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Verfahren zur Schließzeitregelung für Brennkraft-
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maschinen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren
zur Schließzeitregelung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruches.
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Aus der DE-OS 31 05 857 ist bereits ein Verfahren zur Schließzeitregelung
von Brennkraftmaschinen bekannt.
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Bei ihr wird der primärseitige Zündspulenstromfluß als Istwert erfaßt
und mit einem Sollwert verglichen, so daß in Abhängigkeit der Abweichung vom Sollwert
die darauffolgende Schließzeit in vorgebbaren Schritten in Richtung Sollwert festgelegt
wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist das schlechte Dynamikverhalten, d.h. bei
schnellen Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine ist die Regelgeschwindigkeit
nicht schnell genug, um im Beschleunigungsfall Zündaussetzer und im Bremsfall eine
zu hohe Verlustleistung, hervorgerufen durch den Primärstrom der Zündspule, zu verhindern.
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Ebenfalls muß im Startfall von einer maximal möglichen
Schließzeit
ausgegangen werden, um gleichzeitig einen sicheren Start und einen sicheren Ablauf
des Regelalgorithmus zu gewährleisten. Das führt wiederum zu einer hohen Verlustleistung,
was auf Kosten der Startsicherheit geht.
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Weiterhin ist eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen, bekannt, bei
der die Schließzeit in Abhängigkeit des Signales eines Zündungsgebers festgelegt
wird. Bei niederen Drehzahlen wird ein Nulldurchgang des Gebersignales, bei hohen
Drehzahlen ein bestimmtes Kriterium der Kurvenform des Gebersignales, wie die Steigung
oder die Amplitude, zur Auslösung der Schließzeit herangezogen. Nachteilig an dieser
Zündanlage ist, daß eine möglichst gleichmäßige und ungestörte Kurvenform des Gebersignales
Voraussetzung ist. In der Nähe von Zündanlagen laufender Brennkraftmaschinen sind
elektromagnetische Einstrahlungen häufig. Bereits bei leicht gestörtem Gebersignal
ist aber eine genaue Konstanz der Schließzeitauslösung unmöglich.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Drehzahlabhängigkeit
der Regelung im gesamten Drehzahlbereich eine geringe Verlustleistung erreicht ist.
Im Beschleunigungsfall werden Zündaussetzer sicher verhindert.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind besonders
vorteilhafte Ausführungen der Erfindung möglich. Die zylinderspezifische Regelzeit
tOR bewirkt, daß bei stark unterschiedlichem Zündspannungsbedarf der einzelnen Zylinder
nur bei denjenigen Zylindern mit hohen Bedarf der Schließwinkel vergrößert wirj.
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Die Schließzeitvorsteuerung durch die Zeit OL bewirkt, daß die Schließzeitregelung
mit einem kleinen Regelhub auskommt, da die notwendigen Offenzeitveränderungen infolge
Drehzahl und Versorgungsspannungsänderung nicht in die Regelung eingehen, was günstig
für die Stabilität des Regelkreises ist. Des weiteren ist es vorteilhaft, daß der
primärseitige Zündspulenstrom durch zwei Komparatoren gemessen wird, so daß sich
einfache Regelkriterien zur Vergrößerung bzw. Verringerung der Schließzeit ergeben.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im nachfolgenden
beschrieben und in der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
Figur 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise und Figur 3 ein Ablaufdiagramm
zur Erläuterung des Verfahrens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur 1 ist ein Geberrad
1 dargestellt, dss zwei Bezugsmarken M1 und M2 aufweist. Dieses Geberrad rotiert
mit der Kurbelwelle einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Ein Sensor 2 reagiert
auf die Bezugsmarken, wobei sein Ausgangssignal von einem Verstärker 3 verstärkt
und auf einen Eingang PX eines Mikrocomputers 4 gegeben wird. Ein Ausgang P1 des
Mikrocomputers 4 führt auf den Eingang einer Zündungsendstufe 5. Zur Vereinfachung
der Darstellung ist von dieser Zündungsendstufe 5 lediglich ein Endstufentransistor
51 dargestellt. Der Emitter des Endstufentransistors 51 ist über einen Widerstand
52 an Masse gekoppelt, der Doppelkollektor ist an die Primärwicklung
einer
Zündspule 6 gelegt. Die Sekundärwicklung ist mit der Primärwicklung einseitig an
die positive Batteriespannung +UB gelegt, andererseits führt die Sekundärwicklung
der Zündspule 6 auf eine Funkenstrecke 7.
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Zwei Komparatoren 8, 9 sind mit ihrem Plus-Eingang gemeinsam an den
Emitter des Endstufentransistors 51 gelegt. Der Minus-Eingang des Komparators 8
führt an eine Vergleichsspannung U8, der Minus-Eingang des Komparators 9 führt an
eine Vergleichsspannung U9. Der Ausgang des Komparators 8 bzw. 9 führt an einen
Eingang P2 bzw. P3 des Mikrocomputers 4.
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Figur 2, Zeile 1, zeigt ein Gebersignal am Ausgang des Verstärkers
3. Eine negative Flanke des Gebersignales kennzeichnet die erste Bezugsmarke M1,
eine positive Signalflanke kennzeichnet die zweite Bezugsmarke M2, die im Ausführungsbeispiel
mit dem oberen Totpunkt eines Kolbens der Brennkraftmaschine übereinstimmt.
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Während des Startens der Brennkraftmaschine werden zwei Drehzahlbereiche
unterschieden, ein erster Drehzahlbereich unterhalb einer Drehzahl N1 = 60 U/min
und ein zweiter Drehzahlbereich von N1 bis N2 = 200 U/min. Oberhalb der Drehzahl
N2 ist der normale Betriebs zustand der Brennkraftmaschine erreicht (die Leerlaufdrehzahl
der Brennkraftmaschine liegt bei 700 U/min).
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Figur 3 zeigt ein Strukturdiagramm der Schließzeitregelung, wie sie
als Steuerprogramm im Mikrocomputer 4 abgelegt ist. Die Schließzeitregelung ist
neben einer hier nicht näher dargestellten Zündzeitpunktregelung für die Brennkraftmaschine
untergebracht, so daß die Schließzeitregelung auf Parameter, insbesondere der Drehzahl
N und der Zündzeit tZ, zurückgreifen kann.
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Dem Startlabel 300 folgt eine Drehzahlabfrage 301,
der
ein Sprung in verschiedene Programmteile in Abhängigkeit der Drehzahl N folgt.
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Im ersten Drehzahlbereich N < N1 wird auf die Bezugsmarke M2 gewartet
(310) und darauf der Zündspulenstrom der Zündspule 6 eingeschaltet, indem Ausgang
P1 des Mikrocomputers 4 auf Eins gesetzt wird (311). In der Zündspule 6 baut sich
daraufhin ein Magnetfeld auf, und der Zündspulenstrom erreicht in bekannter Weise
in Form einer Exponentialfunktion seinen Maximalwert. ueber den Widerstand 52 wird
der Stromverlauf gemessen. Die Schwellen U8, U9 der Komparatoren 8, 9 sind so bemessen,
daß der Komparator 8 dann schaltet, wenn der Zündspulenstrom 80 % seines Maximalwertes
erreicht, der Komparator 9 schaltet bei Erreichen von 98 % des maximalen Zündspulenstromes.
An den Eingängen P2, P3 erkennt der Mikrocomputer 4, in welchem Bereich sich der
Zündspulenstrom befindet.
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Nach Einschalten (311) des Zündspulenstromes wartet der Mikrocomputer
4 durch Abfrage des Einganges P3, bis 98 % des Zündspulenstromes erreicht sind (313).
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Um im Fehlerfalle ein endloses Abfragen zu verhindern, ist eine Maximalzeit
(312) vorgegeben, die ein sicheres Verlassen der Warteschleife ermöglicht. Durch
Setzen von P1 = 0 (314) wird der Ziindspulenstrom unterbrochen und an der Funkenstrecke
7 entsteht ein Zündfunken (315).
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Danach erfolgt ein Rücksprung auf das Startlabel (300).
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Figur 2, Zeile 2, zeigt einen Schließwinkelverlauf in Abhängigkeit
des Gebersignales in Zeile 1 während des Startfalles im ersten Drehzahlbereich.
Die Drehzahl N1, oberhalb der der erste Drehzahlbereich verlassen wird, ist so gewählt,
daß die Zündzeit-Spätverstellung nicht größer wird als 10 KurbelwelLenwinkel.
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Mit Erreichen des zweiten Drehzahlbereiches wird auf die erste Bezugsmarke
M1 gewartet (320). Danach wird eine Verzögerungszeit tV berechnet (321), die auf
einen Zähler gegeben wird und in einer Zeitschleife (322) ausgezählt wird. Danach
wird durch einen Sprung auf den Beginn des Programmblockes (311) des Programmes
für den ersten Drehzahlbereich die Zündspule eingeschaltet und mit den gleichen
Kriterien wie im ersten Drehzahlbereich gezündet.
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Figur 2, Zeile 3, zeigt einen Schließwinkelverlauf für den zweiten
Drehzahlbereich.
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Mit Erreichen der ersten Bezugsmarke M1 ist eine Zeit T2 seit der
zweiten Bezugsmarke M2, sowie eine Zeit T1 zwischen Erreichen der vorherigen Bezugsmarke
M1 und der Bezugsmarke M2, durch Messung bekannt. Weiterhin ist das feste Steuertastverhältnis
s, das durch die Winkelanordnung der Bezugsmarken M1 und M2 auf dem Geberrad 1 festgelegt
ist, bekannt. Von der momentanen Bezugsmarke M1 aus kann unter linearer Berücksichtigung
der auftretenden Beschleunigung die Zeit T12 bis zum Erreichen der nächsten Bezugsmarke
M2 geschätzt werden mit T12est = 2 . s . T2 - T1 Eine Ladezeit tL(UB) der Zündspule
6, in Abhängigkeit der Batteriespannung UB, und ein dynamischer Vorhalt tds der
ca. 5 % von tL(UB) beträgt, wird von der geschätzten Zeit T 1 2est abgezogen, um
die Verzögerungszeit V = 2 s T2 - T1 - (tL(UB) + td)
zu erhalten.
In Figur 3, Block 321, wird diese Verzögerungszeit tV berechnet.
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Durch Extrapolation um die Zeit T12est und die Linführung des dynamischen
Vorhaltes td reicht bei normalen Beschleunigungen die Schließzeit aus, um den Abschaltstrom,
d.h. 98 des maximalen Zündspulenstromes, zu erreichen. Wenn bei extremen Beschleunigungen
die Zündpule 6 bei Erreichen der Bezugsmarke M2 noch nicht vollständig aufgeladen
ist, wird die Zündauslösung solange verzögert, bis der Komparator 9 anspricht, Auf
diese Weise wird mit Sicherheit ein Zündaussetzer im Beschleunigungsfall verhindert.
Dieser Vorteil überwiegt bei weitem eine hierbei zwangsläufig auftretende dynamische
Zündzeitpunkt-Spätverstellung.
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Oberhalb der Drehzahlgrenze N2 ist der normale Betriebszustand erreicht.
Da die Leerlaufdrehzahl von 700 U/min größer ist als N2, ist dieser normale Betriebszustand
auch während des Leerlaufbetriebes der Brennkraftmaschine erreicht. Aus der nicht
dargestellten Zündzeitpunktregelung ist die Zündzeit tz zwischen erster Bezugsmarke
M1 und dem berechneten Zündzeitpunkt bekannt. Zwischen dem Zünden'und dem nächstfolgenden
Schließen, d.h. dem erneuten Einschalten des Zündspulenstromes, liegt eine Offenzeit
tO.
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Diese Offenzeit t0 setzt sich aus drei verschiedenen Anteilen zusammen:
Einer minimalen Offenzeit toM, die von der Drehzahl N abhängt, einer zylinderspezifischen
Regelzeit OR und der Ladezeit t L' die von der Batteriespannung UB abhängt.
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in Figur 3, Block 330 werden die ermittelten Werte tZ' toM, tOR, t
L vorbereitet und in ihnen zugehörige Register abgelegt. Wie Zeitwerte in eine für
einen
Mikrocomputer verarbeitbare Form umgerechnet werden, ist
dem Fachmanne bekannt und darum hier nicht weiter erläutert. Wie die gesamte Offenzeit
tO = tOM (N) + tOR (Zyl.) + t L (UB) in Abhängigkeit der Parameter N, UB, Zylinderzahl
geregelt wird, ist weiter unten genauer beschrieben.
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Ab Erreichen der Bezugsmarke M1 wird in Zählern parallel die Zeit
tZ und eine Zeit tZ - tL abgezält (332) und nach Ablauf der Zeit tZ- tL wird der
Zündspulenstrom eingeschaltet (333). Die Zeit tz - t L beschreibt die Zeit zwischen
Bezugmarke M1 und der Schließung. Nach der Schließung wird der verbliebene Rest
von tZ abgezählt (334) und danach wird gezündet (335, 336). Nach der Zündung werden
hintereinander die minimale Offenzeit tOM und die zylniderspezifische Regelzeit
tOR abgezählt (337, 338).
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Während der Abzählung von t L (339) wird auf ein mögliches Erscheinen
der Bezugsmarke M1 geachtet (340). Bei niederen Drehzahlen erscheint die Bezugsmarke
M1 vor Ablauf der Ladezeit t Ls wie in Figur 2, Zeile 4, gezeigt ist. Mit Erscheinen
der Bezugsmarke M1 (340) wird an den Anfang des Programmes zurückgesprungen (342,
300), der verbliebene Rest von t L wird übernommen (330) und ab der Bezugsmarke
M1 wird tZ - tL parallel zu tZ abgezählt (332).
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Ist die Offenzeit durch Ablauf von t L vor Erreichen der Bezugsmarke
M1 beendet, so wird der primärseitige Zündspulenstrom eingeschaltet (341) und es
wird auf den Programmanfang zurückgesprungen (342, 300) und nach Vorbereitung der
Zeiten (330) auf die Bezugsmarke M1 gewartet (331), wie in Figur 2, Zeile 4, gezeigt
ist.
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Die Regelrückführung der erfindungsgemäßen Schließzeitregelung ergibt
sich schaltungstechnisch durch die Überwachung des Zündspulenstromes durch die Komparatoren
8, 9, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Während jeder Schließzeit, d.h. zwischen
Einschalten des Zündspulenstromes durch P1 = 1 und Zünden durch P1 = 0 werden durch
den Mikrocomputer 4 die Zähler gesetzt, die die Zeiten zwischen Einschalten des
Zündspulenstromes und Erreichen der Komparatorschwellen U8, U9 der Komparatoren
8, 9 messen. Aus diesen gemessenen Zeiten wird die Ladezeit tL berechnet. Ebenfalls
wird in Abhängigkeit des jeweiligen Zylinders die zylinderspezifische Regelzeit
OR ermittelt.
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Für jeden Zylinder wird ein Regelzähler gesetzt, dessen Inhalt über
einen speziellen Regelalgorithmus festgelegt wird. Bei jeder Zündung wird der nächste
Regelzähler genommen, so daß für jeden Zylinder ein Regelzähler vorhanden ist. Wird
während der Einschaltzeit des Zündspulenstromes die Komparatorschwelle des Komparators
U8, was 80 % der maximalen Stromhöhe entspricht, nicht erreicht, so werden die Regel
zähler für alle Zylinder auf Null gesetzt, was einer Regelzeit OR = 0 entspricht.
Wird die Komparatorschwelle U8 erreicht aber die Komparatorschwelle U9 nicht, so
wird der Regel-zähler für alle Zylinder um den gleichen Betrag erniedrigt, was einer
Schließzeitvergrößerung für alle Zylinder bedeutet. Wird die Komparatorschwelle
U9 gerade oder nur kurzzeitig erreicht, so bleibt der Stand der Regelzähler unverändert.
Ist die Einschaltzeit des Komparators 9 größer als eine vorgegebene Zeit, so wird
der entsprechende Regelzähler für den entsprechenden Zylinder um einen gewissen
Betrag erhöht, was einer zylinderspezifischen Schließwinkelverringerung entspricht.
Somit ergibt sich auch programmtechnisch eine Regelrückfahrung.
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Die Schließzeitvorsteuerung durch die Ladezeit t L bewirkt, daß die
Schließzeitregelung mit einem kleinen Regelhub auskommt, da die notwendigen Offenzeitveränderung
infolge Drehzahländerung und Änderung der Versorgungsspannung nicht in die Regelung
eingehen, was günstig für die Stabilität des Regelkreises ist. Steht die Versorgungsspannung
als Eingangsgröße nicht zur Verfügung, so kann statt der spannungsabhängigen Ladezeit
tL eine spannungsunabhängige Ladezeit als Konstante benutzt werden, z.B. die Ladezeit
für minimale Versorgungsspannung. In diesem Falle ist der Regelhub größer, da notwendige
Offenzeitanderungen bei Schwankungen der Versorgungsspannung ausgeregelt werden
müssen. Die zylinderspezifische Regelzeit OR bewirkt, daß bei stark unterschiedlichem
Zündspannungsbedarf der einzelnen Zylinder, etwa bei unterschiedlichem Zündkerzenabbrand,
nur bei denjenigen Zylindern mit hohem Bedarf der Schließwinkel vergrößert wird.
Die Regelgröße für die Regelung ist konstant. Bei nicht zylinderspezifischer Regelung
schwankt die Regelgröße periodisch, da eine Integrationszeit erforderlich ist, was
eine hohe Verlustleistung durch den Strom durch die Zündspule bewirkt, weil die
Zündspulenenergie zur Verfügung gestellt werden muß, die für den Zylinder mit höchstem
Energiebedarf erforderlich ist.
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Selbstverständlich erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Realisierung
anderer Vorrichtungen, als in dem Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Insbesondere
ist es möglich, im Startfall nicht zwischen dem ersten und zweiten Drehzahlbereich
zu unterscheiden, so daß lediglich das Verfahren gemäß Figur 2, Zeile 2, oder Figur
2, Zeile 4, verwendet wird. Des weiteren ist eine Vereinfachung möglich, indem lediglich
ein Komparator, z.B. Komparator 9, verwendet wird, und indem die zylinderspezifische
Regelzeit tOR
nach Art eines Zweipunktreglers so geregelt wird,
daß tOR um einen Betrag verringert wird, wenn die Komparatorschwelle U9 überschritten
wird, und tOR um einen Betrag vergrößert wird, wenn die Komparatorschwelle U9 nicht
erreicht wird.
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- L e e r s e i t e -