DE3832101C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung
nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 5.
Für die genaue, elektronisch geregelte Kraftstoffzumessung ist
sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren eine Berücksichtigung
der Kraftstofftemperatur erforderlich, da die Mengenmessung
volumetrisch erfolgt, für die Kraftstoffverbrennung und
die Motorleistung jedoch die Massenströme von Luft und Kraftstoff
maßgebend sind. Die Korrektur für die Treibstofftemperatur
wird in einem elektronischen Regler entweder bei der Bestimmung
der Sollmenge oder bei der Bestimmung der Istmenge
vorgenommen.
Beispielsweise ist es aus der DE-OS 31 25 466 bekannt geworden,
einen mit dem elektronischen Regler verbundenen Kraftstofftemperatursensor
vorzusehen und dessen Ausgangssignal bei
der Berechnung der optimalen Einspritzmenge zu berücksichtigen.
Bei dem Sensor handelt es sich um einen Thermistor, über dessen
Lage im Kraftfahrzeug jedoch nichts ausgesagt wird. Es ist
jedoch bekannt, einen Kraftstofftemperatursensor irgendwo in
der Kraftstoffleitung oder in einer Einspritzpumpe vorzusehen.
Nachteilig ist hierbei, daß die Kraftstofftemperatur nicht an
der Stelle gemessen wird, an der sie sich auf die Mengenmessung
auswirkt, d. h., bei einer Mengenmessung über einen Nadelhubsensor
einer Einspritzdüse sollte die Temperatur möglichst
nahe des Nadelhubsensors gemessen werden. Andererseits bedeutet
jeder zusätzliche Sensor eine weitere Fehlerquelle, da
z. B. der Bauteil defekt oder eine Verbindungsleitung schadhaft
sein können. Weiters ist bei bekannter Temperatursensoren
der Zusammenhang zwischen Temperatur und Ausgangssignal
stark nicht-linear, was zu Kalibrierungsproblemen beim Einbau
und zu ungenauen Messungen führen kann.
Aus der DE-OS 37 26 712 der Anmelderin geht beispielsweise
eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einem Nadelhubsensor hervor,
bei welcher eine Sensorspule in unmittelbarer Nähe der Düsennadel
und damit des durchfließenden Kraftstoffes angeordnet
ist. Die Sensorspule ist in einem Magnetkreis angeordnet,
dessen magnetischer Widerstand sich beim Öffnen oder Schließen
der Ventilnadel ändert. Da der Magnetkreis durch ein Vormagnetisierungsstrom
in der Sensorspule oder durch einen
Permanentmagneten vormagnetisiert ist, werden beim Öffnen
bzw. Schließen der Ventilnadel Spannungsimpulse in der Sensorspule
induziert, die zur Auswertung an den elektronischen
Regler weitergeleitet werden.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und
einer Vorrichtung, durch welche die Messung der Kraftstofftemperatur
möglichst nahe der Stelle der Mengenmessung
und/oder Mengenbestimmung durchgeführt werden kann. Ein weiteres
Ziel der Erfindung liegt in einer Messung der Kraftstofftemperatur,
die keinen großen zusätzlichen Aufwand und
keine Eingriffe in vorhandene Kraftstoffversorgungssysteme
erfordert.
Dieses Ziel läßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung
nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw.
5 erreichen. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung, deren Ausgangspunkt die Verwendung der Sensorspule
des Nadelhubsensor auch zur Temperaturmessung ist,
ermöglicht es, die Messung der Kraftstofftemperatur an der
Stelle der Mengenzumessung bzw. Mengenbestimmung mit hoher
Genauigkeit und bei geringem Aufwand durchzuführen. Es sind
hierbei keinerlei mechanische Eingriffe in bereits vorhandene
Motoren und deren Kraftstoffversorgung erforderlich.
Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen ist im folgenden
an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert,
die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
Fig. 1 die beispielsweise Anordnung der Sensorspule eines
Nadelhubsensors in einem Schnitt durch einen Teil einer Einspritzdüse,
Fig. 2 in einem Blockschaltbild die prinzipielle
Auswertung der an der Sensorspule auftretenden Signale, die
Fig. 3a bis c Varianten der Stromversorgung der Sensorspule
und Fig. 4 ein Ablaufdiagramm für die Berechnung der Kraftstofftemperatur
unter Zuhilfenahme eines Kalibriervorganges.
In Fig. 1 ist ein Teil einer Einspritzdüse 1 gezeigt, in
welcher eine Düsennadel 2 an ihrem oberen Ende einen Druckzapfen
3 trägt. An diesem greift über einen Federteller 4
eine Druckfeder 5 an. Die in Längsrichtung gegen die Kraft
der Feder 5 verschiebliche Düsennadel 2 sitzt in bekannter,
hier nicht gezeigter Weise am unteren Ende der Einspritzdüse
mit einem Dichtkegel auf einem Ventilsitz.
Über einen Kanal 6 wird dem Ventilsitz Kraftstoff zugeführt.
Bei genügendem Anstieg des Kraftstoffdruckes hebt sich die
Düsennadel 2. Hierbei bewegt sich eine Ringschulter 7 der Düsennadel
2 bis zu einer Stirnfläche 8 eines ringförmigen Abschnittes
9 einer Zwischenplatte 10 aus ferromagnetischem
Material.
Der Abschnitt 9 ist von einer Sensorspule 11 umgeben, deren
Anschlüsse über eine Leitung 12 nach außen geführt sind. Um
ein Magnetfeld aufzubauen, ist entweder die Sensorspule 11 von
Gleichstrom durchflossen, oder es ist, beispielsweise am Federteller
4, ein kleiner Permanentmagnet vorgesehen. Bei der oben
beschriebenen Bewegung der Düsennadel 2 wird der magnetische
Widerstand des für die Sensorspule 11 wirksamen Magnetkreises
geändert und in der Sensorspule 11 wird ein Nadelhubsignal induziert.
Nähere Einzelheiten und weitere Ausführungsmöglichkeiten
sind in der bereits genannten DE-OS 37 26 712 und der dort
zum Stand der Technik genannten DE-OS 29 32 480 ausführlich
beschrieben.
In Fig. 2 ist die Wicklung 13 der Sensorspule 11 schematisch
als Widerstand dargestellt, der einen ohmschen Anteil R
besitzt. Dieser Widerstand ist temperaturabhängig und ergibt
sich in erster Näherung als
R(T) = R₂₅ (1 + αΔ T) (1)
mit
Δ T = T-25 (2)
hierbei bedeuten:
R₂₅ Widerstand der Spule bei 25°C
T Temperatur der Spule in °C
α Temperaturkoeffizient
T Temperatur der Spule in °C
α Temperaturkoeffizient
Für übliche Spulendrähte, meist Kupfer, und den in Frage
kommenden Temperaturbereich ist die lineare Darstellung des
Widerstandsverlaufes bei weitem ausreichend genau. Für Kupfer
gilt ein Temperaturkoeffizient α von etwa 4.10-3.
Die Wicklung 13 der Sensorspule 11 liegt über einen strichliert
eingezeichneten Vorwiderstand gemäß Fig. 2 an einer
Versorgungsspannung U B und wird von einem Strom I s durchflossen.
Alternativ kann gemäß Fig. 3a eine Stromquelle I₀
für die Speisung der Wicklung 13 vorgesehen sein.
Die Signalspannung an Punkt A der Wicklung 13 wird in einem
Wechselspannungsanteil und in einen Gleichspannungsanteil U M
aufgespalten. Zu diesem Zweck ist ein Hochpaß 14, hier als
einfaches RC-Glied schematisch dargestellt, vorgesehen, über
den die Nadelhubimpulse an einen elektronischen Regler 15
weitergeleitet und dort ausgewertet werden.
Der Gleichspannungsanteil U M gelangt über einen Tiefpaß 16,
gleichfalls als RC-Glied schematisch angedeutet, und gegebenenfalls
über einen Verstärker 17 ebenso zu dem elektronischen
Regler 15, in dem das Gleichspannungssignal zweckmäßigerweise
in einem Analog-Digital-Umsetzer 18 in digitale
Form aufbereitet wird. Aus diesem digitalen Signal kann nach
verschiedenen Berechnungsverfahren bzw. Algorithmen aus der
bekannten Temperaturabhängigkeit des Wicklungswiderstandes
R(T) die Wicklungstemperatur und damit die Treibstofftemperatur
berechnet werden.
Dem Regler 15 werden überdies noch andere Signale S i zugeführt,
insbesondere ein Drehzahlsignal, das Signal eines
Fahrpedal-Stellungsgebers und für andere Betriebsgrößen repräsentative
Signale. Auch können dem Regler 15 die Signale
eines Temperatursensors 19, der die Luft- bzw. Umgebungstemperatur
mißt, sowie eines weiteren Temperatursensors 20,
der die Motor(Kühlwasser)temperatur mißt, zugeführt werden.
Der Regler 15 errechnet aus diesen Signalen vor allem ein
Ausgangssignal s a zur Ansteuerung eines Mengenstellgliedes
bzw. mehrerer Mengenstellglieder für die Zumessung des
Kraftstoffes. Die Gewinnung des Ausgangssignales s a ist jedoch
nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Bei Verwendung einer Konstantstromquelle I₀ gemäß Fig. 3a erhält
man für die Temperatur T wegen
Die konstanten Werte für α, I₀ und R₂₅ sind in dem Regler
15 abgespeichert, so daß die Kraftstofftemperatur T problemlos
errechnet und ihr Wert als Parameter bei der Regelung
der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden kann.
Voraussetzung ist ein konstanter Strom I₀ und ein genaues
Einhalten des Widerstandswertes der Wicklung 13 bei der
Fertigung.
Bei Speisung über einen Vorwiderstand R V von einer Spannung
U B gemäß Fig. 3b ergibt sich wegen
Die Berechnung der Temperatur T erfolgt auch in diesem Fall
aus dem Gleichspannungssignal U M unter Berücksichtigung der
konstanten Werte α, R V , R₂₅ und U B .
Da die Einhaltung eines genauen Widerstandswertes R₂₅ der
Wicklung 13 bei der Fertigung der Sensorspule 11 relativ
aufwendig ist, kann die Verwendung eines externen Abgleichwiderstandes
R A gemäß Fig. 3c angebracht sein. Mit Hilfe
dieses Widerstandes R A wird der Wert R A + R auf einen
Nominalwert
R N = R A + R₂₅ (7)
eingestellt.
Da man für R A einen weitgehend temperaturunabhängigen
Widerstand wählt, ergibt sich aus (1), (3) und (7)
U M = I₀ [R A + R₂₅(1 + αΔ T)] (8)
Da R N = R A + R₂₅=const., und zwar für jedes Sensorexemplar,
ergibt sich
U M = I₀ [R N + R₂₅ αΔ T] (9)
R₂₅ = R₂₅ soll + Δ R₂₅ (10)
wobei Δ R₂₅ die Abweichung (Fertigungstoleranz) des Wertes
R₂₅ von einem Sollwert und R₂₅ soll den bei der Fertigung
des Sensors angestrebten Sollwert bedeuten.
Da R N konstant ist, ergibt sich ein Wert für den Abgleichwiderstand
R A mit:
R A = R Asoll - Δ R₂₅ (11)
Aus (8), (10) und (11) erhält man sodann
U M = I₀ [R N + R₂₅ soll · α · Δ T + Δ R₂₅ · α · Δ T] (12)
-
-
Aus dieser Gleichung zeigt sich, daß der relative Fehler von
R₂₅ in die Messung von Δ T direkt eingeht.
Da jedoch bei Raumtemperatur (25°C) der Fehler völlig eliminiert
ist, ergeben sich auch bei anderen Temperaturen geringere
Fehler als bei einer Anordnung ohne Abgleichwiderstand.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Kraftstofftemperatur
besteht darin, eine Kalibrierungsmessung zu einem
Zeitpunkt durchzuführen, zu dem die Motor- und Treibstofftemperatur
der Außentemperatur entspricht, d. h. vor oder
während eines Kaltstarts. Dieses Verfahren, daß allerdings
die Messung der Außentemperatur voraussetzt, bietet, wie im
folgenden gezeigt wird, den Vorteil, daß die Werte der
Stromquelle I₀ bzw. der Versorgungsspannung U B und eines
Vorwiderstandes R V für die Berechnung der Kraftstofftemperatur
nicht erforderlich sind, jedenfalls nicht bei einer
ratiometrischen Analog-Digital-Wandlung der Meßwerte. In
diesem Fall wird nämlich die Vergleichsspannung auf die gemeinsame
Versorgungsspannung (U B ) der Meßanordnung bezogen,
so daß Schwankungen der Versorgungsspannung aus dem Meßergebnis
eliminiert werden. Ebensowenig ist ein Abgleich des
Wicklungswiderstandes notwendig.
Es wird vor oder während eines Kaltstarts die Umgebungs-
(Luft)temperatur T cal gemessen, wozu der Temperatursensor
19 nach Fig. 2 herangezogen wird. Außerdem wird die Spannung
U cal an dem Wicklungswiderstand R der Sensorspule 11
gemessen.
Aus (1) und (3) ergibt sich:
U M = I₀R₂₅ (1 + αΔ T) (13)
bzw.
U Mcal = I₀R₂₅ (1 + αΔ T cal ) (14)
Nach Division von (13) durch (14) und kurzer Rechnung ergibt
sich
In der Gleichung zur Berechnung der Spulen bzw. Treibstofftemperatur
sind außer dem Temperaturkoeffizienten noch die
Werte U cal und Δ T cal enthalten. Die beiden letztgenannten
Werte wurden bei der Kalibrierungsmessung ermittelt und sodann
in einem Speicher des Reglers abgespeichert. Zur laufenden
Messung bzw. Berechnung der Treibstofftemperatur T
werden diese Werte später abgerufen.
Gleichung (15) läßt sich auch als
anschreiben, woraus ersichtlich ist, daß auch hier der
Rechenaufwand nicht groß ist, da die Werte von K₁ und K₂
bloß während des Kalibriervorganges berechnet und sodann
abgespeichert werden können. Für die laufende Berechnung
nach Gl. (16) kann während des Betriebes einfach auf diese
abgespeicherten Werte zurückgegriffen werden. Im übrigen
spielt der Rechenaufwand keine große Rolle, da moderne elektronische
Regler leistungsfähige und schnelle Mikrorechner
beinhalten, die genügend Kapazität und Rechenzeit für
"kleine Nebenaufgaben", wie die vorliegende, besitzen. Der
elektronische Regler gestattet außerdem die ständige Oberprüfung
der ermittelten Werte U Mcal , T cal und U M auf Plausibilität
und kann bei Auftreten nicht plausibler Werte
(z. B. T cal = 150°C) solche Werte verwerfen und die Messung
wiederholen oder ein Warnsignal abgeben.
In Fig. 4 ist ein beispielsweise schematisches Ablaufdiagramm
für die Berechnung der Kraftstofftemperatur unter Zuhilfenahme
eines Kalibriervorganges gezeigt. Nach dem Einschalten
des elektronischen Reglers werden die Motor- und
die Lufttemperatur T M bzw. T L gemessen und sodann miteinander
verglichen. Nur dann, wenn die Differenz dieser Temperaturen
T M , T L klein genug ist (Kaltstart), z. B. kleiner als 3
wird die oben beschriebene Kalibrierungsmessung durchgeführt,
andernfalls wird im Betrieb weiterhin auf die abgespeicherten
Werte K₁, K₂ (siehe Gl. 16, 17) zurückgegriffen.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignet
sich besonders für Dieselmotoren, ist jedoch ebenso bei
Ottomotoren mit Benzineinspritzung über Einspritzdüsen,
von welchen mindestens eine einen Nadelhubsensor besitzt, zu
verwenden. Bei den Einspritzdüsen kann es sich um übliche
Düsen oder auch um sogenannte Pumpedüsen handeln.
Claims (9)
1. Verfahren zur Messung der Kraftstofftemperatur bei elektronisch
geregelten Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung
über Einspritzdüsen, von welchen mindestens eine
einen Nadelhubsensor mit einer Sensorspule aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Gleichstromwiderstand
(R) der Wicklung (13) der Nadelhubsensorspule (1)
gemessen und als Maß für die Kraftstofftemperatur (T) herangezogen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wicklung mit konstantem Gleichstrom (I₀) gespeist und
die Gleichspannung (U M ) an der Wicklung als Maß für die
Kraftstofftemperatur (T) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Meßstrom (I s , I₀) für die Messung des Spulenwiderstandes
der Vormagnetisierungsstrom des Nadelhubsensors
herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zu einem Zeitpunkt, zu dem die Umgebungstemperatur
zumindest im wesentlichen der Motortemperatur
entspricht, insbesondere vor oder während eines Kaltstartes,
die Umgebungstemperatur (T cal ) und die Gleichspannung (U Mcal )
an der Sensorspule (11) gemessen und abgespeichert werden
und sodann während des Betriebes der Brennkraftmaschine die
Spannung (U M ) an der Sensorquelle (11) gemessen und aus
dieser, den abgespeicherten Kalibrierwerten (T cal , U cal ) und
der bekannten Temperaturabhängigkeit des Wicklungswiderstandes
(R) die Kraftstofftemperatur (T) ermittelt wird.
5. Vorrichtung zur Messung der Kraftstofftemperatur bei einer
elektronisch geregelten Brennkraftmaschine, die Einspritzdüsen
zur Kraftstoffeinspritzung besitzt, wobei von diesen Einspritzdüsen
zumindest eine einen Nadelhubsensor mit einer Sensorspule
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strom-
oder Spannungsquelle (U B , I₀) zur Speisung der Wicklung (13)
der Sensorspule (11) mit einem Gleichstrom (I s , I₀), eine Meßeinrichtung
(15, 17, 18) zur Messung der Gleichspannung (U M )
an der Sensorspule (11) sowie eine Auswerteschaltung (15) zur
Berechnung der Wicklungs- und damit der Kraftstofftemperatur
(T) unter Berücksichtigung der bekannten Temperaturabhängigkeit
des Wicklungswiderstandes (R) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer Spannungs- oder
Stromquelle zur Speisung der Sensorspule mit einem Vormagnetisierungstrom,
dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungstrom
auch Meßstrom (I s , I₀) für die Widerstandsmessung
der Sensorspule (11) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Teil der Auswerteschaltung in einem elektronischen
Regler (15) für die Brennkraftmaschine realisiert ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit der Auswerteschaltung verbundener
Umgebungstemperaturfühler (19) vorgesehen ist und die Auswerteschaltung
zur Berechnung und Abspeicherung der Umgebungstemperatur
(T cal ) eingerichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in Serie zu der Spulenwicklung (13) ein Abgleichwiderstand
(R A ) geschaltet ist und die Meßeinrichtung
mit dieser Serienschaltung (R + R A ) verbunden ist.
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1989
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