DE3205009C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verhindern der klopfenden Verbrennung in einem turbogeladenen Otto-Motor.

Aus "MTZ Motortechnische Zeitschrift 42 (1981) 1, Seiten 17 und 18 ("Saab)" ist eine Ladedruckregelung für Saab-Turbo-Motoren bekannt. Bei dieser Ladedruckregelung wird ein Klopfsensor zur Steuerung des Ladedrucks verwendet und nicht, wie bis dahin, zur Verstellung des Zündzeitpunktes. Dadurch wird das Signal des Klopfsensors einer elektronischen Steuereinheit zugeführt, die wiederum ein Signal an ein Magnetventil abgibt, das die Steuerleitung für das Abblasventil auf der Abgasseite der Tubine öffnet und einen Teilluftstrom zur Ansaugseite des Verdichters zurückströmen läßt. Dadurch wird der Ladedruck etwas gesenkt und das Klopfen vermieden. Der Effekt der dort beschriebenen Regelung wird darin gesehen, daß Kraftstoffe unterschiedlicher Qualität zwischen 91 und 99 ROZ ohne Veränderungen am Motor verwendet werden können und die zur Verfügung gestellte Energie so gut wie möglich ausgenutzt wird. Im Vergleich zur automatischen Zündzeitpunktverstellung wird dieses System dahingehend als vorteilhaft bezeichnet, daß immer gleich gute Voraussetzungen für eine vollständige Verbrennung vorhanden sind und nicht so hohe Temperaturen der Auspuffgase sich ergeben. Dies soll die Lebensdauer des Laders erhöhen.

Aus "BUICK'S Turbocharged V-6 Power Train For 1978" ist es gemäß Seite 9 bekannt, sowohl eine Reduzierung des Ladedruckes als auch eine Zurücknahme des Zündzeitpunktes vorzunehmen, um eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Allerdings wird diese kombinatorische Maßnahme zum Verhindern der klopfenden Verbrennung als wirkungslos herausgestellt.

Aus der DE-OS 29 06 243 ist ein Verfahren zum Steuern des Zündzeitpunktes einer mit Turbolader ausgerüsteten, fremd gezündeten Brennkraftmaschine bekannt. Hier wird lediglich klopfende Verbrennung durch Zurücknahme des Ladedrucks gesteuert von Klopfsensor-Signalen, aufgezeigt.

Es ist somit bekannt, Steuersysteme einzusetzen, bei denen die klopfende Verbrennung festgestellt und automatisch der Ladedruck auf ein Niveau abgesenkt wird, bei dem das Klopfen aufhört. Solch ein System erhöht den Toleranzbereich des Motors hinsichtlich unterschiedlicher Brennstoffqualitäten und ist gegenüber einem System, welches eine Zündzeitpunktverzögerung verwendet, dahingehend vorteilhaft, daß es eine erhöhte Abgastemperatur infolge der Zündzeitpunktverzögerung vermeidet und so das Risiko einer Überhitzung eliminiert. Ein System, welches den Ladedruck zum Vermeiden des Klopfens reduziert, ist jedoch nicht ohne Nachteile. Das System ist langsamer als ein System, welches eine Zündzeitpunkt-Regulierung verwendet. Außerdem sind die Leistungsfähigkeitsverluste beträchtlich größer. Weiterhin ist die Motorbrennstoff-Wirtschaftlichkeit schlechter, wenn mit einem sogenannten Hochoktan-Brennstoff und mit Teillast gefahren wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verhindern der klopfenden Verbrennung zu schaffen, welches einen geringstmöglichen Verlust an Leistungsfähigkeit in Kombination mit der Aufrechterhaltung einer guten Brennstoff-Wirtschaftlichkeit ermöglicht, wenn mit einem Brennstoff mit hohem Oktanwert gefahren wird. Gleichzeitig soll das Risiko einer Überhitzung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die kombinatorische Verzögerung des Zündzeitpunktes und der Reduzierung des Ladedruckes in Verbindung mit einem Ausbalancieren der Zündzeitpunktverzögerung gegenüber der Druckreduzierung, um so die Abgastemperatur auf ein im wesentlichen konstantes Niveau zu halten, wenn ein Wechsel der Brennstoffqualitäten erfolgt, wird eine wesentliche Reduzierung hinsichtlich des Verlustes der Leistungsfähigkeit im Vergleich mit einer Druckreduzierung alleine erzielt. Ebenso wird das Risiko einer thermischen Überlastung der Komponenten an der Abgasseite des Motors eliminiert. Dank der Tatsache, daß die Zündung so reguliert werden kann, daß sie über den gesamten Druckbereich der Detonationsgrenzlinie erfolgt, wird ein niedriger spezifischer Brennstoffverbrauch erzielt, als wenn nur der Ladedruck reguliert würde.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines turbogeladenen Otto-Motors mit einem System zum Verhindern der klopfenden Verbrennung,

Fig. 2 und 3 Diagramme der Abgastemperatur und des spezifischen Brennstoffverbrauchs (BSFC) jeweils für verschiedene Brennstoffqualitäten und verschiedene Steuerstrategien,

Fig. 4 ein Diagramm mit der Darstellung der Drehmomentenreduzierung, wenn die Brennstoffqualität entsprechend den verschiedenen Steuerstrategien geändert wird,

Fig. 5 ein Diagramm mit der Darstellung der Zündzeitpunktverstellung für die verschiedenen Steuerstrategien, im Verhältnis zum Einstellen der optimalen Brennstoffwirtschaftlichkeit und

Fig. 6 ein Diagramm mit der Darstellung der Reduzierung des Ladedruckes und der Zündzeitpunktverzögerung als Funktion der Zeit bei verschiedenen Klopfintensitäten.

Der in Fig. 1 dargestellte Motor ist ein Vierzylinder-Ottomotor mit einer Turbokompressoreinheit 2, umfassend einen Turbinenabschnitt 3, welcher mit einer Motorabgasleitung 4 in Verbindung steht, und einen Kompressorabschnitt 5, welcher mit der Motoreinlaßleitung 6 über einen Ladeluftkühler 7 vom Luft-Luft-Typ in Verbindung steht, und einen Drosselkörper 8, welcher die Motordrossel 9 enthält. Der Gasstrom durch die Turbine 3 wird mit Hilfe eines Abgasauslasses 11 geregelt, welcher Abgasauslaß 11 an ein Umleitungsrohr 10 angeschlossen ist. Der Abgasauslaß 11 ist durch einen pneumatisch betriebenen Mechanismus 12 zu betätigen. Wenn der Abgasauslaß geschlossen ist, richtet er den gesamten Gasstrom durch die Turbine. Der Druck im Betätigungsmechanismus 12 und somit das Einstellen des Abgasauslasses wird durch ein Elektromagnet-Ventil 13 in einer Leitung 14 bestimmt, welche über eine kalibrierte Verengung 15 die Saug- und Druckseite des Kompressors miteinander verbindet und von der eine Leitung 16 zum Betriebsmechanismus 12 abzweigt. Während des Betriebs schaltet dieses Ventil periodisch zwischen dem offenen und geschlossenen Zustand und durch Verändern der Periodenlänge kann der Druck in der Leitung 16 geändert werden, wodurch der Druck im Betriebsmechanismus 12 ebenso geändert wird.

Das Ventil 13 wird durch eine Signalbehandlungseinheit in Form eines Mikroprozessors 17 gesteuert, zu dem Signale gebracht werden, die die Motordrehzahl, die Drosselstellung, den Ladeluftdruck und die Ladeluftemperatur repräsentieren. Die Eingangssignale zum Mikroprozessor werden von verschiedenen Sensoren 18, 19, 20 und 21 erhalten. Der Sensor 18, welcher sich in der Rohrleitung zwischen dem Kompressor 5 und dem Zwischenkühler 7 befindet, kann ein piezoresistiver Umsetzer sein, welcher den Ladedruck registriert. Der Sensor 19 kann ein Schnell-NTC-Widerstand sein, welcher die Ladeluftemperatur registriert. Der Sensor 20 kann ein Potentiometer sein, welcher mit der Drossel 9 gekuppelt ist, um die Drossellage zu registrieren. Die Motordrehzahl repräsentierende Signale können von einem Hall-Effekt-Sensor 21 erzielt werden, welcher im Verteiler vorgesehen ist.

Auf der Basis der von den Sensoren 19, 20, 21 kommenden Eingangssignale bestimmt der Mikroprozessor 17 den Kommandowert des Ladedruckes bei jedem Betriebszustand. Das vom Ladedrucksensor 18 kommende Signal sieht eine Information bei jeder Abweichung zwischen dem Kommandowert und dem tatsächlichen Wert des Ladedruckes vor. Signale, die einen zu niedrigen tatsächlichen Ladedruck anzeigen, führen im Mikroprozessor 17 zu einem Anwachsen der Öffnungszeit des Ventils 13, woraus wiederum ein Druckabfall in der Leitung 16 zum Betriebsmechanismus 12 resultiert, welcher dann den Abgasauslaß 11 in Richtung auf die geschlossene Lage bewegt. Der Strom durch das Umleitungsrohr 10 fällt und die Turbinendrehzahl nimmt zu, wodurch der Ladedruck zunimmt. Der umgekehrte Vorgang tritt auf, wenn der tatsächliche Ladedruck zu hoch ist.

Dadurch ist es möglich, den Ladedruck kontinuierlich auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Das genannte Prinzip schafft eine große Flexibilität hinsichtlich der Bestimmung der Ladedruckeigenschaften und macht das System unabhängig von mechanischen Toleranzen, wie beispielsweise Veränderungen in der Charakteristik der Rückbringfedermittel im Betriebsmechanismus 12.

Die Mikroprozessorsteuerung macht es möglich, bei Vollast den Wert des maximalen Ladedruckes ein wenig unterhalb der Klopfgrenze anzusiedeln, um für eine bestimmte Brennstoffqualität ein optimales Leistungsverhalten zu erzielen. Das Resultat ist jedoch die Tatsache, daß die Sicherheitsrandbereiche zum nachteiligen Klopfen recht klein sind. Um die erhöhte Motorempfindlichkeit hinsichtlich der sich ändernden Brennstoffqualität zu kompensieren, umfaßt das zuvor beschriebene System einen Klopfsensor 22, der am Motorblock befestigt ist. Dieser Sensor kann ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser sein, welcher mit dem Mikroprozessor 17 verbunden ist und somit diesen mit einer kontinuierlichen Information der Klopfintensität versieht. Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er nach der Registrierung einer vorbestimmten Klopfintensität Berichtigungsmaßnahmen einleitet, einerseits durch Senden von Signalen zum Ventil 13, um die Reduzierung des tatsächlichen Ladedruckes unter den Kommandowertdruck zu bewirken, und andererseits durch Absenden von Signalen zu einem Motoreinstellsystem 24, um eine Verzögerung des Zündzeitpunktes zu bewirken.

Das Diagramm in Fig. 2 zeigt, wie die Druckreduzierung und die Zündzeitpunktverzögerung, jeweils gekennzeichnet durch unterbrochene und ausgezogene Linien, die Abgastemperatur beeinträchtigen, und zwar bei der Durchführung von Versuchen an einem 2,1 l-Vierzylinder-Motor mit einer maximalen Leistung von 114 kW DIN. Die Versuche wurden bei Maximallast an der Detonationsgrenzlinie (DBL) bei 3000 UpM und mit einem Brennstoff von 97, 94 und 91 RON durchgeführt. Es ist aus dem Diagramm ersichtlich, daß ein starkes Anwachsen der Abgastemperatur nur mit einer Zündzeitpunktverzögerung erreicht wurde, wenn der Brennstoff sich zu einer schlechteren Qualität änderte, während die Druckreduzierung alleine in einem Abfall der Temperatur resultierte, stattdessen jedoch in einer erheblichen Verschlechterung der Motorleistungsfähigkeit, wie dies der unten stehenden Tabelle zu entnehmen ist. Das Diagramm in Fig. 3 verdeutlicht die Auswirkung der Zündzeitpunktverzögerung (ausgezogene Linie) und der Druckreduzierung (unterbrochene Linie) auf den spezifischen Brennstoffverbrauch des Motors.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung war die Abgastemperatur als Steuerparameter beim Programmieren des Prozessors 17 ausgewählt. Die Druckreduzierung und die Zündzeitpunktverzögerung werden gegeneinander ausbalanciert, um die Abgastemperatur konstant zu halten, wie dies in Fig. 2 durch die strichpunktierte Linie angegeben ist. Die resultierten Wechsel hinsichtlich des spezifischen Brennstoffverbrauchs sind durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 3 dargestellt.

Bei diesem Versuchsmotor wurde herausgefunden, daß die optimale Kombination der Druckreduzierung und der Zündzeitpunktverzögerung ungefähr 0,03 bar pro Grad Kurbelwinkel Zündzeitpunktverzögerung betrug.

Die folgende Tabelle zeigt die Auswirkung der verschiedenen Strategien auf die Motorleistungsfähigkeit, die Brennstoffwirtschaftlichkeit und die Abgastemperatur.

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß die Strategie I in einer starken Zunahme der Abgastemperatur mit einer unannehmbar hohen thermischen Belastung der Komponenten in der Abgasseite resultiert, während die Strategie II zu Leistungsfähigkeitsverlusten führt, die mehr als 43% größer sind als bei der Strategie III.

Das Diagramm in Fig. 4 zeigt die absoluten Werte des Drehmomentes und der Abgastemperatur bei demselben Motorversuch und mit einem Brennstoff von 97 und 91 RON. Jedoch betrug in diesem Fall die Drehzahl 2700 UpM. Die ausgezogenen, gestrichelten und strichpunktierten Pfeile repräsentieren jeweils die Strategie I, II und III, und zeigt die jeweiligen Wechseln hinsichtlich des Drehmomentes. Wie das Diagramm erkennen läßt, resultiert eine Druckreduzierung alleine in einer Reduzierung des Drehmomentes von 250 Nm zu 214 Nm, während die Druckreduzierung und die Zündzeitpunktverzögerung in Kombination zu einer Drehmomentenreduzierung von 250 Nm nur zu 233 Nm führt, während die Abgastemperatur bei ca. 905°C konstant bleibt. Die Zündzeitpunktverzögerung alleine resultiert in einem Ansteigen der Abgastemperatur um ca. 10°C.

Wie zuvor ausgeführt wurde, hat ein Motor mit einem Klopfsteuersystem unter Verwendung einer Ladedruckreduzierung alleine eine schlechtere Brennstoffwirtschaftlichkeit als ein Motor, welcher mit einem System gemäß der Erfindung versehen ist, wenn der Antrieb mit einem Brennstoff erfolgt, der eine geringe Neigung zum Klopfen hat, beispielsweise 97 RON Brennstoff. Dies liegt daran, daß das Zündsystem des erstgenannten Systems so eingestellt werden muß, daß die Zündung beim niedrigsten Druck, auf den das System heruntergeschoben werden kann, für einen spezifischen Brennstoff, welcher die größte Tendenz zum Klopfen hat, beispielsweise 91 RON Brennstoff, unterhalb der Klopfgrenze stattfindet. Dies ist durch das Diagramm in Fig. 5 verdeutlicht, wo P₁-P₄ verschiedene konstante Druckniveaus angeben und MBT den Zündzeitpunkt für die beste Brennstoffwirtschaftlichkeit angibt. Diese Einstellung liegt, wie dies aus dem Diagramm ersichtlich ist (und die bei den meisten Motoren Anwendung findet), höher als die Klopfgrenze, sogar für 97 RON Brennstoff bei diesen Belastungen. Links von dieser Linie DBL 91 RON befinden sich drei Zündpunkte a, b und c für drei Steuerstrategien für den Antrieb des Motors mit 91 RON Brennstoff unter Vollast. Δ M₁, Δ M₂ und Δ M₃ bezeichnen die Reduktionen des Drehmomentes, wenn eine Änderung von einem 97 RON Brennstoff zu einem 91 RON Brennstoff erfolgt. Bei Teillast (Druckniveau P₄) und einem 97 RON Brennstoff kann bei der beschriebenen Steuerstrategie die Zündung auf den Punkt d eingestellt werden, während die Zündung beim Punkt b verbleiben muß, wenn nur der Druckwechsel verwendet wird, sogar wenn ein 97 RON Brennstoff verwendet wird. Der Unterschied von Δα hinsichtlich der Zündeinstellung resultiert in einem Brennstoffverbrauch bei Teillast, welcher 4-5% höher ist als entsprechend der letztgenannten Steuerstrategie. A bezeichnet das Intervall für die konstante Abgastemperatur bei der Steuerstrategie gemäß der Erfindung.

Beim beschriebenen Beispiel wurde der Mikroprozessor 17 dahingehend programmiert, den Ladedruck und die Zündzeitpunktverzögerung in einer Anzahl von rapiden absoluten Schritten von 0,075 bar und 3° Kurbelwinkel zu reduzieren. Das System wurde so eingestellt, daß es wirksam wird nach dem Erfassen der klopfenden Verbrennung während 5 oder mehr von 20 aufeinanderfolgenden registrierten Zyklen, und daß der Ladedruck und der Zündzeitpunkt in einer Rate von 0,075 bar und 3° Kurbelwinkel pro 5 s auf die ursprünglichen Werte zurückgebracht werden, nachdem das Klopfen aufgehört hat. Fig. 6 illustriert diesen Wechsel des Ladedruckes und des Zündzeitpunktes als eine Funktion der Zeit bei verschiedenen Klopfintensitäten.

Dank der Tatsache, daß die Abgastemperatur nicht beeinträchtigt wird, sind höchst tragbare energetische Belastungen zulässig, ohne die Lebensdauer des Motors zu verkürzen. Das Steuersystem der Fig. 1 umfaßt ebenso eine Sicherheitsvorrichtung in Form eines Druckschalters 23, welcher in die Einlaßleitung montiert ist. Dieser Schalter schaltet die Brennstoffversorgung zum Motor ab, wenn ein Fehler dahingehend auftreten sollte, daß der Ladedruck einen zulässigen Wert überschreitet.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verhindern der klopfenden Verbrennung in einem turbogeladenen Otto-Motor, gemäß dem

• a) beim Feststellen des Klopfens der Ladedruck reduziert wird,
• b) gleichzeitig auch der Zündzeitpunkt verzögert wird,
• c) das Ausmaß der Reduzierung des Ladedruckes und der Verzögerung des Zündzeitpunktes so ist, daß bei Verwendung unterschiedlicher Brennstoffqualitäten die Motorabgastemperatur auf einen im wesentlichen konstanten, unterhalb einem vorbestimmten Maximalwert liegenden Wert gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladedruck und die Zündung nach der Anzeige des Klopfens rapide in Stufen reduziert bzw. verzögert wird und auf den ursprünglichen Wert bei einer niedrigeren Rate erhöht oder vorgeschoben wird, wenn das Klopfen nachgelassen hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladedruck um ungefähr 0,03 bar pro Grad Kurbelwinkel Zündverzögerung reduziert wird.