DE2441826A1

DE2441826A1 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2441826A1
Application number: DE2441826A
Authority: DE
Inventors: Peter Hauler; Frieder Dipl Ing Heintz; Erich Dr Zabler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1974-08-31
Filing date: 1974-08-31
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US4408589A; JPS5151632A

Description

22.7.1974 Ve/Sz

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchiaust erhilf s-Anineldung

ROBERT BOSCH GHBH, Stuttgart Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer vorzugsweise elektronischen Kraftstoffeinspritzanlage, für die eine Luftmengenmeßvorrichtung vorgesehen ist, wobei entsprechend den 'Betriebsparametern der Brennkraftmaschine einer bestimmten Luftansaugraenge im Ansaugrohr eine
bestimmte Kraftstoffmenge zugeordnet wird, und eine Vorrichtung zur Buchführung des Verfahrens.

Um eine optimale Verbrennung in einer Brennkraftmaschine zu erreichen, muß der angesaugten Luft eine bestimmte Kraftstoffmenge zugeordnet werden. Für dieses Hischungsverhältnis sind unter anderem noch Parameter wie die Hotortemperatur und die Hotordreh-

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zahl maßgebend. In bekannten Anordnungen werden diese Parameter in einer Einspritzelektronik verknüpft, deren Ausgangssignal zur Steuerung der einzelnen Einspritzventile dient. Problematisch ist hierbei insbesondere die Messung der angesaugten Luftmenge. Bekannte Luftmengenmesser zur Messung der Ansaugluft im Kraftfahrzeug beruhen auf dem Prinzip der Stauscheibe. Eine in Richtung des Luftstroms freibewegliche Scheibe, die senkrecht zum Luftstrom angeordnet ist, wird gegen die Kraft einer Feder durch den Luftstrom ausgelenkt. Der Luftansaugkanal ist im Bereich der Stauscheibe konisch-erweitert. Der Nachteil dieser Anordnung besteht insbesondere im Verschleiß der mechanisch bewegten Teile, sowie im hohen Luftwiderstand der Scheibe. Die Strömung der angesaugten Luft wird dadurch beeinträchtigt.

Weiterhin sind Luftmengenmesser im Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine bekannt, bei denen an einer Stelle im Luftansaugkanal Ionen erzeugt v/erden, die sich mit dem Ansaugluftstrom bewegen, jedoch durch, magnetische oder elektrische Felder aus diesem äusgelenkt werden. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß zur Erzeugung und Auslenkung der Ionen hohe Spannungen erzeugt werden müssen, die zusammen mit der erforderlichen starken Isolation einzelner Bereiche des Ansaugkanals zu einer teuren Anordnung führen. Die Entstörung ist problematisch und die Anfälligkeit gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und bil-

. zur. Ansaugluf tmengenmessung , , , _T _. , . liges Verfahren/aufzuzeigen, durch das der angesaugten Luft kein Widerstand entgegengesetzt wird und das nicht anfällig gegen Feuchtigkeit und Schmutz ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bestimmung der Luftansaugmenge die Laufzeiten von Ultraschallsignalen im Ansaugkanal gemessen-werden.

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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Darchführung dieses Verfahrens aufzuzeigen.

Diese weitere Aufgabe wird dadurch gelöst, daß an schräg gegenüberliegenden Stellen im Ansaugkanal wenigstens je ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger vorgesehen sind.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zwei Ultraschallsender und zwei Ultraschallempfänger vorgesehen sind," wobei die Übertragungsstrecke des einen Sender-Enpfänger-Paars schräg gegen die Strömungsrichtung der Ansaugluft und die Übertragungsstrecke des anderen Paars schräg in Richtung der Ansaugluftströmung verläuft. Ein Oszillator ist dabei mit den beiden Sendern verbunden, und die Empfänger sind an eine Phasenvergleichstufe angeschlossen.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einem ersten Ausführungsbeispiels eines Ultraschall-Luftmengenmessers,

Pig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-Luftmengenmessers ,

Pig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ultraschall-Luftmengenmessers,

Fig. 4 das Blockschaltbild einer elektronischen Auswerteschaltung für Ultraschall-Einzelsignale, und

Fig. 5 das Blockschaltbild einer elektronischen Auswerteschaltung für Ultraschallwellen.

In Fig. 1 ist mit 20 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, die über ein Luftfilter 2Ί und ein Ansaugrohr 22 Verbrennungsluft ansaugt. Im Ansaugrohr 22 ist eine Drosselklappe 23 angeordnet, die mit Hilfe eines Gaspedales 24 betätigbar ist.

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²I 66

Die Luftströmung im Ansaugrohr 22 ist mit ν gekennzeichnet. Ein an -der Rohrwandung des Ansaugrohrs 22 angebrachter Ultraschallsender 25 sendet Ultraschallsignale zu einem schräg gegenüberliegenden Ultraschallempfänger 26. Die Ultraschallsignale schneiden die Strömungsrichtung der Ansaugluft um einen Winkel ct. Ein zweiter Ultraschallsender 27 sendet Ultraschallsignale zu einem ebenfalls schräg gegenüberliegenden Ultraschallempfanger 28, jedoch verläuft die Schallrichtung jetzt - wieder um einen Winkel<X geneigt - gegen die Strömungsrichtung der Ansaugluft. Die beiden Ultraschallwege schneiden sich somit in der Mitte des Ansaugrohrs 22. Alle Sender 25, 27 und Empfänger 26, 28 sind in Vertiefungen an der Wandung des Ansaugrohrs 22eingelassen. Als Sender und Empfänger 25 bis 28 können z. B. handelsübliche Luftultraschallwandler Valvo Typ 8222 293 18281 Verwendung finden. Diese Wandler besitzen eine Resonanzfrequenz von 39 kHz und beruhen auf dem piezoelektrischen Effekt.

In die Verzweigungen des Ansaugrohrs 22 kann mit Hilfe von Einspritzventilen 29 j 30 unmittelbar vor den nicht dargestellten Einlaßventilen Kraftstoff eingespritzb werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 5"ig. · 1 für eine Vier-Zylinäer-Brennkraftmaschine nur zwei Einspritzventile 29, 30 dargestellt. Den beiden übrigen Zylindern sind ebenfalls Einspritzventile zugeordnet. Die Einspritzventile 29, 30 tirerden aus einer Kraftstoffleitung 31 mit Kraftstoff versorgt und durch Magnetwicklungen 32, 33 elektromagnetisch betätigt. Die beiden Tiagnetwicklungen 32, 33 sind an den Ausgang einer Kraftstoffeinspritzelektronik 3^ angeschlossen. Mit den nicht dargestellten Auslaßventilen der Brennkraftmaschine 20 sind einzelne Abgasleitungen verbunden, die sich zu einer Abgassammelleitung 35 vereinigen. Mit dem Motorblock der Brennkraftmaschine 20 steht ein Temperaturfühler in thermischem Kontakt. Ein Eingang der Kraftstoff-Einspritzelektronik 34 ist an den elektrischen Ausgang des Temperaturfühlers 38 angeschlossen.

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² 2 S₅-

Die Kurbelwelle 40 der Brennkraftmaschine 20 treibt einen Impuls-Drehzahlgeber 41 an. Dieser enthält ein Zahnrad 42, das sich synchron zur Kurbelwellendrehzahl dreht. Das Zahnrad 42 weist ferromagnetische Zähne auf, die bei einer Drehung des Zahnrads 42 zwischen den Schenkeln eines ferromagnetischen Jochs 45 durchlaufen. Auf das Joch 43 ist eine Spule 44 gewickelt. Der Impuls-Drehzahlgeber 41 gibt an seinem Ausgang Wechselspannungsimpulse ab. Bei einer Drehung des Zahnrads 42 ändert sich der magnetische Widerstand des aus Joch 45 und Zahnrad 42 gebildeten magnetischen Kreises periodisch. Dadurch werden in der Spule 44 Wechselspannungsimpulse induziert, deren Frequenz proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle 40 ist. Diese Wechselspannungsimpulse werden einem weiteren Eingang der Kraftstoff-Einspritzelektronik 34 zugeführt.

Die Ultraschallsender und -geber 25 bis 28 sind mit einer elek- · tronischen Auswerteschaltung 45 verbunden. In dieser Auswerteschaltung 45 wird ein dem Luftmengendurchsatz im Ansaugrohr 22 proportionales elektrisches Signal gebildet, das einem weiteren Eingang der Kraftstoff-Einspritzelektronik 54 zugeführt ist.

In der Kraftstoff-Einspritzelektronik 34 wird aus den Informationen Luftmengendurchsatz, Motordrehzahl, Motortemperatur und weiteren möglichen, in der Zeichnung nicht dargestellten Informationsgebern ein elektrisches Signal gebildet, mit dem in bekannter-Weise die Einspritzventile 29, 30 gesteuert werden. Dabei wird einer bestimmten Luftmenge unter Berücksichtigung der übrigen Informationen eine bestimmte Kraftstoffmenge zugeordnet, um eine _v optimale Verbrennung in der Brennkraftmaschine 20 zu erreichen.

Die Bestimmung der Ansaugluftmenge erfolgt dadurch, daß der Sender 27 ein Signal entgegen der Strömungsrichtung zu seinem entsprechenden Empfänger 28 schickt. Die Laufzeit beträgt ti = l/(c - v¹). Vom Sender 25 wird ein Signal mit der Strömungsrichtung auf den Empfänger 26 geschickt. Die Laufzeit beträgt in diesem Fall t2 = l/(c + v¹)· Dabei gilt v¹= vcos o*- , wobei ν die Strömungsgeschwindigkeit der Ansaugluft ist. c ist die Schallge-

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^{2 2}B 6

schwindigkeit und 1 die Länge des Schallxveges von einem Sender zu einem Empfänger. Durch Kehrwert- und Differenzbildung erhält man ein frequenzanaloges Signal, aus dem die Schallgeschwindigkeit eliminiert ist. Es gilt 1/t2 - 1/t1 = f2 - f1 = 2v'/l- Die Geschwindigkeit der Ansaugluft ergibt sich somit zu ν = lAf/ (2coso$). Die Strömungsgeschwindigkeit ist dabei proportional der durchgesetzten Luftnenge.

Als zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 eine andere Anordnung der Ultraschallsender und -empfänger 25 bis 28 gezeigt. Die Ultraschallübertragungsstrecken verlaufen hier parallel, so daß der Empfänger 26 neben dem Sender 27 und der Empfänger 28 neben dem Sender 25 angeordnet ist. Die Sender und Empfänger sind gemäß Fig. 1 geschaltet.

In dem in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel ist für den Empfänger 26 und den Sender 27 sowie für den Empfänger und den Sender 25 jeweils nur ein Ultraschallelement verwendet, da ein solches sowohl zum Senden wie auch zum Empfangen verwendbar ist. Die beiden Ultraschallelemente 26, 27 bzw. 25, 28 sind mit einem bekannten Zeitmultiplexsystem 46 verbunden, das wiederum über die bereits beschriebenen vier Leitungen an die elektronische Auswerteschaltung 45 angeschlossen ist. Durch dieses Zeitmultiplexsystem 46 werden in zeitlich vorgebbaren Intervallen die Ultraschallelemente 26, 27 bzw. 25* 28 abwechselnd als Sender und. Empfänger geschaltet, so daß einmal ein Ultraschallsignal gegen die Strömungsrichtung der Ansaugluft und ein anderes Mal ein Ultraschallsignal in Richtung der Ansaugluftströmung geschickt wird.

Das in Fig. 4 dargestellte Blockschaltbild ist ein Ausführungsbeispiel zur Erhaltung eines dem Luftmengendurchsatz proportionalen Signals aus den Ultraschallsignalen. Zwischen jedes Sende-Empfänger-Paar 25, 26 bzw. 27, 28 ist ein Verstärker 47 bzw. 48 geschaltet. Eine Startimpulserzeugerstufe 49 ist an die beiden Verstärker 47, 48 angeschlossen. Die beiden Verstärker 47, 48 sind mit einer Mischstufe 50 verbunden, deren Ausgang über ein

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² 2 B S

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Tiefpaßfilter 51 und einen Frequenz-Spannungs-Wandler 52 an die Kraftstoff-Einspritzelektronik 34 angeschlossen ist.

Die Funktion der in Fig. 4 dargestellten Schaltung "beinhaltet das sogenannte "Sing-Around-Verfahren". Ein in einem der Empfänger 26, 28 empfangener Impuls wird in einem der Verstärker 47, 48 verstärkt und wieder dem zugeordneten Sender 25, 27 zugeführt. Ein einmaliger Startimpuls wird von der Startimpulserzeugerstufe 49 geliefert. In jedem der beiden Kreise 25 ₅ 26, 47 bzw. 27, 28, 48 entsteht eine !Frequenz, die gleich dem Kehrwert der Laufzeit der Ultraschalleinzelsignale ist. Von den somit erzeugten beiden Frequenzen wird gemäß obigen Formeln in der Mischstufe 50 die Differenzfrequenz gebildet. Solche Differenzfrequenz-Erzeugerstufen sind z. B. aus der US-Patentschrift 3 644 721 bekannt. Um aus dem Ausgangssignal der Mischstufe die Anteile der ursprünglichen beiden Frequenzen auszufiltern und nur noch die niedrigere Differenzfrequenz durchzulassen, ist ein Tiefpaßfilter 51 vorgesehen. Die Differenzfrequenz am Ausgang dieses Tiefpaßfilters 51 wird in dem Frequenz-Spannungs-Vandler 52 in eine analoge Spannung umgewandelt und diese der Kraftstoff-Einspritzelektronik'34 zugeführt. Ist eine digitale Kraftstoff-Einspritzelektronik 34 vorgesehen, so entfällt natürlich der Frequenz-Spannungs-Wandler 52.

Das in Fig. 5 dargestellte Blockschaltbild kann Anwendung finden, wenn statt Ultraschall-Einzelsignalai kontinuierliche Ultraschallwellen verwendet werden sollen. Dies Verfahren hat den Vorteil größerer Störunanfälligkeit und größerer Schallübertragungsleistung. Ein Oszillator 53 ist mit den beiden Ultraschallsendern 25, 27 verbunden und erzeugt eine Frequenz, die vorzugsweise die Resonanzfrequenz dieser Ultraschallsender ist. Durch die unterschiedliche Laufzeit der beiden Schallwellen gegen die Strömungsrichtung und mit der Strömungsrichtung - entstehen an den beiden Empfängern 26, 28 gleiche Frequenzen unterschiedlicher Phasenlage. Diese Frequenzen werden einer Phasenvergleichsstufe 54 zugeführt, die ein Signal erzeugt, in dem die

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Phasendifferenz enthalten ist. Dieses Signal wird der Kraftstoff-Einspritzelektronik 34 zugeführt. Je größer die Phasendifferenz ist, desto größer ist der angesaugte Luftmengendurchsatz. Solche Hiasenvergleiclisstufen sind aus sogenannten Phasenregelkreisen (Phase Locked Loop) bekannt, z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 238 241.

Das Ultraschallverfahren zur Nessung der Ansaugluft im Kraftfahrzeug ist dort insbesondere wegen seiner Schmutzunempfindlichkeit gut geeignet. Die Schmutzteilchen der angesaugten Luft können sich durch die Bewegung der Sender und Geber mit Ultraschallfrequenz dort nicht.festsetzen und somit tritt auch auf längere Zeit hin keine Verschmutzung ein, die die Funktion beeinträchtigt. Durch die diagonal gerichtete Meßstrecke wird eine gute Mittelung der Strömungsgeschwindigkeit über den ganzen Strömungskanal erreicht. Die benötigte elektrische Leistung ist gering. Bei digitalen Einspritzsystemen ergibt sich der Vorteil, daß durch das System direkt eine Frequenz erzeugt wird. Ein Rückschlagschutz gegen einen Explosionsrückschlag der Verbrennung ist nicht erforderlich.

Durch Schwankungen des barometrischen Drucks und der Außentemperatur der Luft können Dichteschwankungen auftreten. Falls diese in größerem Maße auftreten, bedingt z. B. durch Standort bzw. Standortwechsel der Brennkraftmaschine, so kann das Signal einer Dichtesonde als Korrektursignal der Auswerteschaltung 45 zugeführt werden. Diese Zuführung kann z. B. durch einen Multiplizierer erfolgen.

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Claims

Robert Bosch GmbH R.

Stuttgart

Ansprüche .

■ 1.j Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer vorzugsweise elektronischen Kraftstoffeinspritzanlage, für die eine Luftmengenmeßvorrichtung vorgesehen ist, wobei entsprechend den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine einer bestimmten Luftansaugmenge im Ansaugrohr eine bestimmte Kraftstoffmenge zugeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Luftansaugmenge die Laufzeiten von Ultraschallsignalen im Ansaugrohr (22) gemessen werden*

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laufzeitdifferenzmessung von Ultraschallsignalen vorgenommen wird, wobei eine Ultraschallquelle (25) im wesentlichen in die Bewegungsrichtung der Ansaugluft und eine zweite Ultraschallquelle (27) im wesentlichen gegen die Bewegungsrichtung der Ansaugluft emittiert.

J. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an schräg gegenüberliegenden Stellen im Ansaugrohr (22) wenigstens je ein Ultraschallsender (25, 27) und ein Ultraschallempfänger (26, 28) vorgesehen sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallsender (25, 28) und ein Ultraschallempfänger (26, 27) vorgesehen sind, deren Funktionen nach jeder Laufzeitmessung vertauschbar sind.

5· Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschallsender (25, 27) und zwei Ultraschallempfänger (26, 28) vorgesehen sind, wobei die Übertragungsstrecke des einen Sender-Empfänger-Paars schräg gegen die Strömungsrichtung der Ansaugluft und die Übertragungsstrecke des anderen Paars schräg in Richtung der Ansaugluftströmung verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übertragungsstrecken zueinander gekreuzt verlaufen.

7· Vorrichtung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Übertragungsstrecken zueinander parallel verlaufen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Kittel (45) vorgesehen sind zur Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Empfänger (26, 28) über einen Verstärker (47, 48) mit dem zugeordneten Sender (25 ₅ 27) verbunden ist und daß die dadurch aus Einzelsignalen erzeugten beiden !Frequen-

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^26S

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zen einer Mischstufe (50) zuführbar sind zur Erzeugung einer Differenzfrequenz.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (53) mit den beiden Sendern (25₃ 27) verbunden ist und daß die Empfänger *(26, 28) an eine Phasenvergleichstufe angeschlossen sind.

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