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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und
zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
wobei ein Heizelement zur Vorwärmung und/oder zur Verdampfung
des Kraftstoffgemischs vorgesehen ist und wobei Kraftstoffgemische
verschiedener Zusammensetzung unterschiedliche spezifische Wärmekapazitäten
und/oder unterschiedliche Verdampfungswärmen und/oder unterschiedliche
Siedepunkte aufweisen.
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Brennkraftmaschinen
auf der Basis von Otto-Motoren werden allgemein mit Kraftstoff aus
Kohlenwasserstoffen aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem
Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus
nachwachsenden Rohstoffen (Pflanzen) erzeugter Alkohol, beispielsweise
Ethanol oder Methanol, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen
beigemengt. In den USA und Europa wird oft eine Mischung aus 75–85%
Ethanol und 15–25% Benzin unter dem Markennamen E85 eingesetzt.
Die Brennkraftmaschinen sind so ausgelegt, dass sie sowohl mit reinem
Benzin als auch mit Mischungen bis hin zu E85 betrieben werden können;
dies wird mit „Flex-Fuel-Betrieb" bezeichnet. Für
einen sparsamen Betrieb mit einem geringen Schadstoffausstoß bei gleichzeitig
hoher Motorleistung müssen die Betriebsparameter im Flex-Fuel-Betrieb
an die jeweilig vorliegende Kraftstoff-Mischung angepasst werden.
Beispielhaft liegt ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoff-Verhältnis
bei 14,7 Gewichtsanteilen Luft pro Anteil Benzin vor, bei Verwendung
von Ethanol muss jedoch ein Luftanteil von 9 Gewichtsanteilen eingestellt
werden.
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Über
das Zusammenspiel von Sensoren werden die momentane Kraftstoffzusammensetzung vor
dem Einspritzzeitpunkt und die momentane Abgaszusammensetzung, also
der Sauerstoff-Partial druck im Abgas, bestimmt und an die Steuerelektronik
der Brennkraftmaschine weiter geleitet. Auf Basis dieser Sensordaten
wird die Verbrennung der Brennkraftmaschine, insbesondere über
die Einstellung des günstigsten Luft-/Kraftstoffverhältnisses,
optimiert.
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Zur
Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs werden unterschiedliche
Kraftstoffartensensoren, auch als „fuel composition sensors"
bezeichnet, eingesetzt. Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedlichen
Eigenschaften von Alkohol und Benzin zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung.
So ist beispielsweise Ethanol ein protisches Lösemittel,
welches Wasserstoffionen enthält und eine große,
jedoch vom Wassergehalt abhängige, Dielektrizitätskonstante
aufweist. Benzin hingegen ist ein aprotisches Lösemittel
mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten. Darauf basierend
gibt es Kraftstoffartensensoren, welche die Kraftstoffzusammensetzung
anhand der dielektrischen Eigenschaften des Kraftstoffgemischs bestimmen.
Andere Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedlichen optischen
Eigenschaften der Kraftstoffe, beispielsweise die unterschiedlichen
Brechungsindices.
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So
ist in der
DE 41 12 574 ein
Kraftstoffzuführungssystem für einen Verbrennungsmotor
beschrieben, in dem der Betriebszustand des Verbrennungsmotors erfasst
und die Menge des zuzuführenden Kraftstoffs entsprechend
dem Ergebnis dieser Erfassung gesteuert wird. Dabei ist es vorgesehen, dass
das Kraftstoffzuführungssystem ein Kraftstoffart-Erfassungsmittel
zur Erfassung der Kraftstoffart und ein Rechenmittel zur Berechnung
eines der Kraftstoffart entsprechenden theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
in Übereinstimmung mit dem Erfassungsergebnis des Kraftstoffart-Erfassungsmittels
umfasst und die Menge des zuzuführenden Kraftstoffs unter
Verwendung des vom Rechenmittel erhaltenen theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
als Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis gesteuert wird. Dabei
kann es vorgesehen sein, dass das Kraftstoffart-Erfassungsmittel
die Kraftstoffart durch die Messung wenigstens entweder des Brechungsindexes,
der Dielektrizitätskonstanten oder der Molwärme
des Kraftstoffs im flüssigen Zustand erfasst.
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Für
die Durchführung des Verfahrens müssen jedoch
entsprechende Sensoren vorgesehen werden, welche teuer und fehleranfällig
sind.
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Insbesondere
während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine führt
eine Vorwärmung des der Brennkraftmaschine zugeführten
Kraftstoffgemischs zu verringerten Emissionswerten. Aus der
DE 698 15 647 T2 ist
daher ein Verfahren zum Vorwärmen von Kraftstoff, welcher
mit einer Kraft stoffeinspritzdüse in einen Brennraum eines
Verbrennungsmotors eingespritzt werden soll, beschrieben, welches
folgende Schritte umfasst: Anbringung einer elektrischen Heizvorrichtung
in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar vor einem Einspritzventilsitz; Einschalten
der besagten Heizvorrichtung, so dass der besagte Kraftstoff vorgewärmt
wird, unmittelbar vor der Einspritzung, um die Wirksamkeit des Erwärmungsvorgangs
zu maximieren und gleichzeitig die Erwärmung von Flächen
zu vermeiden, welche nicht ständig mit Kraftstoff befeuchtet
sind; Gestaltung der besagten Heizvorrichtung als ein Hülse,
welche ein Nadelventil umgibt, das auf dem besagten Ventilsitz sitzt;
führen von elektrischen Leitern in einen abgedichteten
Raum hinein, in welchem die besagte Heizvorrichtung angeordnet ist,
und Herstellung der elektrischen Verbindung der besagten Leiter
mit der besagten Heizvorrichtung; Abdichten der einzelnen Leiter,
um das Entweichen von unter Druck stehendem Kraftstoff zu verhindern;
und welches durch folgenden Schritt gekennzeichnet ist; Einfügen
eines O-Dichtrings, der in einem Bereich zwischen einem Einspritzdüsen-Spulengehäuse
und einem Ventilkörper angeordnet ist, und wobei die besagten
Leiter durch den besagten O-Dichtring hindurchgeführt werden,
um den besagten Schritt des Abdichtens durchzuführen. Das
Verfahren ermöglicht es somit, Kraftstoff vor dem Einspritzvorgang
auf eine gewünschte Temperatur vorzuwärmen.
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Die
Schrift
JP 09088740
A beschreibt ein Heizelement, welches im Einspritzbereich
eines Einspritzventils in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine
angeordnet ist. Dabei wird der Kraftstoff von dem Einspritzventil
auf das Heizelement gespritzt und dort verdampft.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen,
welche eine zuverlässige und kostengünstige Erkennung
der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus zumindest zwei
Kraftstoffen ermöglichen.
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Vorteile der Erfindung
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass das Kraftstoffgemisch dem Heizelement zugeführt wird,
dass die dem Heizelement von dem Kraftstoffgemisch entzogenen Wärmeenergie
oder eine davon abhängige Kenngröße bestimmt
wird und dass aus der dem Heizelement entzogenen Wärmeenergie
oder der davon abhängigen Kenngröße die
Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs bestimmt wird.
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Bei
Kraftstoffen und daraus zusammengesetzten Kraftstoffgemischen, die
sich in Ihrer Wärmekapazität unterscheiden, werden
für eine Vorwärmung eines definierten Volumens
des Kraftstoffgemischs unterschiedliche Wärmemengen benötigt. Diese
werden dem Heizelement entzogen. Aufgrund der unterschiedlichen,
dem Heizelement entzogenen Wärmemengen kann auf den Kraftstoff
beziehungsweise die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs geschlossen
werden.
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Wird
der Kraftstoff beziehungsweise das Kraftstoffgemisch an dem Heizelement
verdampft, wird die dazu benötigte Verdampfungsenergie
dem Heizelement entzogen. Unterscheiden sich die Kraftstoffe beziehungsweise
die Kraftstoffgemische unterschiedlicher Zusammensetzung in ihrer
Verdampfungswärme, kann aufgrund der dem Heizelement entzogenen
Wärmemenge auf den Kraftstoff beziehungsweise die Zusammensetzung
des Kraftstoffgemischs geschlossen werden.
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Unterscheiden
sich die Kraftstoffe beziehungsweise die Kraftstoffgemische in ihrem
Siedepunkt, werden unterschiedliche Wärmemengen zur Aufheizung
des Kraftstoffs/Kraftstoffgemischs bis zum Siedepunkt und der anschließenden
Verdampfung benötigt. Auch aus diesen unterschiedlichen, dem
Heizelement entzogenen Wärmemengen kann daher eine Bestimmung
des Kraftstoffs oder der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs
erfolgen.
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Vorteilhaft
dabei ist, dass die Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
mit in modernen Brennkraftmaschinen bereits vorgesehenen Heizelementen
zur Vorwärmung beziehungsweise Verdampfung von Kraftstoffen
und Kraftstoffgemischen erfolgen kann, was eine kostengünstige
Umsetzung der Erfindung ermöglicht.
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Bei
gegebenem Heizelement führt eine bestimmte, dem Heizelement
entzogene Wärmeenergie zu einer dazu proportionalen Temperaturänderung
des Heizelements. Daher kann es vorgesehen sein, dass als Kenngröße
zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs eine Temperaturänderung
des Heizelements bestimmt wird.
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Heizelemente
zur Vorwärmung oder zur Verdampfung von Kraftstoffen und
Kraftstoffgemischen werden im Allgemeinen elektrisch über
einen Heizleiter beheizt. Der elektrische Widerstand des Heizleiters
ist, abhängig von dem verwendeten Heizleitermaterial, direkt
abhängig von der Temperatur des Heizleiters und somit des
Heizelements. Die Änderung des elektrischen Widerstandes
des Heizleiters kann somit als Kenngröße für
die dem Heizelement entzogene Wärmemenge verwendet werden.
In einer sehr einfach umzusetzenden Ausgestaltungsvariante des Verfahrens
kann es daher vorgesehen sein, dass als Kenngröße
zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs eine Änderung
des elektrischen Widerstandes eines Heizleiters des Heizelements
bestimmt wird.
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Die
dem Heizelement durch den Kraftstoff beziehungsweise das Kraftstoffgemisch
entzogene Wärmemenge kann besonders einfach und genau dadurch
bestimmt werden, dass während des Zuführens des
Kraftstoffgemischs zum Heizleiter die Heizenergie abgeschaltet wird.
In der auszuwertenden Energiebilanz ist dann keine zusätzliche
Heizenergie zu berücksichtigen.
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Bei
abgeschalteter Heizenergie lässt sich der elektrische Widerstand
des Heizelements mit geringem Aufwand dadurch bestimmen, dass das
Heizelement über einen in Reihe geschalteten Messwiderstand
mit einer Spannung beaufschlagt wird und dass der elektrische Widerstand
des Heizelements aus dem Spannungsabfall an dem Messwiderstand und/oder
an dem Heizelement bestimmt wird.
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Die
dem Heizelement durch den Kraftstoff oder das Kraftstoffgemisch
entzogene Wärmemenge kann auch über ein daraus
resultierendes Wärmeäquivalent, welches dem Heizelement
zur Erreichung seines Wärmeniveaus entsprechend dem vor
der Zuführung des Kraftstoffs/Kraftstoffgemischs wieder
zugeführt werden muss, bestimmt werden. Daher kann es vorgesehen
sein, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus der dem
Heizelement zugeführten elektrischen Energie bestimmt wird.
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Das
Wärmeniveau des Heizelements vor und nach dem Zudosieren
des Kraftstoffs/Kraftstoffgemischs kann dadurch gleich gehalten
werden, dass die Temperatur des Heizelements während des Zudosierens
des Kraftstoffgemischs konstant gehalten wird. Das dazu benötigte
Wärmeäquivalent ist ein Maß für
die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs. Vorteilhaft hierbei
ist, dass das Heizelement während des Zudosierens des Kraftstoffgemischs weiter
beheizt wird, so dass sicher eine ausreichend hohe Temperatur zur
Vorwärmung beziehungsweise zur Verdampfung des Kraftstoffgemischs
vorliegt.
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Eine
besonders einfach zu ermittelnde, von der benötigten Wärmemenge
abhängige Kenngröße ist der dem Heizelement
zugeführte elektrische Strom. Es kann daher vorgesehen
sein, dass die Zu sammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem dem
Heizelement zugeführten Heizstrom bestimmt wird. Wird die
Temperatur des Heizelements während des Wärmeentzugs
beim Aufheizen des Kraftstoffs/Kraftstoffgemischs konstant gehalten,
ist der zur Aufrechterhaltung der Temperatur notwendig Heizstrom
ein direktes Maß für den Wärmeentzug durch
das Kraftstoffgemisch.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann
es vorgesehen sein, dass das Heizelement vor und/oder nach jedem
Zudosieren auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird. Das dazu
benötigte Wärmeäquivalent entspricht
der dem Heizelement durch den Kraftstoff oder das Kraftstoffgemisch
entzogenen Wärmemenge. Aus dem benötigten Wärmeäquivalent,
beispielsweise in Form einer dem Heizelement zugeführten
elektrischen Energie, kann auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs
geschlossen werden. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Heizelement
während des Zudosierens des Kraftstoffgemischs weiter betrieben
werden kann, dass aber die Leistung des Heizelements nicht so groß ausgelegt
werden muss, dass die Temperatur des Heizelements während
der Zudosierung des Kraftstoffgemischs praktisch konstant bleibt.
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Neben
der spezifischen Wärmekapazität, der Verdampfungswärme
und dem Siedepunkt des Kraftstoffs/Kraftstoffgemischs kann die dem
Heizelement entzogene Wärmemenge noch von weiteren Parametern
abhängig sein. Um eine möglichst genaue Bestimmung
der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs zu ermöglichen,
können diese Parameter mit in die Berechnung einfließen.
Daher kann es vorgesehen sein, dass die der Brennkraftmaschine zugeführte
Luftmenge und/oder die Temperatur der der Brennkraftmaschine zugeführten
Luft und/oder die Menge des der Brennkraftmaschine zugeführten
Kraftstoffgemischs und/oder die Temperatur des der Brennkraftmaschine
zugeführten Kraftstoffgemischs bestimmt und bei der Bestimmung
der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs berücksichtigt
werden.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass Mittel zu Bestimmung der dem Heizelement entzogenen Wärmenergie
oder einer davon abhängigen Kenngröße
vorgesehen sind. Die Mittel ermöglichen es, die dem Heizelement
beim Aufwärmen und/oder Verdampfen des Kraftstoffs oder
des Kraftstoffgemischs entzogene Wärmeenergie oder eine
davon abhängige Kenngröße zu bestimmen
und daraus auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs zu schließen.
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Ist
das Heizelement elektrisch beheizt und weist ein Heizleiter des
Heizelements einen negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstandes auf, so kann der Widerstandsverlauf
des Heizleiters als Kenngröße, welche von der
dem Heizelement entzogenen Wärmeenergie abhängt,
verwendet werden. Dabei steigt der Widerstand des Heizleiters mit
positivem Temperaturkoeffizienten bei steigender Temperatur an.
Dies ermöglicht einen Betrieb des Heizelementes ohne Regelung,
da sich bei der Aufheizung des Heizelements ein stabiles Gleichgewicht
einstellt. Aber auch der Betrieb von Heizelementen mit negativem
Temperaturkoeffizienten, also mit einer Abnahme des elektrischen
Widerstandes bei Temperaturerhöhung, ist möglich,
wobei hier eine Temperaturregelung vorzusehen ist.
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Eine
große, gut messbare Änderung von Kenngrößen,
welche von der dem Heizelement abgeführten Wärmeenergie
abhängen, kann dadurch erreicht werden, dass das Heizelement
als Folienheizelement ausgeführt ist und/oder dass das
Heizelement thermisch isoliert montiert ist. Ein Folienheizelement
weist eine geringe thermische Masse auf, eine Änderung
der in dem Heizelement gespeicherten Wärmemenge führt
daher zu einer deutlichen Temperaturänderung und einer
deutlichen Änderung von von der Temperatur abhängigen
Kenngrößen. Die thermische Isolation des Heizelementes
bewirkt, dass keine oder nur ein geringer Anteil Fremdenergie dem
Heizelement zugeführt beziehungsweise Energie von dem Heizelement
an angrenzende Bauelemente abgegeben wird und die Energiebilanz
verfälscht.
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Bevorzugt
ist dass das Heizelement in einem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine
in einem Einspritzbereich eines Einspritzventils oder in einer Kraftstoffzuführung
einer Einspritzdüse angeordnet ist. Ist das Heizelement
in einem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine in einem Einspritzbereich
eines Einspritzventils angeordnet, wird das Kraftstoffgemisch von
dem Einspritzventil auf das Heizelement gespritzt und dort aufgewärmt
und verdampft. Dazu werden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des
Kraftstoffgemischs unterschiedliche Wärmemengen benötigt,
welche dem Heizelement entzogen werden. Befindet sich das Heizelement
in einer Kraftstoffzuführung einer Einspritzdüse,
so wird der Kraftstoff vor dem Eindosieren durch die Einspritzdüse
mit Hilfe des Heizelements vorgewärmt. Auch die dafür notwendige
Energie ist von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängig.
In beiden Fällen ist die zudosierte Kraftstoffmenge bekannt
und kann in die Auswertung einbezogen werden.
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Das
Verfahren und/oder die Vorrichtung lassen sich bevorzugt zur Bestimmung
der Zusammensetzung eines Benzin/Ethanol-Kraftstoffgemischs und/oder
eines Benzin/Methanol-Kraftstoffgemischs und/oder eines Benzin/Ethanol/Methanol-Kraftstoffgemischs
verwenden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
Einspritzventil und einem Heizelement,
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2 in
einer ersten kombinierten Darstellung den Signalverlauf zur Bestimmung
der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs,
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3 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
Einspritzventil und einem Heizelement entsprechend einer alternativen
Ausführungsvariante,
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4 in
einer zweiten kombinierten Darstellung den Signalverlauf zur Bestimmung
der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs entsprechend einem
alternativen Auswerteverfahren,
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5 in
einer dritten kombinierten Darstellung den Signalverlauf zur Bestimmung
der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs entsprechend einem
weiteren alternativen Auswerteverfahren.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine 10 mit
einem Einspritzventil 15 und einem Heizelement 17.
Das Einspritzventil 15 und das Heizelement 17 sind
derart in einen Ansaugkanal 11 der Brennkraftmaschine 10 eingebaut,
dass ein Kraftstoffgemisch 16 von dem Einspritzventil 15 auf
das Heizelement 17 gespritzt wird. Das Kraftstoffgemisch 16 wird
in dem Ansaugkanal 11 mit einer über eine Drosselklappe 14 einstellbaren
Luftmenge gemischt und einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt.
Nach dem Verbrennungsvorgang in dem Zylinder 12 werden
die dabei entstehenden Abgase einem Abgaskanal 13 zugeführt.
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Das
Heizelement 17 wird elektrisch mit Hilfe eines integrierten
Heizleiters 18 beheizt. Dazu ist der Heizleiter 18 über
einen Stromkreis, bestehend aus einer ersten Stromzuführung 21 und
einer zweiten Stromzuführung 22 sowie einem in
die zweite Stromzuführung 22 integrierten Schalter 23,
mit einer Spannungsquelle 20 verbunden.
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Dem
Stromkreis ist eine Steuereinheit 30 zugeordnet, welche über
eine Steuerleitung 35 den Schalter 23 ansteuern
und so die Stromversorgung des Heizelements 17 unterbrechen
und schließen kann.
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Die
Steuereinheit 30 ist mit einer ersten Signalleitung 32 mit
der ersten Stromzuführung 21 des Heizelements 17 elektrisch
verbunden. Die Steuereinheit 30 ist weiterhin mit einer
zweiten Signalleitung 33 über einen Messwiderstand 31 an
die zweite Stromzuführung 22 des Heizelements 17 und über eine
Messleitung 34 direkt an die zweite Stromzuführung 22 des
Heizelements 17 angeschlossen.
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Bei
geschlossenem Schalter 23 ist der Heizleiter 18 des
Heizelements 17 mit der Spannungsquelle 20 verbunden
und wird elektrisch beheizt. Bei einem Einspritzvorgang wird das
Kraftstoffgemisch 16 von dem Einspritzventil 15 auf
das Heizelement 17 gespritzt und dort verdampft. Die zum
Aufheizen und Verdampfen des Kraftstoffgemischs 16 benötige Energie
wird dem Heizelement 17 entzogen. Kraftstoffgemische 16 unterschiedlicher
Zusammensetzung, beispielsweise Gemische aus Äthanol und Benzin,
unterscheiden sich in ihrer Wärmekapazität, insbesondere
aber in ihrer spezifischen Verdampfungswärme und in ihrem
Siedepunkt. Daher werden dem Heizelement 17 zur Verdampfung
gleicher Volumina verschieden zusammengesetzter Kraftstoffgemische 16 unterschiedliche
Wärmeenergien entzogen. Aus der dem Heizelement 17 entzogenen
Wärmeenergie oder einer damit korrelierenden Kenngröße
kann daher auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs 16 geschlossen
werden.
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Eine
einfach zu bestimmende, mit der Temperatur und somit der Wärmeenergie
des Heizelements 17 zusammenhängende Kenngröße
ist der elektrische Widerstand des Heizleiters 18 des Heizelements 17.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine einfache
Anordnung, wie der Widerstand und die durch das Vorheizen und Verdampfen
des Kraftstoffgemischs 16 verursachte Widerstandsänderung
des Heizleiters 18 bestimmt werden kann.
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Das
Heizelement 17 wird vor einem Einspritzvorgang bei geschlossenem
Schalter 23, zum Beispiel auf eine vorgegebene Solltemperatur,
beheizt. Mit Beginn des Einspritzvorgangs wird, gesteuert von der
Steuereinheit 30 über die Steuerleitung 35,
die Stromversorgung des Heizelements 17 mit Hilfe des Schalters 23 unterbrochen.
Gleichzeitig wird das Heizelement 17 über die
erste Signalleitung 32, die erste Stromzuführung 21,
die zweite Stromzuführung 22 und die zweite Signalleitung 33 von
der Steuereinheit 30 mit einem Messstrom beaufschlagt. Der
Messstrom ist so ausgelegt, dass durch den Messvorgang keine signifikante
Wärmemenge in dem Heizelement 17 freigesetzt wird.
Der Heizleiter 18 und der in die zweite Signalleitung 33 integrierte erste
Messwiderstand 31 bilden jetzt einen Spannungsteiler. Über
die Messleitung 34 kann von der Steuereinheit 30 der
Spannungsabfall über den Messwiderstand 31 und
daraus bei bekannter Messspannung der elektrische Widerstand des
Heizleiters 18 des Heizelements 17 bestimmt werden.
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In 2 ist
in einer ersten kombinierten Darstellung 40 der Signalverlauf
zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs 17 entsprechend
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Eine
Ordinate 41 ist durch eine erste Hilfslinie 42.1,
eine zweite Hilfslinie 42.1 sowie eine gemeinsamen Zeitachse 48 in
drei Bereiche entsprechend einem oberen Bereich 41.1, einem
mittleren Bereich 41.2 und einem unteren Bereich 41.3 aufgeteilt.
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Dem
oberen Bereich 41.1 der Ordinate 41 ist der zeitliche
Verlauf eines Heizstroms 43, welcher dem Heizelement 17 zugeführt
wird, zugeordnet.
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Gegenüber
dem mittleren Bereich 41.2 der Ordinate 41 ist
eine Schaltspannung 44 zur Ansteuerung des Einspritzventils 15 aufgetragen.
Dabei findet der Einspritzvorgang bei hohem Signalpegel der Schaltspannung 44 statt.
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Gegenüber
dem unteren Bereich 41.3 der Ordinate 41 ist der
Verlauf des elektrischen Widerstands 45 des Heizleiters 18 des
Heizelements 17 dargestellt. Eine maximale Widerstandsänderung 46 ist
durch einen Pfeil gegenüber einer dritten Hilfslinie 47 markiert.
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Gleichzeitig
zum Beginn des Einspritzvorgangs, angezeigt durch die positive Flanke
der Schaltspannung 44, wird die Stromversorgung des Heizelements 17 unterbrochen,
der Heizstrom 43 fällt auf null.
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Durch
das aufgespritzte Kraftstoffgemisch 16 wird dem Heizelement 17 Wärmeenergie
entzogen. In dem Ausführungsbeispiel ist der Heizleiter 18 aus
einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes ausgerüstet, daher sinkt der Widerstand 45 bei
abnehmender Temperatur des Heizelements 17. Wie weit der Widerstand 45 während
des Einspritzvorgangs absinkt, also die maximale Widerstandsänderung 46,
ist abhängig von der dem Heizelement 17 entzogenen Wärmemenge
und somit ein Maß für Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs.
Ist die maximale Widerstandsänderung 46 bestimmt,
kann sie beispielsweise anhand von in der Steuereinheit 30 hinterlegten Tabellen
oder einem geeigneten Berechnungsalgorithmus einer Kraftstoffzusammensetzung
zugeordnet werden.
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In
der gewählten Darstellung ist zum besseren Verständnis
der Verlauf des elektrischen Widerstandes 45 des Heizleiters 18 über
die Dauer des Einspritzvorgangs hinaus dargestellt. Tatsächlich
erfolgt die Widerstandsbestimmung selbst in der dargestellten Ausführungsvariante
nur während des Einspritzvorgangs, während dem
der Heizstrom 43 unterbrochen ist, da nur hier eine Widerstandsbestimmung
mit einem separaten Messstrom möglich ist.
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3 zeigt
in einer schematischen Darstellung die Brennkraftmaschine 10 mit
dem Einspritzventil 15 und dem Heizelement 17 entsprechend
einer alternativen Ausführungsvariante zu der in 1 gezeigten
Ausführungsform. Dabei sind gleiche Bauelemente mit den
gleichen Bezeichnern bezeichnet.
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Im
Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform
ist in dem Heizstromkreis in die zweite Stromzuführung 22 ein
Messwiderstand RHK 36 eingeführt,
welcher zusammen mit dem Heizleiter 18 des Heizelements 17 einen
Spannungsteiler für die Versorgungsspannung bildet. Der
Spannungsabfall über den Messwiderstand RHK 36 während
des Betriebs des Heizelements 17 kann über eine
dritte Signalleitung 37 und eine vierte Signalleitung 38 von der
Steuereinheit 30 bestimmt werden. Da die Messung während
des Heizbetriebs des Heizelements erfolgt, kann zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Schalter 23 in
dem Heizstromkreis mit der zugehörigen Steuerleitung 35 verzichtet
werden.
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Die
Anordnung ermöglicht es, bei bekanntem Messwiderstand RHK 36 während des Betriebs des
Heizelements 17 den Heizstrom 43 zu bestimmen.
Dieser ist bei gegebener Versorgungsspannung durch die Spannungsquelle 20 abhängig
von dem Widerstand 45 des Heizleiters 18. Eine Änderung
es Wärmeinhaltes des Heizelements 17, bedingt
durch das Aufsprühen des Kraftstoffgemischs 16,
führt zu einer Abnahme der Temperatur des Heizelements 17 und
somit zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des
Heizleiters 18. Dies bewirkt einen veränderten
Stromfluss in dem Heizstromkreis. Ist der Heizleiter 18 aus
einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen
elektrischen Widerstandes gefertigt, stellt sich auch ohne Temperaturregelung
bei ausreichender Leistung des Heizelements 17 ein stabiles Gleichgewicht
ein, die Anordnung wird durch entsprechende Anpassung des Heizstromes 43 eine
zumindest annähernd gleich bleibende Temperatur des Heizelements 17 bewirken
beziehungsweise es wird sich nach dem Einspritzvorgang wieder die
ursprüngliche Temperatur des Heizelements 17 einstellen. Der
gegenüber einer Betriebsphase, in der kein Kraftstoffgemisch
aufgesprüht wird, zusätzlich benötigte Heizstrom 43 ist
ein Maß für die dem Heizelement 17 durch
das Kraftstoffgemisch 16 entzogene Wärmeenergie
und kann entsprechend zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs 16 verwendet
werden.
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In 4 ist
in einer zweiten kombinierten Darstellung 50 der Signalverlauf
zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs entsprechend
einem alternativen Auswerteverfahren, wie es mit der in 3 gezeigten
Ausführungsvariante der Erfindung möglich ist,
dargestellt.
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Die
zweite kombinierte Darstellung 50 entspricht dabei weitestgehend
der in 2 dargestellten ersten kombinierten Darstellung 40,
gleiche Elemente sind mit gleichen Bezeichnern bezeichnet.
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Dem
oberen Bereich 41.1 der Ordinate 41 ist der zeitliche
Verlauf des Heizstroms 43, bestimmt über eine
Spannungsmessung über den in 3 gezeigten
Messwiderstand RHK 36, zugeordnet.
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Im
mittleren Bereich 41.2 der Ordinate 41 ist die
Schaltspannung 44 des Einspritzventils 15 aufgetragen,
im unteren Bereich 41.3 ist die Temperatur 51 des
Heizelements 17 aufgezeigt.
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Vor
dem Einspritzvorgang stellt sich an dem Heizelement 17 ein
konstanter Heizstrom 43 ein, der einer bestimmten Temperatur 51 des
Heizelements 17 zugeordnet werden kann. Mit Beginn des
Einspritzvorgangs, gekennzeichnet durch die positive Flanke der
Schaltspannung 44 des Einspritz ventils 15, wird
dem Heizelement 17 Wärmeenergie durch das auftreffende
Kraftstoffgemisch 16 entzogen. Einer dadurch bewirkten
Abnahme der Temperatur 51 des Heizelements 17 wirkt
das System durch einen Anstieg des Heizstromes 43, bedingt
durch einen sich verringernden Widerstand 45 des Heizleiters 18, entgegen.
Ist das System entsprechend schnell ausgelegt, zeigt also insbesondere
das Heizelement 17 eine geringe thermische Masse und eine
starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes 45 des Heizleiters 18 von
der Temperatur 51 und ist die Heizleistung des Heizelements 17 ausreichend
dimensioniert, so wird die Temperatur 51 während
des Einspritzvorgangs nahezu konstant bleiben. Weiterhin wird der
Heizstrom 43 schnell auf einen höheren Wert ansteigen
und bei über die Einspritzzeit konstantem Wärmeentzug
durch das Kraftstoffgemisch 16 einen konstanten Wert einnehmen.
Die Änderung des Heizstroms 43 durch den Einspritzvorgang
ist daher ein direktes Maß für die dem Heizelement 17 entzogene
Wärmeenergie und somit für die Zusammensetzung
des Kraftstoffgemischs 16. Die Steuereinheit 30 kann
anhand der Änderung des Heizstromes 43 durch den
Einspritzvorgang mit Hilfe von hinterlegten Tabelle oder Berechnungsalgorithmen
die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs 16 ermitteln.
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Vorteilhaft
bei dieser Form der Auswertung ist, dass das Heizelement 17 während
des Zudosierens des Kraftstoffgemischs 16 weiter betrieben
werden kann. Die Temperatur 51 des Heizelements 17 sinkt
nicht ab, so dass die Verdampfung des Kraftstoffgemischs 16 sicher
gestellt ist.
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5 zeigt
in einer dritten kombinierten Darstellung 60 den Signalverlauf
zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs entsprechend
einem weiteren alternativen Auswerteverfahren. Die Auswertung bezieht
sich wieder auf die in 3 gezeigte Ausgestaltungsvariante
der Erfindung, gleiche Elemente sind entsprechend den in 2 und 4 verwendeten
Bezeichnen bezeichnet.
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Dem
oberen Bereich 41.1 der Ordinate 41 ist der zeitliche
Verlauf des Heizstroms 43, bestimmt über eine
Spannungsmessung über den in 3 gezeigten
Messwiderstand RHK 36, zugeordnet.
Dabei umspannt die Kurve des Heizstroms 43 in einem nicht
konstanten Bereich eine zu niedrigen Werten hin durch eine vierte
Hilfslinie 62 begrenzte Fläche 61.
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Im
mittleren Bereich 41.2 der Ordinate 41 ist die
Schaltspannung des Einspritzventils aufgetragen, im unteren Bereich 41.3 ist
der zeitliche Verlauf der Temperatur 51 des Heizelements 17 aufgezeigt.
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Der
Beginn des Einspritzvorgangs ist wieder durch die positive Flanke
der Schaltspannung 44 gekennzeichnet, das Ende entsprechend
durch die negative Flanke. Durch das auftreffende Kraftstoffgemisch 16 wird
dem Heizelement 17 Wärmeenergie entzogen, was
zu der bereits beschriebenen Verringerung des elektrischen Widerstandes 45 des
Heizleiters 18 führt. Dies führt zu einer
Erhöhung des Heizstroms 43.
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Im
Gegensatz zu der in 4 beschriebenen Ausführungsvarianten
muss in dem vorliegenden Beispiel die Temperatur 51 des
Heizelements 17 während des Einspritzvorgangs
nicht konstant gehalten werden sondern darf abfallen. Dies kann
beispielsweise dadurch bedingt sein, dass die Heizleistung des Heizelements 17 nicht
ausreicht, den Wärmeentzug durch das Kraftstoffgemisch 16 sofort
auszugleichen. Nach Abschluss des Einspritzvorgangs hat das Heizelement 17 noch
eine im Vergleich zu der Temperatur 51 vor dem Einspritzvorgang
niedrigere Temperatur 51, was zu einem weiterhin erhöhten
Heizstrom 43 führt. Erst wenn die Temperatur 51 des
Heizelements 17 wieder ihren Anfangswert erreicht hat,
erreicht auch der Heizstrom 43 seinen ursprünglichen
Wert.
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Die
zusätzliche, dem Heizelement 17 zugeführte
elektrische Energie zur Erreichung seiner ursprünglichen
Temperatur vor der Einspritzung ist äquivalent zu der dem
Heizelement 17 durch das Kraftstoffgemisch 16 abgeführten
Energie. Aus der zusätzlich zugeführten elektrischen
Energie kann daher auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs 16 geschlossen
werden. Bei konstanter Versorgungsspannung des Heizelements 17 ist
die zusätzlich zugeführte elektrische Energie
proportional zu der zusätzlich zugeführten elektrischen
Ladung. Diese entspricht in der Darstellung der Fläche 61 zwischen
der Kurve des Heizstroms 43 und der vierten Hilfslinie 62 und
kann durch entsprechende Integration des Heizstroms 43 über
die Zeit ermittelt werden.
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Vorteilhaft
bei dieser Form der Auswertung ist, dass die Temperatur 51 des
Heizelements 17 während des Einspritzvorgangs
nicht konstant gehalten werden muss und dass sich der Heizstrom 43 während
des Einspritzvorgangs, beispielsweise auf Grund eines nicht gleichmäßigen
Wärmeentzugs durch das Kraftstoffgemisch 16, ändern
darf. Es ist lediglich sicher zu stellen, dass die Temperatur 51 des
Heizelements 17 zu Beginn und zum Ende der Auswertung gleich
ist.
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Neben
der spezifischen Wärmekapazität, der Verdampfungswärme
und der Siedetemperatur des Kraftstoffgemischs 16 wird
die Temperatur 51 des Heizelements 17 von weiteren
Einflussgrößen bestimmt. So haben die Eingangstemperatur
des Kraftstoffgemischs 16, die zugeführte Luftmenge und die
Temperatur der zugeführten Luft einen maßgeblichen
Einfluss auf die Temperatur 51 des Heizelements 17 beziehungsweise
die dem Heizelement 17 entzogene Wärmeenergie.
Es ist daher vorteilhaft für die Durchführung
des beschriebenen Verfahrens, wenn diese Kenngrößen
bekannt sind und von der Steuereinheit 30 bei der Bestimmung
der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs 16 berücksichtigt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4112574 [0005]
- - DE 69815647 T2 [0007]
- - JP 09088740 A [0008]