DE2952073A1 - Verfahren zur optimierung des arbeitszyklus einer fremdgezuendeten brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur optimierung des arbeitszyklus einer fremdgezuendeten brennkraftmaschine

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DE2952073A1 DE19792952073 DE2952073A DE2952073A1 DE 2952073 A1 DE2952073 A1 DE 2952073A1 DE 19792952073 DE19792952073 DE 19792952073 DE 2952073 A DE2952073 A DE 2952073A DE 2952073 A1 DE2952073 A1 DE 2952073A1
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Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft
Stuttgart-Untertürkheim Daim 12 8o4/4
20. Dez. 1979
Verfahren zur Optimierung des Arbeitszyklus einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Arbeitszyklus einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist ein "Computer-programmierter Sparmotor" bekannt (Auto-Test und Technik, Nr. 23, 1979, Seite 124), welcher seine Leistung in jedem Betriebszustand bei geringstmöglichem Kraftstoffverbrauch abgibt. Hierbei wird die Zündung und die Einspritzung des Motors nach vorgegebenen Programmen in Abhängigkeit von den Betriebsdaten, wie Last, Drehzahl und Temperatur mit Hilfe eines Mikrocomputers gesteuert. Diese vorgenannten Parameter werden dabei durch Luftmengenmesser, Drehzahlsensoren, Temperaturfühler und andere Signalgeber erfaßt und in ein Steuergerät eingegeben.
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Daim 12 8o4/4
Auf diese Weise kann zwar der hinsichtlich Verbrauch und Abgas jeweils günstigste Zündwinkel in den verschiedenen Betriebsbereichen (Leerlauf, Teil- oder Vollast), wie dieser auf dem Prüfstand ermittelt wurde, mit großer Genauigkeit gesteuert warden. Die von vorbestimmten Festwerten ausgehende Steuerung kann aber nicht serienmäßige Streuungen und alterungsbedingte Veränderungen am Motor erfassen. Ausserdem ist das optimale Aussteuern der Brennkraftmaschine von der Eichstabilität von der Gesamtzahl der hierfür benötigten Sensoren abhängig.
Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches Regelverfahren für fremdgezündete Brennkraftmaschinen zu erstellen, welches selbsttätig die Auswirkungen von sowohl serienmäßigen und alterungsbedingten Streuungen als auch die durch unterschiedliche Kraftstoffe (Verwendung von Methanol, Äthanol usw.) herbeigeführten Abweichungen von der normalen Steuerung der Brennkraftmaschine mit weniger und von einer Eichung unabhängigen Parametern erfaßt und kompensiert, ohne daß manuelle Änderungen an der Programmierung des Reglers vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Die in einer Brennkraftmaschine verbrannte Kraftstoffmenge bewirkt in der Expansionsphase einen höheren Druck im Brennraum gegenüber der Kompressionsphase und damit eine mechanische Energie an der Kurbelwelle. Das bedeutet, daß
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S- Daim 12 8o4/4
der Druck im Brennraum in Abhängigkeit vom Kolbenweg ein direktes Maß für die nach außen abgegebene Arbeit ist. Liegen also optimale Verbrennungsbedingungen vor, so wird auch der Druckverlauf bzw. die daraus errechenbare, vom Gas an den Kolben abgegebene Arbeit einen optimalen Wert haben. Folglich soll der in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung meßtechnisch erfaßte Druck im Brennraum als Regelgröße zur Optimierung der Verbrennung verwendet werden. Diese Größe dient als Ist-Wert einer Regelstrecke, die als Stellgrößen das Luft/Kraftstoffverhältnis λ. und den Zündzeitpunkt ZZP benützt.
Durch Anordnung von nur einem Bezugsmarkengeber zur Messung des Kurbelwinkels und von nur einem Drucksensor an der Brennkraftmaschine zur Ermittlung des momentanen Brennraumdruckes bei einer bestimmten Stellung der Kurbelwelle, kann der mittlere indizierte Druck errechnet und daraus die Lage des Druckmaximums bestimmt werden.
Ferner kann der für einen bestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine als optimal ermittelte Wert des Zündzeitpunkte bzw. der zugeführten Kraftstoffmenge in einem gespeicherten Kennfeld der Regelgröße laufend als neuer Näherungs-Sollwert unter Löschung des bisherigen gespeicherten Wertes abgespeichert werden.
Von dem vorgespeicherten Kennfeld ausgehend wird durch laufendes Variieren der Zündzeitpunkt in Richtung des Druckmaximums verschoben und bei Erreichen dieses Wertes derselbe
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- J. - Daim 12 804/*+
im Regler für einen gleichen Belastungsfall der Brennkraftmaschine gespeichert, indem der alte Wert überschrieben, d.h. gelöscht wird. Durch laufendes Messen von Arbeitshub zu Arbeitshub und Ermitteln des Maximums des mittleren indizierten Druckes wird jede Veränderung des Arbeitszyklus einer Brennkraftmaschine festgehalten, ausgewertet und der optimale Zündzeitpunkt bzw. Kraftstoffmenge für den jeweiligen Betriebszustand ermittelt. Die Veränderungen oder Abweichungen von einem vorhergehenden Zustand der Brennkraftmaschine zu einem anderen veränderten Zustand werden dadurch erfaßt, daß der neue optimale Wert für den veränderten Zustand der Brennkraftmaschine errechnet, gespeichert und eingeregelt wird, so daß die Programmierung des Reglers stets auf den neuesten momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abgestimmt ist, ohne daß manuelle Änderungen an der Programmierung des Reglers vorgenommen werden müssen.
Die Regelgrößen werden aus den Absolutgrößen des Druckes im Brennraum der Brennkraftmaschine errechnet , es ist also eine Umwandlung der Meßsignale in Druckwerte erforderlich. Ist der Untrechnungsfaktor hierfür nicht bekannt, so gibt es zwei Möglichkeiten, dennoch aus dem Meßsignal Druckwerte zu erhalten,und zwar in der Weise, daß aus dem Druckverlauf während der Kompressionsphase - hier sind die thermodynamischen Randbedingungen genügend genau bekannt - der Umrechnungsfaktor berechnet wird oder - der mittlere indizierte Druck ρ . läßt sich ohne Einschränkung in der Art verwenden, daß man die relative ρ .-Änderung ermittelt und daraus das Optimum findet.
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ORIGINAL INSPECTED
Daim 12 8Ok/h
Um die Brennkraftmaschine im Betrieb zwecks Optimierung näher an die Klingelgrenze heranzuführen, kann aus dem Verlauf des momentanen indizierten Druckes bzw. der analogen Größe durch wenigstens einmaliges Differenzieren in an sich bekannter Weise eine Klingelkennung ermöglicht werden und bei Auftreten eines Klingelsignals vor Erreichen des Maximums des mittleren indizierten Druckes (Klingelgrenze) kann die Variation des Zündzeitpunktes abgebrochen, der momentane Zündzeitpunkt festgehalten und im weiteren Verlauf die Zufuhr der Kraftstoffmenge variiert werden.
Außerdem kann die für einen bestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine festgestellte Klingelgrenze in dem gespeicherten Kennfeld des Zündzeitpunktes laufend unter Löschung eines bisher gespeicherten entsprechenden Wertes abgespeichert werden.
Durch den Betrieb der Brennkraftmaschine knapp unterhalb der Klingelgrenze wird die Motorleistung erhöht, der Kraftstoff besser genutzt und es werden weniger schädliche Abgase ausgestoßen.
Da bei Mehrzylindermaschinen von Zylinder zu Zylinder grobe Abweichungen möglich sind, kann die Optimierung des Arbeitszyklus individuell für jeden Arbeitsraum durchgeführt werden.
In diesem Falle wird in jedem Zylinder ein Druckmesser angeordnet, wodurch der optimale Zündzeitpunkt und gegebe-
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Daim 12 80k/k
nenfalls die optimale Kraftstoffmenge für den jeweiligen Zylinder ausgelegt und ein Maximum an Leistung der betreffenden Brennkraftmaschine erzielt wird.
Schließlich kann die Schwankung des mittleren indizierten Druckes über mehrere Arbeitsspiele gemessen und das Maß für die Laufunruhe verwendet werden, derart, daß bei Erreichen eines vorgegebenen Schwankungswertes die weitere Optimierung abgebrochen und damit eine vorgegebene Laufunruhe nicht überschritten wird.
Das beschriebene Verfahren sieht einmal vor, daß jeder Zylinder einer Mehrzylindermaschine individuell erfaßt, berechnet und korrigiert wird, so daß jeder in seinem Optimum arbeitet.
Darüber hinaus besteht eine Vereinfachung des Verfahrens darin, daß nur mittlere Korrekturwerte für alle Zylinder ermittelt werden - oder daß nur ein Zylinder für alle repräsentativ vermessen wird.
Selbstverständlich kann als zusätzliche Vereinfachung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch von einem im Regler vorgegebenen Zündkennfeld bzw. von einer definierten Kraftstoffzuteilung ausgegangen werden, wobei in gewissen Zeitabstanden die optimalen Werte für das Luft/Kraftstoffgemisch X.und für den Zündzeitpunkt überprüft, gegebenenfalls korrigiert und die neuen Werte abgespeichert werden.
Anhand eines in der Figur dargestellten Schemas einer Brennkraftmaschine soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Die in der Figur dargestellte Brennkraftmaschine 1 besteht aus einem Zylinder 2 mit einem Kolben 3. In der Wandung eines Brennraumes 4 ist je Zylinder 2 ein Drucksensor 5 angeordnet. Der Drucksensor 5 besteht z.B. in an eich bekannter Weise aus einer Scheibe piezoelektrischer Keramik, welche durch eine geeignete Halterung an die Stirnfläche einer Bohrung 6 angepreßt wird. Die restliche zum Brennraum 4 verbleibende Wandung ist so dick, daß sie einerseits festigkeitsmäßig ausreicht, andererseits jedoch Membrancharakter besitzt. Durch die aus der Brennraumdruckschwankung resultierende mechanische Verformung wird ein dem Brennraumdruck ρ proportionales elektrisches Signal zu einem Auswerterechner 7 weitergegeben. Die Undefinierte Empfindlichkeit des Drucksensors 5 (keine Eichung) wird durch bereits beschriebene Maßnahmen im Auswerterechner 7 kompensiert. Am Anlasserzahnkranz 8 der Brennkraftmaschine ist ein Bezugsmarkengeber (Impulsgeber) 9 angeordnet, welcher durch Abtasten des Zahnkranzes 8 die Kurbelwellenstellung bzw. die Stellung des Kolbens 3 ermittelt und diese Werte gleichfalls zum Auswerterechner 7 weiterleitet. Das Volumen des Brennraumes 4 ist über die geometrischen Abmessungen des Kurbeltriebes der Winkelstellung ^f der Kurbelwelle zugeordnet. ;
Im Auswerterechner 7 werden aus dem gemessenen Brennraumdruck ρ Größen zur Beurteilung der Verbrennung ermittelt, und zwar einmal der sog. mittlere indizierte Druck
ρ
pmi
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Daim 12 8o4/4
wobei dV aus der Kurbelwinkelstellung *f errechnet wird und Vj1 das Hubvolumen ist. Er dient als Maß für die durch die Verbrennung am Kolben 3 abgegebene mechanische Arbeit, daneben als Maß für die Laufruhe, den Druckanstieg dp/dtP und den maximalen Druck P_ax· Zur Beurteilung der Gleichmäßigkeit der Verbrennung wird die Streuung der obigen Werte von Arbeitshub zu Arbeitshub laufend errechnet. Das p__„ gilt als Regelgröße für einen Regler 1o, welcher
Die» Jv
bei Erreichen des Druckmaximums die Zündung von einer Batterie 11 über eine Zündspule 12 und einen Hochspannungsverteiler 13 auslöst.
Ausgehend von einem vorprogrammierten Zündkennfeld wird durch laufendes Messen der Regelgrößen Pmax und *f und durch Abfragen und Vergleichen der gespeicherten Werte durch den R verschoben.
durch laufendes Messen der Regelgrößen Pmax und *f und
ich durch den Regler 1o der Zündzeitpunkt in Richtung Pmax
Um ein Klingeln der Brennkraftmaschine zu vermeiden, wird schließlich noch vom Regler 1o der Druckanstieg dp/d Cj> nach bekannten Kriterien kontrolliert und bei Auftreten eines Klingeins eine weitere Verschiebung des Zündzeitpunktes nach früher verhindert.Eine weitere Regelung der Brennkraftmaschine erfolgt nun über die durch ein Einspritzventil 14 zugeführte Kraftstoffmenge. Alle Werte eines bestimmten momentanen Betriebszustandes werden mit den gespeicherten Werten im Regler 1o verglichen und gegebenenfalls überschrieben, d. h., daß der alte Wert für den Zündzeitpunkt gelöscht und der neue Wert gespei&ert wird.
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ORIGINAL INSPECTED
195207?
Daim 12 SOk/k
Der Regler 10 vergleicht also die am Kolben 3 abgegebene Energie ρ . mit der zügeführten Energie (zugeführte Kraftstoff menge), berücksichtigt nach vorgegebenen Kriterien den Druckanstieg, das Druckmaximum, ein eventuelles Klingeln sowie andere Parameter der Brennkraftmaschine 1, wie z.B. Drehzahl, Temperaturen usw., und korrigiert damit entsprechend das Luft/Kraftstoffgemisch z.B. auf λ = 1 bzw. regelt den Zündzeitpunkt soweit auf Frühzündung, daß die Brennkraftmaschine z.B. knapp unterhalb der Klingelgrenze arbeitet bzw. eine vorgegebene Laufunruhe nicht überschreitet.
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Claims (1)

  1. Daimler-Benz Aktiengesellschaft Palm 1 2 804/4
    Stuttgart-Untertürkheim 20. Dez. 1979
    Ansprüche
    (I .J Verfahren zur Optimierung des Arbeitszyklus einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei dem Antriebedaten der Brennkraftmaschine,und zwar u.a. die momentane relative Winkellage der Kurbelwelle (Kurbelwinkel) gemessen, einer elektronischen Steuereinheit zugeführt und dementsprechend auf den Zündzeitpunkt und/oder auf die zugeführte Kraftstoffmenge eingewirkt wird, dadurch gekennzeichnet , daß um einen Näherungs-Sollwert des Zündzeitpunktes und/oder der zügeführten Kraftstoffmenge herum wenigstens eine dieser Regelgrößen von Arbeitszyklus zu Arbeitszyklus variiert wird, daß außer dem Kurbelwinkel noch laufend der momentane indizierte Druck oder eine sich mit ihm analog ändernde Grösse gemessen, daraus und aus der über den Kurbelwinkel ermittelten Kolbenstellung für jeden Arbeitshub jeweils der mittlere indizierte Druck bzw. eine analoge Größe errechnet und die Folge der errechneten Werte des mittleren indizierten Druckes selbsttätig registriert und aufein-
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    ORIGINAL INSPECTED
    .- .:..:.. : baim 12 80h/h
    anderfolgende Werte miteinander verglichen werden, wobei für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine (i) die Variation der Regelgröße abgebrochen und der vorliegende Wert der Regelgröße festgehalten wird, sobald der mittlere indizierte Druck einen Maximalwert erreicht.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß der für einen bestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (i) als optimal ermittelte Wert des Zündzeitpunktes bzw. der zugeführten Kraftstoffmenge in einem gespeicherten Kennfeld der Regelgröße laufend als neuer Näherungs-Sollwert unter Löschung des bisherigen gespeicherten Wertes abgespeichert wird.
    3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß aus dem Verlauf des momentanen indizierten Druckes bzw. der analogen Größe durch wenigstens einmaliges Differenzieren in an sich bekannter Weise eine Klingelkennung ermöglicht wird und bei Auftreten eines Klingelsignals vor Erreichen des Maximums des mittleren indizierten Druckes (Klingelgrenze) die Variation des Zündzeitpunktes abgebrochen, der momentane Zündzeitpunkt festgehalten und im weiteren Verlauf die Zufuhr der Kraftstoffmenge variiert wird.
    h. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die für einen bestimmten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (i) festgestellte Klingelgrenze in dem gespeicherten Kenn-
    130026/0269 " 3 "
    Daim 12 804A
    feld des Zündzeitpunktes laufend unter Löschung· eines bisher gespeicherten entsprechenden Wertes abgespeichert wird.
    5« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis h für Mehrzylindermaschinen, dadurch gekennzeich net, daß die Optimierung des Arbeitszyklus individuell für jeden Arbeitsraum durchgeführt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekenn zeichnet , daß die Schwankung des mittleren indizierten Druckes über mehrere Arbeitsspiele gemessen und das Maß für die Laufunruhe verwendet wird, derart, daß bei Erreichen eines vorgegebenen Schwankungswertes die weitere Optimierung abgebrochen und damit eine vorgegebene Laufunruhe nicht überschritten wird.
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