DE2133434C3

DE2133434C3 - Kraftstoffeinspritzanlage mit kontinuierlicher Einspritzung in das Saugrohr von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2133434C3
Application number: DE19712133434
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg Knapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1969-12-01
Filing date: 1971-07-05
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DE2133434A1; AT318307B; DE2133434B2; GB1395526A

Description

sprechend der Änderung des Basisstromes am Transistor und damit des Steuerstromes des Elektromagneten ein Luftverhältnis von λ=0,9 einregelbar isL

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß der das Meßorgan aufnehmende Konus ;m Saugrohr für ein Luftverhältnis von λ = 1,05 ausgelegt ist und im Teillastgebiet der Brennkraftmaschine das Luftverhältnis mittels der Sauerstoffsonde durch einen Zweipunktregler nachregelbar ist.

Nach einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Druckregelventil als Flachsitzventil mit einer Membran als beweglichem Ventilteil ausgebildet und der Anker des Elektromagneten reibungsfrei an einer Spinne aufgehängt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die gesamte Kraftstoffeinspritzanlage,

F i g. 2 eine Schaltung, mit der der Steuerstrom des Druckregelventils in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration geregelt wird,

Fig.3 in einem Diagramm den Verlauf der Sondenspannung in Abhängigkeit vom Luftverhältnis.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzanlage strömt die Verbrennungsluft in Pfeilrichtung in einen Saugrohrabschnitt 1, in dem ein Meßorgan 2 in einem Konus 3 angeordnet ist, und weiterhin durch einen Verbindungsschlauch 4 und einen Saugrohrabschnitt 5 zu einem oder mehreren nicht dargestellten Zylindern einer Brennkraftmaschine. Das Meßorgan 2 ist eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Platte, die sich im Konus 3 des Saugrohres nach einer annähernd linearen Funktion der durch das Saugrohr strömenden Luftmenge bewegt, wobei für eine konstante am Meßorgan 2 angreifende Rückstellkraft sowie einen konstanten vor dem Meßorgan 2 herrschenden Luftdruck der zwischen Meßorgan 2 und Drosselklappe

6 herrschende Druck ebenfalls konstant bleibt.

Das Meßorgan 2 steuert unmittelbar ein Zumeß- und Mengenteilerventil 7. Zur Übertragung der Verstellbewegung des Meßorgans 2 dient ein mit ihm verbundener Hebel 8, der um einen Drehpunkt 9 möglichst reibungsfrei gelagert ist und bei seiner Schwenkbewegung mit einer Nase 10 das als Steuerschieber ausgebildete bewegliche Ventilteil 11 des Zumeßventils

7 betätigt. Die der Nase 10 abgewandte Stirnfläche 12 des Steuerschiebers 11 wird von Druckflüssigkeit beaufschlagt, die als Rückstellkraft für das Meßorgan 2 dient.

Die Kraftstoffversorgung erfolgt durch eine von einem Elektromotor 15 angetriebene Kraftstoffpumpe 16, die Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 17 ansaugt und über eine Leitung 18 dem Zumeßventil 7 zugeführt. Von der Leitung 18 zweigt eine Leitung 19 ab, in die ein Druckbegrenzungsventil 20 geschaltet ist.

Aus der Leitung 18 gelangt der Kraftstoff in einen Kanal 21 im Gehäuse des Mengenteilerventils 7. Der Kanal 21 führt zu einer Ringnut 22 des Steuerschiebers U und weiterhin über verschiedene Abzweigungen zu Kammern 23, so daß die eine Seite einer Membran 24 durch diesen Kraftstoffdruck beaufschlagt wird. ]e nach Stellung des Steuerschiebers 11 überdeckt die Ringnut 22 mehr oder weniger Steuerschlitze 25, die durch Kanäle 26 zu je einer Kammer 27 führen, die durch die Membran 24 von der Kammer 23 getrennt ist. Aus den Kümmern 27 gelangt der Kraftstoff über Kanäle 28 zu den einzelnen nicht dargestellten Einspritzventilen, die in der Nähe der Motorzylinder im Saugrohr angeordnet sind. Die Membran 24 dient als bewegliches Teil eines Flachsitzventils, das durch die Feder 29 bei nicht arbeitender Kraftstoffeinspritzanlage offengehalten wird. Die je aus einer Kammer 23 und 27 gebildeten Membrandosen bewirken, daß unabhängig von der zwischen der Ringnut 22 und den Steuerschlitzen 25 bestehenden Oberdeckung, also unabhängig von der zu den Einspritzventilen strömenden Kraftstoffmenge, das Druckgefälle an dem Zumeßventi! 22, 25 weitgehend

ίο konstant bleibt. Damit ist gewährleistet, daß der Verstellweg des Steuerschiebers 11 und die zugemessene Kraftstoffmenge proportional sind.

Bei der Schwenkbewegung des Hebels 8 wird die Platte 2 des Meßorgans 2 in den Konus 3 des Saugrohrs 1 bewegt, so daß sich der zwischen Platte und Konus ändernde Ringquerschnitt proportional zum Verstellweg des Meßorgans 2 ist. Falls diese Voraussetzung gegeben ist, besteht eine lineare Abhängigkeit der Stellbewegung des Meßorgans 2 und der Verschiebebewegung des Steuerschiebers 11, so daß der durch das Saugrohr strömenden Luftmenge stets eine proportionale Kraftstoffmenge zugemessen wird.

Die als konstante Rückstellkraft auf den Steuerschieber 11 wirkende Druckflüssigkeit ist Kraftstoff. Hierfür zweigt von der Leitung 18 eine Leitung 32 ab, die in einen Kanal 35 mündet, der mit einem Druckraum 33 in Verbindung steht, in den der Steuerschieber 11 mit seiner dem Schwenkhebel 8 abgewandten Stirnfläche 12 ragt. In der Leitung 32 ist eine Drossel 34 angeordnet, die den Versorgungskreislauf 18 des Zumeßventils 7 von dem Steuerdruckkreislauf 32, 35 trennt. Die Druckbeaufschlagung des Druckraums 33 erfolgt über die als Dämpfung dienende Drossel 57. Der Kraftstoff gelangt über den Kanal 35 zum Druckregelventil 36, um dann von dort über eine Rücklaufleitung 37 drucklos zum Kraftstoffbehälter 17 zurückzufließen. Das Druckregelventil 36 ist als Flachsitzventil ausgebildet, bei dem die Metallmembran 24 als bewegliches Ventilteil dient. Die zwischen den Grundkörper 38 und das Gehäuse 39 gespannte Membran 24 bestimmt zusammen mit einem im Grundkörper 38 angeordneten festen Ventilsitz 40 in Offenstellung den Durchströmquerschnitt des Druckregelventils. Es genügt schon eine geringe Bewegung der Membran 24, um den vollen Ventilquerschnitt als Ringquerschnitt zu öffnen, wodurch der überströmende Kraftstoff durch die Rücklaufleitung 37 drucklos zum Kraftstoffbehälter 17 gelangen kann. Die Membran 24 trennt zwei Kammern 41 und 42 voneinander und ist durch eine Feder 43 belastet, deren Vorspannung willkürlich durch eine Stellschraube 44 änderbar ist und deren Kraft in Schließrichtung des Ventils wirkt. Die Feder 43 ist in einer Bohrung 45 des Kerns 46 angeordnet und wirkt über einen gleichzeitig als Federteller dienenden Anker 47 und ein Übertragungsglied 48 auf die Membran 24. Der Kern 46 trägt eine Spule 51. Der Anker 47 ist reibungsfrei an einer Spinne 52 aufgehängt, die zwischen Spannkörpern 53 und 54 eingespannt ist. Der Steuerstrom wird der Spule 51 über einen Stecker 55 zugeführt. Den magnetischen Kreis schließt ein Ring 56.

Die Wirkungsweise der Kraftstoffeinspritzanlage ist folgende:

Bei laufender Brennkraftmaschine wird durch die von dem Elektromotor 15 angetriebene Pumpe 16 Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 17 angesaugt und über die Leitung 18 dem Zumeßventil 7 zugeführt. Gleichzeitig saugt die Brennkraftmaschine über das Saugrohr 1, 4, 5 Luft an, durch die das Meßorgan 2 eine gewisse

Auslenkung aus seiner Ruhelage erfährt. Entsprechend der Auslenkung des Meßorgans 2 wird über den Hebel 8 auch der Steuerschieber 11 verschoben, der dabei einen größeren Querschnitt der Steuerschlitze 25 freigibt. Die direkte Verbindung zwischen Meßorgan 2 und dem Steuerschieber 11 ergibt ein konstantes Verhältnis von Luftmenge und zugemessener Kraftstoffmenge.

Um das Kraftstoff-Luft-Gemisch je nach dem Abschnitt des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine reicher oder ärmer halten zu können, ist eine |₀ Änderung der an sich konstanten Rückstellkraft des Meßorgans 2 in Abhängigkeit von Motorkenngrößen erforderlich. Dies erfolgt dadurch, daß die Motorkenngrößen entweder elektronisch gemessen oder nach Umwandlung in elektrische Größen durch ein elektri- _!5 sches Steuergerät gewandelt werden und als entsprechende Stromstärken die magnetische Feldstärke der Spule 51 ändern, so daß der Anker 47 mehr oder weniger der Federvorspannung 43 entgegenwirkt. Da das Druckregelventil zur Drucksteuerung der Rückstellkraft nur einen minimalen Weg benötigt, kann die Magnetkraft, d. h. der Steuerstrom unmittelbar in Druck Hingesetzt werden. Durch die Aufhängung des Ankers 47 an der Spinne 52 und die Ausgestaltung des Druckregelventils als Flachsitzventil arbeitet das Druckregelventil mechanisch völlig reibungsfrei. Die magnetische Hysterese des Werkstoffes wird in üblicher Weise durch Verwendung nickelhaltigen Eisens klein gehalten.

Wie in F i g. 1 dargestellt, kann es vorteilhaft sein, das Druckrcgelventil 36 in das Mengenteiler- und Zumeßvcntil 7 zu integrieren, unter gleichzeitiger Benutzung der Membran 24 als bewegliches Ventilteil und. um die Steucrdruckleitungen 32, 35 kurzzuhalten. Wie nicht dargestellt, kann jedoch das Druckregelventil auch getrennt von dem Mengenteiler- und Zumeßventil 7 angeordnet sein.

Das Kraftstoffeinspritzsystem kann durch entsprechende Ausgestaltung des Konus 3 für ein bestimmtes Lufiverhältnis A ausgelegt werden. Vorzugsweise wird der Konus nach dem Gegenstand der Erfindung für ein Luftverhältnis von λ annähernd 1,1 ausgelegt, während die Nachführung des Luftverhältnisses auf A = I mit Hilfe einer Sauerstoffsonde 60 erfolgt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird also ausgehend von der armen Seite angereichert. Die zur Nachregelung erforderliche Schaltung ist in F i g. 2 dargestellt. In einer Wand 59, die einen Raum 61, durch den das Abgas der Brennkraftmaschine strömt, von einem Raum 62, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht, trennt, ist die Sauerstoffsonde 60 so angeordnet, daß das auf einem ionenleitenden Festelektrolyten 63 aufgetragene elektrisch leitende Kontaktierungsmaterial 64, 65 auf der einen Seite 64 mit dem Abgas der Brennkraftmaschine, also der Kammer 61 und auf der anderen Seite 65 mit der Atmosphäre, also der Kammer 62 in Verbindung steht. Der Festelektrolyt 63 kann aus stabilisiertem Zirkondioxid, Thoriumdioxid oder Mullit, einem feuerfesten, in hohem Maße temperaturbeständigen Aluminiumsiliziumoxid als Sauerstoffionenleiter bestehen. Das Kontaktierungsmaterial 64,65 ist sehr dünn aufgetzragen und porös, d. h. gasdurchlässig, und kann z. B. aus Platin, aus hochtemperaturbeständigen, elektrisch leitenden Hartstoffen von der Art des Wolframcarbids oder aus hochtemperaturbeständigen, elektrisch leitenden Oxiden von der Art Trieisentetroxid bestehen. Zwischen dem mit dem Abgas in Berührung stehenden Kontaktierungsmaterial 64 und dem mit der Atmosphäre in Berührung stehenden Kontaktierungsmaterial 65 stellt sich ein bestimmtes vom Sauerstoffgehalt des Abgases abhängiges Potential ein, das mit einem Referenzpotential, das durch einen entsprechend hochohmigen Spannungsteiler aus zwei Widerständen 66,67 gebildet wird, mittels eines Operationsverstärkers 68 verglichen wird. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 68 liegt an der Basis eines als Emitterfolger geschalteten Transistors 69 und bestimmt den Steuerstrom der Spule 51 des Druckregelventils 36. Um bei Vollast der Brennkraftmaschine das höchste Drehmoment zu erhalten, betätigt die Drosselklappe 6 kurz vor Erreichen ihrer Offenstellung einen Schalter 70, dem ein Widerstand 71 vorgeschaltet ist. Dadurch ergibt sich ein höherer Steuerstrom an der Spule 51, was zu einer Verringerung der Rückstellkraft auf den Steuerschieber 11 und damit einer Vergrößerung der zugemessenen Kraftstoffmenge führt. Das sich einstellende Lufiverhältnis liegt dabei bei A annähernd 0,9.

F i g. 3 zeigt den Verlauf der Sondenspannung U in Abhängigkeit vom Luftverhältnis A. Wird der Kraftstoffeinspritzanlage durch geeignete Ausbildung des Konus 3 eine Grundeinstellung des Luftverhältnisses von etwa A = I₁I gegeben, so entspricht dies einem Potential der Sauerstoffsonde 60 im Punkt A. Um nun ein Luftverhältnis von A annähernd 1 zu erhalten, ist es noch erforderlich, den Spannungsvergleich zu dem gewünschten Betriebspunkt B durchzuführen, um das Signal für die Nachregelung zu erhalten. Dazu wird wie oben ausgeführt, das Potential der Sauerstoffsonde mit dem Referenzpotential des Punktes D, das durch einen entsprechend hochohmigen Spannungsteiler 66, 67 gebildet wird, mittels des Operationsverstärkers 68 verglichen. Das Ausgangssignal steuert nach entsprechender Verstärkung das Druckregelventil 36. Der stromlose Zustand des Druckregelventils 36 entspricht demnach dem Betriebspunkt A, also der armen Grundeinstellung λ = 1,1. Der eingeregelte Fall entspricht dem Betriebspunkt B mit A = I. Um bei Vollast ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erhalten, ergibt sich nach Betätigung des Schalters 70 durch die sich in Offenstellung befindliche Drosselklappe 6 ein Basisstrom, der ein Luftverhältnis A=0,9 entsprechend dem höchsten Drehmoment im Betriebspunkt Ceinstellt.

Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, die Anpassung der Kraftstoffeinspritzanlage näher an A = 1 zu legen, also z.B. eine Grundeinstellung von A = 1,05 vorzusehen und die Nachführung in Form eines Zweipunktreglers vorzunehmen, derart, daß dann zwischen den Betriebspunkten A und B mittels eines Flip-Flop-Reglers geschaltet wird.

Um Unsicherheiten durch Temperaturschwankungen bei Verwendung der Atmosphäre als Sauerstoffbezugssystem zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, ein gasdicht abgeschlossenes Sauerstoffbezugssystem zu benutzen, das sich in seiner Zusammensetzung nicht ändern kann. Als Sauerstoffbezugssystem kommen verschiedene Metall-Metalloxid-Gemische oder Gemische zweier Oxide eines Metalls in zwei Wertigkeitsstufen in Betracht, wie z. B. die Systeme Ni/NiO, CuZCu₂O u.a.m., wobei die beiden Komponenten jeweils im stöchiometrischen Verhältnis 1:1 vorliegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kraftstoffeinspritzanlage mit kontinuierlicher Einspritzung in das Saugrohr von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, in dem ein Meßorgan und eine willkürlich betätigbare Drosselklappe hintereinander angeordnet sind, wobei das Meßorgan proportional der durchströmenden Luftmenge gegen eine normalerweise konstante, jedoch in Abhängigkeit von MotorkenngröBen änderbare Rückstellkraft ausgelenkt wird und das bewegliche Teil eines in der Kraftstoffleitung angeordneten Ventils für die Zumessung einer zur Luftmenge in einem gewünschten Verhältnis stehenden Krafistoffmenge betätigt, wobei die Änderung der Rückstellkraft durch einen Elektromagneten erfolgt, dessen magnetische Feldstärke abhängig vun den Motorkenngrößen änderbar ist, und als Rückstellkraft Druckflüssigkeit dient, die am beweglichen Teil des Ventils angreift, nach Patent 19 60 146, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom des Elektromagneten (46,47,51,56) und damit die Federvorspannung (Feder 43) eines den Flüssigkeitsdruck bestimmenden Druckregelventils (36) zur Begrenzung der Höchstwerte der Konzentration an Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt (Sonde 60) im Abgas der Brennkraftmaschine änderbar ist.

2. Kraftstoffeinspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas eine Sauerstoffsonde (60) mit ionenleitendem Festelektrolyten (63) (stabilisiertes Zirkondioxid, Thoriumdioxid, Mullit) dient, auf den ein elektrisch leitendes Kontaktierungsmaterial (64, 65) (Platin, Wolframcarbid,Trieisentetro'xid) aufgetragen ist.

3. Kraftstoffeinspritzaniage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das Meßorgan (2) aufnehmende Konus (3) im Saugrohr (I) für ein Luftverhältnis von A = 1,1 ausgelegt ist und im Teillastgebiet der Brennkraftmaschine mittels der Sauerstoffsonde (60) ein Luftverhältnis von A = 1 einregelbar ist.

4. Kraftstoffeinspritzaniage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vollast der Brennkraftmaschine die Drosselklappe (6) einen Schalter (70) betätigt, wodurch entsprechend der Änderung des Basisstromes an einem Transistor (69) und damit des Steuerstromes des Elektromagneten (46, 47, 51, 56) ein Luftverhältnis A = 0,9 einregelbar ist.

5. Kraftstoffeinspritzaniage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Meßorgan (2) aufnehmende Konus (3) im Saugrohr (1) für ein Luftverhältnis von A =1,05 ausgelegt ist und im Teillastgebiet der Brennkraftmaschine das Luftverhältnis mittels der Sauerstoffsonde (60) durch einen Zweipunktregler nachregelbar ist.

6. Kraftstoffeinspritzaniage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregelventil (36) als Flachsitzventil mit einer Membran (24) als beweglichem Ventilteil ausgebildet ist.

7. Kraftstoffeinspritzaniage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (47) des Elektromagneten (46, 47, 51, 56) reibungsfrei an einer Spinne (52) aufgehängt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffein Spritzanlage mit kontinuierlicher Einspritzung in das Saugrohr von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, in dem ein Meßorgan und eine S willkürlich betätigbare Drosselklappe hintereinander angeordnet sind, wobei das Meßorgan proportional der durchströmenden Luftmenge gegen eine normalerweise konstante, jedoch in Abhängigkeit von Motorkenngrößen änderbare Rückstellkraft ausgelenkt wird und das

■ο bewegliche Teil eines in der Kraftstoffleitung angeordneten Ventils für die Zumessung einer zur Luftmenge in einem gewünschten Verhältnis stehenden Kraftstoffmenge betätigt, wobei die Änderung der Rückstellkraft durch einen Elektromagneten erfolgt, dessen magneti-

is sehe Feldstärke abhängig von den Motorkenngrößen änderbar ist, und als Rückstellkraft Druckflüssigkeit dient, die am beweglichen Teil des Ventils angreift, nach Patent 19 60 146.

Bei dieser Kraftstoffeinspritzaniage kann die als Rückstellkraft dienende Druckflüssigkeit in Abhängigkeit von in Stromstärken umgewandelten Motorkenngrößen dadurch beeinflußt werden, daß der Anker des Elektromagneten direkt über einen Steuerschieber auf das Meßorgan wirkt.

Brennkraftmaschinen enthalten in ihrem Abgas u. a. Kohlenmonoxid, Stickoxide und unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zu einer beträchtlichen Verunreinigung der Luft führen. Um diese schädlichen Anteile des Abgases in unschädliche Verbindungen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser überführen zu können, leitet man u. a. die Abgase bei Temperaturen oberhalb 600°C über Katalysatoren. Hierbei ist es jedoch erforderlich, daß das Abgas eine Zusammensetzung aufweist, die eine praktisch vollständige Umsetzung zu den unschädlichen Verbindungen ermöglicht, d. h. das Verhältnis Luft zu Brennstoff muß nahezu stöchiometrisch sein, was man bekanntlich mit einem Luftverhältnis λ nahe 1 bezeichnet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kraftstoffeinspritzaniage nach dem Hauptpatent so zu verbessern, daß die Änderung der Rückstellkraft auf das Meßorgan in Abhängigkeit von Motorkenngräßen so erfolgt, daß zur Nachverbrennung ein günstiges Luftverhältnis einregelbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerstrom des Elektromagneten und damit die Federvorspannung eines den Flüssigkeitsdruck bestimmenden Druckregelventils zur Begrenzung der Höchstwerte der Konzentration an Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine änderbar ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß in an sich bekannter Weise zur Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgas eine Sauerstoffsonde mit ionenleitendem Festelektrolyten (stabilisiertes Zirkondioxid, Thoriumdioxid, Mullit) dient, auf den ein elektrisch leitendes Kontaktierungsmaterial (Platin, Wolframcarbid, Trieeisentetroxid) aufgetragen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der das Meßorgan aufnehmende Konus im Saugrohr für ein Luftverhältnis von A = 1,1 ausgelegt ist und im Teillastgebiet der Brennkraftmaschine mittels der Sauerstoffsonde ein Luftverhältnis von A=I einregelbar ist.

Eine zusätzliche Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß bei Vollast der Brennkraftmaschine die Drosselklappe einen Schalter betätigt, wodurch ent-