DE2824472B2

DE2824472B2 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung

Info

Publication number: DE2824472B2
Application number: DE2824472A
Authority: DE
Inventors: Istvan Dipl.-Ing. 3300 Braunschweig Geiger; Klaus Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Stamm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-06-03
Filing date: 1978-06-03
Publication date: 1980-11-13
Also published as: DE2824472A1; US4261315A; DE2824472C3

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) Q_L

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 /x_z 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 <x_z 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 (at_z) 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.