DE3309714C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bereits bekannt (siehe beispielsweise die DE-OS 31 17 133), die sich als Folge der Drosselregelung bei Otto-Motoren im Teillastbetrieb einstellenden Wirkungsgradeinbußen durch Veränderung der Größe des Kompressionsraumes und damit der Verdichtung der Brennkraftmaschine auszugleichen, so daß infolge dessen der Kraftstoffverbrauch bei Teillast und die Schadstoffemis­ sionen gesenkt werden können. Optimale Ergebnisse werden dabei dann erreicht, wenn der Verdichtungsenddruck bzw. der Verbrennungsspitzen­ druck unabhängig von der jeweiligen Belastung der Brennkraftmaschine in etwa konstant bei einem Wert gehalten wird, bei dem noch keine klopfende Verbrennung auftritt.

Bei bekannten Einrichtungen zur Verdichtungssteuerung wurde die Ver­ stellung des Nebenkolbens im allgemeinen in Abhänigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine, das heißt in Abhängigkeit von der Stellung eines Leistungsstellgliedes, wie beispielsweise des Fahr­ pedals, der Brennkraftmaschine vorgenommen, wobei mit zunehmender Belastung der Brennkraftmaschine, entsprechend zunehmender Fahrpedal­ betätigung, der Nebenkolben zur Vergrößerung des Nebenraums verstellt wurde.

Bei einer derartigen Verdichtungssteuerung müssen die Raumverhält­ nisse jedoch so festgelegt werden, daß ein ausreichend großer Ab­ stand von der Klopfgrenze eingehalten wird, insbesondere wenn un­ terschiedliche Kraftstoffarten und -qualitäten verwendet werden sollen und wenn innere und äußere, auf die Klopfgrenze sich aus­ wirkende Motorbetriebsparameter, wie zum Beispiel die Betriebs­ temperatur, nicht weiter erfaßt und berücksichtigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Verdichtungssteuerung zu schaffen, mit deren Hilfe ein noch wirkungsgradgünstigerer Betrieb möglich wird, indem die Verdichtung des Motors unabhängig von dem Lastzustand immer etwa kurz unterhalb der Klopfgrenze gehal­ ten wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird also der Beginn der klopfenden Verbrennung in wenigstens einem der Zylinder der Brennkraftmaschine selbst zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses herangezogen, in­ dem zweckmäßigerweise mindestens ein den Beginn klopfender Verbren­ nung erfassender Meßwertaufnehmer vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dessen Signalen die dem Nebenkolben zugeordnete Verstellvorrich­ tung beaufschlagbar ist. Dabei soll die Verstellung des Nebenkolbens schrittweise erfolgen, indem dieser so lange; wie keine klopfende Verbrennung auftritt, zur Verkleinerung des Nebenraums und bei Vor­ liegen eines klopfende Verbrennung anzeigenden Signals zur Vergrö­ ßerung des Nebenraums verstellt wird. In diesem Zusammenhang wäre es zweckmäßig, wenn die Verstellung in Richtung auf eine Vergrößerung des Nebenraums im Falle des Auftretens einer klopfenden Verbrennung mit größeren Schritten erfolgt, als die Verstellung in Richtung auf eine Verkleinerung des Nebenraums. Dies hat den Sinn bei einer mög­ lichen schnellen Änderung des Lastzustands der Brennkraftmaschine, bei­ spielsweise von niedriger Teillast auf Vollast eine schnelle Vergrö­ ßerung des Nebenraums zu erreichen und so sicherzustellen, daß die Zustände mit klopfender Verbrennung auf kürzeste Zeiträume beschränkt bleiben. Bei der umgekehrten Verstellung des Nebenkolbens in Richtung auf eine Verkleinerung des Nebenraums ist dagegen keine so schnel­ le Nachstellung erforderlich, da im ungünstigsten Falle die Brenn­ kraftmaschine mit einem wirkungsgradungünstigen Verdichtungsver­ hältnis, nicht aber mit einem schädlichen Verdichtungsverhältnis betrieben wird.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgsmäßen Einrichtung besteht darin, daß es nunmehr möglich wird, eine Brennkraftmaschine der Otto-Bauart unabhängig von dem Lastzustand weitestgehend mit einem optimalen Verdichtungsverhältnis, das kurz unterhalb der Klopfgrenze liegt, zu betreiben. Automatisch wird dabei das Verdichtungsverhält­ nis an etwa unterschiedliche Kraftstoffarten und -qualitäten sowie an innere und äußere Motorbetriebsparameter angepaßt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines schematischen Längsschnittes durch einen Zylinder einer mit der erfindungsgemäßen Verdichtungssteuerung betriebenen Brennkraft­ maschine dargestellt.

In der Zeichnung ist mit 1 die beispielsweise zum Antrieb eines Kraft­ fahrzeugs bestimmte Hubkolben-Brennkaftmaschine der Otto-Bauart ins­ gesamt und mit 2 einer ihrer Hauptzylinder bezeichnet, in dem ein Hauptkolben 3 gleitet. Dieser Hauptkolben 3 begrenzt gegenüber ei­ nem Zylinderkopf 5 einen Hauptbrennraum 4, in den in üblicher Weise Ein- und Auslaßkanäle einmünden. Don diesen ist hier nur ein mit 6 bezeichneter Einlaßkanal dargestellt, dem ein Einlaßventil 7 zuge­ ordnet, ist.

Der Hauptbrennraum 4 steht mit einem in dem Zylinderkopf 5 angeord­ neten Nebenbrennraum 8 in Verbindung, dessen Volumen durch einen in einer Bohrung 9 des Zylinderkopfes gleitend geführten Nebenkolben 10 veränderbar ist. Zur Verstellung des Nebenkolbens 10 ist dieser mit einer Verstellvorrichtung 11 verbunden, die von einer Steuervorrich­ tung 13 ansteuerbar ist. Die Steuervorrichtung 13 ist ihrerseits mit einem an einer geeigneten Stelle des Hauptzylinders 2 angeordneten Meßwertaufnehmer 12 verbunden, der bei Auftreten einer klopfenden Verbrennung in dem Hauptbrennraum 4 Signale an die Steuervorrich­ tung 13 abgibt.

Wenn es auch theoretisch möglich ist, jedem einzelnen Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 eine eigene, separate und von den anderen Zylindern getrennte Verdichtungssteuerung zuzuordnen, so ist es doch zweckmäßig, eine gemeinsame Steuerung vorzusehen, indem bei­ spielsweise eine den Nebenkolben 10 aller Zylinder gemeinsame Ver­ stellvorrichtung 11 verwendet wird, die von einer Steuervorrich­ tung 13 in Abhängigkeit von den Signalen eines einzigen Meßwertauf­ nehmers 12 oder mehrerer, beispielsweise der Zahl der Zylinder ent­ sprechender Meßwertaufnehmer 12 beaufschlagt wird.

Die Verstellvorrichtung zur Verstellung des Nebenkolbens 10 kann nun in beliebiger Weise ausgebildet sein. Sie muß lediglich in der Lage sein, auf die Steuersignale der Steuervorrichtung 13 hin den Neben­ kolben 10 zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Nebenraums 8 zu verstellen.

Beispielsweise wäre es möglich, eine Verstellvorrichtung vorzusehen, wie sie in der DE-OS 31 17 133 beschrieben ist. Dort wird die Ver­ stellung des Nebenkolbens auf hydraulischem Wege vorgenommen, wobei die Stellung des Kolbens jeweils durch eine axial verstellbare Steuer­ hülse bestimmt wird. Diese Steuerhülse könnte nun zum Zwecke der Steuerung in Abhängigkeit von den Signalen des das Klopfen erfassen­ den Meßwertaufnehmers 12 durch ein Schrittschaltwerk angesteuert wer­ den. Dabei könnte dieses Schrittschaltwerk die Steuerhülse oder ganz allgemein den Steuerkolben in einzelnen diskreten Schritten in Rich­ tung auf eine Verkleinerung des Nebenraums 8 verstellen, so lange der Meßwertaufnehmer 12 kein Signal abgibt, das auf eine klopfende Ver­ brennung hindeutet. Stellt dagegen der Meßwertaufnehmer 12 klopfende Verbrennung in einem oder allen Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 fest, dann werden die Nebenkolben 10 wieder schrittweise zur Vergrö­ ßerung des Nebenraums 8 zurückverstellt, und zwar so lange, bis kein Klopfen mehr auftritt. Danach ergibt sich wieder die Verstellung in umgekehrter Richtung.

Es zeigt sich also, daß der bzw. die Nebenkolben 10 ständig ver­ stellt werden, und zwar so, daß das Arbeitsraumvolumen um einen Zustand schwankt, der an der Grenze der klopfenden Verbrennung liegt. Damit werden für den Prozeßwirkungsgrad optimale Verbren­ nungsdrücke sichergestellt, wobei automatisch auch die Art und Qualität des Kraftstoffes eingeht. Daneben werden auch die Al­ terung sowie andere innere und äußere Motorbetriebsparameter berücksichtigt und ständig ein Betriebszustand in der Nähe der klopfenden Verbrennung eingehalten.

Um sicherzustellen, daß vor allem bei einer plötzlichen Laständerung in Richtung auf größere Lasten keine länger andauernde Betriebsweise mit klopfender Verbrennung beibehalten wird, sollten die Verstell­ schritte zur Vergrößerung des Nebenraums im allgemeinen größer sein als diejenigen zur Verkleinerung des Nebenbrennraums. Damit erfolgt eine sehr schnelle Anpassung des Brennraumvolumens an steigende Lasten unter Vermeidung längerer Klopfphasen dagegen eine etwas we­ niger schnelle Anpassung an Lastabsenkungen unter Inkaufnahme gewis­ ser aber nicht wesentlicher Wirkungsgradverluste. Auch wird dadurch erreicht, daß beim Betrieb an der Grenze der klopfenden Verbrennung eher unter dieser Grenze geblieben wird.

Für diese Steuerung der Nebenkolbenverstellung wären nun noch wei­ tere Modifikationen denkbar. So wäre es möglich, die Steuervorrich­ tung 13 so auszubilden, daß beim Auftreten klopfender Verbrennung in mehreren Verdichtungstakten hintereinander die Verstellschritte zur Vergrößerung des Brennraums zunehmend vergrößert werden, um so eine noch schnellere Anpassung an steigende Maschinenlasten zu er­ reichen. Die Größe der Verstellschritte zur Nebenkolbenverstellung in Richtung auf eine Brennraumvergrößerung würde dann abhängig sein von der Häufigkeit des Auftretens klopfender Verbrennung.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Steuerung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem jedem Zylinder der Brenn­ kraftmaschine zugeordneten, das Volumen eines mit dem Zylinder­ arbeitsraum verbundenen Nebenraums verändernden Nebenkolben, der mittels einer Verstellvorrichtung in Abhängigkeit von einer charakteristischen Zustandsgröße der Brennkraftmaschine ver­ stellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristische Zustandsgröße der Beginn klopfender Verbrennung in wenigstens einem der Arbeitsräume (4) der Brennkraftmaschine (1) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, daduch gekennzeichnet, daß mindestens ein den Zustand klopfender Verbrennung in wenigstens einem Ar­ beitsraum (4) der Brennkraftmaschine (1) erfassender Meßwert­ aufnehmer (12) vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dessen Signa­ len die dem Nebenkolben (10) zugeordnete Verstellvorrichtung (11) beaufschlagbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung (13) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den Signalen des Meßwertaufnehmers (12) die Stellvorrichtung (11) zur schrittweisen Verstellung des Nebenkolbens (10) in der Weise beaufschlagt, daß der Nebenkolben (10), solange kein eine klopfende Verbrennung anzeigendes Signal vorliegt, zur Verklei­ nerung des Nebenraums (8) und bei Vorliegen eines klopfende Verbrennung anzeigenden Signals zur Vergrößerung des Nebenraums (8) verstellt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschritte zur Verstellung des Nebenkolbens (10) in Rich­ tung auf eine Vergrößerung des Nebenraums (8) größer als die in Richtung auf eine Verkleinerung des Nebenraums sind.