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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bestimmen der Luftmasse in einer Brennkammer eines
kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotors.
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Bei einem kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotor hat jeder
einzelne Zylinder seine eigene separate Kurbelgehäusekammer.
Während Abschnitten des Motor-Betriebszyklus wird in jede
Kurbelgehäusekammer Luft eingeführt, komprimiert, während
das Volumen der Kurbelgehäusekammer abnimmt, und dann in die
zugeordnete Zylinder-Brennkammer übertragen, wo sie mit
Brennstoff zur Zündung gemischt wird.
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Um die Emission und die Verhaltens-Eigenschaften eines
solchen Motors wirksam zu steuern, ist es normalerweise
notwendig, die zum Zeitpunkt der Verbrennung innerhalb jedes
Zylinders verfügbare Luftmasse zu kennen. Sobald diese
Information bekannt ist, kann das Luft/Treibstoff-Verhältnis
entsprechend eingestellt werden, um die gewünschten Emissions-
und Verhaltensziele zu erreichen.
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Übliche Heißdraht- oder Heißfilm-Sensoren können benutzt
werden, um den Gesamtluftstrom pro Zyklus in einem
Zweitaktmotor zu messen, jedoch neigen diese Sensoren dazu, relativ
teuer, zerbrechlich und durch Verschinutzungen in der
strömenden Luft leicht verunreinigbar zu sein. Alternativen wurden
vorgeschlagen, um die üblichen Luftstrom-Massensensoren bei
kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotoren ersetzen und die
jeweiligen Luftstrom-Massem pro Zylinder bestimmen zu
können. Diese Verfahren sind in den US-PSn Nr. 4 920 790 und
4 920 789 beschrieben. In jedem Fall wird die Masse von
innerhalb einer Kurbelgehäusekammer eingesperrter Luft als
eine Funktion des Drucks, des Volumens und der Temperatur
der Luft während der Kurbelgehäuse-Komprimierung bestimmt,
bevor die Luft in eine Zylinder-Brennkammer übertragen wird.
Bei den bevorzugten Ausführungen jedes Patents werden
Korrekturfaktoren benutzt, um unvollständige Übertragung von
Luft zwischen Kurbelgehäuse und Brennkammer in Rechnung zu
stellen und das Auslecken der übertragenen Luft aus der
Brennkammer vor dem Schließen der Zylinder-Auslaßöffnung zu
berücksichtigen.
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US-4 461 260 beschreibt eine Steueranordnung für ein
Treibstoff-Einspritzsystem, das Unterschiede des
Kurbelgehäusedruckwertes bei vorbestimmten Abschnitten eines Motorzyklus
erfaßt. Die Anordnung mißt den Kurbelgehäusedruckwert
unmittelbar vor dem Öffnen und unmittelbar nach dem Schließen der
Kurbelgehäuse-Auslaßöffnung, um so nur den Spitzendruck vor
dem Öffnen des Spülanschluß-Auslasses und den Minimaldruck
nach dem Schließen des Auslaßanschlusses zu erfassen. Die so
bestimmte Druckdifferenz wird zusammen mit einem
Kurbelwellenwinkelsignal, der Umgebungstemperatur und der
Motortemperatur benutzt, um die in den Zylinder eingeführte Luftmenge
zu errechnen.
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Die vorliegende Erfindung ist daraufhin gerichtet, die für
die Verbrennung in einem Zylinder eines
kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotors verfügbare Luftmasse zu bestimmen auf
Grundlage von abgeleiteten Anzeigen des Drucks, Volumens und
der Lufttemperatur innerhalb der zugeordneten
Kurbelgehäusekammer, ohne daß eine Korrektur für die unvollständige
Übertragung von Luft von den Kurbelgehäuse- und zu den
Brennkammern erforderlich ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum
Bestimmen der Luftmasse in einer Brennkammer eines
kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotors wie im Anspruch 1 definiert.
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Bei einer Ausführung wird dies erreicht, indem zuerst die
eingesperrte Luftmasse (MT) bestimmt wird, während die Luft
einer Komprimierung in einer Kurbelgehäusekammer unterzogen
wird, und dann die in dem Kurbelgehäuse gerade nach der
Luftübertragung in die Brennkammer verbleibende Rest-Luftmasse
(MR) bestimmt wird. Die tatsächlich in die Brennkammer
übertragene Luftmasse wird dann direkt als eine Funktion der
Differenz (MT - MR) zwischen der einsperrten und der
Rest-Kurbelgehäuse-Luftmasse bestimmt. Dementsprechend ist keine
Korrektur erforderlich, um die unvollständige Luftübertragung
zwischen Kurbelgehäuse und Brennkammer in Rechnung zu
stellen.
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Damit kann mit der vorliegenden Erfindung die
Verbrennungsluftmasse genau bestimmt werden unter Benutzung nur einer
einzigen Korrektur, um die Luftmenge in Rechnung zu stellen,
die vor dem Schließen der Auslaßöffnung aus der Zylinder-
Brennkammer austritt.
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Die Luftmasse innerhalb eines Kurbelgehäuses wird sowohl
während der Kurbelgehäusekomprimierung wie auch nach der
Übertragung der Luft zu der zugeordneten Brennkammer
vorzugsweise bestimmt nach dem Idealen Gasgesetz M = PV/RT, wobei M,
P, V, T und R jeweils die Werte für die Masse, den Druck,
das Volumen, die Temperatur und die Gaskonstante für die
Luft innerhalb des Kurbelgehäuses bezeichnen, und die Werte
zu den angemesenen Zeitpunkten während des
Motor-Betriebszyklus bestimmt sind. Dementsprechend kann die Luftmasse in
der Kurbelgehäusekammer errechnet werden unter Benutzung
einer relativ einfachen algebraischen Beziehung, die wenig
Bearbeitungszeit in einem üblichen mikroprozessor-gestützten
Motorsteuersystem erfordert.
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Bei einer Ausführung wird die in eine Brennkammer
übertragene Luftmasse bestimmt aufgrund des Ausdrucks α + β (MT
- MR), einer vorbestimmten Linearfunktion der Differenz
zwischen der einsperrten und der restlichen Luftmasse im
Kurbelgehäuse. Dementsprechend kann eine verbesserte Genauigkeit
bei der Vorhersage der Größe der übertragenen Luftmasse
erreicht werden, da die Werte für die Konstanten α und β
ausgewählt werden durch beste Anpassung an eine Gerade, welche
die gemessenen und berechneten Luftstromdaten miteinander in
Beziehung setzt, die bei unterschiedlichen
Motorbetriebs-Bedingungen erhalten werden.
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Vorteilhafterweise wird eine Anzeige der
Kurbelgehäuse-Lufttemperatur erhalten als Funktion der Temperatur der in den
Motor eingeführten Luft. Das wird entweder dadurch erreicht,
daß die Kurbelgehäuse-Temperatur gleich der Einlaßtemperatur
gesetzt wird, oder durch Benutzen einer genaueren
Funktionsbeziehung zwischen den Temperaturen der Kurbelgehäuse- und
der Einlaßluft (unter der Annahme, daß die Expansion und
Kompression der Kurbelgehäuseluft isentropisch geschieht). Das
ergibt einen wichtigen Vorteil, da Motortemperaturfühler
typischerweise eine lange Nachlaufzeit bezüglich des
Motorzyklus-Zeitpunktes besitzen. Als Ergebnis kann die
Einlaßlufttemperatur, die sich allgemein nur langsam verändert,
genauer gemessen werden als Kurbelgehäuse-Lufttemperatur, die
sich während eines Motorzyklus rasch ändert. Zusätzlich sind
Fühler zum Messen der Einlaßlufttemperatur in den meisten
typischen Motorsteuersystemen bereits vorhanden. Demzufolge
erfordert wegen des Ableitens der Kurbelgehäuse-Lufttemperatur
als Funktion der Einlaßlufttemperatur diese Ausführung
allgemein keinen zusätzlichen Temperaturfühler im Kurbelgehäuse.
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Bei einer anderen Ausführung wird das Kurbelgehäusevolumen
als eine vorbestimmte Funktion der Motorzyklusstellung
abgeleitet. Vorzgusweise wird das Volumen in einer
Kurbelgehäusekammer zu einem bestimmten Zeitpunkt aus der Winkelstellung
der Motorkurbelwelle bestimmt, die durch eine Vorrichtung
gemessen wird, die einen Teil eines typischen
Motorsteuersystems bildet.
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Bei einer anderen Ausführung wird der Wert für die von einer
Kurbelgehäusekammer zu ihrem zugeordneten Zylinder
übertragenen Luftmasse korrigiert, um aus dem Zylinder vor dem
Schließen
der Auslaßöffnung austretende Luft in Rechnung zu
stellen. Damit kann eine genaue Bestimmung der zur Verbrennung
verfügbaren Luftmasse erhalten werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zum
Bestimmen der Luftmasse in einer Brennkammer eines
kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotors, wie in Anspruch 8 definiert.
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Der Luftdruck innerhalb einer Kurbelgehäusekammer wird
vorzugsweise von einem üblichen in der Kurbelgehäusekammer
angeordneten Druckfühler erhalten. Das erfordert nur das
Hinzufügen eines relativ kostengünstigen Druckwandlers zu einem
üblichen computergestützten Motorsteuersystem, um die
Bestimmung des Zylinder-Luftmassenstroms zu ermöglichen.
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Die Erfindung ist gleich gut auf
Zweitaktmaschinensteuersysteme anzuwenden, die sich entweder auf Luft oder auf
Treibstoff beziehen, bei denen jeweils die Treibstoff-Zulieferung
oder die Motoreinlaßluft geregelt wird aufgrund der für die
Verbrennung verfügbaren geschätzten Zylinderluftmasse.
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Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend
nur als Darstellung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in welcher:
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Fig. 1 ein schematisches Schaubild eines Zylinders
eines kurbelgehäuse-gespülten Zweitaktmotors
ist und einer Steuerung, die eine Ausführung
des Systems zur Abschätzung der für
Verbrenung verfügbaren Luftmasse enthält; und
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Fig.2 ein Flußdiagramm ist, das eine Ausführung
von Programminstruktionen darstellt, welche
durch die Steuerung der Fig. 1 beim
Bestimmen der für die Verbrennung verfügbaren
Luftmasse ausgeführt werden.
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In Fig. 1 ist schematisch ein allgemein mit 10 bezeichneter
kurbelgehäuse-gespülter Zweitaktmotor gezeigt, wobei ein
Abschnitt der Motoraußenseite abgeschnitten ist und einen
Zylinder 14 freigibt. Der Kolben 12 befindet sich innerhalb
der Wand des Zylinders 14, wobei seine Kolbenstange 16 den
Kolben 12 mit einer drehbaren (nicht dargestellten)
Kurbelwelle verbindet, die innerhalb der Kurbelgehäusekammer 18
angeordnet ist. Mit dem Motor 10 ist ein Lufteinlaßverteiler
20 mit einer Drossel 22 verbunden, sowie ein Auslaßverteiler
24. Der Zylinder 14 steht mit dem Auslaßverteiler 24 über
eine Auslaßöffnung 26 in der Wand des Zylinders 14 in
Verbindung. Der Einlaßverteiler 20 steht mit dem Zylinder 14 und
der Kurbelgehäusekammer 18 über einen
Blattventil-Rückschlagmechanismus 28 in Verbindung, der sich in einen gemeinsamen
Luftübertragungsdurchlaß 30 öffnet, welcher den
Kurbelwellengehäuseanschluß 32 mit dem Einlaßanschluß 34 in der Wand des
Zylinders 14 verbindet. Der Zylinder 14 ist mit einer
Zündkerze 36 und einem in die Brennkammer 40 hinein vorstehenden
über ein Elektromagnetventil angetriebenen
Treibstoffinjektor 38 versehen.
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Dem Motor 10 sind verschiedene übliche auf dem Fachgebiet
bekannte Fühler zugeordnet, welche die Motorsteuerung
betreffende typische Signale schaffen. Nur die zum Verständnis
dieser Ausführung nützlichen Fühler sind hier beschrieben.
Innerhalb des Lufteinlaßverteilers 20 befindet sich ein
Druckfühler 42 zum Messen des Verteiler-Absolutdrucks (VAD)
und ein Temperaturfühler 44 zum Messen der
Verteilerlufttemperatur (VLT). Elektromagnetische Fühler 48 und 50 ergeben
pulsierende Signale, die für die Kurbelwellen-Winkelstellung
(WINKEL) und die obere Totpunktlage für den Zylinder 14
(OTP) bezeichnend sind durch Erfassen der jeweiligen
Bewegung der Zähne an dem Ringzahnrad 52 bzw. der Scheibe 54,
die jeweils am Ende der Motorkurbelwelle angebracht sind.
Der Kurbelwellen-Drehwinkel vom oberen Totpunkt im Zylinder
14 kann dadurch erhalten werden, daß die Anzahl der im
Signal WINKEL auftretenden Impulse nach dem OTP-Impuls
gezählt und dann der Zählwert mit dem Winkelabstand der Zähne
am Ringzahnrad 52 multipliziert wird. Die Motordrehzahl in
Umdrehungen pro Minute (UPM oder U/min) kann auch durch
Zählen der Anzahl der OTP-Impulse erhalten werden, die in
einem festgelegten Zeitraum auftreten, mit nachfolgender
Multiplikation mit der entsprechenden Wandlungskonstanten.
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Der Computer 56 ist ein üblicher für Motorsteuerung
benutzter Digitalcomputer und enthält eine zentrale
Bearbeitungseinheit, Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM),
Festwertspeicher (ROM), Analog/Digital-Wandler,
Eingabe/Ausgabe-Schaltung und Taktschaltung. Signale von den vorher erwähnten
Fühlern kommen durch die angezeichneten Wege und dienen als
Eingangssignale für den Computer 56. Unter Benutzung dieser
Eingangssignale führt der Computer 56 die entsprechenden
üblichen Berechnungen aus, um ein Ausgangssignal
TREIBSTOFFSIGNAL für den Treibstoffinjektor 38 und ein Ausgangssignal
ZÜNDVERSTELLUNG für das Zündsystem 58 abzugeben.
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Das Zündsystem 58 erzeugt ein Hochspannungs-ZÜND-Signal, das
zum entsprechenden Zeitpunkt an die Zündkerze 36 angelegt
wird, wie er durch das durch den Computer 56 zugeführte
ZÜNDVERSTELLUNGS-Signal die durch die Signale WINKEL und OTP
bestimmte Lage der Motorkurbelwelle festgelegt wird. Das
Zündsystem 58 kann einen üblichen Verteiler enthalten oder
irgendeine andere angemessene Form annehmen.
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Der Betrieb des Motors 10 wird nun kurz beschrieben anhand
eines im Zylinder 14 ablaufenden Zyklus. Während des
Aufwärtshubs bewegt sich der Kolben 12 von seiner untersten
Lage im Zylinder 14 zu seinem oberen Totpunkt hin. Während
der Aufwärtsbewegung des Kolbens 12 sind die
Lufteinlaßöffnung 34 und die -Auslaßöffnung 36 gegen die Brennkammer 40
geschlossen und danach wird Luft durch das Blattventil 28 in
die Kurbelgehäusekammer 18 eingelassen. In der Brennkammer
40 über dem Kolben 12 befindliche Luft wird mit Treibstoff
vom Injektor 38 gemischt und komprimiert, bis die Zündkerze
36 das Gemisch in der Nähe des oberen Totpunkts entzündet.
Wenn die Verbrennung eingeleitet ist, begint der Kolben 12
seinen Abwärtshub, wobei er das Volumen der
Kurbelgehäusekammer 18 und der darin eingeleiteten Luft vermindert infolge
des Schließens des Blattventils 28. In der Nähe des Endes
des Abwärtshubs gibt der Kolben 12 die Auslaßöffnung 26
frei, um den verbrannten Treibstoff auszulassen, gefolgt
durch die Freigabe der Einlaßöffnung 34, die es der
komprimierten Luft in der Kurbelgehäusekammer 18 ermöglicht, durch
den Luftübertragungsdurchlaß 30 in den Zylinder 14 zu
strömen. Der Zyklus beginnt wieder, wenn der Kolben 12 den
untersten Punkt im Zylinder 14 erreicht hat.
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Um die Emissions- und Verhaltens-Eigenschaften des
Zweitaktmotors wirksam zu steuern, ist es notwendig, die im Zylinder
zum Verbrennungszeitpunkt verfügbare Luftmasse zu kennen.
Sobald diese Information bekannt ist, kann das
Luft/Treibstoff-Verhältnis so eingestellt werden, daß die Emissions-
und Verhaltensziele erreicht werden.
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Die mathematischen Gleichungen, die dem Betrieb dieser
Ausführung zugrundeliegen, werden nun beschrieben. Da der
Luftdruck in der Kurbelgehäusekammer 18 den kritischen Punkt
niemals überschreitet, kann angenommen werden, daß die
Luftmasse im Kurbelgehäuse jederzeit durch das Ideale Gasgesetz
bestimmt wird:
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M = PV/RT, (1)
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wobei M, P, V, T und R jeweils die Masse, den Druck, das
Volumen, die Temperatur und die Gaskonstante für die Luft im
Kurbelgehäuse zu einem bestimmten Zeitpunkt während des
Motor-Betriebszyklus bedeutet.
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Ein üblicher Temperaturfühler kann benutzt werden, um die
Kurbelgehäuse-Lufttemperatur T zu messen, jedoch haben
Motortemperaturfühler typischerweise eine lange Ansprechzeit im
Vergleich zu der Motorzykluszeit, wodurch es schwierig wird,
genaue Messungen der Kurbelgehäusetemperatur zu erhalten. So
wird eine Alternative zur tatsächlichen Messung der
Kurbelgehäuse-Lufttemperatur
benutzt.
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Als eine reste Annäherung kann angenommen werden, daß die
Kurbelgehäuse-Lufttemperatur gleich der Temperatur TIN der
in den Motor von dem Einlaßverteiler eingeführten Luft ist.
Wenn diese Annäherung an Gleichung (1) angewendet wird, kann
eine Schätzung der Kurbelgehäuse-Luftmasse gegeben werden
mit
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M = PV/RTIN, (2)
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für die keine Kenntnis der Kurbelgehäuse-Lufttemperatur
erforderlich ist.
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Eine genauere Schätzung der Kurbelgehäuse-Lufttemperatur
wird erreicht durch die Erkenntnis, daß ein
Komprimierungsvorgang relativ rasch im Vergleich zu der Rate der
Wärmeübertragung vor sich geht. Demzufolge ist die
Nettowärmeübertragung aus der Kurbelgehäusekammer 18 vernachlässigbar und die
Kompression und Expansion der Luft im Kurbelgehäuse kann als
im wesentlichen isentropisch angesehen werden.
Dementsprechend kann die Temperatur der Luft im Kurbelgehäuse
angenähert werden durch
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wo PIN der Luftdruck im Einlaßverteiler 20 ist und γ das
Verhältnis der spezifischen Wärme der Luft bei konstantem Druck
zu der spezifischen Wärme bei konstantem Volumen darstellt.
Bei Luft beträgt γ annähernd 1,4. Die Gleichung (3) ist für
Computerberechnung mühevoll infolge der Anwesenheit eines
gebrochenen Exponenten, und sie kann weiter vereinfacht
werden, ohne bedeutende Fehler einzuführen, durch die
lineare Kurve
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T = TIN[0,732 + 0,268 (P/PIN)] (4)
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welche eine Best-Anpassung der Gleichung (3) für einen
Bereich des Druckverhältnisses (P/PIN) von 0,8 bis 1,3
darstellt.
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Setzt man den Ausdruck für T aus Gleichung (4) in Gleichung
(1) ein, so ergibt sich für die Kurbelgehäuse-Luftmasse zu
irgendeinem Zeitpunkt während des Motor-Betriebszyklus:
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M = PV/{R TIN [0,732 + 0,268(P/PIN)]} (5)
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Gleichung (5) beseitigt die Notwendigkeit, einen
Kurbelgehäuse-Temperaturfühler einzusetzen und kann bei der Berechnung
der Masse M genauer als Gleichung (2) sein; dabei ist jedoch
die Kenntnis sowohl der Einlaß-Lufttemperatur als auch des
zugehörigen Drucks erforderlich.
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Die im Kurbelgehäuse 18 eingefangene und komprimierte
Luftmasse MT kann bestimmt werden durch Auswerten der beiden
Gleichungen (2) und (5) zu irgendeinem Zeitpunkt während der
Motorumdrehung, wenn Θ = ΘT, was nach dem Schließen des
Blattventils 28 auftritt, und nachdem der Kolben den oberen
Totpunkt durchläuft, jedoch vor dem Öffnen der Einlaßöffnung
34. In gleicher Weise kann die Masse MR der im Kurbelgehäuse
zurückbleibenden Restluft bestimmt werden, nachdem der
Transport der Luft zum Zylinder 14 im wesendlichen vollendet
ist, durch Auswerten einer der Gleichungen (2) oder (5) bei
einem Motordrehwinkel Θ = ΘT, der in der Nähe des Schließens
der Einlaßöffnung 34 auftritt, jedoch vor dem Einströmen
irgendeiner wensetlichen Menge neuer Luft in das Kurbelgehäuse
durch das Blattventil 28.
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In Hinsicht auf die vorstehend beschriebenen eingesperrten
und restlichen Luftmassen wird eine Bestimmung der Luftmasse
M, die von der Kurbelgehäusekammer 18 zu der Brennkammer 40
übertragen wird, gegeben durch
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M = MT - MR. (6)
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Gleichung (6) dazu
neigt, den Luftstrom bei geringen Strömungsraten etwas zu
überschätzen, anscheinen infolge der Wärmeübertragung vom
Kurbelgehäuse, wodurch die Kurbelgehäuse-Luftdichte bei
niedrigeren Strömungsraten abgesenkt wird. Diese Diskrepanz
kann verringert werden durch Verwendung der linearen
Gleichung
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M = α + β (MT - MR), (7)
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um eine Best-Anpassung zwischen den tatsächlichen gemessenen
Luftströmungsdaten und der vorausgesagten Luftströmung
aufgrund des Idealen Gasgesetzes nach einer der beiden
Gleichungen (2) oder (5) zu erzielen. Lineare
Regressions-Analyse wird benutzt, um die bestangepaßten Werte für α und β zu
bestimmen aufgrund von gemessenen und vorausgesagten
Luftströmungsdaten für eine Anzahl von unterschiedlichen
Motordrehzahl- und Lastzuständen.
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Um die zum Berechnen der Luftmasse M anch einer der
Gleichungen (2) oder (5) und Gleichung (7) erforderlichen
Rechenvorgänge auszuführen, wird der Computer 56 mit den jeweils
gültigen Eingangssignalen von den zugehörigen Motorfühlern
versorgt, von denen die erforderliche Information abgeleitet
werden kann. Bei den bevorzugten Ausführungen wird eine
Anzeige des Kurbelgehäusedrucks durch einen Druckwandler 46
geschaffen, der innerhalb der Kurbelgehäusekammer 18
angeordnet ist und ein Signal KGD zur Eingabe an den Computer 56
entwickelt. Der Druckfühler 46 kann jeder entsprechende Typ
von Druckwandler sein, der fähig ist, die Luftdruckänderung
innerhalb der Kurbelgehäusekammer 18 zu erfassen.
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Der Verteiler-Temperaturfühler 44 schafft ein VLT-Signal,
das für die Einlaßlufttemperatur bezeichnend ist, wovon der
Computer 56 einen Wert für TIN ableiten kann, wie er für die
Gleichung (2) oder (5) erforderlich ist, wenn eine genauere
Berechnung für Kurbelgehäuse-Lufttemperatur erwünscht ist.
In gleicher Weise ergibt der Verteilerdruckfühler 42 ein
VAD-Signal, das den Verteilerluftdruck anzeigt, von dem
Computer 56 einen Wert für PIN ableiten kann, wie er in
Gleichung (5) erforderlich ist.
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Werte für das Kurbelgehäusevolumen V sind erforderlich bei
Motordrehwinkeln ΘT und ΘR zum Errechnen der Massen MT bzw.
MR nach einer der beiden Gleichungen (2) oder (5). Die den
Drehwinkeln ΘT und ΘR entsprechenden Volumina sind aufgrund
der physikalischen Auslegung des Motors 10 bekannt und sind
in Nachschautafeln im Speicher als Funktion von ΘT bzw. ΘR
gespeichert. Wie vorher beschrieben leitet der Computer 56
aus den Signalen WINKEL und OTP, die von den Fühlern 48 bzw.
50 geschaffen werden, den Drehwinkel Θ ab und aktualisiert
kontinuierlich den gespeicherten Wert für Θ im Computer 56.
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Die durch Benutzung des Idealen Gasgesetzes unter Abwandlung
entweder nach Gleichung (2) oder (5) und Gleichung (6)
gefundene Masse M stellt die Luftmasse pro Zylinder dar, die pro
Zyklus in den Motor einströmt. Um M genau in die zur
Verbrennung verfügbar Luftmasse pro Zylinder zu wandeln, muß der
Einfangwirkungsgrad des Motors bekannt sein. Die für
Verbrennung im Zylinder verfügbare Luftmasse M' wird gegeben durch
den Ausdruck
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M' = M ηT, (8)
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wobei ηT den Maschinen-Einfangwirkungsgrad darstellt, d.h.
den Anteil der in einen Zylinder einströmenden Luftmasse,
der tatsächlich nach Schließen der Einlaß- und
Auslaßöffnungen des Zylinders in der Brennkammer eingefangen ist. Es ist
bekannt, daß der Motor-Einfangwirkungsgrad sich mit Drehzahl
und Belastung des Motors ändert. Üblicherweise wird ein
Motordynamometer benutzt, um den Einfangwirkungsgrad als eine
Funktion des berechneten Luftstroms M zu messen, der auf die
Motorbelastung und die Maschinendrehzahl in U/min bezogen
ist. Die gemessenen Einfangwirkungsgrad-Werte werden
normalerweise im Speicher als eine Nachschautabelle als Funktion
von M und U/min gespeichert.
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Die beschriebene Ausführung wurde an einem
3-Zylinder-Zweitaktmotor mit 1,2 l Hubraum getestet. Die
Zylindereinlaßöffnung
dieses Motors öffnete bei Θ = 120º nach oberem Totpunkt
(ATDC) und schloß bei Θ = 240º ATDC. Bei diesem bestimmten
Motor trat die beste Korrelation zwischen gemessenem und
berechnetem Luftstrom auf, wenn die Massen MT und MR bei
Motordrehwinkeln von ΘT= 65º ATDC bzw. ΘR = 255º ATDC errechnet
wurden.
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Bei einer anderen Ausführung wurde die
Kurbelgehäusetemperatur als gleich der Einlaßlufttemperatur TIN angenommen, und
die Kurbelgehäuse-Luftmassen MT und MR wurden entsprechend
dem Idealen Gasgesetz mit Abwandlung nach Gleichung (2)
berechnet. Für diese Ausführung wurde die beste
Übereinstimmung der gemessenen mit den berechneten Luftstromdaten
erzielt, wenn in Gleichung (7) bei M in Gramm/Zylinder/Zyklus
α = -0,291 und β = 0,840 gesetzt wurde.
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Bei einer anderen Ausführung wurde die
Kurbelgehäusetemperatur nach Gleichung (4) berechnet und die
Kurbelgehäuse-Luftmassen MT und MR wurden nach dem Idealen Gasgesetz in der
Abwandlung nach Gleichung (5) errechnet. Für diese Ausführung
wurde die beste Anpassung der Gleichung (7) an die
gemessenen und berechneten Luftströmungsdaten erreicht durch
Benutzen der Werte α = 0,0571 und β = 1,117.
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Es sollte erkannt werden, daß die optimalen Werte für die
vorstehend erwähnten Parameter für jede Motorauslegung
spezifisch sind und unterschiedliche Auslegungen individuelle
Eichung mit einem Dynamometer erfordern, um die optimalen
Winkel ΘT und ΘR und Korrelations-Koeffizienten α und β zu
bestimmen.
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In der Fig. 2 ist ein vereinfachtes Flußdiagramm gezeigt,
das eine Ausführung der durch den Computer 56 beim Berechnen
der Masse der für die Verbrennung verfügbaren Zylinderluft
ausgeführte Routine darstellt. Nach dem Anlassen des Motors
werden alle Zähler, Merker, Register und Zeitgeber im
Computer 56 initialisiert, und im ROM gespeicherte
System-Initialwerte in durch ROM bezeichnete Speicherplätze im RAM
eingegeben.
Nach dieser einleitenden Initialisierung führt der
Computer 56 kontinuierlich ein geschleiftes Hauptsteuerprogramm
aus. Die in Fig. 2 dargestellte Routine ist als Teil des
Hauptsteuerprogramms enthalten und wird ausgeführt, wenn der
Computer 56 seine Steuerfunktionen ausübt.
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Die Routine wird am Punkt 60 betreten und geht weiter zu
einem Entscheidungsschritt 62, bei dem der gegenwärtig
gespeicherte Wert für den Kurbelwellendrehwinkel Θ mit 0º
verglichen wird, um zu besetimmen, ob der Motor sich bei der
oberen Totpunktlage befindet. Wenn der Motor in der OTP-Lage
ist, führt die Routine Schritt 64 aus, während sie sonst zum
Entscheidungsschritt 66 weitergeht.
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Im Schritt 64 liest und speichert der Computer 56 Werte für
die Einlaßlufttemperatur TIN und den -Druck PIN durch
Abtasten der Eingangssignal VLT und VAD von den jeweiligen
Verteiler-Temperatur- und -Druckfühlern 44 bzw. 42. Alternativ
zum Verteilerdruckfühler 44 kann der Druck PIN auch
berechnet werden durch Abtasten des Signals KGD vom Kurbelgehäuse-
Druckfühler 46. Wenn der Motor sich beim OTP befindet,
stellt das Kurbelgehäuse-Drucksignal KGD annähernd den Druck
im Einlaßverteiler 20 dar, da das Blattventil 28 noch nicht
geschlossen und der Kolben 12 die Luft im Kurbelgehäuse 18
noch nicht zusammengedrückt hat. Nach Fertigstellung des
Schritts 64 geht die Routine weiter zum Entscheidungsschritt
66.
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Im Schritt 66 wird der gegenwärtige Wert für den
Kurbelwellen-Drehwinkel Θ mit ΘT verglichen, um zu bestimmen, ob die
Kurbelwelle den richtigen Drehzustand für die Errechnung der
eingesperrten Kurbelgehäuse-Luftmasse MT erreicht hat. Falls
Θ = ΘT, führt die Routine die Schritte 68 bis 74 aus,
während sie sonst zum Entscheidungsschritt 76 weitergeht.
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Falls Schritt 68 ausgeführt wird, liest und speichert der
Computer 56 den zum Drehwinkel ΘT gehörigen Kurbelgehäuse-
Luftdruck durch Abtasten des Signals KGD vom Kurbelgehäuse-
Druckfühler 46.
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Als nächstes wird im Schritt 70 der dem Drehwinkel ΘT
zugeordnete Wert des Kurbelgehäusevolumens V(ΘT) in einer im
Speicher gespeicherten Tabelle nachgesehen. Die Routine geht
dann zum Schritt 72 weiter.
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Im Schritt 72 wird ein Wert für die Kurbelgehäusetemperatur
errechnet. Wenn angenommen wird, daß die
Kurbelgehäusetemperatur gleich der Einlaßlufttemperatur ist, wird T einfach
gleich TIN gesetzt. Wenn andererseits nicht angenommen wird,
daß die Kurbelgehäusetemperatur gleich TIN ist, wird die
Temperatur T nach Gleichung (4) errechnet unter Benutzung der
in den Schritten 64 und 68 erhaltenen Werte für TIN, PIN und
P.
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Nach Vollendung des Schritts 72 geht die Routine weiter zum
Schritt 74, wo eine Berechnung für die im Kurbelgehäuse
eingefangene Luftmasse MT durchgeführt wird durch Einsetzen der
in den Schritten 68 bis 72 gefundenen Werte für P, V und T
in die Ideale Gasgleichung (2). Obwohl vorzugsweise das
Ideale Gasgesetz zum Bestimmen von MT eingesetzt wird,
können auch andere Gesetze oder Beziehungen benutzt werden.
Beispielsweise kann eine größere Genauigkeit erhalten werden
durch Benutzung von Gleichung (2) zum Errechnen der
eingefangenen Kurbelgehäuse-Luftmasse in verschiedneen Drehlagen
während der Kurbelgehäuse-Komprimierung und
Durchschnittsbildung aus diesen Werten, um einen endgültigen Rechenwert für
MT zu erhalten. Alternativ kann die eingesperrte
Kurbelgehäuse-Luftmasse auch bestimmt werden durch Integrieren des
Kurbelgehäuse-Druckwertes in Bezug auf das abnehmende Volumen
während der Kurbelgehäuse-Komprimierung, wie in den vorher
erwähnten US-PSn 4 920 790 und 4 920 789 dargelegt. Nach
Berechnen und Speichern des Wertes für MT geht die Routine zum
Entscheidungsschritt 76 weiter.
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Im Entscheidungsschritt 76 wird der gegenwärtige Wert für
den Kurbelwellen-Drehwinkel Θ mit ΘR verglichen, um zu
bestimmen,
ob die Kurbelwelle die richtige Drehlage für das
Errechnen der restlichen Kurbelgehäuse-Luftmasse MR erreicht
hat. Falls Θ = ΘR, geht die Routine weiter zum Schritt 78,
und sonst endet die Routine beim Schritt 94 und kehrt zum
geschleiften Haupt-Motorsteuerprogramm zurück.
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Wenn Schritt 78 ausgeführt wird, liest und speichert der
Computer 56 den dem Drehwinkel ΘR zugeordneten Kurbelgehäuse-
Luftdruckwert durch Abtasten des Signals KGD vom
Kurbelgehäuse-Druckfühler 46.
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Als nächstes wird im Schritt 80 der dem Drehwinkel ΘR
zugeordnete Wert für das Kurbelgehäusevolumen V(ΘR) in einer im
Speicher gespeicherten Tabele nachgesehen. Die Routine geht
dann weiter zum Schritt 82.
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Im Schritt 82 wird ein Wert für die Kurbelgehäusetemperatur
errechnet. Bei der Ausführung der Erfindung, bei der die
Kurbelgehäusetemperatur als gleich der Einlaßlufttemperatur
angenommen wird, wird T nur gleich TIN gesetzt. Bei der
Ausführung, bei der die Kurbelgehäusetemperatur nicht gleich groß
TIN angenommen wird, wird die Temperatur T nach der
Gleichung (4) berechnet unter Benutzung der in den Schritten 64
und 78 erhaltenen Werte für TIN, PIN und P.
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Nach Vollendung des Schrittes 82 geht die Routine zum
Schritt 84 weiter, wo eine Errechnung für die restliche
Kurbelgehäuse-Luftmasse MR ausgeführt wird durch Einsetzen der
in den Schritten 78 bis 82 gefundenen Werte für P, V und T
in die Ideale Gasgleichung (2). Wie vorher festgestellt,
können auch andere Funktionen aufgrund des Kurbelgehäuse-
Druckwertes, des -Volumens und der -Temperatur benutzt
werden; beispielsweise wird eine genauerer Berehcnung für MR
erzielt durch Durchschnittsbildung aus den durch aufeinander
folgende Anwendung der idealen Gasgleichung bei einer Anzahl
von Drehwinkeln erzielten Ergebnisse, die in der Nähe des
Schließens der Einlaßöffnung 34 auftreten, jedoch vor dem
Einströmen einer wesentlichen Menge neuer Luft in das
Kurbelgehäuse
18 durch das Blattventil 28. Nach Errechnen und
Speichern des Wertes für MR geht die Routine zu dem
Entscheidungsschritt 86 weiter.
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Im Schritt 86 werden Werte für α und β zur Benutzung im
folgenden Schritt von dem Speicher gewonnen. Bei der vorher
beschriebenen Untersuchung wurde gefunden, daß α = -0,291 und
β = 0,840 gilt für die Ausführung, bei der die
Kurbelgehäuse-Lufttemperatur gleich TIN angenommen wurde. Bei der
Ausführung, bei der angenommen wurde, daß die
Kurbelgehäusetemperatur sich nach Gleichung (4) ändert, wurde α = 0,0571 und
β = 1,117 als zutreffend gefunden.
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Als nächstes wird im Schritt 88 die von dem Kurbelgehäuse 18
zur Brennkammer übertragene Luftmasse M aufgrund der
Gleichung (7) errechnet, als eine Funktion der Differenz
zwischen der im Schritt 74 gefundenen Luftmasse MT und der im
vorhergehenden Schritt 84 gefundenen Luftmasse MR.
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Nach dem Schritt 88 wird der Einfangwirkungsgrad des Motors
aus einer im Speicher gespeicherten Tabelle nachgesehen als
eine Funktion der Maschinendrehzahl U/min und dem in Schritt
88 gefundenen Wert M.
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Im Schritt 92 wird die zur Verbrennung verfügbare endgültige
Zylinderluftmasse M' errechnet unter Benutzung von Gleichung
(8) mit den Werten für M und ηT aus den Schritten 88 und 90.
Dieser Werte für M' wird im Speicher gespeichert und bei
jedem Motorzyklus aktualisiert zur Verwendung beim
Nachstellen der Motorsteuerparameter während der Ausführung des
geschleiften Hauptsteuerprogramms. Nach dem Ausführen von
Schritt 92 wird die Routine mit Schritt 94 verlassen.