DE2242345A1

DE2242345A1 - Kraftstoffzumessanlage fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2242345A1
Application number: DE2242345A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl I Brettschneider; Lorenz Dipl Ing Bundesen; Heinrich Dipl Phys Dr Knapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-08-29
Filing date: 1972-08-29
Publication date: 1974-03-21
Also published as: BR7306649D0; FR2198544A5; DE2242345C3; DE2242345B2

Description

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21.8.1972 Su/Mn

Anlage zur Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart Kraftstoffzumeßanlage für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffzumeßanlage für Brennkraftmaschinen mit einem Kraftstoffbehälter und von diesem zum Saugrohr führenden Kraftstoffleitung, bei derdie das Saugrohr durchströmenden Luftmenge zugemessene Kraftstoffmenge durch die Drücke im Kraftstoffbehälter sowie im Saugrohr bestimmt wird und bei der der Druck im Kraftstoffbehälter durch Mittel änderbar ist, die in Abhängigkeit von Motorkenngrößen insbesondere vom Ausgangssignal einer die Zusammensetzung des Abgases ermittelnden Meßsonde gesteuert werden.

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Bei den heutigen technischen Anforderungen ist der Zweck derartiger Kraftstoffzuneßanlagen für einen Verbrennungsmotor unter allen Betriebsbedingungen selbsttätig ein günstiges Kraftstoff-Luftgemisch-Verhältnis zu schaffen, um so den Kraftstoff möglichst vollständig zu verbrennen, und dadurch bei höchstmöglicher Leistung der Brennkraftmaschine bzw. kleinstmöglichem Kraftstoffverbrauch die Enstehung von giftigen Abgasen zu vermeiden oder stark zu vermindern. Hierzu muß die Kraftstoffmenge den Erfordernissen jedes Betriebszustandes der Brennkraftmaschine entsprechend sehr genau zugemessen werden. Es muft also die im Durchschnitt günstigste Proportionalität zwischen Luftmenge und Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von Motorkenngrößen, insbesondere Abgaswerten änderbar sein, v/as bei der eingangs beschriebenen Kraftstoffzumeßanlage durch Änderung dos Druckes im Kraftstoffbehälter erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Kraftstoffzumeßanlage zu entwickeln, bei der eine derartige Änderung des Druckes im Kraftstoffbehälter mit vorteilhaften und preisgünstigen Mitteln erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Luftraum des Kraftstoffbehälters durch im Querschnitt steuerbare Luftleitungen mit den Saugrohrabschnitten vor und nach einer im Saugrohr vorgesehenen Drosselstelle verbunden ist und die Querschnittssteuerung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßsonde bestimmbar ist, wobei als Kraftstoffbehälter eine Kammer mit konstanter Kraftstoffüllhöhe dienen kann, die vorzugsweise durch einen Schwimmer steuerbar ist. Der Druck in diesem Luftraum stellt sich dann je nach Steuer-

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querschnitt in den Luftleitungen auf einen Druck ein, der geringer ist, als der Druck vor der Drosselstelle des Saugrohres und meist höher als der Druck nach der Drosselstelle. In Ruhestellung sollte in dem Luftraum ein Druck herrschen, der 20 % kleiner ist als der Druck im Saugrohr vor der Drosselstelle. Hierdurch ist eine Anreicherung der vom Motor angesaugten Luft mit Kraftstoff bis zu 10 % möglich, ein für eine Sondenregelung· ausreichender Bereich.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat eine Änderung des Querschnittes in einer Luftleitung eine gegensinnige Änderung des Querschnittes in der anderen Luftleitung zur Folge, wobei vorteilhafter Weise die Steuerung der Luftleitungen durch ein Dreizweiwegemagnet-Ventil erfolgen kann, das vorzugswei.se als Membranventil ausgebildet ist, bei dem die Membran als bewegliches Ventilteil, zwischen den Mündungen der Luftleitungen im Ventilgehäuse angeordnet ist und je nach Erregerstrom der Öffnungszeitquerschnitt pro Mündung dem Erregerstrom entspricht. Hierbei kann die Membran entweder unterschiedliche Zwischenstellungen annehmen · (Proportionalcharakter) oder abwechselnd je eine Mündung verschließen (Integralcharakter).

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in jede der zwei Luftleitungen ein Magnetventil geschaltet, das in Ruhestellung geschlossen ist. Als Meßsonde dient vorteilhafterweise ein Sauerstoffmeßfühler, der aus- einem sauerstoff-ionenleitenden Pestelektrolyten - vorzugsweise Zirkondioxyd - besteht, der beiderseits mit mikroporösen Platinschichten bedampft ist, von denen eine Seite mit der Außenluft, die andere mit den Abgasen in Berührung steht, wobei zwischen den Platinschichten eine Potentialdifferenz auftritt,

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sobald der Sauerstoffpartialdruck der Außenluft von dem des Abgases abweicht. Diese Potentialdifferenz ändert sich sprunghaft im Bereich der Luftzahl X -1.

Die unteren und oberen Schwellwerte dieser Potentialdifferenz können erfindungsgemäß zur getakteten Steuerung von je einem Magentventil dienen, wodurch ein Integralregelcharakter bewirkt wird. Durch die Verwendung von zwei Magnetventilen die entsprechend getaktet arbeiten, wird verhindert, daß aufgrund der Luftleitungen ein Beipaß entsteht, der das Regelverhalten der Anlage stören könnte. Grundsätzlich ist jedoch der Querschnitt der Luftleitungen so klein gewählt, daß die wie durch einen Beipaß durchströmende Luftmenge kleiner als 5 - 10 % der Leerlaufluftrnenge des Kraftfahrzeugmotors und damit durch die Sondensteuerung beherrschbar ist.

Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung stark vereinfacht dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel mit einem Membranregelventil zur Steuerung der Luftleitungen,

Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel, das mit Magnetventilen in den Luftleitungen arbeitet,

Fig. 3 ~ 6 zeigen Diagramme für verschiedene Ansteuermöglichkeiten der Magnetventile.

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In einem Saugrohr 1 sind ein Luftmeßorgan 2 und eine willkürlieh betätigbare Drosselklappe 3 hintereinander angeordnet. Das Luftmeßorgan 2 steuert mit einer Nadel H den Öffnungsquerschnitt 5 einer .Kraftstoffzumeßstelle, an der eine Leitung 6 endet. Die Leitung 6 ragt in einen Kraftstoffbehälter 7 hinein und taucht mit ihrem der Zumeßstelle 5 abgewandten Ende in Kraftstoff ein. Der Luftraum 8 oberhalb des Kraftstoffes ist über eine Leitung 9 und ein Ventil 10 mit Leitungen Ii und 12 verbindbar. Die Leitung 11 führt von dem Ventil 10 zu einer Stelle im Saugrohr vor dem Luftmeßorgan, die Leitung 12 zu einer Stelle nach dem Luftmeßorgan, jedoch vor der Drosselklappe 3. Das Ventil 10 ist als Membranmagnetventil ausgebildet_s bei dem über eine Magnetspule 13 ein Anker 14 betätigt wird, der zumindestens ein Teil der Membran 15 ist« Die Membran 15 ist.zwischen zwei Sitzen 16 und 1? angeordnet, die sich an den Enden der Leitungen 11 und 12 befinden. In der Membran 15 sind' öffnungen 18 vorgesehen, über die die Luft aus der Leitung 11 ungehindert sur Leitung 9 strömen kann. Wie in Fig. 1 nicht näher dargestellt, wird die Magnetspule 13 durch den verstärkten Strom einer im Auspuff des Kraftfahrzeuges angeordneten Meßsonde gesteuert. Je nach Stärke der Erregung wird der Anker 1*1 der im Ruhebetrieb den Sitz 17 verschließt, gegen den Sitz 16 gezogen, wobei die Leitung 11 geöffnet, die Leitung 12 mehr oder weniger geschlossen wird.

Die Betätigung des Ankers 1*1 ist auch getaktet denkbar, d. h. daß das bewegliche Ventilteil abwechselnd einen der Sitze 16 oder 17 verschließt. In jedem Fall wird der Luftraum 8 des Kraftstoffbehälters 7 mehr oder weniger dem im Saugrohr 1 herrschenden Druck vor ©der nach der Zumeßstelle 2 ausgesetzt.

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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind von der Kraftstoffzumeßanlage gegenüber Pig. I nur die zum Flüssigkeitsbehälter führende Leitung 9 sowie die im Saugrohr endenden Steuerleitungen 11 und 12 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel v/erden die Leitungen 11 und 12 durch Magnetventile 20 und 21 gesteuert, die alternativ und gleichzeitig öffnen und schließen können. In einem Abn;asrohr 22 ist die Meßsonde 23 angeordnet, die aus einem einseitig verschlossenen Röhrchen 2k besteht, das aus einem Festelektrolyten, beispielsweise Zirkondioxyd durch Sinterung hergestellt ist. Das Röhrchen 24 ist beiderseits mit mikroporösen Platinschichten 25 bedampft, die mit nicht dargestellten Kontakten versehen sind, die ein elektrisches Potential haben können. Das Röhrchen ist einerseits von der Außenluft berührt, andererseits von den Abgasen des Kraftfahrzeuges. Der Festelektrolyt ist bei höheren Temperaturen, wie sie im Abgasstrom vorherrschen, sauerstoff-ionenleitend.

Wenn der Sauerstoffpartialdruck des Abgases vom Sauerstof fpartialdruck der Außenluft abweicht, dann tritt zwischen den beiden Platinschichten bzw. zwischen den nicht dargestellten Anschlußklemmen eine Potentialdifferenz auf, mit einem charakteristischen Verlauf, der der Luftzahl λ entspricht. Diese Potentialdifferenz hängt logarithmisch vom Quotienten der Sauerstoff-Partialdrücke zu beiden Seiten des Festelektrolyten ab. Deshalb ändert sich die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Meßfühlers in dem näheren Bereich der Luftzahl λ =1,0 sprungartig. Bei λ > 1,0 tritt nämlich im Abgas plötzlich unverbrannter Sauerstoff auf. Infolge der starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Meßfühlers von der

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Luftzahl läßt sich der Sauerstoff-Meßfühler außerordentlich gut zur Steuerung von den oben genannten Magnetventilen verwenden. Die O„-Sondenspannung ist im Bereich %* < 1 groß, im Bereich Λ > 1 klein.

Erfindungsgemäß werden zur Steuerung der Magnetventile nur die großen und die kleinen Spannungen verwendet, jeweils ab einem bestimmten Schwellwert. Auf diese Weise wird der Druck im Luftraum 8 des Kraftstoffbehälters 7 solange geändert, bis eine Luftzahl Λ *» 1 erreicht wird, die sich als besonders günstig herausgestellt hat und einem stöchiometrischen Gemisch aus Luftmenge und Kraftstoffmenge entspricht. Um die gewünschte Regelung^zu erhalten, wird das Magnetventil 20 durch die niedere Spannung unterhalb der unteren Schwellwertgrenze und das Magnetventil 21 durch die hohe oberhalb der oberen Schwellwertgrenze liegende Spannung gesteuert. Bei Aufsteuerung des Ventils 20 steigt also der Druck im Kraftstoffbehälter 7 und der Kraftstoffanteil nimmt zu, hingegen bei Aufsteuerung des Magnetventils 21 nimmt der Kraftstoffanteil ab.

In den Figuren 3-6 sind Diagramme dargestellt, die die Punktion der Regelung besser veranschaulichen und bei denen Sondenspannungen bzw. Steuerspannungen über der Zeit dargestellt sind. In Fig. 3 ist im oberen Diagramm die Sondenausgangsspannung mit ihrem sprungartigen Verlauf dargestellt. Die waagrechten Linien Sl und S2 stellen den oberen und unteren Schwellwert dar. Für die Steuerung der Magnetventile werden nur die oberhalb bzw. unterhalb dieser Schwellwertgrenzen vorhandenen Spannungen ausgenutzt. Sobald also die Spannung über die Linie Sl steigt _s- oder unter die Linie S2 sinkt, wird je eines der Magnetventile betätigt, wie es auf

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den beiden unteren Diagrammen der Fig. 3 gezeigt ist. Während die Impulse beim mittleren Diagramm für das Magnetventil 20 gelten, gelten die im unteren Diagramm für das Magnetventil 21. Die Einschaltzeiten von den Magnetventilen .20 und 21 können auch wie dargestellt immer gleich entweder ti oder t2 sein, d. h. der Einschaltzeitpunkt wird durch die Sonde gesteuert, der Ausschaltzeitpunkt erfolgt nach der Zeit ti bzw. t2. Dies 'r · kann von Vorteil sein, wenn schnelle aber gleichmäßige Schaltzeiten erwünscht sind.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind in den Schaltkreis zwischen Sonde 23 und Magnetventilen 20, 21 Schwellwertverstärker 26 und 27 angeordnet, die jeweils nur auf die Ober- oder Unterspannungen reagieren und diese entsprechend für die Steuerung der Magnetventile verstärken. Es kann jedoch auch von Vorteil sein, den Schwellwertverstärkern eine Impuls formerstufe 28 vorzuschalten, durch die aus dem sprunghaften Kurvenverlauf der Sondenspannungen ein klarer Rechteckverlauf erzeugt wird, der ann über eine Integralreglerstufe in gleichmäßig steigende und fallende Kurvenabschnitte geteilt wird, aus der dann durch die Schwellwertverstärker die Ober- oder Unterspannungen heraus getrennt v/erden.

In Fig. ¹J ist im zweiten Diagramm der Spannungsverlauf nach einer Impulsformerstufe gezeigt, im dritten Diagramm nach der Integralreglerstufe.

Damit die Schwellspannungen vom Integralregler her weder zuweit nach oben, noch zuweit nach unten überschritten werden, ist eine Spannungsbegrenzung durch einen Baustein des Integralreglers zweckmäßig, infolgedessen ein besseres Re-

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gelverhalten erreicht wird und die Magnetventile 20, 21 schnell nach Umkehr der Sondenspannung wieder' abgeschaltet werden. In Fig. 5 entspricht das erste Diagramm der Spannung nach der Impulsformerstufe, das zweite Diagramm der Spannung nach einem .Integralregler mit Spannungsbegrenzung.

Der Integralregler läßt sich zusätzlich durch einen Baustein auch so ausbilden, daß er bei Umkehr der Spannungsrichtung einen steilen Spannungssprung liefert, mit dem eine vorhandene Hysterese des Schwellwertverstärkers übersprungen werden kann·. In Pig· 6 ist im ersten Diagramm die Integralregler-Ausgangsspannung dargestellt, für einen derartig ausgebildeten Regler.

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Claims

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Anspräche

' l, ,Kraftstoffzumoßanlage für Brennkraftmaschinen, mit einem Kraftstoffbehälter und einer von diesem zum Saugrohr führenden· Kraftstoffleitung, bei der die das Saugrohr durchströmenden Luftmenge zugemessene Kraftstoffmenge durch die Drücke im Kraftstoffbehälter sowie im Saugrohr bestimmt v;ird und bei der der Druck im Kraftstoffbehälter durch Mittel änderbar ist, die in Abhängigkeit von Motorkenngrößen, insbesondere vom Ausgangssignal einer die Zusammensetzung des Abgases ermittelnden Meßsonde gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftraum (8) des Kraftstoffbehälters (7) durch im Querschnitt steuerbare Luftleitungen (11, 12) mit den Sausrohrabschnitten vor und nach einer im Saugrohr (1) vorgesehenen Drosselstelle (2) verbunden ist, und die Querschnittssteuerung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßsonde (23) bestimmbar ist.

2. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffbehälter (7) Kraftstoff konstanter Füllhöhe enthält, die vorzugsweise durch einen Schwimmer steuerbar ist.

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3. Kraftstoffzurneßanlagc nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (2) im Saugrohr

(1) unabhängig vom Luftdurchsatz ein weitgehend konstantes Druckgefälle bewirkt.

4. Kraftstoffzumeßanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselstelle

(2) eine Luftmeßvorrichtung dient.

5. Kraftstoff zumeßanlage nach einem der Ansprüche 1 bis ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung des Querschnitts in einer Luftleitung (11, 12) eine gegensinnign Änderung des Querschnittes in der anderen Luftleitung (11, 12) zur Folge hat (Fig. 1), in der Schwimmerkammer einen änderbaren Druck erzeugend.

6. Kraftstoffzumeßanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch· gekennzeichnet, daß die Steuerung der Luftleitungen (11, 12) durch insbesondere ein 3/2 Wegemagnetventil (10) erfolgt, das vorzugsweise als Membranventil ausgebildet ist, bei dem die Memb,ran (15), als bewegliches Ventilteil zwischen den Mündungen (16, 17) der Luftleitungen (11, 12) im Ventilgehäuse angeordnet ist,

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und je nach Erregerstrom digital oder analog getaktet, der Öffnungszeitquerschnitt pro Mündung (16, 17) dem Erregerstrom entspricht.

7. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Ruhestellung des Ventils (10) die mit dem Saugrohrabschnitt vor der Drosselstelle (3) verbundene Luftleitung (11) gesperrt ist.

8. Kraftstoffzumeßanlage nach einem der vorhergehenden An-.sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Ruhestellung des Magnetventils (10) der Luftdruck im Kraftstoffbehälter (7) etwa 20 % niedriger ist, als der Luftdruck im Saugrohr (1) vor der Drosselstelle (2).

9. Kraftstoffzumeßanlage nach einem der Ansprüche 1 bis ¹I, dadurch gekennzeichnet, daß in jede der zwei Luftleitungen (11, 12) ein Magnetventil (20, 21) geschaltet ist, das in Ruhestellung geschlossen ist.

10. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß durch getaktetes Anlegen der Schwimmerkammer an die Drucke (pl bzw. p3) der mittlere Schwimmerdruck (p2) dem Tastverhältnis der jeweiligen Verbindungszeit mit (pl) bzw. mit (p3) entspricht.

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11. Kraftstoffzumeßanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsonde (23) ein Sauerstoff-Meßfühler dient, der aus einem sauerstoff-ionenleitenden Pestelektrolyten (24) - vorzugsweise Zirkondioxyd - besteht, der beiderseits mit mikroporösen Platinschichten (25) bedampft ist, von denen eine Seite mit der Außenluft, die andere Seite mit den Abgasen in Berührung steht, wobei zwischen ■ den Platinschichten eine Potentialdifferenz auftritt, sobald der Sauerstoffpartialdruck der Außenluft von dem des Abgases abweicht und daß diese Potentialdifferenz sich sprunghaft im Bereich der Luftzahl A-I ändert ,

12. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren und oberen Schwellwerte der Potentialdifferenz zuxgetakteten Steuerung von je einem Magnetventil (20, 21) dienen, einen Integralregelcharakter bewirkend.

13. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Schwellwerte die λ < 1 entsprechen, das Magnetventil (21) steuern, das in der nach der Dross'elstelle (2) in -das Saugrohr (1) mündenden Leitung (12) angeordnet ist.

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I¹J. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Meßsonde (23) im jeweiligen Schwellbereich durch entsprechende differenzabhängig ansprechende elektrische Geräte (26, 27) verstärkt wird.

15. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 1Ί, dadurch gekennzeichnet, daß den Schwellwertverstärkern (26, 27) eine Impulsformerstufe (28) für die Spannung mit nachfolgendem Integralregler (29) vorgeschaltet ist.

16. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 15, dadurc> gekennzeichnet, daß der Integralregler (29) ein Bauteil für die Spannungsbegrenzung nach oben und nach unten hat.

17. Kraftstoffzumeßanlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Integralregler (29) bei Viechsei der Spannungsänderung ein bestimmter Spannungssprung bewirkt wird.

18. Kraftstoffzumeßanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Luftleitungen (11, 12) zusätzlich willkürlich änderbare Drosselstellen (30, 31) angeordnet sind. .*

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