DE3032323A1

DE3032323A1 - Kraftstoffsteuervorrichtung fuer verbrennungsmotoren, insbesondere otto-motoren

Info

Publication number: DE3032323A1
Application number: DE19803032323
Authority: DE
Inventors: Kenneth J. Mobile Ala Stuckas
Original assignee: Teledyne Industries Inc
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1981-05-07
Also published as: JPS6220366B2; GB2062290B; US4305364A; IT1130520B; SE8103758L; IT8068516A0; FR2468748A1; SE441207B; JPS5666425A; BR8005805A; FR2468748B1; GB2062290A

Description

Kraftsto^fsteuervorrichtung für Verbrennungsmotoren , insbesondere Otto-Motoren

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffsteuervorrichtung, die sich insbesondere für Otto-Motoren eignet.

Otto-Motoren, beispielsweise Kolbenmotoren für Flugzeuge, werden normalerweise entweder mittels Vergaser oder mittels Kraftstoffeinspritzung mit einer Kraftstoffmenge versorgt, so da3 die Kraftstoffmenge nach

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ihrer Vermischung mit der eingeleiteten Luftmenge ein verbrennbares Gemisch bildet, das den Verbrennungskammern oder Zylindern des Motors zugeführt wird. Die Menge des an den Motor abgegebenen Kraftstoffs läßt sich in vielfältigerweise regeln bzw. steuern.

Bei den gegenwärtigen Flugzeugkolbenmotoren kann jedoch das Kraftstoffsystem von Hand mit Hilfe eines Mischsteuerhebels gesteuert werden. Dieser Hebel wird von dem Piloten bedient, um das dem Motor zuströmende Kraftstoffgemisch abzumagern und dadurch den Kraftstoffverbrauch zu senken und darüberhinaus ein zu fettes Gemisch in größeren Flughöhen zu vermeiden-. Derartige extrem fette Gemische können eine unstetige Verbrennung im Motor zu Folge haben und sogar einen vollständigen Ausfall des Motors bewirken.

Normalerweise wird der Gemischsteuerhebel des Flugzeuge vom Piloten in Abhängigkeit von einem oder mehreren vorbestimmten Motorbetriebsparametern bedient, so beispielsweise der Abgastemperatur (EGT), der Zylinderkopftemperatur (CHT), der Kraftstoffdurchflußmenge, der Höhe, der Motordrehzahl und/oder des Ansaugdruckes. Demzufolge bringt die Steuerung und Einstellung des Gemischsteuerhebels für den Piloten eine ziemlich starke Arbeitsbelastung mit sich und kann gleichzeitig dazu führen, daß dem Motor ein ungeeignetes Kraftstoffgemisch zugeführt wird. Ein solches ungeeignetes Kraftstoffgemisch kann nicht nur zu einem übermäßig hohen Kraftstoffverbrauch führen, sondern auch zu einer Beschädigung des Motors aufgrund zu hoher ZyIinderkopftempera türen.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kraftstoffsteuervorrichtung zu schaffen, die automatisch die Gemischbildung und -zufuhr zu dem Motor in Abhängigkeit wenigstens eines Motorparameters steuert und dadurch den Piloten entlastet und die bei Handsteuerung bestehende Gefahr von Fehlern ausschließt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise durch Schaffung eines automatischen Kraftstoffgemischsteuersystems gelöst, das automatisch den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch oder tatsächlichen spezifischen Kraftstoffverbrauch während des Motorbetriebs bei konstanter Drehzahl und Belastung auf ein Mindestmaß beschränkt und dennoch das Kraftstoffgemisch während des Obergangsbetriebs anreichert. Darüberhinaus verhindert die erfindungsgemäße Vorrichtung auch einen zu langen Betrieb des Motors bei zu hohen Zylinderkopftemperaturen.

Zu diesem Zweck weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein mikrocomputergesteuertes Kraftstoffgemischsteuersystem für einen Flugzeugkolbenmotor auf, das eine Kraftstoffquelle sowie eine Einrichtung zur Kraftstoffzufuhr zum Motor mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. -mengen besitzt. Angenommen, der Flugzeugmotor arbeitet mit konstanter Drehzahl und konstanter Belastung, dann ertastet und bestimmt das System automatisch die Größe eines Motorparameters, der mit dem bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch des Motors im Zusammenhang steht. Bei dem im folgenden im Detail zu beschreibenden Beispiel wird die Abgastemperatur (EGT) als Parameter verwendet, obgleich auch andere Motorparameter benutzt werden könnten.

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Der Wert der Abgastemperatur wird dann mit ihrem vorher festgelegten Wert verglichen, und als Ergebnis dieses Vergleiches wird die dem Motor zufließende Kraftstoffmenge schrittweise vergrößert oder verkleinert, und zwar durch vorbestimmte Kraftstoffmengenströmungsanteile, wobei die Änderung der Kraftstoffmenge in einer Richtung erfolgt, durch die der bremsenspezifische Kraftstoffverbrauch auf ein Mindestmaß beschränkt wird und damit ein Maximum an Wirtschaftlichkeit bezüglich des Kraftstoffverbrauchs des Motors innerhalb der für einen gegebenen Motorbetriebszustand festgelegten Grenzen.

Das Verfahren zum Vergleich der Abgastemperatur mit ihrem vorhergehenden Wert wird iterativ so lange wiederholt, bis die Abgastemperatur sich einem Punkt in bezug auf die Lage der Abgasspitzentemperatur nähert, der dem minimalen bremsenspezifischen Verbrauch entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kraftstoffstrom zum Motor entweder schrittweise vergrößert oder verkleinert, und zwar durch Verringerung der Kraftstoffdurchflußmengenanteile, bis der Kraftstoffdurchf1ußmengenanteil unter einem vorbestimmten Wert liegt. In diesem Moment ist der Iterationszyklus abgeschlossen, und die Kraftstoffzuflußmenge zum Motor wird auf dem letzten Wert gehalten, und zwar so lange, bis wieder eine Änderung im Motorbetriebszyklus eintritt.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffsteuervorrichtung fühlt iterativ einen Motorparameter ab und bestimmt ihn, so beispielsweise den Luftdruck in der Ansaug-

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leitung des Motors oder den Drosselklappenwinkel, der als Indikator für Kraft bzw. Leistung gilt, die von dem Motor verlangt wird. Wenn dieser Parameter einen vorbestimmten Wert übersteigt, so daß ein zusätzlicher Kraft- bzw. Leistungsbedarf angezeigt wird, vergrößert die Vorrichtung automatisch die Kraftstoffzufuhrmenge zum Motor und hält den Kraftstofffluß zum Motor auf einem Wert, der geringfügig höher liegt,als der maximal zulässigen Zylinderkopftemperatur entspricht, so daß die Motorleistung maximiert wird. Wenn die Leistungsanforderungen an den Motor unter diesen vorbestimmten Wert fallen, macht die Steuervorrichtung die Kraftstoffzufuhr zum Motor wieder kraftstoffärmer und verringert dadurch den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch in der oben beschriebenen Weise auf ein Mindestmaß, wodurch der wirtschaftlichste Kraftstoffverbrauch erzielt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Reihe graphischer Darstel

lungen, die die Abhängigkeit des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses von vier Motorparametern darstellen,

Fig. 2a und 2b Fließbilder, die die Betriebsweise

der erfindungsgemäßen Kraftstoffsteuervorrichtung erläutern,

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Fig. 3 eine schematische Darstellung

von Teilen der Kraftstoffsteuervorrichtung und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der

Betriebsweise der Kraftstoffsteuervorrichtung.

In Fig. 1 ist die Wirkung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses bei einem Otto-Motor in Abhängigkeit mehrerer Motorparameter dargestellt. In der oberen Graphik von Fig. 1 ist die Abgastemperatur des Motors auf der Ordinate und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf der Abszisse aufgetragen. Die Abgastemperatur erreicht ein Maximum bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von etwa 0,062 bei dem verwendeten Beispiel und fällt danach linear ab, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis entweder kleiner oder größer wird.

In 'der in Fig. 1 dargestellten zweiten Graphik von oben ist die ZyIinderkopftemperatur auf der Ordinate und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf der Abszisse aufgetragen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, steigt die ZyIinderkopftemperatur erheblich linear an, wenn sich das Kraftstoff-Luft-Verhältnis auf etwa 0,0675 erhöht und erreicht ihren Maximalwert bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das etwas größer bzw. fetter ist als das zu der maximalen Abgastemperatur gehörige. Eine weitere Vergrößerung des Kraftstoffanteils im Kraftstoff-Luftgemisch, das dem Motor zugeführt wird, führt zu einer geringen Abnahme der Zylinderkopftemperatur. Dazu ist festzustellen, daß der Betrieb des Motors über

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eine längere Zeitspanne über einer maximalen Zylinderkopftemperatur zu einer Beschädigung des Motors
führen kann und somit vermieden werden muß.

In der dritten Graphik von oben in Fig. 1 ist die
Motorleistung als Funktion des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses dargestellt. Wie aus dem Schaubild entnommen werden kann, steigt die Motorleistung bei
sich vergrößerndem Kraftstoff-Luft-Verhältnis solange an, bis die maximale Motorleistung erhalten wird, wonach die Motorleistung im wesentlichen konstant bleibt, und zwar unabhängig von einer weiteren Vergrößerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses. Dazu kommt, daß, wie aus Fig. 1 ersichtlich, die beste Motorleistung bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von etwa 0,076 erhalten wird, einem Verhältnis also, das erheblich größer ist als das entsprechende Kraftstoff-Luft-Verhältnis für die maximale Abgastemperatur oder die
maximale Zylinderkopftemperatur.

Die unterste Graphik von Fig. 1 zeigt den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit von dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Das Minimum der gezeichneten Kurve gehört zu dem wirtschaftlichsten
Kraftstoffverbrauch und befindet sich, wie aus der
Graphik ersichtlich, bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von annähernd 0,059 und steigt dann bei Anreicherung bzw. Verfettung oder bei Abmagerung des
Kraftstoff-Luft-Gemisches erheblich an, d.h. die
Wirtschaftlichkeit nimmt ab. Darüberhinaus befindet sich der Punkt größter Wirtschaftlichkeit auf der
den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch anzeigenden Kurve bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das

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geringfügig kleiner und damit magerer ist als das zu der maximalen Abgastemperatur in der ersten Graphik von Fig. 1 gehörige Verhältnis.

Aus Fig. 1 ergibt sich, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch mit der maximalen Abgastemperatur des Motors in Verbindung steht und daß der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch dann erreicht wird, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis etwas kleiner ist als das für die maximale Abgastemperatur geltende. Darüberhinaus weist der nicht gezeigte Motor herkömmliche Temperaturfühler 206 und 208 (Fig. 3) auf, die zur Bestimmung der Abgastemperatur bzw. der Zylinderkopftemperatur dienen. Diese Fühler entsprechen einer üblichen Bauweise und werden deshalb hier nicht näher beschrieben.

Die Logik der hier beschriebenen Kraftstoffsteuervorrichtung wird am besten mit Hilfe eines Mikrocomputers 200 (Fig. 3) verwirklicht. Ein Mittel zur Steuerung der Kraftstoffabgabemenge oder -geschwindigkeit für ein Kraftstoffsystem, bei dem die Kraftstoff strömungsmenge wenigstens teilweise von dem Kraftstoffpumpenförderdruck gesteuert wird, besteht jedoch darin, ein variables Kraftstoffbypaßventi1 durch einen Schrittmotor 202 zu betätigen.

Das zur Berechnung der Kraftstoffabgabemenge verwendete Verfahren wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Figuren 2a und 2b dargestellte Fließbild noch näher beschrieben, wobei als Beispiel für einen Motor ein Kolbenflugmotor dient. In Fig. 2a wird mit der Maßnahme 100 ein Hauptschalter zum Einschalten des

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elektrischen Systems des Flugzeugs benutzt.

Durch die Maßnahme 102 ermittelt der Mikrocomputer den Wert der Abgastemperatur und stellt fest, ob die Abgastemperatur über einen minimalen Schwellenwert liegt, der angibt, daß der Motor sich in seinem normalen Betriebstemperaturbereich befindet. Wenn die Abgastemperatur nicht innerhalb dieses normalen Betriebstemperaturbereiches liegt, was bedeutet, daß der Motor entweder nicht gestartet ist oder erst vor kurzem gestartet wurde, wird die Maßnahme 102 ständig wiederholt, bis die Abgastemperatur über dem minimalen Schwellenwert liegt.

Nachdem die Abgastemperatur einen minimalen Schwellenwert erreicht hat, stellt dies der Mikrocomputer fest und bestimmt die ZyIinderkopftemperatur mit der Maßnahme 104, wodurch sichergestellt ist, daß die Zylinderkopftemperatur gleich der Abgastemperatur einen minimalen Schwellen- oder Grenzwert, der vorher festgelegt worden ist, erreicht hat und der anzeigt, daß die ZyIinderkopftemperatur innerhalb des normalen Betriebstemperaturbereiches liegt. Wenn die Zylinderkopftemperatur jedoch ihren normalen Betriebswert nicht erreicht hat, wird der ganze Steuerungs- bzw. Kontrollvorgang wieder zur Maßnahme 102 zurückgeführt und das Verfahren wiederholt.

In der Stufe 106 oder mit der diesbezüglichen Maßnahme wird die Stellung des Handmischsteuerhebels des Motors durch die Steuervorrichtung ermittelt. Wenn sich der Steuerhebel nicht in seiner Stellung für voll angereichertes Gemisch befindet, führt die dieser Maßnahme

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106 entsprechende Kontroll- oder Steuerstufe diesen Steuerschritt erneut zurück zur Maßnahme 102, und das Verfahren wird wiederholt, und zwar solange, bis sich de.r Steuerhebel in seiner der vollen Anreicherung entsprechenden Stellung befindet.

Nimmt man an, daß sowohl die Abgastemperatur als auch die ZyIinderkopftemperatur sich innerhalb ihrer normalen Betriebsbereiche befinden, und daß der Kraftstoffgemischsteuerhandhebel sich in seiner der vollen Anreicherung entsprechenden Stellung befindet, dann wird durch die Maßnahme 108 der Notfal1 schaltkreis (EMC) eingeschaltet, wodurch gleichzeitig auf der Kontrol1 tafel 111 des Piloten eine Anzeigelampe 110 aufleuchtet, die angibt, daß die automatische Steuerung der Kraftstoffabgabe möglich ist.

Mit der Maßnahme 112 wird die Stellung des automatischen Kraftstoffkontroll systemschalters 114 auf der Anzeigetafel 111 des Piloten abgetastet. Wenn der Schalter sich anfänglich in der AUS-Stellung befindet, d.h. während der Startphase des Motors, stellt der Mikrocomputer bei seinem ersten Durchgang am Anfang den Schrittmotorschalter mit der Maßnahme 116 auf volle Anreicherung zurück. Danach gibt der Mikrocomputer einen Wert N. als Ausgangswert von N mit der Maßnahme 118 vor und stellt danach bei 120 einen Kontrollfaktor auf einen Wert X ein. Bei dem gezeigten Beispiel beträgt N 64. Sowohl der Kontrol1 faktor X als auch der Wert für N^ werden im folgenden im einzelnen erläutert. Nach Durchführung der Maßnahme 120 wird die Programmsteuerung erneut zur Maßnahme 102 zurückgeführt.

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Der Pilot kann das automatische Steuersystem 10 der hier beschriebenen Art durch Einschalten des Schalters 114 der Steuertafel 111 einschalten, wobei gleichzeitig eine Anzeigeleuchte 122 auf dieser Steuertafel 111 aufleuchtet. Somit wird nach Durchführung der nächsten Maßnahme 112 die Programmsteuerung zu einer nächsten Stufe oder Maßnahme 124 weitergeschaltet, durch die eine nicht dargestellte Ausfal1sicherheitsmagnetspule in dem Kraftstoffsteuersystem erregt wird, die das Kraftstoffsystem im Falle eines elektrischen Energieausfalls auf das normale Kraftstoff-Luft-Verhältnis mit voller Anreicherung zurückgeführt. Die Ausfallsicherheitsmagnetspule erhöht die Systemsicherheit für den Flugzeugmotor.

Nach der Erregung der Ausfal1sicherheitsmagnetspule durch die Maßnahme 124 wird durch die Vorrichtung 10 beispielsweise mit Hilfe eines Potentiometers jede Drossel b.ewegung in der Stufe 126 über einen herkömmlichen Positionswandler 210 (Fig. 3) ermittelt. Wenn die Drossel geschwindigkeit einen vorbestimmten Wert übersteigt, wodurch ein abrupter Anstieg oder Abfall der Motorleistung angezeigt wird, wird die Ausfallsicherheitsmagnetspule mit der Maßnahme 128 bzw. in der diesbezüglichen Stufe abgeschaltet, und die Systemsteuerung wird über die Maßnahmen 116, 118 und 120 wieder bis zur Maßnahme 102 zurückgeführt.

Wenn die Drosselgeschwindigkeitsbewegung einen vorgegebenen Schwellenwert nicht übersteigt, was bedeutet, daß der Motor mit einer konstanten Drehzahl

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arbeitet, wird die Programmsteuerung und deren Stufe 126 auf ein variables Zeitverzögerungsglied 130 weitergeschaltet. Die Betriebsweise des variablen Zeitverzögerungsglieds 130 wird im folgenden im einzelnen erläutert, wobei jedoch unter normalen stetigen Betriebsbedingungen die Programmsteuerung direkt von dem variablen Zeitverzögerungsglied 130 zur Stufe oder Maßnahme 132, wie in Fig. 2b gezeigt, weiterläuft. In der Stufe 132 ermittelt das System den Änsaugluftdruck für den Motor über einen Druckwandler (Fig. 3), wodurch bestimmt wird, ob der Motor über seinem maximal zulässigen Reiseleistungsspiegel arbeitet, der typischerweise 75 % der Motorleistung beträgt. Wird angenommen, daß der Ansaugluftdruck unter dem festgelegten Schwellenwert liegt, was bedeutet, daß der Motor unter seiner maximal zulässigen Reiseleistung arbeitet, läuft die Programmsteuerung zur Maßnahme oder Stufe 134 weiter.

Mit der Maßnahme 134 ermittelt das Programm die Höhe der Zylinderkopftemperatur mit Hilfe herkömmlicher Temperaturwandler und stellt sicher, daß sie unter einem Maximalwert liegt, d.h. unter 28O⁰C für das dargestellte Beispiel. Ein fortgesetzter Motorbetrieb über der maximal zulässigen Zylinderkopftemperatur kann zu einer Beschädigung des Motors führen» Wird jedoch angenommen, daß der Motor unter der maximal zulässigen Reiseleistung arbeitet und daß auch die Zylinderkopftemperatur sich unter dem maximal zulässigen Wert befindet, dann mißt das System die Abgastemperatur mit der Maßnahme 136 und stellt gleichzeitig den Ausgangswert der Äbgastemperatur EGT₀ auf

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Null. Der Ausgangswert der Abgastemperatur, also EGT , wird jedoch nur während der ersten Iteration durch die in Fig. 2b gezeigte Systemschleife auf Null gestellt. Mit der Maßnahme 138 wird der Wert der Abgastemperatur, der mit der Maßnahme 136 oder in der Stufe 136 bestimmt worden ist, auf den Wert EGT. gebracht.

Nach der Maßnahme 138 wird der Wert von Ni mit der Maßnahme 140 ermittelt um festzustellen, ob N.. 2 beträgt. Anfänglich wird N. in der Stufe 118 auf den Wert N eingestellt, der vorzugsweise eine ganzzahlige Potenz von 2 ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist N 64 oder 2 . Es versteht sich, daß der Wert von N mit der Zahl der Iterationsschritte, die das System bei der Einstellung der Kraftstoffzufuhrmenge für den Motor zur Erreichung der optimalen Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs ausführt, im Zusammenhang steht und auch im Zusammenhang mit der· Höhe der schrittweisen Vergrößerung oder Verkleinerung der Kraftstoffdurchflußanteile.

Wenn der Ausgangswert N größer als 2 ist, vergleicht die Kraftstoffsteuervorrichtung den Wert von EGT. mit dem Wert von EGT durch die Maßnahme 142, also in der Stufe 142. Wird angenommen, daß der vorhandene Wert der Abgastemperatur EGT, den vorher festgestellten Wert für die Abgastemperatur EGT übersteigt, was bei der ersten Iteration geschehen könnte, da EGT anfänglich durch die Maßnahme 136 auf Null eingestellt worden ist, dann wird die Programmsteuerung zur Maßnahme 144 weitergeschaltet, durch die festgestellt wird, welcher Kontrol1 faktor X oder Y gegenwärtig von dem Steuersystem eingestellt worden ist. Für das hier be-

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schriebene Beispiel wurde der Steuerfaktor anfänglich auf X eingestellt, so daß die Systemsteuerung direkt zur Maßnahme oder Stufe 146 läuft. Alternativ dazu würde, falls der Steuerfaktor mit der Maßnahme 144 oder in dieser Stufe auf Y eingestellt worden wäre, der Wert N. mit der Maßnahme 148 ha'lbiert, worauf dann die Steuerung zur Maßnahme oder Stufe 146 weiterläuft. In der Stufe 146 setzt das Programm eine elektromechanisehe Vorrichtung unter Spannung, um dadurch den Kraftstofffluß um eine Mengeneinheit (die proportional dem vorhandenen Wert N. ist),zu verringern. Vorzugsweise wird ein Schrittmotor zur Verringerung des Kraftstoffflußes von der Kraftstoffquelle zum Motor benutzt. In einem solchen Fall wird dann der Schaltmotor durch N. oder 64 Schritte betätigt. Wenn andererseits der Steuerfaktor Y von dem Programm eingestellt und mit der Maßnahme 144 überprüft worden wäre, dann würde der Schaltmotor, der zur Verkleinerung der zum Motor fließenden Kraftsto'ffmenge verwendet wird, durch nur 32 Schritte betätigt, da die Maßnahme 148 den gegenwärtigen Wert von N. halbiert.

Auf die Maßnahme 146 hin wird der Steuerfaktor X mit der Maßnahme 150 eingestellt, der Wert von EGT₁ wird mit der Maßnahme 152 bzw. in der Stufe 152 auf den Wert EGT übertragen, und die Programmsteuerung wird wieder zur Maßnahme 102 bzw. Stufe 102 (Fig. 2a) zurückgeführt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2b soll angenommen werden, daß der Motor unter seiner maximal zulässigen Reiseleistung bleibt und daß die Zylinderkopftemperatur

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ebenfalls unter ihrem maximal zulässigen Wert bleibt und daß die Maßnahmen 136 bis 152 kontinuierlich wiederholt werden, um auf diese Weise den Kraftstoffstrom zum Motor um den anfänglichen Kraftstoffströmungsanteil, aJso 24 Schritte des Schrittmotors, solange zu verringern, bis der gegenwärtige Wert der Abgastemperatur EGT, kleiner ist als der vorher bestimmte Wert für die Abgastemperatur EGT , der mit der Maßnahme bzw. in der Verfahrensstufe 142 bestimmt wird. Ein solcher Betriebszustand tritt auf, sobald die Verkleinerung des Kraftstofff1üßes,die mit der Maßnahme 146 bewirkt wird, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis bis auf einen Betrag unter 0,0620 (Fig. 1) abgemagert hat und damit bis auf die linke Seite der maximalen Abgastemperatur, wie in dem oberen Schaubild von Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall bewirkt die Maßnahme 142 den Weitergang der Steuerung oder Kontrolle zur Maßnahme 1-54, durch die bestimmt wird, welcher Kontrollfaktor X oder Y gegenwärtig durch das System eingestellt ist. Wenn der Kontrollfaktor X vorher in der Stufe 150 eingestellt gewesen ist, geht die Steuerung zur Maßnahme bzw. Stufe 156 über, wodurch der Wert von N. halbiert wird, und gelangt dann zur Maßnahme 158.

Mit der Maßnahme 158 wird der Kraftstoffstrom zum

N
Motor um i Schritte des Schrittmotors vergrößert.

Somit vergrößern die Maßnahmen 156 und 158 zusammengenommen den Kraftstoffstrom zum Motor um einen Anteil, der 1/4 der vorherigen Abnahme des Kraftstoff-

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Stroms zum Motor entspricht. Die Maßnahme 158 bewirkt aber auch eine Steigerung der Abgastemperatur in Richtung auf ihren im oberen Schaubild von Fig. 1 gezeigten Maximalwert.

Nach der Maßnahme oder Stufe 158 wird der Kontrollfaktor Y mit der Maßnahme 160 eingestellt, und die Iterationsschleife setzt sich von der Maßnahme 152 zur Maßnahme 136 fort.

Der gegenwärtige Wert der Abgastemperatur E6T< wird wieder durch die Maßnahmen 136 und 138 bestimmt und dieser Wert wird dann mit dem vorhergehenden Wert der Abgastemperatur EGT durch die Maßnahme bzw. in der Stufe 142 verglichen. Wenn angenommen wird, daß der Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge zum Motor die Abgastemperatur in der erwarteten Weise erhöht, dann durchläuft das System danach die Stufen 144, 148 und 146, um auf diese Weise die Kraftstoffdurchflußmenge zum Motor um den gegenwärtigen Wert von N--(neu eingestellt mit der Maßnahme 148) Schritten des Schrittmotors, und die Steuerschleife ständig wiederholt. Nimmt man jedoch an, daß der gegenwärtige Wert der Abgastemperatur EGT., wie er mit der Maßnahme 142 bestimmt wurde, unter dem vorher festgelegten Wert der Abgastemperatur EGT_Q liegt, dann geht die Systemsteuerung zum Schritt bzw. zur Maßnahme 154 und nicht zur Maßnahme 144 über. Ein solcher Zustand könnte für den Fall eintreten, daß der Anstieg der Kraftstofff 1 ußmertgebwz. -geschwindigkeit, der durch die vorherige Durchführung der Maßnahme 158 bewirkt wurde, so groß war, daß dadurch die Abgas-

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temperatur von der linken Seite der maximalen Abgastemperatur (Fig. 1) zur rechten Seite wandert. In diesem Fall führt, da der Kontrollfaktor Y eingestellt worden ist, die Maßnahme 154 zum direkten übergang der Steuerung auf die Maßnahme bzw. Stufe 146, wodurch die Kraftstoffströmungsmenge bzw. -geschwindigkeit zum Motor verringert wird, was wiederum zur Folge hat, daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis zur linken Seite der maximalen Abgastemperatur (Fig. 1) hin reduziert wird und damit in Richtung auf das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, das zur Erreichung der besten Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs notwendig ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2b ist festzustellen, daß beide Maßnahmen 146 und 148 bei ihrer Ausführung eine Senkung des Wertes von N. um die Hälfte bewirken. Wenn also N₁- anfänglich auf 64 eingestellt wird, so beträgt der Wert für N. 2, nachdem die Maßnahmen oder Schritte 156 und 158 zusammen sechsmal durchgeführt worden sind. In diesem Augenblick umgeht die Maßnahme 140 vollständig die Maßnahmen 146 und 158, so daß die Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit zum Motor auf dem gegenwärtigen Wert gehalten wird.

Der vollständige Iterationsprozeß für die hier beschriebene Kraftstoffabgabevorrichtung läßt sich anhand von Fig. 4 und der folgenden Tabelle, zuammenfassend erläutern.

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ITERATIONS (WIEDERHOLUNGS)-SCHLEIFENNUMMEr

	1	2	0	= X	3	4	5	6	42,24	7	8	4	Bremsenspezifischer Kraftstoffverbrauch	9	gehaltener Wert
	0,2763 752	0,2556 778	0,2365 813	0,2236 827	0,2180 813	0,2190 817		0,2180 813	0,2183 814	-4	Abgastemperatur	0,2180 813	0,2181 813
BSFC (kg/Bremslei- -Stungsstunde) EGT (⁰C)	0*	752	778	■813	827	813	817	813	-0,256		814	813
EGT₀ (⁰C)	ja	ja	ja	ja	nein	ja	nein	ja	X		nein	--
EGT₁ EGT₀ ?	X**	X	X	X	X	Y	X	Y	42,24	X	Y I
X oder Y ?	64	64	64	64	32	16	8		2	₂4s?
N₁	-64	-64	-64	-64	+16	-16	+4	+ 1
Kraftstoffflußschritt- änderung (+ oder -)	-4,0875	-4,0875	-4,0875	-4,0875	.+1,0219	-1,0219	+0,256	+0,065
Kraftstofff1ußänderung (kg/h)	X	X	X	X	Y	X	Y	Y
eingestellt X oder Y ?	54,5	50,4	46,33	42,24	43,26	42,49	42,30	42,30co
neuer Kraftstofffluß (kg/h)							CO
		BSFC =		NJ CO
* ursprünglicher Wert	X oder Y	EGT =		CO
** ursprünglicher Wert

In Fig. 4 stellt die Kurve A die Abgastemperatur dar, während die Kurve B den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch angibt. Der wirtschaftlichste Kraftstoffverbrauch für den Motor wird natürliche bei dem geringsten Wert für den spezifischen Kraftstoffverbrauch erhalten. Dazu kommt, daß die waagrechte Achse in Fig. 4 den Kraftstofffluß zum Motor in kg/Std. angibt. Die Iterationsschleifen sind aufeinanderfolgend mit 1 bis 9 sowohl im Schaubild von Fig. 4 als auch in der obigen Tabelle bezeichnet.Jede Iterationsschleife stellt natürlich einen Durchgang durch die Maßnahmen oder Schritte 136 bis 152 dar. Obgleich die Tabelle und das Schaubild von Fig. 4 keiner weiteren Erläuterung bedürfen, ist kurz festzustellen, daß die Kraftstoffflußmenge bzw. -geschwindigkeit, mit der der Kraftstoff dem Motor zuströmt, von den Iterationsschleifen 1 bis 4 im wesentlichen rechts von dem Punkt der maximalen Abgastemperatur liegt.

Die 'Iterationsschleifennummern 4 bis 9 sind durch eine abwechselnd ansteigende und abfallende Kraftstoffflußmenge zum Motor in sich verkleinernden Kraftstoffflußanteilen gekennzeichnet, so daß bei der Iterationsschleifennummer 9 die Abgastemperatur im wesentlichen mit dem Punkt des minimalen bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauchs auf einer Linie liegt und demnach die maximale Wirtschaftlichkeit für den Kraftstoffverbrauch erreicht ist. Dazu kommt, daß bei der Iterationsschleifennummer der Wert für N. auf 2 verkleinert worden ist und somit weitere Einstellungen der Kraftstoffflußmenge beendet.

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Unter Hinweis auf Fig. 2b ist festzustellen, daß für den Fall, daß die Zylinderkopftemperatur ihren maximal zulässigen Wert von 238° C für das gezeigte Beispiel übersteigt, die vorher beschriebenen Maßnahmen bzw. Schritte 136 bis 160 zur Optimierung des wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauchs unbeachtet bleiben und stattdessen die Maßnahme bzw. der Schritt 134 die Systemsteuerung zur Maßnahme bzw. zum Schritt 170 weiterführt, wodurch die Kraftstoffflußmenge zum Motor mittels N-Schritten des Schrittmotors vergrößert wird. Diese Vergrößerung der Kraftstoff!ußmenge zum Motor führt zu einer Verringerung der ZyIinderkopftemperatur und verhindert damit Schaden an dem Motor, die durch fortgesetzten Motorbetrieb bei einer zu hohen ZyIinderkopftemperatur verursacht werden können. Nach der Maßnahme 170 wird der Wert N,. auf den anfänglichen Wert N 64 in der Stufe 172 zurückgestellt, worauf dann die Systemsteuerung zur Maßnahme bzw. Stufe weitergeführt wird, wo der ganze vorher beschriebene Iter-ationsprozeß wiederholt wird.

Für den Fall, daß unter Bezugnahme auf Fig. 2b der Luftdruck in der Saugleitung den maximalen Schwellenwert übersteigt, wird er im vorher beschriebenen Iterationsprozeß zur Erreichung maximaler Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs ebenfalls außer acht gelassen und stattdessen die Systemkontrolle oder -steuerung durch die Maßnahme 132 zur Maßnahme bzw. Stufe 174 weitergeleitet. Ein Anstieg des Sauglei tungsl uftdrucks über seinen Schwellenwert hinaus ist ein Zeichen dafür, daß der Leistungsbedarf des Motors den Reise- oder Marschleistungsbedarf des Triebwerks übersteigt.

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Mit der Maßnahme 174 wird der Wert der Zylinderkopftemperatur mit ihrer maximal zulässigen Temperatur von 238° C verglichen. Wenn die Zylinderkopftemperatur diesen maximal zulässigen Wert übersteigt, werden aufeinanderfolgend die Maßnahmen 170 und 172 ausgeführt, wodurch die Kraftstoffzuflußmenge zum Motor erhöht und gleichzeitig die ZyIinderkopftemperatur gesenkt wird. Wenn umgekehrt die ZyIinderkopftemperatur unter ihrem maximal zulässigen Wert liegt, wird durch die Maßnahme bzw. Stufe 174 die Steuerung zur Maßnahme 176 weitergeleitet, wodurch der Kraftstofffluß zum Motor um N/2 Schritte des Schrittmotors gesenkt wird. Diese Schleife hält tatsächlich die Kraftstoff flußmenge zum Motor um N/2 Anteile des Sc.hrittmotors über der maximal zulässigen Zylinderkopftemperatur und damit an oder in der Nähe des Punktes der besten Motorleistung, wie dies durch die Linie 180 in Fig. 1 dargestellt ist.

Wie im obigen bereits beschrieben, entsprechen die elektromechanischen Komponenten, die zur Durchführung der KraftstoffSteuerfunktionen erforderlich sind, herkömmlicher Bauweise und werden deshalb weder dargestellt noch im einzelnen beschrieben. Es wird jedoch ein Schrittmotor zur Änderung der Kraftstoffflußmenge von der Kraftstoffquelle zum Motor verwendet. Die Kraftstofff1ußeinstellung , die durch Betätigen des Schrittmotors bewirkt wird, ist proportional der Anzahl der Schritte, für die der Motor in Gang gesetzt wird. Das elektromechanische System enthält jedoch eine Sicherheitsmagnetspule, so daß beim Ausfall der elektrischen Strom-

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zufuhr das Kraftstoffsteuersystem zum Normal betrieb bei einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis mit voller Anreicherung zurückkehrt.

Aus dem obigen ergibt sich, daß das hier beschriebene Kraftstoffflußsteuersystem eine neuartige Vorrichtung zur Maximierung bzw. Optimierung des wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauchs des Motors innerhalb gewünschter Betriebsgrenzen darstellt und dennoch die Möglichkeit bietet, die maximale Motorleistung zu erhalten, wenn die maximal zulässige Marsch- bzw. Reiseleistungsgrenze des Motors überschritten wird. Darüberhinaus ist das System auch deshalb neuartig, weil es keine Kenntnis des absoluten Wertes der Abgastemperatur oder des absoluten Wertes seiner maximalen Abgastemperatur erfordert, wenn der Bereich des wirtschaftlichsten Kraftstoffverbrauchs unterhalb der maximal zulässigen Marschleistungsgrenze des Motors erreicht werden soll. Somit ist das hier beschriebene System bzw. die hier beschriebene Vorrichtung weitgehend anwendbar für viele Betriebsarten und Motorgrößen. Dieses Kraftstoffsteuersystem ist ferner insofern vorteilhaft, als es relativ geringe Gesamtkosten dadurch erfordert, daß viele Steuersignale, so beispielsweise die Abgastemperatur und die ZyIinderkopftemperatur, normalerweise bei Flugkolbenmotoren zur Verfugung stehen und daß die Verwendung von teueren Kraftstoff- und Luftstrommeßwertwandlern zur Steuerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses vollständig vermieden wird.

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Claims

PATEf JTAN

WALTE 3 037323

TISCHER ■ KERN & BREH!

TISCHER ■ KERN & BREHM
Albert-Rosshaupier-Strasse 65 · D 8000 München 70

Representatives before the European Patent Office Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

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Tele-6763

H. TISCHER Dipl.-Ing. W. KERN Dipl.-Ing. H. P. BREHM Dipl.-Chem., Dr. phil. nat.

Albert-Rosshaupter-Strasse D 8000 München 70

Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 pats d Telegramme Kernpatent München

Datum
Date

27. August 1980

TELEDYNE INDUSTRIES, INCORPORATED

1901 Avenue of the Stars Los Angeles, California, U.S.A.

Kraftstoffsteuervorrichtung für Verbrennungsmotoren, insbesondere Otto-Motoren

Patentansprüche:

U.) Kraftstoffsteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (206) zum Abfühlen der Abgastempera-

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tür des Verbrennungsmotors, bei dem die Abgastemperatur von einem Maximum abfällt, wenn das dem Motor zuströmende Kraftstoffgemisch entweder angereichert oder abgemagert wird, ferner durch eine Einrichtung (200, 202, 204) zur Sicherste!1ung, daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis anfänglich reicher ist als das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, welches der maximalen Abgastemperatur entspricht, des weiteren durch eine Einrichtung zur wiederholten Verringerung der dem Motor zuströmenden Kraftstofff1ußmenge um vorbestimmte Kraftstoffflußanteile, bis die Abgastemperatur unter dem vorher festgelegten Temperaturwert liegt, so daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis kleiner ist als das der maximalen Abgastemperatur entsprechende Verhältnis, und durch eine Einrichtung zur nachfolgenden abwechselnden Verkleinerung und Vergrößerung der Kraftstofff1ußmenge bzw. -geschwindigkeit zum Motor in zunehmend kleineren Mengenanteilen, bis der Kraftstofff1ußmengenantei1 unter einem vorherbestimmten Wert liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (208) zum Abfühlen der ZyIinderkopftemperatur und durch eine Einrichtung zur Vergrößerung der Kraftstoffflußmenge zum Motor um einen bestimmten Betrag, sobald die Zylinderkopftemperatur einen bestimmten Temperaturwert übersteigt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abfühlen des Ansaugdruckes des Motors, eine Einrichtung zur Vergrößerung des Kraftstoffflußes zum Motor um einen be-

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stimmten Betrag, sobald der Ansaugdruck einen vorbestimmten Druckwert übersteigt und die Zylinderkopftemperatur den vorbestimmten Temperaturwert überschreitet, und durch eine Einrichtung zur Verkleinerung des Kraftstofff1ußes zum Motor um einen Bruchteil des vorbestimmten Betrages, sobald der Ansaugdruck den vorbestimmten Druckwert übersteigt und die ZyIinderkopftemperatur unter dem vorbestimmten Temperaturwert 1i egt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch g e kennzeichnet , daß die Einrichtung zur Vergrößerung der Kraftstofff1ußmenge zum Motor einen Schrittmotor (202) aufweist, der mit einer Kraftstoffsteuerventi1 vorrichtung (204) in Betriebsverbindung steht.
5. Verfahren zur Kraftstoffsteuerung für einen Verbrennungsmotor, mit einer Kraftstoffquelle und einer Einrichtung zur Kraftstoffzufuhr von der Quelle an den Motor bei veränderlichen Strömungsmengen bzw. -geschwindigkeiten, g e k e η η ζ e i c h η e t durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Einstellen eines anfänglichen Kraftstoffmengenantei1s ;

b) Einstellen eines Steuerfaktors auf einen ersten von zwei Werten;

c) Abtasten eines Motorparameters, der sich auf den spezifischen Brennstoffverbrauch des Motors bezieht und Erzeugen eines Aus-

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gangssignals, das die Größe dieses Parameters angibt;

d) Vergleichen der Größe des genannten Parameters mit der Größe des vorher abgetasteten

.Wer. te s des Rar a meters; ...-.,.,. _:.._. _:-,

e) falls die "Größe des;· einen Parameters are Größe des anderen -P-arametepS-· liifce-rs'tetg^, Verkleinerung der Kraftstoffflußmenge zum Motor um einen Anteil des Strömungsteils, wenn der Steuerfaktor auf seinen ersten? Wert eingestellt ist, und falls dieser Steuerfaktor auf seinen zweiten Wert eingestellt ist, erneutes Einstellen des.Kraftstoffteiles auf einen Bruchteil seines- gegenwa'p^tigen Wertes und Verkleinerung def kraftstofffiußmenge zum Motor um einen Bruchteil des Kraftstoffteiles sowie er'n'eutes EfriSte'llen <$es Steuerfaktors auf seinen ersten Wert;; <

f) falls die Größe des' anderen Parameters die Größe des ersten Parameters übersteigt, Verkleinern der Kraftstoffströmungsmenge zum Motor und erneutes Einstellen dW SteueVfaktors auf seinen ersten Wert, falls der Steuerfaktor auf seinen zweiten Wert eingestellt ist, und falls der Steuerfäk'tdr auf seinen

' "ersten Wert'eingestgllt is't^erndutes Einstellen des ,Kraftstofftei:ls,,ci,uf einen Bruch- - -, teil .seines gegenw^etiggn,,Weckes sowie Ver- -, -größern der Kraftstoff f. 1 ufipenge zum Motor um ..-einen Brucht^i.1: ;des,„Kra,fts.,t;Qffteiles und er-..., _T neute^. Ei.nstellen^d^s.^KoritEQlJfaktors auf seinen zweiten Wer|;j.,..,.,,.,

g) Wiederholen der Verfahrensschritte c) bis f), bis der Kraftstoffteil kleiner ist als eine vorbestimmte Menge.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Parameter die Abgastemperatur verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Motor ein Kolbenmotor verwendet wird, und daß die Zylinderkopftemperatur abgetastet wird, und daß die Kraftstoffflußmenge zum Motor um den genannten Kraftstoffteil vergrößert wird, sobald die Zylinderkopftemperatur einen vorbestimmten Wert übersteigt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffteil erneut auf. seinen Ausgangswert eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bestimmen des Ansaugluftdruckes;

b) Bestimmen der Zylinderkopftemperatur;

c) Vergrößern der Kraftstoffflußmenge zum Motor um den genannten Kraftstoffanteil , sobald der Ansaugdruck einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt und die Zylinderkopftemperatur einen vorbestimmten Wert überschrei tet;

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d) Verkleinern der Kraftstoffflußmenge zum Motor um einen Bruchteil des Kraftstoffteils, wenn der Ansaugdruck den genannten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet und die Zylinderkopftemperatur unter dem vorbestimmten Wert liegt;

d) Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis d).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Kraftstoffteil erneut auf seinen Ausgangswert eingestellt wird.

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