SE523148C2 - Sätt att styra tändningen i en förbränningsmotor samt motor med organ för genomförande av sättet - Google Patents

Description

:rann l5 523 148 2 bränningsrum under kompresssionstakten. Sådana ventilsystem med variabla ventil- tider är kända, tex genom US 5 209 902, som även beskriver styrning av tändningen i beroende av kamvinkeln.

I motorer som saknar hydrauliska ventiltryckare med automatisk ventilspelskompen- sering och har olika material i ventilmekanism och cylinderhuvudet, t ex stål resp aluminium, med olika värrneutvidgningskoefficient varierar ventilspelet med varie- rande temperaturer, vilket resulterar i icke önskvärda variationer av ventilemas överlapp. Temperaturskillnaden från kallstart till driftstemperatur kan på vintem uppgå till över 150°C, vilket leder till ett avsevärt större överlapp när motorn är kall än när den nått driftstemperatur.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är generellt att åstadkomma ett sätt att styra tändläget, som tar hänsyn inte bara till variationer i motorns belastning och varvtal utan även till variationer i ventílernas lyftkurvor.

Detta uppnås enligt uppfinningen genom att tändläget varieras i förhållande till variationer i den tidsperiod, då insugnings- och avgasventilema är öppna samtidigt, genom att förhållandet mellan förbränd och oförbränd gas i cylindrarnas förbrän- ningsrum beräknas och att detta förhållande utnyttjas, så att ju större andelen för- bränd gas är desto tidigare initieras tändningen.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en motor, som är utrustad för styrning av tändläget på ovan angivna sätt.

Detta uppnås enligt uppfinningen hos en motor av i inledningen angivet slag, genom att styrenheten har medel för att beräkna förhållandet mellan förbränd och oförbränd gas i cylindramas förbränningsrum och styra tändläget så att ju större andelen för- bränd gas är desto tidigare »irlitieras tändningen. .svar 523 148 3 Underförstått är härvid att tidigareläggningen av tändläget sker under förutsättning att alla andra styrparametrar för tändningen är oförändrade. På detta sätt äger för- bränningen rum under längre tid, vilket är fördelaktigt då avgasema gör att flam- fronten utbreder sig långsammare.

Förhållandet mellan avgaser och frisk luft kan mätas med hjälp av sensorer direkt i förbränningsnirnmet, men även om detta är tekniskt möjligt är det opraktiskt armat än i laboratoriemiljö.

Förhållandet mellan förbränd och oförbränd gas kan enligt uppfinningen beräknas indirekt med ledning av förhållandet mellan temperaturen hos ventilerna och tempe- raturen hos cylindramas cylinderhuvud. Genom att mäta temperaturen hos motorns kylmedium och luftflödet till cylindramas förbränningsrum kan nämnda temperatur- förhållande bestämmas. Temperaturen hos cylinderhuvudet och insugningsventilen är väsentligen lika med kylrnedelstemperaturen. Temperaturen hos avgasventilen kan, trots att den är mycket högre, beräknas med ledning av kylmedelstemperaturen med en korrektionsfaktor, vilken är proportionell mot motorlasten, som här är ekvi- valent med luftmassan i cylindern per slag.

Uppfinningen beskrivs närmare med hänvisning till på bifogade ritningar visade ut- föringsexernpel, där fig. 1A, lB och lC visar diagram över delar av avgas- och in- sugningsventilens lyftkmvor under olika driftsförhållanden och fig. 2 visar en delvis snittad vy av en motor enligt uppfinningen med ett schema över tändsystemet.

I fig. 1A visas vevaxelvinkelområdet på ömse sidor om kolvens övre dödpunkt, dvs 720 vevaxelgrader, med slutet av avgasventilens lyftkurva A och början av insug- ningsventilens lyftkurva I för en viss venfilinställning. Såsom frarngår av lyftkurvor- na A och I börjar insugningsventilen öppna under slutet av avgasfasen innan kolven nått sin övre dödpunkt, medan avgasventilen stänger först efter ett visst insugnings- slag efter övre dödpunkten, vilket innebär att en viss mängd avgaser kommer att su- ,..un i; »i- s» ba' ..- ,1 523 148 4 gas in i cylindern. Överlappet definieras här av området B som är inneslutet mellan lyftkurvoma A och I samt diagrammets x-axel.

I fig. IB visas ett diagram motsvarande fig. lA men med ändrat ventillyft hos insug- ningsventilen. Med streckad linje visas insugningsventilens lyftkurva I och med hel- dragen linje den nya lyftkurvan I°, som åstadkommes genom att ändra ventilens kamtider med hjälp av en omställbar kamaxel, dvs karnaxelns vridningsvinkel rela- tivt vevaxelvinkeln är ändrad, vilket resulterar i en horisontalförskjutning av kurvan i diagrammet. Såsom framgår av diagrammet förstoras överlappsområdet B” väsent- ligt jämfört med området B i fig. 1A.

I fig. IC visas ett diagram där lyftkurvoma A och I (motsvarande fig. IA) är streck- ade. Den nya avgasventilkiirvan A” och insugningsventilkurvan I” är resultatet av en förändring av ventjlernas (primärt ventilspindlarnas) längd relativt cylinderhuvudets dimension i ventilspindelns riktning. Denna förändring, som beror av olika längdut- vidgning på grund av olika material i cylinderhuvudet och ventilmekanismen, tex aluminium resp stål med olika utvidgnjngskoefficient, orsakar en rent vertikal för- skjutning av lyftkurvorna. Redan mycket små förändringar av ventillängdema leder till betydande förändringar av överlappsområdet B”, såsom framgår av fig. lC.

Variationerna i ventilöverlapp medför variation av mängden avgaser i cylindramas förbrärmingsrum under kompressionstakten. I fig. 2 visas en motor med ett tänd- ningssystem, som förutom att styra tändförställriingen i beroende av kända styrpa- ramerar som varvtal och belastning även inkluderar mängden avgaser i bränsle- luftblandningen som en styrpararneter.

I fig. 2 betecknar 1 cylindrama hos en fyrtakts ottomotor. Motoms kolvar 2 är via vevstakar 3 förbundna med en vevaxel 4. En insugningsledning 5 mynnar i en in- sugningskanal, i vilken en insugningsventil 6 är anordnad. I en avgaskanal är en av- gasventil 7 anordnad. Ventilemas ventilrörelse kan åstadkommas med en inte när- mare visad venfilmekariism, innefattande ventiltryckare, kamaxlar och ventilfiädrar. i lans» ni: 30 523 148 Med 8 betecknas ett tändstift med en tändspole, som är elektriskt ansluten till en styrenhet 9, vilken företrädesvis är en mikroprocessor, som styr tändläget, dvs läget relativt vevaxelns läge (kolvens läge i cylinderrummet under kompressionstalcten), vid vilket bränsle-luftblandningen skall antändas. Styrenheten 9 är vidare elektriskt ansluten till en temperatursensor 11, som avkärmer motortemperaturen alternativt kylvätsketemperaturen, en yttertemperatursensor 12, en trycksensor 13 och luftrnas- semätare 14 i insugningsröret 5 samt en varvtalssensor 15. Om motorn har kamaxlar med variabla kamvinklar finns dessutom till styrenheten anslutna kamvinkelmätare.

Styrenheten 9 reglerar på känt sätt såväl tändläget som bränsleirisprutningstidpurik- ten och bränslemängden i beroende av bl a varvtalet, som erhålls via varvtalssensom , och belastningen, som erhålls via luftmassemâtaren 14. Enligt uppfinningen inkluderas även förhållandet mellan förbrända och oförbrända gaser i motorns för- bränningsrum som en parameter för styming av tändläget. Styrenheten reglerar här- vid tändningen så, att ju större andelen förbränd gas är, desto tidigare initieras tänd- ningen, detta beroende på att flamfronten utbreder sig långsammare ju högre halter- na av förbränd gas Signaler till styrenheten, som indikerar förhållande mellan förbrända och ofórbrända gaser, kan erhållas från en givare anordnad direkt i cylindem 1, men av flera skäl är det önskvärt att undvika sensorer direkt i motorns cylindrar.

Såsom angivits i beskrivningsiriledningen är förhållandet mellan förbrända och oförbrända gaser beroende av mängden tillförd frisk luñ och storleken på avgas- och insugningsventilernas 6, 7 lyftkmvors I, A överlappsområden och, såsom beskrivits i anslutning till fig. lA-lC, kan dessa variera antingen i beroende av variationer i kamviriklarna eller i beroende av variationer i skillnader i temperaturutvidgning mellan ventilmekanismen och cylinderhuvudet eller en kombination av dessa.

I en motor med automatisk ventilspelskompensering och variabla kamtider kan överlappsområdet och dänned förhållandet mellan förbrända och oförbrända gaser :nous ffso 523 148 6 beräknas direkt i styrenheten via signaler från karnvinkelrnätare (inte visade), som avkärmer variationer i karnaxlarnas kamvinkel, tryckgivaren 13 och luftmassemäta- ren 14, som avkänner mängden frisk luft som tillförs cylindem.

I en motor utan automatisk ventilspelskompensering ändras ventilspelet och därmed även överlappsområdet i beroende av nämnda skillnader i längdutvidgning mellan ventihnekanismen, primärt ventilspindeln, och cylinderhuvudets dimension spin- delns riktning. Ventilemas 6, 7 och cylinderhuvudets relativa längder kan bestäm- mas med ledning dels av temperaturen hos ventilema och hos cylínderhuvudet och dels av deras respektive temperatureberoenden, så att de exakta öppnings- och stängningspunktema och därigenom även överlappet kan uppskattas.

Temperaturen hos cylinderhuvudet och insugningsventilen 6 är härvid i huvudsak lika med kylvätsketemperaturen och erhålls från temperatursensorn 11. Avgasventi- lens 7 temperatur är väsentligt högre men kan beräknas med ledning av kylvätske- temperaturen med en korrigering, som är proportionell mot motorlasterr, som i sin tur är proportionell mot den av sensorn 14 uppmätta luftmassan i cylindern per slag.

Lasten förändras snabbt under transienta öppningar och stängningar av gasspjället, medan temperaturförändringar sker med en specifik tidskonstant beroende på trög- het. Temperaturema är på förhand beräknade och lagrade i en tabell i styrenheten 9.

En av överlappet beroende mängd avgaser strömmar under utblåstalcten in i insug- ningsröret. Det totala trycket i insugningsröret, som utgör summan av avgasemas och friskluftens partiella tryck mäts med hjälp av trycksensom 13. Avgastrycket kan beräknas med ledning av det på ovan beskrivet sätt beräknade överlappet, så att det partiella frisklufttrycket erhålls.

Eftersom insugningsröret 5 innehåller en viss volym gas föreligger en tidskonstant mellan ett luftflöde i insugningsröret 5 och ett luftflöde till förbränningsrurrnnet. När spjället öppnas fylls volymen i insugningsröret innan luft strömmar in i förbrän- ningsrurnrnet. Denna tidskonstant kompenseras genom att uppmäta luftmasseflödet i .rann l523 148 7 med mätaren 14 placerad i början av ínsugningsröret. Tidskonstanten är starkt bero- ende av skillnader i tryck mellan insugningsrörets bägge ändar. Trycket nära cylin- dern bestäms av överlappet, eftersom avgastrycket i irisugriirigsröret blir större ju större överlappet Företrädesvis utnyttjas det beräknade överlappet/överlappsom- rådet som insignal vid beräkning av lasten, som ju utgör basen vid beräkning av tändläget.

Eftersom tändläget alltid primärt bestäms av motorns belastning och varvtal, som erhålls från sensorema 14 resp 15, kan med fördel även varvtalet inkluderas vid be- räkning av avgasventilens 7 temperatur och därmed överlappet. Den ovan beskrivna styrningen sker lämpligen med hjälp avi styrenheten 9 inlagrade tabeller eller funk- tionssamband, som ger av inparametrarna beroende utsignaler, som styr tändläget.

Tabellema skapas genom optimeringsmätningar, då värdena på inparametrama varieras, företrädesvis en i taget. Optimeringen sker lämpligen med utgångspunkt från uppmätta värden på vridmoment och avgasemissioner, så att så högt vridmo- ment som möjligt erhålls utan att förutbestämda emissionsgränser överskrids. Ytter- ligare parametrar, som kan användas för att förbättra styrningen kan vara utomhus- temperaturen via sensorn 12, temperaturen hos luften i insuguingsröret m m.

Ovan har beskrivits styrning av tändningen i förhållande till vevaxelläget medelst styrenheten 9. Givetvis styrs även bränsleinsprumingstidpunkten och bränslemäng- den på känt sätt i förhållande till tändläget, så att även bränsleinsprutningstidpunkt och -mängd varieras i förhållande till ventilemas överlapp (överlappsområde).

Den i fig. 2 visade och ovan beskrivna uttöríngsformen av motorn enligt uppfin- ningen är en motor med gnisttändning, men uppfinningen omfattar även dieselmoto- rer, varvid styrningen av tändningen i stället för att avse styrning av tidpunkten för tändstiftets gnista via tändspolen avser styrning av dieselbränslets insprutningstid- punkt i förbränníngsrurnmet. Uppfinningen är givetvis inte heller begränsad till motorer med karnaxelstyrda ventiler, vars varierande ventilrörelser beror av varie- rande ventilspel och/eller varierande kamtider. Varierande ventilrörelser kan vara 523 148 8 likartade rörelsevariationer hos ventiler styrda på annat sätt, t ex medelst elektro- magneter eller liknande. r,»vn

Claims (9)

.».:a 10 15 20 25 30 523 148 Patentkrav

1. l. Sätt att i en förbränningsmotor med minst en cylinder, en vevaxel och minst en insugníngsventil och avgasventil för varje cylinder anpassa tändningsläget relativt vevaxelläget till variationer i motoms driftstillstånd, kännetecknat av att tändnings- läget varieras i förhållande till variationer av den tidsperiod, då insugnings- och avgasventilerna är öppna samtidigt, genom att förhållandet mellan förbränd och oförbränd gas i cylindrarnas förbränningsrum beräknas och att detta förhållande utnyttjas, så att ju större andelen förbränd gas är desto tidigare initieras tändningen.

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att temperaturen hos ventilema och cylíndramas cylinderhuvud beräknas och att förhållandet mellan förbränd och oförbränd gas bestäms med utgångspunkt från förhållandet mellan dessa temperaturer.

3. Sätt enligt krav 2, kännetecknat av att temperaturen hos motorns kylmedium samt luftflödet till cylindramas förbränningsrum mäts och att temperaturen hos ventilema och motorns cylinderhuvud bestäms med ledning av nämnda temperatur och flöde.

4. Sätt enligt något av kraven 1-3 för anpassning av tändningsläget relativt vevaxelns vinkelläge i en motor, i vilken åtminstone insugningsventilema styrs av en kamaxel med variabla kamvinklar, kännetecknat av att förhållandet mellan fórbränd och oförbränd gas beräknas med ledning av insugnings- och avgasventilernas kamvink- lar.

5. Förbränningsmotor med minst en cylinder, en vevaxel, minst en insugnings- och avgasventil samt en styrenhet, som innefattar organ för att initiera tändning i beroende av signal från en vevaxelvinkeln avkännande sensor, kännetecknad av att styrenheten har medel för att beräkna förhållandet mellan förbränd och oförbränd »vn-a 10 15 20 523 148 10 gas i cylindramas förbränningsrum och styra tändläget, så att ju större andelen förbränd gas är desto tidigare initieras tändningen.

6. Motor enligt krav 5, kännetecknad av att styrenheten är ansluten till en temperatursensor, som avkärmer temperaturen hos motorns kylrnedium, och en flödessensor, som avkänner luftflödet till cylindramas förbränningsrum, och har medel för att i beroende av signaler från nämnda sensorer beräkna förhållandet mellan förbrând och otörbränd gas.

7. Motor enligt krav 6, kännetecknad av att flödessensorn uppvisar en flödesgivare och en tryckgivare i motorns insugningsledning, av vilka tryckgivaren är anordnad i närheten av insugningsventilen.

8. Motor enligt krav 7, kännetecknad av att styrenheten är ansluten till en varv- talssensor och har medel för korrigering av signalerna från luftflödessensorn i beroende av signalerna från varvtalssensom.

9. Motor enligt något av kraven 5-8, kännetecknad av att den har en kamaxel med variabla karnvirildar, vilken reglerar insugningsventilens rörelse, och en kamvinkel- sensor, vilken är anordnad att avge en av kamaxelns kamvinkel beroende signal till styrenheten.