DE3014681A1

DE3014681A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des zuendzeitpunkts beim anlassen einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3014681A1
Application number: DE19803014681
Authority: DE
Inventors: Kenji Ikeura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-04-19
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1980-10-23
Anticipated expiration: 2000-04-17
Also published as: GB2049040A; US4416234A; DE3014681C2; JPS55139970A; FR2454535A1; GB2049040B

Description

Nissan G008-80.

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- 3 BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunkts einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunkts beim Anlassen der Brennkraftmaschine.

Zunächst sollen der Stand der Technik und die mit diesem verbundenen Probleme erläutert werden. Ein Steuersystem für den Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine stellt den Zündzeitpunkt in bestimmtem Maße auf einen Punkt vor dem oberen Totpunkt ein, beispielsweise auf 12° vor dem oberen Totpunkt bei 600 1/min., so daß die Verbrennung im optimalen Augenblick zur Erzielung einer maximalen Ausgangsleistung erfolgt, da eine Zündverzögerung zwischen der Abgabe des Zündfunken und der Verbrennung des Brennstoffs in dem Zylinder der Maschine eintritt. Die Zündverzögerung ist in zeitlicher Hinsicht im wesentlichen unverändert, wenn die Maschinendrehzahl zunimmt, nimmt jedoch mit der Maschinendrehzahl im Hinblick auf den Kurbelwinkel zu, da die Kolbengeschwindigkeit zunimmt, wenn die Maschinendrehzahl steigt. Daher ist beispielsweise eine herkömmliche Zentrifugal-Steuereinrichtung mechanischer Art mit dem Zündverteiler verbunden und rückt den Zündzeitpunkt mit der Drehzahl vor. Wenn nämlich der Zündzeitpunkt in der gleichen Position wie bei niedrigen Drehzahlen bleibt, ergibt sich keine ausreichende Ausgangsleistung der Maschine bei zunehmenden Drehzahlen.

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Fig. 1 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels der Charakteristik einer herkömmlichen Zündzeitpunkts-Verstellung. Die Abszisse entspricht der Maschinendrehzahl und die Ordinate bezieht sich auf die Zündzeitpunkts-Vorversteilung. Mit N₁ ist eine Drehzahl bezeichnet, über der die Vorverstellung zunimmt, und N₂ bezeichnet eine Drehzahl, über der die Vorverstellung ihren maxi-

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malen Wert erreicht hat. N₃ ist eine Leerlaufdrehzahl, Die durchgezogene Linie bezieht sich auf die Vorverstellung bei der üblichen Betriebstemperatur, und die gestrichelte Linie betrifft die entsprechende Charakteristik bei niedriger Betriebstemperatur. Dieses Steuerverfahren kann auch als "Zwei-Punkt-Verfahren" bezeichnet werden, das sich auszeichnet durch die selektive Verwendung von zwei getrennten Charakteristika durch Umschaltung entsprechend einem niedrigen Temperaturbereich der Maschine oder dem normalen, höheren Temperaturbereich.

Der Ansaugunterdruck der Maschine hat bei deren Betrieb einen großen Einfluß auf die Zündverzögerung. Wenn der Ansaugunterdruck groß ist, d.h., wenn die Drosselklappe nur geringfügig geöffnet ist, ist die Menge des in einen Zylinder eingeleiteten Luft-Brennstoff-Gemisches gering, und der Druck in dem Zylinder ist auch am Ende des Kompressionsvorganges gering, so daß sich eine Verringerung der Flammenausbreitung und damit eine verringerte Leistung ergibt. Als Gegenmaßnahme hierzu ist es üblich, einen Verteiler mit einer Einrichtung zur Zündzeitpunkts-Vorverstellung zu verwenden, die durch den Unterdruck gesteuert wird.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer Charakteristik einer derartigen Zündzeitpunkts-Steuerung. Die Abszisse bezieht sich auf den Ansaug-Unterdruck und die Ordinate auf die Zündzeitpunkts-Vorverstellung.

Bei einem oben erwähnten Zündzeitpunkts-Steuersystem wird die anfängliche Einstellung des Zündzeitpunkts durch mechanische Einstellung der Position bestimmt, und die Vorverstellung ist mit der Maschinendrehzahl und der Last veränderlich, so daß der Zündzeitpunkt beim Anlassen der Maschine notwendigerweise derselbe ist wie beim Leerlauf der Maschine. In der Praxis sind auch zweistufige Verstell-Charakteristika verwendet worden, wie die durchgezogene und die gestrichelte Linie in Fig. 1 zeigen, jedoch besteht der

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Nachteil, daß ein Umschalten entsprechend der Temperatur notwendig ist, so daß die Einstellmöglichkeiten beschränkt und die Kosten hoch sind und im übrigen nur die Auswahl zwischen zwei verschiedenen Werten besteht. 5

Die Erfindung ist auf die Verbesserung des Startverhaltens einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung selbst beim Anlassen unter niedrigen Temperaturen gerichtet.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs und des ersten Vorrichtungsanspruchs .

Erfindungsgemäß wird zunächst abgetastet, ob sich die Maschine im Zustand des Anlassens befindet oder nicht, und für den Anlaßvorgang wird eine Zündzeitpunkts-Charakteristik ermittelt, die sich von der Zündzeitpunkts-Charakteristik während des üblichen Betriebs unterscheidet.

Entsprechend einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung wird die Zündzeitpunkts-Vorverstellung entsprechend der Maschinentemperatur bestimmt. Ein Mikroprozessor liefert diese Charakteristik vorzugsweise durch einen digitalen RechenVorgang. Der Mikroprozessor kann abgreifbare, gespeicherte Zündzeitpunktswerte entsprechend der Maschinentemperatur aufnehmen.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Beziehung der Maschinendrehzahl zu dem Zündzeitpunkt bei einer herkömmlichen Vorrichtung;

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. 2 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen dem Ansaugunterdruck und dem Zündzeitpunkt bei einem ebenfalls herkömmlichen System;

Fig. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Erfindung und zeigt die Beziehung zwischen der Kühlwassertemperatur und dem Zündzeitpunkt;

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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des erfindungsgemäß verwendeten Prozessors bei der Bestimmung des Zündzeitpunkts; .

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm zu einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 veranschaulicht in einem Diagramm die Charakteristik oder die Kennlinie der Beziehung zwischen der Maschinentemperatur und der Zündzeitpunkts-Vorverstellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und zwar insbesondere für den Bereich niedriger Temperaturen. Im Falle der Fig. wird die Temperatur des Kühlwassers als repräsentativ für diejenige der Maschine angesehen. Da ein zeitlicher Abstand zwischen der Abgabe eines Zündfunken und der Erzielung des maximalen Druckes als Ergebnis der Verbrennung des Luft-Brennstoff -Gemisches in dem Zylinder besteht, wird die Zündzeitpunkts-Vorverstellung unter Berücksichtigung der Zündverzögerung in der Art bestimmt, daß der maximale Druck in dem Augenblick eintritt, in dem der Umwandlungskoeffizient von Wärmeenergie in mechanische Energie am größten ist.

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Während des Anlassens der Maschine ist es bei niedriger Maschinentemperatur notwendig, eine relativ große Vorverstellung zu wählen, da sich eine beträchtliche Verzögerung der Verbrennung bei niedrigen Temperaturen ergibt. Wenn daher optimale Werte für die Zündzeitpunkts-Vorverstellung beim Anlassen der Maschine entsprechend verschiedenen Maschinentemperaturen vorgegeben werden, kann das Startverhalten verbessert werden. Innerhalb eines Bereiches, in dem das Startverhalten ungünstig ist und die Maschine nur mit Schwierigkeiten angelassen werden kann, und zwar bei niedrigen Temperaturen oder insbesondere Temperaturen unter O⁰C und schlechtem Batteriezustand sowie einer ungünstigen Brennstoffzerstäubung kann eine wesentliche Verbesserung des Startverhaltens erreicht werden, indem der Zündzeitpunkt entsprechend den einzelnen Temperaturwerten vorverstellt wird. Wenn beispielsweise bei der Kennlinie der Fig. 3 die Kühlmitteltemperatur -30⁰C beträgt, liegt der optimale Zündzeitpunkt bei 25° vor dem oberen Totpunkt, während bei einer Kühlmitteltemperatur von -5⁰C der optimale Wert bei 20° vor dem oberen Totpunkt liegt. Bei einer Kühlmitteltemperatur von 2O⁰C beträgt der optimale Zündwinkel 16°. Wenn dagegen der Zündzeitpunkt auf 25° bei einer Temperatur von -5⁰C vorgerückt wird, schreitet die Verbrennung fort, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, so daß die Maschine rückwärts läuft oder stehenbleibt, und bei einem Zündwinkel von 20° und einer Temperatur von -30⁰C erfolgt die Verbrennung mit großer Verzögerung, so daß kein ausreichendes Drehmoment erzielt wird und das Anlassen der Maschine schwierig ist. In jedem dieser Fälle ist daher das Anlaßverhalten schlecht. Es reicht daher nicht aus, nur zwei Zündzeitpunktswerte festzulegen, sondern diese Zündzeitpunktswerte müssen bei Temperaturen genauer den jeweiligen Temperaturen angepaßt werden.

Beim Anlassen der Maschine bei hohen Maschinentemperaturen oder unmittelbar nach einer schnellen Fahrt ist die Verbrennungsverzögerung oft erheblich, so daß es wünschenswert sein

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kann, den Zündzeitpunkt weit vorzustellen. In diesem Falle hängt der optimale Wert der Zündvorverstellung mehr von dem Zustand des Brennstoffs als von der Kühlwassertemperatur ab, so daß nicht der gleiche Effekt von der die Kühlmitteltemperatur bei niedrigen Temperaturen erfassenden Steuerung erwartet werden kann.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zündvorverstellung unter Verwendung eines Mikroprozessors festgelegt wird. Mit 1 ist ein Zündschalter bezeichnet, der ein Signal S₁ entsprechend seiner geschlossenen oder offenen Stellung liefert, die anzeigt, ob die Maschine angelassen wird oder nicht. Ein Temperatursensor 2 liefert ein Signal S₃, das sich entsprechend der Kühlmitteltemperatur ändert. Ein Basiswinkel-Sensor 3 liefert Impulssignale S₃ bei jedem Basiswinkel, beispielsweise 120° der Kurbelwellendrehung. Ein Sensor 4 liefert Signale bei Winkeleinheiten der Kurbelwellendrehung, beispielsweise bei jeweils 1°. Die Signale S₁ bis S₄ werden durch einen zentralen Rechner 6 über eine Eingangs-Ausgangs-Steuereinheit 5 eingelesen, die aus Halbleitern aufgebaut ist. Der Rechner 6 umfaßt einen Auslesespeicher (ROM), einen Speicher mit direktem Zugriff (RAM) und eine zentrale Prozessor-Einheit. Der zentrale Rechner 6 ermittelt die Anlaßvorgänge der Maschine und die Kühlmitteltemperatur aufgrund der eingelesenen Signale S₁ und S₂ und bestimmt die optimale Zündvorverstellung durch Berechnung oder aufgrund gespeicherter Werte. Die entsprechenden Zündzeitpunktswerte werden an denjenigen Bereich der Steuereinheit 5 abgegeben, der die Zündzeitpunktssteuerung bewirkt. Die Steuereinheit 5 liefert an eine Ausgangsklemme 7 die Zündzeitpunktswerte aufgrund der Winkelstellungssignale S- und S₄ und steuert auf diese Weise die Arbeitsweise eines Transistors 8, der einen elektrisehen Strom einschaltet oder unterbricht, der durch eine Zündspule 9 einer Zündschaltung hindurchläuft.. Mit 10 ist ein Verteiler, mit 11 eine Zündkerze und mit 12 eine Batte-

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rie als Stromquelle bezeichnet.

Hinsichtlich der Art der Bestimmung der Zündzeitpunktswerte innerhalb des zentralen Rechners 6 ist es vorteilhaft, die jeweiligen Werte anhand von tabellarisch gespeicherten Werten ensprechend verschiedenen Ausgangssignalen S2 des Temperatursensors 2 abzugreifen. Wenn jedoch die Programmkapazität des Speichers begrenzt ist, können die Werte auch unter Verwendung einer mathematischen Formel, die das Ausgangssignal S₂ des Temperatursensors 2 einschließt, errechnet werden.

Zur Abtastung der Temperatur der Maschine ist ein Temperatursensor geeignet, der die Kühlmitteltemperatur ermittelt, wie es weitgehend üblich ist. Wenn jedoch vor allem das Startverhalten im Mittelpunkt stehen soll, können auch ein Öltemperatursensor, ein Temperaturfühler für den Motorblock oder den Zylinderkopf oder dgl. verwendet werden, die in enger Beziehung zu dem Startverhalten bei niedrigen Temperaturen stehen. Im übrigen können Außentemperaturfühler und Brennstofftemperaturfühler verwendet werden, obgleich sie nicht die Maschinentemperatur abtasten. Wenn zwei oder mehr unterschiedliche Temperaturfühler verwendet werden, erhöht sich die Genauigkeit der Steuerung.

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Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des zentralen Rechners 6 von der Bestimmung des Zündzeitpunktwertes bis zu dessen Abgabe. Wenn das Programm beginnt, wird in Stufe 1 entschieden, ob sich die Maschine im Zustand des Anlassens befindet oder nicht. Zu diesem Zweck wird abgetastet, ob der Zündschalter ein- oder ausgeschaltet ist. Wenn die Maschine nicht angelassen wird, geht das Programm zur Stufe P„ über, in der die optimale Zündvorverstellung entsprechend der Drehzahl und der Last der Maschine bestimmt wird, und dieser Wert wird über Stufe P, abgegeben. Wenn dagegen in Stufe P entschieden wird, daß die Maschine angelassen wird, geht das Programm zu

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Stufe P, über, in der die optimale Zündvorverstellüng entsprechend der Kühlmitteltemperatur aufgrund gespeicherter Werte oder durch Berechnung ermittelt wird. Der gefundene Wert wird über die Stufe P₃ abgegeben. 5

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Analogschaltung verwendet wird. Mit 20 ist eine Einrichtung zur Vorverstellung des Zündzeitpunkts beim Anlassen und mit 30 eine entsprechende Einrichtung für Normalbetrieb bezeichnet. Bezugsziffer 40 bezeichnet eine Umschaltvorrichtung und Bezugsfzif-fer 50 eine Zündeinrichtung. Die Einrichtung 20 liefert durch Berechnung ein Zündzeitpunktssignal entsprechend der Kühlmitteltemperatur, die durch einen Temperatursensor 21 abgetastet wird. Die andere Einrichtung 30 liefert durch Berechnung ein Zündzeitpunktssignal entsprechend der durch einen Lastsensor 32 abgestasteten Last. Die Umschalteinrichtung 40 verbindet einen Ausgang der Einrichtung 20 mit der Zündeinrichtung 50, wenn ein Zündschalter 41 geschlossen ist, d.h. beim Anlassen der Maschine, und verbindet den Ausgang der normalen Einstelleinrichtung 30 mit der Zündeinrichtung 50.

Wie oben ausgeführt wurde, kann die Erfindung sowohl mit einem digitalen als auch mit einem analogen System verwirklicht werden. Wenn ein digitales System unter Einschaltung eines Mikroprozessors verwendet wird, ergibt sich der Vorteil, daß ein gutes Startverhalten erreicht wird, ohne daß sich wesentliche Mehrkosten ergeben, da es möglich ist, die optimale Zündvorverstellung entsprechend den einzelnen Temperaturwerten vorzugeben, ohne daß eine exakte Annäherung an die optimalen Werte in kontinuierlicher Linie notwendig ist, und da jedes Eingangssignal zugleich für eine elektronische Brennstoffeinspritzung oder eine Steuerung einer Abgasrückführung verwendet werden kann.

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Erfindungsgemäß ist es möglich, ein optimales Startverhal ten entsprechend der Erwärmung der Maschine zu erreichen, da die Zündvorverstellung entsprechend der Maschinentemperatur beim Anlassen der Maschine bestimmt wird. 5

Bei der Erprobung der Erfindung in der Praxis hat der Erfinder als zentralen Rechner das Modell Nr. HD46802 der Firma Hitachi und als Steuereinheit das Modell HD46506 der Firma Hitachi verwendet, die in Kombination eingesetzt werden können,

Der Zündschalter 1 ist ein üblicher Zündschalter und kann zwei Kontakte aufweisen, die beim Betrieb des Anlassers geschlossen sind. Der Basiswinkel-Sensor und der Winkeleinheits-Sensor sind herkömmliche Elemente, die die Form einer Abtasteinheit 24 gemäß der US-PS 4 015 565 haben oder als Drehzahl-Spannungs-Wandler 10 gemäß der US-PS 3 853 103 ausgebildet sein können.

Eine Möglichkeit der Ermittlung der Maschinendrelizahl aufgrund des Signals des Winkeleinheits-Sensors ist in der US-PS 3 853 103 beschrieben. In dem Zusammenhang wird weiterhin auf die US-PS 3 969 614 und die US-PS 4 009 699 bezug genommen.

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Weiterhin ist für die Erprobung der Erfindung ein unterbrecherloses Zündsystem mit einer Zündspule und mit einem Leistungstransistor verwendet worden.

Zur Bestimmung des Augenblicks der Zündung auf der Grundlage eines Binärsignals des Basiswinkel-Sensors und des Winkeleinheits-Sensors kann auf die US-PS 3 853 103 und die US-PS 4 015 565 bezug genommen werden.

Bei einer Viertaktmaschine mit vier Zylindern muß jeweils ein Zündimpuls bei einer Drehung der Kurbelwelle von 180° abgegeben werden. In diesem Falle wird der Basiswinkel da-

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her auf 180° Kurbelwellendrehung ausgelegt.

Bei einer Viertaktmaschine mit sechs Zylindern beträgt der Basiswinkel entsprechend 120°. 5

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Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Zündzeitpunkts beim Anlassen einer Brennkraftmaschine

PRIORITÄT: 19. April 1979, Japan, No. 54-47280

PATENTANSPRÜCHE

1} Verfahren zur Steuerung des Zündzeitpunkts beim Anlassen einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang des Anlassens ermittelt wird und daß während des Anlassens eine Zündzeitpunkts-Vorverstellung mit gesonder-Lor Charakteristik verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t, daß die Maschinentemperatur abgetastet und in die Ermittlung der Charakteristik der Zündzeitpunkts-Vorverstellung einbezogen wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschinentemperatur anhand des Kühlmittels der Maschine ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündzeitpunkts-Vorverstellung unter Einschaltung digitaler Rechenvorgänge eines Mikroprozessors ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor anhand gespeicherter Werte die Zündzeitpunkts-Vorverstellung für die jeweiligen abgetasteten Maschinentemperaturen ermittelt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Anlaß-Sensor (1,31) zur Abtastung eines Anlaßvorganges der Maschine und eine Einrichtung (6,20,30,40) zur Ermittlung einer gesonderten Charakteristik der Zündzeitpunkts-Vorversteilung beim Anlassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Temperatur-Sensor zur Abtastung der Maschinentemperatür sowie einer Einrichtung (6) zur Aufnähme eines entsprechenden Signals und Einbeziehung bei der Ermittlung der Zündzeitpunkts-Vorverstellung.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur-Sensor die Kühlmittel- temperatur erfaßt.

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