-
Einrichtung zur Kraftstoff-Luft-Gemischregelung von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kraftstoff-Luft-Gemischregelung von
Brennkraftmaschinen, bei welcher an der Brennkraftmaschine ein Geber für eine ein
Maß für den Wirkungsgrad darstellende Ausgangsgröße der Maschine angeordnet ist.
Unter Brennkraftmaschinen sind hier sowohl Hub-, Kreis- und Drehkolbenmotoren als
auch Gasturbinen zu verstehen.
-
Aus der deutschen Patentschrift 932 753 ist eine Einrichtung zur Gemischregelung
bekannt, bei der die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge über ein
Bedienungsorgan frei wählbar ist und bei der das zugehörige Luftgewicht durch ein
Stellorgan für die Drosselklappe einstellbar ist. Die bekannte Anordnung dient dazu,
die jeweilige Leistung des Motors sicher zu wählen und konstant zu halten. Zu diesem
Zweck wird zwar das Verhältnis Kraftstoffgewicht zu Luftgewicht durch Einstellung
des jeweiligen Luftgewichts verändert. Für diese Einstellung werden jedoch Betriebsgrößen
benutzt, die die Leistung der Maschine beeinflussen, die also Eingangsgrößen für
den Verbrennungsvorgang sind. Dadurch werden nur die Voraussetzungen für den nachfolgenden
Verbrennungsvorgang beeinflußt. Es handelt sich also um eine reine Steuerung dieses
Verbrennungsvorgangs. Ausgangsgrößen der Maschine, die ein Maß für den Wirkungsgrad
darstellen, werden bei dieser bekannten Einrichtung nicht verarbeitet.
-
Aus der deutschen Patentschrift 534 991 ist es bekannt, den Brennraumdruck
zur Gemischregelung einer Brennkraftmaschine zu verwenden. Jedoch soll dort die
Regeleinrichtung unter anderem die Gemischzusammensetzung auf ihren günstigsten
Wert einregeln. Der günstigste Wert ist dabei der Punkt der höchstmöglichen Leistung
bei den einzelnen Drehzahlen und Belastungen der Maschine, bzw. ein bestimmter Prozentsatz
dieser Leistung. Außerdem wird bei dieser bekannten Einrichtung die Brennstoffzufuhr
geregelt.
-
Im Gegensatz dazu soll bei der Erfindung das Ziel der Regelung der
Punkt des höchsten Wirkungsgrades bzw. des niedrigsten spezifischen Verbrauchs der
Brennkraftmaschine bei den einzelnen Drehzahlen und Belastungen sein. Für den geringsten
Verbrauch bei einer bestimmten Drehzahl und Belastung ist ein ganz anders zusammengesetztes
Gemisch erforderlich als für die höchste Leistung. Durch die Erfindung soll daher
die Gemischregelung so ausgelegt werden, daß im Teillastbereich das Gemisch für
den geringsten spezifischen Verbrauch bzw. den höchsten Wirkungsgrad, im Volllastbereich
aber das Gemisch für die höchste Leistung eingestellt werden kann. Dies wird bei
einer Einrichtung zur Kraftstoff-Luft-Gemischregelung, bei welcher an der Brennkraftmaschine
ein Geber für eine ein Maß für den Wirkungsgrad darstellende Ausgangsgröße der Maschine
angeordnet ist, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in an sich bekannter Weise
die Kraftstoffmenge über ein Bedienungsorgan frei wählbar oder vorzugeben ist und
dem Geber ein Regler nachgeschaltet ist, der zum Einsteilen der zu dieser Kraftstoffmenge
gehörigen Luftmenge mit einem Stellorgan für ein Luftdrosselorgan verbunden ist,
daß der Regler ein auf größtmöglichen Wirkungsgrad im Teillastbereich stellender
elektronisch arbeitender Regler ist und daß zwischen dem Regler und dem durch das
Bedienungsorgan betätigten Kraftstoffpumporgan ein Begrenzer eingeschaltet ist,
der mit dem Luftdrosselorgan verbunden ist und nach Erreichen der größtmöglichen
Luftmenge eine weitere Erhöhung der Kraftstoffmenge bis zur höchstmöglichen Leistung
zuläßt, dagegen das Bedienungsorgan gegen eine weitere Erhöhung der Kraftstoffmenge
bei abnehmender Leistung sperrt.
-
Es wird also bei der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Ausgangsgröße
der Brennkraftmaschine, die den Wirkungsgrad anzeigt, die also eine Folge des Verbrennungsvorganges
ist, in einen Regler eingegeben, durch den eine andere Kenngröße der Brennkraftmaschine,
nämlich das durchgesetzte Luftgewicht, als Eingangsgröße verändert wird, wodurch
wiederum der Verbrennungsvorgang im Sinne einer Steigerung des Wirkungsgrades beeinflußt
wird. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis der bei der gewählten oder vorgegebenen
Kraftstoffmenge mögliche maximale Wirkungsgrad erreicht ist. Diese Regelung nach
dem höchsten Wirkungsgrad wird nur im Teillastbereich durchgeführt, bis das Luftdrosselorgan
seine
größte Öffnung erreicht hat. Zur Erzielung der höchstmöglichen
Leistung kann dann die Kraftstoffzufuhr noch verstärkt werden, und zwar so lange,
bis sich bei weiterer Erhöhung der Kraftstoffmenge ein Druckabfall im Verbrennungsraum,
also eine kleinere Leistung einstellen würde. Hier spricht der von dem Regler und
von der Stellung des Luftdrosselorgans gesteuerte Begrenzer an, der das Bedienungsorgan
für die Kraftstoffzufuhr gegen ein weiteres Öffnen sperrt.
-
Die erfindungsgemäß vorgesehene freie Wählbarkeit der Kraftstoffmenge
und die Regelung der zugehörigen Luftmenge sind der einfachste Weg, den höchsten
Wirkungsgrad im Teillastbereich zu erzielen. Der Wirkungsgrad ist abhängig von der
pro Arbeitstakt oder pro Zeiteinheit zugeführten Kraftstoffmenge und der im gleichen
Zeitraum zugeführten Luftmenge sowie vom Druck im Verbrennungsraum. Wie sich rechnerisch
nachweisen läßt, erreicht der Wirkungsgrad sein Maximum dort, wo bei konstanter
Kraftstoffmenge der Druck als Funktion der durchgesetzten Luftmenge ein Maximum
hat. Der maximale Wirkungsgrad kann also gefunden werden, wenn man die Stellung
des Luftdrosselorgans der Brennkraftmaschine so lange verändert, bis der höchste
Druck erreicht ist.
-
Wenn dagegen die Luftmenge vorgegeben werden sollte und die zugehörige
Kraftstoffmenge eingeregelt werden sollte, so würde der Wirkungsgrad sein Maximum
dann erreichen, wenn bei konstanter Luftmenge das Verhältnis des Drucks im Verbrennungsraum
zur Kraftstoffmenge ein Maximum erreicht. Da hierbei ein Verhältnis zweier veränderlicher
Größen bestimmt werden müßte, während im ersten Fall nur ein Druckmaximum ermittelt
werden muß, ist die Regelung mit vorgegebener Kraftstoffmenge und veränderlicher
Luftmenge einfacher als der umgekehrte Weg.
-
Als Geber kann in an sich bekannter Weise am Verbrennungsraum der
Brennkraftmaschine ein Druckgeber angeordnet sein, oder es kann in an sich ebenfalls
bekannter Weise an einer Abtriebs- oder Getriebewelle der Brennkraftmaschine ein
Drehmomentgeber angeordnet sein. Der Regler kann dann entweder die Druckwerte oder
die Drehmomentwerte weiterverarbeiten. Eine Verwendung des Drehmoments für die Regelung
ist deshalb möglich, weil der Druck im Verbrennungsraum proportional dem Drehmoment
an der Abtriebswelle oder an der Getriebewelle ist.
-
Da der Druck im Verbrennungsraum wegen der Ungleichförmigkeit der
Arbeitsweise der Brennkraft- . maschine (Ausnahme: Gasturbine) z. B. auch noch von
der Stellung des Arbeitskolbens abhängig ist, muß entweder der Verlauf des Mitteldrucks
oder die Druckfunktion, die sich aus den Spitzendrücken jedes Hubes ergibt, zur
Regelung verwendet werden. Entsprechendes gilt bei Verarbeitung des Drehmoments.
Der Regler kann also in an sich bekannter Weise zur Entnahme und Weiterverarbeitung
des Mittel- oder des Spitzenwertes des vom Geber kommenden Eingangssignals ausgebildet
sein. Die Maxima der Mittel- oder Spitzenwerte von Druck und Drehmoment liegen bei
dem gleichen Luft-Kraftstoff-Verhältnis bzw. bei derselben Stellung des Luftdrosselorgans.
-
Zur Messung der Druck- bzw. Drehmomentwerte dienen Geber, die einen
elektrischen Impuls an den Regler geben. Bei dieser Messung interessiert nicht der
absolute Wert, sondern nur die Lage des Maximums bezüglich der Stellung des Drosselorgans.
Die verwendeten Geber brauchen also nicht geeicht zu werden. Es ist sogar ohne Bedeutung,
wenn sich das Verhältnis Istwert der Meßgröße zu abgegebener i elektrischer Größe
selbst innerhalb kurzer Zeit ändert. Das aus dem Eingangssignal vom Regler elektronisch
gebildete Ausgangssignal steuert über das Stellorgan das Luftdrosselorgan. Dabei
ändert der Regler so lange die Stellung des Luftdrosselorgans, bis das vom Geber
kommende Eingangssignal ein Maximum erreicht. Damit wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
auf den Wert eingeregelt, der im jeweiligen Betriebspunkt den größten Mittel- oder
Spitzendruck bzw. das größte Mittel- oder Spitzendrehmoment bringt. Dadurch wird
der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, soweit er vom Gemisch abhängt, im Teillastbereich
in jedem Betriebspunkt auf den höchstmöglichen Wert gebracht.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Gemischregelung ist in den Zeichnungen
am Beispiel eines Viertakt-Ottomotors dargestellt. Es zeigt F i g. 1 die Einrichtung
zur Durchführung der Gemischregelung, jedoch ohne Begrenzer, F i g. 2 die Durchführung
der Regelung in einem Prinzipschaltbild des Reglers, F i g. 3 den Druckverlauf und
die Änderung des Druckverlaufs im Verbrennungsraum über der Zeit, F i g. 4 das Kennfeld
des Motors mit dem Druck als Parameter, F i g. 5 den Verlauf des Drucks über dem
Luftgewicht bei konstantem Kraftstoffgewicht, F i g. 6 eine Anordnung des Begrenzers
für die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge.
-
Der Kolben 1 des Motors bewegt sich im Zylinder 2. Die Verbrennungsluft
L wird durch das Saugrohr 3 über das Ventil 4 zugeführt. Der Kraftstoff
K
wird der Brennkraftmaschine über eine Kraftstoff zumeßeinrichtung 5 (Einspritzpumpe
oder Vergaser) zugeführt. Dabei kann die Einspritzpumpe mit Verbrennungsraum- oder
mit Saugrohreinspritzung arbeiten. Der Vergaser kann mit einer Düse mit verstellbarem
Querschnitt arbeiten, wobei der Kraftstoff entweder durch diese Düse gepumpt oder
durch Saugrohrunterdruck durch die Düse gesaugt wird.
-
Der Kraftstoff wird durch eine Kraftstoffpumpe 6 aus einem Kraftstofftank
7 oder im Fallstromprinzip zur Kraftstoffzumeßeinrichtung 5 gefördert. Die der Brennkraftmaschine
pro Zeiteinheit oder pro Arbeitstakt zugeführte Brennstoffmenge wird durch das Bedienungsorgan
8 frei wählbar eingestellt.
-
Die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses kann entweder mittels
des im Verbrennungsraum 9
herrschenden Drucks oder mittels des von der Brennkraftmaschine
abgegebenen Drehmoments durchgeführt werden. Zu diesem Zweck befindet sich am Zylinder
2 oder am Zylinderkopf im Bereich des Verbrennungsraums 9 ein Druckgeber
10, der den im Verbrennungsraum 9 herrschenden Druck als elektrische Größe
über eine Leitung 11 an den Regler 12 gibt. Der Druckgeber 10 kann in bekannter
Weise piezoelektrisch, induktiv, kapazitiv oder als Widerstandsdruckgeber arbeiten.
Er muß wegen der hohen thermischen Belastung gegebenenfalls gegenüber den gebräuchlichen
Gebern abgeändert werden.
-
Statt des Druckgebers 10 am Verbrennungsraum 9
kann auf einer
Abtriebswelle der Brennkraftmaschine, z. B. der Kurbelwelle 13, oder auf einer Getriebewelle
ein Drehmomentgeber 14 angeordnet sein. An welcher
Welle
das Drehmoment abgenommen wird ist gleich, da die absoluten Werte nicht interessieren,
sondern nur die Lage der Maxima bezüglich der Stellung des Luftdrosselorgans. Die
Lage der Maxima ist aber unabhängig von der Drehzahl der Welle, an der das Drehmoment
gerade abgenommen wird.
-
Das Drehmoment wird an einem drehelastischem Zwischenglied durch Messung
der Verdrehung induktiv, kapazitiv, potentiometrisch oder durch Dehnmeßstreifen
ermittelt. Die Messung wird von dem rotierenden Zwischenglied des Drehmomentgebers
14
über einen Schleifkontakt 15 und eine Leitung 16 als elektrische Größe
an den Regler 12 weitergegeben.
-
Der Regler 12 ist ein elektronisches Gerät. Er beeinflußt nach
den Eingaben (Druck bzw. Drehmoment) auf elektrischem Wege über die Leitung 17 eine
Stelleinrichtung 18 (Stellmotor, Stehhydraulik usw.). Die Stelleinrichtung 18 wiederum
betätigt über die Verbindung 19 das Luftdrosselorgan 20, wodurch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
verändert wird.
-
Die in den Regler 12 eingegebenen Daten werden mit Hilfe seiner
elektronischen Bauelemente so weiterverarbeitet, daß er ein der Forderung nach maximalem
Mitteldruck bzw. maximalem mittlerem Drehmoment entsprechendes Signal an die Steheinrichtung
18 abgibt. Das Ergebnis dieses Ausgangssignals, nämlich eine Änderung des
Mitteldrucks bzw. des mittleren Drehmoments der Brennkraftmaschine, wird sofort
wieder an den Regler 12 zurückgemeldet. Damit liegt ein geschlossener Regelkreis
vor.
-
Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß der Regler
12 den Spitzendruck bzw. das Spitzendrehmoment weiterverarbeitet.
-
Die Regelung kann auf folgende Weise geschehen: Es wird davon ausgegangen,
daß zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses beispielsweise der im Verbrennungsraum
9 herrschende Mitteldruck p. verwendet wird.
-
In F i g. 4 ist das Kennfeld eines Ottomotors angegeben, wobei mit
dem Mitteldruck pm als Parameter die Kraftstoffmenge über dem zugehörigen Luftgewicht
eingetragen ist. Die Linie 30 gibt den Verlauf des maximalen Wirkungsgrades
an.
-
Bei konstanter Kraftstoffzufuhr habe der Regler 12
die Luftmenge
im Punkt 31 so eingeregelt, daß beim Druck p2 maximaler Wirkungsgrad der Brennkraft
maschine erreicht ist. Infolge eines von außen frei wählbar eingestellten höheren
Kraftstoffgewichts K pro Arbeitstakt laufe nun der Motor im Punkt 32. Der Mitteldruck
hat sich bei gleichbleibendem Luftgewicht erhöht. Es wurde aber nicht der für die
neue Kraftstoffmenge erreichbare höchstmögliche Druck p3 erreicht. Um auf diesen
Druck und damit wieder auf den höchsten Wirkungsgrad zu kommen, muß das Luftgewicht
erhöht werden. Der Regler 12 muß das Luftgewicht auf den im Punkt 33 erforderlichen
Wert einstellen, d. h., aus der Drucksteigerung zwischen Punkt 31 und Punkt
32 des Kennfeldes muß ein Signal für den Regler entnommen werden, damit dieser die
Drosselklappe so verstellt, daß sich die durchgesetzte Luftmenge erhöht und der
Punkt 33 erreicht wird. Der Regler muß also immer auf der Linie 30 arbeiten, auf
der maximaler Wirkungsgrad gegeben ist. Eine Drucksteigerung infolge höherer Kraftstoffmenge
muß über den Regeler 12 eine Öff-
nung des Drosselorgans 20 bewirken,
eine Drucksenkung muß eine Schließung des Drosselorgans 20 bewirken. In F i g. 3
ist ein beispielsweiser Druckverlauf 34 über der Zeit sowie die Änderung des Druckes
mit der Zeit 35 dargestellt. (Die Ableitung der Druckfunktion p(t) ergibt
Der Regler 12 kann also zunächst aus einem elektronischen Mittelwertbildner 21(F
i g. 2) bestehen, dem ein elektronisches Differenzierglied 22 nachgeschaltet ist.
Dieses Differenzierglied 22 liefert z. B. eine der Größe der Ableitung der Druckfunktion
entsprechende elektrische Größe (Kurve 35 in F i g. 3).
-
In einem Vergleichsglied 23 des Reglers 12 wird der Wert dieser
elektrischen Größe mit einem konstanten Wert derselben Größe verglichen, der dem
Sollwert 36 entspricht. Der Sollwert hat hier die Größe Null, da ein Maximum der
Funktion p (t), d. h.
erreicht werden soll.
-
Der Unterschied zwischen den Werten 35 und 36 ergibt einen Reglerausgangswert
37, der je nach dem Verlauf der Druckfunktion positiv oder negativ sein kann und
der das Stehorgan 18 steuert. Bei einem positiven Wert 37 ergibt sich eine Öffnung
der Drosselklappe 20, bei einem negativen Wert 37 ergibt sich eine Schließung der
Drosselklappe 20, um den aus F i g. 4 abgeleiteten Forderungen Rechnung zu tragen.
-
Damit wird das im jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine
durchgesetzte Luf tgewichtin einem geschlossenen mit elektronischen Elementen ausgestatteten
Regelkreis geregelt, weil der Erfolg des Reglerausgangssignals, nämlich die Verstellung
der Drosselklappe 20, sich sofort z. B. im Mitteldruck im Verbrennungsraum
9 äußert und durch den Druckgeber 10
wieder an den Regler 12 zurückgemeldet
wird.
-
Wenn z. B. durch einen äußeren Einfluß das durchgesetzte Luftgewicht
L zwangsweise verkleinert wird, ohne daß der Regler 12 diese Änderung herbeigeführt
hat, ergibt sich nach dem Diagramm F i g. 4, Pfeil 43, ein Abfall des Mitteldrucks.
Die erste Ableitung der Druckfunktion nach der Zeit wird negativ. Der Regler
12 schließt das Drosselorgan 20 noch weiter, obwohl er eigentlich
das Gegenteil bewirken müßte. Dabei bleibt
negativ, da der Druck immer weiter fällt. Das Drosselorgan 20 wird schließlich ganz
geschlossen. Diese Verhältnisse können auch im pL-Diagramm F i g. 5 betrachtet werden.
Der maximale Wirkungsgrad liegt bei konstanter Kraftstoffmenge K im Maximum des
Drucks p (Punkt 38). Dieser Punkt entspricht dem Punkt 33 des Diagramms F i g. 4.
-
Bei zwangsweiser Verkleinerung der Luftmenge L sinkt der Druck p.
Es ergibt sich eine positive Steigung der Funktion des Drucks über dem Luftgewicht.
Dieser Bereich der Funktion p(L) bewirkt eine nicht gewollte Schließung des Drosselorgans
20, welche verhindert werden muß.
-
Zu diesem Zweck kann der Winkel a der Stellung des Drosselorgans
20 gegenüber dem senkrechten Querschnitt des Saugrohrs 3 z. B. potentiometrisch
(25) abgenommen werden. Bei Vergrößerung von a steigt das durchgesetzte Luftgewicht
an, bei Verkleinerung von a fällt das Luftgewicht. Der Zusammenhang ist nicht linear,
aber gleichsinnig. Die Änderung des Drucks im Verbrennungsraum 9 mit dem Luftgewicht
verläuft gleich sinnig wie die Änderung des Drucks
mit dem Winkel
In einem weiteren Differenzierglied 24 im Regler
12
kann die Änderung des Drucks im Verbrennungsraum 9 mit dem Winkel x der
Stellung des Luftdrosselorgans 20 ermittelt werden. Wenn dieser Wert positiv
ist, also im verbotenen Bereich 39 des Diagramms
F i g. 5 liegt, wird z. B. durch einen Vorzeichenumkehrer 26 das Vorzeichen des
Reglerausgangswertes 37 umgekehrt. Damit wird das Luftdrosselorgan 20 von dem Stellglied
18 nicht mehr in der falschen Richtung, sondern umgekehrt in der richtigen Richtung
verstellt, bis wieder maximaler Mitteldruck und damit maximaler Wirkungsgrad erreicht
ist.
-
Schon der Versuch des ÜberSChreitens des Maximums 38 der Kurve in
F i g. 5 nach links in den verbotenen Bereich 39 hinein zu positiven Werten von
bzw. kann auf diese Weise vom Regler 12 verhindert werden.
-
An sich wäre eine Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses nur mit
dem Wert
eindeutigdr und einfacher. Das würde sich aber so auswirken, daß bei = 0 (Punkt
38, F i g. 5) der Regler 12 trotz Änderung
sämtlicher Einflüsse stehenbleibt, da kein d x vorhanden ist. Man müßte bei Änderung
irgendeines Einflusses zunächst die Stellung des Luftdrosselorgans 20 durch einen
künstlichen Eingriff zwangsweise verändern, ehe der Regler 12 zu arbeiten beginnt
und die richtige Stellung des Luftdrosselorgans 20 einstellt. Das ist aber
praktisch schlecht durchführbar.
-
Das beschriebene Gemischregelungsverfahren hat nur bei Teillastbetrieb
der Brennkraftmaschine Sinn, und zwar in dem Bereich bis zur vollkommenen
Öff-
nung des Luftdrosselorgans 20. Diese Grenze ist im Diagramm F i g. 4
durch die Linie 40 dargestellt. Darüber hinaus ist wohl noch eine Steigerung
der zugeführten Kraftstoffmenge und des sich bei der Verbrennung ergebenden Drucks
möglich, aber man hat dann nicht mehr einen Betrieb mit höchstmöglichem Wirkungsgrad.
Dieser Bereich des Motorkennfeldes oberhalb des Punktes 41 muß aber beim
Betrieb der Brennkraftmaschine auch noch verwirklicht werden können. Im Punkt 42
ergibt sich eine theoretische Grenze der Steigerung des pro Arbeitstakt zugeführten
Kraftstoffgewichts, weil oberhalb des Punktes 42 auf der Linie
40 der maximalen Luftmenge der Druck wieder abnimmt, d. h., es werden Kurven
kleineren Drucks von der Linie 40 geschnitten.
-
Eine Steigerung der Kraftstoffmenge über den Punkt 42 hinaus muß deshalb
unterbunden werden. Dazu kann beispielsweise ein Endschalter 28 (F i g. 6) am Luftdrosselorgan
20 im Saugrohr 3 angeordnet sein, der bei Erreichen der größten Öffnung (x = 90°)
betätigt wird. Aus dem Regler 12 wird z. B. das Signal entnommen, daß der Wert
negativ ist. Beim Zusammentreffen dieser beiden Signale blockiert ein Begrenzer
29 die weitere Öffnung des Kraftstoffzumeßorgans 5, so daß keine weitere Erhöhung
der Kraftstoffmenge möglich ist.
-
Das erfindungsgemäße Gemischregelungsverfahren kann auch einem an
sich bekannten Gemischregelungsverfahren überlagert werden, wobei das bekannte Verfahren
die Grobregelung, d. h. die Annäherung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses an den
für den maximalen Wirkungsgradgeforderten Wert, und das erfindungsgemäße Verfahren
die Feinregelung und die genaue Einstellung und Einhaltung des Betriebs der Brennkraftmaschine
mit höchstmöglichem Wirkungsgrad übernimmt.