DE4013849A1

DE4013849A1 - Elektronische einspritzanlage fuer ottomotoren

Info

Publication number: DE4013849A1
Application number: DE4013849A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Feldinger
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1990-04-30
Publication date: 1991-10-31
Also published as: JPH0626382A; US5090390A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Einspritzanlage für Ottomotoren mit Einspritzdüse, im Ansaugluftstrom angeordnetem, verstellbarem Drosselkörper sowie Ansaugluftmassenmessung.

Bei elektronisch gesteuerten und geregelten Benzineinspritzvor richtungen wird das Luftverhältnis Lambda dadurch vorgesteuert, daß dem Luftmassenstrom ein entsprechender Kraftstoffmassenstrom zugemischt wird. Je besser die Vorsteuerung des Luftverhältnis ses dem Wert Lambda = 1 nahekommt, um so weniger muß eine Lambdasonde regelnd eingreifen, um das für eine optimale Konvertierung der Schadstoffe des Abgases erforderliche schmale "Lambda-Fenster" zu erreichen. Dieses gilt in besonderem Maße für rasch veränderliche Motorbelastungen und Motordrehzahlen.

Bei aus der Praxis bekannten elektronischen Einspritzanlagen wird der Ansaugluftstrom üblicherweise mittels einer Drossel klappe geregelt. Zur Zumessung des Kraftstoffes wird der Luftmassenstrom durch Meßorgane, beispielsweise Stauscheiben oder Hitzdrahtsonden ermittelt. Die Steuerung des Luftmassenstro mes und die Ermittlung des Luftmassenstromes erfolgt damit über getrennte Bauteile, was abgesehen von der erhöhten Bauteilviel falt eine mangelnde Ansprechempfindlichkeit beinhaltet, da nach erfolgter Luftmassenmessung erst die Verstellung des Kraftstoff massenstromes erfolgen kann. Abgesehen von diesen grundsätzli chen Nachteilen hat die Ermittlung des Luftmassenstromes durch eine Stauscheibe den Nachteil großer Massenträgheit, großen Einbauvolumens und hoher Herstellkosten. Die Messung des Luftmassenstromes durch Hitzdraht-Luftmengenmesser bereitet Schwierigkeiten durch die pulsierende Luftströmung, hervorgeru fen durch den Ansaugvorgang des Kraftstoff-Luftgemisches über die Zylinder. Hinzu kommt, daß bei bestimmten Drehzahlen Resonanzerscheinungen auftreten, die durch motorspezifische Korrekturen nur teilweise kompensiert werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektronische Einspritzanlage der genannten Art so weiter zu bilden, daß bei dieser bei minimalem Bauaufwand und Platzbedarf eine optimale Dosierung und Messung des Luftmassenstromes gewährleistet ist, insbesondere bei rasch veränderlichen Motorbelastungen und Drehzahlen.

Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch eine konvergent-divergente Düse mit durch den Drosselkörper verstell barem engsten Querschnitt, einen Stellungsanzeiger für den Drosselkörper, Meßorgane für den Druck p_o vor der Düse, den Druck p_L an der engsten Stelle der Düse und die Lufttemperatur T_o vor der Düse, sowie eine elektronische Einrichtung mit zumindest den Eingabegrößen p_o, p_L, T_o und Stellung des Drosselkörpers und der Ausgabegröße Öffnungszeit t_ö der Einspritzdüse.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der elektronischen Einspritzanlage ist dem Drosselkörper direkt bzw. indirekt die Funktion der Luftmassensteuerung als auch der Luftmassenmessung zugeordnet. Die Funktionen der elektronischen Einspritzanlage erfolgen ausschließlich nach physikalischen Gegebenenheiten und nicht nach einem aufwendigen aufzunehmenden Motorkennfeld. Grundlage ist die Erkenntnis, daß der Luftmassenstrom bei einer stationären, isentropen Strömung durch die genannten Größen p_o, p_L und T_o und den Querschnitt der Düse im engsten Querschnitt, der durch die Drosselkörperstellung reproduzierbar ist, bestimmt wird, und daß die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft für einen weiten Betriebsbereich des Motors der Schallgeschwindig keit entspricht. Solange der Druck p_L einen "kritischen" Wert unterschreitet, ändert sich an der Strömungsgeschwindigkeit und am Zustand der Luft im engsten Querschnitt der Düse nichts. Dieses bedeutet, daß dabei der Luftmassenstrom - bei unveränder licher Stellung des Drosselorganes - konstant bleibt. Wird, ausgehend von dem "kritischen Strömungszustand" im engsten Querschnitt der Düse die Motorbelastung gesteigert, dann wird schließlich bei Überschreitung eines bestimmten Luftdruckes p_L der Übergang "kritische Strömung" mit "Schallgeschwindigkeit" in eine "unterkritische Strömung" mit "Unterschallgeschwindig keit" erfolgen. Bei unveränderter Stellung des Drosselorganes wird damit der vom Motor angesaugte Luftmassenstrom kleiner.

Auf dieser Basis ist es zur Messung des Luftmassenstromes ausreichend, die Größen p_o, p_L, T_o und die Stellung des Drossel körpers zu erfassen. Die Größen werden der elektronischen Einrichtung zugeführt, die diese in die Ausgabegröße der Öffnungszeit t_ö der Einspritzdüse umrechnet, wobei sich die Öffnungszeit aus der Spritzcharakteristik der Einspritzdüse ergibt. Es versteht sich von allein, daß statt einer Einspritz düse selbstverständlich auch mehrere, insbesondere eine der Zylinderanzahl entsprechende Anzahl von Einspritzdüsen vorgese hen sein können, wobei dann der Kraftstoffmassenstrom der Einspritzdüsen in Relation zur Öffnungszeit der Einspritzdüsen zu setzen ist. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, ausschließlich die genannten physikalischen Größen der elektro nischen Einrichtung einzugeben, es können vielmehr auch weitere zweckdienliche Eingabegrößen, wie beispielsweise die Drehzahl des Motors, der aktuell ermittelte Lambda-Wert, Charakteristika betreffend Leerlauf, Warmlauf und Beschleunigung usw. Über die elektronische Einrichtung auf die Öffnungszeit t_ö wirksam gemacht werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß mit dem Drosselkörper ein starres Stellelement verbunden ist, mit dem seinerseits ein Pedalzug eines Gaspedals bewegungs schlüssig verbunden ist. Es besteht dabei durchaus gleichfalls die Möglichkeit, den Drosselkörper oder das Stellelement mittels eines Stellmotores zu verstellen, der vom Gaspedal aus elek trisch angesteuert wird. Die Bewegung des Drosselkörpers wird vorteilhaft durch einen mit dem Stellelement verbundenen Schleifer, der seinerseits mit einem Potentiometer des Stel lungsanzeigers zusammenwirkt, dargestellt. Die Position des Drosselkörpers kann abgesehen hiervon durch jedes andere geeignete Element definiert werden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Drosselkörper als Drosselplatte und der Diffusor der Düse als Radialdiffusor ausgebildet ist. Es ist hierdurch möglich, die Drosselung und Messung des Luftmassen stromes bei geringer Bauhöhe der zugeordneten Bauteile zu bewerkstelligen. Gegebenenfalls könnte bei einer derartigen Ausbildung der Radialdiffusor auch von einem Luftfilter um schlossen werden, so daß die angeströmte Luft nach Filterung innen in den Radialdiffusor eintritt und nach außen abströmt. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Drosselkörper als Drosselkegel und der Diffusor der Düse gerade ausgebildet ist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsformen verdeutlicht, ohne hierauf beschränkt zu sein.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schema der erfindungsgemäßen elektronischen Einspritzanlage mit einer ersten Ausführungsform des im Ansaugluftstrom angeordneten Drosselkörpers,

Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des Drosselkör pers mit zugehörigem Düsenkörper und veranschaulichten Eingabe- und Ausgabegrößen für die Ansaugluftmassenmes sung,

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 2 gezeigt für eine weitere Ausführungsform des Drosselkörpers und

Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Abhängigkeit von Luftmassenstrom und Druck an der engsten Stelle der zwischen Drosselkörper und Düsenkörper gebildeten konvergent/divergenten Düse bei überkritischen und unterkritischen Bedingungen.

Fig. 1 zeigt einen Ottomotor 1 mit Ansaugrohr 2 und Abgasrohr 3, Einspritzdüse 4 und Zündverteiler 5. Eine Elektrokraft stoffpumpe 6 fördert Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 7 durch ein Kraftstoffilter 8 zur Einspritzdüse 4. Ein Kraft stoffdruckregler 9 wirkt mit der Einspritzdüse 4 zusammen und steht in Verbindung mit dem Kraftstoffbehälter 7 und dem Ansaugrohr 2. Die elektrische Energie wird in das System über einen Stromerzeuger 10 eingeleitet, mit der Bezugsziffer 11 ist ein Zünd-Start-Schalter bezeichnet.

Die Ansaugluft wird dem Ansaugrohr 2 über eine konvergent/diver gente Düse 12 mit geradem Diffusor 13 zugeführt, innerhalb derer ein Drosselkörper 14 in Form eines Drosselkegels längsverschieb lich gelagert ist, womit sich der engste Querschnitt der Düse 12 verstellen läßt. Auf der Anströmseite ist symmetrisch zum Drosselkörper 14 ein starres Stellelement 15 mit diesem fest verbunden, das in Lagern 16 axial verschieblich gelagert und bewegungsschlüssig mit einem nicht näher gezeigten Gaspedal verbunden ist. Mit dem Stellelement 15 ist darüber hinaus ein Schleifer 17 verbunden, der mit einem Potentiometer eines Stellungsanzeigers 18 zusammenwirkt.

Die Elektrokraftstoffpumpe 6, die Einspritzdüse 4, der Zündver teiler 5 und eine in das Abgasrohr 3 eingesetzte Lambdasonde 20 sind elektrisch mit einer die elektronische Einspritzanlage steuernden und regelnden elektronischen Einrichtung 19 verbun den. Über geeignete Meßorgane erfolgt ferner die Ermittlung des Druckes p_o und der Lufttemperatur T_o vor der Düse sowie des Druckes p_L an der engsten Stelle der Düse. Die Größen p_L, p_o, T_o und auch die durch das Potentiometer verifizierte Stellung x des Drosselkörpers 14 werden elektrisch an die elektronische Einrichtung 19 als Eingabegrößen weitergegeben. Aufgrund der zuvor beschriebenen physikalischen Gesetzmäßigkeit errechnet die elektronische Einrichtung 19 aus den genannten Größen den Luftmassenstrom und hieraus bezüglich der den Kraftstoff einspritzenden Einspritzdüse 4 deren Öffnungszeit t_ö zur Erzielung einer optimalen Gemischzusammensetzung.

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab die Gegebenheiten im Bereich des als Drosselkegel ausgebildeten Drosselkörpers 14 mit dem sich an den geraden Diffusor 13 anschließenden Ansaugrohr 2. Die Figur verdeutlicht ferner die Eingabe- und Ausgabegrößen der elektronischen Einrichtung 19, wobei dort auch die Eingabegröße der Drehzahl des Motors und der Zusammensetzung 2 des Abgases genannt ist, darüber hinaus können weitere Eingabegrößen, wie beispielsweise auf den Leerlauf, den Warmlauf und die Beschleunigung Bezug nehmende Größen über die Elektronik auf die Öffnungszeit t_ö der Einspritzdüse 4 wirksam gemacht werden.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform nimmt das dem Ansaugrohr 2 zugewandte Ende des Stellelementes 15 einen als Drosselplatte ausgebildeten Drosselkörper 14 auf, der zusammen mit einem Düsenkörper 21 gleichfalls eine konvergent/divergente Düse 12 bildet, die jedoch statt in einen geraden Diffusor in einen Radialdiffusor 22 mündet. Im Detail durchsetzt das Stellelement 15 die Düsenkörperöffnung 23 und es bildet der mit dem Stellelement 15 verbundene Drosselkörper 14 mit dem Düsen körper 21 den Radialdiffusor 22. Die konvergent-divergente Düse 12 umschließt ein üblicher, flachgestalteter, in einem Luftfil tergehäuse 24 angeordneter Luftfilter 25, so daß die angesaugte Luft radial durch den Luftfilter 25 und die Düse 12 in das Ansaugrohr 2 strömt und dabei in Abhängigkeit von der Stellung des Drosselkörpers 14 mehr oder weniger durch diesen gedrosselt wird. Nach dem Luftfilter 25 und vor der Düse 12 erfolgt dabei die Erfassung der Größen T_o und p_o.

Fig. 4 verdeutlicht die der Funktion der beschriebenen elektro nischen Einspritzanlage zugrundeliegenden Zusammenhänge zwischen dem Druck p_L an der engsten Stelle der Düse 12 und dem durch die Düse durchgesetzten Luftmassenstrom m_a. Die Darstellung basiert auf einer Ermittlung des Luftmassenstromes bei einer stationä ren, isentropen Strömung, die, unter der Annahme, daß p_o und T_o als konstant angenommen werden, ausschließlich von p_L abhängt. Aufgrund der Erkenntnis, daß die Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Luft im engsten Querschnitt der Düse für einen weiten Betriebsbereich des Motors Schallgeschwindigkeit beträgt, ergibt sich, daß, solange der Druck der Luft im Saugrohr einen "kritischen" Wert unterschreitet nichts an der Strömungsge schwindigkeit und am Zustand der Luft im engsten Querschnitt der Düse ändert. Folglich bleibt der Luftmassenstrom - bei unverän derlicher Stellung des Drosselkörpers - konstant. Wird, ausge hend vom "kritischen Strömungszustand" im engsten Querschnitt der Düse die Motorbelastung gesteigert, dann wird schließlich bei Überschreitung eines bestimmten Luftdruckes p_L der Übergang in eine unterkritische Strömung erfolgen, womit bei unveränder ter Stellung des Drosselkörpers der vom Motor angesaugte Luftmassenstrom kleiner wird. Mittels der Größen p_L, p_o und T_o, sowie durch Wegerfassung x des Drosselkörpers läßt sich damit durch die Ermittlung des Luftmassenstromes die Öffnungszeit t_ö der Einspritzdüse für eine optimale Vorsteuerung des Luftver hältnisses darstellen. Je besser diese Vorsteuerung des Luftver hältnisses dem Wert Lambda = 1 nahe kommt, desto weniger muß die Lambdasonde regelnd auf die elektronische Einrichtung 19 einwirken, um das für eine optimale Konvertierung der Schadstof fe des Abgases erforderliche schmale Lambdafenster zu erreichen.

Bezugszeichenliste

1 Ottomotor
2 Ansaugrohr
3 Abgasrohr
4 Einspritzdüse
5 Zündverteiler
6 Elektrokraftstoffpumpe
7 Kraftstoffbehälter
8 Kraftstoffilter
9 Kraftstoffdruckregler
10 Stromerzeuger
11 Zünd-Start-Schalter
12 konvergent/divergente Düse
13 gerader Diffusor
14 Drosselkörper
15 Stellelement
16 Lager
17 Schleifer
18 Stellungsanzeiger
19 elektronische Einrichtung
20 Lambda-Sonde
21 Düsenkörper
22 Radialdiffusor
23 Düsenkörperöffnung
24 Luftfiltergehäuse
25 Luftfilter

Claims

1. Elektronische Einspritzanlage für Ottomotoren, mit Ein spritzdüse, im Ansaugluftstrom angeordnetem, verstellbarem Drosselkörper sowie Ansaugluftmassenmessung, gekennzeichnet durch eine konvergent-divergente Düse (12) mit durch den Drosselkörper (14) verstellbarem engsten Quer schnitt, einem Stellungsanzeiger (18) für den Drosselkörper (14), Meßorganen für den Druck p_o vor der Düse (12), den Druck p_L an der engsten Stelle der Düse (12) und die Lufttemperatur T_o vor der Düse (12) sowie eine elektronische Einrichtung (19) mit zumindest den Eingabegrößen p_o, p_L, T_o und Stellung (x) des Drosselkörpers (14) und der Ausgabegrö ße Öffnungszeit t_ö der Einspritzdüse (4).

2. Einspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die elektronische Einrichtung (19) als weitere Eingabe größen die Drehzahl n des Ottomotors und das Luftverhältnis Lambda eingegeben werden.

3. Einspritzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß mit dem Drosselkörper (14) ein starres Stellelement (15) verbunden ist, mit dem ein Pedalzug eines Gaspedals bewegungsschlüssig verbunden ist.

4. Einspritzanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Stellelement (15) verbundener Schleifer (17) mit einem Potentiometer des Stellungsanzeigers (18) zusammen wirkt.

5. Einspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (14) als Drosselkegel und der Diffusor (13) der Düse (12) gerade ausgebildet ist.

6. Einspritzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselkörper (14) als Drosselplatte und der Diffusor der Düse (12) als Radialdiffusor (22) ausgebildet ist.

7. Einspritzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialdiffusor (22) von einem Luftfilter (25) umschlos sen wird.