DE2449836C2 - - Google Patents
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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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