-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verschleiß- und Toleranzkorrektur an einem mechanischen Brennstoffeinspritzsystem zur Nachrüstung von Brennkraftmaschinen.
-
Fahrzeuge mit mechanischem Brennstoffeinspritzsystem waren im Jahre 2009 zwischen 35 und 50 Jahre alt. Die gesamte Technik unterlag in dieser Zeit enormem Verschleiß. In der Brennstoffeinspritzpumpe verschleißen die Pumpenelemente sowie die gesamte Ansteuerung und Brennstoffzumesseinrichtung dieser Elemente. Dies äußert sich durch Startprobleme, Anfahr- oder Durchzugsschwäche, extremen Brennstoffverbrauch, unrunden Motorlauf, schlechte Abgaswerte und temperaturabhängige Effekte. Vor allem bei Oldtimern, die gesetzliche Abgasrichtwerte erfüllen müssen, kann dies zum Entzug der Betriebserlaubnis führen. Eine Überholung der Brennstoffeinspritzpumpe ist kostspielig und kann nur bedingt Abhilfe schaffen. Zündung, Motor und andere relevante Teile sind aufgrund des Alters ebenfalls nicht im Originalzustand und arbeiten eventuell nicht mit einer korrekt funktionierenden Brennstoffeinspritzpumpe zusammen. Dies kann sich wiederum in schlechtem Motorlauf, Gasannahme oder Startschwierigkeiten äußern.
-
Das in Dokument „Robert Bosch GmbH: Benzineinspritzsystem KE-Jetronic, in: Technische Unterrichtung, Stuttgart, 1997.Bestell-Nr. 1 987 722 021” beschriebene mechanischhydraulische Einspritzsystem umfasst neben dem Grundsystem ein zusätzliches elektronisches Steuergerät, sowie einen Drucksteller und einen Druckregler zur Aufschaltung weiterer Funktionen. Durch zusätzliche Sensoren für das Erfassen der Motortemperatur, der Drosselklappenstellung und der Stauscheibenbewegung des Luftmengenmessers reichert das elektronische Steuergerät über den elektrohydraulischen Drucksteller das Luft-Kraftstoff-Gemisch an oder magert es ab. Eine zusätzliche Lambda-Sonde kann zur Lambda-Regelung ergänzt werden. Das Signal der Lambda-Sonde wird im bereits vorhandenen Steuergerät verarbeitet, und der erforderliche Regeleingriff zur Korrektur der Kraftstoffzuteilung erfolgt über den bereits vorhandenen Drucksteller. Die beschriebene Regelung ist für ein spezielles Brennstoffeinspritzsystem, nämlich dem KE-Jetronic System, ausgelegt und arbeitet nur mit diesem zusammen. Es kann nicht in ein mechanisches Brennstoffeinspritzsystem eine beliebigen Herstellers und unterschiedlichen Alters eingebaut werden.
-
DE 38 26 937 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Übergangswiderstands bei einem als Stellungsgeber dienenden Potentiometer. Zum Steuern der Leistung einer Brennkraftmaschine dient ein mit dem Gaspedal verbundener erster Stellungsgeber als Sollwertgeber, während ein zweiter Stellungsgeber als Istwertgeber mit der Drosselklappe oder dem Verstellhebel der Einspritzpumpe mechanisch gekuppelt ist. Eine Regeleinrichtung vergleicht elektrische Signale, welche den Sollwert und den Istwert darstellen und verstellt mittels eines Servomotors die Drosselklappe.
-
Den Stand der Technik bzgl. der Verwendung von Servomotoren in Brennstoffeinspritzsystemen wird beispielhaft in der
CH 183533 A und
DE 10 2005 052 966 A1 dargestellt.
CH 183533 A zeigt eine Brennstoffeinspritzeinrichtung, in der ein Drosselglied sowie zwei Servomotoren in einem Venturirohr vorgesehen sind.
DE 10 2005 052 966 A1 beschreibt eine Stellvorrichtung zur Verstellung von Komponenten in einer Verbrennungskraftmaschine. Als elektrische Antriebseinheit wird dabei ein reversibler Gleichstrommotor verwendet.
-
DE 35 03 034 A1 zeigt allgemein die Kraftstoffdosierung bei einem mechanischen Einspritzsystem auf, In
DE 30 11 595 A1 wird eine Korrektureinrichtung für ein geregeltes Brennstoffzumesssystem beschrieben, in dem die zugemessene Brennstoffmenge über entsprechende Stellglieder bestimmt wird. Dies ist bei einer Diesel-Brennkraftmaschine, in Vergaseranlagen und Benzineinspritzsystemen der Fall. Dabei wird die zuzumessende Brennstoffmenge nicht nur abhängig von Betriebskenngrößen wie Last, Drehzahl und Temperatur bestimmt, sondern auch durch ein Rückmeldesignal über die vorher zugemessen Brennstoffmenge bestimmt. Die zugemessene Brennstoffmenge wird dabei nicht direkt, sondern über ein Positionssignal z. B. einer Regelstangenstellung ermittelt. Über einen Drehzahlregelkreis wird ein angepasster Wert für die zuzumessende Brennstoffmenge ermittelt.
-
Dies hat den Nachteil, dass, wie bereits in
DE 30 11 595 A1 beschrieben, das Positionssignal durch Verschleiß nicht mehr der ursprünglich eingestellten Brennstoffmenge entspricht und somit der Regelkreis einen falschen Wert ermittelt. Damit steigen erneut der Brennstoffverbrauch und die Abgasemission. Abhilfe kann durch das beschriebene Korrekturverfahren geschaffen werden. Dies erfordert aber einen komplexeren und damit kostspieligen Regelmechanismus. Andererseits ist der beschriebene elektronische Regelkreis bereits in das Brennstoffzumesssystem integriert. Ältere Brennkraftmaschinen arbeiten mit rein mechanischen Stellgrößen und sehen keine Regelstangen zur Anzeige der zugemessenen Brennstoffmenge vor.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Verschleiß- und Toleranzkorrektur zu beschreiben, die unabhängig von der zugemessenen Brennstoffmenge und damit unabhängig von mechanischen Anzeigen, wie z. B der Regelstangen, die zuzumessende Brennstoffmenge in einem mechanischen Brennstoffeinspritzsystem regeln. Des Weiteren soll die entsprechende Verschleiß- und Korrekturvorrichtung in eine beliebige vorhandene Brennkraftmaschine mit mechanischem Brennstoffeinspritzsystem einbaubar sein.
-
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Vorrichtung dargestellt.
-
Das vorteilhafte Verfahren zur Verschleiß- und Toleranzkorrektur eines mechanischen Brennstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem, die zuzumessende Kraftstoffmenge bestimmenden Stellglied, umfasst einen Regelkreis, in dem mit einer λ-Sonde ein λ-Wert der Verbrennungsabgase der Brennkraftmaschine gemessen und als Regelgröße an ein elektronisches Steuergerät weitergegeben wird. Das Steuergerät ermittelt mit dem λ-Wert und einer Mehrzahl von Steuerparametern eine Sollposition eines Stellglieds. Diese Sollposition wird nun durch einen Servomotor an dem Stellglied eingestellt.
-
Durch die Messung des λ-Wertes, d. h. des Luft-Brennstoff-Verhältnisses im Abgas kann direkt die Brennstoffemission kontrolliert und die Effizienz der Verbrennung abgelesen werden. Eine mechanische Regelung, z. B. anhand der zugemessenen Brennstoffmenge, kann durch Ungenauigkeiten in der Messung, wie z. B. durch den Verschleiß des Bestimmungsmechanismus, zu einer nicht optimalen Abgasemission führen.
-
Mit dem λ-Wert des Abgases als Regelgröße und einer Kühlwasser-Temperatur, einer Motordrehzahl und einem Drosselklappenwinkel als Steuerparameter können die zugemessene Brennstoffmenge und der Abgas-Sollwert über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine korrigiert bzw. erreicht werden. Dies stellt einen geschlossenen Regelkreis dar. Dadurch können sowohl eine Serienstreuung im Neuzustand als auch alters- und/oder verschleißbedingte Toleranzen ausgeregelt werden. Eine optimale Anpassung an einen beliebigen Motor ist durch den Regelkreis gegeben.
-
Als Stellglied wird im erfindungsgemäßen Verschleiß- und Korrekturverfahren der mechanische Eingriff der Höhendose in das Brennstoffeinspritzsystem verwendet. Durch die Höhendose wird im originalen System der atmosphärische Druck bei der Zumessung des Brennstoffs berücksichtigt. Vorteilhafterweise kann die Höhendose einfach entfernt und durch den Servomotor ersetzt werden. Der Einfluss der Höhe bzw. des entsprechenden atmosphärischen Drucks kann in einfacher Weise bei der Ermittlung der Sollposition berücksichtigt werden, sodass keine Fehleinstellung des Brennstoffeinspritzsystems durch nicht korrekt berücksichtigte Einflussgrößen am Stellglied entsteht.
-
Vorteilhafterweise ist ein beliebiger, gewählter λ-Wert als Betriebspunkt des Regelkreises einstellbar. Üblicherweise, d. h. bei Motoren mit Katalysator zur Abgasreinigung, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch auf einen Betriebspunkt von λ = 1 geregelt. In Motoren älteren Baujahres kann dies jedoch zu thermischen Schäden führen, sodass ein Betriebspunkt von λ < 1, z. B. λ = 0,92 zu besserem Betriebsverhalten des Motors führt. Dadurch kann das Korrekturverfahren auf verschiedene Motortypen angepasst und der jeweils optimale Betriebspunkt eingestellt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verschleiß- und Korrekturverfahren erlaubt es ebenso, ein Kennfeld der Steuerparameter mit der λ-Sonde zu kalibrieren. Somit kann ein Kennfeld für beliebige Motoren und Verschleißzustände erstellt bzw. angepasst werden. Da insbesondere bei Oldtimern die Brennstoffeinspritzsysteme durch unterschiedliches Alter, Abnutzung, etc. verschieden sind, muss das Kennfeld individuell für jedes Fahrzeug eingemessen werden.
-
Wenn die λ-Sonde im Fahrbetrieb nicht dauerhaft an einer passenden Stelle im Abgaskanal angebracht werden kann oder dort Störeinflüssen ausgesetzt ist, ist es von Vorteil, die λ-Sonde nach der Kalibrierung zu entfernen. Dieser ausschließlich über die Kennfelder vorgesteuerte Betrieb führt bereits zu verbesserten Abgas- und Brennstoffverbrauchswerten.
-
Eine Vorrichtung zur Verschleiß- und Toleranzkorrektur eines mechanischen Brennstoffeinspritzsystems zum nachträglichen Einbau in eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem die zuzumessende Kraftstoffmenge bestimmenden Stellglied, umfasst eine λ-Sonde, die einen λ-Wert der Verbrennungsabgase der Brennkraftmaschine misst und als Regelgröße an ein elektronisches Steuergerät weitergibt, ein elektronisches Steuergerät, das aus dem λ-Wert und einer Mehrzahl von Steuerparametern eine Sollposition eines Stellglieds ermittelt und einen Servomotor, der die Sollposition am Stellglied des Brennstoffeinspritzsystems einstellt. Als Stellglied wird der mechanische Eingriff der Höhendose in das Brennstoffeinspritzsystem verwendet.
-
Vorteilhafterweise können die Komponenten der Vorrichtung auch nachträglich in eine Brennkraftmaschine mit rein mechanisch geregeltem Brennstoffeinspritzsystem eingebaut werden und somit eine viel genauere elektronische Regelung der zuzumessenden Brennstoffmenge ermöglichen als im originalen System. Insbesondere durch den Einbau einer λ-Sonde kann eine Regelung nach dem λ-Wert des Abgases durchgeführt werden, die unabhängig von den einzelnen Stellgrößen des Brennstoffeinspritzsystems ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet somit in den verschiedenste Varianten von Brennkraftmaschinen. Der Servomotor ermöglicht eine sehr genaue und schnelle Einstellung der Sollposition und ermöglicht somit einen schnellen Regelungszyklus.
-
Es ist ebenfalls von Vorteil, dass im elektronischen Steuergerät ein Regelungs- und Steuerungsprogramm ausführbar ist und insbesondere, dass ein Mikroprozessor dieses Regelungs- und Steuerungsprogramm ausführt. Der Mikroprozessor erlaubt eine sehr schnelle Auswertung der Regelgröße sowie der Steuerparameter und kann damit unmittelbar auf Änderungen wie Last, Drehzahl, etc. und veränderte λ-Werte reagieren. Des Weiteren ist ein entsprechendes Steuergerät leicht und klein, sodass lediglich ein geringer Einbauraum notwendig ist und die unmerkliche Gewichtszunahme den Brennstoffverbrauch nicht erhöht.
-
Die λ-Sonde, das elektronische Steuergerät und der Servomotor der erfindungsgemäßen Verschleiß- und Korrekturvorrichtung sind rückbaubar ohne die ursprünglich vorhandene Brennkraftmaschine zu verändern oder zu beschädigen. Damit kann die Brennkraftmaschine z. B. eines Oldtimers wieder in den Originalzustand gebracht werden, und somit den Wert eines solchen Wagens steigern. Andererseits kann die entfernte Vorrichtung wiederverwendet werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der Komponenten einer erfindungsgemäßen Verschleiß- und Korrekturvorrichtung und
-
2 eine schematische Darstellung eines Regelkreises entsprechend eines erfindungsgemäßen Verschleiß- und Korrekturverfahrens.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Als Ausführungsbeispiel wird nachfolgend eine Nachrüstung eines Benzineinspritzsystems mit einer Verschleiß- und Korrekturvorrichtung beschrieben. Die in 1 schematisch dargestellte λ-Sonde 12, wird in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine montiert. Ein Drosselklappenpotentiometer 13 wird, wenn noch nicht vorhanden, an der Drosselklappe und ein Temperatursensor 14 am Kühlwasserkreislauf angebracht. Ein Drehzahlsensor 15, ausgeführt als elektronischer Schaltkreis, ermittelt über die Frequenz der Zündung die Motordrehzahl. Die so ermittelten Steuerparameter können für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Neben der Verschleiß- und Korrektureinrichtung ist z. B. eine elektronische Unterstützung beim Kaltstart möglich.
-
Ein im Motor- oder Fahrgastraum angebrachtes elektronisches Steuergerät 16, bildet die zentrale Komponente der Vorrichtung. Dieses liest einen λ-Wert der λ-Sonde 12, die Position der Drosselklappe und damit die Position des Gaspedals über ein Drosselklappenpotentiometer 13 sowie die Kühlwasser-Temperatur über einen Temperatursensor 14 als analoge Spannung ein. Die Motordrehzahl wird als Frequenz der Zündung aus dem Drehzahlsensor 15 eingelesen. Ein Mikroprozessor 19 im elektronischen Steuergerät 16 ermittelt über gespeicherte Kennfelder aus den Steuerparametern Drosselklappenwinkel, Kühlwassertemperatur und Motordrehzahl, sowie dem λ-Wert als Regelgröße eine Sollposition eines Stellglieds des Brennstoffeinspritzsystems 18 und damit eine zuzumessende Brennstoffmenge.
-
Als Stellglied dient im Ausführungsbeispiel der mechanische Eingang der Höhendose. Diese wird abmontiert und durch einen Servomotor 17 ersetzt. Das elektronische Steuergerät 16 gibt dem Servomotor die berechnete Sollposition in Form einer Auslenkung vor. Der Servomotor 17 verschiebt entsprechend eine Druckstange, die wiederum in die Brennstoffeinspritzmengenzuteilung eingreift. Alternativ können andere mechanische Stellglieder des Brennstoffeinspritzsystems 18, wie ein Dehnelement, das auf die Kühlwassertemperatur reagiert oder ein Zug-Magnet für einen Kaltstart durch die Verschleiß- und Korrekturvorrichtung bzw. den Servomotor ersetzt werden.
-
Das elektronische Steuergerät 16 wird zusätzlich zur Steuerung einer Schubabschaltung 20 verwendet. Dazu steuert das elektronische Steuergerät 16 ein Ventil am Brennstoffeinspritzsystem 18 und schaltet darüber die Brennstoffzufuhr komplett ab. Ist ein solches Ventil nicht vorhanden, wird über den Servomotor 17 eine minimale zuzumessende Brennstoffmenge am Stellglied eingestellt.
-
Die λ-Sonde 12 und das elektronisches Steuergerät 16 werden über die vorhandene Autobatterie 10 mit Spannung versorgt. Der Servomotor 17 erhält seine Betriebsspannung über das elektronische Steuergerät 16. Mit einen Schalter 11 kann die Verschleiß- und Korrekturvorrichtung ein- bzw. abgeschaltet werden.
-
Da für die erfindungsgemäße Verschleiß- und Korrekturvorrichtung weitestgehend die originale Bauteile verwendet werden, bleibt eine hohe Originalität der „Oldtimer”-Fahrzeuge gewährleistet. Im Wesentlichen wird nur ein Bauteil ausgetauscht, nämlich die Höhendose gegen Servomotor und ein Bauteil, die lineare λ-Messsonde ergänzt. Durch die besondere praktische Ausführung sind beide Maßnahmen nur für Experten sichtbar.
-
Die Kriterien für die Erteilung eines Oldtimer-Gutachtens werden nicht verletzt.
-
Das verwendete Verschleiß- und Korrekturverfahren bzw. ein entsprechender Regelkreis 50 ist in 2. Der Regelkreis 50 basiert auf einem λ-Wert als Regelgröße und verwendet eine lineare λ-Messung zur Ermittlung des λ-Istwerts 39. Im Gegensatz zu einer häufig verwendeten Sprungsonde, die nur eine Regelung auf einen λ-Wert von 1 erlaubt, kann bei der verwendeten linearen λ-Messung auf einen beliebigen λ-Wert geregelt werden. Dies ist insbesondere für die Regelung älterer Motoren entscheidend, da diese bei einem λ = 1 häufig Temperaturprobleme zeigen. Angestrebte λ-Sollwerte 47 liegen etwa zwischen 0,8 bei Volllastanreicherung und 1,08 bei magerem Leerlauf. Der typische Betriebspunkt liegt zwischen 0,9 und 1,0 und bevorzugt bei z. B. λ = 0,92.
-
Der Mikroprozessor 19 des elektronischen Steuergeräts 16, ermittelt in einem Prozess 30 einen λ-Sollwert 47 in Abhängigkeit von einem oder mehreren aktuell eingelesenen Steuerparametern, wie Motordrehzahl, Kühlwassertemperatur und Drosselklappenstellung. Ein Regler 38, vorzugsweise mit Proportional-Intergral-Differential-Anteil (PID-Regler) berechnet aus der Differenz zwischen dem berechneten λ-Sollwert 47 und dem aktuell von der λ-Sonde eingelesenen λ-Istwert 39 einen Korrekturwert 40 für die neu einzustellende Position des Stellglieds.
-
Kennfelder 31 für die Position des Stellglieds, in Abhängigkeit der Steuerparameter Kühlwasser-Temperatur, Motordrehzahl und Drosselklappenstellung sind bei einer Kalibrierung ermittelt worden und im Mikroprozessor 19 gespeichert. Durch diese Kennfelder 31 erfolgt eine Vorsteuerung der Stellgröße, hier der Sollposition des Druckgestänges der Höhendose. Der so ermittelte Vorsteuerungswert 48 wird zum Korrekturwert 40 addiert und ergibt eine optimale, geregelte Sollposition 43 des Stellglieds. Der Korrekturwert 40 und der Vorsteuerungswert 48 werden optional in jeweils einem Limitierungs- und Anstiegsbegrenzungs-Prozess 32 bzw. 33 überprüft. Steigt der aktuell ermittelte Korrekturwert 40 bzw. die geregelte Sollposition 43 zu schnellen gegenüber den Werten des vorherigen Regelungsdurchlauf bzw. überschreitet sie einen vorgegebenen Grenzwertes, wird der ermittelte Korrekturwert 40 bzw. die geregelte Sollposition 43 angepasst.
-
Der geregelte Sollwert 43 wird an den Servomotor 17 weitergegeben, der die einzustellende Position, an der Höhendose erstellt. Die aktuelle atmosphärische Höhe wird im Steuergerät mittels einem elektronischem Barometer gemessen und in die geregelte Sollpositition 43 berücksichtigt. Der Servomotor 17 stellt die Auslenkung 44 am Druckgestänge des Brennstoffeinspritzsystems 18 entsprechend ein. Das Brennstoffeinspritzsystem 18 misst eine der Auslenkung des Druckgestänges entsprechende Brennstoffmenge 45 zu und spritzt sie in einen Brennraum 36 der Brennkraftmaschine ein. Im entstehenden Abgas 46 wird über eine lineare λ-Messung durch die λ-Sonde der neue λ-Istwert 39 bestimmt und an den PID-Regler 38 des elektronischen Steuergeräts 16 gemeldet.
-
Optional kann das Verschleiß- und Korrekturverfahren auch in einem rein vorgesteuerten Betriebsmodus arbeiten. Dazu werden, wie im geregelten Betriebsmodus, die Kennfelder mit einer λ-Sonde kalibriert. Dabei wird ein Kennfeld von ca. 5 × 8 Stützpunkten erstellt, indem die Stützpunkte systematisch angefahren werden und für jeden Stützunkt eine, dem gewünschte λ-Wert entsprechende Sollposition des Stellglieds, hier die Auslenkung des Servomotors 17 manuell eingestellt wird. Per Knopfdruck wird dann die eingestellte Auslenkung des Servomotors 17 in den Speicher des Steuergerätes 16 übernommen. Der beschriebene Kalibriervorgang ist einfach und effektiv und kann somit in kurzer Zeit im Fahrzeug durchgeführt werden. Die λ-Sonde wird nach der Kalibrierung wieder entfernt. Die Sollposition des Stellglieds wird im vorgesteuerten Betriebsmoduls ausschließlich über die kalibrierten Kennfelder der Steuerparameter ermittelt.
