DE3934488A1 - Zuendverstelleinrichtung fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei der Zündzeitpunkt von einem Mikrocomputer bestimmt wird.

Bei einer bekannten Zündverstelleinrichtung für eine Brenn­ kraftmaschine wird bei laufendem Motor die Drehlage der Kurbelwelle von einem auf einer Nockenwelle eines Zündver­ teilers angeordneten Kurbelwinkelsensor erfaßt, der ein der Drehlage der Kurbelwelle entsprechendes Signal an einen Mikrocomputer liefert, der eine CPU, einen RAM und einen ROM aufweist, so daß das Signal vorübergehend im RAM ge­ speichert wird. Ein Saugdrucksensor erfaßt den den Maschi­ nenlastzustand bezeichnenden Saugdruck in der Ansaugleitung bzw. im Ansaugkrümmer des Motors und liefert ein dem erfaß­ ten Saugdruck entsprechendes Signal an die CPU, und zwar über einen Analog-Digital-Wandler, der das analoge Aus­ gangssignal des Saugdrucksensors in ein Digitalsignal um­ wandelt, das vorübergehend im RAM gespeichert wird. Die CPU berechnet die Anzahl Umdrehungen je Minute des Motors auf der Basis einer Zündperiode, die durch den Kurbelwinkel­ sensor gewonnen wird, unter Anwendung eines Rechenpro­ gramms, das vorher im ROM gespeichert wurde. Auf der Basis der so errechneten Anzahl Umdrehungen des Motors und des die Motorlast bezeichnenden Ausgangssignals des Saugdruck­ sensors bestimmt die CPU aus einer vorher im ROM gespei­ cherten Zündzeitpunkt-Map einen Soll-Zündzeitpunkt. Der Soll-Zündzeitpunkt wird dann einer Zündvorrichtung zuge­ führt, die einen darin vorgesehenen Leistungstransistor ein- bzw. ausschaltet, um die Stromzufuhr zur Primärseite einer Zündspule vorübergehend zu unterbrechen, so daß da­ durch auf der Sekundärseite der Zündspule eine Hochspannung erzeugt wird; dadurch entsteht an einer Zündkerze ein Funke und zündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch im entsprechenden Zylinder des Motors.

Bei dieser Zündverstelleinrichtung, bei der der Zündzeit­ punkt auf der Basis des Ausgangssignals des Kurbelwinkel­ sensors bestimmt wird, kann bei Ausfall des Kurbelwinkel­ sensors überhaupt keine Bestimmung des Zündzeitpunkts er­ folgen, so daß der Motor nicht mehr läuft. Ferner kann sich der Kurbelwinkelsensor, der auf der Nockenwelle des Zünd­ verteilers z. B. mit einem Befestigungsband od. dgl. befe­ stigt ist, gegenüber der ursprünglichen richtigen Lage ver­ schieben, z. B. aufgrund eimer Lockerung oder eines Durch­ hängens des Befestigungsbands od. dgl., so daß die genaue Drehlage der Kurbelwelle nicht erfaßbar ist.

Die Erfindung dient daher dem Zweck, die vorgenannten Pro­ bleme der bekannten Zündverstelleinrichtung zu beseitigen.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung einer Zündverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, die den richtigen Zündzeitpunkt exakt bestimmen kann, ohne daß ein Kurbelwinkelsensor verwendet wird, um dadurch die Ver­ brennung des Gemischs in den Zylindern zu optimieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Zündver­ stelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder und einer Kurbelwelle vor, wobei die Einrichtung aufweist: einen Zylinderinnendrucksensor, der den Druck im Motorzylinder erfaßt und ein dem erfaßten Zylinderinnen­ druck entsprechendes Ausgangssignal erzeugt; eine erste Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung, die einen Bezugszünd­ zeitpunkt auf der Basis der Betriebszustände des Motors bestimmt; eine Zündzeitpunkt-Korrektureinrichtung, der das Ausgangssignal des Zylinderinnendrucksensors zugeführt wird zur Bestimmung des Verbrennungszustands eines Gemischs im Motorzylinder auf der Basis dieses Ausgangssignals und zur Bestimmung einer Zündzeitpunkt-Korrekturgröße in bezug auf den Bezugszündzeitpunkt, um den Zündzeitpunkt zu optimie­ ren; eine zweite Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung, die auf der Basis des Bezugszündzeitpunkts und der Zündzeit­ punkt-Korrekturgröße einen optimalen Zündzeitpunkt be­ stimmt; eine Bezugssignalerzeugungseinrichtung zum Berech­ nen eines bestimmten Drucks im Motorzylinder, der dem von der zweiten Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung bestimmten optimalen Zündzeitpunkt entspricht, und zum Erzeugen eines den bestimmten Druck bezeichnenden Bezugssignals; einen Zündsignalgeber zur Erzeugung eines Zündsignals zu dem Zeitpunkt, zu dem das Ausgangssignal des Zylinderinnen­ drucksensors gleich dem Ausgangssignal der Bezugssignal­ erzeugungseinrichtung wird; und eine Zündvorrichtung, die zum Empfang des Ausgangssignals des Zündsignalgebers ge­ schaltet ist und bei Empfang eines Zündsignals vom Zünd­ signalgeber die Zündung im Motor veranlaßt.

Bevorzugt umfaßt dabei die Zündzeitpunkt-Bestimmungsein­ richtung: einen Motorlastsensor, der eine Motorlast erfaßt; einen Zündperiodensensor, der die Zündperiode des Motors erfaßt; und einen Mikrocomputer, der die Ausgangsgrößen des Motorlastsensors und des Zündperiodensensors empfängt und die Drehzahl des Motors auf der Basis des Ausgangssignals des Zündperiodensensors berechnet und ferner den Bezugs­ zündzeitpunkt auf der Basis der erfaßten Motorlast und der errechneten Motordrehzahl bestimmt.

Bevorzugt weist die Zündzeitpunkt-Korrektureinrichtung auf: einen Peaksensor, der einen Peak- bzw. Spitzenwertzeitpunkt erfaßt, zu dem der Verbrennungsdruck im Zylinder maximal ist; und einen Mikrocomputer, der das Ausgangssignal des Peaksensors empfängt und einen Mittelwert der Differenz zwischen dem erfaßten Spitzenwertzeitpunkt und dem Bezugs­ zündzeitpunkt in jedem Arbeitstakt berechnet und die Kor­ rekturgröße auf der Basis des Mittelwerts der Differenz berechnet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema der Zündverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Flußdiagramm, das eine Hauptroutine für den allgemeinen Betriebsablauf der Zündver­ stelleinrichtung von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3a ein Flußdiagramm einer Verbrennungsdruckspit­ zenwert-Unterbrechungsroutine für die Berech­ nung einer Zündzeitpunkt-Korrekturgröße, die im Ablauf von Fig. 2 verwendet wird; und

Fig. 3b ein Flußdiagramm einer Zündunterbrechungsrou­ tine für die Zündung der Zündverstelleinrich­ tung von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt als Blockschema eine Zündverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Einrichtung einen Lastsensor 1 in Form eines Saugdrucksensors zur Erfassung einer Motorlast (z. B. des Saugdrucks im Ansaugkrümmer des Motors) und einen A-D-Wandler 2 aufweist, der das analoge Ausgangssignal des Saugdrucksensors 1 in ein Digitalsignal umwandelt, das zur Verarbeitung in einem Mikrocomputer 3 geeignet ist. Der Mikrocomputer 3 hat einen Eingabebaustein 4, der eingangsseitig mit dem Ausgang des A-D-Wandlers 2 über einen Bus verbunden ist, eine CPU 5, die über einen Bus mit dem Eingabebaustein 4 verbunden ist, einen RAM 6 und einen ROM 7, die über entsprechende Busse mit der CPU 5 verbunden sind, und einen mit der CPU 5 verbundenen Ausga­ bebaustein 8. Im ROM 7 befindet sich vorher gespeicherte Information, und zwar ein Zündzeitpunktbestimmungsprogramm, eine Drehzahl/Zündzeitpunkt-Map, eine Motorlast/Zündzeit­ punkt-Map u. dgl. Der Ausgabebaustein 8 des Mikrocomputers 3 ist über eine Schnittstelle 9 mit einer Zündvorrichtung 11 bekannter Art verbunden. Die Zündvorrichtung 11 hat einen Leistungstransistor (nicht gezeigt), der mit der Pri­ märseite einer Zündspule 12 verbunden ist, so daß er ein­ und ausschaltbar ist, um auf der Sekundärseite der Zünd­ spule 12 eine Hochspannung zu erzeugen, so daß an einer mit der Sekundärseite der Zündspule 12 verbundenen Zünd­ kerze 13 ein Funke erzeugt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motorzylinder gezündet wird.

Ein Zylinderinnendrucksensor 14 erfaßt den Druck in einer Brennkammer eines Motorzylinders, eine Schnittstelle 15 ist eingangsseitig mit dem Zylinderinnendrucksensor 14 verbun­ den, ein Klopfsensor 16 ist eingangsseitig mit dem Zylin­ derinnendrucksensor 14 verbunden und erfaßt Klopfen im Motorzylinder auf der Basis des Ausgangssignals des Zylin­ derinnendrucksensors 14 und ist ausgangsseitig mit dem Ein­ gabebaustein 4 verbunden, dem er ein Klopfsignal zuführt, wenn Klopfen erfaßt wird; ein Peaksensor 17 ist eingangs­ seitig mit der Schnittstelle 15 verbunden und erfaßt die Lage (d. h. den Zeitpunkt) des Spitzenwerts im Ausgangs­ signal des Zylinderinnendrucksensors 14 und ist ausgangs­ seitig mit dem Eingabebaustein 4 verbunden; ein Vergleicher 18 hat zwei Eingänge, von denen einer mit der Schnittstelle 15 und der andere mit der Ausgangsseite eines D-A-Wandlers 19 verbunden ist, sowie einen Ausgang, der mit dem Ausgabe­ baustein 4 verbunden ist. Der D-A-Wandler 19 ist eingangs­ seitig über einen Bus und den Eingabebaustein 4 mit der CPU 5 verbunden. Ein Zündperiodensensor 20 zur Erfassung der Zündperiode des Motors ist ebenfalls über den Eingabebau­ stein 4 mit der CPU 5 verbunden.

Das Flußdiagramm von Fig. 2 zeigt eine Hauptroutine für den Betrieb der Zündverstelleinrichtung von Fig. 1. Dabei wird in Schritt S 1 das den gemessenen Druck in der Saugleitung bzw. im Ansaugkrümmer des Motors bezeichnende analoge Aus­ gangssignal des Saugdrucksensors 1 in ein Digitalsignal vom A-D-Wandler 2 umgewandelt, und dieser Digitalwert wird dann durch den Eingabebaustein 4 der CPU 5 des Mikrocomputers 3 zugeführt. In Schritt S 2 berechnet die CPU 5 die Motordreh­ zahl auf der Basis der Zündperiode, die vom Zündperioden­ sensor 20 erfaßt wird. Das Steuerprogramm geht dann zu Schritt S 3 weiter, in dem ein Bezugszündzeitpunkt, der dem vom Saugdrucksensor 1 erfaßten Saugdruck und der Drehzahl des Motors gemäß der in den Schritten S 1 und S 2 durchge­ führten Bestimmung entspricht, aus einer im ROM 7 gespei­ cherten Zündzeitpunkt-Map bestimmt wird. In Schritt S 4 be­ stimmt die CPU 5 dann aus einer im ROM 7 gespeicherten Ver­ brennungsdruckspitzenwert-Map einen bestimmten Kurbelwin­ kel, der einem optimalen Verbrennungsdruckspitzenwert ent­ spricht, und zwar auf der Basis des erfaßten Saugdrucks und der berechneten Drehzahl des Motors. In Schritt S 5 wird der so ermittelte bestimmte Kurbelwinkel vom Mikrocomputer 3 in einen entsprechenden Zeitpunkt umgewandelt, der dann in einen eingebauten Taktzähler gesetzt wird. Nach dem Schritt S 5 wird die Hauptroutine unterbrochen, so daß das Steuer­ programm in eine Verbrennungsdruckpeaklage-Bestimmungsrou­ tine gemäß Fig. 3(a) springt.

In Schritt S 6 von Fig. 3(a) wird eine zeitliche Differenz zwischen einem Zeitpunkt, zu dem ein Spitzenwert im Ver­ brennungsdruck auftritt, und dem vorher in den Taktzähler gesetzten Wert errechnet, und in Schritt S 7 wird die so berechnete Differenz in jedem Arbeitstakt gemittelt. Nach Schritt S 7 springt das Steuerprogramm in die Hauptroutine zurück, d. h. es geht zu Schritt S 8 von Fig. 2, in dem eine Zündzeitpunkt-Korrekturgröße auf der Basis des gemittelten Differenzwerts berechnet wird. In Schritt S 9 wird dann ein bestimmter Zündzeitpunkt als die Summe aus Bezugszündzeit­ punkt und Zündzeitpunkt-Korrekturgröße bestimmt. In Schritt S 10 wird aus dem Saugdruck im Ansaugkrümmer gemäß der Er­ fassung durch den Saugdrucksensor 1 der dem so ermittelten bestimmten Zündzeitpunkt entsprechende Druck in der Brenn­ kammer des Motorzylinders wie folgt berechnet.

Wenn der Druck in der Brennkammer bzw. das Innenvolumen der Brennkammer des Motorzylinders mit P bzw. V bezeichnet wer­ den, ergibt sich die folgende Gleichung:

P · V = konstant.

Dabei gilt:

V = r (1-cos R) · S + α (1)

mit
r = Rotationsradius der Kurbelwelle,
R = Kurbelwinkel gemessen von dem Punkt, an dem die Zündung erfolgt,
S = Querschnittsfläche des Kolbens, und
α = Volumen der Brennkammer am OT.

In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß r, S und α je­ weils Konstantwerte sind.

Der Innendruck P in der Brennkammer des Zylinders (nach­ stehend als Zylinderinnendruck bezeichnet) wird also wie folgt geschrieben:
P = {r(1-cos R₀) · S + α}/{r(1-cos R) · S + α} · P¢ (2)

mit
P₀ = ein Bezugsdruck (gleich dem Druck in der Saugleitung bzw. dem Ansaug­ krümmer) und
R₀ = ein Bezugskurbelwinkel (entsprechend dem Kurbelwinkel, bei dem ein Saugventil geschlossen ist.

Wenn man die Konstanten in der Gleichung (2) durch bekannte Werte ersetzt, wird der Zylinderinnendruck P als eine Funk­ tion des Kurbelwinkels 8 berechnet. Damit wird ein be­ stimmter Zylinderinnendruck für die Zündung bestimmt durch Festlegung eines bestimmten Kurbelwinkels, bei dem die Zün­ dung erfolgen soll.

In Schritt S 11 liefert die CPU 5 dann das Resultat des obi­ gen Rechenvorgangs (d. h. den so gewonnenen bestimmten Zylinderinnendruck) durch den Eingabebaustein 4 an den D-A-Wandler 19. Dieser wandelt das digitale Eingangssignal von der CPU 5 in einen Analogwert um, der dann einem der Eingänge des Vergleichers zugeführt wird.

Dem anderen Eingang des Vergleichers 18 wird das Ausgangs­ signal des Zylinderinnendrucksensors 14 durch die Schnitt­ stelle 15 zugeführt. Wenn das Ausgangssignal des Zylinder­ innendrucksensors 14 gleich dem errechneten bestimmten Wert wird, der dem einen Eingang des Vergleichers 18 von der CPU 5 zugeführt ist, liefert der Vergleicher 18 über den Ein­ gabebaustein 4 ein Übereinstimmungssignal an die CPU 5. Wenn die CPU 5 das Übereinstimmungssignal erhält, wird die Hauptroutine unterbrochen, so daß das Steuerprogramm in eine in Fig. 3(b) gezeigte übliche Zündunterbrechungsrou­ tine springt, in der die Zündung in konventioneller Weise durchgeführt wird. Dabei wird das Zündsignal, das von der CPU 5 durch den Ausgabebaustein 9 und die Schnittstelle 10 an die Zündvorrichtung 11 geliefert wird, in Schritt S 12 in den Zündmodus invertiert (z. B. von einem Niedrig- auf einen Hochpegel), um dadurch die Stromzufuhr zur Zündspule 12 auszulösen, und gleichzeitig wird in Schritt S 13 ein in der Zündvorrichtung 11 vorgesehener Zeitgeber aktiviert. Wenn eine im Zeitgeber gesetzte vorbestimmte Zeitdauer ab­ gelaufen ist, wird die Stromzufuhr zur Zündspule 12 unter­ brochen, so daß auf der Sekundärseite der Zündspule 12 eine Hochspannung und dadurch an der Zündkerze 13 ein Funke erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Zündzeit­ punkt durch Nutzung des Zylinderinnendrucks ohne Verwendung eines Kurbelwinkelsensors präzise einzustellen.

Claims (4)

1. Zündverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Motorzylinder und einer Kurbelwelle, gekennzeichnet durch
einen Zylinderinnendrucksensor (14), der den Druck im Motorzylinder erfaßt und ein diesem entsprechendes Aus­ gangssignal erzeugt;
eine erste Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung, die einen Bezugszündzeitpunkt auf der Basis der Betriebszu­ stände des Motors bestimmt (S 3);
eine so ausgelegte Zündzeitpunkt-Korrektureinrichtung (17, 3), daß sie das Ausgangssignal des Zylinderinnendruck­ sensors (14) empfängt, um auf der Basis desselben den Ver­ brennungszustand eines Gemischs im Motorzylinder zu bestim­ men und in bezug auf den Bezugszündzeitpunkt eine Zündzeit­ punkt-Korrekturgröße zu bestimmen, um so den Zündzeitpunkt zu optimieren;
eine zweite Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung (S 9) eines optimalen Zündzeitpunkts auf der Basis des Bezugszündzeitpunkts und der Zündzeitpunkt-Kor­ rekturgröße;
eine Bezugssignalerzeugungseinrichtung, die einen be­ stimmten Druck im Motorzylinder, der dem von der zweiten Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung bestimmten optimalen Zündzeitpunkt entspricht, berechnet und ein diesen bestimm­ ten Druck bezeichnendes Bezugssignal erzeugt;
einen Zündsignalgeber (3), der dann ein Zündsignal er­ zeugt, wenn das Ausgangssignal des Zylinderinnendrucksen­ sors (14) gleich dem Ausgangssignal der Bezugssignalerzeu­ gungseinrichtung wird; und
eine Zündvorrichtung (11, 12), die zum Empfang des Aus­ gangssignals des Zündsignalgebers ausgelegt ist und bei Empfang eines Zündsignals vom Zündsignalgeber den Motor zündet.

2. Zündverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzeitpunkt-Bestimmungseinrichtung aufweist:
einen Motorlastsensor (1), der eine Motorlast aufnimmt;
einen Zündperiodensensor (20), der die Zündperiode des Motors aufnimmt; und
einen Mikrocomputer (3), der die Ausgangssignale vom Motorlastsensor (1) und vom Zündperiodensensor (20) emp­ fängt und die Drehzahl des Motors auf der Basis des Aus­ gangssignals des Zündperiodensensors berechnet und ferner den Bezugszündzeitpunkt auf der Basis der erfaßten Motor­ last und der berechneten Motordrehzahl bestimmt.

3. Zündverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzeitpunkt-Korrektureinrichtung aufweist:
einen Peaksensor (17), der einen Peakzeitpunkt erfaßt, zu dem ein Verbrennungsdruckspitzenwert im Motorzylinder auf­ tritt; und
einen Mikrocomputer (3), der das Ausgangssignal des Peak­ sensors (17) empfängt und einen Mittelwert der Differenz zwischen dem erfaßten Peakzeitpunkt und dem Bezugszündzeit­ punkt in jedem Arbeitstakt des Motors berechnet und die Korrekturgröße auf der Basis des Mittelwerts der Differenz berechnet.

4. Zündverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignalerzeugungseinrichtung den dem optimalen Zündzeitpunkt entsprechenden bestimmten Druck im Motor­ zylinder unter Anwendung der folgenden Gleichung berechnet: P = {r (1-cos R₀) · S + α}/{r (1-cos R) · S + α} · P₀mit
P = bestimmter Druck im Motorzylinder,
P₀ = ein Bezugsdruck (gleich dem Druck in der Saugleitung bzw. dem Ansaug­ krümmer),
r = Rotationsradius der Kurbelwelle,
R = Kurbelwinkel gemessen von dem Punkt, an dem die Zündung erfolgt,
R₀ = ein Bezugskurbelwinkel (entsprechend dem Kurbelwinkel, bei dem ein Saugventil geschlossen ist),
S = Querschnittsfläche des Kolbens, und
α = Volumen der Brennkammer am OT.