DE69722909T2

DE69722909T2 - Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und Motormanagement basierend auf den Zylinderdruck

Info

Publication number: DE69722909T2
Application number: DE69722909T
Authority: DE
Inventors: Axel Otto Zur Loye
Original assignee: Cummins Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: US5765532A; DE69722909D1; US5878717A; EP0851107B1; EP0851107A2; EP0851107A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis- und Motor- Steuersystem für Innenverbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Steuern eines Luft/Kraftstoff- Verhältnisses und/oder einer Abgasrückführungsrate eines Innenverbrennungsmotors.
Gegenwärtig sind verschiedene Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsprozesses in Innenverbrennungsmotoren bekannt. Einstellungen zur Steuerung der Energieumwandlungsfunktion eines Motors während der Verbrennung werden durch Erfassen wenigstens einer Motorbetriebsbedingung, wie Kühlmitteltemperatur, Verteilerdruck, Motordrehzahl, Luftmassenstrom in den Motor, Drosselklappenwinkel, Kraftstofftemperatur, Kraftstoffdruck, Kraftstoffrate, EGR-Rate, Abgasemissionen usw., und Einstellen der Energieumwandlung als Reaktion darauf erhalten. Für gewöhnlich wird die Motorsteuerung durch Ändern gewisser Motorbetriebsbedingungen an einem Steuerreferenzmotor bestimmt, um die richtige Energieumwandlung für die verschiedenen Betriebsbedingungen zu bestimmen. Das Problem, das bei dieser Methode auftritt, ist, dass der gesteuerte Motor aufgrund von Unterschieden in der Herstellung und Alterung nicht unbedingt derselbe ist wie der Steuertestmotor, der als Referenz verwendet wird. Daher kann die erfasste Betriebsbedingung eine ungenaue Steuervariable für die Motorsteuerung liefern. Zur Lösung dieses Problems muss ein Steuersystem implementiert werden, das an diese Unterschiede und Änderungen angepasst werden kann. Ein solches Steuersystem ist unter Verwendung von Verbrennungskammerdrucksensoren und Anwendung einer Rückkopplungssteuerung bei der Zündungszeitsteuerung, EGR-Rate oder Kraftstoffrate möglich.
In einer typischen Motorsteuerung sind die drei gesteuerten Verbrennungsparameter die Zündungseinstellung, die EGR-Rate und das Luft/Kraftstoff- Verhältnis. Der erste Parameter beeinflusst die zeitliche Steuerung des Beginns des Verbrennungsprozesses und die zwei letzteren beeinflussen die Geschwindigkeit und Dauer des Verbrennungsprozesses, während alle drei Parameter die Motoremissionen beeinflussen. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird im Allgemeinen in einer geschlossenen Regelschleife durch einen Abgas- Sauerstoffsensor gesteuert, um ein konstantes stöchiometrisches Verhältnis für die Emissionssteuerung durch oxidierende und reduzierende Katalysatoren im Abgassystem zu erzeugen. Da die Effizienz des einen oder anderen Katalysators rasch abfällt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nur leicht von einem stöchiometrischen in eine Richtung abweicht, muss dieser Parameter streng gesteuert werden und ist für eine Maximierung der Leistung oder des sparsamen Kraftstoffverbrauchs nicht verfügbar. In den meisten heutigen Autos arbeiten Innenverbrennungsmotoren für gewöhnlich stöchiometrisch. Stöchiometrische Bedingungen liegen vor, wenn exakt die richtige Menge an Sauerstoff verfügbar ist, um alle Kraftstoffmoleküle in CO&sub2; und H&sub2;O umzuwandeln. Unter diesen Bedingungen befindet sich sehr wenig, wenn überhaupt, Sauerstoff im Abgas, so dass verhindert wird, dass Sauerstoff die katalytische Entfernung von Nox- Emissionen stört. Ferner gibt es auch im Prinzip keinen unverbrannten Kraftstoff oder CO im Abgas.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass es Situationen gibt, in welchen es vorteilhaft ist, mit einem sehr mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis anstelle eines stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu arbeiten, so dass ein sparsamerer Kraftstoffverbrauch erreicht oder Abgasemissionen verringert werden. Magere Mischungen bieten auch zahlreiche zusätzliche Vorteile, wie eine Senkung der Verbrennungstemperaturen, wodurch NOx-Emissionen verringert werden, eine Erhöhung der Effizienz durch ein höheres Verhältnis spezifischer Wärmen, eine Senkung der Abgastemperaturen, wodurch die Haltbarkeit insbesondere bei hohen Lasten verlängert wird, und das Vorhandensein eines größeren Klopfbereichs, der die Verwendung höherer Verdichtungsverhältnisse ermöglicht, woraus sich eine bessere Effizienz ergibt. Bei einem Betrieb mit einem sehr mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis können bestehende Abgas-Sauerstoffsensoren die Abgas-Sauerstoffkonzentration nicht exakt messen, was zu einer ungenauen Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt. Daher ist es wünschenswert, ein Motorsteuersystem bereitzustellen, dass einfach und zuverlässig imstande ist, den Motorbetrieb bei mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen zu steuern.
Wie zuvor festgehalten wurde, können Verbrennungskammerdrucksensoren gemeinsam mit der Anwendung einer Rückkopplungssteuerung verwendet werden, um für eine Steuerung des Motorbetriebs zu sorgen. Ein solches System ist in der US 4,996,960 A offenbart, die ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem für einen Innenverbrennungsmotor lehrt, das ein Verhältnis von zwei Zylinderdruckmessungen, eine am oberen Totpunkt ("top dead centre" - TDC) und eine 60º vor dem oberen Totpunkt ("before top dead centre" - BTDC), in Verbindung mit der Einlasslufttemperatur zur Berechnung einer Korrektur für den abgegebenen Kraftstoffstrom während einer Beschleunigung und Verlangsamung verwendet und somit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ändert. Dieses Steuersystem verwendet das allgemein bekannte polytropische Verhalten der Luft/Kraftstoff- Mischung, das für gewöhnlich während des Verdichtungshubes in dem Zylinder beobachtet wird, zum Schätzen der Ladeffizienz, und sobald die Ladeffizienz bekannt ist, zum Korrigieren von Änderungen im Luftstrom ohne Verwendung eines Luftstrommessgeräts. Dieses Dokument nach dem Stand der Technik lehrt die Durchführung aller Zylinderdruckmessungen am oder vor dem TDC, das heißt, vor der Verbrennung, und das Steuersystem misst keine Parameter während des eigentlichen Verbrennungsvorganges. Daher wäre dieses Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem nicht imstande, das Luft/Kraftstoff- Verhältnis eines mageren Verbrennungsmotors exakt zu steuern, bei dem eine Überwachung der Verbrennungsqualität erforderlich ist.
Die US 4,996,960 A beschreibt ferner im einleitenden Teil den Stand der Technik in Bezug auf ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem. Ein erster Zylinderdruckwert wird am unteren Totpunkt der Kurbelwelle im Ansaughub gemessen. Ein zweiter Zylinderdruckwert wird bei einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub gemessen. Danach wird das Druckverhältnis des zweiten Druckwertes dividiert durch den ersten Druckwert berechnet und mit Verhältnissen vorangehender Zyklen summiert. Die neue kumulative Summe und eine vorangehende kumulative Summe werden verglichen und ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Kompensationsfaktor wird auf der Basis des Vergleichs berechnet. Diese Berechnung ist kompliziert und erfasste Betriebsbedingungen werden nicht berücksichtigt.
Die US 4,622,939 A offenbart ein Verfahren zur Steuerung der Zündungseinstellung, um das beste Drehmoment in einem Innenverbrennungsmotor zu erreichen, wobei das Verhältnis des Verbrennungskammerdrucks zu dem "motored pressure" (Zylinderdruck ohne Verbrennung) für mehrere vorbestimmte Kurbelwellendrehwinkel, nämlich wenigstens 10º und 90º ATDC, verglichen wird. Der "motored pressure" ist ein berechneter Wert des geschätzten Drucks bei 10º und 90º ATDC, basierend auf Anfangsdruckmessungen, die bei 90º und 60º BTDC vorgenommen werden, und ein Verhältnis zwischen dem ersten und zweiten Verhältnis des Verbrennungskammerdrucks zu dem "motored pressure" bei 10º und 90º ATDC wird berechnet, um die Zündungseinstellung anzupassen, um ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen dem ersten und zweiten Druckverhältnis für MBT (Mercaptobenzothioazol) aufrechtzuerhalten. Daher erfordert dieses Steuersystem zahlreiche Berechnungen und zusätzliche Abtastungen des Drucksignals, um den "motored pressure" und alle Verhältnisse zu bestimmen, wie auch zusätzlichen Speicher, um alle diese Berechnungen zu speichern. Zusätzlich tritt das bei 90º ATDC berechnete Druckverhältnis im Wesentlichen bei vollständiger Verbrennung auf, wobei Druckmessungen, die später im Verbrennungszyklus vorgenommen werden, besonders für Messfehler, wie Wärmeschock, anfällig sind. Wärmeschock tritt ein, wenn der Wandler heißen oder kalten Gasen ausgesetzt ist und sein Körper sich aufgrund der Wärmeausdehnung des Wandlerkörpers verformt, wodurch wiederum die Membran des Wandlers bewegt wird und einen Fehler verursacht, dessen Entfernung nahezu unmöglich ist. Daher ist bei Messungen bei im Wesentlichen vollständiger Verbrennung, wie dies in der US 4,622,939 A der Fall ist, ein zu großer Fehler möglich, um eine angemessene Präzision in dem gemessenen Druckverhältnis zu ermöglichen. Ferner ist der Zweck dieses Steuersystems die Anpassung der Zündungseinstellung, um den 50%-Punkt der Verbrennung relativ unveränderlich zu halten, um eine MBT- Zeitsteuerung zu erreichen, und das System steuert nicht das Luft/Kraftstoff- Verhältnis. Daher besteht ein Bedarf an einem Motorsteuersystem, das nicht durch Wärmeschock beeinträchtigt ist und nicht mehrere Druckabtastungen und einen großen Speicher zum Speichern der Berechnungen solcher Druckabtastungen benötigt. Es besteht ferner ein Bedarf an einem Motorsteuersystem, das bei einem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis angemessen arbeitet.
Eine Methode zur Steuerung des Betriebs eines Innenverbrennungsmotors bei mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen ist in der US 4,736,724 A offenbart. Dieses Steuersystem verwendet einen Drucksensor im Zylinder und einen Sensor zur Aufzeichnung des Luftstroms in den Motor in einer Verbrennungsdruck- Rückkopplungsschleife, wobei die Sensoren an einer Kompensationsvorrichtung befestigt sind, die an die Kraftstoffsteuerung gekoppelt ist. Die Kompensationsvorrichtung modifiziert den Kraftstoff/Luft-Befehl, der zu dem Motor geleitet wird, als Funktion des Luftstroms und des Drucks im Zylinder. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Motors wird bei der mageren Grenze gehalten, basierend auf kontinuierlich gemessenen Verbrennungsdrucksignalen im Zylinder. Dieses Steuersystem führt eine konstante Wärmefreisetzungsberechnung durch, um die Verbrennungsdauer zu messen, und erfordert eine schnelle Reaktion in der Rückkopplungsschleife, da die Verbrennungsdauer mit der mageren Grenze, die in einer Verbrennungsdauertabelle vorprogrammiert ist, verglichen wird. Daher benötigt dieses Steuersystem ein hohes Maß an Verarbeitungsleistung und Speicher, um den Druck im Zylinder kontinuierlich aufzuzeichnen, um die Verbrennungsdauer zu berechnen. Ferner erfordert dieses Steuersystem die zusätzliche Messung des Luftstroms in den Motor, wodurch die erforderlichen Komponenten des Steuersystems noch mehr kompliziert werden und eine weitere Variable den Berechnungen hinzugefügt wird, wodurch die Möglichkeit eines Fehlers steigt.
Die US 4,403,505 A, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart einen Zündungsbereichdetektor für einen Innenverbrennungsmotor. Der Zylinderdruck wird vor und nach dem oberen Totpunkt gemessen. Dann wird bestimmt, ob das Verhältnis dieser Drücke größer oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, um immer einen Zündungsbereich zu erfassen, unabhängig von den Betriebsbedingungen des Innenverbrennungsmotors, so dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, die EGR und/oder Zündungseinstellung eingestellt werden können.
Daher besteht eindeutig ein Bedarf an einem Motorsteuersystem, das für eine effektive Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei mageren Bedingungen sorgt, während keine zahlreichen komplexen Berechnungen und kein großer Speicherplatz zum Speichern solcher Berechnungen notwendig ist. Ferner besteht ein Bedarf an einem Motorsteuersystem, das einen Innenverbrennungsmotor bei magerem Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf einfachere und wirksamere Weise angemessen steuert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Nachteile zu beheben, die mit dem Stand der Technik in Zusammenhang stehen, und ein verbessertes System und Verfahren zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und/oder einer Abgasrückführungsrate eines Innenverbrennungsmotors bereitzustellen.
Die obengenannte Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 29 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors, das keine zahlreichen komplexen Messungen und Berechnungen oder keinen großen Speicherplatz zum Speichern solcher Messungen und Berechnungen benötigt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors, das die tatsächlichen Luft- oder Kraftstoffmengen, die an den Motor abgegeben werden, nicht messen muss.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors durch Aufzeichnen der Qualität der Verbrennung im Zylinder des Motors.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors, in dem die Motorsteuerung für verschiedene Qualitäten von Kraftstoff selbstkompensierend ist, um einen optimalen Motorbetrieb zu garantieren, ohne die besonderen Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffes kennen zu müssen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines zuverlässigen und exakten Systems zum Betreiben eines Innenverbrennungsmotors bei mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors, das besonders empfindlich für geringfügige Änderungen im Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, wenn es unter mageren Verbrennungsbedingungen arbeitet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors unter Verwendung eines Verhältnisses von Zylinderdrücken, die in den Zylinderverbrennungskammern des Motors erfasst werden.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein System zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors bereitzustellen, ohne den Zylinderdruck spät im Verbrennungszyklus messen zu müssen, wo Wärmeschockfehler in Bezug auf den gemessenen Druck groß sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors durch Steuern des Luftüberschussverhältnisses des Motors.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Qualität der Verbrennung eines Innenverbrennungsmotors durch Messen des Luftüberschussverhältnisses des Innenverbrennungsmotors aufzuzeichnen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystems, das Fehlzündungen in den Motorzylindern durch Aufzeichnen eines Verhältnisses von Zylinderdrücken erfasst, um so nahe wie möglich an der mageren Grenze zu arbeiten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Messung des Luftüberschussverhältnisses eines Innenverbrennungsmotors unter Verwendung eines Verhältnisses von Zylinderdrücken in den Verbrennungskammern.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Qualität der Verbrennung eines Innenverbrennungsmotors aufzuzeichnen und einzustellen, indem ein System bereitgestellt wird, das große Änderungen im Zylinderdruckverhältnis als Reaktion auf geringfügige Änderungen im Luftüberschussverhältnis erzeugt, wenn es unter mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen arbeitet.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, das Luft/Kraftstoff- Verhältnis der einzelnen Zylinder eines Innenverbrennungsmotors zu steuern, um zu ermöglichen, dass alle Zylinder bei demselben Luftüberschussverhältnis arbeiten.
Diese wie auch zusätzliche Vorteile werden vorzugsweise durch Bereitstellen eines Systems zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors erreicht, wobei ein Zylinderdrucksensor in wenigstens einer Verbrennungskammer eines Innenverbrennungsmotors positioniert ist, um einen Zylinderdruck in der Verbrennungskammer zu erfassen, wobei der Zylinderdrucksensor ein Ausgangssignal liefert, das den erfassten Zylinderdruck anzeigt. Zusätzliche Sensoren sind in dem Motor vorgesehen, um mehrere Motorbetriebsbedingungen zu erfassen, wie Motordrehzahl, Boost und Motorlast, und Ausgangssignale bereitstellen, welche die erfassten Betriebsbedingungen anzeigen. Eine Steuervorrichtung ist zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vorgesehen, indem wenigstens eine von der Luft- und Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben wird, gesteuert wird. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Steuersystem enthält ein elektronisches Steuermodul (electronic control module" - ECM), das die Signale von dem Zylinderdrucksensor und den Betriebserfassungssensoren empfängt. Das ECM berechnet ein Druckverhältnis eines ersten Zylinderdrucks, der bei einem bestimmten Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt gemessen wird, und eines zweiten Zylinderdrucks, der bei einem bestimmten Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt gemessen wird, aus den Signalen, die von dem Zylinderdrucksensor empfangen werden. Eine Zylinderdruckverhältnis-Informationsspeichervorrichtung, welche die optimalen Zylinderdruckverhältnisse für verschiedene Motorbetriebsbedingungen enthält, ist im Speicher des ECM gespeichert, wobei das gemessene Druckverhältnis der gemessenen Zylinderdrücke mit einem optimalen Zylinderdruckverhältnis, das in der Informationsspeichervorrichtung, wie einer Verweistabelle, gespeichert ist, für die spezifischen Motorbetriebsbedingungen, die gegenwärtig erfasst werden, verglichen wird. Aufgrund der Ergebnisse dieses Vergleichs bestimmt dann das ECM ein eingestelltes Luft/Kraftstoff-Verhältnis, welches das gemessene Druckverhältnis modifizieren so würde, dass es dem gespeicherten optimalen Druckverhältnis gleich ist. Das ECM liefert dann ein Steuersignal zu der Luft/Kraftstoff-Steuerung zur Einstellung von wenigstens einer der Luft- und Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben wird, um dem eingestellten Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu entsprechen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, steuert dieses System das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, ohne jemals die Luft- und Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben wird, tatsächlich zu messen. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jedoch kann die Luft- und Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben wird, gemessen werden, um eine geschätzte Einstellung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses bereitzustellen, wobei das Zylinderdruckverhältnis zur Feinabstimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf einen gewünschten Wert verwendet werden kann.
Das gemessene Druckverhältnis von gemessenen Zylinderdrücken entspricht einem Luftüberschussverhältnis des Innenverbrennungsmotors bei diesen Betriebsbedingungen, wobei ein gemessenes Luftüberschussverhältnis des Motors aus dem gemessenen Druckverhältnis erhalten werden kann. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das gemessene Luftüberschussverhältnis mit einem optimalen Luftüberschussverhältnis, das in einer Informationstabelle in dem Speicher des ECM gespeichert ist, für die spezifischen Motorbetriebsbedingungen, die gegenwärtig erfasst werden, verglichen, wobei das gespeicherte optimale Luftüberschussverhältnis das ideale Luftüberschussverhältnis des Motors darstellt, um optimal unter den spezifischen erfassten Betriebsbedingungen zu arbeiten. Das ECM bestimmt dann das eingestellte Luft/Kraftstoff- Verhältnis, welches das gemessene Luftüberschussverhältnis so modifizieren würde, dass es gleich dem gespeicherten optimalen Luftüberschussverhältnis ist.
Die vorbestimmten Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt und nach dem oberen Totpunkt sind vorzugsweise um den oberen Totpunkt im Bereich von etwa 10º bis 30º symmetrisch, zum Beispiel 10º vor dem oberen Totpunkt und 10º nach dem oberen Totpunkt. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem kann ferner so eingestellt werden, dass ein Ausmaß einer Verschiebung berücksichtigt wird, die der Zylinderdrucksensor aufweist, indem der Zylinderdruck am unteren Totpunkt und der Druck in der Ansaugleitung gemessen wird, wobei die Verschiebung des Zylinderdrucksensors auf der Basis der Differenz zwischen dem Zylinderdruck und dem Ansaugleitungsdruck am unteren Totpunkt bestimmt wird. Die Verstärkung des Zylinderdrucksensors kann auch durch Berechnen eines Verhältnisses von Zylinderdrücken bestimmt werden, die bei zwei Kurbelwinkeln vor dem oberen Totpunkt gemessen werden, und Vergleichen dieses Verhältnisses mit einem Zieldruckverhältnis, um die Verstärkung des Zylinderdrucksensors unter Verwendung des allgemein bekannten polytropischen Verhaltens während des Zylinderverdichtungsprozesses zu bestimmen.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung ausführlicher in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen erklärt, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Flussdiagramm eines Steuerprozesses, der von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Zylinderdrucks als Funktion des Kurbelwinkels während eines Verbrennungszyklus in dem Motor für einen ausgewählten Motorbetriebszustand;
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm eines Steuerprozesses, der die Verschiebung und Verstärkung des Zylinderdrucksensors berechnet, der von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem der vorliegenden Erfindung vor dem Steuerprogramm von Fig. 1 ausgeführt wird;
Fig. 5(a) ist eine graphische Darstellung der scheinbaren Wärmefreisetzung während der Verbrennung für verschiedene Luftüberschussverhältnisse als Funktion eines Kurbelwinkels für einen ausgewählten Motorbetriebszustand;
Fig. 5(b) ist eine graphische Darstellung des Zylinderdrucks während der Verbrennung für verschiedene Luftüberschussverhältnisse als Funktion eines Kurbelwinkels für einen ausgewählten Motorbetriebszustand;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des Zylinderdruckverhältnisses, das bei 10º um den TDC gemessen wird, als Funktion von Luftüberschussverhältnissen für einen ausgewählten Motorbetriebszustand;
Fig. 7 ist ein Flussdiagramm eines Steuerprozesses, der das Luftüberschussverhältnis des Motors zur Steuerung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses verwendet, in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform des Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystems der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung des Zylinderdruckverhältnisses für verschiedene Winkel um den TDC als Funktion von Luftüberschussverhältnissen für einen ausgewählten Motorbetriebszustand.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 1 enthält ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Steuersystem 16 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Kurbelwinkelsensor 2, wenigstens einen Zylinderdrucksensor 4, eine Luft/Kraftstoff-Steuerung 6, verschiedene Sensoren 8 zur Messung der Motorbetriebsbedingungen, und ein elektronisches Steuermodul (ECM) 10. Während die vorliegende Erfindung mit einem Sensor 2 zum Messen von Zylinderdrücken bei bestimmten Kurbelwinkeln beschrieben wird, ist für den Fachmann in der Technik der Motorsteuerung offensichtlich, dass es verschiedene andere Verfahren zur Abtastung des Zylinderdrucksignals bei einem bestimmten Kurbelwinkel gibt. Das ECM 10 enthält einen Mikroprozessor oder eine Mikrosteuerung 12, während es ferner für den Fachmann in der Technik der Motorsteuerung offensichtlich ist, dass jede ähnliche Verarbeitungseinheit verwendet werden kann. Das ECM enthält auch einen Speicher oder eine Datenspeichereinheit 14, die eine Kombination aus ROM und RAM in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Das ECM 10 empfängt ein Kurbelwinkelsignal S1 von dem Kurbelwinkelsensor 2, ein Zylinderdrucksignal S2 von dem Zylinderdrucksensor 4 und Motorbetriebsbedingungssignale S3 von den verschiedenen Motorsensoren 8. Die Luft/Kraftstoff-Steuerung 6 empfängt ein Steuersignal S4 zum Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im Motor 15.
Das Steuerprogramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Innenverbrennungsmotors ist in Fig. 2 dargestellt, wobei dieses Programm im Speicher 14 des ECM 10 gespeichert und vom Mikroprozessor 12 ausgeführt wird. In Block 102 misst der Kurbelwinkelsensor 2 den Kurbelwinkel der Kurbelwelle und erzeugt ein Ausgangssignal S1 an das ECM 10, das den gemessenen Kurbelwinkel anzeigt. In Block 104 wird eine Abfrage durchgeführt um festzustellen, ob der Kurbelwinkel zum Beispiel 25º vor dem oberen Totpunkt (BTDC) ist. Die Bedeutung des spezifischen ausgewählten Kurbelwinkels wird in der Folge hierin beschrieben. Wenn die Antwort in Block 104 negativ ist, kehrt die Steuerung zu Block 102 des Programms zurück und misst erneut den Kurbelwinkel. Wenn die Antwort in Block 104 positiv ist, fährt die Steuerung mit Block 106 fort, um den Zylinderdruck PB, der vom Zylinderdrucksensor 4 gemessen wird, im Speicher 14 zu speichern, wie durch das Signal S2, welches das ECM 10 vom Zylinderdrucksensor 4 empfängt, angezeigt wird. Das Zylinderdrucksignal kann ferner gefiltert werden, wie durch Verwendung eines Analogfilters, um Rauschen zu entfernen, das im Zylinderdrucksignal vorhanden ist. Für den Fachmann in der Technik ist verständlich, dass die Schritte, die in Block 104 ausgeführt werden, mit einem Unterbrechungsprogramm durchgeführt werden könnten, wobei das Programm unterbrochen wird, wenn ein ausgewählter Kurbelwinkel BTDC erreicht ist und die Steuerung mit Block 106 fortfährt.
Nach dem Speichern von PB fährt die Steuerung mit Block 108 fort, wo der Kurbelwinkelsensor 2 erneut den Kurbelwinkel der Zylinderkurbelwelle misst und ein Ausgangssignal S1 an das ECM 10 erzeugt, das den gemessenen Kurbelwinkel anzeigt. In Block 110 wird eine Abfrage durchgeführt um festzustellen, ob der Kurbelwinkel zum Beispiel 25º nach dem oberen Totpunkt (ATDC) ist. Wenn die Antwort in Block 110 negativ ist, kehrt die Steuerung zu Block 108 des Programms zurück und misst erneut den Kurbelwinkel. Wenn die Antwort in Block 110 positiv ist, fährt die Steuerung mit Block 112 fort, um den Zylinderdruck PA, der vom Zylinderdrucksensor 4 gemessen wird, im Speicher 14 des ECM 10 zu speichern, wie durch das Signal S2, welches das ECM 10 vom Zylinderdrucksensor 4 empfängt, angezeigt wird. Auch hier könnte als Alternative ein Unterbrechungsprogramm in Block 110 ausgeführt werden, wobei die Steuerung mit Block 112 fortfährt, wenn der gewählte Winkel ATDC erreicht ist. In Block 114 wird ein gemessenes Zylinderdruckverhältnis PA/PB berechnet und dieses Verhältnis wird in Speicher 14 gespeichert.
In Block 116 werden die Betriebsbedingungen des Motors von den Motorbetriebssensoren 8 gemessen, die Signale S3 an das ECM 10 ausgeben, welche solche Bedingungen anzeigen. Die gemessenen Motorbetriebsbedingungen können Motordrehzahl, Motorlast, Boost, Zündungseinstellung, Drosselklappenposition oder jede andere Bedingung umfassen, die zeigt, wie der Motor arbeitet. In Block 118 werden die gemessenen Betriebsbedingungen vom ECM 10 verwendet, um ein vorbestimmtes optimales Druckverhältnis PA'/PB' in einer Zylinderdruckverhältnis-Informationstabelle nachzuschlagen, die im Speicher 14 gespeichert ist, wobei das optimale Druckverhältnis PA'/PB' dem Zylinderdruckverhältnis eines Motors entspricht, der mit einem gewünschten Kompromiss zwischen Emissionen, sparsamem Kraftstoffverbrauch, Motorleistung, Motorlebensdauer, ruhigem Betrieb usw., basierend auf den gegenwärtigen Betriebsbedingungen, arbeitet. In Block 120 wird eine Abfrage durchgeführt um festzustellen, ob das gemessene Druckverhältnis PA/PB dem vorbestimmten optimalen Druckverhältnis PA'/PB' entspricht. Wenn die Antwort in Block 120 positiv ist, arbeitet der Motor für diesen Verbrennungszyklus gut und die Steuerung kehrt zu Block 100 zurück, um mit dem Programm für den nächsten Verbrennungszyklus zu beginnen. Wenn die Antwort in Block 120 negativ ist, fährt die Steuerung mit Block 122 fort, wo das ECM 10 bestimmt, wie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt werden muss, um das gemessene Druckverhältnis PA/PB so zu modifizieren, dass es dem vorbestimmten optimalen Druckverhältnis PA'/PB' entspricht, und das ECM 10 erzeugt ein Steuersignal S4, das die Luft/Kraftstoff-Steuerung 6 informiert, wie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu modifizieren ist. In Block 124 stellt die Luft/Kraftstoff-Steuerung 6 wenigstens eines von Luft und Kraftstoff ein, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis entsprechend zu modifizieren. Die Luft kann auf verschiedene Weisen eingestellt werden, wie durch Steuerung der Drosselklappe, Steuerung des Wastegate-Ventils bei einem Turbolader, oder Steuerung eines Turboladers variabler Geometrie. Das Steuerprogramm für den spezifischen Verbrennungszyklus ist dann beendet und die Steuerung kehrt dann zu Schritt 100 zurück, um mit dem Steuerprogramm für den nächsten Verbrennungszyklus zu beginnen. Das Steuerprogramm von Fig. 2 wird kontinuierlich über jeden Verbrennungszyklus des Motors ausgeführt.
Das Programm, das von dem ECM 10 ausgeführt wird, stellt das Luft/Kraftstoff- Verhältnis ein, um das optimale Zylinderdruckverhältnis PA'/PB' zu erhalten, wobei das optimale Zylinderdruckverhältnis PA'/PB' eine Funktion der Motordrehzahl, Last, Zündungseinstellung, Temperatur und anderer Parameter ist, die dem ECM 10 zur Verfügung stehen. Wenn das optimale Druckverhältnis PA'/PB' in dem Zylinder erreicht ist, arbeitet der Motor mit dem optimalen Kompromiss zwischen Emissionen, sparsamem Kraftstoffverbrauch, Motorleistung, Motorlebensdauer und ruhigem Betrieb.
Das zuvor beschriebene Steuerprogramm erreicht präzise und exakt das optimale Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die erfassten Motorbetriebsbedingungen bei einem Betrieb mit mageren Luft/Kraftstoff-Mischungen. Diese exakte Steuerung wird durch die Verwendung des vorbestimmten Verhältnisses zwischen dem Zylinderdruckverhältnis PA'/PB' und dem mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht. Daher gibt es für jedes magere Luft/Kraftstoff-Verhältnis ein entsprechendes Zylinderdruckverhältnis PA'/PB'. Das Verhältnis zwischen dem Luft/Kraftstoff- Verhältnis und dem Zylinderdruck ist jedoch derart, dass wenn Luft/Kraftstoff- Mischungen verwendet werden, die fetter als das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis sind, das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB gleich den Werten des Zylinderdruckverhältnis PA'/PB' sein kann, das den mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen entspricht. Wenn dem Steuerprogramm nicht bekannt ist, dass die Luft/Kraftstoff-Mischung fett ist, könnte ein gemessenes Zylinderdruckverhältnis PA/PB für eine fette Luft/Kraftstoff-Mischung für das gleiche vorbestimmte Zylinderdruckverhältnis PA'/PB' gehalten werden, das einer mageren Luft/Kraftstoff-Mischung entspricht, und das Steuerprogramm könnte der bereits fetten Luft/Kraftstoff-Mischung unter der Annahme, dass die Luft/Kraftstoff-Mischung mager sei, fälschlicherweise mehr Kraftstoff hinzufügen. Zur Garantie, dass das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB nicht versehentlich für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis verwendet wird, das fetter als stöchiometrisch ist, könnte ein stöchiometrischer EGO-Sensor in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einfach festzustellen, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist. Wenn der stöchiometrische EGO-Sensor bestimmt, dass ein fettes Luft/Kraftstoff-Verhältnis vorhanden ist, würde das Steuerprogramm das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB nicht mit gleichen Werten des Zylinderdruckverhältnisses PA'/PB' verwechseln, die mageren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen entsprechen.
Ein Zylinderdrucksensor 4 kann in mehr als einem der Zylinder oder allen Zylindern zur Aufzeichnung der Schwankung im Druckverhältnis von Zylinder zu Zylinder positioniert sein. Durch Prüfung der Schwankung im Druckverhältnis von Zylinder zu Zylinder kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis- und Motorsteuersystem 16 Zylinder erfassen, die keine so gute Leistung bringen wie die übrigen Zylinder. Daher stellt das gemessene Druckverhältnis PA/PB ein einfaches und wirksames Mittel zum Erfassen und Beheben von Fehlern dar, die in den Zylindern des Motors auftreten. Während der Motor so konstruiert ist, dass im Wesentlichen derselbe Verbrennungsvorgang in jedem Zylinder für einen bestimmten Satz von Motorbedingungen erreicht wird, unterscheidet sich tatsächlich der Verbrennungsvorgang in jedem Zylinder von Zylinder zu Zylinder aufgrund von Herstellungstoleranzen und strukturellen und funktionellen Unterschieden, die durch Schädigung herbeigeführt werden, zwischen Komponenten, die den Zylindern zugeordnet sind. Daher kann durch Aufzeichnen der Schwankung im Druckverhältnis in den einzelnen Zylindern das Motorsteuersystem 16 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den verschiedenen Zylindern getrennt einstellen, um die Leistung der einzelnen Zylinder auszugleichen. Ebenso kann durch einen Vergleich der Druckverhältnisse der einzelnen Zylinder und ihrer Schwankungen in Bezug auf die vorbestimmten Zieldruckverhältnisse das Motorsteuersystem 16 der vorliegenden Erfindung schlecht funktionierende oder sich verschlechternde Komponenten erfassen. Zum Beispiel kann das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB zum Erfassen von Fehlzündungen oder Teilverbrennungen in Zylindern verwendet werden. Fehlzündungen treten für gewöhnlich ein, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu mager arbeitet, um richtig zu verbrennen, oder wenn ein Problem bei dem Zündungssystem in der Bereitstellung eines zufriedenstellenden Zündfunkens auftritt. Daher ist ein Vorteil, der durch das Erfassen von Fehlzündungen geboten wird, die Anzeige, dass das Luft/Kraftstoff- Verhältnis wahrscheinlich zu mager arbeitet, so dass das Motorsteuersystem 16 erkennt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu mager ist und der Mischung mehr Kraftstoff zugeführt werden muss.
Ferner kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 das gemessene Druckverhältnis PA/PB aufzeichnen, um Fehlerzündungen zu erfassen, um so nahe wie möglich an der mageren Grenze zu arbeiten. Unter Verwendung dieses Verfahrens wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis allmählich magerer, bis eine Fehlzündung von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 erfasst wird. Sobald eine Fehlzündung erfasst wird, weiß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Steuersystem 16, dass der Motor mit einer zu mageren Luft/Kraftstoff-Mischung arbeitet, und es wird einfach der Luft/Kraftstoff-Mischung mehr Kraftstoff zugegeben, bis keine Fehlzündungen mehr erfasst werden. Durch Aufzeichnen des gemessenen Druckverhältnisses PA/PB zur Erfassung von Fehlzündungen wird ein einfaches und effizientes Verfahren für einen Betrieb nahe der mageren Grenze für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erreicht. Häufig ist es wünschenswert, einen Motor so nahe wie möglich bei der mageren Grenze des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses zu betreiben, um NOx-Emissionen soweit wie möglich zu verringern.
In Fig. 3 bedeutet "psia" Pfund pro Quadratinch absolut, d. h., den absoluten thermodynamischen Druck (1 psi ist gleich 6894,8 Pa). Fig. 3 ist eine graphische Darstellung eines Zylinderdrucks als Funktion des Kurbelwinkels für einen einzigen Verbrennungszyklus, wobei die Kurve 18 die Zylinderdruckreaktion für einen normalen Verbrennungsvorgang zeigt und Kurve 20 die Zylinderdruckreaktion bei einer Fehlzündung zeigt. Jeder Punkt in der Graphik von Fig. 3 stellt einen Durchschnittswert über 100 Motorzyklen dar. Wie aus Kurve 20 erkennbar ist, ist der Zylinderdruck im Wesentlichen um den TDC symmetrisch, wenn es zu einer Fehlzündung kommt. Dieses symmetrische Verhältnis führt dazu, dass das gemessene Druckverhältnis PA/PB, das für einen spezifischen Winkel vor und nach dem TDC gemessen wird, annähernd gleich 1 ist. Wie jedoch aus Kurve 18 ersichtlich ist, erzeugt ein normaler Verbrennungsvorgang keinen symmetrischen Zylinderdruck um den TDC, was dazu führt, dass das gemessene Druckverhältnis PA/PB, das für einen spezifischen Winkel vor und nach dem TDC gemessen wird, nicht gleich 1 ist. Daher stellt die vorliegende Erfindung eine einfache Prozedur zum Erfassen von Fehlzündungen bereit, indem Fehlzündungen durch Untersuchung des erhaltenen Wertes des gemessenen Druckverhältnisses PA/PB erfasst werden, und somit wird ein einfaches und effizientes Mittel zum Erfassen von Fehlern im Verbrennungsprozess erreicht. Auch Teilverbrennungen können einfach mit dem gemessenen Druckverhältnis PA/PB erfasst werden, da eine Teilverbrennung den Verbrennungsvorgang verzögert und das gemessene Druckverhältnisses PA/PB senkt.
Das gemessene Druckverhältnis PA/PB der vorliegenden Erfindung kann auch unter Verwendung einer vorbestimmten Korrelation zwischen dem Zylinderdruckverhältnis PA/PB und dem zu bestimmenden Parameter zur Bestimmung anderer Schlüsselparameter verwendet werden, wie der Position des Schwerpunkts der Verbrennung, des effektiven Expansionsverhältnisses und des Beginns des Verbrennungsvorganges. Der Schwerpunkt der Verbrennung korreliert mit dem Druckverhältnis und es kann eine funktionale Abhängigkeit zwischen diesen beiden Elementen bestimmt werden, da das gemessene Druckverhältnis PA/PB abnimmt, wenn der Schwerpunkt der Wärmefreisetzung verzögert ist. Das Expansionsverhältnis ist das Verhältnis des Zylindervolumens am BDC (unteren Totpunkt) zu dem Zylindervolumen bei einem bestimmten Kurbelwinkel, und es kann ein Expansionsverhältnis für jeden Kurbelwinkel, bei dem eine Verbrennung eintritt, berechnet werden. Das effektive Expansionsverhältnis wird durch Berechnung eines durchschnittlichen Expansionsverhältnisses während der Verbrennung durch Bewerten des Expansionsverhältnisses bei jedem Kurbelwinkel, bei dem eine Verbrennung auftritt, mit der Menge an freigesetzter Wärme bei diesem Kurbelwinkel bestimmt. Das funktionale Verhältnis zwischen der Wärmefreisetzungsrate und dem gemessenen Druckverhältnis PA/PB ermöglicht auch die Bestimmung eines funktionalen Verhältnisses zwischen dem gemessenen Druckverhältnis PA/PB und dem effektiven Expansionsverhältnis.
Obwohl in dem zuvor beschriebenen Prozess das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB von jedem Verbrennungszyklus zur Einstellung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses für den nächsten Zyklus verwendet wird, kann der Prozess auch leicht modifiziert werden, um einen Durchschnittswert des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses PA/PB über eine Reihe von Verbrennungszyklen zu verwenden, bevor das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt wird. Der modifizierte Prozess enthält eine Schleife, die nach Block 114 beginnt, wo PA/PB berechnet wird, so dass die Steuerung in dem modifizierten Prozess zu Block 100 zurückkehrt, um die Zylinderdrücke PA und PB über den nächsten Verbrennungszyklus zu messen. Diese Schleife wird für die gewünschte Anzahl von Verbrennungszyklen wiederholt und das durchschnittliche gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB über diese Verbrennungszyklen wird als Wert von PA/PB für den Rest des Prozesses verwendet. Durch Verwendung des durchschnittlichen Zylinderdruckverhältnisses über eine Anzahl von Verbrennungszyklen muss das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 nicht abrupt und unnötig auf eine Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf Grund eines außergewöhnlichen oder anomal gemessenen Zylinderdruckverhältnisses PA/PB reagieren. Dies ermöglicht eine sanftere und allmählichere Einstellung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses, wenn erforderlich. Die Anzahl von Zyklen, die für den Durchschnittswert des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses PA/PB verwendet wird, sollte wenigstens die Anzahl sein, die unnötige abrupte Änderungen im Luft/Kraftstoff-Verhältnis verhindert, sollte aber keine zu hohe Zahl von Zyklen sein, so dass die Reaktionszeit nicht rasch genug ist, um den Motor optimal zu betreiben. Die Verwendung eines Durchschnittswertes des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses PA/PB über mehrere Zyklen dient dazu, das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB über einen Zeitraum zu filtern, und es gibt zahlreiche andere unterschiedliche Verfahren zum Filtern, die dem Fachmann bekannt sind, die ebenso in der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden könnten, um ein Filtern oder Glätten des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses PA/PB über einen Zeitraum zu erreichen.
Zusätzlich zu der Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann das Steuerverfahren als Alternative in einem Motorsteuersystem implementiert sein, in dem der Steuerprozess absolut zur Feinabstimmung des Betriebs des Motors durch Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verwendet wird, wobei die anfängliche Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nicht unter Verwendung dieses Steuerprozesses implementiert wird. Diese alternative Verwendung des Steuerprozesses ist besonders zweckdienlich, wenn eine rasche Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erwünscht ist. Wenn der Motor eine Reihe sich rasch ändernder Motorbetriebsbedingungen erfährt, könnte eine Rückkopplungssteuerschleife, die durch den zuvor beschriebenen Steuerprozess implementiert wird, keine sofortige Einstellungen bereitstellen, um das Luft/Kraftstoff- Verhältnis zu ändern, was für eine Anpassung an die sich rasch ändernden Motorbetriebsbedingungen notwendig sein könnte. Daher könnte das Motorsteuersystem 16 bestimmte Motorbetriebsbedingungen betrachten, wie die Drosselklappenposition oder den Boost, um ein geschätztes Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die Zylinder bereitzustellen, bevor der zuvor beschriebene Steuerprozess implementiert wird. Der Steuerprozess würde in dieser Situation eher zum Feinabstimmen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses dienen, um die optimalen Betriebsbedingungen zu erreichen, nachdem der geschätzte Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Wert bereits annähernd die optimalen Betriebsbedingungen erreicht hat.
Wenn der Motor, wie zuvor beschrieben, eine Übergangsperiode sich rasch ändernden Betriebsbedingungen erfährt, wie eine Beschleunigung des Motors aus dem Leerlauf, könnte das Steuerprogramm für keine Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb einer ausreichenden Reaktionszeit sorgen. Während es jedoch für den Steueralgorithmus schwierig ist, auf sich rasch ändernden Betriebsbedingungen zu reagieren, kann der Steueralgorithmus leicht die Diskrepanz zwischen einer möglichen Steuerung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses für einen optimalen Betrieb bei den Übergangsbetriebsbedingungen und der tatsächlichen Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bestimmen, indem die Qualität der Verbrennung wie zuvor beschrieben aufgezeichnet wird. Durch Aufzeichnen dieser Diskrepanzen kann das Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Steuersystem 16 lernen, wie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert werden soll, wenn später ähnliche Übergangsbetriebsbedingungen auftreten. Daher kann eine alternative Ausführungsform des Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Steuersystems 16 der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit enthalten, die Qualität der Verbrennung während Übergangsbetriebsbedingungen aufzuzeichnen und die Diskrepanz zu einer notwendigen Steuerung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses für einen optimalen Betrieb bei Übergangsbetriebsbedingungen zu speichern. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 kann dann aus vorangehenden Übergangsbetriebsbedingungen lernen, das Ausmaß zu erfassen, welches das gesteuerte Luft/Kraftstoff-Verhältnis von seinem optimalen Wert abweicht, und unter folgenden ähnlichen Übergangsbetriebsbedingungen kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis schätzen, um das Ausmaß der Abweichung von dem optimalen Luft/Kraftstoff- Verhältnis für die Übergangsbetriebsbedingungen, die der Motor erfährt, zu verringern. Daher kann unter Verwendung einer späten Einsicht das Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Steuersystem 16 erfassen, ob zu viel oder zu wenig Kraftstoff in der Luft/Kraftstoff-Mischung für aufgetretene Übergangsbetriebsbedingungen vorhanden war. Dann kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem daraus lernen und erkennen, ob mehr oder weniger Kraftstoff dem Luft/Kraftstoff- Verhältnis hinzuzufügen ist, wenn ähnliche Lastbedingungen auftreten. Im Laufe der Zeit konzentriert sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 auf das präzise Luft/Kraftstoff-Verhältnis, bei dem der Motor für einen bestimmten Übergangszustand betrieben werden sollte, und ist imstande, dieses Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu schätzen, wenn diese Übergangsbedingung erfasst wird. Dieser Lernalgorithmus, der von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis- Steuersystem 16 implementiert wird, ermöglicht dem Motor, die gewünschte Verbrennungsqualität bei folgenden Übergangsbetriebsbedingungen besser zu erreichen, die ähnlich vorangehenden Übergangsbetriebsbedingungen sind.
Zur Garantie, dass die Druckmessungen, die von Zylinderdrucksensoren 4 vorgenommen werden, exakt sind und mit den Werten, die in der Zylinderdruck- Informationsverweistabelle gespeichert sind, übereinstimmen, kann das Ausmaß der Verschiebung und Verstärkung der Zylinderdrucksensoren 4 auch während des Verdichtungshubes im Verbrennungsvorgang berechnet werden. Unter Bezugnahme nun auf Fig. 4 ist der Steuerprozess zum Bestimmen der Verschiebung und Verstärkung der Zylinderdrucksensoren 4 dargestellt, wobei dieser Prozess im Speicher 14 des ECM 10 gespeichert ist und vom Mikroprozessor 12 ausgeführt wird. In Block 202 misst der Zylinderdrucksensor 4 den Zylinderdruck P&submin;&sub1;&sub8;&sub0; bei BDC (180º vor dem TDC) und speichert den Wert im Speicher 14 des ECM 10, wie durch das Signal S2 angezeigt wird, welches das ECM 10 vom Zylinderdrucksensor 4 empfängt. Zusätzlich wird der Ansaugleitungsdruck P&sub1; von einem Drucksensor 8 gemessen und dieser Wert wird im Speicher 14 des ECM 10 gespeichert, wie durch das Signal S4 angezeigt wird, welches das ECM 10 vom Ansaugleitungsdrucksensor 8 empfängt. In Block 204 werden der Zylinderdruck P&submin;&sub1;&sub8;&sub0; und der Ansaugleitungsdruck P&sub1; verglichen, um das Ausmaß der Verschiebung zwischen den zwei Drücken zu bestimmen. Das Ausmaß der Verschiebung wird durch die folgenden Gleichungen bestimmt:
P&submin;&sub1;&sub8;&sub0; = V&submin;&sub1;&sub8;&sub0; · Verstärkung + Verschiebung
P&submin;&sub1;&sub8;&sub0; = P&sub1;
Verschiebung = P&sub1; - (V&submin;&sub1;&sub8;&sub0; + Verstärkung)
Nach der Bestimmung des Ausmaßes der Verschiebung stellt das ECM 10 die Verschiebung des Zylinderdrucksensors 4 ein, um den Zylinderdruck bei BDC dem Ansaugleitungsdruck gleichzusetzen, indem die notwendige Verschiebung zu den gemessenen Zylinderdruckwerten addiert wird. Das zwangsweise Anpassen des gemessenen BDC-Drucks im Zylinder an den gemessenen Ansaugleitungsdruck P&sub1; wird als "Pegging" (Bindung) bezeichnet. Pegging ist häufig notwendig, da typische Drucksensoren 4 im Zylinder keine Gleichstrommessungen vornehmen können, da typische Drucksensoren 4 im Zylinder nur imstande sind, eine Druckänderung zu messen und nicht imstande sind einen Absolutdruck zu messen.
Das Programm fährt dann mit Block 206 fort, wo der Zylinderdrucksensor 4 den Zylinderdruck P&submin;&sub9;&sub0; bei 90º BTDC misst und ein Spannungssignal V&submin;&sub9;&sub0; liefert, das dem Zylinderdruck bei 90º BTDC entspricht, wobei dieser Wert im Speicher 14 des ECM 10 gespeichert wird, wie durch das Signal S2 angezeigt wird, welches das ECM 10 vom Zylinderdrucksensor 4 empfängt. In Block 208 berechnet das ECM 10 die Verstärkung des Zylinderdrucksensors unter Verwendung der folgenden Gleichung:
P&submin;&sub9;&sub0; = (V&submin;&sub9;&sub0; · Verstärkung) + Verschiebung
Die Verstärkung wird dann unter Verwendung eines Wertes für P&submin;&sub9;&sub0; bestimmt, der aus der polytropischen Verdichtung der in den Verbrennungszylinder geladenen Luft erhalten wird, die durch die folgende Gleichung definiert ist:
wobei P&submin;&sub1;&sub8;&sub0; der Druck bei 180º BTDC ist, der gleich dem absoluten Ansaugleitungsdruck durch Pegging eingestellt wurde. Volumenx ist das Gesamtvolumen der Verbrennungskammer bei dem Winkel X; zum Beispiel ist Volumen&submin;&sub9;&sub0; das Volumen der Verbrennungskammer bei 90º BTDC. K ist der polytropische Verdichtungskoeffizient, wobei K für gewöhnlich einen Wert im Bereich von 1,1- 1,4 aufweist, abhängig von mehreren Parametern, wie Motordrehzahl, Temperatur und Motorgröße. Da K jedoch nicht stark schwankt, ist es möglich einen Wert für K im Bereich von 1, 1 bis 1,4 zu wählen, der dem verwendeten Motor am ehesten entspricht. Der Wert für P&submin;&sub9;&sub0; wird dann in der Verstärkungsgleichung verwendet, um die Verstärkung des Zylinderdrucksensors zu bestimmen, wobei
Sobald die Verstärkung des Zylinderdrucksensors bestimmt ist, kann sie zur Berechnung der gemessenen Drücke PA und PB verwendet werden, indem zukünftige Zylinderdruckmessungen entsprechend der Spannung, die bei dem bestimmten Winkel vor dem TDC und nach dem TDC erfasst wird, in Verbindung mit der Verschiebung des Zylinderdrucksensors eingestellt werden. Zum Beispiel kann ein gemessener Zylinderdruck unter Verwendung der folgenden Verstärkungsgleichung berechnet werden:
Px = [Vx · Verstärkung] + Verschiebung
wobei X der Winkel ist, bei dem der Zylinderdruck gemessen wird, und Px die Spannung darstellt, die von dem Zylinderdrucksensor bei einem Winkel von Xº erfasst wird. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass es nicht notwendig ist, die gemessenen Spannungen in Drücke umzuwandeln, bevor alle oben genannten Berechnungen ausgeführt werden. Während das oben genannte Programm die Bestimmung der Verstärkung und Verschiebung des Zylinderdrucksensors beschreibt, indem Druckmessungen bei 180º und 90º BTDC vorgenommen werden, ist für den Fachmann auch offensichtlich, dass Druckmessungen bei anderen ähnlichen Winkeln BTDC vorgenommen werden können, wenn die Verstärkung und Verschiebung des Zylinderdrucksensors bestimmt wird.

Steuerung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei magerer Verbrennung

Das Betreiben eines Motors mit einer mageren Mischung bietet zahlreiche Vorteile, wie eine Senkung der NOx-Emissionen, Erhöhung der Effizienz des Motors, Verlängerung der Haltbarkeit und Bereitstellung eines größeren Klopfbereichs. Bei einem mageren Betrieb ist es sehr wichtig, dass das Luft/Kraftstoff- Verhältnis exakt gesteuert wird. Wenn die Luft/Kraftstoff-Mischung zu mager ist, läuft der Motor unruhig und erzeugt unzureichende Leistung. Wenn ferner die Luft/Kraftstoff-Mischung zu fett ist, kommt es wahrscheinlich zu übermäßig hohen NOx-Emissionen. Wenn die Luft/Kraftstoff-Mischung zu fett ist, kann auch ein Klopfen auftreten, das für den Motor schädlich ist, und es können sich auch übermäßig hohe Motortemperaturen ergeben. Es ist daher zwingend, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis exakt zu steuern, wenn unter mageren Verbrennungsbedingungen gearbeitet wird.
Die Leistung eines Motors sollte jedoch nicht durch das Luft/Kraftstoff- Verhältnis gemessen werden, sondern vielmehr durch das Luftüberschussverhältnis (das auch als Lambda X bezeichnet wird). Lambda ist definiert als:
λ = (Luft/Kraftstoff-Verhältnis)/(Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei stöchiometrischen Bedingungen),
wobei das Luft/Kraftstoff Verhältnis der Massenstrom der Luft dividiert durch den Massenstrom des Kraftstoffes ist, der gegenwärtig an den Motor abgegeben wird, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei stöchiometrischen Bedingungen exakt die richtige Menge an Luft (Sauerstoff in der Luft) ist, um alle Kraftstoffmoleküle in CO&sub2; und H&sub2;O umzuwandeln. Die Motorleistung ist von Lambda und nicht vom Luft/Kraftstoff-Verhältnis abhängig, obwohl Lambda indirekt durch die Menge an Luft und/oder Kraftstoff gesteuert wird, die in den Motor eingeleitet wird. Dieses Prinzip regelt die vorliegende Erfindung da für zwei verschiedene Mischungen oder Qualitäten von Kraftstoff der Motor im Wesentlichen gleich arbeitet, wenn der Motor bei dem selbem Lambda-Wert für beide Kraftstoffe arbeitet. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für die zwei verschiedenen Kraftstoffmischungen ist jedoch nicht unbedingt dasselbe, wenn bei demselben Lambda-Wert gearbeitet wird. Daher ist es zwingend, den Lambda-Wert und nicht das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für jeden Verbrennungsvorgang aufzuzeichnen, um die Qualität der Verbrennung aufzuzeichnen. In Situationen, in welchen Kraftstoff geringer Qualität verwendet wird, d. h., Kraftstoffe mit sehr geringem BTU-Gehalt (Kraftstoffe mit sehr geringem Heizwert; BTU bedeutet "basic transmission unit"), könnte sich die Verbrennungsqualität bei dem Kraftstoff geringer Qualität verschlechtern, selbst wenn der Lambda-Wert für die verschiedenen Kraftstoffe derselbe ist. Die vorliegende Erfindung gleicht die geringe Qualität des Kraftstoffes durch Messung der Qualität der Verbrennung und nicht der Qualität des Kraftstoffes aus, wobei die Eigenschaften der Kraftstoffe geringer Qualität unter Verwendung bestehender EGO-Sensoren schwierig zu messen sind.
Wie zuvor festgehalten wurde, ist es zwingend, das Luftüberschussverhältnis exakt zu steuern, wenn unter mageren Verbrennungsbedingungen gearbeitet wird. Da der Lambda-Wert eine Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist und der Lambda-Wert die Leistung des Motors angibt, ist es notwendig, den Lambda- Wert unter mageren Verbrennungsbedingungen exakt zu steuern. Der Motor arbeitet zu mager, wenn der Lambda-Wert zu hoch ist, und die Luft/Kraftstoff- Mischung ist zu fett an Kraftstoff, wenn der Lambda-Wert zu gering ist. In gegenwärtigen Motorsteuersystemen ist es zur Berechnung des Lambda-Wertes für gewöhnlich notwendig, die Menge an Luft und Kraftstoff, die an den Motor abgegeben wird, zu messen oder zu schätzen, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu berechnen. Zur Bestimmung des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verwenden bestehende Technologien ferner einen Abgas-Sauerstoff Sensor ("exhaust gas oxygen sensor" - EGO-Sensor) zur Messung der Sauerstoftkonzentration im Abgas, das aus der Verbrennungskammer austritt. Wenn jedoch sehr mager gearbeitet wird (Lambda-Wert > 1,6), können bestehende EGO- Sensoren die Abgas-Sauerstoffkonzentration nicht exakt messen, was zu einer ungenauen Bestimmung des Lambda-Wertes führt. Daher kann der Lambda- Wert nicht exakt bestimmt oder präzise gesteuert werden, wenn bestehende EGO-Sensoren verwendet werden. Gegenwärtig ist der größte Nachteil eines mageren Betriebs, dass der Motor für kleine Fehler im Lambda-Wert extrem anfällig ist und es schwierig ist, den gewünschten Lambda-Wert exakt zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung verwendet das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB zur exakten Bestimmung und Steuerung des Lambda-Wertes. Das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB ist für geringe Änderungen im Lambda-Wert extrem empfindlich. Daher ist unter mageren Verbrennungsbedingungen das gemessene Druckverhältnis PA/Pa zur Bestimmung der Verbrennungsqualität des Motors durch Bestimmung des Lambda-Wertes äußerst nützlich. Bei magerem Betrieb verlangsamt eine Erhöhung des Lambda-Wertes die Wärmefreisetzungsrate (die Rate, bei welcher der Kraftstoff verbrennt) und verschiebt die Zeitsteuerung der Wärmefreisetzung auf spätere Kurbelwinkel. Die Wirkung einer Erhöhung des Lambda-Wertes auf diese Weise verringert das gemessene Druckverhältnis PA/PB. Wenn daher der Lambda-Wert geändert wird, kommt es zu einer Änderung im Verbrennungsprozess, die den Zylinderdruck und das Druckverhältnis direkt beeinflusst.
Diese Änderungen im Verbrennungsprozess, die mit Änderungen im Lambda- Wert zusammenhängen, sind in Fig. 5(a) und (b) dargestellt. Fig. 5(a) zeigt die scheinbare Wärmefreisetzung ("apparent heat release" - AHR) während der Verbrennung als Funktion des Kurbelwinkels für verschiedene Lambda-Werte bei konstanter Kraftstoffströmungsrate, einer konstanten Zündungseinstellung und einer Motordrehzahl von 1800 Upm, wobei jeder Punkt in der Graphik einen Durchschnittswert über 100 Motorzyklen darstellt. Wie in Fig. 5(a) erkennbar ist, wird die scheinbare Wärmefreisetzung verlangsamt und auf spätere Kurbelwinkel verzögert, wenn der Lambda-Wert zunimmt. Die Kurven 230, 231, 232, 233, 234 und 235 stellen Lambda-Werte von 1,4, 1,5, 1,61, 1,7, 1,75 bzw. 1,78 dar. Fig. 5(b) zeigt den Zylinderdruck als Funktion des Kurbelwinkels für verschiedene Lambda-Werte bei konstanter Kraftstoffströmungsrate, einer konstanten Zündungseinstellung und einer Motordrehzahl von 1800 Upm. Die Kurven 240, 241, 242, 243, 244 und 245 stellen Lambda-Werte von 1,4, 1,5, 1,61, 1,7, 1,75 bzw. 1,78 dar. Wie aus Fig. 5(b) erkennbar ist, sinkt der Zylinderdruck bei steigendem Lambda-Wert, was zu verringerten Werten für das gemessene Druckverhältnis PA/PB führt, wenn der Lambda-Wert steigt.
Daher erzeugt ein steigender Lambda-Wert zwei Wirkungen, die einander verstärken. Erstens wird bei steigendem Lambda-Wert die Wärmefreisetzung verzögert und verlangsamt, wodurch das Druckverhältnis wie oben dargestellt verringeft wird. Zweitens wird bei steigendem Lambda-Wert weniger Wärme pro Masse Ladung freigesetzt, da weniger Kraftstoffenergie pro Masse Ladung verfügbar ist, wodurch auch das Druckverhältnis geringer wird. Daher führen diese zwei Verstärkungseffekte zu großen Veränderungen in dem gemessenen Druckverhältnis PA/PB bei geringeren Veränderungen im Lambda-Wert bei mageren Bedingungen, wodurch die vorliegende Erfindung ein sehr effektives Mittel darstellt, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bei mageren Bedingungen zu steuern. Wie aus Fig. 6 erkennbar ist, in der das gemessene Zylinderdruckverhältnis PA/PB, das bei 10º um den TDC erhalten wird, als Funktion des Lambda-Wertes für einen Motor, der bei 1800 Upm arbeitet, dargestellt ist, kommt es zu einer größeren Änderung in dem gemessenen Druckverhältnis PA/PB, wenn der Lambda- Wert magerer wird (1,5 < λ < 1,8), wobei jeder Punkt in der Graphik einen Durchschnittswert über 100 Motorzyklen darstellt.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 7 ist eine zweite Ausführungsform des Luft/Kraftstoff-Verhältnis- und Motorsteuersystems 16 der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei diese Ausführungsform das gemessene Druckverhältnis PA/PB zur Messung und Steuerung des Lambda-Wertes verwendet. Der Lambda- Wert wird unter Verwendung einer etwas modifizierten Version des zuvor in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Steuerprozesses gemessen, wobei die Blöcke 300 bis 304 in Fig. 7 die Blöcke 118 und 120 in dem Hauptsteuerprozess von Fig. 2 ersetzen. Alle anderen Blöcke des Hauptsteuerprozesses von Fig. 2 werden in dem Lambda-Wert-Steuerprozess ausgeführt, wenn nicht ausdrücklich anderes beschrieben ist. Nachdem das Verhältnis PA/PB berechnet und im Speicher 14 in Block 114 gespeichert wurde, werden die Betriebsbedingungen des Motors von den Motorbetriebssensoren 8 in Block 116 gemessen. In Block 300 werden die gemessenen Betriebsbedingungen von dem ECM 10 zum Nachschlagen eines vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnisses oder Lambda-Wertes X' verwendet, der den gegenwärtigen Betriebsbedingungen entspricht, wie in einer Zylinder-Luftüberschussverhältnis-Informationstabelle gespeichert ist, die im Speicher 14 gespeichert ist. In Block 302 wird das gemessene Druckverhältnis PA/PB zur Bestimmung eines gemessenen Luftüberschussverhältnisses X verwendet, bei dem der Zylinder gegenwärtig arbeitet, wobei das gemessene Luftüberschussverhältnis eine Funktion des gemessenen Druckverhältnisses PA/PB ist, das in einer Informationstabelle gespeichert ist, die sich im Speicher 14 befindet. In Block 304 wird eine Abfrage durchgeführt um festzustellen, ob das gemessene Luftüberschussverhältnis X gleich dem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis X' ist. Das optimale Luftüberschussverhältnis X' ist eine Funktion der Motordrehzahl, Last, Zündungseinstellung, Temperaturen und anderer Parameter, die dem ECM 10 zur Verfügung stehen. Der Motor arbeitet mit dem optimalen Kompromiss zwischen Emissionen, sparsamem Kraftstoffverbrauch, Motorleistung, Motorhaltbarkeit und ruhigem Betrieb, wenn das optimale Luftüberschussverhältnis X' im Zylinder erreicht wird. Wenn die Antwort in Block 304 positiv ist, funktioniert der Motor für diesen Verbrennungszyklus richtig und die Steuerung kehrt zu Block 102 zurück, um den Kurbelwinkel für den nächsten Verbrennungszyklus zu messen. Wenn die Antwort in Block 304 negativ ist, fährt die Steuerung mit Block 122 fort, wo das ECM 10 bestimmt, wie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt werden muss, um das Luftüberschussverhältnis X so zu modifizieren, dass es gleich dem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis X' ist, und das ECM 10 erzeugt ein Steuersignal S4, das die Luft/Kraftstoff-Steuerung 6 informiert, wie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu modifizieren ist. In Block 124 stellt die Luft/Kraftstoff-Steuerung 6 entweder die Luft, den Kraftstoff oder sowohl Luft als auch Kraftstoff ein, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis entsprechend zu modifizieren.
Der Steuerprozess gemäß der vorliegenden Erfindung misst die Zylinderdrücke PA und PB bei einem Winkel im Bereich von etwa 10º bis 30º vor dem TDC und etwa 10º bis 30º nach dem TDC. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird PA bei dem selben Winkel nach dem TDC gemessen wie dem Winkel, bei dem PB vor dem TDC gemessen wird, um den Verbrennungsvorgang zuverlässig aufzuzeichnen. Das gemessene Druckverhältnis PA/PB ist für geringfügige Änderungen im Lambda-Wert äußerst empfindlich, wenn die Zylinderdrücke bei einem Winkel im Bereich von 10º bis 30º gemessen werden. Da eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung die präzise Messung und Steuerung des Lambda-Wertes für jeden Zylinder unter Verwendung des gemessenen Druckverhältnisses PA/PB ist, ist es wünschenswert, dass die Zylinderdruckmessungen im Bereich von 10º bis 30º vorgenommen werden, wo das gemessene Druckverhältnis PA/PB für winzige Veränderungen im Lambda-Wert am empfindlichsten ist.
Unter Bezugnahme nun auf Fig. 8 ist das gemessene Druckverhältnis PA/PB als Funktion des Lambda-Wertes für einen Bereich von Kurbelwinkeln zwischen 10º und 60º für den spezifischen verwendeten Testmotor eingetragen, wobei jeder Punkt in der Graphik einen Durchschnittswert über 100 Motorzyklen darstellt. Wie aus Fig. 8 erkennbar ist, gibt es bei den gemessenen Druckverhältnissen PA/PB bei Kurbelwinkeln von 35º, 45º und 60º eine sehr geringfügige Änderung im gemessenen Druckverhältnis PA/PB mit Änderungen im Lambda-Wert. Es gibt jedoch eine wesentliche Änderung im Druckverhältnis PA/PB mit Änderungen im Lambda-Wert für Kurbelwinkel zwischen 10º und 30º, insbesondere zwischen 15º und 25º. Für eine präzise Berechnung des Lambda-Wertes für jedes Druckverhältnis PA/PB ist es notwendig, dass Änderungen im Druckverhältnis PA/PB selbst aus geringfügigen Änderungen im Lambda-Wert ersichtlich sind. Daher kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 gemäß der vorliegenden Erfindung bei Kurbelwinkeln von mehr als 30º für diesen besonderen Motor nicht exakt funktionieren, da es keine wesentlichen Änderungen im Druckverhältnis PA/PB mit Änderungen im Lambda-Wert bei diesen Kurbelwinkeln gibt. Wenn die gemessenen Kurbelwinkel zu weit auseinander liegen, kommt es zu einem dritten Effekt, der eigentlich mit den zwei Verstärkungseffekten konkurriert, die sich aus einer Erhöhung des Lambda-Wertes wie zuvor besprochen ergeben. Erstens ist bei einem steigenden Lambda-Wert weniger Kraftstoff pro Masse Ladung verfügbar, was zu einer Verringerung des Druckverhältnisses neigt. Zweitens wird bei steigendem Lambda-Wert die Wärmefreisetzung verzögert, wodurch die Effizienz des Motors herabgesetzt wird. Dies hat zur Folge, dass weniger Arbeit erzeugt wird und somit weniger Energie aus den Gasen gewonnen wird. Das Endergebnis einer verzögerten Verbrennung ist, dass weniger Energie aus dem Kraftstoff gewonnen wird, wodurch der Druck am Ende der Verbrennung steigt und somit das Druckverhältnis erhöht wird. Da eine Wirkung das Druckverhältnis verringert und die andere Wirkung das Druckverhältnis erhöht und diese Wirkungen einander aufheben, kommt es zu einer geringen Veränderung im Druckverhältnis, wenn die Kurbelwinkel zu weit auseinander liegen. Ferner können Kurbelwinkel, die viel kleiner als 10º sind, nicht für eine effektive Berechnung des Lambda-Wertes herangezogen werden, da, wenn die Kurbelwinkel zu nahe beieinander liegen, zum Beispiel +/- 2 Grad um den TDC, die Drücke PA und PB sehr ähnlich sind und geringfügige Änderungen im Lambda-Wert das gemessene Druckverhältnis PA/PB nicht deutlich beeinflussen.
Es kann für das Steuersystem vorteilhaft sein, verschiedene Kurbelwinkel für die Berechnung des Druckverhältnisses PA/PB basierend auf den Motorbetriebsbedingungen zu verwenden. Wenn zum Beispiel der Motor unter Bedingungen mit einer verzögerten Zündungseinstellung arbeitet, kann es vorteilhaft sein, Kurbelwinkel von +/- 25 Grad um den TDC zu verwenden, wenn die Druckmessungen PA und PB vorgenommen werden; während wenn der Motor unter Bedingungen mit einer vorgezogenen Zündungseinstellung arbeitet, es vorteilhafter sein könnte, Kurbelwinkel von +/- 15 Grad zu verwenden, wenn die Druckmessungen PA und PB vorgenommen werden. Da eine Änderung des Kurbelwinkels, bei dem die Zylinderdruckmessungen PA und PB vorgenommen werden, wiederum das Druckverhältnis PA/PB beeinflusst, ist ein anderes Zieldruckverhältnis PA'/PB' bei verschiedenen Kurbelwinkeln erforderlich. Es kann auch wünschenswert sein, den Kurbelwinkel zu ändern, bei dem die Zylinderdruckmessungen PA und PB vorgenommen werden, um eine mögliche elektrische Störung von der Funkenentladung im Zylinder zu verhindern.
Unter Verwendung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis- und Motorsteuersystems 16 gemäß der vorliegenden Erfindung funktioniert der Motor gleich, wenn verschiedene Qualitäten oder Mischungen von Kraftstoff verwendet werden. Dies ist der Fall, da das Motorsteuersystem 16 das gemessene Druckverhältnis PA/PB und den Lambda-Wert verwendet, um die Qualität der Verbrennung zu überwachen. Daher blickt das Motorsteuersystem auf das Endergebnis der Verbrennungsvorganges um sicherzustellen, dass der Motor für die gegenwärtigen Bedingungen richtig arbeitet, und das Motorsteuersystem 16 konzentriert sich darauf, wie die Zylindereingangs- und -ausgangsvariablen funktionieren. Das Motorsteuersystem 16 prüft die Verbrennungsqualität um festzustellen, ob die richtige Kraftstoffmenge an den Motor abgegeben wurde, anstatt den Kraftstoffeingang in den oder den Ausgang aus dem Zylinder zu messen. Dieses Merkmal ist besonders wichtig, wenn Erdgas als Kraftstoff verwendet wird, da es äußerst schwierig ist, exakt die richtige Menge an Erdgas in den Zylinder abzugeben. Ferner sind nicht alle Kraftstoffmischungen, insbesondere Erdgasmischungen, identisch, so dass nur die Messung des Kraftstoffeingangs in den Zylinder kein wahrer Test ist, ob die richtige Kraftstoffmenge für diese besondere Mischung verwendet wurde. Zusätzlich ist es außerhalb der Laborumgebung sehr schwierig, das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Erdgases unter Verwendung von Sensoren zu bestimmen, die in einem Motor montiert sind. Das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis eines Erdgases schwankt ausreichend, dass inakzeptable Schwankungen im Lambda-Wert aufträten, selbst wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung eines Erdgases exakt gesteuert werden könnte. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16 gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Kraftstoffqualität selbstkompensierend, indem die Motorleistung mit dem Lambda-Wert überwacht und die Motorleistung eingestellt wird, bis die Verbrennungsqualität anzeigt, dass der Motor richtig arbeitet. Daher muss das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nicht durch Messung der Luft- oder Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben wird, gemessen werden, sondern es wird vielmehr das Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt, bis das gemessene Druckverhältnis PA/PB und der Lambda-Wert anzeigen, dass der Motor richtig arbeitet.
Während die Steuerprozesse der vorliegenden Erfindung zuvor zur Verwendung in Verbindung mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis- und Motorsteuersystem 16 beschrieben wurden, können diese Steuerprozesse auch in gegenwärtigen Motorsteuersystemen verwendet werden, die den Lambda-Wert als Variable messen. Daher kann der Lambda-Wert unter Verwendung des gemessenen Druckverhältnisses PA/PB bestimmt werden, wie durch den oben genannten Steuerprozess festgelegt ist, und dieser Lambda-Wert kann dann in anderen Motorsteuersystemen verwendet werden, die derzeit EGO-Sensoren benutzen, um den Lambda- Wert zu berechnen. Da EGO-Sensoren den Lambda-Wert für sehr magere Luft/Kraftstoff-Mischungen nicht exakt messen können, ermöglicht die Verwendung des Steuerprozesses der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung des Lambda-Wertes in diesen bestehenden Motorsteuersystemen eine präzisere Steuerung des Lambda-Wertes. Ferner kann der Steuerprozess der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den EGO-Sensoren verwendet werden, um die Genauigkeit der EGO-Sensoren bei der Berechnung des Lambda-Wertes zu prüfen.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann anstelle der Verwendung von Messwerten für das Zylinderdruckverhältnis und Vergleichen dieser Messwerte mit vorbestimmten Zielverhältnissen zur Einstellung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, um das Zielverhältnis zu erreichen, die Schwankung in dem gemessenen Druckverhältnis PA/PB über einen Zeitraum, wenn der Motor in einem Dauerzustand läuft, aufgezeichnet werden, um festzustellen, wann sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis seiner mageren Grenze nähert. Wenn sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der mageren Grenze nähert, nimmt die Schwankung im gemessenen Druckverhältnis PA/PB zu, was anzeigt, dass sich die Leistung des Motors während der Verbrennung nicht beständig gleichmäßig von Zyklus zu Zyklus wiederholt. Wenn dies der Fall ist und das Luft/Kraftstoff- Verhältnis zu mager ist, läuft der Motor für gewöhnlich unruhig. Daher liefert die Messung der Schwankung im gemessenen Druckverhältnis PA/PB, wie eine Messung der Standardabweichung des gemessenen Druckverhältnisses PA/PB, eine Anzeige des Zeitpunktes, zu dem sich das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der mageren Grenze nähert. Sobald die Standardabweichung im gemessenen Druckverhältnis PA/PB eine vorbestimmte Grenze überschreitet, erkennt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem 16, dass der Motor zu mager arbeitet, und führt der Luft/Kraftstoff-Mischung mehr Kraftstoff zu. Daher stellt die Aufzeichnung der Schwankung im gemessenen Druckverhältnis PA/PB eine einfache und effektive Methode dar, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nahe der mageren Grenze zu halten, ohne zu mager zu arbeiten.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem System zur Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Innenverbrennungsmotor beschrieben wurde, kann die zuvor beschriebene vorliegende Erfindung auch in einem System ausgeführt oder mit einem solchen kombiniert werden, das die Abgasrückführungs-(EGR)-rate in einem Innenverbrennungsmotor durch Aufzeichnen der Qualität der Verbrennung unter Verwendung des Zylinderdruckverhältnisses steuert, wie zuvor beschrieben wurde. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung würde auf gleiche Weise wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen funktionieren; anstatt jedoch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einzustellen, würde diese alternative Ausführungsform die EGR-Rate einstellen. Die EGR-Rate kann gesteuert werden, um die Qualität der Verbrennung zu steuern, indem das Zylinderdruckverhältnis aufgezeichnet wird, da Änderungen in der EGR-Rate eine ähnliche Wirkung auf die Verbrennung haben wie Änderungen im Luftüberschussverhältnis. Dieses Ergebnis wird erhalten, da die Zylinderladung, egal ob die ERG-Rate erhöht oder der Luft/Kraftstoff-Mischung mehr Luft zugeführt wird, mit einer Substanz verdünnt wird, die nicht zum Verbrennen von Kraftstoff verwendet wird. Daher hat eine Erhöhung oder Senkung der EGR- Rate eine ähnliche entsprechende Wirkung wie eine Erhöhung oder Senkung der Luftmenge in der Luft/Kraftstoff-Mischung und die EGR-Rate kann auf gleiche Weise gesteuert werden, um die Verbrennungsqualität zu steuern. Es ist ferner möglich, sowohl die EGR-Rate als auch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu steuern, um die gewünschte Verbrennungsqualität und den gewünschten Kompromiss zwischen Emissionen und Leistung zu erreichen.
Wie aus dem Vorhergesagten hervorgeht, stellt ein System zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in einem Innenverbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung eine präzise Methode zum Steuern des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses durch Aufzeichnen der Qualität der Verbrennung in jedem Zylinder bereit, ohne die Menge an Luft oder Kraftstoff messen zu müssen, die tatsächlich in den Zylinder eingebracht oder von diesem ausgegeben wird. Ferner ermöglicht ein System zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der vorliegenden Erfindung eine exakte Steuerung des Motors, wenn dieser unter mageren Verbrennungsbedingungen arbeitet. Zusätzlich ermöglicht ein System zum Steuern des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gemäß der vorliegenden Erfindung eine exakte Steuerung des Motors bei verschiedenen Qualitäten oder Mischungen von Kraftstoff.

Claims

1. System zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und/oder einer Abgasrückführungs-(EGR)-rate eines Innenverbrennungsmotors (15), wobei das System (16) aufweist:

einen Zylinderdrucksensor (4) zum Erfassen eines ersten Zylinderdrucks und eines zweiten Zylinderdrucks, die in einer Verbrennungskammer eines Motors (15) gemessen werden, wobei der erste Zylinderdruck bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt gemessen wird und der zweite Zylinderdruck bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt gemessen wird, wobei der Zylinderdrucksensor (4) Signale bereitstellt, welche die erfassten Zylinderdrücke anzeigen;

Betriebserfassungsmittel (8) zum Erfassen wenigstens einer Motorbetriebsbedingung und zum Bereitstellen von Ausgangssignalen, welche die erfassten Betriebsbedingungen anzeigen;

ein Zylinderdruckverhältnis-Informationsspeichermittel zum Speichern optimaler Zylinderdruckverhältnisse für verschiedene Motorbetriebsbedingungen;

Steuermittel (6) zum Steuern wenigstens einer von einer Luftmenge und einer Kraftstoffmenge, die an den Motor (15) abgegeben werden, um ein tatsächliches Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu steuern, und/oder zum Steuern einer Abgasmenge, die an den Motor (15) abgegeben wird, um eine tatsächliche EGR-Rate zu steuern; und

ein elektronisches Steuermodul (10), aufweisend:

Empfangsmittel zum Empfangen der Signale von dem Zylinderdrucksensor (4);

Berechnungsmittel zum Berechnen eines gemessenen Druckverhältnisses des ersten Zylinderdrucks und des zweiten Zylinderdrucks aus Signalen, die von dem Zylinderdrucksensor (4) empfangen werden;

Vergleichsmittel zum Bestimmen eines eingestellten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses und/oder einer eingestellten EGR-Rate basierend auf dem gemessenen Druckverhältnis, wobei das Vergleichsmittel das gemessene Druckverhältnis mit einem optimalen Zylinderdruckverhältnis vergleicht, das in dem Zylinderdruckverhältnis-Informationsspeichermittel gespeichert ist, entsprechend einem spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen, die von dem Betriebserfassungsmittel (8) erfasst werden, und das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt; und

Einstellmittel zum Steuern des Steuermittels, um wenigstens eine von der Luftmenge und der Kraftstoffmenge, die an den Motor (15) abgegeben werden, einzustellen, um dadurch das eingestellte Luft/Kraftstoff- Verhältnis und/oder die eingestellte EGR-Rate zu erreichen, die dem gespeicherten optimalen Druckverhältnis entspricht.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter Schätzmittel zum Schätzen eines gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses basierend auf den gegenwärtigen Motorbedingungen umfasst.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schätzmittel ein Steuersignal an das Steuermittel leitet, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass es gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die Zylinderdruckmessungen vorgenommen werden.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Luftüberschussverhältnis-Informationsspeichermittel umfasst, das optimale Luftüberschussverhältnisse für verschiedene Motorbetriebsbedingungen enthält, wobei jedes der optimalen Luftüberschussverhältnisse in dem Informationsspeichermittel einem der gespeicherten optimalen Zylinderdruckverhältnisse für einen spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen entspricht.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel ein gemessenes Luftüberschussverhältnis, das von einem entsprechenden gemessenen Zylinderdruckverhältnis erhalten wird, mit einem optimalen Luftüberschussverhältnis, das in dem Informationsspeichermittel gespeichert ist, für den spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen, der gegenwärtig erfasst wird, vergleicht und das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, wobei das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis dem gespeicherten optimalen Luftüberschussverhältnis entspricht.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Durchschnittsbildungsmittel zum Berechnen eines durchschnittlichen Luftüberschussverhältnisses enthält, das aus den gemessenen Druckverhältnissen über mehrere Verbrennungszyklen erhalten wird, wobei das Vergleichsmittel das durchschnittliche Luftüberschussverhältnis mit dem gespeicherten optimalen Luftüberschussverhältnis für den erfassten spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen vergleicht, um das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen.

7. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Schätzmittel zum Schätzen eines gewünschten Luft/Kraftstoff- Verhältnisses basierend auf einem Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen enthält, wobei das Schätzmittel ein Steuersignal zu dem Steuermittel leitet, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass es gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die erste und zweite Zylinderdruckmessung vorgenommen werden.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Lernmittel zum Aufzeichnen der Differenz zwischen dem gemessenen Druckverhältnis und dem optimalen Druckverhältnis für die wenigstens eine der erfassten Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei das Lernmittel die Differenz und die erfassten Motorbetriebsbedingungen in einem Speicher speichert, und wobei das Lernmittel ein Steuersignal zu dem Steuermittel leitet, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass es gleich dem optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die erste und zweite Zylinderdruckmessung vorgenommen werden, wenn ein gleicher Satz von Motorbetriebsbedingungen wie zuvor aufgezeichnet erfasst wird.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Steuermodul (10) ein Luftüberschussverhältnis- Informationsspeichermittel enthält, das ein optimales Luftüberschussverhältnis für den Motor enthält, und Umwandlungsmittel zum Umwandeln des gemessenen Druckverhältnisses des gemessenen Zylinderdrucks in ein gemessenes Luftüberschussverhältnis, wobei das Vergleichsmittel das gemessene Luftüberschussverhältnis mit einem optimalen Luftüberschussverhältnis vergleicht, das in dem Luftüberschussverhältnis-Informationsspeichermittel gespeichert ist, und das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt, und wobei das Einstellmittel wenigstens eine von der Luftmenge und der Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben werden, durch das Steuermittel einstellt, um das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen, das dem optimalen Luftüberschussverhältnis entspricht.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftüberschussverhältnis-Informationsspeichermittel optimale Luftüberschussverhältnisse für verschiedene Motorbetriebsbedingungen enthält, wobei das Vergleichsmittel das gemessene Luftüberschussverhältnis mit einem optimalen Luftüberschussverhältnis, das in dem Luftüberschussverhältnis-Informationsspeichermittel gespeichert ist, für die erfassten Motorbetriebsbedingungen vergleicht, wenn es das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Durchschnittsbildungsmittel zum Berechnen eines durchschnittlichen gemessenen Luftüberschussverhältnisses enthält, das aus den gemessenen Druckverhältnissen über mehrere Verbrennungszyklen erhalten wird, wobei das Vergleichsmittel das durchschnittliche gemessene Luftüberschussverhältnis mit dem gespeicherten optimalen Luftüberschussverhältnis für die gegenwärtig erfassten spezifischen Motorbetriebsbedingungen vergleicht, um das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen.

12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Schätzmittel zum Bestimmen eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf den gegenwärtigen Motorverhältnissen umfasst, wobei das Schätzmittel ein Steuersignal an das Steuermittel leitet, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass es gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die Zylinderdruckmessungen vorgenommen werden.

13. System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Lernmittel zum Aufzeichnen der Differenz zwischen dem gemessenen Druckverhältnis und dem optimalen Druckverhältnis für den spezifischen Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei das Lernmittel die Differenz und den spezifischen Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen in einem Speicher speichert, und wobei das Lernmittel ein Steuersignal zu dem Steuermittel leitet, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass es gleich dem optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die erste und zweite Zylinderdruckmessung vorgenommen werden, wenn ein gleicher Satz von Motorbetriebsbedingungen wie zuvor aufgezeichnet erfasst wird.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt und der vorbestimmte Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt im Wesentlichen gleich sind und/oder dass der vorbestimmte Kurbelwinkel in dem Bereich von etwa 10 bis 30 Grad liegt.

15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Verschiebungsmittel umfasst zum Messen des Zylinderdrucks am unteren Totpunkt und des Drucks in einer Ansaugleitung und zum Bestimmen einer Verschiebung des Zylinderdrucksensors (4), basierend auf der Differenz zwischen dem Zylinderdruck und dem Ansaugleitungsdruck am unteren Totpunkt.

16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Kompensationsmittel zum Bestimmen der Verstärkung des Zylinderdrucksensors (4) umfasst, wobei vorzugsweise das Kompensationsmittel ein Verstärkungsverhältnis von Zylinderdrücken berechnet, die bei zwei Kurbelwinkeln vor dem oberen Totpunkt gemessen werden, und das Verstärkungsverhältnis mit einem Zielverhältnis vergleicht, um die Verstärkung des Zylinderdrucksensors (4) zu bestimmen, und/oder wobei vorzugsweise einer der beiden Kurbelwinkel 180º vor dem oberen Totpunkt ist, und/oder wobei vorzugsweise die beiden Kurbelwinkel 180 und 90 Grad vor dem oberen Totpunkt sind.

17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert und eingestellt wird, ohne jemals wenigstens von der Luftmenge und der Kraftstoffmenge zu messen, die tatsächlich an den Motor (15) abgegeben werden.

18. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Durchschnittsbildungsmittel zum Berechnen eines durchschnittlichen Druckverhältnisses des gemessenen Druckverhältnisses über mehrere Verbrennungszyklen enthält, wobei das Vergleichsmittel das durchschnittliche Druckverhältnis mit dem optimalen Zylinderdruckverhältnis für die gegenwärtig erfassten spezifischen Motorbetriebsbedingungen vergleicht, um das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen.

19. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter ein Filtermittel zum Filtern der gemessenen Zylinderdrücke über mehrere Verbrennungszyklen enthält und zum Bereitstellen gefilterter gemessener Zylinderdrucksignale, wobei die gefilterten gemessenen Zylinderdrucksignale zum Berechnen des gemessenen Druckverhältnisses verwendet werden.

20. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel weiter das gemessene Druckverhältnis mit einem vorbestimmten Schwellwert vergleicht um festzustellen, wann eine Zylinderfehlzündung eingetreten ist, wobei das Vergleichsmittel ein Steuersignal an das Steuermittel leitet, um wenigstens eine von der Luftmenge und der Kraftstoffmenge zu ändern, die an den Motor abgegeben werden, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu ändern, wenn eine Zylinderfehlzündung erfasst wird.

21. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmittel die Signale von dem Zylinderdrucksensor (4) und dem Betriebserfassungsmittel (8) empfängt, und das elektronische Steuermodul (10) weiter umfasst:

ein Zylinderdruckverhältnis-Informationsspeichermittel zum Speichern optimaler Zylinderdruckverhältnisse für verschiedene Motorbetriebsbedingungen, wobei das Vergleichsmittel das gemessene Druckverhältnis mit einem optimalen Zylinderdruckverhältnis, das in dem Zylinderdruckverhältnis-Informationsspeichermittel gespeichert ist, entsprechend einem spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen, die von dem Betriebserfassungsmittel (8) erfasst werden, vergleicht und das eingestellte Luft/Kraftstoff-Verhältnis bestimmt; und

ein Lernmittel zum Aufzeichnen der Differenz zwischen dem gemessenen Druckverhältnis und dem optimalen Druckverhältnis für den spezifischen Satz erfasster Motorbedingungen, wobei das Lernmittel die Differenz und den spezifischen Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen in einem Speicher speichert, und wobei das Lernmittel ein Steuersignal zu dem Steuermittel leitet, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis so einzustellen, dass es gleich dem optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die erste und zweite Zylinderdruckmessung vorgenommen werden, wenn ein gleicher Satz von Motorbetriebsbedingungen wie zuvor aufgezeichnet erfasst wird.

22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmittel die Signale von dem Zylinderdrucksensor (4) und dem Betriebserfassungsmittel (8) empfängt und dass das elektronische Steuermodul (10) weiter ein Zylinderdruckverhältnis-Informationsspeichermittel zum Speichern optimaler Zylinderdruckverhältnisse für verschiedene Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei das Vergleichsmittel das gemessene Druckverhältnis mit einem vorbestimmten Schwellwert vergleicht, entsprechend einem spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen, die von dem Betriebserfassungsmittel erfasst werden, um festzustellen, wann eine Zylinderfehlzündung eingetreten ist, wobei das Vergleichsmittel ein Steuersignal zu dem Steuermittel leitet, um dem tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis mehr Kraftstoff zuzuführen, wenn eine Zylinderfehlzündung erfasst wird.

23. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmittel die Signale von dem Zylinderdrucksensor (4) und dem Betriebserfassungsmittel (8) empfängt und dass das elektronische Steuermodul (10) weiter ein Aufzeichnungsmittel zum Aufzeichnen der Schwankung in dem gemessenen Druckverhältnis über einen Zeitraum umfasst, um festzustellen, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu mager ist, wobei das Einstellmittel das Steuermittel steuert, um wenigstens eine von der Luftmenge und der Kraftstoffmenge, die an den Motor abgegeben werden, zu steuern, wenn das Aufzeichnungsmittel feststellt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu mager ist.

24. System nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufzeichnungsmittel eine Standardabweichung des gemessenen Druckverhältnisses über einen Zeitraum berechnet und anzeigt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu mager ist, wenn die Standardabweichung eine vorbestimmte Grenze überschreitet.

25. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsmittel das gemessene Druckverhältnis mit einem optimalen Zylinderdruckverhältnis für den Motor vergleicht und eine eingestellte EGR-Rate bestimmt, und dass das Einstellmittel das Steuermittel steuert, um die EGR-Rate einzustellen, um dadurch die eingestellte EGR-Rate zu erreichen, die dem optimalen Zylinderdruckverhältnis entspricht.

26. System nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das System (16) weiter umfasst:

ein Vergleichsmittel zum Vergleichen des gemessenen Druckverhältnisses mit einem optimalen Zylinderdruckverhältnis, das in dem Zylinderdruckverhältnis- Informationsspeichermittel gespeichert ist, entsprechend einem spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen, die von dem Betriebserfassungsmittel (8) erfasst werden, und zum Bestimmen einer eingestellten EGR-Rate; und

Einstellmittel zum Steuern des Steuermittels, um die EGR-Rate, die an den Motor abgegeben wird, einzustellen, um dadurch die eingestellte EGR-Rate zu erreichen, die dem gespeicherten optimalen Druckverhältnis entspricht.

27. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Steuermodul (10) weiter ein EGR-Raten- Informationsspeichermittel umfasst, das eine optimale EGR-Rate für den Motor enthält, und Umwandlungsmittel zum Umwandeln des gemessenen Druckverhältnisses gemessener Zylinderdrücke in eine gemessene EGR-Rate, und wobei das Vergleichsmittel die gemessene EGR-Rate mit einer optimalen EGR-Rate vergleicht, die in dem EGR-Raten-Informationsspeichermittel gespeichert ist, und eine eingestellte EGR-Rate bestimmt, wobei das Einstellmittel die Abgasmenge, die durch das Steuermittel an den Motor abgegeben wird, einstellt, um die eingestellte EGR-Rate zu erreichen, die der optimalen EGR-Rate entspricht.

28. System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das EGR-Raten- Informationsspeichermittel optimale EGR-Raten für verschiedene Motorbetriebsbedingungen enthält, wobei jede der optimalen EGR-Raten in dem EGR- Raten-Informationsspeichermittel einem der gespeicherten optimalen Zylinderdruckverhältnisse für einen spezifischen Satz von Motorbetriebsbedingungen entspricht, und wobei das Vergleichsmittel die gemessene EGR-Rate mit einer optimalen EGR-Rate, die in dem EGR-Raten-Informationsspeichermittel gespeichert ist, für die erfassten Motorbetriebsbedingungen vergleicht, wenn die eingestellte EGR-Rate bestimmt wird.

29. Verfahren zum Steuern eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und/oder einer Abgasrückführungs-(EGR)-rate eines Innenverbrennungsmotors (15), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Messen eines Zylinderdrucks in einer Verbrennungskammer des Motors (15) mit einem Zylinderdrucksensor (4) bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt und bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt;

Berechnen eines gemessenen Zylinderdruckverhältnisses aus den gemessenen Zylinderdrücken;

Erzeugen eines Korrektursignals basierend auf dem gemessenen Zylinderdruckverhältnis;

Vergleichen des berechneten Zylinderdruckverhältnisses mit einem vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnis zum Erzeugen des Korrektursignals, wobei wenigstens eine von einer Luftmenge und einer Kraftstoffmenge, die an den Motor (15) abgegeben werden, als Funktion des Korrektursignals eingestellt wird, um ein optimales Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen;

Erfassen wenigstens einer Motorbetriebsbedingung und Bereitstellen von Ausgangssignalen, welche die erfassten Betriebsbedingungen anzeigen;

Erzeugen eines vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnisses entsprechend den erfassten Motorbetriebsbedingungen, wobei das berechnete Zylinderdruckverhältnis mit dem vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnis für die erfassten Betriebsbedingungen verglichen wird; und

Einstellen wenigstens einer von einer Luftmenge und einer Kraftstoffmenge, die an den Motor (15) abgegeben werden, als Funktion des Korrektursignals und/oder Einstellen einer Abgasmenge, die an den Motor (15) abgegeben wird, als Funktion des Korrektursignals.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Berechnen eines durchschnittlichen Druckverhältnisses des gemessenen Druckverhältnisses über mehrere Verbrennungszyklen; und

Vergleichen des durchschnittlichen Druckverhältnisses mit dem vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnis für einen Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen, um das Korrektursignal zu erzeugen.

31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Schätzen eines geschätzten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf gegenwärtigen Motorbetriebsbedingungen; und

Einstellen des optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses so dass es gleich dem geschätzten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die Zylinderdruckmessungen vorgenommen werden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Erzeugen eines gemessenen Luftüberschussverhältnisses, entsprechend dem gemessenen Zylinderdruckverhältnis;

Erzeugen eines vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnisses; und

Vergleichen des gemessenen Luftüberschussverhältnisses mit dem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis, um das Korrektursignal zu erzeugen.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Berechnen eines durchschnittlichen gemessenen Luftüberschussverhältnisses über mehrere Verbrennungszyklen; und

Vergleichen des durchschnittlichen gemessenen Luftüberschussverhältnisses mit dem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis für einen Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen zur Erzeugung des Korrektursignals.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Schätzen eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf den erfassten Motorbetriebsbedingungen; und

Einstellen des tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses derart, dass es gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die Zylinderdruckmessungen vorgenommen werden.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Umwandeln des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses in ein entsprechendes gemessenes Luftüberschussverhältnis; und

Vergleichen des gemessenen Luftüberschussverhältnisses mit einem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis zur Erzeugung des Korrektursignals.

36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter den Schritt des Erzeugens eines vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnisses entsprechend den erfassten Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei das gemessene Luftüberschussverhältnis mit dem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis für die erfassten Betriebsbedingungen verglichen wird, wenn ein Korrektursignal erzeugt wird.

37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Berechnen eines durchschnittlichen gemessenen Luftüberschussverhältnisses für das gemessene Luftüberschussverhältnis, das über mehrere Verbrennungszyklen gemessen wird; und

Vergleichen des durchschnittlichen gemessenen Luftüberschussverhältnisses mit dem vorbestimmten optimalen Luftüberschussverhältnis für die spezifischen Motorbetriebsbedingungen, die gegenwärtig erfasst werden, zur Erzeugung des Korrektursignals.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Schätzen eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf den gegenwärtigen Motorbetriebsbedingungen; und

Einstellen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses derart, dass es gleich dem gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die Zylinderdruckmessungen vorgenommen werden.

39. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt und der vorbestimmte Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt im Wesentlichen gleich sind, und/oder dass der vorbestimmte Kurbelwinkel in dem Bereich von etwa 10 bis 30 Grad liegt.

40. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter den Schritt des Filterns der gemessenen Zylinderdrücke über mehrere Verbrennungszyklen und des Bereitstellens gefilterter gemessener Zylinderdrucksignale umfasst, wobei die gefilterten gemessenen Zylinderdrucksignale zum Berechnen des gemessenen Druckverhältnisses verwendet werden.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gesteuert und eingestellt wird, ohne jemals wenigstens eine von einer Luftmenge und einer Kraftstoffmenge zu messen, die tatsächlich an den Motor abgegeben werden.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter umfasst:

die Schritte des Messens eines Zylinderdrucks am unteren Totpunkt und eines Drucks in der Ansaugleitung und des Bestimmens einer Verschiebung des Zylinderdrucksensors, basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Ansaugleitungsdruck und dem gemessenen Zylinderdruck am unteren Totpunkt und/oder

den Schritt des Berechnens eines Verstärkungsverhältnisses von Zylinderdrücken, die bei zwei Kurbelwinkeln vor dem oberen Totpunkt gemessen werden, und des Vergleichens des Verstärkungsverhältnisses mit einem Zieldruckverhältnis, um die Verstärkung des Zylinderdrucksensors zu bestimmen, wobei vorzugsweise einer der beiden Kurbelwinkel 180º vor dem oberen Totpunkt ist.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter umfasst:

die Schritte des Aufzeichnens der Differenz zwischen dem gemessenen Druckverhältnis und einem optimalen Druckverhältnis für einen spezifischen Satz erfasster Motorbetriebsbedingungen, des Speicherns der Differenz und des spezifischen Satzes erfasster Motorbetriebsbedingungen, und des Einstellens des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses derart, dass es gleich dem optimalen Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, bevor die erste und zweite Zylinderdruckmessung vorgenommen werden, wenn ein gleicher Satz von Motorbetriebsbedingungen wie zuvor aufgezeichnet erfasst wird, um die Differenz zwischen dem gemessenen Druckverhältnis und dem optimalen Druckverhältnis zu minimieren; und/oder

die Schritte des Vergleiches des gemessenen Druckverhältnisses mit einem vorbestimmten Schwellwert um festzustellen, wann eine Zylinderfehlzündung eingetreten ist, und des Bereitstellens eines Steuersignals an das Steuermittel, um wenigstens eine von der Luftmenge und der Kraftstoffmenge zu ändern, die an den Motor abgegeben werden, um das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu ändern, wenn eine Zylinderfehlzündung erfasst wird.

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst:

Vergleichen des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses mit einem vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnis und Erzeugen des Korrektursignals; und

Einstellen einer Abgasmenge, die an den Motor abgegeben wird, als Funktion des Korrektursignals, um eine optimale EGR-Rate zu erreichen.

45. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter den Schritt des Erzeugens eines vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnisses entsprechend den erfassten Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei das berechnete Zylinderdruckverhältnis mit dem vorbestimmten optimalen Zylinderdruckverhältnis für die erfassten Betriebsbedingungen verglichen wird.

46. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter die folgenden Schritte umfasst:

Umwandeln des gemessenen Zylinderdruckverhältnisses in eine entsprechende gemessene EGR-Rate; und

Vergleichen der gemessenen EGR-Rate mit einer vorbestimmten optimalen EGR-Rate und Erzeugen des Korrektursignals.

47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter den Schritt des Erzeugens einer vorbestimmten optimalen EGR-Rate entsprechend den erfassten Motorbetriebsbedingungen umfasst, wobei die gemessene EGR-Rate mit der vorbestimmten optimalen EGR-Rate für die erfassten Betriebsbedingungen verglichen wird, wenn ein Korrektursignal erzeugt wird.