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Dieselmotor mit einem Stellglied zum Einstellen der Kraftstoffmenge
und einem Regler Die Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit einem Stellglied zum
Einstellen der je Arbeitszyklus eingespritzten Kraftftoffmenge (Einspritzmenge)
und einem Regler zum Begrenzen der höchsten und niedrigsten Motordrehzahl sowie
gegebenenfalls weiterer Betriebsparameter in Übereinstimmung mit einem für den betreffenden
Motor vorgegebenen Drehzahl-Last-Kennlinienfeld sowie mit einem Gaspedal zum willkürlichen
Beeinflussen des Motors innerhalb dieses Feldes.
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Es ist bereits eine Vielzahl von: Reglern für Dieselmotoren bekannt,
die gewöhnlich entweder mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch arbeiten. Im Gegensatz
zum Ottomotor (Benzinmotor), der zusammen mit seinem Stellglied, der Drosselklappe,
stabil arbeitet, benötigt nämlich ein Dieselmotor einen Regler, der mindestens das
überschreiten :einer bestimmten zulässigen Höchstdrehzahl zuverlässig verhindern
muß (sogenannte Endabregelung): Gewöhnlich verhindert dieser Regler auch, daß eine
bestimmte Leerlaufdrehzahl unterschritten wird (sogenannte Leerlaufabregelung).
Er dient dazu, beim Anlassen eine Startübermenge einzustellen, und er dient zum
Einstellen der sogenannten Vollastangleichung, durch die verhindert wird, daß der
Kraftstoff bei hohen Drehzahlen nicht mehr völlig verbrannt wird und der gefürchtete
Rauch im Auspuff entsteht.
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Nach ihrem Aufbau unterscheidet man im wesentlichen, zwei Arten von
Reglern: die sogenannten Verstellregler und die Leerlauf-Endabregler. Die Verstellregler
stellen im wesentlichen Drehzahlregler dar, d. h., einer bestimmten Gaspedalstellung
entspricht innerhalb des Drehzahl-Last-Kennlinienfeldes, eine bestimmte Motordrehzahl.
Solche Regler werden vor allem bei Kommunalfahrzeugen eingesetzt, z. B. bei Straßenkehrmaschinen,
ebenso auch bei: Traktoren. Die Leerlauf-Endabregler dagegen wirken nur bei ganz
bestimmten Betriebszuständen des Motors, nämlich bei der Leerlauf- und bei der Enddrehzahl,
deren Unter- bzw. Überschreiten sie verhindern. Bei den dazwischenliegenden Drehzahlen
ist, jedenfalls im Prinzip, das Verhalten des Motors nur von der Gaspedalstellung
abhängig, die die Bedienungsperson einstellt.
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Zwischen diesen beiden Grundarten gibt es verschiedene Mischtypen,
die jeweils besondere Vorteile haben.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders geeignet für Leerlauf-Endabregler
und die mit diesen verwandten Typen von Reglern. Ihr Grundprinzip kann jedoch auch
mit Vorteil bei Verstellreglern verwendet werden. Ein besonderer Nachteil der bekannten
Regler ist ihre geringe Anpassungsfähigkeit, die es notwendig macht, für jeden Dieselmotortyp
einen besonderen Regler zu entwickeln. Die Ursache hierfür ist, daß jeder Dieselmotortyp
ein charakteristisches Drehzahl-Last-Kennlinienfeld, hat und nur dann gut ausgenutzt
werden kann, wenn der Regler möglichst genau diesem Kennlinienfeld entspricht. Für
die Einstellung der bekannten Regler sind komplizierte Meß- und Justiergeräte erforderlich,
wie sie gewöhnlich nur in einer Fabrik vorhanden sind. Versuche, einen Regler zu
schaffen, der vielseitiger verwendbar ist, führten bisher nicht zum gewünschten
Erfolg, obwohl gerade hiermit durch größere Stückzahlen bei der Serienfertigung
eine beachtliche Verbilligung der Herstellung erreicht und die Ersatzteilhaltung
vereinfacht werden könnte. Außerdem wäre es vielfach von Vorteil, wenn auch noch
am eingebauten Regler Einstellungen vorgenommen werden könnten, was bei den derzeit
verwendeten Reglern nur in sehr geringem Umfang möglich ist.
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Es isst deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten
Regler zu vermeiden. Insbesondere soll der Regler nach der Erfindung einfach herzustellen,
vielseitig verwendbar und leicht den verschiedenen Dieselmotortypen anpaßbar sein.
Gegebenenfalls sollen mit ihm auch noch weitere Parameter, z. B. der Luftdruck,
berücksichtigt werden können.
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Nach der Erfindung wird dies bei einem eingangs genannten Dieselmotor
dadurch erreicht, daß in an sich bekannter Weise das Gaspedal mit einem Meßwertgeber
gekoppelt ist, der an seinem Ausgang eine der Stellung des Gaspedals analoge Spannung
erzeugt, daß in ebenfalls an sich bekannter Weise das
Stellglied
einen elektrischen Eingang aufweist, der mit dem Ausgang des Meßwertgebers verbunden
ist, daß über eine erste Diode ein erstes nichtlineares Glied an diesen Eingang
angeschlossen ist, dessen Ausgangsspannung eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors
ist, und daß über eine gegenüber der ersten entgegengesetzt gepolte zweite Diode
ein zweites nichtlineares Glied an diesen Eingang angeschlossen ist, dessen Ausgangsspannung
eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist.
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Die beiden nichtlinearen Glieder können verschieden ausgebildet sein,
wie das im folgenden an den Ausführungsbeispielen näher erläutert wird. Wesentlich
ist, daß das eine nichtlineare Glied dazu dient, bei Bedarf die Spannung am Eingang
des Stellglieds über die Spannung am Ausgang des Meßwertgebers hinaus zu erhöhen,
während das andere nichtlineare Glied die Funktion hat, bei Bedarf die Spannung
am Eingang des Stellglieds unter die Spannung am Ausgang des Meßwertgebers herunter
zu erniedrigen.
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Aus der deutschen Patentschrift 1173 727 ist es bei einer elektrisch
betätigten Saugrohreinspritzanlagebekannt, das Gaspedal mit einem Meßwertgeber zu
koppeln, so daß dieser an seinem Ausgang eine der Stellung des Gaspedals analoge
Spannung erzeugt.
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Ferner ist aus der französischen Patentschrift 920 987 ein Frequenzregler
für einen von einem Dieselmotor angetriebenen Wechselstromgenerator bekannt, der
die Frequenz auf einen bestimmten Wert regelt, wobei das Stellglied zum Einstellen
der Einspritzmenge durch eine Solenoidspule betätigt wird, also einen elektrischen
Eingang aufweist. - Beide Merkmale sind aus diesem Grund als an sich bekannt bezeichnet
worden.
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Mit besonderem Vorteil wird die erfindungsgemäße Anordnung so ausgebildet,
daß mindestens ein- nichtlineares Glied in seinem gutleitenden Zustand einen kleineren
Innenwiderstand hat als der Meßwertgeber. Die Spannung am Ausgang des Meßwertgebers
kann auf diese Weise leicht je nach Bedarf durch die Ausgangsspannungen der nichtlinearen
Glieder erhöht oder erniedrigt werden, ohne daß sich die nichtlinearen Glieder gegenseitig
beeinflussen. Die Spannungen können Gleichspannungen oder auch impulsförmige Spannungen
sein..
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Nach einem den Gegenstand der Erfindung weiter ausgestaltenden Merkmal
werden die nichtlinearen Glieder so ausgebildet, daß mindestens eines von ihnen
eine Serienschaltung einer Knickdiode und eines Widerstands enthält, wobei der eine
Anschluß dieser Serienschaltung, gegebenenfalls über einen Spannungsteiler, mit
einer von der Drehzahl des Dieselmotors abhängigen Spannungsquelle verbunden ist,
während der andere Anschluß dieser Serienschaltung an der Steuerelektrode eines
Transistors liegt, dessen Ausgangselektrode über eine Diode an den Eingang des Stellglieds
angeschlossen ist. Mit Knickdiode wird hier eine Diode bezeichnet, die bis zu einer
bestimmten Spannung wenig oder gar nicht leitet und dann bei einer weiteren Spannungserhöhung
plötzlich stark leitend wird. Eine solche Diode ist z. B. eine Zenerdiode oder eine
unter derBezeichnung» siliziumlogarithmische Diode« erhältliche Diode, wie sie in
der Figurenbeschreibung noch näher erläutert wird.
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Eine besonders einfache Bauweise erhält man: dadurch, daß der Eingang
des gegebenenfalls mit einem Verstärker ausgestatteten Stellglieds an einen durch
das Gaspedal verstellbaren Abgriff eines hochohmigen, an einer konstanten Spannung
liegenden Spannungsteilers angeschlossen ist und daß dieser Eingang außerdem über
die erste Diode mit dem Ausgang eines ersten Transistors und über eine umgekehrt
wie die erste gepolte zweite Diode mit dem Ausgang eines zweiten Transistors verbunden
ist, wobei jeweils die Serienschaltung einer Knickdiode und eines Widerstands einerseits
an den Eingang des betreffenden Transistors, andererseits an die von der Drehzahl
des Dieselmotors abhängige Spannungsquelle angeschlossen ist, um so eine Begrenzung
der Leerlauf- und der Höchstdrehzahl zu erhalten. Die Ausgangsspannung des einen
Transistors dient, wenn. sie höher ist als die am hochohmigen Spannungsteiler eingestellte,
zum Begrenzen der Leerlaufdrehzahl, deren Absinken unter einen bestimmten Wert so
verhindert wird; und die Ausgangsspannung des anderen Transistors dient, wenn sie
niedriger ist als die am hochohmigen Spannungsteiler eingestellte, zum Begrenzen
der Höchstdrehzahl, deren Überschreiten auf diese Weise verhindert wird.
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Dabei kann in vorteilhafter Weise die Schaltung so ergänzt werden;
daß ein dritter Transistor über eine dritte Diode an diesen Eingang angeschlossen
ist und wobei die Serienschaltung einer Knickdiode und eines Widerstands einerseits
an den Eingang dieses Transistors, andererseits an die von der Drehzahlabhängige
Spannungsquelle angeschlossen ist, um eine Vollastangleichung, d. h. eine bei hohen
Drehzahlen mit steigender Drehzahl abnehmende Obergrenze der Einspritzmenge, zu
erzielen. Diese Vollastangleichung ist bei Dieselmotoren besonders deshalb erwünscht,
weil es dadurch möglich wird, auch bei hohen Drehzahlen den Motor voll auszunutzen,
ohne daß durch umverbrannten Kraftstoff Qualmwolken im Auspuff entstehen.
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Bei der Regelung von Dieselmotoren werden an die Genauigkeit und an
die Konstanz der eingestellten Werte hohe Anforderungen gestellt. Durch die Verwendung
von Halbleiterelementen, also Halbleiterdioden, Transistoren und; Thyristoren, erreicht
man zwar eine hohe Lebensdauer, jedoch ist bei diesen aktiven Schaltelementen der
Einfluß der Temperatur auf die elektrischen Werte sehr groß. Dies ist besonders
im Kraftfahrzeugbetrieb sehr unangenehm, dabei einem Kraftfahrzeug die Temperatur
im Motorraum von -30 bis -I-90° C schwanken kann. Nach einem den Gegenstand der
Erfindung weiter ausbildenden Merkmal wird deshalb die Schaltung so ausgebildet,
daß. bei mindestens einem der Transistoren als Kollektorwiderstand die Serienschaltung
eines insbesondere verstellbaren Serienwiderstands und der Emitter-Kollektor-Strecke
einesKompensationstransistorsvorgesehen ist, wobei parallel zur Kollektor-Basis-Strecke
dieses Kompensationstransistors ein Heißleiterwiderstand und ein zu diesem parallelgeschalteter,
insbesondere verstellbarerParallelwiderstand vorgesehen sind, um so die Temperatureinflüsse
auf die Schaltung zu kompensieren.
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Mit dieser Schaltung lassen sich in einem Temperaturbereich von etwa
100° C, z. B. von -20 bis -I-80° C, die temperaturbedingten Schwankungen der elektrischen
Werte sehr gut kompensieren, und auch bei Temperaturen, die außerhalb dieses Temperaturbereichs
liegen, bleiben die Abweichungen der elektrischen Werte gering. In vielen Fällen
wird man außerdem als doppelte Sicherung noch einen Fliehkraftregler an der Einspritzpumpe
vorsehen, mit dem
die Höchstdrehzahl des Motors auch bei Ausfall
der elektrischen Anlage sicher begrenzt wird.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten und im folgenden beschriebenen
Ausführungsbeispiel.. Es zeigt F i g. 1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen elektronischen
Reglers für einen Dieselmotor mit Leerlauf- und Enddrehzahlbegrenzung sowie Vollastangleichung,
F i g. 2 die Strom-Spannungs-Charakteristik einer als Knickdiode bezeichneten Diode,
F i g. 3 ein Schaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise des Reglers nach F i g.
1, F i g. 4, 5 und 6 Schaubilder zum Erläutern der in F i g. 1 verwendeten Anordnungen
zur Temperaturkompensation.
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Der in F i g. 1 dargestellte elektronische Regler dient zum Begrenzen
der Drehzahl und in gewissen Grenzen auch nur der einzuspritzenden Kraftstoffmenge
eines nicht dargestellten Dieselmotors. Mit der Drehzahl nm, dieses Dieselmotors
werden ein als von der Drehzahl des Dieselmotors abhängige Spannungsquelle dienender
Tachogenerator 10 und eine - nur schematisch dargestellte - Dieseleinspritzpumpe
11. angetrieben, welch letztere den Dieselmotor mit Kraftstoff versorgt, und zwar
in Abhängigkeit von der Stellung einer Regelstange 12, die mittels eines mit 13
bezeichneten Elektromagneten kontinuierlich in verschiedene Stellungen gebracht
werden kann und zusammen mit dem Elektromagneten 13 als Stellglied dient. Sie ist
mit diesem über ein Gestänge 14 verbunden, mit dem auch ein Abgriff 17 eines als
Meßwertgeber dienenden Potentiometers 18 verbunden ist. In der in F i g. 1 gewählten
Darstellung bedeutet eine Aufwärtsbewegung der Regelstange 12 (in Richtung des Pfeiles
19) eine Vergrößerung der Einspritzmenge; ihr entspricht infolge der gleichzeitigen
und in gleicher Richtung erfolgenden Verschiebung des Abgriffs 17 eine Erhöhung
der Spannung zwischen diesem und dem Minuspol einer mit 20 bezeichneten Batterie,
an den eine im folgenden als Minusleitung bezeichnete Leitung 21 angeschlossen ist.
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An den Pluspol dieser Batterie 20 ist eine im folgenden als Plusleitung
bezeichnete Leitung 22 angeschlossen. Das Potentiometer 18 ist mit seinen beiden
festen. Anschlüssen an die Leitungen 21 und 22 angeschlossen, während am Abgriff
17 das eine Ende der Wicklung des Elektromagneten 13 liegt, deren anderes Ende,
an. den Ausgang eines mit 24 bezeichneten, mit strichpunktierten Linien umrandeten
Verstärkers angeschlossen ist, und zwar an den Emitter eines npn-Transistors 25,
welcher Em,itter außerdem über einen Widerstand 26 an die Minusleitung 21 angeschlossen
ist.
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Der Kollektor des Transistors 25 liegt direkt an der Plusleitung 22;
seine Basis ist mit dem Kollektor eines npn-Transistors 27 verbunden, außerdem über
einen Kollektorwiderstand 28 mit der Plusleitung 22. Zwischen dem Emitter des. Transistors
27 und der Minusleitung 21 liegt ein Widerstand 29. Die Basis des Transistors 27
ist über einen Koppelwiderstand 32 an den Emitter eines npn-Eingangstransistors
33 angeschlossen. Zwischen diesem Emitter und: der Minusleitung 21 liegt ein Widerstand
34. Der Kollektor des Transistors 33 liegt direkt an der Plusleitung 22. Seine Basis
ist über einen: Widerstand 35 an einen durch ein Gaspedal 36 verstellbaren Abgriff
37 eines aus drei hochohmigen Widerständen 38, 39, 40 bestehenden Spannungsteilers
geführt. Dieser Spannungsteiler ist an die Minusleitung 21 und die Plusleitung 22,
also die konstanteSpannungderBatterie20, angeschlossen.
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Im Betrieb wird, solange sich die Drehzahl nm,t des Dieselmotors und
der Hub H der Einspritzpumpe 11 innerhalb des in F i g. 3 dargestellten Drehzahl-Last-Feldes
des betreffenden Dieselmotors befinden, die Einspritzmenge nur von der durch das
Gaspedal 36 bestimmten Stellung des Abgriffs 37 bestimmt, so daß je nach Stellung
des Gaspedals eine der in F i g. 3 mit 41 bezeichneten., zur Abzisse etwa parallellaufenden
Geraden eingehalten: wird. (Diese Geraden 41 sind nur als Beispiele eingezeichnet;
jede beliebige Zwischenstellung zwischen ihnen ist möglich.) Die Spannung am Abgriff
37 wird durch den Verstärker 24 verstärkt und bewirkt z. B. bei Erhöhen (durch Durchtreten
des Gaspedals 36) ein stärkeres Anziehen des Elektromagneten 13 und damit ein Verschieben
der Regelstange 12 in Richtung des Pfeiles 19, also zu größeren Einspritzmengen
hin. Gleichzeitig wird jedoch auch der Abgriff 17 des Potentiometers.18 durch das
Gestänge 14 nach oben geschoben, so daß die Spannung zwischen dem Abgriff 17 und
der Minusleitung 21 ansteigt, der Betrag der Spannung zwischen dem Emitter des Transistors
25 und dem Abgriff 17 jedoch abnimmt, so daß die Regelstange 12 jeweils bei einer
bestimmten, der Stellung des Gaspedals 36 entsprechenden Stellung zur Ruhe kommt.
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Bei einem bestimmten. Hub H der Einspritzpumpe 11, also beim Betrieb
auf einer der Geraden 41 nach F i g. 3, läuft der Dieselmotor langsam, wenn er belastet
ist, und schnell, wenn er wenig oder gar nicht belastet ist. Wird nun bei geringer
Belastung ein großer Hub H eingestellt, so besteht die Gefahr, daß sich die Drehzahl
nm,t des Dieselmotors über eine. zulässige Höchsdrehzahl n,nax hinaus erhöht und
er zerstört wird. Umgekehrt ist bei starker Belastung und kleinem Hub H die Gefahr
gegeben, daß die Drehzahl des Dieselmotors unter einen bestimmten Mindestwert hmtn
sinkt und der Motor »abgewürgt« wird. Die gleiche Gefahr ist auch gegeben, wenn
der Dieselmotor bei sehr kleinem Hub der Einspritzpumpe im Leerlauf arbeitet. -
Beides, sowohl das Überdrehen wie das Abwürgen, soll durch die Einrichtung nach
F i g. 1 verhindert werden.
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Zu diesem Zweck sind zwei nichtlineare Glieder 42 und 43 vorgesehen,
deren Eingänge jeweils an den Tachogenerator 10 angeschlossen sind, so daß ihre
Ausgangsspannung jeweils eine Funktion der Drehzahl des Dieselmotors ist. Das nichtlineare
Glied 42 ist über eine erste Diode 44, das nichtlineare Glied 43 über eine gegenüber
der ersten Diode 44 entgegengesetzt gepolte zweite Diode 45 an den Abgriff 37 und
damit an den elektrischen Eingang des aus dem Verstärker 24, dem Elektromagneten
13 und der Regelstange 12 bestehenden elektromagnetischen Stellglieds angeschlossen.
Das nichtlineare Glied 42 dient dabei zum Begrenzen der Drehzahl nach unten, und
zwar dadurch, daß unterhalb einer bestimmten Drehzahl nm,t die Ausgangsspannung
des nichtlinearen Glieds 42 erhöht wird und wegen des niederen Innenwiderstands
des Glieds 42 die Spannung am Abgriff 37 »hinaufdrückt«. Umgekehrt dient das nichtlineare
Glied 43 dazu, die Drehzahl nm,t nach oben zu begrenzen, und zwar dadurch, daß oberhalb
einer bestimmten Drehzahl die Ausgangsspannung des Glieds
43 sehr
klein wird und wegen des niederen Innenwiderstands des Glieds 43 die Spannung am
Abgriff 37 »nach unten zieht«. Ein Kerngedanke der Erfindung liegt also darin, einerseits
einen hochohmigen, willkürlich betätigbaren Spannungsgeber 37 bis 40 und andererseits
mindestens einen niederohmigen, von der Drehzahl des Dieselmotors abhängigen Spannungsgeber
vorzusehen, der in der Lage ist, die Spannung am Ausgang des hochohmigen Spannungsgebers
zu übersteuern. Durch die Verwendung der Dioden 44 und 45 erhält man einen besonders
einfachen Rufbar mit Hilfe zweier getrennter, von der Drehzahl des Dieselmotors
abhängiger Spannungsgeber.
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Außerdem ist noch ein drittes nichtlineares Glied 46 vorgesehen, dessen
Eingang über eine Leitung 47 ebenfalls an den Tachogenerator 10 angeschlossen ist,
so daß auch seine Ausgangsspannung eine Funktion der Drehzahl des. Dieselmotors
ist. Sein Ausgang ist über eine dritte Diode 48 ebenfalls, an den Abgriff 37 und
damit an den elektrischen Eingang des Verstärkers 24 angeschlossen. Das nichtlineare
Glied 46 dient zur Vollastangleichung und ermöglicht es, den Dieselmotor an der
Rauchgrenze zu fahren.
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Im folgenden wird der Aufbau der drei nichtlinearen; Glieder 42, 43,
46 im einzelnen beschrieben. Der Aufbau der drei Glieder ist im Prinzip gleich.
Jedes ist mit einer Temperaturkompensation versehen, die hauptsächlich dann benötigt
wird, wenn die Einrichtung nach F i g. 1 auf einem Fahrzeug verwendet werden soll.
Bei stationären Einrichtungen, die weniger großen Temperaturschwankungen ausgesetzt
sind, genügen einfachere Anordnungen zur Temperaturkompensation.
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Die Diode 44 ist mit ihrer Kathode an den Abgriff 37 und mit ihrer
Anode an den Kollektor eines npn-Transistors 51 angeschlossen, dessen Emitter direkt
an der Minusleitung 21 liegt. Seine Basis ist über einen verstellbaren Widerstand
52 und seinem Kollektor sowie direkt mit der Kathode einer Knickdiode 53 verbunden,
deren Anode über einen Heißleiterwiderstand 54 an einen Abgriff 55 eines aus, zwei
konstanten Widerständen 56 und 57 und einem Heißleiterwiderstand 58 bestehenden
Spannungsteilers angeschlossen ist, welcher an der Ausgangsspannung des Tachogenerators,10
liegt.
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Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Knickdiode 53 ist in F i g.
2 dargestellt. Solche Dioden sind z. B. unter der Bezeichnung SIL 1 im Handel erhältlich.
Wie ersichtlich, fließt in einem mit 61 bezeichneten Anlaufbereich bis zu einer
Spannung von beispielsweise 0,6 V fast kein Strom, während bei Spannungen, die größer
als 0,6 V, der Strom schlagartig zunimmt. Der stromleitende Bereich ist in F i g.
2 mit 62 bezeichnet. An der Übergangsstelle von dem Bereich 61 zum Bereich 62 ergibt
sich ein abgerundetes Knie, das noch zum Anlaufbereich gehört; dieses Knie kann
auf die Eigenschaften eines Reglers störend einwirken und insbesondere verhindern,
daß derDieselmotor an der Rauchgrenze bis zu seiner maximalen Leistung (größte Einspritzmenge
bei höchster Drehzahl) voll ausgefahren wird. Mit der vorliegenden Erfindung wird
dieser Nachteil vermieden.
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Die Arbeitsweise der Knickdiode 53 ist also ähnlich derjenigen einer
Zenerdiode (die jedoch bei Verwendung an Stelle der Diode 53 umgekehrt gepolt werden
müßte).
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Der Kollektor des Transistors 51 ist über einen verstellbaren .Serienwiderstand
59 mit dem Emitter und über einen verstellbaren Widerstand 60 mit der Basis eines
als: Kompensationstransistors dienenden npn-Transistors 63 verbunden, dessen Kollektor
direkt an der Plusleitung 22 liegt und dessen Basis über einen Heißleiterwiderstand
64 und einen zu diesem parallelliegenden verstellbaren Parallelwiderstand 65 ebenfalls
mit der Plusleitung 22 verbunden ist.
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Die Anode der Diode 45 ist mit dem Abgriff 37, ihre Kathode mit dem
Kollektor eines npn-Transistors 66 verbunden, dessen Emitter direkt an der Minusleitung
21 liegt. Seine Basis ist über einen verstellbaren Widerstand 67 mit seinem Kollektor
sowie direkt mit der Anode einer Zenerdiode 68 verbunden, deren Kathode über einen
verstellbaren Widerstand 69 und einen Heißleiterwiderstand 70 an einen Abgriff 73
eines aus drei Widerständen 74, 75, 76 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen
ist, welch letzterer an der Ausgangsspannung des Tachogenerators 10 liegt.
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Der Kollektor des Transistors 66 ist über einen verstellbaren Serienwiderstand
77 mit dem Emitter und über einen verstellbaren Widerstand 78 mit der Basis eines
als Kompensationstransistor dienenden npn-Transistors 79 verbunden, dessen Kollektor
direkt an der Plusleitung 22 liegt und dessen Basis über einen Heißleiterwiderstand
82 und einen zu diesem parallelliegenden verstellbaren Parallelwiderstand 83 ebenfalls
mit der Plusleitung 22 verbunden ist.
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Die Anode der Diode 48 ist mit dem Abgriff 37, ihre Kathode mit dem
Kollektor eines npn-Transistors 90 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand
91 an der Minusleitung 21 liegt. Seine Basis ist über einen verstellbaren Widerstand
92 mit seinem Kollektor sowie mit der Kathode einer (der Knickdiode 53 des ersten
nichtlinearen Glieds 42 entsprechenden) Knickdiode 93 verbunden, deren Anode über
einen verstellbaren Widerstand 94 und einen Festwiderstand 95 an einen Abgriff 96
eines aus drei Widerständen 97, 98, 99 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen
ist, welch letzterer über die Leitungen 21 und 47 an die Ausgangsspannung des Tachogenerators
10 angeschlossen ist.
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Der Kollektor des Transistors 90 ist über einen verstellbaren Serienwiderstand
100 mit dem Emitter und über einen verstellbaren Widerstand 103 mit der Basis eines
als Kompensationstransistor dienenden npn-Transistors 104 verbunden, dessen Kollektor
direkt an der Plusleitung 22 liegt und dessen Basis über einen Heißleiterwiderstand
105 und einen zu diesem parallelliegenden verstellbaren Parallelwiderstand 106 ebenfalls
mit der Plusleitung 22 verbunden ist.
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Die Schaltung nach F i g. 1 arbeitet wie folgt: Es sei angenommen,
daß die Batterie 20 im Betrieb eine Spannung von 12 V abgebe. Dann ist der Transistor
51 des ersten nichtlinearen Glieds 42 mit Hilfe des Widerstands 52 so eingestellt,
daß in dem Zustand, in dem die Knickdiode 53 noch nicht leitend ist, d. h. sich
in, ihrem Auslaufbereich 61 befindet, auch der Transistor 51 gesperrt ist, so daß
zwischen seinem Kollektor und seinem Emitter die volle Batteriespannung von 12 V
liegt. In gleicher Weise ist auch der Transistor 66 des zweiten nichtlinearen Glieds
43 eingestellt, d. h., auch hier liegt zwischen Emitter und Kollektor des Transistors
66 die volle Batteriespannung von 12 V. In F i g. 3 ist diese Spannung von 12 V
bzw. der ihr entsprechende Hub H durch eine gestrichelte Linie 113 dargestellt.
Der
Transistor 90 des dritten nichtlinearen Glieds 46 dagegen ist mittels seines Einstellwiderstands
92 so eingestellt, daß bei gesperrter Knickdiode ein kleiner Basisstrom über diesen
Widerstand 92 fließt und daher die Spannung zwischen dem Kollektor dieses Transistors
und der Minusleitung 21 nur 9 V beträgt. Da der Kollektor des Transistors 90 somit
eine geringere Spannung (9 V) gegenüber der Minusleitung 21 hat als der Kollektor
des Transistors 51 (12 V), fließt von letzterem ein Strom über die Dioden 44 und
48 zum Kollektor des Transistors 90, dessen Spannung somit bei sehr niedrigen Drehzahlen
nmot bestimmend für die Spannung am Abgriff 37 des hochohmigen Spannungsteilers
38, 39, 40 ist, und zwar unabhängig von der Stellung dieses Abgriffs 37. Die Regelstange
11 wird also bei kleinen Motordrehzahlen in die Vollasthubstellung gebracht, entsprechend
dem Kurvenstück 110 der F i g. 3. Dabei wirkt sich, wie aus F i g. 3 ersichtlich,
eine Krümmung 114 der durch das zweite nichtlineare Regelglied 42 erzeugten, mit
111 bezeichneten Leerlaufabregellinie nicht aus, da sie durch das dritte nichtlineare
Glied 46 - Kurvenstück 110 - überhaupt nicht zur Wirkung kommt. (Diese Krümmung
114 wird durch das Knie in der Kennlinie der Knickdiode 53 hervorgerufen.) Erhöht
sich bei durchgetretenem Gaspedal 36 die Motordrehzahl über den in F i g. 3 mit
n1 bezeichneten Wert hinaus, so würde bei maximalem Hub der Einspritzpumpe dem Dieselmotor
zuviel Kraftstoff zugeführt und deshalb Rauch im Auspuff erscheinen, da der Kraftstoff
nicht vollständig verbrannt wird. Deshalb ist der Abgriff 96 des Spannungsteilers
97, 98, 99 so eingestellt, daß bei dieser Drehzahl, der eine bestimmte Ausgangsspannung
des Tachogenerators 10 entspricht, die Knickdiode 93 leitend wird.
Dadurch fließt ein größerer Basisstrom im Transistor 90, und dieser wird stärker
leitend. (Der Kompensationstransistor 104 hat über die Widerstände 103, 105,
106
ein gegenüber seinem Emitter positives Basispotential, so daß er, zusammen
mit dem Serienwiderstand 100, als Kollektorwiderstand des Transistors 90 wirkt.)
Wenn der Transistor 90 stärker leitend wird, sinkt die Spannung zwischen seinem
Kollektor und der Minusleitung 21 und wird kleiner als die am Abgriff 37 bei Vollgas
eingestellte Spannung, so daß über die Diode 48 ein Strom vom Abgriff 37 zum Kollektor
des Transistors 90 fließt. Dadurch wird auch die Spannung zwischen dem Abgriff 37
und der Minusleitung 21 kleiner, und über den Verstärker 24 wird die Regelstange
12 auf einen kleineren Hub, entsprechend einer kleineren Einspritzmenge, eingestellt.
Dieser Hub wird dabei um so stärker vermindert, je höher die Drehzahl des. Dieselmotors
ist, da mit zunehmender Drehzahl die Ausgangsspannung des Tachogenerators 10 und
damit die Spannung am Abgriff 96 zunimmt, wodurch auch der Basisstrom des Transistors
90 zunimmt und sich die Spannung zwischen dessen Kollektor und der Minusleitung
21 entsprechend vermindert. Durch den Gegenkopplungswiderstand 91 erreicht man,
daß diese Begrenzung des Hubes, die in F i g. 3 mit 107 bezeichnet ist und gewöhnlich
Vollastangleichung genannt wird, mit steigender Drehzahl nur langsam in ihrer Wirkung
zunimmt. Die gewünschte Steigung der Kurve 107 kann mit Hilfe des Widerstands 94
eingestellt werden, der Einsatzpunkt 115 der Vollastangleichung mit dem Abgriff
96. Erreicht die Drehzahl nmot des Dieselmotors den in F i g. 3 mit n2 bezeichneten
Wert, so erreicht die Spannung am Abgriff 73 des Spannungsteilers 74, 75, 76 einen
solchen Wert, daß die Zenerdiode 68 leitend wird und ein Basisstrom im Transistor
66 zu fließen beginnt. Durch das Verwenden einer Zenerdiode in diesem nichtlinearen
Glied erreicht man, daß das mit 109 bezeichnete Kurvenstück (Endabregelung) sehr
steil wird, d. h., man erreicht einen sehr kleinen Un gleichförmigkeitsgrad. Durch
die im Vergleich zur Knickspannung der Knickdioden 53 und 93 große Zenerspannung
von z. B. 4 V kann nämlich der Widerstand 76 groß im Verhältnis zum Widerstand 74
gemacht werden, d. h., die Bemessung des Spannungsteilers 74, 75, 76 wird günstiger
als bei Verwendung einer Knickdiode.
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Die auch bei Verwendung einer Zenerdiode auftretende Abrundung 116
der Endabregellinie 109 kann hier ebenfalls nicht zur Wirkung kommen, da sie oberhalb
der Kennlinie 107 für die Vollastangleichung liegt und deshalb auf die Stellung
der Regelstange 11 keinen Einfluß hat. Man erhält dadurch einen scharfen Übergang
von der Kennlinie 107 über einen Knickpunkt 108 in die Kennlinie 109. Hier liegt
ein besonderer Vorteil der Anordnung nach F i g. 1, denn im Punkt 108 gibt der Dieselmotor
seine größte Leistung ab, und es ist sehr erwünscht, diese größte Leistung auch
voll ausnutzen zu können, was aber nur durch den scharfen Übergang möglich ist.
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Wenn die Zenerdiode 68 leitend ist, wird durch den Basisstrom im Transistor
66 auch dieser leitend, so daß die Spannung zwischen seinem Kollektor und seinem
Emitter, die vorher etwa gleich der Spannung der Batterie 20 war, auf einen Wert
sinkt, der kleiner ist als die Spannung zwischen dem Abgriff 37 und der Minusleitung
21. (Der Serienwiderstand 67 und der Transistor 79 wirken - genau wie der Serienwiderstand
100 und der Transistor 104 für den Transistor 90 - als Kollektorwiderstand für den
Transistor 66.) Dadurch fließt ein Strom vom Abgriff 37 über die Diode 45 zum Kollektor
des Transistors 66, so daß die Spannung am Abgriff 37 sinkt, und zwar um so mehr,
je mehr die Drehzahl nmot und damit die Ausgangsspannung des Tachogenerators 10
ansteigt. Bei der in F i g. 3 mit nm", bezeichneten Drehzahl ist der Transistor
66 voll leitend, so daß die Spannung zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor
praktisch auf Null absinkt und damit auch die Regelstange 12 in eine Stellung gebracht
wird (z. B. durch eine nicht dargestellte Feder), die dem Hub Null (oder einer fest
einstellbaren Mindestförderung) der Einspritzpumpe 11 entspricht. - Mit dem Widerstand
69 ist es möglich, die Neigung des Kurvenstücks 109 einzustellen. Der Heißleiter
70 dient (ebenso wie die Heißleiter 54 und 58) zur Temperaturkompensation. Da nämlich
die Endabregellinie 109 in der Praxis einen sehr kleinen Ungleichförmigkeitsgrad
von z. B. 12% hat, genügen die Kompensationsglieder 67, 78, 79, 82, 83 noch nicht
zum völligen Ausgleich der Temperatureinflüsse. Mit dem Heißleiter 70 ist dann die
gewünschte vollständige Kompensation möglich.
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Bei Drehzahlen unter n1 kann bei entsprechender Stellung des Gaspedals
36 der volle Hub Hm"" ausgenutzt werden. Dies entspricht dem mit 110 bezeichneten
Kurvenstück.
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Im Leerlauf befindet sich das Gaspedal 36 in seiner Ruhestellung,
und die Einspritzpumpe fördert eine bestimmte Mindestmenge. .Sinkt dabei die Drehzahl
des
Dieselmotors unter eine bestimmte Drehzahl nmin" so wird die bis dahin gut leitende
Knickdiode 53 mit abnehmender Drehzahl immer stärker gesperrt. Der bis zu dieser
Drehzahl herunter gut leitende Transistor 51 erhält dadurch einen immer geringeren
Basisstrom, so daß die Spannung zwischen seinem Emitter und seinem Kollektor ansteigt.
Wird diese Spannung größer als die Spannung zwischen dem Abgriff 37 und der Minusleitung
21, so fließt vom Kollektor des Transistors 51 über die Diode 44 ein Strom zum Abgriff
37 und erhöht dessen 'Spannung, wodurch der Hub der Einspritzpumpe 11 vergrößert
und ein Unterschreiten der unteren Leerlaufdrehzahl n"t" verhindert wird. Dieser
Vorgang wird mit Leerlaufabregelung bezeichnet und wird in F i g. 3 durch das mit
111 bezeichnete Kurvenstück dargestellt.
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Die drei Kompensationstransistoren 63, 79, 104 sind ähnlich geschaltet
und stellen zusammen mit den ihnen zugeordneten Widerständen jeweils für den zu
ihnen gehörenden Transistor 51, 66 und 90 einen Ersatzwiderstand dar," dessen Temperaturgang
reziprok zu demjenigen des zugehörigen nichtlinearen Glieds ist. Im folgenden soll
die Wirkung des mit dem Transistor 63 aufgebauten Kompensationsglieds näher beschrieben
werden. Diese Ausführungen gelten dann entsprechend für die Transistoren 79 und
104 und die ihnen zugeordneten Schaltglieder.
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Da der Kollektorstrom eines Transistors bei gleichbleibendem Bassistrom
etwa linear mit der Temperatur zunimmt, muß sein Kollektorwiderstand etwa ; linear
abnehmen, wenn die Ausgangsspannung an diesem unabhängig von der Temperatur gleichbleiben
soll. Ein üblicher Heißleiterwiderstand, wie er unter der Bezeichnung »NTC-Widerstand«
im Handel ist, erfüllt diese Bedingung nicht. Seine Kennlinie 120 des Widerstands
R über der Temperatur T ist in F i g. 4 dargestellt.
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Da diese Kennlinie für eine Temperaturkompensation ungeeignet ist,
muß sie linearisiert werden. Dies erreicht man durch Parallelschalten eines Widerstands,
der sich mit der Temperatur nicht ändert und deshalb als »temperaturstabil« bezeichnet
ist. Die Größe dieses Parallelwiderstands bestimmt den quasilinearen Bereich dieser
in F i g. 5 dargestellten, mit 121 bezeichneten Widerstandskurve über der Temperatur,
die mit guter Näherung durch eine Interpolationsgerade 122 dargestellt werden kann.
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In F i g. 1 sind z. B. beim ersten nichtlinearen Glied 42 der Heißleiter
64 und der Parallelwiderstand 65 zu diesem Zweck vorgesehen. In Serie mit ihnen
liegt der Widerstand 60, der zum Einstellen des Arbeitspunktes des Transistors 63
dient. Dieser Arbeitspunkt wird in vorteilhafter Weise so gewählt, daß dieser Transistor
in positiver und in negativer Richtung möglichst weit ausgesteuert werden kann (sogenannter
A-Betrieb).
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Soll die Einstellung der Temperaturgrenzen verändert werden, z. B.
nicht mehr, wie in F i g. 5 dargestellt, von -20 bis -f-80° C, sondern 0 bis 50°
C, so muß der Parallelwiderstand 65 neu eingestellt werden. Dies ergibt einen neuen
Gesamtwiderstand der Parallelschaltung der Widerstände 64 und 65, so daß nunmehr
mit Hilfe des Widerstands 60 auch der Arbeitspunkt des Transistors 63 neu eingestellt
werden muß.
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Die Interpolationsgerade 122 (F i g. 5 und 6) hat bereits eine ziemliche
Steilheit, d. h., der Temperaturgang dieser Widerstandskombination ist bereits ziemlich
groß. Durch die Verstärkung des Transistors 63 wird diese Steilheit noch vergrößert,
wie das in Fig. 6 an der Widerstandsgeraden 123 dargestellt ist. Um nun eine Kennliniensteilheit
zu erhalten, wie sie für die Kompensation des Temperaturgangs des Transistors 51
und seiner Schaltelemente 52 bis 58 notwendig ist, ist eine einstellbare Gegenkopplung
für den Transistor 63 vorgesehen, mit der diese Steilheit eingestellt werden kann.
Eine einfache Lösung ergibt sich durch :eine Stromgegenkopplung mittels des Serienwiderstands
59. Durch geeignete Einstellung dieses Widerstands erhält man dann die gewünschte
Widerstandskennlinie 124.
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Statt der Verwendung von npn-Transistoren, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel,
ist bei Umpolung der entsprechenden Schaltelemente und Stromversorgungsquellen die
Verwendung von pnp-Transistoren möglich.
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Auch ist selbstverständlich die Kombination, pneumatischen oder hydraulischen
Regelgliedern mit elektronischen Reglern nach der Erfindung ohne weiteres möglich,
und zwar kann man hier regelrecht nach einem Baukastensystem arbeiten, indem man
z. B. für die eine Begrenzung -ein elektronisches Glied, für die andere ein mechanisches
verwendet oder auch zur Erhöhung der Sicherheit, z. B. bei der Endabregelung, mechanische
und elektronische Glieder parallel verwendet.
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Selbstverständlich können in einem einzigen nichtlinearen Glied auch
mehrere nichtlineare Funktionen vereinigt werden, ebenso wie es andererseits möglich
ist, statt der im Ausführungsbeispiel gezeigten drei nichtlinearen Glieder auch
eine größere Zahl von nichtlinearen Gliedern, z. B. zum Einstellen einer sogenannten
negativen Vollastangleichung, wie sie in F i g. 3 gestrichelt eingezeichnet und
mit 112 bezeichnet ist, vorzusehen.
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Die Einspritzpumpe und/oder der Tachogenerator können auch mit einer
Drehzahl angetrieben werden, die der Drehzahl nMot des Dieselmotors etwa proportional
ist, z. B. der Drehzahl der Nockenwelle.
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Eine besonders raumsparende und zugleich betriebssichere Lösung ergibt
sich durch den Einbau des Tachogenerators und des elektronischen Reglers in das
Gehäuse der Einspritzpumpe. Besonders wenn man an Stelle des in F i g. 1 dargestellten
elektromagnetischen Stellglieds einen hydraulischen Kraftverstärker mit elektrischem
Eingangsglied verwendet, wird der Aufbau sehr raumsparend, da bei dieser Lösung
nur kleine Steuerströme benötigt werden und der hydraulische Arbeitsdruck ohne weiteres
der Einspritzpumpe entnommen werden kann. Man kann dann für den größten Teil der
Schaltung integrierte Schaltkreise verwenden und im Betrieb gegebenenfalls sogar
den Tachogenerator als Spannungsquelle verwenden, so daß ein Anschluß an die Batterie
eventuell ganz entfallen kann.