DE2837190C2

DE2837190C2 - Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses in einem Kraftstoff-Fördersystem einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE2837190C2
Application number: DE19782837190
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Chiryu Ando; Mikio Nagoya Minoura; Katsuhiko Toyota Motosugi; Setsuro Sekiya; Masaharu Sumiyoshi; Yuzo Takeuchi; Junzo Nagoya Uozumi
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1977-08-30
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1985-06-20
Also published as: JPS5438441A; DE2837190A1; CA1078281A

Description

rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert

In der Figur bezeichnet 10 einen Ansaugdurchlaß, der stromauf von einem Ansaugsammler 102 einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine angebracht ist In dem Ansaugdurchlaß 10 sind ein herkömmliches Drosselventil 12, das zur Steuerung der Strömung eier der Maschine in Richtung des Pfeils A (Αή zugeführten Luft mittels eines (nicht gezeigten) Gashebels oder Gaspedals betätigt wird, und eine Luftklappe 16 angeordnet, die stromauf des Drosselventils 12 angebracht ist und mit dieser einen Konstantdruckraum 14 bildet

Die Luftklappe 16 ist von einer Drehklappe mit einer Antriebswelle 18 gebildet welche quer zur Achse des Ansaugdurchlasses 10 steht und drehbar an der Umfangswand des Ansaugdurchlasses 10 angebracht ist Ein Endteil der Welle 18 ragt seitlich aus dem Ansaugdurchlaß 10 heraus und ist an einem Verbindungsglied 22 angeschlossen, das aus einer Drucksteuervorrichtung 20 ragt die so angeordnet und aufgebaut ist aaß im Ansprechen auf eine Veränderung des Drucks im Konstantdruckraum 14 die Luftklappe 16 sich über das Verbindungsglied 22 und die Welle 18 derart dreht daß der Druck im Konstantdruckraum 14 und damit der Druckabfall über der Klappe 16 unabhängig von einer Änderung der Ansaugluftströmung im wesentlichen konstant gehalten wird. Eine derartige Drucksteuervorrichtung ist bekannt und beispielsweise in der US-PS 37 39 762 beschrieben. Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels der Steuereinrichtung kann die Drucksteuervorrichtung 20 entweder die in der genannten US-PS beschriebene oder ein Rückkopplungs-Steuersystem bzw. Regelsystem sein, wie es in den deutschen Patentanmeldungen P 28 18 571 oder P 28 19 477 beschrieben ist.

An dem herausragenden Endteil der Welle 18 ist ein Hebel 24 befestigt an dessen Ende ein Stift 26 angebracht ist, der parallel zur Welle 18 verläuft. Außerhalb des Ansaugdurchlasses 10 ist eine Kraftstoffdosiervorrichtung 30 angebracht die einen Zylinder 32 aufweist, der axial verschiebbar einen Kraftstoffdosierkolben 34 aufnimmt. Der Kraftstoffdosierkolben ist an seinem äußeren Ende über ein Gelenkelement 28 an den Stift 26 wie folgt angeschlossen: Im oberen Endteilabschnitt des Gelenkelements 28 ist ein Schlitz 29 ausgebildet durch den der Stift 26 lose ragt, so daß die Drehbewegung der Welle 18 und damit des Hebels 24 zusammen mit der Luftklappe 16 in eine geradlinige Bewegung des Kraftstoffdosier-Kolbens 34 in die durch den Pfeil B gezeigte Richtung umgesetzt wird.

Durch das Zusammenwirken der inneren End- bzw. Stirnfläche des Kraftstoffdosier-Kolbens 34 mit dem Zylinder 32 ist eine Kraftstoffkammer 36 gebildet die mit einem Kraftstofftank 42 über eine Kraftstoffversorgungsleitung 40 verbunden ist, in der eine Kraftstoffpumpe 38 sitzt. Von der Kraftstoff versorgungsleitung 40 ist an einer Stelle stromab der Pumpe 38 eine Leitung 46 mit einem Überdruck- bzw. Druckausgleichsventil 44 abgezweigt, so daß der in der Kraftstoffkammer 36 geförderte Kraftstoff auf einem konstanten Druck über dem atmosphärischen Druck gehalten wird.

Im inneren Endbereich des Kraftstoffdosier-Kolbens 34 ist eine axiale Bohrung 34a ausgebildet, in deren Umfangswand ein Paar von einander diametral gegenüberliegenden Längsschlitzen 346 ausgebildet sind. Andererseits besitzt der Zylinder 32 eine Ringnut 32a, die mit den Schlitzen 346 zur Bildung einer veränderbaren Kraftstoffdosier-Drosselstelle zusammenwirkt. Die Ringnut 32a ist mit einem Kraftstoffkanal 48 verbunden, der zu einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 50 führt.

In den Kraftstoffkanal ist zwischen der Einspritzvorrichtung 50 und der Kraftstoffdosiervornchtung 30 eine Membran-Differenzdruckvorrichtung 52 eingegliedert, die eine Drosseldruckkammer 58 und eine Steuerdruckkammer 56, die mittels einer Membran 54 von der Kammer 58 getrennt ist Der mittels der Kraftstoffdosiervorrichtung 30 zugemessene Kraftstoff gelangt über eine Einlaßöffnung 58a in die Drosseldruckkummer 58 und strömt aus einer Auslaßöffnung 580 zur Einspritzvorrichtung 50. Die Auslaßöffnung 586 ist durch ein Ventilsitzelement 62 mit einem ringförmigen Ventilsitz 60 gebildet der der Membran 54 gegenüberstehend und in Schließberührung mit derselben angeordnet ist. Um das Ventilsitzelement 62 herum ist eine Schraubenfeder 64 angeordnet die die Membran 54 federnd von dem Ventilsitz 60 wegdrückt. Andererseits ist die Steuerdruckkammer 56 über eine Zweigleitung 66 mit einer darin angebrachten festen Drosselstelle 68 mit Kraftstoff aus der Kraftstoffversorgungsleitung 40 beschickt Stromab der festen Drosselstelle 68 ist an die Zweigleitung 66 eine Kraftstoffrückführleitung 70 angeschlossen, in der ein Drucksteuerventil 72 angebracht ist, das dazu dient den Rücklauf des Kraftstoffs z. B. in Abhängigkeit von Änderungen der Betriebsparameter der Maschine (wie beispielsweise der Maschinentemperatur) zu verändern.

Die Kraftstoff-Differenzdruckvorrichtung 52 arbeitet

so, daß während normalem Maschinenbetrieb über der veränderbaren Kraftstoffdosier-Drosselstelle 32a, 346 ein konstanter Druckunterschied aufrechterhalten wird, denn es wird mit einer Steigerung des Drucks in der zweiten Drosseldruckkammer 58 der Abstand zwischen der Membran 54 und dem Ventilsitz 60 vergrößert, so daß der Strömungswiderstand am Spalt zwischen der Membran 54 und dem Ventilsitz 60 verringert wird, und umgekehrt Daher wird unabhängig von der Menge des aus der Auslaßöffnung 586 der Drosseldruckkammer 58 fließenden Kraftstoffs der Kraftstoffdruck in der Drosseldruckkammer 58 auf einem Wert gehalten, der um einen durch die Federkonstante der Schraubenfeder 64 bestimmten konstanten Wert unter dem Wert in der Steuerdruckkammer 56 liegt, so daß letztlich der Druckabfall über der veränderbaren Kraftstoffdosier-Drosselstelle 32a, 346 konstant bleibt
Wenn bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau der Steuereinrichtung mittels des Maschinengashebels bzw. Gaspedals oder Beschleunigungselements das Drosselventil 12 zu seiner Vollöffnungsstellung hin gedreht wird, wodurch die Ansaugluft-Durchflußmenge gesteigert wird, fällt der Druck im Konstantdruckraum 14 tendenziell ab. Dieser Abfall wird mittels der Drucksteuervorrichtung 20 erfaßt die dann das Verbindungsglied 22 zur Drehung der Welle 18 und damit der Luftklappe 16 in Öffnungsrichtung betätigt, so daß der Druck in der Luftdruckkammer 14 konstant gehalten wird. Die Drehung der Luftklappe 16 wird über die Welle 18, den Hebel 24, den Stift 26 und das Gelenkelement 28 auf den Kraftstoffdosier-Kolben 34 übertragen und ergibt eine axiale Bewegung nach links in der Figur. Dementsprechend wird die Überlappungsfläche zwisehen den Schlitzen 346 und der Ringnut 32a vergrößert. Nimmt man nun an, daß die Maschine im normalen Betrieb läuft bei dem der Druckabfall über der Kraftstoffdosier-Drosselstelle 32a, 346 konstant ist, so ist die Kraftstoffströmung durch die Kraftstoffdosier-Drosselstelle proportional zur Kraftstoffströmungs-Querschnittsfläche derselben. Unter diesen Voraussetzungen steigt der Kraftstofffluß durch die Kraftstoffdosier-Drosselstelle 32a, 346 an, wenn die mit Aa bezeichnete,

von der Luftklappe 16 freigegebene Durchtrittsfläche vergrößert wird. Die Durchtrittsfläche der Kraf tstof fdosier-Drosselstelle 32a, 34b ist genau proportional zu einer Versetzung χ des Kraftstoffdosier-Kolbens 34. Folgende mathematische Analyse soll zeigen, daß sie bei 5 steigender Wahl der Lage des Stifts 26 auch direkt proportional zur Veränderung des Luftdurchsatzes ist. Zur mathematischen Analyse seien folgende Maßnahmen getroffen: θο bezeichne den Winkel, der zwischen einer sich senkrecht zur Achse des Ansaugdurchlasses 10 erstreckenden und die Achse der Welle 18 der Luftklappe 16 enthaltenden Ebene »P« und einer Ebene der Luftklappe 16 in ihrer durch die gestrichelte Linie dargestellten Vorschließstellung gebildet ist (der nachstehend als »Vollschließwinkel« bezeichnet wird); θ< bezeichnet einen Winkel zwischen einer die Platte der Luftklappe 16 enthaltenden Ebene und einer die Achsen sowohl des Stifts 26 als auch der Welle IS enthaltenden Ebene; θ bezeichne den Winkel der Luftklappe zwischen ihrer Vollschließstellung und einer teilweise geöffneten Stellung; der Radius, auf dem sich der Stift 26 bewegt, sei mit r bezeichnet; und der innere Durchmesser des Ansaugdurchlasses 10 sei mit D bezeichnet. Für den Fall, daß θ\ = 0 ist (d. h. bei einer Ausführungsform, bei der die Achse des Stifts 26 in der Ebene des Luftventils 16 liegt), gelten dann die folgenden Beziehungen:

[cos θο - cos ψ₀ + θ)] χ = r [cos Θο — cos (öo + Θ)]

30

Hence,

Aa
χ

πΡ²
4 cos 6>o

= constant

(3)

35

In Gleichung (3) ist die axiale Verschiebung χ des Kraftstoffdosier-Kolbens 34 genau proportional zur Strömungsquerschnittsfläche der veränderbaren Kraftsioffdosier-Drosselstelle 32, 34o. Folglich bleibt das Luft-Kraftstoffverhältnis konstant

Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, bleibt unabhängig von Veränderungen der Strömung der Ansaugluft das Luft-Kraftstoff-Verhältnis immer in dem Fall konstant, daß θ\ = 0 ist. Diese Betriebscharakteristik ist dann besonders vorteilhaft, wenn sie bei einer Brennkraftmaschine Anwendung Findet, die mit konstanter Drehzahl unter konstanter Belastung betrieben wird. Für Maschinen, die so ausgelegt sind, daß sie unter Bedingungen betrieben werden, bei denen sowohl die Drehzahl als auch die Maschinenbelastung Änderungen erfährt, ist es jedoch hinsichtlich der Betriebsmöglichkeiten dieser Art von Maschinen vorteilhaft, das Luft-Kraftstoffverhältnis so zu steuern, daß es im Teillastbereich und im Betriebsbereich mit niedrigerer Drehzahl der Maschine verhältnismäßig klein ist (d. h. das Gemisch geringfügig angereichert ist) und im Vollast-Betriebsbereich einem Leistungs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis angepaßt ist Zu diesem Zweck kann der Hebel 24 so an der Welle 18 befestigt werden, daß die Achse des Stifts 26 um einen geringfügigen Winkel θ\ aus der Ebene der Luftklappe 16 versetzt ist, wobei in der Darstellung gemäß Fig. 1 der Hebel 24 so an der Welle 18 befestigt ist, daß der Winkel θ\ einen kleinen positiven Wert annimmt.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform, bei der der Winkel θ\ zu Null gewählt ist, ist im Falle der Wahl

55

60 eines von Null geringfügig verschiedenen Winkels θ\ das Verhältnis der Verschiebung χ des Kraftstoffdosier-Kolbens 34 zu der Durchtrittsfläche Aa der Luftklappe nicht immer konstant. Wenn der Winke! θ\ einen positiven Wert hat, steigt das Verhältnis Aa/x an, wenn die Durchtrittsfläche Aa der Luftklappe (und damit der öffnungswinkel θ der Luftklappe) vergrößert wird. Das heißt, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nimmt bei einer verhältnismäßig geringen Ansaugluftströmung einen verhältnismäßig geringen Wert an (d. h. das Gemisch wird angereichert), und wird bei Steigerung der Ansaugluftströmung größer (d. h. der Gemisch wird magerer). Wenn andererseits für den Winkel Θ\ ein geringer negativer Wert gewählt wird, wird mit einer Vergrößerung des öffnungswinkels Θ der Luftklappe das Verhältnis Aa/x kleiner, was zur Folge hat, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei eher verhältnismäßig geringen Ansaugluftströmung groß ist und bei Steigerung der Strömung kleiner wird. Bereits mit Winkelabweichungen von — 3° bis +1° lassen sich Kennlinien für das Luft-Kraftstoffverhältnis erzielen, die den den angesprochenen Betriebsweisen einer Brennkraftmaschine ausreichend gerecht werden.

Das mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung konstant einregelbare Luft-Kraftstoffverhältnis kann gezielt korrigiert werden, indem das Öffnungsausmaß des Drucksteuerventils 72 der Kraftstoff-Differenzdruckvorrichtung 52 im Ansprechen auf eine Veränderung der Maschinenbetriebsparameter verändert wird. In diesem Fall wird der Kraftstoffdruck in der Steuerdruckkammer 56 einer entsprechenden Änderung unterzogen, da das Verhältnis zwischen den Strömungswiderständen (Druckverlusten) aufgrund der festen Drosselstelle 68 und des Drucksteuerventils 72 verändert wird. Da der Kraftstoffdruck in der Drosseldruckkammer 58 auf einem Wert gehalten wird, der um einen v^estimmten Wert niedriger als der Druckwert in der Steuerdruckkammer 56 ist, wird auch der Druck in der Drosseldruckkammer 58 einer entsprechenden Änderung unterzogen. Wenn beispielsweise das Öffnungsmaß des Drucksteuerventils 72 verringert wird, steigt der Kraftstoffdruck in der Steuerdruckkammer 56 an, was eine entsprechende Steigerung des Drucks in der Drosseldruckkammer 58 ergibt.

Eine Veränderung des Kraftstoffdrucks in der Drosseldruckkammer 58 als Funktion des Öffnungsausmaßes des Drucksteuerventils 72 ergibt wiederum eine entsprechende Änderung des Kraftstoffdrucks in der Leitung 48 stromab der Kraftstoffdosier-Drosselstelle (32a, 34b). Im Gegensatz dazu bleibt gemäß der vorstehenden Beschreibung der Kraftstoffdruck stromaufwärts der Kraftstoffdosier-Drosselstelle (32a, 34b), d. h. in der Kraftstoffkammer 36 im Zylinder 32 konstant Folglich ergibt eine Veränderung des Kraftstoffdrucks stromab der veränderbaren Kraftstoffdosier-Drosselstelle eine Veränderung des Druckabfalls über der Kraftstoffdosier-Drosselstelle und damit des Kraftstoffdurchsatzes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses in einem Kraftstoff-Fördersystem einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, mit einem der Drosselklappe vorgeschalteten Konstantdruckraum, der durch eine Luftdosierklappe begrenzt ist, deren Stellung zur Regelung des Konstantdrucks steuerbar und die über ein Gestänge mit einem in einem Dosierzylinder gleitend verschiebbaren Kraftstoffdosierkolben verbunden ist, der einen unter konstantem Druck stehenden Kraftstoffversorgungsstrom durch lineare Aufsteuerung von Drosselkanten in eine membranbegrenzte Drosseldruckkammer einer Differenzdruckvorrichtung drosselt, deren andere Steuerdruckkammer mit einem vom Kraftstoffversorgungsstrom abgeleiteten Kraftstoffsteuerdruck beaufschlagt ist, durch den die Membran gegen den gedrosselten Kraftstoffdruck und eine Federkraft in einer Gleichgewichtslage gehalten wird, in der sie zur Konstanthaltung des Drucks in der Drosseldruckkammer einen in diese ragenden Kraftstoff-Dosieranschluß steuert, wobei die Luftklappe eine zentrisch im Ansaugrohr gelagerte Drehklappe ist, deren Antriebswelle fest mit einem exzentrisch angeordneten Stift verbunden ist, dessen Bewegungskomponente in einer Richtung senkrecht zur Ansaugströmung für die Steuerung des Dosierkolbens abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungskompcnente (x) an einer Stelle abgegriffen wird, die in der Ebene der Luftklappe (16) liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses in einem Kraftstoff-Fördersystem einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine Vorrichtung oben angegebener Art findet im Zuge der Optimierung des Verbrennungsablaufs und des Kraftstoffverbrauchs regelmäßig dann Anwendung, wenn ein optimales und exakt vorgegebenes stöchiometrisches Gemisch als Basiswert im gesamten Betriebsspektrum einer Brennkraftmaschine bereitgestellt werden soll, damit dann gegebenenfalls gezielt eine willkürliche und exakt vorbestimmte Korrektur des Luft-Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine in verschiedenen Phasen des Betriebs vorgenommen werden kann.

Das Arbeitsprinzip derartiger Vorrichtungen besteht darin, daß die Bewegung einer Luftdosierklappe abgegriffen und zur Vermeidung nicht-linearer Übertragungsfehler über möglichst wenig Zwischenglieder in einen Stellweg eines Kraftstoffdosierkolbens derart umgewandelt wird, daß sich die Fördermenge des Kraftstoffs proportional zum Luftdurchsatz ändert. Durch besondere Zusatzmaßnahmen wird dafür gesorgt, daß sich der Druckabfall an den jeweiligen Drosselstellen für die Luft bzw. für den Kraftstoff nicht ändert, damit eine Vergrößerung der Durchtrittsfläche für die Luft bzw. für den Kraftstoff eine proportionale Vergrößerung des Massendurchsatzes der jeweiligen Medien nach sich zieht.

Nicht nur aus herstellungstechnischen, sondern auch

aus strömungstechnischen Gründen bevorzugt man bei derartigen Systemen Luftdosierklappen, die als zentrisch im Ansaugrohr gelagerte Drehklappen ausgebildet sind, da man auf diese Weise die Stellung des Dosierkolbens weitgehend frei von Trägheitskräften und mit geringer Eigendynamik des Stellsystems steuern kann.

Aus der DE-OS 25 29 769 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs bekannt, bei der die Umwandlung der Bewegung der Luftdosierklappe in den Stellweg des Kraftstoffdosierkolbens, der zur Bildung der mit ihm zusammenwirkenden Drosselkanten mit einer im wesentlichen konisch verlaufenden Dosiernadel in eine zylindrische Kalibrieröffnung eintaucht, dadurch erfolgt, daß der exzentrisch angeordnete Stift den senkrecht zur von der Luftdosierklappenachse und der Ansaugströmung aufgespannten Ebene gleitend geführten Kraftstoffdosierkolben formschlüssig während der Drehbewegung der Luftdosierklappe mitnimmt. Zur Konstanthaltung des Luft-/K.raftstoffverhältnisses bei Aufsteuern der Luftdosierklappe ist die im wesentlichen konisch geformte Dosiernadel entsprechend einer geeigneten, der Kalibrieröffnung angepaßten Gesetzmäßigkeit geformt.
Es liegt auf der Hand, daß eine zum Durchsatz der Luft direkt proportionale Aufsteuerung des Kraftstoff-Versorgungsstroms nur dann realisierbar ist, wenn die Dosienadel exakt geschliffen und mit enger Toleranz in bezug zur Kalibrieröffnung eingesetzt ist. Dies ist allerdings gerade deshalb schwer zu verwirklichen, weil die absoluten Abmessungen der Drosselstelle verhältnismäßig klein sind, so daß sich selbst geringste Toleranzen qualitativ verhältnismäßig stark auswirken können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs zu schaffen, die mit einfachen Mitteln für eine direkte Abhängigkeit der Proportionalität des Luftdurchsatzes zum Kraftstoffdurchsatz sorgt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich in erster Linie dadurch aus, daß die Bewegungskomponente des Stifts in Richtung des Kraftstoffdosierkolbens bereits direkt proportional zum Luftdurchsatz ist, so daß die vorteilhafte Möglichkeit eröffnet wird, mit dem Dosierkolben die Drosselquerschnitte linear zu steuern, was nicht nur den fertigungstechnischen Anforderungen, sondern auch der Betriebsgenauigkeit entgegenkommt, weil dadurch nicht-lineare Fehler ausgeschlossen werden können. Erfindungsgemäß wird damit eine Vorrichtung geschaffen, die mit einfach gestalteten und damit sehr leicht herstellbaren Drosselkörpern und Drosselquerschnitten in jeder Stellung der Luftdosierklappe. d. h. in jedem stationären Betriebszustand der Brennkraftmaschine, ein konstantes Luft-/Kraftstoffgemisch bereitstellt. Ein besonders vorteilhafter Nebeneffekt der erfindungsgemäßen Lösung besteht zusätzlich noch darin, daß sie die Herleitung der Erkenntnis ermöglichte, wonach der Abgriff der Bewegungskomponente an Stellen, die geringfügig außerhalb der Luft klappenebene liegen, bei unverändertem Übertragungsmechanismus und beibehaltener Drosselgeometrien zu einer Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses führen, die den Anforderungen an das Übergangsverhalten vom Teil- in den Vollastbetrieb in besonderer Weise gerecht wird.

Nachstehend wird anhand der Figur, die einen schematischen Schnitt durch die Vorrichtung zur Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses zeigt, ein Ausfüh-