruck) des Zylinders so gesteuert, daß das
maximale Drehmoment auch dann erreicht wird, wenn das
Luft-Brennstoff-Verhältnis fett ist.
Leistung und Wirkungsgrad des Motors können so verbessert
werden, während gleichzeitig eine Störung zwischen der auf
dem Abgassensor basierenden
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückführungsregelung und der
auf dem Verbrennungsparameter beruhenden
Maximalwertregelung unterdrückt wird, wobei weiter zur
gleichen Zeit die Komponentenkonzentration des Abgases
innerhalb oder unter einem vorausbestimmten Niveau
gehalten wird.
Da weiter die vorliegende Erfindung in der beschriebenen
Weise so konzipiert ist, kann die
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückführungsregelung wie auch
die Zündzeiteinstellungs-Rückführungsregelung in
Übereinstimmung mit dem Zylinderinnendruck durchgeführt
werden, selbst im oberen Belastungsbereich, wo nach dem
Stande der Technik keine Rückführungsregelung des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses erfolgen sollte. Somit kann
in bezug auf das Motordrehmoment das Beste erreicht werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Schaubild des Regelgerätes des
Verbrennungsmotors als eine der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild dar, das den inneren
Aufbau der Regeleinheit der Ausführungsform nach
Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ist ein Kenngrößendiagramm, das ein Beispiel des
Verbrennungsdruckwellenverlaufes der
Ausführungsform nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 und 5
stellen Kenngrößendiagramme dar, welche die
Beziehung zwischen den Verbrennungsparametern,
dem Luft-Brennstoff-Verhältnis und der
Zündzeiteinstellung wiedergeben;
Fig. 6(a) bis 6(c), 7 und 8
stellen Flußdiagramme dar, die den Betriebsablauf
zur Durchführung der Maximalbetragsregelung gemäß
der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 9 stellt ein Erläuterungsbild für ein Beispiel zur
Zonentrennung zwischen Betriebsbedingung und
Zuweisung der Speicher dar;
Fig. 10 stellt ein Flußdiagramm dar, das den
Betriebsablauf in einem Übergangszustand gemäß
der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11 ist ein Schaubild, das die gesamte Organisation
des Motorregelgerätes gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darstellt;
Fig. 12 ist ein partielles Blockdiagramm zur vorerwähnten
Ausführungsform;
Fig. 13 bis 15
sind Kenngrößendiagramme zur Erläuterung der
Regeloperation der erwähnten Ausführungsform; und
Fig. 16 stellt ein Flußdiagramm zur Durchführung der
Regeloperation der erwähnten Ausführungsform dar.
Fig. 1 ist ein Schaubild, das den
grundsätzlichen Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung
wiedergibt. In der Zeichnung bedeuten die Bezugszeichen: 1
- einen Luftreiniger; 2 - einen Luftstrommesser zur
Messung der Menge der Ansaugluft; 3 - ein Drosselventil; 4
- ein Verteilerrohr für Ansaugluft; 5 - einen
Zylinderblock; 6 - einen Wassertemperatursensor zur
Erfassung der Temperatur des Motorkühlwassers; und 7 -
einen Kurbelwellenwinkelsensor.
Der Kurbelwellenwinkelsensor 7 erzeugt in jeder
Bezugsstellung des Kurbelwellenwinkels einen
Referenzimpuls (z.B. für jede 180 Grad bei einem
Vierzylindermotor oder für jede 120 Grad bei einem
Sechszylindermotor) und er erzeugt einen
Einheitswinkelimpuls für jeden Einheitswinkel (z.B. für
jeden einzelnen Grad).
Weiter bezeichnen die Bezugszeichen: 8 - ein
Abgaserteilerrohr; 9 - einen Abgassensor zur Erfassung
der Komponentenkonzentration (z.B. der
Sauerstoffkonzentration) eines Abgases; 10 - ein
Brennstoffeinspritzventil; 11 - eine Zündkerze; 13 - einen
Zylinderinnendrucksensor (im folgenden als
"Verbrennungsdrucksensor" bezeichnet) zur Erfassung des
Zylinderinnendruckes; und 15 - eine Regeleinheit.
In der Regeleinheit 15 wird der momentane
Kurbelwellenwinkel durch Zählen der Anzahl der
Einheitswinkelimpulse nach Eingang eines Referenzimpulses
festgestellt.
Weiter kann die Motorgeschwindigkeit durch Messen der
Frequenz bzw. der Periode der Einheitswinkelimpulse
festgestellt werden.
Obwohl die Ausführungsform nach Fig. 1 den Fall zeigt, bei
der der Kurbelwellenwinkelsensor in einem Verteiler
untergebracht ist, kann die Erfindung auch dann angewendet
werden, wenn der Kurbelwellenwinkelsensor unmittelbar mit
der Kurbelwelle verbunden ist.
Das Bezugszeichen 2a verweist auf einen
Ansaugleitungsdrucksensor. Jedes der Ausgangssignale des
Sensors 2a und des Luftstrommessers 2 wird für die
Rückführungsregelung der Brennstoffversorgungsmenge und
der Zündzeiteinstellung verwendet.
Die Regeleinheit 15 weist den in Fig. 2 dargestellten
Aufbau auf. In der Zeichnung bezieht sich das
Bezugszeichen 151 auf einen A-D(Analog-Digital)-Wandler,
der das Ausgangssignal S 1 des Luftstrommessers 2 oder das
Ausgangssignal S 1a des Ansaugleitungsdrucksensors 2a, das
Ausgangssignal S 2 des Wassertemperatursensors 6, das
Ausgangssignal S 4 des Abgassensors 9, und das
Ausgangssignal S 6 des Verbrennungsdrucksensors 13 empfängt.
Das Bezugszeichen 152 bezeichnet eine
Eingabeschnittstelle, die das Ausgangssignal S 3 des
Kurbelwellenwinkelsensors 7 aufnimmt.
Das Bezugszeichen 153 bezeichnet eine CPU, die mit einem
ROM 154 und einem RAM 155 zur Verarbeitung des erwähnten
Eingangssignals gemäß einem vorgegebenen Programm
zusammenarbeitet.
Das Bezugszeichen 156 bezeichnet eine
Ausgangsschnittstelle, welche das Ausgangssignal der CPU
153 empfängt und ihrerseits Ausgangssignale S 5 und S 6
liefert. Das Ausgangssignal S 5 ist ein Impulssignal zur
Betätigung des Brennstoffeinspritzventils 10. Die
Brennstoffversorgungsmenge kann über die Impulsbreite des
Impulssignals gesteuert werden.
Das Ausgangssignal S 7 ist ein Zündzeiteinstellungssignal,
welches durch eine Leistungseinheit 16 verstärkt wird. Die
Zündspule 17 wird durch das Ausgangssignal S 8 der
Leistungseinheit 16 betrieben.
Das Ausgangssignal S 9 der Zündspule 17 wird durch einen
Verteiler 18 als Ausgangssignal S 10 auf die Zündkerzen 11
verteilt, die jeweils in den Zylindern angeordnet sind.
Im folgenden wird die Betriebsweise beschrieben. Das
Grundverfahren zur Regelung der Brennstoffeinspritzung und
der Zündzeiteinstellung auf der Basis des Ausgangssignals
des Luftstrommessers 2 oder des Ansaugleitungsdrucksensors
2a des Gerätes nach Fig. 1 ist allgemein bekannt, so daß
eine detaillierte Beschreibung entfallen kann. Deshalb
wird die auf die vorliegenden Erfindung bezogene
Betriebsweise näher im einzelnen beschrieben.
In Fig. 3 ist die Beziehung zwischen dem Verbrennungsdruck
Pc und dem Kurbelwellenwinkel Rc dargestellt. Gemäß
Fig. 3 erreicht das Ausgangssignal S 6 des
Verbrennungsdrucksensors 13 in der Nähe des oberen
Totpunktes des Kurbelwellenwinkels (TDC) ein Maximum. Es
möge Pmax der Maximalwert sein.
Der mittlere Effektivdruck Pi (Zylinderinnendruck) wird
dann durch Integration des Verbrennungsdruckes P über
einen Zyklus wie folgt berechnet:
In der Gleichung (1) bedeutet Vs die Kolbenverschiebung,
welche dargestellt wird durch die Gleichung:
Weiter stellt V das Zylindervolumen dar, welches durch die
folgende Gleichung (2) dargestellt wird:
Darin bedeutet l die Steuerlänge, r den Kolbenhub und Rc
den Kurbelwellenwinkel.
Demzufolge wird die folgende Gleichung (3) aus der
Gleichung (2) gewonnen:
Entsprechend kann der mittlere Effektivdruck Pi durch
Einsetzen der Gleichung (3) in die Gleichung (1) berechnet
werden.
Der so erhaltene mittlere Effektivdruck Pi ist allgemein
als Parameter zur direkten Erfassung der Leistungsabgabe
des Motors bekannt.
Andere Parameter A und B können berechnet werden aus dem
mittleren Effektivdruck Pi; der auf der Basis des
Ausgangssignals S 1 des Luftstrommessers 2 erhaltenen
Ansaugluftmenge Qa des Motors; oder dem auf der Basis
des Ausgangssignals S 1a des Ansaugleitungsdrucksensors 2a
erhaltenen Ansaugleistungsdruckes Pb; und der auf der
Basis des Kurbelwellenwinkels erhaltenen
Motorgeschwindigkeit N. Diese Parameter A und B sind auch
als Parameter zur Abschätzung der Verbrennungsenergie oder
des Wirkungsgrades aus der Menge Qa/N oder Pb der
Ansaugluft je Motorhub verwendbar.
A = Pi/(Qa/N) (4)
B = Pi/Pb (5)
Typische Beziehungen zwischen diesen Bewertungsparametern
(Pmax, Pi, A, B), dem Luft-Brennstoff-Verhältnis und
der Zündzeiteinstellung sind in den Fig. 4 und 5
dargestellt.
Wie in Fig. 4 gezeigt, weisen Pmax und Pi Maximalwerte
auf. Es geht aus Fig. 4 deutlich hervor, daß die maximale
Ausgangsleistung durch Regelung des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses in Richtung auf eine
Maximierung dieser Parameter erzielt werden kann.
Weiter sind die Bewertungsparameter A und B Parameter zur
Wiedergabe der Verbrennungsenergie, die aus der je Hub
eingesetzten Ansaugluftmenge gewonnen werden kann.
Bekanntlich kann der optimale Wirkungsgrad durch Regelung
des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in Richtung auf eine
Maximierung der Parameter A und B erreicht werden.
Wie in Fig. 5 gezeigt, nimmt der Wert Pmax mit der
Vorverlegung der Zündzeiteinstellung Rig zu, wobei
jedoch der mittlere Effektivdruck Pi und die
Bewertungsparameter A und B Maximalwerte aufweisen.
Bei einem Motor mit dieser Leistungsfähigkeit kann die
Maximalleistung und der optimale Wirkungsgrad durch
Regelung der Zündzeiteinstellung in Richtung auf eine
Maximierung des mittleren Effektivdruckes Pi und der
Bewertungsparameter A und B erhalten werden.
Der vorerwähnte Regelvorgang wird unter Bezugnahme auf die
Flußdiagramme der Fig. 6(a) und 6(b) näher im einzelnen
beschrieben. Was zunächst Fig. 6(a) angeht, zeigt sie ein
Flußdiagramm zur Erfassung des Verbrennungsdruckes. In
Schritt 101 wird die Ausgabe Rc des
Kurbelwellenwinkelsensors ausgelesen. Die Ausgabe des
Kurbelwellenwinkelsensors kann in Form von Zählimpulsen
erfolgen, die für jeden vorbestimmten Grad (z.B. für 1°)
des Kurbelwellenwinkels erzeugt werden, oder sie kann in
Form eines dem Winkel entsprechenden Codes erzeugt werden.
Dann wird in Schritt 102 die Ausgabe Pc des
Verbrennungsdrucksensors 13 ausgelesen. Das Auslesen von
Pc erfolgt für jeden vorbestimmten Grad (z.B. für 1°)
des Kurbelwellenwinkels.
Dann findet in Schritt 103 eine Entscheidung darüber
statt, ob Pc größer als P′max ist oder nicht. Da
P′max in einer Anfangsstufe eines einzelnen
Verbrennungszyklus gelöscht wird, ist der erste
ausgelesene Wert von Pc größer als P′max.
Dementsprechend wird in Schritt 104 der Wert Pc auf dem
Wert P′max gehalten.
Dann wird in Schritt 105 der mittlere Effektivdruck P′i
anhand der oben erwähnten Gleichung berechnet.
Anschließend wird in Schritt 106 durch den Wert des
Kurbelwellenwinkelsignals Rc ein Urteil darüber gefällt,
ob ein Verbrennungszyklus beendet ist oder nicht. Ist er
nicht beendet, wird auf Schritt 101 zurückgegangen.
Wie oben beschrieben, wird der Wert P′max in Schritt 104
sukzessive auf einen höheren Wert aktualisiert, wenn Pc
zunimmt. Falls Pc abnimmt, entfällt die Prozedur in
Schritt 104, so daß der Maximalwert von Pc in einem
einzelnen Verbrennungszyklus auf dem Wert P′max gehalten
werden kann.
Im Zeitpunkt, in dem ein Zyklus beendet ist, geht die
Schrittfolge von Schritt 106 auf Schritt 107 über. In
Schritt 107 wird der Wert P′max in Pmax gespeichert.
Dann wird in Schritt 108 der Wert P′i in Pi
gespeichert. Anschließend werden in Schritt 109 P′max
und P′i gelöscht. Danach wird die vorerwähnte Prozedur,
beginnend mit Schritt 101, für einen neuen Zyklus
wiederholt.
Die oben erwähnten Werte von Pmax und Pi werden bei
der nachfolgenden Brennstoffregelung und
Zündzeiteinstellung verwendet.
Fig. 6(b) stellt ein Flußdiagramm zur Regelung der
Brennstoffeinspritzmenge in Richtung auf eine Maximierung
des mittleren Effektivdrucken Pi dar, der in der Prozedur
nach Fig. 6(a) gewonnen wurde. Obwohl nicht angegeben,
werden die Anfangswerte Pi(0) und Pi(1) des mittleren
Effektivdruckes Pi auf Null gestellt.
Gemäß Fig. 6(b) dient der Schritt 201 zum Lesen des
mittleren Effektivdruckes Pi, der in einem (n-1)-ten
Verbrennungszyklus geschaffen wird, d.h. er dient zum
Lesen des Wertes Pi(n-1). Ähnlich dient der Schritt 202
zum Lesen des mittleren Effektivwertes Pi in einem
(n)-ten Brennstoffzyklus, d.h. er dient zum Lesen von
Pi(n).
Dann werden in Schritt 203 die Größen von Pi(n) und
Pi(n-1) diskriminiert. Da Pi(1) in der Anfangsstufe
dem Wert Pi(0) entspricht, geht der Schritt auf Schritt
204 über. In der Zeichnung stellt Tn die Impulsbreite
dar, mit der das Brennstoffeinspritzventil das letzte Mal
betätigt wurde. In der Anfangsstufe wird Tn auf eine
Impulsbreite von T0 eingestellt. Diese Impulsbreite T0
entspricht dem in Fig. 4 dargestellten
Luft-Brennstoff-Bezugsverhältnis (A/F)0. Die
Impulsbreite T1 des nächsten Verbrennungszyklus wird
durch Subtrahieren des Wertes ΔT von der Impulsbreite T0
gewonnen.
Dann wird in Schritt 206 das Brennstoffeinspritzventil
durch die Impulsbreite T1 betätigt. Da die Impulsbreite
T1 um den Wert ΔT kleiner als die Impulsbreite T0 ist,
wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis gemäß Fig. 4 zur
mageren Seite hin verschoben, womit der durch diese
Einspritzung erzeugte mittlere Effektivdruck Pi(2)
größer als Pi(1) wird.
Im folgenden Schritt 207 wird der mittlere Effektivdruck
Pi(2) ausgelesen. Im anschließenden Schritt 208 wird der
mittlere Effektivdruck Pi(0) ersetzt durch Pi(1). In
Schritt 209 wird der mittlere Effektivdruck Pi(1)
ersetzt durch P1(2). Weiter wird in Schritt 210 die
Impulsbreite T0 durch den Wert T1 ersetzt.
Anschließend wird auf Schritt 201 zurückgegangen.
Wie oben beschrieben, wird die Impulsbreite Tn+1 immer
dann verringert, wenn ΔT in Schritt 204 subtrahiert wird.
Dementsprechend nähert sich der Wert Tn+1 der
Impulsbreite Topt entsprechend dem in Fig. 4 gezeigten
optimalen Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F)opt.
Wenn der Wert Tn+1 noch weiter reduziert wird, so daß er
unter die Impulsbreite Topt sinkt, wird der mittlere
Effektivdruck Pi umgekehrt (reversiert).
Da die Beziehung Pi(n) < Pi(n-1) in Schritt 203
hergestellt wird, geht der nächste Schritt auf Schritt 205
über. In Schritt 205 wird die Impulsbreite Tn+1
umgekehrt gesetzt, so daß sie um den Betrag ΔT größer als
der letzte Wert Tn ist.
Wenn die vorerwähnte Operation wiederholt wird, nähert
sich die Pulsbreite Tn+1 dem Wert Topt, so daß der
mittlere Effektivdruck Pi in die Nähe seines
Maximalwertes gebracht wird. Der Subtrahend ΔT wird so
klein wie möglich angesetzt. Der Grund dafür liegt darin,
daß sich die Impulsbreite Tn+1 in der Nähe von Topt in
dem Maße stark verändert, wie der Subtrahend ΔT wächst,
wodurch ein stabiler Lauf bei einem genügend nahe an
Topt gelegenen Wert unmöglich wird.
Die Fig. 6(b) ist eine zum Zwecke der Erläuterung des
Betriebsprinzips vereinfachte Zeichnung. Deshalb kann der
folgende Betriebsfehler auftreten.
Es sei angenommen, daß die Impulsbreite Tn zwischen T0
und Topt liegt. Dann kann sich die Impulsbreite Tn
durch die in Schritt 204 angezeigte Subtraktion dem Wert
Topt annähern. Wenn jedoch die in Schritt 205 erfolgende
Addition fälschlich für die in Schritt 204 erfolgende
Subtraktion erfolgt, nimmt der mittlere Effektivdruck Pi
ab, und dementsprechend wird die in Schritt 205 erfolgende
Addition, basierend auf der Entscheidung in Schritt 203
des nächsten Zyklus, ausgeführt. Infolgedessen weicht die
Pulsbreite in Richtung auf die Pulsbreite T0 ab. Das
erwähnte Problem kann logisch in der in Fig. 6(c)
gezeigten Weise gelöst werden.
Fig. 6(c) zeigt den Punkt, wo die Verbesserung erfolgt.
Andere, nicht in Fig. 6(c) gezeigte Abschnitte entsprechen
jenen der Fig. 6(b). In Fig. 6(c) dient der Schritt 303
zum Setzen des Flip-Flop I auf 0, wenn die Subtraktion in
Schritt 204 ausgeführt wird. In ähnlicher Weise dient der
Schritt 304 zum Setzen des Flip-Flop I auf 1, wenn die
Addition in Schritt 205 ausgeführt wird. Nach Beendigung
der Prozedur der Schritte 304 oder 303 geht der Schritt
weiter nach Schritt 206.
Im nächsten Zyklus wird in den Stufen 301 und 302 der Wert
des Flip-Flop I überprüft, nachdem das Urteil in Schritt
203 gefällt wurde. Falls der Flip-Flop I auf 0 gesetzt
wurde, wenn von Schritt 203 nach Schritt 203 übergegangen
wird, ist der mittlere Effektivdruck Pi gewachsen
infolge der Subtraktion. Dementsprechend wird in diesem
Falle die Subtraktion in Schritt 204 erneut ausgeführt, um
die Impulsbreite Tn+1 dem Wert Topt anzunähern.
Falls der Flip-Flop I auf den Wert 1 gesetzt wurde, ist
der mittlere Effektivdruck Pi gewachsen infolge der
letzten Addition. Demgemäß wird die Entscheidung gefällt,
daß die Impulsbreite rechts von Topt liegt (d.h., Tn+1
<Topt). Entsprechend geht der Schritt auf Schritt 205
über, so daß in Schritt 205 die Addition zur Annäherung
der Impulsbreite Tn+1 an den Wert Topt erfolgt. Die
Operation in Schritt 302 ist die gleiche wie die oben
beschriebene.
Aus der vorgenannten Beschreibung geht hervor, daß der
Flip-Flop I dazu dient, eine Entscheidung darüber zu
fällen, ob die Impulsbreite Tn+1 auf der rechten Seite
von Topt liegt oder nicht, um auf diese Weise zu
verhindern, daß die Impulsbreite in umgekehrter Richtung
divergiert, wie anfänglich festgestellt wurde.
Natürlich muß in der ersten Stufe der Flip-Flop I auf 0
gesetzt werden, ebenso wie die Impulsbreite auf T0
gesetzt werden muß.
Das Verfahren zur Regelung des mittleren Effektivdruckes
Pi durch Regelung der Brennstoffversorgungsmenge wurde
unter Bezugnahme auf die Fig. 6(a) bis 6(c) beschrieben.
Das Verfahren zur Regelung des mittleren Effektivdruckes
Pi über die Zündzeiteinstellung Rig ist, wenn die in
den Zeichnungen dargestellte Impulsbreite T durch die
Zündzeiteinstellung Rig ersetzt wird, leicht zu
verstehen. Demgemäß erübrigt sich eine detaillierte
Beschreibung.
Ähnlich ist das Regelverfahren zur Maximierung des
maximalen Verbrennungsdruckes Pmax und der
Bewertungsparameter A=Pi/(Qa/N), B=Pi/Pb
leicht zu verstehen, wenn der in den Zeichnungen
veranschaulichte mittlere Effektivdruck Pi durch diese
Parameter ersetzt wird. Infolgedessen erfolgt keine
detaillierte Beschreibung.
Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der das
vorerwähnte Regelverfahren praktisch angewendet wird. Fig.
7 zeigt ein Beispiel der Maximalwertregelung mit Hilfe des
Gerätes gemäß der Erfindung, wobei die
Rückführungsregelung so erfolgt, daß das
Luft-Brennstoff-Verhältnis durch Verwendung des
Abgassensors einen vorbestimmten Wert annimmt.
In der Zeichnung dient Schritt 401 dazu, ein Urteil
darüber zu fällen, ob die
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Rückführungsregelung auf der
Basis des Abgassensors durchgeführt werden kann oder
nicht. Die Entscheidung erfolgt auf der Grundlage der
Betriebsbedingung des Motors, der Analyse des Abgassensors
und dgl.
Im Falle, daß diese Regelung durchgeführt wird, geht der
Schritt auf Schritt 402 über. In Schritt 402 wird die
Ausgabe des Abgassensors 9 gelesen. Dann wird in Schritt
403 die Rückführungsregelung der
Brennstoffversorgungsmenge mit dem Ziel ausgeführt, die
Ausgabe des Abgassensors auf einen vorbestimmten Wert zu
bringen. Das Regelverfahren ist allgemein bekannt, so daß
eine detaillierte Beschreibung desselben entfällt.
Dann wird in Schritt 404 die Zündzeiteinstellung Rig im
Sinne der Maximierung mindestens eines der
Bewertungsparameter Pmax, Pi, A und B eingeregelt. Das
Regelverfahren erfolgt durch Maximalwertregelung, wie
weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig. 6(a) bis 6(c)
erläutert wurde.
Die Schrittfolge geht auf Schritt 405 über, wenn in
Schritt 401 die Entscheidung gefällt wurde, daß die
Rückführungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
nicht ausgeführt wird. In Schritt 405 wird die
Brennstoffversorgungsmenge Qf dahingehend geregelt, daß
mindestens einer der Bewertungsparameter Pmax, Pi, A
und B maximiert wird. Diese Regeloperation ist unter
Bezugnahme auf die Fig. 6(a) bis 6(c) beschrieben worden.
Dann wird die Zündzeiteinstellung Rig durch das
Verfahren in Schritt 404 geregelt. Das Flußdiagramm der
Fig. 7 ist so konzipiert, daß die auf der
Brennstoffversorgungsmenge Qf basierende
Maximalwertregelung erfolgt, während die
Rückführungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
stattfindet. Kurz gesagt wird die Komponentenkonzentration
des Abgases auf oder unter einem vorausbestimmten Niveau
gehalten, so daß vorzugsweise das
Luft-Brennstoff-Verhältnis eingestellt wird.
Fig. 8 zeigt ein Verfahren zur Mittelwertsbildung der in
der vorerwähnten Regelung verwendeten Bewertungsparameter.
Gemäß der Zeichnung dient Schritt 501 dazu, den Parameter
Xi zu lesen (bei dem es sich um den Wert von Pmax
Pi, A oder B im (i)-ten Brennstoffzyklus handelt, der der
Ausgabe der Schritte 107 oder 108 in Fig. 6(a)
entspricht). In Schritt 502 wird der Parameter Xi
nacheinander integriert.
Der Schritt 503 dient zur Fällung eines Urteils darüber,
ob die Anzahl der Integrationsoperationen die Anzahl von n
(Zyklen) erreicht hat oder nicht. Hat die Anzahl noch
nicht den Betrag n erreicht, geht die Schrittfolge auf den
Schritt 504 über, durch den der Mittelwert X durch
Division des integrierten Wertes durch den Betrag n
gewonnen wird. Die Regelung gemäß den Fig. 6(b), 6(c) und
7 wird mit dem Mittelwert X ausgeführt. Die
Mittelwertsbildung wird mit Rücksicht auf den Fall
durchgeführt, daß sich der Verbrennungsdruck Pc oder die
Bewertungsparameter Pmax, Pi, A oder B leicht ändern
und hierdurch die Maximalwertregelung stören, obwohl der
Motor mit der gleichen Brennstoffversorgungsmenge Qf und
mit der gleichen Zündzeiteinstellung Ri betrieben wird.
In Anbetracht der Tatsache, daß die Lerngeschwindigkeit
wegen der Mittelwertbildung langsamer wird, ist es
erforderlich, den Wert n innerhalb eines für die Regelung
zulässigen Bereiches zu bestimmen. Nach der
Mittelwertbildung wird in Schritt 505 der integrierte Wert
gelöscht.
Obgleich Fig. 8 ein einfaches arithmetisches Verfahren zur
Mittelwertbildung zeigt, können auch andere Verfahren
angewendet werden, wie etwa das Verfahren mit gewichteter
Mittelwertsbildung und mit gleitender Mittelwertsbildung.
Bei der weiter oben beschriebenen Maximalwertregelung ist
es erwünscht, daß der auf die Zündzeiteinstellungsregelung
und die Brennstoffmengen-Versorgungsregelung bezogene
regelbare Bereich begrenzt ist. Der Grund liegt darin, daß
eine nachhinkende Zündzeiteinstellung schädliches Feuer
oder eine Beschädigung infolge Überhitzung des Abgases
verursacht, daß aber im Gegensatz dazu eine verfrühte
Zündzeiteinstellung eine Absenkung der Ausgangsleistung
oder eine Beschädigung aufgrund einer abnormalen
Verbrennung verursacht. Im Falle, daß die
Brennstoffversorgungsmenge zu groß oder zu klein ist,
tritt die gleiche Beeinträchtigung auf.
Die Begrenzung kann durch Regelung der Zündzeiteinstellung
Rig und der Brennstoffeinspritz-Impulsbreite mit Hilfe
oberer und unterer Grenzwerte erfolgen, wenn diese unteren
und oberen Grenzwerte überschritten werden. Die Logik dazu
ist einfach, so daß eine Beschreibung derselben unter
Bezugnahme auf die Zeichnung entfällt.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 6(b) weiter oben beschrieben
wurde, muß der in jedem Zyklus benutze Summand oder
Subtrahend ΔT (oder Δ Rig im Falle der
Zündzeiteinstellung) so klein wie möglich festgesetzt
werden.
Die Tatsache aber, daß der Summand oder Subtrahend klein
ist, bedeutet jedoch, daß die Impulsbreite
(Zündzeiteinstellung) nur langsam in den Optimalwert
übergeht. Dementsprechend ist dieses Verhalten für die
Regelung eines Motors ungeeignet, bei dem sich die
Betriebsbedingungen kontinuierlich ändern.
Um ein solches Problem zu lösen, wird die
Betriebsbedingung des Motors durch Betriebsparameter in
zwei Zonen unterteilt. Für jede Zone wird die
Maximalwertregelung mit Hilfe der Einspritzimpulsbreite
Tn oder der Zündzeiteinstellung Rig(n) durchgeführt.
Die Ergebnisse dieser Regelung, d.h. die Werte Tn und
Rig(n) werden in dafür eingerichteten Speichern
abgelegt, die den Zonen zugeordnet sind. Die Speicher
können so beschaffen sein, daß sie die Ergebnisse
kontinuierlich nach Abschalten der Leistungsversorgung
speichern.
In diesem Falle kann die Korrektur der Regelparameter Tn
und Rig(n) im Nahbereich der entsprechenden Optimalwerte
beginnen, wenn der Motor wieder gestartet wird oder wenn
die Motorbetriebsbedingungen von der einen zur anderen
Bedingung übergehen. Dementsprechend kann die
Konvergenzgeschwindigkeit verbessert werden, so daß eine
Vorzugsregelung stattfinden kann.
Um eine solche Regelung durchzuführen, kann der RAM 155 in
Fig. 2 als Festspeicher vorgesehen werden; es kann aber
auch die Leistungsversorgung des RAM 155 durch eine
Batterie unterstützt werden, um den Inhalt des RAM 155
festzuhalten.
Fig. 9 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für die
Zonentrennung der Betriebsbedingung sowie die Zuweisung
der Speicher zeigt. In der Zeichnung ist an der Abszisse
die Motorgeschwindigkeit N abgetragen, die in die Beträge
N1, N2 und N3 unterteilt ist. An der Ordinate Y ist
als Parameter die Belastung des Motors abgetragen. Die
Ansaugluftmenge Qa, der durch Division der
Ansaugluftmenge Qa durch die Maschinengeschwindigkeit N
erhaltene Wert Qa/N, der Ansaugleitungsdruck Pb und
dgl. werden als Parameter verwendet. Auch die Ordinate Y
ist in Teilbeträge Y1, Y2, Y3 und Y4 unterteilt.
Die Zonenunterteilung erfolgt über die Variablen N und Y,
so daß die Speicher MTl,m und MRl,m entsprechend den
jeweiligen Zonen zugewiesen werden. In Fig. 9 stellt MT
einen Speicher zur Aufnahme des Regelparameters Tn dar;
MR stellt einen Speicher zur Aufnahme des Regelparameters
Rig(n) dar, während l und m Trennziffern jeweils der
Abszisse und der Ordinate darstellen.
Im Falle, daß die Betriebsbedingung in diesen Zonen liegt,
wird die Maximalwertregelung so durchgeführt, daß die
Regelparameter vorübergehend in die Speicher M und MR
eingeschrieben und darin festgehalten werden. Obgleich
Fig. 9 den Fall zeigt, bei dem die Betriebsbedingung durch
die zweidimensionalen Parameter der Motorgeschwindigkeit N
und des Parameters Y für die Motorbelastung in Zonen
unterteilt wird, ist es natürlich möglich, daß die
Betriebsbedingung mit nur einem einzigen Parameter N oder
Y in Zonen unterteilt wird.
Die Regellogik der Fig. 9 ist einfach, so daß die
Beschreibung derselben unter Bezugnahme auf die Zeichnung
entfällt.
Die in den Speichern MT und MR gespeicherten
Regelparameter können in tatsächliche Werte übergehen,
wenn der Motor in einer entsprechenden Zone stabil
arbeitet.
Im Falle jedoch, daß der Motor wiederholt beschleunigt und
abgebremst wird, kann die Maximalwertregelung entsprechend
dem Übergangszustand der Verbrennung durchgeführt werden,
so daß abweichende Werte in den Speichern abgelegt werden
können.
Um ein solches Problem zu lösen, kann ein Filter benutzt
werden, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. In Fig. 10
dient der Schritt 601 zum Lesen der Impulsbreite Tn (dem
Wert von Schritt 210 in Fig. 6(b)) als einem der Parameter
der Maximalwertregelung. Dann wird in Schritt 602 der
letzte Wert T0(old) gelesen, der im Speicher MT
gespeichert worden war. In Schritt 603 wird die folgende
arithmetische Operation durchgeführt, die auf den Größen
Tn und T0(old) basiert.
T₀ (new) = (1-K) · T₀ (old) + KTn
In der arithmetischen Operation befriedigt K die Beziehung
0 < K ≦ 1.
Die Bedeutung dieser arithmetischen Operation besteht
darin, daß ein neu im Speicher festzuhaltender Wert
T0(new) erzeugt wird, so daß das laufend erhaltene
Resultat Tn im Speicher Kmal vertreten ist. Der Wert
von K wird durch ein abgestimmtes Gleichgewicht zwischen
der geeigneten Konvergenzgeschwindigkeit des im Speicher
festzuhaltenden Wertes und der Unterdrückung abweichender
Korrekturwerte im Übergangsstadium bestimmt.
Dann wird in Schritt 604 die Impulsbreite T0(new) in den
Speicher MT eingeschrieben. Anschließend wird nach
Schritt 601 zurückgebracht. Der im Speicher MT
gespeicherte Wert T0 wird als ein Anfangswert der
Impulsbreite Tn verwendet, wenn die Maximalwertkontrolle
gemäß Fig. 6(b) beginnt.
In Fig. 10 können die Schritte 601 bis 604 synchron mit
der Maximalwertregelung gemäß Fig. 6(b) durchlaufen
werden, oder sie können in einem mehr verzögerten Zyklus
durchlaufen werden.
Obgleich Fig. 10 den Fall zeigt, bei dem die Impulsbreite
Tn als einer der Regelparameter verwendet wird, ist es
natürlich möglich, daß die Zündzeiteinstellung Rig(n) im
Speicher M in derselben Weise wie oben beschrieben
gespeichert wird. Die Ausführung der vorerwähnten
Maximalwertregelung sollte besser unterbleiben, wenn das
Arbeiten des Verbrennungsdrucksensors 13 anormal wird. Es
sollte also besser im voraus eine Schar von
Ausgangswerten, die bei einem normal arbeitenden
Verbrennungsdrucksensor 13 erhalten wurden, festgelegt
werden, so daß eine Marke zur Unterdrückung der
Maximalwertregelung gesetzt werden kann, wenn vom
Verbrennungsdrucksensor 13 ein Wert außerhalb der Schar
empfangen wird. Kurz gesagt wird die Marke gelesen, wenn
die Maximalwertregelung beginnt, so daß die Regelung
unterdrückt wird, wenn sich die Marke im Setzzustand
befindet. Die Logik ist einfach, so daß die Beschreibung
derselben unter Bezugnahme auf die Zeichnung unterbleibt.
Das Urteil darüber, ob das Ausgangssignal des
Verbrennungsdrucksensors 13 normal ist oder nicht, kann
unter Verwendung mindestens eines der direkt vom
Verbrennungsdrucksensor 13 erhaltenen Verbrennungsdrücke
Pc, vom Maximalwert Pmax des Verbrennungsdruckes Pc
und vom mittleren Effektivdruck Pi getroffen werden.
Fig. 11 stellt ein Schaubild des Motorregelgerätes gemäß
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dar.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Drosselventil 3 zur
Anpassung der Luftzufuhr in einem Lufteinlaßkanal 22 des
Motors 21 angebracht. Der Luftstromsensor 2 zur Erfassung
der Luftzufuhr ist an einer Seite stromaufwärts des
Lufteinlaßkanals 22 angebracht. Mit dem Lufteinlaßkanal 22
ist ein Einspritzgerät 26 zum Einspritzen von Brennstoff
in die Brennkammer 5 angeschlossen. Im Abgaskanal 8 des
Motors 21 ist ein Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor
(O2-Sensor) 28 zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration
des Abgases zwecks Erzeugung eines Erfassungssignals
angebracht, welches sich, bezogen auf ein theoretisches
Luft-Brennstoff-Verhältnis, über einen weiten Bereich
ändert. In einem Tank 29 mit Kühlwasser für den Motor ist
ein Wassertemperatursensor 6 angebracht. Im Zylinderkopf
31 des Motors 21 ist eine Zündkerze 11 zum Zünden des
Gasgemisches in der Brennkammer 5 angebracht. Weiter ist
ein Zylinderinnendrucksensor 13 zur Erfassung des Druckes
in der Brennkammer 5 im Zylinderkopf 31 vorhanden. Die
Zündkerze 11 ist elektrisch über einen Verteiler 18 an
eine Zündspule 17 angeschlossen, der mit einem
Umdrehungszahlsensor 7 zur Erfassung der Motordrehung
ausgestattet ist.
Das Einspritzgerät 26 und die Zündspule 17 werden durch
eine Regeleinheit 15 gesteuert. Die Regeleinheit 15
empfängt verschiedene Erfassungssignale vom
Luftstromsensor 2, vom Zylinderinnendrucksensor 13, vom
Umdrehungszahlsensor 7 und vom
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensor 28. Wie in Fig. 12
gezeigt, besteht die Regeleinheit 15 aus einer CPU 100,
einem A/D-Wandler 101 zur Umwandlung verschiedener
Analog-Eingangssignale in Digitalsignale und zur Lieferung
dieser Digitalsignale an die CPU 100. Sie besteht weiter
aus einem Eingangskreis 102 zur Wellenformung
verschiedener Impulssignale, einem ROM 103 zur
Vorabspeicherung der Prozedur zur Steuerung der CPU 100,
einem RAM 104 zur Verwendung in der arithmetischen
Operation der CPU 100, und aus Ausgangskreisen 105 und 106
zur Lieferung von Steuersignalen an das Einspritzgerät 26
und die Zündspule 17.
Fig. 13 ist ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen
dem Verbrennungsdruck (P0) und dem Kurbelwellenwinkel.
Fig. 14 ist ein Kenngrößendiagramm, das die Bedingung
zeigt, unter der der aus der Beziehung zwischen dem
Brennstoffdruck P0 und dem Kurbelwellenwinkel gewonnene
mittlere Effektivdruck (Pi) entsprechend der Änderung
der Zündzeiteinstellung geändert wird. Bei der
vorliegenden Erfindung wird eine Regeloperation so
ausgeführt, daß der Kurbelwellenwinkel mit dem Maximalwert
P1 als Zielzündeinstellung verwendet werden kann.
Inbesondere wird im oberen Belastungsbereich die
Rückführungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
derart ausgeführt, daß der Maximalwert P1 am größten
wird.
Die Regeleinheit 15 berechnet die Menge der Ansaugluft
(Qa) und die Motorgeschwindigkeit (Ne) und entscheidet
über die Belastung auf der Basis des Wertes Qa/Ne.
Wenn die Belastung nicht größer als ein vorausbestimmter
Wert wird, d.h. wenn sich die Belastung innerhalb des
Bereiches von P gemäß Fig. 15 befindet, erfolgt eine
normale Brennstoffeinspritzregelung. Zur gleichen Zeit
wird eine Rückführungsregelgung der Zündzeiteinstellung
auf der Basis des Zylinderinnendruckes durchgeführt, um
den Maximalwert des mittleren Effektivdruckes (Pi) im
Beharrungszustand zu erreichen. Wenn hingegen die
Belastung größer als der vorausbestimmte Wert wird, d.h.
wenn sich die Belastung im Bereich E der Fig. 15 befindet,
erfolgt die Rückführungskontrolle der Zündzeiteinstellung
auf der Basis des Zylinderinnendruckes, um den
Maximalwert von P1 im Beharrungszustand zu erreichen.
Zur gleichen Zeit wird die Brennstoffeinspritzregelung auf
der Basis des Zylinderinnendruckes zwecks Maximierung von
P1 ausgeführt.
Im folgenden wird die Regeloperation der hier behandelten
Ausführungsform der Erfindung näher unter Bezugnahme auf
das Flußdiagramm der Fig. 16 beschrieben. In der Zeichnung
beziehen sich die Symbole S1 bis S13 auf die
verschiedenen Regelschritte.
Zu Beginn wird die Ansaugluftmenge (Qa) in Schritt S1
gelesen. Bei diesem Schritt werden die Analogsignale des
Luftstromsensors 2 durch den A/D-Wandler 101 in
Digitalwerte umgewandelt, so daß die Digitalwerte, falls
nötig, gemittelt werden und den Wert der Ansaugluftmenge
(Qa) ergeben.
Dann wird in Schritt S2 die Motorgeschwindigkeit (Ne)
gelesen. In diesem Schritt wird Ne durch Lesen und
Messen des Intervalls zwischen den Impulssignalen des
Umdrehungssensors 16 gewonnen.
Dann wird in Schritt S3 die je Motorumdrehung
(Qa/Ne) anfallende Luftmenge entsprechend der Größe
der Motorbelastung berechnet.
In Schritt S4 wird das Ausgangssignal des
Zylinderinnendrucksensors 13 immer dann gelesen, wenn vom
Umdrehungssensor 7 ein Kurbelwellenwinkelsignal erzeugt
wird. In Schritt S5 wird der mittlere Effektivdruck
(Pi) auf der Basis der Werte der Ausgangssignale des
Zylinderinnendrucksensors 13 berechnet.
Schließlich wird in Schritt S6 das Urteil über die
Belastung durch Entscheidung darüber gefällt, ob der Wert
von Qa/Ne größer als ein vorausbestimmter Wert α1
ist oder nicht.
Falls Qa/Ne nicht größer als α1 ist, beweist das
Urteil, daß die Belastung im Teillastbereich liegt, so daß
die Schrittfolge von S6 nach S7 übergeht. In Schritt
S7 wird die Rückführungsregelung des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses (O2-Rückführungsregelung)
auf der Basis des Ausgangssignals des
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors 28 ausgeführt.
Dann wird in Schritt S8 ein Urteil darüber gefällt, ob
die O2-Rückführungsregelung in Betrieb ist oder nicht.
Fall die Antwort "JA" ist, geht die Schrittfolge nach S9
über. In Schritt S9 wird ein Urteil darüber gefällt, ob
sich die Belastung im Beharrungszustand befindet oder
nicht. Das Urteil darüber, ob die
O2-Rückführungsregelung in Betrieb ist oder nicht,
beruht auf der Entscheidung darüber, ob verschiedene
Bedingungen, wie etwa die Wassertemperaturbedingungen und
die Aktivierungsbedingungen des
Luft-Brennstoff-Verhältnis-Sensors (O2-Sensor),
befriedigt sind oder nicht. Im allgemeinen werden die
Urteilsbedingungen bei der üblichen
Brennstoffeinspritzungsregelung verwendet. Andererseits
basiert das Urteil über den Beharrungszustand auf der
Entscheidung darüber, ob der Absolutwert der Abweichung
von Qa/Ne pro Zeiteinheit kleiner als ein
vorausbestimmter Wert ist oder nicht (Qa/Ne kann
ersetzt werden durch Qa). Mit anderen Worten basiert das
Urteil über den Beharrungszustand auf der Entscheidung, ob
die Straßenbedingungen und der Verschiebungsweg des
Gaspedals konstant sind oder nicht.
Falls die Entscheidung beweist, daß sich in Schritt S9
die Fahrbedingungen im Beharrungszustand befinden, wird
die Zündzeiteinstellung in Richtung auf die Maximierung
von Pi geregelt. Die Zündzeiteinstellungsregelung wird
innerhalb eines variablen Bereiches zwischen einer unteren
Grenze A1 und einer oberen Grenze B1 ausgeführt.
Falls die Entscheidung beweist, daß die
O2-Rückführungsregelung in Schritt S8 nicht in Betrieb
ist, oder wenn die Entscheidung beweist, daß sich die
Fahrbedingung in Schritt S9 nicht im Beharrungszustand
befindet, wird zum Ausgangsschritt S1 zurückgegangen.
Dann wird, falls die Beziehung Qa/Ne < α1 in Schritt
S8 befriedigt wird, d.h., falls sich die Belastung im
oberen Belastungsbereich findet, auf Schritt S11
übergegangen, um zu entscheiden, ob sich die Fahrbedingung
im Beharrungszustand befindet oder nicht. Das Urteil in
Schritt S11 ist das gleiche wie in Schritt S9.
Dann wird auf Schritt S12 übergegangen, falls das Urteil
beweist, daß sich in Schritt S11 die Fahrbedingung im
Beharrungszustand befindet. In Schritt S12 wird die
Zündzeiteinstellung in Richtung auf die Maximierung von
Pi geregelt. In diesem Falle wird die
Zündzeiteinstellungsregelung innerhalb eines
veränderlichen Bereiches zwischen einer unteren Grenze
A2 und einer oberen Grenze B2 ausgeführt. Obwohl die
Rückführungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses im
Teillastbereich durchgeführt wird, ist die Veränderung des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses im oberen Belastungsbereich
groß. Demgemäß ist der veränderliche Bereich der
Zündzeiteinstellung im oberen Belastungsbereich kleiner
als der veränderliche Bereich der Zündzeiteinstellung im
Teillastbereich. Beispielsweise erstreckt sich der
veränderliche Bereich der Zündzeiteinstellung im oberen
Belastungsbereich von -5°CA (A2) bis +5°CA (B2),
während sich der veränderliche Bereich der
Zündzeiteinstellung im Teillastbereich von -10 CA (A1)
bis +10°CA (B1) erstreckt.
Dann geht die Schrittfolge auf den Schritt S13 zur
Regelung der Brennstoffmenge in Richtung auf die
Maximierung von Pi über. Die Brennstoffregelung wird in
einem veränderlichen Bereich zwischen einer unteren Grenze
A3 und einer oberen Grenze B3 ausgeführt.
Wenn auch die oben beschriebene Ausführungsform der
Erfindung den Fall darstellt, bei dem die
Rückführungsregelung auf der Basis eines mittleren
Effektivdruckes ausgeführt wird, der als ein dem
Drehmoment des Motors entsprechender Wert aus den
Erfassungswerten des Zylinderinnendruckes berechnet wurde,
ist die Erfindung auch auf einen Fall anwendbar, bei dem
die Rückführungsregelung der Zündzeiteinstellung und des
Luft-Brennstoff-Verhältnisses unter Verwendung desjenigen
Kurbelwellenwinkels als Standardparameter durchgeführt
werden kann und bei dem der Zylinderinnendruck einen
Spitzenwert erreicht, um so das höchste Drehmoment zu
erzielen.
Obgleich die oben erwähnte Ausführungsform den Fall
darstellt, bei dem das Luft-Brennstoff-Verhältnis durch
Regelung der Brennstoffeinspritzmenge gesteuert wird, sind
die Mittel zur Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
nicht auf das Brennstoffeinspritz-Regelverfahren
beschränkt.
Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen
Ausführungsformen verwirklicht werden.
Wie oben beschrieben, wird die Zündregelung gemäß der
ersten Ausführungsform der Erfindung auf der Basis der
Brennstoffversorgungsmenge Qf oder der
Zündzeiteinstellung Ri durchgeführt, um mindestens einen
der folgenden Parameter zu maximieren: den maximalen Druck
Pmax, den mittleren Effektivdruck Pi und die
Bewertungsparameter A und B für jeden Verbrennungszyklus.
Weiter wird gemäß der zweiten Ausführungsform der
Erfindung die Rückführungsregelung der
Brennstoffversorgungsmenge Qf mit dem Ziel durchgeführt,
das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einen vorausbestimmten
Wert zu bringen. Zur gleichen Zeit wird die
Zündzeiteinstellung Ri in Richtung auf die Maximierung
mindestens eines der folgenden Parameter korrigiert:
maximaler Druck Pmax, mittlerer Effektivdruck Pi und
Bewertungsparameter A und B. Weiter wird gemäß der dritten
Ausführungsform der Erfindung die Rückführungsregelung der
Brennstoffversorgungsmenge Qf mit dem Ziel ausgeführt,
das Luft-Brennstoff-Verhältnis auf einen vorbestimmten
Wert zu bringen, während die Rückführungsregelung in einem
vorausbestimmten Bereich der Motorbelastung abgebrochen
wird. Zur selben Zeit wird die Brennstoffversorgungsmenge
Qf oder die Zündzeiteinstellung Ri in Richtung auf die
Maximierung mindestens eines der folgenden Parameter
korrigiert: maximaler Druck Pmax, mittlerer
Effektivdruck Pi und Bewertungsparameter A und B.
Dementsprechend wird eine maximale Ausgangsleistung und
ein maximaler Wirkungsgrad trotz Streuung des
Leistungsverhaltens der Motoren erzielt.
Claims (6)
1. Verfahren zur Regelung des Betriebs eines
Verbrennungsmotors, welches die folgenden Schritte
umfaßt:
- - Messen einer Ansaugluftmenge (Qa), einer Motorumdrehungszahl (Ne), eines Kurbelwellenwinkels (Rc) und eines Brennrauminnendruckes (Pc),
- - Berechnen einer Motorbelastung aus einem Verhältnis von Ansaugluftmenge zu Motorumdrehungszahl (Qa/Ne),
- - Berechnen eines mittleren effektiven Brennkammerinnendruckes (Pi),
- - Bestimmen, ob Teillastbetrieb oder Vollastbetrieb vorliegt;
- - Regeln eines Luft-Brennstoffverhältnisses auf ein optimales Verhältnis, falls Teillastbetrieb vorliegt, und Regeln eines Zündzeitpunktes, um einen Bewertungsparameter (A, B), welcher proportional dem mittleren effektiven Brennkammerinnendruck (Pi) ist, zu maximieren;
- - Regeln des Zündzeitpunktes und einer Brennstoffmenge, falls Vollastbetrieb vorliegt, um den Bewertungsparameter zu maximieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bewertungsparameter das Verhältnis von mittlerem
effektivem Brennrauminnendruck (Pi) zur
Motorbelastung (Qa/Ne) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bewertungsparameter der mittlere effektive
Brennrauminnendruck (Pi) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
ferner ein Ansaugleitungsdruck gemessen wird,
und der Bewertungsparameter das Verhältnis von dem
mittleren effektiven Brennrauminnendruck (Pi) zum
Ansaugleitungsdruck ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
ferner die Komponenten eines Verbrennungsgases
gemessen werden und im Teillastbetrieb das
Luft-Brennstoffverhältnis entsprechend den gemessenen
Komponenten des Verbrennungsgases optimal eingeregelt
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Teillastbetrieb das Luft-Brennstoffverhältnis auf
ein theoretisch bestimmtes optimales Verhältnis
geregelt wird.
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