WO1990015244A1 - Einrichtung zur regulung des zündwinkels einer brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zur regulung des zündwinkels einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO1990015244A1
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Siegfried Ellmann
Manfred Wier
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
    • F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
    • F02P5/1455—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means by using a second control of the closed loop type
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating the ignition angle for at least one cylinder of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 (US Pat. No. 4,727,842).
  • the ignition timing has a decisive influence on engine performance and fuel consumption. As the engine speed increases and the air / fuel ratio increases, the ignition timing must be adjusted to an increasing degree. Operating parameters such as engine load and engine temperature also influence the ignition timing or ignition angle. So far, a map has been determined on a motor test bench for the respective engine type by tests and optimized in subsequent driving tests according to predetermined criteria such as fuel consumption, exhaust gas and driving behavior. The ignition angle map thus determined was stored electronically, so that the ignition behavior of the engine remained unchanged throughout its life.
  • the ignition timing of an internal combustion engine is adjusted so that the peak pressure position following the ignition (crankshaft position at maximum combustion chamber pressure) at a predetermined setpoint or in a predetermined setpoint range, which is stored in an operating point-dependent map , occurs.
  • the invention has for its object to improve a device of the type mentioned that complex test bench and driving tests to optimize the ignition map are unnecessary.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a cylinder
  • Figure 2 shows a block diagram of a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows schematically the section through a cylinder of an internal combustion engine with a combustion chamber, a piston, with an inlet and outlet channel and the corresponding valves, a spark plug and a pressure sensor.
  • the spark plug is supplied with an ignition pulse Z at a connection point a via an ignition coil.
  • a combustion triggered by the ignition spark increases the pressure in the combustion chamber of the cylinder.
  • This pressure is detected and evaluated by the pressure sensor arranged in the combustion chamber. The evaluation takes place in such a way that the crankshaft position at which the maximum value or peak value of the combustion chamber pressure occurs is recorded and stored.
  • the relationship between combustion chamber pressure and crankshaft position is illustrated in a small, unspecified diagram in FIG. 1.
  • Figure 2 shows a block diagram of the device for controlling the ignition angle of a cylinder of an internal combustion engine.
  • a subtractor A is supplied with a setpoint PSoll for the peak pressure position via a line G.
  • An actual value PIst of the peak pressure position is fed to a further input of this subtracting element.
  • the corrected ignition angle Z is fed to the ignition coil via input a of the controlled system.
  • the actual value PIst of the peak pressure position appears, which is fed to the second input of the subtractor A.
  • the ignition angles Z for the ignitions of this cylinder which occur every 720 "KW and the peak pressure positions determined thereupon are fed to an identifier C and stored in this.
  • This identifier C is preferably constructed as a microprocessor and continuously determines this as” route identification " Ratio of change in peak pressure position to change in ignition angle of successive ignitions
  • a sliding scatter value is determined from a representative number of stored actual values PIst of the peak pressure position, the value of which determines the width of a measuring window which is built up in relation to the crank angle around the setpoint PSet of the peak pressure position .
  • the ratio value determined in the identifier C and a value explained later for the control quality of the control loop for the peak pressure position are fed to an assignor.
  • the allocator which essentially consists of an addressable memory RAM, outputs controller parameters which are fed to the PID controller B via a line D.
  • the tracking of the controller parameters carried out by means of the identification of the controlled system ignition angle peak pressure position thus enables an optimal transient response of the control loop.
  • This control circuit is used for rapid pilot control of the ignition angle, which is used when the measured actual value PIst of the peak pressure position is outside the measuring window or when a rapid change in output is required.
  • a comparatively slow controller (not shown) is activated, which optimizes the ignition angle with regard to maximum engine power at a given operating point.
  • a comparatively slow controller (not shown) is activated, which optimizes the ignition angle with regard to maximum engine power at a given operating point.
  • the indicated medium pressure i.e. the line integral pdV, is a measure for the delivered engine power. To determine it, the pressure signal recorded by the pressure sensor is multiplied by the volume-proportional crank angle position, summed up and evaluated after each working cycle.
  • the above-mentioned values for the controller quality are taken from a microprocessor ⁇ P, in which they are stored as a function of the manufacturer's data and operating parameters.
  • Such operating parameters are, for example, engine speed, engine load, air humidity, air temperature, air / fuel ratio, engine temperature, etc.
  • Manufacturer data means such information that, for example under certain operating conditions, such as full load or acceleration, the air / fuel ratio a certain value, for example 0.9.
  • the microprocessor ⁇ P has a further map, in which the setpoints PSoll for the peak pressure position are also stored, depending on the operating parameters mentioned. These are fed to the subtractor A via a line G.

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Abstract

Einrichtung zur Regelung des Zündwinkels für wenigstens einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels eines Reglers für die kurbelwinkel-bezogene Spitzenlage des Brennraumdruckes, mit einem Optimierungsverfahren für den einen maximalen Brennraumdruck bewirkenden Zündwinkel, mit einer Nachstellung der Reglerparameter abhängig vom Verhältnis der Spitzendrucklageänderung zur Zündwinkeländerung und mit einem in einem Mikroprozessor vorhandenen adaptiven Kennfeld für die Sollwerte der Spitzendrucklage.

Description

Einrichtung zur Regelung des Zündwinkels einer Brennkraftma¬ schine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Zünd- winkeis für wenigstens einen Zylinder einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (US-PS 4,727,842).
Beim Otto-Motor beeinflußt der Zündzeitpunkt entscheidend die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch. Mit zunehmender Mo- tordrehzahl und ansteigendem Luft/Kraftstoff-Verhältnis muß der Zündzeitpunkt in zunehmendem Maße nach Früh verstellt wer¬ den. Zusätzlich beeinflussen Betriebsparameter wie Motorlast und Motortemperatur den Zündzeitpunkt bzw. Zündwinkel. Bisher wurde auf einem Motorprüfstand für den jeweiligen Motortyp ein Kennfeld durch Versuche ermittelt und in anschließenden Fahr¬ versuchen nach vorgegebenen Kriterien wie Kraftstoffverbrauch, Abgas- und Fahrverhalten optimiert. Das so ermittelte Zündwin¬ kel-Kennfeld wurde elektronisch gespeichert, so daß das Zünd¬ verhalten des Motors während seiner gesamten Lebensdauer unver- ändert blieb.
Bei der aus der US-PS 4,727,842 bekannten Einrichtung wird der Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine so eingeregelt, daß die der Zündung folgende Spitzendrucklage (Kurbelwellenstellung bei maximalem Brennraumdruck) bei einem vorgegebenen Sollwert bzw. in einem vorgegebenen Sollwertbereich, der in einem betriebs¬ punktabhängigen Kennfeld gespeichert ist, auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der genannten Art dahin zu verbessern, daß aufwendige Prüfstand- und Fahrversuche zur Optimierung des Zündkennfeldes überflüssig sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran¬ sprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinders, Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ein- richtung.
Figur 1 zeigt schematisch den Schnitt durch einen Zylinder ei¬ ner Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, einem Kolben, mit Ein- und Auslaßkanal sowie den entsprechenden Ventilen, einer Zündkerze und einem Drucksensor. Der Zündkerze wird an einem Anschlußpunkt a über eine Zündspule ein Zündimpuls Z zuge¬ führt. Eine durch den Zündfunken ausgelöste Verbrennung erhöht den Druck im Brennraum des Zylinders. Dieser Druck wird von dem im Brennraum angeordneten Drucksensor erfaßt und ausgewertet. Die Auswertung erfolgt dahingehend, daß die Kurbelwellenstel¬ lung, bei welcher der Maximalwert bzw. Spitzenwert des Brenn¬ raumdrucks auftritt, erfaßt und gespeichert wird. Der Zusammen¬ hang zwischen Brennraumdruck und Kurbelwellenstellung ist in einem kleinen, nicht näher bezeichneten Diagramm der Figur 1 veranschaulicht.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Regelung des Zündwinkels eines Zylinders einer Brennkraftmaschine. Einem Subtrahierglied A wird über eine Leitung G ein Sollwert PSoll für die Spitzendrucklage zugeführt. Einem weiteren Eingang die¬ ses Subtrahiergliedes wird ein Istwert PIst der Spitzendruck¬ lage zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Subtrahiergliedes A, welches den Wert Null (Istwert = Sollwert) annehmen soll, wird einem PID-Regler B zugeführt, an dessen Ausgang ein Korrektur- wert erscheint, welcher den aus einem anderen Kennfeld entnom¬ menen Zündwinkel-Vorsteuerwert entsprechend der Regelstrategie in Richtung Früh- oder Sp t-Zündung verändert.
Der korrigierte Zündwinkel Z wird der Zündspule über den Ein- gang a der Regelstrecke zugeführt. An deren Ausgang b erscheint der Istwert PIst der Spitzendrucklage, welcher dem zweiten Eingang des Subtrahiergliedes A zugeführt wird. Die Einrichtung, soweit sie bis hierher beschrieben ist, entspricht der aus der US-PS 4,727,842 bekannten Einrichtung.
Die Zündwinkel Z für die alle 720" KW erfolgenden Zündungen dieses Zylinders und die daraufhin ermittelten Spitzendruckla¬ gen werden einem Identifikator C zugefürt und in diesem gespei¬ chert. Dieser Identifikator C ist vorzugsweise als Mikroprozes¬ sor aufgebaut und ermittelt laufend als "Streckenidentifikation" das Verhältnis von Spitzendrucklageänderung zu Zündwinkelände- rung aufeinanderfolgender Zündungen. Aus einer repräsentativen Anzahl gespeicherter Istwerte PIst der Spitzendrucklage wird gleichzeitig ein gleitender Streuwert ermittelt, von dessen Wert die Breite eines Meßfensters abhängig ist, welches kurbel- winkel-bezogen um den Sollwert PSoll der Spitzendrucklage aufgebaut wird.
Einem Zuordner wird der im Identifikator C ermittelte Verhält¬ niswert und ein später erklärter Wert für die Regelgüte des Re¬ gelkreises für die Spitzendrucklage zugeführt. In Abhängigkeit von diesen beiden Werten gibt der Zuordner, der im wesentlichen aus einem adressierbaren Speicher RAM besteht, Reglerparameter aus, die über eine Leitung D dem PID-Regler B zugeführt werden.
Die mittels der Identifikation der Regelstrecke Zündwinkel- Spitzendrucklage durchgeführte Nachführung der Reglerparameter ermöglicht damit ein optimales Einschwingverhalten des Regel¬ kreises. Dieser Regelkreis wird zur schnellen Vorsteuerung des Zündwinkels verwendet, welche einsetzt, wenn der gemessene Ist¬ wert PIst der Spitzendrucklage außerhalb des Meßfensters liegt oder wenn eine schnelle Leistungsänderung gefordert wird.
Liegt der Istwert hingegen innerhalb des Meßfensters, wird ein vergleichsweise langsamer, nicht dargestellter Regler aktiviert, der bei gegebenem Betriebspunkt den Zündwinkel hinsichtlich ma- ximaler Motorleistung optimiert. Ein solches Optimierungsver¬ fahren ist beispielsweise aus der DE-OS 29 52 073 bekannt. Der indizierte Mitteldruck, also das Linienintegral pdV ist ein Maß für die abgegebene Motorleistung. Zu seiner Bestimmung wird das vom Drucksensor aufgenommene Drucksignal mit der volumenpropor¬ tionalen Kurbelwinkelstellung multipliziert, aufsummiert und nach jedem Arbeitsspiel ausgewertet.
Die obengenannten Werte für die Reglergüte werden einem Mikro¬ prozessor μP entnommen, in welchem sie in Abhängigkeit von Her¬ stellerdaten uru Betriebsparametern abgespeichert sind. Solche Betriebsparameter sind beispielsweise Motordrehzahl, Motorlast, Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Luft/Kraftstoff-Verhältnis, Motortemperatur -usw.. Unter Herstellerdaten sind solche Angaben zu verstehen, daß beispielsweise bei bestimmten Betriebsbedin¬ gungen, wie Vollast oder Beschleunigung das Luft/Kraftstoff- Verhältnis auf einen bestimmten Wert, beispielsweise 0,9 gesetzt wird.
Der Mikroprozessor μP weist ein weiteres Kennfeld auf, in wel¬ chem in Abhängigkeit von den genannten Betriebsparametern auch die Sollwerte PSoll für die Spitzendrucklage gespeichert sind. Diese werden über eine Leitung G dem Subtrahierglied A zugeführt.
Bei statischem Motorbetrieb, d.h. bei einem über mehrere Motor¬ zyklen konstanten Lastzustand, der durch geringe Drehzahl- und Fahrerwunschänderungen charakterisiert ist, wird derjenige Ist¬ wert PIst der Spitzendrucklage, der dem von dem langsamen Regler ermittelten optimalen Zündwinkel zugeordnet ist, in das im Mikroprozessor μP vorhandene Kennfeld für die Sollwerte der Spitzendrucklage übernommen. Vor dem Einschreiben dieser Werte in das Kennfeld werden sie auf Einhaltung vorgegebener Herstel¬ lerdaten wie Motorklopfen, Einhalten von Abgaswerten usw. über¬ prüft und gegebenenfalls korrigiert.
Auf diese Weise entsteht während des Motorbetriebes adaptiv ein dem Motor angespaßtes Kennfeld, welches die Sollwerte für den PID-Regler liefert.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Regelung des Zündwinkels für wenigstens ei¬ nen Zylinder einer Brennkraftmaschine mittels eines Reglers, abhängig von der Abweichung des Istwertes der mittels eines im Breπnraum des Zylinders angeordneten Drucksensors gemessenen Spitzendrucklage (Kurbelwinkel bei maximalem Brennraumdruck) von einem vorgebbaren, innerhalb eines vorgebbaren kurbelwinkel- bezogenen Meßfensters liegenden Sollwert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß ein Mikroprozessor vorgesehen ist, welchem als Eingangs¬ größen Herstellerdaten und Betriebsparameter eingegeben wer¬ den und welcher abhängig von diesen Werten gespeicherte Soll¬ werte für die Spitzendrucklage und für die Reglergüte aus¬ gibt, - daß ein Identifikator vorgesehen ist, welcher das Verhältnis von Spitzendrucklageänderung zu Zündwinkeländerung ermit¬ telt, daß ein Zuordner vorgesehen ist, dem das Verhältnis von Spitzendrucklageänderung zu Zündwinkeländerung und der Wert für die Reglergüte eingegeben werden und welcher diesen Ein¬ gangsgrößen zugeordnete Reglerparameter aus einem Speicher ausliest und an den Regler ausgibt, daß ein relativ langsamer Regelkreis vorgesehen ist, welcher den Zündwinkel auf maximale Leistung optimiert, wenn der Istwert der Spitzendrucklage innerhalb des Meßfensters liegt, und daß bei statischem Motorbetrieb der dem optimalen Zündwin¬ kel zugeordnete Wert der Spitzendrucklage in ein im Mikro¬ prozessor enthaltenes Kennfeld für die Sollwerte der Spit- zendrucklage eingeschrieben und bevorzugt aus diesem ent¬ nommen wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Regelung des Zündwinkels und der Reglerparameter er¬ folgt, wenn der Istwert der Spitzendrucklage außerhalb des Me߬ fensters liegt oder wenn eine schnelle Leistungsänderung gefor¬ dert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine repräsentative Anzahl von Istwerten der Spitzendruck¬ lage gespeichert und daraus ein Wert für deren Streuung ermit- telt wird und daß entsprechend dem Wert der Streuung die Breite des Meßfensters beiderseits des Sollwertes für die Spitzen¬ drucklage variiert wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der dem optimalen Zündwinkel zugeordnete Sollwert der Spit¬ zendrucklage vor dem Einschreiben in das adaptive Kennfeld auf Einhaltung vorgegebener Herstellerdaten (Motorklopfen, Abgas- werte) überprüft und gegebenenfalls korrigiert wird.
PCT/DE1990/000426 1989-06-01 1990-06-01 Einrichtung zur regulung des zündwinkels einer brennkraftmaschine WO1990015244A1 (de)

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