DE3833323A1 - Brennkraftmaschine mit veraenderlichem kompressionsverhaeltnis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Brennkraftmaschinen der Bauart mit Brennkammern, in denen ein Luft/Kraftstoff-Gemisch bei einem bestimmten Kompressionsverhältnis gezündet wird, um eine Antriebskraft zu erzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine dieser Bauart, bei welcher das Kompressionsverhältnis variabel entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine eingestellt werden kann.

Es ist bekannt, daß eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses der allgemein oben beschriebenen Bauart zu einem Anwachsen der Ausgangsleistung führt. Wenn jedoch das Kompressionsverhältnis auf einen Wert höher als erforderlich angehoben wird, kann sogenanntes Klopfen zu bestimmten Zeiten, wie bei schnellem Beschleunigen, bei hoher Drehzahl, hoher Last oder bei aufgeladener Maschine im Betrieb mit erhöhtem Ladedruck auftreten. Daher ist es bei einer Maschine mit konstantem Kompressionsverhältnis erforderlich, dieses in einem begrenzten Bereich anzusiedeln, in welchem kein Klopfen auftreten kann. Folglich ist nicht nur die Ausgangsleistung der Maschine während Normalbetrieb relativ begrenzt, sondern die Möglichkeit des Klopfens behindert die Realisierung der Verminderung des Kraftstoffverbrauches.

In JP-GM-OS 1 59 746/1984 ist eine Maschine mit variablem Kompressionsverhältnis offenbart, bei der jedem Zylinder eine Hilfskompressionskammer zugeordnet ist, welche mit der Brennkammer jedes Zylinders kommuniziert und einen gleitbaren Einstellkolben aufnimmt, der zu einer Hub- und einer Rückhubbewegung entsprechend den Betriebszuständen der Maschine betätigt wird, wodurch das Kompressionsverhältnis in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines Klopfsensors in einem Bereich variiert werden kann, in dem maximales Drehmoment ohne Auftreten von Klopfen erzielbar ist.

Es wird angenommen, daß das Phänomen des Klopfens durch Druckschwingungen bedingt ist, welche ein schnelles Verbrennen des Restgases begleiten. Daher wird in einer Maschine gemäß dem oben angegebenen Stand der Technik das optimale Kompressionsverhältnis in jedem Betriebsbereich aus einer Rückmeldung gewonnen, die aus einem Erfassen des Klopfens resultiert; eine Abnormität des Kompressionsdruckes kann dabei selbst dann nicht erfaßt werden, wenn der Kompressionsdruck in der Brennkammer plötzlich ansteigt, bis Klopfen auftritt. Es besteht daher eine Einschränkung bezüglich des positiven Steuerns bzw. Regelns des Kompressionsverhältnisses in einem Gebiet, in welchem maximales Drehmoment ohne Auftreten von Klopfen erhalten werden kann.

Als eine Maßnahme zum Vermeiden von Klopfen wird eine Regelung des Zündzeitpunktes angewendet. Ähnlich wie oben beschrieben wird hier ein Klopfen mittels eines Klopfsensors erfaßt, wodurch die Möglichkeit beschränkt ist, den Zündzeitpunkt sehr nahe an einen minimalen Zünd-Voreilwinkel heranzulegen, an welchem maximales Drehmoment erhalten werden kann. Somit ist es auch hier schwierig, das volle Leistungsvermögen der Maschine zu verwirklichen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis zu schaffen, bei welcher das Kompressionsverhältnis und der Zündzeitpunkt positiv und genau gesteuert bzw. geregelt werden können, wobei das volle Leistungspotential der Maschine ohne Auftreten von Klopfen entfaltet werden soll, und wobei darüber hinaus der Ausstoß von Schadstoffen im Abgas und der spezifische Brennstoffverbrauch vermindert und das Fahrverhalten verbessert werden sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind gemäß der Erfindung die Merkmale des Patentanspruches vorgesehen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Teilschnitt durch den wesentlichen Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Bausteine einer Steuer- bzw. Regeleinheit der Maschine;

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem indizierten wirksamen Druck (Pi) mit den Zündzeitpunkten über dem Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt darstellt, und

Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches die einzelnen Verfahrensschritte der Regelung zeigt.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine im Teilschnitt mit einem Zylinderblock 1, einem Zylinderkopf 1 a und einem Kolben 2 gezeigt, über dem eine Brennkammer 1 b angeordnet ist. Im Zylinderkopf 1 a ist ein Drucksensor 13 vorgesehen.

Ein Ansaugrohr 3 ist mit einem stromabwärtigen Ende am Zylinderkopf 1 a zum Kommunizieren mit der Brennkammer 1 b über ein Einlaßventil 3 a angeordnet. Das Ansaugrohr enthält eine Drosselklappe 4 und weist ferner unmittelbar stromabwärts von der Drosselklappe 4 eine Luftkammer 2 a auf, welche einen Drucksensor 5 zum Messen des darin herrschenden Druckes enthält. Der Zylinderblock 1 weist ferner einen Wassermantel 1 d auf, der einen Kühlwassertemperatursensor 6 enthält. Der Kolben 2 ist über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle 7 verbunden, an welcher eine Signalscheibe 8 angebracht ist, der gegenüber ein Drehzahlsensor 9 vorgesehen ist.

Der Zylinderkopf 1 a weist eine zylindrische Hilfskompressionskammer 1 c auf, die mit der Brennkammer 1 b kommuniziert. In dieser Hilfskompressionskammer 1 c ist ein Einstellkolben 10 gleitbar aufgenommen und mit seinem äußeren Ende mit der Stange 11 a einer Betätigungsvorrichtung 11 verbunden, um von dieser zur Variierung des Volumens der Brennkammer 1 b und damit des Kompressionsverhältnisses wie im folgenden beschrieben betätigt zu werden. Der Betrieb der Betätigungsvorrichtung wird durch eine elektronische Steuereinheit 12 gesteuert.

Die Eingangsseite der Steuereinheit 12 ist mit den oben beschriebenen Sensoren, nämlich dem Drucksensor 5, dem Kühlwassertemperatursensor 6, dem Drehzahlsensor 9 und dem Drucksensor 13 für den Zylinderinnendruck verbunden. Somit werden zur Steuereinheit 12 folgende Signale übertragen: ein Ansaugluftdrucksignal P′ vom Drucksensor 5, ein Kühlwassertemperatursignal Tw vom Kühlwassertemperatursensor 6, ein Drehzahlsignal N und ein Kurbelwinkelsignal R vom Drehzahlsensor 9 sowie ein Zylinderinnendrucksignal P vom Drucksensor 13 über einen Verstärker 13 a. Ferner ist die Ausgangsseite der Steuereinheit 12 mit der Betätigungsspule (nicht gezeigt) der Betätigungsvorrichtung 11 verbunden.

Die Steuereinheit 12 umfaßt im wesentlichen: einen ersten Rechenbaustein 14 zum Berechnen eines Ausgangs-Kompressionsverhältnisses, einen fünften Rechenbaustein 15 zum Berechnen des Kompressionsverhältnisses, einen Aktivierungsbaustein 16 für die Betätigungsvorrichtung, einen Klopfdetektor- Baustein 17, einen Rechenbaustein 18 zum Berechnen eines Ausgangs-Zündzeitpunktes, einen zweiten Rechenbaustein 19 zum Berechnen des wirksamen mittleren Innendruckes (i.m.e.p.), einen dritten Rechenbaustein 20 zum Berechnen eines Zündzeitpunktes, einen Zünd- Aktivierungsbaustein 21 und einen vierten Rechenbaustein 22 zum Berechnen einer Rückführ-Korrekturgröße für das Kompressionsverhältnis.

Der erste Rechenbaustein 14 ermittelt ein Ausgangs- Kompressionsverhältnis ausgehend von der Maschinendrehzahl N, dem Ansaugluftdruck P′ und der Kühlwassertemperatur Tw aus einer Kompressionsverhältnis- Liste MP 1, die vorher empirisch gewonnen wurde, z. B. durch Versuche.

In dieser Kompressionsverhältnis-Liste MP 1 sind Kompressionsverhältnis-Tabellen mit der Kühlwassertemperatur Tw als Parameter aufgelistet. Eine der Kühlwassertemperatur Tw entsprechende Tabelle wird ausgewählt. Dann wird ein dem Ansaugluftdruck P′ und der Maschinendrehzahl N entsprechender Kompressionsverhältnis-Koeffizient, der in einem zutreffenden Gebiet der ausgewählten Tabelle festgehalten bzw. gespeichert ist, aufgerufen, und aus diesem Koeffizienten wird das Ausgangs-Kompressionsverhältnis berechnet.

Der Klopfdetektor-Baustein 17 liest eine Indikator- Druckwellenform aus dem Zylinderinnendrucksensor 13 abgegebenen Drucksignal P aus und erfaßt das Auftreten eines Klopfens. Das Ergebnis dieser Messung wird vom dritten Rechenbaustein 20 auf den vierten Rechenbaustein 22 übertragen.

Der Rechenbaustein 18 zum Berechnen des Ausgangs- Zündzeitpunktes berechnet den Ausgangs-Zündvoreilwinkel, welcher der Last im momentanen Betriebszustand entsprechend dem gemessenen Luftansaugdruck P′ und dem mittels des Drucksensors 13 gemessenen wirksamen mittleren Innendruck P entspricht.

In dem Rechenbaustein 19 für den mittleren Innendruck werden sowohl der obere Totpunkt als auch der Kurbelwinkel der Kurbelwelle als Referenz aus dem Kurbelwinkelsignal R bestimmt, das vom Kurbelwinkelsensor 19 geliefert wird; mittels dem vom Innendrucksensor 13 ausgegebenen Druckwert P und dem Kurbelwinkel bezüglich des oberen Totpunkts wird der wirksam indizierte mittlere Druck Pi für jeden Zyklus berechnet.

Der indizierte wirksame mittlere Druck Pi kann im Falle einer Vier-Zylinder-Maschine aus der folgenden Gleichung ermittelt werden:

worin:
Vh das Hub(Verdrängungs)-Volumen;
R der Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt;
P der Zylinderdruck bei jedem Drehwinkel; und
V R die Veränderung des Zylindervolumens bei jedem Drehwinkel
sind.

Das heißt, daß die volumetrische Veränderung des Zylindervolumens aus dem Kurbelwinkelsignal R berechnet wird, welches mittels des Kurbelwinkelsensors 9 gewonnen wurde. Wenn eine Abweichung der volumetrischen Veränderung V R auftritt, wird der Zylinderdruck P ausgehend von dem Ausgangssignal des Zylinderinnendrucksensors 13 gemessen, und das gewonnene Zylinderinnendrucksignal P und die Veränderung des Zylindervolumens V R werden anschließend multipliziert. Dann wird die Summe jedes Zyklus durch das Verdrängungsvolumen Vh dividiert, wodurch der indizierte wirksame mittlere Druck Pi berechnet wird.

Im dritten Rechenbaustein 20 wird der Ausgangs-Zündvoreilwinkel, der mittels des Rechenbausteins 18 berechnet wurde, ausgehend von dem indizierten wirksamen mittleren Druck Pi und dem Klopfsignal korrigiert, welches vom Klopfdetektor-Baustein 17 erhalten wurde, und der aktuelle Zündvoreilwinkel wird berechnet. Der so berechnete Zündvoreilwinkel wird in das zutreffende Gebiet einer Zündzeitpunkt-Liste MP 2 eingeschrieben, um den vorher eingeschriebenen Zündvoreilwinkel zu ersetzen.

Gleichzeitig wird vom dritten Rechenbaustein 20 ein Ausgangssignal auf der Basis eines vorher in einem zutreffenden Bereich der Zündzeitpunkt-Liste MP 2 gespeicherten Zündvoreilwinkels zum Zünd-Aktivierbaustein 21 abgegeben, der daraufhin ein Zündsignal zu einer Zündvorrichtung 23 abgibt. Wenn dann bei diesem aktuellen Zündvoreilwinkel ein Klopfen festgestellt wird, wird der Zündwinkel zurückgestellt und auf einen Zündwinkel "vor Klopfen" eingestellt.

Ferner wird im vierten Rechenbaustein 22 eine Kom­ pressionsverhältnis-Rückführ-Korrekturgröße aus dem mittleren Druck Pi, dem vom dritten Rechenbaustein zum Zündaktivier-Baustein 21 abgegebenen Signal und aus dem Klopfdetektorsignal aus dem Baustein 17 berechnet.

Wenn mit anderen Worten bei einem Zündvoreilwinkel 01 gemäß Fig. 3 Klopfen festgestellt wird und darüber hinaus der indizierte wirksame mittlere Druck ansteigt, wird entschieden, daß der minimale Zündvoreilwinkel (MBT) zum Erhalten des maximalen Momentes nicht erreicht ist und daraufhin ein entsprechender Korrekturwert zum Absenken des Kompressionsverhältnisses berechnet.

Wenn andererseits bei einem Zündvoreilwinkel MBT gemäß Fig. 3 bei vorgestelltem Zündwinkel Klopfen festgestellt wird und keine Änderung des mittleren Druckes festgestellt wird, wird entschieden, daß MBT erreicht ist und ein Signal zum Aufrechterhalten des derzeitigen Kompressionsverhältnisses zum fünften Baustein 15 zum Berechnen des Kompressionsverhältnisses abgegeben.

Im Falle, daß der mittlere Druck Pi das auf Vorstellen des Zündwinkels abnimmt, wie in Fig. 3 bei Zündvoreilwinkel 02 dargestellt ist, wird entschieden, daß der Winkel über MBT hinaus vorgestellt wird, und ein Korrekturwert zum Erhöhen des Kompressionsverhältnisses zum Erhalten des maximalen Drehmomentes wird berechnet.

In dem fünften Rechenbaustein 15 wird das im ersten Rechenbaustein 14 berechnete Ausgangs-Kompressionsverhältnis einer Korrekturrechnung ausgehend von der im vierten Baustein 22 berechneten Rückführ-Korrekturgröße unterzogen, und ein Steuersignal wird zu dem Aktivierungsbaustein 16 für die Betätigungsvorrichtung übertragen, welches daraufhin ein Betriebssignal an die Spule der Betätigungsvorrichtung 11 abgibt.

Im folgenden wird die Schrittfolge für der Verfahrensablauf der Steuerung bzw. Regelung in der Steuerein- bzw. Regeleinheit 12 anhand des Flußdiagrammes nach Fig. 4 beschrieben.

Zuerst werden in Schritt 101 die Kühlwassertemperatur Tw, im Schritt 102 die Maschinendrehzahl N und im Schritt 103 der Ansaugluftdruck P′ gemessen. Dann wird im Schritt 104 eine Kompressionsverhältnis- Tabelle aus den verschiedenen Kompressionsverhältnis- Tabellen entsprechend der herrschenden Kühlwassertemperatur Tw ausgewählt.

Im folgenden Schritt 105 wird aus dem Ansaugluftdruck P′ und der Maschinendrehzahl N ein Kompressionsverhältnis-Koeffizient aus der gewählten Kompressionsverhältnis-Tabelle herausgezogen und davon ausgehend das Ausgangs-Kompressionsverhältnis ermittelt.

Im nächsten Schritt 106 wird der Lastzustand der Maschine aus dem Ansaugluftdruck P′ ermittelt und im Falle hoher Last zu Schritt 107 fortgeschritten, während sonst zu Schritt 101 zurückgekehrt wird.

In Schritt 107 wird der indizierte mittlere Druck Pi gemessen und in Schritt 108 der Ausgangs-Zündvoreilwinkel ausgehend von diesem Druck Pi korrigiert, um dadurch den aktuellen Zündvoreilwinkel zu ermitteln.

Das Verfahren schreitet dann zu Schritt 109 weiter, in welchem ein Klopfen mittels des Klopfdetektor- Bausteines erfaßt wird. Dann wird in Schritt 110 abgefragt, ob Klopfen auftritt oder nicht, und im Falle von Klopfen wird die Zündung in Schritt 111 verzögert, worauf das Verfahren zu Schritt 109 zurückkehrt. Ist kein Klopfen aufgetreten, schreitet das Verfahren zu Schritt 112 weiter, und der mittlere Druck Pi wird erneut gemessen.

Darauf wird ausgehend von diesem Druck Pi in Schritt 113 gefragt, ob der Zündzeitpunkt bei MBT liegt oder nicht. Liegt er bei MBT, wird das Kompressionsverhältnis unverändert belassen (Schritt 114), und das Verfahren kehrt zurück zu Schritt 101. Fällt dagegen der Zündzeitpunkt nicht mit MBT zusammen, so schreitet das Verfahren weiter zu Schritt 115, wo über ein Rückstellen oder Vorstellen des Zündzeitpunktes entschieden wird. Im Falle eines Rückstellens wird das Kompressionsverhältnis abgesenkt (Schritt 116), und das Verfahren kehrt zurück zu Schritt 108. Im Falle eines Vorstellens wird das Kompressionsverhältnis erhöht (Schritt 117) und das Verfahren kehrt zu Schritt 109 zurück.

Durch Wiederholung dieses Verfahrens wird der mittlere Druck Pi, d. h. der Zündzeitpunkt und das Kompressionsverhältnis so gesteuert, daß maximales Drehmoment erhalten wird.

Gemäß der oben beschriebenen Erfindung wird eine genaue und positive Steuerung bzw. Regelung des Kompressionsverhältnisses und des Zündzeitpunktes einer Brennkraftmaschine in der Art erzielt, daß das volle Leistungspotential der Maschine in einem maximalen Betriebsbereich entfaltet werden kann, in welchem kein Klopfen auftritt, wobei darüber hinaus hervorragende Leistungseigenschaften wie Verringern der Schadstoffe im emittierten Abgas und eine Verminderung des spezifischen Kraftstoffverbrauches sowie eine Verbesserung des Laufes erreicht werden.

Claims (1)

1. Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis mit einer Brennkammer, einem mit der Brennkammer über ein Einlaßventil kommunizierenden Luftansaugrohr, einer Hilfskompressionskammer, die mit der Brennkammer kommuniziert, einem gleitend in der Hilfskompressionskammer angeordneten Einstellkolben, der zu einer Variierung des Gesamtvolumens der Brennkammer und der Hilfskompressionskammer betätigbar ist, eine durch ein Aktivierungssignal betreibbare Betätigungsvorrichtung zum Aktivieren des Einstellkolbens und eine entsprechend dem Betriebszustand der Maschine betreibbare Steuervorrichtung zum Abgeben des Aktivierungssignales, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung umfaßt:
   einen ersten Rechenbaustein (14) zum Berechnen eines grundlegenden Kompressionsverhältnisses aus der Maschinendrehzahl N und dem Ansaugluftdruck (P′);
   einen zweiten Rechenbaustein (19) zum Berechnen des wirksamen mittleren Innendruckes ausgehend vom Ausgangssignal (P) eines den Innendruck im Zylinder erfassenden Drucksensors (13);
   einen Klopfdetektor-Baustein (17) zum Erfassen eines Klopfens ausgehend von dem Ausgangssignal des den Innendruck im Zylinder erfassenden Drucksensors (13);
   einen dritten Rechenbaustein (20) zum Berechnen des Zündzeitpunktes, der zur Zeit des Arbeitens unter hoher Last entsprechend dem Ausgangssignal des zweiten Rechenbausteins (19) betreibbar ist, um den Zünd-Voreilwinkel zu berechnen und gleichzeitig den Zünd-Voreilwinkel entsprechend einem Klopfdetektor-Ausgangssignal zu korrigieren, das von dem Klopfdetektor-Baustein (17) abgegeben wird, um daraus einen Ist-Zünd-Voreilwinkel abzuleiten;
   einen vierten Rechenbaustein (22) zum Vergleich des minimalen Zünd-Voreilwinkels für maximales Moment, der aus dem Ausgangssignal des zweiten Rechenbausteins (19) für den mittleren Innendruck erhalten wurde, mit dem vom dritten Rechenbaustein (20) erhaltenen Voreilwinkel und zum Berechnen eines Rückführ-Korrekturwertes bezüglich des grundlegenden Kompressionsverhältnisses, das von dem ersten Rechenbaustein (14) erhalten wurde, und
   einen fünften Rechenbaustein (15) zum Korrigieren des grundlegenden Kompressionsverhältnisses entsprechend dem Rückführ-Korrekturwert und Berechnen eines Aktivierungssignales zum Betreiben der Betätigungsvorrichtung.