DE69020283T2

DE69020283T2 - Durchflussregelsystem.

Info

Publication number: DE69020283T2
Application number: DE69020283T
Authority: DE
Inventors: Stephen A Carter; Karl H Kozole; Bryan C Williamson
Original assignee: Ortech Corp
Current assignee: GFI Control Systems Inc
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: DE69020283D1; JP2680176B2; AU630510B2; JPH03260483A; AU6327490A; AU649902B2; CN1022140C; EP0420599B1; RU2079163C1; NZ235494A; EP0420599A3; BR9004900A; ATE124112T1; EP0420599A2; AR247449A1; AU3014492A; CN1052720A

Description

Die Erfindung betrifft das Regeln der Flußrate eines Fluids, und insbesondere das Regeln der Zufuhr von kompressiblen Fluidkraftstoffen für Verbrennungsmotoren.
Seit einiger Zeit sind Systeme verfügbar, um herkömmliche benzin- und dieselgetriebene Verbrennungsmotoren auf kompressible Fluidkraftstoffe umzurüsten, beispielsweise Erdgas und Propan. Durch die momentane Besteuerungspolitik besteht allgemein ein beträchtlicher Einzelhandelspreisvorteil, wenn man Propan oder Erdgas als Kraftstoff verwendet. Beispielsweise können Taxibetreiber oder Polizeikräfte die Zusatzkosten sehr rasch wieder hereinholen, die entstehen, wenn ein Fahrzeug für den Propan- oder Erdgasbetrieb ausgerüstet wird. Der Preis für Erdgas ist auch ohne vorteilhafte Steuerstrukturen allgemein geringer als der Benzin- und Dieselpreis, da Erdgas weniger Vorverarbeitung braucht, um in verkaufsfähige Form zu kommen. Herkömmliche flüssige Benzinkraftstoffe werden dagegen häufig durch "Cracken" und Verarbeiten anderer langkettiger Kohlenwasserstoffe hergestellt. Weiterhin kranken mit Erdgas betriebene Ottomotoren nicht an Kompressionszündungen oder "Klopfen" (außer bei sehr hohen Verdichtungsverhältnissen und Sauglufttemperaturen in großvolumigen Maschinen). Daher ist es unnötig, wie etwa bei Benzinen mit verschiedenen Oktanzahlen, Erdgas mit unterschiedlichen Eigenschaften bereitzustellen. Weiterhin ist es unnötig, klopffeste Additive bereitzustellen, beispielsweise die in einigen Benzinen verwendeten Bleiadditive. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, ein "sauberer" Kraftstoff, der beim Verbrennen wesentlich weniger Kohlendioxid erzeugt als herkömmlicher Benzin- oder Dieselkraftstoff.
Ungeachtet dieser Vorteile ist die Verwendung von Erdgas nur auf begrenzte Akzeptanz gestoßen. Dies mag zumindest teilweise an einer Anzahl von Einsatzbereichen liegen, in denen erdgasgetriebene Fahrzeuge verglichen mit üblichen benzingetriebenen Fahrzeugen ungünstig abschneiden. Die Technologie zum Verwenden von Erdgaskraftstoff in diesem Bereich ist nicht so gut entwickelt wie diejenige, die in herkömmlichen Benzinkraftstoffsystemen benutzt wird, und vorhandene Produkte sind im allgemeinen relativ teuer herzustellen, einzubauen und zu warten. Zudem führt das Umrüsten eines Benzinmotors auf Erdgasbetrieb normalerweise zu einem Abfall der Leistungsabgabe und einer entsprechenden Verminderung der Fahrzeugleistung.
Ein gewöhnliches Einspritzsystem für gasförmigen Kraftstoff enthält einen Lagertank für komprimierten Kraftstoff, einen Druckregler zum Senken des Kraftstoffdrucks vom relativ hohen Speicherdruck auf einen geringeren Arbeitsdruck, ein Dosierventil zum Regeln der Gaszufuhr zum Motor und einen Gas-Luft-Mischer am Motorsaugrohr. Einige Motormanagementsysteme können auch das Dosierventil regeln und einen passenden Motorbetrieb sicherstellen.
Die Druckregler bei vorhandenen Einspritzsystemen für gasförmige Kraftstoffe sind oft sperrig und somit nur schwer im häufig beschränkten Platz eines Fahrzeugmotorraums unterzubringen. Dementsprechend sind sie oft nur für den Gebrauch bei Motoren mit großen Motorräumen geeignet. Das Volumen der vorhandenen Regler ist zumindest teilweise auf die Anzahl der Bauteile zurückzuführen, die im Regler vorhanden sind: ein Kraftstoffilter in der Kraftstoffleitung, die vom Kraftstofflagertank kommt; mindestens zwei Regelventilstufen zum Reduzieren des Kraftstoffdrucks, wenn der Kraftstoff den Regler durchläuft; ein Entlastungsventil, das sich öffnet, falls das Regelventil ausfällt, um Kraftstoff mit hohem Druck daran zu hindern, daß er den Regler ungeprüft durchläuft; und einen Heizer zum Erwärmen des Reglers und zum Ausgleichen der Kühlwirkung des sich ausdehnenden Fluids im Regelventil.
Kraftstoffilter im Regler müssen robust aufgebaut sein, da sie hohen Drücken zu widerstehen haben (bei Erdgas bis zu 4000 p.s.i), wenn sie sich zusetzen. Ein Ausfall des Filters kann zu beträchtlichen Schäden am Regler und an anderen Bauteilen hinter dem Ventil führen.
Vorhandene Regelventile gestatten relativ geringe Flußraten und neigen zum Zusetzen; in einigen Fällen sind zweioder dreistufige Regler bereitzustellen, um den gewünschten Druckabfall und die Stabilität zu erreichen. Zudem führen höhere Flußraten durch das Regelventil leicht zu einem "Durchhängen" des Drucks, d. h., daß der Druckabfall am Ventil bei großen Flußraten proportional größer ist als der Druckabfall bei geringeren Flüssen, wodurch das Kalibrieren schwierig wird.
Prüfungen an Entlastungsventilen, die in vorhandenen Kraftstoffeinspritzsystemen bereitgestellt sind, haben gezeigt, daß die Ventile nicht besonders zuverlässig sind und sich nicht beim vorgesehenen Druck öffnen. Ferner wurden Zweifel an der Fähigkeit vorhandener Ventile geäußert, die Flußrate zu verkraften, die beim Ausfall des Regelventils festgestellt wurden. Sollte das Entlastungsventil an einem Regler ausfallen, so kann der Aufbau des internen Kraftstoffdrucks den Regler in explosiver Weise zerstören.
Die Regler werden normalerweise mit der Motorkühlflüssigkeit geheizt. Dies ist bei erdgasbetriebenen Fahrzeugen besonders wichtig, bei denen der im Regelventil erzeugte Druck- und Temperaturabfall zum Auftreten von Hydraten führen kann, einem Gitter aus Methan mit im Kraftstoff vorhandenem Wasser, das als "schwammiges" Eis auftritt und die meisten Regelventile blockiert.
Das Dosierventil regelt den Kraftstofffluß zwischen Regler und Motor. Es kann die Form einer Anzahl Injektoren annehmen, die betrieben werden, um einen gewünschten Kraftstoffluß bereitzustellen. Das Volumen des gasförmigen Kraftstoffs, der zum Versorgen eines Motors nötig ist, macht es normalerweise erforderlich, eine Anzahl Injektoren bereitzustellen, die in der Lage sein müssen, Kraftstoff mit den gewünschten Raten zwischen Leerlauf und Vollast zuzuführen. Dabei kann ein Bereich von 1:40 nötig sein.
Herkömmliche Einspritzsysteme verwenden allgemein "Einzel"-Kraftstoffeinspritzsysteme, bei denen mindestens ein elektromagnetisch betätigtes Einspritzventil für jeden Motorzylinder bereitgestellt ist. Verschiedene Maschinenbetriebsparameter werden über Sensoren gemessen. Das Motorsteuerungssystem berechnet aus den Eingangssignalen der Sensoren eine gewünschte Kraftstoffzufuhr, die beispielsweise zugemessen wird durch Betätigen der Injektoren in festgelegten Zeitintervallen oder durch Verändern des Kraftstoffdrucks, mit dem die Injektoren beaufschlagt werden.
In "Zentral"-Einspritzungen wird einem gemeinsamen Ansaugverteiler eine abgemessene Kraftstoffmasse zugeführt. Eine Form einer derartigen Kraftstoffeinspritzung, geeignet zum Gebrauch mit kompressiblen Kraftstoffen wie Methan und Propan, ist offenbart im U.S. Patent No. 4,487,187 von Petro mit dem Titel "Electronically Controlled Fluid Flow Regulating System". Das System ist mit einem Zumeßventil ausgestattet, das eine Anzahl paralleler Leitungen enthält. Jede Leitung enthält ein elektromagnetisches Ventil, das abhängig von Digitalsignalen aus einem elektronischen Digitalrechner betrieben wird. Die Größen der Ventilöffnungen und die relativen Flußraten durch die Ventile sind proportional zu aufeinanderfolgenden Potenzen von Zwei. Der Kraftstoff-Differenzdruck im System wird auf einem Wert gehalten, bei dem in den Öffnungen eine kritische oder gedrosselte Strömung erhalten bleibt.
Genauso wie bei anderen binären Ventilen dieser Bauart, beispielsweise dem im U.S. Patent No. RE 29,383 von Gallatin et al. beschriebenen, nimmt der Fluß durch das Ventil in kleinen Zuwachsschritten zu bzw. ab. Dabei nimmt die relative Schrittgröße zwischen dem kleinstmöglichen und dem größtmöglichem Fluß durch das Ventil ab, wenn die Ventilanzahl größer wird. Mehr Ventile vergrößern jedoch die Zumeßeinrichtung und machen sie teuerer.
Ferner weisen binäre Systeme, beispielsweise die in den Patenten von Petro und Gallatin et al. offengelegten, eine ganz besonders schlechte Flußauflösung bei niedrigen Flußraten auf, die im Motorbetrieb meist am kritischten sind. Fahrzeugmotoren arbeiten in einem breiten Dynamikbereich von Kraftstoffflüssen, üblicherweise etwa 35:1. Ein Kraftstoffversorgungssystem sollte in jedem beliebigen Punkt des Kraftstoffversorgungsbereichs den Kraftstofffluß auf 0,25% genau justieren können. Liegt beispielsweise ein 12-Bit Binärventil vor, das eine Flußrate von 4096 Standardkubikfuß pro Stunde (SCFH, SCFH = Standard Cubik Feet per Hour, 1 Standardkubikfuß = 28,32 Liter) hat, d. h. ein Binärventil mit zwölf Ventilen, deren Durchflußkapazität gemäß einer binären Folge ansteigt, so beträgt am untersten Punkt des- Dynamikbereichs der kleinstmögliche Zuwachs zum nächsten Flußpunkt 0,85% dieses Flußes. Solche Systeme wären also nicht in der Lage, den Kraftstofffluß innerhalb des gewünschten Bereichs (0,25%) zu regeln. Ein Motor, der mit dieser Art von binären Zumeßventilen ausgerüstet ist, würde unwirtschaftlich arbeiten und Schwierigkeiten haben, die vorgeschlagen Abgasvorschriften einzuhalten, die eine genaue Regelung der Kraftstoffzufuhr erfordern.
FR-A-2409545 offenbart ein System zum Zumessen des Flusses eines Fluids. In ihr ist insbesondere das Zumessen von Kraftstoff für eine Gasturbinen-Stromversorgungseinheit erwähnt. Im System nach FR-A-2409545 werden eine Anzahl einund ausschaltbarer Ventile verwendet, die zueinander parallel geschaltet sind. Gemäß dem benötigten Gesamtfluß sind alle Ventile bis auf eines geöffnet oder geschlossen, wobei jedes dieser Ventile ein Grundlastventil bildet, das im geöffneten Zustand einen Grundfluß bereitstellt. Das verbleibende Ventil ist ein zyklisch betriebenes Ventil, das einen Flußanteil bereitstellen kann, der in einem vorbestimmten Bereich stufenlos einstellbar ist und so geregelt wird, daß er den Flußanteil (wenn nötig) bereitstellt, um den Fluß der Grundlastventile auf den verlangten Gesamtwert anzuheben. Der Druckabfall an den Ventilen kann konstant gehalten werden. Die Grundlastventile können so angeordnet sein, daß ihre Grundlastanteile in binärem Verhältnis anwachsen. Das zyklisch betriebene Ventil kann pulsbreitenmoduliert gesteuert werden. Die Ventile können elektromagnetisch betätigt werden. Der Strom, der durch die Wicklung eines jeden Ventils fließt, ist zum Bereitstellen eines Rückkoppelsignals verwendbar, das den Schaltzustand des Ventils anzeigt. Es wird festgestellt, daß anstelle der elektrischen Rückkopplungen bzw. zusätzlich zu diesen hydraulische Rückkopplungen zum Überwachen des Ventilbetriebs verwendbar sind, und daß jedes Ventil mit einem Sensor versehen werden kann, der feststellt, ob im Ventil ein Fluß vorhanden ist oder nicht. Versagt ein Ventil oder fallen mehrere Ventile aus, so folgt ein Notbetrieb, in dem mindestens eines der Grundlastventile oder die verbleibenden Grundlastventile zyklisch betrieben werden, um den nötigen Fluß aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Regeln der Fluidmenge bereitgestellt, die in einem vorbestimmten Zeitraum in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine strömt, wobei das Fluid aus einem gemeinsamen Einlaß bei einem ersten Druck zu einem gemeinsamen Auslaß bei einem niedrigeren zweiten Druck strömt, umfassend:
(a) zumindest drei Fluid-Leitungsstränge, die eine Anzahl Flußkapazitäten haben, wobei die Stränge zwischen dem gemeinsamen Einlaß und dem gemeinsamen Auslaß parallel geschaltet sind, so daß der Gesamtfluß vom gemeinsamen Einlaß zum gemeinsamen Auslaß gleich der Summe der separaten Flüsse durch die einzelnen Leitungen ist;
(b) ein diesbetreffendes Fluidstrom-Regelventil, das in jeder Leitung angeordnet ist;
(c) Sensoren zum Messen derartiger Fluidparameter, so daß der Massenfluß des gemessenen Fluids durch die oder alle Regelventile, wenn offen, festgestellt werden kann;
(d) Regeleinrichtungen, die zum zielgerichteten Regeln des Öffnens und Schließens der Regelventile und zur Überwachung der Sensoren ausgelegt sind, um den Massenfluß durch das jeweilige Regelventil entsprechend den gemessenen Fluidparametern zu bestimmen, wobei der Gesamtfluidstrom, der aus dem gemeinsamen Auslaß herauskommt, eine Grundstromkomponente enthält, die eingerichtet wird von der Regeleinrichtung, die zumindest eines der Regelventile als bistabiles Regelventil betreibt, wobei das oder die ausgewählten bistabilen Regelventile geöffnet werden und ein kontinuierlicher vorbestimmter Fluß bereitgestellt wird; von der Regeleinrichtung, die die bistabilen Regelventile oder Kombinationen der bistabilen Regelventile öffnet und schließt, diskrete Stufenänderungen in der Grundstromkomponente bereitgestellt werden; und von der Regeleinrichtung, die weitere Regelventile als ein Impuls-Regelventil betreibt, das für einen Bruchteil des vorbestimmten Zeitraums - dies ist die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungsereignissen - geöffnet ist, die Fluidstromzunahmen zwischen den diskreten Stufen bereitgestellt werden, so daß über den Zeitraum ein gewünschter Durchschnittsfluß erfolgt;
wobei die Regeleinrichtung zumindest zwei der Regelventile als Puls-Regelventil betreibt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Fluidmenge bereitgestellt, die in einem vorbestimmten Zeitraum in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine strömt, wobei das Fluid zwischen einem gemeinsamen Einlaß bei einem ersten Druck und einem gemeinsamen Auslaß bei einem niedrigeren zweiten Druck strömt, und zwar durch eine Anzahl paralleler Fluidleitungsstränge, ausgelegt, um eine Anzahl Flußraten dort hindurch zur Verfügung zu stellen, und jeder Fluidleitungsstrang versehen ist mit einem Fluidfluß-Regelventil, umfassend:
Aufnehmen derartiger Parameter des Fluids, um eine Bestimmung des Fluid-Massenflusses durch die oder die jeweiligen Regelventile, wenn offen, zu ermöglichen;
zielgerichtetes Regeln entsprechend dem bestimmten Massenfluß des Öffnens und Schließens der Regelventile, um den Fluidfluß, der aus dem gemeinsamen Auslaß herauskommt, zu regeln, indem eine Grundflußkomponente bereitgestellt wird und zwar errichtet durch das Betreiben ausgewählter Regelventile als bistabile Regelventile und Öffnen der ausgewählten Regelventile, um einen kontinuierlich vorbestimmten Fluß bereitzustellen; und
Bereitstellen diskreter Stufenänderungen in der Grundflußkomponente durch Öffnen und Schließen von Kombinationen aus Regelventilen, die als bistabile Regelventile betrieben werden;
wobei zumindest zwei der Ventile als Pulsventile betrieben werden, die restlichen Ventile als bistabile Ventile betrieben werden und wobei das Verfahren weiter umfaßt:
Bereitstellen von Fluidflußinkrementen zwischen den diskreten Stufen durch Öffnen mindestens eines der Pulsventile für einen Bruchteil des vorbestimmten Zeitraums, der die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungsereignissen ist, um einen vorbestimmten Durchschnittsfluß über den vorbestimmten Zeitraum bereitzustellen.
Es werden nun beispielhaft diese und weitere Merkmale der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 das Blockdiagramm eines Fahrzeugmotors, der mit einem Kraftstoffzufuhrsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgerüstet ist;
Fig. 2 das Blockdiagramm eines Kraftstoffdruckreglers der Kraftstoffversorgung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Blockansicht des Controllers des Versorgungssystems nach Fig. 1;
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Kraftstoffzumeßventils des Kraftstoffzufuhrsystems nach Fig. 1;
Fig. 5a eine obere Draufsicht des Kraftstoffzumeßventils des Kraftstoffzufuhrsystems nach Fig. 1;
Fig. 5b einen Seitenaufriß des Kraftstoffzumeßventils;
Fig. 5c einen rückwärtigen Aufriß des Kraftstoffzumeßventils;
Fig. 5d eine veranschaulichende Ansicht der Oberseite der elektronischen Steuerplatine des Zumeßventils;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5a;
Fig. 7a eine obere Draufsicht des Ventilblocks des Kraftstoffzumeßventils, die die verborgenen Einzelheiten des Einlaßverteilers darstellt;
Fig. 7b eine obere Draufsicht des Ventilblocks des Kraftstoffzumeßventils, die die verborgenen Einzelheiten des Auslaßverteilers darstellt;
Fig. 7c eine obere Draufsicht des Ventilblocks des Kraftstoffzumeßventils, die die verborgenen Einzelheiten des Kühlverteilers darstellt;
Fig. 7d eine Schnittansicht entlang der Linie 7d-7d in Fig. 7a;
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Motorlufteinlaßes, die ein Beispiel für einen Gas-Luft-Mischer zum Gebrauch mit dem Kraftstoffzufuhrsystem nach Fig. 1 darstellt; und
Fig. 9 eine Schnittansicht eines Motorlufteinlaßes, die in Form einer Düse ein weiteres Beispiel für einen Gas-Luft- Mischer zum Gebrauch mit dem Kraftstoffzuruhrsystem nach Fig. 1 darstellt.
Es wird nun zuerst Bezug auf Fig. 1 der Zeichnungen genommen. Sie zeigt das Blockdiagramm des Systems einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In diesem System wird der Kraftstoff unter Druck in einem Kraftstofflagertank 10 gespeichert. Der Druck hängt von der Kraftstoffart ab; beispielsweise wird Erdgas normalerweise bei ungefähr 3000 psi gespeichert und Propan bei weniger als 312 psi. Der Druck hängt auch von der Kraftstoffmenge im Tank 10 und von der Kraftstofftemperatur ab.
Vom Lagertank 10 führt eine Kraftstoffleitung 12 zu einem Kraftstoffdruckregler 14, der den Druck des gespeicherten Kraftstoffs auf einen Druck senkt, der sich zum Zumessen eignet, und auch sicherstellt, daß sich der Kraftstoff beim Zumessen in der Gasphase befindet. Vom Regler 14 durchläuft der Kraftstoff eine Zumeßeinrichtung bzw. ein Zumeßventil 16, das einen Kraftstoff-Luft-Mischer 18 mit Kraftstoff versorgt. Der Mischer 18 ist in der Regel hinter dem Motoransaugstutzen 17 angeordnet. In ihm vermischt sich der Kraftstoff mit der Saugluft und wird in den Motor 19 gesaugt.
Das Dosierventil 16 liefert Kraftstoff gemäß dem Kraftstoffbedarf des Motors 19, der mit verschiedenen Sensoren 20 zum Erfassen der Motorbetriebsparameter bestimmt wird und mit verschiedenen weiteren Sensoren 22, die die Kraftstoffparameter und die Betriebsparameter des Dosierventils 16 erfassen. Die von den Sensoren 20 und 22 erhaltenen Werte werden in einen Systemregelcomputer 24 eingegeben, der so programmiert ist, daß er das Zumeßventil 16 gemäß dem Motorkraftstoffbedarf betreibt, so wie er durch Verarbeiten der Sensordaten bestimmt wird.
Der Kraftstofflagertank 10 und die Kraftstoffleitung 12 sind, wie oben erwähnt, in herkömmlicher Weise aufgebaut. Sie liefern Kraftstoff zum Druckregler 14.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Hauptkomponenten des Reglers 14 und den Weg des Kraftstoffs durch ihn hindurch darstellt (durch Pfeile 15 angezeigt). Die Kraftstoffleitung 12 ist mit einer herkömmlichen Einlaßbefestigung am Regler befestigt. Der Kraftstoff durchläuft dann ein Filter 26, um sämtliche Partikelsubstanzen aus dem Kraftstoff zu entfernen. Hinter dem Filter 26 befindet sich ein Hochdruck- Abschaltelektromagnet 28, der zum Absperren der Kraftstoffzufuhr verwendet wird, wenn der Motor ausgeschaltet wird.
Der Kraftstoffdruck hängt von der Kraftstoffmenge im Kraftstofflagertank 10 ab sowie von der Kraftstofftemperatur. Durch Messen der Kraftstofftemperatur und des Kraftstoffdrucks ist also die Kraftstoffmenge im Tank bestimmbar. Zu diesem Zweck ist im Regler hinter dem Abschaltelektromagnet 28 ein Hochdrucksensor 30 bereitgestellt. Ein Signal des Sensors 30 wird an den Systemcomputer 24 angelegt, der zum Verknüpfen des Druckwerts mit dem Wert des Temperatursensors (nicht dargestellt) programmiert ist, um den Kraftstoffpegel anzuzeigen.
Hinter dem Elektromagnet 28 durchläuft der Hochdruckkraftstoff ein einstellbares Druckregelventil 32, das so eingestellt ist, daß es den Druck des Kraftstoffs auf einen gewünschten Pegel senkt. Beispielsweise kann bei 3000 psi gespeichertes Erdgas auf einen Druck von 100 psi abgesenkt werden.
Durch die rasche Ausdehnung des Kraftstoffs entsteht ein entsprechender Abfall in der Kraftstofftemperatur. Insbesondere beim Gebrauch von gasförmigem Kraftstoff wünscht man, die Kraftstofftemperatur ziemlich nahe an der Umgebungstemperatur zu halten, damit er seinen Zustand beibehält und um seine Energiedichte größtmöglich zu machen. Bei Propan kann eine ausreichend niedrige Temperatur dazu führen, daß das Propan in die flüssige Phase zurückkehrt. Bei Erdgas können weniger drastische Temperaturabfälle zum Bilden von "Hydraten" führen, einer schwammigen, eisähnlichen Substanz, die sich bildet, wenn im Kraftstoff vorhandenes Wasser gefriert und mit Kraftstoffmolekülen ein Gitter bildet, das den Kraftstofffluß behindert und blockiert. Diese Abkühlung wird durch Heizen des Blocks beseitigt, in diesem Beispiel dadurch, daß Motorkühlflüssigkeit durch einen Durchgang im Reglerblock geführt wird.
Falls das Reglerventil 32 ausfällt, möglicherweise zusammen mit dem Elektromagneten 28, so könnte der hohe Druck&sub1; beispielsweise von gespeichertem Erdgas, den Regler explosiv zerstören. Um die diesbezügliche Wahrscheinlichkeit so klein wie möglich zu machen, ist hinter dem Regler 32 ein Druckentlastungsventil 36 bereitgestellt, um das Ablassen von Druck über einer vorbestimmten Grenze zu ermöglichen, bevor der Regler 14 und das Dosierventil 16 beschädigt werden.
Nach dem Regler 32 durchläuft der Kraftstoff, nun mit geeignetem Druck zum Zumessen, ein Rohr zum Dosierventil 16, das in Fig. 4 der Zeichnungen in Blockdiagrammform und ferner in Fig. 5 bis Fig. 7 der Zeichnungen erläutert ist. Es wird nun zunächst Bezug auf Fig. 4 genommen. Der geregelte Kraftstoff läuft vom Regler durch einen Einlaß 220, der ein Filter 221 enthält, in einen Einlaßverteiler 222. In diesem Beispiel ist der Verteiler mit acht bistabilen Kraftstoffinjektoren verbunden und führt zu einem Auslaß 233, der mit dem Kraftstoff-Luft-Mischer verbunden ist. In Fig. 4 sind diverse Sensoren und Regelschaltungen dargestellt. Sie werden im folgenden nach einer physikalischen Beschreibung des Zumeßventils und seiner verschiedenen Bauteile beschrieben.
Für jede Beschreibung gibt Fig. 5a eine obere Draufsicht des Zumeßventils an; Fig. 5b und 5c stellen eine Vorderansicht und eine Seitenansicht des Dosierventils dar. Wird der Ausdruck "längs" in Bezug auf den Ventilkörper verwendet, so bezeichnet er eine Richtung senkrecht zur Schnittlinie 6-6 in Fig. 5A. Der Ausdruck "quer" bezeichnet dagegen eine Richtung parallel zur Schnittlinie.
Der Kraftstoff läuft, wie mit Bezug auf Fig. 4 erwähnt, durch den Einlaß 220, der mit einem Filter versehen ist, in eine Haupteinlaßverzweigung 222. Diese ist mit acht bistabilen Kraftstofffluß-Regelventilen 224-231 verbunden, die unterschiedlich große Öffnungen haben. In einer gemeinsamen Ebene sind sechs "Starkfluß"-Injektoren 224-229 montiert, und zwei "Schwachfluß"- oder Pulsinjektoren 230 und 231 sind parallel zueinander und senkrecht zu den anderen Injektoren zwischen Montageständern befestigt. Eine gemeinsame Auslaßverzweigung 232 ist mit den Auslässen der Injektoren verbunden und führt zu einem Ventilauslaß 233 (Fig. 4).
Die Einlaßverzweigung ist so angeordnet, daß alle Injektoröffnungen im wesentlichen auf gleichem Staudruck arbeiten, und zwar unabhängig davon, welche Öffnungskombination durchströmt wird. Zudem ist die Auslaßverzweigung so angeordnet, daß alle Öffnungen mit einem Gegendruck arbeiten, der ausreichend gering ist und sicherstellt, daß jede Injektoröffnung im Schallbereich bleibt, und zwar unabhängig davon, welche Öffnungskombination durchströmt wird. In dieser Beschreibung wird der Begriff "Schall" dazu verwendet, anzuzeigen, daß in der Öffnung eine gedrosselte Strömung herrscht, bzw. daß die Druckdifferenz über der Öffnung so bemessen ist, daß Änderungen im nachfolgenden Druck die Flußrate durch die Öffnung nicht beeinflussen. Die Verzweigung wird zunächst mit Bezug auf Fig. 7a bis 7d der Zeichnungen beschrieben, wobei auf die Beschreibung der Einlaßverzweigung eine Beschreibung der Injektoranordnung nach Fig. 6 der Zeichnungen folgt; schließlich wird noch die Auslaßverzweigung beschrieben.
Fig. 7a bis 7b beschreiben den Dosierventilblock 17, wobei jede Abbildung einen unterschiedlichen Aspekt der Ventilkörperverzweigung erläutert. Zuerst wird Bezug auf Fig. 7a genommen, die die Einlaßverzweigung darstellt.
Der Einlaß 220 ist in einer Endfläche des Ventilkörpers angeordnet. Bereitgestellt ist ein Anschlußstück 304 (Fig. 5a), das einen Schlauchanschlußabschnitt 306 enthält, geeignet zum Anschluß an den Verbindungsschlauch (nicht dargestellt), der vom Regler wegführt. Der untere Abschnitt des Anschlußstücks 304 greift in einen Bund 308 ein, der vom Ventilkörper vorsteht und nimmt ein Filter auf (nicht dargestellt). Vom Bund 308 weg in den Ventilkörper hinein verläuft eine zylindrische Bohrung 310 in Längsrichtung, die zwei parallele, in Längsrichtung verlaufende Bohrungen 312 und 314 schneidet, die vom anderen Ende des Ventilkörpers ausgehen. Diese Bohrungen 312 und 314 schneiden die stehenden Bohrungen, die zum Aufnehmen der sechs Starkfluß-Injektoren 224-229 bereitgestellt sind. Eine Querbohrung 316 schneidet die Einlaßbohrung 310, um die Schwachfluß-Injektoren 230 und 231 mit Kraftstoff zu versorgen. Die Querbohrung 316 ist mit einer aufrechten Einlaßbohrung verbunden, die an die Injektoreinlässe am oberen Ende der Injektoren 230 und 231 im Montageträger 300 angeschlossen ist.
Bei den Schwachfluß-Injektoren ist es auch möglich, die Einlaßbohrung zu verlängern, um Fallen zum Sammeln von Kraftstoffverunreinigungen bereitzustellen. Dies ist besonders nützlich beim Gebrauch in der Propanzumessung, da Propan häufig ölige bzw. pulverige Rückstände enthält, die sonst die Öffnungen verstopfen könnten.
Die Abbildungen und die Einlaßverzweigungsanordnung zeigen, daß bei den Schwachfluß- und bei den Starkfluß-Injektoren das Gas an unterschiedlichen Orten zugeführt wird, nämlich von unten bei den Starkfluß-Injektoren und von oben bei den Schwachfluß-Injektoren. Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht durch einen Abschnitt des Zumeßventils und erläutert Einzelheiten bei zwei Starkfluß-Injektoren (die Befestigungen für die Schwachfluß-Injektoren sind nicht dargestellt). Der rechts in Fig. 6 erläuterte Injektor 224 ist geschlossen dargestellt, und der links in der Abbildung gezeigte Injektor 225 ist in offener Stellung abgebildet. Er stellt einen Flußpfad 234 für das Fluid von der Einlaßverzweigung 222 oder Bohrung 314 durch die Injektoröffnung 236 zur Auslaßverzweigung 233 (Fig. 4) bereit. Die Öffnung 236 ist in einem nichtmagnetischen Einsatz 238 ausgebildet, der in eine größere Öffnung 240 im Körper des Dosierventils eingepaßt ist, oder wahlweise als festes Teil eines Einheitsinjektors. Stellt man jedoch einzelne Einsätze bereit, so kann jeder Injektor aus Normteilen aufgebaut werden, die sich nur durch den Einsatz unterscheiden oder insbesondere durch die Größe der Öffnung im Einsatz.
Der Einsatz 238 enthält einen im wesentlichen zylindrischen oberen Abschnitt 242 mit einem am Unterteil ausgebildeten Flansch 243, der für eine Schlichtpassung in der Öffnung 240 bemessen ist und in eine Innenstufe der Öffnung eingreift. Die Öffnung 236 befindet sich in der Mitte des oberen Abschnitts 242, umgeben von einer erhöhten Lippe 244, die über der ebenen oberen Fläche des Abschnitt 242 verläuft.
Direkt unter dem Flansch 243 befindet sich ein Abschnitt 246, dessen Durchmesser geringfügig kleiner ist als die Öffnung 240. Unter diesem Abschnitt ist ein Abschnitt 248, dessen Durchmesser im wesentlichen der Öffnung 240 entspricht, und der einen ringförmigen Raum 250 zwischen dem Einsatz und der Wand der Öffnung erzeugt. Im Raum 250 befindet sich ein elastischer O-Ring 252.
Die Öffnung verläuft durch den Einsatz und ist bevorzugt zuerst zusammen- und dann auseinanderlaufend und weist einen kurzen zylindrischen Abschnitt 258 sowie einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 260 auf, der sich in die Auslaßverzweigung öffnet. Mit einer Öffnung dieser Form beträgt der Druckunterschied zum Erzeugen einer Schallströmung durch die Öffnung lediglich 15%; bei einer scharfkantigen Öffnung kann der Druckunterschied dagegen bis zu 53% betragen.
Um beim Öffnen des Injektors einen sofort verfügbaren Kraftstoffvorrat bereitzustellen, ist der obere Abschnitt 242 des Einsatzes in einer Kammer 262 angeordnet, die im Ventilkörper ausgebildet ist, die Öffnung umgibt und einen Raum bereitstellt, den eine der Bohrungen 312, 314 schneidet. Der obere Abschnitt jeder Kammer nimmt den unteren Abschnitt eines magnetischen Injektorkolbens 264 auf, der zum Öffnen und Schließen der Öffnung bewegbar ist. Die untere Endfläche 266 des Kolbens ist mit einer elastischen Scheibendichtung 268 versehen, um mit der vorstehenden Lippe 244 des Einsatzes eine Dichtung zu bilden, wenn der Injektor geschlossen ist. Wahlweise ist Metall oder eine Metalldichtung verwendbar. Ein nichtmagnetisches Injektor-Kernrohr 284 nimmt den Kolben 264 gleitend auf, wobei das Rohr einen Sitz 286 hat, der in einem vergrößerten Abschnitt 288 der Kammer 262 sitzt, und der Sitzabschnitt 286 selbst eine obere Wand des kraftstoffaufnehmenden Teils der Kammer 262 bildet. Der Sitzabschnitt 286 ist im wesentlichen ringförmig und umfaßt am Umfang eine Nut 290 mit einem abgeschrägten Unterteil, um zwischen dem Sitzabschnitt 286 und dem Ventilkörper einen Raum bereitzustellen, der einen elastischen O-Ring 292 aufnehmen kann. Auf dem Kolben 264 ist eine Druckfeder 285 montiert, die sich gegen das Kernrohr abstützt und eine Kraft erzeugt, die bewirkt, daß der Kolben gegen die Öffnung abdichtet.
Der obere Abschnitt des Kernrohrs paßt in ein Magnetspulengehäuse 294, das zum Aufnehmen der Injektorspule eingerichtet ist. Das Gehäuse ist an einer oberen Fläche des Kernrohrsitzteils und des Ventilkörpers montiert.
Bei den Schwachfluß-Injektoren in diesem Beispiel für ein Dosierventil wird, wie oben genannt, Fluß von oben verwendet. Sie sind nichts anderes als herkömmliche Kraftstoff- Injektoren, beispielsweise vom Typ Lucas FJ12.
Unter den Starkfluß-Injektoren befinden sich Längsbohrungen 320 und 321, die den Kraftstoff aufnehmen, nachdem er die Injektoren durchlaufen hat. Drei der Injektoren sind mit einer Hauptauslaßbohrung 320 verbunden (siehe Fig. 7b). Die anderen drei sind dagegen mit einer Bohrung 321 mit kleinerem Durchmesser verbunden, die über eine Querbohrung 322 an die Hauptauslaßbohrung 320 angeschlossen ist (Fig. 7b). Die Querbohrung 322 schneidet auch die Auslässe der Schwachfluß-Injektoren im Träger 302. Die Hauptauslaßbohrung 320 verläuft bis zum Ende des Ventilkörpers und nimmt ein Auslaßanschlußstück 334 auf, das einen Schlauchanschluß 326 enthält (siehe Fig. 5c).
Um die Herstellung zu erleichtern, wird der Ventilkörper durch Ausbohren eines Vollblocks geformt. Die verschiedenen Bohrungen werden in den Block gebohrt und die offenen Enden der Bohrlöcher werden mit Stopfen verschlossen.
Das besondere erläuterte Ventil ist zum Gebrauch beim Zumessen sowohl von Erdgas als auch von Propan gedacht, obwohl bei einer reinen Propananpassung das Ventil wahrscheinlich mit mehr Injektoren ausgestattet würde und die Injektoren mit Einsatzöffnungen versehen würden, die größere Öffnungsflächen hätten (Propan hat einen geringeren Druck und daher ein größeres Volumen). Wie oben besprochen ist es erwünscht, den Kraftstoff sowohl bei Erdgas- als auch bei Propananwendungen vor einer so starken Abkühlung zu bewahren, daß sich Hydrate im Kraftstoff bilden oder daß er in den flüssigen Zustand zurückkehrt. Um dies möglichst unwahrscheinlich zu machen, ist der Ventilkörper mit einem Durchgang 450 versehen (Fig. 7c), in dem ein Heizfluid fließt. Normalerweise ist dies ähnlich wie beim Regler die Motorkühlflüssigkeit. Der Durchgang verläuft um die sechs Starkfluß-Injektorbohrungen herum. Der Durchgang beginnt bei einem Einlaß 452 (Fig. 7c), der mit einem geeigneten Einlaßanschlußstück versehen ist. Das Anschlußstück wird in einer kurzen zylindrischen Längsbohrung aufgenommen, die eine aufrechte Bohrung 454 schneidet, die zu einer Elektromagnetkammer 456 führt.
Am Ende des Ventilkörpers ist ein Elektromagnet 458 (Fig. 5c) montiert. Er wird betrieben, um die Fluidströmung durch den Durchgangsweg zu steuern, den die drei sich schneidenden Bohrungen 460, 462 und 464 bilden.
Der untere Abschnitt des Blocks ist mit einer Aussparung 466 (Fig. 7d) versehen, die verschiedene Sensoren und die Leistungstransistorschaltung aufnimmt, die zum Betätigen der Injektoren nötig ist. Im Ventilkörper sind drei Drucksensoren bereitgestellt:
ein Auslaßdrucksensor 340 (Fig. 5d und 7b), der den Kraftstoffdruck nach den Injektoren mißt, und zwar mit Hilfe einer angeschlossenen Querbohrung, die die Hauptauslaßbohrung 320 schneidet und mit dem Sensor 340 verbunden ist, der durch eine aufrechte Bohrung befestigt ist, die von der Aussparung abgeht;
ein Einlaß- oder Regeldrucksensor 334 (Fig. 5d, 7a und 7b), der sich in einer aufrechten Bohrung 338 befindet, die an eine Querbohrung 336 angeschlossen ist, die eine Einlaßbohrung 312 schneidet (Fig. 7d); und
ein Absolutdrucksensor 343 in der Einlaßverzweigung (MAP, MAP = Manifold Absolute Pressure), der den Druck in der Motorsaugrohrverzweigung über einen Unterdruckschlauch mißt.
Zeichnet man den Druck auf, den der Auslaßdrucksensor vor dem Anlassen des Motors mißt, so kann man auch einen Wert für den Luftdruck gewinnen. Es kann auch ein geregelter Kraftstofftemperatursensor bereitgestellt werden (Fig. 4).
In Fig. 7d ist am deutlichsten zu sehen, daß die Querbohrung 336 des Einlaßdrucksensors die Einlaßbohrung 312 nur "streift", und daß die verbindende Öffnung zwischen den Bohrungen in einer oberen Wand der Bohrung 312 angebracht ist. Man beabsichtigt damit, jeglichen Schmutz oder irgendwelche Verunreinigungen im Kraftstoff vom Eintritt in die Drucksensorverzweigung so weit wie möglich abzuhalten. Die Auslaßdrucksensorverzweigung ist ähnlich aufgebaut.
Zum Messen der Kraftstofftemperatur in der Auslaßbohrung der Schwachfluß-Injektoren kann auch ein Temperatursensor vorgesehen sein.
Die Sensoren sind an eine elektronische Regelplatine 344 (Fig. 6) für das Dosierventil angeschlossen. Die Platine trägt die Leistungstransistoren, die die Injektoren betreiben. Bei Betrieb der Injektoren erzeugt die Schaltung Wärme, die der Ventilkörper abführt. Fig. 4 enthält eine Darstellung der verschiedenen Sensoren und der zugehörigen Schaltung. Ein äußerer Verbinder 346 (Fig. 5d) ist an einem Ende der Platine 344 bereitgestellt und verläuft durch eine Öffnung 348 in der Wand 350 der Aussparung.
Das offene Ende der Aussparung kann mit einem rechteckigen Deckel 352 abgedeckt werden, der mit Befestigungsschrauben am Ventilkörper befestigt ist.
Der Systemsteuercomputer betätigt, wie oben erwähnt, die Injektoren ausgewählt, um einen gewünschten Kraftstofffluß zum Motor bereitzustellen. Das Regelsystem enthält Sensoren, um verschiedene Motorparameter und Kraftstoffzustände zu erfassen und so den Kraftstoffbedarf des Motors zu bestimmen. Verschiedene andere Betriebsparameter des Systems und der Motornebenaggregate werden ebenfalls erfaßt und dazu verwendet, das Zumeßventil exakt zu regeln und so den Motor präzise mit Kraftstoff zu versorgen. Im folgenden wird das Steuersystem mit den verschiedenen zugehörigen Sensoren beschrieben.
Eine Änderung im Kraftstofffluß erreicht man durch Öffnen von ausgewählten Starkfluß-Injektoren, um eine Grundflußkomponente bereitzustellen, und bevorzugt auch durch Öffnen von mindestens einigen Schwachfluß-Injektoren in vorbestimmten Zeitintervallen oder durch "Pulsen" der Schwachfluß-Injektoren.
Die Öffnungsabmessungen der Injektoren sind ausgewählt, um eine geeignete Reihe von Strömungsflächen bereitzustellen, die so bedient werden können, daß sie in einem breiten Dynamikbereich, üblicherweise 1:40 oder 1:35, eine genaue Kraftstoffversorgung bereitstellen. Die Öffnungsgröße oder genauer ausgedrückt die unterschiedlichen Kraftstoff- Massenströme durch jede Injektoröffnung erfordern eine genaue Auswahl, um die Anzahl der erforderlichen Injektoren so klein wie möglich zu machen und die Anzahl der Injektorabschaltungen zu vermindern.
Der Schallmassenfluß durch eine Öffnung bestimmt sich zu: tatsächlich
dabei bedeutet
C = Fläche der Öffnung
P = absoluter Versorgungsstaudruck
g = Dimensionskonstante
k = spezifisches Wärmeverhältnis des Fluids (temperaturabhängig)
T = Stautemperatur des Gases direkt vor der Öffnung
R = Spezifische Gaskonstante.
C, A und g sind für jede Öffnung konstant. Die gemeinsame Wirkung von A und C wird durch Prüfen jeder einzelnen Öffnung beim Zusammenbau des Zumeßventils bestimmt. Dagegen werden P und T mit Sensoren bestimmt, um die tatsächliche Flußrate für jede Öffnung bereitzustellen. R und k werden für bekannte Gase angenommen oder aus Sensordaten genauer geschätzt. Zur Vereinfachung bezieht sich die folgende Beschreibung der Öffnungs-Flußratenreihen auf die Bedingungen konstante Temperatur und konstanter Druck.
Jede Zumeßöffnung M&sub0;, M&sub1;, M&sub2;, M&sub3; und M&sub4; stellt einen entsprechenden Gasfluß Q&sub0;, Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3; und Q&sub4; bereit.
In einer idealen Reihe sind die Öffnungsflächen so gewählt, daß der Massenfluß der folgenden Reihe genügt.
Q&sub0; = 2 Q&sub0; = 1 x Q&sub0;
Q&sub1; = 2 Q&sub0; = 1 x Q&sub0;
Q&sub2; = 2¹Q&sub0; = 2 x Q&sub0;
Q&sub3; = 2²Q&sub0; = 4 x Q&sub0;
Qn-1 = 2n-2Q&sub0;
Qn = 2n-1Q&sub0;
Man beachte: In einem nichtidealen Ventil würden die Massenflüsse der ersten beiden Einheiten (Q&sub0; und Q&sub1;) jeweils eine Flußrate etwas über 1 x Q&sub0; (ideal) benötigen.
In dieser Reihe ist zu beachten, daß sich die Flußraten, mit Ausnahme der beiden ersten, rein binär ändern.
In einer weiteren idealen Reihe sind die Öffnungsgrößen so gewählt, daß der Massenfluß der folgenden Reihe genügt:
Q&sub0; = 2&sup0;Q&sub0; = 1 x Q&sub0;
Q&sub1; = 2&sup0;Q&sub0; = 1 x Q&sub0;
Q&sub2; = 2¹Q&sub0; = 2 x Q&sub0;
Q&sub3; = 2²Q&sub0; = 4 x Q&sub0;
Qn-1 = 2n-2Q&sub0;
Qn = 2n-2Q&sub0;
Man beachte: In einem nichtidealen Ventil würden die Massenflüsse der ersten beiden Einheiten (Q&sub0; und Q&sub1;) jeweils eine Flußrate etwas über 1 x Q&sub0; (ideal) benötigen.
Es ist zu beachten, daß sich die Flußraten, mit Ausnahme der beiden ersten und der letzten Flußrate, die gleich der vorletzten Flußrate ist, rein binär ändern.
In der bevorzugten idealen Reihe sind die Öffnungsgrößen so gewählt, daß der Massenfluß der folgenden Reihe genügt:
Q&sub0; = 2&sup0;Q&sub0; = 1 x Q&sub0;
Q&sub1; = 2&sup0;Q&sub0; = 1 x Q&sub0;
Q&sub2; = 2¹Q&sub0; = 2 x Q&sub0;
Q&sub3; = 2²Q&sub0; = 4 x Q&sub0;
Qn-3 = 2n-2Q&sub0;
Qn-2 = 2n-3Q&sub0;
Qn-1 = (Qn-3)+(Qn-2) = 2n-4Q&sub0;+2n-3Q&sub0; = (2n-4+2n-3)Q&sub0;
Qn = (Qn-3)+(Qn12) = 2n-4Q&sub0;+2n-3Q&sub0; = (2n-4+2n-3)Q&sub0;
Man beachte: In einem nichtidealen Ventil würden die Massenflüsse der ersten beiden Einheiten (Q&sub0; und Q&sub1;) jeweils eine Flußrate etwas über 1 x Q&sub0; (ideal) benötigen.
Es ist zu beachten, daß sich die Flußraten, mit Ausnahme der beiden ersten und der zwei letzten Flußraten, die gleich sind, und ebenso der Summe der drittletzten und der viertletzten Flußraten, rein binär ändern.
Da die Reihen abgesehen von den letzten beiden Öffnungsflußraten ähnlich sind, wird auf jede über die beiden letzten Fluß-"Einheiten" Bezug genommen, d. h. die letzten beiden Einheiten sind rein binär (LNB), die letzten beiden Einheiten haben gleichen Ausstoß (L2E) und die letzten beiden Einheiten sind gleich der Summe der vorhergehenden zwei Einheiten (L2S).
Es folgt eine Tabelle mit der idealen und mit der ausgeführten Anordnung sowie den tatsächlichen Flußraten für die Öffnungen, die solchen Reihe folgen, um einen größtmöglichen Fluß von 3000 Standard Kubikfuß pro Stunde (SCFH) bereitzustellen. Nummer des Injektors Insgesamt
In bevorzugten Systemen übersteigt der Gesamtfluß aus den ersten beiden Injektoren den Fluß aus dem dritten Injektor, wie oben bei "Beachte" erwähnt. Diese Anordnung wird aus zwei Gründen bevorzugt: wird der Injektor "gepulst", um eine fortlaufend veränderbare Ausgangsflußrate bereitzustellen, so ist nur ein Bruchteil der stationären Flußkapazität des Injektors verwendbar, so daß eine gewisse "Reservekapazität" nötig ist; ist eine Reserve an "Überschußfluß" vorhanden, so kann sie zum Ausgleichen sowohl der transienten als auch der stationären Flußfehler aller anderen Injektoren benutzt werden.
Verwendet man nur einen Bruchteil der stationären Fluß rate eines Injektors, so muß der Injektor beim Pulsen in jedem Zumeßzyklus einmal geschlossen werden. Ein übliches (empirisch gestütztes) gepulstes Injektorflußmodell kann wie folgt ausgedrückt werden.
wobei gilt:
Q[T] = Flußrate des gepulsten Injektors
Qs = Stationäre Flußrate des Injektors
Tein = Dauer des Injektor-Einschaltzeit- Steuersignals
Toffen = Zeit bis der Injektor öffnet
Tzu = Zeit bis der Injektor schließt
Tein + Taus = Zeit zwischen zwei Zündfunken
Ein üblicher Injektor kann beispielsweise 1200 µs zum Öffnen und 900 µs zum Schließen benötigen. Läuft der Zumeßzyklus auf einem Sechszylindermotor, der sich mit 5200 Umdrehungen pro Minute dreht, so würde ein Zyklus 3846 µs dauern (nämlich die Zeit zwischen zwei Zündfunken).
Für einen solchen Injektor wäre die Mindest-Nenn-Pulseinschaltdauer Tein = Toffen, und die größtmögliche Nenn-Pulseinschaltdauer wäre Tein = Tein + Taus - Tzu. Unter diesen Bedingungen sagt ein plausibles Injektorflußmodell eine verwendbare Mindestflußrate des gepulsten Injektors voraus, der 900/3846 (oder 23,4%) seiner stationären Flußrate beträgt. Ebenso wäre die vorhergesagte größtmögliche Flußrate des gepulsten Injektors (3846 - 1200)/3846 (oder 68,8%) seiner stationären Flußrate.
Im folgenden Abschnitt wird eine Reihe von Injektor- Wahrheitstabellen bereitgestellt, die Beispiele erläutern, wie man mit verschiedenen Ventilentwürfen einen Bereich von Kraftstoffflüssen erzielt. In jedem Fall ist ein Flußratenbereich für die Injektoren angegeben, die für die Zeitdauer gepulst werden (einmal pro Verbrennungsvorgang), die zum Bereitstellen der verlangten Durchschnittsflußrate erforderlich ist. Es werden Beispiele angegeben, bei denen die ersten zwei oder drei Injektoren gepulst werden. In allen Fällen ist die Summe der stationären Flüsse der gepulsten Injektoren größer als der Durchsatz des nächsten Injektors. Insbesondere wird dem ersten Injektor nie gestattet, seinen vollen stationären Durchsatz abzugeben, und zwar aus den oben genannten Gründen. Dabei waren bei 5200 U/min nur 68,8% des stationären Flußes verfügbar. Alle anderen gepulsten Injektoren können jedoch, wenn nötig, allein dadurch bei 100% ihres Durchsatzes betrieben werden, daß man sie die ganze Zeit eingeschaltet läßt.
Die erste Wahrheitstabelle enthält eine Spalte, die mit "Überlappung" bezeichnet ist. Sie gibt die Flußänderung in besonderen Zeilen an, die man erhalten kann, wenn man die gleiche Injektor- oder Werteanordnung beibehält und die Pulsbreite oder Öffnungszeit des ersten Injektors ändert. GES.-FLUß AUSSTOSS - % von 100 LEITUNG Nr. ÜBERLAPP Keiner der Injektoren INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: L2S-AUFBAU, 8 INJEKTOREN, DAVON 3 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR. INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: L2S-AUFBAU, 8 INJEKTOREN, DAVON 3 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR. INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: L2S-AUFBAU, 7 INJEKTOREN, DAVON 2 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR. INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: L2S-AUFBAU, 8 INJEKTOREN, DAVON 2 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR. INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: L2S-AUFBAU, 8 INJEKTOREN, DAVON 2 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR. INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: L2E-AUFBAU, 7 INJEKTOREN, DAVON 2 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR. INJEKTOR-WAHRHEITSTABELLE: LNB-AUFBAU, 7 INJEKTOREN, DAVON 2 GEPULST GESAMTFLUSS (SCFH) AUSGANGSFLUSS, DER VON JEDEM INJEKTOR VERWENDET WIRD LEITUNG NR.
Um den Kraftstofffluß genau zu regeln, ist es nötig, die in Gleichung (1) enthaltenen Variablen zu kennen, damit man den Kraftstoffmassenfluß durch jede Öffnung des Zumeßventils berechnen kann und um die Antwortzeiten der einzelnen Injektoren auf "Auf-" und "Zu-Signale" vorhersagen zu können sowie die Kraftstoffmenge, die beim Wechsel des Injektorzustands durch jede Öffnung fließt. Diese transienten Flußraten werden von der Betriebsspannung der Injektorspule, der Kraftstofftemperatur und dem Kraftstoffdruck beeinflußt. Die Betriebsspannung, die Kraftstofftemperatur und den Kraftstoffdruck erhält man leicht durch den Gebrauch passender Sensoren. Die Temperatur der Injektorspule kann dagegen der Steuerrechner näherungsweise bestimmen aus der Kraftstofftemperatur, der Umgebungstemperatur des Ventils, der Injektoreinschaltdauer, der Massenflußrate durch das Ventil und der Nenntemperaturanstiegseigenschaft und der Wärmeübertragungseigenschaft der Injektoren.
Diese Information gestattet es, den Kraftstofffluß während der transienten Periode vorherzusagen, so daß die Injektoren in den richtigen Zeitpunkten und für die richtigen Zeiträume geöffnet und geschlossen werden.
Das Regelsystem enthält Sensoren 22a zum Feststellen der Batteriespannung des Fahrzeugs (normalerweise zwischen 6 und 24 Volt), da die Antwortzeit des Injektors von der Spannung abhängt, die die Spule erregt. Das Regelsystem hält den Erregerstrom auf beispielsweise 2 Ampere, die zum schnellen Öffnen der Injektoren nötig sind und wegen der niedrigen Spulenimpedanz sicherstellen, daß der Injektor auch dann öffnet, wenn die Fahrzeugbatterie eine ungewöhnlich niedrige Spannung aufweist. Hat der Injektor jedoch geöffnet, so wird der Erregerstrom auf 0,5 Ampere vermindert. Durch diese als Strom-Foldback bekannte Eigenschaft wird in diesem Beispiel die von der erregten Spule erzeugte Wärme so gering wie möglich gehalten. Die Lebensdauer der Spule verlängert sich und das System verbraucht weniger Energie. Das wichtigste ist jedoch, daß sich die Zeit verkürzt, die das Magnetfeld in der Spule zum Zusammenbrechen braucht, wodurch die Injektorschließdauer minimal wird.
Obwohl die Injektoren und Öffnungen für bestimmte Öffnungsflächen und folglich bestimmte Flußraten hergestellt werden, gibt es immer noch kleine Fertigungstoleranzen bei den Öffnungsflächen und somit bei den vorhergesagten Flußraten, wenn man sie mit dem "idealen" Zumeßventil vergleicht. Um Kraftstoffversorgungsfehler so klein wie möglich zu halten und einen ungleichmäßigen Kraftstofffluß zu vermeiden, wird jeder Injektor, wie oben erwähnt, geprüft, so daß die Eigenschaften jedes einzelnen Injektors bekannt sind und in die Systemregelung eingebracht werden können. Die Prüfinformation kann in Form eines Barcodes bereitgestellt werden, der am Injektor oder am Zumeßventil angebracht ist. Dieser Barcode kann dann gelesen werden, wenn das System in ein Fahrzeug eingebaut wird.
Es folgt eine Flußdarstellung für ein beispielhaftes Zumeßventil L2S mit sieben Injektoren, das für einen größtmöglichen Fluß von 3000 SCFH geeignet ist. Kombinationen Injektor Nummer Alle@ % Alle@ Nominal Zufällig Gesamt Nominal Abgabe der Injektoren Abgabe des Injektors Fehler von gegen Abgabe der Injektoren
Man kann sehen, daß ein Kraftstoffversorgungsfehler von 3-4% möglich wäre, wenn man einfach annimmt, daß alle Injektoren ihren Nennwert haben bzw. "ideal" sind und das Zumeßventil den Fluß von beispielsweise 900 SCFH auf einen Wert etwas über 900 SCFH erhöht und dabei statt der Injektoren 1+2+3+5 den Injektor 6 verwendet. Bei einigen Motoren muß dies keinen erkennbaren Einfluß auf ihr Verhalten haben. Für einen sauberen Betrieb von Dreiwegekatalysatoren wünscht man jedoch, die Kraftstoffversorgung auf 0,25% zu regeln.
Um solche Fehler auszugleichen, kann einer der gepulsten Injektoren dazu benutzt werden, den Abstand zwischen den beiden Flußraten zu überbrücken. Der Gebrauch von gepulsten Injektoren stellt zudem eine bessere Auflösung des Flußes bei begrenzter Injektoranzahl bereit. Das Pulsen ist natürlich nicht dazu verwendbar, eine beliebig hohe Fluß auflösung zu erreichen. Um eine genauere Flußvorhersage bereitzustellen, wird eine Mindesteinschaltdauer für jeden Injektor festgesetzt, so daß man eine saubere Regelung des Ventils erreicht. Die schlecht vorhersagbaren Flußraten beim Einschalten und Ausschalten haben proportional weniger Auswirkung auf den insgesamt vorhergesagten Fluß. Für den gewünschten Regelgrad benötigt ein gepulster Injektor eine Mindestausschaltdauer von 900 µs und eine Einschaltdauer von 1200 µs.
Nach dem Dosierventil wird der zugemessene Kraftstoff mit Luft vermischt, bevor er dem Motor zugeführt wird. Kraftstoff und Luft werden bequem im Motorluftfilter oder danach vermischt. In Fig. 8 und Fig. 9 der Zeichnungen sind ein Kraftstoffmischer 360 und eine Kraftstoffdüse 362 dargestellt, die für diese Umgebung geeignet sind. Sowohl der Kraftstoffmischer 360 als auch die Kraftstoffdüse 362 sind dafür eingerichtet, den Kraftstoff im Luftstrom zu, verteilen. In diesem System führt das Zumeßventil den Kraftstoff mit Überdruck zu, bevorzugt bei einem Druck zwischen 1 und 2 p.s.i.
Fig. 8 zeigt einen Mischer 360, geeignet zum Anbringen im Luftansaugrohr 364 zwischen dem Luftfilter und der Drosselklappe. Der Mischer 360 enthält einen rechtwinkligen Düseneinlaß 366, geeignet zum Verbinden mit einem Schlauch (nicht dargestellt), der vom Auslaß des Zumeßventils kommt. Der Einlaß 366 führt in ein Diffusorrohr 368, das mit einer Reihe von Öffnungen 370 versehen ist, durch die sich der Kraftstoff in der Luft verteilt, die in den Motor gesaugt wird. Die Enden des Diffusorrohrs verlaufen durch Öffnungen 372, 374 im Saugrohr 364 und werden an einem Ende vom Düseneinlaß 366 und am anderen Ende von einem Diffusorrohrhalter 376 aufgenommen. Zwischen dem Düseneinlaß 366 sowie dem Diffusorrohrhalter 376 und außen am Luftansaugrohr 364 ausgebildeten ebenen Flächen 382 und 384 sind Dichtungsscheiben 378 und 380 angebracht. Im Inneren des Rohrs 364 sind Haltemuttern 386 und 388 bereitgestellt, um das Rohr 368 im Düseneinlaß 366 und im Halter 376 zu halten.
Die in Fig. 9 erläuterte Düse 362 enthält einen einfachen Verteilerkegel 90, der an einem rechtwinkligen Düseneinlaß 396 befestigt ist, und eignet sich zum Anbringen in einem Luftfilter, möglicherweise im Luftfilterdeckel oder im Einlaßschnorchel. Das abgebildete Beispiel ist eingebaut in einen Luftfilterdeckel 392 dargestellt, wobei zwischen dem Deckel 392 und dem Einlaß 396 eine Dichtungsscheibe 394 vorhanden ist. Der Kegel 390 stellt einen kegelförmigen Auslaß bereit, der den Kraftstoff in der Saugluft verteilt.
Beim Einbau in den Luftfilterdeckel wird über jeder Drosselbohrung eine Düse angeordnet.
Bei direkt montierten Luftfiltern ist der Luftfilterdeckel der bevorzugte Ort, um transiente Verzögerungen und das Volumen von "gespeicherter", brennbarer Ladung über den Drosseln so klein wie möglich zu machen.
Um den Betrieb des Zumeßventils zum Bereitstellen der korrekten Motorkraftstoffmenge zu regeln, ist es nötig, den Kraftstoffbedarf des Motors theoretisch zu modellieren. Das Modell wird aus dem berechneten Motorluftmassenstrom bestimmt. Für Schallbetrieb ist der Massenstrom durch die Injektoren des Zumeßventils linear abhängig vom absoluten Einlaßdruck (konstante Temperatur vorausgesetzt). An den unterschiedlichen Kraftstoffbedarf verschieden großer Motoren kann man sich in einem weiten Bereich durch Einstellen des Zumeßventil-Einlaßdrucks anpassen. Dabei wird die folgende Gleichung benutzt, um sicherzustellen, daß eine adäquate Flußkapazität vorhanden ist.
KR = Konstante, die von den Reglereigenschaften abhängt
Pp= Spitzenleistung des Motors [kW]
LHV = unterer Heizwert des Kraftstoffs [kJ/g]
max = größtmögliche Kraftstoffflußkapazität bei 100 psig [g/s]
Diese Einstellung wird durch Justieren des Druckreglers erreicht. Die momentanen Kraftstoffflußraten eines Motors werden, wie oben erwähnt, ausgehend vom Luftmassenstrom zum Motor berechnet. Der Luftmassenstrom (MAF, MAF Mass Air Flow) bestimmt sich wie folgt:
Erforderlicher Kraftstofffluß: mCHG = MAF/λ (3a),
wobei gilt K = Umwandlungskonstante
nair = Luftanteil der angesaugten Ladung
D = Hubraum des Motors (Liter)
RPM = Motordrehzahl (Umdr./Min.)
MAP = Absolutdruck in der Verzweigung ("Hg)
ηvol = Volumetrischer Wirkungsgrad, hängt ab von MAP und RPM
Tmix = absolute Temperatur der Luftladung in der Nähe des Einlaßventils (ºK)
λ= Massenverhältnis Luft/Kraftstoff
Gleichung (3) enthält, siehe oben, den volumetrischen Wirkungsgrad (ηvol) als Funktion von MAP und RPM. Eine Implementierung des Systemregelprogramms enthält eine allgemein gültige Tabelle des volumetrischen Wirkungsgrads mit 208 Punkten (16 RPM-Felder x 13 MAP-Felder). Eine annehmbare Wahl für die Punkte ist:
MAP: 29,6; 27,5; 25,6; 23,3; 21,2; 19,2; 17,5; 15,9; 14,5; 13,1; 11,7; 9,9; 7,4
RPM: I, I(T/I)2/9, ... I(T/I)8/9, T T(P/T)1/2, T(P/T)3/4, P, 1,15 P, (1,15)² P
wobei gilt: P = Drehzahl der höchsten Leistung
T = Drehzahl des höchsten Drehmoments
I = Leerlaufdrehzahl
Der volumetrische Wirkungsgrad kann bei jedem Motor empirisch bestimmt werden. Andernfalls ist ein mathematisches Modell verwendbar, um den volumetrischen Wirkungsgrad eines jeden Motors zu bestimmen. Der volumetrische Wirkungsgrad ist definiert als die tatsächliche Frischluftmasse, die während eines Ansaugtakts in einen Motorzylinder gelangt, dividiert durch die ideale Luftmasse (Mair), die den Hubraum unter gleichen Bedingungen füllen würde.
Für einen Viertaktmotar gilt:
ηvol = (2 MAF 60)/(D 9 RPM) (5)
a. für Motordrehzahlen über dem maximalen Drehmoment: Spitze
b. für Motordrehzahlen unter dem maximalen Drehmoment: Spitze
mit dem Druckverhältnis
wobei gilt
ηSpitze = geschätzter maximaler volumetrischer Wirkungsgrad
&epsi; = Verdichtungsverhältnis
RPMP.T. = Motordrehzahl beim größten Drehmoment (Umdr./Min.)
RPMP.P. = Motordrehzahl bei der größten Leistung (Umdr./Min.)
a&sub0;, a&sub1;, a&sub2;, b&sub0;, b&sub1;, b&sub2;, c&sub0;, c&sub1;, c&sub2; = empirische Konstanten
RPMi = Leerlaufdrehzahl (Umdr./Min.)
ηm = mechanischer Wirkungsgrad
Tc = Thermostatöffnungstemperatur [K]
Tb = Grundtemperatur [K]
z = Zylinderzahl
b = Zylinderbohrung [mm]
Da das Schätzen des maximalen volumetrischen Wirkungsgrads (ηSpitze) für jeden Motor etwas mühsam ist, hat sich gezeigt, daß ηSpitze = 0,85 eine vernünftige Näherung für die meisten selbstansaugenden Ottomotoren (S.I., S.I. = Spark Ignition) ist. Der Wert liegt normalerweise höher, falls abgestimmte Ansaug- und Auspuffkrümmer verwendet werden oder wenn ein Motor mit einem Turbolader oder einem Kompressor aufgeladen wird. Für diese weniger verbreiteten Anordnungen müssen geeignete Werte berechnet oder angenähert werden.
Gleichung (3) ist zu entnehmen, daß die Bestimmung des Massenstroms das Messen der Lufttemperatur nahe am Einlaßventil erfordert (Tmix). Da es bei bereits verwendeten Fahrzeugen sehr unbequem ist, im bereits verkauften Fahrzeug einen Temperatursensor in der Nähe des Einlaßventils einzubauen, muß der Ladungslufttemperaturzuwachs vom Ort des Lufttemperatursensors, der sich normalerweise im Luftfilter befindet, bis zum Einlaßventil vorhergesagt werden.
Das Modellieren der Mischtemperatur (Tmix)ºK nahe am Einlaßventil erfordert eine Rechnung mit kalibrierten und gemessenen Daten: für Gleichstromköpfe für Querstromköpfe oder v-Krümmer.
Tair = Lufttemperatur am Einlaß [K]
Tfuel = Kraftstofftemperatur [K]
Z = Zylinderanzahl
L = Länge des Einlaßkanals [m]
RPMPP = Höchstleistungsdrehzahl des Motors [U/min]
D = Motorhubraum [Liter]
A = Stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis
LAMBDA = nominales Luftüberschußverhältnis, geeignet für Echtzeitmessungen
MAF = Luftmassenstrom [g/s] (Berechnet aus Gleichung (1) mit Tmix = Tair)
K&sub1;,K&sub2; = empirisch bestimmte Konstanten
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer geeigneten Computer- und Sensorauslegung zum Regeln des Zumeßventils und zum Bereitstellen der gewünschten Kraftstoffflüsse, siehe oben. Fig. 3 zeigt auch die verschiedenen Sensoren, die zum Bestimmen der verschiedenen Einstellungen des Zumeßventils verwendet werden. Die Energieversorgungseingänge 400 des Systems enthalten einen Eingang von der Batterie und eine Masseleitung. Die Analogeingänge 402 umfassen Motordaten 404, Kraftstoffsystemdaten 406, verschiedenen Daten 408 und eine Anzahl freigelassener Leitungen 410 für zukünftige Anforderungen. Die Motordaten 404 enthalten die Motorkühlmitteltemperatur, die Sauglufttemperatur, den Absolutdruck im Ansaugkrümmer und den Sauerstoffgehalt im Abgas. Die Kraftstoffsystemdaten umfassen den Kraftstofflagerdruck (geeicht), den Kraftstoffdruck nach dem Druckregler (absolut) und die Kraftstofftemperatur nach dem Druckregler. Die verschiedenen Eingänge umfassen den Luftdruck, die Batteriespannung und eine Bezugsspannung (5 Volt Gleichspannung).
Die Analogsignale werden zum Verarbeiten in Digitalsignale umgesetzt.
Die Digitaleingänge 412 betreffen in erster Linie den Status und enthalten Eingangssignale vom Anlasserelektromagneten, von der Wahl der Betriebsart (Benzin oder Erdgas bzw. Propan), der Abgasrückführung (EGR, EGR = Exhaust Gas Recirculator) und vom Zündschlüssel.
Die Eingänge 414 betreffen die Motorgeschwindigkeit und sind als schnelle Eingänge klassifiziert; sie umfassen die Motorumdrehungszahl pro Minute, und möglicherweise auch einen Eingang für die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit. In diesem besonderen Beispiel, das zum Einbau in ein herkömmliches benzinbetriebenes Fahrzeug verwendet wird, kann man eine Anzahl schnelle Eingänge erhalten, indem man die Datenleitungen 416 des ursprünglichen Herstellers (OEM, OEM = Original Engine Manufacturer) unterbricht, beispielsweise den oberen Totpunktsensor, den Klopfsensor und den Sensor für Sauerstoff im Abgas. Die Kraftstoffanzeige im Armaturenbrett des Fahrzeugs kann ebenfalls einen Eingang bereitstellen.
Die genormten Eingänge 418 sind bereitgestellt zur Verbindung mit einem synchronen, seriellen Port 419, der zum Abgleichen der Sensoren, zum Erfassen des oberen Totpunkts, des Klüpfens, des Sauerstoffgehalts im Abgas und der Kraftstoffanzeige im Armaturenbrett verwendet wird.
Die Eingaben werden in den Berechnungsabschnitt 420 eingespeist, der einen Analog-Digital-Umsetzer (für die analogen Eingaben) enthält sowie einen Taktgenerator, ein EPROM, Bustreiber und eine Batterie (als Notspannung).
Ein Ausgangssignal des Berechnungsabschnitts 420 durchläuft einen Ausgabepuffer 442, um das Bezugsspannungsausgangssignal 423 bereitzustellen.
Die anderen Ausgangssignale des Berechnungsabschnitts durchlaufen 1-Ampere-Treiber 424 zu einem EGR-Überlagerungsmagneten und einem optionalen Leerlaufreglerausgang 425.
Für die Ausgänge 427 sind 2-Ampere-Treiber 426 bereitgestellt zum Regeln eines Benzinelektromagneten oder Relais für Fahrzeuge mit mehreren Kraftstoffsorten, für den Elektromagneten im Druckregler und für einen Kühlmittelzuführmagneten.
Bereitgestellt sind auch eine Anzahl Zumeßventil-Datenleitungen 428, und zwar eine Leitung für jeden Magneten des Ventils. Für eine übliche Erdgasanwendung werden ungefähr sieben oder acht Ausgänge 429 bereitgestellt. Bei Propan oder LPG-Anwendungen (LPG Liquefied Petroleum Gas, Flüssiggas) können neun oder zehn Injektoren und Ausgänge nötig sein. Wie oben mit Bezug auf Fig. 5d erwähnt wurde, sind die Hochstroin-Foldbacktreiber wegen der Wärme, die sie erzeugen, im Zumeßventilkörper untergebracht.
Um Kraftstoffversorgungsfehler weiter auszugleichen, enthält des Regelsystem ein Rückkoppelsystem für aktiven Sauerstoff und einen adaptiven Haltespeicher.
Kraftstoffversorgungsfehler können durch verschiedene Abweichungen verursacht werden, umfassend:
- Sensorabweichungen von der jeweiligen Eichkurve
- Ungenauigkeit der Zumeßventil-Eichkurve
- Abweichung des tatsächlichen volumetrischen Wirkungsgrads vom berechneten Wirkungsgrad
- Abweichung der tatsächlichen Ladungslufttemperatur in der Nähe des Einlaßventils von der berechneten Temperatur
- Ventilabweichung des tatsächlichen Kraftstoffbedarfs vom berechneten Bedarf
- Änderungen in der Erdgaszusammensetzung
Um den Sauerstoffsensor beim schnellen Finden des stöchiometrischen Verhältnisses zu unterstützen, wird eine adaptive Speicherstrategie bereitgestellt und ähnlich aufgebaut wie bei der Tabelle des volumetrischen Wirkungsgrads. D. h., es wird eine Tabelle mit Feldern bereitgestellt, beispielsweise 16 RPM-Felder x 13 MAP-Felder, wobei jedes Feld einen Wert für eine Korrekturmatrix VC (RPM, MAP) des volumetrischen Wirkungsgrads enthält.
Anfänglich enthält die Tabelle die Werte VC=1. Wird das Fahrzeug innerhalb eines Felds rückgekoppelt betrieben, so wird der jeweilige Wert von VC (RPM, MAP) solange geändert, bis das stöchiometrische Verhältnis erreicht ist. Die Tabelle enthält nun die geänderten Werte und kann danach das stöchiometrische Verhältnis rascher erreichen, da der Ausgangswert wahrscheinlich näher am gewünschten Wert liegt.
Als weitere Verfeinerung könnte eine Reihe getrennter VC (RPM, MAP)-Faktoren erzeugt und im Speicher des Rechners gespeichert werden, um nur einmal vorkommende Meßfehler auszugleichen, die durch die Rückkopplung in leicht unterscheidbaren Betriebsarten erkannt werden, beispielsweise EGR eingeschaltet, EGR ausgeschaltet, Lufttemperatur innerhalb besonderer Grenzen, Luftdruck innerhalb besonderer Grenzen, Änderung der Motordrehzahl größer als ein besonderer Wert, MAP-Wert kleiner als ein Mindeststandardpunkt bei mehr als einem besonderen Wert, und der Wert in der Standardmatrix.
Die oben beschriebene Ausführungsform wurde mit Bezug auf Schallfluß durch die Öffnungen des Zumeßventils beschrieben. Es ist auch möglich, das System mit Unterschallfluß zu betreiben, obwohl dies die Regelung erschwert, da der Auslaßdruck im Zumeßventil mit einbezogen werden muß, um die Massenstromrate durch jede Öffnung zu berechnen. Unterschallfluß kann unter Umständen betrachtet werden, bei denen der Kraftstoff, üblicherweise Propan, beim oder unterhalb des kritischen Drucks für die verwendete Öffnungsgeometrie betrieben wird, (d. h., das Schalldruckverhältnis könnte nicht vorhersagbar über der Öffnung aufrechterhalten werden). In Propansystemen würde dies am wahrscheinlichsten bei Temperaturen unter -20ºC auftreten, wenn nicht genügend Wärme vom Motor und/oder der Umgebung käme, um den Kraftstoff zu verdampfen und auf ausreichend hohem Druck zu halten.
Es wurde hauptsächlich auf Ottomotoren Bezug genommen, obwohl das System auch beim Umwandeln von Verdichtungszünd- oder Dieselmotoren verwendbar sein kann. Bei einer Kompression mit einein Verdichtungsverhältnis unter 20:1 zündet normales Erdgas nicht, so daß eine Zündung nötig wird, die entweder voreingespritzten Dieselkraftstoff oder eine getrennte Zündkerzenanordnung erfordert. Das hier beschriebene System ist trotzdem für solche Anwendungen verwendbar.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen zum Gebrauch bei Verbrennungskraftmaschinen eingerichtet sind, könnte es natürlich möglich sein, das System und seine Komponenten an den Gebrauch bei anderen Anwendungen anzupassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Regelung der Fluidmenge, die in einem vorbestimmten Zeitraum in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine strömt, wobei das Fluid aus einem gemeinsamen Einlaß bei einem ersten Druck zu einem gemeinsamen Auslaß bei einem niedrigeren zweiten Druck strömt, umfassend: (a) zumindest drei Fluid-Leitungsstränge, die eine Anzahl Flußkapazitäten haben, wobei die Stränge zwischen dem gemeinsamen Einlaß und dem gemeinsamen Auslaß parallel geschaltet sind, so daß der Gesamtfluß vom gemeinsamen Einlaß zum gemeinsamen Auslaß gleich der Summe der separaten Flüsse durch die einzelnen Leitungen ist; (b) ein diesbetreffendes Fluidstrom-Regelventil, das in jeder Leitung angeordnet ist; (c) Sensoren zum Messen derartiger Fluidparameter, so daß der Massenfluß des gemessenen Fluids durch die oder alle Regelventile, wenn offen, festgestellt werden kann; (d) Regeleinrichtungen, die zum zielgerichteten Regeln des Öffnens und Schließens der Regelventile und zur Überwachung der Sensoren ausgelegt sind, um den Massenfluß durch das jeweilige Regelventil entsprechend den gemessenen Fluidparametern zu bestimmen, wobei der Gesamtfluidstrom, der aus dem gemeinsamen Auslaß herauskommt, eine Grundstromkomponente enthält, die eingerichtet wird von der Regeleinrichtung, die zumindest eines der Regelventile als bistabiles Regelventil betreibt, wodurch das oder die ausgewählten bistabilen Regelventile geöffnet werden und ein kontinuierlicher vorbestimmter Fluß bereitgestellt wird; von der Regeleinrichtung, die die bistabilen Regelventile oder Kombinationen der bistabilen Regelventile öffnet und schließt, diskrete Stufenänderungen in der Grundstromkomponente bereitgestellt werden; und von der Regeleinrichtung, die weitere Regelventile als ein Impuls-Regelventil betreibt, das für einen Bruchteil des vorbestimmten Zeitraums - dies ist die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungsereignissen - geöffnet ist, die Fluidstromzunahmen zwischen den diskreten Stufen bereitgestellt werden, so daß über den Zeitraum ein gewünschter Durchschnittsfluß erfolgt; wobei die Regeleinrichtung zumindest zwei der Regelventile als Puls- Regelventile betreibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Summe der Flußraten durch die zwei Stränge mit den niedrigsten Flußkapazitäten größer ist als die Flußrate durch den Strang mit der drittniedrigsten Flußkapazität.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Flußratenkapazitäten der zwei Fluidleitungsstränge mit den niedrigsten Flußkapazitäten im wesentlichen gleich sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zwei Puls-Regelventile, die für einen Bruchteil des vorbestimmten Zeitraums geöffnet werden können, in den zwei Fluidleitungssträngen mit den niedrigsten Flußkapazitäten angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Meßblende in jeder der Fluidleitungsstränge angeordnet ist, wobei die Druckdifferenz zwischen dem gemeinsamen Einlaß und dem gemeinsamen Auslaß auf einer Höhe gehalten wird, die ausreicht, um einen schallschnellen Fluß durch die Öffnungen in jedem Fluidleitungsstrang bereitzustellen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Regelventile elektrisch betätigte Magnetventile sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Sensoren zumindest die Temperatur und den Druck des Fluids aufnehmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fluid Brennstoff für eine Verbrennungskraftmaschine ist und die Regelvorrichtung auf ausgewählte Motorparameter reagiert, um die Regelventile zu betreiben und einen Brennstoffnachschub gemäß den gewählten Motorparametern bereitzustellen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Regeleinrichtung ausgelegt ist, den von der Maschine benötigten Brennstoffstrom anhand verschiedener Parameter zu bestimmen, wobei der benötigte Brennstoffstrom proportional ist zum volumetrischen Wirkungsgrad der Maschine und zwar als eine Funktion des absoluten Drucks im Motorverteiler und der Motorgeschwindigkeit, wobei die Regeleinrichtung eine Tabelle besitzt, die eine Anzahl Felder hat, die den vorgewählten Bereichen des absoluten Drucks im Motorverteiler, der und der Motorgeschwindigkeit entsprechen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung weiter einen unter Druck stehenden Brennstoffbehälter und einen Brennstoffdruck-Regulator aufweist, geeignet zum Nachschub des Brennstoffs aus dem unter Druck stehenden Brennstoffbehälter beim ersten Druck zum gemeinsamen Einlaß.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der geregelte Brennstoffnachschub mit der Ansaugluft des Motors gemischt wird, wobei die Vorrichtung zudem einen Vergaserkonus aufweist, der in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Auslaß steht und im Motorluftsauger angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußkapazitäten der zwei Fluidleitungsstränge mit den höchsten Flußkapazitäten im wesentlichen gleich sind zur doppelten Flußkapazität der nächstniedrigen Fluidleitungsstrang-Flußkapazität.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußkapazitäten der zwei Fluidleitungsstränge mit den höchsten Flußkapazitäten im wesentlichen gleich sind der Summe der Flußkapazitäten der zwei nächsttieferen Fluidleitungsstrang-Kapazitäten, wobei eine der zwei nächsttieferen Fluidleitungsstrang-Kapazitäten eine Flußkapazität von zweimal der anderen Fluidleitungsstränge hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußkapazitäten der Fluidleitungsstränge so zueinander bezogen sind als sie proportional sind zu entsprechenden aus einer Anzahl vorgewählter numerischer Werte, wobei die vorgewählten numerischen Werte der Reihe folgen, 2&sup0;, 2&sup0;, 2¹, 2²,..., 2n-2 und 2n-1 wenn da sind n + 1 Fluidleitungsstränge.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußkapazitäten der Fluidleitungsstränge zueinander bezogen sind als sie proportional sind zu ensprechenden aus einer Anzahl vorgewählter numerischer Werte, wobei die vorgewählten numerischen Werte der Reihe folgen 2&sup0;, 2&sup0;, 2¹, 2²,..., 22-n und 22-n, wenn das sind n + 1 Fluidleitungsstränge.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flußkapazitäten der Fluidleitungsstränge zueinander bezogen sind als sie proportional sind zur entsprechenden Anzahl vorgewählter numerischer Werte, wobei die vorgewählten numerischen Werte der Reihe folgen 2&sup0;, 2&sup0;, 2¹, 2²,..., 2n-4 und 2n-3, (2n-4+2n-3) und (2n-4+2n-2), wenn da sind n + 1 Fluidleitungsstränge.

17. Verfahren zur Regelung der Fluidmenge, die in einem vorbestimmen Zeitraum in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine strömt, wobei das Fluid zwischen einem gemeinsamen Einlaß bei einem ersten Druck und einem gemeinsamen Auslaß bei einem niedrigeren zweiten Druck strömt und zwar durch eine Anzahl paralleler Fluidleitungsstränge, ausgelegt, um eine Anzahl Flußraten dort hindurch zur Verfügung zu stellen, und jeder Fluidleitungsstrang versehen ist mit einem Fluidfluß- Regelventil, umfassend: Aufnehmen derartiger Parameter des Fluids, um eine Bestimmung des Fluid-Massenflusses durch die oder die jeweiligen Regelventile, wenn offen, zu ermöglichen; zielgerichtetes Regeln entsprechend dem bestimmten Massenfluß des Öffnens und Schließens der Regelventile, um den Fluidfluß, der aus dem gemeinsamen Auslaß herauskommt, zu regeln, indem eine Grundflußkomponente bereitgestellt wird und zwar errichtet durch das Betreiben ausgewählter Regelventile als bistabile Regelventile und Öffnen der ausgewählten Regelventile, um einen kontinuierlichen vorbestimmten Fluß bereitzustellen; und Bereitstellen diskreter Stufenänderungen in der Grundflußkomponente durch Öffnen und Schließen von Regelventilkombinationen, die als bistabile Regelventile betrieben werden, wobei zumindest zwei der Ventile als Pulsventile betrieben werden, die restlichen Ventil als bistabile Ventile betrieben werden und wobei das Verfahren weiter umfaßt: Bereitstellen von Fluidflußinkrementen zwischen den diskreten Stufen durch Öffnen mindestens eines der Pulsventile für einen Bruchteil des vorbestimmten Zeitraums, der die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbrennungsereignissen ist, um einen gewünschten Durchschnittsfluß über den vorbestimmten Zeitraum bereitzustellen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das komprimierbare Fluid ein Brennstoff ist, der an eine Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Minimalzeit in vollgeöffneter Position des Pulsventils für einen vorbestimmten Zeiraum gleich der Zeit ist, die das Ventil zum Öffnen braucht, und die Maximal-Öffnungszeit des Ventils für einen varbestimmten Zeitraum der vorbestimmte Zeitraum ist, abzüglich der Zeit für das Ventil, um aus der vollgeöffneten Stellung ganz zu schließen.

20. Verfahren nach Anspruch 17, das zudem die Schritte umfaßt: Bestimmen der Antwortzeit der einzelnen Regelventile auf Öffnungs- und Schließbefehle; Bestimmen des Flusses durch die Leitungen, während die Regelventile ihre Zustände ändern; und Bestimmen der Zeitfolge des Öffnens und Schließens der Regelventile, um die gewünschten diskreten Stufenänderungen in der Grundflußkomponente bereitzustellen.