DE2824472B2 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit FremdzündungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art In
erster Linie ist dabei an ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gedacht.
Betrachtet man zur anschaulichen Darstellung der Grundlagen der Erfindung diesen bevorzugten Einsatzfall,
also die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, so erfolgt die Einstellung der drei den Betrieb der
Maschine bestimmenden Größen, nämlich Luftzahl A, Füllung bzw. Durchsatz Ql durch die Ansaugleitung und
Zündzeitpunkt bzw. ZUndwinkel «» dadurch, daß der Fahrer das als Beschleunigungshebel dienende Gaspedal
betätigt. In Abgängigkeit von der also durch Betätigen des Gaspedals gleichzeitig erfolgenden
Einstellung dieser drei wesentlichen Einflußgrößen der Brennkraftmaschine gibt diese also ein bestimmtes
Drehmoment Md bei einer bestimmten Drehzahl π ab.
Übliche Brennkraftmaschinen erfordern daher eine Abstimmung in der Weise, daß bei jeder Stellung des
Gaspedals eine optimale Gruppierung der Werte von Luftzahl, Füllung und Zündzeitpunkt vorliegt.
Diese Abstimmung ist aus verschiedenen Gründen schwierig bzw. kann aus verschiedenen Gründen
zumindest nicht für alle Arbeitsbereiche — Leerlauf, Teillast, Vollast — der Brennkraftmaschine optimal
erfolgen. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß diese Abstimmung der Maschine nicht nur auf die Erzielung
besonders hoher abzugebender Drehmomente getroffen werden darf, sondern daß aus Gründen des
Umweltschutzes dafür gesorgt werden muß, daß trotz unterschiedlicher Schadstoffanteile in den Abgasen der
Maschine in den verschiedenen Arbeitsbereichen die Schadstoffanteile bei allen Betriebsarten der Maschine
begrenzt sein müssen. Eine diesen Umstand berücksichtigende Abstimmung der Brennkraftmaschine ist aber
durch die übliche Kopplung der drei Einflußgrößen Luftzahl, Füllung und Zündzeitpunkt in der beschriebenen
Weise nicht zu erreichen, da so auf die einzelnen Arbeitsbereiche der Maschine abgestellte Maßnahmen
nicht getroffen werden konnten.
Aus der DE-OS 20 45 874 ist es für den Sonderfall einer Brennkraftmaschine mit Vorkammer bekannt, den
gesamten Gaspedalweg gleichsam in zwei Bereiche zu unterteilen, wobei in einem ersten Bereich kleiner
Bremslasten nur eine Füllungsregelung, dagegen in einem zweiten Bereich höherer Bremslasten nur eine
Mischungsregelung erfolgt. Hier findet sich also zwar eine Entkopplung zwischen Arbeitsbereichen der
Maschine sowie zwischen Füllungsregelung und Regelung der Luftzahl, aber dieser Stand der Technik ist
beschränkt auf eine Brennkraftmaschine mit Vorkammer, da sich über den Zündzeitpunkt keine Angaben
finden. Die Frage der Einstellung des Zündzeitpunkt«; hat aber gerade bei modernen Brennkraftmaschinen mit
hoher Luftzahl A (also magerem Gemisch) besondere Bedeutung.
Auch die US-PS 31 95 529 beschreibt eine Unterteilung des Betriebsbereichs der Brennkraftmaschine in
zwei Arbeitsbereiche, wobei aber nicht eindeutig aus dieser Druckschrift hervorgeht, ob es sich um zwei
Bremslast- bzw. Drehmomentbereiche oder um zwei Drehzahlbereiche handeln solL In einem ersten dieser
beiden Bereiche, der Leerlaufbetrieb und Betrieb mit niedrigen Bremslasten umfaßt, erfoigt bei geschlossener
Drosselklappe nur eine Änderung des Zündzeitpunkts im Sinne eines Vorziehens desselben, während im
zweiten Arbeitsbereich Änderungen sowohl der Füllung als auch des Zündzeitpunkts vorgenommen werden.
Aussagen über etwaige Änderungen der Luftzahl fehlea
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der iro Oberbegriff des Hauptanspruchs
genannten, aus der genannten DE-OS 2045 874 bekannten Art anzugeben, bei dem trotz Einstellung der
drei Einflußgrößen Luftzahl, Füllung und Zündzeitpunkt (bzw. Zündwinkel) von einem einzigen Hebel, nämlich
dem Beschleunigungshebel (Gaspedal), her die zur Optimierung der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine
bei ihren verschiedenen Betriebsarten erforderliche Entkopplung dieser Arbeitsbereiche und demgemäß
auch eine Entkopplung der drei genannten Einflußgrößen sichergestellt ist
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Anordnungen zur Durchführung
des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Figuren 1, 2 und 3 typische Kurven
dargestellt, die die Abhängigkeit des relativen Drehmoments vom Luftdurchsatz (bzw. der Füllung) QL
Mamax
bzw. vom Zündzeitpunkt «z bzw. von der Luftzahl λ
angeben. Der Pfeil an der Abszisse der F i g. 2 bezieht sich auf eine Verstellung des Zündzeitpunkts in
Richtung Frühzündung.
Man erkennt, daß eine Verstellung der Drosselklappe und damit eine Vergrößerung der Füllung, ausgehend
vom Leerlaufpunkt A bis zum Punkt C (maximal geöffnete Drosselklappe), eine lineare Steigerung des
abgegebenen Drehmoments zur Folge hat
An dieser Stelle sei eingefügt, daß in den Diagrammen
der Fig. 1, 2 und 3 einzelne Punkte mit mehreren großen Buchstaben bezeichnet sind. Dies geschieht, um
einen anschaulichen Zusammenhang zu der noch zu erläuternden Darstellung der F i g. 4 zu geben.
Einen grundsätzlich anderen Verlauf haben die Kurven nach den Fig.2 und 3. Beiden Kurven
gemeinsam ist ein Maximalwert B bzw. D. Außerdem bewegt sich der Betriebspunkt hinsichtlich des Zündzeitpunkts
(siehe F i g. 2\ ausgehend von einem relativ späten Zündzeitpunkt im Leerlaufbetrieb A, auf der
ansteigenden Flanke der gekrümmten Kurve, während die Luftzahl Λ, ausgehend von einem sehr großen, nahe
der Laufgrenze des Motors liegenden Wert A, auf der abfallenden Flanke der Kurve der F i g. 3 bis zu einem
Maximalwert D steigt
Erfindungsgemäß wird nun der gesamte Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine in drei Arbeitsbereiche unterteilt und in jedem dieser Bereiche nur eine der drei
in den F i g. 1 bis 3 behandelten Einflußgrößen durch eine Regelung oder Steuerung verändert. Dies veranschaulicht
Fig.4, in der das normierte Drehmoment
über dem normierten Gaspedalweg —— aufge
Mj max
Smm
tragen ist. Man erkennt ei'ien unteren Arbeitsbereich I
zwischen den Punkten A und S, einen mittleren Arbeitsbereich H zwischen den Punkten B und C und
schließlich einen oberen Arbeitsbereich III zwischen den Punkten C und D. ErfLadungsgemäß wird die
eingangs beschriebene Entkopplung dadurch erreicht, daß, wie auch in den einzelnen Bereichen des
Diagramms nach Fig.4 angegeben, in dem ersten
Arbeitsbereich I nur eine Änderung des Zündwinkels a.z
vorgenommen wird, also das abgegebene Drehmoment
ίο nur eine Funktion des Zündwinkels ist, hierbei sind
sowohl die Füllung Ql als auch die Luftzahl λ konstant Außerdem ist in diesem Arbeitsbereich wie auch in den
beiden anderen Arbeitsbereichen der Fall einer konstanten Drehzahl π der Brennkraftmaschine betrachtet
Die Zusammenhänge gelten selbstverständlich für alle auftretenden Drehzahlen. Für Arbeitsbereich I
ergibt sich beim Obergang vom Punkt A zum Punkt B also gemäß dem Diagramm nach F i g. 2 ein Durchlaufen
des ansteigenden Astes der dort dargestellten Kurve vom Punkt A zum Maximalwert B, während in den
Kurven der F i g. 1 und 3 Punkt B identisch mit Punkt A ist
Wird zur Erzielung eines größeren abgegebenen Drehmoments das Gaspedal weiter verstellt, so wird der
mittlere Arbeitsbereich II zwischen den Punkten B und C durchlaufen. Hier sind — außer der Drehzahl —
sowohl die Luftzahl als auch der Zündwinkel konstant, so daß das abgegebene Drehmoment lediglich eine
Funktion der Füllung Ql ist In dem Diagramm nach F i g. 1 wird die dort wiedergegebene Gerade also vom
Punkt B zum Punkt C durchlaufen. Dagegen bleibt der Zündzeitpunkt gewahrt, so daß der Maximalwert der
Kurve nach F i g. 2 auch mit Cbezeichnet ist und an der
Luftzahl λ hat sich nichts geändert so daß ihr Maximalwert in Fig.3 ebenfalls die Bezeichnung C
trägt
In dem oberen Arbeitsbereich HI werden dagegen sowohl die Füllung als auch der Zündwinkel konstant
gehalten (mit Einschränkungen, auf die noch eingegangen wird), so daß das abgegebene Drehmoment eine
Funktion allein der Luftzahl λ ist Jetzt wird also die Kurve in F i g. 3 von ihrem Maximalwert C zu ihrem
Extremwert D durchlaufen, während die bereits für Punkt C geltenden Kurvenwerte in den F i g. 1 und 2
erhalten bleiben.
Demgemäß liegt eine Entkopplung sowohl der drei wesentlichen Arbeitsbereiche — Leerlauf, Teillast
Vollast — der Brennkraftmaschine als auch der Änderung ihrer Einflußgrößen vor, die es ermöglicht,
so eine Optimierung der Verhältnisse in den einzelnen Arbeitsbereichen vorzunehmen.
Ein weiterer bedeutsamer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der weitgehenden Unabhängigkeit
von Toleranzen und zeitlichen Änderungen von Toleranzen.
Es war bei der Diskussion der Verhältnisse im Arbeitsbereich III bereits angedeutet worden, daß in
diesem Bereich auch in einem gewissen Maße eine Änderung des ZUndzeitpunkts /xz erfolgen kann. Diese
Änderung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch beschränkt auf eine Änderung zur Vermeidung
des Klopfens, also eines sekundären Effekts. Die Änderung des Zündzeitpunkts im oberen Arbeitsbereich
III ist durchaus nicht grundsätzlich erforderlich, sondern kann sich dann erübrigen, wenn man mit etwas
kleinerer Luftzahl arbeitet (d. h. in F i g. 4 Punkt D in Richtung auf C verschiebt) bzw. die Punkte C und D in
dem Diagramm nach F i g. 4 etwas weiter nach links
verschiebt, d. h. die Füllung verringert. In dem F i g. 4
zugrundeliegenden Beispiel ist demgegenüber angenommen, daß zur Berücksichtigung der Klopfgrenze der
Zündzeitpunkt etwas in Richtung Spätzündung verschoben wird.
Die erfindiingsgemäße Zuordnung der Änderung der
einzelnen Einflußgrößen (»selektive Einflußgrößensteuerung«) zu den einzelnen Arbeitsbereichen trägt
dem Verlauf der in den F i g. 1,2 und 3 wiedergegebenen
Kurven also Rechnung: Jm unteren Arbeitsbereich I wird der starke Einfluß einer Zündzeitpunktverstellung
auf das abgegebene Drehmoment ausgenutzt, wobei der Luftdurchsatz gegenüber den heute üblichen Werten
etwas erhöht ist, während die Anfettung im oberen Arbeitsbereich III gegenüber der im mittleren Bereich II
vorliegenden Luftzahl λ dem Umstand Rechnung trägt, daß gemäß der Kurve nach F i g. 1 auch bei voll
geöffneter Drosselklappe das maximale Drehmoment nicht erreicht ist
Ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Anordnung
wird im folgenden anhand der F i g. 5 und 6 erläutert. Die einzelnen Teile der Schaltung gemäß F i g. 6 können
als Bausteine angegeben werden, da sie handelsüblich sind.
Betrachtet man zunächst F i g. 5, so ist ein übliches Ansaugsystem 1 mit Drosselklappe 2 und einem zu
einem Brennraum führendes Saugrohr 3 angedeutet. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt gemäß dem Pfeil 4 in
diesem Ausführungsbeispiel über Kraftstoff-Einspritzventile 5, die in ein Saugrohr, direkt in die Brennräume
oder in einen Vergaser einspritzen können.
Die Veränderung der drei EinflußgröUen Luftdurchsatz, Zündzeitpunkt und Luftzahl erfolgt mittels des
Gaspedals 6, das bei 7 schwenkbar gelagert ist. Ihm ist die Rückzugsfeder 8 zugeordnet, die in der Figur das
Gaspedal 6 im Uhrzeigersinn um die Lagerung 7 zu schwenken sucht Bei 9 ist ein Potentiometer angedeutet das bei Bewegungen des Gaspedals. 6 mechanisch
verstellt wird und damit ein elektrisches Signal ρ an die
noch zu beschreibende, in Fig. 6 dargestellte Schaltung abgibt das im folgenden auch als Hebelstellungssigna!
bezeichnet wird.
Das Gaspedal steht mit der Drosselklappenwelle 10, mit der die Drosselklappe 2 drehfest verbunden ist, über
die Stange 11 sowie einen Freilauf in Verbindung, der gebildet ist durch den axial unverschieblich auf der
Stange 11 sitzenden Anschlag 12 und den Gegenanschlag 13 an dem schwenkfest mit der Drosselklappenwelle 10 verbundenen Arm 14. In der dargestellten
Leerlaufstellung von Drosselklappe 2 und Gaspedal 6 stehen sich die beiden Anschläge 12 und 13 mit einem
Abstand gegenüber, der dem dem Arbeitsbereich I (Fig.4) entsprechenden Teil des Gaspedalwegs 5
entspricht. Das bedeutet, daß bei Bewegung des Gaspedals 6 aus der gezeichneten Leerlaufstellung
heraus entgegen der Wirkung der Rückzugsfeder 8 zwar sofort ein die jeweilige Stellung des Gaspedals
wiedergebendes Hebelstellungssignal ρ an die Schaltung nach Fig.6 geliefert wird, aber innerhalb des
Arbeitsbereichs I (siehe F i g. 4) die Drosselklappe 2 ihre Leerlaufstellung beibehält
Erst bei weiterem Bewegen des Gaspedals und Durchfahren des Arbeitsbereichs II nimmt der Anschlag
über den Gegenanschlag 13 die Drosselklappe 2 mit so daß diese im Punkt Cdes Diagramms nach F i g. 4 in
ihre voll geöffnete Lage geschwenkt ist Dann kommt der Gegenanschlag 13 zur Auflage an dem ortsfesten
Anschlag 15, so daß die Drosselklappenstellung gewahr bleibt.
Voraussetzung für diese Bewegung ist allerdings, dal die Rückzugsfeder 16 für die Drosselklappe schwäche
ist als die Druckfeder 17, über die das Gaspedal 6 be seiner Bewegung in der Figur entgegen dem Uhrzeiger
sinn auf die Betätigungsstange 11 enwirkt. Diese Fede 17 wird nun nach Erreichen des Diagrammpunkts Cu
Fig.4 wirksam, denn sie gestattet gleichsam eini
ίο kick-down-Betätigung des Gaspedals 6 auch be
Abstützung des Gegenanschlags 13 durch den Anschlaj 15. Diese weitere Bewegung des Gaspedals 6 is
erforderlich, damit auch innerhalb des Arbeitsbereich! III durch das Potentiometer Hebelstellungssignale Par
die nun zu beschreibende Schaltung nach Fig.f abgegeben werden.
Das erläuterte Hebelstellungssignal ρ gelangt — nach
Aufbereitung - an Eingänge der beiden Speicher It und 19, von denen der Speicher 18 als Zündwinkelspei
eher den Verlauf des Zündwinkels «z in Abhängigkeil
von der Drehzahl η und dem Hebelstellungssignal ρ
dagegen der Speicher 19 die Abhängigkeit dei Kraftstoff-Einspritzdauer t von der Drehzahl η und dem
Hebelstellungssigna] ρ gespeichert enthält Beider Speichern 18 und 19 wird demgemäß ein in an sich
bekannter Weise gewonnenes Drehzahlsignal π zugeführt und sie geben dann an nachgeschaltete Einrichtungen elektrische Signale ab, die hier der Einfachheit
halber mit «z bzw. t bezeichnet sind und Informationen
über den jeweils einzustellenden Zündzeitpunkt bzw. die jeweils einzustellende Betätigungszeit der Kraftstoffeinspritzventile bei dem vorliegenden Wertepaar
von η und ρ enthalten. Die elektrischen Signale <x.z
gelangen demgemäß zu einer an sich bekannten elektronischen Zündwinkel-Verstelleinrichtung 20, die
elektrischen Signale t dagegen zu einem zeitbestimmenden Teil 21 einer ebenfalls an sich bekannten
elektronischen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Zur Synchronisierung mit der Brennkraftmaschine ist ferner
eine Triggerung erforderlich, die sicherstellt daß eine bestimmte zeitliche Zuordnung beispielsweise zum
oberen KoIbensteUungstotpunkt gewahrt ist Außer dem Drehzahlgeber 22 ist daher ein Sensor 23
vorgesehen, der an der Schwungscheibe der Maschine auf induktivem Wege einen Impuls als Triggersignal
erzeugt Dann ist sichergestellt, daß die Signale a7 und f
in den nachgeschalteten Einrichtungen 20 und 21 auf einen bestimmten Zeit- bzw. Winkelwert z. B. 70° vor
OT, bezogen werden.
Die Zündwinkelverstellung 20 betätigt nun in' üblicher Weise eine Zündeinrichtung 24 bekannten Aufbaus, der
ein Zündverteiler 25 nachgeschaltet ist Entsprechend betätigt die Einspritzvorrichtung 21 die Kraftstoff-Einspritzventile 5.
Die Speicher 18 und 19 können als Digitalspeicher aufgebaut sein. Sie können in diesem Fall als
elektronische Raumnocken bezeichnet werden, da sie jeweils den Zusammenhang zwischen drei veränderlichen Größen speichern. Natürlich muß die Speicherung
der Größen <xz und t so erfolgen, daß der Zündzeitpunkt
«z in den Arbeitsbereichen II und HI (hier unter Berücksichtigung der Klopfgrenze) unverändert bleibt
während die Betätigungszeit t der Einspritzventile in den Bereichen I und II konstant bleiben muß. Dies
ermöglicht es, ein einfach aufgebautes Potentiometer 9, gegebenenfalls mit linearem Widerstandsgang, zur
Gewinnung der Hebelstellungssignale ρ zu verwenden.
Claims (6)
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs,
wobei in einem oberen Arbeitsbereich der Maschine mit hohen Bremslasten eine Mischungsänderung
bei konstanter Füllung und in einem sich anschließenden weiteren Arbeitsbereich mit niedrigeren
Bremslasten eine Füllungsänderung bei konstanter hoher Luftzahl erfolgt, dadurch
gekennzeichnet, daß sich an den weiteren Arbeitsbereich als mittleren Arbeitsbereich (II) ein
unterer Arbeitsbereich (I) anschließt, der, wie an sich bekannt, niedrige Bremslasten und Leerlauf umfaßt
und in dem eine Zündzeitpunktänderung erfolgt, wobei die konstante hohe Luftzahl und eine
konstante Füllung vorliegen, die gleich der Füllung am unteren Ende (B) des mittleren Arbeitsbereichs
(H) ist, in dem der am oberen Ende (B) des unteren Arbeitsbereichs (I) vorliegende Zündzeitpunkt gewahrt
bleibt, der im .wesentlichen auch im oberen Arbeitsbereich (HI) vorliegt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im unteren Arbeitsbereich (I) eine Zündzeitpunktänderung zwischen einem für den 2s
Leerlauf der Maschine optimalen, relativ späten Zündzeitpunkt und einem demgegenüber frühen
Zündzeitpunkt erfolgt, der im Bereich des Maximums der den Zusammenhang zwischen Drehmoment
(Md) der Maschine und Zündwinkel (atz)
wiedergebenden Kurve liegt
3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß mit einem Beschleunigungshebel (6), insbesondere einem Gaspedal, ein Signalgeber
(9) zur Erzeugung die jeweilige Hebelstellung wiedergebender elektrischer Signale gekoppelt ist
daß ferner ein Drehzahlsignalgeber (22) vorhanden ist und die Signalausgänge beider Geber (9, 22) mit
Abfrageeingängen von zwei Speichern (18, 19) verbunden sind, von denen ein Speicher (18) den
Zusammenhang zwischen einer den Zündzeitpunkt bzw. Zündwinkel (α*) wiedergebenden elektrischen
Größe einerseits sowie Drehzahl (n) und Hebelstellungssignal (p) andererseits speichert, während der
andere Speicher (19) den Zusammenhang zwischen einer die Luftzahl (A) bestimmenden elektrischen
Größe einerseits sowie Drehzahl (n) und Hebelstellungssignal (p) andererseits speichert
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß ein Sensor (23) zur Erzeugung
zeitlicher bzw. winkelmäßiger Zuordnungssignale vorhanden ist
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die die Luftzahl (A) bestimmende
elektrische Größe die Öffnungszeit (t) von Kraftstoff-Einspritzventilen (5) bestimmt
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselklappe (2)
mit dem Beschleunigungshebel (6) über einen ihre Verstellung im unteren Arbeitsbereich (I) ausschließenden
Freilauf (12, 13) und eine Feder (17) in Verbindung steht und am oberen Ende (C) des
mittleren Arbeitsbereichs (II) auf einem weitere Bewegungen in derselben Richtung verhindernden
Anschlag (15) aufliegt, während dann der Beschleunigungshebel (6) gegen die Wirkung der Feder (17)
weiter verstellbar ist.
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