DE10148649C1 - Verfahren sowie Steuer und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren sowie Steuer und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) wird der Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe (14) gefördert. Einlassseitig ist diese Kraftstoffpumpe (14) mit einem Kraftstoffbehälter (12) verbunden. Über mindestens eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (16) gelangt der Kraftstoff in mindestens einen Brennraum (22) der Brennkraftmaschine (10). Um den Kraftstoff noch genauer in den Brennraum (22) der Brennkraftmaschine (10) einspritzen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Kraftstoffmenge, welche in den Brennraum (22) gelangt, aus dem Signal einer Durchflussmesseinrichtung (18) ermittelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine, bei dem der Kraftstoff von einer
Kraftstoffpumpe gefördert wird, welche einlassseitig mit einem
Kraftstoffbehälter verbunden ist, und bei dem der Kraftstoff
über mindestens eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in
mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt,
wobei die Kraftstoffmenge, welche in den Brennraum gelangt,
aus dem Signal einer Durchflussmesseinrichtung ermittelt wird.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 196 25 487 A1 bekannt. Es
wird bei einer Brennkraftmaschine eingesetzt, welche in ein
Kraftfahrzeug eingebaut ist. Eine elektrische Kraftstoffpumpe
fördert den Kraftstoff aus einem Tank zu einer Kraftstoff-
Sammelleitung ("Rail"). An diese sind mehrere Injektoren
angeschlossen, welche den Kraftstoff direkt in einen dem
jeweiligen Injektor zugeordneten Brennraum einspritzen. Aus
zwei Durchflussmengenmessern wird die den Brennräumen
insgesamt zugeführte Kraftstoffmenge ermittelt. Aus der DE 199 45 673 A1
ist ein ähnliches Verfahren bekannt, welches eher
bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung zum Einsatz
kommt. Dort verfügt jeder Injektor über einen eigenen
Durchflussmengenmesser.
Üblicherweise wird die Einspritzzeit einer Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung durch eine Kennlinie vorgegeben. In diese
wird eine einzuspritzende Kraftstoffmenge eingespeist, welche
wiederum vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und von
der von der Brennkraftmaschine gewünschten Leistung abhängt.
Grundsätzlich ist es möglich, dass trotz der richtigen
Öffnungsdauer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung nicht die
beabsichtigte Kraftstoffmenge abgegeben wird. Grund hierfür
können bspw. verstopfte Spritzlöcher in der Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung sein. Auch Fertigungstoleranzen können
dazu führen, dass bei gleicher Öffnungsdauer die von
verschiedenen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen abgegebenen
Kraftstoffmengen unterschiedlich sind.
Quasistationäre Änderungen können über eine Änderung des
Kraftstoffverbrauchs aufgrund der Lambda-Regelung oder durch
eine Änderung der Last und/oder der Leistung bemerkt werden.
Bei dem bekannten Verfahren liegt die von der Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung in die Brennräume insgesamt gelangende
Kraftstoffmenge insoweit unmittelbar vor, als sie nicht aus
anderen Größen rückgerechnet wird. Bei diesen Größen kann es
sich bspw. um den Einspritzdruck und die Einspritzzeit
handeln. Die Einspritzzeit ist jedoch keine gemessene Größe,
sondern eine vorgegebene Größe. Ob die tatsächliche
Einspritzzeit auch wirklich dem gewünschten Wert entspricht,
ist nicht immer bekannt.
Bei Otto-Motoren wird vielfach auch die tatsächlich
eingespritzte Kraftstoffmenge über das Lambda-Verhältnis und
den angesaugten Luftmassenstrom rückgerechnet. Beide Größen
werden zwar durch Sensoren erfasst, jedoch an Stellen, welche
weit vom Brennraum der Brennkraftmaschine entfernt sind. Der
angesaugte Luftmassenstrom wird bspw. am Einlass des
Saugrohres, das Lambdaverhältnis im Bereich des Katalysators
im Abgasrohr gemessen. Aufgrund verschiedener Zeitkonstanten,
die von der Laufzeit des Luftmassenstroms vom Sensor zum
Brennraum und des Abgasstroms vom Brennraum zur Lambda-Sonde
abhängen, kann die Durchflussmenge nicht nach Arbeitszyklen
aufgelöst ermittelt werden.
Im Gegensatz hierzu kann aus dem Signal des
Durchflussmesselements, welches bei dem bekannten Verfahren
eingesetzt wird, die tatsächlich abgegebene Kraftstoffmenge
direkt ermittelt werden. Ungenauigkeiten, welche durch die
Rückrechnung und durch die Berücksichtigung selbst ungenauer
Konstanten entstehen, sind dabei ausgeschlossen. Es versteht
sich, dass es vorteilhaft ist, wenn das Durchflussmesselement
möglichst nahe am Brennraum der Brennkraftmaschine bzw. der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Abweichungen
der von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in einen
bestimmten Brennraum abgegebenen Kraftstoffmenge möglichst
genau bestimmt werden können, und die Kosten dabei gering
sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.
Eine solche Brennkraftmaschine ist relativ preiswert, da im
Extremfall nur eine einzige Durchflussmesseinrichtung
erforderlich ist. Dennoch kann die in einen einzelnen
Brennraum gelangende Kraftstoffmenge sehr exakt bestimmt
werden. Dabei sind keine zusätzlichen Sensoren erforderlich,
denn ein Sensor zur Erfassung der Stellung der Kurbelwelle ist
ohnehin in allen Brennkraftmaschinen vorhanden. Die Kosten
werden durch das erfindungsgemäße Verfahren somit gering
gehalten.
Ein grundsätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt auch darin, dass Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
verwendet werden können, welche den Kraftstoff zwar für die
Verbrennung optimal zerstäuben, jedoch systembedingt aufgrund
der Fertigungstoleranzen relativ hohe Streuungen der
eingespritzten Kraftstoffmenge aufweisen. Ein Beispiel hierfür
sind nach außen öffnende Kegelstrahlventile. Bei diesen tritt
die eigentliche Drosselwirkung direkt am Sitz der Ventilnadel
auf. Somit steht der volle Systemdruck unmittelbar am
Ventilsitz an, was für die Kraftstoffzerstäubung optimal ist.
Man erreicht hierdurch eine sehr gute Penetration des
eingespritzten Kraftstoffs in den Brennraum mit günstigen
Abgas- und Verbrauchseigenschaften. Bei einem solchen
Kegelstrahlventil gelangt jedoch schon bei relativ kleinem Hub
der Ventilnadel eine sehr große Kraftstoffmenge in den
Brennraum. Fertigungstoleranzen haben daher bei einem solchen
Kegelstrahlventil einen relativ gesehen großen Einfluss auf
die eingespritzte Kraftstoffmenge. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren können derartige Streuungen erfasst, überwacht
und/oder ausgeregelt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer ersten Weiterbildung erfasst die
Durchflussmesseinrichtung die Geschwindigkeit, mit der der
Kraftstoff durch einen bestimmten Querschnitt strömt, und es wird
hieraus die Kraftstoffmenge ermittelt. Derartige
Durchflussmesseinrichtungen arbeiten sehr präzise. Mit ihnen
können auch kleinste Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit
erfasst werden.
Je nach Art der Durchflussmesseinrichtung wird eine mittlere
Geschwindigkeit im Strömungsquerschnitt oder eine lokale
Geschwindigkeit erfasst. Da das Strömungsprofil über den
Querschnitt in Kraftstoffleitungen bekannt ist, kann auch aus
einer lokalen Geschwindigkeit eine mittlere Geschwindigkeit
bestimmt werden, aus der dann, unter Berücksichtigung des
Strömungsquerschnitts und der druckabhängigen Dichte des
Kraftstoffs, der Massenstrom des Kraftstoffs ermittelt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die ermittelte Kraftstoffmenge
zusätzlich über die Winkelstellung einer Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine einem bestimmten Brennraum zugeordnet wird.
Hierdurch wir die Genauigkeit des Verfahrens nochmals erhöht.
Dabei fallen keine zusätzlichen Kosten an, da entsprechende
Sensoren ohnehin in allen Brennkraftmaschinen vorhanden sind.
Besonders vorteilhaft ist auch, wenn der aus dem Signal der
Durchflussmesseinrichtung ermittelte Ist-Wert der in einen
bestimmten Brennraum gelangenden Kraftstoffmenge nach einem
Sollwert geregelt wird. Somit gelangt in jeden Brennraum exakt
jene Kraftstoffmenge, welche für den jeweiligen
Betriebszustand der Brennkraftmaschine optimal ist.
Dabei ist es auch möglich, dass aus den in die Brennräume
einer Brennkraftmaschine gelangenden ermittelten
Kraftstoffmengen über mindestens eine Umdrehung der
Kurbelwelle durch gleitende Mittelwertbildung ein Mittelwert
gebildet wird und die Standardabweichungen der jeweiligen in
die einzelnen Brennräume gelangenden ermittelten
Kraftstoffmengen vom Mittelwert gebildet werden, und dass die
Öffnungszeiten der einzelnen Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
so verändert werden, dass die Standardabweichungen minimal
werden. Bei dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens können unterschiedliche Fertigungstoleranzen der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auf einfache Weise
ausgeglichen werden. Dies kommt der Laufruhe der
Brennkraftmaschine zugute, es wird hierdurch aber auch das
Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert.
Dabei wird es besonders bevorzugt, wenn der Mittelwert nach einem
Sollwert geregelt wird. Auf diese Weise ist eine genaue
Leistungs- und Emissionseinstellung möglich.
Weiterhin vorteilhaft ist auch jene Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der bei der Ermittlung der
in einen Brennraum gelangenden Kraftstoffmenge die Zeit
berücksichtigt wird, die der Kraftstoff von der
Durchflussmesseinrichtung zum Brennraum benötigt. Hierdurch
wird die Genauigkeit bei der Ermittlung der in den Brennraum
der Brennkraftmaschine gelangenden Kraftstoffmenge nochmals
verbessert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Steuer- und/oder Regelgerät
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei diesem wird
vorgeschlagen, dass es ein Rechenwerk und einen Speicher mit
implementierter Signalverarbeitungsarithmetik umfasst und
damit zur Umsetzung des obigen Verfahrens beiträgt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit
einem Kraftstoffsystem, mit einem Kraftstoffbehälter, mit
einer Kraftstoffpumpe, welche einlassseitig mit dem
Kraftstoffbehälter verbunden ist, und mit mindestens einer
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, über die Kraftstoff in
mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Um eine solche Brennkraftmaschine verbrauchs- und abgasoptimal
betreiben zu können und um Wartungsmaßnahmen rechtzeitig
durchführen zu können, wird vorgeschlagen, dass sie ein
Steuer- und/oder Regelgerät der obigen Art umfasst.
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, mit
Saugrohreinspritzung;
Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine,
mit Benzin-Direkteinspritzung;
Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines dritten
Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine,
mit Benzin-Direkteinspritzung;
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines vierten
Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine,
mit Benzin-Direkteinspritzung;
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung einer
ersten Ausführungsform einer Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung mit einer integrierten
Durchflussmesseinrichtung;
Fig. 6 eine teilweise geschnittene Detailansicht eines
Bereichs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von
Fig. 5;
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer zweiten
Ausführungsform einer Durchflussmesseinrichtung;
Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Fig. 7 einer dritten
Ausführungsform einer Durchflussmesseinrichtung;
Fig. 9 eine Darstellung ähnlich Fig. 7 einer vierten
Ausführungsform einer Durchflussmesseinrichtung;
Fig. 10 eine Darstellung ähnlich Fig. 7 einer fünften
Ausführungsform einer Durchflussmesseinrichtung;
und
Fig. 11 eine Darstellung ähnlich Fig. 7 einer sechsten
Ausführungsform einer Durchflussmesseinrichtung.
In Fig. 1 trägt eine Brennkraftmaschine insgesamt das
Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 den Kraftstoff
zu einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 hin fördert. Im
Strömungsweg zwischen der Kraftstoffpumpe 14 und der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 ist eine
Durchflussmesseinrichtung 18 angeordnet.
Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 ist in bzw. an einem
Saugrohr 20 angeordnet. Von diesem zweigen Abschnitte 20a,
20b und 20c zu Brennräumen 22a, 22b und 22c ab (die
Brennkraftmaschine 10 hat noch weitere Brennräume, die
jedoch nicht dargestellt sind). Die Verbindung der
Brennräume 22 mit den Saugrohrabschnitten 20 erfolgt über
Einlassventile, welche in der Fig. 1 nicht dargestellt
sind. Die Verbrennungsabgase werden aus den Brennräumen 22
über ebenfalls nicht dargestellte Auslassventile in ein
Abgasrohr 24 eingeleitet. In diesem ist ein Katalysator 26
angeordnet.
Die Winkelstellung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt)
der Brennkraftmaschine 10 wird von einem Winkelsensor 28
abgegriffen. Bei diesem handelt es sich um ein Zahnrad, bei
dem an einer bestimmten Stelle eine Anzahl von Zähnen
fehlt. Mit diesem Zahnrad wird auch die Drehzahl der
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bestimmt. Das Gemisch
aus Kraftstoff und Luft, welches in den Brennräumen 22
verbrannt wurde, wird im Katalysator 26 von einer Lambda-
Sonde 30 gemessen. Der Winkelsensor 28 und die Lambda-Sonde
30 sind ebenso wie die Durchflussmesseinrichtung 18 mit
einem Steuer- und Regelgerät 32 verbunden.
Auch ein Stellungsgeber 34, welcher die Stellung eines
Gaspedals 36 abgreift, liefert Signale an das Steuer- und
Regelgerät 32. Ausgangsseitig ist dieses ferner mit der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 verbunden. Stromaufwärts
von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 ist im Saugrohr
20 eine Drosselklappe 38 und ein Heißfilmsensor 40 ("HFM-
Sensor") angeordnet. Dieser erfasst die durch das Saugrohr
strömende Luftmasse. Die Drosselklappe 38 und der HFM-
Sensor 40 sind ebenfalls mit dem Steuer- und Regelgerät 32
verbunden.
Die Brennkraftmaschine 10 arbeitet folgendermaßen: Abhängig
von der Stellung des Gaspedals 36, welche vom
Stellungsgeber 34 an das Steuer- und Regelgerät 32
übermittelt wird, und der vom Winkelsensor 28 ermittelten
Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 steuert
das Steuer- und Regelgerät 32 die Drosselklappe 38 in eine
bestimmte Stellung. Gleichzeitig wird im Steuer- und
Regelgerät 32 ein dem aktuellen Betriebspunkt
entsprechender Sollwert für die von der Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung 16 einzuspritzende Kraftstoffmenge
ermittelt. Dieser Sollwert richtet sich nach der vom HFM-
Sensor bestimmten Luftmasse.
Die tatsächlich von der elektrischen Kraftstoffpumpe 14 zur
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16 gelangende
Kraftstoffmenge wird dabei aus dem Signal der
Durchflussmesseinrichtung 18 ermittelt und im Sinne eines
geschlossenen Regelkreises nach dem Sollwert geregelt.
Durch diesen geschlossenen Regelkreis kann die
eingespritzte Kraftstoffmenge sehr exakt eingestellt
werden. Ggf. kann über die Lambda-Sonde 30 eine
Nachregelung durch eine Sollwertanpassung erfolgen. Der
Zeitpunkt, zu dem die Kraftstoffmenge von der Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung 16 abgegeben wird, richtet sich nach
dem Arbeitstakt im entsprechenden Brennraum 22. Dieser wird
über den Sensor 28 aus der Winkelstellung der Kurbelwelle
ermittelt.
Mit dem Signal der Lambda-Sonde 30 und des HFM-Sensors 40
kann rückgerechnet werden, wieviel Kraftstoff in den
Brennräumen 22 der Brennkraftmaschine 10 tatsächlich
verbrannt wurde. Ergibt sich hieraus eine Differenz zu der
von der Durchflussmesseinrichtung 18 ermittelten
eingespritzten Kraftstoffmenge, kann davon ausgegangen
werden, dass ein bestimmter Anteil des eingespritzten
Kraftstoffes nicht verbrannt wird. Wird dies über einen
längeren Zeitraum festgestellt, kann davon ausgegangen
werden, dass der nicht verbrannte Kraftstoff in den
Brennräumen 22 zu Ablagerungen führt. Eine solche
festgestellte Differenz ist somit ein Indiz dafür, dass
eine Wartung der Brennkraftmaschine 10 durchgeführt werden
sollte, um der Ursache für die Differenz auf den Grund zu
gehen.
Über die vom Winkelsensor 28 ermittelte Winkelstellung der
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 können die aktuellen
Betriebspunkte der einzelnen Brennräume 22 erfasst werden.
Die einerseits von der Lambda-Sonde 30 und andererseits von
der Durchflussmesseinrichtung 28 übermittelten Signale
können so den einzelnen Brennräumen 22a, 22b oder 22c
zugeordnet werden. Der Vergleich der über die Lambda-Sonde
30 ermittelten verbrannten Kraftstoffmenge mit der über die
Durchflussmesseinrichtung 18 ermittelten eingespritzten
Kraftstoffmenge kann somit zylinderselektiv erfolgen, was
die Ortung möglicher Problemstellen in der
Brennkraftmaschine 10 nochmals erleichtert und präziser
macht.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Bei diesem und ebenso
bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen tragen solche
Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu
Elementen und Bereichen von Fig. 1 aufweisen, die gleichen
Bezugszeichen. Auf sie wird im Allgemeinen nicht mehr im
Detail eingegangen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Brennkraftmaschine 10
handelt es sich nicht um eine solche mit
Saugrohreinspritzung, sondern um eine Brennkraftmaschine 10
mit Benzin-Direkteinspritzung (BDE). Bei dieser sind
mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16a, 16b, 16c
direkt an den entsprechenden Brennräumen 22a, 22b und 22c
angeordnet. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 sind
an eine Kraftstoff-Sammelleitung 42 angeschlossen, in die
der Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe 14 mit integrierter
Vorförderpumpe (nicht dargestellt) gefördert wird. Der
Kraftstoff ist in der Kraftstoff-Sammelleitung 42 unter
hohem Druck gespeichert. Die Durchflussmesseinrichtung 18
ist zwischen Hochdruckpumpe 14 und Kraftstoff-Sammelleitung
42 angeordnet.
Die in Fig. 2 dargestellte Brennkraftmaschine 10 kann in
unterschiedlichen Betriebsarten arbeiten. Im Schichtbetrieb
wird der Kraftstoff von den Kraftstoff-
Einspritzvorrichtungen 16 so eingespritzt, dass er in den
Brennräumen 22 geschichtet vorliegt. Dies bedeutet, dass
nur im Bereich einer Zündkerze des Brennraums 22 (die
Zündkerze ist nicht dargestellt) ein zündfähiges Gemisch
vorliegt, wohingegen im restlichen Brennraum 22 nur ein
sehr mageres Gemisch oder gar kein Kraftstoff vorhanden
ist. Die Brennkraftmaschine 10 ist im Schichtbetrieb
entdrosselt, d. h., dass die Drosselklappe 38 vollständig
geöffnet ist. Im Homogenbetrieb wird dagegen der Kraftstoff
so eingespritzt, dass er in den Brennräumen 22 homogen
verteilt ist. In dieser Betriebsart wird die Drosselklappe
38 entsprechend der aktuellen Last eingestellt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Brennkraftmaschine 10 wird
von der Hochdruckpumpe 14 exakt soviel Kraftstoff zur
Kraftstoff-Sammelleitung 42 nachgefördert, wie aus dieser
über die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 in die
Brennräume 22 gelangt. Die über die
Durchflussmesseinrichtung 18 ermittelte Kraftstoffmenge
entspricht somit exakt jener Menge, die von den Kraftstoff-
Einspritzvorrichtungen 16 in die Brennräume 22 eingespritzt
wird. Da auch bei diesem Ausführungsbeispiel der
Einspritzzeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16
eines bestimmten Brennraums 22 von der Winkelstellung der
Kurbelwelle abhängt, kann die über die
Durchflussmesseinrichtung 18 ermittelte Kraftstoffmenge mit
Hilfe des vom Winkelsensor 28 übermittelten Signals den
jeweiligen Brennräumen 22 zugeordnet werden. Obwohl nur
eine einzige Durchflussmesseinrichtung 18 bei der
Brennkraftmaschine 10 vorhanden ist, können auf diese Weise
die Einzel-Kraftstoffmengen ermittelt werden, welche in die
einzelnen Brennräume 22 gelangen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Brennkraftmaschine 10 wird
aus den ermittelten, in die Brennräume 22 insgesamt
gelangenden Kraftstoffmengen ein Mittelwert gebildet. Dies
erfolgt durch eine sog. "gleitende" Mittelwertbildung. Bei
dieser wird eine vorgegebene Anzahl der jüngsten Werte der
ermittelten Gesamt-Kraftstoffmenge zur Bildung des
Mittelwerts verwendet. Aus den den einzelnen Brennräumen 22
zugeordneten Einzel-Kraftstoffmengen werden dann die
Standard-Abweichungen von dem gebildeten Mittelwert
berechnet.
Die Öffnungszeiten der einzelnen Kraftstoff-
Einspritzvorrichtungen 16 werden vom Steuer- und Regelgerät
32 so verändert, dass diese ermittelten bzw. berechneten
Standardabweichungen minimal werden. Der Mittelwert wird
dabei nach einem Sollwert geregelt. Dieser Sollwert ergibt
sich unter anderem aus dem vom Benutzer der
Brennkraftmaschine 10 gewünschten Drehmoment. Dieses
entspricht wiederum der vom Stellungsgeber 34 abgegriffenen
Stellung des Gaspedals 36. Auch andere Faktoren können den
Sollwert beeinflussen, bspw. eine Temperatur der
Brennkraftmaschine 10, etc.
Durch das beschriebene Verfahren wird erreicht, dass trotz
systembedingter Fertigungstoleranzen der Kraftstoff-
Einspritzvorrichtungen 16 in alle Brennräume 22 der
Brennkraftmaschine 10 die gleiche Kraftstoffmenge gelangt.
Dies hat im Wesentlichen zwei Vorteile: Zum einen wird die
Laufruhe der Brennkraftmaschine 10 verbessert, und zum
anderen sind Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen mit relativ
großen Fertigungstoleranzen verwendbar.
Auch die in Fig. 3 dargestellte Brennkraftmaschine 10
arbeitet mit Benzin-Direkteinspritzung. Die bei ihr
verwendeten Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16 sind
jedoch über eine Rückströmleitung 44 mit einer
stromaufwärts von der Hochdruckpumpe 14 gelegenen
Niederdruck-Kraftstoffleitung 46 verbunden. Aus
Darstellungsgründen sind die Ansteuerleitungen der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16b und 16c vom Steuer-
und Regelgerät 32 in Fig. 3 nicht dargestellt.
Auch die Kraftstoff-Sammelleitung ist über ein
Druckbegrenzungsventil 48 und eine Rückströmleitung 50 mit
der Niederdruck-Kraftstoffleitung 46 verbunden. Damit die
über die Durchflussmesseinrichtung 18 ermittelte
Kraftstoffmenge durch über die Rückströmleitungen 44 und 50
strömenden Kraftstoff nicht verfälscht wird, muss in diesem
Fall die Durchflussmesseinrichtung 18 stromaufwärts von der
Einmündung der Rückströmleitungen 44 und 50 in der
Niederdruck-Kraftstoffleitung 46 angeordnet sein.
In Fig. 4 ist ein nochmals anderes Ausführungsbeispiel
einer Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Auch diese
arbeitet mit Benzin-Direkteinspritzung. Im Gegensatz zu den
vorhergehenden Ausführungsbeispiel verfügt jedoch hier jede
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16a, 16b und 16c über eine
eigene Durchflussmesseinrichtung 18a, 18b bzw. 18c. Ferner
ist die Vorförderpumpe nicht in die Hochdruckpumpe 14
integriert, sondern als separate elektrische
Kraftstoffpumpe 52 ausgebildet. Die Fördermenge der
Hochdruckpumpe 14 wiederum wird bei der in Fig. 4
dargestellten Brennkraftmaschine 10 über ein
Mengensteuerventil 54 eingestellt. Das Mengensteuerventil
54 wird vom Steuer- und Regelgerät 32 angesteuert, und zwar
abhängig von den Signalen eines Drucksensors 56, welcher
den Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 42 erfasst.
In Fig. 5 ist eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 16
der in Fig. 4 gezeigten Brennkraftmaschine 10 im Detail
dargestellt: Bei der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 16
handelt es sich um einen Injektor, mit einem Ventilgehäuse
58 und einem Magnetaktor 60, welcher über eine
Kabelverbindung 62 vom Steuer- und Regelgerät 32
angesteuert wird. Der Magnetaktor 60 arbeitet auf eine
Ventilnadel 64, welche nach außen öffnet und eine am in
Fig. 5 unteren Ende des Injektors 16 vorhandene
Auslassöffnung freigibt (grundsätzlich wäre aber auch eine
nach innen öffnende Ventilnadel denkbar).
Am in Fig. 5 oberen Ende des Injektors 16 ist ein
Hochdruckanschluss 66 vorhanden, in den ein
Hitzdrahtanemomenter 68 integriert ist. Über Isolierungen
70 ist dieses in einem Adapterteil 72 des Injektors 16,
welches aus Kunststoff hergestellt ist, gehalten.
Anschlussleitungen 74 für das Hitzdrahtanemomenter 68
führen zum Steuer- und Regelgerät 32.
Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, handelt es sich bei dem in
Fig. 5 dargestellten Injektor um ein nach außen öffnendes
Kegelstrahlventil. Dessen Ventilelement ist als Kegel 76
ausgebildet mit einem entsprechenden konischen Ventilsitz
78. Bei vom Ventilsitz 78 abgehobenem Ventilkegel 76 wird
die Strömung unmittelbar am Ventilsitz 78 gedrosselt. Der
volle Systemdruck steht somit unmittelbar am Ventilsitz 78
an, was zu einer optimalen Zerstäubung des Kraftstoffes
führt. Allerdings sorgt schon ein relativ kleiner Hub der
Ventilnadel 64 für den Austritt einer relativ großen
Kraftstoffmenge. Eine bei einer Serienfertigung
unabdingbare Streuung der Fertigungsgenauigkeit führt somit
zu einer relativ großen Streuung der bei gleichem Hub der
Ventilnadel 64 von einem Injektor 16 zum anderen Injektor
16 austretenden Kraftstoffmenge. Dies wird durch das oben
beschriebene Verfahren kompensiert.
Anstelle des in Fig. 5 dargestellten Hitzdrahtanemomenters
können als Durchflussmesseinrichtungen 18 auch andere
Messeinrichtungen verwendet werden. In Fig. 7 ist ein
mikromechanischer Sensor 79 dargestellt, der einen
Biegeabschnitt 80 umfasst, welcher durch die
Kraftstoffströmung (Pfeile 82) ausgelenkt wird (gestrichelt
dargestellt). Die Auslenkung wird von einem
Dehnmessstreifen 84 erfasst. Je nach
Strömungsgeschwindigkeit V ist die Auslenkung des
Biegeabschnitts 80 mehr oder weniger stark.
Da der Strömungsquerschnitt A und die Dichte des
Kraftstoffes bekannt sind (die Dichte kann ggf. aus dem
Signal eines Druck- und eines Temperatursensors ermittelt
werden), kann der Massenstrom dm/dt aus der über die
Auslenkung des Biegeabschnitts 80 ermittelten
Geschwindigkeit V berechnet werden. Bei bekannter
Öffnungsdauer des Injektors 16 kann aus dem Massenstrom
dm/dt wiederum die eingespritzte Kraftstoffmenge m
berechnet werden.
In Fig. 8 ist nochmals eine andere
Durchflussmesseinrichtung 18 dargestellt: Diese umfasst ein
Zahnradanemometer 86, welches zwei ineinander kämmende
Zahnräder 86a und 86b umfasst, deren Drehgeschwindigkeit
von einem induktiven Sensor 88 erfasst wird. Eine Variante
hierzu (Fig. 9) umfasst nur ein Zahnrad (86a), auf dessen
Außenumfang sichelförmige Zähne 90 angeordnet sind.
Wieder eine andere Ausführungsform (Fig. 10) einer
Durchflussmesseinrichtung 18 umfasst einen von der
Kraftstoffströmung beaufschlagten und von einer
Vorspanneinrichtung 94 vorgespannten Messkolben 92, dessen
Position ebenfalls von einem induktiven Sensor 88
abgegriffen wird. Die Erfassung der Geschwindigkeit V der
Strömung 82 ist auch mittels einer Venturi-Engstelle 96
möglich (Fig. 11). Die Druckdifferenz wird dabei von einem
Drucksensor 88 erfasst.
Claims (9)
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10)
bei dem der Kraftstoff von einer Kraftstoffpumpe (14)
gefördert wird, welche einlassseitig mit einem
Kraftstoffbehälter (12) verbunden ist, und bei dem der
Kraftstoff über mindestens eine Kraftstoff-
Einspritzvorrichtung (16) in mindestens einen Brennraum (22)
der Brennkraftmaschine (10) gelangt, wobei die Kraftstoffmenge
(m), welche in den Brennraum (22) gelangt, aus dem Signal
einer Durchflussmesseinrichtung (18) ermittelt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine (10) mit
mehr Brennräumen (22a, 22b, 22c) als
Durchflussmesseinrichtungen (18) die aus dem Signal der
Durchflussmesseinrichtungen (18) ermittelte Kraftstoffmenge
(m) über den Öffnungszeitpunkt der mindestens einen
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (16) einem bestimmten
Brennraum (22a, 22b, 22c) zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchflussmesseinrichtung (18) die Geschwindigkeit (V)
erfasst, mit der der Kraftstoff einen bestimmten Querschnitt
(A) durchströmt, und hieraus die Kraftstoffmenge (m) ermittelt
wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die ermittelte Kraftstoffmenge zusätzlich
über die Winkelstellung einer Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine (10) einem bestimmten Brennraum (22a, 22b,
22c) zugeordnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Signal der
Durchflussmesseinrichtung (18) ermittelte Istwert der in einen
bestimmten Brennraum (22a, 22b, 22c) gelangenden
Kraftstoffmenge (m) nach einem Sollwert geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass aus den in die Brennräume (22a,
22b, 22c) einer Brennkraftmaschine (10) gelangenden
ermittelten Kraftstoffmengen (m) über mindestens eine
Umdrehung der Kurbelwelle durch gleitende Mittelwertbildung
ein Mittelwert gebildet wird und die Standardabweichungen der
jeweiligen in die einzelnen Brennräume (22a, 22b, 22c)
gelangenden ermittelten Kraftstoffmengen (m) vom Mittelwert
gebildet werden, und dass die Öffnungszeiten der einzelnen
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen (16a, 16b, 16c) so verändert
werden, dass die Standardabweichungen minimal werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Mittelwert nach einem Sollwert geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der in einen
Brennraum (22) gelangenden Kraftstoffmenge (m) die Zeit
berücksichtigt wird, die der Kraftstoff von der
Durchflussmesseinrichtung (18) zum Brennraum (22) benötigt.
8. Steuer- und/oder Regelgerät (32) zum Betreiben einer
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es ein
Rechenwerk und einen Speicher mit implementierter
Signalverarbeitungsarithmetik umfasst und damit zur Umsetzung
des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche
beiträgt.
9. Brennkraftmaschine (10) mit einem Kraftstoffbehälter
(12), mit einer Kraftstoffpumpe (14), welche einlassseitig mit
dem Kraftstoffbehälter (12) verbunden ist, und mit mindestens
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung (16), über die
Kraftstoff in mindestens einen Brennraum (22) der
Brennkraftmaschine (10) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass
sie ein Steuer- und/oder Regelgerät (32) nach Anspruch 8
umfasst.
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