DE2449836C2 - - Google Patents

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DE2449836C2 DE2449836A DE2449836A DE2449836C2 DE 2449836 C2 DE2449836 C2 DE 2449836C2 DE 2449836 A DE2449836 A DE 2449836A DE 2449836 A DE2449836 A DE 2449836A DE 2449836 C2 DE2449836 C2 DE 2449836C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung des Betriebsver­ haltens einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.
Infolge verschärfter Abgas-Bestimmungen und aufgrund der allgemeinen Treibstoff-Knappheit wird nach Lösungen gesucht, bei denen Brenn­ kraftmaschinen in einem Betriebsbereich betrieben werden können, in dem die schädlichen Anteile des Abgases auf ein Minimum reduziert werden können und/oder in dem der verbrauchte Kraftstoff ein Minimum ist.
Eine derartige Forderung wird erfüllt, wenn die Brennkraftmaschine mit einem möglichst mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch an der sogenann­ ten Magerlaufgrenze, an der die Brennkraftmaschine mit einer gerade noch vertretbaren Laufunruhe läuft, betrieben wird. Mit steigender Abmagerung des Betriebsgemisches der Brennkraftmaschine treten verstärkt verschleppte Verbrennungen auf, da die Ladung der Brenn­ räume der Brennkraftmaschine nicht schnell und gleichmäßig genug entflammbar ist. Das resultiert in unterschiedlich hohe Brennraum­ druckverläufe, die wiederum ursächlich für Drehzahl- bzw. Dreh­ momentschwankungen an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine sind. In diesem Betriebsbereich ist mit einem relativ schadstoffarmen Abgas und einem geringen Kraftstoffverbrauch zu rechnen.
Das eingangs genannte, gattungsgemäße Regelsystem ist durch die US-PS 37 89 816 bekannt. Bei der dort offenbarten Lösung wird die Geschwindigkeit der Kurbelwellendrehung kontinuierlich in Form einer drehzahlproportionalen Frequenz erfaßt. Nach dem Passieren von statischen Filtern, durch die unerwünschte Frequenzen unterdrückt werden sollen, wird das verbleibende Signal differenziert, um die Geschwindigkeitsänderungen zu erfassen und durch Gleichrichten des differenzierten Signals ein Absolutwert der Geschwindigkeitsänderung erzielt. Da bestimmte niedrige Frequenzen, die z. B. von willkürlich ausgelösten Beschleunigungsvorgängen herrühren, nicht völlig durch die Filter unterdrückt werden können, wird bei der bekannten Lösung ferner ein Schaltkreis vorgesehen, durch den diese Frequenzen geson­ dert herausgefiltert und in eine gleichgerichtete Absolutgröße ver­ wandelt werden sollen, wobei bei Überschreiten eines Schwellwertes die Regelung abgeschaltet wird.
Diese bekannte Lösung hat also den Nachteil, daß das solchermaßen erzeugte Laufunruhesignal kein reines, nur auf die abmagerungs­ bedingten Schwankungen des Brennraumdrucks zurückzuführendes Signal darstellt. Insbesondere weist das Signal in nachteiliger Weise Anteile auf, die auf teilweise nicht kontrollierbare Parameter der Brennkraftmaschine zurückzuführen sind, wie beispielsweise Luft­ zahl-, Füllungs- und Turbulenzschwankungen. Weiterhin treten störende Einflüsse durch oszillierende Massen des Kurbeltriebs und durch Ungleichförmigkeiten der Lastverhältnisse bei einer im Kraft­ fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Laufgrenze der Brennkraftmaschine sicher zu erfassen und eine entsprechende Steuergröße für eine Kraftstoffaufbereitungs­ einrichtung oder eine Abgasrückführungsanlage bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen System durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die nicht vorveröffentlichte DE-OS 24 17 187 ist zwar schon vorgeschlagen worden, ebenfalls während aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine Meßgrößen zu erfassen, diese dann mit der im darauffolgenden Arbeitsspiel erfaßten Meßgröße zu vergleichen, um mit der so gewonnenen Differenzgröße ein Laufunruhe­ signal zur Verfügung zu haben, aus dem durch Vergleich mit einem Sollwert der Laufunruhe ein Korrektursignal für die Kraftstoff-, Luft- oder Abgaszumessung zu bekommen. Bei dieser Lösung wird jedoch die Meßgröße durch Integration einer dem sich im Meßintervall ändernden mittleren Brennraumdruck entsprechenden Größe erzeugt. Als Meßgröße wird dabei insbesondere die Meßgröße an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erfaßt.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß als Meßgröße unmittelbar die Vorgänge erfaßt werden, die zur Laufunruhe der Brennkraftmaschine führen, wodurch die Regelung exakter und schneller wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbin­ dung mit den Unteransprüchen und der nachfolgenden Be­ schreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den Zeichnungen. Es zeigt
Fig. 1 ein Diagramm, in dem der Brennraumdruck über den Kur­ belwellendrehwinkel aufgetragen ist,
Fig. 2 die Anordnung einer Zündkerze und eines Druckaufnehmers im Brennraum einer Brennkraftmaschine,
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die relativen Schwankungen des Druckes im Brennraum einer Brennkraftmaschine über der Luftzahl λ aufgetragen sind,
Fig. 4 ein Diagramm, in dem der Verlauf von Zündspannungen über der Zeit aufgetragen ist,
Fig. 5 ein Diagramm, in dem die relativen Schwankungen der maximalen Zündspannung über der Luftzahl λ aufgetragen ist,
Fig. 6 ein Diagramm, in dem Ionenstromverläufe über der Zeit t aufgetragen sind,
Fig. 7 ein Diagramm, in dem die mittleren Schwankungen von inte­ grierten Ionenströmen über der Luftzahl λ aufgetragen sind,
Fig. 8 die Anordnung einer Zündkerze und einer Ionenstromsonde im Brennraum einer Brennkraftmaschine,
Fig. 9 ein Diagramm, in dem die Zündspannung und der Ionenstrom, die mit einer Anordnung nach Fig. 8 gemessen werden, über der Zeit t aufgetragen sind,
Fig. 10 ein Diagramm, in dem die relativen Schwankungen der Flammenlaufzeit im Brennraum einer Brennkraftmaschine über der Luftzahl λ aufgetragen sind und
Fig. 11 eine Einrichtung zur Auswertung der in den Fig. 1 bis 10 dargestellten Signale.
In Fig. 1 ist der Druckverlauf des Brennraumdruckes über den Kurbelwellendrehwinkel aufgetragen. Dabei ist zu erkennen, daß der Druck vom oberen Totpunkt ausgehend zunächst ansteigt und dann wieder abfällt. Greift man einen bestimmten Winkel α m heraus, der etwa bei 40 bis 80 Grad nach der oberen Totpunkt­ lage des Kolbens der Brennkraftmaschine liegt, dann ergibt sich, daß die Druckverläufe in verschiedenen Zylindern oder aber auch bei verschiedenen nacheinanderfolgenden Arbeitsspie­ len desselben Zylinders der Brennkraftmaschine schwanken. In Fig. 1 sind dabei die Druckschwankungen mit Δ p bezeichnet. Diese Druckschwankungen nehmen zu, je mehr das Kraftstoff-Luft- Gemisch, welches der Brennkraftmaschine zugeführt wird, abge­ magert wird, d. h., die Schwankungen werden größer, je näher die Brennkraftmaschine an ihrer mageren Laufgrenze betrieben wird.
Diese Druckschwankungen können zur Beeinflussung des Betriebs­ verhaltens der Brennkraftmaschine ausgenützt werden.
In Fig. 2 ist ein Brennraum 15 einer Brennkraftmaschine darge­ stellt, in dem eine Zündkerze 16 und ein Meßwertaufnehmer 17 an­ geordnet sind.
Fig. 3 ist der Mittelwert der Druckschwankungen im Brennraum 15 der Brennkraftmaschine bei einem bestimmten Kurbelwellen­ drehwinkel α m , bezogen auf den Absolutwert des Brennraum­ druckes bei dem bestimmten Kurbelwellendrehwinkel α m über der Luftzahl λ aufgetragen. Aus dieser Kurve ergibt sich eine Bestätigung des bereits bei der Beschreibung von Fig. 1 ange­ deuteten Sachverhaltes, daß nämlich der Mittelwert, der rela­ tiven Brennraumdruckschwankungen bei einem bestimmten Kurbel­ wellendrehwinkel über der Luftzahl λ zunehmen. Dieses Signal kann mit der noch später zu beschreibenden Einrichtung nach Fig. 11 verwertet werden und zur Regelung des Betriebsverhal­ tens der Brennkraftmaschine ausgenützt werden.
In Fig. 4 sind Zündspannungsverläufe aufgezeichnet, die bei­ spielsweise in verschiedenen Zylindern einer Brennkraftmaschine oder aber auch bei nacheinander folgenden Arbeitsspielen eines einzelnen Zylinders der Brennkraftmaschine auftreten können. Wie in Fig. 4 dargestellt, schwanken die maximalen Zündspannungen. Die Schwankungen der maximalen Zündspannung nehmen dabei zu, je näher die Brennkraftmaschine an ihrer mageren Laufgrenze betrieben wird. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 5 dargestellt. Dort ist der Mittelwert der Schwankungen der maximalen Zünd­ spannung bezogen auf den Absolutwert der maximalen Zündspannung über der Luftzahl λ aufgetragen. Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß mit wachsender Luftzahl λ die relativen Schwankungen der maximalen Zündspannung zunehmen. Auch dieses Signal kann für eine Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine ausgenutzt werden. Dabei kann die noch zu beschreibende Ein­ richtung nach Fig. 11 verwendet werden.
In Fig. 6 sind Ionenströme aufgezeichnet, die an Ionenstrom­ sonden oder an Zündkerzen im Brennraum 15 der Brennkraftmaschine auftreten. Die Ionenströme, welche in Fig. 6 dargestellt sind, können dabei von verschiedenen Zylindern der Brennkraftmaschine stammen, sie können aber auch bei nacheinander folgenden Arbeits­ spielen ein und desselben Zylinders der Brennkraftmaschine auf­ treten. Die Integralwerte der dargestellten Ionenströme schwan­ ken dabei ebenfalls, wobei die relativen Schwankungen mit wach­ sender Luftzahl λ zunehmen.
In Fig. 7 ist dargestellt, wie die Mittelwerte der integrierten Ionenströme bezogen auf den Absolutwert der integrierten Ionen­ ströme mit wachsender Luftzahl λ zunehmen. Dieser Zusammenhang kann ebenfalls für die Regelung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine ausgenutzt werden.
In Fig. 8 ist dargestellt, wie in dem Brennraum 15 der Brenn­ kraftmaschine die Zündkerze 16 und eine Ionenstromsonde 18 ange­ ordnet sind. Die Ionenstromsonde 18 ist hier getrennt von der Zündkerze 16 im Brennraum der Brennkraftmaschine befestigt. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, die Ionenstromsonde 18 ebenso wie den Meßwertaufnehmer 17 mit der Zündkerze 16 zu kombinieren, so daß Ionenstromsonde 18 bzw. Meßwertaufnehmer 17 auf einem ge­ meinsamen Sockel mit der Zündkerze 16 angebracht sind.
Mit der in Fig. 8 dargestellten Anordnung lassen sich Laufzeiten der Flammenfront im Brennraum 15 der Brennkraftmaschine messen. In Fig. 9 ist dabei die Zündspannung U z und der Ionenstrom i s über der Zeit t aufgetragen. Legt man eine Schaltschwelle s fest und mißt, wenn die Zündspannung U z und der Ionenstrom i s diese Schaltschwelle s überschreiten, dann erhält man die Flammenlauf­ zeit der Flammenfront, die von der Zündkerze 16 ausgeht und nach einer Zeit t 1 die Ionenstromsonde 18 erreicht. Diese Flam­ menlaufzeit schwankt ebenfalls mit der Luftzahl λ und nimmt zu, wenn die Luftzahl λ wächst.
Dieser Sachverhalt ist in Fig. 10 dargestellt. Dort ist der Mittelwert der Schwankungen der Flammenlaufzeit t 1, bezogen auf den Mittelwert der absoluten Flammenlaufzeit, über der Luftzahl λ aufgetragen. Aus Fig. 10 ist zu erkennen, daß die relativen Schwankungen der Flammenlaufzeit mit wachsender Luftzahl λ zunehmen.
Die bisher beschriebenen Meßwerte können einfach und zweckmäßig in einer Anordnung nach Fig. 11 verarbeitet und zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine ausgenutzt werden.
Die in Fig. 11 dargestellte Einrichtung soll dazu dienen, die mit Hilfe des Meßwertaufnehmers 17 ermittelten Drücke bei einer be­ stimmten Kurbelwellenstellung der Kurbelwelle der Brennkraft­ maschine zu verarbeiten. In dem Brennraum 15 der Brennkraft­ maschine ist der Meßwertaufnehmer 17 angeordnet. Dieser Meßwertaufnehmer 17 ist mit einem Meßverstärker 19 verbunden, dessen Ausgang über einen Schalter, hier einen Schalttransistor 20 mit einem Wechselspannungsverstärker 21, 40 verbunden ist. Der Wechsel­ spannungsverstärker 21 weist einen Operationsverstärker 22 und einen Kondensator 40 auf. Der Wechselspannungsverstärker 21, 40 ist mit einem Gleichrichter 23 verbunden, welcher ebenfalls einen Operationsverstärker 24 aufweist. Der Gleichrichter 23 ist mit dem ersten Eingang eines Komparators 25 verbunden, an dessen zweiten Eingang ein Sollwertgeber 26 angeschlossen ist.
Der Schalter 20 wird über einen Impulsformer 27 von einem Impuls­ geber 28 ausgelöst. Dieser Impulsgeber hat eine Aufnehmerspule 29, die in der Nähe der Kurbel- bzw. Nockenwelle 30 der Brenn­ kraftmaschine angeordnet ist. Auf der Kurbelwelle 30 der Brennkraftmaschine sind dabei Marken 31 angebracht, die bei Vorbeibewegung an der Aufnehmerspule 29 ein Signal erzeugen, das über den Impulsformer 27 den Schalter 20 schließt. Damit wird erreicht, daß genau bei einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine der Meßverstärker 19 mit dem Wechselspannungsverstärker 21 verbunden ist.
Der Impulsformer 27 ist mit dem Takteingang einer bistabilen Kippstufe 32 verbunden. Ein erster Eingang der bistabilen Kippstufe ist mit dem Ausgang des Komparators 25 verbunden und der Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 ist auf einen zweiten Eingang der bistabilen Kippstufe 32 zurückgekoppelt. Außerdem ist der Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 über einen einstellbaren Widerstand 33 mit einem Integrierer 34 verbunden, der als Operationsverstärker 35 mit einem Integrier­ kondensator 36 zwischen seinem Ausgang und seinem invertieren­ den Eingang ausgebildet ist. An den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 35 ist eine Referenzspannung angelegt, die am Abgriff eines Spannungsteilers aus Wider­ ständen 37 und 38 abgenommen wird. Mit dem Ausgang des Inte­ grierers 34 ist eine Kraftstoffaufbereitungseinrichtung oder ein Abgasrückführungsventil verbunden, das entsprechend dem Ausgangssignal des Integrierers 34 beeinflußt wird.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende. Bei einer bestimmten Kurbelwellendrehwinkelstellung, die durch den Impulsgeber 28 bestimmt wird, wird der Schalter 20 geschlossen und das mit Hilfe des Meßwertaufnehmers 17 er­ mittelte Signal wird auf den Wechselspannungsverstärker 21 gegeben. Im Wechselspannungsverstärker wird eine Spannung erzeugt, die proportional der jeweiligen Differenz aufeinander­ folgender Meßwerte ist. Diese Spannung wird gleichgerichtet und als Istwert dem Komparator 25 zugeführt. Im Komparator wird der Istwert mit dem Sollwert verglichen und entsprechend der Regelabweichung ein Signal auf den ersten Eingang der bi­ stabilen Kippstufe 32 gegeben. Dabei ergeben sich am Ausgang des Komparators 25 kurze Impulse, wenn der Istwert größer als der Sollwert ist. Keine Impulse ergeben sich dagegen am Ausgang des Komparators 25, wenn der Istwert kleiner als der Sollwert ist. Da der Ausgang des ersten Komparators 25 mit dem ersten Eingang der bistabilen Kippstufe 32, dem sogenannten Set-Eingang verbunden ist, schaltet diese bistabile Kippstufe 32 beim Auftreten von Impulsen am Ausgang des Komparators 25 in eine Schaltlage, in der am Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 ein L-Signal anliegt. Bei jedem Taktimpuls, der an den Takteingang der bistabilen Kippstufe 32 gelangt, wird dagegen die bistabile Kippstufe 32 in eine Lage geschaltet, in der am Ausgang ein Nullsignal auftritt.
Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, tritt am Ausgang des Komparators 25, wie schon weiter oben angedeutet, ein konstantes Null-Signal auf. Das bedeutet, daß auf den Set-Eingang der bistabilen Kippstufe 32 kein Impuls kommt. Infolgedessen liegt am Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 ein Null-Signal an und der Integrator 34 integriert in positiver Richtung, d. h. die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 35 wächst, und mit Hilfe dieser Ausgangsspannung wird der Istwert in Richtung Sollwert vergrößert.
Ist dagegen der Istwert größer als der Sollwert, tritt am Ausgang des Komparators 25 eine Impulsfolge auf. Mit Hilfe der Taktimpulse wird die bistabile Kippstufe 32 in eine Lage gebracht, in der am Ausgang ein Null-Signal auftritt. Durch Impulse auf den Set-Eingang der bistabilen Kippstufe 32 wird diese jedoch so umgeschaltet, daß am Ausgang ein L-Signal auftritt. Dieses Signal bewirkt, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 35 gegen Null geht. Mit ihrem Taktimpuls, der von dem Impulsgeber 28 abgegeben wird, wird die bistabile Kippstufe 32 wieder in ihre Vorzugslage zurückgeschaltet, so daß am Ausgang wieder das Null-Signal auftritt.
Der Sollwertgeber 26 kann einen Sollwert liefern, der für die verschiedenen Anwendungsfälle beispielsweise abhängig vom Saug­ rohrdruck oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist.
Für die Verarbeitung von relativen Schwankungen ist es zweck­ mäßig, den Sollwert auf die Absolutwerte der jeweiligen Meß­ größen zu beziehen. Zu diesem Zweck steht der Meßwertaufnehmer 17 auch mit dem Sollwertgeber 26 in Wirkverbindung. Wie in Fig. 11 weiterhin angedeutet ist, können auch die anderen bereits erwähnten Meßgrößen, beispielsweise die maximale Zündspannung oder der Ionenstrom mit der beschriebenen Einrichtung verar­ beitet werden.

Claims (7)

1. System zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraft­ maschine in einem vorgegebenen Betriebsbereich mit Bildung einer das Betriebsverhalten als Annäherung der Verbrennungsverhältnisse der Brennkraftmaschine an die Laufgrenze der Brennkraftmaschine kenn­ zeichnende Meßgröße, die mit einem von einem Sollwertgeber gebilde­ ten Wert verglichen wird unter Bildung einer das Mischungsver­ hältnis des in den Brennräumen der Brennkraftmaschine zur Ver­ brennung kommenden Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflussenden Steuer­ größe, gekennzeichnet durch
  • a) Festlegen von Kurbelwellendrehwinkeln in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine,
  • b) Erfassen der Änderung der von einem Meßwertaufnehmer bei den genannten Kurbelwellendrehwinkeln abgegebenen Meßgröße in den aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine, wobei der Meßwertaufnehmer unmittelbar den Verbrennungsgasen im Brennraum der Brennkraftmaschine ausgesetzt ist und dort einen die Annäherung der Verbrennung an die Laufgrenzen der Brenn­ kraftmaschine kennzeichnenden Parameter erfaßt,
  • c) Vergleich der Änderung der Meßgröße mit dem Wert des Sollwert­ gebers unter Bildung einer das Mischungsverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder die Abgasrückführrate bei der Brennkraftmaschine beeinflussenden Steuergröße.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert­ aufnehmer (17, 18) über einen bei den bestimmten Kurbelwellendreh­ winkeln in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraft­ maschine geschlossenen Schalter (20) mit einem Wechselspannungs­ verstärker (21) in Wirkverbindung steht.
3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer ein im Brennraum der Brennkraftmaschine angebrachter Druckaufnehmer (17) ist, der eine den Schwankungen des Brennraumdruckes bei bestimmten Kurbelwellendrehwinkeln in aufeinan­ derfolgenden Arbeitsspielen entsprechende Meßgröße abgibt.
4. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber ein Spitzenspannungsmesser für die Zündspannung an der Zündkerze (16) einer Zündanlage der Brennkraftmaschine ist, wobei der Meßwertaufnehmer eine der Schwankung der maximalen Zünd­ spannung in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraft­ maschine entsprechende Meßgröße abgibt.
5. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer ein im Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneter Ionenstromsensor (18) ist, der über einen Integrierer ein elektrisches Signal abgibt, das den Schwankungen der Integral­ werte des Ionenstromes in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine entspricht.
6. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstromsensor (18) zur Laufzeitmessung der Flammenfront beim Verbrennungsvorgang Verwendung findet, wobei ein die Laufzeit der Flammenfront kennzeichnendes Signal entsprechend den Schwan­ kungen der Laufzeit in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
7. System nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (26) mit Aufnehmern zur Ermittlung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung steht und der vom Sollwertgeber (26) gebildete Wert in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern sich ändert.
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