DE2939690C2 - - Google Patents

Description

Es ist bekannt, den Zündzeitpunkt bei Brennkraftmaschinen mit Fremd­ zündung in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern zu steuern und zu regeln, wie z. B. in Abhängigkeit von der Abgas­ zusammensetzung (DE-OS 27 40 044) oder in Abhängigkeit vom Auftreten einer klopfenden Verbrennung (DE-OS 28 01 512). Durch die DE-OS 26 29 846 ist eine geregelte Glühzündeinrichtung bekannt, bei der anstelle einer Zündkerze ein bezüglich seiner Beheizung geregelter Glühkörper tritt.

Schließlich ist es bekannt, Ionenstromsonden zur Erfassung von Ver­ brennungsvorgängen in den Brennräumen von Brennkraftmaschinen zu verwenden. Bei einer solchen Anwendungsform (DE-OS 24 43 413) wird mit Hilfe einer Ionenstromsonde die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Flammfront, die sich nach der Entzündung des Betriebsgemisches im Brennraum einer Brennkraftmaschine jeweils bei aufeinander­ folgenden Arbeitstakten bildet, gemessen. Die Schwankungen dieser Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. Laufzeiten geben einen Hinweis auf einen Abmagerungsgrad des Betriebsgemisches, der sich dem annähert, bei dem die Laufgrenze der Brennkraftmaschine erreicht wird. Mit steigender Luftzahl λ nehmen dabei die relativen Schwan­ kungen der Laufzeit zu. Überschreiten diese Schwankungen oder Lauf­ zeiten einen gesetzten Sollwert, wird das diese Schwankungen aus­ lösende Betriebsgemisch auch unter Berücksichtigung einer Abgasrück­ führrate so optimiert werden, daß in Verbindung mit der Einregelung einer Flammenankunft auf einen festen Drehwinkel der Kurbelwelle ein minimaler Kraftstoffverbrauch auftritt. Dies erfolgt insbesondere durch die eingangs genannte Regelung auf kraftstoffarme Gemische. Die bekannte Einrichtung dient somit einer möglichst großen Abmage­ rung des Betriebsgemisches unter Beibehaltung einer geforderten Laufruhe der Brennkraftmaschine.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Zündzeitpunkt­ regelung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, daß ohne besonderen Geberaufwand eine schnelle und exakte Zündzeitpunktregelung verwirklicht werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kenn­ zeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß unabhängig von der Entflammungsfreudigkeit des Betriebsgemisches das Entflammungs­ ende in einer bestimmten Relation zu dem oberen Totpunkt gehalten werden kann. Der Geberaufwand besteht dabei im wesentlichen aus der Ionenstromsonde. Weil der Sollwert für die Zündzeitpunktregelung bereits dann festgelegt werden kann, wenn erst zwei Prozent der Brennraumfüllung entzündet sind, erfolgt die Erfassung des Endes der Entflammungsphase bzw. der Zündzeitpunkt sehr schnell unter wesent­ licher Einbeziehung bereits aller sich auf die Entflammungs­ geschwindigkeit auswirkenden Parameter. Weiterhin ist eine Annäherung an die Laufgrenze möglich, da die beim Auftreten des Klopfens beobachtete beschleunigt ablaufende Entflammungsphase durch das oben genannte Verfahren berücksichtigt wird. In diesem Fall wird der Zündwinkel automatisch nach spät verstellt. Es entfällt der Aufwand für eine gesteuerte Verstellung des Zündwinkels mit den Nachteilen der sich daraus ergebenden Ungenauigkeiten aus Fertigungstoleranzen und aus der Abnutzung bei längerem Betrieb. Vorstehendes gilt entsprechend für die Verstellung des Spritzbeginns bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Blockdarstellung einer Ein­ richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Ansicht einer zur Durchführung des Verfahrens verwendbaren kombinierten Zündkerze und Ionenstromsonde,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Zündkerze gemäß Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung bei einer mit einer Vorkammer ausge­ statteten Hauptbrennkammer einer Brennkraftmaschine.

Der Verbrennungsablauf z. B. bei einer fremdgezündeten Brenn­ kraftmaschine kann nach neueren Erkenntnissen in zwei Phasen aufgegliedert werden und zwar in eine Entflammungsphase und in eine Phase der Hauptumsetzung der verbrennbaren Bestandteile des in den Brennräumen der Brennkraftmaschine vorhandenen Kraftstoff/Luftgemisches. Während die Entflammungs­ phase nahezu ausschließlich von der erreichten laminaren Flammenge­ schwindigkeit in dem Gemisch bestimmt wird, das, bestehend aus Kraftstoff, Luft und Restgas, im Bereich der Zündkerze vorliegt, und damit z. B. von der Temperatur, dem Druck, dem Zustand des Kraftstoffes (Verdampfungs- und Vorreaktionszustand) abhängt, wird die Umsetzung der restlichen Hauptladung vor allem von der Ladungsbewegung bzw. der dort auftretenden Turbulenz gesteuert. Die die Verbrennungsdauer der Gesamt­ ladung beeinflussenden verzögernden und beschleunigenden Einflüsse liegen im wesentlichen in der ersten Phase, der Entflammungsphase. Diese Entflammungsphase ist etwa abge­ schlossen, wenn die ersten 2% der Gesamtladung zur Entflammung gekommen ist. Die Zeitdauer des restlichen Umsatzes unter­ liegt dann keinen wesentlichen Schwankungen mehr.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das Ende der Entflammungsphase mit Hilfe einer Ionenstromsonde erfaßt und mit Hilfe der Regelung auf einen verbrauchsgünstigsten Zündwinkel von etwa 10 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt eingeregelt. Gleichermaßen wird bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen der Einspritzzeitpunkt verstellt, der analog zum Zündzeitpunkt bei Funkenzündung hier als Zündungs­ zeitpunkt zu betrachten ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist schematisch der Brennraum 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt mit einer Zündkerze 2, die in Fig. 2 größer dargestellt ist. Die Zündkerze ist mit einer Ionenstromsonde kombiniert, die über eine Leitung 3 mit einer Impulsformerstufe 4 verbunden ist. Das am Ausgang der Impulsformerstufe 4 auftretende Signal wird einer Vergleichseinrichtung 6 zugeführt, die an ihrem anderen Eingang mit einer zweiten Impulsformerstufe 7 verbunden ist. Der Eingang der zweiten Impulsformerstufe 7 ist mit einem induktiven Geber 9 verbunden, der entsprechend der an der Kurbelwelle vorgesehenen Winkelgebermarke 10 ein Signal an die Impulsformerstufe 7 gibt. Die Winkelgebermarke 10 auf der Kurbelwelle 1, welche auch ein sich synchron mit der Kurbelwelle drehbares Teil sein kann, ist so angeordnet, daß sie den optimalen Zündzeitpunkt vor OT für den entsprechenden, hier in der Zeichnung wieder­ gegebenen Zylinder der Brennkraftmaschine angibt.

Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 6 ist mit einem Integrator 12 verbunden, durch dessen Ausgangssignal wiederum eine Zündzeitpunktverstelleinrichtung 14 betätigbar ist.

Der in Fig. 2 wiedergegebene Teil der Zündkerze 2 zeigt den Einschraubteil 17 der Zündkerze. Dieser Einschraubteil umgibt den Isolierkörper 19 der Zündkerze, in dem eine der Zündung dienende Mittelelektrode 18 sowie am äußersten Rand des Isolierkörpers Elektroden zweier Ionenstromsonden 20 und 21 eingebettet sind. Weiterhin ist eine hakenförmige Masseelektrode 22 als Gegenpol für die Mittelelektrode 18 vorgesehen.

Die Einrichtung arbeitet folgendermaßen:

Nach der Erzeugung eines Zündfunkens zwischen den Elektroden 18 und 22 kommt es zu einer mehr oder weniger schnellen Entflammung des die Zündelektroden umgebenden Betriebsgemisches. Die Entflammung breitet sich vom Zündfunken zu den beiden Ionenstromsonden 20 oder 21 hin aus. Bekannterweise liegt in dem entflammten Gemisch eine starke Ionisation der Gemisch­ bestandteile vor, so daß, sobald die Flammfront die Ionenstrom­ sonde 20 oder 21 erreicht hat, dort ein stark ansteigender Ionenstrom gemessen wird. Dieser bewirkt in der Impulsformer­ stufe die Erzeugung eines impulsförmigen Signals, das der Vergleichseinrichtung 6 zugeführt wird. Auch in der zweiten Impulsformerstufe 7 wird ein rechteckförmiges Signal erzeugt entsprechend dem Vorbeilauf der Winkelgebermarke 10 am Induktiv­ geber 9. Das Ausgangssignal der zweiten Impulsformerstufe 7 wird nun in der Vergleichseinrichtung 6 mit dem Ausgangssignal der Impulsformerstufe auf Koinzidenz der Phasenlage verglichen. Bei Abweichung der Phasenlage wird ein Ausgangs­ signal erzeugt, das den Integrator 12 entweder in eine positive oder negative Richtung integrieren läßt, so daß das Ausgangssignal die Zündzeitpunktverstelleinrichtung 14 im positiven oder negativen Sinne verstellt, je nach Art der Abweichung des mit Hilfe der Ionenstromsonde 20 oder 21 erfaßten Ist-Wertes vom durch die Signalmarke 10 gegebenen Soll-Wert. Es gelingt auf diese Weise, den Zündzeitpunkt so zu verstellen, daß das Ende der Entflammungsphase bei einem optimalen Abstandswinkel von OT liegt. Dieser Punkt kann im Hinblick auf Verbrauch und z. B. sicheren Abstand von einer klopfenden Verbrennung optimal eingestellt werden. Die Signalmarke 10 ist mit ihrer Winkellage zu OT dann ent­ sprechend einzustellen.

Im beschriebenen Fall bestand der Sollwertgeber für die Winkellage des Entflammungsendes im wesentlichen aus dem Induktivgeber 9 mit der Winkelgebermarke 10. In weiterer Ausgestaltung kann jedoch wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist, zwischen der zweiten Impulsformerstufe 7 und der Vergleichseinrichtung 6 eine Signalverzögerungseinrichtung 24 vorgesehen werden. Mit dieser Einrichtung läßt sich in bekannter Weise die Weitergabe des Impulssignals von der Impulsformerstufe 7 zur Vergleichseinrichtung in Abhängigkeit von der Größe der an die Signalverzögerungseinrichtung 24 eingegebenen Steuer­ größen verzögert werden. Diese Steuergrößen weisen vorteil­ hafter Weise eine Abhängigkeit von der momentanen Drehzahl der Brennkraftmaschine auf. Es kann weiterhin die Temperatur der Brennkraftmaschine oder des angesaugten Kraftstoff/ Luftgemisches berücksichtigt werden. Die Verstellung kann auch in Abhängigkeit vom Saugrohrunterdruck erfolgen. Es sind hier die Möglichkeiten gegeben, verschiedene sich auf den Verbrennungsablauf auswirkende Parameter zu berück­ sichtigen. In diesem Falle wird natürlich die Winkelgebermarke 10 vorverlegt, um eine praktisch zu verwirklichende minimale Verzögerung der Signalweitergabe ausführen zu können. Beim Start der Brennkraftmaschine wird mit dem vom Induktivgeber gelieferten Zündwinkel gezündet.

Grundsätzlich reicht es durchaus aus, eine einzige Ionenstromsonde zu verwenden, die auch über eine getrennte Bohrung in der Brennraumwand einsetzbar ist. Zur Erfassung von kleinen Ladungsmengen ist es günstig, die Ionenstromsonde mit der Zündkerze zu kombinieren. Beim dargestellten Ausführungs­ beispiel sind statt einer zwei Ionenstromsonden vorgesehen, wodurch noch systematische Änderungen des Entflammungsablaufs als Folge von veränderten Ladungsbewegungen bei unterschied­ lichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ausgeglichen werden. Als Ankunftszeit der Flammfront an der Ionenstromsonde gilt dabei z. B. die mittlere oder die späteste Zeit. Durch entsprechende, hier nicht weiter dargestellte, aber bekannte Einrichtungen lassen sich die bei den beiden Ionenstromsonden auftretenden Signale entsprechend auswählen.

Bei dem geschilderten Verfahren ist es im Falle von fremd­ gezündeten Brennkraftmaschinen ausreichend, in einem einzigen Zylinder einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine eine Ionenstrommeßeinrichtung, z. B. kombiniert mit einer Zündkerze, vorzusehen. Als Integrator kann ein elektrischer Integrator mit nachgeschalteter elektromechanischer Verstelleinrichtung oder eine elektro-mechanische Verstelleinrichtung mit integrierenden Eigenschaften verwendet werden.

In Fig. 4 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit dargestellt. Hier ist mit dem Brennraum 1 einer Brennkraftmaschine über einen sogenannten Schußkanal 25 eine Vorkammer 26 verbunden. In solche Vorkammern wird bei selbstzündenden Brennkraft­ maschinen der Kraftstoff eingespritzt. Der Einspritzzeitpunkt entspricht dabei dem Zündzeitpunkt bei fremdgezündeten Brenn­ kraftmaschinen. Solche Vorkammern dienen bei neueren Ent­ wicklungen von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen als Zünd­ kammern der Entzündung eines Teils, der in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingebrachten Ladung. Nach der Ent­ flammung strömen über den Schußkanal 25 die Gasbestandteile in Form von einem oder mehreren Flammstrahlen in den Hauptbrennraum aus, wo ein relativ mageres Kraftstoff/Luftgemisch zur Ent­ flammung gebracht wird. Solche Einrichtungen dienen bekanntermaßen zur Entflammung von relativ mageren Kraftstoff/Luftgemischen, wobei in der Zündkammer Bedingungen geschaffen werden, unter denen das an sich magere Kraftstoff/Luftgemisch schneller und besser entflammt weden kann. In einer solchen Zündkammer kann eine Zündkerze oder auch eine Glühkerze 28 angeordnet sein. Zur Erfassung des Endes der Entflammung dieses Gemisches in der Zündkammer oder des aufgrund von Kraftstoffeinspritzung bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen gebildeten Gemisches ist im Wandbereich des Schußkanals 25 eine Ionenstromsonde 29 vorgesehen, die die Ausströmphase des Gemisches erfaßt. Der dort aufgenommene Ionenstrom wird in gleicher Weise verarbeitet, wie zuvor beschrieben.

Durch die vorgeschlagene Regelung entfällt eine aufwendige Zündzeitpunktverstelleinrichtung mit den bekannten Nachteilen des Einflusses von Fertigungsgenauigkeiten und der Abnutzung während des Betriebs. Es ergibt sich weiterhin die Möglichkeit, zur Entflammung auch Glühzündungen zu verwenden und auch die Entflammung eines stark abgemagerten Betriebsgemisches zu steuern. Auf diese Weise ist es bei Gewährleistung guter Lauf­ eigenschaften der Brennkraftmaschine möglich, sich sehr nahe der mageren Laufgrenze der Brennkraftmaschine zu nähern bzw. das Betriebsgemisch entsprechend abzumagern. Weiterhin ist es möglich, die gleiche Ionenstromsonde bzw. deren Signal zur Erfassung von zyklischen Schwankungen der Entflammungs­ dauer zu verwenden und die Gemischzusammensetzung ent­ sprechend diesem Laufunruhesignal in bekannter Weise zu regeln.

Claims (13)

1. Verfahren zur Zündzeitpunktregelung, bei dem mit Hilfe einer in einem bestimmten Abstand von der Entzündungsstelle im Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordneten Ionenstromsonde der Durchgang einer Flammfront an dieser Stelle im Brennraum als Ist-Wert erfaßt wird, mit einem Kurbelwellenwinkel (bezogenen Soll-Wert verglichen wird und entsprechend der Abweichung des Ist-Wertes vom Soll-Wert der Zündungszeitpunkt korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Ionenstromsonde eine Lage der Flammfront erfaßt wird, bei der etwa 2% der Brennraumladung zur Entflammung gekommen sind und somit das Ende der Entflammungsphase des im Brennraum der Brenn­ kraftmaschine befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter, der sich auf die Entflammung des Betriebsgemisches auswirkt, ein­ stellbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert in Abhängigkeit von wenigstens einem die Information über die momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine enthaltenen Parameter änderbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert auf einen Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ionenstromsonden (20, 21) vorgesehen sind und ein aus den Ausgangssignalen dieser Sonden gemitteltes Signal als Entflammungssignal verarbeitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ionenstromsonden (20, 21) vorgesehen sind und daß das späteste der von den Sonden abgegebenen Signale als Signal für das Entflammungsende verarbeitet wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ionenstrom­ sonde (20, 21; 29) ein Impulsformer (4) angeschlossen ist, daß ferner ein dem Zylinder, in dem die Ionenstromsonde angeordnet ist, zugeordneter Sollwertgeber (9, 10, 7) vorgesehen ist und daß die Ausgänge des Sollwertgebers und der Impulsformerstufe (14) mit dem Eingang einer Vergleichseinrichtung (6) verbunden sind, durch die die Phasenlage des vom Impulsformer (4) kommenden Impulse mit dem Sollwertgeber kommenden Impuls verglichen wird und deren Ausgang mit einem Integrator (12) verbunden ist, durch den entsprechend dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung eine Zündzeitpunkt­ verstelleinrichtung (14) betätigbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber einen Winkelgeber (9, 10) und eine diesem nachge­ schaltete Signalverzögerungseinrichtung (24) aufweist, durch die in Abhängigkeit von sich auf den Verbrennungsablauf im Brennraum der Brennkraftmaschine auswirkenden Parameter die Phasenlage des Sollwertes änderbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ionenstromsonde (20, 21) im Isolierkörper (19) einer Zündkerze angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündungsstelle eines Teils des Betriebsgemisches einer Brennkraftmaschine in einer mit dem Haupt­ brennraum (1) der Brennkraftmaschine über wenigstens einen Schuß­ kanal (25) verbundenen Zündkammer (26) und die Ionenstromsonde in dem Wandbereich des Schußkanals angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung eine Glühzündeinrichtung dient.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung eine der Erzeugung von Zündfunken dienende Zündkerze vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung ein über eine Düse eingespritzter Kraftstoffstrahl dient.