DE69917024T2

DE69917024T2 - Verfahren zum regeln der zündung einer brennkraftmaschine sowie brennkraftmaschine zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: DE69917024T2
Application number: DE1999617024
Authority: DE
Inventors: Henrik Green; Jan Dahlgren
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2019-06-19
Also published as: EP1088160B1; US6439197B1; DE69917024D1; SE9802095D0; WO2000000739A1; SE523148C2; EP1088160A1; SE9802095L; AU4816699A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, einer Kurbelwelle und mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil für jeden Zylinder, zum Anpassen des Zündungstimings in Bezug auf die Kurbelwellenposition an Variationen der Motorbetriebsbedingungen, und zweitens auf einen Verbrennungsmotor mit mindestens einen Zylinder, einer Kurbelwelle, mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil und einer Steuereinheit, die Mittel zum Einleiten der Zündung in Abhängigkeit von Signalen von einem Sensor, der den Kurbelwellenwinkel misst, aufweist.
Variationen der Motorbelastung und Drehzahl sind einige bekannte Faktoren, die das Zündungstiming bestimmen, d. h. ob der Funken während der Kompressionsphase des Motors vorgeschoben oder verzögert werden soll, und es ist allgemeine Praxis, das Zündungstiming als Funktion dieser Faktoren zu steuern, um ein optimales Zündungstiming für unterschiedliche Betriebsbedingungen zu erzielen. Ein weiterer das Zündungstiming beeinflussender Faktor ist die Abgasmenge in dem Kraftstoff-Luftgemisch des Motors. Je größer der Anteil von Abgas in dem Kraftstoff-Luftgemisch ist, umso schwieriger wird es sein, das Gemisch zu zünden. Das Abgas in dem Kraftstoff-Luftgemisch kann entweder dasjenige sein, das von der Abgasseite des Motors zu der Einlassseite zurückgeführt wird (Abgasrückführung = EGR), was gängige Praxis zur Verminderung von Abgasemissionen während bestimmter Betriebsbedingungen ist, oder es kann aus einer Überlappung zwischen den Öffnungszeiten des Einlassventils und des Auslassventils resultieren, d. h. derjenigen Periode, wenn beide Ventile gleichzeitig während der Auslass- und Einlassphase des Motors offen sind. Ein bestimmter Überlappungsbetrag ist in modernen Motoren unvermeidlich, um einen effizienten Gasaustausch zu erzielen, jedoch führt diese Überlappung auch zu einer sogenannten internen EGR, welche die Emissionen in dem Abgas vermindert.
Die Überlappung wird in erster Linie durch die Nockenwinkel der Ventile bestimmt und ist in der Praxis in den meisten Motoren mit hydraulischen Ventilhebern mit automatischem Ventilspielausgleich konstant. Motoren mit variablen Nockenwinkeln wurden zuletzt entwickelt, die es ermöglichen, die Hubkurven der Ventile in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motors zu variieren, um hierdurch die Motoreffizienz zu erhöhen. Die Ventilüberlappung wird daher variiert, und mit ihr der Abgasanteil in der Motorbrennkammer während des Kompressionshubes. Derartige Ventilsysteme mit variablen Ventilzeiten sind beispielsweise aus US-A-5 209 202 bekannt, die ebenso eine Zündungssteuerung als Funktion des Nockenwinkels beschreibt.
In Motoren ohne hydraulische Ventilheber mit automatischem Ventilspielausgleich und mit unterschiedlichen Materialien in dem Ventilmechanismus und dem Zylinderkopf, beispielsweise Stahl und Aluminium, die unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, variiert das Ventilspiel mit einer veränderlichen Temperatur, was zu unerwünschten Variationen in der Ventilüberlappung führt. Das Temperaturdifferential vom Kaltstart bis zur Betriebstemperatur kann im Winter 150°C überschreiten, was zu einer wesentlich größeren Überlappung führt, wenn der Motor kalt ist, als wenn er seine Betriebstemperatur erreicht hat.
Es ist allgemein eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern des Zündungstimings bereitzustellen, das nicht nur Variationen der Motorbelastung und der Drehzahl, sondern auch Variationen der Hubkurven der Ventile berücksichtigt.
Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Tatsache erzielt, dass das Zündungstiming in Bezug auf Variationen der Zeitdauer, wenn die Einlass- und Auslassventile gleichzeitig offen sind, durch Berechnen des Verhältnisses zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas in den Brennkammern der Zylinder und durch Nutzen dieses Verhältnisses auf solche Weise variiert wird, dass je größer der Anteil verbrannten Gases ist, desto früher die Zündung eingeleitet wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor bereitzustellen, der dazu ausgestattet ist, ein Zündungstiming gemäß Anspruch 5 zu steuern.
Dies wird gemäß der Erfindung in einem Motor der eingangs beschriebenen Art mittels der Tatsache erzielt, dass die Steuereinheit Mittel zum Berechnen des Verhältnis zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas in den Brennkammern der Zylinder und zum Steuern des Zündungstimings derart besitzt, dass je größer der Anteil des verbrannten Gases ist, desto früher die Zündung eingeleitet wird.
Es ist in dieser Hinsicht zu beachten, dass ein Vorschieben des Funkens oder des Zündungszeitpunkts voraussetzt, dass alle anderen Steuerparameter für das Zündungstiming unverändert sind. Die Verbrennung wird für eine längere Zeitdauer stattfinden, was vorteilhaft ist, da Abgase die Flammenfront veranlassen, langsamer fortzuschreiten.
Das Verhältnis zwischen Abgas und Frischluft kann mit Hilfe von Sensoren direkt in der Brennkammer gemessen werden, jedoch selbst wenn dies technisch möglich ist, ist es außerhalb des Labors nicht praktikabel.
Das Verhältnis zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas kann gemäß der Erfindung indirekt mit Hilfe des Verhältnis zwischen der Temperatur der Ventile und der Temperatur der Zylinderköpfe berechnet werden. Durch Messen der Temperatur des Motorkühlmittels und des Luftstromes zu den Brenn kammern der Zylinder kann das Temperaturverhältnis bestimmt werden. Die Temperatur des Zylinderkopfes und des Einlassventils ist im wesentlichen gleich der Kühlmitteltemperatur. Die Temperatur des Auslassventils kann trotz der Tatsache, dass sie viel höher ist, auf der Basis der Kühlmitteltemperatur mit einem Korrekturfaktor berechnet werden, der proportional zu der Motorbelastung ist, die in diesem Falle gleich der Luftmasse in dem Zylinder pro Hub ist.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele beschrieben, wobei 1A, 1B und 1C Diagramme von Abschnitten der Hubkurven der Auslass- und Einlassventile unter verschiedenen Betriebsbedingungen zeigen, und 2 zeigt eine teilweise frei geschnittene Ansicht eines Motors gemäß der Erfindung mit einer schematischen Darstellung des Zündungssystems.
1A zeigt den Kurbelwellenwinkelbereich auf beiden Seiten des oberen Totpunkts des Kolbens, d. h. 720 Kurbelwellengrade, mit dem Ende der Hubkurve A des Auslassventils und dem Anfang der Hubkurve I des Einlassventils für eine bestimmte Ventileinstellung. Wie anhand der Hubkurven A und I zu erkennen ist, beginnt das Einlassventil sich während des Endes der Auslassphase, bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, zu öffnen, während sich das Auslassventil nur etwas in dem Einlasshub nach dem oberen Totpunkt vollständig schließt, was bedeutet, dass eine bestimmte Abgasmenge in den Zylinder gesaugt wird. Die Überlappung ist hier durch den Bereich B definiert, der zwischen den Hubkurven A und I und der x-Achse des Diagramms eingeschlossen ist.
1B ist ein Diagramm entsprechend 1A, jedoch mit einer veränderten Ventilhubkurve des Einlassventils. Die gestrichelte Linie zeigt die Hubkurve I für das Einlassventil, und die durchgezogene Linie zeigt die neue Hubkurve I', die durch Verändern der Nockenzeiten des Ventils mit Hilfe einer einstellbaren Nockenwelle erzielt ist, d. h. der Rotationswinkel der Nockenwelle in Bezug auf den Kurbelwinkel ist verändert, was zu einer horizontalen Verschiebung der Kurve in dem Diagramm führt. Wie in dem Diagramm zu sehen ist, ist der Überlappungsbereich B' verglichen mit dem Bereich B in 1A beträchtlich vergrößert.
1C zeigt ein Diagramm, bei welchem die Hubkurven A und I (entsprechend 1A) gestrichelt sind. Die neue Auslassventilkurve A'' und die Einlassventilkurve I'' sind das Ergebnis einer Veränderung in der Länge des Ventils (primär der Ventilspindel) in Bezug auf die Abmessung des Zylinderkopfes in der Richtung der Ventilspindel. Diese Veränderung, die sich aus einer unterschiedlichen Längsausdehnung infolge unterschiedlicher Materialien in dem Zylinderkopf und dem Ventilmechanismus, z. B. Aluminium und Stahl mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, ergibt, führt zu einer vollständig vertikalen Verschiebung der Hubkurven. Selbst geringe Veränderungen der Ventillängen führen zu signifikanten Veränderungen des Überlappungsbereichs B'', wie anhand von 1C zu erkennen ist.
Variationen der Ventilüberlappung verursachen eine Variation der Abgasmenge in den Zylinderbrennkammern während des Kompressionshubes. 2 zeigt einen Motor mit einem Zündungssystem, das zusätzlich zum Steuern des Funkenverschiebens als eine Funktion bekannter Steuerparameter, wie Drehzahl und Belastung, auch die Abgasmenge in dem Kraftstoff-Luftgemisch als Steuerparameter enthält.
Bezugszeichen 1 in 2 bezeichnet die Zylinder eines Viertakt-Ottomotors. Die Kolben 2 des Motors sind über Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle 4 verbunden. Eine Einlassleitung 5 mündet in einen Einlasskanal, in welchem ein Einlassventil 6 vorgesehen ist. In einem Auslasskanal ist ein Auslassventil 7 vorgesehen. Die Ventilbewegung der Ventile kann mit einem Ventilmechanismus erzielt werden, der hier nicht im Detail gezeigt ist und Ventilheber, Nockenwellen und Ventilfedern aufweist.
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Zündkerze mit einer Zündspule, die elektrisch mit einer Steuereinheit 9 verbunden ist, welche bevorzugt ein Mikroprozessor ist, der das Zündungstiming, d. h, die Position in Bezug zu der Position der Kurbelwelle (die Position des Kolbens in der Zylinderkammer während des Kompressionshubes) steuert, bei welcher das Kraftstoff-Luftgemisch gezündet wird. Die Steuereinheit 9 ist ferner elektrisch verbunden mit: einem Temperatursensor 11, der die Motortemperatur oder Kühlmitteltemperatur misst; einem Außentemperatursensor 12; einem Druckmesser 13; einem Luftmassenmesser 14 in der Einlassleitung 5; und einem Tachometer 15. Falls der Motor Kurbelwellen mit variablen Nockenwinkeln besitzt, gibt es ebenso einen Nockenwinkelmesser, der mit der Steuereinheit verbunden ist.
Die Steuereinheit 9 steuert auf bekannte Weise sowohl das Zündungstiming als auch das Kraftstoff-Einspritztiming sowie die Kragstoffmenge als Funktion u. a. der Motorgeschwindigkeit, die über den Tachometer 15 erhalten wird, und der Belastung, die über den Luftmassenmesser 14 erhalten wird. Gemäß der Erfindung ist das Verhältnis zwischen den verbrannten und nicht verbrannten Gasen in den Motorbrennkammern ebenso als Parameter zum Steuern des Zündungstimings enthalten. Die Steuereinheit regelt dabei die Zündung auf solche Weise, dass je größer der Anteil verbrannten Gases ist, desto früher die Zündung eingeleitet wird, und zwar infolge der Tatsache, dass die Fortpflanzung der Flammenfront bei zunehmendem Anteil verbrannten Gases langsamer wird.
Signale zu der Steuereinheit, welche das Verhältnis der verbrannten zu den nicht verbrannten Gasen angeben, können von einem direkt in dem Zylinder 1 vorgesehenen Sensor erhalten werden, jedoch ist es aus einer Anzahl von Gründen wünschenswert, Sensoren direkt in den Motorzylindern zu vermeiden.
Wie bereits in der Beschreibungseinleitung offenbart, hängt das Verhältnis zwischen den verbrannten und den nicht verbrannten Gasen von der zugeführten Frischluftmenge und den Abmessungen des Überlapppunktbereichs zwischen den Hubkurven I, A der Auslass- und Einlassventile 6, 7 ab. Wie in Verbindung mit 1–1C beschrieben wurde, können diese Kurven entweder infolge von Variationen der Nockenwinkel oder infolge von Variationen der Temperaturausdehnungsunterschiede zwischen dem Ventilmechanismus und dem Zylinderkopf oder einer Kombination derselben variieren.
In einem Motor mit automatischem Ventilspielausgleich und variablen Nockenzeiten kann der Überlappungsbereich und somit das Verhältnis zwischen verbrannten und nicht verbrannten Gasen direkt in der Steuereinheit über Signale von dem Nockenwinkelmesser (nicht gezeigt), der Variationen in dem Nockenwinkel der Nockenwellen misst, dem Druckmesser 13 und dem Luftmassenmesser 14, der die zu dem Zylinder zugeführte Frischluftmenge misst, berechnet werden.
In einem Motor ohne automatischem Ventilspielausgleich kann das Ventilspiel und somit der Überlappungsbereich in Abhängigkeit von den Unterschieden der Längsausdehnung zwischen dem Ventilmechanismus, primär der Ventilspindel, und den Abmessungen des Zylinderkopfes in der Spindelrichtung variieren. Die relativen Längen der Ventile 6, 7 und des Zylinderkopfes können auf der Basis ersten der Temperatur der Ventile und des Zylinderkopfes und zweitens ihrer jeweiligen Temperaturabhängigkeiten bestimmt werden, so dass die genauen Öffnungs- und Schließzeiten und hierdurch auch die Überlappung abgeschätzt werden können.
Die Temperatur des Zylinderkopfes und des Einlassventils 6 ist in diesem Falle im wesentlichen gleich derjenigen des Kühlmittels und wird von dem Temperatursensor 11 erhalten. Die Temperatur des Auslassventils 7 ist beträchtlich höher, kann jedoch mit Hilfe der Kühlmitteltemperatur mit einer Korrektur proportional zu der Motorbelastung berechnet werden, die wiederum proportional zu der Luftmasse in dem Zylinder pro Hub, gemessen durch den Sensor 14, ist. Die Last verändert sich schnell während Übergehen der Öffnungen und Schließungen des Tores, während die Veränderungen der Temperatur mit einer von der Trägheit abhängigen, bestimmten Zeitkonstante auftreten. Die Temperaturen werden vorab der Zeit berechnet und in einer Tabelle in der Steuereinheit 9 gespeichert.
Eine von der Überlappung abhängige Abgasmenge strömt während des Auslasshubes in die Einlassleitung. Der Gesamtdruck in der Einlassleitung, der die Summe der Partialdrucke des Abgases und der Frischluft ist, wird mit Hilfe eines Druckmessers 13 gemessen. Der Abgasdruck kann mit Hilfe der auf die oben beschriebene Weise berechnete Überlappung berechnet werden, so dass der Frischluft-Partialdruck erhalten wird.
Da die Einlassleitung 5 ein bestimmtes Gasvolumen enthält, gibt es eine Zeitkonstante zwischen einem Luftstrom in der Einlassleitung 5 und einem Luftstrom in die Brennkammer. Wenn das Tor geöffnet wird, ist das Volumen in der Einlassleitung gefüllt, bevor Luft in die Brennkammer strömt. Diese Zeitkonstante wird durch Messen des Luftmassenstroms mit dem an dem Beginn der Einlassleitung platzierten Messer 14 ausgeglichen. Die Zeitkonstante hängt stark von Druckunterschieden zwischen den zwei Enden der Einlassleitung ab. Der Druck nahe des Zylinders wird durch die Überlappung bestimmt, da der Auslassdruck in der Einlassleitung mit zunehmender Überlappung ansteigt. Die berechnete Überlappung wird bevorzugt als Eingabesignal zum Berechnen der Belastung bestimmt, was eine Basis zum Berechnen des Zündungspunkts darstellt.
Da das Zündungstiming stets primär durch die Motorlast und die Drehzahl bestimmt wird, welche von den Sensoren 14 bzw. 15 erhalten werden, kann die Drehzahl ebenso vorteilhaft berücksichtigt werden, wenn die Temperatur des Auslassventils 7 und somit die Überlappung berechnet wird. Die oben beschriebene Steuerung tritt geeigneter Weise mit Hilf von Tabellen oder Funktionsbeziehungen auf, die in der Steuereinheit 9 gespeichert sind, welche Ausgabesignale in Abhängigkeit von den Eingabeparametern erzeugt, um das Zündungstiming zu steuern. Die Tabellen werden durch Optimierungsmessungen erzeugt, wenn die Werte der Eingabeparameter variiert werden, und zwar bevorzugt gleichzeitig. Ein Optimierung wird geeigneter Weise basierend auf gemessenen Werten des Drehmoments und der Abgasemissionen vorgenommen, so dass ein möglichst hohes Drehmoment ohne Überschreitung vorbestimmter Abgasgrenzen erhalten wird. Weitere Parameter, die zum Verbessern der Steuerung verwendet werden können, können die Außentemperatur über den Sensor 12, die Lufttemperatur in der Einlassleitung, etc. sein.
Die Steuerung der Zündung in Bezug auf die Kurbelwellenposition mittels der Steuereinheit 9 wurde oben beschrieben. Das Kraftstoff-Einspritztiming und die Kraftstoffmenge werden selbstverständlich ebenso auf bekannte Weise in Bezug auf das Zündungstiming gesteuert, so dass das Kraftstoff-Einspritztiming und die Kraftstoffmenge ebenso in Bezug auf die Überlappung (den Überlappungsbereich) der Ventile gesteuert werden.
Die unter Bezugnahme auf 2 des Motors gemäß der Erfindung gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist ein Motor mit Funkenzündung, jedoch umfasst die Erfindung ebenso Dieselmotoren, bei denen die Steuerung der Zündung sich anstelle auf die Steuerung des Timings des Funkens einer Zündkerze über die Zündspule auf die Steuerung des Einspritztimings des Dieselkraftstoffs in die Brennkammer bezieht. Ebenso wenig ist die Erfindung auf Motoren mit Nockenwellen gesteuerten Ventilen begrenzt, bei denen die variierenden Ventilbewegungen von variierendem Ventilspiel und/oder variierenden Nockenperioden abhängen. Variierende Ventilbewegungen können ähnliche Variationen der Bewegung der Ventile sein, die auf andere Weise gesteuert sind, beispielsweise mittels Elektromagneten oder dergleichen.

Claims

Verfahren in einem Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, einer Kurbelwelle und mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil für jeden Zylinder, zum Anpassen eines Zündungstimings in Bezug auf die Kurbelwellenposition an Variationen der Motorbetriebsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündungstiming in Bezug auf Variationen der Zeitdauer, wenn die Einlass- und Auslassventile gleichzeitig offen sind, durch Berechnen des Verhältnisses zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas in den Brennkammern der Zylinder und durch Nutzen dieses Verhältnisses auf solche Weise variiert wird, dass je größer der Anteil verbrannten Gases ist, desto früher die Zündung eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Ventile und des Zylinderkopfes der Zylinder berechnet wird, und dass das Verhältnis zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas basierend auf dem Verhältnis zwischen den Temperaturen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Motorkühlmittels und der Luftstrom zu der Brennkammer der Zylinder gemessen werden, und dass die Temperatur der Ventile und des Motorzylinderkopfes basierend auf der Temperatur und dem Strom bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Anpassen des Timings in Bezug auf die Winkelposition der Kurbelwelle in einem Motor, in welchem zumindest die Einlassventile durch eine Nockenwelle mit variablen Nockenwinkeln gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas basierend auf den Nockenwinkeln der Einlass- und Auslassventile berechnet wird.
Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, einer Kurbelwelle, mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil und einer Steuereinheit mit Mitteln zur Einleitung der Zündung in Abhängigkeit von Signalen von einem Sensor, welcher den Kurbelwellenwinkel misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Mittel zum Berechnen des Verhältnis zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas in den Brennkammern der Zylinder und zum Steuern des Zündungstimings derart besitzt, dass je größer der Anteil des verbrannten Gases ist, desto früher die Zündung eingeleitet wird.
Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mit einem Temperatursensor verbunden ist, der die Temperatur des Motorkühlmittels misst, und mit einem Strömungssensor verbunden ist, der den Luftstrom zu den Brennkammern der Zylinder misst, und Mittel besitzt, um in Abhängigkeit von Signalen von den Sensoren das Verhältnis zwischen verbranntem und nicht verbranntem Gas zu berechnen.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungssensor einen Strömungsmesser und einen Druckmesser in der Einlassleitung des Motors besitzt, wobei der Druckmesser in der Nähe des Einlassventils vorgesehen ist.
Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mit einem Motorgeschwindigkeitssensor verbunden ist und Mittel zum Korrigieren von Signalen von dem Luftstromsensor in Abhängigkeit von Signalen von dem Motorgeschwindigkeitssensor besitzt.
Motor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Nockenwelle mit variablen Nockenwinkeln besitzt, welche die Bewegung des Einlassventils steuert, und einen Nockenwinkelsensor besitzt, der vorgesehen ist, um die Steuereinheit mit einem Signal in Abhängigkeit von dem Nockenwinkel der Nockenwelle zu versorgen.