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Verfahren und Einrichtung zur Regelung des Zündzeitpunktes für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren die Zündzeitpunktverstellung bei Brennkraftmaschinen
so zu regeln, daß der Maximaldruck wendige Kurbelwinkelgrade nach oberem Totpunkt,
genau am Optimalpunkt, auftritt0 Die günstigste Vorzündung wird allgemein durch
Versuche unter Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebsbedingungen ermittelt.
Die erforderlichen Zündzeitpunktkorrekturen erfolgen gemäß den ermittelten Einflußgrößen
im allgemeinen durch Bliehkraft- und durch Unterdruckversteller.
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selbst kontaktlose Zündzeitnunktgeber sowie bereits bekannte auf nicht
mechanische Weise wirkende Zündzeitpunktversteller können nicht alle wichtigen Einflußgrößen
für die notwendige Vorzündung, wie zOBO die Vergasungsbereitschaft des Kraftstoffes
im
Zusammenhang mit der Verwirbelung berücksichtigen.
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Dieser grundsätzliche Nachteil einer jeden teuereinrichtung läßt sich
nur durch eine Regelung beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zündung so durch eine
Regeleinrichtung in Digitaltechnik mit großer Genauigkeit an dem Punkt der Kurbelwellendrehung
auszulösen, daß bei allen denkbaren Betriebsbedingungen der Maximaldruck am Optimalpunkt,
d.h0 wenige Grade nach oberem Totpunkt, auftritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsg3mäB dadurch gelöst, daß eine der Kurbelwollendrehung
synchrone Impulsreihe (4), beispielsweise durch eine Zahnscheibe (1) und einen berührungslosen
Abtaster (2) erzeugt wird und daß diese Impulse während der Zeit von der Auslösung
der Zündung bzw. des Einspritzens bei selbstzündenden tEschinen, bis zum Erreichen
des Maximaldrucks (14) dieser durch einen Meßfühler (22) am Brennraum erfaßt in
einen Vergleicher (11) geleitet, hier mit einem Sollwert (io), dieser stellt die
Anzahl der Impulse von einem Vorimpuls (7) bis zum Optimalpunkt (9) dar, verglichen
wird und die Differenz in ein Verzögerungsglied (15) gegeben wird, das den Zündimpuls
(17) nach dem Vorimpuls (7) erst dann auslöst, wenn die Summe der vom Vergleicher
übertragenen
und im Verzögerungsglied (15) eingespeicherten Zahl
(12) mit der Zahl der bis dahin aufgenommenen Kurbelwellensynchron-Impulse (13)
übereinstimmt.
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Mit der Erfindung läßt sich der Optimalpunkt mit größter Genauigkeit
trotz unterschiedlicher Betriebsbedingungen einhalten.
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Durch die Erfassung der einzig wichtigen Regelgröße - nämlich dem
Kurbelwinkel vom Zündzeitpunkt bzwc Einspritzbeginn bis zur Ausbildung des maximalen
Verbrennungsdruckes, sind alle meßbaren, und das ist besonders entscheidend, auch
unmeßbaren Parameter, die den Zündverzug verursachen, berücksichtigt.
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Es tritt wegen des Verzichts auf mechanische Stellglieder weder Verschleiß
noch abnutzungsbedingte Veränderung während der gesamten Bebensdauer der Maschine
auf.
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Die exakte Einhaltung des günstigsten Zündzeitpunktes auch über eine
lange Betriebszeit, wird durch die Erfindung ermöglicht, und ist für die Einhaltung
der gesetzlichen Abgasbestimmungen unbedingt erforderlich. Der Oktanzahlbedarf kann
bei sonst gleichen Maschinendaten herabgesetzt werden, weil Klopfen, insbesondere
das Hochgeschwindigkeitsklopfen infolge von zuviel Frühzündung nahezu ausgeschlossen
ist.
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Nach dem Kaltstart während der Warmlaufphase ist, umd die Zündfähigkeit
zu erhalten, eine starke Kraftstoffanreicherung des Gemisches erforderlich.
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Da ein mageres Gemisch wesentlich langsamer verbrennt, kann der zeitliche
Zündverzug als Meßgröße für die erforderliche Gemischkorrektur dienen.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Zeit von der Auslösung
der Zündung bis zum Erreichen des Maximaldruckes gemessen, indem die durch ein Zeitglied
(23) in gleichmäßigen zeitlichen Abständen erzeugten Impulse (24) während dieser
Zeit in das Zählwerk eines Vergleichers (25) geleitet und hier mit einer aus dem
jeweiligen Betriebszustand, vorzugsweise dem Saugrohrunterdruck, abgeleiteten Sollgröße
verglichen wird, um bei Abweichungen digitale oder auch analoge Stellsignale für
eine Gemischkorrekturvorrichtung (28) auszugeben.
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Gerätemäßig ist nur ein Zeitgeber, ein Meßgrößenaufnehmer und ein
Vergleicher zusätzlich erforderlich0 Stellglieder, die die Kraftstoffanreicherung
bewirken, vorzugsweise in der Art von Magnetventilen, sind allgemein bekannte Der
besondere Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß die Kraftstoffanreicherung
auf ein absolutes Minimum beschränkt wird. Es wird nicht nur die
Schadstoffemiesion
herabgesetzt, sondern auch der Verschleiß der Maschine während der kritischen Warmlaufphase.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht.
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Es zeigen: Figur 1: Eine Prinzipdarstellung, wie die Regelung erfolgt,
Figur 2: eine schematische Darstellung der digitalelektronischen Zündzeitpunktregelung.
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Mit Hilfe einer mit der Kurbelwelle umlaufenden Zahnscheibe (1) und
einem berührungslosen Abtaster (2) werden mit fotoelektrischen oder magnetischen
Mitteln mit Hilfe eines Impulsformers (3) kurbelwellensynchrone Impulse (4) erzeugt
und in die weitere Einrichtung eingegeben.
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Von einer Steuerscheibe (5), die bei einem Viertaktmotor vorzugsweise
nockenwellensynchron umläuft und einem dazugehörigen Abtaster (6) wird ein Vorimpuls
(7) erzeugt.
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Der Auslösepunkt (8) liegt noch vor dem frühesten Zündzeitpunkt. Vom
Auslösepunkt bis zum Optimalpunkt (O.P.) (9) liegen eine genau zu bestimmende Anzahl
von Impulsen (NK) (1o).
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Diese Konstante ist im Vergleicher 11 eingespeichert.
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Bei Betrachtung der Fig. 1 sei angenommen, der Auslösepunkt liegt
700 vor O.To und der Optimalpunkt bei 15° nach O0To, diese Konstante (je Grad ein
Impuls) beträgt dann 85 (Impulse).
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Die Zündung erfolgt aufgrund der vorhergehenden Berechnung nach einer
Verzögerung (NV) 12 vom 39 Impuls sen. Vom Zündimpuls ausgelöst, wird der Zündverzug
NZV) 13 gezählt und zwar bis zum Punkt des Maximaldruckes 14. NZV beträgt angenommen
51 Impulse. Im Vergleicher 11 wird MZV von NK subtrahiert und das Ergebnis in das
Verzögerungsglied 15 gegeben.
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NK NZV = N'V = 85 - 51 = 34a Beim nächsten Umlauf erfolgt die Zündung
also nach 34 Impulsen und wenn die Verbrennungsbedingungen sich nicht weentlich
geändert haben, tritt nah weiteren 51 Impulsen der Maximaldruck am Optimalpunkt,
nämlich bei 74 + 51 = 85 Impulsen nach Vorimpuls auf.
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In der Figur 2 ist der Abtaster 6 so dargestellt, als ob es sich m
eine Gabellichtschranke handelt, messen Signal 7 ein Gatter 16 fiir die Synchronimpulse
4 öffnet. Wf t einer Vielzahl von anderen Anordnungen läßt sich der gleiche Effekt
erreichen, zO3. durch zwei Marken. Von der ersten TT1arke wird
gleichzeitig
mit dem Vorimpuls ein Flipflop gesetzt, um von der zweiten Marke, etwa bei O.T0,
wieder gelöscht zu werden. Diese Idarken können auch an der Zahnscheibe 1 mit dem
Vorteil größerer Genauigkeit angebracht sein, dann jedoch muß die Impulsauslösung
bei jedem zweiten Umlauf (Viertaktmotor) ausgeschaltet %» werden.
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Für diese Schalter können ohne Nachteil auch mechanische Kontakte,
ähnlich der üblichen Zündkontakte, verwendet werden. Dadurch, daß zOBO für jeden
Zylinder ein besonderer Kontakt verwendet wird, brauchen die wesentlichsten Bauteile
der Einrichtung nur einfach ausgeführt weiden. Die bekannten Schaltungenauigkeiten
der mechanischen Kontakte brauchen nur soweit benicksichtigt zu werden, daß rechzeitig,
aber mit großzügiger Toleranz vor dem Vorimpuls die Umschal tung erfolgt. Vorteilhafterweise
kann diese Kontaktanordnung mit dem bewährten Zündverteiler zusammengebaut werden.
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In der Zeichnung ist die Einrichtung der Übersichtlichkeit wegen nur
für eine Einzylinder-Maschine dargestellt. Die Anwendung für mehrzylindrige Maschinen
versteht sich von selbst.
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Es genügt beispielsweise nur einen Zylinder mit der Vergleicher-Baugruppe
zu versehen. In diesem Falle wird lediglich für jeden weiteren Zylinder ein seperates
Verzögerungsglied benötigt, welches der Zündfolge
entsprechend,
einzeln abgefragt wird. Die Verzögerungszahl NV wird vom Vergleicher gleichzeitig
an alle Verzögerer übertragen0 Durch das geöffnete Gaater (16) gelangen die kurbelwellensynohronen
Impulse (4) zum Verzögerungsglied (15).
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Hier wird von der vom Vergleicher (11) übertragenen Zahl (NV) abgezählt,
um beim Zählerstand 0 den Zündimpuls (17) auszugeben. Dieser Zündimpuls setzt gleichzeitig
ein Flipflop (18), so daß die Kurbelwellensynchronimpulse (4) über das Gatter (19)
in den Vergleicher (11) einlaufen können, um von der fest eingespeicherten Konstanten
rückwärts zu zählen, jedoch nur solange, bis das Flipflop (18) durch einen Stopimpuls
gelöscht wird. Das Ergebnis dieser Subtraktion wird, ausgelöst durch den Stopimpuls
(20), in das Verzögerungsglied (1 5) übertragen. Der Stopimpuls wird beim Durchlauf
des truckscheitels vom Auswerteglied des Brenniurekraumdruckes (21) ausgegeben.
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Der Druck im Brennraum wird durch Druckfühler (22) erfaßte Bestens
geeignet sind piezo-elektrische Druckaufnehmer aus Quarz. Auch andere Druckaufnehmer,
die nach dem Prinzip der Dehnungsmessung oder nach dem Prinzip der Erfassung von
Abstandsänderung konstruiert sind oder Inagneto-elastische Aufnehmer können verwendet
werden. Diese Aufnehmer brauchen nicht mit großer Genauigkeit den absoluten Druckverlauf
auszunehmen, sondern lediglich den relativen Verlauf, d.h0
sie
können verhältnismäßig einfach und billig gebaut sein, vorteilhafterweise als Baueinheit
mit der Zündkerze.
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Die Ausgestaltung der erfindung zur Korrektur des Kraftstoffluftgemisches
ist in der schematischen Zeichnung Figo 2 im gestrichelten Kästchen (21) dargestellt.
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Solange das Flipflop (18) gesetzt ist, gemäß der vorhergehenden Beschreibung,
während der Zeit vom Zündimpuls bis zum Stopimpuls, wird auch das Gatter (22) geöffnet,
damit die vom Zeitgeber (23) in gleichmäßigen zeitlichen Abständen erzeugten Impulse
(24) in den Vergleicher (25) einlaufen können. Die Anzahl dieser Impulse ist der
Zündverzugszeit proportional, sie stellt die Regelgröße dar.
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Die Zündverzugszeit ist nur im geringen Maße von der jeweiligen Drehzahl
abhängig, viel mehr noch von der Füllung und vom Mischungsverhältnis. Die Füllung
läßt sich relativ genau am Saugrohrunterdruck ablesen.
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Bei den üblichen Unterdruckverstellern wird dieser Effekt ausgenutzt,
den Zündzeitpunkt soweit er von der Füllung abhängig ist, vom unterschiedlichen
Unterdruck verstellen zu lassen.
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Nach der Erfindung wird zwar auch der Saugrohrunterdruck durch einen
Meßfühler (26), vorzugweise eine
Unterdruckdose, erfaBt, aber die
Wirkungsrichtung wird umgekehrt. Die Meßgröße wird durch einen Analog-Digital-lTmsetzer
(27) entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie als Sollwert dem Vergleicher (25)
zugeführt.
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Es können ebenso gut die Zündverzugszeitimpulse digital-analog umgesetzt
werden, um mit dem analog vorliegenden Signal-Saugrohrunterdruck verglichen zu werden.
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Ergibt dieser Vergleich, daß der seitliche Zündverzug größer ist als
der Sollwert bedeutet das, daß das Kraftstoffluftgemisch (zumindest an der Zündkerze)
zu mager oder zu fett ist.
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Die Entscheidung, ob das vom Vergleicher auszugebende Stellsignal
eine Kraftstoffanreicherung oder Abmagerung am Stellglied (28) bewirken soll, wird
von einem Temperaturfühler (29) abhängig gemacht.
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Ist die maschine kalt, erfolgt Anreicherung, ist sie warm, erfolgt
Abmagerung.
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Das gesamte Verfahren und die beschriebenen Einrichtungen lassen sich
sinngemäß auch für Brennkraftmaschinen mit Selbstzündugg anwenden, Es wird lediglich
anstelle des Zündimpulses ein Verstellsignal an den Stellantrieb des Spritzverstellers
gegeben, der den Spritzbeginn durch Verdrehen der Einspritpumpenwelle gegenüber
der Antriebswelle gerzäß der gemessenen Zündverzugszeit und der daraus wie beim
Züudverfahren abgeleiteten Verzögerung regelt. Der Einspritzbeginn ist an der Einspritzpumpenwelle
markiert und dem Zündimouls gleichzusetzen Auch die In der Ausbildung der Erfindung
beschriebene Zündverzugszeitregelung durch Korrektur des fraftstoffluftgemisches,
läßt sich sinngemäß auch auf Maschinen mit Selbstzündung anwenden. Die nach dem
beschriebenen Verfahren gemessene und dem Vergleicher 25 zug-führte I(raftstoffmenge,
diese leicht an der Einspritzpumpe abzugreifen, als CSollgröße verglichen.
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Die festgestellten abweichungen bewirken die Ausgabe von Stellsignalen
an Stellglieder, die in der Lage sind, die Zündverzugszeit zu verringern0 Gedacht
ist dabei an solche Vorrichtungen, die nur deshalb nicht ständig wirksam seln können,
weil
sie im normalen Betriebszustand stören würden.
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Es sind vielfaltige Maßnahmen bekannt, die die Zündverzugszeit verringern,
z.B. Ansaugluftvorwärmung, Verdichtungserhöhung durch Verkleinerung einer variablen
Vorkammer oder Veränderung des Einspritzdruckes im Zusanimenhang mit einer Drosseldüse.