DE102007051254A1

DE102007051254A1 - Verfahren zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes für eine Diesel-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007051254A1
Application number: DE102007051254A
Authority: DE
Inventors: Dirk Naber; Herbert Schumacher; Sani Dzeko; Marko Schuckert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-04-30

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes für eine Diesel-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Ermittelung der Verbrennungslage umfasst, wobei aus dem Abstand zwischen einer Einspritzung und einem Verbrennungslagemerkmal ein Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes, insbesondere Zündwilligkeit und/oder Durchbrenngeschwindigkeit, ermittelt wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes für eine Diesel-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage umfasst.
Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen mit zumindest einem Zylinderdrucksensor auszustatten, der einem so genannten Leitzylinder zugeordnet ist. Mit Hilfe des Zylinderdrucksensors kann der Druckverlauf im Zylinder über dem Kurbelwellenwinkel erfasst werden. Aus dem Zylinderdruckverlauf können spezifische Merkmale berechnet werden. Aus diesen Merkmalen ist es möglich, Rückschlüsse auf die Kraftstoffqualität, insbesondere die Zündwilligkeit, ausgedrückt durch die Cetanzahl, und die Durchbrenngeschwindigkeit, welche beispielsweise durch den Brennwert und die adiabate Flammtemperatur charakterisiert werden kann, zu ziehen.
Aus dem Stand der Technik sind keine Verfahren bekannt, bei denen im Betrieb einer Brennkraftmaschine Zündwilligkeit und/oder Durchbrenngeschwindigkeit des jeweils verwendeten Kraftstoffs gemessen oder abgeschätzt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Ei genschaften des verwendeten Kraftstoffs einer Diesel-Brennkraftmaschine ermöglichen.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes für eine Diesel-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage umfasst, wobei aus dem Abstand zwischen einer Einspritzung und einem Verbrennungslagemerkmal ein Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes, insbesondere Zündwilligkeit und/oder Durchbrenngeschwindigkeit, ermittelt wird. Die Einrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage ist vorzugsweise ein Drucksensor samt nachgeordneter elektronischer Beschaltung und Auswertelogik eines Leitzylinders oder mehrere Leitzylinder. Alternativ kann die Einrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage ein Modul (Hardware oder Software) eines Steuergerätes sein, das die Verbrennungslage aus einem Drehzahlsignal eines Sensors zur Bestimmung der Drehzahl der Kurbelwelle oder aus einem Körperschallsignal eines Körperschallsensors ermittelt. Das Verbrennungslagemerkmal ist eine den Beginn und den weiteren Verlauf der Verbrennung charakterisierende Größe, die als Kurbelwellenwinkel angegeben wird, beispielsweise der Wert MFB50, bei dem die Hälfte der eingespritzten Kraftstoffmenge verbrannt ist.
Zur Kraftstofferkennung ist ein definierter Motorbetriebszustand vorteilhaft. Prinzipiell sind Zylinderdruckmerkmale in allen Motorbetriebszuständen messbar und berechenbar. Die Robustheit der Ermittlung von Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit wird durch definierte Randbedingungen aber erhöht. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die gute und wiederholbare Erkennung von Kraftstoffeigenschaften allein durch die Auswertung von Zylinderdruckmerkmalen wie dem Wert MFB50. Das Verfahren wird vorzugsweise in einer Testbetriebsart mit definierten Betriebsparametern wie z. B. Drehzahl, Last und dergleichen durchgeführt. Dieser Testbetrieb wird von einem Fahrer eines Kraftfahrzeugs bezüglich der Geräuschemissionen nicht als störend empfunden. Die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Testbetriebs und der Bestimmung von Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit des Kraftstoffs wird durch eine Verbrennungslageregelung verbessert.
In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein durch eine Regelung eingestellter Ansteuerbeginn der Einspritzung den Abstand zwischen der Einspritzung und dem Verbrennungslagemerkmal repräsentiert. Vorzugsweise wird dabei die Größe eines Reglereingriffs zur Regelung einer Soll-Verbrennungslage als Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes verwendet.
Bei einer Frühverschiebung des Ansteuerbeginns in einem Testbetrieb wird dabei bevorzugt auf eine geringere Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit und bei einer Spätverschiebung des Ansteuerbeginns auf eine höhere Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit als ein Referenzkraftstoff erkannt. Im Versuch können dabei Paarungen Spätverschiebung/Kraftstoffqualität ermittelt und in einem Kennfeld abgelegt werden. Der Testbetrieb unterscheidet sich vom Normalbetrieb dadurch, dass während dessen definierte Betriebsbedingungen vorliegen und das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes durchgeführt wird.
Im Testbetrieb wird eine Voreinspritzung vorzugsweise unterdrückt. Durch die Unterdrückung der Voreinspritzung wird die Verschiebung des Ansteuerbeginns noch erhöht, so dass sich ein Zündverzug und eine geringere Durchbrenngeschwindigkeit durch ein nicht vorkonditioniertes Kraftstoff/Luft-Gemisch bzw. teilverbrannten Kraftstoff im Rahmen der Voreinspritzung stärker bemerkbar macht.
Alternativ ist vorgesehen, dass im Testbetrieb eine sehr frühe Voreinspritzung und eine späte Haupteinspritzung abgesetzt wird, wobei die Voreinspritzung vorzugsweise bei etwa 20–25°KW vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes liegt und/oder die Haupteinspritzung bei etwa 5°KW nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes liegt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen Voreinspritzung und einem Verbrennungslagemerkmal als Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes verwendet wird. Der Abstand zwischen Voreinspritzung und dem Verbrennungslagemerkmal kann unmittelbar als Maß für die chemischen bzw. physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffs verwendet werden. Im Versuch kann der Abstand für gängige Kraftstoffqualitäten ermittelt werden und z. B. am Steu ergerät der Brennkraftmaschine abgelegt werden, ebenso ist aber auch möglich, unmittelbar aus dem Abstand Merkmale der Kraftstoffqualität für eine Motorsteuerung zu gewinnen.
Im Testbetrieb wird vorzugsweise eine Abgasrückführung der Brennkraftmaschine abgeschaltet und/oder eine Luftmasse auf eine Sollluftmasse für den Testbetrieb eingestellt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Testbetrieb kraftstoffunabhängige Störgrößen, insbesondere Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsdruck und/oder Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder ein zusätzlicher Drehmomentbedarf durch Nebenaggregate der Brennkraftmaschine, über Korrektur-Kennfelder vorgesteuert werden.
Vorzugsweise findet der Testbetrieb im Leerlauf oder leerlaufnahen Bereich statt. Zum Einen wird der Leerlauf in einen Betriebszyklus einer Brennkraftmaschine gerade in einem Kraftfahrzeug sehr häufig angefahren, und zum Anderen werden z. B. Drehmomentschwankungen oder kleine Drehzahlschwankungen und dergleichen in diesem Betriebszustand nicht als störend empfunden. Ist eine Verbrennungslageregelung in größeren Motorbetriebsbereichen aktiv, so können aus den Regelereingriffen in quasistationären Betriebspunkten ebenfalls Rückschlüsse auf das Brennverhalten des Kraftstoffs gezogen werden und nach gleichem Prinzip zur Vorsteuerung verwendet werden.
Das eingangs genannte Problem wird auch gelöst durch eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät oder Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist sowie ein Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird von einer direkteinspritzenden Diesel-Brennkraftmaschine ausgegangen, die mehrere Zylinder, z. B. als Reihenmotor, umfasst, wobei die Diesel- Brennkraftmaschine über eine Vorrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage verfügt. Die Vorrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage kann z. B. ein Leitzylinder sein, der einen Zylinderdrucksensor aufweist, mit dem der Druckverlauf innerhalb des Zylinders über den Kurbelwellenwinkel erfasst werden kann. Alternativ ist auch möglich, den Zylinderdruckverlauf über den Kurbelwellenwinkel mittelbar z. B. anhand des Drehzahlsignals eines Drehzahlgebers unter Verwendung eines mechanischen und thermodynamischen Modells der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Der Zylinderdrucksensor liefert für den indizierten Zylinder ein Drucksignal, das dem jeweiligen Kurbelwellenwinkel zugeordnet werden kann. Dazu wird der Kurbelwellenwinkel beispielsweise über einen inkrementellen Geber wie z. B. einer Geberradscheibe mit einem der Geberradscheibe zugeordneten Hohlelement oder dergleichen, abgetastet. Alternativ zu einem Leitzylinder, der mit einem Zylinderdrucksensor ausgestattet ist, können auch mehrere Leitzylinder, z. B. jeweils ein Zylinder pro Zylinderbank bei einem V-Motor, oder sämtliche Zylinder mit einem Zylinderdrucksensor ausgestattet sein. Die Verbrennungslage wird z. B. als Wert MFB50, der den Kurbelwellenwinkel bezeichnet, bei dem 50% der eingespritzten Kraftstoffmasse verbrannt und damit in Wärme umgesetzt sind, charakterisiert. Die Verbrennungslage kann aber auch durch andere Werte definiert sein. Im Ergebnis ist die Verbrennungslage ein den Verbrennungsbeginn und Verbrennungsablauf charakterisierender Kurbelwellenwinkelwert.
Zur Bestimmung chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffes, dies sind insbesondere die Cetanzahl sowie die Durchbrenngeschwindigkeit, wird die Brennkraftmaschine vom Normalbetrieb in einen Testbetrieb versetzt. Der Testbetrieb findet vorzugsweise im Leerlauf oder im leerlaufnahen Bereich statt. Die Verbrennungslage, wie z. B. dass zuvor genannte Merkmal MFB50, wird von einer Regelung der Motorsteuerung vorgegeben. Ein Lageregler (PosMCCtl) stellt die Lage der Haupteinspritzung, und damit den Kurbelwellenwinkel °KW, bei dem die Haupteinspritzung erfolgt, so ein, dass die Soll-Verbrennungslage, z. B. MFB50_Soll als Istwert eingestellt wird. Um den Einfluss von Störgrößen zu minimieren wird eine Abgasrückführung (AGR) abgeschaltet und eine bestimmte Sollluftmasse ggf. durch Androsseln eingestellt. Zusätzlich wird auf eine Voreinspritzung verzichtet, indem diese unterdrückt wird. Der Ladedruck eines Turboladers kann dabei auf einen maximalen oder minimalen Ladedruck eingestellt werden.
Je nach Kraftstoffqualität (im Wesentlichen bestimmt durch die Cetanzahl und die Durchbrenngeschwindigkeit) wird durch die Regelung der Verbrennungslage ein unterschiedlicher Ansteuerbeginn der Haupteinspritzung eingestellt. Wird der Ansteuerbeginn gegenüber einem Referenzkraftstoff (beispielsweise ein Kraftstoff mit Cetanzahl 52 nach Euronorm) nach früh verstellt, so kann auf einen Kraftstoff geschlossen werden, der schlechtere Eigenschaften bezüglich Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit als der Referenzkraftstoff aufweist. Dies gilt selbstverständlich auch umgekehrt, bei einer Verstellung Richtung spät gegenüber dem Referenzkraftstoff kann auf einen Kraftstoff geschlossen werden, der günstigere Eigenschaften bezüglich Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit aufweist. Nicht kraftstoffbedingte Störgrößen werden dabei nicht durch die Lageregelung kompensiert, sondern über Korrekturkennfelder vorgesteuert. Diese Störgrößen sind z. B. die Umgebungstemperatur, der Umgebungsdruck, die Temperatur der Brennkraftmaschine sowie ein zusätzlicher Drehmomentbedarf durch Nebenaggregate der Brennkraftmaschine, welcher z. B. durch Verbraucher im Fahrzeug hervorgerufen werden kann. Der Wert des erforderlichen Regeleingriffs, beispielsweise also der relative Verstellwinkel ⫿°KW der Ansteuerung der Haupteinspritzung in Richtung früh oder spät verglichen mit dem Ansteuerbeginn für den Referenzkraftstoff, ist ein Maß für die Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit des Kraftstoffes und kann damit zur Vorsteuerung für weitere Applikationsanpassungen im gesamten Motorkennfeld benutzt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine im Leerlauf oder leerlaufnahen Bereich betrieben wird und eine sehr frühe Voreinspritzung, ca. 20 bis 25°KW vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes und eine späte Haupteinspritzung, ca. 5°KW nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes, eingespritzt wird. Auch hier wird zur Minimierung des Einflusses der Störgrößen die Abgasrückführung entweder abgeschaltet oder eine bestimmte Sollluftmasse, die zu einer geringen AGR-Rate führt, eingestellt, wobei auch hier Varianten mit maximalem und minimalem Ladedruck möglich sind. Je nach Kraftstoff ist der Abstand zwischen dem Zeitpunkt der Einspritzung der Voreinspritzung, dieser Zeitpunkt wird als PiL bezeichnet, und der Verbrennungslage, beispielsweise gemessen am Wert MFB50, unterschiedlich. Ist der Abstand groß, so kann auf einen Kraftstoff geschlossen werden, der schlechtere Eigenschaften als der Referenzkraftstoff bezüglich Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit aufweist. Ist der Abstand klein, so kann entsprechend umgekehrt auf einen Kraftstoff geschlossen werden, der günstigere Eigenschaften als der Referenzkraftstoff bezüglich Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit aufweist. Die Haupteinspritzung wird nicht ausgewertet, da zum Einspritzzeitpunkt unterschiedliche Bedingungen im Zylinder vorherrschen. Sie dient lediglich dazu, das gewünschte Drehmoment zu erzeugen. Auch hier können die zuvor genannten Störgrößen auftreten und werden ebenfalls durch Abschalten entsprechender Regelungen und Aufschalten von Werten einer Vorsteuerung korrigiert.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes für eine Diesel-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Ermittlung der Verbrennungslage umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abstand zwischen einer Einspritzung und einem Verbrennungslagemerkmal ein Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes, insbesondere Zündwilligkeit und/oder Durchbrenngeschwindigkeit, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch eine Regelung eingestellter Ansteuerbeginn der Einspritzung den Abstand zwischen der Einspritzung und dem Verbrennungslagemerkmal repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe eines Reglereingriffs zur Regelung einer Soll-Verbrennungslage als Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften eines Kraftstoffes verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Frühverschiebung des Ansteuerbeginns in einem Testbetrieb auf eine geringere Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit und bei einer Spätverschiebung des Ansteuerbeginns auf eine höhere Zündwilligkeit und Durchbrenngeschwindigkeit als ein Referenzkraftstoff erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb eine Voreinspritzung unterdrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb eine sehr frühe Voreinspritzung und eine späte Haupteinspritzung abgesetzt wird.
Verfahren Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinspritzung bei etwa 20–25°KW vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes liegt.
Verfahren Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinspritzung bei etwa 5°KW nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Voreinspritzung und einem Verbrennungslagemerkmal als Maß für die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Kraftstoffes verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb eine Abgasrückführung der Brennkraftmaschine abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb eine Luftmasse auf eine Sollluftmasse für den Testbetrieb eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Testbetrieb kraftstoffunabhängige Störgrößen, insbesondere Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsdruck und/oder Temperatur der Brennkraftmaschine und/oder ein zusätzlicher Drehmomentbedarf durch Nebenaggregate der Brennkraftmaschine, über Korrektur-Kennfelder vorgesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Testbetrieb im Leerlauf oder leerlaufnahen Bereich stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzungen erst abgesetzt werden, wenn die vorangegangene Verbrennung abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerbeginn der Einspritzung festgelegt ist und die Verbrennungslage verändert wird.
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät oder Brennkraftmaschine, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung aller Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.