DE68902362T2

DE68902362T2 - Vorrichtung zum berechnen einer ansaugluftmenge.

Info

Publication number: DE68902362T2
Application number: DE8989109239T
Authority: DE
Inventors: Shinji C O Toyota Jidosh Ikeda; Hiroshi Toyota Jidoshi Inagaki; Shigeru Toyota Jidoshi Uenishi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-05-23
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2009-05-24
Also published as: US4974563A; EP0345524B1; EP0345524A1; DE68902362D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, welche die in einen Zylinder gelangende Luftmenge berechnet.
Eine bekannte Einrichtung ist ein Mechanismus, in welchem durch einen Luftstrommesser eine in eine Brennkraftmaschine gelangende Luftmenge (Luftstrommenge Q) gemessen wird und dann gemäß der gemessenen Luftstrommenge Q und einer Maschinendrehzahl ω die Brennstoffeinspritzmenge und der Zündzeitpunkt gesteuert werden. Die Einrichtung dieser Art ist derart gestaltet, daß gemäß der mittels des Luftstrommessers gemessenen Luftstrommenge Q und der Maschinendrehzahl ω eine während eines Ausaughubs in den Zylinder gelangende Ansaugluftmenge mc durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden kann:
mc = K Q/ω ....(1)
wobei K eine Konstante ist.
Gemäß der Luftstrommenge Q und der Maschinendrehzahl ω wird die Steuergröße für die Maschine derart bestimmt, daß das erwünschte Luft/Brennstoff-Verhältnis des in den Zylinder gelangenden Luft-Brennstoff-Gemisches gesteuert werden kann oder der Zündzeitpunkt zum Erzielen eines optimalen Ausgangsdrehmoments gesteuert werden kann.
In der Veröffentlichung EP-A-184 626 ist für das Regeln der Brennstoffeinspritzung in einer Brennkraftmaschine ein Verfahren offenbart, bei dem das Luft/Brennstoff-Verhältnis des dem jeweiligen Zylinder der Maschine zugeführten Gemisches dadurch auf einem erwünschten Wert gehalten wird, daß aus Sensordaten eine Ablagerungsrate, mit der der eingespritzte Brennstoff sich an einer Ansaugkanalwand der Maschine ablagert und eine Filmmasse bildet, und eine Verdampfungsrate berechnet werden, mit der die Filmmasse von der Kanalwand weg verdampft, eine gegenwärtige Filmmassenmenge berechnet wird und nach einer linearen Gleichung unter Berücksichtigung der Ansaugluftströmung und des gewünschten Luft/Brennstoff-Verhältnisses die gewünschte Brennstoffmenge berechnet wird. Die Berechnung der gewünschten Brennstoffmenge berücksichtig die veranschlagte Filmmasse an der Ansaugkanalwand und den Umstand, daß ein Teil des Brennstoffs aus der Filmmasse ausdampft, wenn der Brennstoff in den Ansaugkanal eingespritzt wird, und die tatsächlich dem Zylinder zugeführte Brennstoffmenge aus der eingespritzten Brennstoffmenge und dem verdampften Teil der Filmmasse besteht.
In der Veröffentlichung WO-A-83/03637 ist ein Beschleunigungs-Brennstoffanreichungssystem offenbart, in dem von einem Maschinensteuerungs-Mikroprozessor während eines gleichmäßigen Zustands synchrone Grundbrennstoffimpulse abgegeben werden, um der Maschine eine Grundbrennstoffmenge entsprechend dem gleichbleibenden Betriebszustand zuzuführen. Falls die Geschwindigkeit einer Drosselstellungsvergrößerung einen vorbestimmten Wert übersteigt, werden asynchrone Beschleunigungsanreichungs-Brennstoffsteuerimpulse entwickelt und auf wirksame Weise zu den Dauerzustand-Grundbrennstoffsteuerimpulsen hinzugefügt, um dadurch auf direkte Weise entsprechend den Brennstofferfordernissen der Maschine während des Beschleunigungszustands eine Beschleunigungsanreicherung zu erzielen. Bei diesem Beschleunigungsanreicherungs-Übergangsbetrieb werden die zusätzlichen Beschleunigungsanreicherungsimpulse hinsichtlich ihrer Dauer entsprechend dem erfaßten Maschinenansaugdruck gesteuert, der während des Beschleunigungsanreicherungs-Abnahmeabschnitts besteht, wobei der Ansaugdruck ein Maschinenbetriebsparameter ist, der in direktem Zusammenhang mit der Brennstofferfordernis der Maschine steht.
Ferner ist in der US-A-4 721 087 eine Brennstoffzuführsteuereinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Drosselventil, einer Vorrichtung zum Messen der durch das Drosselventil eingestellten aktuellen Ansaugluftmenge, einer Vorrichtung zum Ermitteln der Drehzahl und des aktuellen Kurbelwellenwinkels und einer Recheneinrichtung für das Verarbeiten der Sensordaten offenbart. Die Brennstoffzuführsteuereinrichtung ist dazu geeignet, die Ansaugluftmenge der Brennkraftmaschine gemäß einer Korrekturgleichung zu korrigieren, um dadurch das Regeln auf ein genaues Luft/Brennstoff- Verhältnis zu ermöglichen. Die Filterkonstante K in der Korrekturgleichung
Qe(n) = K.Qe(n-1) + (1-K).Qa
wird entsprechend dem Betriebszustand, insbesondere entsprechend der Maschinendrehzahl verändert. Die Bestimmung der korrigierten Ansaugluftmenge gemäß der Korrekturgleichung basiert auf der erfaßten Ansaugluftmenge Qa bei einem bestimmten Maschinentakt und einem bestimmten Kurbelwellenwinkel sowie auf der korrigierten Ansaugluftmenge bei dem jeweils vorangehenden Maschinentakt. Die weiterhin angesetzte Filterkonstante K bewirkt in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl die erwünschte Anpassung an die Maschinenbetriebszustände.
Die gemäß den vorstehenden Ausführungen gesteuerte Maschine ist während des gleichmäßigen Betriebs gut gesteuert, aber es kann bei einem Übergangsbetrieb mit einer Änderung der Fahrzustände das Luft/Brennstoff-Verhältnis oder der Zündzeitpunkt nicht gut den Betriebszuständen der Maschine entsprechend gesteuert werden. Dies ist deshalb der Fall, weil die mittels des Luftstrommessers erfaßte Luftstrommenge Q wegen eines Beruhigungsbehälters im Ansaugrohr für das Unterdrücken von Druckschwankungen der Ansaugluft nicht mit der tatsächlich in den Zylinder gelangenden Ansaugluftmenge mc übereinstimmt.
Im einzelnen wird dann, wenn das Beschleunigen der Maschine beginnt, die Luft, die durch den Luftstrommesser geströmt ist, vorübergehend in dem Beruhigungsbehälter aufgenommen, so daß die in den Zylinder gelangende Ansaugluftmenge um Q/ω geringer als die berechnete ist. Wenn andererseits das Verlangsamen der Maschine beginnt, gelangt die Luft aus dem Beruhigungsbehälter in den Zylinder, so daß in den Zylinder mehr Luft als die mittels des Luftstrommessers erfaßte Menge gelangt. Aus diesem Grund ist während eines Übergangbetriebs der Maschine die Genauigkeit der Brennstoffeinspritzsteuerung und der Zündzeitpunktsteuerung verschlechtert.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die auf konstante Weise die Steuergröße auf einen der in einen Zylinder einer Maschine gelangenden Ansaugluftmenge entsprechenden Wert einstellen kann, wenn die Brennstoffeinspritzung oder der Zündzeitpunkt gesteuert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die auf genaue Weise aus einem von einem Luftstrommesser erzeugten Signal die Ansaugluftmenge berechnen kann.
Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die selbst während eines Übergangbetriebs der Maschine das Luft/Brennstoff-Verhältnis genau steuern kann.
Eine vierte Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die einer nach dem Berechnen der Ansaugluftmenge auftretenden Änderung der Ansaugluftmenge gerecht wird.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgabe gelöst mit einer Ansaugluftmengen-Berechnungseinrichtung, die eine Vorrichtung zum Messen einer Luftstrommenge in einem Ansaugrohr einer Maschine, wobei die Luft aus der Atmosphäre in das Ansaugrohr gelangt, eine Vorrichtung zum Messen einer Drehzahl der Maschine, eine Einrichtung die eine in einen Zylinder der Maschine gelangende Luftmenge mc(k+1) nach der auf einem auf ein ein Massenerhaltungsgesetz beschreibendes physikalisches Modell basierenden, die Luftstrommenge Q, die Drehzahl ω und die Ansaugluftmenge mc(k) enthaltenden folgenden Gleichung
mc(k+1) = αQ/ω + β.mc(k)
berechnet, in der α und β durch das Massenerhaltungsgesetz bestimmte Konstanten sind und mc(k) ein bei dem letzten Durchlauf dieser Routine berechneter Wert ist, eine Einrichtung zum Berechnen einer synchron mit einem Ansaugtakt der Maschine in den Zylinder einzuspritzende Brennstoffmenge, eine Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffeinspritzung in den Zylinder entsprechend der durch die Synchroneinspritzrecheneinrichtung berechneten Menge, eine Einrichtung zum erneuten Berechnen der zwischen dem Zeitpunkt der Berechnung durch die Ansaugluftberechnungseinrichtung und dem Zeitpunkt des tatsächlichen Ansaugtaktes des Zylinders gemäß der Berechnung in den Zylinder gelangenden Luftmenge unter Anwendung der Gleichung, eine Einrichtung zum Berechnen einer asynchron zu dem Ansaugzyklus der Maschine in den Zylinder einzuspritzenden Brennstoffmenge aus der Differenz zwischen einem durch die Ansaugluftberechnungseinrichtung berechneten Wert und einem durch die Ansaugluftnachberechnungseinrichtung berechneten Wert, wenn der durch die Ansaugluftnachberechnungseinrichtung berechnete Wert den durch die Ansaugluftberechnungseinrichtung berechneten Wert übersteigt, und eine Einrichtung zum Steuern der Brennstoffeinspritzung in den Zylinder entsprechend der durch die Asynchroneinspritzsrecheneinrichtung berechneten Menge aufweist.
Erfindungsgemäß enthält die Einrichtung gemäß der Darstellung in Fig. 1B und 1C eine Vorrichtung M3 zum Messen einer Luftstrommenge Q in einem Ansaugrohr M2 einer Maschine M1, wobei die Luft aus der Atmosphäre in das Ansaugrohr gelangt, eine Vorrichtung M4 zum Messen einer Drehzahl ω der Maschine M1, eine Einrichtung M5 zum Berechnen einer Menge mc(k+1) an in einen Zylinder der Maschine M1 gelangender Luft unter Anwendung der folgenden Gleichung, die auf einem physikalischen Modell basiert, das ein Massenerhaltungsgesetz beschreibt, welches die Luftstrommenge Q, die Drehzahl ω und die Ansaugluftmenge mc(k) umfaßt:
mc(k+1) = αQ/ω + β.mc(k)
wobei α und β durch das Massenerhaltungsgesetz bestimmte Konstanten sind und mc(k) ein im letzten Durchlauf dieser Routine berechneter Wert ist, und eine Einrichtung zum Berechnen einer in den Zylinder der Maschine einzuspritzenden Brennstoffmenge aus der berechneten Menge der in das Ansaugrohr eingezogenen Luft. Die Einrichtung zum Berechnen der Brennstoffmenge entspricht einer Synchroneinspritzberechnungseinrichtung M7, einer Ansaugluftnachberechnungseinrichtung M8, einer Asynchroneinspritzberechnungseinrichtung M9, einer Synchroneinspritzsteuervorrichtung M10 und einer Asynchroneinspritzsteuervorrichtung M11 gemäß der Darstellung in Fig. 1B sowie einer Synchroneinspritzberechnungseinrichtung M7, einer Synchroneinspritzsteuervorrichtung M10, einer Beschleunigungsermittlungseinrichtung M12 und einer Asynchroneinspritzvorrichtung M13 gemäß der Darstellung in Fig. 1C.
Demgemäß wird in dem Steuersystem der Einrichtung für das Berechnen der Ansaugluftmenge die Grund-Ansaugluftmenge zuerst gemäß dem physikalischen Modell berechnet, das das Brennstoffverhalten in der Maschine darstellt. Entsprechend dieser Berechnung wird dann die Brennstoffeinspritzmenge derart eingestellt, daß das Verhältnis der berechneten Menge und der in den Zylinder gelangenden Brennstoffmenge ein erwünschtes Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht. Wenn sich in einem bestimmten Zeitabschnitt wegen des Beschleunigen der Maschine die gemessene Luftstrommenge mehr als um einen vorbestimmten Wert ändert, entspricht die Brennstoffeinspritzmenge nicht mehr der nach der Gleichung erhaltenen Ansaugluftmenge. Daher wird eine Brennstoffmenge bestimmt, die zusätzlich zu der gleichmäßigen synchronen Brennstoffeinspritzung asynchron einzuspritzen ist. Die Bestimmung der zusätzlichen Brennstoffmenge wird von dem Ergebnis einer Nachberechnung der Luftmenge ausgehend vorgenommen, welche zwischen dem Zeitpunkt der Berechnung durch die Ansaugluftmengenberechnungseinrichtung und dem Zeitpunkt des tatsächlichen Ansaugtakts des Zylinders gemäß der Berechnung in den Zylinder gelangt.
Auf diese Weise kann die Ansaugluftmenge beständig und genau entsprechend den Betriebszuständen der Maschine berechnet werden, da dann, wenn das Fahrzeug nach dem Festlegen der Synchroneinspritzmenge beschleunigt wird, die Brennstoffeinspritzung entsprechend dem tatsächlichen Fahrzustand weiter eingestellt wird. Darüberhinaus kann die asynchrone Einspritzung prompt während der Beschleunigung ausgeführt werden, wodurch die Genauigkeit des Luft/Brennstoff- Verhältnisses verbessert wird und eine gleichmäßige Beschleunigung erzielt wird.
Die Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann auf dem Fachgebiet aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 1B ist eine Blockdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein weiteres Merkmal der Erfindung.
Fig. 1C ist eine Blockdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und deren peripherer Ausstattung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 ist eine Blockdarstellung eines Brennstoffeinspritzsteuersystems bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm einer Brennstoffeinspritzsteuerroutine bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm einer Ansaugluftmengenberechnungsroutine bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Fig. 6 ist ein Ablaufdiagramm einer Zündzeitpunktsteuerroutine bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem das erste Ausführungsbeispiel angewendet ist.
Fig. 7 ist eine Blockdarstellung einer Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine und der peripheren Ausstattung derselben gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 8 ist eine Blockdarstellung eines Brennstoffeinspritzsteuersystems bei dem dritten Ausführungsbeispiel.
Fig. 9A und 9B sind ein Ablaufdiagramm einer Brennstoffeinspritzmengenberechnungsroutine bei dem dritten Ausführungsbeispiel.
Fig. 10 ist eine Darstellung, die ein Synchroneinspritzsystem und ein Asynchroneinspritzsystem bei dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm, das Änderungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses bei der Brennstoffeinspritzsteuerung nach dem Stand der Technik gegenüber Änderungen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses bei dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 12 ist eine Blockdarstellung eines Brennstoffeinspritzsteuersystems bei einem vierten Ausführungsbeispiel, das für Vergleichszwecke herangezogen ist.
Fig. 13 ist ein Ablaufdiagramm einer Synchroneinspritzsteuerroutine bei dem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 14 ist ein Ablaufdiagramm einer Ansaugluftmengenberechnungsroutine bei dem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 15 ist ein Ablaufdiagramm einer Asynchroneinspritzsteuerroutine bei dem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 16 ist ein Zeitdiagramm, das die bei Beschleunigungsbeginn berechnete Ansaugluftmenge mc und die Luftstrommenge Q zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Gemäß Fig. 2 enthält ein Ansaugrohr 4 einer Brennkraftmaschine 2 einen Luftstrommesser 6 für das Messen einer in die Maschine 2 gelangenden Luftmenge (Luftstrommenge Q), ein Drosselventil 8 zum Steuern der in einen Zylinder 2a der Maschine 2 gelangenden Ansaugluftmenge und einen Beruhigungsbehälter 10 zum Unterdrücken von Druckschwankungen der Ansaugluft. Ein Auspuffrohr 16 enthält einen Sauerstoffsensor 18 für das Ermitteln des Brennstoff/Luft-Verhältnisses (d.h. eines invertierten Luft/Brennstoff-Verhältnisses) des in den Zylinder 2a gelangenden Brennstoffgemisches aus der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas und einen Dreiwege- Katalysator 20 für das Reinigen des Abgases.
Die Maschine 2 enthält Sensoren für das Ermitteln von Betriebszuständen wie einen Maschinendrehzahlsensor 24 zum Ermitteln der Maschinendrehzahl ω aus der Drehung eines Verteilers 22, einen Kurbelwellenwinkelsensor 26 zum Ermitteln einer Anfangszeit t für die Brennstoffeinspritzsteuerung aus der Drehung des Verteilers 22 und einen Wassertemperatursensor 28 zum Ermitteln einer Kühlwassertemperatur Tw. Der Verteiler 22 legt zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt eine Hochspannung aus einer Zündanlage 30 an eine Zündkerze 32 an.
Die mittels der jeweiligen Sensoren erfaßten Signale werden einer elektronischen Steuerschaltung 40 zugeführt, die als eine logische Rechenschaltung mit einem Mikrocomputer aufgebaut ist, der zum Steuern der Brennstoffeinspritzmenge ein Brennstoffeinspritzventil 42 ansteuert.
Die elektronische Steuerschaltung 40 enthält eine Zentraleinheit 50 (CPU), einen Festspeicher 52 (ROM), einen Schreib/Lesespeicher 54 (RAM), eine Eingabeeinheit 56 und eine Ausgabeeinheit 58. Die Zentraleinheit 50 führt gemäß einem vorbestimmten Steuerprogramm Rechenoperationen für die Brennstoffeinspritzsteuerung aus. Das Steuerprogramm und Anfangsdaten für die Rechenoperation sind in dem Festspeicher 52 gespeichert. Die für die Rechenoperation verwendeten Daten werden vorübergehend in dem Schreib/Lesespeicher 54 gespeichert. Die durch die jeweiligen Sensoren erfaßten Signale werden über die Eingabeeinheit 56 aufgenommen. Über die Ausgabeeinheit 58 wird dem Brennstoffeinspritzventil 42 ein dem durch die Zentraleinheit 50 berechnetes Ergebnis entsprechendes Ansteuerungssignal zugeführt. Die elektronische Steuerschaltung 40 führt eine Rückführungsregelung für die Brennstoffeinspritzmenge q aus dem Brennstoffeinspritzventil 42 derart aus, daß das Brennstoff/Luft-Verhältnis λ des in den Zylinder 2a gelangenden Brennstoffgemisches auf ein Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr eingestellt wird, das entsprechend den Betriebszuständen der Maschine 2 angesetzt wird.
Ein für die Rückführungssteuerung eingesetztes Regelsystem wird unter Bezugnahme auf eine Blockdarstellung in Fig. 3 beschrieben, welche nicht den tatsächlichen physischen Aufbau zeigt. Die Regelung erfolgt durch Ausführen der in den Ablaufdiagrammen in Fig. 5 und 6 dargestellten Routinen.
In dem in Fig. 3 gezeigten Brennstoffeinspritzregelsystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel berechnet eine erste Recheneinheit P1 aus der mittels des Luftstrommessers 6 gemessenen Luftstrommenge Q und der mittels des Maschinendrehzahlsensors 24 erfaßten Maschinendrehzahl ω die in den Zylinder 2a gelangende Ansaugluftmenge mc nach folgender Gleichung (2):
mc(k+1) = α Q/ω + β mc(k) ...(2)
Die von der ersten Recheneinheit P1 berechnete Ansaugluftmenge mc wird einem ersten Multiplizierer P2 zum Multiplizieren mit einem Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr zugeführt, das entsprechend den Betriebszuständen der Maschine 2 eingestellt ist. Im einzelnen wird in dem ersten Multiplizierer P2 durch das Multiplizieren der Ansaugluftmenge mc mit dem Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr die während des Ansaugtaktes der Maschine 2 dem Zylinder 2a zuzuführende Brennstoffmenge (d.h., die Soll-Brennstoffzuführmenge) mcλr berechnet. Die in der ersten Recheneinheit P1 berechnete Ansaugluftmenge mc wird auch einem zweiten Multiplizierer P3 zugeführt. In dem zweiten Multiplizierer P3 wird durch Multiplizieren der Ansaugluftmenge mc mit dem mittels des Sauerstoffsensors 20 gemessenen Brennstoff/Luft-Verhältnis λ die während des vorangehenden Ansaugtaktes tatsächlich in den Zylinder 2a geleitete Brennstoffmenge mcλ berechnet (d.h., die Ist-Brennstoffzuführmenge).
Die jeweils in dem ersten und zweiten Multiplizierer P2 und P3 berechneten Brennstoffzuführmengen mcλr und mcλ werden einem Differenzrechner p4 zugeführt, in dem die Differenz mc(λ - λr) berechnet wird. Die Differenz wird in einem Summenrechner P5 aufsummiert und die Summe wird in einem weiteren Multiplizierer P6 mit einem vorbestimmten Faktor f3 multipliziert. Ferner wird die in dem ersten Multiplizierer P1 berechnete Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr auch einem Multiplizierer P7 zum Multiplizieren mit einem vorbestimmten Faktor f4 zugeführt.
Die in der ersten Recheneinheit P1 berechnete Ansaugluftmenge mc wird auch einer zweiten Recheneinheit P8 zum Berechnen des Ansaugluftdrucks P aus der Ansaugluftmenge mc zugeführt. Das Rechenergebnis der zweiten Recheneinheit P8 wird zusammen mit der durch den Sensor 38 gemessenen Temperatur Tw einer dritten Recheneinheit P9 zugeführt. In der dritten Recheneinheit P9 wird aus der eingegebenen Temperatur Tw ein Sättigungsdampfdruck Ps in dem Ansaugrohr 4 ermittelt und dann aus dem Sättigungsdampfdruck Ps und dem Ansaugluftdruck P die Menge Vf an verdampftem Brennstoff berechnet, der an einer Innenwand des Ansaugrohrs 4 je vorbestimmte Zeiteinheit haftet. Die berechnete Menge Vf wird einem Dividierer P10 zum Dividieren durch die mittels des Sensors 24 erfaßte Maschinendrehzahl ω zugeführt. Der Quotient Vf/ω wird einem Multiplizierer P11 zum Multiplizieren mit einem vorbestimmten Faktor f5 zugeführt.
Die Ist-Brennstoffzuführmenge mcλ und der Quotient Vf/ω, die jeweils in dem zweiten Multiplizierer P3 und dem Dividierer P10 ermittelt wurden, werden auch einer Überwachungseinheit P12 zugeführt. Die Überwachungseinheit P12 berechnet eine an der Innenwand des Rohres 4 haftende Brennstoffmenge w und eine in dem Rohr 4 verdampfte Brennstoffmenge v aus der Ist-Brennstoffzuführmenge mcλ, dem Quotienten Vf/ω , der Brennstoffeinspritzmenge q aus dem Brennstoffeinspritzventil 42 und der anhaftenden Brennstoffmenge w sowie der Dampf- Brennstoffmenge v, die bei dem vorangehenden Prozeß berechnet wurden. Die Rechenergebnisse w und v aus der Überwachungseinheit P12 werden jeweils in Multiplizierern P13 und P14 mit Faktoren f1 und f2 multipliziert.
Die Produkte aus den Multiplizierern P13 und P14 werden zusammen mit den Produkten aus den anderen Multiplizierern P6, P7 und P11 durch Addierer P15 bis P18 addiert. Auf diese Weise wird die Brennstoffeinspritzmenge q für das Brennstoffeinspritzventil 42 bestimmt.
In dem Regelsystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird zuerst die Ansaugluftmenge mc berechnet. Dann wird die Brennstoffeinspritzmenge q derart eingestellt, daß das Verhältnis der berechneten Menge mc zu der in den Zylinder 2a gelangenden Brennstoffmenge ein erwünschtes Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht.
Die für das Berechnen der Menge mc in der ersten Recheneinheit P1 herangezogene Gleichung (2) ist folgendermaßen abgeleitet:
Gemäß dem Massenerhaltungsgesetz ist die Änderung der Luftmenge in dem Ansaugrohr 4 durch die folgende Gleichung (3) beschrieben:
V/C² dP/dt = Q - mc ....(3)
wobei V das Volumen des Ansaugrohrs ist, C die Schallgeschwindigkeit in Luft ist, P der Druck in dem Ansaugrohr ist, Q die Luftstrommenge ist und mc die in den Zylinder gelangende Ansaugluftmenge ist.
Aus der Gleichung (3) wird die zeitliche Änderung des Drucks P durch die folgende Gleichung (4) beschrieben:
dP/dt = (Q - mc).C²/V ...(4)
Als nächstes wird die Gleichung (4) in einem diskreten System durch die folgende Gleichung (5) dargestellt:
P(k+1) - P(k) = (Q - mc) . Δt /V ...(5)
Die Zeit für einen Ansaughub ist 30/ω, wobei ω die Maschinendrehzahl ist. Daher kann die Gleichung (5) auf die folgende Gleichung (6) umgeschrieben werden:
P(k+1) - P(k)
= (Q.30/ω - mc.30/ω).C²/V
= (Q.30/ω - mc(k)).C²/V ...(6)
wobei mc die Ansaugluftmenge ist.
Falls andererseits der Volumenwirkungsgrad η der Maschine 2 gemäß der folgenden Gleichung (7) angenommen wird
η = A.P + B ...(7)
in welcher A und B Konstanten sind, kann die Ansaugluftmenge mc durch die folgende Gleichung (8) beschrieben werden:
mc = η . ν = A . ν . P + B . ν ...(8)
wobei ν das Zylindervolumen ist.
Nach der Gleichung (8) können die Druckwerte P(k) und P(k+1) in der Gleichung (6) durch die folgenden Gleichungen (9) bzw. (10) beschrieben werden:
P(k) = {mc(k) - B.ν}/A.ν ...(9)
P(k+1) = {mc(k+1) - B.ν}/A.ν ...(10)
Die folgende Gleichung (11) kann durch Einsetzen der Gleichungen (9) und (10) in die Gleichung (6) erhalten werden.
mc(k+1) = A . ν . 30 . Q . C²/ω.V + mc(k) . (1 - A . ν . C²/V) ....(11)
Die Gleichung (11) zeigt das Verhalten der Menge mc. Falls A.ν.30.C²/V und 1 - A.ν.C²/V jeweils als Konstanten α bzw. β dargestellt werden, kann die Gleichung (11) zur Gleichung (2) umgeschrieben werden. Wenn daher die Konstanten α und β nach dem Kennwertermittlungsverfahren bestimmt werden, ergibt sich die Gleichung (2) für das Erhalten der Menge mc.
Das Regelsystem nach Fig. 3 ist entsprechend einem physikalischen Modell ausgelegt, welches das Verhalten von Brennstoff in einer Maschine 2 beschreibt, in der die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf-Brennstoffmenge fv Zustandsvariable sind. Die Gestaltung des physikalischen Modells, welches das Bezugsmodell für dieses Regelsystem ist, und das Verfahren für das Auslegen des Regelsystems werden nachstehend beschrieben. Entwurfverfahren dieser Art sind in Einzelheiten in "An Introduction to Dynamic System -- Theory, Models and Applications" von David G. Luenberger, John Wiley & Sons Inc., New York (1979) beschrieben, so daß sie bei diesem Ausführungsbeispiel nur kurz erläutert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Smith-Davison- Entwurfverfahren angewandt.
Die in den Zylinder 2a der Maschine 2 gelangende Brennstoffmenge fc kann unter Einsetzen der Brennstoffeinspritzmenge q, der anhaftenden Brennstoffmenge fw und der Dampf-Brennstoffmenge fv durch die folgende Gleichung (12) beschrieben werden:
fc = r1 q + r2 fw + r3 fv ...(12)
Im einzelnen ist die Brennstoffmenge fc eine Summe aus der direkten Strömung r1q des eingespritzten Brennstoffs aus dem Brennstoffeinspritzventil 42, der indirekten Strömung r2fw aus dem Rohr 4, an dem der eingespritzte Brennstoff kondensiert, und der Strömung r3fv des durch Verdampfen des eingespritzten Brennstoffs oder des anhaftenden Brennstoffs in dem Rohr 4 verbliebenen Brennstoffdampfes.
In der Gleichung (12) ist die Brennstoffeinspritzmenge q durch die Steuergröße für das Brennstoffeinspritzventil 42 bestimmt, so daß die Brennstoffmenge fc berechnet werden kann, wenn die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf- Brennstoffmenge fv ermittelt sind.
Es werden nun die Brennstoffmengen fw und fv betrachtet. Die anhaftende Brennstoffmenge fw nimmt je Ansaughub infolge des Einströmens des Brennstoffs in den Zylinder 2a während des Ansaughubs und auch infolge des Verdampfens des Brennstoffs in dem Rohr 4 um r2 ab. Andererseits nimmt die Brennstoffmenge fw um eine Menge r4 zu, da an der Innenwand die Menge r4 der synchron mit dem Ansaughub eingespritzten Brennstoffeinspritzmenge q haftet. Die Menge des bei jedem Ansaughub verdampften Brennstoffs kann durch r5Vf/ω dargestellt werden, so daß die anhaftende Brennstoffmenge fw durch die folgende Gleichung (13) beschrieben werden kann:
fw(k+1) = (1 - r2) fw(k) + r4 q(k)
- r5 Vf(k)/ω(k) .....(13)
Die Dampf-Brennstoffmenge fv nimmt bei jedem Ansaugtakt infolge des Einströmens des Brennstoffs in den Zylinder 2a während des Ansaughubs um eine Menge r3 ab. Andererseits nimmt die Brennstoffmenge fv um eine Menge r6 infolge der Verdampfung des Anteils r6 der Brennstoffeinspritzmenge q und auch infolge der Verdampfung des anhaftenden Brennstoffs zu. Daher kann die Dampf-Brennstoffmenge fv in dem Rohr 4 durch folgende Gleichung (14) beschrieben werden:
fv(k+1) = (1 - r3) fv(k) + r6 q(k)
+ r5 Vf(k)/ω (k) ...(14)
Die in den Zylinder 2a strömende Brennstoffmenge fc(k) kann unter Einsetzen des Brennstoff/Luft-Verhältnisses λ(k) des der Maschine 2 zugeführten Brennstoffgemisches und der dem Zylinder 2a erneut zugeführten Ansaugluftmenge mc(k) durch die folgende Gleichung (15) beschrieben werden:
fc(k) = mc(k) λ(k) ...(15)
Wenn die Faktoren r1 bis r6 der vorstehenden Gleichungen nach dem Systemkennwerte-Ermittlungsverfahren bestimmt werden, ergeben sich die folgende Zustandsgleichung (16) und die folgende Ausgabegleichung (17). In den Gleichungen (16) und (17) ist ein Takt der Maschine 2 als ein Abfragetakt durch das diskrete System dargestellt und die anhaftende Brennstoffmenge und die Dampf-Brennstoffmenge sind Zustandsvariable. Auf diese Weise wird das das Brennstoffverhalten in der Maschine 2 darstellende physikalische Modell abgeleitet.
Das Regelsystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist von dem durch die Gleichungen (16) und (17) dargestellten physikalischen Modell ausgehend ausgelegt. Dieses nichtlineare physikalische Modell wird auf lineare Weise angenähert.
Falls die folgenden Gleichungen angewandt werden:
werden die Gleichungen (16) und (17) durch die folgenden Gleichungen dargestellt:
x(k+1) = ∅ x(k) + Γ q(k) + Π Vf(k)/ω(k) ...(24)
y(k) = θ x(k) ...(25)
Falls an der rechten Seite der Gleichung (24) eine Störgröße W(k) hinzugefügt wird, ergeben die Gleichungen (24) und (25) die folgenden Gleichungen (24)' und (25)', wobei die Variablen in diesem Fall einen Zusatz a erhalten:
xa(k+1 ) = ∅ xa(k) + Γ qa(k) +Π Vf(k)/ω(k) + E W(k) ...(24)'
ya(k) = θ xa(k) ...(25)'
wobei
r7 und r8 Konstanten sind.
Falls y(k) = yr (der Sollwert) ist, ergeben die Gleichungen (24) und (25) die folgenden Gleichungen (24)" und (25)":
xr = ∅ xr + Γ qr + Π Vf(k)/ω(k) ...(24)"
yr = θ xr ...(25)"
Aus den vorstehenden Gleichungen (24)', (25)' und (24)", (25)" werden die Gleichungen (26) und (27) abgeleitet:
xa(k+1) - xr = ∅ (xa(k) - xr) + Γ (qa(k) - qr) + E W(k) ...(26)
ya(k) - yr = θ (xa(k) - xr) ...(27)
Wenn unter der Annahme, daß sich in der Gleichung (26) die Störgröße W stufenweise ändert, ΔW(k) = W(k) - W(k-1) = 0 ist, erhält man aus den Gleichungen (26) und (27) die Gleichungen (26)' und (27)':
Δ(xa(k+1)-xr) = ∅ Δ(xa(k)-xr) + Γ Δ(qa(k)-qr) ...(26)'
Δ(ya(k)) - yr) = θ Δ (xa(k) - xr) ...(27)'
Daher haben die vorstehenden Gleichungen (26)' und (27)' eine Zustandsgleichung zur Folge, die auf lineare Weise angenähert ist und die auf ein Servosystem gemäß der Darstellung durch die folgende Gleichung (28) erweitert ist:
Diese Gleichung (28) wird in die folgende Gleichung (29) umgeschrieben:
δX(k+1) = Pa . δX(k) + Ga . δu(k) ...(29)
Eine quadratische Kriteriumfunktion in dem diskreten System kann folgendermaßen dargestellt werden:
Mit gewählten Gewichtungsparametermatrizen Q und R wird aus der nächsten Gleichung (31) die Eingabe δu(k) für das Minimieren der quadratischen Kriteriumfunktion J erhalten:
δu(k) = F δX(k) ...(31)
Auf diese Weise ist die optimale Rückführungsverstärkung F in der Gleichung (28) bestimmt durch:
F = -(R + GaT M Ga)&supmin;¹ GaT M Pa ...(32)
wobei M eine einer diskreten Ricacci-Gleichung genügende regelmäßige symmetrische Matrix ist, die dargestellt ist durch:
M = PaT M Pa + Q - (PaT M Ga) (R + GaT M Ga)&supmin;¹ (GaT M Pa) ... (33)
Daher ergibt sich Δ(qa(k) - qr) zu
wobei F gleich [F1 F2] ist.
Wenn die Gleichung (34) integriert wird, ergibt sich qa(k) - qr) zu
Wenn eine Einstellung gemäß der Gleichung (35) unter der Bedingung der Gleichungen (24)" und (25)" (d.h., y(k) = yr) vorgenommen wird, ergibt sich die folgende Gleichung (36):
qr = F1 xr - F1 xa(0) + ya(0) ...(36)
Dann ergibt das Einsetzen der Gleichung (36) in die Gleichung (24)" die folgende Gleichung (37):
xr = [∅ + Γ F1] xr + Γ (-F1 xa(0) + qa(0)) + Π Vf(k)/ω(k) ...(37)
Falls xa(k+1) = x(k) gilt (kT∞), ergeben sich die folgenden Gleichungen (38) und (39):
xr(k) = [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ Γ (-F1 xa(0) + qa(0)) + [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ Π Vf(k)/ω(k) ...(38)
yr(k) = θ [I - ∅ -Γ F1]&supmin;¹ Γ (-F1 xa(0) + qa(0)) + θ [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ Π Vf(k)/ω(k) ...(39)

Daher ergibt sich folgende Gleichung:

-F1 xa(0) + qa(0) = [θ [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ Γ]&supmin;¹ yr - [θ [I - ∅ -Γ F1]&supmin;¹ Γ]&supmin;¹ θ [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ . Π . Vf(k)/ω(k) ... (40)
Aus der Gleichung (40) ergibt sich durch Einsetzen der folgenden Gleichungen (41) und (42) in die Gleichung (35) die Gleichung (43).
F3 = [θ [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ Γ]&supmin;¹ ...(41)
F4 = -[θ [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ Γ]&supmin;¹. [I - ∅ - Γ F1]&supmin;¹ ...(42)
Das Einsetzen der Gleichungen (18) und (19) in die Gleichung (43) ergibt:
Dementsprechend ist das in Fig. 3 gezeigte Regelsystem ausgelegt.
In der Gleichung (44) ist die Menge Vf an verdampftem Brennstoff eine Funktion des Sättungsdampfdrucks Ps und des Ansaugluftdrucks P in dem Rohr 4. Der Druck Ps ist schwer auf direkte Weise mittels eines Sensors zu erfassen. Der Druck Ps ist jedoch eine Funktion der Temperatur T des an der Innenwand des Rohrs 4 haftenden Brennstoffs und die Temperatur T kann durch die Kühlwassertemperatur Tw oder die Temperatur des Zylinderkopfs nahe an der Ansaugöffnung ersetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Druck Ps nach folgender Gleichung (45) ermittelt werden, in der die durch den Sensor 28 erfaßte Temperatur Tw (ºK) als Parameter eingesetzt ist:
Ps = β1 Tw² - β2 Tw + β3 ...(45)
wobei β1, β2 und β3 Konstanten sind. Die Menge Vf an verdampftem Brennstoff wird aus einer Tabelle erhalten, in der der berechnete Wert Ps und der Druck P als Parameter (in der dritten Recheneinheit P9) verwendet sind.
Wenn die Menge Vf an verdampftem Brennstoff auf die vorstehend beschriebene Weise berechnet wird, wird der Druck P benötigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist kein Sensor für das Messen des Drucks P vorgesehen, es kann jedoch gemäß der Darstellung in den Gleichungen (9) und (10) der Druck P als eine Funktion der Ansaugluftmenge mc dargestellt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Wert Aν und Bν in Gleichung (9) und (10) nach dem Kennwertebestimmungsverfahren bestimmt, bei dem Aν und Bν als Konstanten A1 und B1 dargestellt sind. In der zweiten Recheneinheit P8 wird der Druck P aus der in der ersten Recheneinheit P1 berechneten Ansaugluftmenge mc nach folgender Gleichung (46) berechnet:
P = (mc - B1)/A1 ...(46)
Ferner können die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf-Brennstoffmenge fv in Gleichung (44) nicht auf direkte Weise mittels eines Sensors gemessen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden sie durch eine Überwachungseinheit P12 veranschlagt, die aufgrund des physikalischen Modells gemäß den Gleichungen (16) und (17) ausgelegt ist.
Falls die folgende Gleichung (47) in die Gleichung (24) eingesetzt wird, wird die Gleichung (16) in die folgende Gleichung (48) umgeschrieben.
x(k+1) = ∅ x(k) + Δu(k) ... (48)
Das verallgemeinerte System der Beobachtungs- bzw. Überwachungseinheit für das durch die vorstehenden Gleichungen (48) und (25) dargestellte physikalische Modell ist als folgende Gleichung (49) bestimmt:
Daher kann die Überwachungseinheit P12 dieses ersten Ausführungsbeispiels als folgende Gleichung (50) ausgelegt werden, durch die die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf- Brennstoffmenge fv veranschlagt werden:
Die durch die elektronische Steuerschaltung 40 ausgeführte Brennstoffeinspritzsteuerung wird unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme in Fig. 4 und 5 beschrieben.
Die Routine für die Brennstoffeinspritzsteuerung beginnt mit dem Anlassen der Maschine 2 und wird während des Betriebs der Maschine 2 durchgehend wiederholt.
Wenn die Routine beginnt, werden bei einem Schritt 100 eine anhaftende Brennstoffmenge fwo, eine Dampf-Brennstoffmenge fvo, ein Integralwert Smλder Differenz zwischen der Ist- Brennstoffzuführmenge λ mc und der Soll-Brennstoffzuführmenge λrmc sowie der Zählwert eines Zählers C alle auf 0 eingestellt. Ferner werden bei dem Schritt 100 die Brennstoffeinspritzmenge q und die Ansaugluftmenge mc jeweils auf ihre geeigneten Anfangswerte qs bzw. mcs eingestellt.
Bei einem Schritt 110 wird aus einem durch den Kurbelwellenwinkelsensor 26 erfaßten Signal ermittelt, ob die Brennstoffeinspritzsteuerung beginnen kann. Falls die Antwort JA ist, werden bei einem Schritt 120 das Brennstoff/Luft- Verhältnis λ , die Luftstrommenge Q, die Maschinendrehzahl ω und die Kühlwassertemperatur Tw gemäß den von den jeweiligen Sensoren erzeugten Signalen erfaßt.
Bei einem Schritt 130 wird von der Luftstrommenge Q und der Maschinendrehzahl ω ausgehend, die bei dem Schritt 120 ermittelt wurden, in der ersten Recheneinheit P1 die Ansaugluftmenge mc für den nächsten Ansaughub nach der Gleichung (2) zum Veranschlagen der Ansaugluftmenge mc für den nächsten Ansaughub aus der Luftstrommenge Q, der Maschinendrehzahl ω und der bei der vorangehenden Routine veranschlagten Ansaugluftmenge mc berechnet. Die nach der Gleichung (2) berechnete Ansaugluftmenge mc wird für den nächsten Ansaughub als ein Wert angesetzt, der der Luftstrommenge Q und der Maschinendrehzahl ω entspricht, die bei dem Schritt 120 ermittelt wurden. Daher kann die Ansaugluftmenge mc abweichend von der Ansaugluftmenge mc zu dem Zeitpunkt sein, an dem der Brennstoff tatsächlich in dem nachfolgend beschriebenen Prozeß eingespritzt wird.
Im einzelnen dreht in Anbetracht der Rechenzeit für die Brennstoffeinspritzmenge q und der Öffnungszeit für das Brennstoffeinspritzventil 42 die Maschine 2 über einen Kurbelwinkel von 360º oder 540º (d.h., über zwei oder drei Ansaugtakte), bevor der Brennstoff tatsächlich eingespritzt wird. Falls sich in der Zwischenzeit die Betriebsbedingungen der Maschine 2 ändern, könnte die Brennstoffeinspritzmenge q nicht mehr der nach der Gleichung (2) berechneten Ansaugluftmenge mc entsprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Prozeß für das Berechnen der Ansaugluftmenge mc bei dem Schritt 130 gemäß der Darstellung in Fig. 5 ausgeführt.
Bei der Routine zum Berechnen der Ansaugluftmenge mc bei dem Schritt 130 wird zuerst bei einem Schritt 131 die Ansaugluftmenge mc nach der Gleichung (2) berechnet. Bei einem Schritt 132 wird der Zähler C aufgestuft und bei einem Schritt 133 wird ermittelt, ob der Zählstand des Zählers C größer oder gleich 3 ist. Falls die Antwort NEIN ist, kehrt der Prozeß zu dem Schritt 131 zurück. Die vorstehend beschriebenen Prozesse werden dreimalig wiederholt, wodurch die Ansaugluftmenge mc veranschlagt wird, nachdem die Maschine 2 über 540º Kurbelwinkel gedreht hat. Wenn bei dem Schritt 133 der Zählstand des Zählers C größer oder gleich 3 ist, wird der Zähler C für die nächste Routine gelöscht. Dann endet diese Routine.
Nachdem bei dem Schritt 130 die Ansaugluftmenge mc berechnet ist, schreitet der Prozeß zu einem Schritt 140 weiter, bei dem die zweite Recheneinheit P8 nach der Gleichung (46) den Druck P aus der Ansaugluftmenge mc berechnet. Dann wird bei einem Schritt 150 aus dem berechneten Druck P und der Maschinendrehzahl ω das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr berechnet, das der Belastung der Maschine 2 entspricht. Bei diesem Schritt 150 wird das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr normalerweise derart eingestellt, daß das Überschußluftverhältnis des Brennstoffgemisches 1 ist (d.h., auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis). Während des Schwerlastbetriebs der Maschine 2 wird das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr zu der fetten Seite hin verstellt, so daß der Brennstoff in mehr als der bei dem Normalbetrieb verbrauchten Menge verbraucht wird, um die Ausgangsleistung der Maschine 2 zu steigern. Andererseits wird während des Leichtlastbetriebs der Maschine 2 das Soll-Brennstoff/Luft- Verhältnis zu der mageren Seite hin verstellt, so daß der verbrauchte Brennstoff geringer als die bei dem Normalbetrieb verbrauchte Menge ist, um den Brennstoffwirkungsgrad zu verbessern.
Wenn bei dem Schritt 150 das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr bestimmt ist, schreitet der Prozeß zu einem Schritt 160 weiter, bei dem die Prozesse der dritten Recheneinheit P9 und des Dividierers P10 ausgeführt werden. Im einzelnen wird zuerst aus dem bei dem Schritt 140 berechneten Druck P und der bei dem Schritt 120 ermittelten Kühlwassertemperatur Tw die Menge Vf an verdampftem Brennstoff ermittelt. Dann wird der ermittelte Wert durch die Maschinendrehzahl ω geteilt, um die Menge Vfw des verdampften Brennstoffs zu berechnen (= Vf/ω, d.h., die Menge des Brennstoffs, der von der Innenwand des Rohrs 4 zwischen Takten des Ansaughubs abdampft).
Bei einem Schritt 170 wird der Prozeß des zweiten Multiplizierers P3 ausgeführt. Das bei dem Schritt 120 ermittelte Brennstoff/Luft-Verhältnis λ wird mit der Ansaugluftmenge mc multipliziert, um die tatsächliche Brennstoffzuführmenge mcλ zu berechnen, die während des vorangehenden Ansaugtaktes in den Zylinder 2a geströmt ist.
Bei einem Schritt 180 wird der Prozeß der Überwachungseinheit P12 ausgeführt. Die anhaftende Brennstoffmenge w und die Dampf-Brennstoffmenge v werden nach der Gleichung (49) aus der bei dem Schritt 170 ermittelten Ist-Brennstoffzuführmenge mcλ, der bei der vorangehenden Ausführung der gleichen Routine ermittelten Brennstoffeinspritzmenge q, der bei dem Schritt 160 ermittelten Menge Vfw an verdampftem Brennstoff und der anhaftenden Brennstoffmenge wo und Dampf-Brennstoffmenge vo veranschlagt, die bei dem vorangehenden Ausführen der gleichen Routine ermittelt wurden.
Bei einem Schritt 190 wird der Prozeß des ersten Multiplizierers P2 ausgeführt. Das bei dem Schritt 150 angesetzte Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr wird mit der bei dem Schritt 130 ermittelten Ansaugluftmenge mc multipliziert, um die in den Zylinder 2a gelangende Soll-Brennstoffmenge mcλr zu berechnen.
Bei einem Schritt 200 wird die Brennstoffeinspritzmenge q nach der Gleichung (44) aus dem Integralwert Sm der Differenz zwischen der Ist-Brennstoffzuführmenge mcλ und der Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr, der anhaftenden Brennstoffmenge w und der Dampf-Brennstoffmenge v, die bei dem Schritt 180 ermittelt wurden, der bei dem Schritt 190 ermittelten Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr und der bei dem Schritt 160 ermittelten Menge Vfw an verdampftem Brennstoff berechnet. Bei einem Schritt 210 wird das Brennstoffeinspritzventil 42 für eine der berechneten Brennstoffeinspritzmenge q entsprechende Zeitdauer geöffnet, wodurch der Brennstoff tatsächlich eingespritzt wird.
Wenn die Brennstoffzufuhr zu der Maschine 2 nach dem Ausführen der Brennstoffeinspritzsteuerung bei dem Schritt 210 endet, schreitet der Prozeß zu einem Schritt 220 weiter, bei dem der Prozeß des Summenrechners P5 ausgeführt wird. Die Differenz zwischen der bei dem Schritt 170 ermittelten Ist- Brennstoffzuführmenge mcλ und der bei dem Schritt 180 ermittelten Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr wird zu dem bei dem vorangehenden Ausführen der gleichen Routine erhaltenen Integralwert Smλ addiert, um den Integralwert Smλ fortzuschreiben. Bei einem SChritt 230 werden die anhaftende Brennstoffmenge w und die Dampf-Brennstoffmenge v, die bei dem Schritt 180 ermittelt wurden, als Bezugswerte fwo und fvo eingesetzt, die bei dem nächsten Prozeßzyklus für das Veranschlagen der anhaftenden Brennstoffmenge w und der Dampf-Brennstoffmenge v herangezogen werden. Der Prozeß kehrt dann wieder zu dem Schritt 110 zurück.
Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der vorstehenden Erläuterung wird die Ansaugluftmenge mc aus der mittels des Luftstrommessers 6 erfaßten Luftstrommenge Q und der Maschinendrehzahl ω nach der Gleichung (2) berechnet, die das Verhalten der Ansaugluftmenge gemäß dem das Massenerhaltungsgesetz für die Ansaugluft beschreibenden physikalischen Modell darstellt. Daher kann die Ansaugluftmenge mc auf gleichmäßige und genaue Weise gemäß den Betriebszuständen der Maschine 2 berechnet werden. Selbst wenn die Maschine 2 im Übergangsbetrieb arbeitet, kann die Brennstoffeinspritzsteuerung auf genaue Weise ausgeführt werden.
Weiterhin wird bei der Berechnung der Ansaugluftmenge mc bei diesem Ausführungsbeispiel der Wert nach drei Hüben berechnet. Dies berücksichtigt die durch die Rechenzeit für die Steuergröße (d.h., die Brennstoffeinspritzmenge q) und die Zeit für das Einspritzventil 42 verursachte Ansprechverzögerung der Regelung. Hierdurch wird die Regelgenauigkeit verbessert.
Darüberhinaus wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Brennstoffeinspritzmenge q unter der Berücksichtigung bestimmt, daß etwas von dem aus dem Brennstoffeinspritzventil 42 eingespritzten Brennstoff in dem Ansaugrohr 4 als anhaftender Brennstoff und Brennstoffdampf verbleibt und daß ein gewisser Anteil des zurückgebliebenen Brennstoffs in den Zylinder 2a strömt. Dies verbessert gleichfalls die Genauigkeit der Brennstoffeinspritzsteuerung.
Als erstes Ausführungsbeispiel ist der Fall beschrieben, daß die Recheneinrichtung an das Brennstoffeinspritzsteuersystem angepaßt ist. Eine nächste Recheneinrichtung kann für das Zündzeitpunktsteuersystem verwendet werden. Es wird nun dieses zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die Recheneinrichtung für das Zündzeitpunktsteuersystem verwendet ist.
Bei der Zündzeitpunktsteuerung wird die Zeitsteuerung der Hochspannungs-Zündanlage 30 nach Fig. 2 vorgenommen. Die Steuereinheit bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die gleiche wie die elektronische Steuereinheit 40 bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Steuergrößen-Berechnungsroutine für das Steuern des Zündzeitpunkts (d.h., die Zündzeitpunkt-Berechnungsroutine), die nach Beginn des Betriebs der Maschine 2 wiederholt ausgeführt wird, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 6 beschrieben.
Wenn die Routine beginnt, wird bei einem Schritt 300 die Ansaugluftmenge mc auf einen geeigneten Anfangswert mcs eingestellt. Bei einem Schritt 310 ermitteln der Luftstrommesser 6, der Maschinendrehzahlsensor und der Wassertemperatursensor jeweils die Luftstrommenge Q, die Maschinendrehzahl ω und die Kühlwassertemperatur Tw. Bei einem Schritt 320 wird auf gleiche Weise wie bei dem Schritt 131 bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Ansaugluftmenge mc aus der Luftstrommenge Q und der Maschinendrehzahl ω nach der Gleichung (2) berechnet.
Bei einem Schritt 330 wird aus einer Tabelle, in der die berechnete Ansaugluftmenge mc und die Maschinendrehzahl ω als Parameter eingesetzt sind, der Grund-Zündzeitpunkt θo der Maschine 2 berechnet. Bei einem Schritt 340 wird der berechnete Grund-Zündzeitpunkt θo gemäß der Kühlwassertemperatur Tw korrigiert, um den Zündzeitpunkt θ der Maschine 2 zu bestimmen.
Bei einem Zündzeitpunktsteuersystem, bei dem der Zündzeitpunkt auf die vorstehend erläuterte Weise berechnet wird, kann der Grund-Zündzeitpunkt θo auf einen Wert gesteuert werden, der der Ansaugluftmenge mc entspricht, und der Zündzeitpunkt kann entsprechend den Betriebszuständen der Maschine 2 gesteuert werden, um das optimale Ausgangsdrehmoment zu erhalten.
Bei der Zündzeitpunktberechnungsroutine wird der Prozeß für das Berechnen der Ansaugluftmenge mc nach der Gleichung (2) nur einmalig ausgeführt, da die Zündzeitpunktsteuerung für das Steuern des Zeitpunkts der Hochspannungserzeugung der Zündanlage anders als die Brennstoffeinspritzsteuerung keine lange Zeit beansprucht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Gleichung (2) für das Berechnen der Ansaugluftmenge mc als Abfragetakt angesetzt, der den Ansaugtakt der Maschine 2 darstellt. Die Ansaugluftmenge mc muß synchron mit dem Ansaugtakt der Maschine 2 berechnet werden. Beispielsweise wird bei der Vierzylinder-Viertakt-Maschine die Ansaugluftmenge mc viermalig während zweier Umdrehungen der Maschine 2 berechnet und bei einer Sechszylinder-Viertakt-Maschine wird die Menge mc sechsmalig während zweier Umdrehungen der Maschine 2 berechnet. Auf diese Weise wird bei einer Mehrzylindermaschine die Menge mc mindestens zweimalig je Umdrehung der Maschine 2 berechnet.
Wenn die Recheneinrichtung für das Brennstoffeinspritzsteuersystem der Mehrzylindermaschine verwendet wird, um die Ansaugluftmenge mc für das Berechnen der Brennstoffeinspritzmenge zu veranschlagen, wird die Brennstoffeinspritzmenge mc mindestens zweimalig je Ansaugtakt nach der Gleichung (2) berechnet, wobei die Zeit für das Berechnen der Brennstoffeinspritzmenge und die Zeit für das Öffnen des Brennstoffeinspritzventils 42 in Betracht gezogen ist. Auf diese Weise wird die Ansaugluftmenge mc von dem Erfassen der Luftstrommenge Q an nach den vorbestimmten Ansaugtakten (beispielsweise nach drei Hüben) berechnet.
Falls jedoch die Recheneinrichtung unverändert in dem Brennstoffeinspritzsteuersystem verwendet wird und die Ansaugluftmenge mc sich nach deren Berechnung infolge einer Änderung der Betriebszustände der Maschine 2 ändert, kann kein Schritt unternommen werden. Daher verbessert das Steuersystem die Regelgenauigkeit des Luft/Brennstoff-Verhältnisses gegenüber derjenigen des Systems nach dem Stand der Technik, es kann aber während des Übergangsbetriebs der Maschine das Luft/Brennstoff-Verhältnis von dem Soll-Luft/Brennstoff- Verhältnis abweichen.
Ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel sind zum Beheben dieses Mangels gestaltet.
Zunächst wird nachstehend das dritte Ausführungsbeispiel erläutert, das ein Teil der in Fig. 1B dargestellten Erfindung ist.
In Fig. 7 sind 32-1 bis 32-4 Zündkerzen, 41-1 bis 41-4 sind Ansaugzweigrohre und 42-1 bis 42-4 sind Brennstoffeinspritzventile. Die wie in Fig. 2 dargestellten Teile behalten die gleichen Bezugszeichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird sowohl eine asynchrone Einspritzung als auch eine synchrone Einspritzung ausgeführt.
In einer elektronischen Steuerschaltung 40 wird die Brennstoffeinspritzung für einen jeden Zylinder #1 bis #4 gemäß der in Fig. 8 dargestellten Steuervorschrift gesteuert. Das Brennstoffeinspritzsteuersystem nach Fig. 8 zeigt keinerlei schaltungsmäßigen Aufbau und wird durch Ausführen der Routine nach Fig. 9A und 9B realisiert. Ferner zeigt die Fig. 8 die Steuervorschrift für das Berechnen der Synchroneinspritzmenge. Die Asynchroneinspritzmenge wird gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ablaufdiagramm in Fig. 9A und 9B berechnet.
In dem in Fig. 8 gezeigten Brennstoffeinspritzsteuersystem wird in einer ersten Recheneinheit R1 aus der mittels eines Luftstrommessers 6 erfaßten Luftstrommenge Q und der mittels eines Maschinendrehzahlsensors 24 erfaßten Maschinendrehzahl ω die in einen Zylinder gelangende Ansaugluftmenge mc nach der Gleichung (2) berechnet.
Die in der ersten Recheneinheit R1 berechnete Ansaugluftmenge mc wird einem ersten Multiplizierer R2 zum Multiplizieren mit einem Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr zugeführt, das gemäß den Betriebszuständen einer Maschine 2 eingestellt wird. Im einzelnen multipliziert der erste Multiplizierer R2 die Ansaugluftmenge mc mit dem Soll-Brennstoff/Luft- Verhältnis λr, um eine dem Zylinder während des Ansaugtaktes der Maschine 2 zuzuführende Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr zu berechnen. Die berechnete Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr wird einem Multiplizierer R3 zum Multiplizieren mit einem voreingestellten Faktor f3 zugeführt.
Die in der ersten Recheneinheit R1 berechnete Ansaugluftmenge mc wird auch einer zweiten Recheneinheit R4 zugeführt, in der aus der Ansaugluftmenge mc der Ansaugluftdruck P berechnet wird. Das Rechenergebnis wird zusammen mit der mittels eines Sensors 28 erfaßten Kühlwassertemperatur Tw einer dritten Recheneinheit R5 zugeführt. In der dritten Recheneinheit R5 wird aus der eingegebenen Temperatur Tw der Sättigungsdampfdruck Ps in den Ansaugzweigrohren 41 ermittelt und aus dem ermittelten Dampfdruck Ps und dem Ansaugluftdruck P die Menge Vf an verdampftem Brennstoff je vorbestimmte Zeit berechnet, der an den Innenwänden der Ansaugzweigrohre 41 haftet. Die berechnete Menge Vf an verdampftem Brennstoff wird einem Dividierer R6 zum Dividieren durch die mittels des Sensors 24 erfaßte Maschinendrehzahl ω zugeführt.
Der Quotient Vf/ω wird einem Multiplizierer R7 zum Multiplizieren mit einem voreingestellten Faktor f4 zugeführt. Der Quotient Vf/ω wird auch einer Überwachungseinheit R8 zugeführt. In der Überwachungseinheit R8 wird die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf-Brennstoffmenge fv gemäß dem Quotienten Vfw (= Vf/ω), der Brennstoffeinspritzmenge q und der anhaftenden Brennstoffmenge w sowie der Dampf- Brennstoffmenge v abgeschätzt, die vorangehend veranschlagt wurden. Die sich ergebenden Schätzwerte w und v werden jeweils durch Multiplizierer R9 und R10 mit Faktoren f1 und f2 multipliziert. Die Ergebnisse aus den Multiplizierern R9 und R10 werden in Summierteilen R11 bis R13 mit den Ergebnissen aus den Multiplizierern R3 und R7 addiert. Auf diese Weise wird die Brennstoffeinspritzmenge q aus dem Brennstoffeinspritzventil 42 bestimmt.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel werden auch die grundlegenden Modellgleichungen (16) und (17) angewandt, da sie das Brennstoffverhalten für alle Zylinder der Maschine 2 beschreiben.
Die Maschine 2 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Vierzylinder-Viertakt-Ausführung, so daß durch Dividieren beider Seiten der Gleichungen (16) und (17) durch 4 die folgenden Gleichungen (16)' und (17)' erhalten werden. Die Gleichungen (16)' und (17)' zeigen das Brennstoffverhalten je Zylinder, für das 180º Kurbelwellenwinkel der Abtastzyklus ist.
Nachstehend sind in den Gleichungen (16)' und (17)' die Apostrophe zweckdienlich weggelassen.
Falls die Faktoren δ2 bis δ6 in den Gleichungen (16)' und (17)' nach dem Verfahren der Systemkennwertebestimmung bestimmt werden, können die Gleichungen (16)' und (17)' in dem diskreten System als Zustandsgleichung bzw. als Ausgabegleichung dargestellt werden. In diesen Gleichungen ist der Ansaugtakt der Maschine 2 ein Abtasttakt und die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf-Brennstoffmenge fv sind Zustandsvariable. Auf diese Weise wird das das Brennstoffverhalten je Zylinder darstellende physikalische Modell bestimmt.
Das in den Gleichungen (16)' und (17)' beschriebene physikalische Modell ist nichtlinear, so daß es linear angenähert wird.
Falls die folgenden Gleichungen gebildet werden
x(k) = [fw(k) fv(k)]T ... (50)
w(k) = [Vf(k)/ω(k)] ... (54)
y(k) = [mc(k) λ(k)] ...(55)
u(k) = [q(k)] ... (56)
Λ= [1-δ4-δ6] ... (57)
θ = [δ2 δ3] ... (58)
können die Gleichungen (16)' und (17)' durch die folgenden Gleichungen (59) und (60) dargestellt werden:
x(k+1) = ∅ x(k) + Γ u(k) + E w(k) ... (59)
y(k) = θ x(k) + Λ u(k) ... (60)
Wenn bei dem gleichmäßigen Zustand mit y(k) = yr (Sollwert) u(k) = ur und x(k) = xr ist, dann sind die Gleichungen (59) und (60) durch die folgenden Gleichungen (59)' und (60)' dargestellt:
xr = ∅ xr + Γ ur + E w(k) ... (59)'
yr = θ xr + Δ ur ...(60)'
Aus diesen Gleichungen (59), (59)', (60) und (60)' werden die folgenden Gleichungen erhalten:
x(k+1) - xr = ∅ (x(k) - xr) + Γ (u(k) - ur) ... (61)
y(k) - yr = θ (x(k) - xr) + Δ (u(k) -ur) ... (62)
Wenn die folgenden Gleichungen gebildet werden
X(k) = x(k) - xr ... (63)
U(k) = u(k) - ur ... (64)
Y(k) = y(k) - yr - Δ (u(k) - ur) ... (65)
ergeben die Gleichungen (61) und (62) folgendes:
X(k+1 ) = ∅ X(k) + Γ U(k) ... (66)
Y(k) = θ Y(k) ... (67)
Falls in den vorstehenden Gleichungen (66) und (67) X(k) = 0 auch Y(k) = 0 ergibt und falls u(k) Tur und y(k) Tyr gilt, kann der optimale Regler für die vorstehende Gleichung (66) entworfen werden. D.h., die optimale Regelung wird durch Lösen der diskreten Ricacci-Gleichung gemäß der Darstellung in der folgenden Gleichung (68) erhalten:
U(k) = F.X(k) ... (68)
Die Gleichung (68) wird unter Anwendung der Gleichungen (63) und (64) in die folgende Gleichung (69) transformiert:
u(k) = F X(k) - F xr + ur ... (69)
xr und ur in den Gleichungen (59)' und (60)' sind durch die folgende Gleichung (70) gegeben und die Gleichung (69) wird zum Bilden von u(k) gelöst.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Gleichung (70) als folgende Gleichung (71) aus den Gleichungen (50) bis (58) umgeschrieben
Auf diese Weise werden die Werte xr und ur (d.h., fwr, fvr und qr) folgendermaßen erhalten:
fwr = β11 Vf(k)/ω(k) + β12 (λr mc(k) - (1-δ4-δ6) u(k)} ... (72)
fvr =β21 Vf(k)/ω(k) + β22 (λr mc(k) - (1-δ4-δ6) u(k)} ... (73)
qr = β21 Vf(k)/ω(k) + β23 (λr mc(k) - (1-δ4-δ6) u(k)} ... (74)
wobei β11 bis β23 Konstanten sind.
Aus der Gleichung (69) wird unter Anwendung der Faktoren f1 bis f4 die folgende Gleichung (75) abgeleitet:
u(k) = f1 fw(k) + f2 fv(k) + f3 m(k) r + f4 Vf(k)/ω(k) ... (75)
Auf diese Weise kann das in Fig. 8 gezeigte Steuersystem entworfen werden.
Ferner können die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf-Brennstoffmenge fv bei diesem Ausführungsbeispiel unter Anwendung der Gleichung (16)' veranschlagt werden.
Im einzelnen kann q(k) in der Gleichung (16)' als Steuergröße der elektronischen Steuerschaltung 40 erkannt werden. Vf(k) wird aus dem Sättigungsdampfdruck Ps, der aus der mittels des Sensors 28 erfaßten Kühlwassertemperatur Tw ermittelt wird, und aus dem nach der Gleichung (46) berechneten Ansaugluftdruck P ermittelt. Ferner kann ω(k) durch den Sensor 24 erfaßt werden, so daß der zweite und der dritte Ausdruck auf der rechten Seite berechnet werden können.
Auf nachstehende Weise werden Gleichungen (76) und (77) zum Ableiten einer Gleichung (78) verwendet.
&epsi;w(k) = fw(k) - w(k) ... (76)
&epsi;v(k) = fv(k) - v(k) ... (77)
Die Gleichung (78) ist stetig, da 1 - δ2 < 1 und 1 - δ3 < 1 gilt. Daher gilt &epsi;w(k) und &epsi;v(k) T 0, d.h., w(k) - fw(k) und v(k) - fv(k). Falls für fw(k) und fv(k) geeignete Anfangswerte eingesetzt werden, können sie nach der Gleichung (16)' veranschlagt werden. Selbst wenn die Störgröße Bedingungen wie fw(k) ≠ w und fv(k) ≠ v hervorruft, ergibt die Gleichung (75) leicht u(k) (d.h., die Brennstoffeinspritzmenge q(k)), da w(k) und v(k) jeweils fw(k) und fv(k) folgt.
Die Brennstoffeinspritzsteuerung, die durch die elektronische Steuerschaltung 40 gemäß der vorstehend bestimmten Steuerregel ausgeführt wird, wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in Fig. 9A und 9B erläutert.
Diese Routine wird gemäß einem von dem Kurbelwellenwinkelsensor 26 erzeugten Signal bei jeder Drehung der Maschine 2 um 180º Kurbelwellenwinkel ausgeführt. Die während des laufenden Zyklus erfaßten oder berechneten Größen sind durch einen Zusatz (k) bezeichnet. Die Größen bei der letzten Routine (180º Kurbelwellenwinkel früher) und bei der vorletzten Routine (360º früher) sind durch Zusätze (k-1) bzw (k-2) dargestellt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 9A und 9B wird in der Brennstoffeinspritzberechnungsroutine bei einem Schritt 400 der Zählstand C aufgestuft. Bei einem Schritt 410 wird ermittelt, ob der Zählstand C größer als oder gleich vier ist. Falls C ≥ 4 ist, wird bei einem Schritt 420 der Zählstand C auf 0 rückgesetzt. Falls C < 4 ist, schreitet der Prozeß zu einem Schritt 430 weiter. Der Zählstand C wird dazu benutzt, anzuzeigen, in welcher Phase sich ein Zylinder gegenwärtig befindet (Ansaugen, Explosion, Auspuff oder Kompression). Wenn ein Zylinder die Ansaugphase beginnt, wird C für diesen Zylinder rückgesetzt.
Bei dem Schritt 430 wird ein Zylinder im gegenwärtigen Ansaughub (d.h., während der 180º Kurbelwellendrehung der Maschine 2) mit X1 bezeichnet, worauf auf gleichartige Weise X2, X3 und X4 folgt Die den jeweiligen Zylindern entsprechenden Zylindernummern #1 bis #4 werden gemäß den Zählstandwerten C eingesetzt und sind durch die Auflistung in der folgenden Tabelle dargestellt. Die für die Zylinder X1 bis X4 berechneten Größen werden durch die den jeweiligen Zylindern entsprechenden Nummern #1 bis #4 bezeichnet. Tabelle
Bei einem Schritt 440 werden aus den von den jeweiligen Sensoren erzeugten Signalen die Luftstrommenge Q(k), die Maschinendrehzahl ω(k) und die Kühlwassertemperatur Tw(k) ermittelt.
Bei einem Schritt 450 werden die Ansaugluftmengen mcX1(k), mcx2(k) und mcX3(k), die während eines jeweiligen Ansaugtaktes in die bei dem Schritt 430 bestimmten jeweiligen Zylinder X1, X2 und X3 gelangen, aus der Luftstrommenge Q(k) und der Maschinendrehzahl ω(k) berechnet, die bei dem Schritt 440 ermittelt wurden. Die Mengen mcX1(k), mcX2(k) und mcX3(k) werden nach Gleichung (2) berechnet. Zuerst wird die Menge mcX1 für den Zylinder X1 aus der Luftstrommenge Q(k), der Maschinendrehzahl ω(k) und der bei der letzten Routine (d.h., um 180º Kurbelwellenwinkel früher) berechneten Ansaugluftmenge mcX1(k-1) berechnet. Darauffolgend wird die Menge mcX2(k) für den Zylinder X2 aus der Ansaugluftmenge mcX1(k), der Luftstrommenge Q(k) und der Maschinendrehzahl ω(k) berechnet. Dann wird die Menge mcX3(k) für den Zylinder X3 aus der Ansaugluftmenge mcX2(k), der Luftstrommenge Q(k) und der Maschinendrehzahl ω(k) berechnet.
Der Prozeß bei dem Schritt 450 entspricht der Ansaugluft- Recheneinrichtung und der Ansaugluft-Nachrecheneinrichtung nach Fig. 1B. Die ermittelte Brennstoffeinspritzmenge mcX3(k) für den Zylinder X3 wird bei der Berechnung einer Synchroneinspritzmenge für den Zylinder X3 nach einem Schritt 460 herangezogen. Die Ansaugluftmengen mcX2(k) und mcX1(k) werden zur Asynchroneinspritzsteuerung für die Zylinder X2 bzw. X1 nach einem Schritt 510 bzw. 600 herangezogen.
Nach dem Berechnen der jeweiligen Mengen mcX1(k), mcX2(k) und mcX3(k) für die Zylinder X1, X2 und X3 berechnet bei dem Schritt 460 die zweite Recheneinheit R4 nach Fig. 8 aus der Ansaugluftmenge mcX3(k) nach Gleichung (46) den Ansaugluftdruck PX3(k) des Zylinders X3. Dann schreitet der Ablauf zu einem Schritt 470 weiter, der der dritten Recheneinheit R5 und dem Dividierer R6 nach Fig. 8 entspricht. Zuerst wird unter Ansetzen des Ansaugluftdrucks PX3(k) und der bei dem Schritt 440 ermittelten Kühlwassertemperatur Tw(k) die Brennstoffverdampfungsrate Vf X3(k) in dem Ansaugzweigrohr 41X3 berechnet. Dieser Wert VfX3(k) wird durch die Maschinendrehzahl ω(k) dividiert, um die Menge VfwX3(k) (=VfX3(k)/ω(k)) an verdampftem Brennstoff zu erhalten, nämlich an Brennstoff, der von dem Ansaugzweigrohr 41X3 weg während der Maschinendrehung um 180º Kurbelwellenwinkel verdampft.
Aus der bei dem Schritt 450 berechneten Ansaugluftmenge mcX3(k), der bei dem Schritt 470 berechneten Menge VfwX3(k) an verdampftem Brennstoff in dem Ansaugzweigrohr 41X3 und der anhaftenden Brennstoffmenge fwX4(k-1) sowie der Dampf- Brennstoffmenge fvX4(k-1), die beide bei einem Schritt 690 des letzten Durchlaufs dieser Routine berechnet wurden, wird bei einem Schritt 480 nach der Gleichung (15) die Brennstoffeinspritzmenge qX3(k) für den Zylinder X3 berechnet. Bei einem Schritt 490 wird diese Brennstoffeinspritzmenge qX3(k) als Synchroneinspritzmenge für den Zylinder X3 bestimmt und in der (nicht gezeigten) Treiberschaltung für das Ansteuern des Brennstoffeinspritzventils 42X3 des Zylinders X3 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt für die synchrone Einspritzung eingestellt.
Hinsichtlich der Zeit für das Berechnen der Brennstoffeinspritzmenge und der Zeit für das Öffnen des Brennstoffeinspritzventils benötigt die Synchroneinspritzsteuerung die Zeit für zwei oder drei Hübe, d.h., die Maschine 2 dreht über 360º bis 540º Kurbelwellenwinkel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird daher bei dem Schritt 450 die Ansaugluftmenge mcX3(k) für den Zylinder X3 um drei Takte nach dem Zeitpunkt berechnet, an dem die Luftstrommenge Q erfaßt wurde. Die Synchroneinspritzmenge qX3(k) für den Zylinder X3 wird aus dem veranschlagten Wert mcX3(k) berechnet, so daß auf diese Weise die geeignete Synchroneinspritzsteuerung ermöglicht ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung werden bei der Berechnung der Brennstoffeinspritzmenge qX3(k) die anhaftende Brennstoffmenge fwX4(k-1) und die Dampf-Brennstoffmenge fvX4(k-1) für den Zylinder X4 herangezogen, die bei dem letzten Durchlauf dieser Routine berechnet wurden. Dies ist deshalb der Fall, weil der Zylinder, der während des letzten Prozesses als X4 angesetzt wurde, infolge der Maschinenumdrehung bei dem laufenden Prozeß als X3 angesetzt wird.
Nach diesen Vorbereitungsprozessen für die Synchroneinspritzung werden bei einem Schritt 500 als Überwachungseinheit R8 nach Fig. 8 die anhaftende Brennstoffmenge fwX3(k) und die Dampf-Brennstoffmenge fvX3(k) für den Zylinder X3 nach der Drehung der Maschine 2 um 180º Kurbelwellenwinkel berechnet. Die Werte für fwX3(k) und fvX3(k) werden durch Heranziehen der Brennstoffeinspritzmenge qX3(k), der bei dem Schritt 470 ermittelten Menge VfwX3(k) an verdampftem Brennstoff sowie der anhaftenden Brennstoffmenge fwX4(k-1) und der Dampf- Brennstoffmenge fvX4(k-1) berechnet, welche bei einem Schritt 700 bei dem letzten Zyklus der Routine ermittelt wurden und gegenwärtig dem Zylinder X3 entsprechen.
Bei dem Schritt 510 wird die bei dem Schritt 450 erhaltene Ansaugluftmenge mcX2(k) für den Zylinder X2 mit der Ansaugluftmenge mcX3(k-1) verglichen, die bei dem Schritt 450 während des letzten Zyklus dieser Routine berechnet wurde und die gegenwärtig den Zylinder X2 entspricht. Falls mcX2(k) > mcX3(k-1) ist, wird bei einem Schritt 520 ähnlich wie bei dem Schritt 460 aus mcX2(k) ein Ansaugluftdruck PX2(k) des Zylinders X3 berechnet. Dann wird bei einem Schritt 530 ähnlich wie bei dem Schritt 470 aus dem Ansaugluftdruck PX2(k), der Kühlwassertemperatur Tw(k) und der Maschinendrehzahl ω(k) die Menge VfwX2(k) des von dem Ansaugzweigrohr 41X2 des Zylinders X2 weg verdampften Brennstoffs berechnet. Bei einem Schritt 540 wird auf gleiche Weise wie bei dem Schritt 480 die Brennstoffeinspritzmenge qX2(k) für den Zylinder X2 berechnet. qX2(k) wird aus der Menge Vfwx2(k), der bei dem Schritt 450 berechneten Ansaugluftmenge mcX2(k) für den Zylinder X2 sowie aus der anhaftenden Brennstoffmenge fwX3(k-1) und der Dampf-Brennstoffmenge fvX3(k-1) berechnet, welche bei dem Schritt 500 bei dem letzten Zyklus dieser Routine berechnet wurden und nunmehr dem Zylinder X2 entsprechen. Bei einem Schritt 550 wird von qX2(k) die Brennstoffeinspritzmenge qX3(k-1) subtrahiert, die bei dem Schritt 480 bei dem letzten Zyklus dieser Routine berechnet wurde und die nun dem Zylinder X2 entspricht, um eine Abweichung ΔqX2(k) zu erhalten. Bei einem Schritt 560 wird diese Abweichung ΔqX2(k) als Asynchroneinspritzmenge für den Zylinder X2 angesetzt, die in der (nicht gezeigten) Treiberschaltung für das Ansteuern des Brennstoffeinspritzventils 42X2 des Zylinders X2 eingestellt wird.
Der Zweck des Schritts 560 wird nachstehend beschrieben. Die Synchroneinspritzmenge für den Zylinder X2 wird als Brennstoffeinspritzmenge qX3(k-1) angesetzt, welche bei dem letzten Zyklus der Routine entsprechend der Ansaugluftmenge mcX3(k-1) berechnet wurde. Falls jedoch die Maschine 2 während der Drehung um 180º Kurbelwellenwinkel beschleunigt, entspricht mcX3(k-1) nicht der Ansaugluftmenge, die tatsächlich in den Zylinder X2 aufgenommen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird daher die Ansaugluftmenge mcX2(k) für den Zylinder X2 erneut berechnet, wenn die Maschine 2 über 180º Kurbelwellenwinkel dreht, nachdem die Synchroneinspritzmenge eingestellt worden ist. Wenn der erneut berechnete Wert mcX2(k) größer als der zuvor für den Zylinder X2 ermittelte Wert mcX3(k-1) ist, wird die Maschine 2 gerade beschleunigt und die Brennstoffeinspritzmenge qX2(k) wird entsprechend mcX2(k) bestimmt. Die asynchrone Einspritzung wird für die Menge ausgeführt, die der Abweichung ΔqX2(k) (= qX2(k) - qX3(k-1)) entspricht.
Wenn bei dem Schritt 510 mcX2(k) ≤ mcX3(k-1) ist, wird die Maschine 2 gerade nicht beschleunigt. In diesem Falls schreitet der Ablauf zu einem Schritt 580 weiter, bei dem die dem gegenwärtigen Zylinder X2 entsprechende Menge VfwX3(k-1) an verdampftem Brennstoff direkt als VfwX2(k) eingesetzt wird, und dann zu einem Schritt 590, bei dem die Asynchroneinspritzmenge ΔqX2(k) auf 0 eingestellt wird.
Nach dem Schritt 560 oder 590 werden auf gleiche Weise wie bei dem Schritt 500 bei einem Schritt 570 eine anhaftende Brennstoffmenge fwX2(k) und eine Dampf-Brennstoffmenge fvX2(k) nach dem Drehen der Maschine 2 um 180º Kurbelwellenwinkel berechnet, wobei die Asynchroneinspritzmenge ΔqX2(k) für den Zylinder X2, die Menge VfwX2(k) an verdampftem Brennstoff sowie die anhaftende Brennstoffmenge fwX3(k-1) und die Dampf-Brennstoffmenge fvX3(k-1) herangezogen werden, welche bei dem Schritt 500 bei dem letzten Zyklus dieser Routine ermittelt wurden und nun dem gegenwärtigen Zylinder X2 entsprechen.
Bei dem Schritt 600 werden mcX1(k) und mcX2(k-1) verglichen: mcX1(k) ist die bei dem Schritt 450 ermittelte Ansaugluftmenge des Zylinders X1 und mcX2(k-1) ist die vorangehende Ansaugluftmenge, die bei dem Schritt 450 des letzten Zyklus dieser Routine berechnet wurde und dem gegenwärtigen Zylinder X1 entspricht. Wenn mcX1(k) größer als mcX2(k-1) ist, wird bei einem Schritt 610 ähnlich wie bei dem Schritt 460 oder 520 ein Ansaugluftdruck PX1(k) des Zylinders X1 berechnet. Gleichermaßen wie bei dem Schritt 470 oder 530 wird bei einem nachfolgenden Schritt 620 entsprechend dem Ansaugluftdruck PX1(k), der Kühlwassertemperatur Tw(k) und der Maschinendrehzahl ω(k) eine Menge VfwX1(k) an von dem Ansaugzweigrohr 41X1 des Zylinders X1 weg verdampftem Brennstoff berechnet.
Bei einem nächsten Schritt 630 wird ähnlich wie bei dem Schritt 480 oder 540 eine Menge qX1(k) an zu dem Zylinder X1 einzuspritzenden Brennstoff berechnet. Der Wert für qX1(k) wird aus der Menge VfwX1(k) an verdampftem Brennstoff, der bei dem Schritt 450 ermittelten Ansaugluftmenge mcX1(k) des Zylinders X1 sowie der anhaftenden Brennstoffmenge fwX2(k-1) und der Dampf-Brennstoffmenge fvX2(k-1), die während des letzten Zyklus dieser Routine bei dem Schritt 570 berechnet wurden und dem gegenwärtigen Zylinder X1 entsprechen. Von der erhaltenen Menge qX1(k) werden bei einem Schritt 640 die Asynchroneinspritzmenge ΔqX2(k-1), die bei dem Schritt 550 oder 590 während des letzten Zyklus dieser Routine eingestellt wurde, und die Brennstoffeinspritzmenge qX3(k-2) subtrahiert, die bei dem Schritt 480 während des vorletzten Zyklus dieser Routine berechnet wurde und die dem gegenwärtigen Zylinder X1 entspricht. Diese Subtraktion ergibt eine Abweichung ΔqX1(k). Bei einem Schritt 650 wird für den Zylinder X1 die Asynchroneinspritzmenge ΔqX1(k) bestimmt und in der (nicht gezeigten) Treiberschaltung für das Ansteuern des Brennstoffeinspritzventils 42X1 des Zylinders X1 eingestellt.
Nachstehend wird der Zweck des Schritts 650 beschrieben: Für den Zylinder X1 wurde die Synchroneinspritzmenge während des vorletzten Zyklus dieser Routine entsprechend der Brennstoffeinspritzmenge qX3(k-2) gemäß der Ansaugluftmenge mcX3(k-2) eingestellt und die Asynchroneinspritzung wurde während des letzten Zyklus dieser Routine ausgeführt, wenn mcX2(k-1) größer als mcX3(k-2) war. Falls jedoch die Maschine 2 nach diesen Prozessen beschleunigt wurde, entspricht die Synchroneinspritzmenge qX3(k-2) oder die Asynchroneinspritzmenge ΔqX2(k-1) nicht länger der tatsächlich in den Zylinder X1 aufgenommenen Luftmenge. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird daher die Ansaugluftmenge mcX1(k) des Zylinders X1 erneut berechnet, wenn die Maschine 2 nach dem Einstellen der Synchroneinspritzmenge um 360º Kurbelwellenwinkel dreht. Falls der veranschlagte Wert mcX1(k) größer als der zuvor erhaltene Wert mcX2(k-1) ist, wird die Brennstoffeinspritzmenge qX1(k) entsprechend mcX1(k) berechnet. Dann wird die Asynchroneinspritzung zusätzlich entsprechend der Abweichung ΔqX1(k) zwischen qX1(k) und (qX3(k-2) + ΔqX2(k-1)), nämlich der Menge des in den Zylinder X1 eingespritzten Brennstoffs ausgeführt.
Falls bei dem Schritt 600 mcX1(k) ≤ mcX2(k-1) ist, wird die Maschine 2 gerade nicht beschleunigt und der Ablauf schreitet zu einem Schritt 670 für das Ansetzen der Menge VfwX2(k-1) an verdampftem Brennstoff als VfwX1(k) für den Zylinder X1 weiter. VfwX2(k-1) ist der bei dem Schritt 530 oder 580 während des letzten Zyklus dieser Routine bestimmte Wert und entspricht dem Zylinder X1. Dann wird bei einem Schritt 680 die Asynchroneinspritzmenge ΔqX1(k) auf 0 eingestellt.
Bei einem Schritt 660, der auf den Schritt 650 oder 680 folgt, wird auf gleiche Weise wie bei dem Schritt 500 oder 570 eine anhaftende Brennstoffmenge fwX1(k) und eine Dampf- Brennstoffmenge fvX1(k) nach dem Drehen der Maschine 2 um 180º Kurbelwellenwinkel berechnet. Im einzelnen werden fwX1(k) und fvX1(k) aus der Asynchroneinspritzmenge ΔqX1(k) für den Zylinder X1, der Menge VfwX1(k) an verdampftem Brennstoff und der anhaftenden Brennstoffmenge fwX2(k-1) sowie der Dampf-Brennstoffmenge fvX2(k-1) berechnet, die bei dem Schritt 570 während der letzten Routine ermittelt wurden und die dem gegenwärtigen Zylinder X1 entsprechen.
Bei einem nächsten Schritt 690 wird die Menge VfwX1(k-1) an verdampftem Brennstoff, die bei dem Schritt 620 oder 670 während des letzten Zyklus dieser Routine eingesetzt wurde und die dem gegenwärtigen Zylinder X4 entspricht, als Menge VfwX4(k) an verdampftem Brennstoff für den Zylinder X4 eingesetzt. Dann werden bei einem Schritt 700 eine anhaftende Brennstoffmenge fwX4(k) und eine Dampf-Brennstoffmenge fvX4(k) für den Zylinder X4 nach der Drehung der Maschine 2 um 180º Kurbelwellenwinkel veranschlagt. Der Schritt 700 ist den Schritten 500, 570 und 660 mit der Ausnahme gleichartig, daß die Berechnung bei dem Schritt 700 mit auf 0 angesetzter Brennstoffeinspritzmenge ausgeführt wird, weil in den Zylinder X4 der Brennstoff nicht tatsächlich eingespritzt ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel wird gemäß Fig. 10 die Menge mcX3 der in jeden Zylinder der Maschine strömenden Luft gemäß der Luftstrommenge Q bei der ersten 0º CA-Marke in Fig. 10 veranschlagt (d.h., um drei Takte vor dem durch 540º CA dargestellten Punkt). Durch Ansetzen des veranschlagten Wertes mcX3 wird eine Brennstoffmenge qX3 für die Synchroneinspritzung berechnet. Zugleich werden entsprechend einer bei jeder 180º CA-Drehung der Maschine 2 neu gemessenen Luftstrommenge Q die Mengen mcX2 und mcX1 der während eines Ansaughubes in den Zylinder strömenden Luft neu veranschlagt. Falls mcX2 und mcX1 größer als die jeweils vor der Drehung der Maschine 2 um 180º CA veranschlagten Werte sind, werden die Brennstoffeinspritzmengen qX2 und qX1 unter Ansetzen von mcX2 und mcX1 für die Asynchroneinspritzung entsprechend den Abweichungen ΔqX2 und ΔqX1 von den zuvor ermittelten Brennstoffeinspritzmengen berechnet.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird die Ansaugluftmenge für einen Zylinder der Maschine 2 nach der Gleichung (2) berechnet. Daher kann gemäß der Darstellung durch eine ausgezogene Linie in Fig. 11 bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Genauigkeit der Brennstoffeinspritzung und des Luft/Brennstoff-Verhältnisses verbessert werden, wenn die Maschine 2 zu einem Zeitpunkt t1 beschleunigt wird.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechen die Schritte 460 bis 480 der Synchroneinspritzrecheneinrichtung nach Fig. 1B, die Schritte 510 bis 550 und 600 bis 640 der Asynchroneinspritzrecheneinrichtung und die Schritte 490, 560 und 650 der Synchroneinspritzsteuereinrichtung.
Zu Vergleichszwecken wird nun ein viertes Ausführungsbeispiel erläutert, das in Fig. 1C dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel wird gleichfalls bei der in Fig. 7 gezeigten Viertakt-Maschine 2 angewandt. Die Fig. 12 zeigt das Steuersystem für das Ausführen der vorangehend beschriebenen Synchroneinspritzung und Asynchroneinspritzung. Dieses Steuersystem ist das gleiche wie das in Fig. 3 dargestellte mit der Ausnahme, daß es einen Asynchroneinspritzeinstellteil P19 enthält. Der Einstellteil P19 gibt für die Asynchroneinspritzung eine vorbestimmte Menge qa an die Maschine 2 und die Überwachungseinheit P12 ab, wenn sich innerhalb eines vorbestimmten Zeitabschnitts die mittels des Luftstrommessers 6 erfaßte Luftstrommenge Q um mehr als eine vorbestimmte Menge ändert. Nach der Aufnahme des Wertes qa wird von der Beobachtungseinheit P12 eine Menge q des aus dem Brennstoffeinspritzventil 42 einzuspritzenden Brennstoffs durch Hinzufügen der Asynchroneinspritzmenge qa auf den neuesten Stand gebracht und dann die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf-Brennstoffmenge fv in bezug auf die restliche Brennstoffmenge während der Asynchroneinspritzung veranschlagt.
Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel wird gleichfalls die Gleichung (2) für das Berechnen der Ansaugluftmenge mc in der ersten Recheneinheit P1 nach Fig. 12 angewandt.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel werden die Zustandsvariablen folgendermaßen berechnet. Wenn die Asynchroneinspritzung während einer Beschleunigung ausgeführt wird, ist q(k) in der Gleichung (50) die Summe aus der Brennstoffeinspritzmenge q(k-1) vor der Asynchroneinspritzung und der Asynchroneinspritzmenge qa. Entsprechend dem Wert q(k) werden die Zustandsvariablen, d.h. eine anhaftende Brennstoffmenge fw und eine Dampf-Brennstoffmenge fv berechnet.
Es wird nun unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme in Fig. 13 bis 15 die in der elektronischen Steuereinheit 40 ausgeführte Brennstoffeinspritzsteuerung erläutert. Die Fig. 13 zeigt zum Steuern einer Synchroneinspritzung eine Routine, die während des Betriebs der Maschine 2 fortgesetzt wiederholt wird. Mit dieser Routine wird die Synchroneinspritzung für jeweils einen der Zylinder der Maschine 2 gesteuert.
Zuerst wird bei einem Schritt 800 eine Anfangseinstellung vorgenommen, bei der eine anhaftende Brennstoffmenge fwo, eine Dampf-Brennstoffmenge fvo, ein Integralwert Smλ der Abweichung der Ist-Brennstoffzuführmenge λmc von der Soll- Brennstoffzuführmenge λrmc und der Zählstand C alle auf Null eingestellt werden und auch für die Brennstoffeinspritzmenge q und die Ansaugluftmenge mc jeweilige vorbestimmte Anfangswerte qs und mcs eingestellt werden.
Nach dieser Anfangseinstellung wird bei einem Schritt 810 aus dem Signal des Kurbelwellenwinkelsensors 26 ermittelt, ob die Brennstoffeinspritzsteuerung zu beginnen ist. Die Brennstoffeinspritzsteuerung beginnt, wenn ein bestimmter Zylinder nach jeder 270º CA-Umdrehung seinen Ansaughub beginnt. Wenn dies der Fall ist, werden bei einem Schritt 820 jeweils entsprechend Signalen aus dem Sauerstoffsensor 18, dem Maschinendrehzahlsensor 24 und dem Wassertemperatursensor 28 ein Brennstoff/Luft-Verhältnis λ, eine Maschinendrehzahl ω und eine Kühlwassertemperatur Tw erfaßt. Bei einem Schritt 830 wird die letzte Ansaugluftmenge mc aufgenommen, die folgendermaßen berechnet wird:
Das Ablaufdiagramm in Fig. 14 zeigt den Prozeß zum Berechnen der Menge mc der in einen jeweiligen Zylinder der Maschine 2 strömenden Luft, wobei die Routine bei jeder 180º CA-Drehung der Maschine 2 ausgeführt wird. Zuerst wird bei einem Schritt 831 jeweils aus den Ausgangssignalen des Luftstrommessers 6 und des Maschinendrehzahlsensors 24 eine Luftstrommenge Q und eine Maschinendrehzahl ω aufgenommen. Gemäß den ermittelten Werten für Q und ω wird bei einem nachfolgenden Schritt 832 als erste Recheneinheit P1 eine Ansaugluftmenge mc während eines Ansaugtaktes nach der Gleichung (2) berechnet.
In der Gleichung (2) werden die Luftstrommenge Q, die Maschinendrehzahl ω und die vorher veranschlagte Ansaugluftmenge mc(k) derart angewandt, daß eine Ansaugluftmenge mc(k+1) für den nächsten Ansaughub veranschlagt wird. Der aus der Gleichung (2) abgeleitete Wert mc ist eine Ansaugluftmenge nach einem den bei dem Schritt 831 erfaßten Werten Q und ω entsprechenden Takt und mc ist nicht immer gleich der tatsächlichen Ansaugluftmenge zum Zeitpunkt der Ausführung der Brennstoffeinspritzsteuerung. Im einzelnen erfordert das Berechnen der Brennstoffeinspritzmenge q für das geeignete Einspritzen des Brennstoffs zwei oder drei Takte, d.h., es ist die Zeit für das Umlaufen der Maschine 2 von 360º CA bis zu 540º CA erforderlich, was die Zeit zum Berechnen der Brennstoffeinspritzmenge und zum Öffnen des Brennstoffeinspritzventils umfaßt. Sobald sich während dieser Berechnungsperiode der Betriebszustand der Maschine 2 ändert, entspricht die Brennstoffeinspritzmenge q nicht mehr der nach der Gleichung (2) ermittelten Ansaugluftmenge mc.
Um diesem Problem Rechnung zu tragen, wird bei einem Schritt 833 unter Nutzung der bei dem Schritt 832 ermittelten Ansaugluftmenge mc(k+1) eine Ansaugluftmenge mc(k+2) nach zwei Takten gemäß einer Gleichung (2a) berechnet, die eine Abwandlung der Gleichung (2) ist:
mc(k+2) = α Q/ω + β mc(k+1) ... (2a)
Bei einem nächsten Schritt 834 wird unter Einsetzen von mc(k+2) eine Ansaugluftmenge mc(k+3) nach drei Takten gemäß einer Gleichung (2b) berechnet, die eine weitere Abwandlung der Gleichung (2) ist:
mc(k+3) = α Q/ω + β mc(k+2) ... (2b)
Dann wird bei einem Schritt 835 k um 1 aufgestuft, um dadurch k nach jedem Takt fortzuschreiben. Nach dem Schritt 835 endet die Routine (Fig. 14).
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel wird das Berechnen der Ansaugluftmenge mc dreimalig wiederholt, um auf diese Weise letztlich eine Ansaugluftmenge mc zu dem Zeitpunkt zu berechnen, an dem die Maschine 2 um 540º CA gedreht hat. Der berechnete Wert mc nach der 540º CA-Drehung wird bei dem Schritt 830 (Fig. 13) aufgenommen, so daß bei einem nächsten Schritt 840 als zweite Recheneinheit P8 unter Einsetzen der Menge mc in die Gleichung (46) ein Ansaugluftdruck P berechnet wird. In einem folgenden Schritt 850 wird unter Ansetzen des Drucks P aus dem Schritt 840 und der Maschinendrehzahl ω aus dem Schritt 820 ein der Belastung der Maschine 2 entsprechendes Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr berechnet. Bei dem Schritt 850 wird das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr derart angesetzt, daß das Luftüberschußverhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches gleich eins ist (das stöchiometrische Gemischverhältnis). Wenn beispielsweise die Maschine 2 unter schwerer Belastung läuft, wird das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr zu der fetteren Seite verstellt, um die Brennstoffzufuhr zu steigern und eine höhere Maschinenausgangsleistung zu liefern. Wenn die Maschine 2 unter geringer Belastung läuft, wird das Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnis λr zu der mageren Seite hin versetzt, um die Brennstoffzufuhr zu verringern und den Brennstoffverbrauch zu senken.
Nach dem Einstellen von λr bei dem Schritt 850 wird bei einem Schritt 860 die Menge Vfw (= Vf/ω) an verdampftem Brennstoff berechnet, d.h., die Menge des Brennstoffs, der von der Ansaugrohrwand zwischen dem letzten Ansaugtakt und dem nächsten Takt abdampft. Zuerst wird bei dem Schritt 860 als erste Recheneinheit P9 von dem Ansaugluftdruck P und der Kühlwassertemperatur Tw aus dem Schritt 840 bzw. 820 ausgehend eine Dampfmenge Vf aus dem an der Ansaugrohrwand haftenden Brennstoff berechnet. Dann wird bei dem Schritt 860 als Dividierer P10 Vf durch die Maschinendrehzahl ω dividiert.
Ein nächster Schritt 870 wirkt als zweiter Multiplizierer P3, bei dem das Brennstoff/Luft-Verhältnis λ und die Ansaugluftmenge mc aus dem Schritt 820 bzw. 830 multipliziert werden, um eine Ist-Zuführmenge mcλ des in den bestimmten Zylinder während des letzten Ansaugtaktes strömenden Brennstoffs zu erhalten.
Ein Schritt 880 wirkt als Überwachungseinheit P12 für das Abschätzen einer anhaftenden Brennstoffmenge fw und einer Dampf-Brennstoffmenge fv unter Nutzung der folgenden Elemente in der Gleichung (49): Letzte Brennstoffeinspritzmenge q, Menge Vfw des von der Ansaugrohrwand weg verdampfenden Brennstoffs sowie anhaftende Brennstoffmenge fwo und Dampf- Brennstoffmenge fvo, die beide bei dem vorangehenden Zyklus dieser Routine ermittelt wurden. Die letzte Brennstoffeinspritzmenge q ist die Summe aus der Brennstoffeinspritzmenge q(k-1) vor der Asynchroneinspritzung und der Asynchroneinspritzmenge qa, wie es nachfolgend unter Bezugnahrne auf die Fig. 15 beschrieben wird.
Ein nächster Schritt 390 wirkt als erster Multiplizierer P2 für das Multiplizieren des bei dem Schritt 850 angesetzten Soll-Brennstoff/Luft-Verhältnisses λr mit der Ansaugluftmenge mc aus dem Schritt 830, so daß auf diese Weise eine Soll- Zuführmenge mcλr des in den bestimmten Zylinder strömenden Brennstoffs berechnet wird.
Bei einem Schritt 900 wird eine Brennstoffeinspritzmenge q nach der Gleichung (44) unter Einsetzen des Integralwertes Smλ der Abweichung der Ist-Brennstoffzuführmenge mcλ von der Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr, der anhaftenden Brennstoffmenge fw und der Dampf-Brennstoffmenge fv aus dem Schritt 880, der Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr aus dem Schritt 890 und der Menge Vfw des verdampften Brennstoffs aus dem Schritt 860 berechnet. Bei einem Schritt 910 wird das Brennstoffeinspritzventil 42 für eine dem ermittelten Wert q entsprechenden Zeitdauer geöffnet, um auf diese Weise die angemessene Brennstoffeinspritzung auszuführen.
Wenn nach dem Schritt 910 die Brennstoffzufuhr zu der Maschine endet, wirkt ein nächster Schritt 920 als Summierrechner P5 für das Fortschreiben des Integralwertes Smλ durch Addieren der Abweichung der Ist-Brennstoffzuführmenge mcλ (Schritt 870) von der Soll-Brennstoffzuführmenge mcλr (Schritt 880) mit dem bei dem letzten Zyklus der Routine erhaltenen Integralwerts Smλ. Bei einem nächsten Schritt 930 werden die anhaftende Brennstoffmenge fw und die Dampf- Brennstoffmenge fv aus dem Schritt 880 jeweils als Bezugs- Werte für die anhaftende Brennstoffmenge fwo und die Dampf- Brennstoffmenge fvo angesetzt, so daß diese Bezugswerte für das Berechnen einer anhaftenden Brennstoffmenge fw und einer Dampf-Brennstoffmenge fv bei dem nächsten Zyklus der Routine eingesetzt werden. Nach dem Schritt 930 kehrt der Ablauf zu dem Schritt 810 zurück, um den Prozeß von dem Schritt 810 bis zu dem Schritt 930 zu wiederholen.
Das Ablaufdiagramm in Fig. 15 zeigt die Asynchroneinspritzsteuerung, die in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt wird. Wenn die Routine beginnt, wird bei einem Schritt 1000 aus dem Ausgangssignal des Luftstrommessers 6 eine Luftstrommenge Q ermittelt. Von der Luftstrommenge Q wird bei einem Schritt 1010 die (nachfolgend beschriebene) letzte Luftstrommenge OQ subtrahiert, um eine Schwankung ΔQ der Luftstrommenge zu ermitteln. Bei einem Schritt 1020 wird die bei dem Schritt 1000 ermittelte Luftstrommenge Q als letzte Luftstrommenge OQ gespeichert, die bei der nächsten Berechnung der Schwankung ΔQ herangezogen wird.
Bei einem Schritt 1030 wird ermittelt, ob die bei dem Schritt 1010 ermittelte Schwankung ΔQ größer als ein vorbestimmter Wert m ist. Wenn dies der Fall ist, schreitet der Ablauf zu einem Schritt 1040 weiter, bei dem der durch die Asynchroneinspritzmenge qa bestimmte Brennstoff asynchron eingespritzt wird. Bei einem nächsten Schritt 1050 wird eine Brennstoffeinspritzmenge q durch Addieren der Asynchroneinspritzmenge qa zu der letzten Brennstoffeinspritzmenge q fortgeschrieben, die bei dem Schritt 880 für das Berechnen der anhaftenden Brennstoffmenge fw und der Dampf-Brennstoffmenge fv bei einer Synchroneinspritzung herangezogen wurde. Die in Fig. 15 gezeigte Routine endet nach dem Schritt 1050 oder dann, wenn bei dem Schritt 1030 ermittelt wird, daß ΔQ kleiner als der vorbestimmte WErt m ist.
Im Falle einer Beschleunigung (d.h., wenn die mittels des Luftstrommessers 6 erfaßte Luftstrommenge Q sich um mehr als den vorbestimmten Wert m in dem Zeitabstand zwischen zwei Asynchroneinspritzsteuerungen ändert) wird die bestimmte Menge an Brennstoff asynchron zusätzlich zu der regelmäßigen synchronen Brennstoffeinspritzung eingespritzt. Ferner wird eine Brennstoffeinspritzmenge q durch Addieren der Asynchroneinspritzmenge qa zu der letzten Brennstoffeinspritzmenge q fortgeschrieben, welche für das Berechnen einer anhaftenden Brennstoffmenge fw und einer Dampf-Brennstoffmenge fv bei der nächsten Synchronbrennstoffeinspritzung nach dieser Asynchroneinspritzung eingesetzt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel wird die Menge mc der in einen jeweiligen Zylinder während eines Ansaugtaktes strömenden Luft drei Takte vor diesem Ansaugtakt nach der Gleichung (2) gemäß der mittels des Luftstrommessers 6 erfaßten Luftstrommenge Q berechnet. Aus der berechneten Menge mc wird eine Brennstoffmenge q für die synchrone Brennstoffeinspritzung berechnet. Wenn sich infolge einer Beschleunigung die erfaßte Luftstrommenge Q in einem bestimmten Zeitabschnitt um mehr als ein vorbestimmter Wert m ändert, wird zusätzlich zu dieser synchronen Brennstoffeinspritzung eine bestimmte Menge an Brennstoff asynchron eingespritzt.
Da die in den Zylinder der Maschine strömende Ansaugluftmenge nach der Gleichung (2) berechnet wird, kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Genauigkeit der Synchronbrennstoffeinspritzung verbessert werden. Falls das Fahrzeug nach dem Bestimmen der Synchroneinspritzmenge beschleunigt wird, wird entsprechend dem Fahrzustand die Brennstoffeinspritzung weiter eingestellt, wodurch die Genauigkeit des Luft/Brennstoff-Verhältnisses weiter verbessert wird und eine weiche Beschleunigung erzielt wird.
In einem solchen System, in welchem eine Menge mc der in den Zylinder strömenden Luft nach einer modernen Regelungstheorie berechnet wird, kann für das Ausführen der asynchronen Brennstoffeinspritzung ein Zustand auftreten, bei dem eine Änderung von mc einen vorbestimmten Wert übersteigt. Es ist jedoch schwierig, einen solchen Wert festzulegen, da sich die berechnete Menge mc zu Beginn einer Beschleunigung nicht sehr ändert, wenn gemäß Fig. 16 das Drosselventil schnell öffnet. Dies verzögert den Zeitpunkt der asynchronen Einspritzung. Infolgedessen ist die Menge an eingespritztem Brennstoff geringer als die erforderliche, insbesondere im Falle einer schnellen Beschleunigung, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis ist zu der mageren Seite hin versetzt. In diesem Fall wird das Maschinendrehmoment nicht erhöht und ein weiches Beschleunigen ist nicht möglich. Zum Verhindern dieses Problems wird erfindungsgemäß ein Zustand für das Ausführen der asynchronen Einspritzung von der mittels des Luftstrommessers 6 erfaßten Luftstrommenge Q ausgehend bestimmt, welche sich gemäß der Darstellung in Fig. 16 zu Beginn der Beschleunigung stark ändert. Daher kann während der Beschleunigung die asynchrone Einspritzung prompt ausgeführt werden, wodurch die Genauigkeit des Luft/Brennstoff- Verhältnisses verbessert wird und eine weiche Beschleunigung erzielt wird.
Da das Brennstoffeinspritzsteuersystem bei dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel für eine Viertakt-Maschine mit vier Zylindern verwendet wird, ist entsprechend dem Ansaugtakt die Periode für das Berechnen der Ansaugluftmenge mc 180º Kurbelwellenwinkel. In einer Viertaktmaschine mit sechs Zylindern ist der Ansaugtakt 120º Kurbelwellenwinkel und wird als Rechenperiode in der Gleichung (2) angewandt.
Bei dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel wird aus der Änderung der mittels des Luftstrommessers 6 erfaßten Luftstrommenge Q in einer vorbestimmten Zeitspanne festgelegt, ob eine asynchrone Einspritzung auszuführen ist. Alternativ kann diese gemäß der durch die Maschinendrehzahl ω dividierten Änderung der Luftstrommenge Q bestimmt werden.
Bei den vorstehenden vier Ausführungsbeispielen wird eine moderne Regelungstheorie dazu angewandt, die Brennstoffeinspritzung nach dem Regelungsgesetz zu steuern, welches entsprechend dem physikalischen Modell aufgestellt ist, das das Brennstoffverhalten in der Maschine beschreibt. Alternativ ist es möglich, die vorliegende Erfindung bei einer Brennstoffeinspritzsteuereinheit gemäß der bekannten PID- Regelung anzuwenden, bei der zuerst aus der Maschinendrehzahl ω und der Luftstrommenge Q eine Grund-Brennstoffeinspritzmenge berechnet wird und dann durch Korrigieren dieser Grund-Brennstoffeinspritzmenge gemäß anderen Fahrzuständen eine Brennstoffeinspritzmenge bestimmt wird. Zum Ausarbeiten kann für das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzsteuersystem die PID-Regelung folgendermaßen angewandt werden: Berechnen einer Ansaugluftmenge mc aus der Maschinendrehzahl ω und der Luftstrommenge Q nach Gleichung (2), Bestimmen einer Grund-Brennstoffeinspritzmenge gemäß dem erhaltenen Wert mc und Korrigieren der Grund-Brennstoffeinspritzmenge unter Berücksichtigung der anderen Fahrzustände (beispielsweise der Kühlwassertemperatur). Bei diesem Verfahren kann die Ansaugluftmenge mc auf genaue Weise entsprechend dem Laufzustand der Maschine veranschlagt werden, wodurch die Genauigkeit der Brennstoffeinspritzung besser als bei dem herkömmlichen System verbessert wird.

Claims

1. Ansaugluftmengen-Berechnungseinrichtung, die eine Vorrichtung (M3; 6) zum Messen einer Luftstrommenge (Q) in einem Ansaugrohr (M2) einer Maschine (2), wobei die Luft aus der Atmosphäre in das Ansaugrohr (M2) gelangt,

eine Vorrichtung (M4) zum Messen einer Drehzahl (ω) der Maschine (2),

eine Einrichtung (M5), die eine in einen Zylinder der Maschine (2) gelangende Luftmenge mc(k+1) nach der auf einem auf ein ein Massenerhaltungsgesetz beschreibendes physikalisches Modell basierenden, die Luftstrommenge Q, die Drehzahl ω und die Ansaugluftmenge mc(k) enthaltenden folgenden Gleichung

mc(k+1) = αQ/ω + β mc(k)

berechnet, in der α und β durch das Massenerhaltungsgesetz bestimmte Konstanten sind und mc(k) ein bei dem letzten Durchlauf dieser Routine berechneter Wert ist,

eine Einrichtung (M7) zum Berechnen einer synchron mit einem Ansaugtakt der Maschine (2) in den Zylinder einzuspritzende Brennstoffmenge,

eine Vorrichtung (M10) zum Steuern der Brennstoffeinspritzung in den Zylinder entsprechend der durch die Synchroneinspritzrecheneinrichtung (M7) berechneten Menge,

eine Einrichtung (M8) zum erneuten Berechnen der zwischen dem Zeitpunkt der Berechnung durch die Ansaugluftberechnungseinrichtung (M5) und dem Zeitpunkt des tatsächlichen Ansaugtaktes des Zylinders gemäß der Berechnung in den Zylinder gelangenden Luftmenge unter Anwendung der Gleichung,

eine Einrichtung (M9) zum Berechnen einer asynchron zu dem Ansaugzyklus der Maschine (2) in den Zylinder einzuspritzenden Brennstoffmenge aus der Differenz zwischen einem durch die Ansaugluftberechnungseinrichtung (M5) berechneten Wert und einem durch die Ansaugluftnachberechnungseinrichtung (M8) berechneten Wert, wenn der durch die Ansaugluftnachberechnungseinrichtung (M8) berechnete Wert den durch die Ansaugluftberechnungseinrichtung (M5) berechneten Wert übersteigt, und

eine Einrichtung (M11) zum Steuern der Brennstoffeinspritzung in den Zylinder entsprechend der durch die Asynchroneinspritzrecheneinrichtung (M9) berechneten Menge aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, die ferner

eine Einrichtung (M12), die durch Berechnen einer Änderungsrate der mittels der Ansaugluftdetektorvorrichtung (M3, 6) während einer vorbestimmten Zeitspanne gemessenen Luftstrommenge (Q) ermittelt, ob die Maschine (2) in einem Beschleunigungszustand ist, und

eine Einrichtung (M13) aufweist, die asynchron zu dem Ansaugtakt der Maschine (2) eine vorbestimmte Brennstoffmenge in den Zylinder einspritzt, wenn durch die Beschleunigungsermittlungseinrichtung (M12) ermittelt wird, daß die Maschine (2) in dem Beschleunigungszustand ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Maschine (2) eine Mehrzylindermaschine ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, in der die Synchroneinspritzrecheneinrichtung (M7) und die Asychroneinspritzrecheneinrichtung (M9) die Brennstoffeinspritzmenge nicht nur gemäß der berechneten Ansaugluftmenge mc(k+1), sondern auch gemäß einer Menge (fw) an an einer Innenwand des Ansaugrohrs (M2) haftendem Brennstoff und einer Menge (fv) an in dem Ansaugrohr (M2) verdampften Brennstoff berechnen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, die ferner eine Einrichtung (P12) zum Veranschlagen der anhaftenden Brennstoffmenge (fw) und der Dampf-Brennstoffmenge (fv) aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Einrichtung zum Berechnen eines Zündzeitpunkts aus der berechneten Ansaugluftmenge aufweist.