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Steuersystem für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf
ein Steuersystem für Brennkraftmaschinen und insbesondere auf eine Brennkraftmaschine
mit Fremdzündung.
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Bei bekannten Brennkraftmaschinen vorbeschriebener Art ist es bekannt,
daß das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brennstoff, wie sie den Maschinenzylindernzugeführt
werden, eine erhebliche Wirkung auf die Zündung und Verbrennung des Gemisches als
auch auf die Zusammensetzung der
Abgase hat; aus diesem Grunde sind
zahlreiche Versuche unternommen worden, das Mischungsverhältnis des Luft-Brennstoffgemisches
(im folgenden als Gemisch bezeichnet), wie es der Maschine zugeführt wird, genauestens
zu steuern, d. h. also das Mischungsverhältnis von Luft zu Brennstoff. Hierzu gehören
nicht nur die Anstrengungen zu verbesserter Genauigkeit der Bestandteile von Vergasern
und die Anordnung einer vergrößerten Anzahl von Einstellmöglichkeiten sondern auch
die Versuche zur Verwirklichung einer genaueren Messung der durch die Maschinen
angesaugten Luftmenge sowie die Entwicklung von entsprechend genauen Brennstoffdosierverfahren
zur Verwendung bei Einspritz-Brennstoffördersystemen.
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Alle diese Verfahren sind ausgelegt für die Verbesserung der Genauigkeit
der Dosierung der der Maschine zugeführten Menge an Luft und Brennstoff, so daß
man kaum sagen kann, daß diese Methoden stets unter unterschiedlichen klimatischen
Bedingungen wie Änderungen im Druck, in der Temperatur und in der Feuchtigkeit der
Atmosphäre zufriedenstellend arbeiten.
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Ferner läßt sich nicht bestätigen, daß bezüglich der Brennstoffmenge
zufriedenstellende Dosierung gewährleistet werden kar.n, indem man jeglichen Anderungen
im theoretischen Luft-Brennstoffverhältnis rechnung trägt, die sich aus Vriationen
im spezifischen Gewicht des Brennstoffs, im Luftehat im Brennstoff und in der Brennstoff
zusammensetzung ergeben.
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Ein System, welches allen diesen Anforderungen technisch gerecht werden
würde,würde außerordentlich teuer und kompliziert sein, so daß es für Brennstoffsysteme
bei Brennkraftmaschinen ungeeignet ist, wie sie heutzutage weitgehend benutzt werden.
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Unter Berücksichtigung der vorbeschriebenen Nachteile ist es Aufgabe
der Erfindung, ein Steuersystem für Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei dem die
Stärke eines einer Maschine zugeführten Gemisches unter vorbestimmten Bedingungen
gesteuert wird und alle vorbeschriebenen Fluktuationsfaktoren berücksichtigt werden.
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Das Steuersystem nach der Erfindung hat unter anderem folgenden Vorteil:
Der Zustand der Maschinenabgase wird durch einen Detektor ermittelt; weicht dieser
Zustand von einem vorbestimmten Zustand ab, wird also das der Maschine zugeführte
Luft-Brennstoffverhältnis des Gemisches größer oder kleiner als ein vorbestimmter
Wert, wird die bffnungsdauer eines elektromagnetischen Ventils in Abhängigkeit von
dem Ausgangssignal des.Detektors relativ lang oder kurz, während.
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ein Luftsteuerventil, das in Abhängigkeit vom Druck in der Ansaugleitung
wirksam wird, die Fläche A eines Luftkanals vermindert, wenn ein Druckunterschied
P zwischen der Atmosphäre und-dem Ansaugleitungsdruck groß ist und die
Fläche
A vergrößert, wenn die Druckdifferenz # P klein ist; die Fläche A kann in Abhängigkeit
vom Ansaugleitungsdruck in der Weise variiert werden, daß während zahlreicher Maschinenbetriebsbedingungen
im Bereich von leichter Belastung bis hoher Belastung die richte Luftmenge zugeführt
werden kann, um das Luft-Brennstoffverhältnis des Gemisches auf einem vorbestimmten
Wert zu halten, ohne daß irgendeine beträchtliche Variierung in der öffnungsdauer
des elektromagnetischen Ventils oder in der Dauer des Ventilbetätigungsimpulse notwendig
ist, d. h. also innerhalb eines praktikablen Bereiches der Werte für die OfEnungsdauer
des elektromagnetischen Ventils, wodurch das Ziel der Erfindung erreicht wird, d.
h.
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die Steuerung des einer Maschine zugeführten Luft-Brennstoffverhältnisses
des Gemisches auf einen vorbestimmten Wert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Steuersystems für eine Brennkraftmaschine; Fig. 2 zeigt ein charakteristisches Diagramm
des bei der Ausführungsform nach Fig. 1 verwendeten Detektors;
Fig.
3 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Luftkanalfläche
des Luftsteuerventils der Ausführungsform nach Fig. 1 und dem Druckunterschied zwischen
dem Atmosphärendruck und dem Ansaugleitungsdruck zeigt; Fig. 4 ist ein Schaltplan
für die elektrische Schaltung gemäß Fig. 1.
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In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Teil einer Maschinenkurbelwelle,
an die eine Verbindungsstange oder Pleuelstange 2 angeschlossen ist, auf der ein
Kolben 3 sitzt.
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Ein Zylinderkopf 4 besitzt für jeden Zylinder ein Einlassventil 5
und ein Auslassventil 6, die jeweils den Durchgang einer Ansaugöffnung 7 und einer
Auslassöffnung 8 öffnen und schließen. Eine Ansaugleitung 9 ist an den Zylinderkopf
4 angeschlossen; an einem Ende der Ansaugleitung 9 befindet sich ein Vergaser 10.
Das andere Ende des Vergasers das nicht an die Ansaugleitung 9 angeschlossen'ist,
liefert über einen Luftfilter 11 der Maschine Luft. An einem Abschnitt des Zylinderkopfs
4 ist eine Abgasleitung 12 angeschlossen9 so daß die Arbeitsgase der Maschine über
Auslassventile @ und.
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Auslassöffnungen 8 in der Abgasleitung'12 gesammelt werden, von wo
sie aus zur Außenseite der Maschine abgegeben werden
In einem Abschnitt
der Abgasleitung 12 befindet sich ein Detektor 13, der de Zusammensetzung der Abgase
ermittelt; der Ausgang dieses Detektor wird als ein elektrisches Signal über eine
elektrische Leitung 14 an eine elektrische Schaltung 15 geliefert (der Schaltungsaufbau
wird später erläutert).
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Der Ausgang der elektrischen@Schaltung 15 führt zu einem elektromagnetischen
Ventil 17, und zwar über eine elektrische Leitung 16. Um einen Schieber 18 des elektromagnetischen
Ventils 17 ist eine Spule 19 gewickelt, wobei deren eines Ende bei 20 elektrisch
nach außen geführt ist. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Federsatz @ der mit
einem Luftkanal 21' in seiner Mitte versehen ist. Ein Stößel 22 wird durch eine
Feder 23 beansprucht und wirkt über eine Ventilplatte 24 gegen einen Ventilsitz
18', der in einem Abschnitt des Schiebers 18 ausgebildet ist, wobei ein Kanal 18"
geschlossen- wird, wenn der Stößel 22 entregt wird. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet
eine Luftleitung, die den Luftfilter 11 und den Kanal 18" verbindet; mit 26 ist
ein Luftsteuerventil bezeichnet, während das Bezugszeichen 27 für einen Zylinder
des Luftsteuerventils gilt, in dem ein Kolben 28 hermetisch abgeschlossen und verschiebbar
sitzt. Der Kolben 28 ist mit einem Zentralabschnitt 28' versehen, der einen kleineren
Druchmesser hat und Schultern 28" und 28"' gemäß Fig. 1 liefert; das eine Ende des
Kolbens ist an eine Verbindungsstange 28 angeschlossen.
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Mit einem Ende einer Verbindungsstange 32 ist eine Membran 30 zusammen
mit einer Federhalteplatte 31 verbunden; das andere
Ende der Verbindungsstange
32 ist über ein Kugelgelenk 33 mit dem anderen Ende der Stange 29 verbunden Das
Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Druckfeder; an den Zylinder 27 ist ein Gehäuse
35 angeschlossen, und zwar zusammen mit dem Umfangsabschnitt der Membran 30. Das
Bezugszeichen 36 bezeichnet eine Luftleitung" die die Maschinensaugleitung und eine
Federkammer 37 verbindet; Bezugszeichen 38 und 39 bezeichnen kleine, in dem Zylinder
27 ausgebildete Löcher, während mit 40 eine Luftsteueröffnung bezeichnet ist, deren
Steuerfläche von dem Teil gebildet wird, der nicht durch den Kolben 28 geschlossen
wird. Die Relatiarlagen von Luftsteueröffnung 40 und Kolben 28 variieren in Abhängigkeit
der Fläche der Membran 30 , der Federkonstanten der Druckfeder 34 und dem Ansaugleitungsdruck;
sie sind gemäß nachfolgender Beschreibung ausgelegt. Das Bezugszeichen 41 bezeichnet
ein Loch das in dem Teil des zylinders 27 vorgesehen ist, der stets mit dem Zentralabschnitt
28' des Kolbens 28 fluchtet, und zwar unabhängig von der Lage des Kolbens Das Bezugszeichen
42 und 43 bezeichnen Luftleitungen. Die Querschnittsfläche des Luftkanals, der durch
die Luftleitung 25, den Kanal is, den Luftkanal 21', die Luftleitung 43 und die
Kombination aus dem Zentralabschnitt 28' des Kolbens 28 und den Zylinder 27 gebildet
wirt wird so gewählt, daß sie nicht kleiner als die maximale Luftkanalfläche oder
Luftdurchtrittsfläche der Luftsteueröffnung 40.
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Die vorbeschriebene Ausführungsform arbeitet in der folgenden Weise.
Der Vergaser 10 nimmt die gewöhnliche Brennstoffdosierung vor, und es liegt im Vergleich
mit bekannten Vergasern nichts weiter ungewöhnliches vor; er wird in einer solchen
Weise eingestellt, daß die Steuerung zu einem Gemischverhältnis von Luft und Brennstoff
führt, bei dem die Brennstoffmenge auf der etwas angereicherten Seite gehalten wird
und die gewöhnliche Primärluft mit dem entsprechenden Brennstoff im Vergaser 10
zur Zuführung zur Maschine gemischt wird. Nach Beendung der Verbrennung in der Maschine
werden die ausgestoßenen Gase über die Auslassventile 6 in der Abgasleitung 12 gesamme7t3
von des sie zur Atmosphäre abströmen. In diesem Falle wird der Zustand der Abgase
durch den Detektor 13 erfühlt, der in der Abgasleitung 12 sitzt.
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Bei dieser der Erläuterung dienenden Ausführungsform besteht der Detektor
13 aus Zirkondioxid; es ist bekannt, daß dann, wenn ein Detektor eine Zirkondioxidelektrode
in Verbindung mit Platin aufweist, seine Charakteristik abrupt in Abhängigkeit von
der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen gemäß Fig. 2 verändert wird, und zwar
infolge der kombinierten Wirkung aus katalytischem Effekt des Platins und der Sauerstoffkonzentrationsfühlfähigkeit
des Zirkondioxids; der Messpunkt, bei dem die Konzentration von Sauerstoff in den
Abgasen plötzlich wechselt entspricht angenähert dem theoretischen Luft-Brennstoffverhältnis.
In Fig. 2 bezeichnet die X-X'-Achse
das Luft-Brennstoffverhältnis
und die Y-Achse die Ausgang spannung des Detektors 13. Wo die Maschine stets mit
dem theoretischen Luft-Brennstoffverhältnis betrieben werden muß, kann die Charakteristik
dieses Detektors von gutem praktischen Wert für diesen Zweck sein. Der elektrische
Ausgang des Detektors 13 wird durch die elektrische Schaltung 15 verstärkt, wo festgelegt
wird, ob die abgetasteten Abgase reicher an Brennstoff sind als dem theoretlschen
Luft-Brennstoffverhältnis entspricht. Wenn das Gemisch reicher an Brennstoff ist,
d. h. wenn die Ausgangsspannung des Detektors 13 hoch ist, werden Ventilbetätigungsimpulse
mit großer Zeitdauer über die elektrische Leitung 16 an das elektromagnetische Ventil
17 gegeben, und zwar sychron mit der Drehung der Maschine z. B.
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Die Fig. 4 zeigt einen exemplarischen Verdrahtungsplan der elektrischen
Schaltung 15; das Symbol B bezeichnet Kontakte, die mit den Umdrehungen -der Maschine
synchronidert sind, so daß diese Kontakte geerdet werden, wenn sie sychron mit dem
Umlauf der Maschine geschlossen werden. Sind die Kontakte geschlossen, wird ein
Transistor Tr1 gesperrt und ein Transistor Tr2 durchgeschaltet. In Antwort auf das
Ausgangssignal des Transistors Tr2 wird der Ausgang eines NAND-Gatters 2 in einem
Flip-Flop FF1 auf "1" gesetzt und der Ausgang eines
NAND-Gattcrs
1 auf "0" gesetzt. Gleichzeitig wird ein Ausgangstransistor Tr4 gesperrt, so daß
von der elektrischen Schaltung 15 über die elektrische Leitung 16 gemäß Fig. 1 dem
elektromagnetischen Ventil 17 ein Strom zugeführt wird.
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Bezeichnet man die Ausgangsspannung des Detektors 13 mit V und repräsentlert
V0 eine Bezugsspannung, dann ergibt sich die Ausgangsspannung eines Differentialverstärkers
DA 1 zu V1 - (V-Vo) KR2/R1, wenn die vorgenannten Spannungen an die jeweiligen Eingänge
eines Betriebsverstärkers 100 eines Diffefltialverstärkers DA 1 gemäß Fig 4 angelegt
werden. So kann durch geeignete Wahl des Wertes von K eine-Spannung erhalten werden,
die proportional zu V-Vo ist. Der Ausgang des Differentialverstärkers DA 1 wird
zweckmäßig durch die Widerstände R3 und R geteilt und dann an einen Integrator geliefert,
der einen Betriebsverstärker 101, einen Kondensator C1 und einen Transistor Tr3
besitzt. In diesem Falle sind die Werte der Widerstände R3 und R4 so gewählt, daß
die abgegriffene Spannung einen negativen Wert hat. Am Ausgang des Betriebsverstärkers
oder Operationsverstärkers 101 wird ein Sägezahnsignal erzeugt, daß proportional
zum Wert von V-VO ist.
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Dieses Ausgangssignal wird an einen Komparator 102 angelegt, in dem
es mit einer vorgegebenen Spannung Vref verglichen wird. Übersteigt die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 101 die vorgegebene Spannung Vref, wechselt der Ausgang
des Komparators 102 auf "O". Der Ausgang des Komparators 102 geht an den Expanderanschluß
des NAND-Gatters 1 , so daß der Ausgang des NAND-Gatters
1 auf
"1" wechselt und der Ausgangstransistor Tr4 durchgeschaltet wird, um die Zufuhr
von Strom zum elektromagnetischen Ventil 17 in-Fig. 1 zu unterbrechen. In dem Augenblick,
zu dem der Ausgang des NAND-Gatters 1 des Flip-Flop FF1 nach "1" wechselt, wird
der Transistor T) durchgeschaltet, um den Kondensator C1 zu entladen und die Bildung
des nächsten Säge zahnes von Null Potential auszulösen.
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Bezeichnet man die Sperrzeit des Ausgangstransistors TrIi mit T,
erhält man durch wiederholen des vorbeschriebenen Vorgangs durch die elektrische
Schaltung 15 in Abhängigkeit vom Wert von V-V0 Impulse mit einer Impulslänge T,
, die mit der Drehzahl der Maschine synchron sinds wodurch die Impuls länge oder
Impulsweite T vergrößert wird, um die Dauer der Öffnung des elektromagnetischen
Ventils 17 zu vergrößern, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis niedrig ist, d.h. wenn
der Ausgang des Detektors 13 hoch ist; demgegenüber wird die Impulsweite T vermindert,
wenn der Ausgang des Detektors 13 niedrig ist und Wert von V-V0 negativ ist Wenn
die Maschinenabgase reicher an Brennstoff im Vergleich mit einem vorbestimmten Luft-Brennstoffverhältnis
sind, werden liiipulse mit relativ großer Impulsweite an das elektromagnetische
Ventil 17 geliefert, sodaß der Stößel 22 gegen die Kraft der Feder 13 von dem Ventilsitz
18' abgehoben wird so daß die Ventilplatte 24 vom Ventilsitz 18' getrennt ist und
der Kanal 18" geöffnet wird, so daß Luft vom Luftfilter 11 über den Kanal 18" und
den Luftkanal 21' zur Luftsteueröffnung 40 gelangt. Wird die Dauer
der
oeffnung des elektromagnetischen Ventils 17 mit T bezeichnet, die DUrchtrittsfläche
der Luft durch die Luftsteueröffnung 40 mit A und der Druckunterschied zwischen
der Atmosphäre und dem Ansaugleitungsdruck mit a P, so ergibt sich die Luftmenge
Q, die für jedes Öffnen des elektromagnetischen Ventils 17 zugeführt wird, zu
In diesem Fall wird jedoch der Vergaser 10 so eingestellt, daß er das Gemisch mit
Bezug auf den Brennstoff etwas reicher hält, wie es zuvor erwähnt wurde. Damit das
Gemisch mit Hilfe der Luft auf ein vorbestimmtes Luft-Brennstoffverhältnis verdünnt
werden kann, ist es notwendig, daß eine kleinere Luftmenge bei geringer Maschinenbelastung
zugeführt wird, d.h. wenn der Druckunterschied hP hoch ist, während eine größere
Luftmenge bei hohen Maschinenbelastungen zugeführt wird, d.h. wenn die Druckdifferenz
» gering ist. Mit Bezug auf die Begrenzung der Dauer T der öffnung des elektromagnetischen
Ventils 17 - wenn es sychron mit der Maschine geöffnet und geschlossen wird - entspricht
einer Umdrehung der Maschine bei einer Drehzahl von z.B. 6000 Upm lOms,so daß die
maximale für das öffnen des elektromagnetischen Ventils 17 verfügbare Zeit lOms
beträgt. Mit Rücksicht auf die Trägheit der bewegten Teile des elektromagnetischen
Ventils 17, auf eine Verzögerung im Stromfluß usw. liegt die minimale Steuerzeit
für ein solches elektromagnetisches Ventil, daß noch gewöhnlich gestaltet werden
kann, in der Größenordnung von 2ms. Ist der Wert der Fläche A der vorbeschriebenen
Gleichung
festgelegt, ist es mit Rücksicht auf diese Begrenzungen unmöglich, die richtige
Luftmenge über alle Betriebsbedingungen der Maschine durch variieren der Dauer von
T der öffnung des elektromagnetischen Ventils 17 zu erhalten. Diese Schwierigkeit
wird
erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß die Durchgangsfläche A für die Luft durch
die Luftsteueröffnung 40 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz aP zwischen der
Atmosphäre und dem Ansaugleitungsdruck gemäß Fig. 3 variiert wird, Auf diese Weise
kann der erforderliche Variationsbereich in der Dauer der öffnung des elektromagnetischen
Ventils 17 durch gewöhnliche und übliche Auslegung erreicht werden. Dies bedeutet
mit anderen Worten, daß bei hoher Druckdifferenz #P der Ansaugleitungsdruck in die
Federkammer 27 geleitet wird, um die Fläche A zu reduzieren, so daß die Membran
30 den Kolben 28 in Richtung des Pfeils u der Zeichnung gegen die Kraft der Druckfeder
34 bewegt, wodurch die durch die Schulter 28' und die öffnung 40 de-finierte Fläche
A auf den erwünschten Wert reduziert wird. Wenn demgegenüber die Druckdifferenz
AF gering ist, wird der Kolben 28 in die Gegenrichtung zur Richtung des Pfeils u
bewegt, um die Fläche A zu vergrößern, die durch die Schulter 28" des Kolbens 28
und die öffnung 40 definiert wird.
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Werden die Abgase der Maschine schwächer als das vorbestimmte-Luft-Brennstoffverhältnis,
wird die Dauer der öffnung des elektromagnetischen Ventils 17 relativ kurz, so daß
die Luftmenge für das Verdünnen des im Vergaser 10 bereilteten. Gemisches vermindert
wird, um ein vorbestimmtes Luft-Brennstoffverhältnis zu erhalten.
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Aus der Vorbeschreibung ergibt sich, daß die Konzentration an in
den Abgasen enthaltenem Sauerstoff ermittelt wird, wobei dann, wenn das Gemisch
an Brennstoff reicher ist als ein vorbestimmtes Luft-Brennstoffverhältnis, die Dauer
der öffnung des'elektromagnetischen Ventils 17 relativ lang gewählt wird, um die
getrennt vom
Vergaser 10 angesaugte Luftmenge zu vergrößern und
auf diese Weide das reiche Gemisch zu verdünnen; zeigen jedoch die Abgase, daß das
Gemisch schwach im Brennstoff ist, wird die öffnungsdauer des elektromagnetischen
Ventils 17 vermindert, um die für das Verdünnen des Gemisches bestimmte Luftmenge
zu verkleinern und dadurch das Luft-Brennstoffverhältnis zu vergrößern-. Auf diese
Weise kann das Luft-Brennstoffverhältnis auf der Ansaugseite der Maschine steht
auf optimalen Wert gehalten werden, und zwar in Abhängigkeit mit der erfühlten Konzentration
an Sauerstoff in den Abgasen der Maschine.
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Die Erfindung liefert somit ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine,
bei der der Zustand der Abgase der Brennkraftmaschine durch einen Detektor erfühlt
wird; weicht der Zustand der Abgase von dem vorbestimmten Zustand ab, wird die öffnungsdauer
eines elektromagnetischen Ventils in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal. des Detektors
gesteuert und gleichzeitig die Luftdurchgangsfläche eines parallel zum Vergaser
liegenden Wegs mit Hilfe eines Luftsteuerventils gesteuert, daß in Abhängigkeit
vom Druck in der Ansaugleitung betätigt wird, wodurch das Luft-Brennstoffverhältnis
des der Maschine zuzuführenden Gemisches auf einen vorbestimmten Wert gesteuert
wird.