DE2634448C3 - Einrichtung zur Messung des Gewichts einer strömenden Gasmenge - Google Patents

Einrichtung zur Messung des Gewichts einer strömenden Gasmenge

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DE2634448C3 DE2634448A DE2634448A DE2634448C3 DE 2634448 C3 DE2634448 C3 DE 2634448C3 DE 2634448 A DE2634448 A DE 2634448A DE 2634448 A DE2634448 A DE 2634448A DE 2634448 C3 DE2634448 C3 DE 2634448C3
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Description

Die Frfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung des Gewichts einer strömenden Gasmenge,
ίο wobei eine Strömungsmeßklappe und eine Ströiaungssteuerungsklappe hintereinander in einem Strömungskanal angeordnet sind und wobei ein Flächenströmungsmesser den Druckunterschied auf gegenüberliegenden Seiten der Strömungsmeßklappe konstanthält und die Größe der durchströmenden Gasmenge abhängig von der öffnungsfläche der Klappe ermittelt wird, mit einer Rückführungsregelung mit einem druckabhängigen Verstärker, einer Klappenöffnungseinrichtung und mit einer Einrichtung zur Berücksichtigung der Temperatur der angesaugten Luft, wobei der druckabhängige Verstärker eine durch eine Differenzdruckeinsteürnembran gesteuerte Strömungsöffnung zur Erzeugung eines Steuerdrucks aufweist, welcher die Klappenöffnungseinrichtung derart beaufschlagt, daß der Differenzdruck an der Meßklappe auf einem voreingestellten Wert konstantgehalten wird und der druckabhängige Verstärker eine über eine erste Leitung mit dem Strömungskanal an einer Stelle hinter der Strömungsmeßklappe verbundene Kammer und eine durch die Differenzdruckeinstellmembran davon getrennte Kammer aufweist, welche über eine zweite Leitung mit dem Strömungskanal an einer Stelle vor der Strömungsmeßklappe verbunden ist, wobei die Differenzdruckeinstellmembran den Ventilkörper eines Ven-
J5 tils an der veränderbaren Strömungsöffnung betätigt und der mit der Membran verbundene Ventilkörper von einem Kompensationsmechanismus zur Kompensation von Schwankungen d.s spezifischen Gewichts des Gases entsprechend der Abhängigkeit von Druck und Temperatur beaufschlagt wird, ϊ clcher einen auf Druckschwankungen ansprechenden Federbalg aufweist, welcher innerhalb einer weiteren Kammer des Verstärkers angeordnet ist, die ebenfalls über die zweite Leitung mit der Stelle vor der Strömungsmeßklappe im Strömungskanal verbunden ist.
Unter Hinblick .· if den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors und auf die Zusammensetzung des Auspuffgases muß bei Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, das Gewichtsverhältnis von angesaugter Luft /um Kraftstoff konstantgehalten werden. Man benötigt hierzu eine Svhr genau arbeitende Meßeinrichtung für die angesaugte Luft.
Solche .Strömungsmeßeinrichtungen für die ange saugte Luft enthalten normalerweise eine im Saugrohr angeordnete Strömungssteuerklappe, eine vor dieser Klappe angeordnete Strömungsmeßklappe und eine Einrichtung zur Steuerung des Drucks in der zwischen den beiden Klappen gebildeten Kammer derart, daß der Druckunterschied auf gegenüberliegenden Seiten der
t>o Strömungsmeßklappe konstantgehalten wird. Dann ist die angesaugte Luftmenge proportional der Öffnungsfläche der StrömungsmeBklappe, so daß die angesaugte Luftmenge aus der Öffnungsfläche bestimmbar ist.
Solche Flächenströmungsmeßgeräte sind bekannt.
Die Steuerung der Strömungsmeßklappe erfolgt hierbei unter Verwendung einer vom Druckunterschied abhängigen Steuerservoeinrichtung mit Rückführung, wobei Abweichungen des auf beiden Seiten der Klappe
26 34 44S
entstehenden Oruckunterschieds von einem vorgegebenen Wert von >einer Druckunterschiedeinstellmembran der Servoeinrichtung erfaßt werden. Der erfaßte Wert wird von einer flüssigkeitsgesteuerten Einrichtung verstärkt, wobei der verstärkte Ausgang zur Vergrößerung oder Verringerung der Öffnungsfläche der Strömungsmeßklappe dient, wodurch der Druckunterschied wieder auf den vorgegebenen Wert gebracht v/ird.
Das spezifische Gewicht der angesaugten Luft änderte sich aber auch abhängig von Druck und Temperatur. Zur genauen Messung der angesaugten Luftmenge ist deshalb auch eine Einrichtung zur Temperatur- und Druckkompensation erforderlich. Bekannt ist hierbei eine Einrichtung zur Messung des Gewichts, von welchem die vorliegende Erfindung ausgeht (japanische Patentanmeldung 48-107455/73). Diese Einrichtung verwendet eine mechanische Kompensation und eine Rückführungsregelung mit einem eingegliederten Kompensationsteil, wobei die Druckkompensation durch eine druckabhängige Einrichtung und die Temperaturkompensation durch eine wärmeabhängige Einrichtung erfolgt Es sind dab τ zwei Einrichtungen mit Membranen erforderlich. Beide Membranen dehnen sich in ihrer Länge aus oder ziehen sich zusammen entsprechend der Temperatur und des Druckes, wodurch eine Feder gleichfalls entsprechend mehr oder weniger zusammengedrückt wird. Die sich aus der Kraft bei der Bewegung der Feder ergebende Schwankung wird zur Ablenkung einer Membran verwendet. Es ist daher erforderlich, die Feder zwischen der temperaturabhängigen Vorrichtung und der druckabhängigen Vorrichtung in Reihe anzuordnen.
Um eine exakte Arbeitsweise der bekannten Vorrichtung zu erzielen, sind drei variable Faktoren zu berücksichtigen, nämlich Temperatur, Druck und Schwankungen bei der Bewegung der Feder aufgrund der Längenänderung der beiden vorgenannten Vorrichtungen. Es hat sich damit in der Praxis als sehr schwierig herausgestellt, diese drei variablen Faktoren exakt zu berücksichtig -in.
Zum Stand der Technik zählt weiterhin ein Zustandsregler für Gase, welcher als Gasmengenmesser dient (DE-AS 14 98 367). Hierbei ist in einem Innenraum ein Meßvolumen vorhanden, wobei der Innenraum von einem Mantelraum umgeben ist. Der Innenraum ist nach unten durch eine Membran abgeschlissen, welche ein Ventil betätigt, das an einem Anschlußstück angebracht ist. Das Gas im Mantelraum umspült den Innenraum vollständig, so daß Temperaturgleichheit zwischen den Gasen und den Räum.ori gewährleistet ist. Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch nicht zur Messung des Gewichts einer strömender Gasmenge geeignet und es ist kein Stromungskanal mit einer Strömungsmeßklappe und einer Steuerungsstromungsklappe vorhanden.
Zum Stand der Technik zählt weiterhin ein Brennstoffeinspritzsystem, welches jedoch infolge der Vielzahl von Membraneh und Steuerungseinrichtungen sehr kompliziert aufgebaut ist (DE-OS Ki 24 161).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welqhe bei gleicher Effektivität der Funktion einen einfacheren Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kömpensationsmechanismus aus dem Federbalg allein besteht, welcher mit einem Gas gefüllt ist, derart, daß das Produkt aus wirksamer Fläche der Diffei'enzdruckdnstellrnejTibraii und dem Gasdruckumerschied gleich ist dem Produkt aus der wirksamen Fläche des Federbalgs und dem Gasdruck des eingeschlossenen Gases. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß zur Kompensation von Dichteschwankun gen der angesaugten Luft, welche durch Temperatur- und Druckschwankungen verursacht werden, ein einziges Kompensationssystem genügt. Daraus resultiert eine erhebliche Vereinfachung gegenüber den bekannten Vorrichtungen, wobei die erfindungsgemäße
in Einrichtung trotzdem unabhängig und sehr genau arbeitet. Das Flächenströmungsmeßgerät mit Rückführungsregelung bewirkt die Druck- und Temperaturkompensation der angesaugten Luft mit einer relativ einfachen Einrichtung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die veränderbare Strömungsöffnung definiert durch ein an der Differenzdruckeinstellmembran befestigtes Schieberventil und durch ein mit dem Ventilsitz verbundenes Hauptgehäuse.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die veränderbare Strömungsöffnung definiert sein durch eine an der Differen2v>.uckeinstellmembran gelagerte Kugel und durch einen am Hauptgehäuse angebrachten Ventilsitz.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kan^ mit dem Federbalg eine Differenzdruckeinstellfeder zusammenwirken, welche so angeordnet ist, daß eine in dem Federbalg erzeugte Kraft aufgrund des darin enthaltenen Gases und die Kraft der Feder parallel zueinander
jo auf die Differenzdruckeinstellmembran wirken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch die
ij Hauptteile einer Ausführungsfonn der Erfindung,
F i g. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 3 einen Schnitt durch eine bevorzugte Klappenausführung in Anwendung auf die Bauformen nach F i g. 1 und 2.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 erkennt man ein Luftansaugrohr 1 einer nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine und eine Rückführregelung 2, gebildet von einer Ventilöffnungseinrichtung 3 und einem druckabhängigen Verstärker 4. Im Luftansaugrohr 1 befinden sich eine als Luftdrosselklappe dienende (in Strömungsrichtung) obenliegende Klappe 5 und eine (in Strömungsrichtung) untenliegende Klappe 6. Die obere Klappe 5 kann beispielsweise eine Strömungsmeßklappa sein, mit der Ventilöffnungseinrichtung 3 verbunden, während die untere Klappe 6 als mit dem Gaspedal 7 verbundene Strömungssteuerungsklappe ausgebildet ist. Die beiden Klappen 5 und 6 können außerdem auch umgekehrt angeordnet sein.
D;'nn ist das Gaspedal 7 mit der oberen Klappe 5 und die Klappenöffnungseinrichtung 3 mit der unteren Klappe 6 verbunden.
Der Luftdruck vor dem oberen Ventil 5 sei Fi und der Luftdruck in der Zwischenkammer 8 zwischen oberem und unterem Ventil sein Pj. Wenn man den Druckunterschied P1 - P: immer konstant hält, so ist die durchströmende Luftmenge der Öffnungsfläche der oberen Klappe 5 proportional. Wenn der Druck P\ — '?2 von einem Voreingestellten Wert abweicht, so wird diese Abweichung von dem durckabhängigen Verstärker 4 erfaßt und Verstärkt und dient zur direkten Steuerung beim Öffnen und Schließen des oberen Ventils 5.
Im Hauptgehäuse 9 der Klappenöffnungseinrichtung
3 befindet sich eine von einer Feder 10 belastete Membran 11, deren beweglicher Teil mit der oberen Klappe 5 verbunden ist.
Innen ist das Hauptgehäuse 12 des drückabhängigen Verstärkers 4 durch eine Druckunterschiedeinstellmembran 13 in zwei Kammern A und B unterteilt, wobei der bewegliche Teil des Druckeinstcllventils 13 mit einem Ventil 14 verbünden ist« Das Ventil 14 bildet mit seinem Sitz 15 eine variable Ausmündung 16, deren Öffnüngsiiäche durch Verschiebung des Ventils 14 verändert wird. Die variable Ausmlindung 16 verbindet die Kammern C und D. Über eine Öffnung 17 sind die Kammern A und D miteinander verbunden. Außerdem können die Kammern A und Düber ein Rohr verbunden werden. Mit der Zwischenkammer 8 ist die Kammer B über ein Rohr 18 und die Kammer C über ein Rohr 21 verbunden. Infolge dieser Konstruktion bleiben die Kammern A und D auf dem Luftdruck Pi an der Vorderseite, während die Kammer ü den Druck P2 der Luft in der Zwischenkammer hat.
Der druckempfindliche Verstärker 4 dient im Prinzip zur Erfassung der Abweichung (Fehler) des Druckes Pi - P2. Die Druck- und Temperaturkompensation der Luft erfolgt durch einen Federbalg 22 im druckempfindlichen Verstärker 4. Der Balg 22 enthält ein Gas mit einer Referenztemperatur und einem Referenzdruck. An einem Ende berührt er das Ventil 14 und das andere Ende ist mit dem Hauptgehäuse 12 verbunden. Druckunterschiedeinstellfedern 23 und 24 wirken auf den Federbalg 22 und die Druckunterschiedeinstellmembran 13.
Die beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt: Wenn der Druckunterschied P\ - P2 von einem bestimmten, vorgegebenen Wert etwas abweicht, wird die Druckunterschiedeinstellmembran 13 verschoben und damit das Ventil 14, so daß die Ventilöffnungsfläche der variablen Ausmündung 16 zwischen den Kammern C und D sich ändert und damit auch der Druck Pn in der Kammer Czwischen Pi und Pi.
Es sei darauf hingewiesen, daß eine Verschiebung an der Druckunterschiedeinstellmembran 13 von wenig πκί-.Γ als 10 MiUrcr. streicht, dam·', der Pn^k P- *i<*h von P\ auf P2 ändert. Außerdem sind die Federn 23 und 24 in den Kammern A und D so eingestellt, daß sie sich beim Luftdruck P\ und P2 im Gleichgewicht befinden. Zur Federeinstellung dient eine Schraube 25. Im ausgeglichenen Zustand ist die veränderbare Ausmündung 16 leicht geöffnet.
Wenn sich der Druckunterschied Pi - P2 ändert und damit der Druck Pn in der Kammer C wird die Membran 11 der KlappenCffnungseinrichtung 3 verschoben und die Strömungsmeßklappe 5 so verstellt, daß die Abweichung ausgeglichen wird.
" Es sei angenommen, daß Q das Gewicht der die obere Klappe 5 passierenden Luftströmung ist, S die Öffnungsfläche der oberen Klappe 5, P,*der Druckunterschied Pt-P2, g die Erdbeschleunigung, K der Strömungskoeffizient der Klappe und γ das spezifische Gewicht der Luft. Dann gilt:
(I)
Das spezifische Gewicht γ ändert sich mit Druck und Temperatur. Bei Ermittlung des Gewichtes der Luftströmung Q aus der Öffnungsfläche S ergibt sich somit bei konstantem Druckunterschied P1/ein Fehler, wenn sich γ ändert Veränderungen von Pd durch Schwankungen
von γ müssen deshalb so kompensiert werden, damit PdY auf einem konstanten Wert bleibt. Der Federbalg 22 bewirkt diese Kompensation automatisch, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:
Es sei S\ die wirksame Fläche der Druckunterschiedeinsteilmembran 13, Pdo der Druckunterschied bei Referenztemperatur und -druck, S2 die wirksame Fläche des Federbalges und Po der Referenzdruck des eingeschlossenen Gases. Es muß dann folgende Bedingung erfüllt sein: S\Pdo = S2Po. Nach dem Gesetz Von Boyle-Charle ist dann PdY annähernd konstant, unabhängig von Druck- und Temperaturschwankungen.
Bei konstantem Pdfolgt aus der Gleichung (1):
= Pi
+ ro
= 0.
Für die angesaugte Luft gilt nach dem Gesetz von Boyle-Charle:
= PIR T
wobei R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur und Pder Druck ist. Aus der Gleichung (3) folgt:
IP
Da die Volumenänderung des Federbalges 22 auch
bei Temperatur- und Druckschwankungen vernachlässigbar klein ist und da P/T konstant ist, läßt sich die Druckänderung Δ Pt des Gases im Federbalg 22 wie folgt ausdrücken:
Pn
IT T
Da die Volumenänderung des Federbalges vernachlässigbar klein ist, ist die Veränderung bzw. der Zuwachs der Kraft APbS2 infolge des auf die Stirnseite des Federbalges wirkenden Druckes gleich der Summe der Kraft APbS2 infolge des Zuwachses des auf die Dnickunterschiedeinstellmembran wirkenden Differenzdruckes und der Kraft APS2 infolge des Zuwachses des äußeren Druckes auf den Federbalg:
I PhS2 = I PS, + I PS1 . (6)
Aus den Gleichungen (2). (4). (5) und (6) folgt:
= S1Pn.
Wenn die Gleichung (7) erfüllt ist,so folgt daraus, daß Pd γ konstant ist, unabhängig von Druck und Temperatür des angesaugten Gases.
Obige Bedingung ist erfüllt wenn die Verschiebung der Druckunterschiedeinstellmembran etwas über 10 Mikron liegt und wenn die Volumenänderung des Federbalges vernachlässigbar klein ist Sie läßt sich unabhängig von den Federn 23 und 24 zur Druckunterschiedseinstellung variieren. Bei konstantem Pd γ ist das Gewicht der angesaugten Luftströmung proportional der Öffnungsfläche der oberen Klappe. Wenn man die Steuereinrichtung für die Kraftstoffströmung so anschließt daß sie der Öffnungsfläche S proportional ist so wird das Verhältnis der angesaugten Luft zum Kraftstoff unabhängig von Druck und Temperatur der Umgebungsluft konstant gehalten.
Der Federbalg und die Feder 23 sind parallel auf der gleichen Seite der Druckunterschiedseinstellmembran angeordnet. Es ist zu beachten, daß sie nicht in Reihe angeordnet werden können, da hierdurch der Federbalg infolge seiner Elastizität eine Volumenähdefung erfahren würde, infolge der Temperatur- und Druckänderungen der angesaugten Luft und da die Bedingungen nicht mehl» Erfüllt sind, die die Temperatur und Druckkompensation durch Einschluß eines Gases im Federbalg bewirkt. Die zur Einstellung des Drücküritefschiedes vorgesehene Schraube 25 kann auch zur Kompensation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet werden, wenn der Motor kalt ist oder beschleunigt oder verzögert.
Die Feder 24 zur Druckunterschiedseinstellung kann entfallen, wenn gewährleistet ist, daß sich der untere Teil des Fedcrbalges nicht vom Ventil 14 am beweglichen Teil der Druckunterschiedseinstellmembfäfr trennen känfr. rviäfi kann darin uie Eifi&ieüüOMfUüue 25 so anordnen, daß sie unten direkt gegen den Federbalg drückt. Man kann auch anstejle der Druckunterschiedeipstellfedern 23 und 24 die Elastizität des Federbalges verwenden.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fi g. 2 befindet sich die Kammer Cso unter der DrUckunterschiedeinstellmembran 13, daß eine Verringerung des Drucks in der Kammer B, d. h. des Drucks P^
in der Z.Wischerikamrrief 8, das Ventil 14 nach oben drücken und die variable Ausmündung i6 öffnen kann. In diesem Fall wirkt der Steuerausgang Pn auf die obere Kammer 26 der Klappen?cfnungseinrichtung 3. Außer dem steht die untere Kammer 27 mit einer festen Drosselstelle 28 in der Membran 11 für die Strömungsmeßklappe 5 und mit der Zwischenkammer 8 über ein Rohr 29 in Verbindung.
Bei der Weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Fig.3 ist ein Ventil 30 an der Druckunterschiedeinstcümcmbran 13 angebracht, in Form einer Kugel, geführt durch den zylindrischen Abschnitt 32 einer Ventilkammer 31, die damit aus einem Stück besteht, so daß dazwischen und zwischen einer kugeligen Innenfläche 33 eine variable Ausmündung 34 definiert ist. Die Verwendung einer Kugel als Ventilkörpef gewährleistet, daß auf die Verschiebung der Druckunterschiedeinstellmembran eine ausreichende Änderung der Öffnungsfiächc der variablen Ausrnündüng folgt.
Es genügt somit zur Kompensation von Dichteschwankungen der angesaugten Luft, die durch Temperatur- und Druckschwankungen verursacht werden, die Erfüllung der Bedingung StP1X1 = SiPo durch ein einziges Kompensationssystem. Dadurch wird das Kompensationssystem für Drück Und Temperatur ganz erheblich vereinfacht. Trotzdem arbeitet das Kompensationssystem vollkommen unabhängig und sehr genau.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Messung des Gewichts einer strömenden Gasmenge, wobei eine Strömungsmeßklappe und eine Strömungssteuerungsklappe hintereinander in einem Strömungskanal angeordnet sind und wobei ein Flächenströmungsmesser den Druckunterschied auf gegenüberliegenden Seiten der Strömungsmeßklappe konstant hält und die Größe der durchströmenden Gasmenge abhängig von der öffnungsfläche der Klappe ermittelt wird, mit einer Rückführungsregelung mit einem druckabhängigen Verstärker, einer KJappenöffnungseinrichtung und mit einer Einrichtung zur Berücksichtigung der Temperatur der angesaugten Luft, wobei der druckabhängige Verstärker eine durch eine Differenzdruckeinstellmembran gesteuerte Strömungsöffnung zur Erzeugung eines Steuerdrucks aufweist, welcher die Klappenöffnungseinrichtung derart beaufschlag!, daß der Differenzdruck an der Meßklappe auf einem voreingesulken Wert konstant gehalten wird und der druckabhängige Verstärker eine über eine erste Leitung mit dem Strömungskanal an einer Stelle hinter der Strömungsmeßklappe verbundene Kammer und eine durch die Differenzdruckeins'ellmembran davon gelrennte Kammer aufweist, welche über tine zweite Leitung mit dem Strömungskanal an einer Stelle vor der Strömungsmebklappe verbunden ist, wobei die Differenzdruckeinstellmembran den Venlilkörper ei ^s Ventils an der veränderbaren Strömungsöffnung betätigt und der mit der Membran verbundene Ventilkörper von einem Kompensationsmechanismus zur Kompensation von Schwankungen des spezifischen oewichts des Gases entsprechend der Abhängigkeit von Druck und Temperatur beaufschlagt wird, welcher einen auf Druckschwankungen ansprechenden Federbalg aufweist, welcher innerhalb einer weiteren Kammer des Verstärkers angeordnet ist, die ebenfalls über die /weite Leitung mit der Stelle vor der Slrömungsmeßklappe im Strömungskanal verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsmechanismus aus dem Fedprbalg (22) allein besteht, der mit einem Gas gefüllt ist, derart, daß das Produkt aus wirksamer Fläche der Differenzdruckeinstellmembran (13) und dem Gasdruckunterschied gleich ist dem Produkt aus der wirksamen Fläche des Federbalgs (22) und dem Gasdruck des eingeschlossenen Gases.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Strömungsöffnung (16) definiert ist durch ein an der Differenzdruckeinstellmembran (13) befestigtes Schieberventil (14) und durch ein mit dem Ventilsitz verbundenes Hauptgehäuse (12).
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Strömungsöffnung (34) definiert ist durch eine an der Differenzdruckeinstellmembran (13) gelagerte Kugel (30) und durch eineri am Hauptgehäüse angebrachten Ventilsitz (32).
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Federbalg (22) eine DifferenzdrUckeinstellfeder (23) zusammenwirkt, welche so angeordnet ist, daß eine in dem Federbalg (22) erzeugte Kraft aufgrund des darin enthaltenen Gases und dje Kraft der Feder (5!3) parallel zueinander auf die Differenzdruckeinstollmembran (13) wirken.
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