DE2505231A1 - Vorrichtung zum regeln des stoechiometrischen verhaeltnisses von zwei verbrennungsmitteln bei einem energieerzeuger - Google Patents

Vorrichtung zum regeln des stoechiometrischen verhaeltnisses von zwei verbrennungsmitteln bei einem energieerzeuger

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Description

Patentanwalt DIPL.-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*
MÜNCHEN 81 WISSMANNSTRASSE 14 ■ TELEFON 932774 ■ TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN
München, den 7. Febr. 1975 Unser Zeichen: 46 - 1525
REGIE NATIONALE DES USINES RENAULT, 8-10 Avenue Emile Zola 92109 Boulogne-Billancourt, Frankreich
AUTOMOBILES PEUGEOT S.A., 75 Avenue de la Grande Armee, 75016 Paris, Frankreich
Vorrichtung zum Regeln des stöchiometrischen Verhältnisses von zwei Verbrennungsmitteln bei einem Energieerzeuger
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Regeln des stöchiometrischen Verhältnisses der Massen zweier Verbrennungsmittel in einem Brennkraft-Energieerzeuger, die dort verbrannt werden sollen.
Bei den meisten Verbrennungsvorgängen ist es wesentlich, ein a> 3-gewogenes Verhältnis zwischen den Einlaßmengen zweier Verbrennungsmittel zu gewährleisten, unabhängig davon, ob Wärme erzeugt werden soll, wie beispielsweise bei Wärmemotoren, oder Elektrizität, wie bei den Brennstoffelementen. Mit dem Auftauchen einer Gesetzgebung gegen die Umweltverschmutzung und mit der Notwendigkeit, Treibstoff einzusparen, wurde das Problem aktuell. Es sind seit langem Lösungen zur Bewältigung dieser Aufgaben vorgeschlagen worden, jedoch gehen die meisten von einer vorherigen Regelung aus, die nur ein schlechter Kompromiß sein ka*m, da Veränderungen der Eingangsparameter oder der Wirkungsweise nur unzureichend Rechnung getragen werden konnte.
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• Standiger allgemeiner Vortreter nach § 46 PalAnwO, zugelassen bei den Landgerichten München I und 11
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, bei welchen eine Sonde in die Bahn der verbrannten Gase oder Flüssigkeiten eingeführt wird, um eine Analyse herzustellen und eine Korrektur bei der Regelung der Eintrittsmengen vorzunehmen. Jedoch sind die durch derartige Sonden aufgeworfenen Probleme noch keineswegs gelöst, und der mechanische, thermische oder chemische Schutz, den sie üblicherweise benötigen, macht ihre Tätigkeit langsamer als erwünscht wäre.
Es sind ferner ionische Meßvorrichtungen zum Messen der Luftzufuhr-^ menge in einen thermischen Motor bekannt, jedoch sind sie meistens an komplizierte Rechner angeschlossen, die vorbestimmten Gesetzen gehorchen.
Das Prinzip einer ionischen Messung einer Gasmenge wurde insbesondere im Protokoll der Sitzung der ACADEMIE DES SCIENCES FRANCAISE vom 12. Juni 1944 auf S. 92 9 beschrieben. Es sind ferner Mengendurchflußzähler mithilfe von Flüssigkeiten bekannt, welche elektrische Einrichtungen für die direkte Messung der Strömungsstärke (pro Zeiteinheit durchfließende Menge) verwenden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche das stöchiometrische Verhältnis der Massen zweier Verbrennungsmittel in einem Brennkraft-Energieerzeuger auf einfache und schnelle Weise regelt.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist dadurch gegeben, daß in jeder Verbrennungsmittel-Zulaufleitung gleichartige Strömungsstärkendetektoren, vorzugsweise ionische Detektoren, vorgesehen sind. Diese Detektoren sind an einen Komparator angeschlossen, der auf ein Regelorgan mindestens einer der Strömungsstärken einwirkt. Dies geschieht über ein Steuerorgan zum Steuern des Regelorgans nach dem Vergleich der Strömungsstärken.
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Bei der bevorzugten Lösung der Verwendung von ionischen Mengendurchflußzählern versteht es sich von selbst, daß gewisse Vorsichtsmaßregeln getroffen werden, insbesondere hinsichtlich der Form der Elektroden, der Art der Elektroden, der Anwesenheit eines Schutzringes usw. Dies gehört zum derzeitigen Stand der Technik und ermöglicht Anzeigen, die der Strömungsstärke entsprechen.
Die Vergleichsrechnung ist einfach und sehr schnell, ob es sich um eine analoge oder numerische Rechnung handelt. Das Ergebnis wirkt mindestens auf eine Meßröhre eines der Verbrennungsmittel, oder sogar auf beide, wenn ein dritter Sollwert zu beachten ist, beispielsweise die Leistung, die der Energieerzeuger abgibt.
Die häufigste Anwendungsform der vorliegenden Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, deren Verbrennungsmittel einerseits Luft und andererseits natürliche oder synthetische Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff sind. Bei diesen Motoren kann man ohne Schwirrigkeit Hilfskorrekturen einfügen für den Kaltstart, während dessen nur ein Teil des Verbrennungsmittels verdunstet, oder für hohe Leistungen, wo oft Leistung auf Kosten des Verbrauches oder der Verschmutzung gewünscht wird.
Eine weitere Korrektur kann durch das Einfügen einer. Sonde in die Abgasleitung vorgenommen werden, um beispielsweise die dem Brennstoff eigenen Eigenschaften, die insbesondere auf wahlweise Verdampfung in dem Brennstoffbehälter zurückzuführen sind, zu berücksichtigen. Man kann auch eine sehr einfache automatische oder manuelle Korrektur beim Wechsel des Brennstoffes vornehmen, etwa von Benzin auf Methanol. Es genügt nämlich, das Verhältnis der Verbrennung smitt el und den Korrekturgrad beim Kältestart zu verändern zur Anpassung an den neuen Brennstoff.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt eine Ausführungsform einer Dosiervorrichtung nach der Erfindung zur Regelung der einen Verbrennungsmotor speisenden Kraftstoffmenge.
Bei dem nachstehend beschriebenen Verbrennungsmotor wird die zugeführte Luftmenge durch eine Drosselklappe geregelt, wodurch die Leistung des Motors verändert werden kann. Diese Drosselklappe ist üblicherweise mit dem Gaspedal des Fahrzeuges verbunden. In diesem besonderen Fall wird demnach die zugeführte Kraftstoffmenge über die Luft geregelt.
Die einzige Figur zeigt den Luftansaugkanal 1 der Wärmemaschine. Die Luft gelangt durch die Elektroden 2, 3 und 4, die eine ionische Meßzelle bilden, wobei 2 die Ionenerzeugerelektrode mit hohem Potential ist, während 3 und 4 die Fangelektroden sind.
Die Luft gelangt nach dem Durchlauf durch die Meßzelle durch eine Drosselklappe 5, die eine Einstellung der Leistung des Motors ermöglicht, und berührt sodann ein Brennstoffeinspritzventil 6. Der eigentliche Motor ist in Form eines Kreises, der um seine Drehachse 7 rotiert, dargestellt. Die Gase gelangen durch einen Auslaßkanal 8 am Ausgang des Motors nach draußen; in diesem Kanal befindet sich eine Sonde 9 zum Messen der Zusammensetzung dieser Auspuffgase.
Die von den Elektroden 3 und 4 gesammelten Ströme IA1 und IA2 werden in einen integrierenden elektronischen Verstärker 10 geschickt, der zwei Eingänge 3a bzw. 4a aufweist. Am ersten Ausgang 11 dieses Verstärkers 10 erhält man einen Strom, der proportional der Summe der Eingangsströme IA1 und IA2 ist, während man am zweiten Ausgang 12 dieses Verstärkers 10 einen Strom erhält, der proportional der Differenz dieser beiden Eingangsströme ist. Diese Differenz stellt eine Messung der durch die Leitung 1 ankommenden Luftströmungsstärke dar.
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Der Ausgang 11 des Verstärkers 10 ist mit dem Eingang 11a eines Komparators 13 verbunden, dessen anderer Eingang 14 einen stabilisierten Bezugsstrom IRA erhält. Dieser Komparator 13 ist bei 15 an eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle angeschlossen, und sein Ausgang 16 ist mit der Elektrode 2 verbunden.
Der Ausgang 12 des Verstärkers 10 ist mit dem Eingang 12a eines Komparators 17 verbunden, dessen anderer Eingang 18 dazu bestimmt ist, die der Menge des verbrauchten Kraftstoffes entsprechende Information zu empfangen. Der Ausgang 19 dieses Komparators 17 ist mit der Wicklung 20 des Einspritzventils 6 verbunden, und zwar über einen Modulator 21, der nur dann erforderlich ist, wenn das Ventil 6 diskontinuierlich arbeitet mit veränderbarer Impulsrate und Impulsbreite.
Das Ventil 6 wird über eine Speiseleitung 22 mit Kraftstoff versorgt, die an den Ausgang einer ionischen Meßzelle 23 angeschlossen ist; der Eingang dieser Meßzelle ist an eine Kraftstoffpumpe 24 angeschlossen, und der Kraftstoff gelangt durch eine Speiseleitung 25 hinein.
Die Meßzelle 23, die analog der ersten, im Luftansaugkanal 1 angeordneten Meßzelle ausgebildet ist, umfaßt eine Ionen-Emissionselektrode 26 und zwei Fangelektroden 27 und 28. Die durch die Elektroden 27 bzw. 28 gesammelten Ströme IS1 bzw. IS2 werden in einen integrierenden elektronischen Verstärker 29 geschickt, der zwei Eingänge 27a und 28a sowie zwei Ausgänge 30 und 31 aufweist. Der am Ausgang 30 verfügbare verstärkte Strom ist proportional der Summe der Eingangsströme IS1 und IS2, während der am Ausgang 31 verfügbare verstärkte Strom proportional ihrer Differenz ist. Diese Differenz stellt eine Messung der Brennstoff-Strömungsstärke dar. Der Ausgang 30 ist mit dem Eingang 30a eines Komparators 32 verbunden, dessen anderer Eingang 33 einen stabilisierten Bezugsstrom IRS empfängt, der von einem Regelorgan, im vorliegenden
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Fall einem Stellglied 34, stammt. Der Ausgang 35 des Komparators 32 ist mit der Fangelektrode 2 6 der Meßzelle 23 verbunden. Der Komparator 32 wird an der Stelle 3 6 durch eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle gespeist, die eventuell dieselbe sein kann wie die den Komparator 13 an der Stelle 15 speisende Hochspannungsquelle. '
Der Ausgang 31 des Verstärkers 29 ist entsprechend der Messung der KraftstoffStrömungsstärke mit dem Eingang 31a eines Verstärkers 37 verbunden, dessen anderer Eingang 38 die Informationen von der Sonde 9 empfängt, die die Auspuffgase analysiert. Derselbe Eingang 38 kann gleichfalls die Informationen eines Meßwertgebers 40 empfangen, der die Luftzulauftemperatür oder die Temperatur der Wände der Zulaufleitung mißt. Der Ausgang 39 des Verstärkers 37, an dem man also ein Signal entsprechend der korrigierten Kraftstoff Strömungsstärke empfängt, ist mit dem Eingang 18 des Komparators 17 verbunden, wo der Vergleich Luft-Brennstoff stattfindet.
Die Meßzellen zum Messen der Luft- oder KraftstoffStrömungsstärke ebenso wie die Komparatoren werden in bekannter Weise geregelt, so daß bei einer NuIl-Strömungsstärke kein Strom an den Ausgängen
12 und 31 der Verstärker 10 und 29 anliegt. In Ruhestellung teilen sich die von der zentralen Elektrode 2 oder 2 6 abgegebenen Ionen zwischen den beiden Fangelektroden jeder Meßzelle auf. Sobald eine Fluidströmung beginnt, richten sich die Ionen vorzugsweise zu der Fangelektrode, die in Strömungsrichtung unterhalb der Ionenquelle angeordnet ist, und an jedem der Ausgänge 12 und 31 liegt ein geringer Strom an. Andererseits gewährleisten die Komparatoren 13 und 32 die Konstanz der Summe der von den Fangelektroden gesammelten Ströme, denn sie empfangen an ihrem ersten Eingang 11a bzw. 30a einen Strom porportional der Summe der von jeder der Meßzellen gesammelten Ströme, und sie empfangen an ihrem zweiten Eingang 14 bzw. 33 einen Sollwert; die Komparatoren
13 und 32 regeln auf diese Weise die an den Ionenquellen 2 bzw. 2 6 anliegende Hochspannung. Unter diesen Bedingungen zeigen die
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an den Ausgängen 12 und 31 gewonnenen Ströme eine physikalische Größe an, die der diese Meßzellen durchquerenden Luft- oder BrennstoffStrömungsstärke entspricht.
Die durch den Einfluß der Sonden 9, 40 oder durch das Stellglied 34, das einem Brennstoffwechsel entspricht, korrigierten Strömungsstärkenwerte werden in dem Komparator 17 verglichen, der, etwa über den Modulator 21, die Wirkungsweise des Ventils 6 steuert. Dieses Ventil 6 kann in bekannter Weise kontinuierlich oder diskontinuierlich funktionieren. Gleichfalls bekannt ist die Regulierung mit einem konstanten Wert der Ströme IA1 und IA2 des Luftströmungsstärkenmessers.
Es können mehrere Ventile 6 entsprechend den verschiedenen Ansaugkanälen bei einer einzigen Meßzelle zum Messen der Luftströmungsstärke vorgesehen sein, andererseits sind auch ebenso viele Zellen wie Ventile denkbar.
Gemäß einer anderen, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform sind die Verstärker 10, 29, 37, 17, die als Analogverstärker ausgebildet sind, ganz oder teilweise einerseits durdh Strom-Frequenz-Umwandler der Ströme IA1, IA2, IS1, IS2 oder nur ihrer jeweiligen Differenzen, ersetzt, und andererseits durch Aufwärts-Abwärtszähler, die den Vergleich der Frequenzen ermöglichen, und durch Summierzähler, die einen der Summe der Frequenzen entsprechenden Wert bilden. Die derart gebildeten digitalen Einheiten weisen, ebenfalls einen Ausgangsumformer auf, insbesondere für die Bildung variabler Rechteckimpulse, die über die Komparatoren 13 und 32 auf die an die Ionen-Emissionselektroden 2 und 36 gelegte Hochspannung wirken. Die Strom-Frequenz-Umwandler selbst können durch Binärkodierer oder ähnliche digitale Baugruppen ersetzt werden, oder sogar entsprechend "stochastischer" Berechnung arbeiten. Obgleich diese Verfahren zu komplexeren Systemen als bei Verwendung der Analog-Verstärker führen, so können sie sich doch in manchen
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Fällen besser anderen Systemen anpassen, die mit einem Energieerzeuger verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das Ventil 6, das eventuell mit der Pumpe 24 verschmolzen ist, eine Ionenpumpe. Derartige Pumpen wurden in der technischen Literatur kürzlich beschrieben . Ihr schwacher Druck kann für einen als Vergaser arbeitenden Dosierer ausreichend sein. Die Förderhöhe der Ionenpumpe wird elektrisch gesteuert, so daß sie direkt oder bezüglich der Pumpe 24 im Gegendruck wirkt.
Das Ventil 6 kann auch als piezoelektrisches Ventil oder anders ausgebildet sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, es muß lediglich eine Dosiersteuerung möglich sein.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann auch bei Wärmeerζeugungsapparaten angewendet werden, unabhängig von jeder anderen Antriebsenergie, und bei Außen-Verbrennungsmotoren nach Art des STIRLING-Motors. Sie ist gleichfalls anwendbar bei elektrischen Energiequellen, wie beispielsweise den Brennstoffelementen. Die Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß man nicht das Ende des Verbrennungsvorgangs abwarten muß, bevor die Dosierung stattfinden kann, denn der Vergleich der Strömungsstärken findet am Eingang statt; umgekehrt wäre es bei Verwendung einer Sonde mit einem einzigen Ausgang.
Wenn eines der Verbrennungsmittel pulverförmig oder in Wasser löslich ist, kann die zusätzliche Verwendung einer Bezugszelle erforderlich werden, in welcher nicht das Verbrennungsmittel, sondern lediglich die Flüssigkeit zirkuliert.
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Claims (1)

  1. •1-
    Patentansprüche :
    Vorrichtung zum Regeln des stöchiometrischen Verhältnisses der Massen von zwei Verbrennungsmitteln bei einem Brennkraft-Energieerzeuger , dadurch gekennzeichnet , daß jede Verbrennungsmittel-Zulaufleitung, einen ionischen Strömungsstärkendetektor aufweist, daß diese Detektoren an einen Komparator zum Vergleichen der jeweils gemessenen Strömungsstärken angeschlossen sind und daß mindestens ein Regelorgan für mindestens eine der Strömungsstärken sowie ein Steuerorgan zum Steuern des Regelorgans nach dem Vergleich der Strömungsstärken vorgesehen sind.
    2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Vorrichtungen zum Vergleichen der Strömungsstärken als Analog-Verstärker ausgebildet sind, die auf das Regelorgan einwirken.
    3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zei'ehnet, daß elektronische Einrichtungen vorgesehen sind zum Umwandeln der aus den ionischen Strömungsstärkendetektoren kommenden Ströme in eine Frequenz oder einen kodierten Wert und zum Weiterleiten dieser umgewandelten Werte an die Komparatoren.
    4. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, mit ionischen Durchflußmengenzählern, die jeweils aus einer Ionenquelle und mindestens zwei Fangelektroden bestehen, die symmetrisch zu dieser Quelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die die Ströme der beiden symmetrischen Elektroden empfangenen Analogverstärker jeweils zwei Ausgänge aufweisen, von denen der eine einen Strom proportional der Summe der von den entsprechenden Fangelektroden gelieferten Ströme -liefert, während
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    der 'andere Ausgang einen der Differenz derselben Ströme proportionalen Strom liefert.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Aufwärts-Abwärtszähler umfaßt, die den Vergleich der zu den von den Ionendetektoren abgegebenen. Ströme proportionalen Frequenzen gewährleistet, sowie mindestens einen Summierzähler mit zwei Eingängen, der einen Ausgangswert entsprechend der Summe der den Strömungsstärken entsprechenden Frequenzen abgibt.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein manuelles oder automatisches Regelorgan zur Anpassung an den relativen Brennwert eines der Verbrennungsmittel vorgesehen ist.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mindestens einer Sonde zum Messen der Temperatur eines der Verbrennungsmittel oder der Temperatur der Wände einer der Zulaufleitungen, dadurch gekennzeichnet , daß die Sonde auf einen der Regelkreise des stöchiometrischen Verhältnisses der Verbrennungsmittel wirkt.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß sie mindestens eine Sonde zum Analysieren der verbrannten Gase oder Flüssigkeiten aufweist und daß die Sonde auf einen der Regelkreise des stöchiometrischen Verhältnisses der Verbrennungsmittel wirkt.
    9. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz eichnet , daß das Regelorgan eine Ionenpumpe ist, deren Förderhöhe elektrisch verstellbar ist, so daß sie entweder direkt wirkt oder einen Gegendruck erzeugt.
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    0O. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Energieerzeuger ein Verbrennungsmotor ist, dessen eines Verbrennungsmittel Luft ist, deren Strömungsstärke mit derjenigen des anderen Verbrennungsmittels verglichen wird.
    11. Regelvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das andere Verbrennungsmittel Wasserstoff enthält, entweder rein oder in Form einer kohlenstoffhaltigen Zusammensetzung mit anderen chemischen Bestandteilen.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieerzeuger eine Brennstoffzelle ist.
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