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DE2449836A1 - Einrichtung zur regelung des betriebsverhaltens einer brennkraftmaschine - Google Patents

Einrichtung zur regelung des betriebsverhaltens einer brennkraftmaschine

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DE2449836A1
DE2449836A1 DE19742449836 DE2449836A DE2449836A1 DE 2449836 A1 DE2449836 A1 DE 2449836A1 DE 19742449836 DE19742449836 DE 19742449836 DE 2449836 A DE2449836 A DE 2449836A DE 2449836 A1 DE2449836 A1 DE 2449836A1
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Robert Bosch GmbH
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Description

R. 2 3 90
27. 8. 197^ Ka/Do
Anlage zur
Patentanmeldung
Robert Bosch GmbH, 7 Stuttgart 1
Einrichtung zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des BetriebsVerhaltens einer Brennkraftmaschine in einem vorgegebenen Betriebsbereich j wobei in Abhängigkeit von Schwankungen von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine das Mischungsverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder die Abgasrückführungsrate der Brennkraftmaschine änderbar ist.
609818/0097
- 2 - 2 \i j D
Infolge verschärfter Abgas-Bestimmungen und aufgrund der allgemeinen Treibstoff-Knappheit wird nach Lösungen gesucht, bei denen Brennkraftmaschinen in einem Betriebsbereich betrieben werden können, in dem die schädlichen Anteile des Abgases auf ein Minimum reduziert v/erden können und/oder in dem der verbrauchte Kraftstoff ein Minimum ist.
Um den genannten Forderungen zu genügen, bietet es sich auf den ersten Blick an, die Brennkraftmaschine mit einem möglichst mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch zu betreiben, d.h., an der sog. mageren· Laufgrenze der Brennkraftmaschine zu fahren. In diesem Betriebsbereich ist mit einem relativ Schadstoffarmen Abgas und einem geringen Kraftstoffverbrauch zu rechnen.
Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Laufgrenze der Brennkraftmaschine oder einen anderen geeigneten'Betriebsbereich einfach und sicher zu erfassen und ein entsprechendes Stellsignal für eine Kraftstoffaufbereitungseinrichtung oder eine Abgasrückführungsanlage bereitzustellen. Die Einrichtung soll dabei so ausgelegt sein, daß mit ihr die verschiedensten Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zur Regelung des Betriebsverhaltens ausgenützt werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Meßwertäufnehmer vorgesehen ist, der mit einem Wechselspannungsverstärker in Wirkverbindung steht, v/elcher insbesondere über einen Gleichrichter an einen Komparator angeschlossen ist, mit dem weiter ein Sollwertgeber verbunden ist, und daß der Ausgang des KOmparators insbesondere über einen Integrierer mit einem Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder der Abgasrückführungsrate in Wirkverbindung .st.eht.
809818/0097 - 3 -
- ?- & 3 a c
• δ.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen
Fig. 1 ein Diagramm, in dem der Brennraumdruck über den Kurbelwellendr ehwinkel aufgetragen ist,
Fig. 2 die Anordnung einer Zündkerze und eines Druckaufnehmers im Brennraum einer Brennkraftmaschine,
Fig. 3 ein Diagramm in dem die relativen Schwankungen des Druckes im Brennraum einer Brennkraftmaschine über der Luftzahl λ aufgetragen sind,
Fig. 4 ein Diagramm, in dem der Verlauf von Zündspannungen über der Zeit aufgetragen ist,
Fig. 5 ein Diagramm, in dem die relativen Schwankungen der maximalen Zündspannung über der Luftzahl X aufgetragen ist,
Fig. 6 ein Diagramm, in dem Ionenstromverlaufe über der Zeit t aufgetragen sind,
Fig. 7 ein Diagramm, in dem die mittleren Schwankungen von integrierten lonenströmen über "der Luftzahl Λ aufgetragen sind,
Fig. 8 die Anordnung einer Zündkerze und einer Ionenstromsonde im Brennraum einer Brennkraftmaschine,
Fig. 9 ein Diagramm, in dem die.Zündspannung und der ilonenstrom,
die mit einer Anordnung nach Fig. 8 gemessen werden, t über der Zeit t aufgetragen sind,
609818/0097 .
Figo Io ein Diagramm«, in dem die relativen Schwankungen der Flammenlaufzeit im Brennraum einer Brennkraftmaschine über der Luftzahl \ aufgetragen sinds und
Fig., 11 eine Einrichtung zur Auswertung der in den Fig. 1 bis Io dargestellten Signale»
In Fig. 1 ist der Druckverlauf des Brennraumdruckes über den Kurbelwellendrehwinkel aufgetragen. Dabei ist zu erkennen, daß der Druck vom oberen Totpunkt ausgehend zunächst ansteigt und dann wieder abfällt. Greift man einen bestimmten Winkel CC heraus, der etwa bei 4o bis 8o Grad nach der oberen Totpunktlage des Kolbens der Brennkraftmaschine liegt, dann ergibt sich, daß die Druckverläufe in verschiedenen Zylindern oder aber auch'bei verschiedenen nacheinanderfolgenden Arbeitsspielen desselben Zylinders der Brennkraftmaschine schwanken. In Fig. 1 sind dabei die Druckschwankungen mit Δ ρ bezeichnet. Diese Druckschwankungen nehmen zu, je mehr das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches der Brennkraftmaschine zugeführt wird, abgemagert wird, d.h., die Schwankungen werden größer, je näher die Brennkraftmaschine an ihrer mageren Laufgrenze betrieben wird.
Diese Druckschwankungen können zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine ausgenützt werden.
In Fig. 2 ist ein Brennraum 15 einer Brennkraftmaschine dargestellt, in dem eine Zündkerze 16 und ein Druckaufnehmer 17 angeordnet sind.
Fig. 3 ist der Mittelwert der Druckschwankungen im Brennraum 15 der Brennkraftmaschine bei einem bestimmten Kurbelwellendrehwinkel oC , bezogen auf den Absolutwert des Brennraumdruckes bei dem bestimmten Kurbelwellendrehwinkel oC über der Luftzahl λ aufgetragen. Aus dieser Kurve ergibt sich eine Bestätigung des bereits bei der Beschreibung von Fig. 1 angedeuteten Sachverhaltes:, daß nämlich der Mittelwert, der rela-
ORIGiMAL INSPECTED
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- 5 - 23$ °
tiven Brennraumdruckschwankungen bei einem bestimmten Kurbelwelle nd rehwinke 1 über der Luftzahl Λ zunehmen. Dieses Signal kann mit der noch später zu beschreibenden Einrichtung nach Fig. 11 verwertet werden und zur Regelung des BeTriebsVerhaltens der Brennkraftmaschine ausgenützt werden.
In Pig. 4 sind Zündspannungsverläufe aufgezeichnet, die beispielsweise in verschiedenen Zylindern einer Brennkraftmaschine oder aber auch bei nacheinander folgenden Arbeitsspielen eines einzelnen Zylinders der Brennkraftmaschine auftreten können. Wie in Pig. 4 dargestellt, schwanken die maximalen Zündspannungen, Die Schwankungen der maximalen Zündspannung nehmen dabei zus je näher die Brennkraftmaschine an ihrer mageren Laufgrenze betrieben wird. Dieser Zusammenhang ist in Pig. 5 dargestellt. Dort ist der Mittelwert der Schwankungen der maximalen Zündspannung bezogen auf den Absolutvrert der maximalen Zündspannung über der Luftzahl A aufgetragen. Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß mit wachsender Luftzahl Λ die relativen Schwankungen der maximalen Zündspannung zunehmen. Auch dieses Signal kann für eine Regelung des BetriebsVerhaltens einer Brennkraftmaschine ausgenutzt werden. Dabei kann die noch zu beschreibende Einrichtung nach Fig. 11 veraendet werden.
In Fig. 6 sind Ionenströme aufgezeichnet, die an Ionenstromsonden oder an Zündkerzen im Brennraum 15 der Brennkraftmaschine auftreten. Die Ionenströme, welche in Fig. 6 dargestellt sind, können dabei von verschiedenen Zylindern der Brennkraftmaschine stammen, sie können aber auch bei nacheinanderfolgenden Arbeitsspielen ein und desselben Zylinders der Brennkraftmaschine auftreten. Die Integralwerte der dargestellten Ionenströme schwanken dabei ebenfalls, wobei die relativen Schwankungen mit wachsender Luftzahl λ zunehmen.
In Fig. 7 ist dargestellt, wie .die Mittelwerte der integrierten Ionenströme bezogen auf den Absolutwert der integrierten Ionenströme mit wachsender· Luftzahl λ zunehmen. Dieser Zusammenhang kann ebenfalls für die Regelung des Betriebsverhaltens der
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- 6 Brennkraftmaschine ausgenutzt werden.
•r
In Fig. 8 ist dargestellt, wie in dem Brennraum 15 der Brennkraftmaschine die Zündkerze 16 und eine lonenstromsonde 18 angeordnet sind» Die lonenstromsonde 18 ist hier getrennt von der Zündkerze 16 im Brennraum der Brennkraftmaschine befestigt. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, die lonenstromsonde 18 ebenso wie den Druckaufnehmer 17 mit der Zündkerze 16 zu kombinieren, so daß lonenstromsonde 18 bzw. Druckaufnehrner 17 auf einem gemeinsamen Sockel mit der Zündkerze 16 angebracht sind.
Mit der in Fig. 8 dargestellten Anordnung lassen sich Laufzeiten der Flammenfront im Brennraum 15 der Brennkraftmaschine messen. In Fig. 9 ist dabei die Zündspannung U und der Ionenstrom i über der Zeit t aufgetragen. Legt man eine Schaltschwelle s fest, und mißt j wenn die Zündspannung U und der Ionenstrom i diese
Z S
Schaltschwelle s überschreiten, dann erhält man die Flammenlaufzeit der Flammenfront, die von der Zündkerze 1β ausgeht und nach einer Zeit t., die lonenstromsonde 18 erreicht. Diese Flammenlaufzeit schwankt ebenfalls mit der Luftzahl \ und nimmt zu, wenn die Luftzahl \ wächst..
Dieser Sachverhalt ist in Fig. 10 dargestellt. Dort ist der Mittelwert der Schwankungen der Flammenlaufzeit t1 bezogen auf den Mittelwert der absoluten Flammenlaufzeit über der Luftzahl
λ aufgetragen. Aus Fig. 10 ist zu erkennen, daß die relativen Schwankungen der Flammenlaufzeit mit wachsender Luftzahl λ zunehmen.
Die bisher beschriebenen Meßwerte können einfach und zweckmäßig in einer Anordnung nach Fig. 11 verarbeitet und zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine ausgenutzt werden.
Die in Fig. 11 dargestellte Einrichtung soll dazu dienen, die mit Hilfe des Druckgebers 17 ermittelten Drücke bei einer bestimmten Kurbelwellenstellung der Kurbelwelle der Brennkraf-t-
8098 18/00S7 .
7 " ' ■ 23M
maschine zu verarbeiten. In dem Brennraum 15 der Brennkraftmaschine ist der Druckgeber IJ angeordnet. Dieser Druckgeber 17 ist mit einem Meßverstärker 19 verbunden, dessen Ausgang über einen Schalter, hier einen Schalttransistor 20 mit einem Wechselspannungsverstärker 21, 4o verbunden ist. Der Wechselspannungsverstärker 21 v/eist einen Operationsverstärker 22 und einen Kondensator 4ο auf. Der Wechse!spannungsverstärker 21, 4o ist mit einem Gleichrichter 23 verbunden, welcher ebenfalls einen Operationsverstärker 24 aufweist. Der Gleichrichter 23 ist mit dem ersten Eingang eines Komparator^
25 verbunden, an dessen zweiten Eingang ein Sollwertgeber
26 angeschlossen ist.
Der Schalter 20 wird über einen Impulsformer 27 von einem Impulsgeber 28 ausgelöst. Dieser Impulsgeber hat eine Aufnehmerspule 29, die in der Nähe der Kurbel- bzw. Nockenwelle 30 der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Auf der Kurbelwelle 30 der Brennkraftmaschine sind dabei Marken 31 angebracht, die bei Vorbeibewegung an der Aufnehmerspule 29 ein Signal erzeugen, das über den Impulsformer 27 den Schalter 20 schließt. Damit wird erreicht, daß genau bei einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine der Meßverstärker 19 mit dem Wechselspannungsverstärker 21 verbunden ist.
Der Impulsformer 27 ist mit dem Takteingang einer bistabilen Kippstufe 32 verbunden. Ein erster Eingang der bistabilen Kippstufe ist mit dem Ausgang des Komparators 25 verbunden und der Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 ist auf einen zweiten Eingang der bistabilen Kippstufe 32 zurückgekoppelt. Außerdem ist der Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 über einen einstellbaren Widerstand 33 mit einem Integriierer 34 verbunden, der als Operationsverstärker 35 mit einem Integrierkondensator 36 zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang ausgebildet ist. An den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 35 ist eine Referenzspannung
609818/0097 " 8 "
angelegt, die am Abgriff eines Spannungsteilers aus Widerständen 37 und 38 abgenommen wird. Mit dem Ausgang des Integrierers 31* ist eine Kraftstoffaufbereitungseinrichtung oder ein Abgasrückführungsventil verbunden, das entsprechend dem Ausgangssignal des Integrierers 34 beeinflußt wird.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende. Bei einer bestimmten Kurbelwellendrehwinkelstellung, die durch den Impulsgeber 28 bestimmt wird, wird der Schalter 20 geschlossen und das mit Hilfe des Druckaufnehmers 17 ermittelte Signal wird auf den Wechselspannungsverstärker 21 gegeben. Im Wechse!spannungsverstärker wird eine Spannung erzeugt, die proportional der jeweiligen Differenz aufeinanderfolgender Meßwerte ist» Diese Spannung wird gleichgerichtet und als Istwert dem Komparator 25 zugeführt. Im Komparator wird der Istwert mit dem Sollwert verglichen und entsprechend der Regelabweichung ein Signal auf den ersten Eingang der bistabilen Kippstufe 32 ergeben. Dabei ergeben sich ams Ausgang des Komparators 25 kurze Impulse, wenn der Istwert größer als der Sollwert ist. Keine Impulse'ergeben sich dagegen am Ausgang des Komparators 25, wenn der Istwert kleiner als der Sollwert ist. Da der Ausgang des ersten Komparators 25 mit dem ersten Eingang der bistabilen Kippstufe 32, dem sogenannten Set-Eingang verbunden ist, schaltet diese bistabile Kippstufe 32 beim Auftreten von Impulsen am Ausgang des Komparators 25 in eine Schaltlage, in der am Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 ein L-Signal anliegt. Bei jedem Taktimpuls, der an den Takteingang der bistabilen Kippstufe 32 gelangt, wird dagegen die bistabile Kippstufe 32 'in eine Lage geschaltet, in der am.Ausgang ein Nullsignal auftritt.
Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, tritt am Ausgang des Komparators 25, wie schon weiter oben angedeutet, ein konstantes Null-Signal auf. Das bedeutet, daß auf den Set-Eingang der bistabilen Kippstufe 32 kein Impuls kommt. Infolgedessen liegt am· Ausgang der bistabilen Kippstufe 32 ein Null-Signal an und der Integrator 34 integriert in positiver Richtung, d.h. die
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• - 9 -
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Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 25 wächst und mit Hilfe dieser Aus gangs spannung wird der Istwert"1 in Richtung Sollwert vergrößert.
Ist dagegen der Istwert größer als der Sol^ert, tritt am Ausgang des Komparators 25 eine Impulsfolge auf. Mit Hilfe der Taktimpulse wird die bistabile Kippstufe 32 in eine Lage gebracht, in der am Ausgang ein Null-Signal auftritt. Durch Impulse auf den Set-Eingang der bistabilen Kippstufe 32 wird diese jedoch so umgeschaltet, daß am Ausgang ein L-Signal auftritt. Dieses Signal bewirkt, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 35 gegen Null geht. Mit ihrem Taktimpuls3 der von dem Impulsgeber 28 abgegeben wird, wird die bistabile Kippstufe 32 wieder in ihre Vorzugs lage zurückgeschaltet, so daß am Ausgang wieder das Null-Signal auftritt.
Der Sollwertgeber 25 kann einen Sollwert liefern, der für die verschiedenen Anwendungsfälle beispielsweise abhängig "vom Saugrohrdruck oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist.
Für die Verarbeitung von relativen Schwankungen ist es zweckmäßig, den Sollwert auf die Absolutwerte der jeweiligen Meßgrößen zu beziehen. Zu diesem Zweck steht der Druckgeber 17 auch mit dem Sollwertgeber 25 in Wirkverbindung. Wie in Fig. 11 weiterhin angedeutet ist, können auch die anderen bereits' erwähnten Meßgrößen, beispielsweise' die maximale Zündspannung oder der Ionenstrom mit der beschriebenen Einrichtung verarbeitet werden.
- Io
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Claims (1)

  1. - Io
    £3 s' α
    Ansprüche
    ο Einrichtung zur Regelung des Betriebsverhaltens einer Brennkraftmaschine in einem vorgegebenen Betriebsbereich, wobei in Abhängigkeit von Schwankungen von Betriebspararaeters der Brennkraftmaschine das Mischungsverhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder die Abgasrückführungsrate der Brennkraftmaschine änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßwertaufnehmer (17, 18) vorgesehen ist, der mit einem Wechselspannungsverstärker (21) in Wirkverbindung steht j welcher insbesondere über einen gleichrichter (23) an einen Komparator (25) angeschlossen ist, mit dem weiter ein Sollwertgeber (26) verbunden ist, und daß der Ausgang des !Comparators (25), insbesondere über einen Integrierer (3*0 mit einem Stellglied zur Beeinflussung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder der Abgasrückführungsrate in Wirkverbindung steht.
    2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (17, 18) über einen bei bestimmten Kurbelwellendrehwinkeln in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen geschlossenen Schalter (20) mit dem Wechse!spannungsverstärker (21) in Wirkverbindung steht.
    3» Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2S dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (17) ein im Brennraum der Brennkraft--'
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    23 ß C
    maschine angebrachter Druckaufnehmer ist, der- mit dem Wechselspannungsverstärker (21) in Wirkverbindung steht, wobei am Ausgang des Wechselspannungsverst£rkers (21) ein elektrisches Signal anliegt, das der Schwankung des Brennraumdruckes bei bestimmten Kurbelwellendrehwinkeln in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen entspricht.
    Ij. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber ein Spitzenspannungsmesser für die Zündspannung in einer Zündanlage der Brennkraftmaschine ist, wobei an dem Ausgang des mit dem Meßwertgeber in Wirkverbindung stehenden Wechselspannungsverstärkers (21) ein elektrisches Signal anliegt, daß der Schwankung der maximalen Zündspannung in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine entspricht.
    5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet., daß der Meßwertgeber ein im Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneter Ionenstromsensor (18) ist, der über einen Integrierer mit dem Wechselspannungsverstärker (21) in Wirkverbindung steht, wobei an dem Ausgang des Wechselspannungsverstärkers (21) ein elektrisches Signal anliegt, daß den Schwankungen der Integralwerte des Ionenstromes in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine entspricht.
    6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    609818/0097
    P- 3 £ ΰ
    daß der Meßwertgeber ein Im Brennraum der Brennkraftmaschine angeordneter'Ionenstrommesser ists der zur Laufzeitmessung der Flammenfront beim VerbrennungsVorgang Verwendung findet, wobei ein die Laufzeit der Flammenfront kennzeichnendes elektrisches. Signal an den Wechselspannungsverstärker (21) angelegt ist und wobei am Ausgang des WechselspannungsVerstärkers (21) ein elektrisches Signal anliegt j daß der Schwankung der Laufzeit in
    aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine entspricht.
    7· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (17, 18) mit dem Sollwertgeber (26) in V/i rk verb in dung steht, wobei der Sollwert auf die von dem Meßwertgeber (17, 18) ermittelten Absolutwerte bezogen wird und daß dadurch relative Schwankungen der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine zur Regelung des BetriebsVerhaltens der Brennkraftmaschine ausgenützt werden.
    8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Sollviertgeber (26) mit Gebern zur Ermittlung von Betriebsparametern (Saugrohrdruck, Drehzahl) der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung steht und der Sollwert in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern veränderbar ist. . -
    609818/0097. oweiNW- inspected
    Leerse ite
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