DE4431187C2 - Verfahren zur Berücksichtigung der Kraftstofftemperatur bei der Bestimmung des Kraftstoffluftverhältnisses und der Einspritzkenngrößen einer Brennkraftmaschine mit Zufuhr flüssigen Brennstoffes über Einspritzventile - Google Patents

Description

Aus einer Vielzahl von Versuchsergebnissen an Verbrennungsmotoren ist bekannt, daß die Temperatur des Kraftstoffes sowohl bei Motoren mit Gemischaufbereitung über Vergaser als auch bei Gemischaufbereitung über Einspritzdüsen einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf die Zerstäubung, die Verdunstung und die Durchmischung des Kraftstoffes mit der Brennluft hat und sich somit stark auf die Verbrennung und Schadstoffemission auswirkt. So ist z. B. aus der EP 03 60 790 A2 bekannt, mittels einer Messung der Kraftstofftemperatur Korrekturen für die Kraftstoffeinspritzdauer vorzunehmen.

Ohne die Berücksichtigung der Kraftstofftemperatur ergibt sich das Problem, daß die üblicherweise durch eine Variation der Einspritzdauer bei weitgehend konstantem Ein­ spritzdruck bzw. bei konstanter Druckdifferenz über die Einspritzdüse hinweg vorge­ nommene Dosierung des Kraftstoffes mit einer relativ großen Ungenauigkeit behaftet ist. Diese Ungenauigkeit beruht in erster Linie auf der starken Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Kraftstoffes, weshalb sich bei konstantem Einspritzdruck bereits eine geringfügige Änderung der Kraftstofftemperatur auf die eingespritzte Kraftstoffmasse auswirkt. Hieran ändert die geringfügige Temperaturabhängigkeit der Dichte des Kraft­ stoffs nur vergleichsweise wenig.

Bei betriebswarmem Motor ist dies von relativ geringer Bedeutung, da einerseits aus ei­ ner Vielzahl stationärer Testläufe des Motors eine empirische Feinabstimmung vorliegt. Dies gilt zumindest für den Bereich höherer, den Bedingungen am Motorenprüfstand entsprechender, Umgebungstemperaturen. Für die heute in der Großzahl der PKW eingesetzten Ottomotoren mit geregeltem 3-Wege-Katalysator kommt hinzu, daß ge­ ringfügige Abweichungen im Kraftstoffluftverhältnis von der Lambdasonde erkannt wer­ den, so daß bei betriebswarmem Motor bzw. bei auf Arbeitstemperatur befindlicher Lamdasonde die erforderliche Anpassung der Kraftstoffeinspritzmenge problemlos über das Motormanagement erfolgen kann.

Wesentlich problematischer wird die Abstimmung des optimalen Luftkraftstoffverhält­ nisses bei kaltem Motor und beim Beschleunigen des Fahrzeuges. Vielfach liegen auch beim Warmstart Probleme mit der richtigen Dosierung des Kraftstoffes vor.

Unter diesen Bedingungen läßt sich das optimale Kraftstoffluftverhältnis anhand der bei warmem Motor und damit auch relativ warmem Kraftstoff im lambdageregelten Betrieb ermittelten ("gelernten") Beziehungen zwischen Luftmassenmesssignal und Kraftstoff­ einspritzdauer nur recht grob einstellen, solange nicht eine entsprechende Berücksichti­ gung der Kraftstofftemperatur erfolgt.

In diesen kritischen Phasen wird bei den am Markt befindlichen Systemen vielfach le­ diglich eine Gemischanreicherung vorgenommen, so daß eine sichere Verbrennung bzw. ein runder Motorlauf und eine gute Beschleunigung erzielt wird. Dies bedeutet nicht nur eine Unzahl an empirischen Abstimmungsarbeiten, wobei neben der Last und der Drehzahl des Motors zumindest auch die Temperatur des Motors bzw. des Kühlmit­ tels einbezogen werden muß. Eine optimale Einstellung scheitert hierbei nicht nur an der technisch machbaren Anzahl von Abstimmungsläufen, sondern insbesondere auch an den fehlenden Freiheitsgraden einer kostengünstigen Erfassung und Regelung der re­ levanten Einflußgrößen. Insbesondere ist es mit den derzeit bekannten Einspritz- bzw. Gemischaufbereitungssystemen unmöglich, für alle praxisrelevanten Umgebungstempe­ raturen bzw. beim Warmstart für alle Temperaturkonstellationen von Motor und Um­ gebung eine Minimierung der Gemischanreicherung vorzunehmen.

Als Folge hiervon wird die Gemischanreicherung für die Serie wesentlich höher ange­ setzt als dies - zumindest für den Großteil der Kunden - erforderlich ist. Weiterhin wird sich natürlich die Optimierung der Anreicherung in erster Linie an den gesetzli­ chen Testvorschriften orientieren und für die Reduzierung der Kosten eventuell sogar bewußt in Kauf nehmen, daß sich außerhalb der im Test vorliegenden Bedingungen eine viel zu hohe Gemischanreicherung ergibt. Dies ist unter kommerziellen Gesichtspunkten durchaus verständlich, führt aber im praktischen Fahrbetrieb zu einer sigifikanten Ver­ schwendung von Kraftstoff und zu einer noch viel signifikanteren Belastung der Umwelt mit Schadstoffen.

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Verbrennungsmotoren mit Kraft­ stoffeinspritzung ein Verfahren zu entwickeln, welches eine hochgenaue Bestimmung der eingespritzten Kraftstoffmasse auch bei unterschiedlichen Kraftstofftemperaturen ermöglicht, so daß die Genauigkeit dafür ausreicht, einerseits bei betriebswarmem Mo­ tor eine einfache Kontrollfunktion zur On-Board-Diagnose abgasrelevanter Funktionen der Lambdasonde bereitzustellen und andererseits im nicht lambdageregelten Betrieb eine verbesserte Steuerung des Kraftstoffluftverhältnisses bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierbei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bereits im Kaltstart eine hochge­ naue Dosierung des Kraftstoffs.

Für den Dieselmotor bedeutet dies im Kaltstart bei hoher Motorlast beispielsweise die Möglichkeit sich näher an die Rauch bzw. Rußgrenze heranzutasten oder auch eine fei­ nere Abstimmung bezüglich des Kaltstartnagelns vorzunehmen.

Für Ottomotoren bedeutet die hochgenaue Dosierbarkeit im Kaltstart u. a. daß in Ver­ bindung mit einem Luftmassenmesser auch für die Phase, in der die im Abgassystem angeordnete Lambdasonde keine brauchbaren Meßdaten zur Regelung des Kraftstoff­ luftverhältnisses liefert, eine relativ genaue Abstimmung des Kraftstoffluftverhältnisses möglich ist.

Weiterhin kann die Ausdehnung der genauen Dosierbarkeit über die Kaltstart- und Warmlaufphase hinaus sicherstellen, daß in Fahrsituationen, in denen die Lambdasonde nicht mehr zur Regelung der Gemischbildung verwendet werden kann, auch für unter­ schiedliche Motorbetriebstemperaturen und insbesondere für unterschieliche Tempera­ turen der Umgebungsluft und des Kraftstoffs ein Betrieb mit minimaler Gemischanrei­ cherung möglich ist.

In analoger Weise ist das Verfahren auch für den Motorbetrieb bei Luftüberschuß an­ wendbar sein, wobei dort beispielsweise ein Betrieb möglichst nahe an einer vorgegebe­ nen Luftzahl als Optimierungskriterium zugrunde liegen kann.

Dabei lassen sich durch die vorgeschlagenen Vorgehensweisen die Kosten und die kon­ struktiven Eingriffe in bestehende Motoren bzw. Saugrohre und Einspritzsysteme so gering wie möglich halten.

Durch die Messung der Kraftstofftemperatur im Nahbereich des Zuströmquerschnitts, welcher bekanntlich gemeinsam mit dem Spritzloch den dominanten Einfluß auf den Druckverlust des eingespritzten Kraftstoffes hat, sind die für den Einspritzvorgang maßgeblichen Stoffdaten des Kraftstoffes bekannt. Dabei genügt auch eine Messung etwas stromauf des Spritzloches bzw. des Zuströmquerschnitts, solange in dieser Zone nur ein geringer Wärmeverlust vorliegt. Der Einspritzdruck wird bei den heute üblichen Einspritzsystemen weitgehend konstant gehalten, so daß dieser normalerweise keinen Einfluß auf die Einspritzmenge hat. Aber auch bei variablem Einspritzdruck ist die Veränderung der Stoffdaten des Kraftstoffes durch den Einspritzdruck weitgehend ver­ nachlässigbar gegenüber der Veränderung der Stoffdaten bei Variation der Kraftstoff­ temperatur.

Dies bedeutet, daß es eine sehr einfache Korrelation gibt, welche die Variation der ein­ gespritzten Kraftstoffmasse bei veränderter Kraftstofftemperatur beschreibt. Oder mit anderen Worten, für einen bekannten Luftmassenstrom kann das gewünschte Kraft­ stoffluftverhältnis auf einfach Art über eine kraftstofftemperaturabhängige Anpassung der Einspritzdauer eingestellt werden. Die hierzu erforderlichen Änderungen am Kraft­ stoffeinspritzsystem bzw. am Motormanagement sind minimal. Wesentlich ist hierbei nur, daß die Kraftstofftemperatur wirklich am richtigen Ort gemessen wird, um die Abhängigkeit der Einspritzmenge von den Stoffdaten und insbesondere von der Visko­ sität des Kraftstoffes zu erfassen. Aus diesem Grunde ist beispielsweise eine Messung der Kraftstofftemperatur stromauf der Einspritzdüse und insbesondere eine Messung in der Kraftstoffverteilerleiste für das erfindungsgemäße Verfahren nicht zu gebrauchen.

Für Ottomotoren mit 3-Wege-Katalysator bedeutet die Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens, daß beim Kaltstart, beim Warmstart und auch beim Betrieb des Motors außerhalb des Lambda-Fensters eine bisher nicht gekannte Dosiergenauigkeit für das Kraftstoffluftverhältnis vorliegt.

Die hieraus resultierenden Vorteile für Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission aber auch für das Verhalten des Motors beim Lastwechsel liegen auf der Hand.

Darüberhinaus erlaubt erst die hochgenaue Information über das vorliegende Kraftstoff­ luftverhältnis eine On-Board-Diagnose. Diese kann beispielsweis in Phasen erfolgen, in denen die Lambdaregelung arbeitet und die Abweichung des aus Luft- und Krafstoff­ massenstrom bestimmten Luftkraftstoffverhältnisses von Lambda = 1 bestimmt wird.

Für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Grundgedankens in die Praxis sind die ver­ schiedensten Wege denkbar. So kann beispielsweise ein Miniaturtemperatursensor zur Ermittlung der Kraftstofftemperatur innerhalb der Einspritzdüse Verwendung finden. Aber auch die elektrischen Leitungen der Stromversorgung können zur Ermittlung der Kraftstofftemperatur innerhalb der Einspritzdüse Verwendung finden. Hierzu können beispielsweise die Stromversorgungsleitungen als Thermopaarung eine Temperaturmes­ sung ermöglichen. Eine andere Anwendung bildet den elektrischen bzw. den elektroma­ gnetischen Antrieb selbst als temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aus. Die Messung kann bei elektrischen bzw. elektromagnetischen Einspritzdüsen wahlweise kon­ tinuierlich oder auch während der Einspritzimpulspause erfolgen. Letzteres empfielt sich insbesondere bei der Thermoelementvariante.

Eine andere Lösung sieht vor, eine stromgesteuerte Einspritzdüse auf elektromagneti­ scher Basis zu verwenden und die Spannung der als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildeten Wicklung über die relativ widerstandsarmen Stromversorgungsleitungen zu messen. Diese Variante ist bei den heute in Ottomotoren verwendeten Einspritzdüsen mit sehr geringem Aufwand realisierbar. Hier wirkt sich insbesondere der Vorteil aus, daß die Einspritzdüsen i. a. relativ gut wärmeisoliert sind, so daß der Meßort für die Kraftstofftemperatur auch etwas weiter vom Zuströmquerschnitt entfernt liegen kann.

Generell ist der Ort, an welchem die Kraftstofftemperatur im Nahbereich des Zuströmquer­ schnitts gemessen wird, weitgehend frei wählbar. Wesentlich ist nur, daß die gemes­ sene Temperatur repräsentativ dafür ist, welche Temperatur und welche Stoffdaten der Flüssigkeit am Zuströmquerschnitt, d. h. an der Stelle wo der dominante Druckverlust innerhalb der Einspritzdüse entsteht, vorliegt.

Je nach Motorbauart, kann es genügen, auch bei Mehrzylindermotoren nur eine Ein­ spritzdüse mit der Temperaturmeßmöglichkeit auszustatten.

In Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit der Kraftstoffdosierung ist es bei den geringen Kosten zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch vorteilhaft, jede Einspritzdüse mit einer Temperaturkompensation auszustatten. Insbesondere beim Warmstart und beim Lastwechsel sind hierdurch Vorteile zu erwarten.

Um mit der Genauigkeit der Lambdaregelung in Wettbewerb zu treten und insbesondere um eine On-Board-Diagnose der Gemischbildung bzw. der Lambdaregelung in bestimm­ ten Fahrsituationen zu ermöglichen ist neben einer relativ genauen Temperaturmessung auch ein relativ genauer Luftmassenmesser erforderlich. Auch die Einspritzdüsen müssen eine gute Alterungsbeständigkeit aufweisen.

Umgekehrt bietet die Anordnung von Luftmassenmesser und Einspritzventil auf der kal­ ten Motorseite, d. h. außerhalb des Wirkungsbereichs der heißen Abgase, aber auch einen gewissen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der Alterungsbeständigkeit.

Um die Genauigkeit der Gemischdosierung noch weiter zu verbessern, wird in einem weiterführenden Schritt vorgeschlagen, die Lambdasonde für die Kalibrierung der Ein­ spritzdüsenimpulsdauer zu verwenden. Durch diese Maßnahme lassen sich u. a. Alte­ rungserscheinungen der Einspritzdüsen und Unterschiede in der Kraftstoffqualität er­ kennen bzw. kompensieren.

Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Genauigkeit der Lambdasonde durch kon­ struktive oder andere Maßnahmen sichergestellt ist. Wenn dies der Fall ist, so kann bei betriebswarmer Lambdasonde das Meßsignal der Lambdasonde, welches im Bereich stöchiometrischen Kraftstoffluftverhältnisses sehr präzise ist, zur Feinabstimmung der Einspritzdüsenimpulsdauer in bezug auf das Meßsignal des Luftmassenmessers Verwen­ dung finden. Diese Feinkalibrierung kann dann zwischengespeichert werden, so daß beim nächsten Kaltstart wieder eine genaue Dosierung nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren erfolgen kann. Je nach Ansprechverhlten bzw. Ansprechtemperatur der Lamb­ dasonde kann auf diesem Wege ein relativ breiter Bereich von Kraftstofftemperaturen in die Kalibrierung der Einspritzdüsen einbezogen werden. Der von diesem Verfahren nicht erfaßte Kraftstofftemperaturbereich kann auf einfache Weise über Extrapolation oder über eine entsprechende Vorbelegung der entsprechenden Kalibrierfaktoren erfol­ gen.

Analoges wie für den Kaltstart gilt auch für den Lastwechsel. Auch hier kann beispiels­ weise eine Kalibrierung der Einspritzdüsen anhand der Betriebsphasen bei stöchiome­ trischem Kraftstoffluftverhältnis erfolgen, so daß nach Verlassen dieses Bereiches auch ohne Lambdasonde eine relativ genaue Dosierung des Kraftstoffes möglich ist.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines besonders einfachen Bei­ spiels mit einer heute bereits in der Serie verwendeten Einspritzdüse beschrieben werden. Hierbei zeigt Fig. 2 eine aus der Kraftfahrzeugserienfertigung bekannte Einbauvariante eines intermittierenden Einspritzventils für Ottomotoren mit Einbindung ins Motorma­ nagement. Wesentliche Baugruppen sind hierbei der Kraftstoflbehälter 1, die Elektro­ kraftstoffpumpe 2, der Kraftstoffilter 3, das Steuergerät 4, das Einspritzventil 5, das Kraftstoffverteilerrohr 6, der Druckregler 7, das Sammelsaugrohr 8, der Drosselklappen­ schalter 9, der Hitzdrahtluftmassenmesser 10, die Lambdasonde 11, der Motortempera­ turfühler 12, der Zündverteiler 13, der Leerlaufdrehsteller 14, die Bordbatterie 15 und der Zünd-Start-Schalter 16.

Fig. 3 zeigt ein Bosch-Einspritzventil mit elektromagnetischer Betätigung des Einspritz­ zapfens für intermittierendes Einspritzen bei Ottomotoren. Dieses besteht im wesent­ lichen aus dem Gehäuse 21, dem Kraftstoffsieb 22, dem elektrischen Anschluß 23, der Magnetwicklung 24, der Schließfeder 25, dem Magnetanker 26, der Ventilnadel 27 und dem Spritzzapfen 28 sowie den Dichtringen 29, 30, 31, 32 und der Kunststoffabdeck­ kappe 33.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Teile sind hinlänglich bekannt und brauchen daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden.

In Fig. 1 ist nun schematisch dargestellt, wie das Einspritzventil in das Motormana­ gement gemäß Fig. 2 integriert werden kann, um das erfindungsgemäße Verfahren zu nutzen. Die Stromversorungsleitungen des Einspritzventils, welche im Vergleich zur Magnetwicklung einen vernachlässigbaren Widerstand aufweisen, werden hierbei gleich­ zeitig als Meßleitung verwendet.

Über eine einfache Messung des elektrischen Widerstandes der Magnetwicklung 24 (vgl. Fig. 3), die u. a. während der Einspritzimpulspausen erfolgen kann, wird die benötigte Information über die Kraftstofftemperatur gewonnen. In Fig. 1 ist dies durch den Wi­ derstands/ Spannungswandler 34 schematisch angedeutet, der das Temperaturmeßsignal an einer beliebigen Stelle der zweiadrigen Stromversorgungsleitung 35 der Einspritzdüse 5 abgreift. Der Ort, wo das Temperaturmeßsignal an der Stromversorgung abgegrif­ fen wird, ist hierbei unbedeutend, da an der Stromversorgungsleitung im Vergleich zur Magnetwicklung nur ein vernachlässigbar kleiner Widerstand vorliegt. Wichtig ist hin­ gegen, daß die Magnetwicklung möglichst nahe am Düsenaustritt zu liegen kommt und einen guten Wärmekontakt mit dem eingespritzten Kraftstoff aufweist.

Dabei dürfte klar sein, daß die Funktionalität des Bauteils 34 bei der Serienanwendung in zukünftigen Kraftfahrzeugen vorteilhafterweise ins Steuergerät 4 integriert wird, wel­ ches auch die elektronische Umsetzung der Spannungsmeßdaten in eine entsprechende Veränderung der Einspritzimpulsdauer übernimmt.

Dies bedeutet im Normalfall eine Erhöhung der Einspritzimpulslänge bei zu niedriger Kraftstofftemperatur und eine Reduktion der Einspritzimpulslänge bei zu hoher Kraft­ stofftemperatur. Wie bereits erwähnt, kann es hierbei in Fällen extrem hoher Kraft­ stofftemperatur wieder notwendig werden, zu einer gleichläufigen Abhängigkeit der Ein­ spritzdauer von der Kraftstofftemperatur überzugehen, um Probleme durch Kraftstoff­ dampfblasen beim Warmstart zu vermeiden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung des Kraftstoffluftverhältnisses von Brennkraftmaschinen mit Zufuhr flüssigen Brennstoffes über Einspritzventile, mit Sensoren zur Bestimmung des Luftmassensenstroms im Ansaugsystem und einer Lambdasonde zur Bestimmung des Kraftstoffluftverhältnisses im Abgasstrang, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tempe­ ratursensor innerhalb der Einspritzventile im Nahbereich der Einspritzdüsen angeordnet ist, der ein Temperaturmeßsignal für die Kraftstofftemperatur liefert, daß dieses zusätzli­ che Temperaturmeßsignal für eine kraftstofftemperaturabhängige Umrechnung der Ein­ spritzkenngrößen in einen Kraftstoffmassenstrom und in Verbindung mit dem gemessen­ en Luftmassenstrom für die Berechnung des Kraftstoffluftverhältnisses verwendet wird, und daß das auf diesem Wege berechnete Kraftstoffluftverhältnis in Verbindung mit dem über die Lambdasonde gemessenen Kraftstoffluftverhältnis zur On-Board-Diagnose der Lambdasonde und zur Steuerung des effektiven Kraftstoffluftverhältnisses verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine On-Board- Diagnose erfolgt und auf die Temperaturkorrektur zur Steuerung des effektiven Kraft­ stoffluftverhältnisses verzichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil elektromagnetisch oder elektrisch betätigt wird, und daß die stromführenden Leitungen der elektrischen bzw. elektromagnetischen Einspritzventilbetätigung in der Nähe des Zuströmquerschnitts als Thermoelement ausgebildet sind, welches zur Erfassung der Temperatur des eingespritzten Kraftstoffes dient.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil elek­ tromagnetisch oder elektrisch betätigt wird, und daß die stromführenden Leitungen der elektrischen bzw. elektromagnetischen Einspritzventilbetätigung in der Nähe des Zu­ strömquerschnitts als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet sind, welcher zur Erfassung der Temperatur des eingespritzten Kraftstoffes dient.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Phasen, in denen bei ordnungsgemäßem Zustand des Motors sowohl die Meßwerte der Lambda­ sonde als auch die rechnerischen Werte aus den Einpritzparametern und dem Luftmas­ senstrom das gleiche Kraftstoffluftverhältnis ergeben müssen, zur On-Board-Diagnose d. h. zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit abgasemissionsrelevanter Systeme herangezo­ gen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei nicht betriebsfähiger Lambdasonde für bestimmte Kraftstoffluftverhältnisse erforderli­ chen Parameter der Einspritzdüsenregelung, insbesondere die einzuspritzenden Kraft­ stoffmassen bzw. die entsprechenden Einspritzimpulsdauern, aus Betriebszuständen mit funktionsfähiger Lambda-Sonde ermittelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die für die verschiedenen Kraftstoffluftverhältnisse ermittelten Parameter der Einspritzdüsenregelung abgespei­ chert werden, und daß diese beim nächsten Motorstart wieder aktiviert werden können.