DE4324312A1

DE4324312A1 - Verfahren zum Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4324312A1
Application number: DE4324312A
Authority: DE
Inventors: Morito Asano; Katsuyuki Kajitani; Sadao Takaki; Mananbu Takeuchi
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Diamond Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1993-07-20
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2013-07-21
Also published as: DE4324312C2; JPH0634491A; US5452603A; JP3150429B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes durch einen Ionenstrom in einer Brennkraftmaschine, hauptsächlich einer Kraftfahrzeug- Brennkraftmaschine, die in einem Magergemisch- Verbrennungsbereich betrieben wird, in dem das Luft/ Brennstoff-Verhältnis hoch ist.

In den letzten Jahren wurde der Erfordernis genügt, zum Verbessern des Brennstoffverbrauchs ein Kraftfahrzeug mit einem Gemisch mit einem Luft/Brennstoff-Verhältnis zu betreiben, das auf die magere Seite des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses eingestellt ist. Für Brennkraftmaschinen ist ein Luft/Brennstoff-Verhältnis- Regler wie ein in der JP-OS 62-162742 beschriebener bekannt. Der Luft/Brennstoff-Verhältnis -Regler ermittelt zunächst eine Maschinenbelastung. Falls die Maschine in einem vorbestimmten Übergangszustand ist, wird die Rückführungsregelung entsprechend dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis ausgeführt. Falls die Maschine in einem Normalzustand läuft, wird das Ausmaß der Brennstoffzufuhr entsprechend dem Luft/Brennstoff-Verhältnis geregelt, das auf die magere Seite des stöchiometrischen Verhältnisses eingestellt ist. Stromauf eines Dreiwege- Katalysators in dem Auspuffsystem der Maschine ist ein Luft/Brennstoff-Verhältnissensor angebracht. Das auf die magere Seite des stöchiometrischen Verhältnisses eingestellte Luft/Brennstoff-Verhältnis wird entsprechend dem Ausgangssignal des Sensors derart geregelt, daß es sich einem Soll-Verhältnis annähert.

Es ist bekannt, daß in einer Maschine Drehmomentschwankungen auftreten, sobald das Luft/Brennstoff-Verhältnis größer wird (siehe Fig. 10). Zum vermeiden von Drehmomentschwankungen sollte das Luft/Brennstoff-Verhältnis unterhalb eines bestimmten Wertes in dem Magergemisch-Verbrennungsbereich eingestellt werden. Drehmomentkennlinien gemäß Fig. 11 sind eine Eigenheit einer Maschine oder der Umgebung, in der die Maschine betrieben wird, und die obere Grenze des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in dem Magergemisch- Verbrennungsbereichs ändert sich mit der Maschine oder den Betriebsbedingungen. Infolgedessen müßte die obere Grenze des Luft/Brennstoff-Verhältnisses in dem Magergemisch- Verbrennungsbereich für eine jede Maschine oder eine bestimmte Betriebungsumgebung eingestellt werden, wobei das Soll-Verhältnis unter Berücksichtigung eines bestimmten Sicherheitsfaktors einzustellen wäre.

Das auf diese Weise mit dem Sicherheitsfaktor eingestellte Luft/Brennstoff-Verhältnis ergibt jedoch ein Problem insofern, als der Brennstoffverbrauch verschlechtert ist oder der NO_x-Ausstoß erhöht ist. Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß die Grenze der Drehmomentschwankungen ermittelt wird und dann der Magergemisch-Verbrennungsbereich durch ein Soll-Luft/Brennstoff-Verhältnis begrenzt wird, welches auf einen Wert angesetzt wird, der niedriger als das Verhältnis ist, bei dem das Drehmoment schwankt. Es gibt jedoch keinen wirkungsvollen Weg zum Ermitteln von Drehmomentschwankungen, was es schwierig macht, die Maschine nahe an der oberen Grenze des Magergemisch- Verbrennungsbereichs zu regeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Lösen dieser Probleme ein Verfahren zu schaffen, mit dem ohne erhöhten Brennstoffverbrauch und NO_x-Ausstoß nahe an der Obergrenze des Magergemisch-Verbrennungsbereichs betrieben werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes durch Ionenstrom gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Kennwert des in einem Zylinder der Maschine unmittelbar nach dem Zünden fließenden Ionenstroms gemessen wird und aus dem Kennwert für den Ionenstrom der Magergemisch-Grenzwert ermittelt wird.

Erfindungsgemäß können für den Ionenstrom die folgenden Kennwerte herangezogen werden:

1) Gesamtdauer des Zeitabschnitts, in welchem der Ionenstrom oberhalb eines vorbestimmten Bezugspegels liegt.
2) Zeitdauer von der Zündung bis zu dem Endpunkt, an welchem der Ionenstrom oberhalb des vorbestimmten Bezugspegels liegt.
3) Verteilung von Spitzenwerten des Ionenstroms.
4) Verteilung von Integralwerten des Ionenstroms in dem Zeitabschnitt von der Zündung bis zu dem genannten Endpunkt.
5) Verteilung der Produkte der Multiplikation der Spitzenwerte des Ionenstroms mit der Brennzeitdauer.
6) Verteilung der Produkte der Multiplikation der in vorbestimmten Zeitabständen gemessenen Ionenstromwerte mit einem durch das Zylindernennvolumen gewichteten Koeffizienten.

Der Magergemisch-Grenzwert wird aus mindestens einem der vorstehend genannten Faktoren der Kennwerte (1) und (2) ermittelt. Der Grenzwert kann auch aus der Verteilung (3), (4), (5) oder (6) oder aus Kombinationen der Faktoren mit den Verteilungen (1) und (3), (1) und (4), (2) und (3) oder (2) und (4) ermittelt werden. Die vorstehend genannten Verteilungen können aus einem Mittelwert oder einer Varianz der jeweiligen Werte, aus einem Quotienten der Division der Standardabweichung durch den Mittelwert oder aus einem Quotienten der Division der Varianz durch den Mittelwert bestimmt werden. Der Mittelwert, die Standardabweichung und Varianz können nach bei der Statistik bekannten Verfahren berechnet werden.

Der Magergemisch-Grenzwert kann auch folgendermaßen erfaßt werden: Unmittelbar nach der Zündung wird ein Kennwert des in einem Zylinder einer Maschine fließenden Ionenstroms gemessen und es wird der Kennwert des Ionenstroms mit einem vorbestimmten Bezugskennwert verglichen, wobei der Magergemisch-Grenzwert erfaßt wird, wenn der Kennwert des Ionenstroms von dem vorbestimmten Bezugskennwert abweicht. In diesem Fall ist der Kennwert des Ionenstroms vorzugsweise die Gesamtdauer des Zeitabschnitts, in welchem der Ionenstrom über dem vorbestimmten Bezugspegel liegt, oder des Zeitabschnitts von der Zündung bis zu dem letzten Punkt, an dem der Ionenstrom über dem vorbestimmten Bezugspegel liegt.

Der Magergemisch-Grenzwert kann auch folgendermaßen erfaßt werden: In vorbestimmten Zeitabständen von einem vorbestimmten Zeitpunkt vor dem oberen Totpunkt wird ein Kennwert des in einem Zylinder einer Maschine nach dem Zünden fließenden Ionenstroms gemessen und es wird der Mittelwert der gemessenen Kennwerte, deren Varianz oder der Quotienz der durch den Mittelwert geteilten Varianz berechnet, so daß der Magergemisch-Grenzwert von diesen berechneten Werten ausgehend ermittelt wird. In diesem Fall kann der Kennwert des Ionenstroms der Spitzenwert desselben sein oder das Produkt aus dem mit der Brennzeitdauer multiplizierten Spitzenwert des Ionenstroms oder die Summe der Produkte, welche jeweils durch Multiplizieren eines der in vorbestimmten Zeitabständen gemessenen Ionenstromwerte mit einem vorbestimmten Koeffizienten erhalten werden, der vorzugsweise ein Nutzarbeitskoeffizient ist, der sich mit dem nominellen Zylinderrauminhalt ändert.

Bei der vorstehend angeführten Gestaltung wird der Magergemisch-Grenzwert aus den Kennwerten des Ionenstroms ermittelt. Im einzelnen ist dann, wenn das Luft/Brennstoff- Verhältnis höher als der obere Grenzwert des Magergemisch- Verbrennungsbereichs ist, die Verbrennung wahrscheinlich langsam, so daß im Vergleich zu der normalen Verbrennung die Zeitdauer länger wird, während der der Ionenstrom über einem vorbestimmten Bezugspegel liegt, oder der Spitzenwert des Ionenstroms niedriger wird. Daher kann der Magergemisch- Grenzwert dadurch erfaßt werden, daß diese Zeitdauer gemessen wird, während der der Ionenstrom über dem vorbestimmten Bezugspegel liegt und die mit der Brennzeitdauer länger wird, oder die Verteilung der Spitzenwerte des Ionenstroms gemessen wird. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise das Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem Magergemisch-Verbrennungsbereich zu steuern, da der Magergemisch-Grenzwert bei jeder Zündung oder im Falle einer Maschine mit einer Vielzahl von Zylindern bei jedem Zylinder erfaßt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Maschine bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm von Steuerschritten bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die einen sich mit dem Kurbelwinkel ändernden Zusammenhang zwischen einem Verbrennungsdruck und einem Ionenstrom bei dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einem Ionenstrom und dem Kurbelwinkel bei dem ersten Ausführungsbeispiel in dem Fall zeigt, daß die Verbrennung einerseits normal und andererseits ungleichmäßig ist.

Fig. 5 zeigt eine Brennzeitdauer bei einem Schritt 51 bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt eine Brennzeitdauer bei einem Schritt 51′ bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm von Steuerungsschritten bei einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm von Steuerungsschritten bei einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 9 ist ein Ablaufdiagramm, das Schritte zum Regeln der einzuspitzenden Brennstoffmenge durch Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes bei dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 10 ist eine grafische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen Drehmomentschwankungen und Luft/Brennstoff-Verhältnissen.

Fig. 11 ist eine grafische Darstellung, die die Streuung von Grenzwerten des Magergemisch- Verbrennungsbereichs bei einem herkömmlichen System zeigt.

Fig. 12 ist eine grafische Darstellung einer Kurvenform eines Ionenstroms bei einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels.

Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, das einen Zusammenhang zwischen dem Kurbelwinkel und dem nominellen Zylinderrauminhalt bei der Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt.

Fig. 14 ist eine grafische Darstellung und eine Tabelle von Werten eines Nutzarbeitskoeffizienten bei der Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil einer Kraftfahrzeugmaschine 100 mit vier Zylindern, in deren Ansaugsystem 1 eine Drosselklappe 2 angebracht ist, die durch Betätigen eines (nicht gezeigten) Fahrpedals öffnet und schließt. Stromab der Drosselklappe 2 ist ein Druckausgleichsbehälter 3 angeordnet. In dem Ansaugsystem 1 ist über den Druckausgleichsbehälter 3 ein Ansaugverteiler 4 angeschlossen. Ein Brennstoffeinspritzventil 5 ist nahe an demjenigen Ende des Ansaugverteilers 4 angebracht, das über ein Einlaßventil 10a mit einem Zylinder 10 verbunden ist. Das Brennstoffeinspritzventil 5 ist durch eine elektronische Steuereinheit 6 zum Einspritzen von Brennstoff in jeden der Zylinder unabhängig von den anderen steuerbar. In einem Auspuffsystem 20 ist ein Magergemischsensor 21, d. h., ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Sensor zum Messen der Konzentration von Sauerstoff im Abgas stromauf eines Dreiwegekatalysators 22 angebracht, der in einem Auspuffrohr angebracht ist, das sich zu einem (nicht gezeigten) Schalldämpfer bzw. Auspufftopf erstreckt. Der Magergemischsensor 21 hat nahezu die gleiche Gestaltung wie ein herkömmlicher O₂-Sensor. Wenn an die Elektroden des Magergemischsensors, die seitens der Umgebungsluft und seitens der Abgase angebracht sind, eine vorbestimmte Spannung angelegt wird, ergibt der Sensor einen Strom in Übereinstimmung mit der Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgas, wenn sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis während der Rückführungsregelung über den Magergemisch- Verbrennungsbereich von dem stöchiometrischen Verhältnis weg ändert.

Die elektronische Steuereinheit 6 ist mit einem A/D-Umsetzer ausgestattet und enthält einen Mikrocomputer mit einer Zentraleinheit 7, einem Speicher 8, einer Eingabeschnittstelle 9 und einer Ausgabeschnittstelle 11. In die Eingabeschnittstelle 9 werden folgende Signale eingegeben: Ein Ansaugdrucksignal a aus einem Ansaugdrucksensor 13 für das Messen des Drucks in dem Druckausgleichbehälter 3, ein Maschinendrehzahlsignal b aus einem Maschinendrehzahlsensor 14 zum Erfassen der Maschinendrehzahl N_E, ein Fahrgeschwindigkeitssignal c aus einem Fahrgeschwindigkeitssensor 15 für das Erfassen der Fahrzeuggeschwindigkeit, ein Leerlaufsignal d aus einem Leerlaufschalter 16 für das Ermitteln, ob die Drosselklappe 2 geöffnet ist oder nicht, ein Kühlmitteltemperatursignal e aus einem Kühlmitteltemperatursensor 17 für das Erfassen der Temperatur des Kühlmittels der Maschine und ein Stromsignal h aus dem vorstehend genannten Magergemischsensor 21. Andererseits werden von der Ausgabeschnittstelle 11 folgende Signale abgegeben: Ein Brennstoffeinspritzsignal f zu dem Brennstoffeinspritzventil 5 und ein Zündimpulssignal g für eine Zündkerze 18. An die Zündkerze 18 ist eine Vorspannungsquelle 24 zum Messen des durch eine Hochspannungsdiode 23 fließenden Ionenstroms angeschlossen. Bei dieser Erfindung kann irgendeine bekannte Schaltung mit der Vorspannungsquelle für das Messen des Ionenstroms und irgendein bekanntes Verfahren zum Messen des Stroms verwendet werden, wie es in "Motortechnische Zeitschrift", Jahrgang 51, Nr. 3, März 1990, Seiten 118 bis 122 beschrieben ist.

Die elektronische Steuereinheit 6 nimmt das von dem Einlaßdrucksensor 13 abgegebene Einlaßdrucksignal a und das von dem Maschinendrehzahlsensor 14 abgegebene Maschinendrehzahlsignal b auf und korrigiert eine Grund- Zeitdauer für die Brennstoffeinspritzung mit entsprechend den Maschinenzuständen bestimmten verschiedenen Korrekturkoeffizienten, um dadurch eine Zeitdauer für das Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 5, d. h., eine Einschaltzeitdauer T zu bestimmen, während der die Einspritzvorrichtung betätigt wird. Die elektronische Steuereinheit 6 steuert dann entsprechend der auf diese Weise bestimmten Einschaltzeitdauer T das Brennstoffeinspritzventil 5 zum Einspritzen von Brennstoff in das Ansaugsystem 1, wodurch der Maschine entsprechend der Maschinenbelastung die zweckmäßige Brennstoffmenge zugeführt wird. In der Steuereinheit 6 ist ein Programm für das Ausführen der vorangehend genannten Schritte enthalten. Entsprechend dem Programm wird unmittelbar nach der Zündung der Ionenstrom in einem Zylinder mit einem vorbestimmten Bezugspegel verglichen und es wird die Zeitdauer gemessen, während der der Ionenstrom über dem vorbestimmten Bezugspegel liegt, wobei der Magergemisch-Grenzwert erfaßt wird, wenn die gemessene Zeitdauer über einem vorbestimmten Wert liegt.

Das Programm für das Erfassen des Magergemisch-Grenzwertes ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, in der das Programm zum Berechnen einer effektiven Brennstoffeinspritzdauer TAU unter Berücksichtigung verschiedener Korrekturkoeffizienten und zum Berechnen der Einschaltdauer T für das Betätigen der Einspritzvorrichtung nicht dargestellt ist, da für diesen Zweck irgendein herkömmliches Programm angewandt werden kann. Das Wählen zwischen der Rückführungsregelung für das Betreiben der Maschine nahe an dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis und der Regelung in dem Magergemisch-Verbrennungsbereich erfolgt aufgrund der Maschinendrehzahl, der Maschinenbelastung, der Kühlmitteltemperatur und so weiter. Außer bei dem Anlassen der Maschine oder dem Warmlaufen mit erhöhter Brennstoffzufuhr oder bei einem Übergangszustand während des Beschleunigens der Maschine wird die Maschine während eines normalen gleichmäßigen Antriebszustands in dem Magergemisch- Verbrennungsbereich gesteuert.

Der Magergemisch-Grenzwert wird über den Ionenstrom folgendermaßen erfaßt: Wenn durch die Vorspannungsquelle 24 an die Zündkerze 18 unmittelbar nach der Zündung eine Vorspannung angelegt wird, fließt im Falle der normalen Verbrennung zuerst plötzlich ein Ionenstrom, der dann abnimmt und danach wieder ansteigt, bis er einen Spitzenwert nahe an einem Kurbelwinkel erreicht, bei dem der Verbrennungsdruck der höchste ist. Obgleich sich der Ionenstromfluß entsprechend dem Zündzeitpunkt beispielsweise gemäß der Darstellung in Fig. 3 ändert, fließt der Ionenstrom zuerst schlagartig und er wird dann bis zu einem Punkt kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT schwächer, wonach der Strom dann ansteigt, bis er einen Spitzenwert nahe an einem Kurbelwinkel erreicht, bei dem der Verbrennungsdruck der höchste ist. Im Falle einer instabilen Verbrennung bleibt gemäß Fig. 4 der Ionenstrom verhältnismäßig niedrig ohne einen merklichen Spitzenwert, da die Verbrennung in der letzten Hälfte weniger wirksam ist als die normale Verbrennung. Der Ionenstrom mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften wird in vorbestimmten Zeitabständen gemessen und zum Ermitteln des Verbrennungszustandes wird der Magergemisch-Grenzwert von der Dauer des Zeitabschnitts ausgehend erfaßt, in welchem der Ionenstrom über einem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF bleibt.

Ein Prozeß zum Erfassen des Magergemisch-Grenzwertes wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Bei einem Schritt 51 wird von den in vorbestimmten Zeitabständen nach der Zündung gemessenen Werten bzw. Daten MADCx für den Ionenstrom die Anzahl derjenigen Daten gezählt, die über dem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF liegen. Wenn gemäß Fig. 5 die Zeitdauer, während der der Ionenstrom MADCx über dem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF liegt, aus einem ersten und einem zweiten Zeitabschnitt a und b besteht, wird die Gesamtanzahl der der Analog/Digital-Umsetzung unterzogenen Daten bzw. Ionenstromwerte in beiden Zeitabschnitten a und b berechnet. Die A/D-Umsetzung für den Ionenstrom MADCx beginnt an dem oberen Totpunkt OT mit einer Periode, die entsprechend der Maschinendrehzahl eingestellt ist, und die umgesetzten Werte des Ionenstroms MADCx werden in einem Schreib/Lesespeicher des Speichers 8 gespeichert. Die A/D- Umsetzung erfolgt nur innerhalb eines Zeitabschnitts von der Zündung bis zu einem vorbestimmten Kurbelwinkel von beispielsweise 80° und wird danach nicht weiter ausgeführt. Aus der berechneten Anzahl der Daten wird dann eine Brenndauer NIONAF berechnet. Die Brenndauer NIONAF ist ein Produkt, das durch Multiplizieren der vorstehend genannten berechneten Gesamtanzahl der Daten mit der bekannten Periode der A/D-Umsetzung, z. B. 2,5° Kurbelwinkel erhalten wird.

Bei einem Schritt 52 wird zum Erhalten einer geglätteten bzw. gemittelten Brenndauer NAFAVn die berechnete Brenndauer NIONAF gemäß folgender Gleichung geglättet:

NAFAVn = NAFAV(n-1) + (NIONAFn-NAFAV(n-1))/32 (1)

Wenn bei einem Schritt 53 ein Wert, der durch Subtrahieren der gemäß der Gleichung (1) geglätteten Brenndauer NAFAVn von der gegenwärtigen Brenndauer NIONAFn erhalten wird, über einem vorbestimmten Bezugswert OVOPNAF für die Brenndauer zum Erfassen des Magergemisch-Grenzwertes liegt, wird der Zustand als Magergemisch-Grenzwert bewertet.

Auf diese Weise kann der Magergemisch-Grenzwert bei jeder Zündung und in jedem Zylinder erfaßt werden. Bei dem vorstehend beschriebenen Schritt 51 wird die Brenndauer NIONAF gemessen, während der der Ionenstrom MADCx über dem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF bleibt. Alternativ kann bei einem Schritt 51′ eine Brenndauer CNIONAF dadurch gemessen werden, daß gemäß Fig. 6 ein Zeitabschnitt c von der Zündung bis zu einem Endpunkt gemessen wird, bis zu dem der Ionenstrom MADCx über dem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF bleibt. In diesem Fall wird die Zeitdauer, während der der Ionenstrom MADCx der A/D-Umsetzung unterzogen wird, gleichfalls durch einen Kurbelwinkel von beispielsweise 80° begrenzt, wobei innerhalb dieser Zeit der letzte Punkt, an welchem der Ionenstrom MADCx über dem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF liegt, als der vorstehend genannte Endpunkt angesetzt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 werden nun zwei andere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Die Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei einem Schritt 51a wird die Brenndauer NIONAF wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel berechnet. Der Schritt 51a kann durch den Schritt 51′ ersetzt werden. Als nächstes werden bei einem Schritt 52b aus allen Werten der Brenndauer NIONAF einschließlich der gegenwärtigen Brenndauer NIONAFn, die bei einer Vielzahl von beispielsweise 32 Zündungen vor der gegenwärtigen Zündung gemessen wurden, der Maximalwert und der Minimalwert gewählt und die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert wird berechnet, um eine Brenndauer-Schwankung NAFRNG zu erhalten. Falls bei dem Schritt 53a die auf diese Weise erhaltene Brenndauerschwankung NAFNRG über einem vorbestimmten Bezugswert OVIONRNG für die Brenndauerschwankung liegt, wird die Verbrennung als Verbrennung an der Grenze des Magergemisch-Verbrennungsbereichs bewertet. Die Ursache dafür, daß die Brenndauerschwankung NAFRNG über dem vorbestimmten Bezugswert OVIONRNG liegt, besteht im einzelnen darin, daß die gegenwärtige Verbrennung so langsam ist, daß wegen der langsamen Verbrennung die gegenwärtige Brenndauer NIONAFn länger als die vorangehende Brenndauer NIONAF wird, was eine Erhöhung der Brenndauerschwankung NAFRNG ergibt.

Die Fig. 8 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in einem Schritt 51b die Brenndauer NIONAF auf gleiche Weise wie bei den vorangehenden beiden Ausführungsbeispielen berechnet wird. Bei einem Schritt 52b wird ein Brenndauer-Schwankungskoeffizient NIONHDK dadurch berechnet, daß die Standardabweichung der gegenwärtigen Brenndauer NIONAF und der bei einer Vielzahl von beispielsweise 32 Zündungen vor der gegenwärtigen Zündung gemessenen vorangehenden Brenndauern NIONAF durch deren Mittelwert geteilt wird. Zum Berechnen der Standardabweichung kann ein bekanntes Verfahren angewandt werden. Falls dann bei einem nächsten Schritt 53b der Brenndauer-Schwankungskoeffizient NIONHDKn über einem für das Erfassen des Magergemisch-Grenzwertes angesetzten vorbestimmten Bezugswert OVIONHDK für den Schwankungskoeffizienten liegt, wird die gegenwärtige Verbrennung als Verbrennung an der Grenze des Magergemisch- Verbrennungsbereichs bewertet. D.h., der Zustand, daß der Brenndauer-Schwankungskoeffizient NIONHDKn über dem vorbestimmten Bezugswert OVIONHDK liegt, ist durch eine Abweichung der Brenndauer NIONAF infolge einer langsamen Verbrennung oder einer Fehlzündung verursacht. Bei der Statistik kann die Standardabweichung durch die Varianz ersetzt werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Magergemisch-Grenzwert durch den Quotienten aus der Standardabweichung der Brennzeitdauern NIONAF und deren Mittelwert erfaßt. Die Standardabweichung und der Mittelwert der Brennzeitdauern NIONAF können durch die Varianz und der Mittelwert von Spitzenwerten des Ionenstroms MADCx ersetzt werden. Die Spitzenwerte des Ionenstroms MADCx ändern sich mit dem Verbrennungszustand. Daher kann der Magergemisch- Grenzwert aus der Verteilung der Spitzenwerte des Ionenstroms MADCx ermittelt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Mittelwert der Spitzenwerte des Ionenstroms MADCx herangezogen wird, wird der Magergemisch-Grenzwert dadurch erfaßt, daß der Mittelwert der Spitzenwerte mit einem vorbestimmten Bezugswert verglichen wird, um den Magergemisch-Grenzwert in dem Fall zu erfassen, daß der Mittelwert unter dem Bezugswert liegt. Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Varianz oder der Quotient der Teilung der Varianz durch den Mittelwert herangezogen wird, wird der Magergemisch- Grenzwert durch einen Vergleich zwischen der Varianz oder diesem Quotienten und einem vorbestimmten Bezugswert erfaßt.

Auf gleiche Weise wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können der Mittelwert und die Varianz nach einem bekannten Verfahren aus den bei beispielsweise 32 Zündungen abgefragten Spitzenwerten berechnet werden. Der Spitzenwert des Ionenstroms MADCx wird aus allen Ionenströmen MADCx gewählt, die in einem Kurbelwinkelbereich von 10° vor dem oberen Totpunkt an angefragt wurden. Dies ermöglicht es, den Ionenstrom MADCx mit einem Pegel auszuscheiden, der als Störsignal angesehen werden kann, wodurch dann ein Spitzenwert des Ionenstroms MADCx abgefragt werden kann, nachdem ein gleichmäßiger Ionenstrom MADCx zu fließen beginnt. Der Anfangspunkt für das Abfragen muß nicht immer 10° vor dem oberen Totpunkt sein, sondern kann irgendein Zeitpunkt nach der Stabilisierung des Ionenstroms MADCx sein.

Statt des Spitzenwertes des Ionenstroms MADCx kann auch das Produkt der Multiplikation des Spitzenwertes bei jeder Zündung mit der Brenndauer herangezogen werden. Im einzelnen kann der Magergemisch-Grenzwert aufgrund des Mittelwerts dieser bei 32 Zündungen erhaltenen Produkte, deren Varianz oder dem Quotienten aus der Varianz und dem Mittelwert erfaßt werden. In diesem Fall erstreckt sich die Brenndauer von Zündpunkt bis zu demjenigen Zeitpunkt, an dem der Ionenstrom MADCx unter den vorbestimmten Bezugswert abfällt. Die Brenndauer kann NIONAF oder CNIONAF gemäß der Beschreibung bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen sein. Der vorbestimmte Bezugspegel kann beispielsweise 1/125 von 5 V sein, die die maximale Ausgangsspannung aus dem A/D- Umsetzer sind. Dieser Wert kann als Bezugswert bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden.

Der Magergemisch-Grenzwert kann auch aus dem Mittelwert oder der Varianz von Summenwerten ermittelt werden, die beispielsweise bei 32 Zündungen erhalten werden, wobei jeder Summenwert eine Summe der Produkte der mit einem vorbestimmten Nutzarbeitskoeffizienten K multiplizierten Ausgangssignalwerte für den Ionenstrom MADCx ist. Die Ausgangssignalwerte für den Ionenstrom MADCx werden bei jedem Kurbelwinkel von 2,5° in einem Bereich von 10° vor dem oberen Totpunkt OT gemäß Fig. 12 an abgefragt. Der bei jedem Kurbelwinkel von 2,5° abgefragte Nutzarbeitskoeffizient KR wird nach folgenden Gleichungen berechnet:

wobei Vclear das Volumen einer Brennkammer ist, r der Abstand zwischen den Mitten eines Kurbelzapfens und eines Kurbelwellen-Lagezapfens ist, L die Länge einer Pleuelstange ist, D die Zylinderbohrung, d. h. der Zylinderdurchmesser ist, V das nominelle Zylindervolumen einschließlich des Volumens der Brennkammer ist und ΔV das Ausmaß der Änderung des nominellen Zylindervolumens ist.

Gemäß der Darstellung in der Tabelle 1 in Fig. 14 ist der Koeffizient KR derart angesetzt, daß sein Wert bei einem Kurbelwinkel von 75° nach dem oberen Totpunkt der größte Wert 10,00 ist. Wenn ein Zylinder eine Bohrung von 62 mm hat, die Länge der Pleuelstange 120 mm beträgt, der Abstand zwischen den Mitten des Kurbelzapfens und des Kurbelwellen- Lagerzapfens 30 mm beträgt und das Volumen der Brennkammer 18,00 cm³ ist, hat gemäß Fig. 13 das nominelle Zylindervolumen seinen kleinsten Wert am oberen Totpunkt und es wird dann monoton größer. Unter Anwendung des Nutzarbeitskoeffizienten KR, der sich gemäß der Darstellung in Fig. 14 mit dem Kurbelwinkel ändert, wird der Magergemisch-Grenzwert in folgenden Schritten ermittelt: Multiplizieren des bei einem jeden Kurbelwinkel von 2,5° bei einer einzelnen Zündung gemessenen Ionenstroms MADCx mit dem dem gegenwärtigen Wert entsprechenden Nutzarbeitskoeffizienten KR, Aufsummieren der Multiplikationsergebnisse bei beispielsweise 32 Zündungen, Berechnen des Mittelwertes der durch das Aufsummieren erhaltenen Gesamtsumme und Erfassen des Magergemisch- Grenzwertes dann, wenn dieser Mittelwert über einem vorbestimmten Bezugswert liegt. Der Mittelwert ist der Mittelwert aller Ausgabewerte, die in einem Bereich von dem Kurbelwinkel 10° vor dem oberen Totpunkt an abgefragt wurden. Es können auch die nach dem oberen Totpunkt abgefragten Ausgabewerte herangezogen werden, deren mit dem Nutzarbeitskoeffizienten KR multiplizierte Produkte positive Werte einschließlich Null sind. Der Mittelwert kann durch die Varianz der Summen der Produkte der mit dem Nutzarbeitskoeffizienten KR multiplizierten Ausgabewerte oder durch den Quotienten der durch den Mittelwert geteilten Varianz ersetzt werden. Der Magergemisch-Grenzwert kann durch Vergleichen dieser Varianz oder dieses Quotienten mit einem vorbestimmten Bezugswert erfaßt werden.

Durch Korrigieren der einzuspritzenden Brennstoffmenge gemäß dem nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erfaßten Magergemisch-Grenzwert ist es möglich, die Maschine fortgesetzt unter guten Bedingungen mit einem in dem Magergemisch-Verbrennungsbereich eingestellten Luft/ Brennstoff-Verhältnis zu betreiben.

Unter Bezugnahme auf das in Fig. 9 gezeigte Ablaufdiagramm wird nun der Prozeß zum Erhöhen der einzuspritzenden Brennstoffmenge entsprechend dem erfaßten Magergemisch- Grenzwert beschrieben. Zuerst wird bei einem Schritt 61 durch ein von einem nicht gezeigten Nockenstellungssensor abgegebenes Zylinderunterscheidungssignal ermittelt, ob der gerade geprüfte Zylinder der erste Zylinder ist. Wenn ermittelt wird, daß der gerade geprüfte Zylinder der erste Zylinder ist, schreitet die Steuerung zu einem Schritt 62 weiter. Falls es nicht der erste Zylinder ist, folgt der Prozeß für den zweiten, den dritten oder den vierten Zylinder. Für diese Zylinder wird der Prozeß nicht erläutert, da er der gleiche ist wie bei dem vorstehend genannten ersten Zylinder. Danach wird bei dem Schritt 62 ermittelt, ob der Magergemisch-Grenzwert erfaßt wird oder nicht. Falls ermittelt wird, daß der Magergemisch-Grenzwert erreicht worden ist, schreitet die Steuerung zu einem Schritt 63 weiter. Andernfalls schreitet die Steuerung zu einem Schritt 64 weiter. Bei dem Schritt 63 wird ein Korrekturkoeffizient FTAULN1 für die Brennstoffeinspritzung nach der nachstehenden Gleichung (6) berechnet, in welcher der gegenwärtige Korrekturkoeffizient FTAULN1n für die Brennstoffeinspritzung dadurch berechnet wird, daß für die Korrektur an der Magergemischgrenze zu dem Korrekturkoeffizienten FTAULNn-1 eine Größe KTAULN1A addiert wird.

FTAULN1n = FTAULN-1 + KTAULN1A (6)

Bei dem Schritt 64 wird ein Korrekturkoeffizient FTAULN1 für die Brennstoffeinspritzung gemäß der nachstehenden Gleichung (7) berechnet, bei der der gegenwärtige Korrekturkoeffizient FTAULN1n für die Brennstoffeinspritzung dadurch erhalten wird, daß von dem vorangehenden Korrekturkoeffizienten FTAULNn-1 für die Brennstoffeinspritzung eine Größe KTAULN1D zur Korrektur subtrahiert wird, bis in dem Magergemisch- Verbrennungsbereich die obere Grenze des Luft/Brennstoff- Verhältnisses erreicht ist.

FTAULN1n = FTAULNn-1-KTAULN1D (7)

Bei einem Schritt 65 wird für den ersten Zylinder eine effektive Brennstoffeinspritzdauer TAU1 nach der nachstehenden Gleichung (8) berechnet, in welcher FAULN1 ein berechneter Korrekturkoeffizient für die Brennstoffeinspritzung ist und TAUBSE1 ein Parameter ist, der durch Multiplizieren einer Grund- Brennstoffeinspritzdauer TP mit zum Zeitpunkt der Berechnung erforderlichen verschiedenen Korrekturkoeffizienten erhalten wird.

TAU1 = TAUBSE1·FAULN1 (8)

Auf diese Weise wird während des Betreibens der Maschine in dem Magergemisch-Verbrennungsbereich der Ionenstrom bei jeder Zündung in einem jeden Zylinder gemessen und der Magergemisch-Grenzwert wird entsprechend der mittels des Ionenstroms festgestellten Brenndauer NIONAF ermittelt. In diesem Fall schreitet die Steuerung in Schritten 51 → 52 → 53 weiter, so daß der geglättete Wert NAFAVn für die gegenwärtige Brenndauer von der gegenwärtigen Brenndauer NIONAFn subtrahiert wird, um dadurch zu ermitteln, ob das Luft/Brennstoff-Verhältnis den Magergemisch-Grenzwert erreicht hat oder nicht. D.h., gemäß der Darstellung in Fig. 4 ändert sich der Ionenstrom bei der instabilen Verbrennung ohne derart merkliche Spitzenwerte wie bei der normalen Verbrennung, so daß die Brenndauer NIONAF bei der instabilen Verbrennung länger wird als bei der normalen Verbrennung.

Wenn der Magergemisch-Grenzwert erfaßt worden ist, schreitet die Steuerung zu dem Schritt 61 weiter, um die einzuspritzende Brennstoffmenge zu korrigieren. Falls es der erste Zylinder ist, in welchem ermittelt wird, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis an der Obergrenze des Magergemisch-Verbrennungsbereichs liegt, schreitet die Steuerung in den Schritten 61 → 62 → 63 → 65 weiter, so daß in dem ersten Zylinder die einzuspritzende Brennstoffmenge zu einer Erhöhung korrigiert wird. Falls danach ermittelt wird, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem ersten Zylinder niedriger als die Obergrenze des Magergemisch- Verbrennungsbereichs ist, schreitet die Steuerung in den Schritten 61 → 62 → 64 → 65 weiter, so daß die einzuspritzende Brennstoffmenge zu einer Verringerung korrigiert wird und sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis vom fetten Gemisch zu dem mageren Gemisch hin ändert.

Auf diese Weise kann der Magergemisch-Grenzwert bei jeglicher Zündung erfaßt werden und die einzuspritzende Brennstoffmenge kann bei jedem Zylinder der Maschine entsprechend dem erfaßten Magergemisch-Grenzwert korrigiert werden, wodurch es ermöglicht ist, irgendeine Änderung des Betriebszustands oder irgendeiner Art von Maschine zu genügen. Daher wird es möglich, eine Maschine fortgesetzt mit einem Luft/Brennstoff-Verhältnis zu betreiben, das auf zufriedenstellende Weise nahe an die Obergrenze des Magergemisch-Verbrennungsbereichs selbst dann eingestellt ist, wenn sich die Grenze ändert. Dies trägt zu einer Verbesserung des Brennstoffverbrauchs bei. Außerdem werden Drehmomentänderungen verhindert, was eine Verbesserung des Fahrverhaltens und der Emissionen ergibt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung bei einer Maschine mit einer Vielzahl von Zylindern angewandt werden, die durch gleichzeitige Brennstoffeinspritzung gesteuert werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Magergemisch-Grenzwert aus der Zeitdauer ermittelt, während der der Ionenstrom MADCx über einem vorbestimmten Bezugswert PIONAF liegt, oder der Zeitdauer von der Zündung bis zu dem letzten Punkt, an dem der Ionenstrom MADCx über diesem vorbestimmten Pegel PIONAF liegt. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Verfahren kann der Magergemisch- Grenzwert auch von der vorstehend genannten Zeitdauer und dem höchsten Spitzenwert des Ionenstroms MADCx ausgehend durch Ermitteln der Verteilung von Spitzenwerten des Ionenstroms MADCx erfaßt werden. Anstelle der Verteilung von Spitzenwerten des Ionenstroms MADCx kann die Verteilung der Integralwerte der Zeitdauern von der Zündung bis zu dem letzten Punkt herangezogen werden, an dem der Ionenstrom MADCx über dem vorbestimmten Bezugspegel PIONAF liegt.

Da erfindungsgemäß der Magergemisch-Grenzwert aus mindestens einem der Kennwerte für den Ionenstrom MADCx ermittelt wird, wie aus der Dauer der Zeit, während der der Ionenstrom über einem vorbestimmten Bezugspegel liegt, der Verteilung von Spitzenwerten des Ionenstroms oder der Verteilung von Integralwerten des Ionenstroms, ist es einfach, das Luft/Brennstoff-Verhältnis in dem Magergemisch- Verbrennungsbereich zu regeln.

Es wird ein Verfahren angegeben, mit dem in einer Brennkraftmaschine bei einer jeden Zündung eine Obergrenze eines Magergemisch-Verbrennungsbereichs erfaßt wird. Der Magergemisch-Grenzwert wird aus den Kennwerten des Ionenstroms in einem Zylinder der Maschine unmittelbar nach der Zündung ermittelt.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes in einer Brennkraftmaschine durch Ionenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kennwert eines in einem Zylinder der Maschine unmittelbar nach dem Zünden fließenden Ionenstroms gemessen wird und
der Magergemisch-Grenzwert entsprechend dem Kennwert für den Ionenstrom erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Summe der Zeitabschnitte ist, in welchen der Ionenstrom jeweils über einem vorbestimmten Bezugspegel liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Zeitdauer von der Zündung bis zu einem letzten Punkt ist, an dem der Ionenstrom über einem vorbestimmten Bezugspegel liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Verteilung von Spitzenwerten des Ionenstroms ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Verteilung von Produkten der mit der Brenndauer multiplizierten Ionenstromwerte ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Verteilung der Produkte der Multiplikation der in vorbestimmten Zeitabständen gemessenen Ionenstromwerte mit einem Koeffizienten ist, der entsprechend dem nominellen Zylindervolumen bestimmt ist.

7. Verfahren zum Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes in einer Brennkraftmaschine durch Ionenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kennwert eines in einem Zylinder der Maschine unmittelbar nach der Zündung fließenden Ionenstroms gemessen wird,
der Kennwert für den Ionenstrom mit einem vorbestimmten Bezugskennwert verglichen wird und
entsprechend dem Vergleichsergebnis der Magergemisch- Grenzwert dann bestimmt wird, wenn der Kennwert für den Ionenstrom von dem vorbestimmten Bezugskennwert abweicht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Summe von Zeitabschnitten ist, in welchen jeweils der Ionenstrom über einem vorbestimmten Bezugspegel liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom die Zeitdauer von der Zündung bis zu einem letzten Punkt ist, an dem der Ionenstrom über einem vorbestimmten Bezugspegel liegt.

10. Verfahren zum Erfassen eines Magergemisch-Grenzwertes in einer Brennkraftmaschine durch einen Ionenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß
Kennwerte für einen Ionenstrom gemessen werden, der in einem Zylinder der Maschine nach der Zündung und von einem vorbestimmten Punkt vor dem oberen Totpunkt an fließt,
ein Mittelwert der Kennwerte für den Ionenstrom, eine Varianz derselben oder ein Quotient dieser Varianz geteilt durch den Mittelwert berechnet wird und
der Magergemisch-Grenzwert entsprechend dem berechneten Wert erfaßt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom ein Spitzenwert des Ionenstroms ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennwert für den Ionenstrom das Produkt der Multiplikation eines Spitzenwertes des Ionenstroms mit der Brenndauer ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert für den Ionenstrom die Summe von Produkten ist, die jeweils durch Multiplizieren eines von in vorbestimmten Zeitabständen gemessenen Ionenstromwerten mit einem vorbestimmten Koeffizienten erhalten werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Koeffizient ein Nutzarbeitskoeffizient ist, der sich mit dem nominellen Zylindervolumen ändert.