DE2305313A1 - Otto-motor mit brennstoffeinspritzung, insbesondere fuer kraftfahrzeuge - Google Patents
Otto-motor mit brennstoffeinspritzung, insbesondere fuer kraftfahrzeugeInfo
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- F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
- F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
- F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
Description
Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing· B. Jochem
Dipl.-Ing. W.Beyer
Dipl.-Wirtsch.-Ing· B. Jochem
Frankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.
In Sachen:
Ford-Werke Aktiengesellschaft
5 Köln/ Rhein
Ottoplatz 2
5 Köln/ Rhein
Ottoplatz 2
Otto-Motor mit Brennstoffeinspritzung,
insbesondere für Kraftfahrzeuge,
Die Erfindung betrifft einen Otto-Motor mit von einer
Regeleinrichtung steuerbarer Brennstoffeinspritzung, insbesondere
für Kraftfahrzeuge.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung für einen derartigen Ottomotor zu schaffen, die die Benutzung
eines mageren Luft-Brennstoff-Verhältnisses unter allen Betriebsbedingungen in Hinblick auf weitestgehende Abgasentgiftung
sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Regeleinrichtung eine elektronische Logikschaltung
enthält, die auf von in der Ansaugleitung des Motors angeordneten Fühlern erzeugte Signale anspricht, welche die
durch die Ansaugleitung in einen Zylinder des Motors einströmende Luftmenge wiedergeben und die Menge des an
einer Stelle in Strömungsrichtung unterhalb der Fühler eingespritzten Brennstoff in Abhängigkeit von den Luftmengensignalen
steuert.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Logikschaltung so ausgebildet, daß die während eines
jeden Saughubes eines Zylinders eingespritzte Brennstoffmenge in einem vorbestimmten konstanten Verhältnis
zu der in den Zylinder während des Saughubes- gelangende Luftmenge entsprechend der Anzeige durch die Luftmengensignale
steht.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 elften Querschnitt durch einen Zylinder eines Mehrzylinder-Otto-Motors gemäß der Erfindung,
Pig. 2 ein Blockschaltbild der Einspritzregeleinrichtung für den Motor nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Veränderung der
verschiedenen die in dem Zylinder angesaugte Luftmenge beeinflussenden Parameter über einem
Motorzyklus aufgetragen sind, und
Fig. 4 und 5 Diagramme zur Veranschaulichung des seitlichen'
Verlaufs der'Einspritzung in Abhängigkeit von der Luftmenge in einem Zylinder.
Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Mehrzylinder-Otto-Motor hat einen aus einer Aluminiumlegierung in einem Stück
hergestellten Zylinderblock 10 mit Zylinderkopf. Ein Kolben 11 innerhalb eines jeden Zylinders 12 arbeitet über ein
Pleuel 13 auf eine (nicht dargestellte) Kurbelwelle. In
jedem Zylinder werden ein Einlaßventil 14 und ein (hinter
dem Einlaßventil in Fig. 1 liegendes) Auslaßventil von einer oben liegenden Nockenwelle betätigt.
In eine Gewindebohrung 27 ist eine Zündkerze einschraubbar.
Die zeitliche Aufeinanderfolge der Öffnung3- und Schließbewegungen der Ventile und der Zündung entspricht herkömmlicher
Praxis bei modernen Otto-Motoren.
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Dos Einlaßventil Ή eines jeden Zylinders befindet sich in
einem Saugkanal 15i der mit einem allen Zylindern gemeinsamen
Saugrohr 16 verbunden ist· Ein Wasservergaser 1? ist
auf das Saugrohr 16 aufgesetzt, und ein (nicht dargestellter)
herkömmlicher Luftfilter sitzt seinerseits1* auf dem
Wasservergaser· Der Wasservergaser dient zur Befeuchtung der durch ihn zum Motor hindurchtretenden Luft auf einen
im wesentlichen konstanten Wertι beispielsweise 100% relative
Luftfeuchtigkeit.
Eine Drosselklappe 18 innerhalb des Wasservergasere ist
mit einem (nicht gezeigten) Gaspedal verbunden und regelt den Luftstrom zum Motor in Übereinstimmung mit der Pedalstellung·
In der Wandung eines, jeden Zylinders 12 befindet sich ein
Niederdruck-Brennstoffinjektor 19- Die genaue Lage des
Injektors wird in Hinblick auf das Erfordernis einer vernünftig niedrigen (d,h. unter 100° C liegenden) und möglichst
gleichförmigen Temperatur für den durch den Injektor hindurchtretenden Brennstoff ausgewählt, um eine frühzeitige
Brennstoffverdampfung zu verhindern und die Zumessung der durch den Injektor hincUirchtretenden Brennstoffmenge zu
erleichtern· Der Wassermantel 9 des Zylinderblocks 10 umgibt
den Brennstoffinjaktor zur Erzielung einer wirksamen Kühlung vollständig. Der Injektor ist vorzugsweise so
niedrig wie möglich in 4er bestehenden Zylinderwandung
angeordnet, wobei er vom Kolben für eine ausreichend lange
Zeitdauer während der Öffnung des. Einlaßventils freigegeben
ist, um zu ermöglichen, daß im wesentlichen aller
Brennstqff eingeepritzt wird, wenn das Einlaßventil ge·
öffnet ist* Dies ermöglicht diq Verwendung von
druck-Injektoren und gestattet eine
mischung während des Verdichtungshubes·
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ΐ-ο 04-39/30*1.1973
Di ο Brcnnnto.ffinj" ok boron können herkömmliche, oloktromußnotiiich
I)OtULiI1ILe Niodciulruck-Injcküorcn »ein, wie nie boi
vielen vorhandenen Einivpritzsyatemen benutzt worden, die
Brennstoff in das Saugrohr des Zylinders einspritzen· Das Ventil sollte jedoch in Hinblick auf den hohen Druck, dem
der Injektor während des Verdichtungshubes zu widerstehen hat, nach auswärts öffnen.
Die Brennstoff injektor en 19 sind an ein Brennstoffzuleitungssystem
angeschlossen, in welchem ein konstanter Druck in der Größenordnung von 7kg/cm von einer Brennstoffpumpe
aufrechterhalten wird·
Die Elektromagneten der Brennstoffinjektoren werden von einem elektronischen Logikkreis erregt. Das in Fig. 2 dargestellte
Blockschaltbild zeigt die logische Verknüpfung in Verbindung mit einem Zylinder* Für die anderen Zylinder
können identische unabhängige Kreise benutzt werden, jedoch ist mindestens, ein Teil der Schaltung für alle Zylinder
gemeinsam, wie sich an späterer Stelle aus der Beschreibung ergibt.
Die Eingänge zu dem Regelkreis sind von Fühlern oder Energieumwandlern
20 bis 26 gebildet, die auf die Luftgeschwindigkeit im Saugrohr 15» den Luftdruck im Saugrohr, die
Lufttemperatur in Saugrohr, die Feuchtigkeit der angesaugten Luft, die Kurbelwellenstellung, die Brennstoffgeschwindigkeit
und die,Brennstofftemperatur ansprechen.
Die Fühler 20 und 21 für die Luftgeschwindigkeit bzw. den
Luftdruck sind dicht beieinander im Saugrohr 15 angebracht. Der Lufttemperaturfühler 22 und der Feuchtigkeitsfühler 23
können an anderen Stellen in der Ansaugleitung liegen und η 13-en Zylindern gemeinsam sein, da die ifemperafcur und die
Luftfeuchtigkeit innerhalb eines besonderen Motorzyklus nicht wesentlich schwanken«
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Die Fühler 25 und 26 für die Brennstoff geschwindigkeit bzw,
die Brennstofftemperatur können entweder im Brennstoffinjektor
19 oder der zu dem Brennstoffinjektor führenden
Brennstoffleitung angeordnet sein·.
Der Fühler 24- für die Kurbelwellenstellung kann eine elektromagnetische
Einrichtung sein, die mit dem Schwungrad des Motors gekuppelt ist. Sie erzeugt ein Signal an der Stelle
des Arbeitszyklus, an welchor die Brennstoffeinspritzung
beginnen kann, d.h. an dem Funkt; des j^nsqug^ubos, wenn dor
Kolben den Injektor freigibt. Signale von dom Kurbelwollen-Stellungsfühler
können auch ein elektronisches Zündsystem steuern.
Die Messung der Luft- und der Brennstoffgeschwindigkeit
auf genaue Weise und bei hoher Drehzahl ist wesentlich für den wirksamen Betrieb des Systems. Ein Beispiel für einen
hier verwendbaren Flußmesser ist aus der GB-«PS 1 127 568
bekannt. Alternativ hierzu können Hitzdraht-» oder Hitzfilm-Anemometer
verwendet werden. Derartige Einrichtungen sind gleichfalls bekannt (Hot-Wire-Anemometera, Ehe Review of
Scientific Instruments, Mai 1967, Seite 677\ P.O.A.L.
Pavies, M.R. Davis and I· WoId, "Operation of the Constant
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Vibration University of Southampton, Bepicht No. 189;
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Hot-Wire Anemometer", Journal of Scientific Instruments, Vol. ^1 1967, Seite 365; B,J. Bellhouae en4 D.I·· Schultz,
"The Determination of Fluctuating Velocity 4.n Air with
Heqted q?hin Film Gauges", Journal of Pluid Mechanics,
Vol. 2, Teil 2f 1967, Seite 289).
Die Veränderung der verschiedenen Parameter, welche die in die Zylindor eintretende Luftmenge führend dos Ansaughubes
beeinflussen, ist in Fig. 3 diagrammatisch dargestellt.
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Der Betrag an Luftmenge, der in den Zylinder einströmt»
ist über einen bekannten Bereich eine Funktion der Luftgeschwindigkeit
f der Lufttemperatur, des Luftdruckes und des Feuchtigkeitsgehaltes, Diese Funktion wird durch einen
Luftmengenfluß-Funktionsgeneratior 28 erfaßt, dessen Ausgangssignal
das Ausmaß an Imftjjjengenfluß in dem, Zylinder
darstellt. D,er Funktionsgen, er a fcor 28 ist mit einem
Spannungs-Fuequenz-Umsetzep 29 verbunden, Eine Auf- und
Abwärtß-Zähleinrichtung 30 ist mit ihrem Aufwärts-JSingang
an den Spannungs-Frequenz-Umsetzer 29 angeschlossen, so daß die Zähleinrichtung eine Zählung speichert, die die
in den Zylinder eingetretene Luftmenge verkörporfcf
Gatter 32, 35 und 34 verbinden Jeweils eine entsprechende
Stufe der Zähleinrichtung 30 mit einem Impulsgenerator 35·
Ein Signal vom ersten Gatter 32 veranlaßt den Impulsgenerator
zur Erzeugung von Impulsen mit einem relativ niedrigen Verhältnis zwischen Signal und Pause, Ein Signal vom
zweiten Gatter 33 ruft ein mittleres Signal-Pausen-Verhältnis
hervor, und ein Signal vom dritten Gatter 34· bewirkt
ein entweder hohes Signal-Pausen-Verhältnis oder eine fortgesetzte Signalgebung (d.h. ein Signal-Pausen-Verhältnis
von der Größö* "unendlich"). Der Ausgang des Impulsgene/rators 35 wird einem Verstärker 36 aufgegeben,
an den der Elektromagnet 37 des Brennstoffinjektors 19
angeschlossen ist.
Der Verstärker 36 hat einen ausreichenden Verstärkungsfaktor,
so daß die Amplitude der von ihm erzeugten Impulse genügend groß ist, um den Brennstoffinjektar voll zu
öffnen. Jedoch ist die Frequenz der Impulse größer als der Betrag, dem das Brennstoffventil zu folgen vermag,
so daß das Signal-Pausen-Verhältnis des Impulsgenerators die vom Brennstoff injektor eingenommene ,Stellung bestimmt
und demzufolge die drei verfügbaren Signal-Pausen-Verhältnisse
drei Flußgrößen durch das Ventil schaffen.
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Dor uurccnblicklicho Brcnnofcofffluß (Flußmcncc) wird durch·
das AuGgangcnignal eines Brennstofffluß-Funktionügencrators
38 dargeotcllt, das von der Brennstoffgeschwindigkeit und
der Brennstofftemperatür abhängig ist. Das Ausgangssignal
des Funktionsgenerators 58 wird in ein frequenzmoduliertes
Signal innerhalb eines Spannungs-Frequenz-Umwandlers 39 umgesetzt und dem Abwärts-Eingang 40 der Zähleinrichtung 30
aufgegeben.
Die Schaltung ist so ausgebildet, daß die Frequenz am Eingang 31 für eine gegebene Größe des Luftmengenstroms
in einem vorbestimmten Verhältnis zur Frequenz am Eingang 40 für dieselbe Größe des Brennstoffmengenflusses steht. Dieses
vorbestimmte Verhältnis ist dasselbe wie das vom System erzeugte Luft-Brennstoff-Verhältnis. Ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis
in der Größenordnung von 20:1 wird verwendet, um die gefährlichen Abgasanteile (d.h. unverbrannte
Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd sowie Stickstoffoxyde)
zu minimieren.
Auf diese Weise ruft für ein Luft-Brennstoff-Verhältnis
von 20:1 eine bestimmte in den Zylinder eingespritzte Brennstoffmenge
eine zwanzigsten größere Zählung hervor als die
Aufwärtszählung, die vonatatten geht, wenn dieselbe Menge
an Luft in den Motor strömt.
An -jeder Stelle des Arbeitszyklus speichert somit die Zähleinrichtung
eine. Zählung, die die in den Zylinder einströmende Luftmenge wiedergibt, für welche Brennstoff noch
nicht in dem erforderlichen Luft-Brennstpff-Verhältnis
eingespritzt worden ist.
Die Gatter 32 bis 34 werden durch ein bietabiles Schaltglied
41 geöffnet und geschlossen. Der Kurbelwellen-Stellungsfühler schaltet das bistabile Schaltglied mittels
eines monostabilen Schaltgliedes 42 an einem Punkt im
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Arbeitszyklus des Motors ein, wenn die Brennstoffeinspritzung
beginnen kann. Das bistabile Schaltglied 41 öffnet dann die Gatter 32 bis 34. . . . . ■
An den Ausgang des Luftraengen-Funktionsgenerators 28 ist
ein Niveaumeßglied 43 angeschlossen, welches ein Ausgangssignal
erzeugt, wenn der Irtiftmengenstrom unter eine vorbestimmte
Höhe fällt, welche das Schließen des Einlaßventils •anzeigt. Ein Zeitverzögerungsglied 44, das vom Niveaufühler
43 beeinflußt wird, schaltet das bistabi^Schaltglied 41
aus, wodurch die Gatter 42 bis 44 nach einem kurzen Zeitverzug
geschlossen werden. Diese Zeitverzögerung ist lang genug um sicherzustellen, daß das Einlaßventil vollständig
geschlossen ist, bevor die Einspritzung aufhört, jedoch kurz genug, um das System am Versuch der Brennstoffeinspritzung
zu hindern, nachdem der Druck im Cylinder begonnen hat,.infolge des Verdichtungshubes des Kolbens anzusteigen,
oder, wenn der Kolben den Injektor überdeckt·
Es ist ein wichtiges Merkmal des Motors, daß die Einspritzung zu Beginn des Verdichtungshubes beendetest, weil das System
auf der Wirkung des Ver4ichtungshubes basiert, die Luft und
den Brennstoff im Zylinder richtig zu durchmischen,
Pas Zeitverzögerungsglied 24 betätigt auch am Ende des Aneaugvorganges
und der Brennstoffeinspritzung ein monostabiles ßchaltglied 45· Das monostabile Schaltglied 45 stellt
die Wähleinrichtung 3Q guf Null zurück und bereitet sie
damit auf den nächsten .Arbeitszyklus vor,
Pie Wirkungsweise der Schaltung ist in den ffig· 4 und 5
veranschaulicht» Zm Beginn des Ansaughubea des Kplbens beginnt
"die LUfIJ1 ta äen gylinder einzutreten, und die Zähleinrichtung 5Q ppeichert eine Zählung, 4;Le repräsentativ
für die Luftmenge im Zylinder ist« Die Brennstoff ein-
foBW5O.-l.W3 309833/0420
spritzung beginnt nicht augenblicklich sondern mit Verzögerung, bis der Injektor vom Kolben freigegeben ist·
In diesem Zeitpunkt werden die Gatter 32.bis 34 durch den
Kurbelwellen-Stellungsanzeiger 34 geöffnet· Im Schwachleistungsbetrieb (Fig. 4), wenn die Drosselklappe 18 nur
teilweise geöffnet wird, wird die Zählung, die während der öffnung der Gatter 32 bis 34 entsteht, von mittlerer Größe
sein und dazu ausreichen, das Gatter 33 anzudrehen» wodurch ein mittlerer Wert 48 an Brennstofffluß erzeugt wird· Dieser
mittlerer Wert an Brennstofffluß bleibt erhalten, bis eine genügend große Anzahl von Brennstoffflußeinheiten in der
Zähleinrichtung ausgezählt sind, wodurch die Zählung auf ein Niveau vermindert wird, auf welchem nur noch das
Gatter 32 eingeschaltet ist· Brennstoff wird dann weiterhin in einem niedrigen Ausmaß 46 eingespritzt.
Bei Hochleietungsbetrieb (S1Ig· 5) reicht die Zählung in
der Zähleinrichtung zu Beginn der Brennstoffeinrichtung aus, um ein hohes Ausmaß 47 an Brennstofffluß durch das
Gatter 34 hervorzurufen* Der Byennstofffluß sinkt über
die Zwischengröße 48 auf das niedrige Ausmaß 46 ab, wenn die Brennstoffeinspritzung die Luftansaugmenge einholt,
und die Zählung in der Zähleinrichtung 3Q nimmt ab.
Das richtige Arbeiten der vorbesehriebenen Schaltung hängt
von der Geschwindigkeit ab, mit welcher die verschiedenen Betriebsvorgänge ausgeführt werden können. Bei maximaler
Drehzahl des Motors beträgt die Dauer dee Ansaughubes
etwa 2 Millisekunden. Wenn dieses System nicht genügend schnell arbeitet, wird eine beträchtliche Zählung in der
Zähleinrichtung 30 in dem Augenblick zurückbleiben, wenn die Brennstoffeinspritzung aufhört, und diese Zählung wird
den Luftüberschuß im Zylinder darstellen, wodurch das Gemisch ärmer als der vorbestimmte Wert ausfällt.
Ein Weg, um dieses Problem zu überwinden, ist die Messung
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der innerhalb eines Arbeitszyklus angesaugten Luftmenge
und die Einspritzung einer entsprechend bemessenen Brennstoffmenge
beim nächsten Arbeitszyklus. Die Differenz zwischen den aufeinanderfolgenden Zyklen kann nicht ausreichen«
um daa gewünschte Luft-Brennstoff-Verhältnis .
umzukippen. Ein solches System könnte in einem fEinzyklus"-Betrieb
(d.h. Einspritzung des abgemessenen Brennstoffs innerhalb desselben Zyklusses, in welchem die Messung erfolgt)
bei niedriger Drehzahl arbeiten, wo der Betrieb langsamer, Jedoch die Veränderung von Zyklus zu Zyklus
größer ist, und auf "Nachfolgezyklus"-Betrieb umschalte», :
wenn die Drehzahl der Naschine* ansteigt.
Eine alternative Ausführungsform des Systems versucht,
vom ersten Teil des Ansaughübes vorwegzunehmen oder zu extrapolieren, was die gesamte Luftmenge· am Ende des
Zyklus sein wird, und den Brennstoff in Übereinstimmung mit einem solchen errechneten Wert einzuspritzen-.
Eine einfache Abänderung der Schaltung nach Pig. 4· verwendet
die in der Zähleinrichtung verbleibende Zählung am Ende des Zyklus, um den nächsten Zykliis, zu kompensieren
und dadurch das gewünschte Mischungsverhältnis bei hoher Drehzahl aufrechtzuerhalten. Das monostabile Schaitglied
45 ist dabei weggelassen, so daß die Zähleinrichtung
nicht am Ende des Ansaughubes auf Null zurückgestellt wird. Auf diese Weise wird Jede Zählung, die in der Zähleinrichtung
verbleibt, innerhalb des nächsten-Zyklus hinzugenoramen, und die volle Einspritzung beginnt in einem
größeren Ausmaß oder verbleibt in einem größeren Ausmaß für eine längere Zeit. Am Ende dieses nächsten Zyklus
wird die Zähleinrichtung immer noch einen Eßckstandbetrag zählen, der angenähert gleich dem Eückstpnd am Ende des.
vorhergehenden Zyklus sein wird, so daß dan» die korrekte Menge an Brennstoff eingespritzt worden ist· Wenn die
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Drehzahl des Motors ansteigt, wird die Zählung in der Zähleinrichtung
31 am Ende eines jeden Zyklus größer werden, als der wirksame Betrieb vom "Innerzyklus"-Betrieb in den
'Nachfolgezyklus11-Betrieb übergeht ·
Die Gesamtheit der Schaltung nach Pig· 2 kann für einen
jeden Zylinder vorgesehen sein; es lassen sich jedoch beträQhtliche Einsparungen an Schaltungsgliedern durch gemeinsame
Zuordnung wenigstens eines Seils der Schaltung auf mehrere Zylinder erziehen.
Dies, ist möglich, weil die Ansaughübe in bestimmter !folge
ablaufen· Be^ einen Vierzylindermotor beispielsweise
reichen zwei Logikkreis«, auf je zwei Zylinder augeteilt,
aus·
Alle Schaltungselemente der Pig, 2 mit Ausnahme des Luftflußfühlers,
des Iiuftdruckfühlers^es Brennatoffgeschwindigkeitefühlers
imd des Einspritz-Blektromagneten können
auf diese Weise gemeinsam sein.
Wenn die Schaltung ohne das monostabile 3cha.ltglied 45 verwendet
wird, können separate Zähleinrichtungen 30 für
einen jeden'Zylinder notwendig sein·
Patentansprüche /
Po 8439/30.1.1973 . 309833/0420
Claims (2)
- PatentansprücheIy Otto-Motor mit von einer Regeleinrichtung steuerbarer Brennstoffeinspritzung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung eine elektronische Logikschaltung enthält, die auf von in der Ansaugleitung des Motors angeordneten Fühlern erzeugte Signale anspricht, welche die durch die Ansaugleitung in einen Zylinder des Motors einströmende Luftmenge wiedergeben und die Menge des an einer Stelle in Strömungsrichtung unterhalb der. Fühler eingespritzten Brennstoff in Abhängigkeit von den Luftmengensignalen steuert.
- 2. Otto-Motor nach Anspruch 1, dadurch g e kennz-eichnet f daß die Logikschaltung so ausgebildet ist, daß die während eines Jeden Saughubes eines Zylinders eingespritzte Brennstoffmenge in einem vorbestimmten konstanten Verhältnis zu der in den Zylinder während des Saughubes gelangenden Luftmenge entsprechend der Anzeige durch die Luftmengensignale steht.Fo 8439/30.1.1973 309833/0420Lee rsei te
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=9788940
Family Applications (1)
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| DE19732305313 Withdrawn DE2305313A1 (de) | 1972-02-03 | 1973-02-03 | Otto-motor mit brennstoffeinspritzung, insbesondere fuer kraftfahrzeuge |
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