DE2824472C3

DE2824472C3 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung

Info

Publication number: DE2824472C3
Application number: DE2824472A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Stamm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-06-03
Filing date: 1978-06-03
Publication date: 1981-08-06
Also published as: US4261315A; DE2824472B2; DE2824472A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Art. In erster Linie ist dabei an ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gedacht.

Betrachtet man zur anschaulichen Darstellung der Grundlagen der Erfindung diesen bevorzugten Einsatzfall, also die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, so erfolgt die Einstellung der drei den Betrieb der Maschine bestimmenden Größen, nämlich Luftzahl λ, Füllung bzw. Durchsatz Qi durch die Ansaugleitung und Zündzeitpunkt bzw. Zündwinkel <x„ dadurch, daß der Fahrer das als Beschleunigungshebel dienende Gaspedal betätigt. In Abgängigkeit von der also durch Betätigen des Gaspedals gleichzeitig erfolgenden Einstellung dieser drei wesentlichen Einflußgrößen der Brennkraftmaschine gibt diese also ein bestimmtes Drehmoment Md bei einer bestimmten Drehzahl η ab. Übliche Brennkraftmaschinen erfordern daher eine Abstimmung in der Weise, daß bei jeder Stellung des Gaspedals eine optimale Gruppierung der Werte von Luftzahl, Füllung und Zündzeitpunkt vorliegt.

Diese Abstimmung ist aus verschiedenen Gründen schwierig bzw. kann aus verschiedenen Gründen zumindest nicht für alle Arbeitsbereiche — Leerlauf, Teillast, Vollast — der Brennkraftmaschine optimal erfolgen. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß diese Abstimmung der Maschine nicht nur auf die Erzielung besonders hoher abzugebender Drehmomente getroffen werden darf, sondern daß aus Gründen des Umweltschutzes dafür gesorgt werden muß, daß trotz unterschiedlicher Schadstoffanteile in den Abgasen der Maschine in den verschiedenen Arbeitsbereichen die Schadstoffanteile bei allen Betriebsarten der Maschine begrenzt sein müssen. Eine diesen Umstand berücksichtigende Abstimmung der Brennkraftmaschine ist aber durch die übliche Kopplung der drei Einflußgrößen Luftzahl, Füllung und Zündzeitpunkt in der beschriebenen Weise nicht zu erreichen, da so auf die einzelnen Arbeitsbereiche der Maschine abgestellte Maßnahmen nicht getroffen werden konnten.

Aus der DE-OS 2CK5 874 ist es für den Sonderfall einer Brennkraftmaschine mit Vorkammer bekannt, den gesamten Gaspedalweg gleichsam in zwei Bereiche zu unterteilen, wobei in einem ersten Bereich kleiner Bremslasten nur eine Füllungsregelung, dagegen in einem zweiten Bereich höherer Bremslasten nur eine Mischungsregelung erfolgt. Hier findet sich also zwar eine Entkopplung zwischen Arbeitsbereichen der Maschine sowie zwischen Füllungsregelung und Regelung der Luftzahl, aber dieser Stand der Technik ist beschränkt auf eine Brennkraftmaschine mit Vorkammer, da sich über den Zündzeitpunkt keine Angaben finden. Die Frage der Einstellung des Zündzeitpunkts hat aber gerade bei modernen Brennkraftmaschinen mit hoher Luftzahl λ (also magerem Gemisch) besondere Bedeutung.

Auch die US-PS 31 95 529 beschreibt eine Unterteilung des Betriebsbereit der Brennkraftmaschine in

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zwei Arbeitsbereiche, wobei aber nicht eindeutig aus zwischen den Punkten .4 und B, einen mittleren

dieser Druckschrift hervorgeht, ob es sich um zwei Arbeitsbereich II zwischen den Punkten 5 und C und

Bremslast- bzw. Drehmomentbereiche oder um zwei schließlich einen oberen Arbeitsbereich III zwischen

Drehzahlbereiche handeln soll. In einem ersten dieser den Punkten C und D. Erfindungsgemäß wird die

beiden Bereiche, der Leerlaufbetrieb und Fletrieb mit 5 eingangs beschriebene Entkopplung dadurch erreicht,

niedrigen Bremslasten umfaßt, erfolgt bei geschlossener daß, wie auch in den einzelnen Bereichen des

Drosselklappe nur eine Änderung des Zündzeitpunkts Diagramms nach Fig.4 angegeben, in dem ersten

im Sinne eines Vorziehens desselben, während im Arbeitsbereich I nur eine Änderung des Zündwinkels \,

zweiten Arbeitsbereich Änderungen sowohl der Füllung vorgenommen wird, also das abgegebene Drehmoment

als auch des Zündzeitpunkts vorgenommen werden. 10 nur eine Funktion des Zündwinkels ist, hierbei sind

Aussagen über etwaige Änderungen der Luftzahl fehlen. sowohl die Füllung Ql als auch die Luftzahl λ konstant.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Außerdem ist in diesem Arbeitsbereich wie auch in den Verfahren der im Oberbegriff des Hauptanspruchs beiden anderen Arbeitsbereichen der Fall einer genannten, aus der genannten DE-OS 20 45 874 konstanten Drehzahl η der Brennkraftmaschine bebekannten Art anzugeben, bei dem trotz Einstellung der 15 trachtet Die Zusammenhänge gelten selbstverständlich drei Einflußgrößen Laftzahl, Füllung und Zündzeitpunkt für alle auftretenden Drehzahlen. Für Arbeitsbereich I (bzw. Zündwinkel) von einem einzigen Hebel, nämlich ergibt sich beim Obergang vom Punkt A zum Punkt B dem Beschleunigungshebel (Gaspedal), her die zur also gemäß dem Diagramm nach F i g. 2 ein Durchlaufen Optimierung der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine des ansteigenden Astes der dort dargestellten Kurve bei ihren verschiedenen Betriebsarten erforderliche 20 vom Punkt A zum Maximalwert B, während in den Entkopplung dieser Arbeitsbereiche und demgemäß Kurven der Fig. 1 und 3 Punkt Bidentisch mit Punkt A auch eine Entkopplung der drei genannten Einflußgrö- ist.
ßen sichergestellt ist. Wird zur Erzielung eines größeren abgegebenen

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist Drehmoments das Gaspedal weiter verstellt, so wird der

gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptan- 25 mittlere Arbeitsbereich II zwischen den Punkten B und

Spruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs- C durchlaufen. Hier sind — außer der Drehzahl —

gemäßen Verfahrens sowie Anordnungen zur Durch- sowohl die Luftzahl als auch der Zündwinkel konstant,

führung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteran- so daß das abgegebene Drehmoment lediglich eine

spräche. Funktion der Füllung Qi ist. In dem Diagramm nach

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens 30 Fig. 1 wird die dort wiedergegebene Gerade also vom

sind in den Figuren 1, 2 und 3 typische Kurven Punkt S zum Punkt C durchlaufen. Dagegen bleibt der

dargestellt, die die Abhängigkeit des relativen Drehmo- Zündzeitpunkt gewahrt, so daß der Maximalwert der

" f ^ ^FJ ^{2 h} ^bih i d d

gg

ments "' vom Luftdurchsatz (bzw. der Füllung) Q₁ f^u _f ^rve "^ ^FJ ^g"^{2 au}.^ch "^bezeichnet ist, und an der

M_dmax ^v ^b> ^ Luftzahl λ hat sich nichts geändert, so daß ihr

bzw. vom Zündzeitpunkt <x, bzw. von der Lufuahl λ y₃ Maximalwert in Fig. 3 ebenfalls die Bezeichnung C

angeben. Der Pfeil an der Abszisse der F i g. 2 bezieht trägt.

sich auf eine Verstellung des Zündzeitpunkts in In dem oberen Arbeitsbereich III werden dagegen

Richtung Frühzündung. sowohl die Füllung als auch der Zündwinkel konstant

Man erkennt, daß eine Verstellung der Drosselklappe gehalten (mit Einschränkungen, auf die noch eingegan-

und damit eine Vergrößerung der Füllung, ausgehend 40 gen wird), so daß das abgegebene Drehmoment eine

vom Leerlaufpunkt A bis zum Punkt C (maximal Funktion allein der Luftzahl λ ist. Jetzt wird also die

geöffnete Drosselklappe), eine lineare Steigerung des Kurve in Fig. 3 von ihrem Maximalwert C zu ihrem

abgegebenen Drehmoments zur Folge hat. Extremwert D durchlaufen, während die bereits für

An dieser Stelle sei eingefügt, daß in den Diagrammen Punkt C geltenden Kurvenwerte in den Fig. 1 und 2

der Fig. 1, 2 und 3 einzelne Punkte mit mehreren 45 erhalten bleiben.

großen Buchstaben bezeichnet sind. Dies geschieht, um Demgemäß liegt eine Entkopplung sowohl der drei

einen anschaulichen Zusammenhang zu der noch zu wesentlichen Arbeitsbereiche — Leerlauf, Teillast,

erläuternden Darstellung der Fig. 4 zu geben. Vollast — der Brennkraftmaschine als auch der

Einen grundsätzlich anderen Verlauf haben die Änderung ihrer Einflußgrößen vor, die es ermöglicht,

Kurven nach den F i g. 2 und 3. Beiden Kurven 50 eine Optimierung der Verhältnisse in den einzelnen

gemeinsam ist ein Maximalwert B bzw. D. Außerdem Arbeitsbereichen vorzunehmen.

bewegt sich der Betriebspunkt hinsichtlich des Zünd- Ein weiterer bedeutsamer Vorteil des erfindungsge-

zcitpunkts (siehe Fig. 2), ausgehend von einem relativ mäßen Verfahrens liegt in der weitgehenden Unabhän-

späten Zündzeitpunkt im Leerlaufbetrieb A, auf der gigkeit von Toleranzen und zeitlichen Änderungen von

ansteigenden Flanke der gekrümmten Kurve, während 55 Toleranzen.

die Luftzahl λ, ausgehend von einem sehr großen, nahe Es war bei der Diskussion der Verhältnisse im

der Laufgrenze des Motors liegenden Wert A, auf der Arbeitsbereich III bereits angedeutet worden, daß in

abfallenden Flanke der Kurve der F i g. 3 bis zu einem diesem Bereich auch in einem gewissen Maße eine

Maximalwert Dsteigt. Änderung des Zündzeitpunkts oc_z erfolgen kann. Diese

Erfindungsgemäß wird nun der gesamte Betriebsbe- 60 Änderung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren

reich der Brennkraftmaschine in drei Arbeitsbereiche jedoch beschränkt auf eine Änderung zur Vermeidung

unterteilt und in jedem dieser Bereiche nur eine der drei des Klopfens, also eines sekundären Effekts. Die

in den F i g. 1 bis 3 behandelten Einflußgrößen durch Änderung des Zündzeitpunkts im oberen Arbeitsbe-

eine Regelung oder Steuerung verändert. Dies veran- reich III ist durchaus nicht grundsätzlich erforderlich,

schaulicht F i g. 4, in der das normierte Drehmoment 65 sondern kann sich dann erübrigen, wenn man mit etwas

-^- über dem normierten Gaspedalweg -ί- aufge- fernerer ^Lu/'£^ahl "^ (^{4 h}· ⁱⁿ ^S;^{4 P}"^nk' ^D _n !ⁿ

Mdmax ^smax Richtung auf Cverschiebt) bzw. die Punkte Cund Din

tragen ist. Man erkennt einen unteren Arbeitsbereich I dem Diagramm nach Fig.4 etwas weiter nach links

verschiebt, d.h. die Füllung verringert. In dem Fig.4 zugrundeliegenden Beispiel ist demgegenüber angenommen, daß zur Berücksichtigung der Klopfgrenze der Zündzeitpunkt etwas in Richtung Spätzündung verschoben wird.

Die erfindungsgemäße Zuordnung der änderung der einzelnen EinFlußgrößen (»selektive Einflußgrößensteuerung«) zu den einzelnen Arbeitsbereichen trägt dem Verlauf der in den Fig. 1,2 und 3 wiedergegebenen Kurven also Rechnung: Im unteren Arbeitsbereich 1 wird der starke Einfluß einer Zündzeitpunktverstellung auf das abgegebene Drehmoment ausgenutzt, wobei der Luftdurchsatz gegenüber den heute üblichen Werten etwas erhöht ist, während die Anfettung im oberen Arbeitsbereich III gegenüber der im mittleren Bereich Il vorliegenden Luftzahl λ dem Umstand Rechnung trägt, daß gemäß der Kurve nach F i g. 1 auch bei voll geöffneter Drosselklappe das maximale Drehmoment nicht erreicht ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Anordnung wird im folgenden anhand der F i g. 5 und 6 erläutert. Die einzelnen Teile der Schaltung gemäß F i g. 6 können als Bausteine angegeben werden, da sie handelsüblich sind.

Betrachtet man zunächst F i g. 5, so ist ein übliches Ansaugsystem 1 mit Drosselklappe 2 und einem zu einem Brennraum führendes Saugrohr 3 angedeutet. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt gemäß dem Pfeil 4 in diesem Ausführungsbeispiel über Kraftstoff-Einspritzventile 5, die in ein Saugrohr, direkt in die Brennräume oder in einen Vergaser einspritzen können.

Die Veränderung der drei Einflußgrößen Luftdurchsatz. Zündzeitpunkt und Lufl/ahl erfolgt mittels des Gaspedals 6. das bei 7 schwenkbai gelagert ist. ihm ist die Rückzugsfeder 8 zugeordnet, die in der ligur das Gaspedal 6 im Uhrzeigersinn um die Lagerung 7 /u schwenken sucht. Bei 9 ist ein Potentiometer angedeutet, das bei Bewegungen des Gaspedals 6 mechanisch verstellt wird und damit ein elektrisches Signal ρ an die noch zu beschreibende, in F i g. b dargestellte Schallung abgibt, das im folgenden auch als Hebelstcllungssignal bezeichnet wird.

Das Gaspedal steht mit der Drosselklappenwelle 10. mit der die Drosselklappe 2 drehfest verbunden ist. über die Stange 11 sowie einen Freilauf in Verbindung, der gebildet ist durch den axial unverschieblich auf der Stange 11 sitzenden Anschlag 12 und den Gegenanschlag 13 an dem schwenkfest mit der Drosselklappenwelle 10 verbundenen Arm 14. In der dargestellten Leerlaufs'.ellung von Drosselklappe 2 und Gaspedal 6 stehen sich die beiden Anschläge 112 und 13 mit einem Abstand gegenüber, der dem dem Arbeitsbereich ! (F i g. 4) entsprechenden Teil des Gaspedalwegs s entspricht. Das bedeutet, daß bei Bewegung des Gaspedals 6 aus der gezeichneten Leerlaufsteilung heraus entgegen der Wirkung der Rückzugsfeder 8 zwar sofort ein die jeweilige Stellung des Gaspedals wiedergebendes Hebelstellungssignal ρ an die Schaltung nach Fig.6 geliefert wird, aber innerhalb des Arbeitsbereichs I (siehe F i g. 4} die Drosselklappe 2 ihre Leerlaufstellung beibehält.

Erst bei weiterem Bewegen des Gaspedals und Durchfahren des Arbeitsbereichs II nimmt der Anschlag 12 über den Gegenanschlag 13 die Drosselklappe 2 mit. so daß diese im Punkt Cdes Diagramms nach Fig.4 in ihre voll geöffnete Lage geschwenkt ist. Dann kommt der Gegenanschlag 13 zur Auflage an dem ortsfesten Anschlag 15, so daß die Drosselklappenslellung gewahrt bleibt.

Voraussetzung für diese Bewegung ist allerdings, daß die Rückzugsfeder 16 für die Drosselklappe schwächer ist als die Druckfeder 17, über die das Gaspedal 6 bei seiner Bewegung in der Figur entgegen dem Uhrzeigersinn auf die Betätigungsstange 11 enwirkt. Diese Feder 17 wird nun nach Erreichen des Diagrammpunkts C in Fig.4 wirksam, denn sie gestattet gleichsam eine

ίο kick-down-Betätigung des Gaspedals 6 auch bei Abstützung des Gegenanschlags 13 durch den Anschlag 15. Diese weitere Bewegung des Gaspedals 6 ist erforderlich, damit auch innerhalb des Arbeitsbereichs III durch das Potentiometer Hebelstellungssignale Pan

\<j die nun zu beschreibende Schaltung nach Fig. b abgegeben werden.

Das erläuterte Hebelsteliungssignal ρ gelangt — nach Aufbereitung — an Eingänge der beiden Speicher 18 und 19, von denen der Speicher 18 als Zündwinkelspei-

2(i eher den Verlauf des Zündwinkels n., in Abhängigkeit von der Drehzahl η und dem Hebelslellungssignal p. dagegen der Speicher 19 die Abhängigkeit der Kraftstoff-Einspritzdauer (von der Drehzahl π und dem Hebelstellungssignal ρ gespeichert enthält. Beiden

2^r> Speichern 18 und 19 wird demgemäß ein in an sich bekannter Weise gewonnenes Drehzahlsignal /; zugeführt, und sie geben dann an nachgeschaltete Einrichtungen elektrische Signale ab. die hier der Einfachheit halber mit \, bzw. ι bezeichnet sind und Informationen

j{i über den jeweils einzustellenden Zündzeitpunkt bzw. die jeweils einzustellende Betätigungszeit der Kraftstoffeinspritzventile bei dem vorliegenden Wertepaar von η und ρ enthalten Die elektrischen Signale \, gelangen demgemäß /u einer an sich bekannten

j) elektronischen Zündwinkel-Verslelleinrichtung 20. dielektrischen Signale /dagegen zu einem /eitbestimmenden Teil 21 einer ebenfalls an sich bekannten elektronischen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung. Zur Synchronisierung mit der Brennkraftmaschine ist ferner

4(i eine Triggerung erforderlich, die sicherstellt, daß cine bestimmte zeitliche Zuordnung beispielsweise zum oberen Kolbenstellungstotpunkt gewahrt ist. Außer dem Drehzahlgeber 22 ist daher ein Sensor 23 vorgesehen, der an der Schwungscheibe der Maschine

4-> auf induktivem Wege einen Impuls als Triggersignal erzeugt. Dann ist sichergestellt, daß die Signale <x, und / in den nachgeschalteten Einrichtungen 20 und 21 auf einen bestimmten Zeit- bzw. Winkelwert, z. B. 70 vor OT. bezogen werden.

ϊ(ΐ Die Zündwinkelverstellung 20 betätigt nun in üblicher Weise eine Zündeinrichtung 24 bekannten Aufbaus, der ein Zündverteiler 25 nachgeschaltet ist. Entsprechend betätigt die Einspritzvorrichtung 21 die Kraftstoff-Einspritzventile 5.

Die Speicher 18 und 19 können als Digitalspeicher aufgebaut sein. Sie können in diesem Fall als elektronische Raumnocken bezeichnet werden, da sie jeweils den Zusammenhang zwischen drei veränderlichen Größen speichern. Natürlich muß die Speicherung

en der Größen tx, und t so erfolgen, daß der Zündzeitpunkt λ, in den Arbeitsbereichen II und III (hier unter Berücksichtigung der Klopfgrenze) unverändert bleibt während die Betätigungszeit t der Einspritzventile in den Bereichen I und II konstant bleiben muß. Dies

bi ermöglicht es, ein einfach aufgebautes Potentiometer 9. gegebenenfalls mit linearem Widerstandsgang, zur Gewinnung der Hebelstellungssignale pzu verwenden.

Hier/u 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, wobei in einem oberen Arbeitsbereich der Maschine mit hohen Bremslasten eine Mischungsänderung bei konstanter Füllung und in einem sich anschließenden weiteren Arbeitsbereich mit niedrigeren Bremslasten eine Füllungsänderung bei konstanter hoher Luftzahl erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den weiteren Arbeitsbereich als mittleren Arbeitsbereich (II) ein unterer Arbeitsbereich (1) anschließt, der, wie an sich bekannt, niedrige Bremslasten und Leerlauf umfaßt und in dem eine Zündzeitpunktänderung erfolgt, wobei die konstante hohe Luftzah! und eine konstante Füllung vorliegen, die gleich der Füllung am unteren Ende (B) des mittleren Arbeitsbereichs (II) ir,t, in dem der am oberen Ende (B) des unteren Arbeitsbereichs (I) vorliegende Zündzeitpunkt gewahrt bleibt, der im wesentlichen auch im oberen Arbeitsbereich (III) vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Arbeitsbereich (I) eine Zündzeitpunktänderung zwischen einem für den Leerlauf der Maschine optimalen, relativ spaten Zündzeitpunkt und einem demgegenüber frühen Zündzeitpunkt erfolgt, der im Bereich des Maximums der den Zusammenhang zwischen Drehmoment (Md) der Maschine und Zündwinkel (a.,) wiedergebenden Kurve liegt.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Beschleunigungshebel (6), insbesondere einem Gaspedal, ein Signalgeber (9) zur Erzeugung die jeweilige Hebelstellung wiedergebender elektrischer Signale gekoppelt ist, daß ferner ein Drehzahlsignalgeber (22) vorhanden ist und die Signalausgänge beider Geber (9, 22) mit Abfrageeingängen von zwei Speichern (18, 19) verbunden sind, von denen ein Speicher (18) den Zusammenhang zwischen einer den Zündzeitpunkt bzw. Zündwinkel (α.*) wiedergebenden elektrischen Größe einerseits sowie Drehzahl (n) und Hebelstellungssignal (p) andererseits speichert, während der andere Speicher (19) den Zusammenhang zwischen einer die Luftzahl (λ) bestimmenden elektrischen Größe einerseits sowie Drehzahl (n) und Hebelstellungssignal (p) andererseits speichert.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (23) zur Erzeugung zeitlicher bzw. winkelmäßiger Zuordnungssignale vorhanden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Luftzahl (A) bestimmende elektrische Größe die Öffnungszeit (t) von KraftstoT-Einspritzveniilen (5) bestimmt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselklappe (2) mit dem Beschleunigungshebel (6) über einen ihre Verstellung im unteren Arbeitsbereich (I) ausschließenden 1-reilauf (12, 13) und eine Feder (17) in Verbindung steht und am oberen Ende (C) des mittleren Arbeitsbereichs (II) auf einem weitere Bewegungen in derselben Richtung verhindernden Anschlag (15) aufliegt, während dann der Beschleunigungshebel (6) gegen die Wirkung der Feder (17) weiter verstellbar ist.