DE102007052096A1 - Verfahren zur Erkennung einer Kraftstoffsorte - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erkennen des Typs eines Kraftstoffs, der über eine Einspritzanlage, insbesondere eine Common-Rail-Einspritzanlage, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, vorgeschlagen. Dabei weist die Einspritzanlage ein hydraulisches System mit einem Hochdruckbereich, der mehrere Injektoren zum Einspritzen des Kraftstoffs versorgt, und einem Volumenstromregelventil zum Einstellen des dem Hochdruckbereich über eine Hochdruckpumpe zugeführten Kraftstoffstroms auf. Der Druck im Hochdruckbereich wird über die Zeit gemessen und in Phasen, während derer die Hochdruckpumpe keinen Kraftstoff fördert, wird die Bilanzgleichung des hydraulischen Systems $F1 verwendet und über einen betrachteten Zeitraum integriert, wobei p der Druck im Hochdruckbereich, E der Kompressibilitätsmodul des Kraftstoffs, V das Volumen des Hochdruckbereichs, QINJ der eingespritzte Kraftstoffvolumenstrom, QCNT_LEAK der Dauerleckagevolumenstrom und QSWI_LEAK der Schaltleckagevolumenstrom der Injektoren sind. Aus für jeden Kraftstofftyp bekannten Kennkurven des Kompressibilitätsmoduls und der Dichte in Abhängigkeit vom Druck wird unter Verwendung der aus diesen Kennkurven bei einem in der Einspritzphase gemessenen Druck gefundenen Werten für Kompressibilitätsmodul und Dichte in einem Trial-and-Error-Verfahren die Druckdifferenz aus der integrierten Bilanzgleichung bestimmt und das Paar von Kompressibilitätsmodul und Dichte, das am besten die über den betrachteten ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Kraftstoffsorte, die über eine Einspritzanlage, insbesondere eine Common-Rail-Einspritzanlage in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
  • Bekannte Common-Rail-Einspritzanlagen umfassen ein Volumenstromregelventil (VCV – Volume Control Valve), das die Menge des Kraftstoffs regelt, der einer Hochdruckpumpe zugeführt wird und von dieser in einen Druckspeicher (Common Rail) gepumpt wird, ein Druckregelventil (PCV – Pressure Control Valve), das den Druck im Hochdruckbereich, d. h. im Druckspeicher mit den zugehörigen Zuführungen abhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine einstellt, hält und abbaut, sowie Injektoren mit Einspritzdüsen, die mit dem Druckspeicher verbunden sind und Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen. In einer anderen Ausführungsform von Einspritzanlagen wird das Druckregelventil weggelassen, wobei dann der Druck bei der Einspritzung über den Volumenstrom durch die Hochdruckpumpe geregelt bzw. gesteuert wird. Dem hydraulischen System, und dabei insbesondere den Injektoren, sind Leckagen inhärent, wobei es sich einerseits um eine so genannte Schaltleckage und andererseits um eine Dauerleckage handelt. Die Schaltleckage tritt bei der Einspritzung auf und entspricht einer Steuermenge, die zur indirekten Ansteuerung der Düsennadel über ein hydraulisches Kraftverstärkersystem eingesetzt wird. Die Dauerleckage ist eine kontinuierliche Leckage und ist auf Leckagen an den Düsennadel- und Ventilkolbenführungen zurückzuführen. Die Schaltleckagemengen und Dauerleckagemengen werden typischerweise über einen Kraftstoffrücklauf zum Kraftstoffbehälter zurückgeführt, in den gegebenenfalls auch der Rücklauf des Druckregelventils mündet.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Identifizierung bzw. Erkennung des Typs des in der Einspritzanlage umgesetzten Kraftstoffs zu schaffen, beispielsweise zur Erkennung, ob Benzin, Diesel, Winter- oder Sommerdiesel verwendet wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Entsprechend der Erfindung wird die Bilanzgleichung des geschlossenen hydraulischen Systems, d. h. die Gleichung für den Druckaufbau bzw. -abbau im System verwendet und zwar zur Reduktion der Einflussgrößen in Phasen, während derer die Hochdruckpumpe keinen Kraftstoff fördert. Dabei wird die Druckänderung, d. h. die Ableitung des Drucks im Druckspeicher bzw. im Hochdruckbereich nach der Zeit durch den Volumenstrom der Einspritzung, der äquivalent zu der eingespritzten Kraftstoffmasse ist, der Dauerleckage und der Schaltleckage sowie dem Kompressibilitätsmodul E des Kraftstoffs und dem Volumen V des Druckspeichers bestimmt. Durch Integrieren der Bilanzgleichung über einen betrachteten Zeitraum und aus für jeden Kraftstofftyp bekannten Kennkurven für den Kompressibilitätsmodul E und der Dichte ρ über den Druck kann unter Verwendung der aus diesen Kennkurven bei einem in der Einspritzphase gemessenen Druck gefundenen Werten für den Kompressibilitätsmodul E und die Dichte ρ in einem Versuchs- und Irrtums-Verfahren (Trial-and-Error-Verfahren) die Druckdifferenz aus der integrierten Bilanzgleichung bestimmt werden und das Paar von Kompressibilitätsmodul E und Dichte ρ, das am besten die über den betrachteten Zeitraum gemessene Druckdifferenz reproduziert, zur Erkennung des Kraftstoffs herangezogen werden.
  • Die Kenntnis der Art des Kraftstoffs und damit des Kompressibilitätsmoduls E und der Dichte ρ bringt zahlreiche Vorteile mit sich. So kann, abhängig von den möglichen Kraftstoffarten die Offset-Drucksteuerung bzw. die Übergangssteuerung (QTRA = V/E·dp/dt) angepasst werden. Weiterhin kann eine Anpassung der Parameter der PID-Regelung, beispielsweise der Proportionalitätskonstante des P Reglers an die möglichen Kraft stoffarten vorgenommen werden und so jeder Regler optimiert werden. Schließlich kann die Voraussage des Kraftstoffdrucks entsprechend der möglichen Kraftstoffart angepasst werden. Es kann eine Korrektur der Einspritzdauer und des Einspritzbeginns abhängig von der Kraftstoffart vorgenommen werden, ebenso wie andere Verbrennungssteuerungsparameter. Schließlich kann die Bestimmung des Kraftstofftyps zur Motorüberwachung verwendet werden, d. h. es kann ein Alarmsignal gegeben werden, wenn ein falscher Kraftstoff verwendet wird, beispielsweise wenn Benzin in einen für Diesel ausgerichteten Motor getankt wird.
  • Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des hydraulischen Systems einer Common-Rail-Einspritzanlage,
  • 2 eine Messung des Drucks im Hochdruckbereich bzw. im Rail über die Zeit,
  • 3 Kennlinien der Kraftstoffdichte von Sommerdiesel über den Druck für unterschiedliche Temperaturen,
  • 4 Kennlinien des Kompressibilitätsmoduls über den Druck für Sommerdiesel bei unterschiedlichen Temperaturen,
  • 5 Kennlinien der Kraftstoffdichte für Winterdiesel über den Druck bei unterschiedlichen Temperaturen, und
  • 6 Kennlinien des Kompressibilitätsmoduls über den Druck für Winterdiesel bei unterschiedlichen Temperaturen.
  • In 1 ist schematisch das hydraulische System einer Common-Rail-Einspritzanlage dargestellt, das ein mit einem Tank 1 verbundenes Volumenstromregelventil 2 (VCV) aufweist, das üblicherweise im Niederdruckbereich der Anlage angeordnet ist und geregelten Kraftstoff zu einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe liefert. In dieser 1 sind zwei Tankbehälter 1 eingezeichnet. Es kann auch nur ein einziger Tankbehälter 1 verwendet werden, so dass die Zufuhrleitung also auch die Rückführleitung in einem und demselben Tank 1 münden. Die mit QVCV bezeichnete Kraftstoffmenge stellt die Fördermenge am Ausgang der Hochdruckpumpe dar. Die Hochdruckpumpe liefert Kraftstoff an einen als Common-Rail bezeichneten Druckspeicher 3. Ein Druckregelventil 4 ist an der Hochdruckpumpe oder am Druckspeicher 3 befestigt, das den Druck im Druckspeicher 3 abhängig vom Lastzustand des Motors einstellt. Die Volumenströmung über das Druckventil 4 ist mit QPCV bezeichnet. Der Druckspeicher 3 ist mit Injektoren 5 verbunden, von denen lediglich zwei dargestellt sind (je Brennraum mindestens einen Injektor) und die Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzen. Aus dem Druckspeicher 3 mit dem Volumen V wird an die Injektoren eine Kraftstoffmenge geliefert, die sich aus dem Volumenstrom QINJ, der einzuspritzenden Kraftstoffmenge entsprechend, und der Leckagemenge QLEAK zusammensetzt. Wie schon ausgeführt wurde, setzt sich die Leckagemenge aus der kontinuierlichen bzw. Dauerleckage QCNT_LEAK und der Schaltleckagemenge QSWI_LEAK, die während der Einspritzung über die Injektoren abströmt, zusammen. Diese Leckagemengen fließen, wie dargestellt, wiederum in den Kraftstofftank zurück, in den auch der rückfließende Kraftstoff vom Druckregelventil 4 strömt.
  • Im Falle, dass das hydraulische System kein Druckventil 4 aufweist, ist selbstverständlich kein Volumenstrom QPCV vorhanden und zu berücksichtigen.
  • Die Injektoren 5 werden durch eine Motorsteuer- und Regeleinheit (nicht dargestellt) angesteuert, die gleichfalls das Signal eines den Druck im Druckspeicher 3 messenden Drucksensors (nicht dargestellt) empfängt und auswertet. Diese Motorsteuer-/Regeleinheit steuert in bekannter Weise auch das Volumenstromregelventil 2 und gegebenenfalls das Druckregelventil 4 an, wobei die weiteren für die Steuerung der Einspritzung notwendigen Parameter von entsprechenden Sensoren geliefert werden.
  • Die Bilanzgleichung für den Druckaufbau in diesem geschlossenen hydraulischen System kann wie folgt beschrieben werden.
    Figure 00050001
    wobei dp/dt die Ableitung des Drucks p nach der Zeit, E der Kompressibilitätsmodul und V das Volumen des Druckspeichers 3 einschließlich der Anschlussleitungen ist. Die anderen Größen sind schon weiter oben beschrieben worden. Falls kein Druckventil 4 verwendet wird, ist QPCV = 0.
  • In 2 ist ein Diagramm einer hochaufgelösten Messung des Drucks im Druckspeicher 3 dargestellt. Hochaufgelöst bedeutet im vorliegenden Fall, dass mit hoher Abtastrate gemessen wird, z. B. jede Millisekunde ein Messwert erstellt wird. Die in dem Einspritzsystem verwendete Hochdruckpumpe ist z. B. eine 3-Kolbenpumpe, wobei die Übersetzung der Motordrehzahl zur Pumpendrehzahl 2/3 ist. In diesem Fall arbeitet in jedem Segment nur ein Kolben, d. h. drückt den Kraftstoff in den Druckspeicher. In jedem Segment steigt der Druck im Druckspeicher 3, da der entsprechende Kolben der Pumpe sich im Kompressionstrakt befindet. Dies ist in der 2 beispielsweise durch den nach oben gerichteten Pfeil 6 angedeutet. In dieser Phase geht der Kolben zum oberen Totpunkt (TDC). Nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht und dann zurückgezogen wird, gibt es keine Pumpenförderung in den Druckspeicher, d. h. QVCV = 0. Während dieser Förderpause, finden die Einspritzungen statt, wobei in 2 der nach unten gerichteten Pfeil 7 eine Einspritzphase darstellt. In einem optimierten Betriebszustand ist auch das Druckregelventil 4 geschlossen, so dass die Gleichung (1) sich reduziert auf
    Figure 00060001
  • Wird die Gleichung (2) über die Zeit integriert, wobei die Zeit beispielsweise diejenige ist, die für einen Einspritzvorgang entsprechend Pfeil 7 benötigt wird, so ergibt sich die Gleichung (2) zu: Δp = E/V (–mf_inj_sum/ρ – VSWI_LEAK – QCNT_LEAKΔt) (3)
  • Dabei bezeichnet mf_inj_sum die Masse des in dem Zeitraum eingespritzten Kraftstoffs, VSWI_LEAK das Volumen der in dem Zeitraum, hier dem Einspritzzeitraum, auftretenden Schaltleckage und QCNT_LEAKΔt die Dauerleckage über den betrachteten Zeitraum, hier den Einspritzzeitraum.
  • In der Gleichung (3) sind die Einspritzmasse und das Volumen der Schaltleckage für jeden Kraftstofftyp grundsätzlich bekannt, die Dauerleckage kann durch ein Adaptionsverfahren im Vorhinein geschätzt werden. Allerdings ist diese Dauerleckage über den betrachteten kurzen Zeitraum sehr klein, so dass der letzte Term der Gleichung (3) auch vernachlässigt werden kann, ohne dass wesentliche Fehler auftreten. Bei direkt angetriebenen Injektoren (New Generation Injektoren) entfällt die Schaltleckage.
  • Somit sind aus der Gleichung (3) nur die Kompressibilität E und die Dichte ρ unbekannt, wobei der Kompressibilitätsmodul E und die Dichte ρ grundsätzlich druckabhängig sind. Da jedoch die Druckänderung in dem betrachteten Zeitraum, z. B. der Einspritzung relativ klein ist, können der Kompressibilitätsmodul und die Dichte als konstant angesehen werden.
  • In den 3 bis 6 sind Kennlinien bezüglich des Kompressibilitätsmoduls und der Dichte über den Druck für Sommerdiesel und Winterdiesel dargestellt, wobei als dritter Parameter die Temperatur eingezeichnet ist, so dass für den Kompressi bilitätsmodul und den Druck Kennlinienscharen dargestellt sind.
  • Mit Hilfe dieser Kennlinien wird unter Heranziehung des in dem Druckspeicher 3 gemessenen Druckwertes jeweils der Kompressibilitätsmodul E(p, T) und die Dichte ρ(p, T) für die verschiedenen Kraftstofftypen, hier Sommer- und Winterdiesel, bestimmt, und in einem Trial-and-Error-Verfahren kann aus der Gleichung (3) Δp berechnet werden. Das Paar aus Kompressibilität E (p, T) und Dichte ρ(p, T), das die gemessene Druckdifferenz (siehe 2) am Besten wiedergibt, repräsentiert den gewünschten Kraftstofftyp.
  • In der folgenden Tabelle ist für unterschiedliche Temperaturen und für vorgegebene Parameter aus den Kennlinien der 3 bis 6 Druckdifferenzwerte Δp berechnet worden, um den Einfluss der Temperatur des Kraftstoffs im Rail zu untersuchen.
    Art Δp(MPa) p(MPa) V(cm3) T(°C) E(MPa) m(g) ρ(g/cm3)
    Sommer 0,955005 22 27 20 1820 0,012 0,847
    Winter 0,909586 22 27 20 1670 0,012 0,816
    Sommer 0,979085 22 27 15 1872,5 0,012 0,85
    Winter 0,934744 22 27 15 1722,5 0,012 0,819
    Sommer 1,002996 22 27 10 1925 0,012 0,853
    Winter 0,959719 22 27 10 1775 0,012 0,822
    Sommer 1,026739 22 27 5 1977,5 0,012 0,856
    Winter 0,984512 22 27 5 1827,5 0,012 0,825
    Sommer 1,050317 22 27 0 2030 0,012 0,859
    Winter 1,009125 22 27 0 1880 0,012 0,828
  • Aus dieser Tabelle ist zu erkennen, dass jeweils für eine Temperatur unterschiedliche Druckdifferenzwerte für Sommer- und Winterdiesel erzielt werden, so dass ein Schwellen- oder Entscheidungswert vorgegeben werden kann. Beispielsweise kann Kraftstofftemperatur von 10° ein Wert von 0,98 angegeben werden, d. h., wenn Δp größer als 0,98 ist, kann der Kraftstoff als Sommerdiesel erkannt werden und wenn die Druckdifferenz kleiner als 0,98 ist, wird auf Winterdiesel geschlossen. Es können somit solche Entscheidungswerte, die abhängig von der Kraftstofftemperatur sind, in der Steuer-/Regeleinheit gespeichert und bei der Bestimmung des Kraftstofftyps herangezogen werden. Dabei ist wichtig, dass die Kraftstofftemperatur, die auch der Temperatur im Druckspeicher 3 entspricht, in einer Größenordnung bestimmbar ist, die in einer Toleranz von +/–5°C liegt.

Claims (2)

  1. Verfahren zur Erkennung deiner Kraftstoffsorte, der über eine Einspritzanlage, insbesondere einer Common-Rail-Einspritzanlage, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, wobei die Einspritzanlage ein hydraulisches System mit einem Hochdruckbereich (3), der mehrere Injektoren (5) zum Einspritzen des Kraftstoffs versorgt, und einem Volumenstromregelventil (2) zum Einstellen des dem Hochdruckbereich über eine Hochdruckpumpe zugeführten Kraftstoffstroms aufweist und wobei der Druck im Hochdruckbereich (3) über die Zeit gemessen wird und in Phasen, während derer die Hochdruckpumpe keinen Kraftstoff fördert, die Bilanzgleichung des hydraulischen Systems
    Figure 00090001
    verwendet und über einen betrachteten Zeitraum integriert wird, wobei p der Druck im Hochdruckbereich, E der Kompressibilitätsmodul des Kraftstoffs, V das Volumen des Hochdruckbereichs, QINJ der eingespritzte Kraftstoffvolumenstrom, QCNT_LEAK der Dauerleckagevolumenstrom und QSWI_LEAK der Schaltleckagevolumenstrom der Injektoren sind und QINJ und QSWI_LEAK und gegebenenfalls QCNT_LEAK bekannt sind oder letzterer im betrachteten Zeitraum vernachlässigbar ist und wobei aus für jeden Kraftstofftyp bekannten Kennkurven des Kompressibilitätsmoduls und der Dichte in Abhängigkeit vom Druck unter Verwendung der aus diesen Kennkurven bei einem in der Einspritzphase gemessenen Druck gefundenen Werten für Kompressibilitätsmodul und Dichte in einem Trial-and-Error-Verfahren die Druckdifferenz aus der integrierten Bilanzgleichung bestimmt wird und das Paar von Kompressibilitätsmodul und Dichte, das am besten die über den betrachteten Zeitbereich gemessene Druckdifferenz reproduziert, zur Erkennung des Typs des Kraftstoffs herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Hochdruckbereich gemessen oder berechnet wird, wobei die Werte für den Kompressibilitätsmodul und die Dichte unter Berücksichtigung der Temperatur aus den Kennkurven gefunden werden.
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