DE102009002597B3 - Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors und Motorsteuerung - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors und Motorsteuerung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die durchschnittliche Gesamt-Kraftstoffzufuhr in alle Zylinder im Leerlauf bei einem Referenz-Einspritzbeginn bestimmt wird, die Kraftstoffzufuhr in einen der Zylinder gestoppt oder begrenzt wird, die durchschnittliche Gesamt-Kraftstoffzufuhr in alle übrigen Zylinder im Leerlauf bei dem Referenz-Einspritzbeginn bestimmt wird, während die Kraftstoffzufuhr in den einen Zylinder gestoppt ist, die Differenz zwischen den Gesamt-Kraftstoffzufuhren ohne und mit gestopptem Zylinder bestimmt wird und durch Vergleich der Differenz zwischen den beiden Gesamt-Kraftstoffzufuhren mit gespeicherten Referenzwerten die Cetanzahl des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, während ein Leerlaufregler die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors durch Regelung der Kraftstoffzufuhr konstant hält, sowie eine Motorsteuerung, die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff ”Verbrennungsmotor” insbesondere Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Verbrennungsmotoren. Aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen wird der Einsatz alternativer Kraftstoffe und damit auch der Einsatz von Hybrid-Verbrennungsmotoren bzw. Hybrid-Verbrennungsverfahren zunehmend als zielführend angesehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden daher sämtliche Kraftstoffe, mit denen ein Dieselmotor grundsätzlich betrieben werden kann, als Dieselkraftstoffe bzw. Kraftstoffe bezeichnet.
  • Das traditionelle dieselmotorische Verfahren ist gekennzeichnet durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung.
  • Die erforderliche Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches setzt eine hohe Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffes voraus. Ist die Zündwilligkeit des verwendeten Kraftstoffes zu gering, sammeln sich große Mengen aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder an, die bei Selbstzündung zu einem steilen Druckanstieg zu Beginn der Verbrennung führen, oder aber eine Zündung bleibt aus.
  • Die Zündwilligkeit eines Kraftstoffes kann durch die Cetanzahl CN angegeben werden, die im Zusammenhang steht mit der Zündverzugszeit, welche ein Maß ist für die Zeit zwischen dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder, d. h. dem Einspritzbeginn SOI (Start of Injection), und dem Druckanstieg infolge der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
  • Die Cetanzahl CN eines Kraftstoffes gibt an, wie viel Volumenprozent Cetan eine Mischung aus Cetan und a-Methylnaphthalin enthält, die unter sonst gleichen Randbedingungen dieselbe Zündverzugszeit aufweist wie der zu prüfende Kraftstoff, dessen Cetanzahl zu bestimmen ist. Je höher die Cetanzahl eines Kraftstoffes ist, desto höher ist dessen Zündwilligkeit bzw. desto kürzer ist die Zündverzugszeit.
  • Die Cetanzahl CN eines Dieselkraftstoffes bzw. einer bestimmten Kraftstoffsorte kann variieren, so dass beim Betrieb eines Verbrennungsmotors nicht von einer einheitlichen und unveränderlichen Cetanzahl des verwendeten Kraftstoffes ausgegangen werden kann. So führen nicht nur Verunreinigungen und Toleranzen bei der Herstellung zu Schwankungen bei der Cetanzahl auf ein und demselben Fahrzeugmarkt. Die verschiedenen regulatorischen Bestimmungen weltweit führen dazu, dass Dieselkraftstoffe in den einzelnen Ländern unterschiedliche Cetanzahlen aufweisen können.
  • Unterschiedliche Cetanzahlen führen zu unterschiedlichen Zündverzügen, d. h. Zündverzugszeiten. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, ist eine On-Board-Diagnose des momentan zum Betrieb des Verbrennungsmotors verwendeten Kraftstoffes erforderlich, damit Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, insbesondere der Einspritzbeginn, an die Cetanzahl des Kraftstoffes angepaßt werden können.
  • Nach dem Stand der Technik wird versucht, den im Zylinder ablaufenden Verbrennungsprozeß direkt oder indirekt meßtechnisch zu erfassen, um Erkenntnisse über die Zündwilligkeit des momentan verwendeten Kraftstoffes zu erlangen.
  • So kann der Zylinderdruck direkt mittels Drucksensor meßtechnisch erfaßt werden, wobei der Druckverlauf zur Bestimmung des Beginns der Verbrennung SOC dient, der wiederum zusammen mit dem Einspritzbeginn SOI zur Bestimmung des Zündverzugs d. h. der Zündverzugszeit verwendet wird. Die auf diese Weise ermittelte Zündverzugszeit charakterisiert den Kraftstoff und ist – ähnlich wie die Cetanzahl – ein Maß für die Zündwilligkeit des Kraftstoffes. Nachteilig an dieser Methode ist die Notwendigkeit, einen Zylinderinnendrucksensor vorsehen zu müssen, der eine relativ aufwendige Meßtechnik darstellt.
  • Gemäß einer anderen Vorgehensweise wird ein Klopfsensor bzw. Beschleunigungssensor, wie z. B. ein Dehnungsmeßstreifen, am Zylinderblock des Verbrennungsmotors befestigt, um den im Zylinder ablaufenden Verbrennungsprozeß indirekt meßtechnisch zu erfassen und den Beginn der Verbrennung SOC zu bestimmen. Die indirekte Messung ist prinzipbedingt mit größeren Ungenauigkeiten behaftet, d. h. von geringerer Güte als die direkte Messung. Es muß berücksichtigt werden, dass die indirekte Messung stark von äußeren Faktoren beeinflußt wird, beispielsweise den in anderen Zylindern ablaufenden Verbrennungsprozessen.
  • Eine weitere Möglichkeit, den Verbrennungsprozeß meßtechnisch indirekt zu erfassen, besteht in der Messung der Drehzahl der Kurbelwelle, über deren Beschleunigung auf die im Zylinder ablaufenden Verbrennungsvorgänge geschlossen werden kann. Die Nachteile sind die bereits oben Genannten.
  • Die US 2008/0051978 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes unter anderen im Leerlauf eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wobei die Cetanzahl anhand von Messgrößen bestimmt wird, die mittels Sensoren für den Kurbelwellenwinkel und den Zylinderinnendruck gewonnen werden.
  • Die US 2008/0262699 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsmotor, während dieser sich nicht im Leerlauf befindet, wobei die Cetanzahl anhand von Meßgrößen, die mittels Sensoren für den Kurbelwellenwinkel und den Zylinderinnendruck gewonnen werden, und zusätzlich anhand der Motorlast bestimmt wird, wobei die letztere Größe z. B. mittels Sensoren für Drehzahl und Drehmoment bestimmt wird.
  • Den Zylinderinnendruck direkt zu messen, ist sehr aufwendig, und die oben erwähnten indirekten Verfahren leiden an einem hohen Signal-/Rauschverhältnis.
  • Die DE 10 2007 056 552 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei der Verlauf der für den Leerlauf erforderlichen Einspritzmenge über der Motortemperatur erfasst wird und aus diesem Verlauf auf die Kraftstoffqualität geschlossen wird. Dieses Verfahren erfordert keine zusätzliche Sensorik, jedoch folgt eine Messung der Motortemperatur der tatsächlichen Motortemperatur mit einer gewissen Verzögerung, weshalb dieses Verfahren schwer zu kalibrieren ist.
  • In der nach veröffentlichten DE 10 2008 010 107 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes beschrieben, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie das Merkmal aufweist, dass die Kraftstoffzufuhr in einen der Zylinder gestoppt oder begrenzt wird. Und zwar wird die Cetanzahl mittels einer komplexen Zündfrequenzkomponente eines Drehzahlspektrums eines Verbrennungsmotors bestimmt, wobei mindestens ein Zylinder der Brennkraftmaschine in einen Testbetrieb gebracht werden kann, in dem eine Voreinspritzung unterdrückt wird. Ist ein genauer Geber für den Drehwinkel der Kurbelwelle vorhanden, so erfordert auch dieses Verfahren keine zusätzliche Sensorik, jedoch ist der Rechenaufwand hoch, da unter anderem eine Fouriertransformation durchzuführen ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors anzugeben, das wenig Aufwand erfordert.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 3 gelöst.
  • Die Erfindung macht sich den Umstand zu Nutze, dass bei modernen Verbrennungsmotoren eine schnelle Regelung der Leerlaufdrehzahl erfolgt. Dabei wird die Leerlaufdrehzahl durch Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmenge von einem Motorzyklus (4 Takte) zum nächsten beeinflußt. Aus dieser Regelung stehen die für die Durchführung der Erfindung benötigten Informationen über die gerade eingespritzte Kraftstoffmenge unmittelbar zur Verfügung.
  • Bei der Erfindung wird die Kraftstoffzufuhr in einen der Zylinder gestoppt bzw. begrenzt, wenn der Verbrennungsmotor unter Nennbedingungen, insbesondere Nenntemperaturen von Öl und Kühlmittel, im Leerlauf läuft. Wenn der eine Zylinder kein Drehmoment mehr erzeugt, müssen die anderen Zylinder entsprechend mehr Drehmoment erzeugen, um die Leerlaufdrehzahl aufrechtzuerhalten, indem die eingespritzte Kraftstoffmenge erhöht wird.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die benötigte zusätzliche Kraftstoffmenge von der Cetanzahl des Kraftstoffes abhängt. Bei niedriger Cetanzahl muß mehr zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt werden, um die Leerlaufdrehzahl aufrechtzuerhalten, wenn die Kraftstoffzufuhr zu einem Zylinder gestoppt ist bzw. begrenzt wird, als wenn der Kraftstoff eine höhere Cetanzahl hat. Dies liegt an der höheren Zündverzugszeit von Kraftstoff mit niedrigerer Cetanzahl.
  • Wird der Einspritzbeginn während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konstant gehalten, so steht die zusätzlich eingespritzte Kraftstoffmenge in einer eindeutigen und genauen Beziehung zu der Kraftstoffqualität, wie sich gezeigt hat, und diese Beziehung ist für einen gegebenen Motor oder Motortyp eine vorherbestimmbare Größe. Somit kann durch Vergleich der Differenz zwischen den Gesamt-Kraftstoffzufuhren im Leerlauf auf allen Zylindern und im Leerlauf auf einem Zylinder weniger mit gespeicherten Referenzwerten die Cetanzahl des Kraftstoffes ermittelt werden.
  • Die Erfindung kommt ohne zusätzliche und aufwendige Sensoren, wie z. B. Zylinderinnendrucksensoren, Klopfsensoren oder NOx-Sensoren aus, welche bei bekannten Verfahren zur Cetanzahlbestimmung verwendet werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 den Bedarf an Kraftstoff mit hoher bzw. niedriger Cetanzahl in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor, dessen Leerlaufdrehzahl konstant gehalten wird, aufgetragen über 100 Motorzyklen, mit Zylinderabschaltung im fünfzigsten Motorzyklus; und
  • 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels für ein Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl.
  • In 1 stellt die X-Achse aufeinander folgende Motorzyklen eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors dar, und die Y-Achse stellt den Kraftstoffbedarf in mg/Hub für konstante Leerlaufdrehzahl dar. Der Kraftstoffbedarf ist eine Funktion der Motorlast. Unter Leerlaufbedingungen besteht die Motorlast hauptsächlich im Drehmoment der Motorausrüstung und ggf. dem Drehmoment eines Automatikgetriebes, das nicht in der Neutralstellung ist. 1 zeigt den typischen Bedarf an zwei Dieselkraftstoffen, einem Kraftstoff mit hoher Cetanzahl und einem Kraftstoff mit niedriger Cetanzahl, für hundert aufeinander folgende Motorzyklen. Im fünfzigsten Motorzyklus wurde die Kraftstoffzufuhr in einen der Zylinder gestoppt. Dadurch wird die Motorlast vergrößert, und um den Motor auf seiner Leerlaufdrehzahl zu halten, nimmt der Kraftstoffbedarf der übrigen Zylinder zu. Und zwar läßt der Leerlaufregler des Motors die übrigen Zylinder mehr Drehmoment erzeugen, indem er ihnen entsprechend mehr Kraftstoff zuführt.
  • Die Kraftstoffzunahme erkennt man in 1 für beide Kraftstoffe, wobei die Kraftstoffzunahme für den Kraftstoff mit hoher Cetanzahl geringer ist als jene für den Kraftstoff mit niedriger Cetanzahl, wobei für jeden Kraftstoff und alle Motorzyklen der Einspritzbeginn SOI auf einem Referenzwert gehalten wird. Wie ersichtlich, ist es möglich, anhand der Zunahme des Kraftstoffbedarfs die Cetanzahl des Kraftstoffes zu bestimmen.
  • Anhand von 2 wird nunmehr ein konkretes Beispiel beschrieben, wie die Motorsteuerung eines Dieselmotors die Cetanzahl des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs bestimmt, wenn ein Leerlaufregler die Leerlaufdrehzahl konstant hält.
  • Im Schritt S1 wird abgefragt, ob eine Bestimmung der Cetanzahl erforderlich ist, z. B. weil gerade getankt wurde. Wenn nein, stoppt das Verfahren. Wenn ja, wird im Schritt S2 gewartet, bis der nächste Leerlaufzustand eingetreten ist, und im Schritt S3 wird geprüft, ob der Leerlauf unter Nennbedingungen, nämlich im warmen Zustand des Motors, der durch eine Nenn-Öltemperatur und eine Nenn-Kühlmitteltemperatur definiert ist, im Leerlauf läuft. Wenn nein, wird zum Schritt S2 zurückgegangen und auf den nächsten Leerlaufzustand gewartet, und wenn ja, wird im Schritt S4 ein Referenz-Kraftstoffbedarf mf_dmd_tot_ref als Mittelwert der vom Leerlaufregler eingestellten Kraftstoffzufuhr mf_dmd_tot über einige Motorzyklen bestimmt. Der hierbei verwendete Einspritzbeginn SOI_ref wird in der Folge konstant gehalten.
  • Im Schritt S5 wird ein Zylinder CylFuCut gewählt, und dessen Kraftstoffzufuhr wird abgeschnitten oder reduziert. Im Schritt S6 wird der vom Leerlaufregler automa tisch angepaßte gegenwärtige Kraftstoffbedarf mf_dmd_tot_cur als Mittelwert über einige Motorzyklen bei SOI_ref bestimmt. Im Schritt S7 wird die Differenz Δmf_dmd_tot_(SOI_ref) zwischen dem gegenwärtigen Kraftstoffbedarf mf_dmd_tot_cur und dem Referenz-Kraftstoffbedarf mf_dmd_tot_ref berechnet.
  • Die Differenz ΔCN zwischen einer Referenz-Cetanzahl CNref und der Cetanzahl CNcur des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs ist eine Funktion der im Schritt S7 bestimmtem Differenz Δmf_dmd_tot_(SOI_ref), und diese Funktion wurde vorher aus entsprechend 1 durchgeführten Versuchen ermittelt. Somit läßt sich die Cetanzahl CNcur des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs berechnen und in einem nichtflüchtigen Speicher speichern, um in der Folge von der Motorsteuerung als Parameter zum Betrieb des Verbrennungsmotors verwendet zu werden.
  • Im Schritt S9 wird abgefragt, ob eine erneute Cetanzahl-Bestimmung durch Abschalten eines anderen Zylinders gewünscht ist, beispielsweise um die Genauigkeit zu erhöhen. Wenn ja, geht es zu Schritt S5 zurück, in dem ein anderer Zylinder CylFuCut gewählt wird, dessen Kraftstoffzufuhr abgeschnitten wird, und wenn nein, ist das Verfahren zu Ende.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Cetanzahl (CN) eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, während ein Leerlaufregler die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors durch Regelung der Kraftstoffzufuhr konstant hält, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Bestimmen eines Referenz-Kraftstoffbedarfs (mf_dmd_tot_ref) als Mittelwert der vom Leerlaufregler eingestellten Kraftstoffzufuhr (mf_dmd_tot) über N (N > 1) Motorzyklen bei einem Einspritzbeginn (SOI_ref) (S4), – Stoppen oder Begrenzen der Kraftstoffzufuhr in einen der Zylinder (S5), – Bestimmen des gegenwärtigen Kraftstoffbedarfs (mf_dmd_tot_cur) als Mittelwert der vom Leerlaufregler eingestellten Kraftstoffzufuhr (mf_dmd_tot) über N Motorzyklen bei dem Einspritzbeginn (SOI_ref), während die Kraftstoffzufuhr in den einen Zylinder gestoppt oder begrenzt ist (S6), – Berechnen der Differenz (Δmf_dmd_tot_(SOI_ref)) zwischen dem gegenwärtigen Kraftstoffbedarf und dem Referenz-Kraftstoffbedarf bei dem Einspritzbeginn (SOI_ref) (S7), und – Ermitteln der Cetanzahl (CNcur) des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs durch Vergleich der zuvor berechneten Differenz (Δmf_dmd_tot_(SOI_ref)) mit gespeicherten Referenzwerten oder Berechnen der Cetanzahl (CNcur) des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs aus der zuvor berechneten Differenz (Δmf_dmd_tot_(SOI_ref)) und einer vorbekannten Funktion davon, welche die Differenz zwischen einer Referenz-Cetanzahl (CNref) und der Cetanzahl (CNcur) des gegenwärtig verbrannten Kraftstoffs repräsentiert (S8).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist, und der Kraftstoff ein Dieselkraftstoff ist.
  3. Motorsteuerung, die dahingehend ausgebildet ist, die Cetanzahl eines Kraftstoffes im Leerlauf eines Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern, in die der Kraftstoff eingespritzt wird, zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 eingerichtet ist.
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