DE102014201206A1

DE102014201206A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Kraftstoffeigenschaft

Info

Publication number: DE102014201206A1
Application number: DE102014201206.6A
Authority: DE
Inventors: Eugen Kepling; Matthias Horn; Stephan Amelang; Florian Hoffmann; Patrick Thum
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anordnung (300) zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs in einem Verbrennungsmotor (308) vorgestellt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die mindestens eine Kraftstoffeigenschaft auf Grundlage eines ermittelten Ankerhubs erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Es werden unterschiedliche Arten von Kraftstoffen eingesetzt, die sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die Eigenschaften eines Kraftstofftyps können wiederum von äußeren Umständen, wie bspw. der Temperatur, die sich u. a. auf die Viskosität des Kraftstoffs auswirkt, abhängig sein.
Zu beachten ist, dass die Einspritzmenge bei Common-Rail-Systemen von verschiedenen Kraftstoffeigenschaften abhängig ist. Diese wiederum hängen von der Art des Kraftstoffs und den Umgebungsbedingungen ab. So ist bspw. die Viskosität sowohl von der Kraftstoffsorte, bspw. Winterdiesel, Arcticdiesel, Biodiesel, Mischungen verschiedener Kraftstoffe usw., und zusätzlich auch von der Temperatur abhängig.
In Common-Rail-Systemen (CRS) steht bereits eine Funktion FDV (Fuel Detection by Valve Closing) zur Verfügung, die über die Messgröße Schließdauer die Viskosität des Kraftstoffs detektiert. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Separierung der verschiedenen Kraftstoffe mit der FDV nur dann funktioniert, wenn Geometrie von Anker und Restluftspaltscheibe eine bestimmte Form haben, da die Schließdauer maßgeblich von diesen Parametern beeinflusst wird.
Es ist zu beachten, dass, solange im CRS keine Möglichkeit besteht, wichtige Kraftstoffeigenschaften, bspw. über einen Sensor, zu bestimmen, Mengeneinflüsse dieser Eigenschaften nur ungenügend oder überhaupt nicht berücksichtigt werden können. Weiterhin ist zu beachten, dass für einen unterhalb des Gefrierpunkts durchzuführenden Kaltstart üblicherweise größere Startzeiten als bei einem Start oberhalb des Gefrierpunkts zulässig sind. Hierbei variieren die Anforderungen bezüglich der Startzeit bei einer minimalen Temperatur. Es wird angestrebt, eine Startzeit, d. h. ein Zeitintervall bis zum Ende des Startzustands, auch bei einem Kaltstart zu verkürzen.
Ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs ist aus der Druckschrift DE 10 2011 005 141 A1 bekannt. Bei dem Verfahren wird eine Schließdauer eines Ankers eines Magnetventils, welcher sich durch den Kraftstoff bewegt, bei zumindest einer Ansteuerdauer gemessen. Anhand der gemessenen Schließdauer wird ein Faktor ermittelt, der die mindestens eine Eigenschaft repräsentiert.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht es, die Mengenungenauigkeit bei Variation von Kraftstoffeigenschaften zu steigern, ohne zusätzliche Sensorik in ein Common-Rail-System einzubauen. Bei der Common-Rail-Einspritzung, die auch als Speichereinspritzung bezeichnet wird, ist eine Hochdruckpumpe vorgesehen, die den Kraftstoff auf ein hohes Druckniveau bringt. Dieser füllt einen Hochdruckspeicher, das Rail, das im Betrieb unter Druck steht. Aus diesem Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff in die Brennräume eingespritzt. Es wird somit eine Trennung der Druckerzeugung vom eigentlichen Einspritzvorgang erreicht.
Bei Common-Rail-Injektoren, deren Ventilverhalten über eine geeignete Größe erfasst werden kann, ist es möglich, Veränderungen der Kraftstoffeigenschaften zu dokumentieren und über geeignete Reaktionen in der Ansteuerdauer zu korrigieren. Als Common-Rail-Injektoren werden bspw. Magnetventile eingesetzt, bei denen das Ventil durch Magnetkraft öffnet und schließt. Wird das Magnetventil angesteuert, so bewegt sich ein Anker und öffnet das Ventil. Die Wegstrecke, die vom Anker dabei zurückgelegt wird, wird als Ankerhub bezeichnet.
Es wurde nunmehr erkannt, dass der Ankerhub durch Kraftstoffeigenschaft beeinflusst wird. Dieser wiederum kann über eine indirekte Messung bestimmt werden. Die Ermittlung des Ist-Ankerhubs kann bspw. über eine Messgröße aus einem Stromsignal erfolgen, welche indirekt auf den Ankerhub schließen lassen. Ist der Wirkzusammenhang zwischen Kraftstoffeigenschaft, Ankerhub und Einspritzmenge bekannt, kann eine Mengenkorrektur erfolgen.
Ein mögliches Anwendungsbeispiel sieht den Einsatz einer drucklosen Ankerhubmessung zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens vor.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung vorhandener Messsignale zur Bestimmung der Kraftstoffeigenschaften. Zusätzliche Sensorik und die damit verbundenen Schnittstellen zur Motorsteuerung werden nicht benötigt. Dies bedeutet eine Kostenersparnis für den Endkunden.
Auf diese Weise können Kraftstoffeigenschaften, wie bspw. die Viskosität, bestimmt werden. Daraus können spezifische Korrekturwerte für die Ansteuerdauer ermittelt werden. Ziel ist dabei die Gleichstellung der Einspritzmenge unabhängig von den Kraftstoffeigenschaften, wie z. B. der Viskosität. Weiterhin kann mit dem vorgestellten Verfahren die Mengenungenauigkeit bei Variation von Kraftstoffeigenschaften verringert werden, ohne zusätzliche Sensorik in der Einspritzanlage integrieren zu müssen.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Anordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Anordnung als Schritte des Verfahrens zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Anordnung oder der gesamten Anordnung realisiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einem Graphen die Abhängigkeit des Zusammenhangs zwischen Einspritzmenge und Ansteuerdauer von der Kraftstoffart.
2 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Viskosität.
3 zeigt die Abhängigkeit des Ankerhubs von der Viskosität.
4 zeigt eine Ausführung der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
5 zeigt Verläufe des Sensorstromsignals.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In dem Diagramm aus 1 ist entlang einer Abszisse 20 eine Ansteuerdauer [μs] und entlang einer Ordinate 22 eine Einspritzmenge für einen Kraftstoff [mm³] aufgetragen. In dem Diagramm aus 1 ist eine erste Kurve 24 für die Einspritzmenge in Abhängigkeit der Ansteuerdauer für sogenannten Arcticdiesel, der üblicherweise für tiefe Temperaturen geeignet ist, und eine zweite Kurve 26 für einen sogenannten Winterdiesel dargestellt.
Durch zwei Doppelpfeile 28, 30 sind Unterschiede von Ansteuerdauern als dynamische Eigenschaft eines Einspritzventils, bspw. eines Magnetventils, bei konstanten Einspritzmengen für die beiden Kraftstoffsorten dargestellt. So variiert bei einer Einspritzmenge von 5 mm³ eine Ansteuerdauer um ca. 140 µs (erster Doppelpfeil 28). Die Unterschiede zwischen den Ansteuerdauern nehmen mit zunehmender Einspritzmenge zu. So unterscheiden sich die Ansteuerdauern der beiden Kraftstoffsorten bei einer Einspritzmenge von 50 mm³ um ca. 310 µs (zweiter Doppelpfeil 30).
Die gezeigten Kurven 24, 26 wurden aus Mittelwerten von mehreren Kältezellenversuchen bei einem Raildruck von 600 bar und somit einem Druck der genannten Kraftstoffsorten in einem Kraftstoffspeicher einer Einspritzanlage in diesem Fall bei jeweils –25˚C ermittelt.
Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Magnetventile bei tiefen Temperaturen, wie bspw. –20°C, für einen bestimmten Winterdiesel ein deutlich schlechteres Kaltstartverhalten als für einen speziellen Arcticdiesel zeigen. Die Unterschiede in den notwendigen Startansteuerdauern machen eine einheitliche Kaltstartapplikation unmöglich, da abhängig von der Kraftstoffsorte der Motor entweder, absäuft oder wegen zu wenig Menge nicht startet. Um sicher zu starten muss die Kraftstoffeigenschaft bekannt sein, damit eine geeignete Kaltapplikation ausgewählt werden kann.
Beide Kraftstoffsorten unterscheiden sich in diesem Temperaturbereich insbesondere in ihrer Viskosität. Dadurch wird der Ankerhub des Ventils beeinflusst. Abhängig von dem jeweiligen drucklos gemessenen Ankerhub, kann damit eine geeignete Kaltapplikation gewählt werden, so dass unabhängig vom Kraftstoff schnell und sicher gestartet werden kann. Es können somit Korrekturwerte für die Ansteuerdauer ermittelt werden.
2 zeigt ein Diagramm 102 mit einer Abszisse 104, entlang der eine Temperatur [°C] aufgetragen ist, und einer Ordinate 106, entlang der eine kinematische Viskosität eines Kraftstoffs [mm²/s] aufgetragen ist. Das Diagramm umfasst zwei Kurven 108 und 110. Dabei stellt eine erste Kurve 108 eine temperaturabhängige kinematische Viskosität eines ersten Winterdieselkraftstoffs und eine zweite Kurve 110 eine temperaturabhängige kinematische Viskosität eines sogenannten Arctic-Dieselkraftstoffs dar. Somit zeigt das Diagramm 102 aus 2 eine Temperaturabhängigkeit von kinematischen Viskositäten für verschiedene Winterdieselsorten.
3 zeigt beispielhaft einen Graphen 200 mit einer Abszisse 202, entlang der eine Zeit [ms] aufgetragen ist, sowie eine erste Ordinate 204, entlang der eine ein Strom [A], eine zweite Ordinate 206, entlang der eine Spannung [V] für den Winterdieselkraftstoff und für den Arctic-Dieselkraftstoff aufgetragen ist. Die Spannung ist dabei ein Maß für den Ankerhub.
Eine erste Kurve 220 zeigt das Stromprofil für die Ansteuerung des Magnetventils mit Winter-Dieselkraftstoff, eine zweite Kurve 222 Stromprofil für Arctic-Dieselkraftstoff. Beide Kurven 220 und 222 sind gleich. Eine dritte Kurve 224 zeigt den Ankerhub als Spannungsverlauf bei Winter-Dieselkraftstoff, eine vierte Kurve 226 zeigt den Ankerhub als Spannungsverlauf für Arctic-Dieselkraftstoff. Es zeigt sich die Abhängigkeit des Ankerhubs von der Kraftstoffart.
3 verdeutlicht, dass Ursachen für geänderte Ansteuerdauern unter anderem geänderte Ankerdynamiken und Ankerhübe des Schaltventils sind.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung 300 zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft, insbesondere der Viskosität, eines Kraftstoffs. Diese Anordnung umfasst ein Steuergerät 302 mit einer Auswerteelektronik der zur Durchführung der für die vorstehend beschriebenen Verfahren erforderlichen Berechnungsverfahren.
Die Anordnung 300 ist über elektrische Anschlüsse 304 mit einer Einspritzanlage 305, die ein Magnetventil 306 umfasst, als Ventileinheit eines Verbrennungsmotors 308 gekoppelt. Dieses Magnetventil 306 umfasst einen Anker 310, der zum Schließen und Öffnen des Magnetventils 306 bewegt wird.
Weiterhin zeigt die Darstellung eine Kraftstoffzuleitung 312, durch die Kraftstoff 314 dem Magnetventil 306 zugeführt wird. Der Anker 310 bewegt sich beim Öffnen und Schließen durch diesen Kraftstoff 314, Eigenschaften des Kraftstoffs, insbesondere dessen Viskosität, beeinflussen dabei das dynamische Verhalten des Ankers 310. Es wird nunmehr über die Messung von Stromparametern im Steuergerät indirekt der Ankerhub bestimmt und ein Faktor ermittelt, der die mindestens eine Eigenschaft, wie bspw. die Viskosität, des Kraftstoffs repräsentiert.
In 5 sind Sensorstromverläufe aufgezeigt, dabei ist an einer Abszisse 400 die Zeit [ms] und an einer Ordinate 402 der Strom [A] aufgetragen. Eine erste Kurve 404 zeigt den Verlauf des Sensorstromsignals aus dem Steuergerät bei niedriger Viskosität, eine zweite Kurve 406 zeigt den Verlauf des Sensorstromsignals aus dem Steuergerät bei hoher Viskosität.
Diese beispielhaft gegebenen Kurven 404 und 406 kann das Steuergerät messen und werden zur Auswertung der Stromparameter herangezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011005141 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs in einem Verbrennungsmotor (308), bei dem ein Hub eines Ankers (310) eines Magnetventils (306), der sich durch den Kraftstoff bewegt, ermittelt wird und auf Grundlage des erfassten Hubs die mindestens eine Eigenschaft bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ermittlung des Hubs über eine indirekte Messung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ermittlung über eine Messgröße aus einem Stromsignal (404, 406) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Ermittlung über eine Messgröße aus einem Spannungssignal erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens des Verbrennungsmotors (308) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Eigenschaft die Viskosität des Kraftstoffs bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf Grundlage der bestimmten mindestens einen Eigenschaft Korrekturwerte für die Ansteuerdauer ermittelt werden.
Anordnung zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Steuergerät (302), das dazu ausgelegt ist, einen Hub eines Ankers (310) zu ermitteln und auf Grundlage des ermittelten Ankerhubs die mindestens eine Eigenschaft zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 8, bei der das Steuergerät (302) dazu ausgelegt ist, den Ankerhub über eine Messung indirekt zu bestimmen.