DE2932386A1

DE2932386A1 - Vorrichtung zum erfassen der ueberhitzung im brennraum eines mit gesteuerter zuendung arbeitenden verbrennungs- kolbenmotors

Info

Publication number: DE2932386A1
Application number: DE19792932386
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Alfa Romeo SpA
Current assignee: Alfa Romeo SpA
Priority date: 1978-08-11
Filing date: 1979-08-09
Publication date: 1980-02-21
Also published as: IT1098064B; IT7826740A0; US4265205A

Description

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PATENTANWÄLTE £θθ £.3θ9

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPl.-ING. W.EtTLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. IEMM

DIPl.-ING. K. FOCHSlE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-SOOQ MDNCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

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ALFA ROMEO S.p.A., MAILAND / ITALIEN

Vorrichtung zum Erfassen der überhitzung im Brennraum eines mit gesteuerter Zündung arbeitenden Verbrennungs-Kolbenmotors

In Verbrennungskraft-Kolbenmotoren üblicher Bauweise mit gesteuertem Zündzeitpunkt befinden sich die Motorteile, die im Betrieb die höchsten Temperaturwerte annehmen und deshalb thermisch am stärksten beansprucht sind, im Inneren der Brennkammer, wo sie mit den Abgasen in Berührung sind. Wenn für irgendeines dieser Teile die thermische Beanspruchung einen bestimmten Schwellwert übersteigt, führt eine Beschädigung dieses Bauteils zu einem Motorschaden,

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wodurch der gesamte Motor ausfällt und langwierige und teure Reperaturvorgänge erforderlich werden. Es versteht sich deshalb, dass Motorhersteller sich mit Massnahmen befassen, die sicherstellen, dass dieser Grenzwert in keinem Fall überschritten wird, und zwar weder während der Probeläufe bei der Herstellung noch im Betrieb, denn derartige negative Situationen führen zu einer Übersteigerung der thermischen Belastung. Der Sicherheitsabstand, den ein Hersteller einhalten muss, führt aber aus anderen Gesichtspunkten zu Nachteilen. Es genügt,an dieser Stelle anzumerken, dass der Treibstoffverbrauch wesentlich vom thermodynamisehen Wirkungsgrad des thermischen Kreissprozesses abhängt, und dieser Wirkungsgrad ist umso höher, je höher die Spitzentemperatur des Kreisprozesses gewählt werden kann. Die Vorsichtsmassnahmen jedoch bestehen gerade darin, die Spitzentemperatur zu senken. Der Preis, der für die Sicherheit,insbesondere in Form von hohem Treibstoff verbrauch, gezahlt werden muss, ist umso grosser, je grosser der Sicherheitsabstand ist, den der Hersteller unter Berücksichtigung der Möglichkeiten, dass derartige negative Situationen auftreten, einhalten zu müssen glaubt.

Es soll an dieser Stelle ins Gedächtnis zurückgerufen werden, dass bei Motoren mit gesteuertem Zündzeitpunkt der Wirkungsgrad aber auch die Temperatur des Arbeitszyklus, und damit ebenfalls die Temperatur der mechanischen Bauteile, steigen, wenn der Zündzeitpunkt vorverlegt wird, und zwar bis zu einem Wert, der dem maximal möglichen Wirkungsgrad entspricht, überschreitet man diesen Wert, dann steigt zwar die Temperatur weiter an, der Wirkungsgrad wird jedoch wieder schlechter. Hieraus versteht es sich, dass man bemüht ist, den Motor in einem solchen Bereich

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zu betreiben, in dem durch Vorverschiebung des Zündzeitpunktes der Wirkungsgrad noch gerade unterhalb oder am Maximum liegt. Wenn im Maximalpunkt des Wirkungsgrades die Temperaturen einiger mechanischer Bauteile bereits übermässig hoch sind oder zu hoch werden können, wenn negative Umstände entsprechend den obigen Ausführungen auftreten, dann besteht der erwähnte Sicherheitsabstand aus dem Unterschied zwischen der optimalen Zündzeitpunkt-Vorverschiebung und der unter den herrschenden Bedingungen gewählten Vorverschiebung des Zündwinkels.

Die vorstehenden Überlegungen sind richtig, wenn man annimmt, dass die Zündung und die Verbrennung des in der Brennkammer anwesenden Gemisches regelmässig stattfinden, so dass mit dem Sicherheitsabstand lediglich berücksichtigt werden muss, dass bei den Motoren während der Herstellung und im Betrieb die tatsächliche Zündvorverschiebung von der vorgeschriebenen sogar erheblich abweicht, was auf eine Addition von Konstruktionstoleranzen, Einstellungen und sich im Betrieb ergebenden Einstellungsverschiebungen zurückzuführen ist. Aber darüber hinaus ist der Sicherheitsabstand noch weiter zu vergrössern, damit zwei mögliche Ereignisse berücksichtigtwerden, nämlich die vorzeitige Zündung oder Selbstzündung, die auftreten kann, wenn in der Brennkammer irgendein Teil überhitzt ist (im allgemeinen die isolierte Elektrode der Zündkerze), so dass dadurch im Vergleich zur vorhersagbaren Zündung eine Vorzündung auftritt, die wiederum zu einer weiteren überhitzung der erwähnten mechanischen Bauteile führt; der zweite Grund ist das Klopfen, bei welchem ein Teil von noch unverbrannten Gemischgasen augenblicklich und gleichzeitig und nicht durch ein allmähliches Hindurchtreten der

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Flammenfront verbrennt. In Anbetracht dieser beiden Störungsgründe lässt eine starke Vorzündung es wahrscheinlicher werden, dass in der Brennkammer ein Heisspunkt auftritt, der zu einer Vorzündung Anlass gibt, und ausserdem besteht erhöht die Möglichkeit zur überhitzung des komprimierten Gemisches, was ein Klopfen hervorruft. Um diese beiden Erscheinungen auszuschliessen, die sich beide nachteilig auf die Lebensdauer des Motors auswirken, muss der Sicherheitsabstand also hinreichend gross gewählt werden, oder mit anderen Worten, der Zündzeitpunkt muss gegenüber dem bezüglich Leistung und Treibstoffverbrauch optimalen Punkt noch weiter zurückgenommen werden. Es ist erforderlich zu bedenken, dass die Vorzündung beispielsweise auch von den Toleranzen y im Wärmewert der Zündkerze und von möglichen Ablagerungen '\ .,' in der Brennkammer während des Motorbetriebes abhängt, und ■;^; dass das Klopfen ebenfalls Abhängigkeit zeigt von dem Kom- '.. V pressionsverhältnis und den sich hierbei in der Massenpro-■.''*■ duktion der Motoren auswirkenden Toleranzen, und schliess-

?·* lieh sind als ganz wesentlicher Anteilsfaktor die Eigenschaften der im Handel erhältlichen Treibstoffe zu berücksichtigen.

\ '\ Es liegt deshalb der Erfindung die' Aufgabe zugrunde, soweit wie praktisch möglich die Einbusse an Leistung und den Treibstoff mehrverbrauch als Folge eines zu berücksichtigenden grossen Sicherheitsabstandes bezüglich der Betriebssicherheit für die mechanischen Bauteile, die durch übermässige Erwärmung besonderen Beanspruchungen ausgesetzt sind, so klein wie möglich zu halten. Mit der Erfindung wird es möglich, den Sicherheitsabstand praktisch gänzlich wegzulassen, so dass eine Zundpunktvorversteilung gewählt werden kann, bei der Leistung und Treibstoffverbrauch optimale Werte

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haben. Dieses Ergebnis lässt sich dadurch erzielen, dass, wenn während des Motorbetriebes sich die oben erwähnten negativen Einflüsse bemerkbar machen, ein in der Brennkammer wenigstens eines Zylinders des Motors angeordneter Fühler die Temperatur der thermisch hoch beanspruchten Bauteile erfasst und feststellt, dass sie sich einem gefährlichen Schwellwert nähern, der ihrer Standfestigkeit und damit derjenigen des Motors abträglich sein könnte. Damit der Fühler diesen Anforderungen gerecht wird und damit die Signale tatsächlich die überhitzung der mechanischen Bauteile aufgrund der verschiedenen zahlreichen Einflüsse wiedergeben, müssen sowohl der Ort der Anbringung des Fühlers als ach seine Bemessung genauestens studiert werden. Hinsichtlich der Anbringung ist berücksichtigt worden, dass, während ein besonders grosser Vorzündwinkel oder eine vorzeitige Selbstzündung Anlass zur überhitzung sämtlicher Punkte in der gesamten Brennkammer gibt, im Gegensatz dazu das Klopfen einen verhältnismässig eng eingegrenzten Bereich der Brennkammer überhitzt. In diesem Bereich liegt die Ursache für das Klopfen und die Auswirkung ist dann besonders stark, wenn das Klopfen intensiv ist und gerade in dieser Zone auftritt, so dass die Oberflächen der mechanischen Bauteile, wie etwa der Zylinderkopf, der Kolben und die Dichtung, Gefahr laufen, zerstört zu werden, wenn das Klopfen auftritt. Dieser Bereich ist derjenige, in dem das Gasgemisch als letztes verbrennt, also ein Bereich, der üblicherweise von der Kerze den weitesten Abstand hat. In diesem Bereich ist der Fühler anzubringen, damit Klopferscheinungen festgestellt werden können.

Der Fühler ist zweckmässigerweise so gestaltet, dass er mit der Wand des Zylinderkopfes, welche die Brennkammer umschliesst,

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in Verbindung gebracht werden kann, wobei die thermische Leitfähigkeit gegenüber der Wand ausreichend verringert werden muss, weil deren Temperatur im allgemeinen einen mittleren Wert hat, da sie mit dem Kühlmittel des Motors in Berührung ist. Mit dieser Massnahme ist die Temperatur, die der Fühler aufnimmt, beträchtlich niedriger als diejenige, durch die eine vorzeitige Zündung an einer heissen Stelle eintreten würde, doch muss sie vergleichsweise hoch sein, weil die Temperaturzunahme, die in einer aussergewohnlichen Situation stattfinden muss (eine solche, in der für den Bestand der Einzelteile Gefahr besteht) und damit die Grosse des Signals ganz allgemein proportional dem Wert der Temperatur ist, der normalerweise durch den Fühler aufgenommen wird. Die Auslegung des Fühlers muss darüber hinaus so beschaffen und gewählt sein, dass nur sehr geringe thermische Trägheit vorliegt, damit augenblicklich ein Signal abgegeben wird, und der Fühler in der Lage ist, alle die Steigerungen des Wärmeüberganges festzustellen, die während eines thermischen Zyklus nur von sehr kurzer Dauer sind, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn Klopfen auftritt, so dass die Übernahme desselben Grenzwertes der Fühlertemperatur soweit wie durchführbar eine Anzeige für eine gefährliche Situation sov/ohl bei der Zündung als auch bei der Verbrennung sein kann, die sonst normal ablaufen, oder für vorzeitige Selbstzündung oder den Klopfzustand.

Zwei unterschiedliche Gebrauchsarten sind mit der beschriebenen Vorrichtung möglich. Die erste und dabei auch die einfachste und billigste ist auf jedenfall sehr wertvoll und sieht vor, dass das vom Fühler kommende Signal ständig einer elektronischen Schaltung zugeführt wird, in der ein

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Komparator mit vorgegebenem Schwellwert enthalten ist, der das Signal auswertet und für den Fall, dass der Schwellwert überschritten wird, eine Warnanzeige an den Fahrzeuglenker abgegeben wird. Die Warnung kann beispielsweise mit einer Warnlampe in der Instrumententafel des Fahrzeuges vorgenommen werden, so dass der Fahrer dann die Belastung des Motors reduzieren kann, bis das Warnsignal verschwindet. Die zweite Möglichkeit des Einsatzes, die ebenfalls Teil der Erfindung ist, sieht gleichfalls vor, dass das vom Fühler kommende Signal ständig einer elektronischen Schaltung zugeleitet wird, die ebenfalls den Schwellwertkomparator enthält, so dass das ankommende Signal als Anzeige dafür ausgewertet wird, dass der Temperaturschwel lwert überschritten ist. Die elektronische Schaltung ist dann aber mit der Zündeinrichtung in Verbindung. Die Zündeinrichtung gibt die für die Entladung an den Zündkerzen erforderliche Energie ab und sorgt auch für den jeweils erforderlichen Vorzündwinkel in Abhängigkeit von wenigstens einem der charakteristischen Parameter beim Betrieb des Motors. Durch die Verbindung dieser Zündeinrichtung mit der elektronischen Schaltung wird dann, wenn das Fühlersignal die Überschreitung des Temperaturschwel lwertes anzeigt, ein Befehl gegeben, wodurch der Vorzündwinkel gegenüber der augenblicklichen Grundeinstellung zurückgenommen wird, wodurch erreicht wird, dass die Temperatur wieder unter den Schwellwert absinkt und das entsprechende Signal verschwindet. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Vierzylinder-Reihenmotor, und

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Fig. 2 einen Querschnitt durch das obere Ende desjenigen Zylinders/ in dem der Temperaturfühler enthalten ist.

Der Zylinderblock 1 enthält die vier Zylinder 2 bis 5, in denen jeweils eine Zündkerze 6 bis 9 angeordnet ist, die mit der Zündeinrichtung 14 durch Zündkabel 10 bis 13 verbunden sind, über die der Zündimpuls zugeführt wird. Die Zündeinrichtung 14 gibt die Zündimpulse mit einer bestimmten Einstellung des Zündaugenblicks gegenüber dem oberen Kolbentotpunkt in den einzelnen Zylindern ab. Ein Temperaturfühler 15 befindet sich im Inneren des Brennraumes des Zylinders 2, und zwar in einem Bereich, in dem das Klopfphänomen zuerst auftritt. Hierbei handelt es sich um eine Zone, die von der Kerze 6 im allgemeinen einen ziemlich grossen Abstand hat. Mit einer Leitung 16, die zwei Leiter enthält, sofern es sich bei dem Fühler um ein Thermoelement handelt, ist der Fühler 15 mit einer elektronischen Schaltung 17 verbunden, die einen Schwellwertkomparator enthält, der auf der Grundlage der Grosse des vom Fühler 15 kommenden Signals eine Auswertung vornimmt, ob die Temperatur am Fühler unter oder über einem ausgewählten Schwellwert liegt, wobei dieser Schwellwert entweder konstant oder nach einer bestimmten Gesetzmässigkeit abhängig von der Motordrehzahl variabel ist und deshalb von der elektronischen Schaltung 17 anhand der Frequenz der Zündimpulse berechnet werden kann, die über eine Leitungsverbindung 18 von der Zündeinrichtung 14 an die elektronische Schaltung 17 signalisiert werden. Bei der ersten und einfacheren Version der Vorrichtung liefert die elektronische Schaltung 17 über eine Verbindungsleitung 19 ein Signal an eine Warnlampe 20, um diese beispielsweise im Instrumentenbrett eines

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Fahrzeugs sitzende Lampe zum Aufleuchten zu bringen, wenn die Temperatur des Fühlers 15 den vorgegebenen Schwellwert übersteigt. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gibt die elektronische Schaltung über eine Leitungsverbindung 21 einen Befehl an die Zündeinrichtung 14, wenn der Fühler 15 eine Temperatur feststellt, die über dem Schwellwert liegt, woraufhin eine schnelle und auch bemessene Verminderung des Vorzündwinkels gegenüber den Werten durchgeführt wird, die einer Grundeinstellung der Zündeinrichtung 14 entsprechen. Bei dieser zweiten Version ist die elektronische Schaltung 17 ausserdem mit Hilfsmitteln ausgerüstet, die dafür sorgen, dass die schnell eingetretene Verringerung der Vorzündung wieder aufgehoben wird, sobald die vom Fühler 15 festgestellte Temperatur unter einen zweiten Schwellwert sinkt, der entweder gleich dem ersten oder auch niedriger als dieser sein kann. In der elektronischen Schaltung 17 können weiter Einrichtungen enthalten sein, die im Vergleich zu der sehr schnellen Verminderung des Vorzündwinkels eine weniger schnelle Zunahme des Vorzündwinkels hervorrufen, wenn der Zündwinkel wieder auf den Wert der Grundeinstellung gebracht werden soll. Diese zeitweilige Korrektur der Vorverschiebung des Zündwinkels gegenüber einer Grundeinstellung kann während der gesamten Zündsteuerung vorgenommen werden und damit im gesamten Betriebsbereich des Motors oder nur in wenigen Abschnitten des Gesamtbetriebsfeldes. Es versteht sich, dass zusätzlich zu dem mit 2 bezeichneten Zylinder auch weitere Zylinder und unter begrenzten umständen sämtliche, mit Fühlern gemäss dem bei 15 gezeigten Temperaturfühler ausgestattet sein können, wobei diese Fühler in gleicher Weise mit der elektronischen Schaltung 17 verbunden werden und die Schaltung dann die entsprechenden

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Signale auswertet, um entweder die Warnlampe 20 zum Aufleuchten zu bringen oder eine Verringerung des Vorzündwinkels zu bewirken.

Der in der Fig. 2 angedeutete Querschnitt durch den Kopf des mit dem Fühler ausgestatteten Zylinders des Motors ist in eine Ebene gelegt, die durch die Zylinderachse führt und die Zündkerze 6 und den Fühler 15 enthält. Der Kolben 22 sitzt am oberen Ende der Pleuelstange 23 und befindet sich gerade im oberen Totpunkt. In den Brennraum 24 ragen die Zündkerze 6 und der Fühler 15 hinein, und der Zylinderblock 25 ist oben mit dem Zylinderkopf 26 verschlossen.

Mit der Erfindung ist somit eine Vorrichtung geschaffen, mit der eine überhitzung in der Brennkammer eines Brennkraftmotors ermittelt und verhindert wird, wozu ein Temperaturfühler in der Brennkammer wenigstens eines Zylinders mit einem grossen Abstand zur Zündkerze angeordnet wird, der an eine Steuerelektronik Signale abgibt, mit deren Hilfe bei vom üblichen Betrieb abweichenden Situationen die Zündwinkelvorverstellung variiert und bei Normalbetriebsbedingungen, sobald die Störerscheinungen nicht mehr auftreten, dann wieder auf den Wert des Normallaufes zurückgestellt werden.

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Claims

HOFFMANN · ΙίΙΤΙΛυ & PARTNER

PAT E N TAN WALT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-ING. W.EITLE . DR. RER.NAT. K. HOFFMANN · DlPt.-ING. W. LEHN

DIPl.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 81 · TELEFON (0E9) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

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Vorrichtung zum Erfassen der Überhitzung im Brennraum eines mit gesteuerter Zündung arbeitenden Verbrennungs-Kolbenmotors

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Überwachen der Überhitzung im Inneren des Brennraumes eines Brennkraftkolbenmotors mit gesteuerter Zündung, dessen Zündeinrichtung an den Zündkerzen der einzelnen Zylinder, bezogen auf den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung, eine elektrische Entladung hervorruft, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (15) im Inneren der Brennkammer (24) wenigstens eines MotorZylinders, welcher mit den Abgasen in Berührung ist, jedoch auch mit der Brennkammerwand Verbindung hat, so dass ein Temperaturmittel

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zwischen der Temperatur der Abgase und der Brennkammerwand erfasst wird, dass der Temperaturfühler (15) in der Brennkammer in einem Bereich mit möglichst grossen Abstand von der Zündkerze (6) untergebracht ist, in dem das Klopfphänomen zuerst auftritt, und dass eine elektronische Schaltung (17) das Messignal vom Temperaturfühler (15) zugeführt erhält und einen Schwellwertkomparator aufweist, der feststellt, ob die vom Fühler gemessene Temperatur unter oder über einem vorgewählten Schwellwert liegt, und die bei Überschreiten des Schwellwertes ein Signal abgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Warneinrichtung, vorzugsweise eine in der Instrumententafel angebrachte Warnleuchte, die anspricht, wenn bei überschreiten des Schwellwertes am Fühler (15) ein Steuersignal abgegeben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zusatzmittel, gegebenenfalls in der elektronischen Schaltung, die durch Einfluss auf die Zündeinrichtung eine schnell wirkende Verkleinerung des Vorzündwinkels hervorrufen, sobald die elektronische Schaltung bei Auftreten einer den Schwellwert übertreffenden Temperatur das Steuersignal abgibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Zusatzmittel nach der Verkleinerung des Vorzündwinkels diese Verkleinerung wieder aufheben, sobald die am Fühler (15) gemessene Temperatur unter einen zweiten Schwellwert absinkt, der gleich dem oder niedriger als der genannte Schwellwert ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , dass die schnelle Verkleinerung des VorzündwinkeIs gleichzeitig in einem mehr oder weniger starken Mass der Grundzündeinstellung durchgeführt wird.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet , dass die zusätzlichen Mittel im Anschluss an die schnelle Verkleinerung des Vorzündwinkels eine weniger schnelle allmähliche Zunahme des Vorzündwinkels in Richtung auf den Wert einleitet, der der vorgewählten Grundeinstellung entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der ausgewählte Temperaturschwellwert abhängig von der Motordrehzahl variabel ist und dass die elektronische Schaltung von der Zündeinrichtung Signale als Mass für die Augenblicksdrehzahl des Motors erhält, so dass die elektronische Schaltung den Wert der Fühlertemperatur mit einem der Motoraugenblicksdrehzahl entsprechenden Schwellwert vergleicht.

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