DE2939580A1 - Verfahren zur regelung des zuendzeitpunktes - Google Patents
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Description
κ. 575 7
11.9.1979 Böer/Jä
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, den Zündzeitpunkt bei
mit Fremdzündung arbeitenden Brennkraftmaschinen in Abhängigkeit von der Lage des Spitzendrucks in Bezug auf
den oberen Totpunkt beim Verbrennungsvorgang zu regeln. Es wird ein optimaler Sollwert für den Winkelabstand eingegeben,
bei dem der Spitzendruck im Brennraum auftritt und bei einer Abweichung von diesem Sollwert der Zündzeitpunkt
entsprechend korrigiert. Die Geber zur Erfassung des Brennraumdrucks sind jedoch bezüglich ihrer Herstellung,
Funktionssicherheit und Anordnungsmöglichkeit im Brennraum einer Brennkraftmaschine problematisch.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die als Geber für die Lage des Brennraum-Spitzendruckes verwendete Ionen-
130015/0469
Z-
stromsonde wesentlich billiger und unproblematisch in Bezug
auf Funktionstüchtigkeit und Einbau ist. Besonders vorteilhaft ist, daß sogar die geringfügig modifizierte zur Zündung
verwendete Zündkerze für Messung dienen kann.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
im Hauptanspruch angegebenenen Verfahrens möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in
der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Diagramm des Ionenstromverlaufε aufgetragen über den Drehwinkel OL
der Kurbelwelle, Fig. 2 den Brennraumdruckverlauf über den Kurbelwinkel, Fig. 3 die Kurve der ersten Ableitung dl/doC
des Ionenstroms, Fig. k einen zweiten Verlauf des Ionenstroms
über den Kurbelwinkel öL bei einer zweiten Art des
Verbrennungsablaufes, Fig. 5 der für den Fall von Fig. H
gleichzeitig gemessene Druckverlauf im Brennraum über den Kurbelwinkel (X Fig. 6 den Kurvenverlauf der ersten Ableitung
des Ionenstroms dl/d Qk. Fig., 7 die zweite Ableitung
des Ionenstromverlauf es gemäß Fig. k d üxl oLund
Fig. 8 ein.Blockschaltbild . für die Auswertung des Ionenstroms zur Regelung des Zündzeitpunktes.
Mehrjährige Untersuchungen an Fahrzeugen mit fremdgezündeten Brennkraftmaschinen haben ergeben, daß bereits
nach einer Laufstrecke von 5.000 km bei Io % der Fahrzeuge der Zündzeitpunkt und im Zusammenhang damit z. B. auch die
Schadstoffemission nicht mehr dem ursprünglich eingestell-
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ten Wert entspricht. Untersuchungen und Messungen haben ferner ergeben, daß bei der heute üblichen Steuerung des
Zündzeitpunkts in Abhängigkeit vom Saugrohrdruck und der Drehzahl einige wesentliche Einflüsse nicht berücksichtigt
werden, die eine Verstellung des Zündzeitpunkts notwendig machen würden. Z. B. wirken sich die Luftfeuchtigkeit, der
Außendruck und die Kraftstoff/Luftzusammensetzung nach
Kraftstoff, Sauerstoffgehalt und die Abgasrückführung sehr
wesentlich auf die Entflammung des Gemisches in den Brennräumen aus. Entsprechend dem Zündverzug und der Entflammungsgeschwindigkeit
ergeben sich unterschiedliche Lagen für den Spitzenb-rennraumdruck. Es ist bekannt, daß für
die Lage des Spitzenbrennraumdrucks für eine wirtschaftliche Betriebsweise einer Brennkraftmaschine im Hinblick
auf Verbrauch und Verschleiß über den gesamten Betriebsbereich nahezu den gleichen Anstand von OT beibehalten
kann. Diese Erkenntnis ist bekannt und es wurde der Vorschlag gemacht, den Zündzeitpunkt so zu regeln, daß die
Lage des Brennraumspitzendrucks den gewünschten Wert einnimmt. Die Ausgestaltung und die Anbringung des Druckfühlers
ist jedoch im Hinblick auf eine serienmäßige Verwendung bei Kraftfahrzeugen problematisch.
Vergleichende Messungen vom Druckverlauf und vom Verlauf des Ionenstroms über den Kurbelwinkel bei fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen ergeben, daß sich bei maximalen Brennraumdruck gleichzeitig ein besonders hoher Ionenstrom einstellt.
Die Ursache dafür ist, daß hier gleichzeitig auch maximale Temperaturen, insbesondere im Bereich der Zündstellen
auftreten. Dadurch wird die Umsatzgeschwindigkeit der Ladung (Kraftstoff/Luftgemisch) gesteigert und die Beweglichkeit
der Ionen erhöht. Fig. 1 zeigt schematisch den Ionenstromverlauf über den Kurbelwinkel o(_ bei einer
üblichen Verbrennung eines vergleichsweisen fetten Kraft-
- k 130015/0469
-, *
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stoff/Luftgemisches j gemessen an einer als Ionenstromsonde
dienenden Zündkerze. Dabei ist das erste, vor dem oberen Totpunkt (OT) liegende Maximum Ml des Icnenstroms die
Folge einer intensiven Verbrennung unmittelbar nach der Entflammung des Kraftstoff/Luft-Gemischs an der Zündkerze.
Das zweite Maximum M- bei einem diesem Maximum entsprechenden
Kurbelwinkel oL „ rührt, wie erwähnt, aus dem
starken Temperaturanstieg im Bereich des Brennraum-Spitzen-Drucks her. Das in Fig. 2 wiedergegebene gleichzeitig
vom Spitzendruck aufgenommene Diagramm zeigt, daß das Ionenstrommaximum M„ beim gleichen Winkel oi_
liegt, wie der Brennraum-Spitzen-Druck P . Die durchge-
max
zogene Kurve 1 in Fig. 2 stellt den Druckverlauf im Brennraum über den Kurbelwinkel #. f ür den Fall dar, daß eine
Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches stattfindet.
Die Kurve 2 in Fig. 2 stellt den Druckverlauf dar, der sich allein aus der Kompression durch den Hubkolbens ergibt.
Die übereinstimmende Lage eines Maximums des Ionenstroms nach dem oberen Totpunkt und des Brennraum-Spitzen-Drucks
ermöglicht es, auch mit Hilfe des Ionenstromsignals die Lage des Brennraum-Spitzendrucks zu ermitteln. Obwohl zwei
Maxima der Ionenstromkurve vorhanden sind, lassen sich diese insofern trennen, als das erste Maximum im Bereich
von Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt, also zum Zündzeitpunkt, auftritt. Es wird also in vorteilhafter Weise
der Meßbereich nach dem oberen Totpunkt bei Winkelgraden 0°<oL<900 ι
ermittelt.
ermittelt.
0o-Cöl<90 gewählt und die Lage des zweiten Maximums M?
Für den Fall, daß ein sehr mageres Kraftstoff/Luft-Gemisch
zur Verbrennung kommt, kann es vorkommen, daß vor allem im unteren Drehmomentbereich kein ausgeprägtes zweites Maximum
im mathematischen Sinne auftritt und stattdessen nur eine
- 5 130015/0469
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sattelartige Abflachung des Verlaufs des Ionenstroms I ( οέ )
auftritt. Dieser Verlauf ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. ist der dazugehörige Verlauf des Brennraum-Spitzen-Drucks
wiedergegeben, der auch hier keine ausgeprägte Spitze zeigt. Für die Ermittlung des Brennraum-Spitzen-Drucks mit Hilfe
eines Drucksensors würde es hier schwierig sein, die Druckspitze zu ermitteln, da diese Kurve in der Regel durch
Druckschwingungen noch überlagert ist.
Fig. 8 stellt schematisch die Auswertung des Ionenstromsignals zu einem Steuersignal für die Zündzeitpunktverstellung
dar. Als Ersatz für die Brennkraftmaschine ist ein Kolben 5 eines Zylinders wiedergegeben, der einen
Hauptbrennraum 6 in den Zylinder einschließt. In der Brennraumwand ist eine Ionenstromsonde oder eine modifizierte/
zur Zündung dienende Zündkerze 7 vorgesehen. Der in üblicher Weise von dem Ionenstrom 7 gewonnene proportionale
Strom wird in einem Stromspannungswandler 8 in eine Steuerspannung umgewandelt, die in einem Schaltungsteil 9 in
Bezug zum Kurbelwinkel O^ gebracht wird. Im Schaltungsteil 10 wird nun aus dem vom Ionenstrom gewonnenen Signal
U ( Qi ) die erste oder die zweite Ableitung nach oL ,
ο
du/d cL bzw. d u/d QL gebildet. Statt des Stromes kann also auch eine entsprechende Spannung, die sich der Auswerteschaltung besser verarbeiten läßt, treten. In bekannter Weise treten, sofern Maxima der Grundfunktion vorliegen, bei der Kurve der ersten Ableitung O-Durchgänge auf. Man sieht aus Fig. 3, daß der Plus zu Minus-Null-Durchgang der Lage des zweiten Maximums M„ entspricht. Dieser Null-Durchgang wird im Schaltungsteil 11 erfaßt und der dazugehörige Kurbelwinkel &£. max ermittelt.
du/d cL bzw. d u/d QL gebildet. Statt des Stromes kann also auch eine entsprechende Spannung, die sich der Auswerteschaltung besser verarbeiten läßt, treten. In bekannter Weise treten, sofern Maxima der Grundfunktion vorliegen, bei der Kurve der ersten Ableitung O-Durchgänge auf. Man sieht aus Fig. 3, daß der Plus zu Minus-Null-Durchgang der Lage des zweiten Maximums M„ entspricht. Dieser Null-Durchgang wird im Schaltungsteil 11 erfaßt und der dazugehörige Kurbelwinkel &£. max ermittelt.
Im Falle der Figurenfolge 4-7, die einen Verbrennungsablauf mit nichtausgeprägtem zweiten Maximum entspricht,
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sieht man, daß gemäß Fig. 6 die erste Ableitung keine Null-Durchgänge
im Bereich der Kurbelwinkel O < U. -<
90 hat. In diesem Fall muß das erste Maximum der ersten Ableitung im Bereich von Kurbelwinkel O°<loL<T 90° nach OT gesucht
werden, was mit Hilfe der zweiten Ableitung des Ionenstroms nach oL erfolgt.
Aus Fig. 7 sieht man, daß diesem Maximum der ersten Ableitung der Plus zu Minus Null-Durchgang der Kurve d Ι/άαί
bzw. d U/doi entspricht. Zur sicheren Erfassung des ersten
Maximums der ersten Ableitung kann entweder der zweite Null-Durchgang nach OT der zweiten Ableitung oder wie gesagt,
der erste Plus zu Minus-Null-Durchgang ermittelt werden. Das Maximum M3 der ersten Ableitung gemäß Fig. 6
weist jedoch einen kleinen Fehler auf, es liegt nicht exakt auf dem Punkt M2', der dem Pmax' von Fig. 5 entspricht,
sondern etwas davor bei M2', wo die Kurve I (oL) seinen
Wendepunkt hat. In Anbetracht der Fluktuationen der Lage des Brennraum-Spitzen-Drucks ist jedoch dieser Fehler vernachlässigbar.
Um die Zuordnung des Ionenstromsignals I (cO bzw. u (
zum Kurbelwinkel oi zu erhalten, wird dem Schaltungsteil 9
ein beim Durchgang der Kurbelwelle durch den oberen Totpunkt erzeugtes Signal zugeführt. Die Kurbelwelle 12 weist
dazu Signalmarken 14 auf, deren Durchgang durch OT zum
Beispiel mit einem Induktivgeber 15 ermittelt wird. Mit einem Signalformer 16, der dem Induktivgeber 15 nachgeschaltet
ist, wird ein Schaltsignal erzeugt, das dem Schaltungsteil 9 zugeführt wird. Mit dem Schaltsignal
kann eine Zeit- oder Winkelmeßeinrichtung gestartet werden, die von dem Schaltungsteil 11 im Zeitpunkt des Auftretens
des Ionenstrommaximums abgefragt wird. Dieser Winkelwert wird dann als Ist-Signal einer Verlgeichseinrichtung 18
zugeführt, die weiterhin von einem Sollwertgeber 19 einen
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57 5 7
Sollwert erhält. Entsprechend der Abweichung des Ist-Signals vom Sollwert wird ein Integrator 20 angesteuert, dessen
Ausgangssignal einer Verstelleinrichtung 21 für den Zündwinkel zugeführt wird. Als Zeit- oder Winkelmeßeinrichtung
kann eine der üblichen bekannten Einrichtung verwendet werden, z. B. ein Integrator oder ein Zähler. Gezählt werden
kann z. B. auch die Zahl der am Induktivgeber 15 vorbeilaufenden Winkelinkremente.
Da im Falle des Vorhandenseins eines ausgeprägten zweiten Maximums IYL des Ionenstroms die Lage dieses Maximums in
idealer Weise die Lage des Brennraumspitzendrucks angibt, kann der Schaltungsteil zur Ermittlung von oC max so ausgestaltet
sein, daß zunächst die erste Ableitung daraufhin geprüft wird, ob Null-Durchgänge vorhanden sind und erst
bei fehlenden Null-Durchgängen die Lage des Zweiten Null-Durchgangs der zweiten Ableitung ermittelt wird.
Bei der Sollwertbildung ist es möglich, die Lage des Spitzen-Drucks,
falls erforderlich, zu beeinflussen. Obwohl wie eingangs ausgeführt, der Winkelabstand des Spitzendrucks
von OT über den gesamten Betriebsbereich gleich sein kann, ist es unter gewissen Umständen erforderlich, zum Beispiel
zu Drehmomentserhöhung bei besonderen Betriebsbedingungen diesen Winkelabstand zu ändern. Dies kann durch einen entsprechend
ausgestalteten Sollwertgeber erfolgen. Weiterhin kann im Fall einer reinen Zeitmeßeinrichtung für die Ermittlung
von {^_ · hier der Drehzahleinfluß auch den
ermittelten O^ ax"Wert kompensiert werden. Der Sollwert
kann in diesem Falle drehzahlabhängig geändert werden. Der genannte Integrator 20 wird in vorteilhafter Weise
als elektronischer Integrator ausgebildet, er kann aber auch ein Stellglied mit integrierenden Eigenschaften sein,
das gleichzeitig als Verstärker wirkt.
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In ergänzender Ausgestaltung wird das Signal<X
JIi ei. X
weiterhin dazu benutzt, die Gemischzusammensetzung zu regeln. Es sind Laufruhereglungen bekannt, mit deren
Hilfe eine Gemischregelung an der Magerlaufgrenze möglich ist. Dabei werden die auf Brennraumdruckschwankungen zurückzuführenden
Drehzahlschwankungen an der Kurbelwelle als Ist-Werte erfaßt und mit einem Sollwert für die zulässige
Schwankungsbreite verglichen. Überschreiten die Schwankungen der nacheinander bei jeweils jedem Arbeitstakt
auftretenden Brennraumdrücke den zulässigen Wert, so wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch soweit angereichert, bis die
vertretbare Laufruhe wieder erreicht ist. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 8 wird ergänzend im Schaltungsteil 22 aus den aufeinanderfolgenden Werten von OC ein
ITl 3, X
Steuersignal erzeugt, das der Laufunruhe der Brennkraftmaschine entspricht. In einer Vergleichseinrichtung 23
wird dieses Signal mit einem Sollwert verglichen, und ein daraus resultierendes Signal auf den Integrator 2H gegeben,
dessen Ausgangssignal eine Kraftstoff-Luft-Verstelleinrichtung
25 bzw. eine Abgasrückführsteuereinrichtung steuert.
Laufruheregeleinrichtungen sind z. B. durch die DE-OS 2H 3H 743 oder die DE-OS 24 17 l87 bekannt.
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Claims (1)
1./Verfahren zur Regelung des Zündzeitpunktes mit Erfassung
des Brennraumspitzen-Drucks j Ermittlung der Lage des Brennraum-Spitzen-Drucks in Bezug auf einen Ist-Abstand
vom oberen Totpunkt, Vergleich dieses Ist-Abstands mit einem Sollwert und Korrektur des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit
von der Abweichung des Ist-Abstands vom Sollwert, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum-Spitzen-Druck
mittels einer Ionenstromsonde erfaßt wird und als Maß für den Brennraum-Spitzen-Druck ein nach dem oberen Totpunkt
innerhalb eines Meßbereichs von 0° <T 0^ <C 90° Kurbelwinkel
nach dem oberen Totpunkt auftretendes Maximum des Ionenstroms erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum des Ionenstroms durch Ermittlung eines ersten
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ORIGINAL INSPECTED
Plus-Minus-Null-Durchgangs nach dem oberen Totpunkt (OT) der ersten Ableitung des Ionenstromsignals erfaßt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Maximum des Ionenstroms durch Ermittlung des zweiten Null-Durchgangs nach OT der ersten Ableitung des Ionenstromsignals
erfaßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Maximums des Ionenstroms innerhalb des
Meßbereichs 0° < d- <? 90° Kurbelwinkel nach OT die erste
Ableitung des Ionenstromsignals auf Null-Durchgänge geprüft wird, das bei fehlenden Null-Durchgängen der
zweite Null-Durchgang oder der erste Plus-Minus-Null-Durchgang von der zweiten Ableitung des Ionenstromsignals
nach der Zeit oder nach Winkelinkrementen ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung von dem Kurbelwinkel
(^ ), an dem ein Maximum des Ionenstroms auftritt, im oberen Totpunkt eine über den Meßbereich von
0°< CL<1 90° Kurbelwinkel laufende Zeit- oder Winkelmeßeinrichtung
gestartet wird und der Meßstand beim ersten Plus-Minus- bzw. zweiten Null-Durchgang der ersten oder
zweiten Ableitung des Ionenstroms nach der Zeit bzw. nach Winkelinkrementen als Ist-Wert einer Vergleichseinrichtung
130015/0469 " 3 "
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zugeführt wird und entsprechend der Abweichung des Ist-Werts vom Sollwert der Zündzeitpunkt verstellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 55 dadurch gekennzeichnet, daß
der Soll-Wert in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter, der sich auf die Entflammung des Betriebsgemisches
auswirkt (Zündverzug) einstellbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sollwert in Abhängigkeit von wenigstens einem die Information über die momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine
enthaltenen Parameter änderbar ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Schwankungen des
Ist-Wertes öl „ov mit einem Sollwert der maximal zulässigen
^" Tu 3. X
Schwankungsbreite der Lage der aufeinander während des Arbeitstakts auftretenden Brennraum-Spitzen-Drücke verglichen
werden und entsprechend dem Vergleichsergebnis eine Änderung des Anteils wenigstens eines der Betriebsgemischanteile
(Luft, Kraftstoff, oder Inertgas bzw. Abgas) durchgeführt wird.
1 3001 5/0469
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