DE3237472A1

DE3237472A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung der kraftstoffzufuhr bei verbrennungs-kraftmaschinen

Info

Publication number: DE3237472A1
Application number: DE19823237472
Authority: DE
Inventors: Kenneth J. 36609 Mobile Ala. Stuckas
Original assignee: Teledyne Industries Inc
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 1981-11-16
Filing date: 1982-10-09
Publication date: 1983-05-19
Also published as: FR2516599A1; GB2109587A; US4408585A; CA1191577A; GB2109587B; FR2516599B1

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei Verbrennungs-Kraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei Verbrennungs-Kraftmaschinen, insbesondere Otto-Motoren, beispielsweise Flugzeug-Kolbenmotoren.

Bei' Verbrennungs-Kraftmaschinen, beispielsweise Flugzeug-Kolbenmotoren, wird der Motor normalerweise entweder über einen Vergaser oder durch Kraftstoffeinspritzung mit Kraftstoff beliefert, so daß die Kraftstoffmenge bei Vermischung mit der angesaugten Luftmenge für die Verbrennungskammern oder Zylinder des Motors ein verbrennbares Gemisch entstehen läßt. Die dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge läßt sich auf verschiedene Weise regeln.

Bei den gegenwärtigen Flugzeug-Kolbenmotoren wird jedoch das Kraftstoffsystem mit Hilfe eines Gemischsteuerhebels manuell gesteuert. Dieser Hebel wird von dem Piloten betätigt, um zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs dem Motor ärmere Kraftstoffgemische zuzuführen und um des weiteren zu fette Gemische in größeren Höhen zu vermeiden. Derartige zu stark angereicherte oder zu fette Gemische können zu einer unstetigen Verbrennung im Motor führen und sogar zu einem Drehzahlabfal1 des Motors.

Normalerweise wird der Gemischsteuerhebel des Flugzeugs von dem Piloten in Abhängigkeit von einem oder mehreren vorbestimmten Motorbetriebsparametern betätigt, so beispielsweise der Abgastemperatur (EGT), der Zylinderkopftemperatur (CHT), der Kraftstoffmenge, der Flughöhe, der Motordrehzahl und/oder dem Ansaugleitungsdruck. Demzufolge wird durch die Steuerung und Einstellung des Gemisch-

Steuerhebels die Arbeitsbelastung des Piloten erheblich vergrößert und gleichzeitig durch diese Belastung des Piloten die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, daß der Motor mit einem unzureichenden Kraftstoffgemisch beschickt wird. Solches unzureichendes Kraftstoffgemisch führt aber nicht nur zu einem übermässigen Kraftstoffverbrauch, sondern kann infolge zu hoher ZyIinderkopftemperatur auch eine Beschädigung des Motors bewirken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Nachteile des bisher bekannten Kraftstoffgemisch-Steuersysteme dadurch zu beseitigen, daß ein automatisches Kraftstoffgemisch-Steuersystem geschaffen wird, das während des Betriebszustandes des Motors den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch auf ein Mindestmaß beschränkt.

Der Lösung dieser Aufgabe dient ein Mikrocomputer-Kraftstoffgemisch-Steuersystem, das sich besonders für einen Flugzeug-Kolbenmotor eignet, der eine Kraftstoffquelle besitzt sowie Mittel, mit' denen der Kraftstoff mit variablen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. -mengen dem Motor zugeführt werden kann. Das Kraftstoffsystem vergrößert anfänglich die Geschwindigkeit des dem Motor zuströmenden Kraftstoffes, so daß ein überreiches Kraftstoffgemisch erzeugt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dann schrittweise verringert, während gleichzeitig der Wert der Abgastemperatur bei jedem Strömungsgeschwindigkeitsverringerungsschritt gemessen wird. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis die höchste Abgastemperatur erreicht ist. Danach verringert das Kraftstoff-Steuersystem die Geschwindigkeit bzw. die Menge des dem Motor zuströmenden Kraftstoffes in vorbestimmten Strömungsschritten oder -stufen, wobei die Abgastemperatur in jeder die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Menge des Kraftstoffes verkleinernden Stufe gemessen wird. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis die Abgastemperatur ihren Maximalwert

um eine vorbestimmte Größe unterschreitet. Das Kraftstoff-Steuersystem hält daraufhin eine stetige Geschwindigkeit oder Menge des dem Motor zuströmenden Kraftstoffes solange aufrecht, wie der Motor einen konstanten Betriebszustand beibehält.

Ein wesentliches Merkmal der hier beschriebenen Erfindung besteht darin, daß die Kraftstoff-Strömungsmenge zum Motor solange verkleinert wird, bis die Abgastemperatur einen vorbestimmten Betrag oder Temperaturwert unter'dem Spitzenwert der Abgastemperatur liegt, und zwar unabhängig von dem Spitzen- oder Maximalwert der Abgastemperatur. Dazu kommt, daß sich in der Praxis herausgestellt hat, daß der bremsenspezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) für jeden beliebigen Motor durch einfaches Verändern des Temperaturabstandes, d.h. der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Abgastemperatur und der Abgastemperatur bei minimalem bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch für den betreffenden Motor, auf ein Mindestmaß beschränkt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Steuersystems,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Betriebsweise des Kraftstoff-Steuersystems nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Fließbild, aus dem die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Steuersystems ersichtlich ist.

Das erfindungsgemäße Kraftstoff-Steuersystem eignet sich insbesondere für mit Funkenzündung arbeitende Verbrennungskraftmaschinen der Art, wie sie in Flugzeugen Verwendung finden und wird deshalb auch in Verbindung mit einem solchen Flugzeugmotor beschrieben. Damit soll jedoch keine unangemessene Beschränkung der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Steuersystems beabsichtigt sein, da sich dieses System auch bei anderen Verbrennungskraftmaschinen des Zündertyps benutzen läßt.

In Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Kraftstoff-Steuersystems dargestellt, das einen Mikrocomputer als Mikroprozessor 10 mit einem Eingang 12 und einem Ausgang 14 aufweist. Die Ein- und Ausgänge 12 und 14 können alternativ einen einzigen Ein/Ausgang für den Mikroprozessor 10 bilden, und jeder Ein/Ausgang kann bekanntlich mehrere Leitungen aufweisen, obgleich in der Zeichnung nur eine Leitung dargestellt ist.

Mit dem Mikroprozessor 10 ist ein Direktzugriffspeicher verbunden, der zur Speicherung zeitweiliger Daten dient_s wie dies im folgenden noch erläutert wird. Darüberhinaus ist auch ein Festwertspeicher oder Lesespeicher 18 an den Mikroprozessor 10 angeschlossen und enthält das für den Mikroprozessor 10 notwendige Programm. Obgleich der Direktzugriffspeicher 16 und der Festwertspeicher 18 in Fig. 1 außerhalb des Mikroprozessors 10 dargestellt sind, könnte jeder von beiden oder beide im Inneren des Mikroprozessors 10 enthalten sein.

Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, weist das Kraftstoffsteuersystem einen Temperaturfühler 20 auf, der an seinem Ausgang 22 ein Analogsignal entstehen läßt, das für die Abgastemperatur (EGT) des Verbrennungsmotors kennzeichnend ist

Das Ausgangssignal des Temperaturfühlers 20 wird von einem A/D-(Analog/Digita!) Wandler 24 verarbeitet, der an den Mikroprozessoreingang 12 ein Ausgangssignal abgibt, das für die Abgastemperatur kennzeichnend ist. Somit kann der Mikroprozessor 10 unter Programmsteuerung jederzeit die Abgastemperatur des Motors bestimmen.'

In ähnlicher Weise erzeugt der Ausgang 14 des Mikroprozessors ein Ausgangssignal für eine mit veränderlicher Menge arbeitende Kraftstoffpumpvorrichtung 26, die Kraftstoff von einer Kraftstoffquelle 28 zum Motor 30 fördert. Die tatsächliche Fördermenge der Pumpvorrichtung 26 wird von dem Mikroprozessor 10 über dessen Ausgang 14 gesteuert. Die Kraftstoffpumpvorrichtung 26 entspricht herkömmlicher Konstruktion, weist also einen Schrittmotor 40 auf, der die Stellung eines Strömungsventils 42 steuert.

In Fig. 3 ist ein Fließbild gezeigt, das die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Steuersystems verdeutlicht. Nach dem Einschalten des Systems in der Stufe 48 erzeugt das Kraftstoff-Steuersystem zunächst für den Motor in der Stufe 50 ein überreiches Kraftstoffgemisch. Das System erhält dieses überreiche Kraftstoffgemisch dadurch, daß an den Eingang 14 für die Kraftstoffpumpvorrichtung 26 die geeigneten Signale abgegeben werden, die erforderlich sind, um eine hohe Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit zum Motor 30 hin zu erzeugen. In der Stufe 52 wird ein anfänglicher Wert der Abgastemperatur EGT. auf einen niedrigen Wert eingestellt, beispielsweise auf Null.

Auf der Stufe 54 wird die tatsächliche Temperatur der Abgase (EGT ^₊.), die von dem EGT-Fühler 20 ermittelt wird, von dem Mikroprozessor 10 gelesen und dem Wert EGT₂ zugeordnet. In der Stufe 56 wird der Wert der tatsächlichen Abgastemperatur EGT₂ mit dem Wert EGT. verglichen.

Da EGT- anfänglich in der Stufe 52 auf den Wert Null eingestellt worden ist, ist die Temperatur EGT₂ immer größer als EGT₁,_wenn zunächst der Schritt 56 ausgeführt wurde.

Da beim Schritt oder in der Stufe 56 EGT₂ größer als EGT₁ ist, zweigt die Stufe 56 zur Stufe 58 ab, in der der Mikroprozessor 10 die Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit bzw. -menge zum Motor 30 um einen bestimmten Bruchteil reduziert. Ein solcher Bruchteil der Kraftstoffströmungsmenge wird von dem Mikroprozessor 10 dadurch bewirkt«, daß an seinem Ausgang 14 ein geeignetes Signal an die veränderliche Pumpenvorrichtung 26 abgegeben wird.

In der Stufe 60 wird der Wert von EGT_? , d.h. die Temperatur der Abgase, die in der Stufe 54 bestimmt worden ist, der Veränderlichen EGT₁ zugeordnet, und die Steuerung des Systems läuft wieder zur Stufe 54 zurück, in der wiederum die tatsächliche Temperatur der Abgase bestimmt und der Veränderlichen EGT₂ zugeordnet wird. Das Kraftstoff-Steuersystem weist ferner zwischen den Stufen 58 und 54 eine nicht gezeigte Zeitverzögerung auf, um in der Stufe 58 die Verringerung der Kraftstoffströmungsmenge bzw. -geschwindigkeit zum Motor zu ermöglichen und dadurch eine ablesbare Wirkung der Temperatur der Motorabgase zu erzielen, bevor die Abgastemperatur wieder in der Stufe 54 gemessen wird.

Aus dem obigen ergibt sich, daß die Stufen 54 bis 60 solange iterativ wiederholt werden, bis die Verringerung der dem Motor zuströmenden Kraftstoffmenge in der Stufe 58 einen Anstieg der Abgastemperatur bewirkt. Wenn umgekehrt, die Verringerung des Kraftstoffmengenanteils zu einer Verringerung der Abgastemperatur führt, verzweigt sich die Stufe 56 zur Stufe 62, die den Wert der zuletzt

- ίο -

bestimmten Abgastemperatur EGT₂ einer veränderlichen Temperatur EGTp_K zuordnet, d.h. dem höchsten Temperaturwert der Abgastemperatur.

In der Stufe 64 wird dann die Kraftstoffmenge bzw. Kraftstoffstrom zum Motor 30 um einen vorbestimmten Anteil verkleinert. Nach einer kurzen Verzögerung mißt dann die Stufe 66 wieder die tatsächliche Abgastemperatur EGT_act, wie sie von dem Ausgang des Temperaturfühlers 20 bestimmt wird. In der Stufe 68 wird die Differenz zwischen der Abgastemperatur EGT . und dem Spitzenwert der Abgas-

Q L U

temperatur EGT_pK bestimmt, und, falls diese Differenz kleiner ist als eine Konstante K, werden dann die Stufen 64 und 66 schrittweise wiederholt.

Wie aus dem obigen ersichtlich, verkleinern die Stufen 64 bis 68 wiederholt in bestimmten inkremental en Schritten den Kraftstoffzufluß bzw. die KraftstoffZuflußgeschwindigkeit zum Motor, bis die Abgastemperatur um einen vorbestimmten Betrag, d.h. die Konstante K, kleiner ist als die Spitzenoder Maximal temperatur des Abgases. Darüberhinaus bleibt dieser Temperaturunterschied K gleich, und zwar unabhängig von dem tatsächlichen Wert der maximalen Abgastemperatur.

Sobald die Differenz zwischen der Abgastemperatur und der maximalen Abgastemperatur gleich oder größer ist als die Konstante K, ordnet die Stufe 70 den augenblicklichen Wert der Abgastemperatur, wie er von dem Temperaturfühler 20 bestimmt wird, dem Parameter zu, der die Abgastemperatur EGT₅₅ bei konstantem Betriebszustand kennzeichnet. Die Stufen 72 und 74 messen dann iterativ den Wert der Abgastemperatur und vergleichen die augenblickliche EGT,

3Cl

mit der EGT₅₅. Für den Fall, daß die absolute Differenz zwischen EGT₅₅ und dem augenblicklichen Messwert der Abgastemperatur EGT . einen bestimmten Fehlerfaktor E,

a c τ, τ

überschreitet, endet das Kraftstoff-Steuersystem auf der Stufe 76. Zu diesem Zeitpunkt kann der Motor einen übergangsbetriebszustand erreicht haben, währenddessen das Kraftstoffsteuersystem nicht langer arbeitet. Umgekehrt, sobald der Motor wieder einen stetigen oder konstanten Betriebszustand erreicht, wird das Kraftstoff-Steuersystem der hier beschriebenen Art wieder eingeschaltet, beginnend mit der Stufe 50 in Fig. 3.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nunmehr der Betrieb des hier beschriebenen Kraftstoff-Steuersystems dargestellt. Die obere durchgehende Linie stellt die Abgasteniperatur für den Motor dar, während die untere gestrichelte Linie den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch (BSFC) des Motors bezeichnet.Der wirtschaftlichste Kraftstoffverbrauch ist dort, wo BSFC ein Minimum hat.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, erzeugt das Kraftstoff-Steuersystem in der Stufe 50 anfänglich für den Motor ein überfettes Kraftstoff/Luftgemisch, beispielsweise 48 kp Kraftstoff/Stunde, wie dies durch die Bezugslinie 90 (Fig. 2) dargestellt ist. In den Stufen 54 bis wird die dem Motor zuströmende Kraftstoffmenge schrittweise auf etwa 38,6 kp/Std. verringert, wie dies durch die Bezugslinie 92 (Fig. 2) dargestellt ist. Dazu kommt, daß in dem Maße, wie sich die Kraftstoffmenge auf 38,6 kp/Std. verringert, die Abgastemperatur kontinuierlich bis auf ihren Maximalwert EGTp_K ansteigt und gleichzeitig der bremsenspezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) von annähernd 0,23 auf 0,19 kp/PS.h zurückgeht.

So ordnet beispielsweise in Fig. 2 die Stufe 62 den Wert von 827°C dem Parameter EGT_pK zu, und die Stufen 64 bis verringern dann iterativ, also schrittweise wiederholendem den

vorbestimmten Schritt die Menge des dem Motor zuströmenden Kraftstoffs, bis die Abgastemperatur um die festgelegte Konstante K kleiner ist als die Abgastemperatur EGTp,. an der Spitze. Gleichzeitig vermindert sich der brennstoffspezifische Kraftstoffverbrauch (BSFC) auf sein Minimum von etwa 0,18 kp/PS.h , wie dies durch die Bezugslinie 94 in Fig. 2 angedeutet ist. Die Stufe 70 ordnet dann die Abgastemperatur dem Paramenter EGT₅₅ zu, während die Stufen 72 und 74 kontinuierlich wiederholt werden, um sicherzustellen, daß die Abweichung der Abgastemperatur vom Wert EGTj-c innerhalb der vorbestimmten Grenzen bleibt, wie sie durch den Fehlerfaktor E^ vorgegeben sind.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß der minimale bremsenspezifische Kraftstoffverbrauch dadurch erhalten wird, daß die Kraftstoffabgabe an den Motor solange reduziert wird, bis die Abgastemperatur um einen bestimmten Betrag kleiner ist als der Maximalwert, also die Temperaturspitze, und zwar unabhängig von der tatsächlich maximalen Abgastemperatur. So ist beispielsweise, wie aus Fig.2 ersichtlich, die maximale Abgastemperatur annähernd gleich 827°C, während die EGT₅₅ annähernd gleich 811°C beträgt, so daß K 16°C ist. Nimmt man an, daß unter anderen Temperaturbedingungen die maximale Abgastemperatur einen Wert von 838°C erreicht, dann würde das Kraftstoff-Steuersystem der hier beschriebenen Art dahingehend arbeiten, daß die Abgastemperatur auf 822°C gesenkt wird, um den minimalen bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch zu erhalten. Darüberhinaus wird, sobald die Abgas temperatur von ihrem Maximalwert um'die vorbestimmte Konstante K verringert ist, die dem Motor zuströmende Kraftstoffmenge solange auf einem konstanten Wert gehalten, wie der stetige Betriebszustand anhält.

Aus dem obigen ergibt sich, daß das hier beschriebene Kraftstoff-Steuersystem besonders deshalb vorteilhaft ist, weil es nur einen einzigen Motorparameter₉ nämlich die Abgastemperatur benutzt, um den bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauch auf ein Mindestmaß zu beschränken und auf diese Weise während des stetigen Betriebszustandes der Maschine den wirtschaftlichsten Kraftstoffverbrauch zu erhalten. Da nur ein einziger Wandler oder Umformer für das erfindungsgemäße System Verwendung findet, läßt es sich mit geringem Kostenaufwand erstellen und dennoch mit einem Höchstmaß an Zuverlässigkeit betreiben.

Claims

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Kern & brehm

Albert-Rosshaupter-Strasse 65 ■ D 8000 München 70 · Telefon (089) 7605520 ■ Telex 05-212284 patsd - Telegramme Kernpatent München

Stu-7019 Ke/hö

Teledyne Industries ,Ine. 1901 Avenue of the Stars Los Angeles,Calif. USA

Patentansprüche

i\ J Kraftstoff-Steuersystem für eine Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum wiederholten Abfühlen der Temperatur der aus der Maschine (30) austretenden Abgase, wobei die Temperatur der Abgase von einem Maximalwert abnimmt, wenn das der Maschine zugeführte Kraftstoffgemisch entweder angereichert oder abgemagert wird, ferner durch eine Vorrichtung (10,16,18), durch die sichergestellt wird, daß das Kraftstoff /Luf t-Verhä'l tnis anfänglich reicher oder fetter ist als das Kraftstoff/Luft-Verhältnis, das der maximalen Abgastemperatur entspricht, des weiteren durch eine Einrichtung (44) zur darauf erfolgenden Bestimmung der maximalen Abgastemperatur durch wiederholtes Verkleinern der der Maschine (30) zuströmenden Kraftstoffmenge in festgelegten Kraftstoff-Strömungsschritten, bis die Abgastemperatur kleiner ist als die vorbestimmte Abgastemperatur, so daß das Kraftstoff/Luft-Verhältnis geringer ist als dasjenige, welches

der maximalen Abgastemperatur entspricht, und schließlich durch eine Einrichtung zur danach erfolgenden Verringerung der dem Motor (30) zuströmenden Kraftstoffmenge in bestimmten Schritten bzw. Mengenteilen, bis die Abgastemperatur eine stetige Betriebszustandstemperatur erreicht, welche von der maximalen Abgastemperatur eine vorbestimmte Temperaturdifferenz (K) aufweist, woraufhin für den Motor (30) ein konstanter Kraftstoff-Zustrom beibehaltbar ist.
2. Kraftstoff-Steuersystem nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vergleichen der Temperatur der Abgase mit der Temperatur für den stetigen Betriebszustand und durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Betriebszustandes des Kraftstoff-Steuersystems, sobald der Vergleich einen vorbestimmten Fehlerfaktor überschreitet.
3. Kraftstoff-Steuersystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Vorrichtung zur Verringerung der Kraftstoffzufuhr zum Motor (30) einen Schrittschaltmotor (40) aufweist, der mit einem Kraftstoff-Steuerventil (42) verbunden ist.
4. Kraftstoff-Steuersystem nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Betriebsweise des Kraftstoff-Steuersystems, sobald die Abgastemperatur von der Temperatur für den stetigen Betriebs zustand um mehr als einen vorbestimmten Temperaturwert abweicht.
5. Verfahren zur Steuerung des Kraftstoffes für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer Kraftstoffquelle und

mit einer Einrichtung zur Kraftstoffzufuhr aus der Quelle zur Maschine in veränderlichen Mengen, g e k e η η ζ e i c h net durch die folgenden Schritte:

a) Bestimmung des Wertes der maximalen Abgas*· temperatur der Maschine;

b) Reduzierung des Kraftstoffzuflusses zur Maschine um bestimmte Mengenanteile, bis . die Abgastemperatur einen stetigen Betriebszustandswert erreicht, der einen vorbestimmten Betrag unter der maximalen Abgastemperatur liegt und

c) darauffolgendes Aufrechterhalten des Kraftstoffstroms in seiner augenblicklichen Höhe bzw. Geschwindigkeit.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffsteuerung während einer Periode konstanten Kraftstoffflusses immer dann beendet wird, wenn die Abgastemperatur von dem Wert für den stetigen Betriebszustand um einen Wert abweicht, der größer ist als ein vorbestimmter Temperaturwert.