DE3421677A1

DE3421677A1 - Regelvorrichtung fuer einen dieselmotor

Info

Publication number: DE3421677A1
Application number: DE19843421677
Authority: DE
Inventors: Haruo Kamakura Kanagawa Hashimoto; Toyoichi Isehara Kanagawa Ono
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1983-06-13
Filing date: 1984-06-09
Publication date: 1984-12-13
Also published as: JPS59231225A; US4572131A

Description

VON KREISLER StfHÖNWÄLD EfSHOLD '3421 677 VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-Ing. K. W. Eishold 11981

KabUShiki Kaisha ^Dr--^|n9· ^K· Schönwald

Komatsu Seisakusho ' " j?^r- ₁ ^J-^-^Fües

3-6 Akasaka 2-chome, !^AT

MmatO-ku· Dipl.-Ing. G. Selting

Tokyo, Japan ■ Dr. H.-K.Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

Sg-Da/Fe

8. Juni 1984

Regelvorrichtung für einen Dieselmotor

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Dieselmotor, bei der die Drehzahlregelung durch elektrische Steuerung der Position einer Steuerzahnstange einer Kraftstoffeinspritzpumpe erfolgt.

Zur Regelung von Dieselmotoren sind mechanische und elektrische Regelvorrichtungen bekannt. Die mechanischen Regelvorrichtungen haben den Vorteil, daß sie keine gesonderte Energiequelle benötigen. Da zum Steuern des.Motordrehmomentes Federkraft verwendet

wird, ist die Genauigkeit der Regelung nicht ausreichend hoch und die Instandhaltung und Inspektion der Regelvorrichtung ist wegen der mechanischen Kompliziertheit extrem aufwendig. Elektrische Regelvorrichtungen haben den Vorteil einer einfachen Konstruktion

und hohen Genauigkeit. Jedoch benötigen sie zur Bedienung einer Steuerzahnstange eine elektrische Betäti-

Telefon: (02 21) 1310 41 · Telex: 888 2307 dopa d · Telegramm: Dompotent Käln

D -Z-

gungseinrichtung, wie beispielsweise einen Solenoid. Sie brauchen daher einen vergleichsweise starken Strom, der den Energieverbrauch steigert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regel-■ vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorteilhaften Eigenschaften der bekannten konventionellen Regelvorrichtungen vereinigt, während deren Nachteile im wesentlichen vermieden werden sollen. Dabei soll die Antriebskraft des Dieselmotors zur Redu-. zierung des Energieverbrauchs unter Beibehaltung der vorteilhaften Eigenschaften einer elektrischen Regelvorrichtung verwendet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch

- eine elektromagnetische Kupplung, die die. Steuerzahnstange der Kraftstoffeinspritzpumpe des Dieselmotors unter Anwendung der Antriebsleistung des Dieselmotors verschiebt und

eine Regeleinrichtung für die elektromagnetische Kupplung mit
einer Stelleinrichtung für einen Motordrehzahl-Sollwert zur Lieferung eines Befehlssignals,

einer Meßeinrichtung für die momentane Motordrehzahl und

einer Verstärkerschaltung zur Steuerung des Erregung sstromes der elektromagnetischen Kupplung auf der Basis der Differenz zwischen dem Ausgangssignal der Stelleinrichtung für den Motordrehzahl-Sollwert und dem Ausgangssignal der Meßeinrichtung für die Motordrehzahl.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert»

Es zeigen:
5

Fig. 1 den mechanischen Teil eines bevorzugten Ausführungsbeispiels,

Pign. 2 und 3 die Betriebscharakteristiken einer elektromagnetischen Kupplung mit Hysteresecharakteristik, wie in dem Ausführungsbeispiel ge

mäß Fig. 1 verwendet,

Fig. 4 die Anordnung elektromagnetischer Aufnehmer,

Fig. 5(a) bis 5(e) ein Zeitdiagramm, das die Phasenrelationen der Ausgangssignale der Aufnehmer und der aus den Ausgangssignalen gebildeten

Rechtecksignale, die einer Positionsveränderung einer Zahnstange entsprechen,

Fig. 6 einen Betriebszustand der in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwendeten Steuerzahnstange und

Fig. 7 ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung zur Betriebssteuerung der elektromagnetischen Kupplung.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel enthält eine elektromagnetische Kupplung 2, die an einer Seite einer Kraftstoffeinspritzpumpe 1 befestigt ist, und eine

• Steuerzahnstange 4, deren eines Ende mit der Kraftstoffeinspritzpumpe 1 zur Steuerung derselben verbunden ist. Die elektromagnetische Kupplung 2 überträgt das Nockenwellendrehmoment eines Dieselmotors auf ein Antriebsritzel 5, das mit der Steuerzahnstange 4 im Eingriff ist. Hierzu ist ein an einer Eingangswelle 2a der elektromagnetischen Kupplung 2 angeordnetes Kegel-

-κ-

zahnrad ■6 im Eingriff mit einem drehfest auf der Nockenwelle 3 befestigten Kegelzahnrad 7, während das auf einer Ausgangswelle 2b der elektromagnetischen Kupplung 2 angeordnete Antriebsritzel 5 im Eingriff mit . der Steuerzahnstange 4 ist.

Das andere der Einspritzpumpe 1 abgewandte Ende der Steuerzahnstange 4 geht in eine Achswelle 4a über, auf der ein Paar' starr miteinander gekoppelter spiralverzahnter Zahnräder 8,9 drehbar gelagert sind. Ein weiteres Paar spiralverzahnter Zahnräder 10,11, die mit den spiralverzahnten Zahnrädern 8,9 im Eingriff sind, sind auf einer starren Achswelle 12 drehbar gelagert. Das spiralverzahnte Zahnrad 10 ist weiterhin im Eingriff mit einem spiralverzahnten Zahnrad 13, das drehfest auf der Nockenwelle 3 befestigt ist.

Die Zahnräder 8,9 weisen eine gleiche Anzahl Zähne mit entgegengesetzter Orientierung der bogenförmig verlaufenden Verzahnung auf. Die spiralverzahnten Zahnräder 10,11, die mit den Zahnrädern 8 bzw. 9 im Eingriff sind, weisen ebenfalls die gleiche Anzahl bogenförmiger Zähne mit entgegengesetzter Orientierung auf. Eine axiale Verschiebung der spiralverzahnten Zahnräder 8,9 und auch der spiralverzahnten Zahnräder 10,11 relativ zu den Achswellen 4a bzw. 12 wird verhindert.

Eine am freien Ende der Achswelle 4a angeordnete Zugfeder 14 zieht die Achswelle 4a und die Zahnstange 4 nach rechts, wie in Fig. 1 dargestellt, so daß dadurch die Menge des über die Einspritzpumpe 1 eingespritzton Kraftstoffs reduziert wird. Wenn die elektromagnetische Kupplung 2 nicht mit einem Erregorstrom beaufschlagt ist, wird die Steuerzahnstange 4 und die Achswelle 4a

durch die Federkraft der Zugfeder 14 verlagert, so daß das Ende der Achswelle 4a in eine Position Pl, wie in Fig. 1 gezeigt, gebracht ist.

Die elektromagnetische Kupplung 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel -eine berührungslose Kupplung mit einem Luftspalt, bei der die Übertragung des Drehmomentes mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte erfolgt. Da eine derartige Kupplung 2 keine mechanisch berührenden Teile, wie bei einer Kupplung mit Kupplungsscheiben o.dgl., aufweist, ist eine lange Betriebsdauer der Kupplung 2 gewährleistet. Fig. 2 zeigt die Arbeitscharakteristik, gemäß der das Ausgangsdrehmoment der Kupplung 2 im wesentlichen proportional zum Erregungsstrom zunimmt, während gemäß der in Fig. 3 gezeigten Charakteristik das Drehmoment auf einen im wesentlichen konstanten Wert unabhängig von der Differenz zwischen den Drehzahlen der Eingangs- und Ausgangswellen 2a und 2b gehalten wird, wenn der Erregungsstrom konstant gehalten wird.

Fig. 4 zeigt die gegenüber den spiralverzahnten Zahnrädern 10 und 11 angeordneten elektromagnetischen Aufnehmer 15,16. Diese Aufnehmer messen Reluktanzänderungen aufgrund der Erhebungen und Vertiefungen der Zahnradverzahnungen und liefern sinusförmige elektrische Signale S und S , wie in Fig. 5(a) gezeigt.

Wenn die Steuerzahnstange 4 von dem Antriebsritzel 5 nach links, wie in Fig. 1 dargestellt, in eine Position P2, wie in Fig. 6 gezeigt, verschoben wird, werden die starr miteinander verbundenen Zahnräder 8,9 zusammen mit der Steuerzahnstange 4 nach links bewegt. Bei dieser Bewegung wird das Zahnrad 8 um einen Winkel ver-

dreht, der dem Verschiebungsweg der Zahnstange 4 entspricht. Das Zahnrad 9 wird deshalb ebenfalls um den gleichen Winkel verdreht. Dieser Vorgang ist leicht zu verstehen, wenn man den Fall betrachtet, in dem die Zahnstange 4 unter Krafteinwirkung nach links verschoben wird, während das Zahnrad 10 festgehalten wird. Bei Drehung des Zahnrades 9 um einen Winkel, der der linksseitigen Verschiebung der Steuerzahnstange 4 entspricht, wird auch das Zahnrad 11 um den gleichen Winkel gedreht, wobei eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen S^ und S_, wie in den Fign. 5 (b) und 5 (c) gezeigt, verursacht wird. Die Phasenverschiebung wird als Parameter verwendet, der die Verschiebung der Steuerzahnstange 4 repräsentiert, wie im folgenden genauer beschrieben ist.

Wenn sich die Zahnstange 4 nach links, wie zuvor beschrieben, bewegt, nimmt die eingespritzte Kraftstoffmenge zu, wodurch die Drehzahl des Dieselmotors zunimmt. Als Folge wird die Frequenz der in den Fign. 5(b) und 5(c) gezeigten Signale S_a und S höher als die Frequenz der in Fig. 5 (a) gezeigten Signale. In der Zeichnung ist eine solche Frequenzänderung zur Vereinfachung der Zeichnung vernachlässigt.

Fig. 7 zeigt eine elektrische Schaltung zur Steuerung des Betriebs der elektromagnetischen Kupplung 2. Dabei wird eine gewünschte Drehzahl N in einer Drehzahl-Stelleinrichtung 17 vorgewählt. Die Stelleinrichtung 17 liefert auf diese Weise ein Befehlssignal S_n, das der einem Addierer 18 zugeführten Spannung entspricht. Die Ausgangssignale S₇. und S_n, die von den elektromagnet!- sehen Aufnehmern 15,16 geliefert werden, werden andererseits Signalumformschaltungen 19 und 20 zugeführt,

-4 -

in denen die sinusförmigen Signale S und S in Recht-

A X5

ecksignale S ' und S_n ¹, wie in den Pign. 5(d) und 5(e)

A D

gezeigt, umgewandelt werden. Die Signale S ' und S ' werden dann einer Meßschaltung 21 für die Zahnstangenposition zugeführt. Die Meßschaltung 21 für die Zahnstangenposition mißt das Zeitintervall t zwischen den Anstiegs flanken der Rechtecksignale S ' und S₅ ¹ sowie auch die Zyklusperiode T für einen Zyklus der beiden Signale S ' und Sg¹. Die Meßschaltung 21 für die Zahn-Stangenposition berechnet weiterhin das Verhältnis t/T und liefert ein elektrisches Signal S_c, daß dem Verhältnis t/T entspricht.

Obwohl das Zeitintervall t die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen S und S_n beinhaltet, kann allein

A Ij

das Zeitintervall t die Verlagerung der Steuerzahnstange 4 nicht festlegen. Die Veränderung der Motordrehzahl verändert nämlich wieder die Frequenz der Signale S₇. und S_n, wie auch das Zeitintervall t. Bei-

A Jd

spielsweise vergrößert eine Verschiebung der Steuerzahnstange 4 nach links die Phasendifferenz zwischen den Signalen S₇. und S_n. Jedoch wird, da die Frequenz

A D

der beiden Signale S und S ebenfalls vergrößert wird,

A ti

das Zeitintervall t im umgekehrten Sinne verkürzt. Aus diesem Grunde kann das Zeitintervall t allein den absoluten Wert der Phasendifferenz, das für die Verschiebung der Steuerzahnstange 4 kennzeichnend ist, nicht definieren. Jedoch ermöglicht die Berechnung des Verhältnisses t/T die absolute Phasendifferenz zwischen den Signalen S ' und S ' zu bestimmen, die die Verschiebung der Steuerzahnstange 4 definieren, da die Periode T ebenfalls entsprechend dem Zeitintervall t im gleichen Verhältnis verändert wird. Das von der Meßschaltung 21 für die Zahnstangenposition gelieferte

Signal S_p, das dem Verhältnis t/T entspricht, wird dam. einem Addierer 22 zugeführt.

In dem zuvor beschriebenen Ausführurigsbeispiel ist die in Fig. 1 gezeigte Position Pl als Anfangspunkt für die Steuerzahnstangenbewegung gewählt. Die Aufnehmer 15 und 16 sind derart justiert, daß die Phasendifferenz zuischen den beiden Signalen S und S dann WuIl wird, wenn sich die Steuerzahnstange 4 an diesem Anfangspunkt Pl befindet. Die Meßschaltung 21 für die Zahnstangenposition kann auf einfache YJeise aus konventionellen Schaltelementen, wie beispielsweise Flip-Flops, Zählern, Dividierern oder ähnlichem, aufgebaut werden. Darüber hinaus kann die Motordrehzahl-Meßschaltung 24 derart aufgebaut sein, daß sie als Frectuenz/Spanrungs-Konverter arbeitet, der das Signal S ' , das eine der Motordrehzahl entsprechende Frequenz hat, in ein Signal S_n, das die Motordrebzahl repräsentiert, umwandelt.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt: Wenn die Motordrehzahl entsprechend der Änderung des BelastungsdrehmomenLes verändert wird, nimmt die. Differenz zwischen dem Signal S_n, das die momentane Motordrehzahl kennzeichnet, und dom Rofehlssignal S zu. Die Differenz wird von einem Verstärker 23 verstärkt und das Ausgangssignal des Verstärkers 23 wird als Positionsbefehlssignal S für die Steuerzahnptanqe 4 dem Addierer 22 zugeführt. Der Addierer 22 vergleicht das Positionsbefehlssignal S mit dem Feedback-Signnl

7-iO S , dan die gegenwärtige Position drr Steuerzahnr.t anqo 4 repräsentiert, und die Differenz wird über einen Verstärker 24 verstärkt der elektromagnetischen Kupplung 2 zugeführt. Auf diese Vieino wird der Krrogungr.strom für die elekt r^meKjnetischen Kupplung 2 variiert und die

_ of _

üteucrzahnstange 4 wird in eine Position verlagert, in der die momentane Motordrehzahl den vorgewählten Wert N errci oht.

Wenn es erwünscht ist, die Regelvorrichtung in Abhängigkeit vom Temperaturzustand, Öldruck oder einem anderen Zustand des Motors zu betreiben, können Schaltungen zwischen der Stelleinrichtung 17 und dem Addierer 18 angeordnet werden, um das Befehlssignal S_n ] 0 entsprechend der Ausgangssignale von Sensoren, die zur Messung dieser Zustände vorgesehen sind, zu verändern.

Obwohl in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel die Verlagerung der Steuerzahnstange 4 aufgrund der Γι Au.'sgnnqssi qnaie S_A und S der nloktroinagnetischen Aufnehmer IS und 16 qtnnpsfjen wurden, ist es selbstverständlich möglich, die; Vorlciqerung unter Anwendung ei nor. Vorl aqerung:;/Spannungs-l'onverters, wie bei-■ spiel r.wo inn einem Potentiometer oder einem ähnlichen '.'A) Wegaufnehmer, zu messen. Darüber hinaus kann die Kombination aus Antriebsritzel und Zahnstange, die an der Ausgangssaite der elektromagnetischen Kupplung 2 vorgesehen ist, durch eine Kombination aus einer Nockenwelle und einem Hebel ersetzt werden. Die Zahnräder 9 5 und 1.1 können ebenfalls durch Stirnräder ersetzt werden.

- Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

Regelvorrichtung für einen Dieselmotor, bei der die Drehzahlregelung durch elektrische Steuerung der Position einer Steuerzahnstange einer Kraftstoff einspritzpumpe erfolgt, ■
gekennzeichnet durch

- eine elektromagnetische Kupplung (2), die die Steuerzahnstange (4) dea/ Kraftstoffeinspritzpumpe (1) des Dieselmotors unter Anwendung der Antriebsleistung des Dieselmotors verschiebt und

eine Regeleinrichtung für die elektromagnetisehe Kupplung (2) mit

einer Stelleinrichtung (17) für einen Motordrehzahl-Sollwert zur Lieferung eines Befehlssignals (S„) ,

- einer Meßeinrichtung (24) für die momentane Motordrehzahl und

- einer Verstärkerschaltung zur Steuerung des Erregungsstromes der elektromagnetischen Kupplung (2) auf der Basis der Differenz zwischen dem Ausgangssignal (S_n) der Stelleinrichtung (17) für den Motordrehzahl-Sollwert

und dem Ausgangssignal der Meßeinrichtung für die Motordrehzahl.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Kupplung (2) berührungslos arbeitet.

■ - Λ -
3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Kupplung (2) eine Eingangswelle (2a) aufweist, die über Zahnräder (6,7) mit einer Nockenwelle (3) zum Antrieb der Kraftstoff-Einspritzpumpe (1) gekoppelt ist, und eine Ausgangswelle (2b) aufweist, die mit einem Antriebsritzel (5) gekoppelt ist, das mit der Steuerzahnstange (4) im Eingriff ist.
4. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung der elektromagnetischen Kupplung (2) . zusätzlich eine Meßeinrichtung für die Zahnstangenposition und eine Addiereinrichtung (22) enthält, die das Ausgangssignal (S_c) der Meßeinrichtung als Feedback-Wert mit der zuvor genannten Differenz addiert.
5. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-20. zeichnet, daß die Meßeinrichtung für die Zahnstangenposition besteht aus

einer Achswelle (4a) , die sich axial von einem Ende der Steuerzahnstange (4) erstreckt,

5 - . miteinander gekoppelten ersten und zweiten spiralverzahnten Zahnrädern (8,9) mit gleicher Anzahl von Zähnen und drehbar auf der Achswelle (4a) gelagert, während die axiale Bewegung der Zahnräder (8,9) verhindert ist,

miteinander verbundenen dritten und vierten spiralverzahnten Zahnrädern (10,11), die mit den ersten und zweiten spiralverzahnten Zahnrädern (8,9) im Eingriff sind, während die

axiale Bewegung des dritten und vierten Zahnrades (10,11) verhindert ist,

- ersten und zweiten elektromagnetischen Aufnehmern (15,16), die gegenüber den Verzahnungen des dritten und vierten Zahnrades (8,9)

angeordnet sind, und

aus einer Meßschaltung (21) für die Zahnstangenposition, die ein Zeitintervall (t) , das eine Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen (S ,S_n) des ersten und zweiten

elektromagnetischen Aufnehmers (15,16) repräsentiert, sowie eine Zyklusperiode (T) des • Ausgangssignals mißt, und ein Verhältnis t/T berechnet, wobei die Antriebskraft des Dieselmotors entweder dem zweiten oder dem drit

ten spiralverzahnten Zahnrad zugeführt ist.
6. Regelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (24) für die Motordrehzahl eines der beiden Ausgangssignale des ersten oder zweiten elektromagnetischen Aufnehmers (15,16) erhält und die Frequenz dieses Ausgangssignals in eine entsprechende Spannung umwandelt.