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Verfahren zur Regelung der Kraftstoffmenge bei
Otto-Einspritzbrennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Kraftstoffmenge bei Otto-Einspritzbrenn- kraftmaschinen unter Verwendung eines über den gesamten Betriebsbereich rasch ansprechenden
Reglersystems, welches die beiden, einen Massstab für das Gewicht des Frischluftanteils an der
Verbrennung bildenden, für ein gewünschtes Kraftstoffluftverhältnis in genau funktionellem Zusammenhang stehenden einerseits aus der Maschinendrehzahl und anderseits aus der Drosselklappenstellung abgeleiteten Regelgrössen in einen Regelimpuls überführt, durch den die Kraftstoffmenge je Kolbenhub der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl entsprechend einer jeweils nur für eine bestimmte Drosselklappenöffnung geltenden Regelkurve eingestellt wird.
Bei den bekannten Regelverfahren wird, um ein stabiles Laufverhalten der Brennkraftmaschine im Leerlauf- und unteren Lastbereich zu erhalten, das Kraftstoff-Luftgemisch stark angereichert, wobei der hiedurch herbeigeführte Betrieb der Brennkraftmaschine im Luftmangelgebiet eine unvollständige Verbrennung und somit einen hohen Kohlenmonoxydgehalt im Abgas zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelverfahren zu schaffen, das im Leerlauf- und unteren Lastbereich einen Betrieb im Luftüberschussgebiet ermöglicht und somit die Entstehung von Kohlenmonoxyd vermeidet.
Dies wird nach dem erimdungsgemässen Verfahren dadurch erreicht, dass im Leerlauf-und unteren Lastbereich, wie an sich bekannt, ein reichlicher Luftüberschuss herbeigeführt wird, wobei der Anstieg der Regelkurve in diesem Bereich grösser ist als der Anstieg derjenigen Regelkurve, bei deren Erfüllung die für den jeweiligen Betriebszustand grösstmögliche Leistung erreicht wird.
Durch dieses Verfahren wird, wie an Hand einer vergleichenden Beschreibung weiter unten erläutert ist, eine bessere Stabilisierung des Leerlaufes bei grösserer Unabhängigkeit vom Zustand der angesaugten Luft erreicht. Weiterhin wird die eingespritzte Kraftstoffmenge in dem bezeichneten Bereich wesentlich herabgesetzt, wodurch die Wirtschaftlichkeit spürbar verbessert wird. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil liegt in der Absenkung des Kohlenmonoxydgehaltes, so dass im gesamten Betriebsbereich eines Motors praktisch kein CO-Anteil im Abgas auftritt.
Da bei diesem Verfahren schon bei kleinen Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine wesentlich grössere Einspritzmengenänderungen als nach den bisher bekannten Verfahren erforderlich sind, werden grosse Anforderungen an die Dosierung sowie an die zeitliche Anpassung der veränderten Einspritzmenge bei veränderter Drehzahl gestellt. Dies setzt natürlich eine Einspritzpumpe mit einer geringen Fördermengenstreuung sowie ein über dem gesamten Betriebsbereich rasch ansprechenden Regelsystem voraus.
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Die Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigen : Fig. l einen Vergleich der Regelkurven für die Einspritzmenge in Abhängigkeit von der Motordrehzahl für grösstes Drehmoment bei annähernd konstantem Mischungsverhältnis (Bezugskurve) und einer Regelkurve nach dem bisher üblichen Verlauf ; Fig. 2 eine Darstellung des Drehmomentenverlaufs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei Erfüllung der Regelkurven nach
Fig. l ; Fig. 3 einen Vergleich der Bezugskurve nach Fig. l mit einer Regelkurve nach dem erfindungsgemässen Verfahren ; Fig. 4 den Drehmomentenverlauf in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei Erfüllung der Regelkurven nach Fig. 3 ; Fig. 5 eine Darstellung des CO-Gehaltes im Abgas in Abhängigkeit von der Drehzahl nach den Regelkurven der Fig. 3 ;
Fig. 6 eine Darstellung der Abhängigkeit der Leerlaufdrehzahlen von der Luftdichte bei den einzelnen Regelkurven nach den Fig. l und 3 und Fig. 7 die Abhängigkeit des CO-Gehaltes von der Luftdichte bei Erfüllung der Regelkurven nach den Fig. l und 3.
Gemäss den Fig. l und 2 sind für Leerlaufbedingungen die Einspritzmenge pro Hub und Zylinder sowie das Moment des Motors bei zwei verschiedenen Regelverfahren dargestellt. Die Kurve --1-- gibt eine Leerlaufregelung für einen Zustand bekannt, der als Bezugskurve bezeichnet wird. Bei dieser Regelkurve wird gerade diejenige Einspritzmenge für jeden Drehzahlpunkt bereitgestellt, die für die grösstmögliche Leistung erforderlich ist.
Diese Kurve gilt nur für eine bestimmte Drosselklappenöffnung, wobei sich ihr Anstieg einerseits aus der Tatsache ergibt, dass sich gemäss dieser konstanten Drosselklappenstellung das pro Hub angesaugte Luftgewicht mit abnehmender Drehzahl vergrössert, anderseits sich die grösste Leistung bei den einzelnen Betriebspunkten jeweils bei dem gleichen Mischungsverhältnis von Kraftstoff zu Luft einstellt, d. h., dass die Luftzahl X konstant ist.
Da jeder Punkt dieser Kurve bei Darstellung der Motorleistung in Abhängigkeit von der Luftzahl X bei konstanter Drehzahl und konstanter Luftmenge für diese einzelnen Parameter jeweils den Scheitelpunkt dieser Kurvenscharen bildet, wobei die Leistung sowohl mit zunehmender Verarmung als auch mit zunehmender Anreicherung des Gemisches abnimmt, bringt dieser Punkt einen labilen Betriebszustand zum Ausdruck, der im praktischen Betrieb vermieden werden sollte. Zur Erzielung stabiler Verhältnisse wird nach den bekannten Regelverfahren das Gemisch stärker angereichert. Diese stärkere Anreicherung ist an Hand der Regelkurve --2-- an der grösseren Einspritzmenge pro Kolbenhub bei der wirklichen Leerlaufdrehzahl zu erkennen.
Unter der wirklichen Leerlaufdrehzahl ist diejenige Drehzahl zu verstehen, bei welcher kein freies Moment des Motors verfügbar ist, d. h. dass durch die Kraftstoffverbrennung gerade der innere Leistungsbedarf des Motors gedeckt wird. Um den infolge dieser Anfettung auftretenden Leistungsverlust auszugleichen, wird die Luftzufuhr zum Motor vergrössert, u. zw. in einem solchen Masse, dass sich die gleiche wirkliche Leerlaufdrehzahl ergibt wie bei der Kurve Weiterhin ist ersichtlich, dass die Einspritzmenge nach dem Verlauf der Regelkurve --2-- mit abnehmender Drehzahl nur geringfügig, während die Einspritzmenge nach der Bezugskurve - steil ansteigt.
Bei Belastung des Motors und damit Absenkung der Drehzahl unterhalb der wirklichen Leerlaufdrehzahl zeigt ein nach der Kurve --2-- geregelter Motor ein stabileres Verhalten
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wegen des quadratischen Widerstandsgesetzes, pro Kolbenhub grösser wird, so dass mit abnehmender Anreicherung des Gemisches in Richtung auf das stöchiometrische Mischungsverhältnis eine zusätzliche Erhöhung des Motordrehmomentes eintritt. Bei diesem Vorgang nähert sich also bei abnehmender Drehzahl wegen der nur gering ansteigenden Kraftstoffmenge und der starken Erhöhung der Luftmenge das Motor-Drehmoment seinem maximalen Wert, der etwa in der Nähe des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses erreicht wird.
Bei weiterer Drehzahlabnahme nimmt das Drehmoment durch die zunehmende Verarmung des Motors sehr stark ab, u. zw. in noch stärkerem Masse als das Drehmoment vor Erreichen des Maximalwertes zunimmt. Der Drehmomentenabfall nach überschreiten des Maximalwertes ist schon bei geringer Drehzahlabnahme so stark, dass nur durch geringe Drehzahlabnahme der Motor sofort stehen bleibt. Bei diesem bekannten Regelverfahren liegt daher die Drehzahl, bei der entsprechend der eingestellten Drosselklappenstellung das stöchiometrische Gemisch erreicht wird, ausserhalb des in Frage kommenden Betriebsbereiches. Hiedurch ist der Motor im Leerlauf bei auftretenden Belastungen stabil.
Dieses stabile Verhalten wird, wie bereits ausgeführt, durch Anfettung des Gemisches erzielt, wodurch aber der Kraftstoffverbrauch im Leerlauf sowie der Kohlenmonoxydgehalt besonders hoch sind.
In Fig. 3 ist eine Regelkurve --3-- entsprechend dem erfmdungsgemässen Verfahren dargestellt.
Als Vergleich hiezu ist wieder die Bezugskurve-l-in das Diagramm eingetragen. Wie bei dem
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Vergleich der beiden Kurven ersichtlich, weist die Kurve --3-- eine grössere Steigung auf und bringt damit eine stärkere Veränderung der Einspritzmenge bei Änderung der Drehzahl zum Ausdruck, als dies bei der Kurve --1-- für die Bezugsverhältnisse der Fall ist. Nach dem neuen Verfahren erfolgt der
Betrieb des Motors im Luftüberschussbereich.
Bei der wirklichen Leerlaufdrehzahl, die sich aus dem
Momentenverlauf nach Fig. 4 ergibt, bei der die Kurve --31-- den Drehmomentverlauf für die Kurve - und die Kurve --11-- den Drehmomentverlauf für die Kurve-l-darstellt, ist die eingespritzte Kraftstoffmenge etwa gleich gross wie bei Regelung nach der Bezugskurve. Um trotz der
Forderung nach Luftüberschuss die gleiche wirkliche Leerlaufdrehzahl und somit die hiefür notwendige
Leistung zu erreichen, wird die Luftmenge beträchtlich über diejenige Menge nach der Bezugskurve - l-erhöht, so dass die durch das ärmere Gemisch bedingte Leistungsminderung wieder ausgeglichen wird.
Die starke Zunahme der einzuspritzenden Kraftstoffmenge erklärt sich dadurch, dass die im
Luftüberschussbereich eintretende starke Zunahme der Leistungsminderung bei Zunahme des
Luftgewichtes, bedingt durch geringe Drehzahlen, durch Energiezuführung in Form von Kraftstoff nicht nur ausgeglichen werden, sondern noch übertroffen werden muss, um ein stabiles Verhalten im Leerlauf- und unter Lastbereich bei Belastung des Motors zu erreichen.
Dieses stabile Verhalten zeigt sich in dem steileren Verlauf der Drehmomentkurve-31-gemäss Fig. 4 gegenüber der zur Bezugskurve-l-- gehörigen Drehmomentkurve Wird ein nach der Regelkurve --3-- geregelter Motor belastet, so nimmt mit abnehmender Drehzahl, wie schon bereits ausgeführt, die Luftmenge zu ; die
Einspritzmenge wird aber gleichzeitig so stark erhöht, dass trotz grösserer Luftmenge die Luftzahl X kleiner wird, aber wegen des grossen Luftüberschusses bei der wirklichen Leerlaufdrehzahl immer noch über den stöchiometrischen Verhältnis liegt.
Da aber einerseits das Luft-Kraftstoffgemisch infolge der
Regelcharakteristik bei abnehmender Drehzahl sich immer mehr dem stöchiometrischen Verhältnis nähert und anderseits das absolute Luftgewicht gegenüber dem vorgehenden Wert bei grösserer Drehzahl erhöht wird, wird das Drehmoment nicht nur durch die Annäherung an den etwa bei stöchiometrischem Verhältnis liegenden Leistungshöchstwert, sondern auch durch höheren Füllungsgrad erhöht, wie es durch den starken Anstieg der Kurve --31-- zum Ausdruck kommt. Bei einer bestimmten Drehzahl ist dann das stöchiometrische Verhältnis erreicht, was sich in einer Abflachung der Drehmomentkurve-31-bemerkbar macht, da die grösstmögliche Leistung in Abhängigkeit vom
Mischungsverhältnis erreicht ist.
Bis zu diesem Punkt bleibt der CO-Gehalt der Abgase konstant auf einem äusserst geringen Wert, der selbst bei noch so hohem Luftüberschuss nicht erniedrigt werden kann, wie es in Fig. 5 an Hand der Kurve --32-- dargestellt ist. Nach Erreichen des stöchiometrischen
Mischungsverhältnisses nimmt der CO-Gehalt stark zu. Der CO-Gehalt bei Regelung nach der Kurve - ist entsprechend der Kurve --12-- in Fig. 5 wesentlich höher, da die Verbrennung ohne
Luftüberschuss erfolgt. Der Anstieg der Regelkurve--3--wird daher bei grossem Luftüberschuss bei der wirklichen Leerlaufdrehzahl so gewählt, dass der Punkt, bei dem das stöchiometrische Gemisch bei Erniedrigung der Drehzahl gegenüber der wirklichen Leerlaufdrehzahl erreicht ist, unterhalb der niedrigsten Betriebsdrehzahl liegt.
Bei Überschreiten der wirklichen Leerlaufdrehzahl in Richtung auf grössere Drehzahlen, wie es im Schub-Betrieb beispielsweise bei Talfahrt vorkommt, tritt infolge der starken Abnahme der eingespritzten Kraftstoffmenge gemäss der Regelkurve --3-- eine starke Abnahme des Drehmoments ein. Hiedurch bedingt ist ein höherer Momentenbedarf des Motors, so dass dieser wieder bei Nachlassen der äusseren Krafteinwirkung zur wirklichen Leerlaufdrehzahl zurückgeführt wird. Dieser Vorgang der Rückführung tritt wegen der Erniedrigung der Drehzahl ein, die, wie bereits erläutert, zu einer Drehmomentenerhöhung führt.
Auf diese Weise wird der Leerlauf von beiden Seiten der wirklichen Leerlaufdrehzahl her gesehen in Richtung auf diese Drehzahl stabilisiert, u. zw. stärker als von den Regelkurven --1 und 2--, da im Luftüberschussgebiet der Leistungsverlauf in Abhängigkeit von der Luftzahl X wesentlich steiler verläuft als im Luftmangelgebiet. Diese Tatsache kommt in dem steileren Drehmomentenverlauf zum Ausdruck. Die Regelung des Leerlaufs und des unteren Lastbereiches nach der Regelkurve --3-- zeigt sich auch bei Veränderung des spezifischen Luftgewichtes überlegen.
Wie in Fig. 6 dargestellt, bei der die wirkliche Leerlaufdrehzahl in Abhängigkeit von dem spezifischen Gewicht der Ansaugluft aufgetragen ist, bleibt mit dem erfindungsgemässen Regelverfahren die wirkliche Leerlaufdrehzahl annähernd konstant, da der mit abnehmendem spezifischem Luftgewicht eintretende Füllungsverlust durch die zunehmende Anreicherung des Gemisches ausgeglichen wird.
Dieser Tatbestand ist durch die Kurve --33-- dargestellt. Bei den andern Regelverfahren, die von vornherein im Luftmangelgebiet bzw. nach der Bezugskurve in der unmittelbaren Nähe des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses arbeiten, bringt die erwähnte Anreicherung des Gemisches infolge Füllungsverlust einen steilen Momentenabfall, welcher die Drehzahlabnahme nach den Kurven
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- 23 und 13-zur Folge hat. Dieser Drehmomentenabfall tritt zwar für das erfindungsgemässe Regelverfahren bei Unterschreiten des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses auch ein, jedoch kann das Erreichen dieses Punktes durch die Wahl des Luftüberschusses und des Anstiegs der Regelkurve
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bei flacherem Anstieg der Regelkurve.
Für den praktischen Betrieb wird dann je nach Motormuster eine
Kurve gewählt werden, deren Anstieg nicht zu nahe bei demjenigen der Bezugskurve --1-- liegt, da die Stabilisierung bei letzterer nicht kräftig genug ist, aber auch nicht zu steil ist, da sonst, wie oben ausgeführt, das stöchiometrische Verhältnis bei zu geringem Drehzahlabfall von der wirklichen
Leerlaufdrehzahl erreicht würde.
Gemäss Fig. 7 sind die CO-Gehalte bei Betrieb nach den verschiedenen Regelkurven in
Abhängigkeit des spezifischen Luftgewichtes dargestellt. Wegen des hohen Luftüberschusses ist gemäss der Kurve --34-- bis zum Erreichen des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses fast kein
Kohlenmonoxyd im Abgas vorhanden, während die Kurve --14-- entsprechend der Bezugskurve - und die Kurve-24-entsprechend der Regelkurve --2-- einen wesentlich höheren
CO-Gehalt zum Ausdruck bringen.
Der CO-Gehalt steigt bei der Kurve-14-am stärksten, bei der Kurve --24-- flacher an, was sich in beiden Fällen aus obiger Beschreibung ergibt, während nach Kurve --34-- bis zum Erreichen des stöchiometrischen Verhältnisses nahezu kein CO im Abgas vorhanden ist. Erst bei Unterschreiten des stöchiometrischen Verhältnisses steigt die CO-Kurve entsprechend dem Anstieg der Einspritzmenge bei abfallender Drehzahl an.