DE69005259T2

DE69005259T2 - Methode und Gerät, um den Verbrennungszustand in einer Brennkraftmaschine zu Detektieren, und solche Methode und Gerät benutzende Methode und Gerät zur Steuerung einer Verbrennungsmaschine.

Info

Publication number: DE69005259T2
Application number: DE69005259T
Authority: DE
Inventors: Yuzo Kadomukai; Yuji Maeda; Masami Nagano; Kenichi Nakamura; Yozo Nakamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2010-08-24
Also published as: DE69005259D1; JP3085382B2; EP0424630A3; KR910005039A; US5086741A; KR0173780B1; JPH0381544A; EP0424630A2; EP0424630B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung für die Erfassung des Verbrennungszustandes in einer Brennkraftmaschine.
In einer herkömmlichen Vorrichtung, wie sie in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung Nr. Sho- 58-51243 beschrieben ist, wird die Drehzahl einer Brennkraftmaschine zwischen dem einem Verbrennungshub vorhergehenden Zündzeitpunkt und dem diesem Verbrennungshub nachfolgenden Zündzeitpunkt an wenigstens zwei Punkten innerhalb dieses Verbrennungshubes erfaßt, wobei der Wert der Veränderung der Drehzahl innerhalb dieses einen Verbrennungshubes auf der Grundlage der Differenz der Drehzahlen zwischen den beiden Punkten berechnet wird und die nacheinander berechneten Werte der Veränderung der Drehzahl einer statistischen Verarbeitung unterworfen werden, um dadurch den Verbrennungszustand in der Brennkraftmaschine zu beurteilen.
In der obenerwähnten herkömmlichen Technik wird die Beurteilung des Qualitätsgrades des Verbrennungszustandes nicht betrachtet. Es entsteht ein Problem, weil außer der Beurteilung, ob der Verbrennungszustand normal ist oder nicht, keine Beurteilung vorgenommen werden kann.
Ferner werden in der obenerwähnten herkömmlichen Technik die durch die statistische Verarbeitung verursachten Nachteile nicht betrachtet. Es entsteht ein Problem, weil die Erfassungsgenauigkeit gering ist und die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu langsam ist, um den Verbrennungszustand rechtzeitig zu erfassen.
In der FR-A-2 301 691 ist eine Vorrichtung offenbart, um einen Meßwert zu erhalten, der eine Annäherung an eine vorgegebene Grenze zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis erlaubt. Dadurch wird die Differenz zwischen zwei vorgegebenen Drehzahlwerten in einem Verbrennungshub eines bestimmten Zylinders mit dergleichen Differenz einer vorhergehenden Erfassung für denselben Zylinder verglichen, um die Kraftstoffeinspritzsteuerbeträge zu bestimmen, um Verbrennungsunregelmäßigkeiten entgegenzuwirken.
Die DE-A-3 615 547 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erfassung eines fehlerhaften Betriebs eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine. Außer der Motordrehzahl und deren Veränderungen wird auch die Winkelbeschleunigung innerhalb einer Verbrennungsperiode eines jeden Zylinders erfaßt. Die erfaßten Winkelbeschleunigungen werden miteinander verglichen, um eine unregelmäßige Verbrennung zu unterscheiden, ferner wird eine Veränderungsgröße der Winkelbeschleunigung berechnet, wobei dann, wenn diese Größe einen Grenzwert übersteigt, ein Verbrennungsfehler gezählt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Erfassung des Verbrennungszustandes in jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine zu schaffen, denen sowohl eine hohe Erfassungsgenauigkeit als auch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit eignet und die durch Verwirklichung in einer herkömmlichen Motorsteuervorrichtung eine minimale Anzahl von zusätzlichen Komponenten erfordern.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1 und gemäß einem weiteren Aspekt durch die Merkmale des Anspruches 3.
Gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer wie oben beschriebenen Konfiguration wird ein Ausgangssignal entsprechend dem Grad einer unregelmäßigen Verbrennung erzeugt. Folglich kann der Grad der unregelmäßigen Verbrennung festgestellt werden, so daß der Verbrennungszustand genau beurteilt werden kann.
Ferner können sowohl die Zündzeitpunkteinstellung als auch der Zustand der Kraftstoffzufuhr in jeden Zylinder auf der Grundlage des obenerwähnten Ausgangssignals gesteuert werden, so daß der Motor genau gesteuert werden kann. Daher kann ein optimaler Betrieb des Motors erzielt werden.
Weiterhin kann der Verbrennungszustand mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, weil er auf der Grundlage der Veränderungsgröße der Winkelbeschleunigung erfaßt wird.
Weiterhin kann der Betriebszustand des Motors verzögerungsfrei genau gesteuert werden, weil sowohl die Zündzeitpunkteinstellung als auch der Zustand der Kraftstoffzufuhr an den Motor auf der Grundlage des obenerwähnten Ausgangssignals gesteuert werden können.
Weiterhin kann ein Kurbelwinkelsensor Impulse in Intervallen aus zwei gleichen Winkeln innerhalb einer Verbrennungsperiode erzeugen, so daß die Winkelgeschwindigkeiten an zwei Punkten durch Hochzählen der Impulse mittels eines Zählers erhalten werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Wellendiagramm zur Erläuterung der Veränderung der Motordrehzahl und der Drehzahl-Erfassungsabschnitte für jeden Zylinder gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Kennlinienfeld zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine zeigt, in dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm einer Steuerverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens der direkten Beobachtung der Motorbeschleunigung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 und 7 sind Wellendiagramme zur Erläuterung des Meßvorgangs der Beschleunigung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Zündzeitpunktsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist ein Blockschaltbild, das allgemein die Konfiguration einer Ausführungsform der Brennkraftmaschinen- Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10 ist ein Blockschaltbild, das die Funktionen der Ausführungsform zeigt;
Fig. 11 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel des Drehzahlmeßabschnittimpuls-Erzeugungsabschnittes zeigt;
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, das eine Verarbeitung zur Erfassung des Verbrennungszustandes und zur Steuerung der Brennkraftmaschine auf der Grundlage dieser Erfassung zeigt;
Fig. 13 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Berechnung von α und Δα;
Fig. 14 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Berechnung der Beschleunigung Δα;
Fig. 15 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Zustandes des Kurbelwinkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16A und 16B sind Diagramme zur Erläuterung der Ausgabeverarbeitung des Kurbelwinkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 17A und 17B sind Ansichten, die Ausführungsformen des Kurbelwinkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, in denen eine Kombination aus einer Schlitzplatte und aus Photounterbrechern verwendet wird;
Fig. 18A und 18B sind Ansichten, die andere Ausführungsformen des Kurbelwinkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, in denen eine Kombination aus einem Zahnkranz und elektromagnetischen Aufnehmern verwendet wird; und
Fig. 19A und 19B sind Blockschaltbilder zur Erläuterung des Signalverarbeitungsabschnittes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Mit Bezug auf Fig. 3 wird ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung angewendet wird. Einem Einlaß 2 eines Luftfilters 1 wird Luft zugeführt, welche anschließend nacheinander durch einen Hitzdraht-Luftmengenmesser 3 zur Erfassung der Ansaugluftmenge, einen Kanal 4 und einen Drosselklappenkörper 5 mit einer Drosselklappe zur Steuerung der Luftströmungsrate und dann in einen Sammelbehälter 6 geleitet wird. Dann wird die Luft auf jedes der Ansaugrohre 8 aufgeteilt, die ihrerseits direkt mit der Brennkraftmaschine 7 in Verbindung stehen, und in einen entsprechenden Zylinder angesaugt.
Andererseits wird von einer Kraftstoffpumpe 10 Kraftstoff angesaugt und mit Druck beaufschlagt, so daß der Kraftstoff von einem Kraftstofftank 9 in ein Kraftstoffsystem geliefert wird, in dem ein Kraftstoffdämpfer 11, ein Kraftstoffilter 12, ein Einspritzventil 13 sowie ein Kraftstoffdruckregler 14 über eine Rohrleitung verbunden sind. Der Kraftstoff wird durch den Regler 14 reguliert und in das Ansaugrohr 8 mittels eines im Ansaugrohr 8 vorgesehenen Einspritzventils 13 eingespritzt. Vom Luftmengenmesser 3 wird ein Ansaugluftmengen-Erfassungssignal erzeugt und in eine Steuereinheit 15 eingegeben. In einem Verteiler 16 ist ein Kurbelwinkelsensor eingebaut, der ein Referenzsignal für die Angabe des Einspritzzeitpunkts, ein Referenzsignal für die Angabe des Zündzeitpunkts sowie ein Signal für die Erfassung der Drehzahl erzeugt, wobei diese Signale in die Steuereinheit 15 eingegeben werden. Die Steuereinheit 15 ist aus einem Operationsprozessor gebildet, der eine MPU, einen ROM, einen A/D-Umsetzer und eine Eingangs-/Ausgangs- Schaltung enthält. Die Steuereinheit 15 führt auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Luftmengenmesser 3, des Ausgangssignals vom Verteiler 16 und dergleichen eine Operationsverarbeitung aus, um so das Einspritzventil 13 auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Steuereinheit 15 zu betreiben, welches ein Ergebnis der Operationsverarbeitung ist, so daß das Einspritzventil 13 eine notwendige Kraftstoffmenge in jedes Ansaugrohr 8 einspritzt. Ferner wird der Zündzeitpunkt durch ein von der Steuereinheit 15 an einen Leistungstransistor einer Zündspule 17 geliefertes Steuersignal gesteuert.
Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Drehzahl des Motors verändert sich beispielsweise so, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß durch einen Verbrennungshub eine Beschleunigung und während der anderen Hübe eine Verzögerung auftritt. In der Vergangenheit wurde ein Wert der momentanen Drehzahl, der durch Messen eines Zeitabschnittes bei Ntop in der Nähe eines Punktes, bei dem die Drehzahl einen maximalen Wert annimmt, erhalten wird, mit einem entsprechenden vorhergehenden Wert verglichen, um die Differenz ΔN zwischen beiden zu berechnen. Eine durch eine unregelmäßige Verbrennung verursachte Zustandsänderung erscheint jedoch direkt als Drehmomentänderung. Daher kann eine Zustandsänderung eher auf der Grundlage der Beschleugnigungsänderung als auf der Grundlage der Drehzahländerung ΔN beurteilt werden.
Die Beschleunigung wird folgendermaßen erhalten. An zwei Punkten vor und nach einem Punkt, in dem eine Winkelbeschleunigung des Motors innerhalb eines Verbrennungshubes ihren Maximalwert annimmt, werden momentane Drehzahlen gemessen. Die so erhaltenen Werte seien Nbot und Ntop. Die Differenz zwischen Ntop und Nbot sei α. Der Wert α wird als Beschleunigung betrachtet. Ferner wird die Differenz zwischen dem Wert α und dem Wert α im vorhergehenden Zylinder zu Δα berechnet.
Eine extrem unregelmäßige Verbrennung kann durch die auf ΔN basierende Beurteilung sicher unterschieden werden. Wenn das System so beschaffen ist, daß selbst eine leicht unregelmäßige Verbrennung ähnlich beurteilt wird, entsteht jedoch ein Problem, weil die Absenkung des Geamtniveaus, die durch eine äußere Last verursacht wird, als unregelmäßige Verbrennung angesehen wird (Fig. 2). Um die auf ΔN basierende Beurteilung exakt zu machen, muß stets ein Mittelwert der Drehzahl berechnet werden, um einen dem berechneten Wert entsprechenden Beurteilungswert zu verändern.
Auch bei der auf α basierenden Beurteilung muß der Beurteilungswert geändert werden, weil das Gesamtniveau abgesenkt ist, wenn eine äußere Last gegeben ist.
Bei der auf Δα basierenden Beurteilung kann eine unregelmäßige Verbrennung ohne äußeren Einfluß beurteilt werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine Beschleunigung im Verbrennungshub vom Verbrennungszustand abhängt, obwohl die Drehzahl durch eine äußere Last abgesenkt ist. Eine Mittelungswirkung kann durch Berechnen von Δα als Differenz zu dem Wert α im vorhergehenden Zylinder erhalten werden, obwohl das Gesamtniveau bei der auf α basierenden Beurteilung abgesenkt ist. In Kürze, nur durch die auf Δα basierende Beurteilung kann der Zustand einer unregelmäßigen Verbrennung sicher unterschieden werden.
Gemäß einem Verfahren zum Berechnen von Δα (siehe Fig. 1) springt der Erfassungswert direkt nach der durch eine unregelmäßige Verbrennung verursachten Absenkung des Erfassungswertes zur positiven Seite. Durch Ausnutzen dieses Phänomens kann eine genauere Beurteilung ausgeführt werden.
In Fig. 4 ist ein Flußdiagramm gezeigt. Die Werte der Drehzahl Nbot und Ntop werden vor und nach einem Verbrennungshub, in dem die Beschleunigung ihren Maximalwert annimmt, auf der Grundlage von Signalen gemessen, die vom Kurbelwinkelsensor (der im Verteiler 16 in Fig. 3 enthalten ist) ausgegeben werden. Die folgenden Werte werden berechnet.
Der Wert von Δα wird mit einem Vergleichswert C verglichen, um dadurch zu beurteilen, welche Art von Steuerung ausgeführt werden sollte. (C kann mehrere verschiedene Vergleichswerte repräsentieren.) Diese Beurteilung wird durch die Steuereinheit 15 (Fig. 3) ausgeführt. Alternativ kann ein Signal direkt einem Betätigungselement zugeführt werden, so daß die Beurteilung durch das Betätigungselement ausgeführt wird. Nun wird als Beispiel eines Steuerprozesses A - C eine Zündzeitpunktsteuerung betrachtet. Wenn dieses Verfahren für eine solche Zündzeitpunktsteuerung verwendet wird, wird in der Steuerung A ein Voreilen des Zündzeitpunkts bewirkt, weil die Verbrennung als unregelmäßig angesehen wird. In der Steuerung B wird ein Nacheilen des Zündzeitpunkts bewirkt. In der Steuerung C wird keine Veränderung bewirkt.
Wie oben beschrieben, kann durch dieses Erfassungsverfahren eine unregelmäßige Verbrennung erfaßt werden. Weiterhin kann sie nicht nur erfaßt werden, vielmehr kann der Zylinder, in dem die unregelmäßige Verbrennung aufgetreten ist, ermittelt werden. Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Vierzylindermotors, in dem ein Symbol "#" die Zylindernummer repräsentiert. In diesem Fall wird die Tatsache, daß in dem Zylinder #2 eine unregelmäßige Verbrennung aufgetreten ist, aus dem TDC-Signal des Kurbelwinkelsensors beurteilt. In Kürze, die Spaltbreite des TDC-Signals des Kurbelwinkelsensors wird geändert, um die Zylindernummer zu bestimmen.
In Fig. 5 ist ein Verfahren der direkten Beobachtung der Motorbeschleunigung gezeigt.
Am Motor ist ein Beschleunigungsaufnehmer befestigt, so daß die Beschleunigung in Rollrichtung gemessen werden kann. Fig. 5 zeigt das Ergebnis der Beobachtung des Beschleunigungswertes. Im Falle einer normalen Verbrennung ist die Spitze hoch und scharf. Im Falle einer unregelmäßigen Verbrennung ist die Spitze niedrig und abgeflacht. Durch Ausnutzen dieses Phänomens kann eine unregelmäßige Verbrennung mittels der Messung der Schärfe der Spitze beurteilt werden. Gemäß diesem Verfahren kann eine Änderung des Motordrehmoments direkt als Veränderung der Beschleunigung ohne Berechnung von Δα oder dergleichen beobachtet werden. In Kürze, dieses Verfahren ist höchst genau.
Der Verbrennungszustand kann nahezu perfekt durch Verwenden des ΔN-Verfahrens, des Δα-Verfahrens und des Beschleunigungsmeßverfahrens in Kombination beurteilt werden.
Wie oben beschrieben, wird in dem Δα-Verfahren ein Signal vom Kurbelwinkelsensor verwendet. In den meisten Fällen ist der Kurbelwinkelsensor jedoch an einer Nockenwelle angebracht, so daß ein exakter Kurbelwinkel wegen eines durch ein Zahnrad-Spiel oder dergleichen verursachten Fehlers nicht bekannt ist. Daher ist an einem Zahnkranz eines mit der Kurbelwelle in Kontakt befindlichen Schwungrades ein elektromagnetischer Aufnehmer befestigt. Durch Erzeugen eines Signals durch den Aufnehmer kann ein exakter Kurbelwinkel ermittelt werden. Folglich kann ein Signal mit geringem Fehler erhalten werden, so daß der Wert der Beschleunigung α und der Wert der Beschleunigungsdifferenz genauer erhalten werden können.
In den Fig. 6 und 7 sind Beispiele von Punkten zur Messung von Nbot und Ntop gezeigt. Anhand von Versuchen ist festgestellt worden, daß keine Fehlbeurteilung auftritt, wenn der Verbrennungszustand nach der Messung von zwei Werten der Drehzahl Nbot bzw. Ntop mit einer jeweiligen Breite von 20º und mit dem als Mittelpunkt dienenden Winkel von 55º nach dem TDC und durch Berechnen der Beschleunigung α und der Beschleunigungsdifferenz Δα aus diesen Werten beurteilt wird. Obwohl die Fig. 6 und 7 den Fall zeigen, indem die Breite der Drehzahlmessung auf 20º gesetzt ist, ist diese Breite bisher noch nicht diskutiert worden.
Mit Bezug auf die Fig. 2 und 8 wird ein Beispiel beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung für die Zündzeitpunktsteuerung einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
In dieser Erfindung wird der Verbrennungszustand in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine stets erfaßt. Eine Beurteilung für jeden Zylinder wird auf der Grundlage der Beschleunigung α im Verbrennungshub ausgeführt. Daher kann die Beschleunigungsdifferenz Δα als Standard für die Beurteilung des Verbrennungszustandes verwendet werden.
Bei der Erfassung des Δα-Wertes an den Punkten a und b in Fig. 2 bewegt sich der Wert von Δα stark zur negativen Seite, wenn eine unregelmäßige Verbrennung auftritt. Direkt danach bewegt sich der Wert stark zur positiven Seite. An den Punkten c und d kehrt die Drehzahl auf ihren alten Wert zurück. Daher ergibt sich für den Wert Δα im Punkt d 0, obwohl er sich im Punkt c zur positiven Seite bewegt.
Wie oben beschrieben, bewegt sich bei Auftreten einer unregelmäßigen Verbrennung in einem bestimmten Zylinder der Δα-Erfassungswert im nächsten Zylinder stets in hohem Ausmaß.
Dies kann mit Bezug auf ein Flußdiagramm von Fig. 8 folgendermaßen erläutert werden. Hinsichtlich des Wertes Δα wird auf Fig. 2 Bezug genommen.
Zunächst wird der Wert von Δα im #2-Zylinder erfaßt. Weil dieser Wert negativ ist, wird der Wert von Δα des vorhergehenden Zylinders untersucht. Weil der Zustand des #4- Zylinders normal ist, ist der Wert von Δα Null. Ohne Steuerung wird der Wert von Δα im nächsten, d.h. dem #1- Zylinder erfaßt. Dies ist ein positiver Wert. Daher wird gemäß dem Flußdiagramm eine Steuerung ausgeführt, um die Verbrennung im direkt vorangehenden Zylinder, d.h. dem #2-Zylinder abzuschwächen.
Für diese Steuerung werden mehrere verschiedene Steuerprozesse betrachtet, die in Tabelle 1 gezeigt sind. Tabelle 1 Δα im direkt vorhergehenden Zylinder Δα im erfaßten Zylinder Zündzeitpunkt Kraftstoffeinspritzmenge keine Änderung Voreilung des Winkels Nacheilung des Winkels Zunahme Abnahme
In dieser Ausführungsform wird der Verbrennungszustand durch die Veränderungsbreite der Drehzahl wie in Tabelle 2 gezeigt klassifiziert. Tabelle 2 Veränderungsbreite der Drehzahl Veränderung im normalen Betriebszustand (normale Verbrennung) Veränderung der Drehzahl aufgrund einer leicht unregelmäßigen Verbrennung Veränderung der Drehzahl aufgrund einer mittleren unregelmäßigen Verbrennung Veränderung der Drehzahl aufgrund einer stark unregelmäßigen Verbrennung
Der Wert des Voreilungswinkels, der Wert des Nacheilungswinkels und die Zunahme-/Abnahmerate des Kraftstoffs werden entsprechend dem Grad der Veränderung der Drehzahl geändert.
Fig. 9 zeigt die Konfiguration einer Ausführungsform der Brennkraftmaschinen-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Konfiguration der herkömmlichen Motorsteuervorrichtung ist für die Motorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ohne zusätzliche Bestandteile ausreichend. In Kürze, es kann eine Kostenersparnis erzielt werden.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild, das die Funktionen der Ausführungsform veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform werden anhand der Änderungen der Winkelbeschleunigung der Motor-Kurbelwelle Änderungen des Verbrennungszustandes beurteilt. Es ist daher notwendig, die Beschleunigung im Verbrennungshub zu messen, in dem sich die Änderung des Verbrennungszustandes am besten zeigt.
Zunächst wird in dem Drehzahlmeßabschnittimpuls-Erzeugungsabschnitt ein einen Verbrennungshub anzeigendes Impulssignal erzeugt.
Beispiele eines hierbei verwendeten Verfahrens sind gegeben durch ein Verfahren zum Zusammensetzen eines Impulssignals aus einem Ref-Signal und aus einem Pos- Signal, wie in Fig. 11 gezeigt ist, durch ein Verfahren des Schaffens von Schlitzen im Kurbelwinkelsensor, wie später beschrieben wird, und dergleichen.
Dann wird der Zeitabschnitt des auf diese Weise erzeugten Impulssignals durch einen Impulsbreiten-Meßabschnitt gemessen. Ein Verfahren, das einen in der C/U enthaltenen Zähler verwendet, ein Verfahren, das einen externen Zähler verwendet, und dergleichen werden als hierin enthaltene Verfahren angesehen.
In dem Arithmetikoperationsabschitt wird die gemessene Zeit in eine Drehzahl umgewandelt, um dadurch eine Beschleunigung und eine Beschleunigungsdifferenz zu berechnen.
Auf der Grundlage der auf diese Weise erhaltenen Werte wird eine Steuerung ausgeführt.
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, das eine Ausführungsform des Verbrennungszustand-Erfassungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter der Annahme, daß der Wert von Δα in einem eine unregelmäßige Verbrennung aufweisenden Zylinder größer als ein Beurteilungswert ist und daß die Verbrennung in einem nächsten Zylinder normal ist, wird das Vorzeichen des Wertes im nächsten Zylinder in dasjenige im anomalen Zylinder umgekehrt. Wenn daher Δα größer als ein Anomalie-Beurteilungswert ist, wird Δα im direkt vorhergehenden Zylinder untersucht. Wenn der Wert des momentanen Zylinders umgekehrtes Vorzeichen besitzt und größer als der Beurteilungswert ist, kann festgestellt werden, daß in dem direkt vorhergehenden Zylinder eine unregelmäßige Verbrennung aufgetreten ist.
Daher wird der Zündzeitpunkt geändert, um die Verbrennung im direkt vorhergehenden Zylinder in eine normale Verbrennung zu überführen. Wenn die auf dem Zündzeitpunkt basierende Steuerung schwierig ist, wird die Kraftstoffeinspritzmenge geändert.
Ein Verfahren zur Berechnung der Beschleunigung α' lautet folgendermaßen. An zwei Positionen vor und nach einem bestimmten Kurbelwinkel, bei dem die Winkelbeschleunigung innerhalb eines Verbrennungshubes des Motors maximal ist, werden Werte der momentanen Drehzahl gemessen. Es sei Nbot(n) ein Wert, der an einem Punkt vor dem Kurbelwinkel erhalten wird. Es sei Ntop(n) ein Wert, der an einem Punkt nach dem Kurbelwinkel erhalten wird. Die Differenz zwischen Ntop(n) und Nbot(n) sei die Beschleunigung α(n) Der Wert α, der durch dieses Verfahren erhalten wird, repräsentiert eine Pseudobeschleunigung, die von der Beschleunigung im eigentlichen Sinn, die durch einen durch Differenzieren einer Geschwindigkeit nach der Zeit erhaltenen Wert gegeben ist, verschieden ist. In einem Motorzustand (beispielsweise im Leerlauf), in dem die Motordrehzahl stabil ist, besteht jedoch zwischen den Drehzahlmeßabschnitten nur ein geringer Zeitunterschied. Daher kann ohne Problem angenommen werden, daß auf den Beschleunigungswert kein Einfluß ausgeübt wird. Es kann daher zusammengefaßt gesagt werden, daß dieses Verfahren wirksam ist, wenn die Motordrehzahl konstant ist.
Wenn sich die Motordrehzahl jedoch stark ändert (beispielsweise bei einer Beschleunigung/Verzögerung eines Fahrzeuges), wird der Zeitunterschied zwischen den Drehzahlmeßabschnitten groß. Daher ist eine Berücksichtigung der Zeit bei der Definition der Beschleunigung erforderlich.
Deshalb wird die Beschleunigung durch ein Verfahren berechnet, wie es in Fig. 13 gezeigt ist.
Zunächst wird die Differenz α zwischen Ntop(n) und Nbot(n) berechnet. Dann wird α(n) als Beschleunigung im eigentlichen Sinn durch Dividieren von α durch t(n) berechnet. Durch Verwendung des Wertes α'(n) kann die Beschleunigung in einem Verbrennungshub ohne Einfluß der Zeit, der durch die Anderung der Drehzahl hervorgerufen wird, exakt erhalten werden.
In Fig. 14 ist ein Verfahren zum Messen der Zeit t zwischen den Drehzahlmeßabschnitten gezeigt. Die Werte Nbot(n) und Ntop(n) der Drehzahl repräsentieren mittlere Drehzahlwerte in den Drehzahlmeßabschnitten. Wenn aus den beiden Drehzahlwerten α'(n) erhalten wird, ist es notwendig, dN durch dt zu dividieren. Obwohl vorzugsweise für dt die Zeit t&sub1; verwendet wird, die durch Messen der Differenz zwischen den jeweiligen Zentren der Abschnitte, in denen Nbot(n) bzw. Ntop(n) gemessen werden, erhalten wird, ist der für dt zu verwendende Wert selbstverständlich nicht auf die Zeit t&sub1; eingeschränkt. In der Praxis können für dt ein Wert t&sub1;', der durch Messen der Differenz zwischen dem Startpunkt eines Drehzahlmeßabschnitts und dem Startpunkt des weiteren Drehzahlmeßabschnitts erhalten wird, oder der Wert t&sub1;", der durch Messen der Differenz zwischen dem Endpunkt eines Drehzahlmeßabschnitts und dem Endpunkt des anderen Drehzahlmeßabschnitts erhalten wird, verwendet werden. In dem Fall, in dem Werte wie etwa t&sub1;' und t&sub1;" verwendet werden, besteht kein Problem, weil die Drehzahlmeßabschnitte äußerst klein sind.
Im folgenden wird der Kurbelwinkelsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 14 bis 19 beschrieben.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 15 die vorliegende Erfindung in Umrissen beschrieben. In einer Brennkraftmaschine, insbesondere einem Vierzylindermotor werden in jedem Zylinder der Ansaughub, der Kompressionshub, der Verbrennungshub und der Auspuffhub wiederholt. Im gesamten Motor tritt eine Verbrennung in Winkelabständen auf, die durch Dividieren des Kurbelwinkels von 720º durch die Anzahl der Zylinder erhalten werden (180º im Falle eines Vierzylindermotors). Die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ändert sich jedoch wegen der Druckänderung wie in der Zeichnung gezeigt. Ferner ändert sich die Winkelbeschleunigung wie im unteren Teil der Zeichnung gezeigt. Der Spitzenwert der Winkelbeschleunigung liegt an einer Position, an der die Winkelgeschwindigkeit einen Mittelwert zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert annimmt. Ein Verfahren zur Erfassung der Winkelbeschleunigung ist auf der Grundlage der Tatsache diskutiert worden, daß der Verbrennungszustand in jedem Zylinder durch Erfassen der Winkelbeschleunigung in jedem Zylinder erfaßt werden kann. Als Ergebnis der Diskussion hat sich ergeben, daß die Winkelgeschwindigkeit gut erfaßt werden kann und daß der Verbrennungszustand in jedem Zylinder durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten erhalten werden kann: Berechnen der Werte der Winkelgeschwindigkeit an zwei Punkten, die in bezug auf den Spitzenwert der Winkelbeschleunigung einander entgegengesetzt sind; und Berechnen der Differenz zwischen den beiden Werten der Winkelgeschwindigkeit und erforderlichenfalls Dividieren des Wertes der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz durch die Zeit zwischen den beiden Punkten.
In dieser Ausführungsform ist für die Erzeugung eines Kurbelwinkelsignals für die Erfassung von Werten der Winkelgeschwindigkeit an zwei Punkten ein Kurbelwinkelsensor vorgesehen, der unabhängig von dem herkömmlichen gradweise gelesenen Winkelsignal Pos und unabhängig von dem herkömmlichen, für jeden Zylinder erzeugten Zylinderidentifikationssignal Ref Abschnittsimpulse, die in Fig. 15 gezeigt sind und die als drittes Ausgangssignal dienen, erzeugt, um den Verbrennungszustand in jedem Zylinder zu erhalten. In Fig. 15 ist der Winkelgeschwindigkeits-Erfassungspunkt durch ein Abschnittsignal repräsentiert. Die Winkelgeschwindigkeit kann durch Messen der Impulsbreite des Abschnittssignals erhalten werden. Im Hinblick auf die Einschränkungen der Verarbeitungsschaltungen auf seiten der Vorrichtung werden jedoch die beiden folgenden Fälle betrachtet. In einem Fall werden die Abschnittssignalimpulse in zwei Signale unterteilt, nämlich in ein oberes Signal (Upper, das dem Abschnitt mit einer hohen Winkelgeschwindigkeit entspricht) und einem unteren Signal (Lower, das dem Abschnitt mit einer niedrigen Winkelgeschwindigkeit entspricht), anschließend werden die beiden Signale auf jeweilige unabhängige Signalleitungen ausgegeben. Im anderen Fall werden die beiden Arten von Abschnittssignalimpulsen auf dieselbe Signalleitung ausgegeben. Die Abschnittsimpulse sowohl der unteren als auch der oberen Signale, Lower bzw. Upper, müssen dieselbe Kurbelwinkelbreite besitzen. Verschiedene Fehler neigen zu einer Abnahme, wenn die Impulsbreite ansteigt. Daher ist es in dem Fall, in dem der Sensor an einer Stelle vorgesehen ist, wo große Fehler entstehen können, notwendig, die Impulsbreite auf einen Kurbelwinkel von ungefähr 20 Grad zu erhöhen.
Die Fig. 16A und 16B zeigen Beispiele der Vorrichtung, durch die das vom Sensor erzeugte Abschnittsignal verarbeitet wird.
In dem Fall, in dem die Abschnittssignale auf eine Signalleitung ausgegeben werden, wie in Fig. 16A gezeigt ist, können zwei Verarbeitungsverfahren verwendet werden. In einem dieser Verfahren wird ein gemessener Wert in einem Speicher gespeichert, so oft der Abschnittsimpuls an einen Impulsbreitenmessungs-Zeitgebermodul geliefert wird. Im anderen Verfahren werden zwei Abschnittsimpulse durch eine Erfassungsschaltung voneinander getrennt und anschließend über unabhängige Kanäle in den Impulsbreitenmessungs-Zeitgebermodul eingegeben.
Die Verarbeitungsschaltung vom Abschnittssignaltrennungstyp, wie sie in Fig. 16B gezeigt ist, besitzt eine einfache Konfiguration, weil die beiden Abschnittsimpulse über unabhängige Kanäle direkt in den Impulsbreitenmessungs-Zeitgebermodul eingegeben werden.
Weil die Spitzenwertposition der Winkelbeschleunigung in einem ATDC-Bereich von 50 Grad bis 60 Grad gesetzt ist, sind die Ausgangspositionen der Abschnittsimpulse so bestimmt, daß die Spitzenwertposition der Winkelbeschleunigung zwischen dem unteren Abschnittsimpuls Lower und dem oberen Abschnittsimpuls Upper liegt. In Kürze, der untere Abschnittsimpuls Lower wird in einem ATDC-Bereich von 30 Grad bis 50 Grad gesetzt, während andererseits der obere Abschnittsimpuls Upper in einem ATDC-Bereich von 60 Grad bis 80 Grad gesetzt wird. Im allgemeinen wird die Empfindlichkeit verbessert, wenn sich die Seite von Lower und die Seite von Upper einander annähern. Die obere Grenze der Trennung zwischen der Seite von Lower und der Seite von Upper ist in dem Fall erreicht, in dem die Seite von Lower in einem ATDC-Bereich von 10 Grad bis 30 Grad liegt und die Seite von Upper in einem ATDC-Bereich von 80 Grad bis 100 Grad liegt. Dies ist eine Position der Seite von Lower, wo die Winkelgeschwindigkeit minimal ist, und eine Position der Seite von Upper, wo die Winkelgeschwindigkeit maximal ist.
Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 17A, 17B, 18A, 18B, 19A und 19B ein Mechanismus für die Erzeugung des Kurbelwinkelsignals im einzelnen beschrieben.
Wie in den Fig. 17A und 17B gezeigt ist, sind in einer Scheibe 31, die sich synchron mit der Kurbelwelle um einen Winkel von 720 Grad dreht, Schlitze 33 vorgesehen, die Abschnittsimpulsen entsprechen. Die Abschnittsimpulssignale werden erzeugt, wenn die Abschnitte der Schlitze mittels eines Photounterbrechers 32 erfaßt werden. Der Betrieb des Photounterbrechers ist der folgende. Wenn ein Erfassungsbereich des Photounterbrechers 32 durch die Scheibe unterbrochen ist, ist der Ausgang des Photounterbrechers 32 abgeschaltet. Wenn sich der Erfassungsbereich in einem Schlitzbereich der Scheibe befindet, ist der Ausgang des Photounterbrechers 32 eingeschaltet. Um in diesem Fall die Abschnittssignale auf eine Signalleitung aus zugeben, müssen, wie in Fig. 17A gezeigt ist, die Positionen der Schlitze zur Erzeugung von zwei Abschnittsimpulsen unabhängig von den Winkelmeßschlitzen, die in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, und unabhängig von Zylinderidentifikationsschlitzen, die in Winkelabständen angeordnet sind, die durch Dividieren des Kurbelwinkels von 720 Grad durch die Anzahl der Zylinder erhalten werden, konzentrisch auf einer Scheibe vorgesehen sein.
In dem Fall, in dem die Abschnittssignale wie in Fig. 17B voneinander getrennt sind, sind die Impulserzeugungsschlitze auf einer Scheibe doppelt und konzentrisch vorgesehen, so daß es notwendig ist, auf seiten der Abschnittserzeugung vier Paare von Photounterbrechern vorzusehen.
Hierbei werden die Genauigkeit bei der Herstellung der Schlitze und die Genauigkeit des Spiels, das durch die Drehung der über ein Zahnrad oder eine Kette mit der Kurbelwelle verbundenen Scheibe als zwei Hauptursachen für Fehler bei der Abschnittsmessung angesehen. Um daher den Fehler zu verringern, muß die Abschnittsimpulsbreite auf ungefähr 20 Grad vergrößert werden.
Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 18A und 18B ein weiteres Beispiel des Mechanismus zur Erzeugung von Kurbelwinkelsignalen beschrieben. In einem magnetischen Zahnkranz 34 sind in den Abschnittsimpulsen entsprechende Vorsprünge 35 vorgesehen, wobei sich der Zahnkranz 34 synchron mit der Kurbelwelle dreht. Die Abstände der Vorsprünge werden durch elektromagnetische Aufnehmer 37 erfaßt, die auf seiten des Motors befestigt sind, so daß vom jeweiligen elektromagnetischen Aufnehmer 37 ein Impulssignal erzeugt wird. Der Betrieb des jeweiligen elektromagnetischen Aufnehmers ist der folgende. Wenn sich einer der magnetischen Vorsprünge einem Erfassungsbereich des elektromagnetischen Aufnehmers annähert, wird der Ausgang des Aufnehmers eingeschaltet. Wenn sich einer der magnetischen Vorsprünge vom Erfassungsbereich des elektromagnetischen Aufnehmers entfernt, wird der Ausgang des Aufnehmers abgeschaltet. Um in diesem Fall die Abschnittssignale auf eine Signalleitung auszugeben, wie in Fig. 18A gezeigt ist, muß die Anbringungsposition eines magnetischen Zahnrades 5 für die Erzeugung von zwei Abschnittsimpulsen unabhängig von dem Winkelsignal- Erzeugungszahnrad, dessen Zähne in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, und unabhängig von einem Zylinderidentifikations-Zahnrad, dessen Zähne in Winkelabständen angeordnet sind, die durch Dividieren des Kurbelwinkels von 720 Grad durch die Anzahl der Zylinder erhalten werden, parallel vorgesehen sein.
In dem Fall, in dem die Abschnittssignale voneinander getrennt sind, wie in Fig. 18B gezeigt ist, sind zwei Zahnräder vorgesehen, weil der Abschnitt auf seiten von Upper und der Abschnitt auf seiten von Lower durch Aufnehmer getrennt erfaßt werden müssen.
In dem Fall, in dem die magnetischen Vorsprünge durch die elektromagnetischen Aufnehmer erfaßt werden, werden die Vorderflanke und die Hinterflanke der Impulswelle gedämpft. Daher ist es notwendig, Wellenformungsschaltungen 38 vorzusehen, um die aufgenommenen Signale zu formen.
Wenn an der Kurbelwelle ein solches Zahnkranz-Rad vorgesehen ist, sind Hauptursachen von Fehlern wie etwa ein Spiel und dergleichen beseitigt. Daher kann die Genauigkeit verbessert werden, obwohl die Abschnittsimpulsbreite verhältnismäßig klein ist.
Die Fig. 19A und 19B zeigen weitere Beispiele des Mechanismus, in dem Abschnittsimpulssignale durch eine Signalverarbeitung auf der Grundlage des herkömmlichen Winkelmeßsignals Pos und des Zylinderidentifikationssignals Ref erzeugt werden. Der Betrieb des Mechanismus ist der folgende. Das Ref-Signal, das in Winkelabständen erzeugt wird, die durch Dividieren des Kurbelwinkels von 720 Grad durch die Anzahl der Zylinder erhalten werden, wird an Trigger-Eingangsanschlüsse von vier Zählern 39 geliefert. Das Pos-Signal, das in Winkelabständen von ungefähr 2 Grad erzeugt wird, wird an Takteingangsanschlüsse der Zähler geliefert. Die Zähler sind so beschaffen, daß sie Impulse erzeugen, wenn ein vorgegebener Winkel erreicht ist. Um in diesem Fall zwei Abschnittsimpulse zu erzeugen, ist es notwendig, daß die Positionen, in denen die vier Zähler unabhängig Signale erzeugen, angegeben werden können. In dieser Ausführungsform sind die Zähler aus vier im voraus einstellbaren Zählern gebildet. Die vier Ausgangssignale der Zähler werden folgendermaßen verarbeitet. In dem Fall, in dem die Abschnittssignale auf eine einzige Signalleitung ausgegeben werden, wie in Fig. 19A gezeigt ist, werden die Signale, die bei einer führenden Position eines Abschnittsimpulses ankommen, an ein ODER-Gatter 40a mit zwei Eingängen geliefert, welches mit einem Setz-Eingangsanschluß einer (bistabilen) Flipflop-Schaltung 41 verbunden ist. Die Signale, die bei der hinteren Position eines Abschnittsimpulses ankommen, werden an ein ODER-Gatter 40b mit zwei Eingängen geliefert, welches mit einem Rücksetz-Eingangsanschluß der Flipflop-Schaltung 41 verbunden ist. In dem Fall, in dem die Abschnittssignale voneinander getrennt sind, wie in Fig. 19B gezeigt ist, ist die Schaltung so konfiguriert, daß die Ausgangssignale der Zähler getrennt an die Setz- Eingangsanschlüsse bzw. die Rücksetz-Eingangsanschlüsse von zwei Flipflop-Schaltungen geliefert werden. Obwohl die obenerwähnte Logikschaltung auf seiten der Steuereinheit vorgesehen sein kann, ist die Schaltung vorzugsweise auf seiten des Kurbelwinkelsensors vorgesehen, weil die Länge der Signalleitung verringert werden kann und somit ein Auftreten von Betriebsfehlern verhindert wird.

Claims

1. Verfahren zur Feststellung des Verbrennungszustandes in jedem Zylinder einer Brennkraftmaschine während der Beobachtung einer Veränderung der Umdrehung einer Kurbelwelle dieser Maschine bei jedem Zylinder mit folgenden Schritten:

- Feststellung der Drehwinkelbeschleunigung (α) innerhalb einer Verbrennungsperiode eines jeden Zylinders;

- Entscheiden, daß ein vorbestimmter Zylinder sich im Zustand einer irregulären Verbrennung befindet wenn die Größe der Veränderung der Drehwinkelbeschleunigung (Δα) zwischen benachbarten Zylindern einen vorbestimmten Wert (C) überschreitet; und

- Feststellung der Werte der Drehgeschwindigkeit (Ntop, Nbot in Fig. 14) an zwei Punkten innerhalb einer Verbrennungsperiode;

dadurch gekennzeichnet daß

die Drehwinkelbeschleunigung (α) durch folgende Schritte erhalten wird:

Berechnung der Differenz (Ntop - Nbot) aus den zwei Werten der (Dreh-) Geschwindigkeit , und

Dividieren dieser Differenz der zwei Geschwindigkeitswerte durch die Zeit (t&sub1;) zwischen den betreffenden Mittelpunkten der Abschnitte in denen die zwei Werte (Ntop, Nbot) der Drehgeschwindigkeit gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das mindestens die Schritte der Steuerung der Zündzeitpunkteinstellung und der Kraftstoffeinspritzmenge aufweist in Übereinstimmung mit einem festgestellten irregulären Verbrennungszustand.

3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit :

- einer Steuereinheit(15);

- einem Kurbelwellensensor (31) zur Lieferung von Stellungs- und Bezugssignalen;

- Mitteln zur Ermittlung der Drehwinkelbeschleunigung (α) innerhalb einer Verbrennungsperiode eines jeden Zylinders;

- Mitteln zum Entscheiden daß ein vorbestimmter Zylinder sich in einem Zustand der irregulären Verbrennung befindet wenn die Größe der Veränderung der Drehwinkelbeschleunigung (Δα) zwischen benachbarten Zylindern einen vorbestimmten Wert (C) überschreitet; und

- Mitteln zur Feststellung der Werte der Drehgeschindigkeit (Ntop, Nbot) an zwei Punkten innerhalb der Verbrennungsperiode;

dadurch gekennzeichnet daß

die Mittel zur Feststelllung der Drehwinkelbeschleunigung (α) bestehen aus:

Rechenmitteln innerhalb der Steuereinheit (15) zur Berechnung der Differenz aus den Werten der zwei festgestellten Drehgeschwindigkeitswerten durch die Zeit (t&sub1;) zwischen den betreffenden Mittelpunkten der Meßabschnitte.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der ein Mittel zur Erkennung eines Zylinders mit irregulärer Verbrennung vorgesehen ist durch den Vergleich der Werte der Drehwinkelbeschleunigung zwischen zwei benachbarten Zylindern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Mittel zur Erkennung mit vielen Bezugs-Drehwinkelbeschleunigungs-Werten ausgestattet ist und das die Funktion zur Beurteilung des Grades der irregulären Verbrennung hat aufgrund der Größe des festgestellten Wertes.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Kurbelwellensensor (31) aus einer Scheibe mit Schlitzen besteht,welche eine Umdrehung bei einem Kurbelwellenwinkel von 720 Grad synchron mit der Kurbelwelle macht, und aus einer Lichtschranke (37) zur Erzeugung eines Impulssignals.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Kurbelwellensensor aus einem magnetisierten Zahnrad (34) besteht, das so angeordnet ist, daß es sich synchron mit der Kurbelwelle dreht, und aus einem Empfangsteil eines elektromagnetischen Aufnehmers (37).