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Gemischregler für Brennkraftmaschinen, beruhend auf der Wärmeleitfähigkeitsänderung
der Abgase Die Zusammensetzung der Abgase einer Brennkraftmaschine und damit ihr
Betriebszustand hinsichtlich des zugeführten Luft-Kraftstoffverhält-' nisses läßt
sich nach bekanntem Prinzip mit einem elektrischen Meßgerät feststellen. Dieses
Meßprinzip beruht auf der Wärmeleitfähigkeit der Abgase, die je nach derenZusammensetzung
verschieden ist. Im Endeffekt steht eine kleine Gleichspannung zur Verfügung, die
ausgehend von einem Kleinstwert bei annähernd theoretischem Mischungsverhältnis
sowohl nach Mischungsverhältnissen mit Luftüberschuß als nach Mischungsverhältnisisen
mit Kraftstoffüberschuß proportional diesem Verhältnis ansteigt. Die Erfindung betrifft
ein Regelgerät für Bremykraftmaschinen, vornehmlich mit Kraftstoffeinspritzung,
welches die Kraftstoffmenge so steuert, daß zu jeder gewählten Leistung ein jeweils
vorgewähltes Mischungsverhältnis sich automatisch einstellt. Die Anlage besteht
aus (s. Bild i) I. Abgasentnähmestelle (Pos. i), 1I. Entnahmeventil (Pos. a),
111. Abscheider (Pos. 3), IV. Regelspannungsgeber (Pos. 4), V. Regel@spannungswandler
(Pos. 5), VI. Verstellglied (Pos. 6).
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Zu I. Abgasentnahmestelle. Der Regler wird durch die Zusammensetzung
der Abgase gesteuert. Dies bedingt, . daß im Regelspannungsgeber in jedem Falle
nur die reinen Abgase vorhanden sein dürfen. Insbesondere bei Zweitaktmotoren sind
aber ,die Abgase in der normalenAbgasführung stets mit Spülluftanteilen durchmengt;
deshalb ist erfindungsgemäß eine besondere Abgasentnahmestelle vorgesehen, die @so
als Bohrung in .der Zylinderwand
angebracht ist, daß sie vom Kolben
im Abwärtsgang freigegeben wird.
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Zu 11. Entnahmeventil. Die an obiger Stelle entnommenen Abgase
werden erfindungsgemäß durch ein Rückschlagventil gesteuert, dessen Federkraft so
:bemessen ist, daß es bei einem Druck öffnet, der über .dem Kompressionsdruck liegt,
bei dem der Kolben die Btihrung abdeckt. Gleichzeitig liegt der Druck unter dem
kleinsten Expansionsdruck, der ,bei Freigabe der Bohrung herrscht. Aus später zu
erläuternden Gründen müssen. die Abgase vor Eintritt in denRegelspannungsgeberabgekü'hltwerden;
es ist :deshalb erfindungsgemäß zwischen Entnahmeventil und Regelspannungsgeber
eine Kühlleitung kleinen Querschnitts aus dünnwandigem, gut wärmeleitendem Material
eingeschaltet.
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Zu 111. Abschei,der. Um den Spannungsgeber vor Verschmutzung
zu schützen, ist zwischen Entnahmeventil und Spannungsgeber ein Filter sowie ein
Wasser- und Ölabscheider eingeschaltet.
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Zu IV. Regelspannungsgeber. Das bekannte Meßgerät besteht aus einer
Brückenschaltung von vier Platindrähten. Die Brücke ist so geschaltet, daß sich
je zwei gegenüberliegende Brückenzweige im Abgasstrom und zwei in einem Vergleichsmedium
von derselben Temperatur befinden. Die Brückenzweige sind von einem konstanten Strom
durchflossen; der Strom heizt diese Drähte .so lange auf, bis sich zwischen der
zugeführten elektrischen Energie und der durch das umgebende Medium a@bgefü'hrten
Wärme ein Gleichgewicht einstellt. Die Brücke ist elektrisch so abgestimmt, daß
bei annähernd theoretischem Mischungsverhältnis die Brückenspannung am kleinsten
ist. Bei anderen Mischungsverhältnissen steigt sie, wie schon erwähnt, proportional
diesem Verhältnis an.
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Die Drahttemperatur und damit der Widerstand .der einzelnen Zweige
ändert sich r. mit der Umgebungstemperatur, 2. mit der Wärmeleitfähigkeit der den
Draht umgebenden Gase, 3. mit der Strömungsgeschwindigkeit .dieser Gase. Erwünscht
ist nur der zweite Effekt. Der erste Effekt wird dadurch ausgeschaltet, daß alle
vier Zweige derselben Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Damit kompensiert sich
eine Änderung dieser Temperatur. Der dritte Effekt wird dadurch beseitigt, daß die
Meßkammern nicht direkt vom Abgasstrom durchflossen sind, sondern in einem Nebenschluß
liegen, der nur so viel Gas durchströmen läßt, daß sich eine Änderung der Abgaszusammensetzung
in einer für die Messung erträglichen Zeitspanne bemerkbar macht.
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Um den Meßeffekt für die Regelung geeignet zu machen, wird die beschriebene
Brückenschaltung erfindungsgemäß wie folgt geändert: a) Die Platindrähte werden
durch Halbleiter ersetzt, die einen negativen Temperaturkoeffizienten haben, der
um ein Vielfaches größer ist als der von Platin. Die zur Verfügung stehende Regelspannung
wird .dadurch entsprechend vergrößert.
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b) Die Halbleiter sind ferner räumlich so gestaltet, z. B. als Perlen
kleinen Durchmessers (etwa o,5 mm), daß ihre Wärmekapazität auf ein Minimum reduziert
wird. Sie befinden sich in einem allseitig umschlossenen Raum, der eine ikleine
Öffnung hat, durch welche die Abgase in den Meßraum diffundieren :können. Die Öffnung
befindet sich in der Leeseite des Abgasstromes, so daß der Einflluß der Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase auf die Temperatur des Halbleiters ausgeschaltet ist. Diffusionsöffnung
und Maße des Halbleiters sind so abgestimmt"daß .die Geschwindigkeit der Widerstandsänderung
des Halbleiters bei der höchsten verlangten Regelgeschwindigkeit ausreicht.
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c) Die Vergleichswiderstände, ebenfalls Halbleiter vom gleichen Temperaturkoeffizienten,
befinden sich in allseitig geschlossenen dünnwandigen Behältern aus gut wärrneleitendem
Material in einem Vergleichsmedium, z. 13. wasserdampfgesättigte Luft. Sie nehmen
.also stets die Temperatur der Abgase an und können deren Schwankungen folgen.
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Damit ergibt sich für den Regelspannungsgeher erfindungsgemäß die
Lösung A, bestehend aus einem abgasdurchströmten Gefäß (s. Bild 2), in dem sich
vier Halbleiter befinden, von denen zwei nach Beschreibung 41b (Pos. 41) und zwei
nach Beschreibung 4c (Pos. 42) gestaltet sind. Die sich hei dem jeweiligenMischungsverhältnisvonL
uft-Kraftstoff ergebenden Brückeiispamiungen werden zur Regelung herangezogen, wie
noch zu beschreiben.
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d) Der unerwünschte Einfluß der unter Umständen schwankenden Abgastemperatur
kann erfindungsgemäß auch dadurch vermieden werden, daß die Abgase vor Eintritt
in die Meßkammer auf Außenlufttemperatur abgekühlt und dann mit Hilfe eines Thern
%ostaten (s. Bild 3) auf eine konstante Temperatur gebracht werden, die mit Sicherheit
über der höchstmöglichen Außentemperatur liegt. Der Thermostat ibesteht aus einer
Heizwicklung (Pos. 43), einem Bimetallkontaktschalter (Pos. 44) und einem oder mehreren
Halbleiterelementen nach Beschreibung 4b (Pos. 45).
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Bei der sich daraus für den Regelspannungsgeber ergebenden Lösung
B werden dann die gekühlten Abgase einem Thermostaten zugeführt, in dem sich Halbleiter
nach Anordnung IV 1> (Pos. 45, s. Bild 3) befinden. Die Vergleichsbrückenzwaige
sind dann gewöhnlicheWiderstände, z. B. aus Konstantandraht. Die Brückenspannung
steht wie bei Lösung A zur Regelung zur Verfügung.
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,Befinden sich die Halbleiter in einem Thermostaten, so kann unter
Umständen auf die Brückenschaltung verzichtet und zur Regelung die Stromänderung
eines einzigen sich im Abgasstrom befindenden Halbleiters herangezogen werden (Lösung
B').
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Zu V. Regelspannungswandler. Der Regelspannungswandler ,besteht aus
a) einem Bolometerschalter (s. Bild 4), bestehend aus zwei Halbleitern (Pos. 52
und 53), die sich in einem Kühlluftstrom befinden. :'Mittels einer an einer Drehspule
(Pos. 51) angebrachten Abdeckscheibe (Pos. 54) können sie wahlweise dem Luftstrom
entzogen werden,
b) einem polarisierten Relais (s. Bild 5) mit zwei
oder mehr Wicklungen (Pos. 55 und 56). Das Relais steuert einen Umschaltkontaktsatz
(Pos. 57) mit Ruhestellung. Der Umschalter ist ein- oder zweipolig. Der Umschalter
des Relais befindet sich in Ruhestellung, wenn entweder keine der Wicklungen stromdurchflossen
;ist oder wenn sich die Ströme in den verschiedenen Relaiswicklungen in ihrer magnetischen
Wirkung gegenseitig aufheben, c) einem Bolometerschalter, bestehend aus zwei Halbleitern,
die in der Achse einer Drehspule sich mit dieser drehend befestigt sind. Hierbei
läuft der Kühlluftstrom senkrecht zur Spulenachse. Die Abdeckung erfolgt durch Blenden,
die gehäusefest sind, wenn die Spule die Halbleiter dreht.
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Zu VI. Verstellglied. Die im Regel@spannungswandler umgeformten Regelspannungen
werden einem Verstellglied zugeführt, bestehend aus z. B.
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a) einem Verstellmotor mit Getriebe, der z. B. den Wählhebel einer
Einspritzpumpe betätigt. Der Motor kann links- und rechtslaufend geschaltet werden,
entweder durch Umpolung der Spannung einer Feldwicklung oder durch wählweise Einschaltun
von zwei gegensinnigen Feldwicklungen desselben Motors. Der Verstellmotor treibt
über ein Untersetzungsgetriebe einen Gewindebolzen an. Der Verstellhel>el der Einspritzpumpe
ist starr mit einer Mutter verbunden, die auf dem Gewindebolzen läuft. Die Mutter
bewegt sich längs der Achse des Gewindebolzens um eine Ganghöhe hei einer Bolzenumndrehung.
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1>) Die im Regelspannungswandler umgeformten Regelspannungen steuern
Ventile, die ihrerseits eine pneumatische oder hydraulische Servosteuerung betätigen.
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c) Das Verstellglied ist derart gestaltet, daß eine mechanisch gesteuerte
drosselklappenalihängige Vorwahl auf ungefähre Sollmenge möglich ist.Ver-,stellglieder
nach VI a bzw. b können zur Feinregelung dazwischengeschaltet werden.
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,d) wie c), jedoch drehzahlabhängige bzw. kombinierte Vorwahl.
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Durch Kombination der im vorhergehenden beschriebenen Reglerteile
ergeben sich mehrere Lösungen für einen arbeitsfähigen Gemischregler, von denen
die zwei sinnfälligsten im folgenden herausgegriffen und beschrieben sind: A. Ein
Reglerapparat, bestehend aus einer Entnahmestelle I, einem Ventil 1I, einer Filter-
und Abscheiderkombination HI, einem Reglergeber nach Lösung A, IV, einem polarisierten
Relais Vb und einem Verstellglied VIa. Dieser Regler, dessen Prinzipschaltung in
Bild 6 dargestellt ist, arbeitet wie folgt: Die Relaiswicklungen 55 und 56 sind
gegensinnig gewickelt, d. h. wenn sie von zwei gleich großen Strömen durchflossen
werden, so heben sich deren magnetische Wirkungen auf, und der Schaltsatz des Relais
bleibt in Ruhestellung. Wicklung 56 liegt über einem Regulierwiderstand R" an der
Batteriespannung Ub. In Wicklung 56 mit dem Widerstand R1 fließt demnach der Strom
Il gleich Ub durch R,, + R1. Wicklung 55 wird von der aus dem Geber stammenden Spannung
gespeist. Für ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis sei sie U, der Strom durch
Wicklung 55 mit dem Widerstand R2 ist dann J2 = U: R2. Der Widerstand R"
soll veränderlich sein und mit der Drosselklappenstellung funktionell zusammenhängen.
Man kann dann R,, so wählen, daß bei der dem gewählten Gemischverhältnis entsprechenden
Dros-;selklappenstellung J1 = J2 wird. Der Regler bleibt dann in Ruhe, da das Relais,
welches den Verstellmotor betätigt, in Ruhestellung ist. Wird nun die Dros-sefklappenstellun:g
geändert, so ändert sich R," und h wird z. B. größer als J2. Das Relais zieht an,
und der Verstellmotor beginnt zu laufen. Angenommen ;bei der neuen Drosselkdappenstellung
soll das Gemisch gegenüber der ersten Einstellung reicher sein, dann wird der Verstellmotor
so geschaltet, daß die Pumpe nach Mehrförderung verstellt wird. Reicheres Gemisch
bedeutet größere Spannung am Gebergerät; J2 steigt so lange an, Abis l2 der durch
die Drosselklappenstellung vergrößerten Stromstärke 1l entspricht, worauf der Regler
wieder zur Ruhe kommt.
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B. Ein zweites Regleraggregat, bestehend aus einer Entnahmestelle
I, einem Ventil II, einer Filter- und A.bscheiderkombination III, einem Reglergeber
nach Lösung B', IV, einem Bolometerschalter VQ und einem Verstel'lglied VI, Der
Regler, dessen Prinzipschaltung in Bild 7 dargestellt ist, arbeitet wie folgt: Der
Halbleiter liegt über einem regelbaren Stromwiderstand an Batteriespannung. Der
Strom durch den Halbleiter wird mittels des Vorwiderstandes-R,, so eingestellt,
daß bei einem bestimmten Mischungsverhältnis von Luft-Kraftstoff die Stellung der
Drehspule des Bolometerverstärkers so ist, daß die Abdeckscheibe seine Halbleiter
dem Kühlluftstrom aussetzt. Die Halbleiter des Bolometerschalters sind den beiden
Feldwicklungen des Verstellmotors vorgeschaltet, sie werden durch den Luftstrom
des BoloTneter-,schalters gekühlt und haben damit einen so hohen Widerstand, daß
der Erregerstrom des Verstellmotors zu klein ist, um ihn in Gang zu setzen. Es wird
also in d -iesem Reglerzustand die dem gewählten Mischungsverhältnis entsprechende
Kraftstoffmenge eingespritzt: Ändert sich nun ,durch einen motorseitigen Einfluß
das Mischungsverhältnis, so ändert sich die Zusammensetzung der Abgase. Der Widerstand
des Geberhalbleiters werde dann z. B. kleiner und der Strom im Geberkreis größer.
Die Drehspule des ' Bolometerschalters schlägt aus, die Abdeckscheibe verhindert
dann den Zutritt des Luftstroms zu einem der @beiden Halbleiter, dieser 'heizt sich
auf, und sein Widerstand sinkt so weit ab, daß der Erregerstrom durch eine Feldwicklung
des Verstellmotors groß genug ist, um ihn in Gang zu setzen oder ein zwischengeschaltetes
normales Relais zu betätigen. Das Mischungsverhältnis wird dann, wie bei Lösung
des Reglers A beschrieben, auf den gewünschten Wert korrigiert.
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Bei allen Reglerlösungen ist es erfindungsgemäß möglich, durch Unterbrechung
irgendeines der Reglerstromkreise oder Einbau veränderlicher Vorwiderstände
den
Regelmechanismus willkürlich zu beeinflussen.