DE3149491A1

DE3149491A1 - Vorrichtung zum messen einer last auf einem turbogeladenen dieselmotor

Info

Publication number: DE3149491A1
Application number: DE19813149491
Authority: DE
Inventors: Nils Olof 440 01 Stenkullen Håkasson
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1980-12-16
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1982-06-16
Also published as: GB2090022A; US4538581A; FR2496174B1; JPH0355659B2; SE8008834L; GB2090022B; IT8149891A0; FR2496174A1; DE3149491C2; JPS57172228A; IT1144532B; SE439950B

Description

: 'I" i S'··": : 3143491 HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197i) - DIPL-ING. W. EITLE · DR. RER. N AT. K.HOFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE i · D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON(OBJ)MIOs/ · TELEX 05-29619 (PATH E)

36028/9 p/hl

AB Volvo,
Göteborg/Schweden

.Vorrichtung zum Messen einer Last auf einem turbogeladenen

Dieselmotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Last auf einem turbogeladenen Dieselmotor, insbesondere auf das Regulieren der Injektionszeit in Abhängigkeit davon. ■

Dabei betrifft die Erfindung im allgemeinen eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen des Betriebszustandes eines turbogeladenen Dieselmotors hinsichtlich der Drehzahl und der Last.

■ Die Injektionszeit, welche die höchste Effizienz in einem Dieselmotor vorsieht, verändert sich mit der Drehzahl und der auf den Motor einwirkenden Last. Die Injektionszeit (Einspritzzeit) bei verschiedenen Drehzahlen und Lasten bestimmt ebenso den Prozentsatz der giftigen Emissionen im Abgas. Eine übliche Methode zum Reduzieren des Prozentsatzes, beispielsweise von Stickstoffoxid im Abgas des Motors, ist die Verzögerung der Injektionszeit. Dies verursacht jedoch eine Erhöhung des Prozentsatzes an unverbrannten Kohlenwas-

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serstoffen und der Rauchgasmenge gleichzeitig wie dies " eine negative Auswirkung auf den Motorwirkungsgrad hat (Motoreffizienz) . . '

■ v.

Die größte Menge an Stickstoffoxid wird bei hoher Last auf ■ dem Motor gebildet und bei einer relativ niedrigen Drehzahl/ d.h., bei hoher Temperatur in der Brennkammer Und einer langen Zeitperiode bei dieser hohen Temperatur, während der Prozentsatz an unverbrannten Kohlenwasserstoffen am größten ist bei hoher Drehzahl und bei niedrigen Lasten infolge der unvollständigen Verbrennung, d.h., es steht nur eine kurze Zeit für die Verbrennung zur Verfügung und es besteht eine niedrige Verbrennungsrate infolge der niedrigen Temperatur.

Durch Verzögern der Injektionszeit bei zu intensiver Ausbildung von Stickstoffoxiden und durch Beschleunigen der Injektionszeit bei der dominierenden Ausbildung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen ist es möglich, die Prozentsätze der giften Emission im Motorabgas zu reduzieren. Um dies vorzunehmen, müssen die Motordrehzahl und die Last gemessen werden und diese Parameter verwendet werden, um den Injektionsregulator zu steuern.

Die meist übliche heutige Methode, die Injektionszeit nur von der Motordrehzahl abhängig zu machen, ist die Verwendung eines Zentrifugalregulators. Verschiedene Parameter für die Brennstoffmenge wurden jedoch für die Lastmessung verwendet, d.h., das Einstellen der Brennstoffregulatoreinrichtung. Bei einer bekannten Anordnung zum Erzielen " einer lastabhängigen Einstellung der Injektionszeit wird ein Pumpenteil mit einer schraubenförmigen Oberkante bzw. Oberrippe verwendet, um die Zeit am Pumpenteil zu verzögern oder zu beschleunigen, was durchgeführt wird, um die Brennstoffmenge zu verändern. Dieser Nachteil dieses Systems be-

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steht in der minimalen Freiheit für die Veränderung der Injektionszeit, welche durch die normale Dimension des Pumpenteiles bestimmt ist/ die Herstellung und die Einstellmöglichkeiten. Der größte Nachteil hinsichtlich der Verwendung der Brennstoffmenge als Parameter für die Motorlast liegt darin, daß es sehr schwierig ist, ein brauchbares Signal zu erzeugen, ohne eine komplizierte, beispielsweise elektronische Verstärkung.

Daher liegt der Erfindung allgemein die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Vorrichtung zu erzielen, mittels der es möglich ist, die Motorlast ohne die Verwendung der Brennstoffmenge als Parameter zu messen. Im Zusammenhang damit besteht eine besondere Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung dieser Art zu erzielen, welche in einem Injektionsregulator zum Verändern der Injektionszeit in Abhängigkeit sowohl von der Last als auch von der Motordrehzahl integriert ist.

Diese allgemeine Aufgabe wird gelöst durch eine erste Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, welches nahezu proportional dem Quadrat der Drehzahl des Motors ist, eine zweite Einrichtung zum Erzeugen eines Signals·, welches proportional dem Motorladedruck ist und eine dritte Einrichtung zum Vergleichen der beiden Signale und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches die Motorlast repräsentiert .

Die Erfindung basiert auf der Tatsache, daß der Ladedruck des turbogeladenen Dieselmotors bei einem konstanten mittleren Druck innerhalb des Betriebsbereiches des Motors nahezu proportional zum Quadrat der Motordrehzahl zunimmt. Dadurch, daß der Ladedruck ein Signal erzeugen kann und dieses Signal mit einem Signal verglichen wird, welches durch eine Zentrifugaleinrichtung verglichen wird, die beispiels-■ weise durch die Motordrehzahl gesteuert wird (allgemein ge-

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sagt handelt es sich dabei um eine Vorrichtung zum Er-. zeugen eines Signals/ welches proportional dem· Quadrat der Drehzahl ist), ist es möglich, den mittleren Druck des Motors, d.h., die Last zu bestimmen. 05

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungs·^- beispiele. Es zeigt:
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Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Injektionsregulator mit der Illustrierung " einer bevorzugten Anwendung der Vorrichtung entsprechend der Erfindung,
.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen entsprechenden Injektionsregulator bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie ΙΙΙ-ΙΙΪ in Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt· entlang der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 2 und .

Fig. 6 bis 10 verschiedene Diagramme mit der Darstellung möglicher Aufteilungen des Arbeitsbereiches des Motors zum Verschieben der Injektionszeit. :

Der Injektionsregulator gemäß Fig. 1 weist ein Gehäuse auf, in dem eine Eingahgswelle 2 und eine Ausgangswelle 3 drehbar gelagert sind. Die Eingangswelle 2 weist ein Zahnrad 4 auf, welches dazu bestimmt ist, von der Kurbelwelle des

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• turbogeladenen Dieselmotors angetrieben zu werden, während die Ausgangswelle 3 dazu bestimmt ist, mit der Brennstoffinjektionspumpe (Brennstoffeinspritzpumpe) des. Motors zum Antrieb desselben verbunden ist. Die Eingangswelle 2 ist starr an einer Hülse 5 und die Ausgangswelle an einer Hülse 6 befestigt. Die Hülsen 5 und 6 sind mit inneren Schraubenfedern versehen, die in entgegengesetzten Richtungen geschnitten sind, so daß die Axialversetzung eines Energieübertragungselementes 7, welches an den Hülsenfedern anliegt, in einer Winkeleinrichtung zwischen den Wellen 2, 3 resultiert, welche wiederum zu einem Wechsel der Injektionszeit führen.

Das Energieübertragungselement 7 besteht aus einem Stück mit einem Kolben 8, welcher in einem Zylinderabschnitt 9 gehalten wird und über eine Dichtung 10 mit der Wand des Zylinderabschnitts 9 in Berührung steht. Auf einer Seite des Kolbens 8 bilden die Hülsen 5 und 6 zylindrische Kam-. mern 11 und 12, welche über Einlaßkanäle 13, 14 mit einem Strömungsmittel versorgbar sind. Die Ableitung der Strömungsmittel erfolgt durch Auslaßkanäle 15, 16, die sich im Gehäuse 1 befinden. Die Kammer 11 steht über Löcher 17 der Hülse 5 mit den Kanälen 13, 15 in Verbindung. Die Kammer 12 steht über den Spalt 18 zwischen den Hülsen 15 und 16 mit den Kanälen 14, 16 in Verbindung. Wenn in den Kammern 11, 12 gleicher Druck herrscht, werden die Federn 11a, 12a das Element 7 in einer mittigen Stellung halten, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Ist der Druck in diesen Kammern unterschiedlich, so wird das Element 7 zu einer Seite aus dieser Mittelstellung verschoben.

Die Regulierung des Drucks in den beiden Zylinderkammern 11, 12 wird mit Hilfe eines Paares von Schiebeveritilen 20, 21 an der Auslaßseite der Zylinderkammern erreicht. Das linke Ventil 20 hat einen Steuerschieber 22, welches in der darge-

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stellten Lage das Ablassen des Strömungsmittels aus der Kammer 11 über den Auslaß 15 erlaubt. Das rechte Ventil 21 hat einen Steuerschieber 23, welcher in der dargestellten Lage auf korrespondierende Weise ein Ablassen des Strömungsmittels aus der Kammer 12 über den Auslaß 16 erlaubt. Die beiden Steuerschieber 22, 23 sind in einer gemeinsamen Bohrung 24 des Gehäuses 1 angeordnet. In den Raum 25 der Bohrung 24 zwischen.den aufeinander zu weisenden inneren Enden der Schieber mündet ein Kanal 26, durch den das unter Druck stehende Strömungsmittel von einem nicht dargestellten Ventil zugeführt werden kann, welches mit einer Druckquelle verbunden ist und von einer motorangetriebenen Zentrifugalvorrichtung gesteuert wird, so daß beim Betrieb ein Druck in dem Raum 25 der Bohrung erhalten· wird, der dem Quadrat der Motordrehzahl proportional ist. Zwischen dem äußeren Ende des Schiebers 22 und der Endwand der Bohrung 24 befindet sich eine Schraubenfeder 27, die in der Zeichnung im expandierten, unbelasteten Zustand dargestellt ist. Das äußere Ende des Schiebers 23 verläuft in eine Luftkammer 28 und ist an einer in der Kammer 28 montierten Membran 29 befestigt. Die Kammer 28 weist eine öffnung 28a auf, welche dazu bestimmt ist, mit der Druckseite eines Turbokompressors verbunden zu werden, so daß die Membran 29 und damit der Schieber während des Betriebs durch eine Kraft belastet wird, die vom Ladedruck abhängt. In der in Fig. 1 dargestellten Lage ist die Membran nicht belastet.

Der Steuerschieber 22 ist so auf der einen Seite durch den Öldruck und auf der anderen Seite durch die Feder 27 belastet. Bei einem bestimmten Öldruck entsprechend einer vorbestimmten Motordrehzahl, welcher durch die Wahl der Feder bestimmt wird, sind die auf den Steuerschieber 22 wirkenden Kräfte gleich und der Auslaß 15 wird offen gehalten. Bei einer Drehzahl, die höher ist als diese, dominiert die öl-' druckkraft und der .Steuerschieber 22 wird in Fig. 1 nach links gedrückt, um so den Auslaß 15 der Zylinderkammer 11

■zu blockieren. Daraus resultiert ein Ansteigen des Drucks in der Kammer 11. Wenn angenommen wird, daß der Steuerschieber 23 in der offenen Lage entsprechend Fig. 1 verbleibt, verursacht ein Ansteigen des Drucks in der Kammer

.05 11 ein Verschieben des Elementes 7 aus seiner Mittelstellung A in eine Stellung B nach rechts aus der Mittelstellung A heraus. Daraus resultiert eine winkelmäßige Rückstellung zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle 2, 3 und somit ein Fortschreiten bzw. Vorschieben aus der Lage A

■10 (Position A) .

Die auf dem Motor wirkende Last, welche in eine Balance zwischen den Kräften resultiert, die auf den Steuerschieber 23 wirken, wird durch das Verhältnis zwischen dem Quer-Schnittbereich des Schiebers, auf den der Öldruck wirkt, und dem wirksamen Membranbereich bestimmt,.auf den der Ladedruck wirkt. Für Motorlasten, die größer als der für die gleichen Druckverhältnisse ausgewählten Wert, wird der

" ' Ladedruck größer als der Öldruck, wodurch der Steuerschieber in Fig. 1 nach links gedrückt wird. Dadurch wird der Auslaß 16 zur Zylinderkammer 12 geschlossen. Dadurch wird das Element 7 in eine Lage C nach links bewegt, vorausgesetzt, daß der Steuerschieber 22 offen bleibt. Die beglei- ". tende winkelmäßige Rückstellung (Rückeinstellung) zwischen den Wellen 2, 3 verursacht eine Verzögerung der Injektionszeit aus der Lage A heraus.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Operationsgraphik des Motors in vier Bereiche aufgeteilt, wie dies · in Fig. 6 wiedergegeben ist. Entsprechend dieser Graphik können die die Lagen A, B und C repräsentierenden Bereiche wunschgemäß gewählt werden, vorausgesetzt, daß A einer Lage zwischen B und C entspricht. Beispiele anderer Aufteilungen zum "Verschieben der Injektionszeit innerhalb des Betriebsbereiches des Motors, welche mit dem beschriebenen Grundsteuerprinzip erreicht werden können, sind -in den Diagram-

men gemäß Pig. 7 bis 10 dargestellt.

In Fig. 2 bis 5, in denen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 für korrespondierende Teile verwendet werden, ist der Injektionsregulator entsprechend der Erfindung im Zu- - sammenhang mit einem praktischen Ausführungsbeispiel dargestellt , welches sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel in erster Linie dadurch unterscheidet/ daß das Gehäuse ebenso ein Ventil 31 enthält, welches von einem Zentrifugalregulator gesteuert wird. Dieses Ventil steuert den Öldruck, welcher eine Seite der Steuerschieber 22, 23 belastet, welche ebenso in individuellen Bohrungen angeordnet sind, die über einen Kanal 32 vom Ventil 30 miteinander in Verbindung stehen.

Der Zentrifugalregulator weist eine drehbar montierte Welle 34 mit einem Zahnrad 33 auf. Ein schraubenförmiges Antriebszahnrad 35. auf der äußeren Welle .3 kämmt mit einem Zahnrad·33, um die Welle 34 anzutreiben. An ihrem oberen Ende ist die Welle 34 mit einem Teil 36 fest verbunden, welches Teil 36 eine Anzahl von kugelförmigen Vertiefungen 37 zur Aufnahme von Kugeln 38 aufweist. Ein korrespondierendes Teil 40 mit Vertiefungen 39 ist verschiebbar auf der Welle 34 oberhalb eines Flansches 41 gelagert, welcher auf der Welle sitzt. Das Teil 40 hat eine zylindrische Verlängerung 42, welche den Ventilkörper des Ventils 31 bildet und die Strömungsmittelabgabe' von einer darunterliegenden Kammer 43 regelt, welche Kammer 43 mit dem Kanal 32 in Verbindung steht.

-.■...

Es wird angenommen, daß der Injektionsregulator gemäß Fig. 2 bis 5 ebenso wie der der Fig. 1 mit einem üblichen Schmiersystem des Motors gekuppelt ist und von der Motor-Ölpumpe mit öl versorgt wird. Die Kammer 43 wird auf eine hier nicht mehr Im Detail dargestellte Weise mit öl versorgt und zwar über eine Verengung. Der Öldruck in der

Kammer 43 wirkt so mit einer nach oben gerichteten Kraft auf das Teil 40, während die auf die Kugeln wirkende Zentrifugalkraft beim Drehen der Welle eine auf das Teil 40 nach unten gerichtete Kraft erzeugt, was infolge der Form der Vertiefungen 37, 39 erfolgt. Bei einer niedrigen Drehzahl dominiert die Öldruckkraft und hebt das Teil 40 an, so daß das in der Kammer 43 befindliche öl zwischen ihrer Kante und '. .dem Ventilkörper 42 ablaufen kann. Bei einer höheren Drehzahl dominiert die Zentrifugalkraft und das Teil wird durch die Kugeln 38 in die in Fig. 3 dargestellte Lage nach unten gedrückt. Ein Öldruck proportional dem Quadrat der Motordrehzahl· wird so im Kanal 32 erzeugt und auf die Bohrungen der Steuerschieber 22, 23 geführt.

1.5 Bei dem Injektionszeitregulator gemäß Fig. 2 bis 5 wird das Element verschiebbar auf einer Welle 50 montiert, welche zwischen der Eingangswelle 2 und der Ausgangswelle 3 verläuft. Das Element 7 ist relativ dazu drehbar. In einer ■ Mittelbohrung 51 des Teils 7 sind ein Paar von Federn 52, 53 zwischen einem Paar von Endbuchsen 54 montiert, so daß das Element 7 in der Mittellage gehalten wird, wenn die Drücke in den Zylinderkammern gleich sind.

Das Funktionsprinzip der Erfindung wurde vorstehend unter, Bezugnahme auf eine hydraulische Ausfuhrungsform beschrieben. Es .sind jedoch andere Ausführungsformen ebenso möglich. Beispielsweise ist es möglich, einer Vorrichtung zu gestatten, eine elektrische Spannung zu erzeugen, die proportional oder nahezu proportional dem Quadrat der Motordrehzahl ist, und um diese Spannung zuerst mit einer Spannung zu vergleichen, die durch einen Sensor erzeugt wird, welcher eine Spannung erzeugt, die dem Ladedruck des Motors proportional ist, um ein Lastsignal zu erhalten, und zweitens mit einer bestimm-. ■ · ten konstanten Spannung zu vergleichen, um das Drehzahlsignal· zu erhaben. Synonym mit dem Prinzip der vorbe-

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schriebenen Ausführungsform wird das Resultat dieses Vergleichs dazu verwendet, ein Ausgangssignal für die Richtungsbetätigung zu erzeugen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl PL.-tNG. W. EITLE · DR. RER. N AT.K.HOFFMANN · DI PL.-1N G. W. LEHN '

• . DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN

ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29419 (PATH E)

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AB Volvo,
Göteborg/Schweden

Vorrichtung zum Messen einer Last auf einem turbogeladenen

Dieselmotor

Ansprüche

, 1J Vorrichtung zum kontinuierlichen Messen des Betriebszustandes eines turbogeladenen Dieselmotors hinsichtlich der Drehzahl und der Last, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (30, 31) zum Erzeugen eines · Signals, welches nahezu proportional dem Quadrat der Drehzahl des Motors ist, eine zweite Einrichtung (29) zum Erzeugen eines Signals, welches proportional dem Motorladedruck ist und eine dritte Einrichtung (21) zum Vergleichen der beiden Signale und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches die Motorlast repräsentiert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Einrichtung (30, 31) so angeordnet ist, daß eine Kraft erzeugbar ist, die proportional dem Quadrat der Drehzahl des Motors ist, daß die zweite Einrichtung (29) so angeordnet ist, daß eine Kraft proportional dem Motorladedruck erzeugbar ist und daß die dritte Einrichtung (21) so angeordnet ist,

daß diese beiden Kräfte vergleichbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,. dadurch g e k e η η zeichnet, daß die erste Einrichtung eine vom Motor angetriebene Zentrifugaleinrichtung (30) umfaßt, daß die zweite Einrichtung ein Ladedruck belastetes Teil (.29) umfaßt und daß die dritte Einrichtung aus einem ersten hydraulischen Ventil (21) gebildet ist, welches ■ . einen Ventilkörper (23) aufweist, das auf einer Seite durch eine von der Zentrifugaleinrichtung gesteuerten Kraft und auf der anderen Seite von einer Kraft des Ladedruck belasteten Teiles (29) belastet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ^:15 zeichnet, daß das erste hydraulische Ventil

(21) mit einem Injektionseinsteller koordiniert ist, welcher eine antriebsmäßig mit einer Energieabnahme eines Motors verbundene Eingangswelle (2), eine mit der Injektionspumpe des Motors verbundene Ausgangswelle

(3) und eine Energieübertragungseinrichtung (7) umfaßt, die zwischen den beiden Wellen angeordnet und hydraulisch einstellbar ist, um die relative Winkelstellung der Wellen und dadurch das Motorinjektionsmoment zu verändern, daß das erste hydraulische Ventil so angeordnet ist, daß dadurch eine Winkeleinstellung zwischen den Wellen in Abhängigkeit von der Motorlast erzeugbar ist, und daß ein zweites hydraulisches Ventil (20) so angeordnet ist, daß eine Winkeleinstellung zwischen den Wellen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors erzeugbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Energieübertragungseinrichtung aus einer axial verschiebbaren Kolbenanordnung (7,8) gebildet ist, die zwischen den Enden der Wellen (2, 3)

montiert ist, welche Anordnung die jeweiligen Wellen mittels Schraubenfedern berührt, daß ein Verschieben der Kolbenanordnung in einem Verschieben der relativen Winkelstellung der Wellen resultiert, daß das erste hydraulische Ventil (21) den hydraulischen Druck auf einer Seite (12) der Kolbenanordnung und das zweite hydraulische Ventil (20) den hydraulischen Druck auf der entgegengesetzten Seite (11) der Kolbenanordnung auf solche Weise steuert, daß - ausgehend von einer Mittellage (A) der Kolbenanordnung, die eine bestimmte Motordrehzahl und eine bestimmte Last repräsentieren eine erhöhte Last bei konstanter Motordrehzahl in einer Zunahme des Drucks auf der genannten einen Seite des Kolbens resultiert, woraus sich ein Versetzen in eine Lage zum Verzögern der Injektionszeit ergibt, während eine erhöhte Motordrehzahl bei konstanter Last in einer Zunahme des Drucks auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens resultiert, wodurch ein Versetzen in eine Lage zum Beschleunigen der Injektionszeit erzeugt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η -' zeichnet , daß das erste und das zweite hydraulische Ventil (21, 22) Schiebeventile sind und daß die Zentrifugaleinrichtung (30) mit einem Ventil (31 ) koordiniert ist, welches den hydraulischen Druck auf einer Seite der Schiebeventil-Steuerschieber (23, 22) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl reguliert, daß der Steuerschieber (23) des ersten Schiebeventils an der entgegengesetzten Seite mit einer Ladedruck-beladenen Membraneinrichtung (29) verbunden ist, während der Steuerschieber (22) des anderen Schiebeventils an der entgegengesetzten Seite durch eine Federeinrichturig (27) belastet ist.