DE3106579C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
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- F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Bestimmen
von Steuergrößen einer mit Aufladung betriebenen Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Aufladung
einer Brennkraftmaschine dient dazu, die Füllung der Zylinder
zu verbessern und die spezifische Leistung eines Motors anzuheben.
Allerdings stößt die Aufladung beim Otto-Motor schnell
an Grenzen, da mit der Aufladung die Klopfneigung zunimmt.
Klopfen bedeutet das Auftreten von unkontrollierten Verbrennungen
im Zylinder. Als Folge davon kann es zu thermischer
und mechanischer Überbelastung kommen, was für leistungsstarke
und empfindliche Brennkraftmaschinen kritisch werden
kann.
Angesichts dieser Gefahr für die Brennkraftmaschine gehört es
bereits zum Stand der Technik, den Ladedruck in Abhängigkeit
von der Klopfgrenze der Brennkraftmaschine über einen elektronischen
Regler und ein Elektromagnetventil ständig dem Grenzwert
des Motors anzupassen. Dies bedeutet, daß nach Auftreten
von Klopfen das Magnetventil zur Ladedruckabsenkung geöffnet
wird und dies wiederum dem Klopfen entgegenwirkt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben
und erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein grobes Übersichtsschaubild
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine und eine Einrichtung
zum Bestimmen der Steuergrößen,
Fig. 2 Diagramme
zum Erläutern der Erfindung und
Fig. 3 und 4 je ein Blockschaltbild
zweier Steuergeräte zur Steuerung des Zündwinkels
und des Ladedrucks bzw. der Regelung dieses Ladedrucks.
Über den Ladedruck wird der Liefergrad des Motors beeinflußt.
Fig. 1 zeigt in grobschematischer Darstellung eine mit Aufladung
betriebene Brennkraftmaschine zusammen mit einem
Steuergerät für die wesentlichsten Steuergrößen. Mit 10 ist
eine Brennkraftmaschine bezeichnet, mit 11 ihr Luftansaugrohr
und mit 12 ihre Abgasleitung. Bezugsziffer 13 markiert einen Abgasturbolader,
dessen Turbinenstufe im Abgas- und dessen Ladestufe im
Ansaugluftstrom liegen. Ein Bypaßventil 14 schafft eine
steuerbare Verbindung im Abgasstrang parallel zur Turbinenstufe.
Es ist elektromagnetisch erregbar und erhält seine
Ansteuersignale aus einem Steuergerät 15. Eingangsgrößen
für dieses Steuergerät 15 sind Signale von einem Drehzahlsensor
16, einem Fahrpedalstellungsgeber 17, einem Bezugsmarkengeber
18, einem Ladedrucksensor 19 sowie wenigstens
einem Klopfsensor 20. Das Steuergerät 15 verarbeitet die
verschiedenen Eingangsgrößen und liefert ausgangsseitig
zusätzlich zum Ansteuersignal für das Abblaseventil 14 Einspritz-
und Zündsignale an Ausgängen 21 und 22.
Die in Fig. 1 gezeigte prinzipielle Anordnung ist hinlänglich
bekannt. Auch für das Steuergerät sind bereits verschiedene
Lösungsmöglichkeiten mit analoger und digitaler Signalverarbeitung
bekanntgeworden. Wesentlich bei diesem Gegenstand nach
Fig. 1 ist das Zusammenspiel der Ausgangssignale für das Abblaseventil
14 und die Zündung nach dem Erkennen von Klopfen.
Der diesbezüglichen Erläuterung dienen die einzelnen in Fig. 2
dargestellten Kurvenzüge.
In Fig. 2a ist das Ausgangssignal einer Klopfsignalerkennungsstufe
über der Zeit aufgetragen. Eine Klopfsignalerkennungsstufe
ist deshalb erforderlich, weil aus den verschiedenen Erschütterungen,
die eine Brennkraftmaschine erfährt, diejenigen herausgefiltert
werden müssen, die ihren Urprung in den eingangs
erwähnten unkontrollierten Verbrennungen haben. In der Regel geschieht
dies mittels Kopplung der Signale vom Bezugsmarkengeber
18 und dem Klopfsensor 20, da die Klopfsignale in der Regel nur
in einem bestimmten Zeit- bzw. Winkelbereich, bezogen auf
den oberen Totpunkt eines Kolbens, auftreten. Klopfsignalerkennungsstufen
gehören ebenfalls zum Stand der Technik und
bestehen im wesentlichen aus einem Schwellwertschalter, so
daß hier nicht näher auf ihren Aufbau im einzelnen eingegangen
zu werden braucht.
Der Einfachheit halber wird nach der Darstellung von Fig. 2a
davon ausgegangen, daß Klopfen nur in einem scharf begrenzten
Bereich auftritt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, unmittelbar nach dem
Auftreten von Klopfen das Abblaseventil 14 der Anordnung von
Fig. 1 zu öffnen und gleichzeitig die Zündung zurückzunehmen.
Dargestellt ist dies in den Fig. 2b und 2c. Dabei ist in
Fig. 2b das Ansteuersignal für das Abblaseventil 14 gestrichelt
gezeichnet, während der Druckverlauf ausgezogen verzögert
folgt. Erkennbar ist der relativ langsame Druckabfall
im Vergleich zum abrupten Schalten des Abblaseventils.
Nach Fig. 2c wird gleichzeitig mit Auftreten von Klopfen
der Zündwinkel für etwa 15 Verbrennungsvorgänge um etwa 3° nach Spät verstellt, was ebenfalls
in bekannter Weise dem Klopfen einer Brennkraftmaschine entgegenwirkt.
Diese kleine ZZP-Verschiebung reicht aber oft
nicht aus, aus dem gefährdeten Betriebsbereich herauszukommen.
Eine größere ZZP-Verschiebung führt unter Umständen
durch eine zu hohe Abgastemperatur zur thermischen Überlastung
des Laders. In Verbindung mit der Ladedruckabsenkung
und damit einer Verminderung des Füllungsgrades läßt sich
diese thermische Belastung während der Spätverstellung
jedoch in Grenzen halten.
Bei einem bestimmten Brennkraftmaschinentyp hat es sich als
zweckmäßig erwiesen, die Spätverstellung für mindestens 15
Verbrennungsvorgänge aufrechtzuerhalten und dann stufenweise
wieder auf den alten Wert zurückzufahren, sofern Klopfen nicht
mehr auftritt. Den Ladedruck läßt man nach der Darstellung von
Fig. 2b vorzugsweise mit einer größeren Zeitkonstanten auf den
Ausgangswert zurückkehren. Dies deshalb, weil Änderungen des
Ladedrucks in gleicher Weise Änderungen des abgegebenen Drehmoments
bewirken und somit schnelle Änderungen zu Verschlechterungen
des Fahrverhaltens führen. Durch die Erfindung ist
es möglich, über die schnelle Verstellung des Zündzeitpunktes
dem Klopfen sehr schnell entgegenzuwirken und über die langsamere
Absenkung des Ladedrucks einerseits das dynamische
Verhalten des Motors nicht spürbar zu verschlechtern, andererseits
aber eine thermische Überlastung der Turbinenstufe zu
vermeiden.
In der Regel werden Zündzeitpunkt und Ladedruck betriebskenngrößenabhängig
gewählt, und die einzelnen Werte sind in Kennfeldern,
wie z. B. in Fig. 2d, abgelegt. Diese gespeicherten
Werte werden jeweils nach Ende des Klopfens wieder mit entsprechenden
Zeitkonstanten angefahren.
Gegebenenfalls können diese Werte rechnergesteuert korrigiert
werden. Diese lernenden Regelungssysteme gehören ebenfalls
zum Stand der Technik. Ihr Hauptkriterium ist, daß die einzelnen
Kennfeldwerte während des Betriebes fortlaufend mit
einem neuen, für den jeweiligen Betriebsfall optimalen Wert
überschrieben werden, so daß immer neueste Werte für die
Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.
Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Einrichtung zum
Bestimmen der Steuergrößen Zündwinkel und Abblaseventil-
Ansteuersignal, ausgehend von den einzelnen Eingangsgrößen.
Mit 25 ist ein Rechner bezeichnet, der wenigstens zwei Kennfelder
26 für den Zündwinkel und den Ladedruck mitumfaßt.
Eingangsgrößen sind die Ausgangssignale des Drehzahlsensors
16, des Fahrpedalstellungsgebers 17 sowie des Bezugsmarkengebers
18. Die Klopfsignale zweier Klopfsensoren gelangen
über Eingänge 27 und 28 zusammen mit einem Zylindererkennungssignal
über einen Eingang 29 zu einer Auswerteschaltung 30
für die Klopfsignale. Zusätzlich erhält diese Auswerteschaltung
30 vom Rechner 25 ein sogenanntes Meßfenstersignal über
einen Eingang 31, das der Erfassung der Signale von den Klopfsensoren
nur zu bestimmten Kurbelwellenwinkeln dient, um in
der Erkennung des Klopfens sicher zu sein. An einem Ausgang 32
gibt die Auswerteschaltung 30 ein Signal ab, welches dem Kurvenzug
von Fig. 2a entspricht. Ausgangsseitig ist dem Rechner
25 noch für das Ansteuersignal des Abblaseventils 14 eine
Endstufe 34 zugeordnet. Die entsprechenden Signale sind in
der Regel Impulslängen moduliert und erlauben auf diese
Weise eine kontinuierliche Steuerung des Druckes im Luftansaugrohr.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Steuerung des
Ladedrucks vorgesehen, d. h., daß eine Rückmeldung des Ladedrucks
nicht stattfindet. Infolgedessen können beim Gegenstand
nach Fig. 3 die bekanntlich bei einer Steuerung auftretenden
Nachteile eintreten. Es ist eine Frage des jeweiligen Kosten-
Nutzen-Verhältnisses bzw. der Notwendigkeit, ob bei einem
bestimmten Brennkraftmaschinentyp diese Steuerung ausreicht.
Wird eine höhere Genauigkeit verlangt, dann empfiehlt es
sich, den Ladeluftdruck zu regeln. Dargestellt ist die
Grundanordnung in Fig. 4. Dort weist im Vergleich zur Darstellung
von Fig. 3 der Rechner 25 lediglich noch einen
weiteren Eingang für ein Drucksignal vom Ladedrucksensor 19
des Gegenstandes von Fig. 1 auf. Im übrigen ist die Anordnung
identisch mit derjenigen von Fig. 3.
Wesentlich ist bei der oben beschriebenen Einrichtung zum
Bestimmen von Steuergrößen einer mit Aufladung betriebenen
Brennkraftmaschine, daß beim Auftreten von Klopfen das Abblaseventil
im Luftansaugrohr offengesteuert und gleichzeitig
der Zündzeitpunkt zurückgenommen wird. Dies ermöglicht den
Betrieb der Brennkraftmaschine in Grenzbereichen des Klopfens,
da eine äußerst schnelle Raktion im Anschluß an das Auftreten
des Klopfens sichergestellt ist.
Besonders bei schnellaufenden Brennkraftmaschinen hat sich diese
Regelungsart als nicht optimal erwiesen, weil der Ladedruck nicht
trägheitslos dem Regelungseingriff folgt und somit das Klopfen nicht
sofort nach Klopferkennung unterbunden werden kann. Bei schnellaufenden
Brennkraftmaschinen können somit noch für einige Umdrehungen
Klopferscheinungen auftreten, was unter Umständen gerade bei empfindlichen
Maschinen die Grenzbelastung überschreiten läßt. Aus der Druckschrift
Buick's Turbocharged V-6 Powertrain For 1978, 27. Februar bis
3. März 1978, ist bekanntgeworden, das Auftreten von Klopfen bei
Brennkraftmaschinen mit Turbolader dadurch zu verhindern, daß der
Zündzeitpunkt beim Auftreten von Klopfen zurückgenommen wird, um so
eine Zerstörung des Motors zu verhindern. Insbesondere bei starkem
Klopfen ist es jedoch erforderlich, daß der Zündzeitpunkt sehr weit
zurückgenommen werden muß, was dazu führt, daß nun das zündende Gas
andersartig verbrannt wird, was unter Umständen zu erhöhten giftigen
Rückständen bei der Verbrennung führt.
Aus der DE-OS 29 06 243 ist es bekannt, die Zündung adaptiv beim Auftreten
von Klopfen zu verstellen. Tritt bei einem bestimmten Drehzahlbereich
unter einer bestimmten Last Klopfen auf, so wird der Zündwinkel
so verstellt, daß das Klopfen verschwindet. Hinweise auf die
Klopfregelung von Brennkraftmaschinen mit Turbolader sind dieser
Druckschrift nicht zu entnehmen. Schließlich zeigt die DE-OS 29 25 770
eine Steuervorrichtung für den Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine,
bei der mittels eines einzigen Klopfsensors eine zylinderindividuelle
Zündzeitpunktverstellung möglich ist.
Ausgehend vom aufgezeigten Stand der Technik ist es Aufgabe der
Erfindung, bei Brennkraftmaschinen mit Turbolader ein auftretendes
Klopfen schnell und ohne Verzögerungen zu verhindern und dabei eine
weitgehende Verstellung des Zündzeitpunktes zu vermeiden.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Bestimmen von Steuergrößen
einer mit Aufladung betriebenen Brennkraftmaschine wird auf das
Klopfen sehr schnell reagiert, da einerseits die schnell wirkende
Zündzeitpunktverstellung mit der etwas langsamer reagierenden Ladedruckverstellung
zusammenarbeitet. Durch die schnelle Reaktion auf das
Auftreten des Klopfens wird erreicht, daß auch hochempfindliche
Maschinen an der Grenzbelastung ohne Sicherheitsabstand betrieben werden
können, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Weiterhin wird erreicht, daß nach dem Greifen der Ladedruckreduktion
eine weitere Zurücknahme des Zündzeitpunktes nicht erforderlich ist, da
dann durch die Reduktion des Ladedrucks bereits eine hinreichende
Verhinderung von Klopfen gegeben wird. Da nunmehr der Zündzeitpunkt
recht schnell auf seinen Normalwert zurückgeführt werden kann, wird
verhindert, daß unsauber verbrannte Abgase in erhöhtem Maß in die
Umwelt gelangen, so daß die entsprechend ausgestatteten Fahrzeuge
besonders umweltfreundlich zu betreiben sind.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den
Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Claims (5)
1. Einrichtung zum Bestimmen von Steuergrößen einer mit Aufladung betriebenen
Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Klopfsensor und
einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Beeinflussung des Zündwinkels,
wobei im Anschluß an das Auftreten von Klopfsignalen der Zündwinkel
zurückgenommen wird und nach Ende des Klopfens die Zündwinkelwerte
wieder auf ihren Sollwert einstellbar sind, und mit einer
Steuer- bzw. Regeleinrichtung zur Beeinflussung des Ladedrucks, dadurch
gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Zurücknahme des Zündwinkels
der Ladedruck zurückgenommen wird und daß der Zündzeitpunkt
mit einer kürzeren Zeitkonstante auf den Normalwert zurückgeführt
wird als der Ladedruck.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstellung jeder der beiden Größen abhängig von Betriebsbereichen des
Motors erfolgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zündzeitpunkt vorzugsweise für etwa 15 Zündvorgänge um etwa 3°
zurückgenommen und anschließend kontinuierlich oder stufenförmig zum
Normalwert geführt wird.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Klopferkennung zylinderweise erfolgt.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die einzelnen Normalwerte für Zündwinkel und
Ladedruck betriebskenngrößenabhängig aus Speichern abrufbar sind.
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