DE10052100A1

DE10052100A1 - Verfahren und Meßvorrichtung zur Bestimmung der zugeführten Kraftstoffmenge zur Ansaugluft einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10052100A1
Application number: DE2000152100
Authority: DE
Inventors: Holger Paffrath
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2002-05-02

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der zugeführten Kraftstoffmenge zur Ansaugluft einer Brennkraftmaschine und Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß neben einer volumetrischen Bestimmung der Kraftstoffmenge gleichzeitig die Kraftstoffdichte ermittelt wird. Nur auf diese Weise ist eine Bestimmung des tatsächlichen Kraftstoffmassestroms unabhängig vom Zustand des Kraftstoffes möglich. Die Bestimmung der Kraftstoffdichte kann zum Beispiel in einer Meßkammer 15 erfolgen, der über eine Heizspirale 17 eine definierte Wärmemenge zugeführt wird. Das Volumen ist während der Messung durch Klappen 14 von der Kraftstoffleitung 10 getrennt, so daß die Temperatur t und der Druck p aufgezeichnet werden können. Eine Steuerung 16 ermittelt daraus die Kraftstoffdichte und gibt sie als Meßwert a aus. Hierdurch kann zum Beispiel die Kraftstoffeinspritzung angesteuert werden. Der bekannten Kraftstoffmassestrom läßt vorteilhafterweise eine präzisere Einstellung der Kraftstoffzuführung zu, wodurch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine sowie deren Schadstoffemission gesenkt werden können.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der zugeführten Kraftstoffmenge zur Ansaugluft einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine zur Anwendung des genannten Verfahrens geeig nete Meßvorrichtung.

Bei Verbrennungsmotoren erlangt die Kenntnis über das Kraftstoff-Luftverhältnis, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, zunehmend an Bedeutung. Das Luftverhältnis kann zum Beispiel mit einer Lambdasonde bestimmt werden. Ein zuverlässiger Wert für das Kraftstoff-Luftverhältnis läßt sich aber nur unter der Voraussetzung eines stöchio metrischen Betriebszustands der Brennkraftmaschine ermitteln. Ottomotoren besitzen jedoch auch außerstöchiometrische Betriebspunkte und Dieselmotoren können generell nicht stöchiometrisch betrieben werden.

Die Ursache liegt in der nicht bekannten Kraftstoffdichte. Bei Verbrennungskraftmaschi nen wird der Kraftstoff volumetrisch zugemessen. Da die Dichte nicht bekannt ist, kann der genaue Massestrom des Kraftstoffes selbst bei bekanntem Volumenstrom nicht er mittelt werden.

Abhilfe für dieses Problem wird gemäß der DE 196 23 734 A1 dadurch geschafft, daß in dem Kraftstoffzuführsystem der Druck und die Temperatur des Kraftstoffes in jedem Be triebszustand der Brennkraftmaschine bekannt sind. Durch eine entsprechende Kühlung des Kraftstoffes wird dessen Temperatur konstant gehalten. Die Kraftstoffdichte ist von diesen beiden Parametern abhängig, so daß bei diesem System von einer konstanten Kraftstoffdichte ausgegangen werden kann. Durch diese Maßnahme läßt sich die Masse des zugeführten Kraftstoffes durch eine volumetrische Messung exakt bestimmen.

Allerdings muß bei der beschriebenen Meßvorrichtung für die gleichbleibende Tempera tur des Kraftstoffes gesorgt werden. Dies bedeutet einen nicht unwesentlichen Aufwand der sich nur bei Großmotoren rentiert, bei denen eine Verbesserung des Wirkungsgrades im Promillebereich bereits eine deutliche Verbesserung von deren Wirtschaftlichkeit dar stellt. Bei zum Beispiel PKW Motoren würde der Mehraufwand einer Kühl- oder auch Heizvorrichtung für den Kraftstoff, die eine gleichbleibende Temperierung desselben er möglicht, nicht durch die erhöhte Wirtschaftlichkeit im Kraftstoffverbrauch ausgeglichen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine für dieses Verfahren geeig nete Meßvorrichtung zu schaffen, welches die genaue Bestimmung der zugeführten Kraftstoffmenge bei unterschiedlichen Zuständen des Druckes und der Temperatur des Kraftstoffes erlaubt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterhin wird gemäß Anspruch 7 eine Meßvorrichtung zur Anwendung des Ver fahrens gemäß Anspruch 1 beansprucht.

Vorteile der Erfindung

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bestimmung der zugeführten Kraft stoffmenge zur Ansaugluft der Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise volu metrisch. Dies kann beispielsweise durch eine Lambdasonde oder auch durch ein in die Kraftstoffleitung oder in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine hineinreichendes Flü gelrad erfolgen. Hierbei kann auf bewährte Techniken zurückgegriffen werden, wodurch kostengünstige Lösungen realisierbar sind.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Kraftstoffdichte ermittelt wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß über das ermittelte durchgeleitete Kraftstoff volumen und die Kraftstoffdichte der tatsächliche Massenstrom des Kraftstoffes ermittelt werden kann. Damit können Schwankungen des Druckes sowie der Temperatur des Kraftstoffes in der Kraftstoffleitung ausgeglichen werden. Es ergibt sich der Vorteil, daß die Abstimmung der Kraftstoffzuführung an die Brennkraftmaschine feiner erfolgen kann. Dies bedeutet zum Beispiel für einen Dieselmotor, daß dieser unter Vollast auch bei un günstigen Umständen nicht zu einer verstärkten Rußbildung neigt. Bei Ottomotoren muß unter Vollast das Gemisch nicht so stark angefettet werden, um die Abgastemperatur in zulässigen Grenzen zu halten. Auch Schwankungen der Kraftstoffqualität, die sich regio nal ergeben können, können durch eine Anpassung der Zuführcharakteristik des Kraft stoffes in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ausgeglichen werden.

Die Kraftstoffdichte kann zum Beispiel optisch mittels Lichtdurchstrahlung bestimmt wer den. Ein besonderes kostengünstiges sowie zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung der Kraftstoffdichte nutzt jedoch eine Wärmequelle, die eine Wärmemenge definierter Heizleistung erzeugt, mit der der Kraftstoff erwärmt wird. Genauso denkbar ist eine Küh lung des Kraftstoffes, wodurch eine Wärmemenge definierter Heizleistung dem Kraftstoff entnommen wird. Die Wärmemenge ist dann sozusagen negativ. Um die Kraftstoffdichte zu ermitteln wird der Einfluß der Wärmemenge auf Druck, Temperatur und Volumen des Kraftstoffes festgestellt. Es müssen also Aussagen vor und nach Einleitung oder Ent nahme der Wärmemenge vorliegen. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wie im folgenden näher ausgeführt wird.

Es ist vorteilhaft, den Aufwand für die Messung für Druck, Temperatur und Volumen des Kraftstoffes möglichst gering zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß von die sen Parametern während der Beeinflussung des Kraftstoffes durch die Wärmemenge mindestens einer konstant gehalten wird. Dieser muß zur Ermittlung der Kraftstoffdichte dann nicht gemessen werden, da der Einfluß der Wärmemenge sich nur auf die anderen Parameter bezieht.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß zwar alle Parameter verändert werden, daß aufgrund der durch die Meßstrecke vorgegebenen Gegebenheiten ein fester Zusammen hang zwischen der Veränderung mindestens zweier Parameter besteht. In diesem Fall muß nur einer dieser Parameter gemessen werden weil die Veränderung des anderen Parameters sich direkt aus dieser Messung ergibt. Insofern sind dann alle Veränderun gen, die sich durch die Beeinflussung der Wärmemenge ergeben, bekannt.

Um die beschriebenen Vereinfachungen des Meßverfahrens zu erreichen, kann die Meß vorrichtung auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, eine Meßkammer vorzusehen, so daß die Kraftstoffdichte diskontinuierlich bestimmt werden kann. Hierzu wird die Meßkammer mit Kraftstoff gefüllt und verschlos sen. Dadurch wird das Volumen des gemessenen Kraftstoffes festgelegt, und kann sich nicht mehr verändern, so daß eine Messung nicht notwendig ist. Sobald das feste Volu men durch die Wärmemenge beeinflußt wurde, verändern sich Druck sowie Temperatur des Kraftstoffes, wodurch ein direkter Rückschluß auf die vorliegende Kraftstoffdichte möglich ist. Anschließend kann die Kammer geöffnet werden und der Kraftstoff in die Kraftstoffleitung zurückgeleitet werden.

Ein besonders einfaches Verfahren zur Einbringung der Wärmemenge wird durch eine elektrische Heizung realisiert. Die definierte Heizleistung dieser Heizung wird erreicht, indem diese mit einem Strom definierter Spannung und Stromstärke über einen definier ten Zeitraum beaufschlagt wird. Eine derartige Heizung ist einfach zu realisieren. Im Falle des Vorsehens einer Meßkammer kann zum Beispiel einfach eine Heizspirale in dieses Volumen eingebracht werden.

Im Falle einer diskontinuierlichen Messung der Kraftstoffdichte kann diese in regelmäßi gen Abständen durchgeführt werden. Eine kontinuierliche Messung ist im allgemeinen nicht notwendig, da die Veränderung des Zustandes des Kraftstoffes nur langsam erfolgt. Ein wichtiger Einflußfaktor für die Kraftstoffdichte ist zum Beispiel die vorliegende Au ßentemperatur. Wird die Kraftstoffdichte gleich beim Start der Brennkraftmaschine ge messen so kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine sofort angepaßt werden. Im folgenden kann zum Beispiel halbstündig eine Messung zur Korrektur durchgeführt werden.

Es ist jedoch auch eine kontinuierliche Messung des Kraftstoffes möglich. In diesem Fall könnte zum Beispiel eine Heizung, realisiert durch einen Heizdraht, in der Kraftstofflei tung untergebracht werden. Gemessen werden muß die Temperatur vor und nach der Heizuspule, durch Rückschlüsse auf die Kraftstoffdichte möglich werden. Eine Messung kann nur durchgeführt werden, während der Kraftstoff die Leitung durchfließt, daß heißt während eine Zumischung des Kraftstoffes in die Verbrennungsluft erfolgt. Besonders einfach wird die Messung, wenn der Volumenstrom während der Messung konstant gehalten wird. Der Druck und das Volumen des durchfließenden Kraftstoffes muß dann bei einer stationären Durchströmung nicht beachtet werden. Allerdings muß der Druck während der Messung konstant gehalten werden. Das betrachtete Volumen ergibt sich indirekt aus dem gemessenen Volumenstrom. Es entspricht der aufgeheizten Kraftstoff menge, die an der Heizspirale vorbeifließt. Selbstverständlich läßt sich auch das instatio näre Meßsystem mit Hilfe einer Kühlung erreichen.

Die einzelnen Meßfühler für die beschriebenen Meßverfahren müssen zum Beispiel durch eine Steuerung ausgewertet werden. Diese kann gleichzeitig die Heizung oder die Kühlung ansteuern. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, die tatsächliche Kraftstoff dichte zu ermitteln. Es reicht aus, wenn über eine Systemkonstante das Kraftstoffeinspritzsystem an den ermittelten Wert angepaßt werden kann. Über die Systemkonstante läßt sich die Meßeinrichtung an verschiedene Fahrzeuge anpassen.

Die Meßstrecke der Meßvorrichtung kann auf unterschiedliche Weise in das Kraftstoff zuführsystem integriert werden. Im Falle der Verwendung einer verschließbaren Meß kammer ist es sinnvoll, diese als Bypass der Kraftstoffleitung anzuordnen. Die Bypass leitungen werden nur während der Messung verschlossen, so daß die Meßkammer in der Zwischenzeit ständig durch den Kraftstoff durchflossen wird. Hierdurch wird gewährleis tet, daß zum Zeitpunkt der Messung Kraftstoff mit den aktuellen Eigenschaften in der Meßkammer befindlich ist. Die Bypassschaltung ist auch deswegen notwendig, weil eine Kraftstoffzuführung auch während des Meßvorgangs gewährleistet sein muß. Dies kann über die Kraftstoffleitung erfolgen, an der der Bypass angebracht ist.

Zur Anwendung der beschriebenen Verfahren können Sensoren verwendet werden, die ohnehin im Kraftstoffzuführsystem vorhanden sind. Zum Beispiel muß der Druck des Kraftstoffes häufig ohnehin ermittelt werden. In diesem Fall sind Meßverfahren sinnvoll, die zur Auswertung der Kraftstoffdichte den Druck heranziehen. Auch die Temperatur des Kraftstoffes muß eventuell ermittelt werden. In diesem Fall kann der Temperatursensor auch zur Dichtebestimmung herangezogen werden.

Eine Anordnung der Meßstrecke in einer Bypassleitung ist übrigens auch bei kontinuierli cher Messung sinnvoll. In dieser Leitung kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kraft stoffes herabgesetzt werden, wodurch eine genauere Messung erfolgen kann. Auch kön nen die zugeführten Wärmemengen dadurch verkleinert werden. Im Prinzip besteht kein Interesse daran, den Kraftstoff übermäßig zu erwärmen.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen au ßer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombi nationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnungen

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schemati schen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Meßvorrichtung zur Kraftstoffdichtebe stimmung unter Verwendung einer im Nebenstrom angeordneten Meß kammer und

Fig. 2 die kontinuierliche Bestimmung der Kraftstoffdichte durch eine Meßvor richtung in der Kraftstoffleitung in schematischer Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Meßvorrichtung, die in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einer Kraftstoffleitung 10 und einer parallel dazu angeordneten Meßstrecke 11. In der Kraftstoffleitung ist zur Mes sung des Volumenstroms ein Schaufelrad 12 angebracht. Die Kraftstoffleitung 10 ist mit einem nicht dargestellten Kraftstofftank und einer nicht dargestellten Kraftstoffeinsprit zung in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine oder direkt in den Zylinder verbunden.

Dargestellt ist die Meßvorrichtung im Zustand zwischen zwei Messungen. Das heißt, daß eine Bypassleitung 13 mit der Kraftstoffleitung 10 verbunden ist. Dies wird durch Öffnen von Klappen 14 erreicht. Damit wird eine Meßkammer 15 vom Kraftstoff durchströmt.

Um den Meßvorgang einzuleiten, werden die Klappen 14 geschlossen. Damit ergibt sich in der Meßkammer eine Kraftstoffmenge definierten Volumens. Durch eine Steuerung 16 wird eine Heizung 17 angesteuert, die aus einer elektrischen Heizspule besteht. Mit de ren Hilfe wird eine definierte Wärmemenge in die Meßkammer 15 eingeleitet. Ein Tempe ratursensor t und ein Drucksensor p ermitteln den Zustand des Kraftstoffes vor und nach Einbringung der Wärmemenge. Die Steuerung 16 kann durch einen Vergleich der ermit telten Druck- und Temperaturwerte ein zur Dichte proportionales Ausgangssignal a er zeugen, welches zur Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzung genutzt werden kann. Nach erfolgtem Meßvorgang wird die Meßkammer durch Öffnen der Klappen 14 wieder mit der Kraftstoffleitung 10 verbunden.

In Fig. 2 ist eine Meßvorrichtung für eine kontinuierliche Messung der Kraftstoffdichte dargestellt. Die Wärmemenge zur Bestimmung der Kraftstoffdichte wird dem Kraftstoff durch einen Kühler 20 entzogen. Das Kühlfluid kann zum Beispiel Luft sein, die über ei nen Ventilator 18 zugeführt wird. Der Ventilator 18 wird durch die Steuerung 16 ange steuert. In Abhängigkeit von der Drehzahl des Ventilators ist ein Rückschluß über den Volumenstrom der Kühlluft im Kühler möglich. Weiterhin wird durch einen Temperatursensor t₁ die Temperatur der Kühlluft gemessen. Über einen Temperatursensor t₂wird die Temperatur des Kraftstoffes vor der Kühlung gemessen. Der hieraus resultierende Tem peraturunterschied ist ausschlaggebend für die dem Kraftstoff entzogene Wärmemenge. Hierbei muß gleichzeitig der Volumenstrom des Kraftstoffes beachtet werden, der durch eine Lambdasonde 19 ermittelt wird.

Die Temperatur des Kraftstoffes nach Durchlaufen des Ventilators 18 wird durch einen Temperatursensor t₃ ermittelt. Die Steuerung 16 kann durch einen Vergleich der Tempe raturen des Kraftstoffes vor und nach dem Kühler einen zur Dichte proportionalen Wert a ausgeben, über den der tatsächliche Massenstrom des Kraftstoffes ermittelbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der zugeführten Kraftstoffmenge zur Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, bei dem die Kraftstoffmenge durch ein Mittel (12, 19) zur volu metrischen Bestimmung des zugeführten Kraftstoffes gemessen wird, dadurch ge kennzeichnet, dass zusätzlich die Kraftstoffdichte ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff zur Mes sung der Kraftstoffdichte mit einer Wärmemenge definierter Heizleistung beaufschlagt wird, wobei zur Ermittlung der Kraftstoffdichte der Einfluß der Wärmemenge auf Druck, Temperatur und Volumen des Kraftstoffes ausgewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung der Kraftstoffdichte von den Parametern Druck, Temperatur und Volumen mindestens ei ner konstant gehalten wird und nur die Veränderung der veränderlichen Parameter gemessen wird, wobei mindestens ein Parameter veränderlich ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen zumindest zweien der Parameter Druck, Temperatur und Volumen bei der Veränderung auf Grund des Einflusses der Wärmemenge bekannt ist, und nur die Veränderung eines dieser Parameter ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Heizleistung durch eine elektrische Heizung (17) erzeugt wird, die mit ei nem Strom definierter Spannung und Stromstärke über einen definierten Zeitraum beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffdichte diskontinuierlich in einer Meßkammer (15) ermittelt wird.

7. Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorherigen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben einem Mittel (12, 19) zur volumetri schen Bestimmung des zugeführten Kraftstoffes eine Meßstrecke (11) zur Ermittlung der Kraftstoffdichte vorgesehen ist.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßstrecke (11) eine verschließbare Meßkammer (15) aufweist, die als Bypass zu einer Kraft stoffleitung (10) ausgeführt ist.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese in der Meßstrecke eine Heizung (17) zur Erwärmung des Kraftstoffes auf weist.