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Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes einer mit Turbolader
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ausgerüsteten, freimdgezündeten Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaskchine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes einer mit Turbolader
ausgerüsteten, fremdgezündeten Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Drehzahl
und denn Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiter
eine Brennkraftmaschine mit Turbolader und einer Membrandose zur Veränderung des
Zündzeitpunktes gemäß dem Obergegriff des Anspruchs 2 Der für verschiedene Betriebspunkte
erforderliche Zündwinkel bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine hängt im wesentlichen
ab von der Drehzahl und der Zylinderfüllung. Der Drehzahlabhängigkeit wird bei herkömmlichen
Verteilern durch eine Fliehkraftverstellung Rechnung getragen, während als Maß für
die Zylinderfüllung der Saugrohrdruck den Zündwinkel beeinflußt.
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Der Zündwinkel in Vollastbetrieb wird in der Regel auf leistungsoptimierte
Werte festgelegt Die mit zunehmender Drehzahl erforderliche Frühverstel.-lung
erfolgt
dabei durch Fliehkraft.
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Im Teillastbatrieb wird der Zündwinkel nach Verbrauchs- und Abgasgesichtspunkten
festgelegt. Aufgrund der geringeren Zylinderfüllung ist ein gegenüber der Voll ast
früherer Zündzeitpunkt erforderlich, der in Abhängigkeit vom Saugrohrunterdruck
mittcls einer Unterdruckdose erreicht wird.
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Im Leerlauf ist mit Rücksicht auf das Abgasverhalten eine Verstelluig
der Zündung nach spät erforderlich, was wiederum durch eine Unterdruckdose bewerkstelligt
wird, die üblicherweise mit der Unterdruckdose zur Frühverstellung in einem gemeinsamen
Gehause untergebracht ist.
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Fliehkraft- und Unterdruckzündverstellung erlauben beim Saugmotor
in der Regel eine befriedigende Zündwinkeleinstellung über das gesamte Kennfeld
Beim Saugmotor ergeben sich eindeutige Signale für die Zündverstellung bezüglich
Teil- und Vollast: bei Vollast herrscht im Saugrohr kein nennenswerter Unterdruck;
die Zündverstellung erfolgt ausschließlich in Abhängigkeit von der Drehzahl. Bei
Teillast herrscht ein mehr oder weniger großer Unterdruck; der drehzahlabhängigen
Verstellung wird eine unterdruckabhängige Verstellung überlagert.
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Beim aufgeladenen Motor besteht diese klare Zuordnung zwischen den
Parametern und der Last des Motors nicht: bei Vollast herrscht, sobald der Lader
wirksam ist, Überdruck im Saugrohr. Bei Teillastsind sowohl Unterdruck
als
auch Übe@druck möglich. Daraus ergibt sich, daß mit der herkönunlichen Zündverstellung
die unterdruckabhängige Frühverstellung zurückgeht, sobald infolge der Tätigkeit
des Laders kein ausgleichender Unterdruck im Saugrohr mehr vorherrscht, und sich
der Vollastzündwinkel einsi-el]t, der bei aufgeladenen Motoren mit Rücksicht auf
Klopfen meist sehr spät liegt, Dieser späte Zündwinkel el ist im Teillastbereich
ganz und gar unerwünscht, da er zur Leistungsminderung und Verbrauchserhöhung führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern
des ZiindzeitpunRtes einer mit Turbolader ausgerüsteten, fremdgeziindeten Brei kraftmaschine
zu schaffen, welches leistungsoptimale Vollastzündwinkel und verbrauchsoptimale
Teillastzündwinkel sicherstellt.
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Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
mit Turbolader zu schaffen, deren Zündwinkel den jeweiligen Erfordernissen entsprechend
verstellt wird.
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Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die drehzahlabhängige Fliehkraftverstellung
des Zündzeitpunktes nicht bei Vollast des aufgeladenen Motors unter Optimierung
der abgegebenen Leistung festgelegt sondern bei Teillast entsprechend Betriebspunkten,
bei denen der Druck im Saugrohr etwa dem Umgebungsdruck entspricht. Dieser drehzahlabhängigen
Steuerung des Ziindzeitpunktes wird dann eine saugrohrdruckabhängige Steuerung
ü@@rl@@er@,
w@@che den Zündzeitpunkt bei Überdruck im Saugrohr nach spät und bei Un@@@kuck im
Saugrohr nach früh verstellt. Die Festlegung der Spätverstellung erfolgt dabei so,
daß sich entsprechend dem Ladedruck eine leisiungsopti@ierte Vollastkennlinie orgibt,
die ausreichenden Sicherheitsabstand von der Klopfgrenze hat.
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Der die Brennkraftmaschine betreffende Teil der Erfindungsaufgabe
wird mit den Merkm@len des Anspruches 2 gelöst Insgesamt ist die erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine mit einer Membrandose ansgerüstet, die einer herkömmlichen Membrandose
zur unterdruckabhängigen Frühverstellung und zur Spätverstellung des Zündzeitpunktes
im Leerlauf weitgehend entspricht. Dadurch, daß die Spätkammer an das Saugrohr über
eine Einrichtung angeschlossen ist, welche die Spätkammer im wesentlichen nur bei
Unterdruck im Saugrohr mit dem Saugrohr oj7erbindeta bei ueberdruck im Saugrohr
jedoch die Spätkammer belüftet, verstellt die Frühkammer den Zündzeitpunkt je nach
Über- oder Unterdruck im Saugrohr nach spät oder früh Im Leerlauf ist die Frühkammer
nicht mit Unterdruck beaufschlagt, so daß die dann mit Unterdruck beaufschlagte
Spätkammer den Zündzeitpunkr nach spät verstellt. Mit der erfindungsgemäß geschalteten
Membrandose wird der Zündwinkel somit den jeweiligen Erfordernissen entsprechend
über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine verstellt
Ein
weiterer Vorteil, der mit der erfindungsgemäßen Schaltung der Membrandose erzielt
wird, liegt darin, daß der von der membrandose herbeigeführte Frühverstellwinkel
nur verhältnismäßig kleine Werte erreicht, da die Membrandose sowohl naoh spät als
auch nach früh verstellt, und die drehzahlabhängige Zündverstellkennlinie, bezogen
auf die Vollastkennlinie, bereits eine gewisse Frühverstellung bewirkt.
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Die Ansprüche 3 bis 5 sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen der die
Spätkammer mit dem Saugrohr verbindenden Einrichtung gerichtet.
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Mit den Merkmalen des Anspruches 6 kann die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine
orforderlichenfalls angehoben werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar: Fig. 1 die Anordnung einer mit einer Brennkraftmaschine
zusasmenwirkenden Membrandose zur Zündverstellung und Fig. 2 einen Schnitt durch
ein Rückschlagventil mit Bypassleitung, wie es ill der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet
wird.
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Gemäß Fig. 1 weist eine nicht im einzelnen dargestellte Brennkraftmaschine
einen Abgasturbolader 2 auf, der an seiner Saugseite 4 Frischluft ansaugt und diese
einem Saugrohr 6 der Brennkraftmaschine zuführt, in dem eirle Drosselklappe 8 angeordnet
ist.
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Zur Brennkraftmaschine gehört weiter ein Verteiler 10, in welchem
ein Nocken 12 Unterbrecherkontakte 14 öffnet und schließt.
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Der Nocken 12 wird mittels einer herkömmlichen Fliehkraftverstellung
drehzahlabhängig relativ zu seinem Ant^-ieb verstellt, wodurch eine rein drehzahlabhängige
Zündverstellung erfolgt.
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Eine Grundplatte 16 des Verteilers 10 ist relativ zum Nocken 12 verdrehbar.
Diese Verdrehung, die eine Früh- oder Spätverstellung der Zündung hervorruft, erfolgt
mittels einer Schubstange 18, welche aus einer Membrandose 20 vorsteht. -Die Membrandose
20 weist in bekannter Weise ein zweiteiliges Gehäuse mit einem Oberteil 22 und einem
Unterteil 24 auf. Zwischen dem Oberteil und dem Unterteil ist ein Anschlag 26 befestigt.
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Im Oberteil 22 ist mittels einer Membran 28, welche an ihrem Umfang
zwischen dem Anschlag 26 und dem Oberteil 22 eingespannt und in ihrer Mitte an einem
Kopf 30 der Schubstanye 18 befestigt ist, eine Brühkammer 32 begrenzt, welche über
eine Leitung 34 mit einer von unmittelbar stromoberhalb der Drosselklappe 8 angeordneten
Stelle 36 des Saugrohrs 6 verbunden ist. Der Kopf 30 wird mittels einer Schraubenfeder
38 vom Oberteil 22 weggedrängt.
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In das Unterteil 24 ragt ein Ringteil 39 ein, welches zwischen dem
Unterteil 24 und dem Anschlag 26 festgespaint ist und zusammen mit einer Membran
40 eine Spätkammer 42 begrenzt, welche über eine Leitung 44 stromabwär-Ls der Drosselklappe
8 mit dem Saugrohr 6 verbunden ist. An der Membran 40 ist ein napfförmiges Bauteil
46 befestigt, welches mit seinem Rücken im drucklosen Zustand der Kammern am Anschlag
26 anliegt und diesen mit einem Ansatz 48 durchdrängt, an dem der Kopf 30 der Schubstange
18 normalerweise anliegt. Das Bauteil 46 ist von einer Feder 49, welche stärker
ist als die Feder 38, in Anlage gegen den Anschlag 26 gedrängt.
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In der Leitung 44 ist ein Rückschlagventil 50 angeordnet, welches-nur
in Richtung des Pfeiles 51 durchströmbar ist. Eine Bypassleitung 53 mit vergleichsweise
kleinem Querschnitt umgeht das Rückschlagventil 50 und ist gemäß Fig, 2 im Gehäuse
des Rückschlagventiles 50 eingebaut. Zwischen dem Rückschlagventil 50 und der Membrandose
20 zweigt von der Leitung 44 eine weitere Leitung 52 ab, welche in die Saugseite
4 des Abgasturboladers 2 mündet@und in der ein weiteres Rückschlagventil 54 angeordnet
ist, welches nur in Richtung des Pfeiles 56 durchströdb3r ist.
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In der Leitung 44 ist stromoberhalb des Rückschlagventiles 5C ein
elektrisch betätigbares Drei-;Vege-Ventil 58 angeordnet, dessen Auslaß 60 in die
Saugseite 4 des Abgasturboladers 2 mündet.
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Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:
Leerlauf:
Die Drosselklappe 8 ist geschlossen, stromabwärts der Drosselklappe herrscht starker
Unterdruck, mit dem über die Leitung 44 nur die Spätkammer 42 beaufschlagt ist.
Das Rückschlagventil 50 ist durchlässig, während das Rückschlagventil 54 sperrt.
Die Feder 49 ist so dimensioniert, daß der s-tar]ie Unterdruck (ca. 0,5 bar) in
der Spätkammer 42 das Bauteil 46 weg vom Anschlag 26 zieht. Der Kopf 30 und dami
die Schubstange 18 folyt dieser Bewegung, so daß eine Zündverstellung in Richtung
spät erfolgt Das Volumen der Frühkammer 32 kann sich vergrößern, da diese über die
Leitung 34 belüftet ist Der durch die Rückschlagventile 50, 54, beim Übergang vom
Leerlauf zum Lastbetrieb in der Spätkammer 42 eingesperrte starke Unterdruck wird
durch den Bypass 53 abgebaut. Da dem Leerlaufbetrieb der im nächsten Punkt beschriebene
Teillastbetrieb "Druck im Saugrohr 6 unter Umgebungsdruck" folgt, bei dem die Zündverstellung
unabhängig von der Spätkammer 42 nur durch die Frühkammer 32 bewirkt wird, kann
der starke Unterdruck in der Spätkammer 42 relativ langsam über die Bypass- -leitung
53 mit kleinem Querschnitt abgehaut bzw. an den im Saugrohr 6 herrschenden Unterdruck
angepaßt werden.
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Teillast: a) Druck im Saugrohr 6 unter Umgebungsdruck Das Rückschlagventil
50 ist durchlässig, das Rückschlagventil 54 sperrt, da der Druck im Saugrohr 6 unter
dem Druck an der Saugseite 4 des Abgasturboladers 2 liegt. Da die Drosselklappe
8 teilweise geöffnet ist, ist die Frühkammer 32 ebenso wie die Spätkammer 42 mit
Unterdruck beaufschlagt. Der Kopf 30 entfernt sich vom Ansatz 48, die Schubstange
18 bewegt sich nach rechts, die Zündung wird in Richtung früh verstellt Der Zustand
der Spätkammer 42 und damit die Stellung des Ansatzes 48 hat auf die Zündverstellung
keinen Einfluß.
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b) Saugroiu.druck etwa g le:ir4 Umgebungsdruck Die Spätkammer 42 wi.rd
je nach den Druckverhcltnissen (Rückschlagventil 50 durchlässig, Rückschlagventil
54 sperrt oder Rückschlagventil 54 durchlässig, Rückschlagventil 50 sperrt) vom
Druck im Saugrohr 6 oder vom Druck an der Saugseite 4 des Abgasturbeladers 2 beaufschlagt.
Die Frühkammer 32 wird vom Druck im Saugrohr 6 beaufschlagt. Die Membrandose befinclet
sich in dem dargestellten Zustand, der Zündzeitpunkt ist ausschließlich durch die
Fliehkraftverstellung gegeben.
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c) Saugrohrdruck deutlich über Atmosphärendruck Das Rückschlagventil
50 sperrt, das Rückschlagventil 54 ist durchlässig und die Spätkammer 42 wird in
die Saugseite 4 des Abgasturboladers 2 entlüftet, wodurch sich in der Spätkammer
wegen der starken Strömung in der Saugseite ein Unterdruck (ca. 0,1 bar) einstellt,
der auf das Bauteil 46 eine nach links gerichtete Kraft ausübt. In der Frühkammer
32 wirkt ein Überdruck, der den Kopf 30 und mit diesem zusammen das Bauteil 46 gegen
die Kraft der Feder 49 nach links drängt. Die Zündung wird nach spät verstellt.
Die geringe Strömung durch den Bypass 531 wegen des dort anstehenden Drucks aus
dem Saugrohr 6 in Richtung Spätkammer wird durch das Rückschlagventil 54 und die
Leitung 52 zur Saugseite 4 des Turboladers abgesaugt und beeinflußt die Spätkammer
42 somit ni.cht. Der maximal mögliche Unterdruck in der Spätkammer von ca.
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0,1 bar i.st gegenüber dem starken Unterdruck bei Leerlauf, ca. 0,5
bar, relativ gering. Die Feder 49 ist nun so dimensioniert, daß bei diesem geringen
Unterdruck, im Gegensatz zum Leerlauffall, deren Kraft ausreicht, bei Abnahme des
Druckes in der Frühkammer die Rückstellung der Schub stange 18 nach rechts und damit
die Rücknahme der Spätverstellung
zu Bewirken. Dabei vergrößert
sich das Spätkammervolumen. Der Unterdruck i.n der Spätkammer 42 wird dadurch etwas
größer und der Unterdruck an der Saugseite 4 des Turboladers 2 wird durch dessen
geringer werdende Drehzahl kleiner. Dadurch sperrt das Rückschlagventil 54. Der
Druckausgleich zwischen der Saugseite 4 und der SEzätdose 42 wird durch das nun
in die Spätkammer über den Bypass 53 strömende Gas aus dem Saugrohr 6 wieder hergestellt.
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Vollast: Die Verhältnisse bei Vollast entsprechen denen bei Teillast
mit Druck im Saugrohr deutlich iiber Atmosphärendruck, sobald der Abgasturbolader
in Funktion ist Die Funktion des Drei-Wege-Ventiles 58- ist folgende: Nonnalerweise
ist der Auslaß 60 des Drei-Wege-Ventiles 58 geschlossen, so daß das Rückschlagventil
50 mit der Spätkammer 42 verbunden ist. Es sei angenommen, daß die Brennkraftmaschine
im Leerlauf läuft, d. h. die Spätkammer 42 mit Unterdruck beaufschlagt ist und die
Zündung nach spät verstellt ist.
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Soll nun die Leerlaufdrehzahl der BrennkraftmaschIne angehoben werden,
weil beispielsweise im Leerlauf ein Klimakompressor von der Brennkraftmaschine mit
angetrieben werden muß, so wird das Drehwegeventil 58 elektrisch umgeschaltet, wodurch
die .Spätkammer 42 vom Saugrohr 6 getrennt wird und belüftet wird.
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Dadurch endet die Spätverstellung der Zündung und die Leerlaufdrehzahl
bzw.
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Leistungsabgabe der Erennkraftmaschine erhöht sich.
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Fig. 2 zeigt ein Rückschlagventil, wie es vorteilhafterweise als Rückschlagventil
50 verwendet wird. Dieses Rückschlagventil, dessen Gehäuse 62 ein Kunststoffpreßteil
ist, weist eine irmere Trennwand 64 und Anschlüsse 66 und 68 auf.
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In eine Öffnung 70 der Trennwand 64 ist ein poröses Plättchen 72,
beispielsweise aus Keramik, eingesetzt, welches einen gegenüber weiteren Öffnungen
74 und 76 größeren Strömungswiderstand aufweist und den Fypass 53 bildet Die Öffnungen
74 und 76 werden bei Unterdruck gemäß Fig 2 rechts der Trennwand 64 von einer Membran
78 verschlossen, welche in die Trennwand 64 eingeclipst ist. Bei Überdruck gemäß
Fig. 2 li.nks der Trennwand hebt sich die Membran 78 von der Öffnung 74 und 76 ab
Vor dem Anschluß 66 befindet sich ein gasdurchlässiger Einsatz 80 aus aclsorntivem
Material, beispielsweise Filterpapier, um durch den Anschluß 66 strömende Verunreinigungen
auf zufangen Eine Bypassleitung zum Rückschlagventil 54 entsprechend dem Bypass
53 beeinträchtigt die Funktion der Zündwinkelverstellung nicht, so daß das beschriebene
Ventil auch als Rückschlagventil 54 verwendet werden kann.
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Es versteht sIch, daß die Rückschlagventile 50 und 54 auch durch Ventile
ersetzt werden könnten, welche bei einem vorbestimmten Druck öffnen,oder elektrisch
angesteuert werden, wodurch die mit der Membrandose 20 erzielbaren Zündverstellcharakteristik
in unterschiedlicher Weise beeinflußt werden.
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L e e r s e i t e