SE449125B - Forfarande for styrning av gnisttendning av brensleluftblandning innesluten i en ottomotors forbrenningsrum - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 449 125 motsvarar ett första elektrodavstând, medan vid ett andra motorbelastningsvärde, som är högre än det första, tändspänning genereras vid en andra tändtidpunkt, som motsvarar ett andra elektrodavständ kortare än det första, varvid över väsentligen hela belastningsomrädet för motorn tändtidpunkteh styres så att tändspänningsnivân för gnistbildning, vilken på i och för sig känt sätt beror av motorbelastningen och elektrodavståndet, varierar inom förhållandevis snäva gränser.

Uppfinningen möjliggör en fördelaktig tillämpning av tudelade tändanordningar vid moderna Ottomotorer som arbetar under pä- tagligt varierande belastningsfall och med högt ställda krav på prestanda, bränsleförbrukning och avgasemissioner säsom är fallet vid drift av bilar. För nämnda typ av motorer säkerställer den uppfinningsenliga lösningen vid varje motorvarvtal gnistbild- _ ning över ett förutbestämt långt elektrodavstând när motorn "arbetarmed låg belastning och över ett successivt kortare elekt- rodavstånd allt eftersom belastningen ökar. Tändspänningen och därmed gnistenergin kan därigenom hållas på en hög nivå över hela belastningsomrâdet, vilket säkerställer fullgod antänd- ning och förbränning av bränsleluftblandningen inom hela nämnda omrâde. Risken för ofullständig förbränning med försämrade av- gasemissioner och försämrad avgaskatalysatorfunktion som följd minskar sålunda, samtidigt som motorn arbetar bränsleekonomiskt och erhåller en ur komfortsynpunkt eftersträvad jämn gång.

Vid en fördelaktig utföringsform av uppfinningen styres tänd- tidpunkten så att tändspänningen i huvudsak varierar med mindre än 20 procent kring ett av gränserna definierat medelvärde. Detta innebär i praktiken att tändspänningsnivân och den häremot i allt väsentligt proportionella gnistenergin är påtagligt höjd L vid i synnerhet låg motorbelastning i förhållande till de nivåer som förekommer vid kända motorer, vars tändanordningar har fast elektrodavstând. Härigenom kan riskerna för icke fullgod antänd- ning av bränsleluftblandningen via låg motorbelastning minskas väsentligt. 10 15 20 25 30 35 449 125 övriga för uppfinningen utmärkande särdrag framgår av bifogade patentkrav och efterföljande beskrivning av en exemplifierande utföringsform av uppfinningen. Beskrivningen sker med hänvisning till bifogade figurer.

Figur 1 visar schematiskt en förbränningsmotor med ett tänd- system innefattande en tudelad tändanordning vid vilken det uppfinningsenliga förfarandet kan till- lämpas, Figur 2 visar elektrodavståndets förhållande till vevaxel- vinkeln, _.

Figur 3a visar tändspänningens principiella beroende av elekt- rodavständet, Figur 3b visar tändspänningens principiella beroende av motorns belastning vid ett visst fast elektrodavstând, och Figur 4 visar tändtidpunktens läge uttryckt i elektrodavstând beroende av motorns belastning och även tändspännings- behovet såsom detta erhålles utifrân dess beroende av såväl belastning som elektrodavstând.

I Figur 1 visas schematiskt ett förbränningsrum 2 i en flercylind- rig Ottomotor 1. På sedvanligt sätt begränsas förbränningsrummet 2 av en kolv 3, en cylinder 4 och ett cylinderhuvud 5 med däri ingående ventiler 6 för reglering av bränsleluftblandningens in- och utförsel relativt förbränningsrummet. På för fyrtaktsprin- cipen känt sätt sker ventilernas 6 reglering i beroende av kolvens 3 fram- och âtergående rörelse. Denna bestäms av motorns vev- axel 7 och en med kolven och vevaxeln förbunden vevstake 8.

Den under kompressionstakten genomförda antändningen av bränsle- luftblandningen (fortsättningsvis benämnd gasblandningen) åstad- kommes med hjälp av en tudelad tändanordning 10, som ingår i ett tändningen styrande tändsystem 11. Tändanordningen innefattar ett i cylinderhuvudet 5 anfäst tändstift 12 med en tändspännings- förande centrumelektrod 13 samt en masselektrod 14 anordnad på kolven 3 och medföljande dess rörelse. 15 20 25 30 35 449 125 Tändningen regleras av tändsystemet 11 som vid föreliggande upp- finning med fördel är av kapacitiv typ. I tändsystemet 11 ingår därvid på känt sätt en lågspänningskälla 16, en uppladdningskrets 17, en urladdningskrets 18, en tändkrets 19 och en tändpulstrigg- ningsenhet 20. Lågspänningskällan 16 är lämpligen av typen 12 V batteri och uppladdningskretsen 17 transformerar upp denna låg- spänning till ca 400 V för uppladdning av en visad laddnings- kondensator. Urladdningskretsen 18 ombesörjer efter utlösning av triggenheten 20 laddningskondensatorns urladdning via primärlind- ningen hos en av flera ej visade tändspolar som var och en är till- delade en motorcylinders tändanordning. I tändkretsen 19 genereras därvid en tändspänning i tändspolens sekundärlindning vilken till- föres ifrågavarande tändstiftselektrod 13 via en ledning 21. Tänd- pulstriggningsenheten 20 styr med hjälp av en däri ingående mikro- dator tändtidpunkten, d v s tidpunkten för laddningskondensatorns urladdning, för tändspänningsmatning till respektive tändanordning.

Detta sker på basis av inkommande data på ett ledningsknippe 22 avseende motorvarvtal, motorbelastning, motortemperatur och even- turlla ytterligare signaler avseende exempelvis avgasemissioner, bränsleluftförhållande, knackning m.m.

Utnyttjandet av mikrodatorteknik för att på grundval av nämnda in- kommande data bestämma tändtidpunkten är väl känt inom förbrännings- motortekniken och utgör ej del av föreliggande uppfinning. Denna är sålunda inte bunden till någon speciell datorlösning för tändtid- punktstyrning utan kan användas tillsammans med varje på marknaden förekommande lösning av detta slag.

Vid föreliggande uppfinning styrs tändtidpunkten så att för varje varvtal inträder tändningen vid olika elektrodavständ beroende på om motorn arbetar vid låg eller hög belastning. I uttrycket låg motorbelastning inbegripes i detta sammanhang ej tomgångslast, eftersom vid tomgång speciella krav avseende emissioner och lik- nande päverkar valet av tändtidpunkt och därmed vid tillämpning av föreliggande uppfinning även elektrodavståndet. I Figur 2 visas en kurva över hur elektrodavståndet varierar i beroende av vevaxel- vinkelns värde invid kolvens övre dödpunktsläge (ÖDL). Elektrod- avståndet S beror av följande samband: 10 l5 20 25 30 35 449 125 __*""ï_'_'“fi S = r (1 +-% - cos ck - (%)2 - sinzcr ) där r är vevaxelradien, l är vevstakslängden och cc är vevaxel- vinkeln. Nämnda parametrar är definierade i Figur l.

För en motor med r~ae 40 mm och förhållande l/r==3,4 erhålles därvid följande ungefärliga elektrodavstånd inom det vevaxel- vinkelomräde som vid moderna Ottomotorer vanligtvis utnyttjas vid olika motorbelastningar för tändning av gasblandningen innan kolven nått UDL. 3o° före om ca 6,8 mm 25° 4,8 2o° 3.2 15° 1,8 1o° 0,8 5° 0,2 o° o Av tabellvärdena framgår att elektrodavståndet är 0 mm vid kolvens UDL, något som självfallet enkelt kan undvikas genom att elektroderna utformas så att de överlappar varandra med visst avstånd i ett vevaxelvinkelområde invid exempelvis i 50 kolvens öDL. Genom en dylik överlappning reduceras även elekt- rodavstândet vid övriga vevaxelvinkelvärden som sålunda utan att förhållandet l/r behöver påverkas kan justeras till för gnistbildningen lämpliga värden.

Figurerna 3a och b visar hur tändspänningen beror av elektrod- avståndet respektive motorbelastningen. Vid i övrigt oföränd- rade förhållanden avseende motorvarvtal, motorbelastning, bränsleluftförhâllande m m krävs en högre tändspänning för att gnistbildning skall ske ju större avstånd som råder mellan elekt- roderna. Som framgår av Figur 3a är sambandet i huvudsak lin- järt. 10 15 20 25 30 35 449 125 På motsvarande sätt visar Figur 3b hur tändspänningsbehovet för säker gnistbildning ökar väsentligen linjärt med ökad motorbe- lastning vid i övrigt oförändrade villkor inkluderande ett fast elektrodavstånd. Den ökade motorbelastningen svarar mot ett hög- re tryck i förbränningsrummet under kompressionstakten och det ökade trycket försvårar gnistbildningen. Vid motorer med fast elektrodavstånd måste därför detta väljas så kort att den möj- ligt genererade tändspänningen säkert förmår utlösa gnistbild- ning. Samtidigt kräver dock motorns drift vid låg belastning ett tillräckligt långt elektrodavstånd för att tändspänningen och där- med gnistenergin skall bli så hög att den vid låg last relativt svârantändliga gasblandningen säkert skall antändas.

Nämnda problem att välja ett lämpligt fast elektrodavstând för- värras ytterligare om motorn är överladdad och sålunda arbetar över ett väsentligt större tryckområde än en sedvanlig sugmotor.

Vid en överladdad motor kan nämligen vid tändningsögonblicket kompressionstrycket vid fullast uppgå till ca 2000 kPa medan det vid en sugmotor vanligtvis endast når ca l500 kPa.

För en överladdad Ottomotor är därför den genom föreliggande upp- finning erhållna metoden att styra gnistbildningen till att in- träffa vid olika elektrodavstând speciellt fördelaktig. Av Figur 4 framgår en heldragen kurvlinje som visar hur tändtidpunkten vid föreliggande uppfinning infaller vid stora elektrodavstând när motorns belastning är låg medan den med successivt ökande motor- belastning styrs till att inträffa vid successivt kortare elektrod- avstând. Avstândets förändring med ändrad motorbelastning kan ge- nom val av lämpligt förhållande mellan vevaxelradien r och vevstaks- längden 1 pâverkas så att gnistbildningen sker vid en tändspänning som uppvisar förhållandevis små variationer över motorns hela be- lastningsomräde. Detta illustreras i Figur 4 av det sektionerade omrâdet mellan två horisontella streckade linjer. Oberoende av motorbelastningen infaller tändspänningen i nämnda område. l0 15 20 30 35 449 1.25 ' Med förhållandevis små tändspänningsvariationer menas därvid variationer som är avsevärt mindre än vad som är fallet vid en sedvanlig Ottomotor med fast elektrodavstând. Vid en dylik motor kan nämligen tändspänningen vid låg last vara i storleks- ordningen 5 kV medan den vid hög last kan uppgå till väsentligt över 20 kV. Skillnaderna relativt ett av nämnda gränser definie- rat medelvärde är med god marginal över 50 procent.

Vid en motor med tudelad tändanordning där det uppfinningsenliga förfarandet tillämpas kan tändspänningens variation däremot hål- las inom_i 20 procent från ett dylikt medelvärde. Därvid bör mo- torn uppvisa ett ovannämnt förhållande l/r mellan 3,3 och 3,8.

Vid en överladdad Ottomotor med förhållandet l/r mellan 3,4 och 3,5 och utrustad med ett kapacitivt tändsystem med tudelad tänd- anordning har tändspänningen med högst 5 kV avvikit från ett me- delvärde 25 kV, d v s varierat mellan 20 och 30 kV. Det har där- vid framkommit att elektrodavståndet vid 250 vevaxelvinkel före UDL med fördel understiger 5,5 mm för att nämnda begränsade tänd- spänningsvariation skall erhållas. Genom att pâ referensmotorer för motortypen ifråga mäta och fastställa tändspänningsbehovet under olika förhållanden såsom dessa representeras av insignaler- na på ledningsknippet 22 till tändpulstriggningsenheten 20 kan sedan pâ de enskilda motorexemplaren den tändtidpunktstyrande da- torn arbeta med inprogrammerade värden på elektrodavständet som medför en väsentligen konstant tändspänning i samtliga drifts- tillstånd.

En viktig fördel är den markant höjda tändspänningen och därmed gnistenergin som vid det uppfinningsenliga förfarandet står till förfogande för gasblandningens antändning vid låg motorbelastning.

Detta möjliggör säker antändning och jämn gång även vid dessa driftstillstând hos motorn. Till skillnad från motorer med fast elektrodavstånd kan sålunda en motor vid vilken uppfinningen tillämpas uppvisa i huvudsak samma tändspänning vid full som vid låg motorbelastning, varigenom väsentligen samma krav ställs pä tändsystemet oberoende av motorns driftstillstând. l0 15 20 25 30 35 449 125 Det föränderliga elektrodavstândet vid en tudelad tändanordning, vilket föreliggande uppfinning utnyttjar, är speciellt fördelak- tigt vid fordonsmotorer utrustade med kapacitiva tändsystem, ef- tersom vid dessa system gnisttiden är mycket kort, vilket accen- tuerar problemet med gasblandningens antändning vid fasta korta elektrodavständ och låg motorbelastning. Tillräcklig mängd av den i förbränningsrummet befintliga gasvolymen har därvid svårighet att komma i kontakt med gnistan. Vid induktiva tändsystem löses detta med att gnistans brinntid förlänges till värden som svâr- ligen kan erhållas vid kapacitiva tändsystem. Genom att variera elektrodavstândet såsom sker vid föreliggande uppfinning kan dock gnistan erhålla större längd vid låga laster då antändningsproble- met är störst. Härigenom kommer större mängd av gasblandningen i kontakt med gnistan vilket resulterar i en säkrare antändning av densamma. Bidragande härtill är även att tändanordningens tudel- ning medger en placering och utformning av tändstifts- respektive masselektroden som innebär att gnistbildningen kan ske centralt i förbränningsrummet, vilket ytterligare underlättar gasblandningens beröring med gnistan.

Med det uppfinningsenliga förfarandet följer även fördelen att tändstiftet vid den tudelade tändanordningen endast innehåller en centrumelektrod. För att isolera denna relativt godset krävs en isolator och möjligheterna att göra denna effektiv och hållbar i den i förbränningsrummet inskjutande änden ökar väsentligt när tändstiftet ej uppbär någon masselektrod. De höga tändspänningarna - i vissa fall upp emot 40 kV - vid ett kapacitivt tändsystem kan därmed säkert överföras genom nämnda tändstift.

Inom ramen för efterföljande patentkrav kan uppfinningen modifie- ras på ett flertal sätt, bl a genom att tändtidpunkten styres så att tändspänningen varierar inom nämnda förhållandevis snäva grän- ser över ett motorbelastningsområde som inte omfattar tomgångs- last och/eller andra speciella belastningsfall såsom exempelvis omrâdet kring full motorbelastning. I dessa uteslutna belastnings- fall kan tändspänningsnivâer utanför gränserna tillåtas utan att föreliggande uppfinningstanke kan anses frångången.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 449 125 P A T E N T K R A V

1. Förfarande för styrning av gnisttändning av en bränsie- iuftbiandning innesiuten i en Ottomotors förbränningsrum (2), viiken motor är utrustad med ett tändspänningsgenererande tändsystem (11) innefattande minst en för gnisttändning i varje förbränningsrum fast anordnad tändstiftseiektrod (13) samt en därmed samverkande rörïig och med motorkoiven (3) ifråga fast förenad masseiektrod (14), k ä n n e t e c k n a t av att för varje motorvarvtaï genereras tändspänning för gnistbiidning vid en första tändtidpunkt, som vid ett första motorbeiastningsvärde motsvarar ett första eiektrodavstånd, medan vid ett andra motorbeïastningsvärde, som är högre än det första, tändspänning genereras vid en andra tändtidpunkt, som motsvarar ett andra eiektrodavstând kortare än det första, varvid över väsentiigen heia beiastningsområdet för motorn tändtidpunkten styres så att tändspänningsnivån för gnist- biïdning, viïken på i och för sig känt sätt beror av motor- beïastningen och eïektrodavståndet, varierar inom förhâlï- andevis snäva gränser.

2. Förfarande enïigt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att tändtidpunkten styres så att tändspänningen i huvud- sak varierar med mindre än 20 procent kring ett av gränserna definierat medeivärde.

3. Förfarande eniigt patentkraven 1 eiier 2, k ä n n e- t e c k n a t av att motorn har ett förhâiiande me11an vevstaksiängden (1) och vevaxeïradien (r) som faiier inom värdena 3,3 och 3,8.

4. Förfarande enligt patentkraven 1, 2 eïïer 3, k ä n n e- t e c k n a t av att tändtidpunkten styres så att tänd- spänningen i huvudsak varierar inom gränserna 20 kV respek- tive 30 kV. 10 449 125 10

5. Förfarande enhgt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t av att tändsystemet (11) är av kapacitiv typ och förhållandet meïïan vevstaksïängden (1) och vevaxeïradien (r) är me11an 3,4 och 3,5.

6. Förfarande enïígt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t av att eïektrodavstândet vid 25 vevaxeïvinkeïgrader före koïvens (3) övre dödpunktläge är mindre än 5,5 mm.