DE102007053248A1 - Kraftstoffsystem zum Steuern einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Steuern eines solchen Kraftstoffsystems - Google Patents

Kraftstoffsystem zum Steuern einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Steuern eines solchen Kraftstoffsystems Download PDF

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Abstract

Das Kraftstoffsystem steuert einen Kraftfahrzeug-Motor, bei dem der Kraftstoff aus einem Behälter (3) über mindestens eine Kraftstoffpumpe (2) in eine Kraftstoff-Sammelleitung (4) und von dort über Kraftstoff-Injektoren (6) in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und bei dem der Druck (p) in der Kraftstoff-Sammelleitung (4) mit einem Drucksensor (7) erfasst wird. Die Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff wird gemessen, und anhand der gemessenen Schallgeschwindigkeit werden die Kraftstoffeigenschaften ermittelt. Die Kraftstoffart wird anhand der Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff bei bekannter Temperatur ermittelt. Anhand der Schallgeschwindigkeit bei bekannter Kraftstoffart wird die Temperatur im Hochdrucksystem der Kraftstoffeinspritzung ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffsystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 9. Das Kraftstoffsystem dient zum Steuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Motors, bei der der Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter über mindestens eine Kraftstoffpumpe in eine Kraftstoff-Sammelleitung und von dort über Kraftstoff-Injektoren in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und bei dem der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung mit einem Drucksensor erfasst wird.
  • Durch ein bekanntes derartiges Kraftstoffsystem soll die Brennkraftmaschine möglichst schnell auch in heißem Zustand gestartet werden können ( DE 101 25 982 A1 ).
  • Solche Kraftstoffsysteme (auch als Common-Rail-Systeme bezeichnet) für Dieselmotoren werden mit Kraftstoffen unterschiedlicher Eigenschaften betrieben, wobei insbesondere unterschiedliche Kraftstofftemperaturen und unterschiedliche Kraftstoffarten – wie etwa Winter- und Sommerdiesel, sowie Biodiesel oder RME (Raps-Methyl-Ester) – von Bedeutung sind. Da sich in Abhängigkeit von der Temperatur und der Kraftstoffart Stoffparameter, die einen signifikanten Einfuß auf die Genauigkeit der Einspritzmenge haben, ändern, ist bei nicht bekannten Parametern der Fehler bei der eingespritzten Kraftstoffmenge erheblich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffsystem zu schaffen, bei dem die Eigenschaften des Kraftstoffs bestimmt werden können. Dabei wird einerseits bei bekannter Temperatur die Kraftstoffart identifiziert und andererseits bei bekannter Kraftstoffart die Temperatur im Hochdruckteil des Kunststoffs erfasst.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Kraftstoffsystem nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Bei dem Kraftstoffsystem wird die Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff gemessen und anhand der gemessenen Schallgeschwindigkeit werden die Kraftstoffeigenschaften ermittelt. Dabei werden insbesondere Druckschwingungen mit charakteristischen Eigenfrequenzen, die durch die Einspritzung in dem hydraulischen Kraftstoff-System angeregt werden, mit dem Drucksensor erfasst und analysiert.
  • Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass die Kraftstoffart und die Kraftstofftemperatur mit geringem Aufwand ermittelt werden. Es werden keine speziellen Temperatursensoren in Hochdruckteil des Kraftstoffsystems benötigt. Ebenso wenig wird ein physikalisches Modell benötigt, mit dem anhand der durch Temperatursensoren im Niederdrucksystem gemessenen Temperatur die Temperatur im Hochdruckteil abgeschätzt werden könnte.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems;
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten in dem Kraftstoffsystem nach 1 abgearbeiteten Programms;
  • 3 ein Ablaufdiagramm eines zweiten in dem Kraftstoffsystem nach 1 abgearbeiteten Programms, und
  • 4 durch eine schnelle Fourier-Transformation gewonnene Frequenzspektren des Drucksignals in der Kraftstoff- Sammelleitung bei zwei unterschiedlichen Kraftstofftemperaturen.
  • Ein Kraftstoffsystem 1 (1), das insbesondere zum Versorgen eines Kraftfahrzeug-Motors mit Diesel-Kraftstoff bestimmt ist, weist eine Hochdruckpumpe 2 auf, die Kraftstoff von einem Behälter 3 in eine Kraftstoff-Sammelleitung oder – Verteilerleiste 4, häufig auch als „Common Rail" bezeichnet, befördert und dort denn zum Einspritzen erforderlich Druck p aufbaut. Von der Kraftstoff-Sammelleitung 4 wird der Kraftstoff über Injektorleitungen 5 zu Injektoren 6 geleitet und von diesen in die Brennräume oder Zylinder des Motors eingespritzt. Der Motor und die Zylinder sind hier nicht weiter dargestellt, da sie allgemein bekannt sind.
  • Der Druck p in der Kraftstoff-Sammelleitung 4 oder einer anderer Stelle im Hochdruckteil wird durch einen Drucksensor 7 gemessen und an eine Motorsteuerung (ECU) 8 sowie an eine mit dieser zusammen wirkenden Auswerteschaltung 9 übermittelt. Die Auswerteschaltung 9 enthält ein Verzögerungsglied erster Ordnung 10, das die niederfrequente Dynamik aus dem Drucksignals p herausfiltert.
  • Die Kraftstofftemperatur und die Kraftstoffart haben einen direkten Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit des Fluids, das heißt des flüssigen Kraftstoffs. Durch die Einspritzung wird das hydraulische System zu Druckschwingungen mit charakteristischen Eigenfrequenzen angeregt. Diese werden mit dem ohnehin vorhandenen Drucksensor 7 erfasst und anschließend analysiert.
  • Das gefilterte Drucksignal gelangt zu einer FFT-Schaltung 12, die auch als Algorithmus realisiert werden kann, und wird dort einer schnellen Fourier-Transformation unterworfen; und damit werden die hydraulischen Eigenfrequenzen in dem flüssigen Kraftstoff ermittelt. Die Filterparameter müssen dabei an die zu identifizierenden Frequenzen angepasst werden. Die schnelle Fourier-Transformation oder FFT (für „fast Fourier-Transformation") ist zum Beispiel in dem Beitrag „Schnelle Fourier-Transformation" in der freien Enzyklopädie Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/Schnelle Fourier-Transformation) beschrieben.
  • Durch das Ausblenden der relativ niederfrequenten quasistationären Systemdynamik (von der Hochdruckpumpe erzeugte Schwingungen, Drucktransienten) wird die Genauigkeit für die Identifikation der höheren Frequenzen verbessert.
  • Eine genaue Erkennung des verwendeten Kraftstoffes wird erreicht durch einen Vergleich der bei verschiedenen Drücken und Temperaturen erfassten hydraulischen Spektren mit den entsprechenden Daten von Referenzkraftstoffen, die in der Motorsteuerung 8 hinterlegt sind. Zweckmäßigerweise werden hochfrequent abgetastete Drucksignale in einem Datenspeicher abgelegt, der zum Beispiel in der Motorsteuerung enthalten ist. Die schnelle Fourier-Transformation kann entweder in der FFT-Schaltung 12 ausgeführt werden, sie kann aber auch durch einen Algorithmus als Funktion in der Software der Motorsteuerung implementiert werden. Die Auswertung wird je nach Anwendungsfall sofort oder in Betriebszuständen mit geringer ECU-Auslastung erfolgen.
  • In einem Block 13, der als Schaltung oder Programmteil ausgeführt ist, wird eine Frequenzanalyse durchgeführt, die in einem Korrekturblock 14 einen Wert TI-Korrektur für eine Korrektur der Steuerdauer TI für den jeweiligen Injektor 6 ausgibt. Die Einspritzmenge mF für den einzelnen Injektor wird von der Motorsteuerung 8 als Signal an einen Block 15 übertragen, der auch das Drucksignal p empfängt und aus beiden Signalen einen Nominalwert TI-Nominal der Einspritzdauer erzeugt. Die Ausgangssignale der Blöcke 14 und 15 werden in einem Addierglied 16 zusammengeführt und ergeben den korrigierten Wert der Steuerdauer TI für den jeweiligen Injektor 6, der somit die Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs bestimmt.
  • Durch direkte Messung der Eigenfrequenzen wird die zutreffende Schallgeschwindigkeit oder der E-Modul (Elastizitätsmodul) ermittelt. Dadurch kann die Genauigkeit einer Druckwellenkompensationsfunktion (IDCL) verbessert werden. Mit einer direkten Bestimmung des E-Moduls kann auf die Ermittlung aus Druck und Kraftstofftemperatur verzichtet werden. Je nach Genauigkeitsanforderung kann auch ein Temperatursensor entfallen.
  • Anhand des Ablaufdiagramms von 2 wird nun ein Programm zum Identifizieren des E-Moduls erläutert. Nach dem
    • Start werden in einem Schritt
    • S1: Referenz-Betriebszustände ermittelt. In einem Schritt
    • S2: wird abgefragt, ob ein Referenz-Betriebszustand gefunden worden ist. Ist die Antwort nein, so erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt S1. Ist die Antwort ja, wird in einem Schritt
    • S3: das Drucksignal in der Injektorleitung 5 gemessen. Dann erfolgt in einem Schritt
    • S4: eine schnelle Fourier-Transformation. Dann wird in einem Schritt
    • S5: abgefragt, ob eine Identifikation des E-Moduls erfolgreich war. Ist die Antwort nein, so erfolgt ein Rücksprung zu dem Schritt S1. Ist die Antwort ja, wird in einem Schritt
    • S6: der E-Modul gespeichert. In einem Schritt
    • S7: wird schließlich zu einem normalen Motorbetrieb übergegangen. Damit ist dieser Programmabschnitt beendet.
  • Anhand des Ablaufdiagramms von 3 wird nun ein Programm zum Korrigieren der Injektorsteuerung erläutert. In einem Schritt
    • S8: wird eine Mehrfacheinspritzung aktiviert. Dann wird in einem Schritt
    • S9: der identifizierte E-Modul abgespeichert. Danach wird in einem Schritt
    • S10: die Steuerkorrektur für alle Einspritzungen berechnet. Diese wird In einem Schritt
    • S11: an eine in der Motorsteuerung 8 enthaltenen Injektorsteuerung übergeben. Damit ist das Programm am
    • Ende. Es wird laufend zyklisch abgearbeitet.
  • Aus 4 sind Frequenzspektren des Drucksignals in der Kraftstoff-Sammelleitung 4, die durch eine schnelle Fourier-Transformation gewonnen worden sind, ersichtlich, und zwar bei einer Kraftstofftemperatur von 40°C als durchgezogene Linie und bei einer Kraftstofftemperatur von 100°C als gestrichenen Linie. Die Signalamplitude ist Ordinate, die Frequenz Abszisse. Die Temperaturabhängigkeit des E-Moduls führt zu unterschiedlichen Eigenfrequenzen. Die Filterung des Drucksignals wurde, wie in 1 dargestellt, durch ein Verzögerungsglied 1. Ordnung realisiert.
  • Eine weitere Anwendung ist eine Identifikation des Kraftstoffes in Kombination mit einer Temperaturmessung. Spezielle Sensoren für die Kraftstoffidentifikation können entfallen. Die Identifikation des Kraftstoffes ist erforderlich, um die Betriebsweise auf die Kraftstoffart anzupassen. Die Identifikation wird zweckmäßigerweise nach jeder Betankung durchgeführt. So kann zum Beispiel eine andere Motorkalibration für Biodiesel eingesetzt werden.
  • Außerdem kann eine Fehlbetankung diagnostiziert und dadurch bedingte Motorschäden können vermieden werden. Auch hierfür ist die Identifikation nach jeder Betankung durchzuführen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10125982 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - http://de.wikipedia.org/wiki/Schnelle Fourier-Transformation [0016]

Claims (11)

  1. Kraftstoffsystem zum Steuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Motors, bei dem der Kraftstoff aus einem Behälter (3) über mindestens eine Kraftstoffpumpe (2) in eine Kraftstoff-Sammelleitung (4) und von dort über Kraftstoff-Injektoren (6) in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und bei dem der Druck (p) in der Kraftstoff-Sammelleitung (4) mit einem Drucksensor (7) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, – dass die Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff gemessen wird, und – dass anhand der gemessenen Schallgeschwindigkeit die Kraftstoffeigenschaften ermittelt werden.
  2. Kraftstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Druckschwingungen mit charakteristischen Eigenfrequenzen, die durch die Einspritzung in dem hydraulischen Kraftstoff-System angeregt werden, mit dem Drucksensor (7) erfasst und analysiert werden.
  3. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff bei bekannter Temperatur die Kraftstoffart ermittelt wird.
  4. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Schallgeschwindigkeit bei bekannter Kraftstoffart die Temperatur im Hochdrucksystem der Kraftstoffeinspritzung ermittelt wird.
  5. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksignal (p) gefiltert wird und dass die Eigenfrequenzen des hydraulischen Kraftstoff-Systems mit einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) des gefilterten Drucksignals bestimmt werden.
  6. Kraftstoffsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffart durch einen Vergleich der Schwingungsspektren des hydraulischen Kraftstoff-Systems bei verschiedenen Drücken und Temperaturen mit in der Motorsteuerung hinterlegten Daten von Referenzkraftstoffen ermittelt wird.
  7. Kraftstoffsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass hochfrequent abgetastete Drucksignale in einem Datenspeicher abgelegt werden.
  8. Kraftstoffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Motorsteuerung (8) sowie eine mit dieser zusammen wirkenden Auswerteschaltung (9) aufweist, und dass die Auswerteschaltung ein Verzögerungsglied erster Ordnung (10) enthält, das die niederfrequente Dynamik aus dem Drucksignal (p) herausfiltert.
  9. Kraftstoffsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (9) einen Korrekturblock (14) aufweist, der einen Korrekturwert (TI-Korrektur) für die Steuerdauer (TI) des jeweiligen Injektors (6) ausgibt.
  10. Verfahren zum Steuern eines Kraftstoffsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass Referenz-Betriebszustände ermittelt werden; – dass dann abgefragt wird, ob ein Referenz-Betriebszustand gefunden worden ist und wenn das zutrifft, – das Drucksignal in der Injektorleitung (5) gemessen wird, – dass dann eine schnelle Fourier-Transformation des Drucksignals durchgeführt wird, – dass dann abgefragt, ob eine Identifikation des E-Moduls erfolgreich war, und wenn dies zutrifft, der E-Modul des Kraftstoffs gespeichert wird, und – dass schließlich zu einem normalen Motorbetrieb übergegangen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Mehrfacheinspritzung aktiviert wird; – dass dann der identifizierte E-Modul eingelesen wird; – dass danach eine Steuerkorrektur für alle Einspritzungen berechnet wird, – und dass die Steuerkorrektur an eine in der Motorsteuerung (8) enthaltene Injektorsteuerungen übergeben wird.
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