DE2120510A1

DE2120510A1 - Drehzahlregler für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2120510A1
Application number: DE19712120510
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. P F02m 31-12 Antrag
Original assignee: Deutsche Vergaser Gmbh & Co Kg, 4040 Neuss
Priority date: 1971-04-27
Filing date: 1971-04-27
Publication date: 1972-11-30
Also published as: DE2120510C3; DE2120510B2; GB1309505A; JPS517263B1; US3809034A

Description

Drehzahlregler für eine Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlregler für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Regelklappe für die Verbrennungsluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch und mit einer elektrischen Regeleinrichtung, die laufend die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mißt, mit einem Sollwert vergleicht· und der Drehzahlabweichung entsprechend die Regelklappe einstellt.

Ähnliche Regler sind insbesondere zur Regelung der Leerlaufdrehzahl bekannt. Es ist zum Beispiel bekannt, die elektrische Spannung eines Tachogenerators mit einer proportional dem Sollwert einstellbaren weiteren unabhängigen Spannung zu vergleichen und die gemessene Spannungsdifferenz zur Steuerung eines Luft- bzw. Gemischventils zu verwenden.

Die bekannten Regler sind nicht in der Lage, einen Drehzahlsollwert konstant einzuhalten. Bei Leerlaufreglern stört eine gewisse Welligkeit der Drehzahllinie nicht. Wenn jedoch bei wechselnder Belastung der Verbrennungskraftmaschine die Drehzahl über den gesamten Betriebsbereich konstant eingehalten werden soll, sind über den Stand der Technik hinausgehende Maßnahmen erforderlich.

Die bekannten Drehzahlregler sind störungsanfällig. Wenn zum Beispiel die Stromversorgung des Reglers ausfällt, kann die Verbrennungskraftmaschine durchgehen und durch Überdrehzahl Schaden nehmen. Außerdem besitzen die bekannten Regler keinen Schutz gegen den Ausfall der Verbrennungskraftmaschine infolge zu frühzeitigen Hochfahrens unter Last nach einem Kaltstart.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, den Verbrennungskraftmaschinen ein weiteres Anwendungsgebiet für den Antrieb von Wechselstrom- und Drehstromgeneratoren mit konstanter Netzfrequenz zu erschließen.Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine bei wechselnder Belastung über einen großen Betriebsbereich konstant zu halten. Zugleich soll der hier-

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zu nötige technische Aufwand so gering wie möglich sein. Die Erfindung hat auch die Aufgabe, den Arbeitsbeginn des Drehzahlreglers erst oberhalb einer vorgegebenen Mindesttemperatur freizugeben. Es ist nämlich unzweckmäßig, die Verbrennungskraftmaschine nach einem Kaltstart unter Last auf eine Betriebsdrehzahl einzuregeln, weil ein gut zündfähiges Gemisch nicht gleich vorhanden ist. schließlich hat die Erfindung auch die Aufgabe, bei Ausfall der Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung die Luft- bzw. Gemischregelklappe in die Schließstellung bzw. Leerlaufstellung zu bringen.

Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß in einem zur Kegeleinrichtung gehörenden Stromkreis ein auf die Temperatur der Verbrennungskraftmaschine ansprechender Thermoschalter so angeordnet und geschaltet ist, daß die Einwirkung der elektrischen Regeleinrichtung auf die Regelklappe unterbleibt, bis die Ver brennungskraftmaschine eine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht hat und daß die Regelklappe außerdem mit einer Einrichtung zusammenwirkt, die die Regelklappe in die Leerlaufstellung fährt, sobald die Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung unterbrochen ist. Der Thermoschalter kann z. B. auf die Kühlmitteltemperatur der Verbrennungskraftmaschine ansprechen und in den Versorgungsstromkreis des Stellmotors der Regeleinrichtung oder in einen anderen Stromkreis eingeschaltet sein.

Bei einer Variante der Erfindung wirkt die Regelklappe mit einem elektrischen Stellmotor zusammen, der aber ein Unterspannungsrelais, das auf die Versorgungsspannung der Regeleinrichtung anspricht, mit einer unabhängigen Spannungsquelle verbunden wird, sobald die Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung ausfällt, wobei der Stellmotor die Regelklappe in die Leerlaufstellung fährt. Bei einer anderen Variante der Erfindung werden die Erfindungsaufgaben dadurch gelöst, daß eine zwischen der elektrischen Regeleinrichtung und der Regelklappe angeordnete elektromagnetische Kupplung die mechanische Verbindung dieser beiden Teile trennt, sobald die Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung unterbrochen ist und daß die Regelklappe mittels einer an sich bekannten Rückholfeder in die Schließstellung bzw. Leerlaufstellung bewegt wird, sobald die mechanische Verbindung zwischen der Rege!klappe und der elektrischen Regeleinrichtung getrennt ist. Die elektromag-

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netischen Kupplung wird dabei zweckmäßig als Rutschkupplung ausgebildet.

Die elektrische Regeleinrichtung besteht, in Wirkungsrichtung aufgezählt, aus folgenden Teilen: Einer Spannungsquelle mit einer der Drehzahl proportionalen Spannung (z. B. Tachogenerator), einer proportional dem Sollwert einstellbaren, v/eiteren, van der ersten unabhängigen Spannungsquelle, einer elektronischen Vergleichsvor-r richtung, deren Ausgangsspannung die Differenz der erwähnten Spannungen bildet, einem elektrischen Verstärker und einem elektrischen Stellmotor mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe.

Die der Drehzahl proportionale Spannung kann auch mit Hilfe einer Impulszähl- und Umformeinrichtung erzeugt werden, die von den Impulsen des Zündunterbrecher oder eines synchron mit der Kurbelwelle umlaufenden induktiven Gebers angeregt wird.

Die elektrische Regeleinrichtung besitzt zumindest ein integrales Regä.verhalten. Sie kann in wählbaren Betriebsbereichen zusätzlich ein proportional oder differential wirkendes Eegelverhalten haben. Der Stellmotor besitzt vorzugsweise eine praktisch unverzögert wirkende Bremslüfteinrichtung, die in stromlosem Zustand den Motor festbremst. Stattdessen kann der Stellmotor auch ein Schrittschaltwerk besitzen. Zwischen Kupplung und Regelklappe ist zweckmäßig ein Kurbeltrieb mit Kurvenscheibe bzw. Kurvenbahn angeordnet.

Ein Beispiel "der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt oben und in der Mitte schematisch die Anordnung der Regler- Bauelemente und unten in bildlicher Darstellung die Luft- bzw. Gemisch- Regelklappe der Verbrennungskraftmaschine und einen erfindungsgemäü angeordneten Kurbeltrieb mit einer Kurvenscheibe.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht in Richtung ^Ha" der Fig. 1 mit der P.egelklappe, der Rückholfeder und der Kurvenscheibe sowie dem Hebelarm und der Führungsrolle des Kurbeltriebs dargestellt.

Der Tachogenerator 11 ist mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden.

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Er erBeugt eine der Drehzahl proportionale Spannung, die als Regelgröße χ auf den Eingang des Reglers 12 geschaltet ist.. Die am Potentiometer 13 abgegriffene Spannung wird als Führungsgröße w ebenfalls auf den Eingang des Reglers 12 geschaltet· Der Regler 12 besitzt in bekannter Weise eine elektronische Vergleichseinrichtung, wie durch die Schaltsymbole angegeben ist, die eine Brückenschaltung und einen Transistor andeuten sollen.

Die Different! der beiden Eingangspannungen bildet die Stellgröße y, die im Verstärker 14 verstärkt und an den Stellmotor 15 weitergeleitet wird. Je nach der Polarität der Stellgröße dreht die Welle 16 des Stellmotors 15 links-' oder rechtsherum. Eine Bremse 17 wirkt auf die Welle 16 ein. Sie kann durch den Bremslüftmagneten 18 gelüftet werden. Der unabhängige Stromkreis 19 des Bremslüftmagneten 1Θ ist durch das Spannungsrelais 2o verriegelt· Sobald am Ausgang des Verstärkers 14 eine Spannung auftritt, wird die Verriegelung des Bremslüftmagneten 18 aufgehoben und die Bremse 17 gelüftet.

,Das Getriebe 21 dient der Anpassung des hochtourigen Stellmotors 15 an die maximal um 9o Grad cu verstellende Regelklappe 22· Der Anpassung dient auch der Kurbeltrieb 23, dessen Kurvenscheibe 24 mit der Welle 28 verbunden ist. Die Kurbel 26 mit der Führungsrolle 2 7 befindet sich am Ende der Regelklappenwelle 25. Die Welle 28 ist über die Wellenkupplung 29 mit der Abtriebswelle 3o des Getriebes 21 verbunden. Der Stromkreis 31 des Kuppelmagneten 32 ist durch den Thermoschalter verriegelt. Sobald die Verbrennungskraftmaschine eine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht hat, schließt der Thermoschalter 33 den Stromkreis 31. Erst dann werden die Wellen und 28 elektromagnetisch gekuppelt.

Auf dem Wellenstumpf 34 der Regelklappenwelle 25 ist der Hebel 35 befestigt, an dessen Ende die Rückholfeder 36 eingehängt ist, die die Regelklappe 22 stets in die in Fig. 2 angedeutete Leerlaufstellung zu ziehen versucht.

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Beim Kaltstart der Verbrennungekraftmaschine werden mit dem Einachalten des Zündschalters über einen Hilfskontakt zugleich auch die Stromkreise 19 und 31 und der Versorgung»- etromkreis des Verstärkers 14 an Spannung gelegt. Die Wellenkupplung 29 ist noch offen und die Rückholfeder 36 hat die Regelklappe 22 in die Leerlaufstellung gezogen· Nach dem Start läuft die Verbrennungskraftmaschine zunächst mit einer Leerlaufdrehzahl, die unter dem Wert der Betriebsdrehzahl liegt. Da der Tachogenerator 11 eine der Leerlaufdrehzahl proportionale Spannung abgibt, bildet der Regler 12 eine Stellgröße y in Höhe der Differenz zwischen der am Poteniomet 13 eingestellten Führungsgröße w und der durch den Tachogenerator eingegebenen Regelgröße x. Im Verstärker 14 wird die Stellgröße y auf einen für den Betrieb des Stellmotors 15 ausreichenden Wert verstärkt. Zugleich wird über die Leitung 37 das Spannungsrelais 2o erregt, so daß die Verriegelung des Stromkreises 19 aufgehoben ist. Dadurch ist der Bremslüftmagnet 18 in der Lage, die Bremse 17 zu öffnen. Über die Welle 16 und das Getriebe 21 wird die Abtriebswelle 3o vom Stellmotor IS angetrieben.

Die Wellenkupplung 29 ist jedoch noch geöffnet, bis der Thermoschalter 33 eine vorgegebene Kindesttemperatür der Verbrennungskraftmaschine gemessen hat. Erst dann wird die Verriegelung des Stromkreises 31 aufgehoben und der Kuppelmagnet 32 kuppelt die beiden Wellen 28 und 3o. Das Kuppeln geschieht weich, weil die Kupplung als Rutschkupplung ausgebildet ist.

Nachdem die Wellen 28 und 3o gekuppelt sind, wird die Kurvenscheibe 24 durch den Stellmotor 15 in der Fig. 2 eingezeichneten Pfeilrichtung verdreht, wobei sie mittels der Führungsrolle 2 7 die Kurbel 26 mitnimmt, wobei die Regelklappenwelle 25 mit der Regelklappe 22 gegen die Kraft der Rückholfeder 36 so lange im Öffnungssinn verdreht wird, bis der Stellmotor "15 stromlos wird, das heißt, bis die Nenndrehzahl, mit der am Potentiometer 13 eingestellten Solldrehzahl

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übereinstimmt. Die Drehzahlanhebung ist deshalb möglich, weil durch die Regelklappe 22 ein zunehmend größer werdender Cffnungsquerschnitt für die Verbrennungsluft bzw. das Brennstoff-Luft-Gemisch freigegeben wird.

Der von der Regelklappe 22 freigegebene Öffnungsquerschnitt ist nicht dem öffnungswinkel proportional. Durch zweckmäßige Formgebung der Kurvenscheibe 24 wird erreicht, daß der von der Regelklappe 22 freigegebene Öffnungsquerschnitt dem Drehwinkel der Welle 28 annähernd direkt proportional ist. Durch weitere Formgebung der Kurvenscheibe wird auch diese Proportionalität weitgehend modifiziert und durch Versuche an das Verbrauchskennfeld der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine angepaßt.

Die Wahl des Reglers 12 und des Stellmotors 15 bestimmt das Regelverhalten der ganzen Regeleinrichtung. Integrales Regelverhalten liegt vor, wenn der Kotor vom Regler so lange eine konstante Spannung als Stellgröße erhält, wie die Regelabweichung andauert. Dann wird die Regelklappe 22 so lange verstellt, bis die Regelabweichung Null geworden ist. In der Praxis ergeben sich hierbei gewisse tendelungen um den Sollwert, die durch große Zeitkonstanten mit träger Regelung in zulässigen Grenzen gehalten werden können.

Ein in überwiegendem Ausmaß gemischtes Regelverhalten liegt vor, wenn der Stellmotor.15 z. B.,als Gleichstrommotor ausgebildet ist und vom Regler 12 eine der Regelabweichung proportionale Spannung als Stellgröße erhält. Dann ist die Regelgeschwindigkeit um so größer, Je größer die momentane Regelabweichung ist. Die Regelung erfolgt zunächst flink und wird dann immer träger, je kleiner die Regelabweichung wird. Von einem vorbestimmten idndestwert der Regelabweichung bis : zum Wert Nullerhält der Stellmotor zweckmäßig eine konstante Spannung. Das geschieht sum Beispiel durch Anordnung einer monostabilen Kippschaltung in Form der Schmitt-Trigger-Schaltung parallel ^u einer beliebigen Sollwert-Vergleichsschaltung im Regler Ii..

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Zu Beginn der Regelung dominiert das proportionale, zum Ende der Regelung das integrale Verhalten. Die bleibende Regelabweichung ist wie bei rein integralern Regelver- · halten Null. Eine solche Regelung wird den Betriebsverbesser gerecht. . "

Schlje ßlich kann im mittleren Regelbereich ausnahmslos ein proportionales Regelverhalten ( z.B. durch Anordnung eines Widerstandes als iroportional'glied im Regler 12) vorgesehen werden. Dann geschieht das Hochfahren der Verbrennungskraftmaschine noch schneller als bei der ausschließlich integralen Regelung. Jedoch können hierbei beim ersten Nulldurchgang größere Lberschwingungen auftreten als bei den anderen Anordnungen.

Es ist für die Wirksamkeit der Regelung wichtig, daß der Stellmotor Il sofort abgebremst wird, sobald der Sollwert eingeregelt ist. Zu diesem Zweck kann stött der Bremse 17 rr.it Bremslüftmagnet IB auch ein Schrittschaltwerk, z. B. ein I-.al te serge.' triebe, angeordnet et in. Auch der Iiotor selbst kanr ,-Ir Schrittmotor ausgebildet sein. Das Unterspannungsrelais kann auch als Zeitrelais ausgeführt sein. tu Ir Aufiöll eier Stromversorgung der Regeleinrichtung oder h* Lr. Ausschalten der Zündung der Vtibrennungskraf tmaschine wird der huppelmagnet 32 strorrlor. jobald die Wellenkupplung ?0 gelöst ist, zieht die Rückholfeder 26 die Regelklappe ?",'■ in die Leerlauf stellung. Dieser Vorgang ist aus Sichecheitsgründen unerliißlic.';.. Er verhindert 2in Durchgehen der Verbrennungskraftmaschine bei Ausfall der Spannung und ermüglicit ein Wiederaniahrtn aus der Leerlauf stellung heraus.

Die mit dfr Exiindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere dr-irin, c'..-jß die Regelung erst dann einsetzt, wenn die Verbrennungskraftmaschine eine vorgegeben« Landesttemperatür erreicht h.-tt und d.-ß Le-.iiT. nuci.ill und bei Störung der Spannung die Reijf IkIaj-pf- ί,Γ-lbEttcitiij in clic- Lc;erlaui Stellung geht. Es werden ,■ilio vor. vornherein RtKj e let«" rung en verhindert, und falls sie (Joch aui treten, richten cie keinen Schaden mehr an.

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Ein veiterer Vorteil ist die rasche und veitgehend pendelfreie Konstantregelung, die insbesondere durch die erfindungsgemäße Kombination von integralem und proportionalem bzv. proportionalem, integralem und differentialem Regelverhalten eintritt.

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Claims

Patentansprüche

γ.) drehzahlregler für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Hegelklappe für die Verbrennungeluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch, mit einer elektrischen Hegeleinrichtung, die laufend die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine mißt, mit einem Sollwert vergleicht und der Drehzahlabweichung entsprechend die Hegelklappe verstellt, dadurch gekennzeichnet , daß in einem zur Segeleinrichtung gehörenden Stromkreis ein auf die Temperatur der Verbrennungskraftmaschine ansprechender Thermoschalter so angeordnet und geschaltet ist, daß die Einwirkung der elektrischen Regeleinrichtung auf die Regelklappe unterbleibt, bis die Verbrennungskraftmaschine eine vorgegebene Mindesttemperatur erreicht hat und daß die Regelklappe außerdem mit einer Einrichtung zusammenwirkt, die die Hegelklappe in die Leerlaufstellung fährt, sobald die Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung unterbrochen ist.

2) Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Regelklappe mit einem elektrischen Stellmotor zusammenwirkt, der über ein Unterspannungsrelais, das auf die Versorgungsspannung der Hegeleinrichtung anspricht, mit einer unabhängigen Spannungequelle verbunden wird, sobald die Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung ausfällt, wobei der Stellmotor die Regelklappe in die Leerlaufstellung fährt.

3) Drehzahlregler nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen der elektrischen Regeleinrichtung und der Regelklappe angeordnete elektromagnetische Kupplung die mechanische Verbindung dieser beiden Teile trennt, sobald die Stromversorgung der elektrischen Regeleinrichtung unterbrochen ist und daß die Regelklappe mittels einer an sich bekannten Rückholfeder in die Schließstellung bzw. Leerlaufstellung bewegt wird, sobald die

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mechanische Verbindung zwischen der Regelklappe und der elektrischen Regeleinrichtung getrennt ißt.

h) Drehzahlregler nach Anspruch 3, -dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Kupplung als Rutschkupplung ausgebildet ist. '

5) Drehzahlregler nach Anspruch 1 bis k_% dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Regeleinrichtung in Wirkungsrichtung aufgezählt aus folgenden Teilen besteht: Einer Spannungsquelle mit einer der Drehzahl proportionalen Spannung (z.B. Tachogenerator), einer proportional dem Sollwert einstellbaren weiteren, von der ersten unabhängigen Spannungsquelle, einer elektronischen Vergleichsvorrichtung, deren Auegangsspannung die Differenz der erwähnten Spannungen bildet, einem elektrischen Verstärker, einem Stellmotor mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe.

6) Drehzahlregler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich.net , daß die elektrische Regeleinrichtung ein integral wirkendes Regelverhalten aufweist.

7) Drehzahlregler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Regeleinrichtung in wählbaren Betriebsbereichen zusätzlich auch ein proportional oder differential wirkendes Regelverhalten besitzt.

8) Drehzahlregler nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß der Stellmotor eine praktisch unverzögert wirkende elektrische Bremslüfteinrichtung besitzt, die in stromlosem Zustand den Motor

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festbremst und nur dann einen BetätigungSBtrora erhält, wenn auch der Motor von einem Betriebsstrom durchflossen iBt.

9) Drehzahlregler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Stellmotor ein Schrittschaltwerk besitzt, bzw. als Schrittmotor ausgebildet ist.

10) Drehzahlregler nach Anspruch 1 bis 9t dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der elektromagnetischen Kupplung und der Regelklappe ein Kurbeltrieb mit Kurvenscheibe bzw. Kurvenbahn angeordnet ist.

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