-
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der
DE 195 32 504 A1 ist bereits ein Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem bei einem Klopfereignis in der Brennkraftmaschine der Zündwinkel in Richtung spät verstellt wird. Danach wird dann der Zündwinkel wieder mit einer konstanten Rate in Richtung früh verstellt. Aus der
DE 100 43 693 A1 ist bereits eine Änderung der Schrittweite einer Zündwinkelverstellung durch eine Klopfregelung bekannt, wenn ein Stellwert für die Brennkraftmaschine einen Schwellwert überschreitet. Es wird so die Regelgeschwindigkeit der Klopfregelung erhöht.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren haben demgegenüber den Vorteil, dass der Zündwinkel nach der Verstellung in Richtung spät zunächst wieder schneller in Richtung früh verstellt wird und bei einer Annäherung an die Klopfgrenze deutlich langsamer in Richtung früh verstellt wird. Es wird so gleichzeitig ein Betrieb näher an der Klopfgrenze, d. h. eine Effizienzverbesserung und ein geringeres Auftreten von Klopfen, d. h. eine geringere Belastung der Brennkraftmaschine erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit eine wesentlich bessere Regelgüte auf als das bisher bekannte Verfahren zur Klopfregelung.
-
Weitere Verbesserungen und Vorteile ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Die erfindungsgemäße Verstellung des Zündwinkels kann besonders einfach durch eine simple Zeitmessung seit dem letzten Klopfereignis realisiert werden. Die Zeitmessung kann darin bestehen, dass Zündereignisse abgezählt werden oder aber dass ein Zeitzähler betrachtet wird. Weiterhin kann die Rate der Frühverstellung davon abhängt, wie groß der Abstand der aktuellen Klopfregelspätverstellung zur Klopfgrenze ist. Eine weitere einfache Realisierung der erfindungsgemäßen Zündwinkelverstellung besteht darin, die Größe eines Zündwinkelklopfanteils zu betrachten und die Rate der Verstellung von der Größe dieses Zündwinkelklopfanteils abhängig sein zu lassen. Dabei ist es insbesondere sinnvoll, wenn sowohl ein Zündwinkelgrundanteil wie auch ein Zündwinkelklopfanteil weiterhin von einer Last- und Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig sind. Besonders einfach lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei einer schrittweisen Verstellung des Zündwinkels realisieren.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine Brennkraftmaschine und eine entsprechende Steuervorrichtung,
-
2 eine herkömmliche Feststellung des Zündwinkels,
-
3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zündwinkelverstellung
-
und 5 die Struktur einer Software zur Realisierung der erfindungsgemäßen Zündwinkelverstellung.
-
Beschreibung
-
In der 1 wird ein Zylinder einer Brennkraftmaschine und ein darin angeordneter Kolben 2 gezeigt. Zylinder 1 und Kolben 2 bilden einen Brennraum 3, in den eine Zündkerze 4 ragt. Die Zündkerze 4 ist über eine entsprechende Zündsteuerleitung 5 mit einem Motorsteuergerät 6 bzw. einer Zündspule verbunden, die von dem Motorsteuergerät 6 angesteuert wird. Aus Vereinfachungszwecken ist hier die Zündspule nicht dargestellt. Weiterhin ist auf der Außenseite des Zylinders 1 noch ein Klopfsensor 7 angeordnet, der durch eine entsprechende Sensorsignalleitung 8 ebenfalls mit dem Steuergerät 6 verbunden ist. In den Brennraum 3 des Verbrennungsmotors wird ein zündfähiges Gemisch von Benzin und Luft eingebracht, welches durch die Zündkerze 4 gezündet wird. Der Kolben 2 bewegt sich so in dem Zylinder, dass er von unten kommend einen oberen Totpunkt erreicht und dann wieder ausgehend von dem oberen Totpunkt sich wieder nach unten bewegt. Die Zündung wird üblicherweise vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 2 in dem Zylinder 1 ausgelöst. Eine Zündverstellung, zeitlich weiter vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 2 wird als frühere Zündverstellung, eine Zündverstellung näher an dem oberen Totpunkt als spätere Zündung bezeichnet. Je früher die Zündung ausgelöst wird, umso stärker ist die Klopfneigung des Motors. Bei einem Klopfereignis handelt es sich um eine schlagartig ablaufende Verbrennung, die zu starken Druckspitzen an einzelnen Stellen des Brennraums 3 führt. Dabei können sowohl Zylinder 1 wie auch Kolben 2 beschädigt werden. Auf der anderen Seite ist ein Betrieb der Brennkraftmaschine umso ökonomischer, je früher die Zündung vor dem oberen Totpunkt ausgelöst wird. Ziel einer Klopfregelung ist daher, einen Zündzeitpunkt so früh wie möglich zu ermöglichen, ohne dass dabei Klopfen auftritt. Dies erfolgt, indem Klopfsignale des Klopfsensors 7 von dem Steuergerät 6 ausgewertet werden. Beim Auftreten von Klopfen kommt es zu starken Druckschwankungen, die entweder direkt als Druckschwankungen oder akustische Signale oder Vibrationen nachgewiesen werden können. Entsprechend kann ein Klopfsensor als Drucksensor, Beschleunigungssensor oder Mikrofon ausgebildet sein. Übliche Klopfregelverfahren reagieren auf ein Klopfereignis derart, dass der Zündwinkel sofort nach spät verstellt wird, um bei der nächsten Verbrennung eine nichtklopfende Verbrennung sicherzustellen. Danach wird der Zündwinkel vorsichtig wieder in Richtung früh verstellt, um sich wieder an einen optimal frühen Zündwinkel heranzutasten. Üblicherweise wird beim Auftreten von Klopfen der Zündwinkel deutlich verstellt und dann mit einer geringen Rate wieder in Richtung früh verstellt. Bei herkömmlichen Systemen ist die Rate dieser Verstellung in Richtung früh konstant.
-
In der 2 wird der Zündwinkel ZW aufgetragen gegen die Zeit t bei einem herkömmlichen Klopfregelsystem gezeigt. Dabei zeigt die Zündwinkelachse ZW nach oben hin in Richtung früh. Die Zeitachse t ist entweder direkt in Einheiten einer Zeit oder aber in Zündereignissen angegeben. Da bei einer Brennkraftmaschine zeitlich aufeinanderfolgend Zündungen ablaufen und die Zündwinkel immer entsprechend zu diesen Zündereignissen ausgegeben werden, ist es für die hier betrachtete Regelung eines Zündwinkels nicht von Bedeutung, ob die Achse t eine Zeiteinheit oder eine Anzahl von Zündereignissen ist. In Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahl der Brennkraftmaschine können sie auch unmittelbar ineinander umgerechnet werden.
-
In der 2 erfolgt nun zum Zeitpunkt t1 ein Klopfereignis mit einer dadurch verursachten starken Verstellung des Zündwinkels in Richtung Spät. Nach diesem Zündereignis und der Spätverstellung wird dann in kleineren Schritten der Zündwinkel wieder in Richtung früh geführt, bis zum Zeitpunkt t2 ein weiteres Klopfereignis auftritt.
-
Bei den Darstellungen der 2, 3 und 4 wird von einem absolut statischen Betriebszustand ausgegangen, bei dem das Klopfen immer wieder beim gleichen frühen Zündwinkelwert auftritt. In der 2 erfolgt die Verstellung des Zündwinkels in Richtung früh jeweils schrittweise, wobei die Stufen eine gleiche Stufenweite (zeitliche Breite) und eine konstante Stufenhöhe (Zündwinkelverstellung jeweils gleich) aufweisen. Jede dieser Stufen entspricht einer Vielzahl von Zündungen, d. h. es wird nach der Spätverstellung des Zündwinkels aufgrund des Klopfereignisses für eine bestimmte Zeit bzw. Anzahl von Zündungen der Zündwinkel konstant gehalten. Es erfolgt dann in einem Schritt eine Verstellung in Richtung früh, die dann auch für eine bestimmte Zeit bzw. Anzahl von Zündereignissen konstant gehalten wird. Anstatt dieser Verstellung in Stufen kann auch von Zündereignis zu Zündereignis der Zündwinkel beeinflusst werden. Der Rechenaufwand für ein derartiges Verfahren ist jedoch größer.
-
In der 3 wird nun ein erstes Beispiel der erfindungsgemäßen Zündwinkelverstellung gezeigt. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt wieder ein erstes Klopfereignis, und ebenso wie in der 2 eine schlagartige Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät. Zum Zeitpunkt t2 erfolgt ein zweites Klopfereignis. Zwischen diesen beiden wird der Zündwinkel wieder von spät in Richtung früh verstellt. Die Verstellung erfolgt hier jedoch nicht mit einer konstanten Stufenweite und Stufenhöhe, sondern mit einer veränderten Rate der Stufenweite. Im Vergleich zu 2 erfolgt nach dem Zeitpunkt t1 zu einem viel früheren Zeitpunkt eine Rückverstellung in Richtung früh. Die Breite der Verstellstufen wird dann jedoch kontinuierlich erhöht, insbesondere in einem Bereich, in dem sich der Zündwinkel wieder stark in Richtung früh (d. h. in die Nähe der Klopfgrenze) verstellt hat, wird die zeitliche Dauer der einzelnen Verstellschritte stark ausgedehnt. Dies führt im Endeffekt dazu, dass der Zeitpunkt t2 deutlich später erreicht wird als in der 2.
-
Die Zündwinkelverstellung in Richtung früh erfolgt somit mit einer nichtlinearen Funktion, insbesondere erfolgt unmittelbar nach dem Klopfereignis schneller eine Rückführung in Richtung früh, während mit zunehmendem Abstand von dem Klopfereignis die Verstellrate in Richtung früh deutlich verringert wird. Insgesamt führt dies sowohl dazu, dass der Motor im Vergleich zur 2 schneller wieder in Richtung Klopfgrenze getrieben wird und trotzdem später erst ein Klopfereignis auftritt. Im Ergebnis wird somit zum Einen die Effizienz der Brennkraftmaschine verbessert, da der Motor schneller wieder in der Nähe der verbrauchsoptimierten Klopfgrenze betrieben wird. Zugleich wird auch das Auftreten von Klopfereignissen verringert, d. h. die Belastung der Brennkraftmaschine durch Klopfereignisse wird verringert. Durch die nichtlineare Verstellung des Zündwinkels in Richtung früh werden somit zwei Vorteile erreicht. Wichtig ist dabei, dass mit zunehmender Verstellung des Zündwinkels in Richtung früh die Rate der Verstellung des Zündwinkels in Richtung früh verringert wird.
-
In der 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündwinkelverstellung gezeigt. Zu den Zeitpunkten t1 und t2 erfolgen wieder Klopfereignisse, und nach der Zündwinkelverstellung in Richtung Spät zum Zeitpunkt t1 erfolgt wieder eine nichtlineare Verstellung des Zündwinkels in Richtung früh. In Übereinstimmung mit den 2 und 3 erfolgt die Verstellung in Richtung früh wieder stufenweise, wobei jedoch hier nicht die Stufenbreite, sondern die Stufenhöhe variiert wird. Die erste Verstellung in Richtung früh erfolgt mit einer deutlich höheren Stufenhöhe, als dies in der 2 passiert. Mit zunehmender Frühverstellung verringert sich die Stufenhöhe, insbesondere werden in der Nähe der Klopfgrenze nur noch sehr kleine Verstellungen in Richtung früh zugelassen. Wie sich durch den Vergleich von 4 mit 2 zeigt, führt auch dies dazu, dass der Zeitpunkt t2, an dem abermals ein Klopfereignis erfolgt, deutlich nach hinten verschoben wird. Weiterhin zeigt dieser Vergleich, dass die Verstellung in Richtung früh nach dem Zeitpunkt t1 vergleichsweise schneller erfolgt, d. h. die Brennkraftmaschine wird vergleichsweise näher an der betriebsoptimalen Klopfgrenze betrieben.
-
Die in den 2 und 3 beschriebenen Verfahren beruhen auf einer stufenweisen Verstellung, bei der nach einer Verstellung dann jeweils für mehrere Zündereignisse bzw. für einen bestimmten Zeitraum keine weitere Verstellung erfolgt. Diese schrittweise Verstellung lässt sich besonders einfach realisieren durch entsprechende Zähler oder dergleichen. Etwas aufwändiger, aber ebenso möglich wäre eine kontinuierliche Verstellung, die aber ebenfalls einen nichtlinearen Verlauf hat, wobei die Rate der Verstellung mit einer zunehmenden Verstellung des Zündwinkels in Richtung früh verringert wird.
-
Die Rate der Verstellung kann einfach dadurch beeinflusst werden, dass die Zeit seit dem Zeitpunkt t1, d. h. dem letzten Klopfereignis ausgewertet wird. Je länger dieses Klopfereignis zurückliegt, umso stärker wird die Rate der Frühverstellung verringert. Dies kann auch einfach durch Abzählen von Zündereignissen realisiert werden.
-
Übliche Verfahren zur Berechnung des Zündwinkels gehen von einem Zündwinkelgrundanteil aus und einem Zündwinkelklopfanteil. Dabei hängt der Zündwinkelgrundanteil nur von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise die Last und die Drehzahl ab. Zu diesem Zündwinkelgrundanteil wird dann ein Zündwinkelklopfanteil hinzuaddiert oder abgezogen, der durch die Klopfereignisse beeinflusst wird. Weiterhin kann dieser Zündwinkelklopfanteil auch von der Drehzahl und der Last der Brennkraftmaschine abhängen.
-
In der 5 wird anhand eines Struktogramms ein Programm aufgezeigt, durch welches das erfindungsgemäße Verfahren nach der 3 realisiert wird. Nach dem Start im Schritt 101 wird im Schritt 102 überprüft, ob ein Klopfereignis aufgetreten ist oder nicht. Wenn ein Klopfereignis aufgetreten ist, folgt auf den Schritt 102 der Schritt 103. In dem Schritt 103 wird aus einer Kennlinie ein Wert für eine Zündwinkelspätverstellung in Abhängigkeit von der Drehzahl ausgelesen. Im darauffolgenden Schritt 104 wird ein Zündwinkelklopfanteil gebildet, indem der Wert, der im Schritt 103 ausgelesen wird, zu dem Zündwinkelklopfanteil der letzten Verbrennung (bei der ja das Klopfen auftrat) hinzuaddiert wird. Der tatsächlich von der Zündung ausgegebene Zündwinkel besteht aus einem (frühen) Zündwinkelgrundanteil, zu dem ein (in Richtung spätverstellender) Zündwinkelklopfanteil hinzuaddiert wird. Durch diese Vorgehensweise wird von dem Zündwinkelklopfanteil angegeben, wie weit die Brennkraftmaschine von dem optimal frühen Zündwinkel entfernt betrieben wird. Durch die Vergrößerung dieses Zündwinkelklopfanteils im Schritt 104 erfolgt somit eine Verstellung des ausgegebenen Zündwinkels in Richtung späterer Zündung. Im darauffolgenden Schritt 105 wird dann ein Zähler oder Timer mit einem Startwert geladen, der aus einem Kennfeld in Abhängigkeit von der Drehzahl und von dem Wert der Zündwinkelspätverstellung aus 103 ausgelesen wird. Es wird so sichergestellt, dass der Startwert des Timers oder Zählers in Abhängigkeit von der Drehzahl bzw. von der Größe der letzten Zündwinkelspätverstellung (= Abstand zur Klopfgrenze) gestellt wird. Der im Schritt 103 ermittelte Wert wird gespeichert, da er in weiteren Programmschritte noch benötigt wird. Der im Schritt 103 ermittelte Wert stellt den Abstand von der akuellen Klopfgrenze dar, d. h. bei ansonsten unveränderten Bedingungen würde eine Frühverstellung um den im Schritt 103 ermittelten Wert wieder zum Klopfen der Brennkraftmaschine führen. Auf den Schritt 105 folgt der Schritt 106, bei dem das Verfahren beendet wird.
-
Bei der nächsten Zündwinkelberechnung wird dann wieder der Startschritt, und nachfolgend der Schritt 102, in dem geprüft wird, ob Klopfen auftrat oder nicht, aufgerufen. Wenn kein Klopfen auftrat, so folgt auf den Schritt 102 der Schritt 107. In dem Schritt 107 wird abgefragt, ob der im Schritt 105 gesetzte Zähler oder Timer bereits den Wert 0 erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist, folgt auf den Schritt 107 der Schritt 108, in dem der Wert des Zählers oder Timers verringert wird. Auf den Schritt 108 folgt dann mit dem Schritt 106 das Ende des Programms. Bei diesem Durchlaufen des Programms bleibt somit der Zündwinkelklopfanteil unverändert, d. h. der Zündwinkel wird (bei konstantem Zundwinkelgrundanteil) nicht verändert. Dies entspricht dem waagerechten Teil einer der Verstellstufen, wie sie in der 3 gezeigt werden.
-
Wenn in dem Schritt 107 jedoch festgestellt wird, dass der Zähler oder Timer, der im Schritt 105 gesetzt wurde, abgelaufen ist, so folgt auf den Schritt 107 der Schritt 109. Im Schritt 109 wird der Zündwinkelklopfanteil um einen bestimmten Betrag verringert, der der Stufenhöhe der Stufen in 3 entspricht. Im darauffolgenden Schritt 110 wird sichergestellt, dass der Zündwinkelklopfanteil nicht geringer ist als der Wert 0. Da der Zündwinkelgrundanteil den optimal möglichen frühen Zündzeitpunkt darstellt, darf der Zündwinkelklopfanteil keine negativen Werte annehmen, da sonst der Zündwinkel unzulässig in Richtung früh verstellt würde. Im Schritt 111 wird die Zündwinkelspätverstellung aus dem Programmschritt 103 verringert. Auf den Schritt 111 erfolgt der Schritt 112, bei dem der Timer in Abhängigkeit von der Drehzahl und von dem jetzt geltenden Wert aus 111 (= Abstand zur Klopfgrenze) neu gesetzt wird. Dieses Kennfeld ist so gewählt, dass mit abnehmender Zündwinkelspätverstellung die Zeitdauer bzw. Anzahl an Zündungen zunimmt, um die Zunahme der Stufenbreite, wie sie in 3 gezeigt wird, zu realisieren. Es wird so erreicht, dass bei einer Annäherung an den Zündwinkel bei dem das letzte Klopfen auftrat die Annäherung verlangsamt wird. Auf den Schritt 112 folgt dann wieder der Schritt 106, d. h. das Ende der Programmschleife. Beim erneuten Ausruf wird nun ohne Klopfereignisse der Timer oder Zähler im Schritt 108 wieder heruntergezählt, bis es zu einer weiteren Beeinflussung des Zündwinkels kommt.
-
Alternativ zu obigen Vorschlägen sind auch noch andere Verfahren denkbar. Diese unterscheiden sich durch die Berücksichtigung unterschiedlicher Größen für das Laden der Timer in 105 bzw. 112 für die jeweiligen Schrittweiten bis zur nächsen Zündwinkelfrühverstellung des Zündwinkelklopfanteils.
-
Liegt in einem System die Information über die aktuelle Klopfgrenze vor, so kann hier die Differenz zwischen der Klopfgrenze und der aktuellen Zündwinkelspätverstellung auch jeweils direkt berechnet werden.
-
Alternativ kann auch der gesamten Zündwinkelklopfanteil berücksichtigt werden.
-
Bei Mehrzylindermotoren können anstelle von Einzelzylinderwerten auch Mittelwerte von allen Zylindern oder Zylindergruppen verwendet werden. Allerdings wird in diesem Fall die variable Regelung für den einzelnen Zylinder etwas ungenauer.
