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"Vorrichtung zuni Steuern der KraftstoffzufWirung zu Brennkraftmaschinen"
Die Erfindung-betrifft eine Vorrichtung zuni Stcuern der Kraftstoffzuführung zu
Brennkraftmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung
in Fahrzeugen, vornehmlich Kraftfahrzeugen.
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Um eine möglichst gute Verbrennung zu gewährleisten, ist ein bestinmltes
Verhältnis Kraftstoff - Luft erforderlich, d.h., das Gemisch darf weder zu fett
noch zu mager sein. Bei Brelmkraftmaschinen mit Vergasern wird dies durch die Stellung
der Drosselklappe erreicht, bei Brennkraftmaschinen niit Kraftstoffeinspritzung
wird die Einspritzmenge der Gaspedalstellung entsprechend dosiert. Es ist aber nicht
immer möglich, das optimale Verhältnis Kraftstoff zu Luft zu erhalten, besonders
in den Übergangsbereichen werden oft zu fette oder zu magere Gemische verarbeitet,
wodurch neben erhöhtem Kraftstoffverbrauch und Verölen bzw.
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zu geringer Leistung und größerer hitze auch die Schadstoffe in den
Abgasen erhebLich ansteigen Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
welche eine günstige Gemischherstellung erlaubt und dadurch die genannten Nachteile
beseitigen hilft.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Messung des momentanen
Luftdurchsatzes im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine eine Eleßeinrichtung nach
dem Prinzip des Doppler-Effektes vorhanden ist und dal' der in dieser Einrichtung
ermittelte Meßwert, verknüpft mit dem absoluten Luftdruck, als eine Einflußgröße
auf das
Steuerorgan der Kraftstoffzufuhr einwirkt. Zur Erzeugung
einer Phasendifferenz können optische, akustische, elektromagnetische oder andere
Wellen verwendet werden.
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Diese zusätzliche Information hat den Vorteil, daß die Kraftstoffinenge
dein momentanen Luftdurchsatz angepaßt werden kann und je nach Gaspedalstellung
ein Normalbereich von magerer bis fetter Gemischeinstellung überstrichen werden
kann, ohne jedoch eine zu magere oder zu fette Gemischeinstellung je zu erreichen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist so ausgebildet, daß zur Ermittlung
des momentanen Luftdurchsatzes in einem Rohr mit konstantem Querschnitt zwei Schallaufnehmer
und dazwischen ein Schallgeber derart angeordnet sind, daß sich der Schall vom Geber
zum einen Aufnehmer in Strömungsrichtung und zum anderen Aufnehmer gegen die Strömungsrichtung
der Ansaugluft ausbreitet.
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Zur Verarbeitung der empfangenen Schallwellen ist hinter jeden der
beiden Schallaufnehmer ein sclimalbandiges Filter zur Abtrennung von Störgeräuschen
sowie gegebenenfalls ein Verstärker geschaltet und die Ausgänge dieser Filter bzw.
Verstärker sind zu einer weiteren Schaltung geführt, in welcher die Phasendifferenz
dieser beiden Signale ermittelt, mit dem absoluten Luftdruck verknüpft und in -eine
dieser Verknüpfung entsprechende, dem momentanen Luftdurchsatz proportionale Gleichspannung
umgewandelt wird.
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Der absolute Druck als Einflußgröße ist nötig, damit die Vorrichtung
in Meereshöhe und im Gebirge gleichermaßen gut arbeitet.
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In einer weiteren Ausfiihrungsform der Erfindung ist zur Ermi-ttlung
des momentanen Luftdurchsatzes in einem Rohr mit konstantem Querschnitt ein Schallgeber
und (nur) ein Schallaufnehmer derart angeordnet, daß sich der Schall vom Geber zum
Aufnehmer in Strömungsrichtung der Ansaugluft oder gegen diese ausbreitet.
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Da das Signal eines zweiten Aufnelimers fehlt, wird vorgeschlagen,
daß zur Ermittlung einer Phasendiffcrenz das Signal des Schallgebers als Referenzsignal
herangezogen wird.
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Je nachdem, ob die Schallrichtung in Strömungsrichtung oder gegen
diese verläuft, wird bei größerer Strömungsgeschwindigkeit eine kleinere bzw. größere
Phasendifferenz als bei ruhender Luft gemessen.
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Die weitere Verarbeitung des empfangenen Schalles und des Referenzsignals
erfolgt erfindungsgemaß so, daß hinter den Schallaufnehmer ein schmalbandiges Filter
zur Abtrcnnullg von Storgerauschen sowie gegebenenfalls ein Verstärker geschaltet
ist, daß sowohl von dem aus dem Filter bzw. aus dem Verstärker kommenden Signal
als auch aus dem vom Schallgeber kommenden Referenzsignal in je einer Impulsformerstufe
Nadelimpulse erzeugt werden, daß der Nadelimpuls des Referenzsignals auf den Setzeingang
und der Nadelimpuls des empfangenen Signals auf den Löscheingang einer Bistabilen
Kippstufe geführt sind, das die Aniplitude der Ausgangsimpulse dieser Bistabilen
Kippstufe vom absoluten Luftdruck bestimmt wird und daß in einem nachfolgenden Tiefpaß
eine dem momentanen Luftdurchsatz proportionale Gleichspannung erzeugt wird.
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Die Auswerteschaltungen zur Erzeugung der proportionalen Gleichspannungen
können bei beiden Ausführungsbeispielen im Prinzip gegeneinander vertauscht werden.
Welche Ausführung verwendet wird, wird nicht zuletzt von den llerstellungskosten
bestimmt werden.
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In der Zeichnung sind beide beschriebenen Ausführungsformen dargestellt.
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Es zeigen: Figur 1 Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
mit zwei Schallaufnehmern und Phafiendifferenzmessung,
Figur 2:
Eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform mit einem Schallaufnehmer.
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Die schematisch in Figur la dargestellte Ausführungsform besitzt einen
Schallgeber 1 und zwei Schallaufnehmer 2 und 3, welche im Ansaugrohr 4 untergebracht
sind. Nach den Schallaufnehmern 2 und 3 folgen je ein Filter 5 und gegebenenfalls
ein Verstärker 6.
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Die Ausgänge der Filter bzw. Verstärkers führen zu einer weiteren
Schaltung 7, an deren Ausgang 8 die der Phasendifferenz pro portionale Gleichspannung
zur Verfügung steht0 Der Schallgeber 1 im Ansaugrohr 4 sendet Schallwellen einer
bestimmte Frequenz aus, die von den Schallaufnehmeni 2 und 3 empfangen, zur Abtrennung
eventueller Störgeräusche über schmalbandige Filter 5 geleitet und gegebenenfalls
verstärkt werden. Diese Signale werden anschließend der Schaltung 7 zugeführt, in
welcher deren Phasendifferenz ermittelt und mit dem absoluten Luftdruck verknüpft-
wird und in einedieser Verknüpfung entsprechende, dem momentanen Luftdurchsatz proportionale
Gleichspannung umgewandelt-, welche am Ausgang 8 zur Verfügung steht. Vom Ausgang
8 wird nun in nicht mehr dargestellter Weise die Kraftstoffzufuhr gesteuert.
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Es ist von Vorteil, den Schallgeber im Rohr gegenüber den Schallaufnehmern
anzuordnen, da dies die geringsten Turbulenzen ergibt und die Schallwellen den gesamten
Rohrquerschnitt durchlaufen.
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Bei Anordnung von Geber und Aufnehmer auf einer Seite oder-in der
Mitte des Rohres könnten nur Geschwindigkeiten an der Rohrwand gemessen bzw. dio
Meßergebnisse durch starke Turbulenzen verfälscht werden.
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In Figur ib ist die phasenlage der empfangenen Signale dargestellt.
Bei ruhender Luft und der Voraussetzung1 daß l1 = l2 ist, werden die Schallwellen
von beiden Aufnehmern gleichzeitig empfan gen, beide Signale werden durch die Kurve
9 dargestellt.
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Bewegt sich nun die Luft im Ansaugrohr in Pfeilrichtung 10, so werden
die Schallwellen den Aufnehmer 3 früher, den Aufnehmer 2 spater als bei ruhender
Luft erreichen, d.h., die beiden Signale strebeii nun auseinander. Das vom Aufnehmer
3 empfangene Signal ist als Kurve 11, das vom Aufnehmer 2 empfangene Signal als
Kurve 12 dargestellt. Die Diferenz #t ist abhängig von der Geschwindigkeit der durchströmenden
Luft, der Frequenz der vom Schallgeber ausgehenden Schallwellen und der räumlichen
Anordnung von Schallgeber und Schallaufnehmern.
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Im folgenden wird gezeiSt, daß der Massenfluß bzw. die Luftgeschwindigkeit
im Ansaugrolir allein von der Phasendifferenz und dem absoluten Luftdruck abhängig
ist.
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Bei ruhender Luft ist die Laufzeit einer Schallwelle I1 über die Strecke
l1: t1 = cos α . a (1) cosα. a über die Strecke 1: t2 = cosα.
a (2) mit a = Schallgeschwindigkeit in ruhender Luft und # = Neigungswinkel der
Schallwellen zur Rohrachse.
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Bewegt sich die Luft in Richtung 10 und ist 11 = 12, so wird der Schallaufnehmer
3 von derselben Schallwelle zeitlich früher als der Schallaufnehmer 2 erreicht.
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Die Zeitdifferenz beträgt l1 l2 l1(a+w)-l2(a-w) = - = (3) cosα(a-w)
cosα(a+w) cosα(a²-w²) mit w = Geschwindigkeit der durchströmenden Luft.
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P-i Stromungsgeschwindigkeiten bis zu w = 25m/s, bei denen die Meßmethode
augewandt werden soll, kann w² vernachlässigt werden, da es weniger als 1% von a
( n = 330m/s ) beträgt.
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Es wird 1 2 = (4) cosα.a² Mit 11 - l2 = 1 und
2l wird #t = (5) cosα . xgRT wobei x = Verhältnis der spezifischen Wärmen
g = Erdbeschleunigung R = Gaskonstante T = Absolute Temperatur bedeutet.
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Der Massenfluß im Ansaugrohr ist M = V (6) mit F = Rohrquerschnitt
V = Spez. Volumen.
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RT Mit V = p wird
wobei p = absoluter Luftdruck ist.
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Der Massenfluß ist damit eine reine Funktion von dt und p.
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In Figur 2 ist die zweite Ausführung der Erfindung schematisch dargestellt.
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Im Ansaugrohr 4 sind ein Schallgeber 1 und ein Schallaufnehmer 2 angeordnet.
Vom Schallaufnehmer führt eine Leitung zu einem Filter 5, von diesem gegebenenfalls
zu einem Verstärker 6 und weiter zu einer Impulsformerstufe 13, deren Ausgang auf
den Löscheingang der Bistabilen Kippstufe 14 geschaltet ist.
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Der Schallgeber 1 ist ebenfalls mit einer Impulsformerstufe 13 verbunden,
deren Ausgang auf den Setzeingang der Bistabilen Xippstufe 14 geschaltet ist.
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Der absolute Luftdruck wirkt auf die Distabile Kippstufe i4 ein, deren
Ausgang mit einem Tiefpaß 15 verbunden ist, an dessen Ausgang 16 die dem Massendurchfluß
proportionale Gleichspannung steht.
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Vom Schallgeber 1 gelangen die Schallwellen zuin Schallaufnehmer 2,
von diesem über ein schmalbandiges Filter 5 und gegebenenfalls einen Verstärker
6 zu einer Impulsformerstufe 13, wo sie in für die Ansteuerung der Bistabilen Kippstufe
geeignete Impulse umgewandelt werden. Vom Schallgeber gelaugt das Referenzsignal
silber ebenfalls eine Impulsformerstufe 13 zur Bistabilen Kippstufe 14, wodurch
diese gesetzt wird. Durch die Laufzeit der Schallwelle verzögert, trifft deren Impuls
auch bei ruhender Luft später beim Löscheingang der Bistabilen Kippstufe ein, so
daß an ihrem Ausgang Impulse 19 entstehen, wie sie in Figur 2b dargestellt sind.
Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, um so reiter werden die Impulse durch
die größere Verzögerung der Schallwellen gegenüber dem Referenzsignal. Die Impulshöhe
ist proportional dem absoluten Luftdruck, welcher nach entsprechender Umformung
in eine elektrische Spannung in diesem Sinne auf die Bistabile Kippstufe einwirkt.
In Figur 2b oben sind die Setzimpulse 17 und Löschimpulse i8 dargestellt, wie sie
an deii Eingängen der Bistabilen Kippstufe 14 auftreten.
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Vom Ausgang der Bistabilen Kippstufe i4 gelangen die Impulse 19 zu
eillctn Tiefpaß 15, an dessen Ausgang die dem Massenfluß proportionale Gleichspanung
zur Verfügung steht und weiter verarbeitet werden kann.