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Sicherheitsvorrichtung an Verbrennungsmotoren zum Schutz gegen Klopfen
Die Erfindung betrifft ,eine Sicherheitsvorrichtung an Verbrennungsmotoren, welche
die Aufgabe hat, den Motor gegen Klopfen zu schützen. Dne bekannten Sicherheitsvorrichtungen
dieser Art benihen darauf, den eigentlichen Brennstoff mit einem Sonderbrennstoff
zu mischen, der die Eigenschaft besitzt, ein Klopfen zu verhindern. Das Mischungsverhältnis
der beiden Brennstoffe kann mit einem Mischventil verändert werden, und zwar nach
Maßgabe der Abgaszusammensetzung.
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Diese Sicherheitsvorrichtung hat also das Vorhandensein eines besonderen
Brennstoffes zur Voraussetzung, außerdem ist ein zusätzliches Mischventil notwendig,
das die ohnehin schon große Zahl von Einzelteilen an einem modernen Motorregler
in unerwünschter Weisse vergrößert.
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Diese Mängel können der Erfindung ge-` mäß dadurch behoben werden,
daß der Abgassteuerwerteinem an sich bekannten Brenn--stoff-Luft-Gernischregler
als Grenzimpuls überlagert wird, derart, daß das Gemisch beim Erreichen der Klopfgrenze
von dem Abgassteuerwert im Sinne einer Anreicherung verändert wird. Da jeder moderne
Motor mit einem Brennstoff-Luft-Gemischregler, gleich welcher Art im einzelnen,
ausgerüstet ist, so sind im Gegensatz zu 'der bekannten Sicherheitsvorrichtung keine
zusätzlichen Vorrichtungen notwendig. Es braucht vielmehr nur der Abgassteuerwert
dem Gemischregler überlagert zu werden, um durch Eingreifen in die Gemischregelung,
soweit notwendig, der Klopfgefahr vorzubeugen. Die hierdurch erzielte Vereinfachung
in dem Aufbau der ganzen Regelanlage ist für %Luftfa:hrzeugmotoren von besonderem
Wert, «-.eil bei diesen der Raum für die Unterbringung der Motorzubehörteile außerordentlich
beschränkt ist und im übrigen auch die Gelvichtsfrage zu berücksichtigen ist. Die
Praxis hat gelehrt, daß die praktische Brauchbarkeit häufig an der Raum- und Gewichtsfrage
scheitert.
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Welcher Art der Gemischregler im :einzelnen ist, nach welchem Steuerwert
die Gemischregelung also erfolgt, ist grundsätzlich für die Erfindung bedeutungslos
-, denn nach dieser fällt dem Abgasimpuls nur die aufgabe
zu, in
die eigentliche Brennstoffregelung dann einzugreifen, wenn diese von sich aus beim
ändern des Mischungsverhältnisses die Gefahrengrenze unterschreitet.
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Es wäre nun denkbar, eine solche Sicherung des Motors auch auf andere
Weise zu gewährleisten, z. B. durchAusbildung des eigentlichen Brennstoffreglers
selbst, derart, daß dieser bereits von sich aus eine Unterschreitung der Gefahrengrenze
verhindert. Praktisch ist dieser Weg, aber erfahrungsgemäß nicht gangbar, weil z.
B. aus Gründen der Arbeits- und Verbrauchstoleranzen der Motoren und der Regler
eine genaue Einhaltung dieser Grenze nicht gewährleistet «-erden kann.
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Es besteht nun die :Möglichkeit, diesem Umstand dadurch behelfsweise
Rechnung-zu tragen, daß die untere Verbrauchsgrenze unter Berücksichtigung aller
Toleranzen genügend hoch über dem unteren Grenzwert festgesetzt wird. Dann muß aber
der Nachteil in Kauf genommen werden, daß der Motor ('hinsic'htlich seines Verbrauches)
umwirtschaftlich arbeitet, sofern sich die Toleranzen nicht gerade im Sinne einer
Herabsetzung der Grenze auswirken.
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Eine Sicherung mit Hilfe eines Abgasimpulses beseitigt nicht nur diese
Schwierigkeiten, sondern hat auch den Vorzug, daß die Fertigungstoleranzen der einzelnen
Konstruktionselemente sogar noch erweitert werden können, was eine. Vereinfachung
und Verbilligung der Herstellung bedeutet.
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Bei :Motoren mit im Arbeitstakt zwangläufig Besteuerter Zündung richtet
sich bekanntlich der Zündzeitpunkt u. a. auch nach dein Brennstoff -Luft-Verhä'.tnis,
so daß also mit einer Änderung dieses Verhältnisses eine Verlagerung des Zündzeitpunktes
einhergehen soll. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich, den Zeitpunkt der Zündung
beim Eingreifen des Abgasimpulses in die Regelung, 'd. h. beim Unterschreiten der
unteren Gefahrengrenze, nach Maßgabe des -eänderten Brennstoff-Luft-Verhältnisses
selbsttätig zu verstellen. Es wäre also die übliche Einstellvorrichtung eines vom
Motor angetriebenen Zündmagneten vom Abgassteuerwert in dem unterhalb der Gefahrengrenze
liegenden Bereich zti steuern.
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Gelegentlich kann es erwünscht sein, z. B. in Gefahrenfällen, die
Sicherung durch den Abgassteuerivert auszuschalten. so daß also die Gefahrengrenze
unterschritten «-erdei kann. Demgemäß wird zweckmä l:')ig eine Hilfseinrichtung
vorgesehen. die gestattet, den Abgassteuerwert jederzeit unwirksam zu machen.
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Handelt es sich um einen mittelbar wirkenden Regler, der finit einem
Druckmittel betrieben wird, so braucht zu diesem Zweck die den Kraftschalter dieses
Reglers speisende Druckmittelleitung nur ein möglichst bequem zugängliches Absperrventil
zu erhalten, das etwa im Gefahrenfalle von dem Führer schnell in Schließstellung
zu bringen und damit die untere Grenze zu beseitigen ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
Die Ladeleitung 2 des ?Motors i ist in üb-
licher Weise mit einer Drosselklappe
3 und außerdem mit einer Brennstoffeinspritzdüse q. versehen. Diese ist an eine
Brennstoffpumpe 5 angeschlossen, die über Zahnräder 6 und ,-von der Kurbelwelle
des Motors angetrieben wird. Die Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses erfolgt
hier durch Änderung der eingespritzten Brennstoffmenge, und zwar in der Weise, daß
die wirksame Fördermenge der Pumpe mittels einer Einstellstange 8 verändert wird.
Diese Einstellstange wird in bekannter Weise nach Maßgabe der sog. Ladewichte, d.
h. dem spezifischen Gewicht der Ladeluft, gesteuert. Zu diesem Zweck ist, wie an
sich bekannt, ein aus mehreren einzelnen Dosen bestehendes Wichtedosensystein g
vorgesehen, das in eine mit der Ladeleitung 2 verbundene Kammer i o eingebaut ist.
Jede Änderung der Ladewichte hat ein Ansprechen des Dosensystems und damit eine
Hubbc-,vegung der Einstellstange 8 zur Folge.
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Handelt es sich um einen Luftfahrzeuginotor, so kann mit dem Dosensystem
g noch eine Höhendose i i vereinigt -werden, die gleichfalls auf die Einstellstange
S arbeitet und deren Innenraum mit der Atmosphäre kommuniziert. Es besteht die Möglichkeit,
dem eigentlichen Steuerwert des Dosensystems 9, 11 weitere Berichtigungswerte zu
überlagern. Nach dem dargestellten Beispiel ist, wie bereits vorgeschlagen, das
Gegenlager 12 "als Gewindering mit Aufn- und Innengewinde ausgebildet, so daß eine
zusätzliche Axialverlagerung sowohl durch Drehen des Ringes i2 als auch durch Drehen
des inneren Teiles 13 möglich ist. Dieser hat einen Steuerarm 14. an dem über einen
Lenker 15 ein Weltrohr 16 angreift, dessen Innendruck und dessen Hub eine Funktion
der Abgastemperatur sind. Die Wellr ohrdose 16 steht mit einem Temperaturfühler
i; in Verbindung, so daß in an sich bekannter Weise jede Änderung der Temperatur
der Abgase gesetzmäßige Änderung des Druckes in der Dose 16 verursacht.
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Ferner ist auch bekannt. einen entsprechenden Zwischenring in Abhängigkeit
von der Abgaszusammensetzung zu verstellen, so daß der eigentliche Steuerwert des
Dosensystems
9, 11 auch noch laufend: in. Abhängigkeit von der Abgaszusammnensetzung
beeinflußt wird.
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Mit diesem Regler wird das Brennstoff-Luft-Gemisch selbsttätig nach
der Ladewichte, nach der Abgastemperatur und gegebenenfalls nach der Abgaszusammensetzung
und der Höhe verändert. Bei ,einer solchen Änderung kann das Brennstoff-Luft-Gemisch
unter die eingangs genannte Gefahrengrenze heruntergebracht, d. h. ein zu armes
Gentisch ,eingestellt werden. Hier -setzt nun die Erfindung ein, nach der einer
solchen Gefahr wirksam begegnet werden soll. Die lÜerzu'vorgesehene Einrichtung
bestellt im wesentlichen aus einem an sich bekannten Abgasanalysator und einem von
diesem gesteuerten Verstellglied, das zwecks Beeinflussung der Brennstoffpum:pen-,einstellstange.
8 in die von der Wichtedose 9 verursachte Regelung im Sinne einer Sicherung gegen
Unterschreitung der genannten Grenze angreift.
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Der Abgasanalysator leitet mittels eines Rohres i S einen Teil der
durch die Auspuffleitung i9 strömenden Abgase durch eine Filterkammer F in eine
Kammer 2o, in der ein Widerstandsdraht -i frei ausgespannt ist. Von dieser Kammer
führt eine Leitung 22 wieder zurück in das Auspuffrohr i9. Neben der Kammer 2o ist
eine zweite mit seinem Vergleichsgas gefüllte Kammer 23 vorgesehen, die ebenfalls
einen frei ausgespannten Widerstandsdraht 2q. aufnimmt. Die beiden Drähte 21 und
2¢ sind zusammen mit zwei weiteren Widerständen 25 lind 26 in bekannter Weise zu
einer Wheatstonschen Brückenschaltung vereinigt und stehen unter der Spannung einer
Stromquelle 27. Mit Hilfe :eines Abgleichtviderstandes 28 kann die wirksame Länge
der beiden Widerstände 21 und 24 so eingestellt werden, daß der Draht 21 zunächst
eine geringere Temperatur als der Vergleichsdraht 2q. hat. Solange die Zusammensetzung
des Brennstoff-Luft-G:emisches 'und damit auch die Auspuffgase sich oberhalb der
Gefahrengrenze befindet, enthalten die Abgase unverbrannte Kohlenoxyd- und Wasserstoffgase.
Diese Bestandteile verbrennen durch die Beheizung von Seiten des Drahtes 21 und
auf Grund der Katalytwirkung und erhöhen infolgedessen die Drahttemperatur (Wärmetönung),
so daß der Draht 21 die gleiche Temperatur annimmt wie der Draht 2¢. Dies bedeutet,
daß unter normalen bzw. zulässigen Betriebsbedingungen die Brückenschaltung im Gleichgewicht
ist und deshalb kein Strom fließt.
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Sobald das Brennstoff-Luft-Gemisch zu arm wird, vermindert sich der
Anteil des Kohllenoxyd- und Wasserstoffgases in den Abgasen, und das Gleichgewicht
der Brücke wird gestört. Es fließt infolgedessen durch die Leitungen 29 und
30 und damit auch durch eine Erregerspule 31 ein Strom, so daß deren Anker32
verstellt wird. Die Ankerbewegung wird dazu benutzt, um die Steuerung der Brennstoffpumpeneinstellstange
8 im Sinne einer Rückführung bis zu der Gefahrengrenze zu berichtigen.
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Nach dem dargestellten Beispiel wirkt der Anker 32 nicht unmittelbar,
sondern über einen an sich bekannten Strahlrohrve:rstärker, dessen Strahlrohr 33
durch eine Leitung 3.1 mit einem Druckmittel gespeist und um .eine Achse 3 5 nach
Maßgabe des Abgassteuerwertes verschwenkt wird. Dabei ist nun aber dafür gesorgt,
daß der Abgassteuerwert sich immer nur in einer Richtung auswirken kann. Das Strahrohr
33 vermag nämlich aus der dargestellten Mittellage nur eine Abwärtsschwenkung auszuführen,
weil ein Anschlag 36 eine Aufwärtsbe«#egung verhindert.
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Jeder Ausschlag des Strahlrohres 33 nach unten bedingt eine Steigerung
des Druckes unterhalb des Kolbens 37 eines Servomotors 38, so daß der Kolben gegen
den Widerstand einer Feder 39 eine Aufwärtsbewegung :erfährt. Durch diese wird das
Dosensystem 9, 11 als Ganzes axial verstellt, in der Weise, daß die Brennstoffpumpeneinstellstange
8 die geförderte Brennstoffmenge für die notwendige Anreicherung des Gemisches zwecks
Einhaltung der Gefahrengrenze erhöht.
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Um das Dosensystem als Ganzes bequem axial verlagern zu können, ist,
wie bereits vorgeschlagen, das Dasengegenlager 12 mittels eines Gewindes drehbar
in die Wandung des Gehäuses io eingesetzt, so daß sich durch Drehung des Gegenlagers
die gewünschte Verstellung ergibt. Dementsprechend: greift der Kolben 37 des Servomotors
38 mittels edles Lenkers 4.o an einem Arm ', i an, der an dem Dosengegenlager 12
befestigt ist.
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Der Kolben 37 des Servomotors 38 steuert nicht nur die Brennstoffpump
eneinstellstalige 8, sondern auch die Zündmaschine 4.2 in der Weise, daß bei mageren
Gemischen die Zündung, wie gewünscht, weiter vorverlegt wird. Jeder Ausschlag des
Strahlrohres 33 wirkt also nicht nur auf eine Zurückführung auf die Gefahrengrenze,
sondern gibt auch, solange die Gefahrengrenze noch nicht wieder erreicht ist, die
erwünschte Veränderung des Zündzeitpunktes.
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In die zum Strahlrohr 33 führende Druckmittelleitung 3q. ist ein Hahn
4.3 neingebaut, der bequem zugänglich anzuordnen ist, damit durch einen einfachen
Handgriff jederzeit der Abgassteuerwert durch Ausschalten der Verstärkerenergie
unwirksam gemacht werden kann, wenn es, aus welchen Gründen auch immer, erwünscht
ist, vielleicht nur vorübergehend die Gefahrengrenze aufzuheben.