DE19807488C1 - Verfahren zum Regeln einer ventilgesteuerten Hubkolbenkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Regeln einer ventilgesteuerten Hubkolbenbrennmaschine mit einer Quantitätssteuerung eines Kraftstoffluftgemisches, bei der Kraftstoff in einen Einlaßkanal eines Zylinders eingespritzt wird und die Brennkraftmaschine durch in einer Steuereinheit abgelegte Kennlinien, Kennfelder oder Algorithmen abhängig von Betriebsparametern geregelt wird, von denen wenigstens ein Betriebsparameter Einfluß auf einen klopfenden Betrieb der Brennkraftmaschine hat und der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Ändern des Betriebsparameters in einen klopfsicheren Bereich verlegt wird, sobald ein von einem Klopfsensor ermitteltes Signal ein Referenzsignal übersteigt. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß die Brennkraftmaschine Gaswechselventile, nämlich mindestens ein Einlaß- und ein Auslaßventil, mit einer variablen Ventilsteuerung besitzt und die Steuereinheit die Steuerzeitpunkte der Ventilsteuerung in Abhängigkeit der Stärke des Klopfsignals so verändert, daß eine Zylinderfüllung mit zunehmender Stärke soweit reduziert wird, bis das Klopfsignal das Referenzsignal unterschreitet, und die Zylinderfüllung bei Unterschreiten eines zweiten Referenzsignals wieder zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer ventilge­ steuerten Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Durch ungünstige Verbrennungsabläufe können bei Hubkolbenbrenn­ kraftmaschinen im Brennraum große Druckdifferenzen auftreten, die zu einem hörbaren Klopfgeräusch führen. Ein solcher klop­ fender Betrieb der Brennkraftmaschine ist nicht nur wegen der Geräusche unerwünscht, sondern belastet außerdem Lager und Triebwerksteile (Kolben, Brennraum) der Brennkraftmaschine, was zu Totalschäden führen kann, und ist deshalb zu vermeiden. Ein klopfender Betrieb tritt bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Quantitätssteuerung, sogenannten Ottomotoren, unter hoher Last sowohl im niedrigen als auch im hohen Drehzahlbereich auf. Er ist unter anderem abhängig von der Art des verwendeten Kraft­ stoffs und von der Höhe des angewandten Verdichtungsverhältnis­ ses. Hohe Verdichtungsverhältnisse verlangen für einen klopf­ freien Betrieb der Brennkraftmaschine klopffeste Kraftstoffe.

Um eine klopfende Verbrennung zu erkennen, werden Klopfsensoren eingesetzt, beispielsweise Körperschallsensoren, Drucksensoren mit einer Zylinderdruckverlaufs-Auswertung oder Sensoren zum Erfassen eines Ionenstroms mit einer entsprechenden Signalaus­ wertung. In Abhängigkeit des Klopfsignals des Klopfsensors und eines Vergleichs mit einem Referenzsignal werden Betriebspara­ meter, die auf den klopfenden Betrieb einer Brennkraftmaschine einen Einfluß haben, so verändert, daß sich ein nicht klopfen­ der Betrieb einstellt.

Aus der DE 195 18 394 A1 ist ein Verfahren bekannt, eine klop­ fende Verbrennung bei einem Ottomotor zu vermeiden. Hierzu wird einer Kennfeldsteuerung des Zündzeitpunkts des Motors bei einem Betrieb im klopfgefährdeten Bereich eine Klopfregelung überla­ gert, welche den Zündzeitpunkt nach spät verstellt, wenn ein von einem Klopfsensor ermitteltes Klopfsignal ein wenigstens von einem Betriebsparameter des Motor abhängiges Referenzsignal übersteigt. Die Zündzeitpunktverstellung verschlechtert den Wirkungsgrad des Motors, da der Verbrennungsschwerpunkt eben­ falls in Richtung spät wandert. Zusätzlich entsteht insbesonde­ re im Bereich der Vollast ein sehr hohes Abgastemperaturniveau, so daß der Katalysator durch Überhitzung gefährdet ist und be­ schädigt werden kann.

Ferner ist aus der DE 34 01 362 A1 ein Verfahren zur Steuerung von Viertakt-Kolbenbrennkraftmaschinen mit einer Quantitätsre­ gelung eines Brennstoff-Luftgemisches bekannt. Im Gegensatz zu üblichen Brennkraftmaschinen dieser Art, bei denen die Quanti­ tät und damit die Füllung der Zylinder mittels Drosselvorrich­ tungen im Einlaßsystem geregelt werden, entfällt bei dem be­ kannten Verfahren die Drosselung. Die Quantität der Zylinder­ füllung mit einem Kraftstoff-Luftgemisch wird durch einen va­ riablen Abgasanteil an der Zylinderladung gelöst, indem die Öffnungs- und Schließzeiten von Gaswechselventilen derart ge­ steuert werden, daß eine bestimmte Abgasmenge nach Abschluß des Ladungswechsels im Zylinder vorhanden ist. Das danach verblei­ bende Zylindervolumen für die Aufnahme von Kraftstoff-Luft­ gemisch wird somit zum Zweck der Laststeuerung reduziert, wobei die Anteile an Abgas und Kraftstoff-Luftgemisch sich während der Füll- und Verdichtungsphase im Zylinder vermischen. In ei­ ner Steuerlogik sind Motorkennfelder für verschiedene Betriebs­ zustände in Form von Steuerzeiten für die Gaswechselventile so­ wie für die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung gespeichert. Die Lastregelung ist ebenso über ein frühes Schließen der Ein­ laßventile mit Begrenzung der Frischluftmenge darstellbar. Es sind keine Maßnahmen getroffen, einen klopfenden Betrieb der Brennkraftmaschine zu erkennen, zu beeinflussen oder zu vermei­ den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen klopfenden Be­ trieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu vermeiden, ohne den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nennenswert zu verschlech­ tern und einen Katalysatorbetrieb durch Überhitzung zu gefähr­ den. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung besitzt die Brennkraftmaschine je Zylinder mindestens ein Einlaß- und ein Auslaßventil. Eine Steuereinheit verändert die Steuerzeitpunkte der Ventilsteuerung des Einlaß- und/oder des Auslaßventils in Abhängigkeit der Stärke eines Klopfsignals so, daß eine Zylinderfüllung mit zunehmender Stär­ ke so weit reduziert wird, bis das Klopfsignal ein Referenzsig­ nal unterschreitet. Dieses kann von einem oder mehreren Be­ triebsparametern abhängig sein. Fällt die Stärke des Klopfsig­ nals unter ein zweites Referenzsignal, wird durch Zurücknahme der Steuerzeitpunkte die Zylinderfüllung wieder angehoben.

In einfacher Weise geschieht dies dadurch, daß die Steuerein­ heit den Schließzeitpunkt des Einlaßventils in Abhängigkeit der Stärke des Klopfsignals in Richtung früh verstellt, so daß nur eine reduzierte Frischluftmenge in den Zylinder strömen kann. Dieser wird die Kraftstoffmenge angepaßt, damit das Kraftstoff- Luftverhältnis des Kraftstoff-Luftgemisches in engen Grenzen erhalten bleibt.

Eine weitere Möglichkeit, die Zylinderfüllung zu reduzieren, besteht darin, den Schließzeitpunkt des Einlaßventils in Rich­ tung spät zu verstellen, so daß ein Teil der Zylinderladung zu Beginn der Verdichtungsphase in das Einlaßsystem zurückgescho­ ben wird, bevor das Einlaßventil schließt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Schließzeit­ punkt des Auslaßventils in Richtung früh verstellt wird. Da­ durch verbleibt ein Teil des Abgases am Ende der Auslaßphase im Zylinder und vermindert somit die Füllung mit einem frischen Kraftstoff-Luftgemisch beim nächsten Arbeitsspiel.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der klopfende Betrieb der Brennkraftmaschine vermieden, ohne daß der Wirkungsgrad nennenswert vermindert wird, da entsprechend der geringeren Leistung weniger Kraftstoff verbrannt wird und der Verbren­ nungsschwerpunkt optimal liegt. Ferner stellt sich ein geringe­ res Abgastemperaturniveau ein, so daß der Katalysatorbetrieb vor Überhitzung geschützt ist.

Bereits vor Verringerung der Zylinderfüllung kann eine gewisse Kraftstoffmenge vor dem Einlaßventil vorgelagert sein. Diese vorgelagerte Kraftstoffmenge könnte bei einer reduzierten Luft­ zufuhr zu große Abweichungen des Kraftstoff-Luftverhältnisses mit einem Kraftstoffüberschuß entstehen lassen. Es ist daher vorteilhaft, zunächst den Zündzeitpunkt nach spät zu verstel­ len, um den klopfenden Betrieb zu unterbinden, bis die vorgela­ gerte Kraftstoffmenge abgebaut ist. Ist dann das Klopfsignal unter das erste Referenzsignal gefallen, wird die Zylinderfül­ lung entsprechend der Zündzeitpunktverschiebung reduziert und die Zündzeitpunktverschiebung aufgehoben.

Grundsätzlich können der Zündzeitpunkt und die Steuerzeiten für die Ventilsteuerung kontinuierlich verstellt werden. In der Praxis ist es ausreichend und im Sinne einer stabilen Steuerung vorteilhaft, die Steuerzeiten stufenweise in Inkrementen zu verstellen.

Ein klopfender Betriebszustand muß nicht in allen Zylindern ei­ ner mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gleichzeitig auftreten. Es ist daher zweckmäßig, daß jeder Zylinder einen eigenen Klopfsensor hat oder der bzw. die Sensoren zylinderselektiv ausgewertet und die Gaswechselventile einzelner Zylinder sepa­ rat angesteuert werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Zylindereinheit einer Brennkraftmaschine.

Ein Klopfsignal 1 eines Klopfsensors 36 wird von einer Klopfer­ fassung 2 einer Steuereinheit 37 erfaßt und in einem ersten Schritt 3 auf seine Falltiefe F untersucht. Besteht keine Fall­ tiefe F durch einen eventuell erkannten und ausgeregelten Klopfvorgang, wird in einem zweiten Schritt 4 ermittelt, ob ein klopfender Betrieb vorliegt oder nicht. Dies geschieht in der Regel dadurch, daß das Klopfsignal 1 mit einem Referenzsignal verglichen wird. Liegt kein klopfender Betrieb vor, wird die Falltiefe F in einem ersten Block 6 gleich null gesetzt. Liegt jedoch ein klopfender Betrieb vor, wird die Falltiefe F ent­ sprechend der Stärke des Klopfsignals 1 oder um ein vorgegebe­ nes Inkrement in einem zweiten Block 7 erhöht und mittels eines Zündpunktkorrektur-Kennfelds zu einem Zündpunkt-Korrektursignal 18 ausgewertet, das einem Zündzeitpunktsignal 19 überlagert wird und ein entsprechendes Ausgangssignal 22 liefert. Das Zündzeitpunktsignal 19 wird über ein Betriebskennfeld 17 für den Zündzeitpunkt t_Zp in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl n und einem Lastvorgabesignal 13 erzeugt. Das Zündzeitpunkt- Korrektursignal 18 verstellt das Zündzeitpunktsignal 19 in Richtung spät.

Wird im weiteren Verlauf im ersten Schritt 3 eine Falltiefe größer null erkannt, wird in einem dritten Schritt 5 unter­ sucht, ob ein klopfender Betrieb vorliegt oder nicht. Bei posi­ tivem Ergebnis wird die Falltiefe F im zweiten Block erneut er­ höht, was wiederum zu einem Zündzeitpunkt-Korrektursignal 18 führt. Tritt kein klopfender Betrieb auf, wird die Falltiefe F in einem vierten Block 9 herabgesetzt und über ein Kompensati­ onskennfeld 10 ein Lastkompensationssignal 12 erzeugt und in der Weise dem Lastvorgabesignal 13 überlagert, daß ein korri­ giertes Lastsignal 14 erzeugt wird, das über Betriebskennfelder 15 für Ventilsteuerzeiten t_v, 16 für eine Einspritzdauer t_E und 17 für den Zündzeitpunkt t_Zp entsprechende Ausgangssignale 20, 21 und 22 bzw. 23 liefert. Gleichzeitig wird über einen vierten Block 9 das Zündzeitpunkt-Korrektursignal 18 auf null gesetzt. Der Regelvorgang wird so oft wiederholt, bis keine Falltiefe und kein Klopfbetrieb mehr festgestellt werden. Die Brennkraft­ maschine läuft in einem nicht klopfgefährdeten Betriebsbereich.

In Fig. 2 ist eine Zylindereinheit einer Brennkraftmaschine dargestellt, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeignet ist. Mit 24 ist ein Zylinder bezeichnet, der von einem Zylinderkopf 25 abgedeckt ist und einen Arbeitsraum 26 umfaßt. In den Arbeitsraum 26 führen ein Einlaßkanal 27, der von einem Einlaßventil 29 gesteuert wird, und ein Auslaßkanal 28, der von einem Auslaßventil 30 gesteuert wird. Elektromagne­ tische Aktuatoren 32 und 33 wirken zusammen mit Ventilfedern 31 auf das Einlaßventil 29 bzw. auf das Auslaßventil 30, die soge­ nannten Gaswechselventile. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 spritzt Kraftstoff in den Einlaßkanal 27, durch den Frisch­ luft zugeführt wird. Die Menge der Frischluft, auf die die Men­ ge des eingespritzten Kraftstoffs abgestimmt wird, wird durch eine nicht näher dargestellte variable Ventilsteuerung der Gas­ wechselventile geregelt. Eine Zündeinrichtung 35 zündet das in den Arbeitsraum 26 gelangte Kraftstoff-Luftgemisch zum Zünd­ zeitpunkt t_Zp am Ende der Verdichtungsphase.

Die Öffnungs- und Schließzeiten t_v der Gaswechselventile 29, 30, die Einspritzdauer t_E und der Zündzeitpunkt t_Zp werden von einer Steuereinheit 37 in Abhängigkeit von Betriebskennfeldern 15, 16 und 17 gesteuert. Die Steuereinheit 37 ist über entspre­ chende Signalleitungen mit entsprechenden Stellgliedern verbun­ den. Im Bereich des Arbeitsraums 26 ist ein Klopfsensor 36 an­ geordnet, der das Klopfsignal 1 für die Steuereinrichtung 37 liefert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Regeln einer ventilgesteuerten Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine mit einer Quantitätssteuerung eines Kraft­ stoffluftgemisches, bei der Kraftstoff in einen Einlaßkanal ei­ nes Zylinders eingespritzt wird und die Brennkraftmaschine durch in einer Steuereinheit abgelegte Kennlinien, Kennfelder oder Algorithmen abhängig von Betriebsparametern geregelt wird, von denen wenigstens ein Betriebsparameter Einfluß auf einen klopfenden Betrieb der Brennkraftmaschine hat und der Betrieb­ spunkt der Brennkraftmaschine durch Ändern des Betriebsparame­ ters in einen klopfsicheren Bereich verlegt wird, sobald ein von einem Klopfsensor ermitteltes Klopfsignal ein Referenzsi­ gnal übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftma­ schine Gaswechselventile (29, 30), nämlich mindestens ein Ein­ laß- (29) und ein Auslaßventil (30), mit einer variablen Ven­ tilsteuerung besitzt und die Steuereinheit (37) die Steuerzeit­ punkte (t_v) der Ventilsteuerung in Abhängigkeit der Stärke (F) des Klopfsignals (1) so verändert, daß eine Zylinderfüllung mit zunehmender Stärke (F) soweit reduziert wird, bis das Klopfsi­ gnal (1) das Referenzsignal unterschreitet, und die Zylinder­ füllung bei Unterschreiten eines zweiten Referenzsignals wieder zunimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (37) den Schließzeitpunkt (t_v) des Einlaßventils (29) in Abhängigkeit der Stärke (F) des Klopfsignals (1) in Richtung früh verstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (37) den Schließzeitpunkt (t_v) des Einlaßventils (29) in Abhängigkeit der Stärke (F) des Klopfsignals (1) in Richtung spät verstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit den Schließzeitpunkt (t_v) des Auslaßventils (30) in Abhängigkeit der Stärke (F) des Klopfsignals (1) in Richtung früh verstellt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Zündzeitpunkt (t_Zp) nach spät verstellt wird, bis das Klopfsignal (1) unter das erste Refe­ renzsignal fällt, daß aus der Zündzeitpunktkorrektur (t_Zp) über ein Kompensationskennfeld (10) ein Lastkorrekturanteil (ΔTL) ermittelt wird, der zum Verstellen der Gaswechselventile dient, und der Zündzeitpunkt (t_Zp) auf einen Normalwert zurückgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzeiten (t_v,) der Ventilsteuerung und des Zündzeitpunkts (t_Zp) in Inkrementen verstellt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Brenn­ kraftmaschinen mit mehreren Zylindern (24), dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Zylinder (24) einzeln angesteuert wird.