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DE10051417A1 - Steuerungsverfahren für Motoren mit mehrfachen Steuerungsvorrichtungen - Google Patents

Steuerungsverfahren für Motoren mit mehrfachen Steuerungsvorrichtungen

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DE10051417A1
DE10051417A1 DE10051417A DE10051417A DE10051417A1 DE 10051417 A1 DE10051417 A1 DE 10051417A1 DE 10051417 A DE10051417 A DE 10051417A DE 10051417 A DE10051417 A DE 10051417A DE 10051417 A1 DE10051417 A1 DE 10051417A1
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intake
air
engine
cylinder
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Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Motors, der sowohl eine elektronisch gesteuerte Einlaßvorrichtung, wie z. B. eine elektronische Drosselklappeneinheit als auch eine elektronisch gesteuerte Auslaßvorrichtung, wie z. B. ein variables Nockensteuerungssystem aufweist, offenbart. Das Verfahren nach der Erfindung erreicht eine Zylinderluftfüllungssteuerung, die schneller ist als dies durch Einsatz nur einer Einlaßvorrichtung möglich ist. Mit anderen Worten steuert das Verfahren nach der Erfindung die Zylinderluftfüllung durch Koordinierung der Einlaß- und Auslaßvorrichtung schneller als die Krümmerdynamik. Diese verbesserte Steuerung wird herangezogen, um verschiedene Motorsteuerfunktionen zu verbessern.

Description

Das Gebiet der Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteue­ rung, wobei der Motor mehrere Steuervorrichtungen aufweist.
Bei einigen Motoren wird eine elektronisch gesteuerte Dros­ selklappe für verbesserte Leistung verwendet. Insbesondere wird die elektronische Drosselklappe verwendet, um den Luft­ strom auf einen gewünschten Wert einzustellen, der aufgrund der Betriebsbedingungen und eines Fahrerbefehls festgestellt wird. Auf diese Art und Weise kann das Fahrzeug verbesserten Fahrkomfort und verbessertes Verbrauchsverhalten erreichen.
Bei diesem System wird der erforderliche Luftstrom herangezo­ gen, um eine ursprüngliche Drosselklappeneinstellung zu be­ stimmen. Es wird des weiteren eine Differenz zwischen dem er­ forderlichen Luftstrom und dem tatsächlich gemessenen Luft­ strom herangezogen, um die ursprüngliche Einstellung der Drosselklappe anzupassen. Demzufolge wird die Drosselklappe genutzt, um den Luftstrom und damit das Motordrehmoment zu steuern. Ein solches System wird in U.S. 5.019.989 beschrie­ ben.
Es ist auch bekannt, einen Mechanismus zur variablen Nocken­ steuerung heranzuziehen, um das Atmen des Motors und den An­ teil des restlichen verbrannten Gases einzustellen. Bei die­ sem System wird die Nockenwellensteuerung im allgemeinen als Funktion von Motordrehzahl und Motorlast bestimmt. Das Posi­ tionieren der Nockenwelle als Funktion von Drehzahl und Last wird herangezogen, um die Konstantlaufleistung zu optimieren und Emissionen und Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Ein solches System wird in U.S. 4.856.465 offenbart.
Die Erfinder haben bei den obigen Ansätzen einen Nachteil er­ kannt. Insbesondere liegt ein Nachteil der Nutzung der Dros­ selklappenstellung darin, daß die Drosselklappe das Motor­ drehmoment nicht rasch verändern kann, da die Drosselklappe den in den Ansaugkrümmer eintretenden Strom steuert. Eine Steuerung des in den Krümmer eintretenden Stroms kann auf­ grund des Krümmervolumens die Zylinderladung nicht rasch steuern. Beispielsweise nimmt bei sofortiger Schließung der Drosselklappe die Zylinderluftfüllung nicht unmittelbar auf null ab. Der Motor muß die in dem Krümmer gespeicherte Luft abpumpen, was eine gewisse Anzahl von Umdrehungen erfordert. Demzufolge nimmt die Zylinderluftfüllung graduell gegen null ab.
Des weiteren haben die Erfinder erkannt, daß die Ansätze nach dem Stand der Technik zur Steuerung von variablen Nockenwel­ len-Steuerungssystemen dynamische Leistung opfern. Mit ande­ ren Worten ist der Betrieb in Übergangsphasen nicht optimal, und viele Chancen werden vertan, da die variable Nockensteue­ rung aufgrund der Motordrehzahl und -last gesteuert wird, um eine optimale Konstantlaufleistung zu erzielen. Diese Verfah­ ren zur Bereitstellung einer Nockensteuerung mit vorgewähltem Konstantfahrpunkt werden durchgeführt, ohne auf die Krümmer­ dynamik und dadurch verursachte schlechtere Leistung zu ach­ ten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Motorsteuerung für einen Motor zu liefern, der sowohl eine Einlaßregelvorrichtung als auch eine Auslaßregelvorrichtung aufweist, um optimale Konstantfahreigenschaften ebenso zu bieten wie eine gute dynamische Reaktion.
Das obige Ziel wird erreicht, und die Nachteile früherer An­ sätze werden überwunden durch ein Verfahren zur Steuerung ei­ nes Motors, welcher mindestens einen Zylinder aufweist, wobei der Motor auch einen Ansaugkrümmer, eine Auslaßregelvorrich­ tung zur Steuerung des Stroms aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder und eine Einlaßregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms in den Ansaugkrümmer besitzt, welches aufweist: Fest­ stellung eines gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßre­ gelvorrichtung, und Anpassung der genannten Einlaßregelvor­ richtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung auf der Grundlage des genannten gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßregelvorrichtung ohne Veränderung der Menge des Stroms in den Zylinder.
Durch Anpassung der Einlaß- und der Auslaßregelvorrichtung in entgegengesetzten Richtungen ist es möglich, die gewünschte optimierte Leistung bei Konstantfahrt zu erreichen, ohne daß verschlechterte Leistung hingenommen werden muß. Darüber hin­ aus werden die Nachteile früherer Ansätze beim Übergang in die Bedingungen der Konstantfahrt vermieden, da die Luftmenge auch dann geliefert wird, wenn die Auslaßregelvorrichtung an­ gepaßt wird.
Ein Vorteil des vorgenannten Merkmals der Erfindung ist ver­ besserter Fahrkomfort, da Änderungen beim Motorluftstrom auch dann vermieden werden, wenn die Auslaßregelvorrichtung auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.
Bei einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das obige Ziel erreicht, und die Nachteile früherer Ansätze werden überwun­ den durch ein Verfahren zur Steuerung eines Motors, welcher mindestens einen Zylinder aufweist, wobei der Motor auch ei­ nen Ansaugkrümmer, eine Auslaßregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder und eine Einlaßregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms in den An­ saugkrümmer besitzt, welches aufweist: Feststellung einer ge­ wünschten in den Zylinder eintretenden Luftmenge, Feststel­ lung eines gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßregel­ vorrichtung, Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung als Reaktion auf so­ wohl den Einlaßregelvorrichtungs-Befehl als auch den Auslaß­ regelvorrichtungs-Befehl; Anpassung des genannten Einlaßre­ gelvorrichtungs-Befehls und des genannten Auslaßregelvorrich­ tungs-Befehls zur Bereitstellung der genannten gewünschten Luftmenge, und Anpassung des genannten Einlaßregelvorrich­ tungs-Befehls und des genannten Auslaßregelvorrichtungs- Befehls zur Bereitstellung des genannten gewünschten vorge­ wählten Punktes der Auslaßregelvorrichtung.
Unter Verwendung sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßregel­ vorrichtung zur raschen Anpassung des Stroms in den Zylinder, der schneller ist, als dies durch den Einsatz nur einer Ein­ laßvorrichtung möglich ist, ist es möglich, eine rasche Luft­ stromsteuerung zu erreichen. Mit anderen Worten wird die Re­ aktion der Dynamiksteuerung wesentlich verbessert. Des weite­ ren wird durch graduelle Anpassung sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßregelvorrichtung die Konstantzustand-Optimie­ rung noch geliefert, um eine gewünschte Luftmenge ebenso wie den vorgewählten Konstantzustandspunkt der Auslaßregelvor­ richtung.
Ein Vorteil des vorstehenden Merkmals der Erfindung liegt darin, durch Optimierung der Leistung bei Konstantfahrt die Dynamiksteuerung zu verbessern.
Ein weiterer Vorteil des vorstehenden Merkmals der Erfindung ist die verbesserte Luftstromsteuerung.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er­ findung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläu­ tert werden. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1A und 1B Blockdiagramme einer Ausführungsform, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
Fig. 2A ein Blockdiagramm einer Ausführungsform, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird;
Fig. 2B bis 20 Graphiken mit der Beschreibung des Betriebs der Ausführungsform in Fig. 2A;
Fig. 3 bis 5, 8 bis 10 auf hohe Leistung bezogene Flußdia­ gramme, die einen Teil des Betriebs der in den Fig. 1A, 1B und 2A gezeigten Ausführungsform der Erfindung ausführen;
Fig. 6 eine Graphik mit der Darstellung, wie verschiedene Faktoren mit dem Motorbetrieb nach der Erfindung verbunden sind;
Fig. 7 eine Graphik mit der Darstellung der Ergebnisse bei Verwendung der Erfindung;
Fig. 11A bis 11F Graphiken mit der Beschreibung des Betriebs einer Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 12 und 14 Blockdiagramme einer Ausführungsform, bei der die Erfindung vorteilhaft genutzt wird.
Ein fremdgezündeter Innenverbrennungsmotor mit Direktein­ spritzung 10, welcher eine Mehrzahl von Verbrennungsräumen aufweist, wird durch ein elektronisches Motorsteuergerät 12 gesteuert. In Fig. 1A wird ein Verbrennungsraum 30 des Motors 10 gezeigt, welcher Verbrennungsraumwände 32 mit darin einge­ setztem Kolben 36 umfaßt, welcher mit der Kurbelwelle 40 ver­ bunden ist. Bei diesem besonderen Beispiel weist der Kolben 36 eine (nicht gezeigte) Aussparung oder Mulde auf, um die Bildung von geschichteten Füllungen von Luft und Kraftstoff zu unterstützen. Der Verbrennungsraum 30 wird so dargestellt, daß er über jeweilige (nicht gezeigte) Einlaßventile 52a und 52b und (nicht gezeigte) Auslaßventile 54a und 54b mit einem Ansaugkrümmer 44 und einem Auspuffkrümmer 48 verbunden ist. Eine Kraftstoffeinspritzdüse 66A wird so dargestellt, daß sie direkt mit dem Verbrennungsraum 30 verbunden ist, um in die­ sen entsprechend der Pulsbreite eines vom Steuergerät 12 über einen konventionellen elektronischen Treiber 68 erhaltenen Signals fpw flüssigen Kraftstoff direkt einzuspritzen. Der Kraftstoff wird der Einspritzdüse 66A durch ein (nicht ge­ zeigtes) an sich bekanntes Hochdruckkraftstoffsystem gelie­ fert, das einen Kraftstofftank, Kraftstoffpumpen und eine Kraftstoffleitung aufweist.
Der Ansaugkrümmer 44 wird als über eine Drosselklappe 62 mit einem Drosselklappenkörper 58 in Verbindung stehend gezeigt. In diesem besonderen Beispiel ist die Drosselklappe 62 in der Weise mit einem Elektromotor 94 verbunden, daß die Position der Drosselklappe 62 vom Steuergerät 12 über den Elektromotor 94 gesteuert wird. Diese Konfiguration wird allgemein als elektronisches Gaspedal (ETC) bezeichnet, welches auch zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl genutzt wird. In einem (nicht gezeigten) alternativen Ausführungsbeispiel, das dem Fachmann an sich bekannt ist, wird parallel zur Drosselklappe 62 ein Bypass-Luftkanal angeordnet, um während der Leerlaufregelung einen aufgebauten Luftstrom über ein innerhalb des Luftdurch­ laßweges angeordnetes Drosselklappen-Steuerventil zu steuern.
Der Abgassauerstoffsensor (EGOS) 76 wird so dargestellt, daß er stromab des Katalysators 70 mit dem Auspuffkrümmer 78 ver­ bunden ist. In diesem besonderen Beispiel liefert der Sensor 76 ein EGO-Signal an das Steuergerät 12, das das EGO-Signal in ein Zweistufensignal EGOS umwandelt. Ein Zustand hoher Spannung des EGOS-Signals gibt an, daß die Auspuffgase fetter sind als das stöchiometrische Gemisch, und ein Niederspan­ nungszustand des EGOS-Signals gibt an, daß die Auspuffgase magerer sind als das stöchiometrische Gemisch. Das EGOS- Signal wird vorteilhafterweise in an sich bekannter Weise für die Rückmeldungs-Luft-/Kraftstoffgemischsteuerung genutzt, um das durchschnittliche Luft-/Kraftstoffgemisch während des stöchiometrischen homogenen Funktionsmodus beim stöchiometri­ schen Verhältnis zu halten.
Ein an sich bekanntes kontaktloses Zündsystem 88 liefert ent­ sprechend dem Vorzündungssignal SA aus dem Steuergerät 12 über eine Zündkerze 92 den Zündfunken an den Verbrennungsraum 30.
Indem es den Einspritzzeitpunkt steuert bewirkt das Steuerge­ rät 12, daß der Verbrennungsraum 30 entweder in einer homoge­ nen Luft-/Kraftstoffgemischbetriebsart oder in einer ge­ schichteten Luft-/Kraftstoffgemischbetriebsart arbeitet. In der geschichteten Betriebsart aktiviert das Steuergerät 12 die Einspritzdüse 66A während des Verdichtungshubs des Motors in der Weise, daß Kraftstoff direkt in die Mulde des Kolbens 36 eingespritzt wird. Somit werden stratifizierte Luft- /Kraftstoffgemisch-Schichten gebildet. Die Schicht, die am nächsten bei der Zündkerze liegt, enthält ein stöchiometri­ sches Gemisch oder ein etwas fetteres Gemisch als das stöchiometrische Gemisch, und die daran anschließenden Schichten enthalten ein zunehmend mageres Gemisch. Während der homogenen Betriebsart aktiviert das Steuergerät 12 die Einspritzdüse 66A während des Ansaughubs, so daß ein im we­ sentlichen homogenes Luft-/Kraftstoffgemisch gebildet wird, wenn vom Zündsystem 88 Zündstrom an die Zündkerze 92 gelie­ fert wird. Das Steuergerät 12 steuert die von der Einspritz­ düse 66A abgegebene Kraftstoffmenge in der Weise, daß das ho­ mogene Luft-/Kraftstoffgemisch im Verbrennungsraum 30 so ge­ wählt werden kann, daß es stöchiometrisch ist, einen fetteren Wert als den stöchiometrischen oder aber einen magereren Wert als den stöchiometrischen Wert annimmt. Das geschichtete Luft-/Kraftstoffgemisch wird immer einen magereren Wert haben als den stöchiometrischen, wobei das genaue Luft-/Kraftstoff­ gemisch eine Funktion der zum Verbrennungsraum 30 geführten Kraftstoffmenge ist. Eine zusätzliche gesplittete Betriebs­ art, bei der während des Auspufftaktes zusätzlicher Kraft­ stoff eingespritzt wird, wenn in der geschichteten Betriebs­ art gefahren wird, ist ebenfalls möglich.
Ein Stickoxyd(NOx)-Absorber bzw. eine Falle 72 wird als stromab vom Katalysator 70 angeordnet dargestellt. Die NOx- Falle 72 absorbiert NOx, wenn der Motor im Magerbetrieb ar­ beitet. Das absorbierte NOx reagiert anschließend mit HC und wird während eines NOx-Spülzyklus katalysiert, wenn das Steu­ ergerät 12 veranlaßt, daß der Motor 10 entweder in einer fet­ ten homogenen Betriebsart oder in einer stöchiometrischen ho­ mogenen Betriebsart arbeitet.
Das Steuergerät 12 wird in Fig. 1A als ein an sich bekannter Mikrocomputer gezeigt, welcher umfaßt: eine Mikroprozes­ soreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 104, ein elek­ tronisches Speichermedium für Arbeitsprogramme und Kalibrier­ werte, in diesem besonderen Beispiel dargestellt als ein Todspeicherchip 106, einen Informationsspeicher mit wahlfrei­ em Zugang (RAM) 108, einen Hilfsspeicher 110 und einen kon­ ventionellen Datenbus. Das Steuergerät 12 wird so darge­ stellt, daß es zusätzlich zu den vorstehend erörterten Signa­ len verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren empfängt, hierin eingeschlossen: Messung des aufge­ bauten Luftmassenstroms (MAF) aus dem mit dem Drosselklappen­ körper 58 verbundenen Luftmassenstromsensor 100; Motorkühl­ mitteltempteratur (ECT) aus dem mit der Kühlschlange 114 ver­ bundenen Temperatursensor; ein Profil-Zündabgriffsignal (PIP) aus einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Hall-Effekt­ sensor 118 und die Drosselklappenstellung TP aus dem Drossel­ klappensensor 120 sowie ein absolutes Ansaugkrümmerdrucksi­ gnal (MAP) aus dem Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM wird vom Steuergerät 12 in einer an sich bekannten Weise auf­ grund des PIP-Signals generiert, und das Ausaugkrümmerdruck­ signal (MAP) liefert eine Angabe der Motorlast. Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung erzeugt der Sensor 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Dre­ hung der Kurbelwelle eine vorherbestimmte Anzahl von Impulsen im gleichen Abstand.
Bei diesem besonderen Beispiel werden die Temperatur Tcat des Katalysators 70 und die Temperatur Ttrp der NOx-Falle 72 in der Weise aus dem Motorbetrieb abgeleitet, wie dies im US- Patent Nr. 5.414.994 offengelegt wird, dessen Beschreibung hierin durch Bezugnahme darauf übernommen wird. Bei einem al­ ternativen Ausführungsbeispiel wird die Temperatur Tcat von einem Temperatursensor 124 geliefert, und die Temperatur Ttrp wird von einem Temperatursensor 126 geliefert.
Die Beschreibung wird mit Fig. 1A fortgesetzt; hier wird eine Nockenwelle 130 des Motors 10 so dargestellt, daß sie zur Be­ tätigung von Einlaßventilen 52a, 52b und Auslaßventilen 54a, 54b mit Stößeln 132 und 134 zusammenwirkt. Die Nockenwelle 130 ist direkt mit einem Gehäuse 136 verbunden. Das Gehäuse 136 bildet ein Zahnrad mit einer Mehrzahl von Zähnen 138. Das Gehäuse 136 ist hydraulisch mit einer (nicht gezeigten) inne­ ren Welle verbunden, welche wiederum über eine (nicht gezeig­ te) Steuerkette mit der Nockenwelle 130 verbünden ist. Demzu­ folge rotieren das Gehäuse 136 und die Nockenwelle 130 mit einer Drehzahl, welche im wesentlichen derjenigen der inneren Nockenwelle entspricht. Die innere Nockenwelle dreht sich in einem konstanten Drehzahlverhältnis bezogen auf die Kurbel­ welle 40. Durch Beeinflussung der hydraulischen Kupplung ent­ sprechend der nachfolgenden Beschreibung kann jedoch die re­ lative Lage der Nockenwelle 130 bezogen auf die Kurbelwelle 40 durch hydraulische Drücke in einer Vorkammer 142 und einer Verzögerungskammer 144 variiert werden. Indem erlaubt wird, daß Hochdruckhydraulikflüssigkeit in die Vorkammer 142 ein­ tritt, wird die Relativbeziehung zwischen der Nockenwelle 130 und der Kurbelwelle 40 vorverstellt, damit öffnen und schlie­ ßen sich die Einlaßventile 52a und 52b und die Auslaßventile 54a und 54b zu einem früheren Zeitpunkt als normal bezogen auf die Kurbelwelle 40. Wenn analog Hochdruckhydraulikflüs­ sigkeit in die Verzögerungskammer 144 eingelassen wird, wird die Relativbeziehung zwischen der Nockenwelle 130 und der Kurbelwelle 40 zurückverstellt. Demzufolge öffnen und schlie­ ßen sich die Einlaßventile 52a und 52b und die Auslaßventile 54a und 54b zu einem späteren Zeitpunkt als normal bezogen auf die Kurbelwelle 40.
Mit dem Gehäuse 136 und der Nockenwelle 130 verbundene Zähne 138 erlauben die Messung der relativen Nockenposition über einen Nockensteuerungssensor 150, welcher dem Steuergerät 12 ein VCT-Signal liefert. Die Zähne 1, 2, 3 und 4 werden vor­ zugsweise für die Messung der Nockensteuerung verwendet und sind in gleichen Abständen angeordnet (z. B. bei einem V-8- Motor mit zwei Zylinderbänken sind sie in 90° Abstand vonein­ ander angeordnet), während der Zahn 5 vorzugsweise wie im folgenden beschrieben zur Zylinderidentifikation herangezogen wird. Zusätzlich sendet das Steuergerät 12 Steuersignale (LACT, RACT) an (nicht gezeigte) an sich bekannte Magnetven­ tile, um den Strom der Hydraulikflüssigkeit entweder in die Vorkammer 142, die Verzögerungskammer 144 oder in keine von beiden zu leiten.
Die relative Nockensteuerung wird unter Verwendung des in US 5.548.995, das hierin unter Bezugnahme darauf übernommen wird, beschriebenen Verfahrens gemessen. In allgemeiner Form liefern die Zeit oder der Drehwinkel zwischen der ansteigen­ den Flanke des PIP-Signals und dem Empfang eines Signals von einer der Mehrzahl von Zähnen 138 am Gehäuse 136 ein Maß für die relative Nockensteuerung. Bei dem besonderen Beispiel ei­ nes V-8-Motors mit zwei Zylinderbänken und einem fünfzähnigen Rad wird ein Maß für die Nockensteuerung für eine bestimmte Bank viermal pro Umdrehung erhalten, wobei das verbleibende Signal für die Zylinderidentifikation herangezogen wird.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1B wird eine Kanal-Kraftstoff­ einspritzungs-Konfiguration gezeigt, bei der die Kraftstoff­ einspritzdüse 66B nicht direkt mit dem Zylinder 30, sondern mit dem Ansaugkrümmer 44 verbunden ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2A zeigt ein allgemeineres Diagramm den Krümmer 44a mit dem Einlaßstrom m_in und dem Auslaßstrom m_out. Der Einlaßstrom m_in wird durch die Einlaßregelvor­ richtung 170 geregelt. Der Auslaßstrom m_out wird durch die Auslaßregelvorrichtung 171 geregelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Krümmer 44a ein Ansaugkrümmer eines Motors, die Einlaßregelvorrichtung 170 ist eine Drosselklap­ pe, und die Auslaßregelvorrichtung 171 ist ein variabler Noc­ kensteuerungsmechanismus. Wie jedoch ein Fachmann erkennen würde, gibt es viele alternative Ausführungsformen der Erfin­ dung. Beispielsweise könnte die Auslaßregelvorrichtung ein Drall-Steuerventil, ein variabler Ventilzeitsteuerungsmecha­ nismus, ein variabler Ventilhebemechanismus oder ein in der nockenlosen Motortechnologie verwendetes elektronisch gesteu­ ertes Einlaßventil sein.
Die Beschreibung wird mit Fig. 2A fortgesetzt; hier gibt es weitere Variablen, die den in den Krümmer 44a eintretenden und diesen verlassenen Strom beeinflussen. Beispielsweise be­ stimmen die Drücke p1 und p2 in Verbindung mit der Einlaßre­ gelvorrichtung 170 den Strom m_in. Analog bestimmen die Drüc­ ke p2 und p3 in Verbindung mit der Auslaßregelvorrichtung 171 den Strom m_out. Demzufolge beeinflußt die Flußspeicherung im Krümmer 44a, welche bestimmt, wie schnell der Druck p2 sich ändern kann, den Strom m_out. In einem Beispiel, bei dem der Krümmer 44a ein Ansaugkrümmer eines stöchiometrisch arbeiten­ den Motors ist, stellt der Strom m_out den Strom dar, der in einen Zylinder eintritt, und er ist direkt proportional zum Motordrehmoment.
Die Fig. 2B-2K zeigen die Wirkung solcher gegenseitigen Beziehungen auf die Systemleistung. In Fig. 2B wird die Ein­ laßregelvorrichtung 170 zum Zeitpunkt t1 rasch geändert. Die daraus resultierende Veränderung des Auslaßstroms (m_out) wird in Fig. 2C gezeigt. Die daraus resultierende Änderung des Einlaßstroms (m_in) wird in Fig. 2D gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Auslaßregelvorrichtung 171 fest und ent­ spricht demzufolge dem konventionellen Motorbetrieb und dem Betrieb nach dem Stand der Technik, bei dem die Drosselklap­ penstellung genutzt wird, um den Auslaßstrom (m_out) zu steu­ ern. In diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung der Einlaßregelvorrichtung 170 keine entsprechend schnelle Verän­ derung des austretenden Stroms m_out.
Erfindungsgemäß wird in Fig. 2E die Auslaßregelvorrichtung 171 zum Zeitpunkt t2 rasch geändert. Die daraus resultierende Veränderung des Auslaßstroms (m_out) wird in Fig. 2F gezeigt. Die daraus resultierende Veränderung des Einlaßstroms (m_in) wird in Fig. 2G gezeigt. Bei diesem Beispiel ist die Einlaß­ regelvorrichtung 170 fest und stellt demzufolge die Anpassung der Auslaßvorrichtung 171 nur zur Steuerung des Auslaßstroms (m_out) dar. Bei diesem Beispiel bewirkt eine rasche Verände­ rung der Auslaßregelvorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Veränderung des austretenden Stroms m_out. Jedoch ist die schnelle Veränderung nicht wirklich nachhaltig.
Erfindungsgemäß wird in Fig. 2H die Einlaßregelvorrichtung 170 zum Zeitpunkt t3 rasch geändert. Analog wird in Fig. 21 die Auslaßregelvorrichtung 171 zum Zeitpunkt t3 rasch geän­ dert. Die resultierende Veränderung des Auslaßstroms (m_out) wird in Fig. 2J gezeigt. Die resultierende Veränderung des Einlaßstroms (m_in) wird in Fig. 2K gezeigt. Bei diesem Bei­ spiel werden sowohl die Einlaßregelvorrichtung 170 als auch die Auslaßregelvorrichtung 171 gleichzeitig variiert. Bei diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung sowohl der Einlaßregelvorrichtung 170 als auch der Auslaßregelvorrich­ tung 171 eine gleichermaßen schnelle Veränderung beim Auslaß­ strom m_out, wobei die rasche Veränderung nachhaltig ist.
Erfindungsgemäß wird in Fig. 2L die Einlaßregelvorrichtung 170 zum Zeitpunkt t4 rasch geändert. Analog wird in Fig. 2M die Auslaßregelvorrichtung 171 zum Zeitpunkt t4 in einem grö­ ßeren Umfang verändert als bei Fig. 21. Die resultierende Veränderung des Auslaßstroms (m_out) wird in Fig. 2N gezeigt. Die resultierende Veränderung des Einlaßstroms (m_in) wird in Fig. 20 gezeigt. Bei diesem Beispiel werden sowohl die Ein­ laßregelvorrichtung 170 als auch die Auslaßregelvorrichtung 171 gleichzeitig variiert. Bei diesem Beispiel bewirkt eine rasche Veränderung sowohl der Einlaßregelvorrichtung 170 als auch der Auslaßregelvorrichtung 171 eine gleichermaßen schnelle Veränderung des Auslaßstroms m_out, wobei die rasche Veränderung nachhaltig ist und tatsächlich eine gewisse Spit­ zenmenge oder ein Überschießen verursacht. Dies zeigt, wie die Erfindung genutzt werden kann, um nicht nur schnell eine Zunahme beim Auslaßstrom zu bewirken, sondern auch ein Über­ schießen hinzuzufügen. Demzufolge kann ein Steuerungssystem nach der Erfindung eine antizipierende Luftstromsteuerung ge­ nerieren. Eine solche antizipierende Steuerung ist vorteil­ haft für die Leerlaufdrehzahlsteuerung des Motors, um der Trägheit des Motors entgegenzuwirken, oder aber bei bestimm­ ten Fahrzeuganfahrzuständen, um einen verbesserten Fahrkom­ fort zu liefern.
Erfindungsgemäß und durch Nutzung einer Auslaßregelvorrich­ tung ist es möglich, den aus dem Krümmer austretenden Strom rasch zu steuern. Darüber hinaus ist es durch Steuerung so­ wohl einer Einlaß- wie auch einer Auslaßregelvorrichtung mög­ lich, den aus einem Krümmer austretenden Strom in verschiede­ ner Form rascher und genauer zu steuern.
In Fällen, bei denen der Motor 10 mit einem stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnis arbeitet, ist das Motordrehmoment entsprechend direkt proportional zur Zylinderfüllung, welche wiederum zum Auslaßstrom m_out und zur Motordrehzahl propor­ tional ist. Demnach kann in der vorliegenden Erfindung die Luftzufuhr zum Motor im gewünschten Maße gesteuert werden.
Motorleerlaufdrehzahlsteuerung
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun eine Routine zur Steue­ rung der Motordrehzahl unter Verwendung sowohl der Drossel­ klappenstellung als auch der Nockensteuerung beschrieben. Bei Schritt 310 wird aufgrund einer Differenz zwischen der ge­ wünschten Motordrehzahl (Ndes) und der tatsächlichen Motor­ drehzahl (Nact) ein Motordrehzahlfehler (Nerr) berechnet. Dann wird bei Schritt 320 aufgrund des Drehzahlfehlers unter Verwendung des Steuergeräts K1 die Veränderung der Zylinder­ füllung berechnet, wobei das Steuergerät K1 in an sich be­ kannter Weise im Laplace-Bereich als K1(s) dargestellt wird. Die gewünschte Veränderung bei der Zylinderfüllung (Δmcyl) wird vorzugsweise unter Verwendung eines proportionalen Steu­ ergeräts berechnet. Demzufolge ist das Steuergerät K1 bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Proportionalsteuergerät. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, daß verschiedene andere Steuerschemata anstelle des proportionalen Steuergerä­ tes K1 verwendet werden können. Beispielsweise können propor­ tionale integrale Derivativ-Steuergeräte oder Steuergeräte mit gleitender Betriebsart oder beliebige sonstige Steuerge­ räte, die dem Fachmann bekannt sind, genutzt werden. Als nächstes wird bei Schritt 330 aufgrund des Drehzahlfehlers und des Steuergerätes K3 eine Übergangsstellung der Drossel­ klappe (Tpint) berechnet. Wie oben beschrieben können für das Steuergerät K3 verschiedene Steuergeräte verwendet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät K3 ein Integralsteuergerät. Als nächstes wird bei Schritt 340 auf der Grundlage einer Differenz zwischen einer gewünschten Nominal-Nockensteuerung (VCTdesnom) und einer tatsächlichen Nockensteuerung (VCTact) ein Nominal-Nockensteuerungsfehler berechnet. Der gewünschte Nominal-Nockensteuerungswert (VCTdesnom) kann auf der Grundlage von Betriebszuständen, beispielsweise auf der Grundlage des Leerlaufmodus oder des Drivemodus, berechnet werden. Des weiteren kann der Nominal- Nockensteuerungswert (VCTdesnom) als Funktion eines gewünsch­ ten Motordrehmoments oder irgendeines sonstigen Programmier­ verfahrens eingestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Als nächstes wird bei Schritt 350 eine Übergangszeitsteuerung (VCTint) des Nominal-Nockensteuerungsfehlers und des Steuer­ geräts K2 berechnet. Das Steuergerät K2 kann ein beliebiges dem Fachmann bekanntes Steuergerät sein. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät K2 ein proportionales integrales Steuergerät.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nun eine Routine für die Be­ rechnung von Anpassungen der Nockensteuerung und der Drossel­ klappenstellung zur raschen Veränderung der Zylinderfüllung beschrieben. Zunächst wird bei Schritt 410 der Krümmerdruck (Pm) geschätzt oder unter Verwendung des Sensors 122 gemes­ sen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Krüm­ merdruck (Pm) unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Verfahren geschätzt. Beispielsweise kann der Krümmerdruck un­ ter Verwendung des Signals MAF aus dem Luftmassenstromsensor 100, der Motordrehzahl und sonstiger dem Fachmann bekannten Signalen geschätzt werden, um den Krümmerdruck zu erhalten. Als nächstes wird bei Schritt 412 die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung (Δncyl) aus Fig. 3 abgelesen. Danach wird bei Schritt 414 eine Veränderung der Nockensteuerung (ΔVCT) festgelegt, um die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung bei dem bei Schritt 410 abgelesenen Krümmerdruck (Pm) zu er­ halten. Schritt 414 wird unter Verwendung von Kennfeldern be­ züglich Nockensteuerung, Zylinderfüllung und Krümmerdruck ausgeführt. Die Kennfeder können theoretisch unter Verwen­ dung von Motormodellen ermittelt oder unter Verwendung von Motortestdaten gemessen werden. Als nächstes wird bei Schritt 416 eine Veränderung der Drosselklappenstellung (ΔTP) ermit­ telt, um die gewünschte Veränderung der Zylinderfüllung (Δncyl) bei dem in Schritt 410 ermittelten Krümmerdruck (Pm) zu erhalten. Schritt 416 wird analog unter Verwendung von Pa­ rametern wie Drosselklappenstellung, Zylinderfüllung und Krümmerdruck enthaltenden charakteristischen Kennfeldern durchgeführt. Die Kennfelder können unter Verwendung von Mo­ tormodellen oder unter Verwendung von Motortestdaten ermit­ telt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird die Routine für die Berech­ nung der gewünschten Nockensteuerung und der gewünschten Drosselklappenstellung beschrieben. Zunächst wird bei Schritt 510 auf der Grundlage der gewünschten Veränderung der Nocken­ steuerung und der Übergangsnockensteuerung ein gewünschter Zylinder, eine gewünschte Nockensteuerung (VCTdes) ermittelt. Als nächstes wird bei Schritt 512 die gewünschte Drosselklap­ penstellung (TPdes) auf der Grundlage der Übergangsdrossel­ klappenstellung und der gewünschten Veränderung bei der Dros­ selklappenstellung ermittelt.
Wenn jedoch eine Nockensteuerungsposition gewünscht wird, die größer als die maximal mögliche Nockensteuerung ist, oder wenn eine Mindestnockensteuerung geringer ist als die min­ destmögliche Nockensteuerung, wird die gewünschte Nocken­ steuerung (VCTdes) auf den Maximalwert oder den Minimalwert gesetzt. Die Hockensteuerung ist möglicherweise nicht in der Lage, die gewünschte Zunahme oder Abnahme bei der Zylinder­ luftfüllung zu bewirken. In diesem Fall wird die Nockensteue­ rung auf den erreichbaren Limitwert gesetzt, und die Drossel­ klappenstellung wird zur Durchführung der Steuerung herange­ zogen.
Zwänge beim stationären Zustand
Wie oben hierin unter besonderer Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben, wurde ein Steuerungsverfahren für die Steuerung des Motorluftdurchsatzes oder des Motordrehmoments und damit der Motordrehzahl beschrieben. Des weiteren umfaßt das Verfahren ein Verfahren für die rasche Steuerung der Zy­ linderfüllung unter Verwendung eines Einlaß- und eines Aus­ laßregelvorrichtung, während außerdem die Steuerung der Aus­ laßregelvorrichtung relativ langsam auf eine Nennposition eingestellt wurde. Beide Prozesse werden nun unter Heranzie­ hung sowohl der Fig. 6 wie auch der Fig. 7 näher erläutert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird eine Graphik mit der Dros­ selklappenstellung (TP) auf der Ordinate und der Nockensteue­ rung (VCT) auf der Abszisse gezeigt. Gestrichelte Linien wer­ den unter Annahme von stöchiometrischen Bedingungen für kon­ stante Werte des Motordrehmoments (Te) gezeigt, während durchgezogene Linien einen konstanten Wert des Krümmerdrucks zeigen. Erfindungsgemäß kann der Motor die Betriebspunkte längs der Linien konstanten Drucks rasch ändern (wodurch der Motorluftdurchsatz und das Drehmoment rasch geändert werden), da es in dieser Richtung keine Krümmerdynamik gibt. Der Mo­ torbetriebszustand kann sich jedoch entlang der gestrichelten Linien nur relativ langsam ändern, wenn das Luft-/Kraftstoff­ verhältnis vorgegeben ist (beispielsweise beim stöchiometri­ schen Wert). Die gestrichelte senkrechte Linie stellt die ge­ wünschte Nominal-Nockenwellensteuerung für die gegebenen Be­ triebsbedingungen dar. Beispielsweise die Nennsteuerung für den Leerlaufbetriebszustand oder die Nennsteuerung für den aktuell gewünschten Motordrehmomentwert.
Mit anderen Worten stellen Krümmerdynamiken dynamische Phäno­ mene dar, welche mit sich änderndem Krümmerdruck verbunden sind, und erklären, warum der in den Zylinder eintretende Strom nicht immer dem in den Krümmer eintretenden Strom ent­ spricht. Wegen des Krümmervolumens kann sich der Krümmerdruck nicht augenblicklich ändern. In dem Maße, wie der Krümmer­ druck zunimmt, wird die Dynamik des Krümmers langsamer. Umge­ kehrt wird die Dynamik in dem Maße schneller, wie das Krüm­ mervolumen geringer wird. Also ist die Krümmerdynamik oder die Krümmerverzögerung eine Funktion des Krümmervolumens. Wie oben beschrieben sind die Krümmerdynamiken im wesentlichen unbedeutend, solange es sich um den Bereich der Linien kon­ stanten Drucks handelt. Demzufolge werden Stromänderungen nicht durch die Krümmerdynamik eingeschränkt, wenn die Ein­ laß- und Auslaßregelvorrichtungen geändert werden, um einen Strom in ähnlichen Richtungen zu bewirken. Indem die Einlaß­ regelvorrichtung und Auslaßregelvorrichtung rascher geändert werden als die Krümmerdynamik, um eine Zunahme sowohl längs der Abszisse wie auch der Ordinate in Fig. 6 zu erreichen, ändert sich der Zylinderdurchsatz rascher als die Krümmerdy­ namik. Mit anderen Worten, ändert sich der Zylinderstrom schneller als dies der Fall wäre, wenn sich allein die Ein­ laßregelvorrichtung unendlich schnell änderte. Wenn die Ein­ laßregelvorrichtung und die Auslaßregelvorrichtung so verän­ dert werden, daß sie einen Strom in entgegengesetzten Rich­ tungen bewirken, kann die Zylinderfüllung konstant gehalten werden. Insbesondere werden sowohl die Einlaßregelvorrichtung als auch die Auslaßregelvorrichtung langsamer verändert als die Krümmerdynamik, da der Krümmerdruck geändert wird. Dies ist besonders nützlich, wenn der Motorluftdurchsatz oder das Motordrehmoment relativ konstant zu halten ist und gleichzei­ tig gewünscht wird, dennoch entweder die Einlaßregelvorrich­ tung oder die Auslaßregelvorrichtung an einem bestimmten Punkt zu plazieren.
Unter Bezugnahme auf die beiden Fig. 6 und 7 wird nun ein Betriebsbeispiel nach einem Merkmal der Erfindung beschrie­ ben. Zunächst arbeitet das System bei Punkt 1. Beispielsweise beträgt das gewünschte Motordrehmoment (Ted) Te2 oder dieses ist zufällig das zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Mo­ tordrehzahl erforderliche Drehmoment. Dann ändert sich entwe­ der das gewünschte Motordrehmoment (Ted) auf Te3 oder eine Drehmomentstörung verursacht, daß die Motordrehzahl abfällt, womit eine Erhöhung des Motordrehmoments auf Te3 erforderlich wird, um die gewünschte Motordrehzahl zu halten. Zu diesem Zeitpunkt (Zeitpunkt t5) bewirkt das Steuergerät 12, daß so­ wohl die Drosselklappenstellung als auch die Nockensteuerung in der Weise geändert werden, daß sich das Motorsystem rasch zu Punkt 2 bewegt. Als nächstes und um die Nockensteuerung und die Nominal-Nockensteuerung zu halten, bewirkt das Steu­ ergerät 12, daß sich sowohl die Drosselklappenstellung wie auch die Nockensteuerung mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Krümmerdynamik zu Punkt 3 bewegen.
Dementsprechend wird erfindungsgemäß bewirkt, daß sich die Drosselklappenstellung und die Nockensteuerung in folgender Weise bewegen: Wenn gewünscht wird, die Zylinderluftfüllung unabhängig vom Krümmervolumen rasch zu erhöhen: 1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer Weise, die zu einer Vergrößerung der Drosselklappenöffnungsfläche führt, und 2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepaßt, daß die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krüm­ merdruck erhöht wird. Wenn analog gewünscht wird, unabhängig vom Krümmervolumen die Zylinderluftfüllung rasch zu mindern: 1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer solchen Weise, daß eine Abnahme der Drosselöffnungsfläche herbeige­ führt wird, und (2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepaßt, daß die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck reduziert wird. Damit ist es möglich, durch diese kombinierte Einwirkung den Strom in den Zylinder rasch zu ändern und aufrechtzuerhalten.
Wenn jedoch gewünscht wird, die Zylinderluftfüllung zu halten und entweder die Drosselklappenöffnung zu vergrößern oder zu bewirken, daß sich die Nockensteuerung in einer solchen Weise bewegt, daß weniger Luftfüllung für einen gegebenen Krümmer­ druck aufgebaut wird ober beides, 1) bewegt sich die Drossel­ klappenstellung in einer solchen Weise, daß eine Zunahme der Drosselöffnungsfläche bewirkt wird, und 2) wird die Nocken­ steuerung in einer solchen Weise angepaßt, daß die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck redu­ ziert wird. Durch diese entgegengesetzte Maßnahme kann somit die Zylinderfüllung konstant gehalten werden. Wenn alternativ gewünscht wird, die Zylinderluftfüllung aufrechtzuerhalten und entweder die Drosselöffnung zu mindern oder zu bewirken, daß sich die Nockensteuerung in der Weise bewegt, daß bei ei­ nem gegebenen Krümmerdruck mehr Luft eingeführt wird oder beides, 1) bewegt sich die Drosselklappenstellung in einer Weise, daß eine Abnahme der Drosselöffnungsfläche bewirkt wird, und 2) wird die Nockensteuerung in einer solchen Weise angepaßt, daß die aufgebaute Zylinderluftfüllung für einen gegebenen Krümmerdruck erhöht wird. Wiederum kann die Zylin­ derfüllung durch diese entgegengesetzte Vorgehensweise kon­ stant gehalten werden.
Eine solche koordinierte Steuerung ist insofern vorteilhaft als Zwänge der Optimierung des Konstantzustandes bei der Noc­ kensteuerung eingehalten werden können, während nach wie vor die Möglichkeit besteht, die Zylinderluftfüllung rasch zu än­ dern.
Motordrehmomentsteuerung
Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird nun eine Routine für die Steuerung des Motordrehmoments und nicht der Motordrehzahl, wie zu Fig. 3 ausgeführt, beschrieben. Die Motordrehmoment­ steuerung nach der Erfindung kann für verschiedene Zwecke, einschließlich des normalen Fahrbetriebs, Traktionskontrolle und/oder Geschwindigkeitsregelung, verwendet werden. Mit an­ deren Worten kann die Fig. 8 verbunden mit den Fig. 3 bis 5 herangezogen werden, um das Motordrehmoment zu regeln, wo­ bei die Schritte 310 bis 330 durch Fig. 8 ersetzt werden. Wird zunächst Fig. 8 betrachtet, wird bei Schritt 810 ein ge­ wünschtes Motordrehmoment (Ted) ermittelt. Fachleute werden erkennen, daß das gewünschte Motordrehmoment (Ted) in ver­ schiedener Weise festgelegt werden kann. Beispielsweise kann das gewünschte Motordrehmoment ausgehend von dem gewünschten Raddrehmoment und dem Übersetzungsverhältnis, von der Gaspe­ dalstellung und der Fahrzeuggeschwindigkeit, von der Gaspe­ dalstellung und der Motordrehzahl oder nach einem beliebigen an sich bekannten Verfahren ermittelt werden. Dann wird bei Schritt 820 auf der Grundlage einer Funktion (h) des ge­ wünschten Motordrehmoments (Ted) die gewünschte Zylinderfül­ lung (mcyld) ermittelt. Die Funktion (h) basiert auf einem gewünschten Luft-/Kraftstoffverhältnis, wie z. B. stöchiome­ trischen Bedingungen.
Die Beschreibung wird mit Fig. 8 fortgesetzt; hier wird bei Schritt 830 auf der Grundlage der Differenz zwischen der ge­ wünschten Zylinderfüllung (mcyld) und der tatsächlichen Zy­ linderfüllung (mcyl) die gewünschte Veränderung der Zylinder­ füllung (Dmcyl) ermittelt. Dann wird bei Schritt 840 auf der Grundlage der gewünschten Veränderung bei der Zylinderfüllung (Dmcyl) und dem Steuergerät K3 die Drosselklappenübergangs­ stellung (Tpint) berechnet. Wie oben beschrieben können ver­ schiedene Steuergeräte für das Steuergerät K3 herangezogen werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät K3 ein Integralsteuergerät. Dann wird bei Schritt 850 eine Nominal-Nockenwellensteuerung (VCTdesnom) auf der Grundlage der Funktion (g) und des gewünschten Motordrehmo­ ments (Ted) ermittelt. Dann setzt sich die Routine bis Schritt 340 in Fig. 3 fort.
Alternative Ausführungsform für Zylinderfüllungs-, Drehmo­ ment- und Motordrehzahlsteuerung
Nun wird eine alternative Ausführungsform beschrieben, die herangezogen werden kann, um entweder die Zylinderluftfül­ lung, das Motordrehmoment bei einem gegebenen Luft-/Kraft­ stoffverhältnis oder die Motordrehzahl zu steuern. Unter Be­ zugnahme auf Fig. 9 wird nun bei Schritt 910 detektiert, ob der Motor sich derzeit in einem Leerlaufzustand befindet. Für Fachleute ist erkennbar, daß es verschiedene Verfahren für die Feststellung des Leerlaufzustandes gibt, so z. B. Gaspe­ dalstellung, Motordrehzahl und verschiedene andere Faktoren. Wenn die Antwort auf Schritt 910 JA ist, setzt sich die Rou­ tine bis Schritt 912 fort. Bei Schritt 912 wird die gewünsch­ te Zylinderfüllung (mcyldes) auf der Grundlage eines Motor­ drehzahlfehlers (Nerr) berechnet. Die gewünschte Zylinderfül­ lung wird unter Verwendung der Funktion L1 berechnet, die ei­ ne beliebige Funktion darstellen kann, wie z. B. Motordreh­ zahlfehler multipliziert mit einem konstanten Faktor, was die bevorzugte Ausführungsform ist. Ansonsten setzt sich, wenn die Antwort auf Schritt 910 NEIN ist, die Routine bis Schritt 914 fort. Bei Schritt 914 wird die gewünschte Zylinderfüllung entweder auf der Grundlage eines Fahrerbefehls oder auf der Grundlage von Betriebsbedingungen unter Heranziehung der Funktion L2 berechnet. Die Fachleute kennen verschiedene Ver­ fahren zur Berechnung einer gewünschten Zylinderfüllung auf­ grund eines Fahrerbefehls, wie z. B. Abruf eines gewünschten Motordrehmoments, eines gewünschten Raddrehmoments, einer Mo­ torleistung oder zur Lieferung eines beliebigen anderen vom Fahrer abgerufenen Zustandes. Die Fachleute erkennen auch verschiedene Betriebsbedingungen, die eine gewünschte Zylin­ derfüllung beeinflussen können, wie z. B. Motorstartbedingun­ gen, kaltes Wetter oder Anlaßbedingungen.
Die Beschreibung wird mit Fig. 9 fortgesetzt; die Routine setzt sich entweder von Schritt 912 oder Schritt 914 bis Schritt 916 fort. Bei Schritt 916 wird auf der Grundlage der gewünschten Zylinderfüllung und der tatsächlichen Zylinder­ füllung (mcylact) der Zylinderfüllungsfehler (mcylerr) be­ rechnet. Als nächstes wird bei Schritt 918 der nominale Noc­ kensteuerungsfehler berechnet. Anschließend wird bei Schritt 920 eine Übergangsnockensteuerung auf der Grundlage des nomi­ nalen Nockensteuerungsfehlers und des Steuergeräts H1 berech­ net. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steu­ ergerät H1 ein dem Fachmann bekanntes Integralsteuergerät. Des weiteren werden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Faktoren des Steuergeräts H1 in der Weise ermittelt, daß die Nockensteuerung langsamer eingestellt wird als die Krüm­ merdynamik. Mit anderen Worten werden die Faktoren des Steu­ ergeräts H1 auf der Grundlage von Krümmervolumen und Motor­ drehzahl ermittelt. Das Steuergerät H1 kann jedoch ein belie­ biges dem Fachmann bekanntes Steuergerät sein, wie z. B. ein PID-Steuergerät, ein PI-Steuergerät oder ein P-Steuergerät. Als nächstes wird bei Schritt 920 auf der Grundlage des Zy­ linderfüllungsfehlers und des Steuergeräts H2 die Drossel­ klappenübergangsstellung berechnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H2 ein Integralsteu­ ergerät; wie jedoch für den Fachmann erkennbar ist, können verschiedene Steuergeräte genutzt werden. Als nächstes wird bei Schritt 940 eine Differenz bei der Nockensteuerung auf der Grundlage des Zylinderfüllungsfehlers und des Steuerge­ räts H3 berechnet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H3 ein antizipierendes Steuergerät oder ein hochpaßfilterartiges Steuergerät. Als nächstes setzt sich die Routine bis Schritt 950 fort, wo aufgrund der Differenz bei der Nockensteuerung unter Verwendung des Steuergeräts H4 eine Differenz der Drosselklappenstellung berechnet wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät H4 einfach ein konstanter Faktor. Als nächstes setzt sich die Routine bis Fig. 5 fort.
Luft-/Kraftstoffverhältnis-Zwänge im Magerbetrieb
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird nun eine Routine für die Einschränkung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses auf bestimmte Bereiche beschrieben. Bei Schritt 1010 erfolgt eine Feststel­ lung, ob der Motor im Schichtladezustand arbeitet. Wenn die Antwort bei Schritt 1010 JA ist, setzt sich die Routine bis Schritt 1012 fort. Bei Schritt 1012 wird die erforderliche Kraftstoffeinspritzmenge (fi) auf der Grundlage von Fahrerbe­ fehlen oder Betriebsbedingungen berechnet. Wiederum werden die Fachleute verschiedene Verfahren für die Ermittlung einer Kraftstoffeinspritzmenge auf der Grundlage des Fahrerbefehls oder der Motorbetriebsbedingungen erkennen. Als nächstes setzt sich die Routine bis Schritt 1014 fort, wo ein einge­ schränkter Luftbereich berechnet wird. Der eingeschränkte Luftbereich wird unter Heranziehung eines maximal und minimal zulässigen Luft-/Kraftstoffverhältnisses, der Kraftstoffein­ spritzmenge und eines Bandparameters (B) berechnet. Der Band­ parameter wird herangezogen, um Raum für Ungenauigkeiten der Berechnung zuzulassen. Als nächstes setzt sich die Routine bis Schritt 1016 fort, wo eine Detektierung erfolgt, ob die tatsächliche Zylinderfüllung zwischen den maximal und minimal zulässigen Zylinderfüllungen (mcyl1, mcyl2) liegt. Wenn die Antwort auf Schritt 1016 JA ist, erfolgt eine Detektierung bei Schritt 1018, ob es angesichts der aktuellen Betriebsbe­ dingungen möglich ist, Luftfüllung (mcyl1) auszulösen. Diese Detektierung kann auf der Grundlage von Faktoren, wie z. B. Motordrehzahl und Luftdruck erfolgen. Insbesondere bei zuneh­ mendem Luftdruck ist der Motor in der Lage, eine größere ma­ ximale Luftmenge aufzunehmen. Demzufolge wird bei einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel das Grenz-mcyl1 gewählt, wenn der Luftdruck größer ist als ein kalibrierter Wert, und an­ sonsten wird mcyl2 gewählt. Mit anderen Worten erfolgt bei Schritt 1018 eine Detektierung, ob der Motor physikalisch die obere Luftfüllung (cmyl1) aufbauen kann. Wenn die Antwort auf Schritt 1018 NEIN ist, setzt die Routine die gewünschte Zy­ linderfüllung (mcyldes) gleich der niedrigeren Luftfüllung (mcyl2) bei Schritt 1020 fort. Ansonsten wird die gewünschte Zylinderfüllung auf die obere Zylinderfüllung (mcyl1) ge­ stellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11 wird nun die Erfindung mit An­ sätzen nach dem Stand der Technik für das Steuern des Motor­ drehmoments oder die Aufrechterhaltung eines Luft-/Kraft­ stoffverhältnisses außerhalb eines eingeschränkten Luft- /Kraftstoffverhältnis-Bereiches verglichen. Die Fig. 11a bis 11f zeigen einen Vergleich der Erfindung, wie sie in durchgezogenen Linien dargestellt wird, mit früheren Ansät­ zen, wie sie durch gestrichelte Linien dargestellt werden. Bei früheren Ansätzen nimmt, wie in Fig. 11a gezeigt, die Kraftstoffeinspritzmenge zum Zeitpunkt T6 als Reaktion auf eine Veränderung bei dem gewünschten in Fig. 11d gezeigten Motordrehmoment zu. Um das Luft-/Kraftstoffverhältnis an ei­ nem gewünschten Punkt zu halten, ist, wie in Fig. 11e ge­ zeigt, ein erhöhter Luftstrom erforderlich. Um einen erhöhten Luftstrom zu liefern, verändern, wie in Fig. 11c gezeigt, frühere Ansätze zum Zeitpunkt T6 die Drosselklappenstellung. Da jedoch aufgrund der Luftstromdynamik, die auf dem Krümmer­ volumen beruht, die Luftfüllung nicht rasch genug zunimmt, wie dies in Fig. 11f gezeigt wird, führt dies zu einem zeit­ weiligen Heraustreten des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in den eingeschränkten Bereich, wie dies in Fig. 11e gezeigt wird. Demzufolge können die Ansätze nach dem Stand der Tech­ nik das Luft-/Kraftstoffverhältnis nicht vollständig außer­ halb des eingeschränkten Bereiches halten.
Erfindungsgemäß und wie in Fig. 10 gezeigt, wird zum Zeit­ punkt T6 die Nockensteuerung, wie in Fig. 11b gezeigt, des­ gleichen erhöht. Dies erlaubt, wie in Fig. 11e gezeigt wird, daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis außerhalb des einge­ schränkten Luft-/Kraftstoffverhältnis-Bereiches verbleibt. Dies ist möglich, weil der Luftstrom unter Verwendung sowohl der Nockensteuerung wie auch der Drosselklappenstellung, wie in Fig. 11f in durchgezogener Linie dargestellt, rasch geän­ dert wurde.
Verbesserung der Fahrzeugbeschleunigung
Die Fahreigenschaften des Fahrzeuges werden erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß Zunahmen des Motordrehmoments schnel­ ler bereitgestellt werden als dies bei Verfahren nach dem Stand der Technik möglich war. Bei Fig. 12 ist der Motor 10 mit einem Automatikgetriebe (AT) 1200 über einen Drehmoment­ wandler (TC) 1210 verbunden. Das Automatikgetriebe (AT) 1200 wird als mit einer Antriebswelle 1202 verbunden betrachtet, welche wiederum mit einer Achsantriebseinheit (FD) 1204 ver­ bunden ist. Die Achsantriebseinheit (FD) ist über eine zweite Antriebswelle 1208 mit dem Rad 1208 verbunden. Bei dieser Konfiguration kann der Motor 10 etwas kleiner gebaut werden und trotzdem akzeptable Fahreigenschaften liefern, indem das Motordrehmoment oder der Luftdurchsatz unter Verwendung so­ wohl der Drosselklappenstellung als auch der Nockensteuerung, wie oben hierin beschrieben, gesteuert werden.
Bei Fig. 13 ist der Drehmomentwandler 1210 entfallen. So sind auch ohne die Reduzierung der Größe des Motors 10 bei Verwen­ dung früherer Ansätze die Fahreigenschaften schlechter. Mit anderen Worten wird die Fahrzeugbeschleunigung normalerweise durch eine Drehmomentvermehrung unterstützt, wie sie der Drehmomentwandler 1210 liefert. Ohne Drehmomentwandler 1210 verschlechtert sich der Beschleunigungseindruck des Fahrzeu­ ges. Um das Fehlen des Drehmomentwandlers 1210 auszugleichen, wird der Motor 10 erfindungsgemäß unter Heranziehung sowohl der Drosselklappenstellung als auch der Nockensteuerung ge­ steuert, um das Motordrehmoment oder den Luftdurchsatz rasch zu erhöhen, wodurch die Fahreigenschaften verbessert werden und die Weglassung des Drehmomentwandlers 1210 ermöglicht wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden während der Fahrzeugbeschleunigung bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit und geringer Motordrehzahl sowohl die Einlaßregelvorrichtung 170 als auch die Auslaßregelvorrichtung 171 so koordiniert, daß die Motorzylinderfüllung rasch gesteuert wird, womit die Fahreigenschaften verbessert werden. Zusätzlich zur Ermögli­ chung dieses Betriebes wird die Nominal-Nockensteuerung (VCTdesnom) auf einen Wert gesetzt, bei dem eine hohe poten­ tielle Zunahme bei der Zylinderluftfüllung erreicht werden kann, wenn das Getriebe auf Drive-Stellung ist und die Fahr­ zeuggeschwindigkeit unter einer vorherbestimmten Fahrzeugge­ schwindigkeit liegt, was ein Potential für die Fahrzeugbe­ schleunigung angibt.
Ausgleich des Turbolochs
Unter Bezugnahme auf Fig. 14 wird jetzt eine Konfiguration gezeigt, bei der der Motor 10 mit einer Aufladevorrichtung 1400 verbunden ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Aufladevorrichtung ein Turbolader. Die Aufladevor­ richtung 1400 kann jedoch eine beliebige Aufladevorrichtung sein, wie z. B. ein Kompressor. Der Motor 10 wird als mit dem Ansaugkrümmer 44b und dem Auspuffkrümmer 48b verbunden darge­ stellt. Des weiteren wird die Auslaßregelvorrichtung 171 als mit dem Ansaugkrümmer 44b und dem Motor 10 verbunden gezeigt. Die Einlaßregelvorrichtung 170 wird auch als zwischen dem An­ saugkrümmer 44b und der Aufladevorrichtung 1400 verbunden ge­ zeigt. Die Aufladevorrichtung 1400 enthält den Kompressor 1410.
Erfindungsgemäß ist es jetzt möglich, die auf dem Turboloch beruhenden Verzögerungen zu kompensieren. Bei einer bevorzug­ ten Ausführungsform werden während der Fahrzeugbeschleunigung aus geringen Geschwindigkeiten bei geringer Motordrehzahl die Einlaßregelvorrichtung 170 und die Auslaßregelvorrichtung 171 so abgestimmt, daß sie rasch die Motorzylinderfüllung steu­ ern, womit der verzögerte Druckaufbau durch die Aufladevor­ richtung kompensiert wird. Jedoch kann ein solcher Ansatz während verschiedener Fahrzustände genutzt werden, wie z. B. während des Befahrens von Autobahnen mit gleichmäßiger Ge­ schwindigkeit.
Während die Erfindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, ist es für den einschlägi­ gen Fachmann klar, daß daran viele Änderungen und Modifika­ tionen vorgenommen werden können, ohne den Erfindungsrahmen zu verlassen. Beispielsweise könnte, wie vorstehend hierin beschrieben, eine beliebige Vorrichtung, die den aus dem An­ saugkrümmer 44 austretenden und in den Zylinder 30 eintreten­ den Strom beeinflußt, als Auslaßregelvorrichtung genutzt wer­ den. Beispielsweise könnte erfindungsgemäß ein Drall- Steuerventil, ein Ladebewegungssteuerventil, ein Ansaugkrüm­ merführungssteuerventil oder ein elektronisch gesteuertes An­ saugventil genutzt werden, um die Zylinderfrischfüllung rasch zu verändern. Des weiteren kann statt der Ansaugsteuervor­ richtung jede beliebige Vorrichtung; die den in den Ansaug­ krümmer 44 eintretenden Strom beeinflußt, verwendet werden. Beispielsweise können ein EGR-Ventil, ein Spülsteuerventil oder ein Ansaugluft-Bypass-Ventil in Verbindung mit der Aus­ laßregelvorrichtung in der Weise genutzt werden, daß die Zy­ linderfrischfüllung rasch geändert wird.
Des weiteren kann die Erfindung auf jede beliebige Situation angewandt werden, wo die Zylinderfüllung schneller gesteuert werden muß, als die Krümmerdynamik dies normalerweise zulas­ sen würde. Demzufolge ist beabsichtigt, daß die Erfindung le­ diglich durch die nachfolgenden Patentansprüche eingeschränkt wird.

Claims (19)

1. Verfahren zur Steuerung eines Motors mit mindestens ei­ nem Zylinder, wobei der Motor auch einen Ansaugkrümmer, eine Auslaßregelvorrichtung zur Steuerung des Strom aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder, und eine Einlaßre­ gelvorrichtung zur Steuerung des Stroms in den Ansaug­ krümmer aufweist, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch:
die Feststellung eines gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßregelvorrichtung, und
die Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung auf der Grundlage des genannten gewünschten vorgewählten Punktes der Aus­ laßregelvorrichtung, ohne die Menge des Stroms in den Zylinder zu verändern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt der Anpassung des weiteren die An­ passung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung umfaßt, um den Strom in entgegengesetzte Richtungen zu beeinflussen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einlaßregelvorrichtung eine Drosselklappe ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Auslaßregelvorrichtung ein variables Noc­ kensteuerungssystem ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßregelvorrichtung und die Auslaßregelvorrich­ tung langsamer als ein vorherbestimmter Wert verändert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorherbestimmte Wert auf ein Krümmervolumen bezogen ist.
7. Verfahren zur Steuerung eines Motors mit mindestens ei­ nem Zylinder, wobei der Motor auch einen Ansaugkrümmer, eine Auslaßregelvorrichtung zur Steuerung des Strom aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder und eine Einlaßregel­ vorrichtung zur Steuerung des Stroms in den Ansaugkrüm­ mer aufweist, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Feststellung einer gewünschten in den Zylinder eintre­ tenden Luftmenge,
Feststellung eines gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßregelvorrichtung,
Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung als Reaktion auf einen jeweiligen Einlaßregelvorrichtungs-Befehl und einen Auslaßregelvorrichtungs-Befehl,
Anpassung des genannten Einlaßregelvorrichtungs-Befehls und des genannten Auslaßregelvorrichtungs-Befehls, um die genannte gewünschte Luftmenge bereitzustellen, und Anpassung des genannten Einlaßregelvorrichtungs-Befehls und des genannten Auslaßregelvorrichtungs-Befehls, um den genannten gewünschten vorgewählten Punkt der Aus­ laßregelvorrichtung bereitzustellen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren folgende Schritte aufweist:
Feststellung eines anfänglichen Einlaßregelvorrich­ tungs-Befehls und eines anfänglichen Auslaßregelvor­ richtungs-Befehls auf der Grundlage der genannten ge­ wünschten Luftmenge,
Feststellung eines Einlaßregelvorrichtungs-Befehls auf der Grundlage des genannten anfänglichen Einlaßregel­ vorrichtungs-Befehls und auf der Grundlage eines Inte­ gralfehlers zwischen der genannten gewünschten Luftmen­ ge und der tatsächlichen Luftmenge,
Einstellung der genannten Auslaßregelvorrichtung auf der Grundlage des genannten anfänglichen Auslaßregel­ vorrichtungs-Befehls und des genannten Integralfehlers zwischen dem genannten vorgewählten Punkt der Auslaßre­ gelvorrichtung und einem tatsächlichen Auslaßregelvor­ richtungswert.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Auslaßregelvorrichtung ein variables Noc­ kensteuerungssystem ist.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einlaßregelvorrichtung eine Drosselklappe ist.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte gewünschte vorgewählte Punkt der Auslaßre­ gelvorrichtung auf einem Fahrerbefehl basiert.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte gewünschte vorgewählte Punkt der Auslaßre­ gelvorrichtung auf Leerlaufbedingungen basiert.
13. Verfahren zur Steuerung eines Motors mit mindestens ei­ nem Zylinder, wobei der Motor auch einen Ansaugkrümmer, eine Auslaßregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder und eine Einlaß­ regelvorrichtung zur Steuerung des Stroms in den An­ saugkrümmer aufweist, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Erzeugen eines Fahrerbefehls,
Feststellung einer gewünschten in den Zylinder eintre­ tenden Luftmenge auf der Grundlage des genannten Fahrerbefehls,
Feststellung eines gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßregelvorrichtung auf der Grundlage des genannten Fahrerbefehls,
Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung, so daß sowohl die Einlaßregelvorrichtung als auch die Auslaßregelvorrich­ tung bewirken, daß sich eine tatsächliche Luftmenge schneller der genannten gewünschten Luftmenge annähert, als dies durch die Verwendung nur einer Einlaßregelvor­ richtung möglich ist, und
Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung, so daß sich die Aus­ laßregelvorrichtung an den genannten gewünschten vorge­ wählten Punkt der Auslaßregelvorrichtung annähert und gleichzeitig die genannte gewünschte Luftmenge bereit­ stellt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Luftmenge ein Motorluftdurchsatz ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Luftmenge eine Zylinderluftfüllung ist.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Luftmenge in Zylinderluftdurchsatz ist.
17. Industrieprodukt, das gekennzeichnet ist durch:
ein Computerspeichermedium mit einem dort encodierten Computerprogramm zur Steuerung eines Motors mit minde­ stens einem Zylinder, wobei der Motor auch einen An­ saugkrümmer, eine Auslaßregelvorrichtung zur Steuerung des Stroms aus dem Ansaugkrümmer in den Zylinder und eine Einlaßregelvorrichtung für die Strom in den An­ saugkrümmer aufweist, wobei das genannte Computerspei­ chermedium umfaßt:
Code zur Feststellung einer gewünschten Luftmenge,
Code zur Feststellung eines gewünschten vorgewählten Punktes der Auslaßregelvorrichtung,
Code zur Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung, um die ge­ nannte Luftmenge bereitzustellen, und
Code zur Anpassung der genannten Einlaßregelvorrichtung und der genannten Auslaßregelvorrichtung, um, während die tatsächliche Luftmenge nahe der genannten gewünsch­ ten Luftmenge gehalten wird, den genannten gewünschten vorgewählten Punkt der Auslaßregelvorrichtung bereitzu­ stellen.
18. Produkt nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte gewünschte vorgewählte Punkt der Auslaßre­ gelvorrichtung auf der Grundlage von Leerlaufbedingun­ gen bestimmt wird.
19. Produkt nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte gewünschte vorgewählte Punkt der Auslaßre­ gelvorrichtung auf der Grundlage eines Motordrehmoments bestimmt wird.
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