DE2911338A1 - Kraftstoff-einspritzsystem - Google Patents

Description

NTN Toyo Bearing Company, Limited Osaka / Japan

Kraft stoff-Einspritzsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit einer Steuervorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Form eines hydraulischen Servomechanismus, der das Flüssigkeitsdurchtrittsverhältnis eines in der Kraftstoff-Zuleitung liegenden Kraftstoff-Dosierdurchlasses regelt, wobei ein den Betriebszustand der Brennkraftmaschine darstellendes, von einem Sensorelement geliefertes Signal oder ein simuliertes Signal zur Einstellung eines für diesen Betriebszustand der Maschine optimalen, d.h. idealen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dient.

Figur 1 und 2 der Zeichnungen zeigen bekannte (eigene) Kraftstoff-Einspritzsysteme dieser Art.

Fig. 1 zeigt ein Kraftstoff-Einspritzsystem A mit einem auf dem Strömungsprinzip arbeitenden Servomechanismus B, der den Differenzdruck Pi^-P₂ über eineriin einer Ansaugleitung 1 liegenden Drosselklappe 2 auf einem bestimmten Wert hält, und mit einer Kraftstoff-Zumeß- und -Verteilervorrichtung C, welche die von der Maschine angesaugte luftmenge anhand des Öffnung sgrades der Drosselklappe 2 mißt und eine feste Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad der Drosselklappe 2 und dem Flüssigkeitdurchtrittsverhältnis, d.h. der Öffnungsdauer und/oder dem Öffnungsquerschnitt eines in einer Kraftstoffzuleitung liegenden Kraftstoff-Dosierdurchlasses 3, 4 herstellt, um den Differenzdruck P_f-P. über den Dosierdurchlaß 3, 4 auf einem bestimmten

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Wert zu halten, so daß die Kraftstoffmenge abhängig von der angesaugten Luftmenge bemessen wird. Das Einspritzsystem A ist derart ausgelegt, daß der eingestellte Sollwert der Druckdifferenz P^-P₂ über der Drosselklappe 2 (nachfolgend als eingestellter Grundwert des Servomechanismus bezeichnet ) über den Ausgang eines die im Abgas verbleibende Sauerstoffkonzentration erfassenden Sensorelements 5 kompensiert wird. Als Anschluß für die Steuerung dient ein Heizelement 8, welches von einem mit der Differenzdruck-Einstellmembran 6 des Servomechanismus B zusammenwirkenden Balg 7 umschlossen ist, oder ein (nicht dargestelltes) Heizelement, das mit einem der Differenzdruck-Einstel!membran 6 zugeordneten Bimetall-Element zusammenwirkt.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten bekannten System wird der Öffnungsgrad des Ventils 10 eines Druckreglers 9, der das Gefälle zwischen dem Förderdruck des der Kraftstoff-Zumeß- und -Verteilereinrichtung C zufließenden Kraftstoffes und den in einer Ansaugleitung herrschenden Druck auf einem vorbestimmten Wert hält, durch ein Magnetventil gesteuert, welches durch den von einem Abgas-Sensorelement (Oo-Sensor) 5 gelieferten Ausgang betätigbar ist, so daß der Kraftstoff-Förderdruck P_f zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verändert wird.

Bei dem erstgenannten System dauert es ziemlich lange, bis das Heizelement 8 eine ausreichende Temperatur erreicht, um den in dem Balg 7 herrschenden Druck zu ändern oder das Bimetall-Element zu verformen, so daß die Ansprechgeschwindigkeit auf einen veränderten Betriebszustand langsam und insbesondere die Anpaßfähigkeit bei Schaltvorgängen schlecht ist. Bei letzterem System ist zwar die Ansprechgeschwindigkeit gut, aber das Drehmoment der Maschine kann sich bei Ausweitung des Regelbereichs verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine in kürzerer Zeit anhand mehrerer den Betriebszustand der Maschine

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darstellender Faktoren zu kompensieren und auf dem theoretischen Sollwert zu halten, so daß sich eine bessere Ansprechempfindlichkeit ergibt. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Kraftstoff-Einspritzsystem der eingangs genannten Art vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der eingestellte Sollwert einer den Differenzdruck über dem Kraftstoff-Dosierdurchlaß konstanthaltenden Druckeinstellvorrichtung oder Differenzdruck-Einstellvorrichtung durch EIN/AUS-Betrieb eines in einem Kraftstoffdruck-Steuerkreis liegenden Magnetventils steuerbar ist, daß als Steuerfaktor das Ausgangssignal eines den Betriebszustand der Maschine erfassenden Sensorelements dient und daß der eingestellte Grundwert der Servoeinrichtung derart kompensierbar ist, daß das Verhältnis der Ausgangszeiten der vom Sensorelement erzeugten Signale "kraftstoffreich"/"kraftstoffarm" einen vorbestimmten Wert erreicht.

Nach einem Merkmal der Erfindung werden der eingestellte Grundwert des Servomechanismus und der dadurch bestimmte Grundwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses so kompensiert, daß das Ausgangszeitverhältnis der vom Servomechanismus gelieferten Signale "kraftstoffarm"/"kraftstoffreich" einen vorbestimmten Wert erreicht, so daß sich die zur Kompensation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erforderliche Zeit verkürzt und daiit die Ansprechempfindlichkeit auf den Betriebszustand der Maschine verbessert wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1

und 2 jeweils den Steuermechanismus bekannter Kraftstoff-Einspritzsysteme;

Fig. 3 ein Einspritzsystem nach einer Ausführungsform

der Erfindung;

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Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit;

Fig. 5 als graphische Kurve die Beziehung zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und dem Druck der Einstellfeder nach erfolgter Regelung;

Fig. 6 als graphische Kurve das Verhältnis zwischen dem Kraftstoffdruck P^, dem LuftüberschußfaktorΛ. und dem eingestelltem Solldruck einer Einstellfeder;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 8 eine dritte Ausführungsform nach der Erfindung; Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit;

Fig.10 als graphische Kurve die Steuerspannung eines mit einem Magnetventil zusammenwirkenden Vergleichers ;

Fig. 11 als graphische Kurve das EIN/AUS-Zeitverhältnis des Magnetventils;

Fig. 12 als graphische Kurve die Beziehung zwischen dem Grundwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis nach erfolgter Regelung;

Fig. 13 als graphische Kurve die Beziehung zwischen dem Grundwert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und dem Signal X des Oo'Sensorelements;

und Fig.14 ein Blockschaltbild einer Steuereinheit nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Zu dem in Fig. 3 gezeigten Einspritzsystem A gehören ein hydraulisch arbeitender Servomechanismus B, eine Kraftstoff-Zumeß- und -Verteilungseinrichtung C und eine Steuereinheit D.

Der Servomechanismus B weist eine Differenzdruckeinstellmembran 23 auf, welche Schwankungen des Differenzdrucks P₁ ^-Po über einer in einer Saugleitung 21 liegenden Drosselklappe 22 erfaßt, eine mit der Differenzdruckeinstellmembran 23 zusammenwirkende, veränderliche Durchlaßöffnung 24, eine Feder 25 und einⁿßalg 26 zur Einstellung des Grundwerts des Servomechanismus, und ein Stellglied 28, welches den Ausgang des Servomechanismus über eine Schubstange 27 weiterleitet.

Die Kraftstoff-Zumeß- und -Verteilungseinrichtung C weist einen Druckregler 29 auf, der den Differenzdruck P^-P. zwischen dem Unterdruck in der Ansaugleitung und dem Druck in der Zuleitung auf einem vorbestimmten Wert P-: hält und einen von einem Gehäuse 30 und einem Innengehäuse 30 synchron zur Drehzahl einer Brennkraftmaschine drehbaren und abhängig vom Öffnungsgrad der Drosselklappe 22 verschiebbaren Drehkörper 31 begrenzten Kraftstoff-Dosierdurchlaß 32, 33. Zum Steuermechanismus D gehört ein mit der Abgasleitung 34 verbundenes Abgas-Sensorelement 35, eine Steuereinheit 36, welche abhängig von den vom Abgas-Sensorelement 35 erhaltenen Ausgangsgrößen ein Steuersignal erzeugt, ein Ventil 37, welches über den Ausgang der Steuereinheit 36 EIN-AUS steuerbar ist, und den Kraftstoff-Förderdruck P^ steuert, sowie ein im Balg 26 des Servomechanismus B angeordnetes Heizelement 38, dessen Speisespannung über die Steuereinheit 36 steuerbar ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Steuereinheit 36 besteht aus einem ersten Abweichungs-Erfassungskreis 41, welcher das an der Eingangsklemme 39 anliegende Ausgangssignal des Abgas-Sensorelements 35 mit dem an der Klemme 40 anliegenden Sollwertsignal vergleicht, einem Schaltkreis 42, dem der Vergleichswert des ersten Abweichungs-Erfassungskreis 41 zur EIN/AUS-Steuerung des Ventils 37 zugeführt wird, einem Gleichrichterkreis 43, welcher ein vom Schaltkreis zugeführtes Signal gleichrichtet,

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einem zweiten Abweichungs-Erfassungskreis 45, welcher das im Gleichrichterkreis 43 gleichgerichtete Signal und einen an der Klemme 44 anliegenden Sollwert vergleicht und aus einem Steuerkreis 46, der die Speisespannung des Heizelements 38 über einen vom zweiten Abweichungs-Erfassungskreis 45 erhaltenen Vergleichswert steuert.

Zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses dient ein geschlossener Regelkreis, bestehend aus der Zuleitung des Kraftstoff-Einspritzsystems A, dem Abgas«Sensor-Element 35 und der Steuereinheit 36, und einer Servosteuerung, über welche der eingestellte Grundwert des Servomechanismus kompensierbar ist, um geringfügige Fehler im geschlossenen Regelkreis auszugleichen.

Der Ausgang des mit der Abgasleitung 34 verbundenen Abgas-Sensorelements 35 wird dem ersten Abweichungs-Erfassungskreis 41 der Steuereinheit 36 zugeführt und mit dem anliegenden Eingangswert bzw. eingestellten Bezugswert verglichen. Der Abweichungs-Erfassungskreis 41 ist mit dem Schaltkreis 42 verbunden und schaltet ein, sobald das erhaltene Signal größer ist als der Sollwert, und aus, wenn das Signairafs der Sollwert und betätigt dadurch das Ventil 37. Das heißt, wenn der Verschlußkörper 17 des Magnetventils 37 sich in Schließstellung befindet, ist der Druck in der Kammer 48 gleich dem in der Kammer 49 des Druckreglers 29 herrschenden Druck P_f. Bei geöffnetem Ventil 37 erreicht der Druck in der Kammer 16 den durch die Durchlaßöffnungen 50, 51 und 52 bestimmten Druck P_c· Dieser Druck P_c wirkt auf die Kammer oberhalb einer mit der Einstellmembran 53 des Druckreglers 29 verbundenen Ausgleichsmembran 54 und verringert den Sollwert der Einstellmembran 53, so daß schließlich der Kraftstoff-Förderdruck P^ gesenkt wird.

Der eingestellte Sollwert des Druckreglers 29 wird durch eine Einstellfeder 55 bestimmt, welche derart gesteuert wird, daß bei geschlossenem Magnetventil 37 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Anordnung einem Kraftstoffüberschuß näher ist als dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis und daß bei offenem Ventil 37 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eher im kraft-

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stoffarmen Bereich als beim theoretischen Wert liegt. Ist der vom Abgas-Sensorelement 35 erhaltene Wert größer als der Sollwert, dann öffnet sich das Ventil 37, so daß der vom Druckregler 29 bestimmte Förderdruck P_f sinkt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den kraftstoffarmen Bereich verschoben wird. Durch diese Verschiebung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses wird der vom Abgas-Sensorelement 35 erfaßbare Wert kleiner als der Sollwert, so daß sich das Magnetventil 37 wieder schließt und das Gemisch wieder reicher wird. Bei wiederholter Betätigung dieser Art wird das Abgas der Brennkraftmaschine wieder ausgeglichen, so daß im Anschlußbereich des 3-Komponenten-Katalysators 56 in der Abgasleitung 34 das Abgas im wesentlichen dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht und durch den Katalysator 56 gereinigt wird.

Selbst wenn die Einstellung der Eiristel!feder 55 im Regelbereich liegt, besteht die Möglichkeit, daß das Gasgemisch je nach Betriebszustand der Maschine sich anreichert oder abmagert. Es hat sich gezeigt, daß, wie aus Fig. 5 ersichtlich, bei Einstellung der Kraft der Einstellfeder 55 auf ein reiches Gemisch nach erfolgter Regelung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ebenfalls in den reichen Bereich abweicht. Durch die Steuerung der Servoeinrichtung wird diese Abweichung kompensiert.

Fig. 6 zeigt graphisch die Beziehung zwischen dem Kraftstoffdruck Pf, dem Luftüberschußfaktor A und dem Einstelldruck der Einstellfeder 55. In der Kurve bezeichnet T₁ die Ein,schaltdauer und y ₂ ^die Schließdauer des Magnetventils. Zur Regelung des Luftüberschußfaktors auf A= 1 hat es sich als optimal erwiesen, das Verhältnis zwischen 7i und T'o über den gesamten Arbeitsbereich konstantzuhalten.

Diese Regelung wird folgendermaßen erreicht:

Die vom Abgas-Sensorelement 35 gelieferte Größe wird dem Sdialtkreis als EIN/AUS-Signal zugeführt, wie vorstehend beschrieben, und bei eingeschaltetem Schaltkreis 42 als "Eins" und bei ausgeschaltetem Kreis 42 als "Null" an den Gleichrichterkreis 43

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weitergegeben. Im Gleichrichterkreis wird es gleichgerichtet und dann einem zweiten Abweichungs-Erfassungskreis 45 zugeführt. In Fig. 6, (a) ist z.B. X₁ ζΎ^ ^{s0 daß der} Ausgang des Gleichrichterkreises 48 nicht über 0.5 liegt. Gleichzeitig wird über die Klemme 44 ein Einstellwert X₁ = T₂ > ^d*ⁿ· ein Sollwert von 0.5 zugeführt. Es wird kontinuierlich so lange ein Signal erzeugt, bis der Vergleichswert zwischen den beiden Null beträgt. Die am Heizelement 38 anliegende Spannung wird durch die Steuerschaltung 46 nach unten gesteuert, um die im Balg herrschende Temperatur zu senken und damit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den kraftstoffreicheren Bereich zu steuern. Im umgekehrten Fall, Fig. 6 (c)₍ liefert der Gleichrichterkreis einen Ausgang zwischenO.5 und 1, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird so lange in den armen Gemischbereich gesteuert, bis sich T. = Tp ergibt.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform nach der Erfindung, wobei gleiche Teile mit entsprechenden, aber dreistelligen Bezugszahlen bezeichnet sind.

Die Kraftstoff-Zumeß- und Verteilungseinrichtung C bemißt den Kraftstoff kontinuierlich entsprechend der angesaugten Luftmenge. Ein Ringspalt 62 in einem Verschlußkörper 61 und eine im wesentlichen dreieckförmige Aussparung 64 im hülsenförmigen Gehäuse 63 begrenzen gemeinsam einen Kraftstoff-Dosierdurchlaß. Der Druckabfall am Kraftstoff-Dosierdurchlaß 62, 64 wird durch eine Differenzdruck-Steuerung 65 auf einem bestimmten Wert gehalten. Der Ausgang der mit dem Kraftstoffdruck steuernden Servoeinrichtung B wirkt auf die Oberseite des Verschlußkörpers 61 ein. In einer die Hochdruckkammer 66 der Differenzdruck-Steuerung 65 mit dem Kraftstoff-Förderdruck verbindenden Leitung 67 liegen ein Magnetventil 137 und eine Drossel 68. In der Umgehungsleitung 69 zum Magnetventil ist eine Drossel 70 angeordnet; eine weitere Drossel 71 liegt in der Rückführleitung 72.

Durch den vom Abgas-Sensorelement 135 zugeführten Wert betätigt, steuert die Steuereinheit 136 das Magnetventil 137 ein

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und aus. Durch Steuerung des Differenzdrucks zwischen der Hochdruckkammer 66 und der unterhalb des Verschlußkörpers 61 gelegenen Kammer 73 wird der Durchsatz des aus dem Dosierdurchlaß 62, 64 strömenden Kraftstoff geregelt« Das Heizelement 136 wird, wie bei der ersten Ausführungsform, so gesteuert, daß T^ = X,.

Bei diesen beiden Ausführungsformen zur Erfassung des Betriebszustands der Maschine ist lediglich ein Abgas-Sensorelement 5 vorgesehen, das jedoch nicht ausreicht, den gesamten Betriebsbereich beim Anfahren, während der Beschleunigung und bei voller Drosselung zu erfassen. Außerdem kann die Steuereinheit 12 keine Dreieckwellen fester Frequenz und Amplitude verarbeiten. Da es einige Zeit braucht, bis das Abgas-Sensorelement 5 seinen normalen Arbeitszustand nach erfolgten Start der Maschine erreicht, ist während dieser Zeit eine exakte Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses nicht möglich.

Dieses Problem wird mit den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen gelöst.

Fig. 8 zeigt den Aufbau eines Kraftstoff-Einspritzsystems A nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die Servoeinrichtung B weist eine Membran 215 auf, welche den Differenz- -P

druck P 2 an der Durchfluß-Meßklappe (Drosselklappe)214 erfaßt. Sobald der Differenzdruck P<-P2 ^von dem eingestellten Grundwert abweicht, wird der Öffnungsquerschnitt einer veränderbaren Durchlaßöffnung 216 verändert, so daß sich der zwischen P₁ P₂ entsprechend dem Öffnungsquerschnitt sch wankende Betätigungsdruck P_n des Ventilöffnungsmechanismus E abhängig von dieser Abweichung verändert. Dieser Druck wird einem Stellglied 217 zugeführt, welches den Öffnungsgrad der Durchfluß-Meßklappe 214 so berichtigt, daß der Differenzdruck Pj-P₂ ^ei~ nen bestimmten Wert erreicht und daß der Öffnungsquerschnitt der Meßklappe 214 proportional der durchströmenden Luftmenge ist und es daher möglich ist, den Luftdurchsatz anhand des Öffnungsquerschnitts der Luftdurchfluß-Meßklappe 214 zu messen.

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Dies ist eine nach dem sogenannten Flächenströmungsprinzip arbeitende Luft-Meßeinrichtung.

Die Veränderung des Öffnungsquerschnitts der Luftmeßklappe ist proportional zur axialen Verschiebung der Schubstange 214a. Durch Verbindung der Kraftstoff-Zumeß- und-Verteilereinrichtung C mit der Schubstange 214a wird der Luftdurchsatz zu dem durch den Mechanismus C bemessenen Kraftstoff-Durchlaß proportional gehalten, so daß sich ein feststehendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis ergibt. Der über der Luftdurchfluß-Meßklappe 214 anstehende Differenzdruck und damit der Öffnungsquerschnitt der Meßklappe 214 und die axiale Verschiebung der Stange 214a werden durch den eingestellten Grundwert der Servoeinrichtung B bestimmt. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis läßt sich daher durch den eingestellten Grundwert der Servoeinrichtung B festlegen. Das so bestimmte Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird als Grundverhältnis bezeichnet. Zur Kraftstoff-Zumeß- und -Verteilungseinrichtung C gehört eine Pumpe 219, welche aus einem Kraftstoff-Behälter 218 Kraftstoff in eine untere Kammer 222 eines an der Ansaugleitung 220 ausgebildeten Gehäuses 221 fördert. Von dort strömt der Kraftstoff durch einen veränderlichen Durchlaß (Dosierdurchlaß) 224, der durch einen Schlitz 223a in einem axial in dem Gehäuse verschiebbaren Verschlußkörper 223 und eine dreieckige Aussparung 221a des Gehäusekörpers 221 begrenzt ist. Da der Verschlußkörper 223 der Schubstange 214a folgt, ist der Öffnungsquerschnitt des Dosierdurchlasses 223 proportional dem Öffnungsquerschnitt der Luft-Meßklappe 214. Da der Druckabfall des Kraftstoffs über den Dosierdurchlaß 224 durch den Druckregler 225 konstantgehalten wird, wird der Kraftstoffdurchsatz proportional zum Luftdurchsatz bemessen. Der Kraftstoffdruck P_f in der in die untere Kammer 222 mündenden Kraftstoffzuleitung a wird über ein Überdruckventil 226 konstantgehalten. In der von der Leitung a abzweigenden in die untere Kammer 228 des Druckreglers 225 einmündenden Kraftstoffleitung c ist ein Magnetventil angeordnet; und in der von der unteren Kammer 228 in den Behälter 218 zurückführenden Leitung d ist ein Durchlaß 229 vorgesehen. Eine Einspritzdüse 230 ist über die obere Kammer 231 des Druckreglers 225 und die Leitung d mit

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dem Dosierdurchlaß 224 verbunden. Eine Steuereinheit 232 steuert das EIN/AUS-Zeitverhältnis des Magnetventils 227 und den EIN/ AUS-Betrieb des in dem Balg 133 angeordneten Heizelements 234 der Servoeinrichtung B, abhängig von den Signalen, die noch zu beschreibende, den Betriebszustand der Maschine erfassende Sensorelemente liefern.

Besonderes Merkmal der Erfindung ist die nachstehend noch beschriebene Steuereinheit 232. Das EIN/AUS-Zeitverhältnis des Magnetventils verändert in Zusammenwirkung mit dem Durchlaß 229 in der Kraftstoffleitung d den Druck in der unteren Kammer 228 des Druckreglers 225. Da der Druckregler 225 den Differenzdruck zwischen den unteren und oberen Kammern 228 und 231 konstanthält, ändert sich mit dem Druck in der unteren Kammer 228 auch der Druck P. in der oberen Kammer 231. Da jedoch der Förderdruck P_f in der Leitung a durch das Überdruckventil 226 konstantgehalten wird, ändert sich der Differenzdruck Pf^-P; über dem Dosierdurchlaß 224, so daß der Durchsatz des durch den Dosierdurchlaß 224 strömenden Kraftstoffes entsprechend dem Luftdurchsatz kompensiert wird, so daß es möglich ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis je nach Betriebszustand der Maschine zu ändern.

Der Balg 233 der Servoeinrichtung B schließt Gas mit einem atmosphärischen Bezugsdruck und einer Bezugstemperatur (z.B. 1 at 20 C) ein und kompensiert den Luftdurchsatz je nach Schwankungen des Atmosphärendrucks und der Temperatur, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auch unabhängig von diesen Schwankungen konstant bleibt. Die EIN/AUS-Steuerung des Heizelements 234 in dem Balg 233 bewirkt jedoch eine Veränderung der Temperatur und daher des Drucks des in dem Balg 233 eingeschlossenen Gases, so daß der auf die Membran 215 wirkende, eingestellte Grunddifferenzdruck Pi^-Pp kompensiert wird. Da hierbei P^ dem Atmosphärendruck gleichgesetzt werden kann, nimmt bei erhöhtem P₂ der Differenzdruck P₁-P₂ über der Luftdurchfluß-Meßklappe 214 ab und damit auch der Luftdurchsatz durch den vorbestimmten Öffnungsquerschnitt der Meßklappe, so daß sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den kraftstoffreichen Bereich verschiebt. Diese Berichtigung erfolgt durch

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Ausschalten des Heizelements 234, so daß die Temperatur in dem Balg 233 und damit der Gasdruck absinken.

Anhand der Fig. 9-14 wird nun die Arbeitsweise der Steuereinheit 232 des Magnetventils 227 und des Heizelements 234 beschrieben.

Fig. 9 zeigt das Blockschaltbild der Steuereinheit 232. 240 ist ein Wassertemperaturfühler, der die Kühlwassertemperatur in der Maschine mißt. Die am Verbindungspunkt 263 zwischen dem Wassertemperaturfühler 240 und dem Festwiderstand 241 anliegende Spannung verändert sich mit der von dem Fühler 240 gemessenen Temperatur. Erhöht sich diese Temperatur, so nimmt der Widerstand ab und die Spannung steigt. Die über 263 anliegende Spannung wird dem nicht invertierten Eingang eines Vergleichers 257 über einen Widerstand 242 zugeführt, während der invertierte Eingang des Vergleichers 257 mit einem Dreieckimpuls-Geber 256 verbunden ist. Der Ausgang des Wassertemperaturfühlers 240 ist über eine Diode 243 mit einem Spannungsteiler verbunden, der aus den Widerständen 244, 245 und 247 besteht. In der Abgasleitung ist ein 0₂-Sensor 255 angeordnet, der die Zusammensetzung des Abgases erfaßt und ein elektrisches Signal erzeugt. Dieser 0_?-Sensor 255 ist mit einem Widerstand 253 und mit der Basis eines Transistors 252 verbunden, dessen Kollektor mit einem Widerstand 251 und der Basis eines Transistors 248 verbunden ist, dessen Kollektor wiederum mit einem Widerstand 247 verbunden ist. Der Ausgang des Vergleichers 257 ist über den Widerstand 258 an die Basis des Transistors 259 geschaltet, um das mit dem Kollektor des Transistors 259 verbundene Magnetventil 227 zu erregen. Eine Diode 261 liegt parallel zum Magnetventil 227 ; 262 ist eine Speisestromquelle. 260 ist ein Transistor, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 259 verbunden ist. Wird der Wert des Widerstands höher gewählt als der Wert der Widerstände 244, 245 und 247, so wird der Höchstwert der dem Vergleicher 257 vom Verbindungspunkt 250 zugeführten Eingangsspannung durch die an dem von einem Spannungsteiler mitgebildeten Verbindungspunkt 249 anliegende Spannung bestimmt. Das heißt, wenn die am Verbindungspunkt 263 anliegende Spannung niedriger ist als die Spannung am Punkt 249 (d.h. bei niedriger Wassertemperatur)

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dann schaltet die Diode 243 die am Punkt 263 anstehende Spannung an den Eingang des Vergleichers 257. Im anderen Fall liegt die am Verbindungspunkt 249 anstehende Spannung auch am Eingang des Vergleichers an. Die am Verbindungspunkt 249 anliegende Spannung wird entweder durch leitenden oder durch nicht leitenden Zustand des Transistors 248 bestimmt, wobei diese Zustände durch den Transistor 252 gesteuert werden.

Mißt der (^-Sensor 255 eine niedrige Temperatur und ist der Innenwiderstand hoch, oder wird ein Signal "kraftstoffreich" bei hoher Temperatur erzeugt, dann wird die an der Basis des Transistors 252 anliegende Spannung am Verbindungspunkt 254 hoch und der Transistor 252 wird leitend, so daß der Basisstrom des Transistors 248 über den Kollektor zum Emitter des Transistors 252 fließt und der Transistor 248 abschaltet. Die am Punkt 249 anliegende Spannung wird durch die Widerstände 244 und 245 bestimmt und steigt, wenn der (^-Sensor 255 ein Signal "kraftstoffreich" bei hoher Temperatur abgibt, so daß die Basisspannung des Transistors 252 niedrig wird und der Transistor abschaltet. Dem Transistor 248 wird dann über den Widerstand 251 eine Basisspannung zugeführt, so daß er leitend wird. Die Spannung am Verbindungspunkt 249 wird dann von den Widerständen 244, 245 und 247 bestimmt und sinkt ab. Die am Verbindungspunkt 249 anliegende Spannung erzeugt daher einen Impuls, dessen Amplitude von den Widerständen 244, 245 und 247 abhängig von der Temperatur des Op-Sensors 255 und dessen λ-Signal "kraftstoffreich" oder "kraftstoffarm" bestimmt wird.

Ist der Wert des Widerstands 242 im Verhältnis zu den Widerständen 244, 245, und 247 entsprechend klein, dann wird die am Verbindungspunkt 250 anliegende Spannung durch den Wassertemperaturfühler 240 und den O^-Sensor 255 gesteuert, wie aus Fig. 10 ersichtlich. Die am Verbindungspunkt 250 anliegende Spannung wird dem nicht invertierten Eingang des Vergleichers 257 zugeführt und mit einem Dreieckimpuls bestimmter Amplitude und Dauer verglichen, der von dem Dreieckimpulsgeber 256 auf den invertierten Eingang gegeben wird. Ist die Spannung am

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Verbindungspunkt 250 höher als die Spannung des Dreieckimpulses, dann ist der Ausgang des Vergleichers 257 positiv. Der Transistor 259 wird dann leitend, und der Strom wird durch den Transistor 260 verstärkt, so daß von der Speisestromquelle 262 Strom über das Magnetventil 227 fließt und dieses erregt wird. Ist jedoch die Spannung am Verbindungspunkt 250 niedriger als die Dreieckimpulsspannung, dann ist der Ausgang des Verqleichers 257 negativ, und die Transistoren 259 und 260 bleiben gesperrt, so daß das Magnetventil 227 nicht erregt wird.

Das EIN/AUS-Zeitverhältnis des Magnetventils 227 ist daher proportional dem am Verbindungspunkt 249 anliegenden Impuls, der bestimmt wird durch den Wassertemperatur-Fühler 240 und den Op-Sensor 255, die den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erfassen₍und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis läßt sich auf das für den jeweiligen Betriebszustand der Maschine geeignete theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (Luftüberschußfaktor A- = 1) einstellen, wie oben beschrieben. Das Verhältnis der EIN/AUS-Dauer des Ventils 227 läßt sich in .3 Gruppen a), b) und c) einteilen, wie in Fig. 11 dargestellt, wobei CT. die EIN-Dauer und T₂ die AUS-Dauer ist. Fig. 11 zeigt einen Zyklus T. für die Gruppe a), in derT., 4. O"₂ und einen Zyklus T₃ für die Gruppe c) , bei der "J. ^J^ ^ist* ^{Die Zvklen} T. und T₃ sind jeweils länger als der Zyklus T₂ der Gruppe b), in der ZT. = T₀ ist. Daher ergibt sich T₁ > T₀ und T₀ *> T Wenn a lso der Faktor "X auf A=! geregelt wird, dann läßt sich die schnellste Steuerung und damit verbesserte Ansprechempfindlichkeit der Maschine erreichen; hierbei sind 7, = O"₂, d.h. die EIN- und AUS-Dauer des Magnetventils 227 sind gleich. Für diesen Zweck muß ein etwaiges Abweichen des Magnetventils 227 von der Beziehung "J^ = CT₂ während des Betriebs der Maschine korrigiert werden.

Das durch das Magnetventil 227 auf Λ= 1 geregelte Luft-Kraftstoffverhältnis wird durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Servoeinrichtung B bestimmt, wie Fig. 12 zeigt. Dies wird aus der vorausgegangenen Beschreibung der in Fig. 8 gezeigten Servo-

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einrichtung verständlich. Wie aus der in Fig. 13 dargestellten Beziehung des Luft-Kraftstoff-Grundverhältnisses zum Signal des Op-Sensors (Ausgangsdauer des Signals "kraftstoffarm"/ Ausgangsdauer des Signals "kraftstoffreich") ersichtlich, wird die Ausgangsdauer des Signals "kraftstoffarm" des Op-Sensors langer, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis dem Kraftstoffüberschußbereich nähert. Diese Beziehung wird berücksichtigt. Ändert sich das Verhältnis}",. = T₂ ^des Magnetventils 227, dann wird (/as Heizelement 234 im Balg 233 der Servoeinrichtung B so gesteuert, daß der Grundwert Pi-Pp der Membran 215 sich ändert und damit das Luft-Kraftstoff-Grundverhältnis sich auf y, = T₂ einstellt. Dies wird nachfolgend noch eingehender beschrieben.

Der Block F in Fig. 9 ist die Steuerung für das Heizelement 234. Die sich mit der vom Og-Sensor 255 erhaltenen Ausgangsgröße verändernde Spannung am Verbindungspunkt 249 wird über Widerstände 277, 286 und einen Kondensator 278 an den nicht invertierten Eingang des Vergleichers 281 gelegt, wobei der invertierte Eingang mit einem Spannungsteiler, bestehend aus einem Festwiderstand 249 und einem veränderlichen Widerstand 280, verbunden ist. Die vom Wassertemperaturfühler 240 erhaltene Ausgangsgröße wird an die Basis des Transistors 274 und über einen Widerstand 270 an einen Kondensator 271 gelegt. Ein Widerstand 273 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 272 und der Basis eines Transistors 274. Ein mit dem Kollektor des Transistors 274 verbundener Widerstand 275 ist mit dem Versorgungskreis des Vergleichers 281 verbunden. Der Ausgang des Vergleichers 281 ist mit der Basis des Transistors 284 über ein Integrierglied, bestehend aus einem Widerstand 282, une 'einem Kondensator 283, verbunden. Die Basis des Transistors 285 ist zur Verstärkung mit dem Emitter des Transistors 284 verbunden. An den Kollektor des Transistors 285 ist das in dem Balg 233 der Servoeinrichtung angeordnete Heizelement 234 angeschlossen. Am anderen Ende ist das Heizelement 234 mit dem Pluspol der Speisestromquelle 262 verbunden. Der Versorgungskreis des Vergleichers 281 ist mit dem Kollektor des Transistors 274 verbunden. Da dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 272 verbunden ist, wird die Stromquelle des

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Vergleichers 281 abgeschaltet, sobald die Temperatur unter den Sollwert fällt. Dieser Temperatur-Sollwert wird von der Größe des Widerstands 270 bestimmt.

Bei Wiederanlauf der Maschine mit genügend hoher Wassertemperatur kühlt sich der O^-Sensor, dessen Wärmekapazität klein ist, schneller ab als das heiße Wasser, so daß der Innenwiderstand des Op-Sensors 255 hoch ist, und da er unwirksam ist, wird die Stromversorgung des Vergleichers 281 über eine bestimmte Zeitdauer nach erfolgtem Wiederanlauf abgeschaltet.

Die am Verbindungspunkt 249 anliegende Spannung ist, wie oben beschrieben, eine Rechteckwelle mit einer durch das Λ--Signal des Oo-Sensors 255 bestimmten, festen Amplitude. Diese Spannung wird in einer aus den Widerständen 277, 286 und einem Kondensator 178 bestehenden Siebschaltung geglättet. Die mittlere Spannung wird auf den nicht invertierten Eingang des Vergleichers 281 gelegt und dort mit der am invertierten Eingang anliegenden Sollspannung zwischen den Widerständen 279 und des Spannungsteilers verglichen. Ist die am Verbindungspunkt 287 anliegende mittlere Spannung höher als die am Punkt 288 anliegende Spannung, dann erzeugt der Vergleicher 281 einen Ausgang "Eins" und im umgekehrten Fall einen Ausgang "Null". Bei konstantem Zeitverhältnis zwischen hoher und niedriger Spannung am Verbindungspunkt 249, d.h. wenn das Verhältnis zwischen der AusgangszeitT",. des vom O^-Sensor abgegebenen Signals "kraftstoffreich" und der Ausgangszeiti'g ^des Signals "kraftstoffarm" konstant ist, z.B. bei y^ =T₂> entsprechend der Gruppe b) in Fig. 11, dann ist das Verhältnis der Ausgangsdauer "1" und "2" des Vergleichers 281 = 1, und der vom Widerstand 282 und Kondensator 283 gleichgerichtete Durchschnittswert ="0.5", d.h. gibt den Grundwert wieder. Durch Verstärkung dieses Grundwerts über die Transistoren 284 und 285 wird der von d er Stromquelle 262 durch das Heizelement 234 dem Kollektor des Transistors 285 und dann dessem Emitter zufließende Strom auf den Grundstrom für das Heizelement 234 eingeregelt.

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Ist die Dauer CT₂, während der das Signal "kraftstoff reich" vom Op-Sensor erzeugt wird, lang, Gruppe a) in Fig. Ή, wobei T₁ ^CCT₂ ^{1 da über eine lari}9^e Dauer am Verbindungspunkt 249 eine hohe Spannung anliegt, dann ist auch die Zeit lang, während der das Ausgangssignal "1" vom Vergleicher 281 abgegeben wird. Der durch den Widerstand 282 und den Kondensator 283 gleichgerichtete Durchschnittswert liegt im Bereich von "0.5 - 1" und ist größer als "o.5". Diese Erhöhung wird durch die Transistoren 284 und 285 verarbeitet, und um diesen Wert erhöht sich der von der Stromquelle 262 dem Heizelement 234 zugeführte Strom gegenüber seinem Grundwert. Die Gastem-P^-eratur in dem Balg steigt dadurch an und damit der Druck, so daß der auf die Membran 215 wirkende Grund-Differenzdruck P₁-P₂ steigt. Der über der Luftdurchfluß-Meßklappe 214 herrschende Differenzdruck steigt entsprechend, so daß der Luftdurchsatz bei diesem kompensierten Grunddruck P₁ ^-P₂ in Bezug auf den festen Öffnungsquerschnitt der Klappe 214 zunimmt. Das Luft-Kraftstoff-Grundverhältnis wird in dem mageren Bereich kompensiert. In anderen Worten, das Verhältnis wird so kompensiert, daß das Verhältnis zwischen der Ausgangszeit T₂ des Signals "kraftstoffreich" und der Ausgangszeit J₁ des Signals "kraftstoffarm" ="1". Gibt der 0₂-Sensor 255 über eine lange Zeit T^ das Signal "kraftstoffarm" ab, dann erfolgt umgekehrte Kompensierung.

Durch diese Funktionsweise der Steuerung 232 verkürzt sich der EIN/AUS-Zyklus des das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis haltenden Magnetventils 227, wodurch sich verbesserte Ansprechempfindlichkeit der Maschine und verbesserte Steuergaiauigkeit ergeben. Fig. 14 zeigt eine vierte Ausführungsform nach der Erfindung, mit einem Überwachungskreis G, bei der bei einem hohen Innenwiderstand des 0₂~Sensors 255 (d.h. bei niedriger Temperatur oder gestörtem Sensor) das Heizelement 234 nicht gespeist werden kann. Die Ausgangsgröße des 0₂~Sensors 255 wird im Vergleicher 290 zur Betätigung eines Transistors 248 verglichen. Die maximale Ausgangsgröße des 0₂~Sensors wird

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mit dem Sollwert in einem Vergleicher 296 verglichen, und wenn erlgrößer ist (bei hohem Innenwiderstand, bei niedriger Temperatur oder gestörtem (^-Sensor), dann ist der invertierte Eingang, der den Sollwert für einen Vergleicher 281 liefert, größer als der nicht invertierte Eingang, so daß der Vergleicher 281 ein Ausgangssignal = Null liefert, und das Heizelement 234 nicht gespeist wird. Außerdem ist mit dem Ausgang des Wassertemperaturfühlers 240 über einen Widerstands 299 der invertierte Eingang eines Vergleichers 300 verbunden, an dessen nicht invertierten Eingang über die Widerstände und 298 der Sollwert gelegt wird. Bei niedriger Wassertemperatur schließt der Vergleicher 300 einen Transistor 303 kurz, und wenn die Wassertemperatur hoch ist, wird der Transistor 303 abgeschaltet. Der Kollektor des Transistors 303 ist über einen Widerstand 302 mit der Energiequelle und dem Versorgungskreis des Vergleichers 281 verbunden. Bei Temperaturen unter dem Sollwert wird also die Energiequelle des Vergleichers abgeschaltet, so daß das Heizelement 234 nicht gespeist wird.

Die Speisung des Heizelements 234 erfolgt also erst, wie_-vorstehend beschrieben, wenn der Op-Sensor arbeitet und wenn die Wassertemperatur den Sollwert übersteigt. Im übrigen ist die Anordnung in Aufbau und Funktion wie bei der vorausgegangenen Ausführungsform ausgelegt.

Wenn an die Klemmen 264 und 265 der Steuerung 232 auch noch Steuerfaktoren wie Beschleunigung und volle Drosselung gelegt werden, dann läßt sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis noch besser auf den Betriebszustand der Maschine abstimmen. Die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform ist derart ausgelegt, daß an den invertierten Eingang des Vergleichers 257 ein dreieckiger Spannungsimpuls und auf den nicht invertierten Eingang ein mit dem Betriebszustand der Maschine veränderliches Spannungssignal gelegt werden. Der invertierte Anschluß läßt sich jedoch auch durch andere Anordnung des das Magnetventil 227 betätigenden Ausgangs-Verstärkerkreises oder durch andere Anordnung des Magnetventils 227 selbst erreichen. Gleiches gilt auch für den Vergleicher 281.

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«München 40, Elisabethstraße 34

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Claims (1)

1. NTN Toyo Bearing Company, Limited Osaka / Japan

   Kraftstoff-Einspritzsystem

   Patentansprüche

   1. (Kraftstoff-Einspritzsystem, mit einer hydraulischen Servoeinrichtung zur Konstanthaltung des Differenzdrucks über einer in einerAnsaugleitung liegenden Drosselklappe, welche den Durchsatz der angesaugten Luft anhand des Öffnungsgrades der Drosselklappe mißt und zwischen dem Öffnungsgrad der Drosselklappe und dem Flüssigkeitsdurchtritts-Verhältnis eines in einer Kraftstoff-Zuleitung liegenden Kraftstoff-Dosierdurchlasses eine feste Beziehung herstellt, dadurch gekennzeichnet,daß der eingestellte Sollwert einer den Differenzdruck über den Kraftstoff-Dosierdurchlaß konstanthaltenden Druckeinsteil vorrichtung oder Differenzdruck-Einstellvorrichtung durch EIN/AUS-Betrieb eines in einem Kraftstoffdruck-Steuerkreis liegenden Magnetventils steuerbar ist, daß als Steuerfaktor das Ausgangssignal eines den Betriebszustand der Maschine erfassenden Sensorelements dient und daß der eingestellte Grundwert der Servoeinrichtung derart kompensierbar ist, daß das Verhältnis der Ausgangszeiten der vom Sensorelement erzeugten Signale "kraftstoffreich"/"kraftstoffarm" einen vorbestimmten Wert erreicht.

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   2. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das EIN/AUS-Zeitverhältnis eines in einem Kraftstoffdruck-Steuerkreis liegenden Magnetventils über das Ausgangssignal eines den Betriebszustand der Maschine erfassenden Sensorelements verglichen mit dreieckigen Spannungsimpulsen fester Amplitude und Frequenz steuerbar ist, wobei die dreieckigen Spannungsimpulse an einen Eingang eines Vergleicheis mit einem invertierten und einem nicht invertierten Eingang und ein entsprechend dem Betriebszustand der Maschine veränderliches Spannungssignal an den anderen Eingang gelegt werden.

   3. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwert des Spannungssignals durch Beschränkung der maximalen Ausgangsgröße eines Temperaturfühlers erhältlich und seine maximale Ausgangsgröße durch den Betriebszustand der Maschine darstellende elektrische Signale veränderbar ist.

   4. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Zusammensetzung des Abgases erfassendes Abgas-Sensorelement eines der elektrischen Signale liefert.

   5. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingestellte Sollwert der Druckeinstellvorrichtung oder Differenzdruck-Einstellvorrichtung durch EIN/AUS-Betrieb des über ein Signal eines in der Abgasleitung liegenden Abgas-Sensorelements betätigbaren Magnetventils kompensierbar ist, daß das EIN/AUS-Signal gleichgerichtet wird, daß ferner eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, welche den eingestellten Grundwert der Servoeinrichtung derart kompensiert, daß das gleichgerichtete Signal einen vorbestimmten Wert erreicht und das EIN/AUS-Zeitverhältnis des durch das Signal des Abgas-Sensorelements betätigten Magnet-Ventils konstantgehalten wird.

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   ORIGINAL INSPECTED

   6. Kraftstoff-Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der EIN/AUS-Betrieb des Magnetventils durch ein Ausgangssignal eines den Betriebszustand der Maschine erfassenden Sensor-Elements und dreieckige Spannungsimpulse fester Amplitude und Frequenz steuerbar ist, daß ein Strom mit rechteckförmigen Halbwellen gleichgerichtet wird, dessen Zeitverhältnis zwischen "Null" und "Eins" abhängig vom Zeitverhältnis der vom Sensorelement erzeugten Signale "kraftstoff arm"/"kraftstoffreich" veränderlich ist, und daß eine Steuerung vorgesehen ist, die den eingestellten Grundwert der Servoeinrichtung so kompensiert, daß der gleichgerichtete Strom einen vorbestimmten Wert erreicht und dadurch das Zeitverhältnis der vom Sensor erzeugten Signale "kraftstoffarm"/"kraftstoffreich" auf einem vorbestimmten Wert haltbar ist. v:-_:i,-. ;■·

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