DE2757180A1

DE2757180A1 - Verfahren und einrichtung zum ermitteln des bezogenen kraftstoffverbrauches bei brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2757180A1
Application number: DE19772757180
Authority: DE
Inventors: Wolf Ing Grad Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1979-06-28
Also published as: DE2757180C2; US4178798A

Description

Stand der Technik

Bekannte Mengenmeßeinrichtungen arbeiten nach dem Turbinenprinzip, d.h. im Kraftstoffstrom ist eine drehbare und mit signalerzeugenden Mitteln ausgestattete Welle gelagert. Aus der Drehzahl dieser VJe He kann auf die durchgeströmte Kraft stoff menge geschlossen werden und diese Menge läßt sich wiederum in Beziehung zu einem Zeit- oder Streckenintervall setzen.

Nachteilig an der bekannten Einrichtung ist die Verwendung eines rotierenden Elements in der Kraftstoffleitung. Unabhängig von Kostenaufwand bietet ein solches rotierendes System mögliche Störquellen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auf ein bewegliches Teil verzichtet werden kann und das eigentliche Meßsignal auch mehrfach ausgenutzt werden kann z.B. im Hiblick auf eine^ Abgasrückführungssteuerung bzw. -regelung. Auch muß nicht in den Hydraulikkreis der Kraftstoffversorgung eingegriffen werden, womit zusätzliche Anschlußstellen mit möglichen Undichtigkeiten entfallen.

Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist einfach, und sie bietet den Vorteil einer leichten Integrierbarkeit in einem integrierten Schaltkreis. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den Hauptansprüchen angegebenen Gegenstände möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar-

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gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung nähe erläutert. Es zeigen Figur 1 ein grob schematisches Blockschaltbild zur Darstellung der für das Verfahren zur Messung des bezogenen Kraftstoffverbrauchs benötigten Eingangsgrößen, Figur 2 ein Kennfeld mit der über der Kraftstoffmasse pro Hub aufgetragenen Abgastemperatur, Figur 3 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Messung des bezogenen Kraftstoffverbrauchs und Figur H eine ausführlichere Darstellung des Blockschaltbildes von Figur 3·

Beschreibung der Erfindung

In Figur 1 ist mit 10 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, zu der ein Luftansaugrohr 11 mit einer Drosselklappe 12 führt und deren Abgase in einem Abgassammelrohr 13 weggeleitet werden. Ein elektronisches Steuergerät 15 verarbeitet das Ausgangssignal eines Temperaturfühlers 16 im Abgaskrümmer 17 des Abgassammeirohres 13, ferner ein Drehzahlsignal von einem Drehzahlgeber 18 und schließlich ein wegbezogenes Signal von einem Geber 19, der in Figur 1 in Verbindung mit einem symbolisch dargestellten Rad 20 gekoppelt ist. Aussignal der elektronischen Steuereinrichtung 15 ist ein zeit- und/oder strekkenbezogenes Mengenmeßsignal.

Die Möglichkeit zur Erzeugung eines Kraftstoffverbrauchswertes aufgrund der Abgastemperatur geht aus dem Kennfeld nach Figur hervor. Dort ist die Abgastemperatur über der der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge pro Hub aufgetragen, wobei die Drehzahl den Parameter darstellt. Erkennbar ist der lineare Zusammenhang von zugeführter Kraftstoffmasse und Abgastemperatur bei konstanter Drehzahl, wobei sich unterschiedliche Drehzahlen nur durch eine Parallelvert;chiebung der Kennlinie auswirken. Dies bedeutet, daß eine eindeutige Zuordnung von verbrauchter Kraftstoffmenge und Temperatur des Abgases möglich ist und durch eine additive Drehzahlkorrektur nur eine einzige Kennlinie erforderlich ist, um aus der gemessenen Abgastempera-

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-H-

tür einen Wert der verbrauchten Kraftstoffmenge zu *estimmen.

Um möglichst exakte Meßergebnisse zu erhalten, ist erforderlich, die Abgastemperatur möglichst unbeeinflußt von sonstigen Einflußgrößen zu erfassen. Insbesondere sind Meßfehler durch Wärmeabgabe an die Abgasleitung dadurch zu vermeiden, indem die Abgastemperatur möglichst nahe an den Auslaßventilen gemessen wird. Weiterhin bestimmt den Kennlinienverlauf auch die Temperatur der Ansaugluftmenge. Es empfiehlt sich deshalb, die Ansauglufttemperatur im Saugrohr ebenfalls zu messen und entweder ähnlich der Drehzahl eine Drehzahlkorrektur vorzunehmen oder jedoch die Differenztemperatur zv/ischen Ansaugluft und Abgas zu verarbeiten.

Schließlich bestimmt noch die barometrische Höhe den Kennlinienverlauf von Figur 2. Bei geringer Luftdichte wird sich eine höhere Abgastemperatur einstellen, weshalb es sich empfiehlt, entweder einen Luftdruckgeber zur elektrischen Korrektur des Verbrauchswertes zu benutzen oder aber das Anzeigeinstrument mit einem auf die jeweilige Höhe (Luftdruck) einstellbaren Skalenring zu versehen.

Die den Zusammenhang zwischen Kraftstoffmasse pro Hub und Abgastemperatur verarbeitenden Verbrauchsmeßeinrichtungen eignen sich zur Steuerung bzw. Regelung verschiedener Vorgänge wie z.B. der Abgasrückführung, der Getriebesteuerung oder ähnlichem. Wie weit die Meßwerte zur Steuerung und Regelung verwendet werden können ist eine Frage der Reaktionsempfindlichkeit der Temperaturfühler. Für Regelungen sind im allgemeinen sehr schnelle Temperaturfühler erforderlich, was sehr massearme Thermoelemente oder Widerstandsmeßfühler ohne massive Verpackung versetzt. Diese Forderung ist jedoch in Einklang zu bringen mit der Wideratandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchungen, da massearme Temperaturfühler sehr erschütterungsempfindlich sein können.

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Für eine Verbrauchsmessungen können langsamere Temperaturfühler eingesetzt werden, die dann auch wesentlich robuster verpackt werden können. Geeignet sind hierfür NTC-Geber oder Widerstandsgeber aus Metall, z.B. in Form eines Platindrahtes oder einer Nickel-Dünnschicht, bei denen gegebenenfalls über entsprechende elektrische Netzwerke der gewünschte lineare Verlauf von Abgastemperatur als Funktion der verbrauchten Kraftstoffmenge pro Hub erzeugt v/ird.

Da für die Verbrauchsmessung nicht die Kraftstoffmenge pro Hub interessant ist, sondern die verbrauchte Menge pro Zeiteinheit oder pro Streckeneinheit, ist eine elektronische Weiterverarbeitung der Meßwerte erforderlich. Beispiele dafür sind in den Figuren 3 und 4 angegeben.

Im Blockschaltbild nach Figur 3 ist dem Temperaturgeber 16 eine Korrekturstufe 25 nachgeschaltet. Sie weist Korrektureingänge für die Drehzahl, die Ansauglufttemperatur sowie eine Null-Punkt-Korrektur auf. Ihr Ausgang ist zu einem Steuereingang 26 einer monostabilen Kippstufe 27 geführt, deren Triggereingang 28 mit dem Drehzahlgeber 18 gekoppelt ist. Der monostabilen Kippstufe 27 folgt ein Tiefpaß 29, an dessen Ausgang 30 eine Anzeigeeinrichtung 31 für den zeitbezogenen Kraftstoffmengenverbrauch angeschlossen ist.

Weiterhin enthält das Schaltbild nach Figur 3 einen steuerbaren Integrator 35, der über einen Triggereingang 36 Signale von einer Integratorsteuerstufe 37 erhält, die wiederum mit dem tachometrischen Drehzahlgeber 19 gekoppelt ist. Ihre Integrationskonstante erhält die Integratorstufe 35 über einen Spannungs-Strom-Wandler 38 ausgehend vom Ausgang 30 des Tiefpasses 29- Nachgeschaltet ist der Intergratorstufe 35 eine Übernahmeeinrichtung 39₃ die ihrerseits wieder mit einer Anzeigeeinrichtung Ίθ für den streckenbezogenen Kraftstoffverbrauch in Verbindung steht.

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Der T^mperaturgeber 16 erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend der in seiner Umgebung herrschenden Temperatur. Dieses Signal wird drehzahlabhängig (siehe dazu Figur 1) und ansauglufttemperaturabhängig korrigiert und gegebenenfalls zu einer Null-Lage in eine definierte Beziehung gebracht. Das Ausgangssignal der Korrekturstufe 25 bildet die Steuergröße für die monostabile Kippstufe 27» die mit der Frequenz der Kurbelwellen- oder Nockenwellendrehzahl getriggert wird. Da die Standzeit der monostabilen Kippstufe 27 abhängig ist vom Temperatursignal vom Geber 16, entspricht die Impulsbreite des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe 27 einem korrigierten Abgastemperaturwert. Die Signaldauer ti des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe 27 entspricht im Hinblick auf das Kennlinienfeld von Figur 2 einer bestimmten Kraftstoffmasse pro Hub. Der Auswertung dieses Zeitsignales dient ein Tiefpaß 29, der aus der Impulsfolge den arithmetischen Spannungsmittelwert bildet und somit an seinem Ausgang ein zeitbezogener Kraftstoffverbrauchswert anliegt. Diesen Zusammenhang verdeutlicht die folgende Gleichung, wobei Umax den Betrag des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe 27 darstellt, T die Periodendauer des Drehzahlsignals vom Drehzahlgeber 18 und ti die Impulsdauer der monostabilen Kippstufe 27 bezeichnet.

1Ϊ K

U = Umax . ^i — Umax · —

¹ Zeit

Der Darstellung des streckenbezogenen Kraftstoffverbrauchs dient die Reihenschaltung aus den signalerzeugenden und signalverarbeitenden Blöcken 19, 37» 35» 39 und 40. Die Wirkungsweise dieser Kette wird zweckmäßigerweise anhand des Schaltbildes von Figur ¹Ia und des Impulsdiagrammes von Figur 4b beschrieben.

Das Schaltbild von Figur 4a ist gegenüber dem Schaltbild von Figur 3 verfeinert. Es zeigt den Temperaturgeber 16, die als steuerbaren Verstärker ausgeführte Korrekturstufe 25» einen

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R. - δ)

dem Drehzahlgeber 18 nachgeschalteten Signalverstärker 50, die spannungsgesteuerte monostabile Kippstufe 27 sowie den Tiefpaß 29. Ihm nachgeschaltet ist der Spannungs-Strom-Wandler 38, realisiert mit einer gegengekoppelten Verstärker-Transistor-Kombination.

Dem Drehzahlgeber 19, der die zurückgelegte Wegstrecke erfaßt, folgt ein Signalverstärker 51 und die Integratorsteuerstufe mit einem Flip-Flop 52, einer weiteren monostabilen Kippstufe 53 sowie einem NAND-Gatter 54, das einmal das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 53 und einmal ein Ausgangssignal des Flip-Flops 52 zugeführt erhält. Der Integrator 35 besteht aus einem kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärker 55» dessen Minus-Eingang über einen Widerstand 56 und einen Transistor 57 mit einer Plusleitung 58 gekoppelt ist und ferner über eine Diode 59 mit dem Ausgang des Spannungs-Strom-Wandlers in Verbindung steht. Von der Verbindungsstelle Diode 59 und Spannungs-Strom-Wandler 38 liegt noch ein Transistor 60 an der Plusleitung 58. Während die Basis des Transistors 60 mit der Verbindungsstelle von Flip-Flop 52 und monostabiler Kippstufe 53 der Integratorsteuerstufe 37 verbunden ist, steht der Ausgang des NAND-Gatters 54 mit der Basis des Transistors 57 in elektrischer Verbindung.

Das Signalverhalten des Integrators 35 gibt das Diagramm von Figur 4b wider. Es zeichnet sich durch einen steigenden Bereich während einer Zeit tk aus, ferner durch einen Bereich mit konstantem Signalpegel während einer Zeitdauer ts und schließlich durch einen den Integrator-Kondensator entladenden Zeitbereich.

Bei der Aufladung des Integrator-Kondensators sind die Transistoren 57 und 60 gesperrt und auf den Kondensator 6l parallel zum Operationsverstärker 55 fließt ein eingeprägter Strom aus dem Spannungs-Strom-Wandler 38, der einen Spannungsanstieg am Kondensator 6l mit der Steigung k hervorruft. Es

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gilt die Beziehung

*^Us ^Qk
= rs^, J t^,

t Zeit

Integriert wird während der Zeit tk, die den Zeitabschnitt zwischen zwei Kippvorgängen des Flip-Flops kennzeichnet und während der das Fahrzeug eine bestimmte Streckeneinheit zurückgelegt hat.

. 1 Zeit

Geschwindigkeit Streckeneinheit

Nach der Zeit tk beträgt die Spannung über dem Kondensator 6l

^Qk

S IV

Streckeneinheit

Dieser Wert Us entspricht demnach dem gewünschten streckenbezogenen Verbrauchsmeßwert.

Nach der Zeit tk wird die Integration durch das Flip-Flop 52 dadurch unterbrochen, daß der Transistor 60 leiten wird und den Strom des Spannungs-Strom-Wandlers 38 übernimmt. Für eine kurze Zeit ts, die durch das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 53 bestimmt wird, bleibt der Spannungswert über dem Kondensator 6l gespeichert. Während dieser Zeit ts speichert die Übernahmeeinrichtung 39 den Kondensator-Spannungswert z.B. mittels eines Kondensators 63 und dieser Wert steht dann der Anzeigeneinrichtung 40 für den streckenbezogenen Kraftstoffverbrauch zur Verfügung. Realisieren läßt sich die Übernahmeeinrichtung 39 mittels eines elektronischen Schalters z.B. MOS-Schalter, der mit dem Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 53 angesteuert ist und ferner mit dem erwähnten Kondensator 63. In dem Kondensator 63 bleibt die Spannung des Kondensators 61 bis zum Eintreffen des folgenden Impulses der Dauer ts gespeichert.

Nach Ablauf der Zeitdauer ts wird der Transistor 57 über das

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- 9— R. υ 2 5 3

ΝΑΝΕ Gatter 5^ leitend gemacht und bewirkt eine Entladung des Integrator-Kondensators 6l auf einen definierten Ausgangszustand, von dem aus nach dem nächsten Kippvorgang des Flip-Flops 52 erneut integriert wird.

Wie bereits erwähnt, eignet sich das vorstehend beschriebene Verfahren und die dazugehörige Einrichtung zur Kraftstoffverbrauchsmessung überall dort, wo der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine interessiert: Sei es zur Anzeige des Verbrauches zeit- oder streckenbezogen oder jedoch zur Regelung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine. Besonders bei der Verwendung des Meßsignals als Regelsignal sind schnelle Temperaturgeber 16 erforderlich, damit die Regelung schnell und exakt durchgeführt werden kann. In Figur 1 ist ein Temperaturgeber l6 am Abgaskrümmer gezeichnet, es empfiehlt sich jedoch zu einer genaueren Messung jedem Auslaßventil einen Temperaturfühler zuzuordnen und als Temperatursignal den Mittel- oder Summenwert aller Temperaturfühler-Ausgangssignale zu verarbeiten.

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Claims

R. _t-. -> ■ 2
11.11.1977 Mü/Κδ

27&7180

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Ansprüche

T.j Verfahren zum Ermitteln des bezogenen Kraftstoffverbrauchs bei Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Abgastemperatur die verbrauchte Kraftstoffmenge bestimmt wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch mit einem Drehzahlgeber (18) sowie einer Anzeigeeinrichtung (31 > ¹IO), dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (16) in der Abgasleitung (13, 17), insbesondere nahe den Auslaßventilen der Brennkraftmaschine angeordnet ist und einem dem Drehzahlgeber (18) nachgeschalteten Zeitglied (27) ein Temperatursignal zuführbar ist.
3- Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperatursignal in einer Korrekturstufe (25) abhängig von Betriebskenngrößen änderbar ist.

M. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrekturgröße wenigstens eine der Größen Drehzahl, Temperatur der Luftansaugluft, Differenztemperatur von Luftansaugluf und Abgas sowie Luftdruck dient.

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- 2 - R.
4 2 ^Γ ' *
5· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zeitglied (27) ein Speicherglied (29), insbesondere ein Tiefpaß, nachgeschaltet ist.
6. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß zur streckenbezogenen Verbrauchsmessung (Q„/Wegeinheit) das Ausgangssignal des Zeitgliedes (27) mittelbar oder unmittelbar als Integrationskonstante eines abhängig von der zurückgelegten Wegstrecke gesteuerten Integrators (35) dient.
7· Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationswert des Integrators (35) zu wählbarem Zeitpunkt mittels einer Übernahmeeinrichtung (39) auf eine Anzeigeeinrichtung (40) schaltbar ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß jedem Auslaßventil der Brennkraftmaschine ein Temperaturfühler zugeordnet ist.
9. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Regelung insbesondere der Abgasrückführung und/oder einer Kraftstoffpumpe.

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