EP0383959A1

EP0383959A1 - Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: EP0383959A1
Application number: EP89102665A
Authority: EP
Inventors: Martin Prof. Dr. Feldinger
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1990-08-29
Also published as: JPH02207174A; DE3902283A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, mit einem rotationssymmetrischen Düsenkörper (10), der zusammen mit einem in ihm verschiebbaren, rotationssymmetrischen Drosselkörper (11) eine konvergent-divergente Düse (9) bildet, die in ein Saugrohr (13) des Verbrennungsmotors mündet, sowie mit einer Kraftstoffmengenregeleinrichtung (4, 6, 8) mit einer Kraftstofförderleitung (7), die in der Nähe des engsten Querschnitts (12) in die Düse (9) mündet. Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Gemischbildungsvorrichtung der genannten Art zu schaffen, mit der auf einfache Art und Weise, insbesondere ohne ein motorspezifisches Kennfeld eine Vorsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist. Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die Kraftstoffmengenregeleinrichtung eine Zumeßeinheit (6) aufweist, die mit einer mit dem Kraftstofftank (1) verbundenen Kraftstofförderleitung (5) und der in die Düse mündenden Kraftstofförderleitung verbunden ist, sowie ein motorlastabhängig bewegbares Zumeßorgan (18) zum Steuern der Kraftstoffdurchflußmenge umfaßt, das bewegungsschlüssig mit dem Düsenkörper gekoppelt ist. Die bewegungsschlüssige Koppelung von Düsenkörper und Zumeßorgan gewährleistet eine verzögerungslose Regelung des Kraftstoff-Luftgemisches, eine Weiterbildung der Erfindung sieht darüber hinaus vor, daß die Regelung insbesondere im unterkritischen Strömungszustand der Luft über eine Steuerelektronik (30) erfolgt, für die der Druck im engsten Luftquerschnitt der Düse (9) die wesentliche Steuergröße ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, mit einem rotationssymmetrischen Düsenkörper, der zusammen mit einem in ihm verschiebbaren rotationssymmetrischen Drosselkörper eine konvergent-divergente Düse bildet, die in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors mündet, sowie mit einer Kraftstoffmengenregeleinrichtung mit einer Kraftstoffleitung, die in oder in der Nähe des engsten Querschnitts in die Düse mündet.
Bei mit Benzin betriebenen Verbrennungsmotoren muß zur Erzielung eines schadstoffarmen Betriebes die Gemischzusammensetzung (Lambda-Wert) - unabhängig vom jeweiligen Betriebspunkt des Motors - in engen Grenzen gehalten werden. Nur dadurch ist es möglich, die gesetzlich vorgeschriebenen zulässigen Grenzwerte für die Schadstoffe im Abgas des Motors einzuhalten. Insbesondere beim Betrieb des Motors mit Abgaskatalysatoren darf das "Lambda-Fenster" für optimale Konvertierung der Gemischzusammensetzung nur sehr wenig um einen optimalen Lambda-Wert schwanken. Dies wird erreicht durch

- eine Vorsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches für den gesamten Betriebsbereich des Motors, die von vornherein nur möglichst wenig von der idealen Gemischzusammensetzung abweicht,
- eine zusätzliche Regelung des vorgesteuerten Gemisches mittels einer Lambda-Sonde, die bei Abweichungen der Gemischzusammensetzung vom Idealwert eine Rückführung auf den idealen Lambda-Wert bewirkt.

Je weniger der Lambda-Wert des vorgesteuerten Gemisches vom idealen Lambda-Wert abweicht, um so wirksamer kann die Regelung des Kraftstoff-Luftgemisches durch die Lambda-Sonde erfolgen, um so weniger Schadstoffe enthält das Abgas.
In der Praxis erfolgt die Vorsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches durch Abrufen spezifischer Daten eines durch Versuche ermittelten Kennfeldes, in dem beispielsweise als Stützpunkt die Drehzahlen und Drehmomente des Motors erfaßt sind und zwischen den einzelnen Stützpunkten eine lineare Interpolation vorgenommen wird. Abgesehen davon, daß für jeden Motortyp ein eigenes Kennfeld erstellt werden muß, kann eine Vorsteuerung über ein Kennfeld nur eine Näherungslösung darstellen, weil motorunabhängige Größen in die Ermittlung des Kennfeldes nicht oder nur sekundär einfließen. Ferner bedingt eine Kennfeldregelung wegen der erforderlichen Abgleichung von aktuellen Motordaten mit den Kennfelddaten und dann erst einsetzender Regelung eine zeitverzögerte Vorsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches, so daß der zusätzlichen Regelung über eine Lambda-Sonde eine größere Bedeutung zukommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren der genannten Art zu schaffen, die eine einfache und schnelle Vorsteuerung der Zusammensetzung des Kraftstoff-Luftgemisches ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kraftstoffmengenregeleinrichtung eine Zumeßeinheit aufweist, die mit einer mit dem Kraftstofftank verbundenen Kraftstofförderleitung und der in die Düse mündenden Kraftstofförderleitung verbunden ist, sowie ein motorlastabhängig bewegbares Zumeßorgan zum Steuern der Kraftstoffdurchflußmenge umfaßt, das bewegungsschlüssig mit dem Düsenkörper gekoppelt ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß in der Gemischbildungsvorrichtung die Strömungsgeschwindigkeit der Luft für einen weiten Betriebsbereich des Motors Schallgeschwindigkeit erreicht. Solange der Druck der Luft im Saugrohr des Motors einen "kritischen" Wert unterschreitet, ändert sich an der Strömungsgeschwindigkeit und am Zustand der Luft im engsten Querschnitt der Düse nichts. Dies bedeutet, daß dabei der Luftmassenstrom - bei unveränderlicher Stellung des Drosselkörpers - konstant bleibt. Wird diesem konstanten Luftmassenstrom ein konstanter Kraftstoffmassenstrom zugeführt, dann bleibt auch die Zusammensetzung des entstehenden Gemisches (Lambda-Wert) konstant, die Vorsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches ist in diesem Falle unveränderlich. Die konkrete Zuordnung von konstantem Luftmassenstrom und konstantem Kraftstoffmassenstrom wird erfindungsgemäß durch die bewegungsschlüssige Kopplung von Zumeßorgan und Düssenkörper erreicht. Grundsätzliche Voraussetzungen der gleichmäßigen Gemischvorsteuerung ist dabei, daß der wirksame Querschnitt des Kraftstoffzumeßorganes proportional dem wirksamen Ouerschnitt der Düse ist. Wird, ausgehend von dem "kritischen Strömungszustand" im engsten Querschnitt der Düse die Motorbelastung gesteigert, dann wird schließlich bei Überschreitung eines bestimmten Luftdruckes im Saugrohr der Übergang von kritischer Strömung (mit "Schallgeschwindigkeit") in eine unterkritische Strömung ("Unterschallströmung")erfolgen. Bei unverändeter Stellung des Drosselkörpers würde damit der vom Motor angesaugte Luftmassenstrom kleiner. Würde sich dabei der mit verkleinertem Luftmassenstrom beigemischte Kraftstoffmassenstrom-nicht ändern,würde das Gemisch zu "fett", der Lambda-Wert würde abnehmen, die Gemischzusammensetzung bei unverändertem Kraftstoffmassenstrom immer mehr von der idealen Vorsteuerung abweichen, mit den nachteiligen Folgen einer entsprechenden Zunahme der anteiligen Schadstoffe im Abgas des Motors. Damit sich die Gemischzusammensetzung (Lambda-Wert) des Kraftstoff-Luftgemisches beim Übergang vom kritischen Strömungszustand in den unterkritischen Strömungszustand nicht verändert, muß im gleichen Maße wie der Luftmassenstrom dabei abnimmt, auch der Kraftstoffmassenstrom abnehmen. Eine besondere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zur Regelung von Luftmassenstrom und Kraftstoffmassenstrom in Abhängigkeit von motorunabhängigen Größen eine Korrektur der Kopplung von Zumeßorgan und Düsenkörper erfolgt. Bevorzugt handelt es sich bei den motorunabhängigen Größen um den Druck _PL der Luft im engsten Querschnitt der Düse, den Umgebungsdruck p_o vor der Düse und die Umgebungstemperatur T_o vor der Düse. Die genannte Regelung nimmt Bezug auf die physikalischen Gegebenenheiten, nach denen der Luftmassenstrom eine Funktion des Verhältnisses æ der spezifischen Wärmen, der Gaskonstante R, des sogenannten Lavalquerschnittes A_D in Abhängigkeit von der Drosselkörperstellung _YK, des Umgebungsdrukkes p_o, der Umgebungstemperatur T_o und des Druckes pL der Luft im engsten Querschnitt der Düse (Lavalquerschnitt) ist, sowie der Kraftstoffmassenstrom eine Funktion æ R, Aα, den die stöchiometrische Verbrennung repräsentierenden Wert X , dem stöchiometrischen Verhältnis Luft/Kraftstoff L_min, p_o, T_o, _PL ist.
Die Regelung von Luftmassenstrom und Kraftstoffmassenstrom über die Größen pL, p_o und T_o, das heißt die kennfeldunabhängige Regelung erfolgt mit so hoher Geschwindigkeit, daß einer zusätzlichen Regelung des vorgesteuerten Gemisches mittels der Lambda-Sonde nur eine untergeordnete Bedeutung zukommt.
Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung sieht vor, daß die Zumeßeinheit durch eine eine Öffnung aufweisende Blende in zwei Teilräume unterteilt ist, wobei einer der Teilräume mit der mit dem Kraftstofftank verbundenen Kraftstofförderleitung und der andere der Teilräume mit der in die Düse mündenden Kraftstofförderleitung verbunden ist und das Zumeßorgan in Abhängigkeit von seiner motorlastabhängigen Position die Blendenöffnung mehr oder weniger durchsetzt. Eine besonders einfache Zuordnung der Bewegungen von Zumeßorgan und Drosselkörper ergibt sich dabei, wenn diese starr miteinander verbunden sind und darüber hinaus das Zumeßorgan direkt oder indirekt mittels des Fahrzeuggaspedals bewegbar ist. Eine Bewegung des Drosselkörpers führt infolgedessen zu einer proportionalen Bewegung des Zumeßorgans mit einer proportionalen Änderung von Luftmassenstrom und Kraftstoffmassenstrom. Als besonders vorteilhaft wird es in diesem Zusammenhang angesehen, wenn sowohl der Drosselkörper als auch das Zumeßorgan als Kegel ausgebildet sind, die gleichgerichtet und rotationssymmetrisch mit einer gemeinsamen Lagerachse verbunden sind, wobei unter dem Begriff Kegel auch solche Kegelgestaltungen verstanden werden sollen, die von einem mathematisch definierten Kegel abweichen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der der kraftstofftankseitigen Kraftstofförderleitung zugeordnete Teilraum der Zumeßeinheit über eine Öffnung mit einem Ausgleichsraum verbunden ist, wobei ein mit dem Zumeßorgan bewegungsschlüssig gekoppeltes Ausgleichselement, insbesondere ein Ausgleichskolben die Öffnung dichtend durchsetzt und der Ausgleichsraum über eine Zweigleitung mit der düsenseitigen Kraftstofförderleitung verbunden ist. Diese Ausgestaltung der Zumeßeinheit dient der Korrektur der Gemischzusammensetzung bei Änderung des Belastungszustandes des Motors. So würde eine Veränderung des Belastungszustandes (Druck im Saugrohr) des Motors zu einer Luftdruck- änderung im Saugrohr führen. Hierdurch würde bei einer Verminderung des Druckes im Saugrohr an der Saugrohrwandung angelagerter Kraftstoff in Form eines Kraftstoffilmes verdampfen und das Kraftstoff-Luftgemisch nach der Düse "angefettet", das heißt der Lambda-Wert verringert. Bei einer Vergrößerung des Druckes im Saugrohr würde sich Kraftstoff am Saugrohr niederschlagen und damit das in den Motor eintretende Gemisch "abmagern", das heißt den Lambda-Wert vergrößern. In beiden Fällen würde das dem Motor zugeführte Kraftstoff-Luftgemisch von dem für die optimale Konvertierung erforderlichen Lambda-Wert mehr oder weniger stark abweichen. Je schneller die Änderung der Motorbelastung und damit des Saugrohrdruckes erfolgen würde, um so größer würde die Abweichung vom optimalen Lambda-Wert. Die genannte Ausgestaltung der Zumeßeinheit mit einem Ausgleichsraum gleicht den Einfluß der bei der Änderung des Saugrohrdruckes veränderlichen Kraftstoffmenge weitgehend dadurch aus, daß bei einer Verkleinerung des Saugrohrdruckes, das heißt einem Abdampfen von Kraftstoff von den Saugrohrwänden das von der Gemischbildungsvorrichtung gelieferte Gemisch abgemagert wird, indem Kraftstoff statt zur Düse in den Ausgleichsraum gefördert wird, und bei einer Vergrößerung des Saugrohrdruckes, das heißt einer Kondensation von Kraftstoff aus dem von der Gemischbildungsvorrichtung gelieferten Gemisch und einer Anlagerung an den Saugrohrwandungen, das von der Gemischbildungsvorrichtung gelieferte Gemisch angereicht wird, indem zusätzlicher Kraftstoff aus dem Ausgleichsraum gefördert wird. In beiden Fällen wird zwar keine exakte Kompensation der Änderung des Kraftstoffilmes am Saugrohr erreicht, bei richtiger Bemessung des Ausgleichskolbens wird jedoch die Abweichung von dem durch die Gemischbildungsvorrichtung ideal vorgesteuerten Kraftstoff-Luftgemisch bei plötzlicher Laständerung vermindert, die Regelung durch die Lambda-Sonde entlastet. Im Ergebnis wird dadurch die Konvertierung der Schadstoffe verbessert. Selbstverständlich kann zur- Erzielung des oben genannten Effektes anstelle eines Ausgleichskolbens auch eine Membrane oder ein Faltenbalg usw. Verwendung finden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kraftstoffmengenregelung mittels eines Zumeßreglers erfolgt, der von einer Steuerelektronik ansteuerbar ist, die wie oben beschrieben die Kopplung des Zumeßorganes und des Düsenkörpers in Abhängigkeit von den motorunabhängigen Grössen korrigiert. Eine weitere Korrekturgröße kann das Luftverhältnis darstellen, das in bekannter Art und Weise mittels einer Lambda-Sonde ermittelbar ist und gleichfalls in die Steuerelektronik eingegeben wird.
Vorteilhaft weist der Zumeßregler zwei mittels einer flexiblen Membran gegeneinander abgedichtete Kraftstoffräume auf, und es ist ein Kraftstoffraum über eine Zweigleitung mit der, mit dem Kraftstofftank verbundenen Kraftstofförderleitung und einer Rückführleitung mit dem Kraftstofftank verbunden, sowie der Zufluß des Kraftstoffes in diesen Kraftstoffraum durch ein über die Steuerelektronik regelbares Drosselelement veränderbar und es ist im Abfluß ein statisches Drosselelement angeordnet, wobei der andere Kraftstoffraum über einen ersten Teil der in die Düse mündenden Kraftstofförderleitung mit der Zumeßeinheit und einen zweiten Teil dieser Kraftstofförderleitung mit der Düse verbunden ist und der Durchtrittsquerschnitt des anderen Kraftstoffraumes mittels der flexiblen Membran regelbar ist. Die Zweigleitung sollte benachbart von einer dem einen Kraftstoffraum zugeordneten flexiblen Membranenden und der Durchtrittsquerschnitt zwischen der Leitungsmündung und der Membran mittels eines auf die Membran einwirkenden und über die Steuerelektronik ansteuerbaren Elektromagneten veränderlich sein. Die Gemischbildungsvorrichtung sollte schließlich einen Systemdruckregler aufweisen, der einen konstanten Kraftstoffdruck in der Kraftstofförderleitung zur Zumeßeinheit und in der Zweigleitung sicherstellt.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren und in den Unteransprüchen dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.
In den Figuren ist die Erfindung anhand einer Ausführungsform sowie deren teilweisen Modifikation verdeutlicht, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung,
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des grundsätzlichen Zusammenhanges der Massenströme von Luft und Kraftstoff in Abhängigkeit vom Druck im engsten Querschnitt der Düse für den überkritischen und unterkritischen Strömungszustand,
Figur 3 ein Diagramm mit normierter Darstellung der Massenströme von Luft und Kraftstoff in Abhängigkeit vom Druck im engsten Querschnitt der Düse für den überkritischen und unterkritischen Strömungszustand und
Figur 4 eine schematische Darstellung der modifizierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung im Bereich der Zumeßeinheit mit einem Ausgleichsraum.
Figur 1 zeigt einen Kraftstofftank 1, von dem über eine Pumpe 2 durch einen dieser nachgeschalteten Filter 3 und einen Systemdruckregler 4 Kraftstoff mit vorgesteuertem konstanten Druck durch eine Kraftstofförderleitung 5 zu einer Zumeßeinheit 6 gefördert wird. Von dieser gelangt der Kraftstoff in einen ersten Abschnitt 7a einer weiteren Kraftstofförderleitung 7, der in einen Zumeßregler 8 mündet. Ein zweiter Abschnitt 7b der Kraftstofförderleitung 7 führt vom Zumeßregler 8 zu einer konvergent-divergenten Düse 9, die durch einen rotationssymmetrischen Düsenkörper 10 und einen in ihm verschiebbaren rotationssymmetrischen Drosselkörper 11 gebildet ist. Der zweite Abschnitt 7b der Kraftstofförderleitung 7 mündet in der Nähe des engsten Querschnittes 12 in die Düse 9, die ihrerseits in ein Saugrohr 13 des nicht näher dargestellten Verbrennungsmotors mündet.

Der Figur 1 ist zu entnehmen, daß die Zumeßeinheit 6 durch eine eine Öffnung 14 aufweisende Blende 15 in zwei Teilräume 16 und 17 unterteilt ist, wobei der Teilraum 16 mit dem Kraftstofftank 1 über die Kraftstofförderleitung 5 und der Teilraum 17 über die Kraftstofförderleitung 7 mit der Düse 9 verbunden ist. Ein als Kegel ausgebildetes Zumeßorgan 18 ist in Richtung seiner Rotationsachse senkrecht zur Blendenebene in die Blendenöffnung und aus dieser heraus bewegbar und be stimmt damit je nach seiner Position den verbleibenden Durchtrittsquerschnitt des Kraftstoffes durch die Zumeßeinheit 6. Das Zumeßorgan 18 ist rotationssymmetrisch im Bereich seiner Spitze und seiner kreisförmigen Grundfläche mit einer Achse 19 verbunden und in zwei Lagern 20 der Zumeßeinheit 6 längsverschieblich gelagert. Rotationssymmetrisch zum Zumeßorgan 18 ist mit dem freien Ende der Achse 19 der Drosselkörper 11 verbunden, wegen der bewegungsschlüssigen Verbindung sind damit die Bewegungen des Drosselkörpers 11 und des Zumeßorgans 18 gekoppelt. Der axiale Weg der Achse 19 und damit der Weg von Drosselkörper 11 und Zumeßorgan 18 entsprechen dem mit dem Doppelpfeil A verdeutlichten Gaspedalweg. Wegen der gleichgerichteten kegelförmigen Ausbildung von Zumeßorgan 18 und Drosselkörper 11 führt damit eine Zustellbewegung der Achse 19 in Richtung des Saugrohrs 13 zu einem fortschreitenden Eintauchen des Zumeßorganes 18 in die Blendenöffnung 14 und damit einer Verringerung des Kraftstoffdurchtrittsquerschnittes, desgleichen ein entsprechendes Eintauchen des Drosselkörpers 11 in die Düse 9 zu einer Verringerung des Luftdurchtrittsquerschnittes. Die Durchtrittsquerschnitte sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß sich bei einer nicht behinderten Strömung des Kraftstoffes durch die Kraftstoffförderleitung 7 proportionale Verhältnisse bei Zumeßorgan 18 und Drosselkörper 11 bezüglich des Kraftstoff- bzw. Luftdurchsatzes ergeben.
Der Darstellung der Figur 1 ist zu entnehmen, daß der Zumeßregler unter anderem zwei mittels einer flexiblen Membran 21 gegeneinander abgedichtete Kraftstoffräume 22 und 23 aufweist. Der Kraftstoffraum 22 ist durch eine Verbindungsleitung 24 in zwei Teilräume 22a und 22b unterteilt, eine in den Teilraum 22b mündende Zweigleitung 25 ist hinter dem Systemdruckregler 4 mit der Kraftstofförderleitung 5 verbunden, so daß ein Teil des von der Pumpe 2 geförderten Kraftstoffes über die Zweigleitung 25 in den Kraftstoffraum 22 gefördert wird. Mit dem Teilraum 22a des Kraftstoffraumes 22 ist eine Rückführleitung 26 verbunden, die zum Tank 1 führt. In die Rückführleitung 26 ist im Bereich des Ausflusses aus dem Teilraum 22a eine Festdrossel 27 eingesetzt.
Die Zweigleitung 25 ist in den Teilraum 22b hineingeführt und endet in geringfügigem Abstand von der dem Eintrittsbereich gegenüberliegenden Teilraumwandung, die gleichfalls als flexible Membran 28 ausgebildet ist. Auf der der Zweigleitung 25 abgewandten Seite dieser Membran 28 ist ein Elektromagnet 29 angeordnet, der über eine Steuerelektronik 30 ansteuerbar ist und aufgrund einer auf einem Magneten ansprechenden Ausbildung der flexiblen Membran 28 bei Anliegen eines Steuerstromes die Membran 28 mehr oder weniger von der benachbarten Öffnung der Zweigleitung 25 wegbewegt. Der Eingang des Kraftstoffraumes 22 ist damit mit einer beweglichen Drossel und der Ausgang dieses Kraftstoffraumes mit einer Festdrossel 27 versehen.
In den Kraftstoffraum 23 mündet der erste Abschnitt 7a der Kraftstofförderleitung 7 und es reicht entsprechend 'der Ausbildung der Zweigleitung 25 der zweite Abschnitt 7b der Kraftstofförderleitung 7 in den Kraftstoffraum 23 bis kurz vor die flexible Membran 21 hinein. Zwischen dieser und der zugewandten Einströmöffnung des zweiten Abschnittes 7b der Kraftstofförderleitung 7 ist damit gleichfalls eine bewegliche Drossel gebildet, wobei sich dort aber die Drosselung aufgrund der infolge der dem Teilraum 22b zugeordneten beweglichen Drossel und den damit im Teilraum 22 sich einstellenden unterschiedlichen Drücken ergibt.
In die Steuerelektronik 30 werden die mittels nicht näher dargestellter Aufnehmer ermittelten momentanen Werte betreffend den Druck pL der Luft im engsten Querschnitt der Düse 9, den Umgebungsdruck p_a vor der Düse 9 und die Umgebungstemperatur To vor der Düse 9 eingegeben, diese Umgebungsgrößen po und To werden in aller Regel den Umgebungszustand nach dem dem Verbrennungsmotor vorgeschalteten Luftfilter wiedergeben. Zusätzlich kann in die Steuerelektronik noch der aktuelle Lambda-Wert eingegeben werden, der in bekannter Art und Weise über eine Lambda-Sonde ermittelt wird.
Figur 2 verdeutlicht die im Versuch ermittelten Zusammenhänge von Luftmassenstrom m_a und Kraftstoffmassenstrom m_s in Abhängigkeit vom Druck _Pl im engsten Querschnitt der Düse 9 für den überkritischen und unterkritischen Strömungszustand. Erreicht die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Düse in einem bestimmten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors Schallgeschwindigkeit und unterschreitet der Druck der Luft im Saugrohr 13 des Motors einen "kritischen" Wert, ändert sich an der Strömungsgeschwindigkeit und am Zustand der Luft im engsten Querschnitt der Düse 9 nichts. Demzufolge bleibt der Luftmassenstrom m_a- bei unveränderlicher Stellung des Drosselkörpers 11 - konstant. Wird diesem konstanten Luftmassenstrom m_a ein konstanter Kraftmassenstrom m_s zugeführt, dann bleibt auch die Zusammensetzung des entstehenden Gemisches, das heißt auch der Lambda-Wert konstant, die Vorsteuerung des Kraftstoff-Luftgemisches ist in diesem Falle unveränderlich. Auf die Prinzipdarstellung nach der Figur 1 bezogen bedeutet dies, daß im überkritischen Bereich die Steuerelektronik 30 nicht regelnd eingreifen muß, es erfolgt infolgedessen keine Aktivierung des Elektromagneten 29, womit sich im Kraftstoffraum 22 konstante Strömungsverhältnisse einstellen und damit auch die zwischen diesem Kraftstoffraum und dem Kraftstoffraum 23 befindliche nachgiebige Membran stationär verbleibt und infolgedessen der durch den Systemdruckregler 4 mit konstant vorgesteuertem Druck in die Zumeßeinheit 6 eingeführte Kraftstoff unter konstanten Fließbedingungen durch die Abschnitte 7a und 7b der Kraftstofförderleitung 7 zum engsten Querschnitt der Düse 9 gefördert wird. Grundsätzliche Voraussetzung dieser gleichmäßigen Gemischvorsteuerung ist wie oben beschrieben, daß der wirksame Durchtrittsquerschnitt der Blende 15 proportional dem wirksamen Querschnitt der Düse 9 ist.
Wird, ausgehend vom beschriebenen "kritischen Strömungszustand" im engsten Querschnitt der Düse 9 die Motorbelastung gesteigert, dann erfolgt bei Überschreitung eines bestimmten Luftdruckes im Saugrohr 13 der Übergang von kritischer Strö mung mit Schallgeschwindigkeit in eine unterkritische Strömung mit Unterschallgeschwindigkeit. Bei unveränderter Stellung des Drosselkörpers 11 würde damit der vom Motor angesaugte Luftmassenstrom ṁ_a kleiner und bei konstantem Kraftstoffmassenstrom ṁ_B das Gemisch zu fett und der Lambda-Wert abnehmen. Damit keine Abweichung von der idealen Vorsteuerung erfolgt, mit den nachteiligen Folgen einer entsprechenden Zunahme der anteiligen Schadstoffe im Abgas des Motors, wird im gleichen Maße, wie der Luftmassenstrom ṁ_a abnimmt, auch der Kraftstoffmassenstrom ṁ_B reduziert. Die Reduzierung des Kraftstoffmassenstromes ṁ_B erfolgt über die Steuerelektronik 30 in die als wesentliche Kenngröße der Druck _PL und weiter der Druck p_o und die Temperatur T_o eingegeben werden. Die von der Steuerelektronik 30 ausgehende Steuergröße aktiviert den Elektromagneten 29 der entsprechend dem Maß der Steuergröße die flexible Membran 28 mehr oder weniger anzieht und damit entsprechend den Durchtrittsspalt zwischen dem offenen Ende der Zweigleitung 25 und der Membran 28 vergrößert. Dies bedingt einen Anstieg des Kraftstoffdruckes im Kraftstoffraum 22, so daß die flexible Membran 21 auf das offene Ende des zweiten Abschnittes 7b der Kraftstofförderleitung 7 bewegt wird und damit der Spalt zwischen der flexiblen Membran und diesem Abschnitt 7b verringert wird, mit der Folge, daß weniger Kraftstoff durch die Kraftstofförderleitung 7 gefördert werden kann.
Figur 3 zeigt, daß bei normierter Darstellung m+ des Luftmassenstromes
und des für konstanten Lambda-Wert erforderlichen normierten Kraftstoffmassenstromes
das Streuband für
und
für den gesamten Betriebsbereich, das heißt für den Druck im engsten Querschnitt der Düse schmal wird, also von der Stellung des Drosselkörpers 11 nur noch wenig abhängig ist. Hierbei bedeutet:
...... normierter Luftmassenstrom bei der Stellung y_K des Drosselkegels
...... normierter Kraftstoffmassenstrom bei der Stellung y des Drosselkegels für einen vorgegebenen Lambda-Wert.
Die Figur 3 verdeutlicht, daß im gesamten überkritischen Bereich
= 1 und für konstanten Larpbdawert auch
= 1 ist. Für den unterkritischen Strömungsbereich sind wegen m_a< ^ma_überkrit. und mB <
B_überkrit dann auch
< 1 und
< 1.
Abweichungen durch den Streubereich um den idealen Lambda-Wert können durch die Lambda-Sonde ausgeglichen werden, die mit der Steuerelektronik 30 zusammenarbeitet. Je kleiner der Streubereich bei unterschiedlichen Stellungen des Drosselkörpers 11 ist, und je besser die Vorsteuerung - insbesondere im unterkritischen Bereich - ausgeführt wird, um so mehr wird der Eingriff der Lambda-Sonde entlastet, um so besser ist die Konvertierung der Schadstoffe im Abgas, so daß die Absteuerung des Kraftstoffmassenstromes im unterkritischen Strömungsbereich primär aufgrund der Steuergröße des Druckes P_L im engsten Luftquerschnitt erfolgen kann.
Figur 4 zeigt die modifizierte Ausbildung der Zumeßeinheit 6. Diejenigen Teile der Zumeßeinheit 6, die mit denen nach der Ausführungsform in Figur 1 übereinstimmen, sind der Einfachheit halber mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Aus zeichnerischen Gründen mündet bei der Ausführungsform nach der Figur 4 die Kraftstofförderleitung 5 auf der der Kraftstoffförderleitung 7 abgewandten Seite in die Zumeßeinheit 6 ein. Der Figur ist zu entnehmen, daß der Teilraum 16 über eine Öffnung 31 mit einem Ausgleichsraum 32 verbunden ist, ein mit dem Zumeßorgan 18 verbundener und konzentrisch zu dessen Rotationsachse angeordneter Ausgleichskolben 33 durchsetzt die Öffnung 31 dichtend, ferner ist der Ausgleichsraum 32 über eine Zweigleitung 34 mit dem ersten Abschnitt 7a der düsenseitigen Kraftstofförderleitung 7 verbunden.
Durch die in der Figur 4 gezeigte Ausgestaltung der Zumeßeinheit 6 besteht die Möglichkeit, den Einfluß der sich bei Änderung des Saugrohrdruckes verändernden Kraftstoffmenge weitgehend auszugleichen. Bei einer Verkleinerung des Saugrohrdruckes, bei der Kraftstoff von den Saugrohrwänden abdampft, wird von der Gemischbildungsvorrichtung das Gemisch abgemagert, indem eine Bewegung des Gaspedals im Sinne einer Verringerung der Gemischmenge zu einer entsprechenden Bewegung des Zumeßorgans 18 und des Ausgleichkolbens 33 und des Drosselkörpers 11 in Richtung der mit vollausgezogenen Linien gezeichneten Pfeile erfolgt, wodurch aufgrund des sich vergrößernden Ausgleichsraumes 32 ein Teil des üblicherweise in die Kraftstofförderleitung 7b geförderten Kraftstoffes über die Zweigleitung 34 im Ausgleichsraum 32 gespeichert wird. Im Unterschied hierzu erfolgt bei einer Vergrößerung des Saugrohrdrukkes und Kondensation von Kraftstoff aus dem von der Gemischbildung gelieferten Gemisch und Anlagerung an den Saugrohrwandungen eine Anreicherung des von der Gemischbildungsvorrichtung gelieferten Gemisches, indem bei der Bewegung des Gaspedals im Sinne einer Vergrößerung der Gemischmenge der Drosselkörper 11 und das Zumeßorgan 18 mit dem Ausgleichskolben 33 in die entgegengesetzte Richtung entsprechend der strichliert gezeichneten Pfeile bewegt werden, so daß infolge der damit einhergehenden Verkleinerung des Ausgleichsraumes 32 zusätzlich über die Zweigleitung 34 Kraftstoff in den Abschnitt 7b der Kraftstofförderleitung 7 einströmt.

Bezugszeichenliste

1 Kraftstofftank
2 Pumpe
3 Filter
4 Systemdruckregler
5 Kraftstofförderleitung
6 Zumeßeinheit
7 Kraftstofförderleitung
7a erster Abschnitt
7b zweiter Abschnitt
8 Zumeßregler
9 Düse
10 Düsenkörper
11 Drosselkörper
12 engster Querschnitt
13 Saugrohr
14 Öffnung
15 Blende
16 Teilraum
17 Teilraum
18 Zumeßorgan
19 Achse
20 Lager
21 Membran
22 Kraftstoffraum
22a Teilraum
22b Teilraum
23 Kraftstoffraum
24 Verbindungsleitung
25 Zweigleitung
26 Rückführleitung
27 Festdrossel
28 flexible Membran
29 Elektromagnet
30 Steuerelektronik
31 Öffnung
32 Ausgleichsraum
33 Ausgleichskolben
34 Zweigleitung

Claims

1. Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren, mit einem rotationssymmetrischen Düsenkörper, der zusammen mit einem in ihm verschiebbaren rotationssymmetrischen Drosselkörper eine konvergent-divergente Düse bildet, die in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors mündet, sowie mit einer Kraftstoffmengenregeleinrichtung mit einer Kraftstofförderleitung,die in oder in der Nähe des engsten Querschnitts in die Düse mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmengenregeleinrichtung (4, 6, 8) eine Zumeßeinheit (6) aufweist, die mit einer mit dem Kraftstofftank (1) verbundenen Kraftstofförderleitung (5) und der in die Düse (9) mündenden Kraftstofförderleitung (7) verbunden ist, sowie ein motorlastabhängig bewegbares Zumeßorgan (18) zum Steuern der Kraftstoffdurchflußmenge umfaßt, das bewegungsschlüssig mit dem Drosselkörper(11) gekoppelt ist.

2. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßeinheit (6) durch eine eine Öffnung (14) aufweisende Blende (15) in zwei Teilräume (16, 17) unterteilt ist, wobei einer (16) der Teilräume mit der mit dem Kraftstofftank (1) verbundenen Kraftstoffförderleitung (5) und der andere (17) der Teilräume mit der in die Düse (9) mündenden Kraftstofförderleitung (7) verbunden ist und das Zumeßorgan (18) in Abhängigkeit von seiner motorlastabhängigen Position die Blendenöffnung mehr oder weniger durchsetzt.

3. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zumeßorgan (18) starr mit dem Drosselkörper (11) verbunden ist.

4. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (11) und das Zumeßorgan (18) als Kegel ausgebildet sind, die gleich gerichtet und rotationssymmetrisch mit einer gemeinsamen Lagerachse (19) verbunden sind.

5. Gemischbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zumeßorgan (18) mittels des Fahrzeuggaspedals bewegbar ist.

6. Gemischbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der der kraftstofftankseitigen Kraftstofförderleitung (5) zugeordnete Teilraum (16) der Zumeßeinheit (6) über eine Öffnung (31) mit einem Ausgleichsraum (32) verbunden ist, wobei ein mit den Zumeßorgan (18) bewegungsschlüssig gekoppeltes Ausgleichselement, insbesondere ein Ausgleichskolben (33), die Öffnung (31) dichtend durchsetzt und der Ausgleichsraum (32) über eine Zweigleitung (34) mit der düsenseitigen Kraftstoffförderleitung (7) verbunden ist.

7. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zumeßorgan (18) und der Ausgleichskolben (33) eine Baueinheit bilden.

8. Gemischbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Kraftstofftank (1) verbundenen Kraftstofförderleitung (5) ein Systemdruckregler (4) zugeordnet ist, zur Erzeugung eines konstanten Druckes an der Zumeßeinheit (6).

9. Gemischbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmengenregeleinrichtung (4, 6, 8) einen über eine Steuerelektronik (30) ansteuerbaren Zumeßregler (8) aufweist, wobei über die Steuerelektronik (30) in Abhängigkeit von motorunabhängigen Größen eine Korrektur der Kopplung von Zumeßorgan (18) und Drosselkörper (11) erfolgt.

10. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die motorunabhängigen Größen der Druck _PL der Luft im engsten Querschnitt der Düse (9), der Umgebungsdruck p_o vor der Düse (9) und die Umgebungstemperatur T_o vor der Düse (9) sind.

11. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Korrekturgröße das Luftverhältnis des Kraftstoff/Luftgemisches mittels einer Lambda-Sonde ermittelt und in die Steuerelektronik (30) eingegeben wird.

12. Gemischbildungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zumeßregler (8) zwei mittels einer flexiblen Membran (21) gegeneinander abgedichtete Kraftstoffräume (22, 23) aufweist und ein Kraftstoffraum (22) über eine Zweigleitung (25) mit der mit dem Kraftstofftank (1) verbundenen Kraftstofförderleitung (5) und eine Rückführleitung (26) mit dem Kraftstofftank (1) verbunden ist, sowie der Zufluß des Kraftstoffs in diesen Kraftstoffraum (22) durch ein über die Steuerelektronik (30) regelbares Drosselelement (28) veränderbar ist und im Abfluß ein statisches Drosselelement (27) angeordnet ist, wobei der andere Kraftstoffraum (23) über einen ersten Teil (7a) der in die Düse (9) mündenden Kraftstoffförderleitung (7) mit der Zumeßeinheit (6. und einen zweiten Teil (7b) dieser Kraftstofförderleitung (7) mit der Düse verbunden ist und der Durchtrittsquerschnitt des anderen Kraftstoffraumes (23) mittels der flexiblen Membran (21) regelbar ist.

13. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Membran (21) beabstandet von dem Durchtrittsquerschnitt des zweiten Teiles (7b) der Kraftstofförderleitung (7) endet.

14. Gemischbildungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigleitung (25) benachbart von einer dem einen Kraftstoffraum (22) zugeordneten flexiblen Membran (28) endet und der Durchtrittsquerschnitt zwischen der Leitungsmündung und dieser Membran (28) mit tels eines auf die Membran (28) einwirkenden und über die Steuerelektronik (30) ansteuerbaren Elektromagneten (29) veränderlich ist.