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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Gemischaufbereitung bei einem gasbetriebenen Kraftfahrzeug,
mit zumindest einem Kraftstoffbehälter für ein Kraftstoffgas und mit
zumindest einem Einspritzventil, die über eine Kraftstoffleitung
miteinander verbunden sind, ferner mit einem Druckminderer, der
zwischen dem Kraftstoffbehälter
und dem Einspritzventil in der Kraftstoffleitung angeordnet ist
und der einen eingangsseitigen Gas-Vordruck auf einen ausgangsseitigen
Gas-Nachdruck reduziert, und mit einem Steuergerät, das das zumindest eine Einspritzventil
ansteuert, um dessen Öffnungszeit
zu bestimmen.
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Die Mehrzahl der heutzutage in Betrieb
befindlichen Kraftfahrzeuge verwendet Benzin- oder Dieselmotoren.
Darüber
hinaus gibt es als weitere, jedoch bislang weniger verbreitete Alternative
gasbetriebene Kraftfahrzeuge, d.h. solche, bei denen ein Gas (heute
in der Regel „natural
compressed gas",
NCG, d.h. Erdgas, früher
teilweise auch butanhaltiges Flüssiggas)
als Kraftstoff verwendet wird. Auf die letztgenannten Fahrzeuge
bezieht sich die vorliegende Erfindung.
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Die grundsätzliche Funktionsweise eines
mit Gas betriebenen Kraftfahrzeugmotors ist mit der von heutigen
Benzinmotoren vergleichbar. Tatsächlich
gibt es in der Praxis sogar eine Reihe von Fahrzeugen, die wahlweise
entweder mit Benzin oder mit Gas betrieben werden können. Unterschiede
in der Gemischaufbereitung ergeben sich im Detail. Für die Gemischaufbereitung
bei einem gasbetriebenen Kraftfahrzeug ist es jedoch wünschenswert,
möglichst
viele Serienkomponenten von benzinbetriebenen Kraftfahrzeugen zu
verwenden, um Rationalisierungseffekte zu nutzen und eine kostengünstige Produktion
zu ermöglichen.
Insbesondere ist es wünschenswert,
ein gasbetriebenes Kraftfahrzeug mit demselben Motorsteuergerät betreiben zu
können,
das bei einem vergleichbaren benzinbetriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt
wird. Der Vorteil dieser Maßnahme
wird besonders deutlich bei Kraftfahrzeugen, bei denen wahlweise
zwischen beiden Kraftstoffen umgeschaltet werden kann.
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Aus der eingangs genannten
DE 295 20 410 U1 ist
ein Konzept bekannt, um eine benzinbetriebene Brennkraftmaschine
mit elektronischer Benzineinspritzung unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen
Motorsteuerung und mit geringem Aufwand auf Gasbetrieb umzurüsten. In
der Praxis wird dabei davon ausgegangen, dass die erforderliche Öffnungszeit
der Einspritzventile direkt proportional zur eingespritzten Kraftstoffmasse im
Gasbetrieb ist. Diese vereinfachte Annahme erfordert in der Praxis
allerdings einen nicht unerheblichen Aufwand im Bereich des bei
gasbetriebenen Kraftfahrzeugen benötigten Druckminderers, der
den im Kraftstoffbehälter
vorherrschenden Gas-Vordruck von etwa 200 bar auf den am Einspritzventil
anliegenden Gas-Nachdruck von zum Beispiel 5,5 bar reduziert. In
der Regel sind mehrstufige Druckminderer erforderlich, die zudem eine
hohe Regelqualität
besitzen müssen,
um angesichts der vereinfacht angenommenen Abhängigkeit zwischen Kraftstoffmasse
und Öffnungszeit
der Einspritzventile akzeptable Emissionswerte zu erreichen.
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Die bis heute eingesetzten, aufwändigen Druckminderer-Kaskaden
sind für
sich genommen jedoch noch nicht ausreichend, um optimal niedrige
Emissionswerte zu gewährleisten.
Zusätzlich
wird die von benzinbetriebenen Fahrzeugen hinlänglich bekannte λ-Regelung benötigt, um
das optimale stöchiometrische
Kraftstoff-Luft-Verhältnis von λ = 1 einzustellen.
Die λ-Regelung
führt jedoch
erst mit einer Regelverzögerung
zu den gewünscht
niedrigen Emissionswerten, so dass insbesondere in der Start- und
Warmlaufphase unerwünscht
hohe Emissionen auftreten können.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung
anzugeben, die auf einfache und kostengünstige Weise eine Reduzierung
der Schadstoffemissionen bei einem gasbetriebenen Kraftfahrzeug
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst,
bei der zwischen dem Einspritzventil und dem Druckminderer ein erster
Drucksensor zur Messung des Gas-Nachdrucks sowie ein Temperatursensor
zur Messung einer im Nachdruckzweig vorhandenen Gastemperatur angeordnet
sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis,
dass die vereinfachte Annahme einer direkt proportionalen Abhängig keit
zwischen Öffnungszeit
der Einspritzventile und eingespritzter Kraftstoffmasse unter anderem
daran leidet, dass sich die eingespritzte Kraftstoffmasse bei gleicher Öffnungszeit
abhängig
vom Gas-Vordruck, dem tatsächlichen
Mengendurchfluss und auch abhängig
von der aktuellen Gastemperatur im Nachdruckzweig ändert. Die
Gastemperatur im Nachdruckzweig hängt ihrerseits unter anderem
von der Dekompression des Gases beim Durchlauf durch den Druckminderer
ab, da sich das Gas bei der Dekompression abkühlt. Bisherige Ansätze zur
Optimierung der Emissionswerte zielten darauf ab, die Druckminderer
so zu gestalten, dass die genannten Effekte so weit wie möglich reduziert
werden. Die erfindungsgemäße Lösung schlägt demgegenüber einen
anderen Weg ein, indem sie die mit dem Druckminderer verbundenen
Effekte als gegeben akzeptiert und stattdessen die angegebenen Parameter
des Kraftstoffgases im Nachdruckzweig aktuell bestimmt und sodann
für die
Gemischaufbereitung bereitstellt bzw. verwendet.
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Die erfindungsgemäße Lösung besitzt den Vorteil, dass
im Gegensatz zum bisherigen Trend sehr einfache und damit kostengünstige Druckminderer
verwendet werden können,
da die damit verbundenen Unzulänglichkeiten
von vornherein toleriert werden. Es ist damit sogar möglich, im
Gegensatz zu bisherigen Ansätzen,
einen einfachen, einstufigen Druckminderer zu verwenden, was die
Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträchtlich
reduziert.
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Die Berücksichtigung der aktuellen
Gastemperatur im Nachdruckzweig und des aktuellen Gas-Nachdrucks
ermöglichen
andererseits mit vertretbarem Zusatzaufwand eine wesentlich realistischere
Modellierung der Abhängigkeit
zwischen der eingespritzten Kraftstoffmasse und der Öffnungszeit
der Einspritzventile. Wie nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert ist,
können
die beiden zusätzlichen Parameter
auf einfache Weise so aufbereitet werden, dass trotzdem die Verwendung
von vorhandenen Motorsteuergeräte
mit nur geringem Applikationsaufwand möglich bleibt. Grundsätzlich ist
es natürlich
denkbar, zusätzlich
zu den beiden Parametern weitere Parameter des Kraftstoffgases im
Nachdruckzweig zu bestimmen und bei der Gemischaufbereitung zu berücksichtigen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die beiden genannten Parameter
(Gastemperatur und Gas-Nachdruck) bereits eine wesentliche Verbesserung
bei der Gemischaufbereitung ermöglichen,
wobei der damit verbundene zusätzliche
Aufwand vergleichsweise gering ist.
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Da mit der erfindungsgemäßen Lösung die
Abhängigkeit
zwischen eingespritzter Kraftstoffmasse und Öffnungszeit der Einspritzventile
realistischer modelliert werden kann, ist die Gemischaufbereitung
bereits vom Start weg besser an den gewünschten Sollzustand angepasst.
Die Schadstoffemissionen sind damit noch vor Einregelung der λ-Regelung
wesentlich reduziert. Dies hat zur Folge, dass auch die Gesamt-Schadstoffemission
reduziert ist, da die λ-Regelung,
wie bereits erläutert,
erst mit einer spürbaren
Verzögerungszeit
zu guten Ergebnissen führt.
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Insgesamt stellt die erfindungsgemäße Lösung damit
eine verbesserte und kostengünstigere
Möglichkeit
dar, um den Gesamt-Schadstoffausstoß bei einem
gasbetriebenen Kraftfahrzeug zu reduzieren. Die oben genannte Aufgabe
ist damit vollständig
gelöst.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
sind der erste Drucksensor und/oder der Temperatursensor im Bereich
des Druckminderers angeordnet, vorzugsweise sind sie in dem Druckminderer
baulich integriert.
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Diese Maßnahme vereinfacht die Aus-
bzw. Umrüstung
eines an sich für
den Benzinbetrieb ausgelegten Kraftfahrzeugs auf Gasbetrieb, da
die beiden erfindungsgemäß hinzugekommenen
Sensoren dort untergebracht werden, wo der konstruktionsbedingt
erforderliche Druckminderer eingebaut wird. Die bauliche Integration
der beiden Sensoren in den Druckminderer reduziert die erforderlichen
Montageschritte noch weiter. Die beiden Sensoren können in
Form von auswechselbaren Einschraubkomponenten in dem Druckminderer integriert
sein. Bevorzugt sind die eigentlichen Messelemente der beiden Sensoren,
also beispielsweise ein druckresistiver Sensor (druckabhängiger Widerstand)
für den
Drucksensor und ein temperaturabhängiger Widerstand oder ein
Thermoelement für
den Temperatursensor, jedoch unmittelbar in dem Nachdruckbereich
des Druckminderers angeordnet, was eine besonders kompakte, leichte,
drucksichere (weniger Dichtungen) und damit kostengünstige Bauform
ermöglicht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Messelemente
an einer Innenwand des ausgangsseitigen Strömungskanals des Druckminderers
angeordnet oder sie bilden sogar einen Bestandteil der Innenwand.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung
besitzt die Vorrichtung eine Kraftstoffschiene, in deren Bereich
das zumindest eine Einspritzventil angeordnet ist, wobei der erste
Drucksensor und/oder der Temperatursensor im Bereich der Kraftstoffschiene
angeordnet sind, vorzugsweise in einem Zugangsstutzen der Kraftstoffschiene
integriert sind.
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Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine
einfache Aus- bzw. Umrüstung
eines an sich für
den Benzinbetrieb ausgelegten Kraftfahrzeugs. Die Maßnahme besitzt
zudem den Vorteil, dass einfache Druckminderer herkömmlicher
Bauart verwendet werden können.
Darüber
hinaus besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die Sensoren
unmittelbar am „Ort
des Geschehens",
das heißt
im Bereich der Gemischaufbereitung, angeordnet sind. Temperatur-
und/oder Druckgradienten im Bereich zwischen Druckminderer und Einspritzventil werden
dadurch messtechnisch besser erfasst. Die Gemischaufbereitung lässt sich
damit noch einfacher auf optimale Verhältnisse einstellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist
zwischen dem Druckminderer und dem Kraftstoffbehälter ein zweiter Drucksensor
zur Messung des Gas-Vordrucks angeordnet. Vorzugsweise ist der zweite
Drucksensor in dem Druckminderer baulich integriert.
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Diese Maßnahme besitzt den Vorteil,
dass ferner auch der aktuelle Gas-Vordruck als Messwert zur Verfügung steht
und entsprechend ausgewertet und verarbeitet werden kann. Der Gas-Vordruck
kann beispielsweise bei der Bestimmung der Öffnungszeit der Einspritzventile
als weiterer Parameter berücksichtigt werden,
was bei einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel der Einfachheit
halber jedoch nicht erfolgt. Vorteilhafterweise kann der aktuelle
Messwert des Gas-Vordrucks jedoch für die Funktionskontrolle im
Rahmen einer EOBD (European On Board Diagnosis) herangezogen werden,
indem er mit voreingestellten Schwellwerten und/oder den aktuellen
Messwerten des Gas-Nachdrucks verglichen wird. Des Weiteren wird der
aktuell gemessene Gas-Vordruck
in einer nachfolgend noch näher
beschriebenen Ausführung
zur Ansteuerung einer Kraftstofffüllstandsanzeige herangezogen.
Auf diese Weise ist eine sehr einfache Anzeige der im Kraftstoffbehälter noch
vorhandenen Kraftstoffmenge möglich.
In Verbindung mit einem im Kraftstoffbehälter angeordneten (zweiten)
Temperatursensor ist die Anzeige der noch vorhandenen Kraftstoffmenge
zudem auch sehr genau und zuverlässig
möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist
der Druckminderer im Bereich seines Druckregelventils eine Heizung
auf, die vorzugsweise baulich in dem Druckminderer integriert ist.
Bevorzugt handelt es sich bei der Heizung um einen Wärmetauscher,
der an den Kühlkreislauf
des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
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Durch diese Maßnahme kann auf einfache und
effiziente Weise die Gastemperatur auf einen für die Gemischaufbereitung günstigen
Wertebereich stabilisiert werden. Insbesondere wird mit dieser Maßnahme der
Temperaturabsenkung entgegengewirkt, die sich auf Grund der Dekompression
des Kraftstoffgases beim Durchlauf durch den Druckminderer einstellt.
Die bevorzugte Realisierung der Heizung durch Anschluss an den Kühlkreislauf
ist besonders kostengünstig
und trägt
zudem zu einer effizienten Kühlung
des Motors bei.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist
eine Logikeinheit vorhanden, der zumindest die Messsignale des ersten
Drucksensors und des Temperatursensors (aus dem Nachdruckbereich)
zugeführt
sind, wobei die Logikeinheit einen von den Messsignalen abhängigen Parameterwert
bereitstellt, der dem Steuergerät
zugeführt ist.
In einem besonders bevorzugten Fall erhält das Steuergerät den Parameterwert
in Form eines standardisierten CAN-Signals.
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Diese Maßnahme vereinfacht die Applikation
der neuen Vorrichtung an bestehende Kraftfahrzeuge. Insbesondere
kann auf diese Weise ein herkömmliches
Steuergerät
ohne große
bauliche Veränderungen und/oder
Eingriffe in dessen strukturellen Aufbau verwendet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
zuvor genannten Maßnahme
sind die Logikeinheit und der Druckminderer zu einer baulichen Einheit
verbunden, und zwar vorzugsweise über eine lösbare Steckverbindung.
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Diese Maßnahme ermöglicht einen modulartigen Aufbau
und damit eine kostengünstige
Lagerhaltung, Wartung und Anpassung an etwaige Veränderungen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist
die Logikeinheit in einem Zugangsstutzen einer Kraftstoffschiene integriert,
in deren Bereich das zumindest eine Einspritzventil angeordnet ist.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine
besonders kostengünstige
Aus- oder Umrüstung
eines Kraftfahrzeugs, wenn der erste Drucksensor und/oder der Temperatursensor
im Bereich der Kraftstoffschiene angeordnet werden soll.
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In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt
die Logikeinheit in Abhängigkeit
von den Messsignalen Fehlercodes und stellt diese an einem Ausgang
bereit.
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Auf Blockschaltbildebene beinhaltet
die Logikeinheit damit einen Fehlercodegenerator, der in einem einfachen
Ausführungsbeispiel
mit Hilfe einer Fehlercodetabelle realisiert sein kann. Die Logikeinheit
ist mit Hilfe des Fehlercodegenerators in der Lage, aus den erhaltenen
Messsignalen, insbesondere durch Vergleich mit voreingestellten
Schwellwerten, Rückschlüsse über die
eigene Funktionsweise zu ziehen. Die Bereitstellung von entsprechenden
Fehlercodes erleichtert die Diagnose und damit die Beseitigung etwaiger
Fehlerquellen und Fehlfunktionen.
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In einer weiteren Ausgestaltung stellt
die Logikeinheit in Abhängigkeit
des Messsignals des zweiten Drucksensors ein Standardsignal für eine Kraftstofffüllstandsanzeige
bereit.
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In dieser Ausgestaltung arbeitet
die Logikeinheit zusätzlich
als eine Art Signal- bzw. Codewandler, indem sie das vom zweiten
Drucksensor gelieferte (analoge) Messsignal in ein für die Kraftstofffüllstandsanzeige eines
herkömmlichen
Fahrzeugs verwertbares Standardsignal umsetzt, und zwar vorzugsweise
unter zusätzlicher
Berücksichtigung
eines Temperatursignals von einem im Kraftstoffbehälter angeordneten
Temperatursensor. Auf Grund dieser Maßnahme kann die im Kraftstoffbehälter zur
Verfügung
stehende Kraftstoffmenge sehr einfach und in gewohnter Weise dem
Fahrzeuglenker angezeigt werden. Die Umsetzung auf ein Standardsignal
ermöglicht
zudem die Verwendung vorhandener Komponenten, was eine besonders
kostengünstige
Applikation und Realisierung ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist
das Steuergerät
derart ausgelegt, dass es die Öffnungszeit
des zumindest einen Einspritzventils in Abhängigkeit von den Messsignalen
des ersten Drucksensors und des Temperatursensors variiert. Vorzugsweise
erfolgt die Variation umgekehrt proportional zum Gas-Nachdruck und proportional
zur Gastemperatur im Nachdruckzweig.
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Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung
kommen die bereits weiter oben erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung besonders
wirkungsvoll zur Geltung. Die Berücksichtigung des aktuell gemessenen Gas-Nachdrucks
und der aktuell gemessenen Gastemperatur bei der Bestimmung der Öffnungszeit
der Einspritzventile ermöglicht
eine sehr effiziente Reduzierung von Schadstoffemissionen auf Grund
der realistischeren Modellierung der tatsächlichen Abhängigkeiten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbaustufe der Erfindung können über die
beiden genannten Messparameter hinaus weitere Parameter berücksichtigt
werden, vorteilhafterweise insbesondere diejenigen Parameter, die
das Verhalten eines Realgases im Unterschied zu einem Idealgas beschreiben.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist
der Druckminderer eingangsseitig ein Sperrventil auf, vorzugsweise
ein Magnetventil.
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Mit dieser Maßnahme kann auf besonders effiziente
Weise ein Durchdiffundieren des im Kraftstoffbehälter unter Gas-Vordruck stehenden
Kraftstoffgases in den Nachdruckbereich verhindert werden, wenn
der Motor steht (Massendurchfluss gleich Null).
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Hierdurch werden insbesondere beim
Anlassen des Motors determinierte und reproduzierbare Verhältnisse
geschaffen, was weiterhin zur Reduzierung von Schadstoffemissionen
beiträgt.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist
der Druckminderer eingangsseitig einen Mikrofilter auf, der bevorzugt
auswechselbar ist.
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Durch diese Maßnahmen können Verunreinigungen des Kraftstoffgases
von den empfindlichen Sensoren und Einspritzventilen im Nachdruckzweig
ferngehalten werden, was die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit
der Messwerte und der zugeteilten Kraftstoffmengen und in Folge
davon auch die Reduzierung von Schadstoffemissionen weiter verbessert.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist
der Druckminderer ausgangsseitig ein Überdruckventil auf, mit dessen
Hilfe der Nachdruckzweig der Kraftstoffleitung evakuierbar ist.
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Durch diese Maßnahme können überschüssige Kraftstoffmengen im Nachdruckbereich,
die beispielsweise bei einem Membranriss im Druckminderer auftreten
können,
beseitigt werden. Damit lassen sich Beschädigungen der im Nachdruckbereich
angeordneten Komponenten sowie eine Gefährdung durch einen zu hohen
Druck im Nachdruckbereich vermeiden.
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Es versteht sich, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der neuen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug,
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2 eine
schematische Darstellung eines bevorzugten Druckminderers zur Verwendung
in der Vorrichtung gemäß 1,
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3 eine
Kraftstoffschiene gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer Draufsicht,
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4 die
Kraftstoffschiene aus 3 in
einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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5 eine
herkömmliche
Kraftstoffschiene in einer Seitenansicht, und
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6 den
Zugangsstutzen der Kraftstoffschiene aus 3 und 4 in
einer teilweise geschnittenen Seitenansicht.
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In 1 ist
ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gemischaufbereitung
in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Das Kraftfahrzeug 10 ist
hier vereinfacht mit seiner Karosserie 12, der Fahrgastzelle 14,
den Rädern 16 und
dem Motor 18 darge stellt. Der Motor 18 besitzt
hier vier Einspritzventile 20, die am Ende einer Kraftstoffleitung 22 an
einer Kraftstoffschiene 23 angeordnet sind. Die Kraftstoffschiene 23 wird
in der Fachterminologie häufig
auch nur einfach als Rail bezeichnet. Die Öffnungszeit der Einspritzventile 20 bestimmt,
wie lange und damit wie viel Kraftstoff aus der Kraftstoffleitung 22 in
die Brennkammern oder den Ansaugkanal (hier nicht dargestellt) des
Motors 18 eingespritzt wird. Allein der Vollständigkeit
halber sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf Motoren
mit vier Einspritzventilen beschränkt ist, sondern mit allen
Zylinderzahlen und entsprechender Anzahl von Einspritzventilen realisiert
werden kann.
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In der Kraftstoffleitung 22 ist
ein Druckminderer 24 angeordnet, dessen bevorzugter Aufbau
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
nachfolgend an Hand von 2 näher beschrieben
ist. Der ausgangsseitige Bereich des Druckminderers 24 ist
mit der Bezugsziffer 26 bezeichnet und wird nachfolgend
als Nachdruckzweig bezeichnet. Eingangsseitig ist der Druckminderer 24 über die
Kraftstoffleitung 22 mit einem Kraftstoffbehälter 28 verbunden.
Der Kraftstoffbehälter 28 besitzt
in an sich bekannter Weise ein Absperrventil 30, von dem
die Kraftstoffleitung 22 abzweigt. Der Bereich 32 der
Kraftstoffleitung 22, der zwischen dem Druckminderer 24 und dem
Absperrventil 30 liegt, wird nachfolgend als Vordruckzweig
bezeichnet.
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Mit der Bezugsziffer 34 ist
schematisch der Einfüllstutzen
zum Betanken des Kraftstoffbehälters 28 angedeutet.
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Mit der Bezugsziffer 36 ist
ein an sich bekanntes Motorsteuergerät bezeichnet, das die Einspritzventile 20 ansteuert
und deren Öffnungszeit
bestimmt. Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist das Steuergerät 36 jedoch über eine
hier mit Bezugsziffer 38 bezeichnete Verbindung mit dem
Druckminderer 24 verbunden, so dass die beiden Informationen
austauschen können.
Eine derzeit bevorzugte Ausführung
dieser Verbindung ist ebenfalls an Hand von 2 näher
erläutert.
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Mit der Bezugsziffer 40 ist
eine an sich bekannte, herkömmliche
Kraftstofffüllstandsanzeige
bezeichnet, die üblicherweise
im Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet ist.
Die Kraftstofffüllstandsanzeige 40 ist über eine
hier mit Bezugsziffer 42 bezeichnete Verbindung mit dem
Druckminderer 24 verbunden. Abweichend zu den bei Benzin-
und Dieselmotoren üblichen
Spannungsteiler/Schwimmer-Signalen wird die Kraftstofffüllstandsanzeige 40 hier
jedoch mit dem Signal eines im Vordruckzweig befindlichen Drucksensors versorgt,
wie nachfolgend näher
erläutert
ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Signal des Drucksensors dabei allerdings in ein zu dem Spannungsteiler/Schwimmer-Signal
kompatibles Standardsignal umgesetzt.
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In der weiteren Beschreibung bezeichnen
gleiche Bezugszeichen dieselben Elemente wie in 1.
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In 2 ist
der Druckminderer 24 über
eine Logikeinheit 50 mit dem Steuergerät 36 (abgekürzt als ECU, "Electronic Control
Unit") verbunden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Logikeinheit 50 hier als elektronische, mikrocontrollerbasierte
Schaltung realisiert, die über
eine Kombinationssteckbuchse 52 an den Druckminderer 24 angesteckt
ist. Der Druckminderer 24 und die Logikeinheit 50 bilden
dabei eine modulartig zusammengesetzte bauliche Einheit.
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Ausgangsseitig ist die Logikeinheit 50 über eine
weitere Kombinationssteckbuchse 54 mit dem Steuergerät 36 verbunden.
Gemäß dem hier
bevorzugten Ausführungsbeispiel
stellt die Logikeinheit 50 ausgangsseitig CAN-Bus kompatible
Signale bereit.
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Der Druckminderer 24 besitzt
in an sich bekannter Weise ein Druckregelventil, das hier nur schematisch
angedeutet und mit Bezugsziffer 56 bezeichnet ist. Das
Druckregelventil 56 ist über eine Membran 58 mit einem
voreingestellten Solldruck einer Feder 60 beaufschlagt.
Das Druckregelventil 56 befindet sich in einem Strömungskanal 62,
der Bestandteil der Kraftstoffleitung 22 ist. Am Eingang 64 des
Strömungskanals 62 ist der
vom Kraftstoffbehälter 28 kommende
Vordruckzweig 32 angeschlossen, am Ausgang 66 des
Strömungskanals 62 der
zu den Einspritzventilen 20 führende Nachdruckzweig 26.
Das Druckregelventil 56 reduziert in an sich bekannter
Weise den im Vordruckzweig 32 herrschenden, hohen Vordruck
auf den im Nachdruckzweig 26 benötigten, reduzierten Nachdruck.
Es versteht sich, dass andere als die hier vereinfacht dargestellte
Ausführung
des Druckregelventils 56 im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ebenso zur Anwendung gelangen können.
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In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind im ausgangsseitigen Bereich des Strömungskanals 62, d.h.
im Nachdruckzweig, ein erster Drucksensor 68 und ein Temperatursensor 70 in
den Druckminderer 24 integriert. Ferner ist mit Bezugsziffer 72 ein Überdruckventil
dargestellt, das ebenfalls im ausgangs seitigen Bereich des Druckminderers 24 integriert
ist. Der Drucksensor 68 und der Temperatursensor 70 sind
in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein druckresistives Element bzw. ein temperaturabhängiger Widerstand oder
ein Thermoelement, die direkt im Bereich des Strömungskanals 62 angeordnet
sind, bevorzugt sogar einen Teil der Innenwandung des Strömungskanals
bilden. Das Überdruckventil 72 dient
zum Evakuieren, wenn beispielsweise auf Grund einer Funktionsstörung im
Nachdruckzweig ein zu hoher Druck vorherrscht.
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Im eingangsseitigen Bereich des Strömungskanals 62,
d.h. im Vordruckzweig, sind ein zweiter Drucksensor 74,
ein Mikrofilter 76 sowie ein Sperrventil 78 in
dem Druckminderer 24 integriert. Die Reihenfolge der genannten
Elemente kann dabei auch anders als in 2 gezeigt gewählt sein.
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Mit der Bezugsziffer 80 ist
hier nur schematisch ein Wärmetauscher
angedeutet, der im Bereich des Druckregelventils 56 in
dem Druckminderer 24 integriert ist. In der bevorzugten
Anwendung wird der Wärmetauscher 80 an
den Kühlkreislauf
des Kraftfahrzeugs 10 angeschlossen, um der Temperaturabsenkung
des Kraftstoffgases bei der Dekompression im Nachdruckzweig entgegenzuwirken.
Anstelle des Wärmetauschers 80 können jedoch
auch andere Heizmittel vorgesehen sein.
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Sämtliche
Messsignale der Sensoren 68, 70 und 74 sowie
die Ansteuersignale der Ventile 72 (falls es sich um ein
Magnetventil handelt, es ist hier jedoch auch ein einfaches mechanisches Überdruckventil
möglich) und 78 sind
an der Kombinationssteckbuchse 52 zusammengeführt. Gleiches
gilt für
etwaige weitere Signale, die hier der Einfachheit halber nicht dargestellt sind.
Die Logikeinheit 50 kann dementsprechend über die
Kombinationssteckbuchse 52 die Messsignale der Sensoren 68, 70, 74 aufnehmen
und die Ventilstellungen der Ventile 72 (wenn Magnetventil)
und 78 ansteuern.
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Die Logikeinheit 50 beinhaltet
in dem hier dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Funktionseinheit 82,
die einen Codewandler realisiert, sowie eine Funktionseinheit 84,
die als Fehlercodegenerator arbeitet. Die beiden Funktionseinheiten 82, 84 sind
in 2 als voneinander
getrennte Funktionsblöcke
dargestellt, um die getrennte Zuständigkeit zu verdeutlichen.
Bei der bevorzugten Realisierung der Logikeinheit 50 auf
Basis eines Mikrocontrollers sind die Funktionseinheiten 82, 84 jedoch
durch geeignete Programmierung des Mikrocontrollers realisiert und
insofern nicht zwangsläufig
als separate Funktionsblöcke
erkennbar. Wesentlich für
die Realisierung dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist daher nicht
die in 2 gezeigte Auftrennung
in Funktionsblöcke,
sondern die entsprechende Implementierung der Funktion an sich in
der Logikeinheit 50. Darüber hinaus sei der guten Ordnung
halber darauf hingewiesen, dass die Funktionseinheiten 82, 84 für die Realisierung
des Grundgedankens der Erfindung nicht zwingend erforderlich sind,
sondern nur eine bevorzugte Ausführung
darstellen.
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Der Codewandler 82 sorgt
dafür,
dass die von den Sensoren 68, 70 und 74 gelieferten
Messsignale in geeignete Signale oder Parameterwerte umgesetzt werden,
um sie ohne aufwändige
Applikation dem Steuergerät 36 zur
Verfügung
zu stellen. Wie bereits erwähnt,
stellt der Codewandler 82 die Messsignale der Sensoren 68, 70, 74 in
Form eines oder mehrerer digitaler Parameterwerte in CAN-Bus-Format
bereit, was an Hand des Parameterwertes 86 hier symbolisch
dargestellt ist. Mit anderen Worten übernimmt der Codewandler 82 hier
insbesondere die Funktion, die von den Druck- und Temperatursensoren
gelieferten Analogwerte in einen für das Steuergerät 36 verwendbaren
Korrekturfaktor für
den im Steuergerät 36 hinterlegten
Parameter "Gramm
Kraftstoff/Sekunde Öffnungszeit" umzuwandeln.
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Der Fehlercodegenerator 84 erzeugt
in an sich bekannter Weise aus den Messsignalen der Sensoren 68, 70, 74 Fehlercodes,
die im Rahmen der an sich bekannten EOBD zur Bauteildiagnose verwendet
werden können.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
führt der
Fehlercodegenerator 84 insbesondere folgende Analysen durch:
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- a) trotz geöffnetem
Sperrventil 78 und hinreichendem Vordruck liegt kein entsprechender
Nachdruck an; Diagnose: Sperrventil 78 defekt;
- b) trotz eingeschaltetem Sperrventil 78 und hinreichendem
Vordruck liegt der Nachdruck außerhalb
eines festgelegten Zielkorridors; Diagnose: Druckminderer 24 defekt
oder verschmutzt;
- c) Vergleich der vom Temperatursensor 70 gelieferten
Messwerte mit einem unteren Schwellwert (z.B. der Frostschutzmitteltemperatur
des Kühlwassers)
und Generierung eines Fehlercodes bei Unterschreiten des Schwellwerts;
- d) Vergleich der vom Temperatursensor 70 gelieferten
Messwerte mit einem oberen Schwellwert (beispielsweise 140 °C) und Generierung
eines Fehlercodes bei Überschreiten
dieses Schwellwertes zur Abschaltung des Einspritzvorgangs (Brandfall).
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Öffnungszeit
der Einspritzventile 20 im Steuergerät 36 an Hand eines
Parameters bestimmt, der wie nachfolgend gebildet ist:
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Darin bezeichnen:
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- T [s] die Öffnungszeit
der Einspritzventile in Sekunden,
KM [g] die benötigte Kraftstoffmasse
in Gramm,
EVK [s/g] die Einspritzventilkonstante, d.h. ein
für die
verwendeten Einspritzventile bei Solldruck und Referenztemperatur
bestimmter Parameter,
PSoll [bar] den
Solldruck im Nachdruckbereich in bar,
PIst [bar]
den gemessenen Istdruck im Nachdruckbereich in bar,
9Ist [K] die aktuelle Gastemperatur in Kelvin,
und
293,5 [K] die Referenztemperatur in Kelvin.
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Das Steuergerät 36 bestimmt hiernach
also die Öffnungszeit
der Einspritzventile an Hand des Faktors EVK, der jedoch mit dem
normierten Gas-Nachdruck und der normierten Gastemperatur im Nachdruckzweig gewichtet
ist. Da die Öffnungszeit
der Einspritzventile danach vom tatsächlichen Gas-Nachdruck und
der tatsächlichen
Gastemperatur beeinflusst wird, wird die eingespritzte Kraftstoffmasse
wesentlich präziser
zugeteilt als bei den bisherigen Verfahren. Die λ-Regelung erhält bessere
Vorsteuerwert und eine Reduzierung der Schadstoffemissionen wird
bereits wesentlich früher
als bisher, jedoch mit einfachen Mitteln erreicht.
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In einem weiteren, gleichermaßen bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind der erste Drucksensor und der Temperatursensor nicht im Druckminderer 24,
sondern in der Kraftstoffschiene integriert, in deren Bereich die
Einspritzventile 20 angeordnet sind. Die 3 und 4 zeigen
ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
einer Kraftstoffschiene 90.
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Die Kraftstoffschiene 90 besitzt
in an sich bekannter Weise Töpfe 92 zur
Aufnahme der Einspritzventile. Im vorliegenden Fall sind vier Töpfe 92 vorhanden.
Eingangsseitig besitzt die Kraftstoffschiene 90 einen Zugangsstutzen 94 mit
einer Einlassöffnung 96 für den zugeführten Kraftstoff.
Der Zugangsstutzen 94 ist bevorzugt fest mit der eigentlichen
Kraftstoffschiene 90 verlötet.
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In dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel
besitzt der Zugangsstutzen 94 ferner eine Buchse 98, die
als gedichtetes Steckergehäuse
für eine
elektrische Steckverbindung ausgebildet ist. Die weiteren Details des
Zugangsstutzens 94 werden nachfolgen anhand 6 näher erläutert.
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Zum Vergleich ist in 5 noch eine herkömmliche Kraftstoffschiene 23 gezeigt,
bei der der Zugangsstutzen 94' ohne Buchse 98 ausgebildet
ist.
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Wie in 6 gezeigt
ist, besitzt der Zugangsstutzen 94 ein Gehäuse 100,
in dem ein Kanal 102 die Einlassöffnung 96 mit einer
Auslassöffnung 104 verbindet.
Die Auslassöffnung 104 ist
an die eigentliche Kraftstoffschiene 90 angeschlossen.
Die Einlassöffnung 96 besitzt
einen kegelförmigen
Eingangsbereich und ein außenliegendes
Schraubgewinde 106 zum Anschluss der vom Druckminderer 24 kommenden
Kraftstoffleitung 22.
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Des Weiteren sind in dem Gehäuse 100 der
erste Drucksensor 68 und der Temperatursensor 70 integriert.
Der Drucksensor 68 ist hier mit einer Sensormembran 108 und
der eigentlichen Messzelle 110 dargestellt. Die Messzelle 110 ist über elektrische
Anschlussleitungen mit einer Auswerteelektronik 50 verbunden, die
die Logikeinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet. Die
Auswerteelektronik 50 ist in an sich bekannter Weise auf
einer Trägerplatine 114 angeordnet.
Von der Rückseite
der Trägerplatine 114 (in 6 nach oben) stehen Anschlussstifte 116 weg,
die die elektrischen Steckkontakte innerhalb der Buchse 98 bilden.
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Der Temperatursensor 70 ist
hier in eine Glasschmelze 118 vergossen und ragt direkt
in den Kanal 102 hinein. Elektrisch ist er ebenfalls mit
der Logikeinheit 50 über
entsprechende Anschlussleitungen 120 verbunden. Die Anschlussleitungen 120 sind hier
ebenfalls in einer Glasschmelze 122 vergossen. Mit der
Bezugsziffer 124 ist eine eingeschrumpfte Durchführungsbuchse
bezeichnet, und mit der Bezugsziffer 126 eine Schwingungsaufnahme
aus Vergussharz.
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Die Messzelle 110 des Drucksensors 160 ist
demgegenüber
in einem eigenen Sensorgehäuse 128 geschützt, das
ebenfalls durch Einschrumpfen in dem Gehäuse 100 befestigt
ist.
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Der Zugangsstutzen 94 stellt
damit ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Modul dar, das durch Verlöten mit
einer an sich herkömmlichen
Kraftstoffschiene (Rail) verbunden werden kann. Anschließend kann
die Kraftstoffschiene 90 zur Aus- bzw. Umrüstung in
das Kraftfahrzeug 10 eingebaut werden. Abweichend von der
Darstellung in 1 ist
das Steuergerät 36 dann über die
Verbindung 38 mit der Buchse 98 des Zugangsstutzens 94 verbunden.
Die Verbindung zwischen Steuergerät 36 und Druckminderer 24 kann
dann entfallen. Es versteht sich, dass in diesem Fall der Druckminderer 24 ein
herkömmlicher
Druckminderer ist, der aufgrund des erfindungsgemäßen Zugangsstutzens 94 sogar
sehr einfach ausfallen kann.
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Die Integration des Drucksensors 68 bzw.
des Temperatursensors 70 entweder in den Druckminderer 24 oder
in den Zugangsstutzen 94 ist eine bevorzugte Ausführung der
Erfindung, da hierdurch die Anzahl der notwendigen Montageschritte
bei der Aus- bzw. Umrüstung
eines Kraftfahrzeugs reduziert wird. Es versteht sich jedoch, dass
auch Abweichungen hiervon möglich
sind. Insbesondere können
der erste Drucksensor 68 und der Temperatursensor 70 auch
an zwei verschiedenen Stellen im Nachdruckzweig 26 angeordnet
sein, beispielsweise also der Temperatursensor 70 im Zugangsstutzen 94 und
der Drucksensor 68 im Druckminderer 24. Darüber hinaus
können
die Sensoren auch an jeder anderen Stelle im Nachdruckzweig 26 angeordnet sein.