DE4110928A1

DE4110928A1 - Steuergeraet fuer einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE4110928A1
Application number: DE4110928A
Authority: DE
Inventors: Satoru Ohkubo; Setsuhiro Shimomura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1991-10-17
Also published as: JPH03290043A; US5116356A; DE4110928C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor zur Steuerung des Luft-Brennstoffverhältnisses und der Zündverstellung einer an den Verbrennungsmotor zu liefernden Luft-Brennstoffmischung.

Fig. 17 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels eines Steuergerätes für einen konventionellen Verbrennungsmotor. Gemäß Fig. 17 wird Brennstoff aus dem Brennstofftank 1 abgesaugt und durch die Brennstoffpumpe 2 unter Druck gesetzt, wobei der Pumprhythmus durch den Brennstoffdämpfer stabilisiert wird. Die Partikel und die Feuchtigkeit im Brennstoff werden durch das Brennstoffilter 4 beseitigt. Der Druck des Brennstoffes wird durch den Druckregler 5 konstant gehalten. Schließlich wird der Brennstoff an das Brennstoffeinspritzventil 6 geliefert.

Wie erwähnt, hält der Druckregler 5 den Druck des Brennstoffes konstant. Beispielsweise beträgt der Brennstoffdruck 2.5 kg/cm², wobei es sich um die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffdruck und dem Ansaugdruck der Luft handelt. Das Bauteil 7 ist ein Kaltstartventil, das Brennstoff einspritzt und das Starten des Motors bei kaltem Wetter verbessert.

Die Luftmenge, die durch den Luftreiniger 8 geleitet wird, wird vom Luftdurchflußmesser 9 gemessen und durch das Drosselventil 10 geregelt. Die Luft strömt durch die Ansaugladeleitung 11, wird durch das Brennstoffeinspritzventil 6 mit Brennstoff vermischt und jedem Zylinder 12 zugeführt.

Die Mischung wird im Zylinder 12 komprimiert und durch die Zündkerze 13 im richtigen Zeitpunkt gezündet.

Das Abgas wird nach Durchtritt durch das Abgasrohr 14 und eine nicht dargestellte Gasreinigungseinrichtung in die Luft ausgestoßen. Das Bauteil 40 ist ein Abgassensor, der die Konzentration des Abgases, beispielsweise die Sauerstoffkonzentration, erfaßt.

Das Bauteil 15 ist ein Wassertemperatursensor, der die Temperatur des Kühlwassers des Motors erfaßt. Bauteil 16 ist ein Kurbelwinkelsensor des Motors, der in einen Verteiler eingebaut ist. Bauteil 17 ist eine Zündeinrichtung. Bauteil 18 ist eine Steuereinrichtung, die das Luft-Brennstoffverhältnis der an den Motor zu liefernden Mischung steuert.

Der Kurbelwinkelsensor 16 erzeugt einen Bezugspositionsimpuls bei jeder Bezugsposition des Kurbelwinkels (beispielsweise alle 180° bei einem Vierzylindermotor und alle 120° bei einem Sechszylindermotor) und er erzeugt einen Einheitswinkelimpuls bei jedem Einheitswinkel (beispielsweise alle 2°). Der Kurbelwinkel kann in der Steuereinheit 18 durch Zählen der Anzahl der nach der Erzeugung des Bezugspositionsimpulses auftretenden Einheitsimpulse angezeigt werden.

Die Steuereinrichtung 18 ist ein Mikrocomputer, der beispielsweise aus einer Zentraleinheit CPU, einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAM, einem Nur-Lese-Speicher ROM, einer E/A-Schnittstelle, und so weiter, besteht. Die Steuereinrichtung 18 empfängt: vom vorerwähnten Luftdurchflußmesser 9 eine Ansaugluftmengensignal S1, vom Kurbelwinkelsensor ein Kurbelwinkelsignal S3; vom Abgassensor 40 ein Abgassignal S10; ein Batteriespannungssignal; und ein Signal, das anzeigt, daß das Drosselventil ganz geschlossen ist. In Fig. 1 sind nicht alle Signale angegeben. Die Steuervorrichtung führt eine Berechnung entsprechend diesen Signalen durch und berechnet die an den Motor zur Brennstoffeinspritzung zu liefernde Menge bzw. die Dauer der Ventilöffnung des Brennstoffeinspritzventils 6, und sie liefert ein Brennstoffeinspritzsignal S5.

Durch dieses Einspritzsignal S5 wird das Brennstoffeinspritzventil 6 bei jeder Umdrehung des Motors einmal betätigt, wodurch eine vorbestimmte Brennstoffmenge in den Motor eingeführt wird.

Die Berechnung des Brennstoffverbrauches bzw. der Brennstoffeinspritzdauer T_i wird in der erwähnten Steuereinrichtung 18 beispielsweise entsprechend der nachfolgenden Gleichung berechnet. Die Gleichung ist im Technology Guide Book der Firma Nissan für ECCSL-Motoren von 1979 beschrieben. Die Gleichung lautet:

T_i=T_p×(1+F_t+KMR/100)×β+T_s (1)

In Gleichung (1) bezeichnet T die Basiseinspritzmenge bzw. die Basisventilöffnungsdauer. Sie wird mit Hilfe der nachfolgenden Gleichung berechnet, in welcher Q die Luftansaugmenge pro Umdrehung, n die Anzahl der Umdrehungen des Motors pro Minute, und K eine Konstante bedeuten. Die Gleichung lautet:

T_p=K · Q/N.

In Gleichung (1) stellt F_t einen Korrekturkoeffizienten dar, der der Temperatur des Kühlwassers des Motors entspricht. Bei abnehmender Temperatur des Kühlwassers erhöht sich der Wert dieses Koeffizienten, wie Fig. 16 zeigt.

Die oben genannte Ansaugluftmenge Q wird aus dem Signal S1 des Luftdurchflußmessers 9; N wird aus dem Signal S3 des Kurbelwinkelsensors 16; und der Korrekturkoeffizient F_t wird aus dem Wassertemperatursignal S2 des Wassertemperatursensors 15 gewonnen.

Die Größe KMR ist ein Korrekturkoeffizient für Schwerlastbetrieb. Gemäß Fig. 15 wird der entsprechende Wert in einer Datentabelle entsprechend der Basiseinspritzmenge T_p und zur Umdrehungszahl N des Motors pro Minute gespeichert und aus der Tabelle gelesen.

Die Größe T_s ist ein Korrekturkoeffizient für die Batteriespannung, um die Veränderung der Batteriespannung zu korrigieren, die das Brennstoffeinspritzventil 6 betätigt. Der Koeffizient wird beispielsweise durch die nachfolgende Gleichung ermittelt, in der V_B die Batteriespannung und a sowie b Konstanten darstellen. Die Gleichung lautet:

T_s=a+b (14 -V_B).

Gemäß Fig. 14 steigt dieser Wert mit abnehmender Batteriespannung an.

Die Größe β ist ein Korrekturkoeffizient, der dem Abgassignal S10 des Abgassensors 40 entspricht. Unter Verwendung dieses Koeffizienten β kann das Luft-Brennstoffverhältnis der Mischung durch eine Rückführungsteuerung auf einen vorbestimmten Wert geregelt werden, beispielsweise auf einen Wert in der Nähe des theoretischen Luft-Brennstoffverhältnisses 14,8.

Allerdings wird das Luft-Brennstoffverhältnis stets konstant gehalten, wenn die Rückführungsteuerung durch das Abgassignal S10 erfolgt, wodurch die erwähnten Korrekturen durch die Kühlwassertemperatur oder beim Schwerlastbetrieb bedeutungslos werden.

Daher wird die Rückführungsteuerung durch das Abgassignal S10 nur durchgeführt, wenn der Korrekturkoeffizient F_t der Wassertemperatur bzw. der Korrekturkoeffizient KMR für die Schwerlastdauer Null ist.

Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 59 061/1982 offenbart eine Steuereinrichtung für die Zündverstellung eines Verbrennungsmotors. Bei der Steuereinrichtung handelt es sich um ein elektronisches Zündverstellungssteuersystem. Gemäß den Fig. 12 und 13 wird der Wert des optimalen Zündvoreilwinkels in Relation zur Umdrehungszahl N des Motors pro Minute und der Basiseinspritzmenge T_t in einer Datentabelle gespeichert. Die Steuereinrichtung liest den Wert, welcher der aktuellen Umdrehungsgeschwindigkeit und der Basiseinspritzmenge entspricht, aus der Tabelle aus, wonach das Zündsignal S6 an die Zündeinrichtung 17 geliefert und die Zündkerze 13 aktiviert wird, so daß die Zündverstellung auf den oben genannten Wert eingestellt wird.

Bei der konventionellen Steuereinrichtung des Verbrennungsmotors wird jedoch die Rückführungssteuerung entsprechend dem vom Abgassensor 40 gelieferten Abgassignal S10 durchgeführt, während die Korrektur für die Schwerlastdauer aus der Basiseinspritzmenge und der Umdrehungsgeschwindigkeit bestimmt wird, das heißt, durch die Ansaugluftmenge und die Umdrehungsgeschwindigkeit, also im Wege einer rückführungslosen Steuerung.

Daher wird der Steuerwert vom LBT-Punkt durch die Schwankungen und die zeitweilige Verstellung des Luftdurchflußmessers 9 oder des Brennstoffeinspritzventils 6 abgeleitet, wodurch das Drehmoment dea Motors verringert und die Stabilität des Motors verschlechtert wird, wie aus Fig. 9 hervorgeht. Die Kennzeichnung LBT ist die Abkürzung für Leanest Mixture for Best Torque (magerste Mischung für das beste Drehmoment), wobei es sich um ein Luft-Brennstoffverhältnis handelt, bei dem der Wert des erzeugten Drehmomentes maximal ist. Dieser Wert unterscheidet sich von demjenigen Luft-Brennstoffverhältnis, das durch das oben erwähnte Abgassensorsignal rückgeführt wird.

Weiter ist die Zündverstellungssteuerung des konventionellen Steuersystems ein rückführungsloses System, bei dem die Zündverstellung bei der Durchführung der Steuerung aus der zuvor gespeicherten Datentabelle ausgelesen wird. Daher kann bei diesem System die Zündverstellung aus MBT-Angaben entnommen werden, wobei sie anfänglich adaptiert, aber später durch die Schwankungen und die zeitweise Veränderung des Motors selbst abgeändert wird, was zu einer Verringerung des Drehmomentes des Motors oder zum Klopfen führt, wie Fig. 10 zeigt. Die Kennzeichnung MBT ist die Abkürzung für Minimum Spark Advance for Best Torque (kleinste Zündfunkenvoreilung für bestes Drehmoment).

Weiter werden die vorgenannte Brennstoffsteuerung und die Zündverstellungssteuerung getrennt voneinander ausgeführt, wobei keine Gesamtsteuerung erfolgt, bei der die beiden genannten Steuersysteme miteinander in Wechselwirkung stehen.

Gemäß Fig. 11, bei der es sich um das Diagramm des Luft-Brennstoffverhätnisses zur Zündverstellung handelt, bewirkt die in Fig. 11 als markierter Punkt wiedergegebene LMBT-Einstellung in bezug auf die Beziehung zwischen der Luft-Brennstoffverhältnissteuerung und der Zündverstellungssteuerung als einer Bedingung, bei der das erzeugte Drehmoment des Motors maximal ist, sowohl die LBT-Einstellung, als auch die MBT-Einstellung. Hingegen stehen bei der erwähnten konventionellen Lösung die Brennstoffsteuerung und die Zündverstellungssteuerung nicht in Wechselbeziehung.

Dementsprechend wird bei Anwendung der konventionellen Technik keine optimale Steuerung durchgeführt.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Steuergerät für einen Brennstoffmotor zu schaffen, das in der Lage ist, den Motor unter den Bedingungen der optimalen Zündverstellung MBT und des optimalen Luft-Brennstoffverhältnisses LBT zu betreiben, so daß ein hoher Wirkungsgrad und eine stabile Ausgangsleistung des Motors trotz der Schwankungen und der zeitweiligen Veränderungen des Motors sowie der Umgebungsbedingungen erreicht wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Steuergerät für einen Verbrennungsmotor, das folgende Komponenten aufweist:.

- ein Druckerfassungsmittel zur Erfassung des Innendruckes des Zylinders;
- ein Kurbelwinkelerfassungsmittel zur Erfassung des Kurbelwinkels;
- eine Steuereinrichtung mit folgenden Einrichtungen: Mittel zum Empfangen der Ausgangssignale des Druckerfassungsmittels und des Kurbelwinkelerfassungsmittels zwecks Bestimmung der Daten des Zylinderinnendruckes; Mittel zum Bestimmen eines des Gesamtwertes oder eines Mittelwertes der Daten des Zylinderinnendruckes, unter Verwendung einer vorbestimmten Anzahl von Daten des Zylinderinnendruckes; Mittel zur Bestimmung mindestens eines Wertes der an den Motor zu liefernden Brennstoffmenge sowie der Zündverstellung des Motors auf der Basis des genannten Gesamtwertes oder des Mittelwertes; und Mittel zur Erneuerung des Gesamtwertes oder des Mittelwertes während der Dauer, in der sich der Motor im Beharrungszustand befindet, wenn die vorbestimmte Anzahl von Daten des Zylinderinnendruckes durch die Steuereinrichtung empfangen werden, und wobei der Gesamtwert oder der Mittelwert in einem Speicher gespeichert werden; Mittel zum Beenden der Ermittlung des Gesamtwertes oder des Mittelwertes der Daten, wenn sich der Motor nicht im Beharrungszustand befindet; und Mittel zum Wiedereinleiten der Bestimmung des Gesamtwertes oder des Mittelwertes der Daten, wenn der Motor in den Beharrungszustand zurückkehrt;
- Mittel zum Liefern von Brennstoff an den Motor nach Maßgabe der durch die Steuereinrichtung bestimmten Brennstoffmenge; und
- Zündmittel zum Zünden des Motors bei der durch die Steuereinrichtung bestimmten Zündzeitpunktsverstellung.

Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der dieser Beschreibung beigefügten Figuren beschrieben.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Steuereinrichtung für einen Verbrennungsmotor;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus der Steuereinrichtung der erwähnten Ausführungsform;

Fig. 3 ist ein funktionales Blockschaltbild zu Fig. 2;

Fig. 4 stellt ein Flußdiagramm dar, das die Berechnungsprozedur der Steuereinrichtung veranschaulicht;

Fig. 5 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderinnendruck mit der Zündverstellung als Parameter, zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 6 stellt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderinnendruck zur Erläuterung der Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 dar;

Fig. 7A ist eine Draufsicht auf den Drucksensor der Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X der Fig. 7A;

Fig. 8 ist eine teilweise geschnittene Ansicht zur Veranschaulichung der Montage des Drucksensors im Zylinderkopf;

Fig. 9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoffverhältnis und dem Drehmoment;

Fig. 10 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Zündverstellung und dem Drehmoment;

Fig. 11 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Luft-Brennstoffverhältnis und der Zündverstellung;

Fig. 12 ist ein Diagramm zum Zündvoreilwinkel;

Fig. 13 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Umdrehungszahl des Motors pro Minute und der Basiseinspritzmenge;

Fig. 14 ist ein Diagramm zum Batteriespannungskorrekturkoeffizienten, das die Beziehung zwischen der Betätigungsspannung und dem Batteriespannungskorrekturwert darstellt;

Fig. 15 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Umdrehungszahl des Motors pro Minute während der Schwerlastdauer und der Basiseinspritzmenge;

Fig. 16 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Wassertemperatur und einer Korrekturgröße zur Erhöhung der Wassertemperatur; und

Fig. 17 ist ein schematisches Diagramm der Steuereinrichtung eines konventionellen Verbrennungsmotors.

Nunmehr soll anhand der nachfolgenden Figuren die Ausführungsform der Steuereinrichtung dieser Erfindung für einen Verbrennungsmotor erläutert werden. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Struktur dieser Ausführungsform. In Fig. 1 sind entsprechend der Fig. 17 gleichen Teilen die gleichen Bezugszeichen zugeteilt, so daß für diese Teile keine Erläuterung mehr gegeben wird, wohl aber zu den übrigen Teilen.

Was nun gemäß Fig. 1 diese Teile im Vergleich zu Fig. 17 anbetrifft, wurde ein Drucksensor 19 hinzugefügt, während sich die Steuereinrichtung 21 von der Steuereinrichtung 18 der Fig. 17 unterscheidet. Die Steuereinrichtung 21 ist nämlich in der in Fig. 2 dargestellten Weise aufgebaut.

Gemäß Fig. 1 werden in einen Multiplexer 24 in der Steuereinrichtung 21 folgende Signale eingegeben: ein vom Luftdurchflußmesser 9 geliefertes Ansaugluftmengensignal S1; ein vom Wassertemperatursensor 15 geliefertes Wassertemperatursignal S2; ein vom Drucksensor 19 geliefertes Zylinderinnendrucksignal S4; und ein von der Batterie 23 geliefertes, in Fig. 1 nicht ausgeführtes, Signal V_B.

Ein vom Kurbelwinkelsensor 16 geliefertes Kurbelwinkelsignal S3 wird sowohl an die Einrastschaltung 35, als auch an die Eingabeschaltung 27 geliefert.

Der Eingang des Multiplexers 24 wird durch die Ausgabe der Einrastschaltung 25 an jedes empfangene Signal geschaltet.

Jedes Signal wird getrennt an den A/D-Umsetzer 26 übermittelt. Jedes vom A/D-Umsetzer 26 in ein Digitalsignal umgewandelte Signal wird, ebenso wie das vom Kurbelwinkelsensor 16 gelieferte Kurbelwinkelsignal S3, an die die Eingabeschaltung 27 angelegt. Das von der Eingabeschaltung 27 gelieferte Ausgangssignal wird an die Zentraleinheit 28 angelegt. Die Zentraleinheit 28 führt die im Flußdiagramm der Fig. 4 dargestellte Rechenoperation aus, die später beschrieben wird.

Ein als Ergebnis der Berechnung erzeugtes Einspritzsignal S5, das dem vorerwähnten Luft-Brennstoffverhältnissteuersignal entspricht, wird nach seiner Leistungsverstärkung durch die Ausgabeschaltung 30 an das Brennstoffeinspritzventil 6 geliefert.

Ebenso wird ein Zündverstellungssteuersignal S6, das durch die Zentraleinheit 28 berechnet und durch die Ausgabeschaltung 30 umgewandelt wurde, an die Zündeinrichtung 17 geliefert.

Der Schaltungsteil 29 ist ein Speicher. Der Speicher 29 besteht aus einem RAM, der das Berechnungsergebnis der Zentraleinheit 28 vorübergehend speichert, sowie aus einem ROM, der zu Beginn die Rechenprozedur und verschiedene sonstige Daten wie etwa die Datentabelle des erwähnten Korrektureffizienten KMR, etc., speichert.

Fig. 3 stellt ein funktionales Blockdiagramm dar, in welchem die Grundkomponenten der Fig. 2 summarisch zusammengestellt sind. Die Komponente "a" ist ein Mittel zur Erfassung des Zylinderinnendruckes, das beispielsweise dem später zu behandelnden Drucksensor 19 entspricht. Die Komponente "b" ist ein Mittel zur Erfassung des Kurbelwinkels, das beispielsweise dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Kurbelwinkelsensor 16 entspricht.

Die Komponente "c" ist eine Mittel zur Erfassung der Belastung eines Motors, das beispielsweise dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Luftdurchflußsensor 9 oder einem nicht dargestellten Drosselventilöffnungssensor entspricht, der das Öffnen des Drosselventils 10 erfaßt.

Weiter ist die Komponente "d" ein Rechenmittel, das beispielsweise aus einem Mikrocomputer besteht. Dieses Rechenmittel berechnet die Größe P, die für einen einzelnen Zündtakt den Zylinderinnendruck aus den Signalen der Erfassungsmittel a, b und c berechnet, und die weiter die Größe T berechnet, die der Belastung des Motors entspricht. Das Rechenmittel berechnet das Verhältnis P/T und liefert ein Luft-Brennstoffverhältnissteuersignal, daß das Luft-Brennstoffverhältnis so regelt, daß das Verhältnis P/T ein Maximum wird.

Was die vorerwähnte Belastung T betrifft, kann der Basiseinspritzwert T verwendet werden. Der Druckwert P ist der Zylinderinnendruck P_mbt bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel, beispielsweise einem Winkel von 15° nach dem oberen Totpunkt (ATDC), beziehungsweise der Maximalwert des Zylinderinnendruckes P_m oder der mittlere Effektivdruck P_t.

Das oben erwähnte Rechenmittel d erfaßt den Kurbelwinkel, bei dem der Zylinderinnendruck in einem Zündtakt maximiert ist, aus den Signalen der Erfassungsmittel a und b. Das Rechenmittel d liefert ein Zündverstellungssteuersignal, das die Zündverstellung derart steuert, daß der Kurbelwinkel auf einen vorbestimmten Winkel eingestellt wird, beispielsweise auf einen Winkel von 15° nach dem oberen Totpunkt des Kompressionstaktes.

Weiter ist die Komponente "e" ein Regelmittel für die Luft-Brennstoffmischung. Das Mittel regelt die an den Motor zu liefernde Mischung entsprechend dem durch das erwähnte Rechenmittel d gelieferten Luft-Brennstoffverhältnissteuersignal. Das Mischungsregelmittel e kann sich beispielsweise des Brennstoffeinspritzventils 6 gemäß Fig. 1, oder eines Vergasers bedienen, der das Luft-Brennstoffverhältnis durch eine elektrisches Signal steuert, wie es in der Veröffentlichung Nr. 13 236/1976 des ungeprüften japanischen Patents dargestellt ist.

Die Komponente "f" der Fig. 3 ist ein Zündmittel, das eine Zündung gemäß dem von dem erwähnten Rechenmittel d gelieferten Zündverstellungssteuersignal bewirkt.

Als Zündeinrichtung f kann eine volltransistorisiserte Zündeinrichtung sein, die aus dem Schaltkreis eines Leistungstransistors und einer Zündspule sowie der Zündkerze 13 besteht.

Der oben erwähnte Effektivdruck P₁ wird gemäß folgender Gleichung erhalten:

P_l=Σ (P_n+ΔV)/V,

darin bedeutet: P_n - den Zylinderinnendruck bei jedem Kurbelwinkel; V - das Hubvolumen; und ΔV - die Änderung des Hubvolumens bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel, beispielsweise bei 2°.

Da V konstant ist, kann die obige Gleichung durch folgende Gleichung angenähert werden:

P_l=P_l+ΔV · P_n.

Der Drucksensor 19 ist gemäß Fig. 1 am Zylinder 12 montiert. Die Konstruktion des Drucksensors 19 geht aus folgenden Figuren hervor: Fig. 7A, die eine Draufsicht darstellt; Fig. 7B, die eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X der Fig. 7 darstellt; und Fig. 8, die eine teilweise geschnittene Ansicht der Befestigung des Drucksensors im Zylinderkopf darstellt.

Wie aus den Fig. 7A und 7B hervorgeht, besteht der Drucksensor 19 aus dem ringförmigen piezoelektrischen Element 19A, der Minuselektrode 19B und der Pluselektrode 19C.

Der Drucksensor ist, wie Fig. 8 zeigt, im Zylinderkopf 22 des Zylinders 12 durch Festklemmen des Drucksensors 19 an der Zündkerze 13 befestigt, wobei der Drucksensor die Funktion einer Unterlegscheibe besitzt.

Der Drucksensor 19 erzeugt ein Ausgangssignal, das gemäß den Fig. 5 und 6 dem Zylinderdruck proportional ist.

Die Betriebsweise des Steuergerätes gemäß der vorliegenden Erfindung sei nun unter Bezugnahme auf das in Fig. 4 dargestellte Flußdiagramm erläutert. Das Flußdiagramm der Fig. 4 veranschaulicht die Berechnungsprozedur, die in der oben erwähnten Steuereinrichtung 21 abläuft.

In Schritt P1 wird die Umdrehungszahl N des Motors Pro Minute aus dem Kurbelwinkelsignal S3 des Kurbelwinkelsensors 16 eingelesen, während die Ansaugluftmenge Q vom Ansaugluftmengensignal S1 des Luftdurchflußmessers 9 eingelesen wird.

In Schritt P2a wird die Basiseinspritzmenge T = K · Q/N aus der eingelesenen Umdrehungszahl N des Motors pro Minute und der angesaugten Luftmenge Q berechnet, mit K als Konstante.

In Schritt P2b wird durch Vergleichen des aktuellen Wertes T_p mit einem vorherigen Basiseinspritzwert eine Entscheidung darüber getroffen, ob der Betriebszustand ein Übergangszustand ist oder nicht.

Handelt es sich bei dem Zustand um einen Beharrungszustand, wird aus der in Fig. 13 dargestellten Datentabelle der Zündvoreinstellwinkelwert ADV entsprechend der Umdrehungszahl N pro Minute und der Basiseinspritzmenge T_p entnommen.

Ist der Betriebszustand ein Übergangszustand, beginnt die Operation bei der nächsten Unterbrechung erneut mit Schritt P1.

In Schritt P4 wird der Kurbelwinkel vom Kurbelwinkelsignal S3 eingelesen, das durch den Kurbelwinkelsensor 16 erzeugt wird. In Schritt P5 wird die Änderung des Hubvolumens ΔV aus der Änderung des Kurbelwinkels eines bestimmten Winkelwertes, beispielsweise 2°, aus einer Datentabelle entnommen.

In Schritt P6 wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob der aktuelle Kurbelwinkel im oberen Totpunkt, im folgenden mit TDC bezeichnet, des Ansaugtaktes steht oder nicht.

In diesem Schritt P6 wird im Falle der Entscheidung NEIN der Schritt P7 ausgelöst, und der aktuelle Zylinderinnendruck P_n wird vom Zylinderdrucksignal S4 des Drucksensors 19 gemessen und gespeichert.

Falls in Schritt P6 die Entscheidung JA lautet, wird Schritt P8 ausgelöst und der mittlere Effektivdruck P_i auf Null rückgesetzt.

In Schritt P9 wird der mittlere Effektivdruck P_i berechnet. Der mittlere Effektivdruck P_i drückt den Wert aus, welcher der durch das Verbrennungsgas am Kolben geleisteten Arbeit, dividiert durch das Hubvolumen entspricht und kann ungefähr durch folgende Gleichung erhalten werden:

P_i=P_i+ΔV · P_n;

darin stellt ΔV die Veränderung des Hubvolumens durch die Veränderung jedes Kurbelwinkels, beispielsweise 2°, dar. Daher wird der Zylinderinnendruck P_n bei der aktuellen Berechnung mit der Veränderung des Hubvolumens ΔV multipliziert, und das erhaltene Produkt wird dem mittleren Effektivdruck P_i hinzuaddiert, der zuvor berechnet wird, beispielsweise bei 2° vor dem Kurbelwinkel. Damit wird der aktuelle mittlere Effektivdruck P_i erhalten.

In Schritt P10 wird eine Entscheidung darüber gefällt, ob der in Schritt P4 eingelesene Kurbelwinkel den Punkt kurz vor dem oberen Totpunkt des Ansaugtaktes erreicht, oder ob der Kurbelwinkel 10° vor dem oberen Totpunkt (BTDC) überschreitet.

Der BTDC-Winkel von 10° ist ein Kurbelwinkel, von dem angenommen wird, daß er den Endpunkt der vier Takte des Motors bildet. Beispielsweise kann der BTDC-Winkel 6° betragen.

Lautet in Schritt P10 die Entscheidung NEIN, geht das Programm nach Schritt P4 zurück und die bisherige Prozedur wird wiederholt.

Falls in Schritt P10 die Entscheidung NEIN lautet, sind die vier Takte des Motors beendet und Schritt P11 wird eingeleitet. In Schritt P11 wird das Verhältnis des mittleren Effektivdruckes P_i zur Basisbrennstoffeinspritzmenge T_p, die in Schritt P2 erhalten wurde, also das Verhältnis (P_i/T_p)_n, berechnet, und der berechnete Wert wird durch Steuerung der Zentraleinheit 28 im Speicher 29 abgespeichert.

Der Index n in (P_i/T_p)_n kennzeichnet den bei der aktuellen Berechnung des Zündzyklus′ ermittelten Wert. In Schritt P12 wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob der Wert (P_i/T_p)_n zu wiederholten Malen wie vorbestimmt berechnet wurde oder nicht.

Im vorliegenden Beispiel ist die Anzahl der Wiederholungen auf acht eingestellt, so daß in Schritt P13 der mittlere Wert von acht (P_i/T_p)_n berechnet wird. Falls die Anzahl der Berechnungen nicht acht erreicht, geht das Programm nach Schritt P4 über und es wird mit dem Lesen des Kurbelwinkels fortgefahren.

Falls die Anzahl der Berechnungen acht erreicht, und falls in Schritt P2b ein Übergangszustand erfaßt wurde, wird der zu jenem Zeitpunkt berechnete Mittelwert gespeichert. Die Berechnung des Mittelwertes wird erneut eingeleitet, wenn der Kurbelwinkel an denselben Punkt zurückkommt, der der früheren Berechnung zugrundelag.

In Schritt P14 wird eine Entscheidung darüber gefällt, ob für die Zündverstellung eine optimale Korrektursteuerung durchgeführt wurde, und ob die optimale Zündverstellung, im folgenden als MBT bezeichnet (vgl. Fig. 10), gesetzt wurde.

Falls die Entscheidung NEIN lautet, erreicht die Zündverstellung nicht den Wert MBT. In Schritt P15 wird ein Vergleich zwischen dem früher berechneten Mittelwert (P_i/T_p)_m-1 und dem aktuellen Mittelwert P_i/T_p)_m angestellt. Wenn sich die beiden Werte im Vergleich als gleich erweisen, wird in Schritt P16 der Wert des früheren Korrekturkoeffizienten α in eine Datentabelle eingeschrieben und die Zündverstellung bestimmt. Falls der Mittelwert (P_i/T_p)_m der aktuellen Berechnung größer als der frühere Wert ist, geht die Korrektur der Zündverstellung in die richtige Richtung und das Programm zweigt nach Schritt P18 ab, in welchem eine Entscheidung darüber gefällt wird, ob die Voreilwinkelmarke auf 1 steht oder nicht. Die Voreilwinkelmarke ist 1, wenn die Zündverstellung in eine Richtung korrigiert ist, in der der Winkel vorgerückt wird; während sie 0 ist, wenn die Zündverstellung in eine Richtung korrigiert wird, in der der Winkel verzögert wird.

Lautet in Schritt P18 die Entscheidung JA, das heißt, wenn die Voreilwinkelmarke 1 ist, geht das Programm nach Schritt P19 über und der Zündverstellungskorrektureffizient wird gemäß der folgenden Gleichung korrigiert:

α=α+Δα.

Dementsprechend wird die Zündverstellung in eine Richtung verändert, in der der Winkel vorgerückt wird. Fig. 5 stellt ein Merkmalsdiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderinnendruck dar, mit der Zündverstellung als Parameter. Mit anderen Worten wird in Fig. 5 die Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderinnendruck für den Fall angegeben, daß die Zündverstellung geändert wird.

Steht die Voreilmarke in Schritt P18 nicht auf 1, geht das Programm nach Schritt P20 über und der Zündverstellungskorrektureffizient α wird gemäß der folgenden Formel korrigiert:

α=α-Δα.

Demgemäß wird die Zündverstellung so gesteuert, daß der Winkel verzögert wird, das heißt, daß gemäß Fig. 5 die Tendenz umgekehrt wird.

Durch die Prozeduren der Schritte P19 und P20 nähert sich die Zündverstellung dem Wert MBT.

Wenn andererseits in Schritt P15 der aktuelle Mittelwert (P_i/T_p)_m kleiner als der frühere Mittelwert (P_i/T_p)_m-1 ist, geht das Programm nach Schritt P21 über und eine Entscheidung wird darüber gefällt, ob die Voreilwinkelmarke 1 ist oder nicht.

Lautet in Schritt P21 die Entscheidung JA, das heißt, wenn die Voreilwinkelmarke 1 ist, geht das Programm nach Schritt P22 über. In Schritt P22 wird die Voreilwinkelmarke auf 0 gestellt und das Programm geht nach Schritt P20. In Schritt P20 wird der Zündverstellkorrekturkoeffizient gemäß folgender Gleichung korrigiert:

α=α-Δα.

Dementsprechend muß wenn die Zündverstellung vorrückt und der Mittelwert P_i/T_p abnimmt, wie Fig. 5 zeigt, um die Zündverstellung auf MBT zu bringen, die Zündverstellung verzögert werden. Deshalb wird in Schritt P22 die Voreilwinkelmarke auf 0 gesetzt und der Zündverstellkorrekturkoeffizient α wird in Schritt P20 um einen gewissen Betrag Δα verkleinert.

Wenn in Schritt P21 die Entscheidung NEIN lautet, das heißt wenn die Voreilwinkelmarke nicht auf 1 steht, geht das Programm nach Schritt P23 über. In Schritt P23 wird die Voreilwinkelmarke auf 1 gesetzt und das Verfahren geht nach Schritt P19. In Schritt P19 wird der Zündverstellkorrekturkoeffizient α entsprechend der folgenden Gleichung korrigiert:

α=α+Δα.

Mit anderen Worten soll, wenn die Zündzeitpunktverstellung verzögert und der Mittelwert P_i/T_p verkleinert wird, wie Fig. 5 zeigt, um die Zündzeitverstellung auf MBT zu bringen, die Zündverstellung vorgerückt werden. Die Voreilwinkelmarke wird in Schritt P23 auf 1 gesetzt und in Schritt P19 wird der Zündverstellkorrektureffizient α so gesteuert, daß er um einen bestimmten Betrag wächst.

Der Anfangswert des Zündverstellkorrektureffizienten wird auf 0 gesetzt, wenn der Motor gestartet wird.

Die obige Berechnung der Zündverstellung wird in Schritt P15 solange durchgeführt, bis zwischen dem früheren Mittelwert (P_i/T_p)_m-1 und dem aktuellen Mittelwert (P_i/T_p)_m keine Differenz mehr besteht.

Bei diesem Vergleich wird in Schritt P15 ein bestimmter Totzonenbetrag gesetzt, wobei die Differenz im Bereich der Totzone als Null betrachtet wird.

Mit anderen Worten geht das Programm nach Schritt P24 über, wenn im obigen Schritt P14 die Entscheidung getroffen wurde, daß der Zündverstellkorrektureffizient α bestimmt ist. In Schritt P24 wird zur Durchführung der Luft-Brennstoffverhältniskontrolle ein Vergleich zwischen dem früheren Mittelwert (P_i/T_p)_m-1 und dem aktuellen Mittelwert (P_i/T_p)_m durchgeführt.

Die in Schritt P24 gesetzte Breite der Totzone ist schmaler als diejenige der Totzone in Schritt P15.

Wenn eine Entscheidung dahingehend getroffen ist, daß als Ergebnis des Vergleichs in Schritt P24 kein Unterschied zwischen den beiden genannten Werten besteht, geht das Programm nach Schritt P25. In Schritt P25 wird der Wert des Luft-Brennstoffverhältniskorrekturkoeffizienten β gesetzt. Wenn der aktuelle Mittelwert (P_i/T_p)_m als Ergebnis des Vergleichs in Schritt P24 größer als der frühere Wert ist, läuft das Verfahren der Luft-Brennstoffverhältniskorrektur in die richtige Richtung und das Programm geht nach Schritt P26 über. In Schritt P26 wird darüber entschieden, ob die Fettgemischmarke auf 1 gesetzt ist oder nicht. Steht entsprechend der Entscheidung die Fettgemischmarke auf 1, geht in Schritt P29 das Programm nach Schritt P30 über. In Schritt P30 wird die Fettgemischmarke auf 0 gesetzt, wonach das Programm nach Schritt P28 geht. In Schritt P28 wird der Luft-Brennstoffverhältniskorrekturkoeffizient β durch folgende Formel bestimmt:

β=β-Δβ.

Wenn demgemäß das Luft-Brennstoffverhältnis fett ist und wenn P_i/T_p zur Überführung des Motors in den LBT-Zustand verringert wird, wie in Fig. 6 dargestellt ist, wobei diese Figur ein Merkmalsdiagramm zur Wiedergabe der Beziehung zwischen dem Kurbelwinkel und dem Zylinderinnendruck ist, muß das Luft-Brennstoffverhältnis mager gemacht werden. Dementsprechend wird in Schritt P30 die Fettgemischmarke auf 0 gesetzt, während in Schritt P28 der Koeffizent β um einen gewissen Betrag Δβ reduziert wird.

Wird in Schritt P29 eine Entscheidung dahingehend getroffen, daß die Fettgemischmarke nicht 1 ist, geht das Programm nach Schritt P31. In Schritt P31 wird die Fettgemischmarke auf 1 gesetzt und das Programm geht nach Schritt P27. In Schritt P27 wird der Luft-Brennstoffverhältniskorrekturkoeffizient β gemäß folgender Gleichung bestimmt:

β=β+Δβ.

Demgemäß sollte, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis mager ist und wenn P_i/T_p zur Überführung des Motors in den LBT-Zustand reduziert wird, wie Fig. 6 zeigt, das Luft-Brennstoffverhältnis fett gemacht werden. Deshalb wird in Schritt P27 die Fettgemischmarke auf 1 gesetzt und der Luft-Brennstoffverhältnis-Korrekturkoeffizient β wird im Sinne der Vergrößerung um einen bestimmten Betrag Δβ heraufgesteuert.

Als nächstes wird in Schritt P32 der Kalttemperaturkorrekturkoeffizient F_t aus dem vom Wassertemperatursensor 15 gelieferten Wassertemperatursignal S2 gewonnen, während der Spannungskorrekturkoeffizient T_s aus der von der Batterie 23 gelieferten Batteriespannung V_B berechnet wird.

Weiter wird in Schritt P32 der Schwerlastkorrekturkoeffizient KMR, welcher der Umdrehungszahl N des Motors Pro Minute und der Basiseinspritzmenge T_p entspricht, aus einer Tabelle abgelesen.

In Schritt P34 wird unter Verwendung des oben berechneten Luft-Brennstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten β, etc., die Brennstoffeinspritzmenge entsprechend der folgenden Gleichung (2) berechnet:

T_i=T_p×(1+F_t+KMR/100)×β+T_s (2)

Der Anfangswert des Luft-Brennstoffverhältnis-Korrekturkoeffizienten β wird auf 1 gesetzt, wenn der Motor gestartet wird.

In Schritt P35 wird zur Berechnung der Verbrennung im nächsten Zyklus der aktuell berechnete Wert (P_i/T_p) _m als (P_i/T_p)_m-1 gespeichert, womit die Berechnungsbehandlung beendet ist.

Der nächste Rechenzyklus beginnt in Schritt P1 mit einer Unterbrechung.

Wie oben erläutert, werden bei der Berechnung durch die in Fig. 4 gezeigte Steuereinrichtung 21 die Zündverstellung und das Luft-Brennstoffverhältnis so gesteuert, daß der mittlere Effektivdruck P_i, normalisiert durch die Basiseinspritzmenge T_p, die der Belastung eines Motors entspricht, maximal wird. Dementsprechend wird die optimale Zündverstellung MBT und das optimale Luft-Brennstoffverhältnis MBT korrekt eingestellt.

In Fig. 1 ist der Zylinder 12 als ein einzelner Zylinder dargestellt. Bei einem Mehrzylindermotor kann die Steuerung der Zündverstellung und der Brennstoffeinspritzmenge jedes Zylinders entsprechend dem Signal des an jedem Zylinder angebrachten Drucksensors gesteuert werden.

Was das Verfahren zur Erfassung der Belastung des Motors anbetrifft, kann anstelle der Luftdurchflußmessung der Druck in der Ansaugleitung oder der Innendruck eines Zylinders im Kompressionstakt benutzt werden.

Die Drucksensoren 19 sind an jedem Zylinder angebracht und somit wird der Innendruck jedes Zylinders gemessen. Die Brennstoffeinspritzung kann in gleicher Weise bei allen Zylindern korrigiert werden.

Die Korrektur der Brennstoffeinspritzung kann bei allen Zylindern über das Ausgangssignal des an einem der Zylinder angebrachten Drucksensors erfolgen.

Weiter kann als Mischreguliermittel anstelle des Brennstoffeinspritzventils ein Vergaser verwendet werden, so daß die gleiche Steuerung durchgeführt werden kann.

Wie oben erläutert, wird gemäß der Erfindung der Zylinderinnendruck durch einen Drucksensor erfaßt. Der mittlere Effektivdruck wird aus dem erfaßten Wert gewonnen. Der Wert wird durch die Motorbelastung normalisiert. Die Zündverstellung und das Luft-Brennstoffverhältnis werden durch ein Rückkopplungssteuersystem gesteuert, so daß der normalisierte Wert maximiert wird. Darum kann der Motor trotz der Schwankungen und zeitweisen Veränderung eines Teils des Motors oder trotz Änderung der Umgebungsbedingungen der Motor mit optimaler Zündverstellung MBT und optimalem Luft-Brennstoffverhältnis LBT betrieben werden. Dabei wird eine stabile Motorleistung bei hohem Wirkungsgrad erzielt.

Claims

Steuergerät für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Komponenten aufweist:
ein Druckerfassungsmittel zur Erfassung des Innendruckes des Zylinders;
ein Kurbelwinkelerfassungsmittel zur Erfassung des Kurbelwinkels;
eine Steuereinrichtung mit folgenden Einrichtungen: Mittel zum Empfangen der Ausgangssignale des Druckerfassungsmittels und des Kurbelwinkelerfassungsmittels zwecks Bestimmung der Daten des Zylinderinnendruckes; Mittel zum Bestimmen eines Gesamtwertes oder eines Mittelwertes der Daten des Zylinderinnendruckes, unter Verwendung einer vorbestimmten Anzahl von Daten des Zylinderinnendruckes; Mitteln zur Bestimmung mindestens eines Wertes der an den Motor zu liefernden Brennstoffmenge sowie der Zündverstellung des Motors auf der Basis des genannten Gesamtwertes oder des Mittelwertes; und Mittel zur Erneuerung des Gesamtwertes oder des Mittelwertes während derjenigen Dauer, während der sich der Motor im Beharrungszustand befindet, wenn die vorbestimmte Anzahl von Daten des Zylinderinnendruckes durch die Steuereinrichtung empfangen werden, und wobei der Gesamtwert oder der Mittelwert in einem Speicher gespeichert werden; Mittel zum Beenden der Ermittlung des Gesamtwertes oder des Mittelwertes der Daten, wenn sich der Motor nicht im Beharrungszustand befindet; und Mittel zum Wiedereinleiten der Bestimmung des Gesamtwertes oder des Mittelwertes der Daten, wenn der Motor in den Beharrungszustand zurückkehrt;
Mittel zum Liefern von Brennstoff an den Motor nach Maßgabe der durch die Steuereinrichtung bestimmten Brennstoffmenge; und
Zündmittel zum Zünden des Motors bei der durch die Steuereinrichtung bestimmten Zündzeitpunktsverstellung.