DE3855046T2

DE3855046T2 - Flüssigkeitsservosystem für brennstoffeinspritzung und sonstige anwendungen

Info

Publication number: DE3855046T2
Application number: DE3855046T
Authority: DE
Inventors: Harold G Abbey
Original assignee: ABBEY HAROLD
Current assignee: ABBEY HAROLD
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1988-12-19
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2008-12-20
Also published as: EP0363448B1; DE3855046D1; EP0363448A4; EP0363448A1; ATE134742T1; WO1989005913A1; US4895184A

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Strömungsmittelbzw. Flüssigkeitsservosysteme und im besonderen, aber nicht nur, ein servogeregeltes bzw. -gesteuertes Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, um über einen breiten Betriebsbereich ein optimales Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu schaffen.
Das Verhalten eines Verbrennungsmotors bzw. einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung hinsichtlich betrieblicher Leistungsfähigkeit, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Schadstoffemission wird sowohl vom Kraftstoff- Luft-Verhältnis der brennbaren Ladung, als auch von dem Grad, in welchem der Kraftstoff verdampft und in der Luft zerstäubt wird, direkt beeinflußt. Unter idealen Bedingungen sollte der Motor jederzeit 14.7 Teile Luft mit einem Teil Kraftstoff innerhalb enger Grenzwerte verbrennen, was dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Beim tatsächlichen Betrieb eines herkömmlichen Systems wird im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen für eine zuverlässige Arbeitsweise ein reicheres Verhältnis als das stöchiometrische verlangt, wogegen bei hohen Drehzahlen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ein magereres als das stöchiometrische erstrebenswert ist. Die Verwendung von Lambda-Sauerstoff- Sensoren im Auslaßsystem und Rückmelderegelungen zur Einhaltung des stöchiometrischen Verhältnisses für eine katalytische Steuerung der Emissionen geht auf Kosten von Leistung und Wirtschaftlichkeit.
Maximale Kraftstoffwirtschaftlichkeit und minimale Schadstoffemission wurden bisher aufgrund praktischer Einschränkungen gegenwärtig verfügbarer Systeme als einander ausschließend angesehen. Diese Einschränkungen beruhen auf der Unfähigkeit, flüssigen Kraftstoff in Luft von der niedrigsten bis zur höchsten Drehzahl und Last vor der Zündung im Motor zu "vergasen". Mit dem Begriff "Vergasen" ist Kraftstoff gemeint, der zerstäubt, verdampft und homogenisiert wurde, so daß er eine gasähnliche Beschaffenheit aufweist. Beim oder um das stöchiometrische Verhältnis solcher vergasten Kraftstoff-Luft-Gemische wird die vollständigste Verbrennung mit minimalen Emissionen erreicht.
Kraftstoffaufbereitungssysteme für Fremd- bzw. Funkenzündungs-Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung fallen in zwei generelle Klassen: Vergaser und Kraftstoffeinspritzsysteme. Diese werden nun getrennt betrachtet.
Die Aufgabe bzw. Funktion eines Vergasers ist es, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, das für den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gebraucht wird. Im Vergaser wird Kraftstoff in Form winziger Tröpfchen in einen Luftstrom eingeleitet, wobei die Tröpfchen in Folge von Wärmeabsorption in einer Unterdruckzone auf dem Weg in die Brennkammer verdampft werden, wodurch das Gemisch zündfähig bzw. brennbar gemacht wird. In einem herkömmlichen Vergaser strömt Luft in den Vergaser durch ein Venturirohr und eine Kraftstoffdüse innerhalb eines mit dem Hauptventurirohr konzentrischen Boosterventuris bzw. Vorzerstäubers. Die Druckreduzierung an der Venturiengstelle veranlaßt den Kraftstoff, von einer Schwimmerkammer, in der der Kraftstoff gespeichert wird, als Kraftstoffstrahl in den Luftstrom zu strömen. Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Luft und Kraftstoff wird der Kraftstoff zerstäubt.
Obwohl die meisten Vergaser heute zwei- und dreifache Venturis zur Erhöhung bzw. Vervielfachung der Ansaugkräfte verwenden, bewirken die festen bzw. unveränderlichen Größen dieser Venturis, die gewöhnlich durch die mittlere Auslastung des Motors bestimmt bzw. vorgegeben sind, die Kraftstoffeinleitung etwa den halben Kraftfahrzeugbetriebsbereich hindurch. Der Mangel der Venturi-Vergasung im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen erfordert es, Kraftstoff stromabwärts des Venturis mittels eines Hochvakuums, das durch teilweise offene Drosselklappen hervorgerufen wird, einzuleiten. Bei höheren Drehzahlen und Lasten wird eine Belüftung notwendig, um eine übermäßige Anreicherung bei höheren Venturi-Geschwindigkeiten abzuschwächen. Unter Vollast, bei schwachem Venturivakuum bzw. -unterdruck, wird zusätzlicher Kraftstoff mittels Leistungsstrahldüsen, gestuften Nadelventilen oder Zusatzrohren gefördert.
Derartige Techniken zur Regulierung des Kraftstoff- Luft-Verhältnisses über den bestehenden Bereich von Leerlauf zu Vollast hinweg, stellen bestenfalls einen durch die oben genannten Einschränkungen auferlegten Kompromiß dar, wobei die Kraftstoffeffizienz bzw. -ausnutzung im Leerlauf und im unteren Teillastbereich, sowie bei Vollast, niedrig ist. Um "Flachpunkten" bei der Beschleunigung während der Fahrzustandsübergänge entgegenzuwirken, werden zudem drosselbetätigte Kraftstoffpumpen eingesetzt, um zusätzlichen Kraftstoff in den Luftstrom zu sprühen, wodurch das System sogar noch weniger effektiv gemacht wird.
Moderne Kraftstoffeinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung stellen für ein zeitlich gesteuertes oder kontinuierliches Einspritzen bzw. Sprühen in den Luftstrom Luft-Kraftstoff-Gemische mittels unter Druck stehender Kraftstoffdüsen her. Kraftstoffeinspritzsysteme sind jetzt weit verbreitet, da sie ein genaues Zumessen und Regeln bzw. Steuern des Luft- Kraftstoff-Gemisches über den ganzen Motorbetriebsbereich ermöglichen, wodurch sie die Kraftstoffeffizienz fördern. Zudem eignet sich die Kraftstoffeinspritzung für die Anwendung bei Anlagen zur Abgasnachverbrennung, um den Ausstoß giftiger Schadstoffe zu reduzieren. Die meisten Kraftstoffeinspritzsysteme im derzeitigen Einsatz werden elektronisch gesteuert, obwohl auch mechanische Einspritzsysteme in einigen Motoren zu finden sind.
Ein elektronisches Kraftstoffeinspritzsystem weist eine elektrisch betriebene Kraftstoffpumpe auf, die den für das System notwendigen Kraftstoffdruck liefert und aufbaut. Der Kraftstoff wird mittels Solenord betätigten Kraftstoffeinspritzventilen in die Zylindereinlaß- bzw. ansaugkanäle eingespritzt, wodurch solche Systeme als "einlaßkanalbezogene" ("ported") elektronische Kraftstoffeinspritzung (EFI) charakterisiert werden. Die Einspritzventile werden von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) gesteuert, die die Kraftstoffmenge steuert, die in der Zeitspanne, in der sie zu einer Gleichdruckquelle offenstehen, eingespritzt wird. Die ECU wird über Meßfühler mit Daten versorgt, die Betriebszustände und Umgebungseinflüsse berücksichtigen.
Von den mechanischen Kraftstoffeinspritzsystemen gibt es zwei generelle Typen:
Diejenigen, die einen Antrieb vom Motor erfordern und diejenigen, die keinen Antrieb vom Motor erfordern. Die motorbetriebenen Systeme weisen eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit einem Integralregler auf, dergleiche wie bei Dieselmotoren. Das vorherrschende mechanische Einspritzsystem benötigt keinen direkten Antrieb und spritzt kontinuierlich von einer elektrischen Gleichdruckpumpe die Kraftstoffversorgung ein, und zwar mit Reglern, die die eingespritzte Kraftstoffmenge durch Veränderung des an die Injektoren bzw. Einspritzeinheiten abgegebenen Kraftstoffdrucks steuern.
Der Maßstab für die Bestimmung der für alle Kraftstoffeinspritzsysteme erforderlichen Kraftstoffmenge ist die vom Motor angesaugte Luftmenge. Ein Luftmengenmesser bzw. eine Luftmengenmeßeinrichtung ist also die wichtige Komponente zur Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Die Aufgabe des Erfassens und Messens der Luftströmung bzw. der Luftmenge wird von verschiedenen Formen von Luftmengenmesser erfüllt. Gegenwärtig sind solche Meßeinrichtungen entweder mechanisch, in Form einer durch den Luftstrom beweglichen Scheibe in einem venturiähnlichen Motorluftansauggehäuse, oder mechanisch elektrisch, in Form eines im Motorluftansauggehäuse beweglichen "Flügels", aufgebaut, dessen Bewegung durch mechanisches Schalten in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Elektronische Meßeinrichtungen wie "Hitzedraht" und "Schall"-Erfassungen für den Betrieb in Verbindung mit Mikroprozessoren sind ebenfalls im Einsatz.
Im Bosch-K-Jetronic-System positioniert ein "Bewegungsplatten"-Sensor direkt ein Kolbenventil in einem Rohr mit Steuerschlitzen, wodurch der Kolben die Schlitze für mehr oder weniger Kraftstofffluß bzw. -strömung von einer Primär-(Gleich)-Druckquelle zu den einzelnen Zylindern öffnet oder schließt. Eine Veränderung des Kraftstoff-Luft- Verhältnisses wird durch einen variablen "Steuer"-Druck erzielt, der die Kolbenbewegung gegen die Luftstrombewegung vorspannt. Dieses System ist ein kontinuierlich arbeitendes Mehrkanaleinspritzsystem.
Im Bosch-L-Jetronic-System speisen ein "flügelartig" ausgebildeter und elektrische Signale abgebender ("vane"to-electric) Luftmengenmesser und verschiedene elektronische Motor- und Umgebungssensoren einen elektronischen Mikroprozessor (ECU), um den Ausgang von elektro-solenoiden Einspritzventilen in einem elektronischen Mehrkanaleinspritzsystem zu steuern. Die anderen elektronischen Kraftstoffeinspritzsysteme (EFI) sind grundsätzlich gleich aufgebaut, sie verwenden nur andere Formen elektronischer Luftmengenmesser.
Ein mechanisches Kraftstoffeinspritzsystem, das in einem "Indianapolis 500"-Sieger von 1970 enthalten und durch solche Fahrzeuge noch immer populär ist, macht von einem mechanischen Luftmengenmesser Gebrauch, der aus einem Venturi im turbogeladenen Motoransaugkanal besteht. Sein Differenz-Luftdruck (Venturi-Unterdruck) wird auf eine Membran aufgebracht, deren Bewegung durch den Differenz-Kraftstoffdruck eines Mündungsstrahls auf einer gegenläufigen Membran entgegengewirkt wird, wobei die resultierende Bewegung eines Ventils den Kraftstoffdruck zu den einzelnen Einspritzdüsen in den Ansaugkanälen kontinuierlich steuert. Die nicht-linearen Strömungskennlinien dieses Systems führen zu schwacher Regelung am unteren Ende und übermäßiger Anreicherung am oberen Ende, wodurch dieses System für Passagier- und Nutzfahrzeuge unbrauchbar wird.
Die Abbey-Reihe der US-Patente Nr. 4,118,444; 4,187,805; 4,250,856; 4,308,835 und 4,387,685 offenbart eine einzigartige "schwimmende" bzw. "schwebende" ("floating") Venturi-Struktur, die wenn sie im Luftansaugkanal zum Motor angeordnet ist, eine pneumatische Druckdifferenz erzeugt, deren Größe linear proportional zum Masse- Volumen der durch sie strömenden Luft und über den ganzen Betriebsbereich des modernen Hochleistungsmotors hindurch wirksam ist. Dies stellt einen mechanischen Luftmengenmesser dar, welcher ein pneumatisches Signal liefert, das zur mechanischen Kraftstoffregelung für die Steuerung der Kraftstoff-zu-Luft-Proportionierung verwendet werden kann.
Die oben erwähnten Patente, deren Offenbarungen in die vorliegende Anmeldung unter Bezugnahme eingegliedert sind, offenbaren auch kontinuierlich arbeitende bzw. kontinuierliche Einspritzsysteme, die eine "schwebende" Venturi-Meßeinrichtung verwenden, wobei die Kraftstoffeinspritzung mittels eines Kraftstoffdruckreglers gesteuert wird. Sie offenbaren auch den Einsatz eines nichtelektrischen Einspritzers oder Injektors, der in das Zentrum der "schwebenden" Venturi-Struktur abgibt. Solch ein Zentraleinspritzsystem bzw. kontinuierlich arbeitendes Einzelpunkt-Einspritzsystem überträgt die Vorteile eines einzelnen großen Einspritzers bzw. Injektors in den Niederdruck-Hochgeschwindigkeits-Luftstrom mit ausreichender Zeit das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor dem Eintritt in die Brennräume zu zerstäuben, zu verdampfen und zu homogenisieren.
Alle Kraftstoffeinspritzsysteme, wie z. B. in US-A- 2,924,206 und US-A-2,957,467 dargestellt, enthalten Luftmengenmesser zur Steuerung der über Drosselströmungseinrichtungen - auch "Injektoren" gebannt - abgegebenen Kraftstoffmenge. Diese Einrichtungen wandeln flüssigen Kraftstoff in einen Sprühstrahl fein verteilter Partikel oder Tröpfchen um, die sich mit der Verbrennungsluft im Motor vermischen, um eine zündbare Mischung zu bilden. Sie werden als Einspritzdüsen und Elektro-Injektoren bezeichnet. Elektro-Injektoren bestehen aus einem solenoid-betätigten Ventil, welches die Strömungsmenge in eine Düse von einer Gleichdruckquelle, durch die Zeitspanne, in der sie offen ist, bestimmt.
Die Düsenfunktion des Abgebens und Zerstäubens von Kraftstoff in die Motorverbrennungsluft basiert auf der darin umgewandelten bzw. ausgebreiteten Druckenergie, und die abgegebene Kraftstoffmenge ist proportional zum Druckabfall des Einströmdrucks zum vorherrschenden Luftdruck am Punkt der Abgabe. Deshalb werden Einspritzdüsen jeder Gestaltung, die für eine spezifische Anwendung zugeschnitten sind, die Kraftstoffmenge im Verhältnis zum Druckabfall abgeben und unter Berücksichtigung, daß die Luftdrücke an der Abgabe im Verhältnis zu den Kraftstoffdrücken sehr klein sind, wird die abgegebene Kraftstoffmenge proportional zum aufgebrachten Kraftstoffdruck variieren.
Gegenwärtig arbeiten alle Kraftstoffeinspritzsysteme, die eine "Regelkreis"-Steuerung bzw. eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bewirken, mittels eines elektronischen Abgasmeßfühlers, dem Lambda-Sauerstoff-Abgas- Sensor. Diese "Lambda"-Methode mißt die Abgaszusammensetzung nach der Verbrennung und meldet dann die Abweichung vom Normverhältnis zurück, um die vor der Verbrennung eingespritzte Kraftstoffmenge zu steuern. Dieses System kann nur ein optimales Verhältnis im Mittel liefern, mit großen Abweichungen, die aus der Zeitspanne zwischen Abgas-Probenentnahme und der Kraftstoffmengen-Einspritzung resultieren.
Die Vorteile einer Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisch-Verhältnisses können nur dadurch eingehalten werden, daß die Luftmenge die Kraftstoffmenge in Echtzeit vor der Verbrennung auf ein vorbestimmtes Sollverhältnis steuert und daß die Möglichkeit besteht, dieses Sollverhältnis den Betriebszuständen anzupassen. Diese Methode der Steuerung bedarf einer Form von "Servo"-System, bei der eine "Vorausmeldung" ("feed-forward") der in den Motor strömenden Luftmenge und eine "Rückmeldung" ("feed-back") der Kraftstoffmenge oder deren Äquivalente in Echtzeit vor der Verbrennung eingereicht wird.
Das oben erwähnte US-Patent 2,924,206 offenbart ein Strömungsmittelservosystem, mit:
einer Signaleingangseinrichtung zur Bereitstellung einer Signalkraft,
einer Strömungsmittelkonstantdruckquelle und
einem Ventilmechanismus, der ein Ventilbauteil hat, das durch die Signalkraft betätigbar und dadurch um ein durch die Stärke dieser Kraft bestimmtes Maß verschiebbar ist, wobei der Ventilmechanismus eine Eingangsöffnung aufweist, die mit der Strömungsmittelquelle verbunden ist, eine Ausgangskammer, die mit dem Strömungsmittel aus der Strömungs mittelquelle versorgt wird und mit einem Abgabeauslaß in Verbindung steht, wobei der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer durch die Position des Ventilbauteils bestimmt wird, und einen Gegendruckbereich, der mit der Ausgangskammer verbunden ist, um das Ventilbauteil mit einer Ausgleichskraft bzw. Gegenkraft zu beaufschlagen, die vom vorherrschenden Druck in der Ausgangskammer abhängt, um das Ventilbauteil dazu zu veranlassen, eine Gleichgewichtsstellung einzunehmen, in der die Signalkraft und die Gegenkraft im Gleichgewicht sind, wodurch der resultierende mittlere Druck des über den Abgabeauslaß abgegebenen Strömungsmittels proportional zur momentanen Größe der veränderlichen Signalkraft ist.
Die Erfindung sieht ein Strömungsmittelservosystem vor, mit:
einer Signaleingangseinrichtung zur Bereitstellung einer Signalstärke bzw. -kraft,
einer Strömungsmittelkonstantdruckquelle und
einem Ventilmechanismus, der ein Ventilbauteil hat, das durch die Signalkraft betätigbar und dadurch um ein durch die Stärke dieser Kraft bestimmtes Maß verschiebbar ist, wobei der Ventilmechanismus eine Eingangsöffnung aufweist, die mit der Strömungsmittelquelle verbunden ist, und eine Ausgangskammer, die mit dem Strömungsmittel aus der Strömungsmittelquelle versorgt wird und mit einem Abgabeauslaß in Verbindung steht, wobei der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer durch die Position des Ventilbauteils bestimmt wird, und einen Gegendruckbereich, der mit der Ausgangskammer verbunden ist, um das Ventilbauteil mit einer Gegenkraft zu beaufschlagen, die vom vorherrschenden Druck in der Ausgangskammer abhängt, um das Ventilbauteil dazu zu veranlassen, eine Gleichgewichtsstellung einzunehmen, in der die Signalkraft und die Gegenkraft im Gleichgewicht sind, wodurch der resultierende mittlere Druck des über den Abgabeauslaß abgegebenen Strömungsmittels proportional zur momentanen Größe der veränderlichen Signalkraft ist, gekennzeichnet durch eine Einströmöffnung, die zur Ausgangskammer führt und mit einem ersten durch das Ventilbauteil bestimmten Bereich in Verbindung steht, der mit dem Strömungsmittel aus der Eingangsöffnung gespeist wird, und durch eine Ausströmöffnung, die aus der Ausgangskammer heraus führt und mit einem zweiten durch das Ventilbauteil bestimmten Bereich verbunden ist, der über eine Rückströmöffnung mit einem Quellenreservoir bzw. Tank verbunden ist, wobei eine Verstellung bzw. Verschiebung des Ventilbauteils in die eine Richtung gleichzeitig die Einströmöffnung öffnet und die Ausströmöffnung schließt, um den Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer zu erhöhen, und eine Verschiebung des Ventilbauteils in die entgegengesetzte Richtung die Einströmöffnung schließt und die Ausströmöffnung öffnet, um den Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer abzusenken, um den Ausgangsdruck am Abgabeauslaß durch Steuerung der Einström- und Ausströmmenge in die bzw. aus der Ausgangskammer bei Gleichgewichtsstellung des Ventilbauteils herzustellen.
Das Ventilbauteil kann drei Zylinder enthalten, die an axial räumlich beabstandeten Positionen an einem Ventilschaft befestigt sind, wobei das Ventilbauteil in einer mit Öffnung versehenen Büchse gleitbar montiert ist, die die Eingangsöffnung, die Rückströmöffnung, die Einströmöffnung und Ausströmöffnung aufweist, wobei ein Raum zwischen einem ersten und einem zweiten Zylinder den ersten Bereich bestimmt, und ein Raum zwischen dem zweiten und dem dritten Zylinder den zweiten Bereich bestimmt, wobei die Anordnung derartig ist, daß eine axiale Verschiebung des Ventilbauteils in die eine Richtung den ersten Zylinder veranlaßt, die Einströmöffnung nach und nach zu öffnen und den dritten Zylinder veranlaßt, die Ausströmöffnung nach und nach zu schließen, so daß der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer ansteigt, und eine Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung den ersten Zylinder veranlaßt, die Einströmöffnung nach und nach zu schließen, und den dritten Zylinder veranlaßt, die Ausströmöffnung nach und nach zu öffnen, so daß der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer abnimmt und der erste und zweite Bereich ständig zur Eingangs- bzw. Rückströmöffnung offen bleiben.
Bei diesem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird das Ventilbauteil mit der Signalkraft am Endabschnitt des dritten Zylinders beaufschlagt und der Gegendruckbereich weist eine Gegendruckkammer auf, die unterhalb des Endabschnitts des ersten Zylinders des Ventilbauteils angeordnet ist, wobei sich eine Feder in der Gegendruckkammer befindet, um eine Vorspannung auf das Ventilbauteil aufzubringen.
Die Signaleingangseinrichtung kann einen auf die Strömung eines anderen Strömungsmittels ansprechenden Strömungsmesser aufweisen, um eine Signalkraft zu erzeugen, deren Stärke der Strömung entsprechend variiert. Die Signaleingangseinrichtung kann weiterhin einen mit dem Ventilbauteil verbundenen Membrankolben aufweisen, auf den ein durch den Strömungsmesser erzeugtes Differenzdrucksignal aufgebracht wird, um die Signalkraft vorzusehen, die Signalkraft durch das Ausmaß der Fläche, auf die das Differenzdrucksignal einwirkt, vergrößert wird.
Das Strömungsmittel, das vom Strömungsmesser erfaßt wird, kann die Ansaugluft für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung sein, und das Strömungsmittel, das über den Abgabeauslaß abgegeben wird, kann flüssiger Kraftstoff sein, der in die Ansaugluft in einem optimalen Verhältnis zur Ansaugluft den Bereich der Ansaugluftströmung hindurch abgegeben wird.
Die Signaleingangseinrichtung kann ein Niederdruck-Servosystem und einen mit dem Ventilbauteil verbundenen Kolben aufweisen, wobei die Ausgangsgröße des Servosystems auf den Kolben einwirkt, um die Signalkraft vorzusehen.
Die Signaleingangseinrichtung kann Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Steuersignale und zur Umwandlung dieser Signale aufweisen, um die Signalkraft vorzusehen.
In der vorliegenden Anmeldung beschriebene Servosystemausführungen sehen eine Kraftstoffeinspritzregelung für Funkenzündungsmotoren vor, wodurch ein mechanisches Messen der Motorensaugluft zu einer Steuerung der Kraftstoffeinspritzung mittels eines mechanischen Strömungsmittelservosystems für die Kraftstoffeinspritzung führt.
Im Zusammenhang mit den Kraftstoffeinspritzsystemen, die zusammen mit den Ausführungsbeispielen beschrieben werden, wird das Strömungsmittelservosystem in einem mechanischen, nicht elektronischen kontinuierlich arbeitenden Kraftstoffeinspritzsystem verwendet, wobei ein Verschiebesignal eines mechanischen Luftmengenmessers auf den Ventilmechanismus aufgebracht wird, um einen proportionalen Kraftstoffausgangsdruck vorzusehen. Der gesteuerte unter Druck stehende Strömungsmittelausgang vom Strömungsmittelservosystem entlädt sich durch Düseninjektoren in die gemessene Luftströmung, die die Ansaugluft zum Motor ist, und zwar in einem optimalen Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Die Kraftstoffströmungsmenge hängt nur vom Kraftstoffdruck am Injektor ab, ohne ein elektronisches, impulsgesteuertes zeitliches Öffnen und Schließen solenoider Einspritzventile zu erfordern.
Die Signaleingangseinrichtung kann ein das Strömungsmittel messendes Signal vorsehen, das in Differenzdruckform dem Masse-Volumen des gemessenen Strömungsmittels proportional ist, das sie in ein lineares Verschiebesignal umwandelt, und zwar so, daß es auf dem Ventilmechanismus aufgebracht werden kann, um die Kraftstoffeinspritzung in einem kontinuierlichen Einspritzsystem zu regeln.
In einem Ausführungsbeispiel wird die "schwebende" Venturi-Struktur als Signaleingangseinrichtung des Strömungsmittelservosystems verwendet, wodurch mit einem kontinuierlich arbeitenden Einzelpunkt-Kraftstoffeinspritzsystem für einen Funkenzündungsmotor mit hydromechanischen Komponenten, die hohe thermische Effizienz mit nichtelektronischer Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten hervorbringen, ein optimales Luft-Kraftstoff-Verhältnis und ein hoher Grad an Homogenisierung des Gemisches erzielt wird.
In einigen Ausführungsbeispielen des Servosystems liefert eine Signaleingangseinrichtung, die das eine Strömungsmittel mißt, ein Verschiebesignal, das auf den Ventilmechanismus zur Regelung der Strömung eines zweiten Strömungsmittels aufgebracht wird, wobei es dazu führt, daß das zweite Strömungsmittel bei einem Druck abgegeben wird, der dem Masse-Volumen des gemessenen Strömungsmittels proportional ist, wodurch mittels einer Strömungsdrosseleinrichtung der Masse-Volumen-Ausgang des geregelten zweiten Strömungsmittels dem Masse-Volumen des gemessenen Strömungsmittels proportional ist.
Das Strömungsmittelservosystem kann eine Signaleingangseinrichtung aufweisen, die ein der Strömung des einen Strömungsmittels entsprechendes Differenzdrucksignal vorsieht, das auf eine Signalkraft vergrößert wird, um den Ausgangsdruck eines anderen Strömungsmittels im Verhältnis zum Signaldruck zu steuern, um hohe Strömungsmittelausgangsdrücke zur Steuerung pneumatischer und hydraulischer Antriebs- und Stelleinrichtungen zu erzeugen.
Das Strömungsmittelservosystem kann mit Einrichtungen versehen sein, die dazu dienen, deren Ansprecheigenschaften zu verändern, wodurch zur Anpassung an Übergangsbetriebszustände die Proportionalität von Ausgang zu Eingang verändert wird.
Das Strömungsmittelservosystem kann für hydro-betriebene Stellsysteme und bewegungsgesteuerte Systeme in Roboter- und Automatisierungssystemen verwendet werden, die mittels elektrischer Steuersignale gesteuert werden. Bei derartigen Anwendungen erzeugt die Signaleingangseinrichtung elektrische Steuersignale, die sie auf einen Strompegel verstärkt, der derart umgewandelt wird, daß eine auf den Ventilmechanismus aufgebrachte Signalkraft vorgesehen wird, wodurch das Strömungsmittelservosystem das Arbeitsströmungsmittel bei einem Proportionaldruck für geschlossene Endpositioniergeräte, wie z. B. Zylinder, sowie bei proportionalen Strömungsgeschwindigkeiten für die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsteuerung von Motorgeräten abgibt.
Nachstehend werden für ein besseres Verständnis der Erfindung einige Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ventilmechanismus zeigt, der in Verbindung mit einer Signaleingangseinrichtung ein erfindungsgemäßes Strömungsmittelservosystem bildet;
Fig. 2 den Ventilmechanismus, wenn dessen Ventilbauteil axial angeordnet ist, um das Ausgangsströmungsmittel bei minimalem Druck hervorzubringen;
Fig. 3 den Ventilmechanismus, wenn dessen Ventilbauteil axial angeordnet ist, um das Ausgangsströmungsmittel bei mittlerem Druck hervorzubringen;
Fig. 4 den Ventilmechanismus, wenn dessen Ventilbauteil axial angeordnet ist, um das Ausgangsströmungsmittel bei maximalem Druck hervorzubringen;
Fig. 5 eine Verschiebe- bzw. Verstellsignaleinrichtung in Verbindung mit dem Ventilmechanismus;
Fig. 6 eine eine Schnittansicht einer Luftdruckeinheit in Verbindung mit dem Ventilmechanismus;
Fig. 7 eine Vorderansicht der Luftdruckeinheit und des Ventilmechanismus;
Fig. 8 eine Draufsicht der Luftdruckeinheit;
Fig. 9 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Strömungsmittelservosystems, bei dem die Signaleingangseinrichtung ein Niederdruckservosystem (nicht abgebildet) aufweist;
Fig. 10 ein Mehrkanal-Kraftstoffeinspritzsystem, das von einem erfindungsgemäßen Strömungsmittelservosystem gesteuert wird;
Fig. 11 ein ähnliches System wie Fig. 10, nur daß es einen von einer "schwebenden" Venturi-Meßeinrichtung abgeleiteten Differenzluftdruck verwendet; und
Fig. 12 ein ähnliches System wie Fig. 11, nur daß es eine Eindüseneinspritzeinheit anstelle einer Mehrkanaleinspritzeinheit verwendet.
Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Strömungsmittelservosystem mit einer Signaleingangseinrichtung zum Vorsehen einer Signalkraft SF und ein Ventilmechanismus dargestellt.
Der Ventilmechanismus hat einen Ventilkörper 10, mit einer darin eingepaßten zylindrischen Büchse 11, innerhalb der ein Ventilbauteil in Form eines Steuerkolbens 12 axial verschiebbar ist. Büchse 11 ist mit den Öffnungen A und B auf deren einen Seite und mit den Öffnungen C, D und E auf der gegenüberliegenden Seite versehen. Öffnung A steht in Verbindung mit einer Bohrung 13 im Ventilkörper 10, die für den Anschluß an eine Gleichdruck-Kraftstoffversorgung, dargestellt durch den Block FS, mit einem Gewinde bzw. gewindegebohrt versehen ist. Öffnung B steht in Verbindung mit einer Bohrung 14, die für den Anschluß an einen Kraftstofftankrücklauf, dargestellt durch Block TR, gewindegebohrt ist. Bohrung 14 steht ferner über eine Röhrenleitung im Ventilkörper mit einem oberen Ventilhohlraum 15 in Verbindung.
Die Öffnungen C, D und E speisen alle in eine gemeinsame Ausgangskammer 16 innerhalb des Ventilkörpers, wobei Kammer 16 mit einer Auslaßbohrung 17 in Verbindung steht, die für die Strömungsmittelabgabe an verschiedene Nutzeinrichtungen, wie nachfolgend erläutert, gewindegebohrt ist.
Steuerkolben 12 besteht aus drei Zylindern 12A, 12B und 12C, deren Durchmesser dem Innendurchmesser von Büchse 11 angepaßt sind, wobei die Zylinder an räumlich beabstandeten Positionen an einem Ventilschaft 12S angebracht sind. Der ringförmige Raum zwischen dem ersten und zweiten Zylinder 12A und 12B definiert einen ersten oder unteren Ventilbereich 12D. Der ringförmige Raum zwischen dem zweiten und dritten Zylinder 12B und 12C definiert einen zweiten oder oberen Ventilbereich 12E.
Der untere Endabschnitt des Ventilkörpers 10 ist mittels einer Abdeckung 18 dicht verschlossen, um einen Gegendruckbereich PR unterhalb Zylinder 12A festzulegen, wobei dieser Bereich über Öffnung E mit der Ausgangskammer 16 in Verbindung steht. Im Druckbereich PR befindet sich zwischen dem unteren Ende des Ventilschafts 12S und einer in der Abdeckung 18 schraubbar gelagerten Stellschraube 20 die Schraubenfeder 19, um eine einstellbare Vorspannung auf den Steuerkolben 12 vorzusehen. Das obere Ende des Steuerkolbens 12 ist mittels einer Schraubenfeder 19A an eine Betätigungsstange AR gekoppelt; eine axiale Verschiebung der Stange durch eine Eingangssignalkraft SF führt also zu einer Verschiebung des Steuerkolbens 12, und zwar um eine von der Stärke dieser Kraft bestimmten Weite.
Die Büchsenöffnung A ist so dimensioniert und hinsichtlich des unteren Ventilbereiches 12D zwischen den Ventilzylindern 12A und 12B derart angeordnet, daß innerhalb des Betriebsbereiches, in dem der Ventilsteuerkolben 12 axial verschoben wird, die Strömung von der Konstantdruck- Kraftstoffversorgung FS über die Bohrung 13 in die Öffnung A niemals abgeschnitten wird.
Die Büchsenöffnungen C und D sind so dimensioniert und angeordnet, daß, wenn der Ventilzylinder 12A derart verschoben ist, daß er die Öffnung D verschließt, um die Strömung in die gemeinsame Ausgangskammer 16 abzuschneiden, die Öffnung C dann vom Zylinder 12D nicht verschlossen wird, um den Ventilbereich 12E der Entspannung bzw. dem Abbau des Kraftstoffdrucks in der Ausgangskammer 16 auszusetzen. Der Ventilbereich 12E ist über die Öffnung B und die Tankrücklaufbohrung 14 immer offen, wodurch der Ausgangsdruck effektiv auf ein Minimum reduziert wird, das dem Leitungswiderstand zu einem offenen Tank entspricht.
Öffnung E, die das Strömungsmittel von der Ausgangskammer 16 in den Gegendruckbereich PR unterhalb des Zylinders 12A einläßt, ist immer offen, wobei die Größe des Gegendruckes durch den in Ausgangskammer 16 vorherrschenden Strömungsmitteldruck bestimmt wird.

Betrieb

In Verbindung mit den Fig. 2, 3 und 4 werden wir jetzt drei verschiedene Betriebszustände betrachten; den ersten bei minimalem Kraftstoffausgangsdruck vom Ventilabgabeauslaß 17, den zweiten bei mittlerem Ausgangsdruck, und den dritten bei maximalem Ausgangsdruck. In Fig. 2 sieht man, daß der Ventilschaft 12 durch die Signalkraft SF soweit axial verschoben wurde, daß sein oberes Ende sich etwas über dem oberen Ende der Büchse 11 befindet, während in Fig. 3 die Verschiebung derart ist, wie wenn sich das obere Ende des Ventilschafts in einer Linie mit dem oberen Ende von der Büchse 11 befindet. In Fig. 4 ist die Verschiebung derartig, wie wenn sich das obere Ende des Ventilschafts 12 etwas unter dem oberen Ende der Büchse 11 befindet. Die Beziehung der Ventilzylinder 12A, 123 und 12C zu den Öffnungen A bis E wird also zunehmend dadurch verändert, wie die Signalkraft verstärkt oder abgeschwächt wird.
Bei minimalem Ausgang des Ventilmechanismus, dargestellt in Fig. 1, verschiebt die Signaleingangskraft SF den Steuerkolben 12 gegen die Spannung der Feder 19, um die Öffnung D zu schließen und die Öffnung C zu öffnen. Konstantdruck-Kraftstoff, der von der Quelle FS in die Öffnung A hereingelassen wird, um den unteren Ventilbereich 12D zu füllen, wird also davon abgehalten in die Ausgangskammer 16 einzuströmen, wogegen Kraftstoff aus der Ausgangskammer 16 über die teilweise offene Öffnung C, den oberen Ventilbereich 12E und die Öffnung B in den Rücklauf des Kraftstofftanks TR zurückströmen kann. Der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer 16 weist jetzt seinen niedrigsten Pegel auf.
Im Zustand mittleren Ausgangsdruckes, dargestellt in Fig. 3, ist die Öffnung D teilweise offen, um den unter Druck stehenden Kraftstoff von der Versorgung FS in die Ausgangskammer 16 hereinzulassen, wobei die Öffnung C dann teilweise derart geschlossen ist, daß ein Rückströmen des Kraftstoffes in den Kraftstoffrücklauftank TR eingeschränkt ist. Die vom Ventilsteuerkolben 12 eingenommene Position ist die Folge der durch das Signal SF bewirkten Verschiebung, dessen Kraft auf den Ventilschaft 12S aufgebracht wird, und der Gegendruckkraft, die auf die untere Fläche des Zylinders 12A durch den resultierenden Strömungsmitteldruck aufgebracht wird, der von der Ausgangskammer 16 durch die Öffnung E in die Gegendruckkammer PR einströmen kann.
Im Betrieb strebt der Ventilsteuerkolben 12 in der Büchse 11 eine axiale Nullstellung an, in der die Signalkraft mit der Gegenkraft im Gleichgewicht ist. Dies bringt im Ausgang des Ventilmechanismus einen mittleren Kraftstoffabgabedruck hervor, der im Verhältnis zur auferlegten Signalkraft linear variiert.
Somit ist in einem erfindungsgemäßen Strömungsmittelservosystem der Ventilmechanismus, dessen strömendes Eingangsmittel Kraftstoff (oder ein anderes Strömungsmittel) unter Konstantdruck ist, auf eine Kraft ansprechend, die den Steuerkolben des Ventilmechanismus um eine Weite axial verschiebt, die durch die Signalkraft einer Signaleingangseinrichtung, in Form eines Luftmengenmessers oder irgend einer anderen Meßeinrichtung bestimmt wird, wobei eine variierende Stärke bzw. Kraft derart erzeugt wird, daß der Kraftstoff im Mechanismusauslaß mit einem zur momentanen Größe der variierenden Signalkraft proportionalen Druck hervorgebracht wird.
In Fig. 4, wo der durch den Ventilmechanismus hervorgebrachte mittlere Druck maximal ist, erkennt man, daß die Öffnung C vom Zylinder 12C verschlossen ist; in diesem Fall besteht also kein Kraftstoffrückfluß von der Ausgangskammer 16 in den Tankrücklauf TR. Öffnung D steht zur selben Zeit halb offen, um den unter Druck stehenden Kraftstoff in die Ausgangskammer 16 hereinzulassen und einen Teil dieses unter Druck stehenden Kraftstoffs von der Ausgangskammer in die Gegendruckkammer PR einströmen zu lassen, so daß der Steuerkolben zur Einnahme einer Gleichgewichtsstellung veranlaßt wird, wobei ein maximaler Ausgang bzw. eine maximale Abgabe geschaffen wird. Die Öffnung A, B, und E sind zu keiner Zeit in irgendeiner Stellung des Ventilmechanismus geschlossen.
Bezugnehmend auf Fig. 5 ist ein Ventilmechanismus dargestellt, der dem in Fig. 1 ähnlich ist. Das obere Ende des Ventilschafts 12S ist mittels einer Abdeckung 21 verschlossen, an der für eine Gleitbewegung die Betätigungsstange AR gelagert ist, die sich aus der Abdeckung 21 nach außen hin erstreckt und mit dem Hebelarm CA einer Verschiebesignaleinrichtung drehbar bzw. gelenkig verbunden ist. Eine Flanschbuchse 23 ist am Ventilschaft 12S angebracht, wobei deren Flansch einem am Endabschnitt der Betätigungsstange AR befestigten Flansch 22 gegenüberliegt. Feder 19A ist zwischen den beiden Flanschen eingepreßt, um den Steuerkolben 12 in eine durch die Länge der Buchse 23 bestimmte Stellung zu zwingen, bevor sie gegen den oberen Endabschnitt der Büchse 11 drückt. In der dargestellten Grenzstellung des Ventilsteuerkolbens 12 ist die Öffnung D durch den Zylinder 12A verschlossen und die Öffnung C zum Ventilbereich 12E offen, der mit der Tankrücklaufbohrung 14 in Verbindung steht.
Im Betrieb bewirkt ein an den Hebelarm CA gekoppelter Strömungsmesser eine axiale Verschiebung der Antriebsstange AR um eine der gemessenen Strömung proportionale Weite, wodurch die Stange die Feder 19A dementsprechend vorspannt. Die gespannte Feder 19A bewegt bzw. verschiebt den Ventilschaft 12S durch die Buchse 23, wodurch das Einströmen in die und das Ausströmen von der Ausgangskammer 16 derart eingerichtet wird, daß innerhalb dieser ein Strömungsmitteldruck erzeugt wird, der über die Öffnung E mit der Gegendruckkammer PR in Verbindung steht, um der Meßkraft entgegenzuwirken, wodurch der Ventilsteuerkolben dazu veranlaßt wird, bei einem mittleren Strömungsmittel-Ausgangsdruck eine Gleichgewichtsstellung einzunehmen.
Bezugnehmend auf die Fig. 6, 7 und 8 ist eine Signaleingangseinrichtung dargestellt, die eine Differenz-Luftdruck-Einheit aufweist, welche ein Differenz-Luftdruck-Signal in eine proportionale Kraft umwandelt, die auf den Ventilmechanismus aufgebracht wird. Die Differenz- Luftdruck-Einheit und der Ventilmechanismus sehen ein Servosystem zum Erzeugen eines einem auferlegten Differenz- Luftdruck-Signal proportionalen Strömungsmittelausgangsdrucks vor.
Diese Einheit weist zwei kreisförmige Flanschgehäuse 30 und 31 mit einem derart dazwischengespannten Membrankolbenaufbau 32 auf, daß in den jeweiligen Gehäusen hermetische Kammern ausgebildet werden. Das Gehäuse 30 ist mit einer zentrischen Öffnung und einer flachen äußeren Oberfläche für eine abgedichtete Anbringung am Körper 10 des Ventilmechanismus versehen. Der Ventilschaft 12S ist derart verlängert, daß er durch das Zentrum der Öffnung hindurch geht.
Der Membrankolbenaufbau 32 besteht aus einem starren kreisförmigen Rahmen 33, der derart ausgebildet ist, daß er die flexible Flanschmembran 34 und die koaxial ineinander geschachtelten Ausnehmungen für die Feder 35 in Kammer 30 und für die Feder 36 in Kammer 31 aufnimmt. Eine flexible Abdichtung am Ventilschaft 12S ist fest an das Gehäuse 30 gespannt, und der Ventilschaft 12S ist mit dem Zentrum des Rahmens 33 des Membrankolbens 32 verbunden, wodurch seine Seitenbewegung auf den Ventilsteuerkolben 12 übertragen wird.
Die äußere Kammer 31 enthält eine Feder 36, die innerhalb der Feder 35 in der inneren Kammer 30 geschachtelt ist, wodurch die Schraube und die Stopmutter 36 die Vorspannung beider Federn einstellen. Die äußere Kammer 31 ist mit einem Nippel 37 für den Anschluß an den höheren Druck P1 eines Luftmengenmessers und die innere Kammer 30 mit einem Nippel 38 für den Anschluß an den niedrigeren Druck P2 eines Luftmengenmessers versehen, wodurch der Differenzdruck (P1-P2) zu einer Kraft Fa führt, die zu (P1-P2) * Fläche des Membrankolbens 32 gleich ist. Diese auf einen Ventilmechanismus vom Durchmesser Dv aufgebrachte Signalkraft Fa hat einen Ausgangsströmungsmitteldruck P3 von (P1- P2) * Ad/Av zur Folge, wobei der Differenzsignaldruck mit dem Verhältnis der Membrankolbenfläche und der Zylinder- Steuerkolbenventilfläche multipliziert wird.
Diese Differenzdruckeinheit ermöglicht es relative kleine Signaldrücke zur Steuerung viel höherer Ausgangsströmungsmitteldrücke zu verwenden.
Fig. 9 stellt ein Strömungsmittel-Servo-Boostersystem dar, das eine Signaleingangseinrichtung mit einem Niederdrucksystem aufweist, das einen veränderlichen bzw. variierenden Druckausgang vorsieht. Die Signalkraft der Signaleingangseinrichtung wird in den Ventilmechanismus derart eingegeben, daß eine Hochdruck-Strömungsmittelabgabe von einer separaten Konstant-Hochdruck-Strömungsmittelquelle proportional zum variierenden Druckausgang des Niederdrucksystems vorgesehen wird. Die Signaleingangseinrichtung weist ein Gehäuse 39 auf, das am Körper 10 des in Fig. 1 gezeigten Ventilmechanismus abgedichtet befestigt ist. Das Gehäuse 39 ist mit einem zylindrischen Hohlraum 40 versehen, in dem ein gleitbar abgedichteter, mit dem Ventilschaft 12S verbundener Kolben 41 montiert ist, wodurch die axiale Kolbenbewegung auf den Ventilsteuerkolben 12 übertragen wird.
Eine zwischen Gehäuse 39 und Kolben 41 eingepreßte Feder 42 bringt auf den Kolben-Ventilaufbau eine Vorspannung auf, so daß er sich mit der Spannung der Feder 43 in Hohlraum 15 und der ventilvorspannenden Feder 19 in der Gegendruckkammer PR im Gleichgewicht befindet.
Der Ausgang des Niederdruckservosystems wird über die Verbindung 44 in die Kolbenkammer 40 geleitet; eine Hochdruckquellenkammer ist mit der Bohrung 13 und dem Tankrücklauf 14 verbunden, wodurch der Ausgang bzw. die Ausgangsgröße von der Kammer 16 gleich dem Druckeingang am Anschluß 44, multipliziert mit der Kolbenfläche 41, geteilt durch die Ventilsteuerkolbenfläche 12 ist.
In allen anderen erfindungsgemäßen Servosystemen dient die Einstellung der Federspannung an dem einem Ende des Servoventils dazu, das Strömungsmittel-Verhältnis und die Anfangsdrücke festzulegen. Dies kann manuell oder mittels eines hydrostatischen Temperaturreglers und äquivalenten Reglern automatisch eingestellt werden.
Andere erfassende Regelungen oder Steuerungen wie Unterdruckmotoren und elektromagnetische Linearmotoren können für Übergangs-Betriebs- und Umgebungszustände verwendet werden, ebenso wie flüssige und elektrische Steuersignale für Stell- und Bewegungseinrichtungen.
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm eines kontinuierlichen Mehrkanal-Kraftstoffeinspritzsystems für einen Mehrzylindermotor. Dieses System besteht aus einer elektrischen Pumpe 51 und einem Filter 52, wobei aus einem Tank 50 eine Konstantdruck-Kraftstoffversorgung zugeführt wird. Der Pumpendruck wird an einen elektrischen Startinjektor 53 eines Ventilmechanismus 57 eines Strömungsmittelservosystems geliefert, das als Signaleingangsrichtung einen Bosch-Verschiebe-Luftmengenmesser 55 verwendet. Der Ausgang des Ventilmechanismus 57 wird über die Leitung 60 zu den einzelnen Einspritzdüsen 61 an jedem Motoransaugkanal abgegeben. Das Servosystem ist für eine Motortemperaturregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mittels eines Thermoschaltreglers eines elektromagnetischen Linearmotors 59 einstellbar.
Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm eines kontinuierlich arbeitenden Mehrkanal-Kraftstoffeinspritzsystems, das den Differenzluftdruck einer Abbey-"schwebenden"- Venturi-Meßeinrichtung 56 als pneumatisches Eingangssignal für die Strömungsmittel-Servosystemeinheit verwendet. Kraftstoff bei Proportionaldruck wird an die einzelnen Düseneinspritzeinheiten bzw. Einspritzdüsen an jeder Motoransaugöffnung abgegeben. In diesem System regeln ein hydrostatischer Motortemperaturregler oder ein Thermo- Wachsregler (thermo-wax controller) 62 und ein Unterdruckmotor 59 nach dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis vom Einlaßkrümmervakuum.
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines kontinuierlich arbeitenden Einzelpunkt-Kraftstoffeinspritzsystems wie in Fig. 11, mit der wichtigen Ausnahme, daß Mehrkanalinjektoren durch eine einzelne Einspritzdüse 64 ersetzt sind, welche in das Zentrum der "schwebenden" Venturi-Meßeinrichtung abgibt, wobei damit der Vorteil einer verdampfenden, homogenisierenden Umgebung und ausreichende Zeit zum Vergasen, bevor die Verteilung ausgeglichen ist, von einer einzelnen weniger kritischen mechanischen Einspritzdüse erzielt wird.
Ein erfindungsgemäßer Mechanismus nach Fig. 1 ist nicht nur auf die Kraftstoffeinspritzung beschränkt, da in der Praxis das erste Strömungsmittel, das eine Signalkraft hervorruft, Luft oder eine Flüssigkeit mit einem über Steuer- und Regeleinrichtungen produzierten variierenden Steuerdruck sein kann, um geregelte hohe Drücke für pneumatische oder hydraulische Einrichtungen herzustellen.
Desweiteren werden in hydrobetriebenen Stellsystemen und bewegungsgesteuerten Systemen in Roboter- und Automatisierungssystemen elektrische Steuersignale verstärkt, um elektropneumatische und hydraulische Ventile für die Betätigung und Steuerung von Stell- und Bewegungseinrichtungen zu steuern. Die Signaleingangseinrichtung kann Einrichtungen aufweisen, um elektrische Steuersignale zu erzeugen und zu verstärken und diese Signale umzuwandeln, um eine Signalkraft bereitzustellen, die auf den Ventilmechanismus direkt anwendbar ist, um mittels proportionalem Strömungsmitteldruck Stellzylinder und mittels proportionalen Strömungsmittelströmungsgeschwindigkeiten Hydromotoren zu betätigen bzw. anzutreiben.
Trotz der Darstellung und Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele von Flüssigkeitsservosystemen zur proportionalen Regelung einer unter Druck stehenden Strömung eines Strömungsmittels für ein Masse-Volumen einer Strömung eines anderen Strömungsmittels können sich sicherlich viele Änderungen und Modifikationen ergeben.

Claims

1. Flüssigkeits- bzw. Strömungsmittelservosystem, mit

einer Signaleingangseinrichtung zur Bereitstellung einer Signalstärke (SF),

einer Strömungsmittelkonstantdruckquelle (FS) und

einem Ventilmechanismus, der ein Ventilbauteil (12) hat, das durch die Signalstärke betätigbar und dadurch um ein durch die Stärke dieser Kraft bestimmtes Maß verstellbar ist, wobei der Ventilmechanismus eine Eingangsöffnung (A) aufweist, die mit der Strömungsmittelquelle (FS) verbunden ist, und eine Ausgangskammer (16), die mit dem Strömungsmittel aus der Strömungsmittelquelle (FS) versorgt wird und mit einem Abgabeauslaß (17) in Verbindung steht, wobei der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer (16) durch die Position des Ventilbauteils bestimmt wird, und einen Gegendruckbereich (PR), der mit der Ausgangskammer (16) verbunden ist, um das Ventilbauteil mit einer Gegenkraft bzw. Ausgleichskraft zu beaufschlagen, die vom herrschenden Druck in der Ausgangskammer abhängt, um das Ventilbauteil dazu zu veranlassen, eine Gleichgewichtsstellung einzunehmen, in der die Signalstärke und die Gegenkraft im Gleichgewicht sind, wodurch der resultierende mittlere Druck des über den Abgabeauslaß abgegebenen Strömungsmittels proportional zur momentanen Größe der veränderlichen Signalstärke ist;

gekennzeichnet, durch

eine Einströmöffnung (D), die zur Ausgangskammer führt und mit einem ersten durch das Ventilbauteil bestimmten Bereich (12D) in Verbindung steht, der mit dem Strömungsmittel aus der Eingangsöffnung (A) gespeist wird, und durch eine Ausströmöffnung (C), die aus der Ausgangskammer herausführt und mit einem zweiten durch das Ventilbauteil bestimmten Bereich (12E) verbunden ist, der mit einem Quellenreservoir bzw. Tank (TR) über eine Rückströmöffnung (B) verbunden ist, wobei eine Verstellung bzw. Verschiebung des Ventilbauteils (12) in eine Richtung gleichzeitig die Einströmöffnung (D) öffnet und die Ausströmöffnung (C) schließt, um den Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer (16) zu erhöhen, und eine Verschiebung des Ventilbauteils (12) in entgegengesetzte Richtung die Einströmöffnung (D) schließt und die Ausströmöffnung (C) öffnet, um den Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer abzusenken, um den Ausgangsdruck am Abgabeauslaß (17) durch Steuerung bzw. Regelung der Einström- und Ausströmmenge in bzw. aus der Ausgangskammer bei einer Gleichgewichtsstellung des Ventilbauteils (12) herzustellen.

2. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ventilbauteil (12) drei Zylinder (12A, 12B, 12C) aufweist, die an axial räumlich beabstandeten Positionen an einem Ventilschaft (12S) befestigt sind, und in einer mit Öffnungen versehenen Laufbüchse (11) gleitend montiert bzw. gelagert ist, die die Eingangsöffnung (A), die Rückströmöffnung (B), die Einströmöffnung (D) und Ausströmöffnung (C) aufweist, wobei ein Raum zwischen einem ersten (12A) und einem zweiten (12B) der Zylinder den ersten Bereich (12D) bestimmt, und ein Raum zwischen dem zweiten (12B) und dem dritten (12C) Zylinder einen zweiten Bereich (12E) bestimmt, wobei die Anordnung derartig ist, daß axiale Verschiebung des Ventilbauteils (12) in die eine Richtung den ersten Zylinder (12A) veranlaßt, die Einströmöffnung (D) nach und nach zu öffnen und den dritten Zylinder (12C) die Ausströmöffnung (C) nach und nach zu schließen, so daß der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer ansteigt, und eine Verstellung in entgegengesetzter Richtung den ersten Zylinder (12A) veranlaßt die Einströmöffnung (D) nach und nach zu schließen und den dritten Zylinder (12C) die Ausströmöffnung (C) nach und nach zu öffnen, so daß der Strömungsmitteldruck in der Ausgangskammer (16) abnimmt und der erste und zweite Bereich ständig zu der Eingangsöffnung (A) bzw. der Rückströmöffnung (B) offen bleiben.

3. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 2, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ventilbauteil (12) mit der Signalstärke (SF) am Endabschnitt des dritten Zylinders (12C) beaufschlagt ist und der Gegendruckbereich eine Gegendruckkammer (PR) hat, die unterhalb des ersten Zylinders (12A) des Ventilbauteils (12) angeordnet ist, und wobei sich eine Feder (19) in der Gegendruckkammer befindet, um eine Vorspannung auf das Ventilbauteil aufzubringen.

4. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signaleingangseinrichtung eine Durchflußmeßeinrichtung aufweist, die auf die Strömung eines anderen Strömungsmittels anspricht, um eine Signalstärke (SF) zu erzeugen, deren Stärke entsprechend der Strömung variiert.

5. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 4, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signaleingangseinrichtung einen Membrankolben aufweist, der mit dem Ventilbauteil (12) verbunden ist, und wobei die Strömungsmeßeinrichtung ein Differenz-Drucksignal erzeugt, das auf den Membrankolben aufgebracht wird, um die Signalstärke (SF) zu erzeugen, wobei die Signalstärke durch die Größe der Membrankolbenfläche, auf die das Differenz- Drucksignal einwirkt, vergrößert wird.

6. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 4 oder 5, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das andere Strömungsmittel die Ansaugluft für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ist und das Strömungsmittel, das über den Abgabeauslaß (17) abgegeben wird, flüssiger Kraftstoff ist, der in die Ansaugluft mit einem optimalen Verhältnis zur Ansaugluft über den Bereich der Ansaugluftströmung abgegeben wird.

7. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 1, 2, oder 3, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signaleingangseinrichtung ein Niederdruckservosystem und einen Kolben (41) aufweist, der mit dem Ventilbauteil (12) verbunden ist, wobei der Ausgang des Servosystems auf den Kolben einwirkt, um die Signalstärke (SF) aufzubringen.

8. Strömungsmittelservosystem gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signaleingangseinrichtung Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Steuersignale und zur Umwandlung der Signale aufweist, um die Signalstärke (SF) zu liefern.