DE3414681C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. einer Vorrichtung nach der Gattung des ersten Vorrichtungsanspruchs. Aus der in der europäischen Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer 00 69 386 (A2) beschriebenen Kraftstoffeinspritzanlage ist es bekannt, bei Viertakt-Brennkraftmaschinen für bestimmte erste Zylindergruppen zu einem gemeinsamen Zeitpunkt und für bestimmte zweite Zylindergruppen zu einem zum ersten Einspritzzeitpunkt um 180° versetzten zweiten Einspritzzeitpunkt einzuspritzen, wobei pro Arbeitsspiel jedes Zylinders zweimal eingespritzt wird, bezogen auf Kurbelwellenumdrehungen; also pro Kurbelwellenumdrehung einmal oder, da sich ein Arbeitsspiel bei einem Viertaktmotor über zwei Kurbelwellenumdrehungen erstreckt, zweimal pro 720° KW.

In der bekannten Kraftstoffeinspritzanlage wird davon ausgegangen, daß bei Motoren mit Einzeldrosselklappensteuerung (also je Zylinder eine Drosselklappe) die Saugrohrdruckänderungen, also die wirksamen Differenzdrücke am Zumeßspalt des jeweiligen Einspritzventils, gegenüber sonst üblichen Motoren, die über ein Sammelsaugrohr mit nur einer Drosselklappe verfügen, in Abhängigkeit zum Kurbelwellenwinkel vergleichsweise sehr groß sind; diese erheblichen Saugrohrdruckänderungen, die sich zyklisch für jeweils 720° KW wiederholen, sind besonders stark bei Brennkraftmotoren, deren Zylinder über 4 Ventile verfügen und führen im Endeffekt bei den bisherigen Einspritzsystemen dazu, daß bei der üblichen gleichzeitigen elektrischen Betätigung sämtlicher Einspritzventile, wie erwähnt beispielsweise bei einer Einspritzung pro Umdrehung, infolge der unterschiedlichen Differenzdrücke am jeweiligen Zumeßspalt der Einspritzventile auch unterschiedliche Kraftstoffmengen von diesen abgegeben werden, die sich über ein vollständiges Arbeitsspiel jedes Zylinders (0° bis 720° KW) allerdings nicht ausgleichen. Es kommt daher zwischen den einzelnen Zylindern zu λ-Streuungen in einer Größenordnung, die unter Berücksichtigung einer hierdurch bewirkten Umweltbelastung und auch der Möglichkeiten, die die hochgenau arbeitenden Einspritzsysteme bieten, nicht akzeptiert werden können - solche λ-Streuungen können bis zu 5% Abweichung von vorgegebenen Mischungsverhältnissen erreichen.

Der Grund für diese großen λ-Streuungen bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Einzeldrosselklappensteuerung ist natürlich darin zu sehen, daß pro 720° KW gleichzeitig für alle Zylinder jeweils nur zweimal eingespritzt wird und daher bei gleichmäßiger Verteilung und Abfolge der Einlaß- und Auslaßventilbewegungen der einzelnen Zylinder ungleichmäßige Differenzdrücke im jeweiligen Einzelsaugrohrbereich angetroffen werden, wenn man etwa bei 0° (720°) KW und 360° KW die Einspritzzeitpunkte anordnet, bei welchen Kurbelwellenwinkeln aber bei einer Vierzylindermaschine immer nur ein Zylinder gerade seinen Ansaugtakt beginnt. Bei einem Sechszylindermotor verschieben sich demgemäß die Einspritzzeitpunkte pro 720° KW in zyklischer Wiederholung beispielsweise auf Kurbelwellenwinkelgrade bei etwa 250° und etwa 610°, zu welchen Kurbelwellenpositionen bei einer Sechszylindermaschine ebenfalls jeweils einer der Zylinder gerade seinen Ansaugtakt beginnt.

In der bekannten Kraftstoffeinspritzanlage wird versucht, diesen Nachteilen der hohen λ-Streuung zwischen den einzelnen Zylindern dadurch zu begegnen, daß pro 720° KW, bezogen auf einen Vierzylindermotor, insgesamt viermal eingespritzt wird, wobei Gruppen von Zylindern jeweils so zusammengefaßt werden, daß sich insgesamt eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung auf die einzelnen Zylinder ergibt. Dies hat aber den Nachteil, daß man schon für einen Vierzylindermotor zwei, zu unterschiedlichen Zeiten angesteuerte Endstufen benötigt, da jeweils im 180° KW-Abstand eingespritzt wird und bei einem Sechszylindermotor dann sinngemäß drei Endstufen benötigt, um nicht unsymmetrisch zu arbeiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine die Einspritzung so durchzuführen, daß sich ohne erhöhtem Bauaufwand und bei Beibehaltung des Grundprinzips, für sämtliche Zylinder jeweils zu gleichen Zeitpunkten einzuspritzen, eine merkliche Verringerung der λ-Streuung ergibt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung lösen diese Aufgabe jeweils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs und haben den Vorteil, daß sich einerseits eine besonders kostengünstige Lösung ergibt, die beispielsweise bei den heutigen, zum überwiegenden Teil verwendeten Digitalsystemen bei Kraftstoffeinspritzanlagen überhaupt keine Hardware-Änderungen erforderlich macht und durch die es gelingt, den Einspritzzeitpunkt in relativ flache Druckverläufe bei sämtlichen Zylindern zu legen, so daß sich ein erhöhter Genauigkeitsbeitrag ergibt.

Das erfindungsgemäße System ist in der Lage, für eine ausreichende und so saubere Gemischverteilung auf die einzelnen Zylinder zu sorgen, daß die theoretisch noch mögliche λ-Streuung um mehr als die Hälfte verringert werden kann, ein Vorteil, der sich durch im Grunde lediglich geringfügige Modifikationen bekannter Kraftstoffeinspritzanlagen realisieren läßt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist, speziell bezogen auf einen Sechszylindermotor, die Verschiebung der beiden gemeinsamen Einspritzzeitpunkte für sämtliche Zylinder um einen Kurbelwellenwinkel von 60° im Sinne einer Vorverlegung sämtlicher Einspritzzeitpunkte, wodurch man in einen Bereich gelangt, der wesentlich geringere Differenzdrücke zwischen den einzelnen Zylindern aufweist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in Form eines Diagramms die Verläufe der jeweiligen Saugrohrdrücke für jeden Zylinder über einem Arbeitsspiel (720° KW) bei einem Sechszylindermotor,

Fig. 2 die Δ-Werte der λ-Streuung für jeden Zylinder, wie dieser sich bei einem 6-Zylindermotor ergibt, der mit einer Kraftstoffeinspritzanlage nach dem Stand der Technik ausgerüstet ist, und

Fig. 3 die reduzierten Δ-Werte der λ-Streuung, wenn bei der Einspritzsteuerung nach der Erfindung gearbeitet wird,

Fig. 4 zeigt den Funktionsablauf bei Einsatz der Erfindung bei einem digitalen Einspritzsystem, dargestellt anhand von Funktionsblöcken, und

Fig. 5 ebenfalls anhand von Funktionsblöcken den Einsatz der Erfindung bei einer mindestens in gewissen Teilbereichen auf analoger Basis arbeitenden Kraftstoffeinspritzanlage.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, eine Verschiebung der gemeinsamen Einspritzzeitpunkte bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Einzeldrosselklappensteuerung in der Weise vorzunehmen, daß die allen Zylindern gemeinsame Einspritzzeitpunkte auf einen oder auf solche Kurbelwellenwinkel gelegt werden, bei denen die einzelnen Zylinder ihre geringsten relativen Saugrohrdifferenzwerte zueinander haben, mit anderen Worten der Einspritzzeitpunktbeginn wird aus den bisherigen Zeitpunkten, die üblicherweise auf den Beginn von Ansaugtakten bestimmter Zylinder abgestimmt sind, herausgenommen und um einen vorgegebenen Wert von Kurbelwellenwinkelgraden verschoben, derart, daß praktisch ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand eine drastische Reduzierung der λ-Streuung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.

Anhand der Fig. 1 läßt sich erkennen, daß der jeweilige Verlauf des Saugrohrdrucks für jeden Zylinder über dem Kurbelwellenwinkel betrachtet über das jeweilige Arbeitsspiel dieses Zylinders, also 720° KW, ausgeprägten Schwankungen unterworfen ist, die sich darin bemerkbar machen, daß zu bestimmten Kurbelwellenwinkeln Drucküberhöhungen bis nahezu an den äußeren Atmosphärendruck (960 mbar) und andererseits wieder Druckabsenkungen bis zu 440 mbar auftreten, wenn man zum besseren Verständnis numerische Werte einführt, die natürlich nur für ein jeweiliges Ausführungsbeispiel gelten und im übrigen die Erfindung insofern auch nicht einschränken.

Die jeweils unterschiedlichen Saugrohr-Druckverläufe sind im Diagramm der Fig. 1 bei a) in überlagerter Darstellung für die Zylinder 1 bis 6 für einen 6-Zylindermotor angegeben, wobei bei b) im Diagramm der Fig. 1 das Auftreten der Bezugsmarken über dem Kurbelwellenwinkel angegeben ist, durch welche - bisher - die Einspritzzeitpunkte bestimmt sind, die sich schließlich dem Kurvenverlauf bei c) entnehmen lassen. Man erkennt, daß, wie eingangs schon erläutert, in diesem Fall abgestimmt auf die Ansaugtakte der Zylinder 4 und 3 für alle Zylinder gemeinsam und bezogen auf den Kurbelwellenwinkel bei etwa 250° und 610° eingespritzt wird, zu welchen Kurbelwellenwinkeln daher für den einzelnen Zylinder momentane Saugrohrdrücke vorliegen, wie sie sich der nachfolgenden Tabelle entnehmen lassen; die Drücke sind bestimmt ohne Berücksichtigung sonstiger Toleranzen für einen 6-Zylindermotor bei Zündzeitpunkt 0° KW, Leerlaufdrehzahl n_LL = 850 1/min und, für die nachfolgende Δλ-Wertberechnung bei einem Kraftstoffdruck p_Kr = 2,9 bar.

Bei der obigen Tabelle errechnet sich dabei der Δλ-Wert aus der folgenden Formel:

Hierbei entspricht P_Saug dem am Druckregler anliegenden Mischdruck aus Zylinder 1-6 (über Drossel abgekoppelt). Entsprechend Fig. 2 ergibt sich dann, über die Anzahl der Zylinder gesehen, eine theoretische Beziehung von Δλ = f(Zyl.), mit einer absoluten Schwankungsbreite von 4,5%.

Verschiebt man demgegenüber, jedoch unter Beibehaltung der gemeinsamen Einspritzzeitpunkte von vorzugsweise zweimal pro einem Arbeitsspiel bei einem 4-Taktmotor um einen bestimmten Kurbelwellenwinkel, der sich bei der überlagerten Diagrammdarstellung der Fig. 1 zu den Stellen ergibt, an welchen die geringsten relativen Saugrohrdruckdifferenzen der einzelnen Zylinder vorliegen, dann relativiert sich die mögliche λ-Streuung auf einen akzeptierbaren Minimalwert. In Fig. 1 ist bei d) ein möglicher neuer gemeinsamer Einspritzzeitpunkt im Kurvenverlauf über dem Kurbelwellenwinkel bei einem Arbeitsspiel dargestellt, der jeweils auf den bisherigen Einspritzzeitpunkt bezogen um 60° KW vorläuft oder, was natürlich auch möglich ist, um 60° nachlaufend (gestrichelt angegebene Einspritzzeitpunkte) oder auch um 180° nachlaufend, also jeweils zwischen den bisher üblichen Einspritzzeitpunkten. Erkennbar ergeben sich bei einem 6-Zylindermotor demnach drei verschiedene Verschiebungsmöglichkeiten für die neuen Einspritzzeitpunkte bei minimaler λ-Streuung - bei einem 4-Zylindermotor sind zwei neue Kurbelwellenpositionen für die gemeinsamen Einspritzzeitpunkte möglich.

Stellt man nach erfolgter Einspritzzeitverschiebung um die angegebenen Werte und auf den Saugrohrdruckverlauf für jeden Zylinder entsprechend Fig. 1 erneut die weiter vorn schon angegebene Wertetabelle zusammen, dann ergibt sich jetzt unter Zugrundelegung sonst gleicher Bezugsgrößen eine Δλ-Streuung von lediglich 2%.

Im Diagrammverlauf der Fig. 3 ist diese theoretische λ-Differenz nochmals graphisch gezeigt, und man erkennt aus diesen Diagrammverläufen im übrigen sofort, daß auch für einen 4-Zylindermotor, bei welchem dann die beiden letzten Zylinder 5 und 6 lediglich wegfallen, gleiche nachteilige λ-Streuungen in gleicher Weise durch Einsatz der Erfindung reduziert werden.

Wie weiter vorn schon dargelegt, läßt sich die Erfindung mit geringsten Mitteln realisieren, wobei bei einer Kraftstoffeinspritzanlage auf digitaler Basis (sog. Motronic) entsprechend der Darstellung der Fig. 4 und unter Beibehaltung des bisherigen Hardware-Aufbaus lediglich eine zusätzliche Rechenfunktion entsprechend dem Block 10 durchgeführt werden muß, dahingehend, daß einem Bezugsmarken-Kurbelwellenwinkel αo, der beispielsweise bei 100° vor OT liegen kann, ein weiterer Kurbelwellenwinkel α2 hinzugefügt wird. Hierzu ist ein Drehzahl-Kurbelwellenwinkelgeber (n-Marken-Geber) oder eine entsprechende Funktion, wie im Block 11 der Fig. 4 angegeben, erforderlich, die entsprechend dem weiter unten gezeigten Diagrammverlauf bei b) beispielsweise alle 1,5° KW auftretende Kurbelwellen-Winkelimpulse 12 addiert und als Winkelwert α2 dem Bezugsmarkenwinkel αo hinzuaddiert, mit sich einer hieraus ergebenden Verschiebung des gemeinsamen Einspritzzeitpunktes, wie bei c) dargestellt von in diesem Fall 300° KW, was sinngemäß eine Einspritzzeitpunktverschiebung um ca. 60° nach rückwärts gegenüber den Serien-Einspritzzeitpunkten ergibt. Die Bezugsmarke für den serienmäßigen Einspritzpunkt wird von der digital arbeitenden Kraftstoffeinspritzanlage ohnehin vorgegeben und ist in Fig. 4 durch den Block 13 symbolisiert.

Die Modifikation bisheriger analoger Einspritzsysteme (L-Jetronic) macht eine ergänzende Kurbelwelleninformation erforderlich, so daß hier ein gewisser, wenn auch sehr geringer Mehraufwand erforderlich ist, gegenüber den Digitalsystemen, bei denen die erfindungsgemäße Modifikation ohne Mehraufwand darstellbar ist.

Entsprechend Fig. 5 ist ein Schaltungs-Funktionsblock 15 vorgesehen, der die üblichen Funktionen für die Berechnung von Einspritzbeginn und Dauer von Kraftstoffeinspritzimpulsen durchführt und der der analogen, konventionellen Kraftstoffeinspritzanlage entspricht, mit den vorgeschalteten Funktionsblöcken 16 zur Einspritzzeitpunkt-Synchronisierung auf konstanten Zylinder, dem Signale von einem Funktionsblock 17 (Kurbelwellenmarke αo) sowie von einem Funktionsblock 18 ein Winkelwert α1 zugeführt ist, der sich beispielsweise aus zugeführten Zündungsklemmenimpulsen durch Division des ein Arbeitsspiel darstellenden Kurbelwellenwinkels von 720° (zwei Umdrehungen) durch die Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine ergibt.

Ein dem Block 15 nachgeschalteter Funktionsblock 19 ermittelt dann, wie in dem kleinen Diagramm rechts dargestellt, die erforderliche Verschiebezeit t₁ über der Drehzahl aus der in dem Diagramm gezeigten Funktion 1=f(n), um zu dem Kurbelwellen-Markenimpuls αo die drehzahlabhängige Zeitverschiebung t₁ hinzuzuaddieren, wodurch sich der gemeinsame Einspritzzeitpunkt auf geringste λ-Streuung optimiert ergibt.

In dem Diagramm der Fig. 5 unten ist bei a) die Kurbelwellenmarke und bei b) die Zündungsimpulse dargestellt, wobei c) die drehzahlabhängige Verschiebung auf optimalen Einspritzzeitpunkt der Einspritzimpulse t_i gegenüber dem Kurbelwellenmarkenimpuls entsprechend a) zeigt.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (4)

1. Verfahren zur Einspritzzeitsteuerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Mehrzylindermotoren mit Einzeldrosselklappensteuerung für jeden Zylinder, wobei je Zylinder, bezogen auf ein vollständiges Arbeitsspiel (Ansaugen, Kompression, Explosion, Ausräumen) zu vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln mindestens zweimal eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der gleichzeitigen Einspritzung für sämtliche Zylinder der gemeinsame Einspritzbeginn aus der Beziehung auf jeweilige Arbeitsteilspiel-Anfänge heraus auf solche Kurbelwellenwinkel verschoben wird, bei denen die wirksamen Saugrohr-Differenzdrücke der einzelnen Zylinder relativ zueinander den geringsten Abstand haben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Einspritzzeitpunkte (zweimal pro Arbeitsspiel (720° KW)) für alle Zylinder der Brennkraftmaschine gemeinsam aus den auf Ansaugtakte mindestens eines Zylinders abgestimmten Kurbelwellenwinkeln (0°-120°-240° . . . für 6-Zylindermotor bzw. 0°-180°-360° . . . für 4-Zylindermotor) heraus um ca. 60° nach vorn oder zurück bei 6-Zylindermotoren bzw. 90° KW bei 4-Zylindermotoren, auf die Drehrichtung der Kurbelwelle bezogen, verschoben werden.

3. Vorrichtung zur Einspritzzeitsteuerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Mehrzylindermotoren mit Einzeldrosselklappensteuerung für jeden Zylinder, wobei je Zylinder, bezogen auf ein vollständiges Arbeitsspiel (Ansaugen, Kompression, Explosion, Ausräumen) mindestens zweimal bei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln eingespritzt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kraftstoffeinspritzanlagen auf digitaler Basis dem für alle Zylinder gemeinsam errechneten Einspritzzeitpunkt (αo) ein durch Auszählen von Drehzahlmarken gewonnener vorgegebener Kurbelwellenwinkelwert (α2) hinzugefügt wird, derart, daß die Einspritzzeitpunkte auf Kurbelwellenwinkel verschoben werden, bei denen die wirksamen Saugrohrdifferenzdrücke für alle Zylinder nahezu gleich sind.

4. Vorrichtung zur Einspritzzeitsteuerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Mehrzylindermotoren mit Einzeldrosselklappensteuerung für jeden Zylinder, wobei je Zylinder, bezogen auf ein vollständiges Arbeitsspiel (Ansaugen, Kompression, Explosion, Ausräumen) mindestens zweimal bei vorgegebenen Kurbelwellenwinkeln eingespritzt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funktionsgeber zur Bestimmung eines vorgegebenen Verschiebezeitpunkts (t₁=f(n)) vorgesehen ist, mit einem Rechenteil (19), welcher eine auf einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel bezogene Bezugsmarke (αo) durch Hinzufügen der drehzahlabhängigen Verschiebezeit (t₁) derart ändert, daß sich eine Verschiebung des ursprünglich errechneten, für alle Zylinder weiterhin gültigen gemeinsamen Einspritzzeitpunktes auf einen Wert des Kurbelwellenwinkels ergibt, bei welchem die wirksamen Saugrohrdifferenzdrücke für alle Zylinder der Brennkraftmaschine nahezu gleich sind.