DE2601871A1

DE2601871A1 - Verfahren zur steuerung des verbrennungsablaufes eines fremdgezuendeten verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2601871A1
Application number: DE19762601871
Authority: DE
Inventors: Thomas Tsoi-Hei Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1976-08-05
Also published as: GB1491622A; DE2601871C2

Description

Z/DR-2 Sp uk

P atentanm eldung

Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten

Verbrennungsmotors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors.

Bisher war es bekannt, eine Ionisierungssonde zur Untersuchung der Verbrennung sabl auf e in Verbrennungsmotoren zu verwenden. Die bei solchen Untersuchungen festgestellten Verbrennungsabläuft wurden systematisch erfaßt, in ihren Auswirkungen studiert und bei der späteren Festlegung eir$er Parameter eines Verbrennungsmotors entsprechend berücksichtigt.

Die auf diese Weise für einen Verbrennungsmotor festgelegten Parameter stellten hierbei im Hinblick auf die unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors stets einen mehr oder weniger glücklichen Kompromiß dar.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die durch eine Ionisierungssonde in einem Verbrennungsmotor festgestellten Verbrennungsabläufe

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unmittelbar bei laufendem Motor zu registrieren, in Bezug zu setzen und zu vergleichen und daraus Hinweise zur zweckentsprechenden Veränderung der Parameter des Verbrennungsmotors bei laufendem Motor zu ziehen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem bei einem Verbrennungsmotor die in den Patentansprüchen aufgezeigten Verfahrens schritte durchgeführt werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Ionisierungssonde im Brennraum eines Verbrennungsmotors an einer von der Zündkerze weitest entfernten Stelle, in der Weise, daß die Ionisierungssonde ein Signal erzeugt, sobald sie von der Flammenfront eines Verbrennungsvorganges erreicht wird, das Verbinden der Ionisierungssonde mit einer elektronischen Zählerschaltung in der Weise, daß während einer bestimmten Anzahl Arbeitstakte bzw während einer bestimmten Zeitspanne durch einen ersten Zähler die innerhalb eines ersten Kurbelwellen winkelsektors festgestellten, die Ionisierungs sonde erreichenden Flammenfronten gezählt werden und darauffolgend durch einen zweiten Zähler die innerhalb eines zweiten Kurbelwellenwinkel Sektors festgestellten, die Ionisierungssonde erreichenden Flammenfronten gezählt werden, das Verbinden der elektronischen Zähler schaltung mit einer elektronischen Teiler schaltung, in der das Zählergebnis des ersten Zählers durch das Zählergebnis des zweiten Zählers geteilt wird und ein diesem Verhältnis proportionales Signal erzeugt wird, das ein Maß für die Verbrennungs-Qualität darstellt und das Verbinden der elektronischen Teiler schaltung mit einer elektronischen Vergleichs-Rückkoppelungsschaltung, in der das Signal für die Verbrennungs-Qualität mit einem vorwählbaren Sollwert verglichen wird und je nach Abweichung davon entsprechende Steuersignale zur Beeinflussung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses, der Zündung bzw der Verwirbelung des Gemisches des Verbrennungsmotors erzeugt werden, wird eine optimale Steuerung des Verbrennungsmotors entweder im Hinblick auf maximale Leistung oder minimale Abgasemission erzielt.

Die Erfindung wird anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Steuersystems näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors von unten,aus der die Anordnung der Ionisierungssonde hervorgeht.

Fig. 2 zeigt eine Ionisierung ssonde, wie sie in Fig. 1 verwendet wird. Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.

Fig. 4 zeigt ein elektronisches Schaltbild für ein in Verbindung mit der Ionisierungs sonde in Fig. 1 zu verwendendes Steuersystem.

Fig. 5 A bis 5 D zeigen Diagramme,aus denen die unterschiedlichen Flammenfrontausbreitungsgrade bei unterschiedlichen Testbedingungen hervorgehen.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm des spezifischen Treibstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors in Bezug auf das erfindungsgemäße Verbrennungs-Qualitäts - Verhältnis.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Flammenfrontausbreitungsgrade bei unterschiedlichem Verbr ennung s-Qualitäts-Verhältnis.

Ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 der herkömmlichen Hubkolbenbauart weist einen Zylinderkopf 19 mit einem Verbrennungsraum 11 auf, in dem Einlaß- und Auslaßventile 12 und 13 angeordnet sind. Die Zündkerze ist bei 14 angeordnet. Eine Ionisierung ssonde 15 erstreckt sich durch eine Bohrung 16 im Zylinderkopf 19 bis in den Verbrennungsraum 11 und zwar an einer der Zündkerze 14 weitest entfernten Stelle. Der Durchtritt der Ionisierung ssonde 15 durch die Bohrung 16 kann z. B. über einen Kleber 25 abgedichtet sein.

Die Ionisierungssonde 15 besteht aus zwei Elektroden, die in einem keramischen

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Röhrchen von 2, 5 mm Durchmesser angeordnet sind. Ein Spannungspotential von etwa 300 Volt wird über die Leiter 17 und 18 und über einen 10 MSi Widerstand angelegt. Das Signal der Ionisierungssonde 15 wird hierbei von der Verbindungsstelle des Widerstandes mit einem der Leiter abgenommen. Normalerweise findet hierbei in der Ionisierung β sonde 15 kein Stromfluß statt. Sobald jedoch eine Flammenfront die Ionisierungssonde 15 erreicht, fällt der Widerstand zwischen den beiden Elektroden infolge der Ionisierung der Gase ab und es fließt ein Strom durch die Ionisierungs sonde, wodurch das Spannungspotential von etwa 300 Volt auf einen niedrigeren Wert abfällt.

Vorzugsweise wird im Verbrennungsraum eines jeden Zylinders eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors eine Ionisierungs sonde 15 wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, angeordnet.

In Fig. 4 ist die Verbindung der lonisierungssonde mit dem er fin dung «gemäßen Steuersystem gezeigt. Das Signal der Ionisierungs sonde 15 wird über eine Leitung 20 zu einem Eingang 1 und einem Eingang 2 geführt. Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern werden die jeweils in den Zylindern angeordneten Ionisierungssonden mit der Leitung 20 parallel geschaltet, so daß die Eingänge 1 und 2 alle Signale des Flammenfrontausbreitungsgrades von allen Zylindern erhalten.

Eine Zeitsteuer scheibe 21 ist mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden und liefert über einen entsprechenden Umsetzer ein Zeitsteuer signal über eine Leitung 22 zum Einlaß 1, um diesen Einlaß 45 vor dem oberen Totpunkt zu öffnen und 45 nach dem oberen Totpunkt zu schließen·.

In ähnlicher Weise wird ein Zeitsteuer signal über eine Leitung 23 zum Einlaß geführt, um diesen im
Totpunkt zu schließen.

geführt, um diesen im oberen Totpunkt zu öffnen und 90 nach dem oberen

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Die Signale der Flamm enfrontausbreitung, die den Eingang 1 passieren, werden durch einen Zähler 1 gezählt und die Signale der Flammenfrontausbreitungen , die den Eingang 2 passieren, werden durch einen Zähler 2 gezählt. Nach einer bestimmten Anzahl von Arbeitstakten, z. B. 100 Arbeitstakten, wird der Stand des Zählers 1 und der Stand des Zählers 2 in eine Teiler schaltung 26 eingeführt, die den Stand des Zählers 1 zum Stand des Zählers 2 ins Verhältnis setzt.

Das Ergebnis dieser Berechnung ergibt eine Zahl zwischen 0 und 1, die als Verbrennungs-Qualitäts- Verhältnis (VQV) bezeichnet wird und die repräsentativ für den Flammenfrontausbreitungsgrad während des bestimmten Zeit-

ab schnitte s vom oberen Totpunkt bis 90 nach oberem Totpunkt ist.

Die Zähler 1 und 2 werden jeweils nach Beendigung der z. B. 100 Arbeitstakte auf 0 zurückgestellt und beginnen neu zu zählen. Die Teiler schaltung 26 liefert währenddessen ein dem Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis entsprechendes Signal an eine Vergleichs-Rückkoppelung s schaltung 24.

Das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis kann nicht nur in Bezug auf eine bestimmte Anzahl von Arbeitstakten festgestellt werden sondern kann ebenso über einen vorbestimmten Zeitabschnitt festgehalten werden.

Die Fig. 5 A bis 5 D zeigen die Flammenfrontausbreitungsgrade verschiedener Teste bei unterschiedlichen Betriebebedingungen. Die Bezeichnung der Kurven gibt hierbei Hinweise auf die Betriebebedingungen. Die Bezeichnung D 40-16 bedeutet, daß der Verbrennungemotor mit einer herkömmlichen Drosselklappe betrieben wurde, daß der Zündzeitpunkt auf 40 vor oberem Totpunkt lag und daß das Luft-Treib stoff-Verhältnis 16:1 betrug. Der Buchstabe C bedeutet hingegen, daß eine zusätzliche Verwirbelung erzeugt wurde. Die verschiedenen Tests wurden alle bei 3000 U/min und bei einer konstanten Luftströmung durchgeführt, die etwa halber Vollast ertsprach. Der Flammenfrontausbreitungsgrad

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gibt hierbei den Anteil der Arbeitstakte an, bei denen die Flammenfront innerhab eines vorbestimmten Kurbelwell en winkelsektors an der Ionisierung s sonde eingetroffen ist.

Zur Einordnung der verschiedenen Arbeitstakte im Hinblick auf das Eintreffen der Flammenfront an der Ionisierungssonde wurde folgende Einteilung vorgenommen:

- 45 bis oberen Totpunkt frühbrennende Arbeitstakte

oberer Totpunkt bis 45 schnell brennende Arbeitstakte

45 nach oberem Totpunkt

bis 90 ° nach oberem Totpunkt .... langsam brennende Arbeitstakte 90 nach oberem Totpunkt bis

unterer Totpunkt .... spät brennende Arbeitstakte

unterer Totpunkt bis oberer

Totpunkt .... verzögert brennende Arbeitstakte

Kein Eintreffen einer Flammenfront festgestellt .... aussetzende oder unvollständig brennende Arbeitstakte.

In den in Fig. 5 A eingezeichneten Kurven der vorgenommenen Teste sind keine frühbrennenden Arbeitstakte festgestellt worden. Arbeitstakte, bei denen die Flammenfront die Ionisierungs sonde vor dem oberen Totpunkt erreicht, sind im allgemeinen unerwünscht und werden normalerweise nur durch detonationsartige oder zu schnelle Verbrennung verursacht. Den maximalen Beitrag zur Leistung eines Verbrennungsmotors liefern hierbei die Arbeitstakte, bei denen die Flammenfront kurz nach dem oberen Totpunkt an der Ionisierungssonde eintritt. Es sind dies die schnellbrennenden Arbeitstakte. Zur Erzielung einer maximalen Leistung sollten alle Arbeitstakte schnellbrennende Arbeitstakte sein.

Das Verbrennungs-Qulitäts-Verhältnis, wie es in Zusammenhang mit dem in GB-187 / 13. Januar 1976 609832/0260 -7-

Fig. 4 gezeigten Steuersystem beschrieben ist, kann wie folgt definiert werden:

frühbrennende Arbeitstakte in % + schnellbrennende Arbeitstakte in %

VQV = : : : ■ ^:

schnellbrennende Arbeitstakte in % + langeambrennende Arbeitstakte in %

_ intensiv brennende Arbeitstakte in %
normal brennende Arbeitstakte in %

In Fig. 6 ist der spezifische Treibstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Betriebsverhältnissen gezeigt. Das Luft-Treibstoff Verhältnis wurde hierbei zwischen 12 : 1 und 20 : 1 verändert, der Zündzeitpunkt wurde zwischen 30 und 50 vor dem oberen Totpunkt verändert und zusätzlich wurde die herkömmliche Drosselklappe durch eine zusätzliche Verwirbelung erzeugende Einrichtung ersetzt. Die bei den verschiedenen Betriebsbedingungen gemessenen Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnisse sowie der hierzu festgestellte spezifische Treibstoffverbrauch ergab, daß das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis eine zuverlässige Aussage über den wirtschaftlichen Verbrennung sablauf des Verbrennungsmotors gibt.

Beträgt das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis 1,0 so ergibt sich eine maximale Wirtschaftlichkeit, d. h. wenn alle Arbeitstakte schnellbrennende Arbeitstakte sind. Ist das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis geringer als 1,0, d.h. einige der Arbeitstakte sind langsam brennende Arbeitstakte, so verschlechtert sich die Wirtschaftlichkeit. In Ausnahmefällen kann es auch vorkommen, daß das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis eine Zahl größer als 1 ergibt, das tritt dann auf, wenn frühbrennende Arbeitstakte infolge von detonationsartiger oder klopfender Verbrennung auftreten.

Nachdem nunmehr festgehalten ist, daß das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis ( VQV) eine zuverlässige Aussage über den wirtschaftlichen Ablauf eines

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Verbrennung s vor gange s liefert, ist der nächste Schritt der, daß das Signal für das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis einer elektronischen Vergleichs-

Rückkoppelungsschaltung zugeleitet wird, die das jeweils eintreffende Signal mit einem vorwählbaren Sollwert vergleicht und je nach Abweichungen davon entsprechende Steuersignale zur Beeinflussung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses, der Zündung bzw der Verwirbelung des Gemisches des Verbrennungsmotors erzeugt.

Für Wirtschaftlichkeit und Leistung wird hierbei ein Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis von 1, 0 gewählt, während für Wirtschaftlichkeit und niedrige Abgasemission ein Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis von 0, 8 anzustreben ist.

Fig. 7 zeigt ein Digramm des Flammenfrontausbreitungsgrades bei unterschiedlichen Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnissen. Dieses Diagramm wurde aus den in den Fig. 5 Abis 5 D gezeigten Tests zusammengestellt. Liegt das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis unter 1, 0, so kann es durch ein reicheres Luft-Treibstoff-Verhältnis, durch Vorverlegen des Zündzeitpunktes oder durch Erhöhen der Verwirbelung des in den Verbrennungsraum gelieferten Gemisches erhöht werden.

Um die Abgas emission zu verringern, ist es erwünscht, den Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Treib stoff-Verhältnis zu betreiben. Durch fortlaufendes Messen des Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnisses bei laufendem Motor und entsprechender Einstellung des Luft-Treib stoff-Verhältnisses sowie anderer veränderlicher Größen, ist es möglich, den Verbrennungsmotor wesentlich näher den für eine niedrige Abgasemission erforderlichen Bedingungen zu betreiben. Diese Verhältnisse liegen etwa bei einem Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis von 0, 8, wobei trotz optimal abgemagertem Gemisch noch keine nennenswerte Beeinträchtigung des Betriebsverhalteas des Verbrennungsmotors auftritt.

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Die vorhergehend gemachten Angaben zur Einteilung der Arbeitstakte in intensiv brennende Arbeitstakte und normal brennende Arbeitstakte können innerhalb der nachfolgend genannten Grenzen verändert werden:

Einlaß 1 (intensiv brennende Arbeitstakte)

öffnen zwischen 45 vor oberem Totpunkt und oberem Totpunkt Schließen bei 45 nach oberem Totpunkt - 15

Einlaß 2 (normal brennende Arbeitstakte)

öffnen zwischen oberem Totpunkt - 5 Schließen bei 90 nach oberem Totpunkt - 30 .

Die für die Zeitsteuersignale für die Einlasse 1 und 2 angegebenen Kurbelwellenwinkel Sektoren sind wesentlich von der Anordnung der Ionisierungssonde 15 abhängig. Die in Fig. 4 gemachten Angaben sind hierbei nur zutreffend, wenn die Ionisierungssonde an einer weitest entfernten Stelle von der Zündkerze angeordnet ist. Ist eine solche Anordnung der Ionisierungssonde nicht möglich, so müssen die Zeitsteuersignale innerhalb der oben angegebenen Grenzen verändert werden.

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Claims

1. Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Anordnen einer Ionisierungssonde (15) im Brennraum (11) eines Verbrennungsmotors (10) an einer von der Zündkerze (14) weitest entfernten Stelle, in der Weise, daß die Isonisierungssonde (15) ein Signal erzeugt, sobald sie von der Flammenfront eines Verbrennungsvorganges erreicht wird.

b) Verbinden der I onisie rungs sonde mit einer elektronischen Zählerschaltung in der Weise, daß während einer bestimmten Anzahl Arbeitstakte bzw während einer bestimmten Zeitspanne durch einen ersten Zähler 1 die innerhalb eines ersten Kurbelwellenwinkelsektors festgestellten, die Ionisierungssonde (15) erreichenden Flammenfronten gezählt und darauffolgend durch einen zweiten Zähler 2 die innerhalb eines zweiten Kurbel wellen winkelsektors festgestellten, die Ionisierungssonde (15) erreichenden Flammenfronten gezählt werden.

c) Verbinden der elektronischen Zähler schaltung mit einer elektronischen Teiler schaltung (26), in der das Zähl erg ebnis des ersten Zählers 1 durch das Zählergebnis des zweiten Zählers 2 geteilt wird und ein diesem Verhältnis proportionales Signal erzeug! wird, das ein Maß für das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis (VQV) darstellt.

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d) Verbinden der elektronischen Teiler schaltung mit einer elektronischen Vergleichs-Rückkoppelungsschaltung (24), in der das Signal für das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis (VQV) mit einem vorwählbaren Sollwert verglichen wird und je nach Abweichung davon entsprechende Steuersignale zur Beeinflussung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses, der Zündung bzw der Verwirbelung des Gemisches dee Verbrennungsmotors erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler der Zähler schaltung über eine mit der Kurbelwelle verbundene Zeitsteuer Scheibe (21) ein- und ausgeschaltet werden, derart, daß der Zahler 1 die innerhalb eines ersten Kurbelwellenwinkelsektors erfaßten, schnell brennenden Arbeitstakte und der Zähler 2 die innerhalb eines anschließenden zweiten Kurbelwellen winkel Sektors erfaßten, normal brenn enden Arbeitstakte zählt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die schnell brennenden Arbeitstakte erfassende erste Kurbelwellen· winkelsektor zwischen oberem Totpunkt + oder - 5 und 45 nach oberem Totpunkt ί 15° liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler der Zähler schaltung über eine mit der Kurbelwelle verbundene Zeitsteuer Scheibe (21) ein- und ausgeschaltet werden, derart, daß der Zahler 1 die innerhalb eines erweiterten ersten Kurbelwellenwinkelsektors erfaßten, intensiv brennenden Arbeitstakte und der Zähler 2 die innerhalb eines den ersten Sektor teilweise überlappenden zweiten Kurbelwellenwinkelsektors erfaßten, normal brennenden Arbeitstakte zählt.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die intensiv brennenden Arbeitstakte erfassende, erste Kurbelwellenwinkel-Sektor nicht vor 45 vor oberem Totpunkt und nicht später als zum oberen Totpunkt beginnt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die normal brennenden Arbeitstakte erfassende zweite Kurbelwellenwinkels ektor bei 90 nach oberem Totpunkt + eventuell 30 endet.

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