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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Temperatur eines Kraftstoffeinspritzventils bei dem eine im Ventil angeordnete Spule durch Versorgung mit einem Wechselstrom hoher Frequenz das aus einem widerstandsbehafteten und eine Permeabilität aufweisenden Material gebildete Ventilgehäuse durch induzierte Wirbelströme erwärmt, wobei der Wechselstrom von einer durch eine Gleichspannungsquelle versorgten Oszillatorschaltung der Spule zugeführt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines induktiv beheizten Kraftstoffeinspritzventils, bei dem wiederholt die Temperatur ermittelt und die Versorgung der Oszillatorschaltung unterbrochen wird, wenn eine vorgegebene Temperatur erreicht ist.
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In der
US 2007/0200006 A1 ist eine Vorrichtung zur induktiven Heizung der Kraftstoffeinspritzventile vorgeschlagen, wodurch auch bei Ethanol-betriebenen Motoren ein sicherer Start bei Temperaturen unterhalb des Flammpunktes ermöglicht wird. Um den Kraftstoff in akzeptabler Zeit für einen erfolgreichen Kaltstart aufzuheizen, ist eine Heizleistung von typisch 0,8 kW bis 1,6 kW erforderlich.
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Diese relativ hohe Leistung darf natürlich nur bis zum Erreichen der gewünschten Kraftstofftemperatur angelegt werden, bzw. bei laufendem Motor und laufender Kraftstoffeinspritzung nur zum Erhalt der gewünschten Temperatur. Andernfalls könnte sich die Kraftstofftemperatur bis über deren Siedepunkt erhöhen, was zur Bildung von Dampfblasen im Kraftstoffsystem führt. Dies wiederum beeinträchtigt die Kraftstoffzumessung im Einspritzventil derartig, dass Aussetzer oder Stillstand des Motors die Folge sind. Wird darüber hinaus weiter Heizleistung zugeführt, werden die Kraftstoffeinspritzventile, bzw. die Wicklungen der Induktionsheizungen beschädigt. Auch kann dabei das Kraftstoffsystem undicht werden, weshalb dann wegen der sehr hohen Temperaturen der Kraftstoffheizung, bzw. der Einspritzventile akute Brandgefahr im Motorraum des Kfz besteht. Dies muss in jedem Falle sicher verhindert werden, was wiederum eine sichere Erfassung der Kraftstofftemperatur, sowie eine geeignete Regelung zur Verringerung der Heizleistung in Abhängigkeit von der erfassten Kraftstofftemperatur zwingend erforderlich macht.
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Derzeit vorgeschlagene Methoden zur Bestimmung der Kraftstofftemperatur sind zum Einen eine modellbasierte Temperaturbestimmung. Da die Parameter, welche den Temperaturanstieg des Kraftstoffes bestimmen, bekannt sind, lässt sich unter Berücksichtigung der Temperatur zu Beginn des Heizvorganges die momentane Kraftstofftemperatur berechnen. Parameter sind dabei physikalische Größen wie z. B. Masse und thermische Kapazität von Kraftstoff und Heizelement, Heizdauer, Leistung und Wirkungsgrad der induktiven Heizung, sowie der momentane Kraftstoffdurchsatz bei laufendem Motor.
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Diese Temperaturbestimmung wird z. B. von einem Programm ausgeführt, welches im üblicherweise vorhandenen Mikrocontroller der Motorsteuerung, bzw. der Heizungssteuerung abläuft. Dieses Verfahren ist recht sicher, besonders dann, wenn der ausführende Mikrocontroller auch zugleich die Regelung/Steuerung der Heizfunktion übernimmt.
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Allerdings ist die damit erreichbare Genauigkeit der Temperaturbestimmung vergleichsweise gering, weshalb sich dieses Verfahren eher als Schutzfunktion einsetzen lässt und sich weniger zur Temperaturregelung eignet.
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Zum Anderen gibt es die sensorbasierte Temperaturbestimmung. Wird ein Temperatursensor nahe dem Kraftstoffheizelement angebracht, so kann hiermit die aktuelle Kraftstofftemperatur erfasst werden. Geeignete Temperatursensoren sind etwa Thermoelemente oder Heiß- bzw. Kaltleiter. Auch hier wird – abhängig von der durch den Sensor erfassten Temperatur – die Heizleistung geregelt.
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Dieses Verfahren liefert bei geeigneter Auswahl und Platzierung des Sensors sehr genaue Ergebnisse und ist deshalb bestens zur Heizungsregelung geeignet. Allerdings besteht die Gefahr einer Fehlmessung – etwa durch Beschädigung des Sensors, des thermischen Kontaktes des Sensors und/oder der Zuleitungen vom Sensor zur Auswerte- und Regeleinrichtung, weshalb dieses Verfahren die oben geforderte Schutzfunktion nicht sicher erfüllt.
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Die
DE 10 2007 053 408 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Kraftstofftemperatur bei einem Common-Rail-Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine, das mindestens ein Kraftstoffdruck- und/oder -durchfluss-Ventil aufweist, das mittels einer Spule gesteuert wird, wobei ein Wert für den elektrischen Widerstand der Spule bestimmt und daraus ein Wert für die Kraftstoff temperatur abgeleitet wird.
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Die
DE 103 56 804 A1 offenbart ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeit bei einem Kraftfahrzeug mit den Verfahrensschritten:
Speisen einer Wicklung einer Dosierfunktionskomponente mit einem kontrollierten elektrischen Signal und Messen eines Parameters des die Wicklung durchlaufenden elektrischen Signals, um daraus eine Information abzuleiten, die für den Widerstand der Wicklung repräsentativ ist, und daraus eine Information, die für die Temperatur der Wicklung repräsentativ ist. Die Vorrichtung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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In der
DE 198 51 811 B4 ist eine Temperatur-Detektionsvorrichtung zum Detektieren der Temperatur eines Verbrennungsmotors genannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur sicheren und genauen Bestimmung der Temperatur in einem Kraftstoffeinspritzventil mit induktiver Heizung anzugeben sowie diese Temperatur zu regeln.
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Die Aufgabe wird durch Verfahren gemäß der Ansprüche 1, 4 und 5 sowie eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demnach wird der temperaturabhängige Widerstand, den die Oszillatorschaltung und die angeschlossene Spule für die Gleichspannungsquelle bilden, und die Frequenz des der Spule zugeführten Wechselstroms zu einem ersten Zeitpunkt nach Inbetriebnahme der Oszillatorschaltung, zu dem das Kraftstoffeinspritzventil noch Umgebungstemperatur hat, und zu einem zweiten Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne später ermittelt.
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Außerdem wird die Temperatur zu dem Zeitpunkt nach Inbetriebnahme der Oszillatorschaltung, zu dem das Kraftstoffeinspritzventil noch Umgebungstemperatur hat ermittelt. Aus der Differenz der Widerstandswerte und der Differenz der Frequenzwerte wird durch Vergleich mit Werten aus einem Kenndatenfeld eine Temperaturdifferenz und durch Addition der Temperaturdifferenz zur anfänglichen Umgebungstemperatur die Temperatur zu dem zweiten Zeitpunkt ermittelt.
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Dabei werden mehrere physikalische Eigenschaften des Heizsystems genutzt:
Der elektrische Widerstand des als Heizelement wirkenden Ventilgehäuses, bzw. eines entsprechenden Heizelementes ändert sich in Abhängigkeit seiner Temperatur. Da der elektrische Widerstand des Heizelementes mit steigender Temperatur zunimmt, verringert sich bei ansonsten gleicher Wechselspannung der in der Induktionswicklung fließende Wechselstrom. Durch geeignete Erfassung des Stromwertes kann daraus der elektrische Widerstand des Heizelementes und somit die aktuelle Temperatur des Heizelementes ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass in marktüblichen Steuergeräten eine Erfassung des Stromwertes vorgesehen sein muss, da im Fehlerfall (Kurzschluss einer Heizerzuleitung nach Masse oder Batteriepotential) ein unzulässig hoher Stromanstieg erkannt – und durch Abschalten der Heizerelektronik – vermieden werden muss.
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Die Permeabilität und Sättigungsinduktion des ferromagnetischen Heizelementes ändern sich in Abhängigkeit von der Temperatur. Dadurch ändert sich die Induktivität der Heizwicklung und entsprechend die Resonanzfrequenz des Schwingkreises:
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fo ist hierbei die Resonanzfrequenz eines unbelasteten Schwingkreises, fr die Schwingfrequenz, die sich unter Einfluss des Lastwiderstandes RL einstellt. Beide Effekte führen zu einer temperaturabhängigen Änderung der Schwingkreisfrequenz. Bei geeigneter Erfassung der Schwingkreisfrequenz kann somit die Temperatur des Heizelementes ermittelt werden. Dies kann in einfacher Weise durch Digitalisierung der Versorgungsspannung und anschließende Frequenzmessung mit Hilfe des Mikrocontrollers erfolgen.
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Die Kombination beider Verfahren erlaubt es nun, die Temperatur des Heizelementes sicher und genau zu erfassen, wodurch die oben aufgestellten Anforderungen erfüllt werden. Da zudem weder zusätzliche Sensoren oder Zuleitungen benötigt werden, sondern größtenteils bereits vorhandene Betriebsmittel (Stromerfassung, Mikrocontroller) genutzt werden, ist dies auch ein sehr kostengünstiger Ansatz.
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In Weiterbildung der Erfindung werden zu weiteren Zeitpunkten nach dem zweiten Zeitpunkt die Ermittlungen des Widerstands und der Frequenz wiederholt und darauf basierend die zu den jeweiligen Zeitpunkten vorherrschenden Temperaturen durch Vergleich mit dem Kenndatenfeld ermittelt.
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Der Widerstand wird in vorteilhafter weil besonders einfacher Weise durch Messung der Spannung der Gleichspannungsquelle und des Stromes, den die Gleichspannungsquelle liefert, und durch Quotientenbildung dieser Werte ermittelt.
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Eine Regelung der Temperatur eines induktiv beheizten Kraftstoffeinspritzventils erfolgt in erfindungsgemäßer Weise dadurch, dass die Temperatur nach dem oben beschriebenen Verfahren ermittelt und die Versorgung der Oszillatorschaltung unterbrochen wird, wenn eine vorgegebene Temperatur erreicht ist, und periodisch wiederholt nach einer vorgegebenen Zeitspanne die Versorgung wieder eingeschaltet und die Temperatur erneut ermittelt und die Versorgung der Oszillatorschaltung wieder unterbrochen wird, wenn die vorgegebene Temperatur wieder erreicht ist.
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Dadurch lässt sich das Problem lösen, dass die Temperaturerfassung nur bei laufender Heizung erfolgen kann. Ist die Heizregelung z. B. als Zweipunktregler ausgelegt, wird das Erreichen der (oberen) Solltemperatur zwar erkannt, woraufhin die Heizung ausgeschaltet wird. Da nun jedoch keine erneuten Temperaturmessungen erfolgen, kann die gewünschte Wiedereinschalttemperatur nicht bestimmt werden. Eine Lösung ist die erfindungsgemäße Zweipunktregelung mit fester Aus-Zeit. Hier wird nach Erreichen der (oberen) Solltemperatur die Heizung für eine vorgegebene Zeitdauer ausgeschaltet und erst danach wieder eingeschaltet. Diese Zeitdauer muss allerdings sorgfältig vorherbestimmt werden. Nach Ausschalten der Heizung kann nämlich – bedingt durch thermische Zeitkonstanten – die Heizertemperatur zunächst noch weiter ansteigen, bevor sie letztendlich absinkt. Die Ausschaltzeit muss nun mindestens so lange dauern, bis die Heizertemperatur sicher unter die (obere) Solltemperatur abgesunken ist. Ansonsten könnte – bedingt durch die genannte thermischen Zeitkonstanten, sowie die Reaktionszeit der Heizerregelung – die Heizertemperatur unkontrolliert ansteigen.
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Alternativ kann die Temperatur ermittelt und die Versorgung der Oszillatorschaltung unterbrochen werden, wenn eine vorgegebene Temperatur erreicht ist, und periodisch wiederholt nach vorgegebenen Zeitspannen die Versorgung für eine kurze Zeitspanne, in der keine nennenswerte Erwärmung des Kraftstoffeinspritzventils erfolgt, wieder eingeschaltet und die Temperatur erneut ermittelt wird und die Versorgung der Oszillatorschaltung wieder unterbrochen wird, wenn die vorgegebene Temperatur wieder oder noch erreicht ist.
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Es wird also die Heizung periodisch für einen sehr kurzen Zeitraum von etwa 200 μs eingeschaltet und dabei die Temperatur (wie oben beschrieben) gemessen. Bei geeigneter Wahl der Wiederholfrequenz führt diese sehr kurze Heizperiode zu keiner nennenswerten Erwärmung des Heizelementes.
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Das Kenndatenfeld kann in vorteilhafter Weise durch Versuche ermittelt wird.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Temperatur eines induktiv beheizten Kraftstoffeinspritzventils weist eine in dem Ventil angeordneten Spule, eine durch eine Gleichspannungsquelle versorgte Oszillatorschaltung zur Versorgung der Spule mit einem Wechselstrom hoher Frequenz zur Erwärmung durch induzierte Wirbelströme des aus einem widerstandsbehafteten und eine Permeabilität aufweisenden Material gebildeten Ventilgehäuses und ferner eine Spannungsmesseinrichtung zur Ermittlung der Spannung der Gleichspannungsquelle, eine Strommesseinrichtung zur Ermittlung des Wechselstroms, eine Frequenzmesseinrichtung zur Ermittlung der Frequenz des Wechselstroms, einen Temperatursensor zur Ermittlung der Umgebungstemperatur und eine Steuereinrichtung, in der ein Kenndatenfeld gespeichert ist, zur Ermittlung der Temperatur des induktiv beheizten Kraftstoffeinspritzventils auf.
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Hierdurch kann auf einfache Weise mit zumeist zu anderen Zwecken erforderlichen Messeinrichtungen die Temperatur kostengünstig ermittelt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur eines Kraftstoffeinspritzventils mit einer im Kraftstoffeinspritzventil angeordneten Spule L3, die parallel zu einem Kondensator C1 geschaltet ist, wobei die Verbindungspunkte der Spule L3 und des Kondensators C1 einen ersten Schaltungsknoten 1 und einen zweiten Schaltungsknoten 2 bilden. Zwischen dem ersten Schaltungsknoten 1 und dem zweiten Schaltungsknoten 2 ist die Serienschaltung aus einem ersten mit einem n-Kanal-MOSFET gebildeten ersten Schaltelement T1 und einem ebenfalls mit einem n-Kanal-MOSFET gebildeten zweiten Schaltelement T2 angeordnet. Der Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente T1, T1 ist über ein drittes, mit einem n-Kanal-MOSFET gebildetes Schaltelement T3 und einen dazu in Serie geschalteten Strommesswiderstand R_Shunt mit dem Massepotenzial einer Versorgungsquelle verbunden.
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Der Steueranschluss des dritten Schaltelements T3 ist mit einem Steueranschluss E/A verbunden, der zum Ein- und Ausschalten der in der 1 gezeigten Schaltungsanordnung dient. Die Steueranschlüsse des ersten T1 und zweiten Schaltelements T2 sind jeweils über einen Widerstand R1 bzw. R2 mit dem positiven Potenzial V0 der Versorgungsquelle verbunden. Außerdem ist der Steueranschluss des ersten Schaltelements T1 über eine in Flussrichtung gepolte erste Diode D1 mit dem zweiten Schaltungsknoten 2 und der Steueranschluss des zweiten Schaltelements T2 über eine in Flussrichtung gepolte zweite Diode D2 mit dem ersten Schaltungsknoten 1 verbunden.
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Zur Versorgung des Parallelschwingkreises aus der Spule L3 und dem Kondensator C1 mit Energie, um die in der als Heizwicklung dienenden Spule L3 dissipierte Energie wieder zu ersetzen, ist ein Mittelabgriff der Spule L3 über eine weitere Spule L1 mit dem positiven Potenzial der Versorgungsquelle V0 verbunden.
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Die Vorrichtung zur Erfassung der zur Temperaturermittlung benötigten Signale umfasst den Strommesswiderstand im Strompfad der Versorgungsspannung zur die Heizwicklung mit hochfrequenter Energie versorgenden Oszillatorschaltung. An diesem Widerstand entsteht eine Spannung, die dem Strom im Resonanzkreis entspricht. Genau genommen handelt es sich hierbei um den Strom, der zur Aufrechterhaltung der Schwingung des Resonanzkreises benötigt wird. Er ist deshalb in besonderer Weise zur Bestimmung des Heizelementwiderstandes – also des Lastwiderstandes des Schwingkreises – geeignet. Die Messspannung wird in einem Verstärker Amp verstärkt und gegebenenfalls gefiltert, bevor sie dem Eingang eines Mikroprozessors MPU zugeführt wird.
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Die Spannung der wird mittels eines Spannungsteilers aus den Widerständen R5 und R6, die in Serie zwischen den Polen der Versorgungsquelle V0 geschaltet sind, dem Arbeitsbereich des Einganges U des Mikroprozessors MPU angepasst. Die Signale, die zur Berechnung des elektrischen Widerstandes des Heizelementes benötigt werden, können nun vom Mikroprozessors MPU erfasst werden.
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Ein weiterer Spannungsteiler aus Widerständen R3 und R4 ist zwischen dem ersten Schaltungsknoten 1 und dem Massepotential angeordnet und passt die Wechselspannungsamplitude der Spannung am Schwingkreis aus dem Kondensator C1 und der Spule L3 dem Eingangsbereich eines Spannungsvergleichers Comp an, der ein der Schwingfrequenz fr entsprechendes Digitalsignal an den Eingang Freq des Mikroprozessors MPU leitet. Dieses Signal kann nun zur Bestimmung der Schwingfrequenz fr, bzw. deren zeitlicher Änderung verwendet werden.
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Der Ablauf zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes des Heizelementes bzw. der Schwingfrequenz fr sowie deren zeitlicher Verlauf erfolgt nun wie folgt. Fertigungsbedingt unterliegen die Werte der elektrischen Bauteile teils erheblichen Schwankungen, weshalb die Bestimmung der Absolutwerte von elektrischem Widerstand des Heizerelementes und der Schwingkreisfrequenz fr nicht genau erfolgen können. Dieser Mangel kann jedoch durch die Bestimmung der temperaturbedingten Änderung dieser Größen weitgehend behoben werden, da diese im Wesentlichen von der Temperaturabhängigkeit des Heizerelementes bestimmt werden. Dessen Temperaturabhängigkeit wird aber von seinen Materialeigenschaften bestimmt und schwankt somit nur minimal.
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Zur Bestimmung der temperaturabhängigen Änderungen sind jedoch mindestens zwei, zeitlich versetzt aufeinanderfolgende Messungen erforderlich. In einem ersten Schritt werden Heizelementwiderstand und Schwingkreisfrequenz kurz nach Beginn der Heizphase – z. B. nach 150 μs – bestimmt. Diesen Werten wird die – beispielsweise vom Temperatursensor TS der Motorsteuerung oder einem anderen Sensor erfasste – aktuelle Umgebungs- oder Kraftstofftemperatur zugeordnet, wodurch man einen ersten Bezugspunkt erhält. Ro, fo -> To
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Nun ergeben sich zwei weitere mögliche Vorgehensweisen:
Nach einer vorgegeben Zeitspanne erfolgt eine zweite Messung, wobei ein zweiter Heizelementwiderstand und eine zweite Schwingkreisfrequenz ermittelt werden. Die Wertedifferenz zur ersten Messung lässt sich unter Kenntnis der Temperaturabhängigkeit von Heizelementwiderstand und Schwingkreisfrequenz zur Ermittlung der nun vorherrschenden Temperatur verwenden. Dies kann beispielsweise durch Vergleich mit einem im Mikroprozessor MPU hinterlegten Kenndatenfeld (look up table) erfolgen. R1 – Ro, f1 – fo -> ΔT T1 = To + ΔT
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Die Änderung der Heizertemperatur innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne kann nun dazu verwendet werden, den weiteren Temperaturverlauf bei angelegter Heizung vorher zu bestimmen. Dadurch kann eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit der oben beschriebenen modellbasierten Temperaturbestimmung erreicht werden, so dass dieses Verfahren ggf. einsetzbar wird. Vorteilhaft ist dabei der Verzicht auf weitere Messungen, was wertvolle Ressourcen des Mikroprozessors MPU einspart.
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Die Messungen von Heizelementwiderstand und Schwingkreisfrequenz werden periodisch durchgeführt. Durch Vergleich der gemessenen Werte zum Eingangswert kann mithilfe des Kenndatenfeldes fortlaufend die aktuelle Temperatur des Heizerelementes ermittelt werden. Einer Heizungsregelung steht somit der erforderliche Ist-Wert zur Verfügung.
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Durch Verwendung der temperaturabhängigen Werte des Heizerwiderstands und der Schwingfrequenz des die Heizwicklung mit hochfrequenter Energie versorgenden Oszillators zur Temperaturbestimmung gelingt es, die Anforderungen an Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung bei sehr geringen Zusatzkosten zu erfüllen.
