DE2601871C2

DE2601871C2 - Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2601871C2
Application number: DE19762601871
Authority: DE
Inventors: Thomas Tsoi-Hei Romford Essex Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1982-05-27
Also published as: GB1491622A; DE2601871A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors, das von einem wie im Oberbegriff des Hauptanspruchs erläuterten Verfahrensstand ausgeht

Aus dem Aufsatz von K. Schnauffer, »Das Klopfen von Zündmotoren« (ZVDI, Nr. 15. Bd. 75 v. 11.4.31, Seite 455 und 456) ist ein Versuchsaufbau bekannt, der Voraussetzungen für ein Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors schafft.

Bei dieser bekannten Versuchsanordnung werden mit einei im Brennraum an einer von der Zündkerze weit entfernten Stelle angeordneten Ionisierungssonde, die immer dann ein Signal erzeugt, sobald sie von der Flammenfront eines Verbrennungsvorganges erreicht wird, die bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten an der Ionisierungssonde eintreffenden Flammenfronten registriert.

Mit einer solchen Versuchsanordnung konnten die bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen auftretenden Verbrennungsabläufe systematisch erfaßt und studiert werden und später bei der Auslegung von Verbrennungsmotoren zum Festlegen verschiedener Parameter herangezogen werden.

Die auf diese Weise für einen Verbrennungsmotor festgelegten Parameter wie Zündzeitpunk,teinstellung, Luft-Treibstoff-Verhältnis und Verwirbelung des Gemisches stellen hierbei im Hinblick auf die unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors stets einen mehr oder weniger glücklichen Kompromiß dar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die durch eine Ionisierungssonde in einem Verbrennungsmotor bei laufendem Motor festgestellten Verbrennungsabläufe unmittelbar in Bezug auf ihre Qualität hin zu unterscheiden, in Bezug zu setzen und aus dem Vergleich mit einem gewünschten Soll-Wert eine unmittelbare Steuerung der veränderbaren Parameter des Verbrennungsmotors bei laufendem Motor abzuleiten.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, indem ausgehend von dner Verfahrensbasis gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, die im Kennzeichenteil des Hauptanspruchs aufgezeigten weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden.

Dadurch, daß die Ionisierungssonde mit einer elektronischen Zählerschaltung in der Weise verbunden ist, daß während einer bestimmten Anzahl Arbeitstakte bzw. während einer bestimmten Zeitspanne durch einen ersten Zähler 1 die innerhalb eines ersten Kurbelwinkel-

Sektors festgestellten, die Ionisierungssonde erreichenden Flammenfronten gezählt und darauffolgend durcn einen zweiten Zähler 2 die innerhalb eines zweiten Kurbelwellenwinkelsektors festgestellten, die Ionisierungssonde erreichenden Flammenfronten gezählt werden, und daß die elektronische Zählerschaltung wiederum mit einer elektronischen Teilerschaltung verbunden ist, die das Zählergebnis des ersten Zählers 1 durch das Zählergebnis des zweiten Zahlers 2 teilt und ein diesem Verhältnis proportionales Signal erzeugt, wird ein Maß für das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis (VQV) dargestellt, das über eine elektronische Vergleichs-Rückkopplungsschaltung mit einem vorwählbaren Soll-Wert verglichen wird, können je nach Abweichung davon entsprechende Steuersignale zur Beeinflussung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses, der Zündung oder der Verwirbelung des Gemisches erzeugt werden, die eine optimale Steuerung des Verbrennungsmotors entweder in Hinblick auf maximale Leistung oder minimale Abgasemission ermöglich"Ji.

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

F i g. 1 eine Ansicht eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors von unten, aus der die Anordnung der Ionisierungssonde hervorgeht,

F i g. 2 eine Ionisierungssonde, wie sie in F i g. 1 verwendet wird,

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A in F i g. 1,

Fig.4 ein elektronisches Schaltbild für ein in Verbindung mit der Ionisierungssonde in F i g. 1 zu verwendendes Steuersystem,

F i g. 5A bis 5D Diagramme, aus denen die unterschiedlichen Flammenfrontausbreitungsgrade bei unterschiedlichen Testbedingungen hervorgehen,

F i g. 6 ein Diagramm des spezifischen Treibstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors in Bezug auf das erfindungsgemäße Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis und

F i g. 7 ein Ciagramm der Flammenfrontausbreitungsgrade bei unterschiedlichem Verbrennungs-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 Ionisierungssonde 15 erstreckt sich durch eine Bohrung 16 im Zylinderkopf 39 bis in den Verbrennungsraum 11 und zwar an einer der Zündkerze 14 weitest entfernten Stelle. Der Durchtritt der Ionisierungssonde 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 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 ΜΩ Widerstand angelegt. Das Signal der Ionisierungssonde 15 wird hierbei von der Verbindungsstelle des Widerstandes mit einem der Leiter abgenommen. Normalerweise findet hierbei in der Ionisierungssonde 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 Ionisierungssonde, wodurch das Spannungspotential von etwa 300 Volt auf einen niedrigeren Wert ahfällf

Vorzugsweise wird im Verbrennungsraum eines jeden Zylinders eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors eine Ionisierungssonde 15 wie in den F i g. 1 bis 3 gezeigt, angeordnet

In Fig.4 ist die Verbindung der Ionisierungssunde mit dem erfindungsgemäßen Steuersystem gezeigt Das Signal der Ionisierungssonde 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 Zeitsteuerscheibe 21 ist mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden und liefert über einen entsprechenden Umsetzer ein Zeitsteuersignal 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 Zeitsteuersignal über eine Leitung 23 zum Einlaß 2 geführt, um diesen im oberen Totpunkt zu öffnen und 90° nach dem oberen Totpunkt zu schließen.

Die Signale der Flammenfrontausbreitung, 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 Teilerschaltung 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 Zeitabschnittes vom oberen Totpunkt bis 90° nach oberem Totpunkt ist.

4n Die Zähler 1 und 2 werden jeweils nach Beendigung der z. B. 100 Arbeitstakte auf 0 zurückgestellt und beginnen neu zu zählen. Die Teilerschaltung 26 liefert währenddessen ein dem Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis entsprechendes Signal an eine Vergleichs-Rück-

4-, koppelungsschaltung 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 festgestellt

so werden.

Die F i g. 5A bis 5D zeigen die Flammenfrontausbreitungsgrade verschiedener Tests bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Die Bezeichnung der Kurven gibt hierbei Hinweise auf die Betriebsbedingungen. Die Bezeichnung D 40—16 bedeutet, daß der Verbrennungsmotor mit einer herkömmlichen Drosselklappe betrieben wurde, daß der Zündzeitpunkt auf 40° vor oberem Totpunkt lag und daß das Luft-Treibstoff-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 entsprach. Der Flammenfrontausbreitungsgrad gibt hierbei den Anteil de Arbeitstakte an, bei denen die Flammenfront innerhalb eines vorbestimmten Kurbelwellenwinkelsektors an der Ionisierungssonde 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°

schnellbrennende Arbeitstakte

45° nach oberem Totpunkt bis 90° nach oberem Totpunkt

langsam brennende Arbeitstakte
90° nach oberem Totpunkt bis unterer Totpunkt

spätbrennende Arbeitstakte
unterer Totpunkt bis oberer Totpunkt

verzögert brennende Arbeitstakte

Kein Eintreffen einer Flammenfront festgestellt

aussetzende oder unvollständig brennende Arbeitstakte.

In den in Fig. 5A eingezeichneten Kurven der vorgenommen Tests sind keine frühbrennenden Arbeitstakte festgestellt worden. Arbeitstakte, bei denen die Flammenfront die Ionisierungssonde 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-Qualitäts-Verhältnis, wie es in Zusammenhang mit dem in F i g. 4 gezeigten Steuersystem beschrieben ist, kann wie folgt definiert werden:

VQV

frühbrennende Arbeitstakte in % + schnellbrennende Arbeitstakte in % schnellbrennende Arbeitstakte in % + langsambrennende Arbeitstakte in %

intensiv brennende Arbeitstakte in %

normal brennende Arbeitstakte in %

In F i g. 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 Verbrennungsablauf 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-Quaütäts-Verhältnis geringer als 1,0, d.h. einige der Arbeitstakte sind langsam brennende Arbeitstakte, so verschlechtert sich die Wirtschaftlichkeit Aus Ausnahmefällen kann es auch vorkommen, daß das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis eine Zahl größer als 1 ergibt, das tritt dann auf, wenn frühbrennende Arbeitstakte infoige von detonationsartiger oder klopfender Verbrennung auftreten.

Nachdem nunmehr festgehalten ist, daß das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis (VQV) eine zuverlässige Aussage über den wirtschaftlichen Ablauf eines Verbrennungsvorganges liefert, ist der nächste Schritt der, daß das Signal für das Verbrenmings-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

F i g. 7 zeigt ein Diagramm des Flammenfrontausbreitungsgrades bei unterschiedlichen Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnissen. Dieses Diagramm wurde aus den in F i g. 5A bis 5D 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 Abgasemission zu verringern, ist es erwünscht den Verbrennungsmotor mit einem mageren Luft-Treibstoff-Verhältnis zu betreibea Durch fortlaufendes Messen des Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnisses bei laufendem Motor und entsprechender Einstellung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses sowie anderer veränderlicher Größen, ist es möglich, den Verbrennungsmotor wesentlich näher mit den für eine niedrige Abgasemission erforderlichen Bedingungen zu betreiben. Diese Verhältnisse liegen etwa bei einem

so Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis von 03, wobei trotz optimal abgemagertem Gemisch noch keine nennenswerte Beeinträchtigung des Betricbsverhaitens des Verbrennungsmotors auftritt

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 im Bereich von 45° vor oberem Totpunkt und dem oberen Totpunkt

Schließen bei 45° nach oberem Totpunkt (zulässige Abweichung ± 15°).
Einlaß 2 (normal brennende Arbeitstakte)

Öffnen beim Erreichen des oberen Totpunktes (zulässige Abweichung ±5°)
Schließen in einem Bereich, der zwischen 90° bis 120° nach dem oberen Totpunkt endet

7 8

Die für die Zeitsteuersignale für die Einlasse 1 und 2 einer weitest entfernten Stelle von der Zündkerze

angegebenen Kurbelwellenwinkelsektoren sind wesent- angeordnet ist. Ist eine solche Anordnung der

lieh von der Anordnung der Ionisierungssonde 15 Ionisierungssonde nicht möglich, so müssen die

abhängig. Die in Fig.4 gemachten Angaben sind Zeitsteuersignale innerhalb der oben angegebenen

hierbei nur zutreffend,' wenn die Ionisierungssonde an 5 Grenzen verändert werden.

Hierzu 7 Blatt Z

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung des Verbrennungsablaufes eines fremdgezündeten Verbrennungsmo- tors durch die Anordnung einer Ionisierungssonde im Brennraum an einer von der Zündkerze weit entfernten Stelle, wobei die Ionisierungssonde immer dann ein Signal erzeugt, wenn sie von der Flammenfront eines Verbrennungsvorganges erreicht wird, und wobei die Ionisierungssonde mit einer elektronischen Einrichtung derart verbunden ist, daß in einer bestimmten Zeitspanne die die Ionisierungssonde erreichenden Flammenfronten registriert werden, dadurch gekennzeich- is net, daß die Ionisierungssonde (15) mit einer elektronischen Zählerschaltung (Fig.4) in der Weise verbunden ist, daß während einer bestimmten Anzahl Arbeitstakte bzw. einer bestimmten Zeitspanne durch einen ersten Zähler 1 die innerhalb eines ersten KurbelweJlenwinkelsektors festgestellten, die Ionisierungssonde (15) erreichenden Flammenfronten gezählt und darauffolgend durch einen zweiten Zähler 2 die innerhalb eines zweiten Kurbelwellenwinkelsektors festgestellten, die Ionisierungssonde (15) erreichenden Flammenfronten gezählt werden, und daß die elektronische Zählerschaltung wiederum mit einer elektronischen Teilerschaltung (26) verbunden ist, mittels der das Zählergebnis des ersten Zählers 1 durch das Zählergebnis des zweiten Zählers 2 geteilt wird und ein diesem Verhältnis proportionales Signal erzeugt wird, das ein Maß für das Verbrennungs-Qualitäts-Verhältnis (VQV) darstellt und wobei die elektronische Teilerschaltung (26) mit einer elektronischen Vergleichs-Rückkopplungsschaltung (24) verbunden ist, 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 des Verbrennungsmotors erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler der Zählerschaltung über eine mit der Kurbelwelle verbundene Zeitsteuerscheibe (21) ein- und ausgeschaltet werden, derart, daß der Zähler 1 die innerhalb eines ersten Kurbelwellenwinkelsektors erfaßten, schnellbrennenden Arbeitstakte und der Zähler 2 die innerhalb eines anschließenden zweiten Kurbelwellenwinkelsektors erfaßten, normal brennenden Arbeitstakte zählt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die schnellbrennenden Arbeitstakte erfassende erste Kurbelwellenwinkelsektor in einem Bereich festgelegt wird, der zwischen dem oberen Totpunkt (zulässige Abweichung davon ±5°) und 45° nach dem oberen Totpunkt (zulässige Abweichung davon ±15°) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler der Zählerschaltung über eine mit der Kurbelwelle verbundene Zeitsteuerscheibe (21) ein- und ausgeschaltet werden, derartig, daß der Zähler 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

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die intensiv brennenden Arbeitstakte erfassende, erste Kurbelwellenwinkelsektor 45° vor dem oberem Totpunkt beginnt, jedoch nicht später als beim Erreichen des oberen Totpunktes.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die normal brennenden Arbeitstakte umfassende zweite Kurbelwellenwinkelsektor in einem Bereich festgelegt wird, der zwischen 90° bis 120° nach dem oberen Totpunkt endet