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Einrichtung zum Steuern der Zusammensetzung des Betriebsgemisches
bei Brennkraftmaschinen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung
zur Steuerung der Zusammensetzung des in die Brennräume einer Brennkraftmaschine
einzubringenden Betriebsgemischs gemäß Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer solchen
Einrichtung wird entsprechend dem dort verwirklichten Regelprinzip bei Schubbetrieb
der Brennkraftmaschine die Kraftstoffzumeßmenge auf Null reduziert und dementsprechend
auch der Frischluftansaugquerschnitt durch die Drosselklappe reduziert. Wird nun
durch Verstellung der Kraftstoffzumeßmenge die Brennkraftmaschine auf Lastbetrieb
gebracht, so fehlt kurzzeitig während der
Totzeit der Regelstrecke
die zur Verbrennung des eingebrachten Kraftstoffs notwendige Frischluftmenge. Das
gibt in nachteiliger Weise eine Rußanreicherung im Abgas der Brennkraftmaschine.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise
während des Schubbetriebs verhindert wird, daß der Steuerdruck des Stellmotors unter
den Ansprechdruck des Stellmotors absinkt. Damit kann beim Übergang auf den Lastbetrieb
die Steuereinrichtung ohne eine durch den Wiederaufbau des Ansprechdrucks bedingte
Verzögerung auf den neuen Betriebszustand ansprechen und schnell die Abgasrückführmenge
auf den zulässigen Wert reduzieren.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels In der Figur ist vereinfacht
eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt mit einem-Saugrohr 2 und einer Abgassammelleitung
3. Eingangs ist das Saugrohr 2 mit einem Luftfilter 5 versehen und anschließend
als profilierter, sich in Strömungsrichtung zur Brennkraftmaschine hin erweiternder
Lufttrichter 6 ausgebildet. Stromabwärts davon ist im Saugrohr eine Drosselklappe
7, die über ein Gestänge 8
mit einem hydraulischen Stellmotor 9
verbunden ist, vorgesehen. Stromabwärts dieser Drosselklappe mündet in das Saugrohr
eine von der Abgassammelleitung 3 herführende Abgasrückführleitung 12 ein, deren
Querschnitt durch eine Abgasrückführventil 14 gesteuert wird, das über ein Gestänge
11 mit der Drosselklappenwelle 10 gekoppelt ist und so betätigt wird, daß der Querschnitt
der Abgasrückführleitung verschlossen ist, wenn der Querschnitt des Saugrohrs 2
durch die Drosselklappe ganz geöffnet ist. Die Brennkraftmaschine ist hier als mit
Selbstzündung arbeitende Brennkraftmaschine ausgestaltet und wird bekannterweise
durch eine Einspritzpumpe 16 mit Kraftstoff versorgt. Es kann sich dabei sowohl
um eine Reiheneinspritzpumpe als auch um eine Verteilereinspritzpumpe handeln. Stromaufwärts
oder stromabwärts der Einmündung der Abgasrückführleitung 12 kann in weiterer Ausgestaltung
ein Lader 15 zur Verdichtung der Ansaugluft angeordnet sein.
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Die Einspritzpumpe wird von einer Kraftstofförderpumpe 17 über eine
Kraftstoffversorgungsleitung 19 mit Kraftstoff versorgt. Dabei ist der Kraftstofförderpumpe
17 unmittelbar ein Kraftstoffilter 18 nachgeschaltet und parallel zu diesem und
zur Kraftstofförderpumpe in einer Rücklaufleitung zum Kraftstoff-Vorratsbehälter
20 ein Druckregelventil 22 vorgesehen. Mit diesem kann ein bestimmter, im wesentlichen
konstanter Kraftstofförderdruck erzielt werden, der ferner entsprechend ausgewählten
Betriebsparametern wie z. B. Luftdruck oder Temperatur langzeitlich beeinflußt werden
kann.
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In der Kraftstoffversorgungsleitung 19 ist ein variabler Zumeßquerschnitt
24 vorgesehen, der als schlitzförmiger Durchflußquerschnitt der in einen Ringraum
25 in einer Führungsbohrung 26 mündenden Kraftstoffversorgungsleitung 19 ausgebildet
ist. Der Ringraum 25 wird dabei von einer
Außenringnut eines in
der Führungsbohrung 26 verschiebbaren Steuerschiebers 27 gebildet. Die eine Begrenzungskante
28 des Steuerschiebers kontrolliert entsprechend der Stellung des Steuerschiebers
27 den freien Querschnitt des sich in Verschieberichtung des Steuerschiebers erstreckenden,
schlitzförmigen Zumeßquerschnitts 24»in der Wand der Führungsbohrung 26. Unverschließbar
vom Steuerschieber führt die Kraftstoffversorgungsleitung 19 vom Ringraum 25 ab
zur Saugseite der Einspritzpumpe 16.
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Der Steuerschieber 27 schließt in der Führungsbohrung 26 stirnseitig
einen Druckraum 30 ein, der über eine Drossel 31 mit der Kraftstoffversorgungsleitung
stromaufwärts des Zumeßquerschnitts 24 verbunden ist. Durch den in diesem Druckraum
herrschenden Kraftstoffdruck wird der Steuerschieber auf einen Schwenkarm 32 gedrückt,
der einseitig gelagert ist und an dessen, in den Bereich des Lufttrichters 6 ragenden
freien Ende eine quer zur Luftströmungsrichtung-liegende Stauscheibe 314 befestigt
ist. Diese wird durch den Staudruck der Luftströmung bzw. durch die auf sie wirkende
Druckdifferenz zwischen Luftdruck stromaufwärts und Luftdruck stromabwärts der Stauscheibe
entgegen der durch den Kraftstoffdruck erzeugten und vom Steuerschieber 27 übertragenen,
im wesentlichen konstanten Kraft so lange ausgelenkt, bis sich ein Kräftegleichgewicht
eingestellt hat. Nit Hilfe der Profilierung des Lufttrichters 6 kann erreicht werden,
daß es für die kontinuierliche Vergrößerung der freien Ringfläche zwischen
aer
Stauscheibe 34 und der Lufttrichterwand zur Lir.h21tung einer konstanten Druckdifferenz
an der Stauscheibe unterschiedlicher Versteliwege der Stauscheibe bedarf.
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Andererseits wird durch die schlitzförmige Ausgestaltung des Zumeßquerschnitts
24 erreicht. daß sich der Zumeßquerschnitt linear mit dem Verstellweg der Stauscheibe
ändert. Bei konstant gehaltener Rückstellkraft auf den Steuerschieber 27 läßt sich
somit ein den verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine angepaßtes
gewünschtes Verhältnis von Luft zu Kraftstoff einstellen.
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Der Druckabfall am Zumeßquerschnitt wird durch ein Differenzdruckventil
36 kontrolliert. Dabei wird ein erster Druckraum 37 mit der Kraftstoffversorgungsleitung
19 stronabwSrts des Zumeßquerschnitts 24 und ein zweiter Druckraum 38 mit der Kraftstoffversorgungsleitung
19 st,omauSwärts des Zumeßquerschnitts 24 verbunden. Im ausgeführten Beispiel liegen
diese Druckräume direkt in der Kraftstoffversorgungsleitung. Beide Druckräume werden
durch eine Membran 39 voneinander getrennt, die auf der Seite des ersten Druckraums
37 durch eine dort eingespannte Druckfeder 41 belastet ist. In den zweiten Druckraum
38 ragt senkrecht zur MembranflRche eine -Abflußleitung 43, deren Öffnung 44 mit
der Membran 39 ein Ventil bildet.
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Die Abflußleitung 43 führt als Stellmittel-Zufuhrleitung in den Arbeitsraum
45 des Stellmotors 9, dessen Stellorgan 46 hier z.B. als Arbeitskolben ausgebildet,
entgegen dem hydraulischen Stelldruck von einer Druckfeder 48 beaufschlagt ist.
Das Stellorgan, das auch.z.B.
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als Membran ausgebildet werden kann, ist dabei mit dem
Gestänge
8 zur Verstellung der Drosselklappe 7 gekoppelt.
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Der Arbeitsraum 45 ist ferner über eine feste Drossel 49 in einer
Rücklaufleitung 50 mit dem Kraftstoff-Vorratsbehälter 20 verbunden. Der Drossel
ist ein Druckhalteventil 53 nachgeschaltet, daß bei Absinken des Drucks im Arbeitsraum
45 auf z.B. 1 bar die Rücklaufleitung 50 verschließt. Es weist ein von einer Feder
54 belastetes Schließglied 55 auf. Die Drossel -9 kann ein einer anderen Ausführung
mit dem Druckhalteventil kombiniert werden, indem das Schließglied 55 eine Drosselbohrung
56 besitzt, die nach Abheben des Schließglieds aus seiner Ruhelage geöffnet wird.
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Die oben beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Wird ausgehend
von einem statio@a@el Betriebszustand der Brennkraftmaschine über einen Hebel 52
das Mengenverstellorgan der Einspritzpumpe @@ in Richtung große Kraftstoffeinspritzmenge
verstellt, so muß über die Kraftstoffversorgungsleitung 19 der Einspritzpumpe mehr
Kraftstoff zugeführt werden. Bei zunächst Konstanter Stellung des Steuerschiebers
27 führt dies jedoch zu einem starkeren Druckabfall am Zumeßquerschnitt @@ und @@
einer Sendkung des Druckes im erster Druckrand@ @@ des Differenzdruckventils. @@e@e
@@@ @@ @ absc@@ @@@ung, mit der die tatsäch@ich @ @ @ @@@@@@ zugeführte Kraftstoffmenge
mit der a@g@@@ @ @@@@@@ @@@@@ge, die der über den zumeßquerschnitt @@ fl@@@@@en
kraftstoffmenge unter Zugrundlegung einer @ gestellten@@@@ Erforderlichen Abhängigkeit
des versä@@n@ @ @ Luft@@re@@@t@@f entspricht, verglicher werden kann. @@ Durckabfall
im ersten Druckraum 37 bewirkt eine Verstellung der Membran 39 und damit eine Vergrößerung
des geöffneten Querschnitts an der Abflußöffnung an der Abflußleitung 42.
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Die dadurch vergrößerte Kraftstoffabströmmenge bewirkt eine Erhöhung
des sich an der Drossel 49 einstellenden Drucks, der nunmehr im Arbeitsraum 45 wirkend
eine Herstellung
des Stellorgans 146 ençgager. der Kraft cer Druckfeder
48 erzeugt. Entpsrehcend wird die Drosselklappe 7 in Offnungsrichtung bewegt, was
wiederum zu einer Vergrößerung der zugeführten Frischluftmenge unter gleichzeitiger
Verringerung der rückgeführten Abgasmenge über die Verstellung des Abgasrückführventils
14 führt.
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Durch den an der Drosselklappe 7 vergrößerten Saugrchrdurchtrittsquerschnitt
kann nun der von der Brennkraftmaschine erzeugte Ansaugunterdruck stärker zur Stauscheibe
314 durchgreifen, so daß diese unter Einwirkung der kurzzeitig vergrößerten Druckdifferenz
weiter ausgelenkt wird, bis am Schwenkarm 32 durch Vergrößerung der freien Ringfläche
bzw. Verminderung der Drosselung an diesem Durchtrlttsquerschnitt wieder Kräftegleichgewicht
herrscht. Durch die Verstellung des Schwenkarms 32 hat sich auch der Zumeßquerschnitt
24 geändert, so daß der durch die Auslegung des Differenzdruckventils bestimmte
Druckabfall am Zumeßquerschnitt wieder eingestellt ist.
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De änderung der ü die Abflußleitung 43 abströmenden Kraftstoffmenge
entspricht dem Ergebnis des Vergleichs zwischen tatsächlich zugeführter Kraftstoffmenge
und angesaugter Frischluftmenge bzw. der Abweichung vom am Dlfferenzdruckventil
eingestellten Sollwert.
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Wird im umgekehrten Fall der Hebel 52 in Richtung geringe Kraftstoffmenge
oder gar Null-Kraftstoffmenge gestellt, so spielt sich der obenbeschriebene. Regelvorgang
im umgekehrten Sinne ab. Durch die verringerte Kraftstoffördermenge zur Kraftstoffeinspritzpumpe
steigt der Druck im ersten Druckraum 37 zunächst an, so daß sich die Membran 39
in Schließrichtung auf die öffnung 44 der Abflußleitung 43 zubewegt. Damit wird
aber der Druck im Arbeitsraum 45 so abgebaut, daß die Druckfeder 48 die Drosselklappe
7 in Schließrichtung bewegt, bis durch die korrigierende Verstellung des Steuerschiebers
27 der Druck im zweiten Druckraum 38 entsprechend ausgeglichen ist.
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Im Schubbetrieb bei eingestellter Einspritzmenge Null steigt der Druck
im ersten Druckraum 37 auf Systemdruck
an, so da.. die Abflußöffnung
44 durch die Membran 39 geschlossen wird. Dementsprechend baut sich der Druck im
Arbeitsraum 25 ab, -r r unter der Einwirkung der Feder 148 die Drosselklappe 7 ganz
geschlossen und das Abgasrückführventil 14 ganz geöffnet werden. Beim anschlIeßenden
"Gasgeben" bzw. bei der Wiederaufnahme des Lastbetriebes muß zur Wiederöffnung der
Drosselklappe 7 zunåchst ein entsprechender Druck im Arbeitsraum 45 wieder aufgebaut
werden. Je länger der Schubbetrieb vorgeherrscht hat, desto geringer ist der Restdruck
im Arbeitsraum 45.
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Bis zum Einsetzen der Regelung wird somit die Totzeit der Regelstrecke
erheblich verlängert, so daß die Brennkr2ftmaschine bei Wiederaufnahme des Lastbetriebes
zunächst eine gewisse Zeit mit Luftmangel und hoher Abgasrückführrate betriebe-
wIrd, was zur unvollständigen Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs und zur
Anreicherung von Rußbestandteilen im Abgas führt.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist in erfindungsgemäRer Ausgestaltung
in der Rücklaufleitung 50 das Druckhalteventil 53 vorgesehen. Dieses Ventil schließt
sobald ein Restdruck von z. B. 1 bar im Arbeitsraum 45 vorhanden ist. Da auf der
anderen Seite die Abflußöffnung 44 während des Schubbetriebs durch die Membran 39
verschlossen ist, kann dieser Druck, der dem minimalen Ansprechdruck des Stellmotors
9 entspricht, im Arbeitsraum 45 beibehalten werden. Die Drosselklappe 7 wird deswegen
trotz alledem während des Schubbetriebs geschlossen.
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Wird nun der Lastbetrieb wieder aufgenommen, so braucht nun eine wesentlich
geringere Kraftstoffmenge über die Öffnung 44 dem Arbeitsraum 45 zugeführt werden,
um die notwendige korrigierende Verstellbewegung des Stellorgans zu erzielen.
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Die Ansprechzeit wird dann somit wieder auf die Totzeit der Regelstrecke
reduziert.
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In zusätzlicher oder alternativer Ausgestaltung wird ein Druckbegrezungsventil
58 zwischen der Kraftstoffversorgungsleitung
19 stromabwärts des
Zumeßquerschnitts 24 und der Rücklaufleitung 50 zum Kraftstoffvorratsbehälter 20
vorgesehen. Das einstellbare Druckbegrenzungsventil öffnet zur Rücklaufleitung 50
hin dann, wenn der Druck in der Versorgungsleitung 19 den am Ventil eingestellten
Höchstdruck überschreitet, der einen minimalen Druckabfall am Zumeßquerschnitt 24
entspricht. Dieser Druck kann z. B.
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bei einem Systemdruck von 3 bar stromaufwärts des Zumeßquerschnitts
2,5 bar betragen.
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Mit diesem Druckbegrenzungsventil 58 wird erreicht, daß z. B. im Schubbetrieb
die Abflußöffnung 44 nie ganz geschlossen wird, so daß eine bestimmte, durch den
oben genannten minimalen Druckabfall am Zumeßquerschnitt 24 bestimmte Kraftstoffmenge
über die Abflußleitung 43 zum Arbeitsraum 45 hin abfließt. Diese abfließende Kraftstoffmenge
ist im Zusammenhang mit dem Querschnitt der festen Drossel 49 so abgestimmt, daß
sich im Arbeitsraum 45 ein Druck einstellt, der gerade dem minimalen Ansprechdruck
oes Stellmotors 9 entspricht. Auch auf diese Weise wird während des Schubbetriebs
gewährleistet, daß der Druck im arbeitsraum 45 nicht auf 0 absinken kann und bei
Wiederaufnanme des Lastbetriebs erst unter Verlängerung der Ansprechzeit der Regelung
wieder aufgebaut werden muß.
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In vorteilhafter Weise kann bei einer Reihenpumpe das Druckvegrenzungsventil
58 auch zwischen dem Saugraum der Kraftstoffeinspritzpumpe und der Rücklaufleitung
50 angeordnet sein, wodurch während des Schubbetriebs ein Spüleffekt der Kraftstoffeinspritzpumpe
bewirkt wird. In ähnlicher Weise Kann auch bei einer Verteilerkraftstoffeinspritzpumpe
mit hydraulisch arbeitendem Spritzversteller ein Spüleffekt erzielt werden, indem
die sonst zum Spülen und Kühlen zur Saugseite der Einspritzpumpe rückgeführte Kraftstoffspülmenge
über das Druckbegrenzungsventil zum Kraftstoffvorratsbehälter abgeführt wird. Insgesamt
wird also durch das
Druckbegrenzungsventil 58 das Kraftstoffversorgungssystem
bestehend aus Kraftstoffversorgungsleitung stromabwärts des Zumeßquerschnitts 24
und dem nicht weiter dargestellten Saugraum der Kraftstoffeinspritzpumpe entlastet.