DE2953477A1 - Drehzahlregler fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

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Drehzahlregler für Verbrennungsmotoren

Gegenstand der Erfindung ist ein Drehzahlregler zur lastunabhängigen Konstanthaltung einer Solldrehzahl, die ihrerseits variable sein kann, mit einem elektromechanischen Stellglied zur Verstellung einer Einspritzpumpe, einem elektronischen Drehzahlaufnehmer und einem elektronischen Schaltgerät.

Die Notwendigkeit, die Drehzahl eines Verbrennungsmotors zu regeln, tritt dann auf, wenn die angetriebene Last einen nur schmalen Drehzahlbereich überstreichen darf, z.B. beim Antrieb eines Synchrongenerators zur Stromerzeugung, eines Kompressors für Wärmepumpen oder eines motorhydraulischen Gabelstaplers mit konstantzuhaltender Hub- und Fahrgeschwindigkeit.

Nach dem Stand der Technik werden an Dieselmotoren mechanische Fliehkraftregler, die in die Einspritzpumpe eingebaut sind, verwendet. Auch an Ottomotoren mit Drosselklappensteuerung für den Betrieb mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen sind mechanische Fliehkraftregler gebräuchlich, die von der Motorkurbelwelle mittels eines Keilriemens angetrieben auf die Drosselklappenstellung einwirken.

Die mechanischen Regler haben den Nachteil, daß ein optimiertes Regelverhalten mit Integral- und Differential-Anteilen nicht realisiert ist, so daß die Anforderungen z.B. an Netzersatzanlagen nicht erfüllt werden. Auch ist ein Betrieb als Folgeregler oder ein Parallelbetrieb von Netzersatzanlagen nicht oder nur unter Schwierigkeiten möglich.

Eine andere Gruppe von Reglern arbeitet mit elektronischen Mitteln von der Drehzahlaufnahme bis zum Stellgliedeingang. Die Umsetzung der elektrischen Stellgröße in eine mechanische Verstellkraft kann direkt elektromechanisch oder indirekt mit elektrohydraulischen oder elektropneumatischen Mitteln erfolgen.

Die Regeleigenschaften werden weitgehend durch das Stellglied bestimmt, da hier die schädlichen Einflüsse von Ansprechverzögerung durch Lose und Masse sowie Nichtlinearitat und Reibungshysterese auftreten.

Die indirekten, den Druck eines Arbeitsmediums nutzenden Stellgliedes können zwar beliebige Verstel1kräfte aufbringen, sind aber aufwendig und regeltechnisch eher nachteilig.

Als direkt wirkendes Stellglied wird der sogenannte Hubmagnet verwendet, der aus einer zylindrischen Kupferspule mit einem Weicheisenmantel und Weicheisenstirnscheiben besteht, in die ein Weicheisenkern magnetisch hineingezogen werden kann.

Diese Vorrichtung hat eine Reihe von regeltechnisehen Nachteilen:

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Das Stellglied ist grundsätzlich unsymmetrisch, da nur anziehende Kräfte erzeugt werden können, und nichtlinear, da die Kraft dem Quadrat des Stromes proportional ist. Die Kraft ist ferner von der Position des Kernes abhängig und kann nur in einem kleinen Hubbereich lageunabhängig gemacht werden.

Um das Stellglied näherungsweise zu 1inearisieren und zu symmetrieren, muß es mit einer geeigneten Gegenfeder zusammenwirken. Um eine Lageunabhängigkeit zu erreichen, müssen Federkennlinie und Magnetkennlinie genau abgestimmt sein. Auch eine elektrische Korrektur durch Lagerückführung mit einem Potentiometer ist bekannt.

Das Zusammenwirken mit einer Feder verschlechtert den elektrischen Wirkungsgrad auf etwa die Hälfte, so daß die möglichen Beschleunigungen des relativ schweren Eisenkernes noch kleiner, die Ansprechzeiten länger werden.

Regel technische Probleme ergeben sich auch daraus, daß der Spulenstrom eine eingeprägte Beschleunigung hervorruft» die Stellung einer Regelstange einer Einspritzpumpe also wegen der zweimaligen Integration mit 180° Phasennacheilung anliegt. Der Regler ist daher grundsätzlich instabil und kann nur durch phasenkorrigierende Maßnahmen wie Einführung eines Differentialanteiles oder lineare Dämpfung mit viskosen Medien stabilisiert werden.

Während der elektronische Teil des Reglers nach dem Stand der Technik die Anforderungen weitgehend erfüllt, ist die Umsetzung elektrisch-mechanisch mit Unzulänglichkeiten behaftet.

Die Aufgabe besteht also darin, Stellglieder für die Verstellung von Einspritzpumpen zu schaffen, die die geschilderten Nachteile nicht besitzen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im folgenden:

Das Stellglied für die geradlinige Verstellung der Regelstange einer Einspritzpumpe besteht aus einem Ringspaltmagneten, einer zylindrisch gewickelten Tauchspule, einem mit Kühlfahnen versehenen Spulenträger auf einer Schubstange, einem federbelasteten Tauchankermagneten, dessen Tauchanker 1m stromlosen Zustand die Schubstange durch Federkraft verschieben kann.

Die weitere Ausgestaltung wird anhand von 2 Figuren beschrieben, die folgendes darstellen:

- Fig. 1 ein Stellglied zur geradlinigen Verstellung einer

Einspritzpumpe im Längsschnitt

- Fig. 2 dasselbe Stellglied in anderer Ansicht.

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Eine Einspritzpumpe von Dieselmotoren fordert im allgemeinen nur relativ kleine Verstellwege von z.B. 12 mm, aber relativ große Verstellkräfte von z.B. 20 N.

Besonders größere Dieselmotoren müssen bei einem plötzlichen Wegfall der Last sehr rasch zurückgeregelt werden, um ein Oberdrehen zu vermeiden. Als Verstellzeit werden z.B. weniger als 50 ms gefordert.

Das Stellglied besteht aus einem Ringspaltmagnet mit einer Trägerplatte 1, einem Polkern 2, einem Magnetring 3, einer Polplatte 4, einer Tauchspule 5, einem Spulenträger 6 und einer Schubstange 7, welche die unbedingt notwendigen Teile darstellen. Zur guten Abführung der Spulenwärme ist der Spulenträger 6 mit Kühlfahnen 8 zu versehen. Ein Stift 9 verhindert das Verdrehen der Tauchspule und eine mechanische überlastung der Zuleitungen 10.

Dieses Stellglied vereinigt wesentliche Vorteile in sich, vor allem relativ große Verstel1kräfte bei äußerst kleiner Masse der bewegten Teile. So können z.B. mit einem Stellglied von gezeichneter Größe 35 N, kurzzeitig auch bis 50 N bei einer Eigenmasse von 50 g erzeugt werden. Die Verstellzeit für 12 mm Hub ist damit von der Größenordnung 10 ms. Die Verstellkraft ist dem Strom genau proportional und unabhängig von der Position, d.h. der Regler ist ohne weitere Maßnahmen isotrop. Eine Dämpfung ergibt sich ohne weitere Mittel, wenn nur der treibende Verstärker eine hinreichend kleine oder mit elektronischen Mitteln schwach negativ eingestellte Ausgangsimpedanz erhält.

Dies hat zur Folge, daß die bei einer Verschiebung der Spule induzierten Spannungen große Ausgleichsströme erzeugen können, die zu einer dämpfenden Kraft führen. Die Dämpfung ist der Verstellgeschwindigkeit genau proportional. Ihre Größe ist nur von dem resultierenden positiven ohmschen Widerstand der Tauchspule abhängig, also mit elektronischen Mitteln einstellbar. Solche Maßnahmen sind aus der Elektroakustik (Lautsprecherbetrieb) bekannt. Regel technisch bedeutet diese lineare Dämpfung das Einprägen einer Verstellgeschwindigkeit. Die Phasenlage zwischen der Regelgröße Drehzahl und der Stellgröße Einspritzmenge, was gleichbedeutend ist mit der Beschleunigung des Motors, beträgt dann nur noch -90 , wodurch der Regler grundsätzlich stabil wird.

Um die Anlaßstellung der Einspritzpumpe festzulegen bzw. rückzuführen, ist in einer Bohrung des Polkernes 2, in der kein wesentliches permanentes Feld besteht, ein Wegaufnehmer mit einer Primärspule 11, zwei Sekundärspulen 12, 13 und einem Kern 14 untergebracht. Dieser Wegaufnehmer ist auch geeignet, um z.B. maximale Einspritzmengen in Abhängigkeit von beliebigen Motorparametern festzulegen.

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An der rückwärtigen Seite des Stellgliedes befindet sich eine Vorrichtung zir Schnellabschaltung des Motors im Falle eines Regler- oder sonstigen Defektes. An einer Glocke 15 befindet sich ein federbelasteter Tauchankermagnet, bestehend aus einem hohlen Tauchanker 16 mit einer Druckfeder 17, einer Wicklung 18 und magnetischen Rückschlußteilen 19, 20, 21. Von geeigneten Fühlern erkannte Defekte schalten die Wicklung stromlos und lösen damit den magnetisch festgehaltenen Tauchanker 16, der seinerseits die Schubstange 7 über eine Dämpferplatte 22 zurückschlägt. Die Feder 17 muß so bemessen sein, daß sie auch gegen die Stellkraft der Tauchspule 5 die Rückstellung der Einspritzpumpe bewirken kann.

Um den Tauchanker 16 in Betriebsstellung zurückzuziehen, kann die Wicklung 18 kurzzeitig an eine höhere als die Dauerbetriebsspannung angelegt werden. Nach dem magnetischen Einrasten des Tauchankers ist die Sicherheitsvorrichtung mechanisch vollständig abgekoppelt, so daß die Reglereigenschaften hierdurch nicht beeinträchtigt werden.

Das beschriebene Stellglied besitzt folgende Vorteile:

Umlenkende mechanische übertpagunsglieder entfallen, da die gewünschte Schubbewegung direkt erzeugt wird. Die elektromechanische Umwandlung ist stromlinear und Vorzeichensymmetrisch.
Der Steller ist isotrop.

Eine streng lineare Dämpfung ohne Verwendung viskoser oder reibender Mittel.

Eine eingeprägte Verstellgeschwindigkeit mit einem regeltechnischen Frequenzgang yon - 6 db/Oktave. Theoretische Stromlosigkeit im eingeschwungenen Zustand, da dauernde Hilfskräfte durch Federn etc. nicht benötigt werden.

Sehr kleiner Totbereich, da die Haftreibung wegen geringem Gewicht der aktiven Teile sehr klein ist.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   /I. Drehzahlregler für Verbrennungsmotoren mit einem elektrov ' mechanischen Stellglied zur Verstellung einer Drosselklappe oder einer Einspritzpumpe, einem elektronischen Drehzahlaufnehmer und einem elektronischen Schaltgerät, gekennzeichnet durch ein Stellglied mit einem Ringspaltmagneten, einer in Längsrichtung verschiebbar gelagerten Schubstange, einem daran befestigten mit Kühlfahnen versehenen Spulenträger und einer zylindrisch gewickelten Tauchspule.
2. 2. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegaufnehmer vorzugsweise in den Polkern des Ring-Spaltmagneten eingebaut ist.
3. 3. Drehzahlregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegaufnehmer nach dem Prinzip des Differentialtransformators ausgebildet ist.
4. 4. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekenntzeichnet, daß ein federbelasteter Tauchankermagnet im stromlosen Zustand die Schubstange in eine Leerlaufstellung der Einspritzpumpe verschieben kann.

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