DE102004008150A1

DE102004008150A1 - On-Board-Messung von Kraftstoffeigenschaften zum Motormanagement

Info

Publication number: DE102004008150A1
Application number: DE102004008150A
Authority: DE
Inventors: Frank Troy Ament; Sam R. West Bloomfield Reddy
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2024-02-20
Also published as: US20040180447A1; DE102004008150B4; US7220386B2

Abstract

Eine schmale Testkammer weist zumindest eine Heizung auf, die mit ihren Hauptflächen parallel zur Kraftstoffoberfläche zumindest über einen Teil der Kamemr in Kraftstoff eingetaucht ist. Der Heizungswiderstand nimmt nichtlinear zu, wenn die kritische Temperatur erreicht wird. Wenn die Heizung mit Energie beaufschlagt wird, beginnt der Kraftstoff zu verdampfen. Die Heizungstemperatur bleibt unterhalb der kritischen Temperatur, bis das Kraftstoffniveau auf oder knapp unter das Heizungsniveau abfällt, woraufhin die Heizungstemperatur schnell auf die kritische Temperatur ansteigt und der Heizungsstrom scharf abfällt. Die Zeit t1, die erforderlich ist, um diesen Punkt zu erreichen, und der Heizungsstrom oder die Heizungsenergie, die verbraucht wird, variieren gemäß dem Kraftstoffdestillations-Betriebsverhaltensindex (DI). Der DI wird aus dem gemessenen Heizungsstrom und t1 oder aus einer Differenzmessung von t1 für zwei Heizungen, die übereinander montiert sind, durch Berechnung oder aus einer Nachschlagetabelle bestimmt. Der DI-Wert wird dann dazu verwendet, den Betrieb des Motors zu steuern, um Schadstoffe zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.

Description

Diese Erfindung betrifft die Messung von Eigenschaften flüssigen Kraftstoffes an Bord und insbesondere des Kraftstoffdestillations-Betriebsverhaltensindex (fuel destillation Driveability Index) DI, und die Verwendung derartiger Eigenschaften, um das Motormanagement zu verbessern und die Emission unerwünschter Abgase zu verringern.
Ottomotoren arbeiten, indem ein Gemisch aus Luft und Kraftstoffdämpfen gezündet wird. Benzin ist heutzutage der üblichste Kraftstoff, aber diese Erfindung ist nicht allein auf Benzin beschränkt. Die Neigung des Kraftstoffes, zu verdampfen, ist für einen effizienten Motorbetrieb und eine geringe Emission von Schadstoffen wichtig. Kraftstoffe, die nicht leicht verdampfen, können ein schweres Starten, ein schlechtes Betriebsverhalten im kalten Betrieb, übermäßige Nebenproduktemission und andere Probleme hervorrufen. Im Gegensatz dazu kann Kraftstoff, der in Kraftstoffpumpen, Kraftstoffleitungen, Vergasern oder Kraftstoffeinspritzvorrichtungen usw. zu leicht verdampft, einen herabgesetzten Flüssigkeitsstrom zu dem Motor bewirken und auch zu schlechtem Motorbetrieb und übermäßigen Schadstoffen führen.
Üblicherweise werden mehrere Maße für die Kraftstoffflüchtigkeit verwendet, wie beispielsweise der Dampfdruck nach Reid (RVP von Reid Vapor Pressure), der Destilations-Betriebsverhaltensindex (DI von distillation Drivability Index) und das Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis (VLR von Vapor-Liquid Ratio) oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F von Air Fuel Ratio). Standardtechniken zum Messen verschiedener Kraftstoffei genschaften werden von der American Society for Testing Materials (ASTM), 100 Barr Harbour Drive, P.O. Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959 USA vorgeschrieben und sind in der Technik allgemein bekannt. Die ASTM veröffentlicht auch Standards für Kraftstoffe, die in den USA erfüllt sein müssen.
Beispielsweise definiert die Fahrzeugkraftstoffspezifikation ASTM D-4814 Dampfdruck- und Destillationsklassenanforderungen für sechs Benzinflüchtigkeitsklassen: AA, A, B, C, D und E. Die Spezifikation weist auf der Grundlage der Höhe und des erwarteten Umgebungstemperaturbereiches jeden Monat jedem geografischen Gebiet (Staat oder Teil eines Staates) in den USA eine Dampfdruck-/Destillationsprofilklasse zu. Diese Daten können zweckmäßigerweise unter Verwendung des Destillations-Betriebsverhaltensindex zusammengefasst werden, der durch die folgende Gleichung definiert ist: DI = 1,5·(T10) + 3,0·(T50) + (T90) [1]wobei (T₁₀), (T₅₀) und (T₉₀) die Temperaturen in Grad Fahrenheit für 10 %, 50 % bzw. 90 % des verdampften Kraftstoffes in einer Destillationstestzelle sind. Diese sechs Flüchtigkeitsklassen entsprechen DI-Werten von Benzin in einem Bereich von ungefähr 1000 bis über 1300. Nach einem von der Chevron Corporation veröffentlichten Bericht betrugen die mittleren DI-Werte im Winter und im Sommer 1989 für Benzin in den USA ungefähr 1030 bzw. ungefähr 1127. Es ist ersichtlich, dass Kraftstoffeigenschaften, wie sie sich beispielsweise in den unterschiedlichen DI-Werten widerspiegeln, im Laufe des Jahres, an unterschiedlichen geografischen Orten und mit anderen Faktoren stark schwanken. Damit ein Motor wirtschaftlich, glatt und mit günstigen Emissionen läuft, ist es wünschenswert, dass das Motorsteuerungssystem sich an diesen weiten Bereich von Kraftstoffeigenschaften anpassen kann.
Motorsteuerungssysteme aus dem Stand der Technik sind mit diesen Schwankungen der Kraftstoffeigenschaften unter Verwendung einer Rückkopplung zurechtgekommen. Beispielsweise nähert sich das A/F-Verhältnis durch Messen der Eigenschaften des Motorabgasstromes und Verwenden dieser Information, um die Menge von Luft und eingespritztem Kraftstoff, den Motorzündzeitpunkt und weitere Parameter einzustellen, der Stöchiometrie stärker an. Obwohl dies im stationären Zustand gut genug funktioniert, funktioniert es beispielsweise beim Kaltstart, bevor der Motor und die Abgasanlage die normalen Betriebstemperaturen erreicht haben, nicht gut. Während dieser Perioden beruht das Motorsteuerungssystem gewöhnlich auf gespeicherten Werten für die Kraftstoffeigenschaften, wie beispielsweise einer oder mehreren gespeicherten DI-Zahlen. Die gespeicherten Werte müssen derart gewählt werden, dass sie die ungünstigen Kraftstoffeigenschaften, auf die der Motor wahrscheinlich im Laufe der Jahreszeiten und je nach Höhe, geografischem Gebiet, Umgebungstemperatur usw. treffen wird, widerspiegeln. Somit entspricht die DI-Zahl, die von dem Motorsteuerungssystem beispielsweise vom Kaltstart hindurch bis zum Ende der Warmstartperiode verwendet, nicht notwendigerweise den tatsächlichen Eigenschaften des verbrannten Kraftstoffes. Dies kann zu schlechter Motorleistung und/oder übermäßigen unerwünschten Emissionen von Kohlenwasserstoffen führen.
Daher besteht weiterhin Bedarf nach einem System, um dem Motorsteuerungssystem Information über die Flüchtigkeitseigenschaften des tatsächlich an Bord des Fahrzeugs befindlichen und von dem Motor zu verbrennenden Kraftstoffes zu liefern. Zusätzliche Merkmale werden Fachleuten auf der Basis des vorstehenden Hintergrunds der Erfindung und der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der beigefügten Ansprüchen deutlich werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Testzelle für Eigenschaften von an Bord befindlichem Kraftstoff vorgesehen, umfassend eine Kammer zur Aufnahme einer repräsentativen Probe von an Bord befindlichem Kraftstoff, eine oder mehrere Heizungen, die in der Kammer angeordnet sind und einen nichtlinearen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen, der einen großen positiven Wert annimmt, wenn sich die Heizungstemperatur einer kritischen Temperatur annähert, wobei die eine oder die mehreren Heizungen in der Kammer angeordnet sind, um einen vorbestimmten Teil oder Teile der Kraftstoffprobe zu verdampfen, wenn die kritischen Temperaturen von der einen oder den mehreren Heizungen erreicht sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein On-Board-Messsystem für die Eigenschaften von Motorkraftstoff vorgesehen, ferner umfassend eine Testzelle, wie sie oben erwähnt ist, und einen Schaltkreis zum Messen elektrischer Eigenschaften von der einen oder den mehreren Heizungen und zum Bestimmen der verstrichenen Zeit bis eine schnelle Widerstandszunahme der Heizung auftritt, einen Computer zum Empfangen der gemessenen elektrischen Eigenschaften und der verstrichenen Zeit und zum Bestimmen eines Kraftstoffflüchtigkeitsindex für den an Bord befindlichen Kraftstoff unter Verwendung von einem oder mehreren Parametern, die zumindest zum Teil durch die elektrischen Eigenschaften und die verstrichene Zeit bestimmt werden, und eine Vorrichtung zum Übertragen des berechneten Kraftstoffflüchtigkeitsindex an ein Motormanagementsystem.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbessern der Motorleistung vorgesehen, mit den Schritten: Anordnen von Kraftstoff in der Testzelle, Bestimmen der Anfangstemperatur des getesteten Kraftstoffes, Beaufschlagen zumindest einer Heizung innerhalb der Testzelle mit Energie, Messen eines elektrischen Stromes, der zu der Heizung fließt, Verwenden der gemessenen Werte des Heizungsstromes, bis die Heizung ihre kritische Temperatur erreicht, zusammen mit bekannten Kraftstoffparametern, um einen Destillations-Betriebsverhaltensindex des Kraftstoffes in der Testzelle zu bestimmen, und Übertragen eines derartigen Wertes des Betriebsverhaltensindex an ein Motorsteuerungssystem.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der nicht maßstäblichen Zeichnungen beschrieben, in diesen ist:
1 ein vereinfachtes schematisches Schaubild im Schnitt einer Kraftstofftestzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine grafische Darstellung von Testzellenheizungsstrom über Zeit gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 eine grafische Darstellung von bekannten Kraftstoff-DI-Werten über Testzellenenergieverbrauch, die aus Messungen von dem in 2 gezeigten Typ erhalten werden;
4 eine vereinfachte schematische Ansicht im Schnitt einer Kraftstofftestzelle ähnlich wie 1, die im Inneren eines Kraftstofftanks montiert ist;
5 eine schematische Darstellung im Schnitt ähnlich wie 1 einer Kraftstofftestzelle gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines elektrischen Systems zum Betreiben einer Kraftstofftestzelle von dem zum Teil in den 1, 4, 5 und 8 veranschaulichten Typ;
7 ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines elektrischen Systems zum Betreiben einer Kraftstofftestzelle von dem zum Teil in den 1, 4, 5 und 8 veranschaulichten Typ;
8 eine vereinfachte schematische Ansicht im Schnitt, die eine in einem Kraftstofftank montierte Kraftstofftestzelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9 ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines Controllers zum Betreiben des Kraftstofftestsystems der vorliegenden Erfindung; und
10 ein Flussdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Abfolge von Schritten zum Bestimmen eines DI-Wertes von an Bord befindlichem Kraftstoff zur Verwendung von einem Motor-Controller zum Einstellen der Betriebsbedingungen des Motors veranschaulicht.
Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder deren Anwendung und Nutzungen nicht einschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine Theorie, die im vorstehenden Hintergrund der Erfindung oder der folgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen dargelegt wird, gebunden zu sein.
1 ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild im Schnitt, das eine Kraftstoffeigenschafts-Testzelle 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Testzelle 10 weist ein Gehäuse 12 mit einer Öffnung 14 auf, durch die Kraftstoff 16 eingeleitet wird. Die Öffnung 14 der Testzelle 10 hat zumindest zwei Funktionen. Sie erlaubt es, dass Kraftstoff 16 in die Testzelle 10 eingeleitet werden kann und sorgt auch für ein Entweichen von Kraftstoffdampf 19, der in der Testzelle 10 erzeugt wird. Ein Temperatursensor 13 mit einer elektrischen Leitung 15 ist dafür vorgesehen, die Temperatur von Kraftstoff 16 in der Testzelle 10 zu messen. Jedoch ist der Temperatursensor 13 unwesentlich, wie es später erläutert wird, da die Temperatur des Kraftstoffes 16 durch andere Verfahren und Vorrichtungen bestimmt werden kann.
In der Testzelle 10 ist eine Heizung 18 angeordnet. Die Heizung 18 weist eine obere Elektrode 20 und eine untere Elektrode 22 auf, die typischerweise aus Metall hergestellt sind, aber andere leitfähige Materialien können ebenso verwendet werden. Es werden vorzugsweise leitfähige Metalle verwendet, die durch Kraftstoff 16 nicht wesentlich beeinflusst werden. Stahl und Aluminium sind Beispiele von geeigneten Materialien für die Elektroden 20, 22. Ein Widerstandselement 24 ist zwischen den Elektroden 20, 22 angeordnet. Wie es nachstehend ausführlicher erläutert wird, ist es wünschenswert, dass das Widerstandselement 24 und somit die Heizung 18 keinen linearen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen. Es ist im Besonderen wünschenswert, dass das Widerstandselement 24 und die Heizung 18 einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen, der positiv ist und mit zunehmender Heizungstemperatur schnell zunimmt, wenn sich einer kritischen Temperatur T_C angenähert wird. Keramische Materialien mit einem Betriebsbereich, der einen vergleichsweise großen nichtlinearen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) von Widerstandswerten aufweist, sind für das Widerstandselement 24 besonders geeignet. Elektrische Leitungen 26, 28 sind jeweils mit den Elektroden 20, 22 über eine isolierende Durchführung 30 verbunden. Die Durchführung 30 weist vorzugsweise eine flüssigkeitsdichte Abdichtung an dem Gehäuse 12 auf. Die Heizung 18 ist vorzugsweise derart orientiert, dass die Hauptflächen, z.B. Elektroden 20, 22, zumindest annähernd parallel zur Oberfläche 30A – 30D des Kraftstoffes 16 liegen.
Die Testzelle 10 ist mit Kraftstoff 16 bis zu einem Anfangsniveau 30A gefüllt. Die Heizung 18 erwärmt den Kraftstoff 16, so dass der Teil 16U des Kraftstoffes 16 oberhalb der Heizung 18 verdampft wird, wodurch Kraftstoffdampf 19 oberhalb des flüssigen Kraftstoffes 16 geschaffen wird. Wenn der Kraftstoffteil 16U in Dampf 19 umgewandelt ist und aus der Öffnung 14 entweicht, beginnt das Niveau 30A des Kraftstoffes 16 abzufallen. Es ist wünschenswert, dass die Heizung 18 derart angeordnet ist, dass ihre untere Elektrode ungefähr auf halber Strecke zwischen dem Einlassniveau 34 und dem Bodenniveau 36 des Gehäuses 12 liegt, das heißt derart, dass die Abstände 38A, 38B ungefähr gleich die Hälfte des Abstandes 40 betragen. Mit dieser Anordnung kann die Heizung 18 während eines Messzyklus ungefähr 50% des Kraftstoffes 16 in der Testzelle 10 verdampfen. Jedoch kann die Heizung 18 auch auf anderen Höhen innerhalb der Zelle 10 angeordnet sein, beispielsweise um während eines Messzyklus ungefähr 20 – 80% des Kraftstoffes 16, stärker bevorzugt 30 – 70% des Kraftstoffes 16, noch stärker bevorzugt ungefähr 40 – 60% des Kraftstoffes 16 und am stärksten bevorzugt ungefähr 50% des Kraftstoffes 16 zu verdampfen. Somit kann die Heizung 18 auf Ni veaus mit entsprechenden Prozentsätzen des Abstandes zwischen dem oberen Niveau 34 und dem unteren Niveau 36 der Testzelle 10 angeordnet sein. Wie es später ausführlicher erläutert wird, kann darüber hinaus mehr als eine Heizung verwendet und auf unterschiedlichen Niveaus innerhalb der Testzelle angeordnet sein (siehe beispielsweise 5 – 6).
Wenn die Testzelle 10 mit Kraftstoff 16 beispielsweise bis zu dem Niveau 30A gefüllt ist und die Heizung 18 zu arbeiten beginnt, ist diese zumindest teilweise eingetaucht, stärker bevorzugt im Wesentlichen eingetaucht, und am stärksten bevorzugt vollständig eingetaucht im Kraftstoff 16, und die Temperatur, die durch die Heizung 18 erreicht wird, ist durch die Wärmeverlustrate an flüssigen Kraftstoff 16 und die Verdampfungswärme von Kraftstoff 16 festgelegt. Da die thermische Kopplung von Festkörper zu Flüssigkeit relativ effizient ist, bleibt die Temperatur der Heizung 18 relativ dicht über der Temperatur der fraktionierten Destillation von Kraftstoff 16, sobald die Destillation beginnt. Wenn die Kraftstofffraktionen mit niedriger Temperatur wegdestillieren, fällt das Flüssigkeitsniveau 30A fortschreitend auf die Niveaus 30B, 30C usw., und die Temperaturen des Kraftstoffes 16 und der Heizung 18 steigen langsam an. Dies setzt sich fort, bis das Niveau von Kraftstoff 16 auf das Niveau 30D bei oder knapp unterhalb der Heizung 18 abfällt. Wenn zumindest ein Teil der Heizung 18 nicht länger in Kraftstoff 16 eingetaucht ist, und im Allgemeinen, wenn ein wesentlicher Teil oder ungefähr die gesamte Heizung 18 nicht länger in Kraftstoff eingetaucht ist, beginnt deren Temperatur viel schneller anzusteigen, da der thermische Kontakt zwischen Feststoff und Flüssigkeit zwischen der Heizung 18 und dem Kraftstoff 16 durch den Kontakt mit viel höherer thermischer Impedanz zwischen Heizung 18 und Kraftstoffdampf 19 ersetzt wird. An diesem Punkt verlangsamt sich die Destillation von Kraftstoff 16 merklich, obwohl die Temperatur der Heizung 16 stark ansteigt.
Es ist vor allem wünschenswert, dass das Widerstandselement 24 der Heizung 18 einen nichtlinearen PTC des Widerstandes aufweist, der sehr schnell zunimmt, wenn sich die Heizungstemperatur dem kritischen Wert (T_C) annähert. Dann kann der Messprozess im Wesentlichen selbst begrenzend sein. Bei einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Heizung 18 ungefähr am Mittelpunkt der Zelle 10 angeordnet ist, wird die kritische Temperatur schnell erreicht, sobald ungefähr 50% des Kraftstoffes 16 verdampft worden sind und der Kontakt von Flüssigkeit zu Feststoff der Heizung 18 verloren geht. An diesem Punkt schaltet die Heizung 18 effektiv ab. Die T_C, die zu dem nichtlinearen Verhalten der Heizung 18 gehört, wird wunschgemäß derart gewählt, dass sie oberhalb von T₅₀ für den Bereich an Kraftstoffen, auf den getroffen wird, liegt, aber andere höhere oder niedrigere Werte können ebenfalls verwendet werden, z.B. T_C-Werte, die mit T₁₀ bis T₉₀ oder höher oder niedriger in Beziehung stehen, abhängig davon, wie viel Kraftstoff bei der Testmessung verdampft wird, von der Lage der Heizung 18 innerhalb der Testzelle 10, davon, ob mehrere Heizungen verwendet werden oder nicht, und von der angenommen Zusammensetzung der Kraftstoffmischung. Bei dieser Anordnung ist es nicht notwendig, Temperatursteuerungen, Temperaturbegrenzer, Sicherungen usw. zu verwenden, wodurch die Kosten der Testzelle 10 stark verringert werden.
Geeignete Heizungen mit nichtlinearem PTC, die im Allgemeinen als PTC-Thermistorheizungen bezeichnet werden, mit T_C-Werten in einem zweckmäßigen Bereich für Ottomotorkraftstoffe sind von der Sunlead Electrical Corporation, 5F, No. 41, Lane 221, Kang Chien Road, Taipei City, Taiwan, ROC oder Lunqi Electronic Co., Ltd., Victon Technology Electronic Ltd., Industrial Area of Xia-Bian District, Hou-Jie Dong-Guan, Guang-Dong, P.R. China erhältlich.
Beispielsweise zeigt eine PTC-Thermistorheizung, die ein keramisches Widerstandselement aus BaTiO₃ verwendet, einen Widerstand in der Größenordnung von ungefähr 102 Ohm bei ungefähr 25°C und einen flachen oder geringfügig negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) des Widerstandes über einen Temperaturbereich von ungefähr 25 bis ungefähr 100°C, und anschließend eine sehr große, nichtlineare Widerstandszunahme auf über 105 Ohm im Bereich von ungefähr 125-127°C mit einer Spitze von ungefähr 106 Ohm bei ungefähr 200°C. Der sehr große nichtlineare PTC gehört zur Curie-Temperatur des Keramikmaterials und kann angepasst werden, indem die Zusammensetzung und Herstellung des Keramikmaterials angepasst wird.
Die Heizung 18, wie sie bei verschiedenen hierin beschriebenen Tests verwendet wird, war im Wesentlichen flach, ungefähr wie eine 2 mm dicke Briefmarke oder Münze, mit Elektroden 20, 22 an ihren Breitflächen, die annähernd parallel zur Kraftstoffoberfläche orientiert waren. Das Volumen der Testzelle 10, 10', 80, 90 kann ebenfalls klein sein, typischerweise ungefähr 10 – 25 Kubikzentimeter. Es ist somit nicht notwendig, eine große Kraftstoffmenge zu verbrauchen, um den DI gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
Es ist herausgefunden worden, dass wenn Kraftstoffe mit unterschiedlichen DI-Werten, wie oben beschrieben erwärmt werden und der von der Heizung 18 unter konstanter Spannung gezogene Strom als Funktion aufgetragen wird, merklich unterschiedliche Kennlinien für Kraftstoffe mit verschiedenen bekannten DI-Werten erhalten werden. Dies ist in 2 veranschaulicht, in der der Heizungsstrom über die Zeit für zwei Kraftstoffe mit RVP von ungefähr 7 und DI-Werten von ungefähr 1143 bzw. 1256 aufgetragen wurde. Es ist anzumerken, dass sich der von der Heizung 18 gezogene Strom im NTC-Bereich 51, in welchem die Masse des Kraftstoffteils 16U verdampft, mit der Zeit nur langsam ändert. Wenn sich das Niveau von Kraftstoff 16 der Position der Heizung 18 anzunähern beginnt, steigt der Strom schnell auf Spitzen 50, 52 an und fällt dann in Bereichen 54, 56 scharf ab, in denen die Heizung 18 vollständig ihr Verhalten bei einem stark nichtlinearen PTC annimmt. Der Heizungsstrom fällt schnell ab, da der Heizungswiderstand schnell ansteigt. Dies entspricht dem Niveau von Kraftstoff 16 in der Zeile 10, das ungefähr das Niveau 30D erreicht, bei dem die Heizung 18 nun im Wesentlichen nicht länger in Kraftstoff 16 eingetaucht ist und ihre Temperatur schnell auf T_C ansteigen kann.
Bei oder nahe T_C steigt der Widerstand der Heizung 18 so schnell an, dass der Stromfluss wesentlich herabgesetzt wird und effektiv anhält, wie es durch die Bereiche 54, 56 mit schnellem Stromabfall gezeigt ist. Die Zeiten t₁, t₂ und die Energie E, die erforderlich ist, um die schnell abfallenden Bereiche 54, 56 zu erreichen, unterscheiden sich um den Betrag 58 abhängig vom DI-Wert des Kraftstoffes. Die Werte von t₁, t₂ und die entsprechenden Energiewerte werden zweckmäßigerweise bestimmt, wenn der Heizungsstrom auf Niveau 53 abgefallen ist. Das Niveau 53 entspricht dem Verhältnis R, das durch das Verhältnis des Stromes 57 bei Niveau 53 zu dem Strom 59 an Spitze 50, 52 bestimmt wird. R liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 20 – 80%, stärker bevorzugt im Bereich von ungefähr 30 – 70% und noch stärker bevorzugt im Bereich von 40 – 60%. Da der Heizungsstrom in den Bereichen 54, 56 schnell (z.B. ungefähr -0,41 A/s in diesen Tests) und über eine große Stromspanne abfällt, ist die exakte Wahl oder R unkritisch und kann gemäß einer zweckmäßigen Messschaltung gewählt werden.
Alternativ kann die Stromänderungsgeschwindigkeit (di/dt) dazu verwendet werden, zu bestimmen, wann die Heizung 18 den schnell abfallenden Bereich 54, 56 erreicht hat. Fachleute werden verstehen, dass die Größe von di/dt von der Konstruktion der Heizung 18 für die besondere zu verwendende Anwendung abhängen wird. Wenn jedoch die Durchschnittswerte von di/dt, auf die im Bereich 51 vor den Spitzen 50, 52 getroffen wird, mit dem Durchschnittswert von di/dt in dem schnell abfallenden Bereich 54, 56 verglichen werden, gibt es eine starke Änderung der Größe und häufig auch eine Änderung des Vorzeichens. Für die in 2 gezeigten Daten beträgt der Durchschnittswert von di/dt im Bereich 51 [d.h. (di/dt)₅₁] ungefähr +0,0024 A/s und der Durchschnittswert von di/dt in Bereichen 54, 56 [d.h. (di/dt)_54,56] beträgt ungefähr -0,41 A/s. Somit beträgt das Steigungsverhältnis SR = |(di/dt)_54,56|(di/dt)₅₁| für die Daten von 2 ungefähr 170. Während derart große SR-Werte bevorzugt sind, ist ein SR-Wert von ungefähr 10 oder größer zur Bestimmung davon zweckmäßig, wann eine Zeitmessung t₁ oder t₂ vorgenommen werden sollte.
Die Fläche unter der Kurve von Strom über Zeit (i, t) bei konstanter Spannung (z.B. ungefähr 10,5 Volt) gibt die verbrauchte Energie E an (z.B. E = i × v × t, wobei i der gemessene Strom ist, v die konstante Spannung ist und t die Zeit ist). Somit kann man durch Messen der Heizzeit bei konstanter Spannung oder gleichermaßen der Energie E, die seit dem Start t = 0 bis zu t = t₁ verbraucht wurde, den beobachteten t₁- oder t₂-Wert in Verbindung mit beispielsweise einer in einem Speicher gespeicherten Nachschlagetabelle dazu verwenden, den DI-Wert des getesteten Kraftstoffes zu bestimmen (die Symbole t₁, t₂ und t₁, t2 werden jeweils in dem Text und in den Figuren austauschbar verwendet). Die Nachschlagetabelle enthält vorzugsweise Daten, die einen beobachteten Wert von t₁ mit Werten von t₁ in Beziehung bringen, die mit zuvor gemessenen Kraft stoffproben mit bekanntem DI erhalten wurden. Der DI-Wert, der aus der Nachschlagetabelle erhalten wird, kann dann von dem Motorsteuerungssystem verwendet werden, um die Motorbetriebsparameter einzustellen, und kann besonders zweckmäßig während der Zeitdauer sein, wenn ein Rückkopplungsbetrieb im stationären Zustand nicht praktisch ausführbar ist.
3 ist eine grafische Darstellung von bekannten Kraftstoff-DI-Werten über Heizungsenergieverbrauch E (in Watt-Minuten) für verschiedene Kraftstoffe, um den schnell abfallenden Abschnitt 54, 56 von Kurven des Stromes über die Zeit von dem in 2 veranschaulichten Typ zu erreichen. Die Anfangskraftstofftemperaturen T_f betrugen alle ungefähr 28°C (82 Grad Fahrenheit) zu Beginn (t = 0) jedes Tests. Es ist anzumerken, dass es einen im Wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen den bekannten Kraftstoff-DI-Werten und dem Energieverbrauch der Testzellenheizung gibt. Somit kann der DI-Wert von unbekannten Proben unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden: DI = k1·E(t1) + k2 (2)wobei E die verbrauchte Energie in Watt-Minuten (W × M) bis zum Zeitpunkt t₁ ist, wenn der Heizungsstrom i sich im schnell abfallenden Bereich befindet (z.B. Bereich 54 in 2), und k1 und k2 sind Konstanten, die von den Messbedingungen abhängen, z.B. Kraftstoffausgangstemperatur T_f. Für die Daten von 3, wo T_f ungefähr 28°C (82 Grad Fahrenheit) beträgt, beträgt k1 ungefähr 3,9 und k2 beträgt ungefähr 649. Es sind unterschiedliche Werte k1(T_f) und k2(T_f) für unterschiedliche Anfangskraftstofftemperaturen T_f zu erwarten. Fachleute werden jedoch verstehen, wie die Werte von k1(T_f), k2(T_f) für unterschiedliche Ausgangskraftstoff temperaturen T_f zu erhalten sind und wie eine derartige Gleichung auszuwerten ist.
Obwohl T_f durch direkte Messung unter Verwendung eines Temperatursensors 13 (oder Sensors 61 in 4) erhalten werden kann, ist dies unwesentlich. Es ist beobachtet worden, dass der Anfangsheizungsstrom i(0) bei oder kurz nachdem die Heizung 18 eingeschaltet worden ist, mit T_f korreliert ist. Somit kann durch Messen von i(0) und Vergleichen dieses Wertes mit Werten, die für bekannte Anfangskraftstofftemperaturen erhalten werden, die in einer Korrelationsmatrix in einem an Bord befindlichen Speicher gespeichert sind, T_f ohne die Verwendung von Kraftstofftemperatursensoren 13 oder 61, die in den 1, 4, 5 gezeigt sind, bestimmt werden.
4 ist eine vereinfachte schematische Ansicht der in 1 gezeigten Testzelle 10, die im Inneren eines Fahrzeugkraftstofftanks 60 angeordnet ist. Der Fahrzeugkraftstofftank 60 besitzt einen Einfüllstützen 62 mit einem Einlass 63 und einem Auslass 64, der in den Tank 60 und in den Testzelleneinlass 14 führt. Der Auslass 64 und der Testzelleneinlass 14 sind derart angeordnet, dass ein Teil 67 des Kraftstoffstroms 65 in die Zelle 10 hineingeht und ein Teil 68 des Kraftstofffstromes 65 in den Tank 60 hineingeht. Mit dieser Anordnung wird jedes Mal dann, wenn Kraftstoff in den Tank 60 eingeleitet wird, die Testzelle 10 bis zum Niveau 30A gefüllt, und die Eigenschaften des Kraftstoffes 65, der sich im Tank 60 befindet, können wie oben erläutert bestimmt werden. Der Auslass 64 entlüftet auch die Testzelle 10 zum Dampfraum 70 in dem oberen Bereich des Tanks 60, um für ein Entweichen von aus der Testzelle 10 austretenden Dämpfen 19 zu sorgen. Ein Kraftstofftemperatursensor 61 mit einer externen Leitung 63 kann in dem Tank 60 vorgesehen sein, um die Kraftstofftemperatur T_f in dem Tank zu messen. Alternativ kann ein Tempera tursensor 13 mit einer externen Leitung 15 an der Testzelle 10 vorgesehen sein, aber dies ist unwesentlich. Die exakte Art und Weise der Bestimmung der Kraftstofftemperatur ist unwichtig, solang sie ziemlich genaue Messungen oder Abschätzungen der Anfangskraftstofftemperatur T_f ergibt.
5 zeigt eine schematische Darstellung im Schnitt ähnlich wie 1 der Testzelle 80 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Testzelle 80 unterscheidet sich von der Testzelle 10 von 1 darin, dass mehrere Heizungen 18A, 18B, 18C enthalten sind und ein Ablauf 82 am Boden der Zelle 80 vorgesehen ist. Fachleute werden verstehen, dass Testzellen mit mehreren Heizungen oder Abläufen oder beidem ausgestattet sein können. Sie müssen nicht kombiniert sein.
Der Ablauf 82 erlaubt es, dass der verbleibende Kraftstoffteil 16L aus der Zelle 80 abgelassen werden kann, nachdem die DI-Messung abgeschlossen ist. Dies ist wünschenswert, so dass, wenn frischer Kraftstoff in der Zelle 80 angeordnet wird, dieser nicht mit restlichem Kraftstoff 16L vermischt wird. Beispielsweise wird ein von einem Solenoid 86 betätigtes Ventil 84 geöffnet, um die Testzelle 80 durch den Ablauf 82 und den Auslass 83 zu leeren. Das Solenoid 86 wird über eine elektrische Leitung 87 betätigt. Zweckmäßigerweise ist eine Zugfeder 85 vorgesehen, um das Ventil 84 geschlossen zu halten, wenn das Solenoid 86 nicht mit Energie beaufschlagt ist. Obwohl der Ablauf 82 und das Ventil 84 im Boden 36 der Testzelle 80 angeordnet gezeigt sind, ist dies unwesentlich, und es kann jede Art und Weise des Vorsehens eines öffenbaren Ablaufs für die Zelle 80 verwendet werden. In 5 ist das Ventil 84 in der offenen Stellung gezeigt, die von dem Solenoid 86 mit der Feder 85 unter Spannung eingestellt wird.
Es sind mehrere Messheizungen 18A, 18B, 18C ähnlich der Heizung 18 von 1 in der Testzelle 80 vorgesehen, die in diesem Beispiel in ungefähr der Höhe von 25%, 50% und 75% innerhalb der Zelle 80 angeordnet sind, das heißt mit Abständen 38A, 38B, 38C und 38D, die alle ungefähr 25% des Abstandes 40 betragen, aber dies ist unwesentlich. Fachleute werden verstehen, dass mehrere Heizungen an jeder zweckmäßigen Stelle innerhalb der Testzelle im Allgemeinen innerhalb einer Zone von ungefähr 20% bis 80% der Zellhöhe 40 angeordnet sein können, aber dies ist nicht einschränkend. Beispielsweise kann eine zusätzliche Heizung am Boden 36 der Testzelle 10, 80 platziert sein, um einfach die Kraftstoffheizzeit zu reduzieren.
Während in 5 drei Messheizungen gezeigt sind, werden Fachleute verstehen, dass jede Anzahl von Heizungen verwendet werden kann. Der hierin verwendete Ausdruck "eine oder mehrere Heizungen" soll dies mit einschließen und nicht einschränkend sein. Die Messheizungen 18A, 18B, 18C funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise, wie dies mit Heizung 18 von 1, 4 beschrieben wurde, und mit den Heizergebnissen, die in den 2 – 3 veranschaulicht sind. Die Heizungen 18A, 18B, 18C können alle gleichzeitig mit Energie beaufschlagt werden, beispielsweise t = 0 oder können nacheinander mit Energie beaufschlagt werden. Beide Anordnungen sind geeignet. Es ist bevorzugt, die mehreren Heizungen gleichzeitig mit Energie zu beaufschlagen, da dies die Testzykluszeit verringert, d.h. die Kraftstoffdestillation tritt schneller auf, aber dies ist unwesentlich.
Zu Beginn befindet sich der Kraftstoff 16 bei oder nahe dem Niveau 30A. Wenn die Heizungen 18A, 18B, 18C mit Energie beaufschlagt werden (zusammen oder nacheinander), fällt das Niveau von Kraftstoff 16 ab, wie dies durch Pfeil 31A gezeigt ist. Wenn die Kraftstoffoberfläche Niveau 30B erreicht, so dass die obere Heizung 18A von flüssigem Kraftstoff 16 freigelegt wird, verhält sich die Heizung 18A auf die gleiche Weise wie eine einzelne Heizung 18 der 1 – 3 und es wird ein Zeitwert t_A1 erhalten, der dem schnell abfallenden Bereich 54 von Heizung 18A entspricht. Die Heizung 18A schaltet effektiv ab und deren Energieversorgung kann weggenommen werden. Da das Heizen unter Verwendung von einer oder beiden Heizungen 18B, 18C andauert, fällt das Niveau von Kraftstoff 16 weiterhin ab, wie es durch Pfeil 31B gezeigt ist, und wenn das Niveau 30C erreicht ist, erfährt die Heizung 18B die schnelle Impedanzänderung, die zuvor beschrieben worden ist, und es wird ein Zeitwert t_B1 erhalten, der dem schnell abfallenden Bereich 54 für Heizung 18B entspricht. Ähnlich verhält es sich mit Heizung 18C, die einen Zeitwert t_C1 liefert, wenn der Kraftstoff 16 Niveau 30D erreicht. Durch die Verwendung mehrerer Heizungen erhält man somit aufeinander folgende Destillationszeiten t_A1 < t_B1 < t_C1, die die Zeit darstellen, die erforderlich ist, um aufeinander folgende Fraktionen von Kraftstoff 16 wegzudestillieren.
Die Verwendung mehrerer Heizungen hat den Vorteil, dass durch Messen der Zeitdifferenzen, z.B. (t_C1 – t_B1), (t_B1 – t_A1) und/oder (t_C1 – t_A1) usw. abhängig von der Anzahl verwendeter Heizungen die Wirkung unterschiedlicher Anfangskraftstofftemperaturen auf die gemessenen Werte weitgehend beseitigt werden kann, und auch Information über den Kraftstoffverbrauch erhalten werden kann, das heißt beispielsweise das Vorhandensein oder Fehlen von Teilen von Kraftstoffmischungselementen, die unterschiedliche Flüchtigkeitswerte aufweisen. Eine Testzelle 80 mit mehreren Heizungen ist tatsächlich eine Art von Kolonne für eine fraktionierte Destillation zum Trennen von Kraftstoffkomponenten mit unterschiedlicher Flüchtigkeit von dem Kraftstoffgemisch. Wenn beispielsweise in dem Kraftstoff in signifikanten Mengen Alkohol vorhanden ist, kann die Zeit, die erforderlich ist, um eine gegebene Fraktion des Kraftstoffes in der Zelle zu verdampfen, drastisch zunehmen. Wenn dies beobachtet wird, ist dann wahrscheinlich Alkohol vorhanden und die Motorbetriebsbedingungen können dementsprechend eingestellt werden.
6 ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines elektrischen Systems 95 zum Betreiben einer Kraftstofftestzelle 10' ähnlich der in den 1, 5 veranschaulichten Typen. In 6 sind in der Zelle 10' nur Heizungen 18A-C gezeigt. Andere Elemente, wie etwa Niveausensoren, Temperatursensoren, Ablaufventile usw. sind der Einfachheit halber weggelassen. Ein Controller 96 ist durch einen Bus 98, 99 über optionale Treiber 100 mit Heizungen 18A-C der Zelle 10' gekoppelt. Eine Batterie 104 führt dem Controller 96 und dem Treiber 100 über Leitungen 108, 106 Leistung zu. Leitungen 26A-C, 28A-C (siehe 5) von den Heizungen 18A-C der Testzelle 10' sind mit dem Bus 99 derart gekoppelt, dass beispielsweise jede Heizung 18A-C mit Energie beaufschlagt bzw. Energie von dieser weggenommen werden kann, und unabhängig gemessen werden kann. Der optionale Treiber 100 ist abhängig von der besonderen Testzellenkonstruktion wünschenswert, wenn die I/O-Schaltung (Eingabe/Ausgabe-Schaltung) des Controllers 96 (siehe 9) nicht in der Lage ist, die von den Heizungen 18A-C geforderte Leistung zuzuführen. Wenn der Leistungsbedarf der Heizungen 18A-C innerhalb der Ansteuerungsfähigkeit der I/O-Schaltkreise des Controllers 96 liegt, kann dann der Treiber 100 weggelassen werden. Fachleute werden verstehen, dass das System 95 mit einer oder mehreren Heizungen arbeiten kann, und dass die drei gezeigten Heizungen lediglich zu Erläuterungszwecken dienen. Wenn nur eine Heizung 18B enthalten ist, ist die Testzelle 10' somit der Einzelheizungs-Testzelle 10 von 1 äquivalent.
7 ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines elektrischen Systems 95' zum Betreiben einer Kraftstofftestzelle 80 von dem in 5 veranschaulichten Typ, aber der Einfachheit halber ist nur eine Heizung 18 veranschaulicht. Fachleute werden verstehen, dass eine oder mehrere Heizungen in Verbindung mit dem System von 95' verwendet werden können. Ein Controller 96' ist dem Controller 96 von 6 ähnlich, weist aber mehrere I/O-Betriebskanäle auf, um mit zusätzlichen Sensoren oder Betriebsteilen der Kraftstofftestzelle 80 eine Schnittstelle zu bilden. Der Controller 96' ist mit einer Heizung 18 durch einen Bus 98, 99 über einen optionalen Treiber 1002 gekoppelt. Der Controller 96' ist mit einem Niveausensor 88 durch einen Bus 109, 110 über einen optionalen Treiber 1001 gekoppelt. Der Controller 96' ist mit einem Temperatursensor 13 durch einen Bus 111, 112 über einen optionalen Treiber 1003 gekoppelt. Der Controller 96' ist mit einem Ablaufventilstellglied 86 durch einen Bus 113, 114 über den optionalen Treiber 1003 gekoppelt. Eine Batterie 104 führt dem Controller 96' und den Treibern 1001 – 1004 Energie über Leitungen 108', 106' zu. Wie es in Verbindung mit dem System 95 von 6 festzustellen ist, sind die Treiber 1001 – 1004 optional, abhängig von den Ansteuerungsfähigkeiten der I/O-Kanäle des Controllers 96' und dem Leistungsbedarf der Heizung 18, des Pegelsensors 88, des Temperatursensors 13 und des Ablaufventilstellgliedes 86.
8 ist eine vereinfachte schematische Ansicht im Schnitt, die eine in einem Kraftstofftank 60' montierte Kraftstofftestzelle 90 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Kraftstofftestzelle 90 unterscheidet sich von der Kraftstofftestzelle 10 darin, dass sie von einer Kraftstoffpumpe 92 und einem optionalen Kraftstoffventil 93 in dem Tank 60' begleitet ist. Die Kraftstoffpumpe 92 ist mit der Testzelle 90 über eine schmale Leitung oder eine schmale Röhre 94 gekoppelt, um der Testzelle 90 Kraftstoff 16 zuzuführen. Ansonsten arbeitet Testzelle 90 auf die gleiche Weise wie die Testzelle 10 (oder die Testzelle 80). Die Verbindung von den Heizungsleitungen 26, 28 zur Außenseite des Tanks 60' ist der Einfachheit halber weggelassen worden. Die Pumpe 92 ist vorzugsweise die Hauptkraftstoffpumpe des Fahrzeugs und die Röhre 94 ist eine kleine Entleerungsröhre, die mit dem normalen Ausgang (nicht gezeigt) der Pumpe 92, die den Motor versorgt, gekoppelt ist. Somit ist für den Betrieb der Testzelle 90 keine separate Pumpe erforderlich. Es kann ein optionales Kraftstoffventil 93 zwischen der Pumpe 92 und der Testzelle 90 vorgesehen sein, um die Menge und/oder die zeitliche Abstimmung der Lieferung von Kraftstoff 16 an die Testzelle 90 zu steuern. Leitungen 89, 91 koppeln die Pumpe 92 und das Ventil 93 mit einem Controller, der vorzugsweise außerhalb des Tanks 60' angeordnet ist. Obgleich die Pumpe 92 und das Ventil 93 im Inneren des Tanks 60' angeordnet gezeigt sind, dient dies lediglich der Erläuterung und ist unwesentlich. Die Pumpe 92 und/oder das Ventil 93 können außerhalb des Tanks 60' angeordnet aber mit diesem gekoppelt sein, um Kraftstoff aus dem Tank 60' aufzunehmen.
9 ist ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines Controllers 96, 96' zum Betreiben des Kraftstofftestsystems 95, 95' der vorliegenden Erfindung. Der Controller 96, 96' umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 120, die mit einem Direktzugriffsspeicher (RAM) 122, einem Nurlesespeicher (ROM) 124, einem nichtflüchtigen Speicher (NVM) 126 und einer I/O-Schaltung 128 durch Busse 121, 123, 125, 127 gekoppelt ist. Ein Programmcode, der in dem ROM 124 gespeichert ist (siehe beispielsweise 10), wird von der CPU 120 in Verbindung mit Speichern 122, 124, 126 abgearbeitet, um Befehle über die I/O-Schaltung 128 zu senden und Eingänge zu empfangen, wobei nichtflüchtige Parameter, die in Erinnerung gerufen werden müssen, in dem NVM 126 gespeichert werden. Busleitungen 130 koppeln die I/O-Schaltung 128 mit verschiedenen Sensoren oder Stellgliedern 132, beispielsweise Heizungen) 18, Kraftstofftemperatursensor 13, 61, Ablaufventilstellglied 86, Niveausensor 88, Kraftstoffventil 93 und/oder Kraftstoffpumpe 92 und weitere nicht gezeigte Elemente.
In Verbindung mit den Testzellen 10, 10', 80, 90 bestimmt der Controller 96, 96' beispielsweise die Anfangskraftstofftemperatur T_f, indem der Temperatursensor 13, 61 oder ein äquivalenter Gegenstand verwendet oder auf andere Weise die Anfangskraftstofftemperatur abgeschätzt wird, betätigt die Heizung 18, misst den momentanen und/oder integrierten Heizungsstrom als Funktion der Zeit, detektiert die Zeit oder den Energiewert E(t), wenn der Heizungsstrom in den abfallenden Bereich 54, 56 eintritt, und verwendet beispielsweise den gemessenen E(t)-Wert entsprechend t₁ dafür, wenn der Heizungsstrom Niveau 53 erreicht, um einen DI-Wert für den an Bord befindlichen Kraftstoff gemäß Gleichung [2] in Verbindung mit vorbestimmten Werten für k1(T_f) und k2(T_f), die in dem Speicher 124 oder 126 gespeichert sind, zu berechnen. Der gemessene DI-Wert wird dann im NVM 126 zur Verwendung von dem Motor-Controller bei der Einstellung der Betriebsparameters des Motors (nicht gezeigt) gespeichert, um die Leistung zu maximieren und Schadstoffe zu minimieren. Der Controller 96, 96' kann ein allein stehender Controller zum Betreiben der Testzellen 10, 10', 80, 90, oder auch der gleiche Controller, der die Motor- oder Antriebsstrangfunktionen des Fahrzeugs steuert, sein. Beide Ansätze sind zufrieden stellend, obwohl die Verwendung lediglich eines Controllers, der beide Funktionen erfüllt, gewöhnlich kostengünstiger ist.
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Abfolge 130 veranschaulicht, über die der Controller 96, 96' einen DI-Wert von an Bord befindlichem Kraftstoff 16 unter Verwendung der Testzelle 10, 10', 80, 90 der vorliegenden Erfindung bestimmt und diesen DI-Wert für den Motor-Controller zur Einstellung der Betriebsbedingungen des Motors verfügbar macht. Der derart bestimmte DI-Wert kann zu einem separaten Motor-Controller exportiert oder intern in Controller 96, 96' verwendet werden, wenn ein einziger Controller sowohl für die DI-Messung als auch für die Motorsteuerungsfunktionen verwendet wird. Das Flussdiagramm 130 von 10 veranschaulicht das Verfahren für ein Einzelheizungssystem.
Im Anschluss an START 132 ist Schritt 134 eine Anfrage, die bestimmt, ob die Kraftstofftestzelle (mit "TC" abgekürzt) mit Kraftstoff 16 gefüllt ist oder nicht. Die TC kann irgendeine der oben beschriebenen Kraftstofftestzellen 10, 10', 80, 90 sein. Der Anfrageschritt 134 kann bewerkstelligt werden, indem Niveausensor 88 abgefragt wird (siehe 5, 7) oder bestimmt wird, ob der Kraftstofftank 60 seit dem letzten Test nachgefüllt worden ist, wodurch TC 10 befüllt worden ist, wie es in 4 veranschaulicht ist, oder ob die Kraftstoffpumpe 92, wie in 8 veranschaulicht ist, über eine ausreichende Zeitdauer laufen gelassen wurde, um die Testzelle 90, die in 8 gezeigt ist, zu befüllen, oder auf andere Art und Weise, die Fachleuten auf der Basis der hierin enthaltenden Beschreibung in den Sinn kommen wird.
Wenn die Antwort auf die Abfrage 134 "NEIN" ist, können dann bei Schritt 136 die Pumpe 92 und das Ventil 93 aktiviert werden, um die Testzellen 90 zu befüllen, wie in den 7 – 8, und die Abfolge kehrt zu dem Anfrageschritt 134 zurück, wie es durch die Rückschleife 137 gezeigt ist. Alternativ können die verbleibenden Schritte verzögert werden, bis der Tank 60 nachgefüllt wird, falls die verwendete Implementierung 4 entspricht. Wenn die Antwort auf die Anfrage 134 "JA" ist, wird dann bei Schritt 138 die TC-Heizung 18 mit Energie beaufschlagt, um die Messung zum Bestimmen des DI-Wertes des an Bord befindlichen Kraftstoffes zu beginnen. Bei Schritt 140, der jederzeit nach Schritt 134 und vor Schritt 156 durchgeführt werden kann, wird die Kraftstofftempe ratur T_f durch direkte Messung unter Verwendung von Temperatursensoren 13 oder 61 (siehe 1, 4, 5, 7) oder durch Abschätzung, wie es zuvor erläutert wurde, oder durch irgendein anderes Fachleuten auf dem Gebiet bekanntes Mittel bestimmt.
Nachdem die Heizung 18 bei Schritt 138 mit Energie beaufschlagt worden ist, wird der Heizungsstrom i(t) bei Schritt 142 gemessen und als Funktion der Zeit t bei Schritt 146 integriert. Schritt 144 ist ein Anfrageschritt, bei dem bestimmt wird, ob die Antwort von Strom über Zeit i(t) der Heizung 18 einen schnell abfallenden Bereich erreicht hat (z.B. siehe 54, 56 in 2). Wie es zuvor in Verbindung mit 2 diskutiert wurde, kann jedes zweckmäßige Mittel dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob i(t) sich in dem schnell abfallenden Bereich 54, 56, z.B. bei Niveau 53 in 2 befindet. Wenn die Antwort auf den Anfrageschritt 144 "NEIN" ist, fährt dann der Messschritt 142 fort, wie es durch die Rückschleife 143 gezeigt ist. Wenn die Antwort auf den Anfrageschritt 144 "JA" ist, wird dann bei Schritt 148 der gegenwärtige Wert von t, beispielsweise t1 in 2, notiert oder gesetzt (SETZEN) und bei Schritt 150 dazu verwendet, die Integration von i(t) bei t = t1 zu stoppen. Der integrierte Wert von i(t) von t = 0 bis t = t1 wird wunschgemäß bei Schritt 152 dazu verwendet, den entsprechenden Energiewert von E(t1) zu berechnen, indem der integrierte Stromwert mit der im Wesentlichen konstanten Spannung v, die an die Heizung 18 während der Integrationsperiode angelegt wird, multipliziert wird. Wenn die Spannung v nicht konstant ist, kann alternativ das inkrementelle Produkt v(t) × i(t) für jeden Wert von t bestimmt und das Produkt von t = 0 bis t = t1 integriert werden, so dass sich E(t1) ergibt. Jedes der beiden Verfahren genügt.
Bei Schritt 156 wird die zuvor bestimmte Kraftstofftemperatur T_f dazu verwendet, die entsprechenden Werte von k1(T_f) und k2(T_f) zu erhalten, die beispielsweise zuvor durch Analyse einer Familie von Graphen des in 3 gezeigten Typs für Kraftstoffe mit bekanntem DI-Wert, die unter Verwendung unterschiedlicher Werte von T_f getestet wurden, und der resultierenden Werte von k1(T_f) und k2(T_f), die in dem Controller 96, 96' gespeichert sind, bestimmt werden. Mit dieser Anordnung erlaubt eine Kenntnis von T_f, dass die entsprechenden Werte von k1(T_f) und k2(T_f) aus dem Speicher 124 oder 126 abgerufen werden können. Bei Schritt 158 werden diese Werte von E(t₁) und k1(T_f) und k2(T_f) dazu verwendet, einen DI-Wert für den an Bord befindlichen Kraftstoff zu bestimmen. Dies kann beispielsweise mittels Gleichung [2] bewerkstelligt werden. Alternativ können die T_f- und E-Parameterwerte in Verbindung mit einer im Speicher 124 oder 126 oder an anderer Stelle gespeicherten Nachschlagetabelle verwendet werden, um Werte für DI zu erhalten. Fachleute werden beim Lesen der vorliegenden Beschreibung verstehen, dass auch andere Mittel zum Umwandeln von T_f- und E-Werten in DI-Werte verwendet werden können.
Bei Schritt 154 wird die Energie von der TC-Heizung 18 weggenommen und bei einem optionalen Schritt 160 wird ein Ventil 84 (siehe 5, 7) oder ein äquivalentes Mittel dazu verwendet, restlichen Kraftstoff 16L zurück in den Hauptkraftstofftank oder an andere Stelle abzulassen. Andere Mittel zum Entfernen von restlichem Kraftstoff 16L können ebenfalls verwendet werden, falls dies erwünscht ist. Es ist bevorzugt, dass restlicher Kraftstoff 16L entfernt wird, um zukünftige DI-Messungen nicht nachteilig zu beeinflussen. Bei Schritt 162 wird der bei Schritt 158 bestimmte DI-Wert zu dem Motormanagement- oder Motorsteuerungssystem zur Verwendung bei der Optimierung des Motorbetriebs und bei der Reduzierung der Schadstoffe im Abgas gesendet. Die Messabfolge endet bei Schritt 164. Die Abfolge 130 kann durchgeführt werden, wenn der Motor läuft oder gestoppt ist. Somit kann der DI-Wert von an Bord befindlichem Kraftstoff jedes Mal dann bestimmt werden, wenn das Kraftstoffsystem geöffnet wird, um mehr Kraftstoff hinzuzufügen, und dieser Wert kann verwendet werden, bis dem Tank weiterer Kraftstoff hinzugefügt wird. Somit macht es die vorliegende Erfindung möglich, dass der Motor immer den DI-Wert für das gegenwärtige Kraftstoffgemisch in dem Tank verfügbar hat. Dies ist äußerst nützlich bei der Verbesserung des Motorbetriebes und bei der Reduzierung von Schadstoffen, insbesondere während der anfänglichen Kaltstartperiode.
Obwohl 10 das Flussdiagramm 130 für eine Einzelheizungsanordnung veranschaulicht, werden Fachleute auf der Grundlage der hierin angegebenen Beschreibung verstehen, wie Werte von t1 und E(t1) für mehrere Heizungen bestimmt werden können. Beispielsweise werden die Schritte 138 – 158 für jede aufeinander folgende Heizung 18A, 18B, 18C, usw. wiederholt, um aufeinander folgende Werte von t1 = t_A1, t_B1, t_C1 usw. und E(t1) = E(t_A1), E(t_B1), E(t_C1) usw. zu erzeugen. Ungefähre Werte von k1 und k2 können aus dem Speicher für Schritt 158 erhalten werden, um relevante DI-Werte oder andere Kraftstoffflüchtigkeitsparameter zu bestimmen. Durch temporäres Speichern aufeinander folgender Werte von t_A1, t_B1, t_C1 usw. und/oder E(t_A1), E(t_B1), E(t_C1) usw. können ein oder mehrere Subtraktionsschritte dazu verwendet werden, Differenzen in t_A1, t_B1, t_C1 usw. und/oder Differenzen in E(t_A1), E(t_B1), E(t_C1) usw. zur Verwendung bei der Bewertung der Kraftstoffzusammensetzung und anderer Eigenschaften und einer Temperaturnormierung zu erhalten, wie es früher erläutert wurde, die dann bei Schritt 162 zu dem Motormanagementsystem gesendet werden. Darüber hinaus ist es durch Messen aufeinander folgender Werte von t_A1, t_B1, t_C1 usw. und/oder E(t_A1), E(t_B1), E(t_C1) usw. und Differenzen darin nicht länger notwendig, bei Schritt 140 T_f zu messen, da die mehreren Heizungen eine wiederholbare Umgebung zum Bestimmen von Destillationszeiten t_B1, t_C1 usw. und/oder Energie werten E(t_B1), E(t_C1) usw. und Konstanten k1, k2 liefern. Fachleute werden daher verstehen, dass Schritt 140 nicht notwendigerweise nach t_A1 usw. verwendet wird.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen in der vorstehenden detaillierten Beschreibung dargelegt worden sind, werden Fachleute verstehen, dass es viele Varianten der Ausführungsformen auf der Grundlage der hierin angegebenen Information gibt. Obwohl unterschiedliche Testzellen 10, 10', 80, 90 mit verschiedenen Kombinationen von Elementen zusätzlich zu der Heizung/den Heizungen 18 dargestellt worden sind, werden Fachleute verstehen, dass beispielsweise andere Varianten und Kombinationen möglich sind, und dass die Kopplung dieser Elemente mit dem System-Controller 96, 96' und die Verwendung der entsprechenden Schritte in dem Flussdiagramm 130 dementsprechend geändert werden können. Obwohl manche der veranschaulichten Ausführungsformen zur Verwendung bei gestopptem Motor und andere bei laufendem Motor zweckmäßiger sind, ist jede Anordnung nützlich. Obgleich die erfinderische Anordnung und das erfinderische Verfahren zur Verwendung mit Benzinkraftstoffen veranschaulicht worden sind, sind diese zusätzlich auch auf andere Kraftstoffe und Kraftstoffgemische, die verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Destillationstemperaturen und Dampfdrücken aufweisen, anwendbar.
Obgleich die Kraftstoffeigenschaften hierin im Hinblick auf den Destillations-Betriebsverhaltensindex angegeben worden sind, werden darüber hinaus Fachleute verstehen, dass auch andere Kraftstoffflüchtigkeitsmaße verwendet werden könnten, indem ein unterschiedlicher Flüchtigkeitsindex mit dem integrierten Heizungsstrom und der Zeit korreliert wird, um einen vorbestimmten Teil des Kraftstoffes in der Testzelle zu verdampfen. Somit ist die vorliegende Erfindung nicht allein auf Mo torsteuerungssysteme auf der Grundlage des DI-Wertes beschränkt. So wie sie hierin verwendet werden, sollen die Ausdrücke "Kraftstoffeigenschaften", "Kraftstoffparameter", "Kraftstoffflüchtigkeitsindex" und dergleichen andere Flüchtigkeits- und Zusammensetzungsmaße von Kraftstoff einschließen und nicht allein auf den DI beschränkt sein. Darüber hinaus soll der Ausdruck "Klasse von Kraftstoffen" sich auf Kraftstoffe mit einem weiten Bereich von möglichen DI-Werten und Zusammensetzungen beziehen, die in besonderen Fahrzeugtypen verwendet werden können, und nicht auf ein spezifisches Kraftstoffgemisch. Nicht einschränkende Beispiele von unterschiedlichen Klassen von Kraftstoffen sind in ASTM D-4814 angegeben.
Zusammengefasst weist eine schmale Testkammer zumindest eine Heizung auf, die mit ihren Hauptflächen parallel zur Kraftstoffoberfläche zumindest über einen Teil der Kammer in Kraftstoff eingetaucht ist. Der Heizungswiderstand nimmt nichtlinear zu, wenn die kritische Temperatur erreicht wird. Wenn die Heizung mit Energie beaufschlagt wird, beginnt der Kraftstoff zu verdampfen. Die Heizungstemperatur bleibt unterhalb der kritischen Temperatur, bis das Kraftstoffniveau auf oder knapp unter das Heizungsniveau abfällt, woraufhin die Heizungstemperatur schnell auf die kritische Temperatur ansteigt und der Heizungsstrom scharf abfällt. Die Zeit t1, die erforderlich ist, um diesen Punkt zu erreichen, und der Heizungsstrom oder die Heizungsenergie, die verbraucht wird, variieren gemäß dem Kraftstoffdestillations-Betriebsverhaltensindex (DI). Der DI wird aus dem gemessenen Heizungsstrom und t1 oder aus einer Differenzmessung von t1 für zwei Heizungen, die übereinander montiert sind, durch Berechnung oder aus einer Nachschlagetabelle bestimmt. Der DI-Wert wird dann dazu verwendet, den Betrieb des Motors zu steuern, um Schadstoffe zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.

Claims

On-Board-Messsystem für Motorkraftstoffeigenschaften, umfassend: eine Testzelle (10, 10', 80, 90) zur Aufnahme eines Teils des an Bord befindlichen Kraftstoffes (16), zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C), die in der Testzelle (10, 10', 80, 90) montiert ist, um den Kraftstoff in der Testzelle (10, 10', 80, 90) zu erwärmen, wobei der Heizungswiderstand als Funktion der Zeit schnell zunimmt, wenn die Temperatur der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) sich einer kritischen Temperatur (T_C) annähert, einen Schaltkreis (95, 95') zum Messen elektrischer Eigenschaften (i(t)) der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) und zum Bestimmen der verstrichenen Zeit (t₁, t_A1, t_B1, t_C1), bis eine derartige schnelle Widerstandszunahme der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) auftritt, und einen Controller (96, 96') zum Empfangen der gemessenen elektrischen Eigenschaften (i(t)) und der verstrichenen Zeit (t₁, t_A1, t_B1, t_C1) und zum Bestimmen eines Kraftstoffflüchtigkeitsindex (DI) für den an Bord befindlichen Kraftstoff (16) unter Verwendung von einem oder mehreren Parametern, die zumindest zum Teil aus den elektrischen Eigenschaften (i(t)) und der verstrichenen Zeit (t₁, t_A1, t_B1, t_C1) erhalten werden.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verbindung zum Übertragen des berechneten Kraftstoffflüchtigkeitsindex (DI) an ein Motormanagementsystem.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Temperatur (T_C) derart gewählt ist, dass sie oberhalb einer Temperatur einer fraktionierten Destillation einer von dem Motor verwendeten Klasse von Kraftstoffen (16) liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Temperatur (T_C) derart gewählt ist, dass sie oberhalb von ungefähr T₅₀ für die von dem Motor verwendete Klasse von Kraftstoffen (16) liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (96, 96') den elektrischen Strom (i(t)) zu der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) als eine Funktion der Zeit während der verstrichenen Zeit (t₁, t_A1, t_B1, t_C1) integriert und den integrierten elektrischen Stromwert als einen Teil des einen oder der mehreren Parameter verwendet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Speicher (122, 124, 126) zum Speichern von Information, die die Flüchtigkeit von bekannten Kraftstoffen (16) mit dem einen oder . den mehreren Kraftstoffparametern, die von dem System bestimmt werden, in Beziehung bringt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Mittel (13, 61) zum Bestimmen der Kraftstofftemperatur, bevor die zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C) mit Energie beaufschlagt ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere Heizungen (18A, 18B, 18C), die derart in der Testzelle (80) angeordnet sind, dass, wenn die kritische Temperatur (T_C) von mehr als einer Heizung (18, 18A, 18B, 18C) erreicht ist, zwischen ungefähr 20% und 80% des Kraftstoffes (16) in der Testzelle (80) verdampft sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C) derart in der Testzelle (10, 10', 80, 90) angeordnet ist, dass, wenn die kritische Temperatur (T_C) der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) erreicht ist, zwischen ungefähr 40% bis 60% des Kraftstoffes (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) verdampft sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C) derart in der Testzelle (10, 10', 80, 90) angeordnet ist, dass, wenn die kritische Temperatur (T_C) der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) erreicht ist, ungefähr 50% des Kraftstoffes (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) verdampft sind.
Verfahren zum Verbessern der Motorleistung unter Verwendung einer On-Board-Messung von Motorkraftstoffeigenschaften in einer Testzelle (10, 10', 30, 90), die zumindest mit einer Heizung (18, 18A, 18B, 18C) ausgestattet ist, die einen nichtlinearen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC) aufweist, der schnell zunimmt, wenn die kritische Heizungstemperatur (T_C) erreicht wird, und unter Verwendung eines Controllers (96, 96') zum Steuern der zumindest einen Heizung (18, 18A, 18B, 18C) und zum Messen der elektrischen Eigenschaften derselben und zum Speichern von Information in einem Speicher (122, 124, 126), mit den folgenden Schritten: Anordnen von Kraftstoff (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90)(134), Beaufschlagen zumindest einer Heizung (18, 18A, 18B, 18C) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) mit Energie (138), Messen des elektrischen Stromes (i(t)), der zur Heizung (18, 18A, 18B, 18C) fließt (142), Verwenden der gemessenen Werte des elektrischen Stromes (i(t)) bis die Heizung (18, 18A, 18B, 18C) ihre kritische Temperatur (T_C) erreicht, zusammen mit bekannten Kraftstoffparametern, um einen Destillations-Betriebsverhaltensindex (DI) von Kraftstoff (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) zu bestimmen (158), Übertragen des gemessenen Betriebsverhaltensindex (DI) an ein Motorsteuerungssystem (162).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Testzelle (10, 10', 80, 90) ein Ablaufmittel (82) aufweist und das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Wegnehmen der Energie von der Heizung (18, 18A, 18B, 18C), wenn ihre kritische Temperatur (T_C) erreicht und ein vorbestimmter Teil (16U) des Kraftstoffes (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) verdampft worden ist (154), und Öffnen des Ablaufmittels (82), um den verbleibenden Teil (16L) des Kraftstoffes (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) zu entfernen (160).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch den Schritt Abschalten der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) bei oder nach dem Beginn des Verwendungsschrittes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch den Schritt Verwenden einer Anfangskraftstofftemperatur (T_f), um die bekannten Kraftstoffparameter aus dem Speicher (122, 124, 126) auszuwählen.
On-Board-Testzelle für Kraftstoffeigenschaften, umfassend: eine Kammer zum Aufnehmen einer repräsentativen Probe von an Bord befindlichem Kraftstoff (16), und zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C), die in der Kammer angeordnet ist und einen nichtlinearen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist, der einen großen positiven Wert (PTC) annimmt, wenn die Heizungstemperatur sich einer kritischen Temperatur (T_C) annähert, wobei die zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C) in der Kammer angeordnet ist, um einen vorbestimmten Teil (16U) der Kraftstoffprobe (16) ungefähr dann verdampft zu haben, wenn die kritische Temperatur (T_C) der Heizung (18, 18A, 18B, 18C) erreicht ist.
Testzelle nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Niveausensor (88) zum Bestimmen, ob die Kammer zu Beginn mit Kraftstoff (16) gefüllt ist.
Testzelle nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch ein Mittel (13, 61) zum Bestimmen zumindest einer Anfangskraftstofftemperatur (T_f), bevor die Heizung (18, 18A, 18B, 18C) mit Energie beaufschlagt ist.
Testzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch ein Ventil (36) zum Entleeren jeglichen Kraftstoffes (16L), der in der Kammer verbleibt, nachdem der vorbestimmte Teil (16U) der Kraftstoffprobe (16) verdampft ist.
Testzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptebene der zumindest einen Heizung (18, 18A, 18B, 18C) annähernd parallel zu einer oberen Oberfläche des Kraftstoffes (16) in der Testzelle (10, 10', 80, 90) liegt.
Testzelle nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Heizung (18, 18A, 18B, 18C) zwischen ungefähr 20% bis 80% des Abstandes (40) zwischen dem vollen und dem leeren Niveau der Kammer angeordnet ist.