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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils an schweren Dieselbestandteilen in einem verdünnten Motoröl eines Dieselmotors. Daneben betrifft die Erfindung eine Motorsteuerungsvorrichtung sowie einen Dieselmotor.
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Eine verstärkte Verdünnung des Motoröls durch Kraftstoff ist ein begleitender Nebeneffekt der modernen Kraftstoff-Einspritzsteuerungen aktueller und künftiger Dieselmotoren. Dafür verantwortlich sind hauptsächlich die eingesetzten Nacheinspritzungen des Kraftstoffs während des Expansionshubs oder Auslaßhubs, die dazu verwendet werden, entweder die Temperatur der Abgase zu erhöhen oder die Abgase zwecks besseren Lambdawertes ≤ 1 anzureichern oder die Temperatur eines Dieselpartikelfilters zu regeln.
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Bei der Verdünnung des Motoröls in der Ölwanne spielen insbesondere zwei Prozesse eine bedeutende Rolle: Erstens, die Mitnahme des Kraftstoffs durch Kolbenringe aus dem Arbeitsraum in die Ölwanne und, zweitens, die Verdunstung leichter Anteile des in der Ölwanne befindlichen Kraftstoffs während des Betriebes. Nicht alle Bestandteile des Kraftstoffs verlassen das verdünnte Öl auf dem Wege der Verdunstung, sondern es bleiben schwere Anteile des Kraftstoffs im Öl zurück und häufen sich dadurch an.
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Die Verdünnung des Öls durch Kraftstoff kann einerseits bewirken, dass der Ölstand in der Ölwanne kontinuierlich zunimmt und den maximal zulässigen Ölstand übersteigt. Dies kann dazu führen, dass die Kurbelwelle bei jeder Umdrehung in das in der Ölwanne befindliche Öl eintaucht und dadurch Luft in das Öl einträgt, so dass es schaumig wird. Schaumiges Öl weist verschlechterte Schmiereigenschaften auf und verkürzt daher die Lebensdauer des Motors. Andererseits findet auch auf Grund der im Öl befindlichen Dieselanteile eine Verschlechterung der Motoröl-Eigenschaften, bspw. eine Verringerung seiner Viskosität und eine Verschlechterung seiner Oxidationseigenschaften, statt. Hierbei führen insbesondere die nicht verdampfenden schweren Kraftstoffanteile zu den erwähnten, durch die Verdünnung des Motoröls hervorgerufenen Nachteilen.
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Aus
DE 10 2004 039 836 A1 und
US 2009/0145211 A1 sind Verfahren zum Messen von Verdünnungen des in der Ölwanne befindlichen Öls bekannt, in denen der Verdünnungsgrad auf der Basis einer Messung des Ölvolumens ermittelt wird.
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Aus
DE 10 2005 051 924 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Verdünnung des in der Ölwanne befindlichen Öls durch Kraftstoff auf der Basis einer Messung der Abgaszusammensetzung bekannt.
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Die
DE 10 2007 054 858 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln eines Kraftstoffanteils in einem Motoröl, in dem Motoröl zwischen zwei einen Kondensator bildende Elektroden eingebracht wird, und die Kapazität des Kondensators bei eingebrachtem Motoröl bestimmt wird.
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Die Zugabe von Biodieselanteilen in den Dieselkraftstoff führt zu einer weiteren Verschärfung des oben beschriebenen Effektes, da der Anteil schwerer Bestandteile im Biodiesel höher als in konventionellem Diesel ist. Das bedeutet, dass die mit der Verdünnung des Motoröls einhergehenden Nachteile mit steigendem Biodieselanteil zunehmen werden.
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Es sind Rechenmodelle bekannt, die in der Lage sind, den Mitnahmefluß des Dieselkraftstoffes in die Ölwanne und die Verdunstung des in der Ölwanne befindlichen Dieselkraftstoffes abzuschätzen, um den Grad der Verdünnung des Motoröls durch den Dieselkraftstoff einzuschätzen. Wenn verschiedene Kraftstoffe während einer Ölverdünnungsperiode mit unterschiedlichem Biodiesel-Anteil verwendet werden, dann wird es erschwert oder unmöglich, den Verdünnungsgrad des Öls abzuschätzen, weil bekannte Modelle nur unter der Annahme eines Basiskraftstoffes mit festgesetzten Mitnahmewerten und Verdunstungswerten der leichten Kraftstofffraktionen brauchbare Ergebnisse liefern.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils an schweren Dieselbestandteilen in einem verdünnten Motoröl eines Dieselmotors zur Verfügung zu stellen. Außerdem bestehen weitere Aufgaben der Erfindung darin, eine vorteilhafte Motorsteuerungsvorrichtung sowie einen vorteilhaften Dieselmotor zur Verfügung zu stellen.
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Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Bestimmen des Anteils an schweren Dieselbestandteilen in einem durch Dieselkraftstoff verdünnten Motoröl gelöst, die weiteren Aufgaben durch eine Motorsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 9 bzw. einen Dieselmotor nach Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen des Anteils an schweren Dieselbestandteilen in einem durch Dieselkraftstoff verdünnten Motoröl, wird das Ölvolumen des Motoröls im Motor erfaßt. Außerdem wird ein theoretisches Ölvolumen auf der Basis eines Dieselkraftstoffes mit einer Sollzusammensetzung berechnet und die Differenz aus dem erfaßten Ölvolumen und dem berechneten Ölvolumen gebildet. Aus der Differenz wird dann der Anteil an schweren Dieselbestandteilen im Motoröl ermittelt.
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Falls die Differenz aus dem erfaßten Ölvolumen und dem berechneten Ölvolumen ungleich Null ist, folgt daraus, dass tatsächliche Anteil an schweren Dieselbestandteilen im Motoröl anders ist als er bei Verwendung eines Dieselkraftstoffs mit Sollzusammensetzung wäre. Wenn das gemessene Ölvolumen das berechnete Ölsvolumen übersteigt, kann aus der Differenz auf einen erhöhten Anteil an nicht verdunstenden schweren Bestandteilen im Dieselkraftstoff geschlossen werden. Wenn andererseits der gemessene Ölstand unter dem berechneten Ölstand liegt, kann aus der Differenz auf einen verminderten Anteil an schweren Bestandteilen im Dieselkraftstoff geschlossen werden. Ein erhöhter Anteil an schweren Bestandteilen kann einen gegenüber dem Standardintervall früheren Ölwechsel veranlassen, wohingegen ein verringerter Anteil ggf. einen späteren Ölwechsel zuläßt. Das Bestimmen des Anteils an schweren Dieselbestandteilen in einem durch Dieselkraftstoff verdünnten Motoröl bietet daher insbesondere die Möglichkeit, den Zeitpunkt eines Ölwechsels genauer festzulegen als bisher.
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Das theoretische Ölvolumen kann insbesondere aus dem bekannten Ölvolumen zu einem Ausgangszeitpunkt t0, der Eintragsrate an Dieselkraftstoff mit Sollzusammensetzung in das Motoröl und der Verdampfungsrate der leichten Bestandteile des Dieselkraftstoffes mit Sollzusammensetzung ermittelt werden.
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Insbesondere kann das theoretische Ölvolumen durch eine lineare Funktion der Zeit dargestellt sein und bspw. gemäß der Formel
berechnet werden, wobei V
oil(t = t
0) das bekannte Ölvolumen zum Ausgangszeitpunkt t
0, ṁ
fuel_to_Oil die Eintragsrate an Dieselkraftstoff in das Motoröl, ṁ
evap_light die Verdampfungsrate der leichten Bestandteile des Dieselkraftstoffes und ρ
oil die Dichte des Kraftstoffes bezeichnen.
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Das Ölvolumen des Motoröls kann erfaßt werden, indem der Ölstand in der Ölwanne des Motors gemessen und anhand der Form der Ölwanne in ein Ölvolumen überführt wird, bspw. durch eine Berechnungseinheit, in der die Form der Ölwanne hinterlegt ist. Einfacher kann das Überführen des Ölstands in ein Ölvolumen jedoch anhand einer zuvor durchgeführten Kalibrierung, in der jeder Ölstand einem Ölvolumen eindeutig zugeordnet wird, bewerkstelligt werden. Die Zuordnung kann dann bspw. tabellarisch hinterlegt werde.
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Da im erfindungsgemäßen Verfahren der Anteil an schweren Dieselbestandteilen im Motoröl im Verhältnis zu einem Dieselkraftstoff mit einer Sollzusammensetzung bestimmt werden kann und Biodiesel einen im Verhältnis zu konventionellem Dieselkraftstoff erhöhten Anteil an schweren Bestandteilen enthält, ist es möglich, aus dem Anteil an schweren Dieselbestandteilen im Motoröl im Verhältnis zum Dieselkraftstoff mit Sollzusammensetzung den Anteil an Biodiesel am verwendeten Dieselkraftstoff zu ermitteln. Insbesondere kann ein erhöhter Biodieselanteil ermittelt werden, wenn als Dieselkraftstoff mit Sollzusammensetzung ein konventioneller Dieselkraftstoff ohne Biodieselanteil herangezogen wird. Falls dagegen als Dieselkraftstoff mit Sollzusammensetzung ein Dieselkraftstoff mit einem bestimmten, festgelegten Biodieselanteil herangezogen wird, kann das Ergebnis auch ein verminderter Biodieselanteil sein.
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Beim Berechnen des theoretischen Ölvolumens kann auch noch der Ölverbrauch des Dieselmotors berücksichtigt wird, was das Ergebnis weiter verfeinert.
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Erfindungsgemäß werden außerdem eine Motorsteuerungsvorrichtung und ein Dieselmotor mit einer elektronischen Einheit, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, zur Verfügung gestellt. Die mit der erfindungsgemäßen Motorsteuerungsvorrichtung oder dem erfindungsgemäßen Dieselmotor erzielbaren Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der Anwendung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen die mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Dieselmotors.
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2 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt eine elektronische Einheit zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Dieselmotors 1. Es sind ein Zylinder 2 und das Kurbelgehäuse 3 des Motors 1 zu erkennen. Obwohl in 2 nur ein Zylinder dargestellt ist, kann der Motor eine Mehrzahl an Zylindern aufweisen. Typischerweise wird er eine gerade Anzahl an Zylindern aufweisen die zwischen vier und zwölf liegt. Aber auch ungerade Zylinderzahlen, sind nicht ausgeschlossen. Am oberen Ende des Zylinders 2 sind eine Kraftstoff-Einspritzdüse 4, ein Luft-Einlaßventil 5 und ein Abgas-Auslaßventil 6 angeordnet. An das untere Ende des Zylinders 2 schließt sich das Kurbelgehäuse 3 an, dessen Unterseite eine Ölwanne 7 bildet. Im Zylinder 2 ist ein Kolben 8 linearbeweglich angeordnet. Der Dieselmotor 1 weist außerdem eine Sensoranordnung 11 auf, die den Pegelstand 12a des Motoröls 12 in der Ölwanne 7 erfaßt und an ein in 1 nicht dargestelltes elektronisches Modul ein Signal in Abhängigkeit des erfaßten Pegelstandes übermittelt.
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Der Kolben 8 ist über eine drehbeweglich an ihm befestigte Pleuelstange 9 mit einer im Kurbelgehäuse 3 angeordneten Kurbelwelle 10 des Motors 1, an der die Pleuelstange 9 ebenfalls drehbeweglich befestigt ist, verbunden. Er ist gegen den Zylinder mittels Kolbenringen (nicht dargestellt) abgedichtet. Die mit einer Restundichtheit behafteten Kolbenringe des Kolbens lassen jedoch einen Teil des Dieselkraftstoffes ṁfuel_to_Oil in das Kurbelgehäuse 3 gelangen, wo es das in der Ölwanne 7 befindliche Motoröl 12 verdünnt. Im Gegenzug gelangt zur Schmierung herangezogenes Motoröl ṁOil_loss in den im Zylinder 2 befindlichen Brennraum 13 des Dieselmotors, wo es verbrennt und so verloren geht. Diese Undichtheiten führen einerseits dazu, dass mit der Zeit eine zunehmende Menge an Dieselkraftstoff die Ölwanne 7 gelangt und dass sich die in der Ölwanne 7 befindliche Menge an Motoröl 8 verringert.
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In der Ölwanne 7 erfolgt jedoch keine bloße Ansammlung des dorthin gelangten Dieselkraftstoffes. Auf Grund von Verdunstung verflüchtigen sich nämlich die leichten Bestandteile des Dieselkraftstoffes ṁevap_light, so dass sich in der Ölwanne 7 lediglich die schweren Anteile des Dieselkraftstoffes ansammeln. Über einen Entlüftungskanal 14 können die verdunsteten Dieselbestandteile zusammen mit in das Kurbelgehäuse 3 gelangten Abgasen abgeführt werden.
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Im Vergleich zu konventionellen Dieselkraftstoffen weist Biodiesel einen höheren Anteil an schweren Bestandteilen auf. Falls einem Dieselkraftstoff Bodiesel beigemischt wird, erhöht sich der Anteil an schweren Bestandteilen im Kraftstoff, die sich in dem in der Ölwanne 7 befindlichen Motoröl im Laufe der Zeit bis zu einem Ölwechsel ansammeln. Der Anteil an Biodiesel im Kraftstoff ist in der Regel nicht bekannt und variiert außerdem zwischen verschiedenen Anbietern von Dieselkraftstoff. Daher kann der Anteil an im Dieselkraftstoff enthaltenen schweren Bestandteilen von Tankfüllung zu Tankfüllung variieren. Ein erhöhter Anteil an schweren Bestandteilen kann zu einer Verkürzung des Ölwechselintervalls führen (oder ein verringerter Anteil an schweren Bestandteilen zu einer Verlängerung des Intervalls). Es ist daher vorteilhaft, den Anteil an schweren Bestandteilen in einem verdünnten Motoröl bzw. den Anteil an Biodiesel im Kraftstoff ermitteln zu können. An dieser Stelle setzt das erfindungsgemäße Verfahren an.
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Das Erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Anteils an schweren Bestandteilen in einem verdünnten Motoröl eines Dieselmotors verwendet ein Rechenmodell zu Ermitteln eines auf der Basis einer Sollzusammensetzung des Dieselkraftstoffes basierenden berechneten Ölvolumens. Die Sollzusammensetzung kann dabei insbesondere auch einen bestimmten Biodieselanteil enthalten. Außerdem wird auf der Basis des mit der Sensoranordnung 11 erfaßten Pegelstands 12a des Motoröls 12 in der Ölwanne 7 ein gemessenes Ölvolumens ermittelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Kalibrierung der Sensoranordnung dahingehend vorgenommen, dass einem gemessenen Ölstand ein Ölvolumen eindeutig zugeordnet werden kann. Die Zuordnung kann im Sensor beispielsweise tabellarisch hinterlegt sein.
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Das gemessene Ölvolumen wird dann mit dem berechneten Ölvolumen verglichen. Wenn das gemessene Ölvolumen das berechnete Ölvolumen übersteigt, kann aus der Differenz auf einen erhöhten Anteil an schweren Bestandteilen im Dieselkraftstoff geschlossen werden, und damit auch auf einen erhöhten Anteil an Biodiesel am Dieselkraftstoff. Wenn andererseits das gemessene Ölvolumen unter dem berechneten Ölvolumen liegt, kann aus der Differenz auf einen verminderten Anteil an schweren Bestandteilen im Dieselkraftstoff geschlossen werden, und damit auch auf einen verminderten Anteil an Biodiesel am Dieselkraftstoff. Mittels eines geeigneten Modells für den Ölverbrauch und den Eintrag an schweren Kraftstoffbestandteilen kann eine Quantifizierung des Anteils an schweren Bestandteilen im Dieselkraftstoff und damit auch des Biodieselanteils am Dieselkraftstoff erfolgen.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt ein Modell zur Anwendung, in dem ein berechnetes Ölvolumen zu einer Zeit t gemäß der Formel:
aus dem bekannten Ölvolumen V
oil(t = t
0) zu einem Anfangszeitpunkt t
0, der Eintragsrate ṁ
fuel_to_Oil an Dieselkraftstoff in das Motoröl, der Verdampfungsrate ṁ
evap_light der leichten Bestandteile des Dieselkraftstoffes und der Dichte ρ
oil des der gewählten Sollzusammensetzung entsprechenden Dieselkraftstoffes ermittelt wird. Sowohl die Eintragsrate als auch die Verdampfungsrate sind im Rahmen des im Ausführungsbeispiel verwendeten Modells zeitlich konstant, so dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem berechneten Ölvolumen und der Zeit ergibt. Optional kann in obiger Formel noch der Ölverbrauch
des Dieselmotors berücksichtigt werden.
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Das gemessene Ölvolumen ergibt sich aus dem ermittelten Ölstand und der bekannten Form der Ölwanne 7. Es kann gemäß der Formel Vsensor(t) = Voil(t = t0) + VLight_fuel + Vheavy_fuel (Formel 2) als Summe aus dem Ölvolumen Voil(t = t0) zum Anfangszeitpunkt t0, dem Volumen VLight_fuel der eingetragenen und noch nicht verdunsteten leichten Bestandteile des Dieselkraftstoffes sowie dem Volumen Vheavy_fuel der eingetragenen schweren Bestandteile des Dieselkraftstoffes dargestellt werden.
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Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, die ein Flußdiagramm des Verfahrens zeigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt bei einem stehenden Dieselmotor nach Verstreichen einer ausreichend langen Ruhezeit auszuführen, damit der Ölstand seinen vollen Stand erreicht.
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Im Schritt S1 wird das Verfahren gestartet und initialisiert. Anschließend werden parallel oder in einer beliebigen Reihenfolge die Verfahrenschritte S2.1 und S2.2 ausgeführt. In S2.1 wird das gemessene Ölvolumen V
sensor(t) mittels der Sensoranordnung
11 erfaßt, wobei bei geeigneter Kalibrierung. des Sensors aus dem erfaßten Ölstandes direkt auf das Ölvolumen geschlossen werden kann. In S2.2 wird das berechnete Ölvolumen V
model(t) nach dem oben beschriebenen Formel berechnet:
In Schritt S3 erfolgt dann ein Vergleich des berechneten Ölsvolumens mit dem gemessenen Ölvolumen. Dabei wird die Differenz zum aktuellen Zeitpunkt t
aus gemessenem Ölvolumen V
sensor(t) und berechnetem Ölvolumen V
model(t) gebildet.
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Anschließend wird die ermittelte Differenz Vdiff(t) in Schritt S4 ausgewertet. Wenn die Differenz positiv ist, also das gemessene Ölvolumen Vsensor(t) höher als das berechnete Ölvolumen Vmodel(t) ist, so bedeutet dies dass der Anteil an schweren Bestandteilen im Öl höher ist, als dies bei einem Dieselkraftstoff mit Sollzusammensetzung zu erwarten wäre. Wenn die Differenz andererseits negativ ist, also das gemessene Ölvolumen Vsensor(t) geringer als das berechnete Ölvolumen Vmodel(t) ist, so bedeutet dies dass der Anteil an schweren Bestandteilen im Öl geringer ist, als dies bei einem Dieselkraftstoff mit Sollzusammensetzung zu erwarten wäre. Aus der so ermittelten Zusammensetzung des Öls in der Ölwanne 7 läßt sich auf einen gegenüber der Sollzusammensetzung erhöhten bzw. reduzierten Biodieselanteil im bisher verwendeten Dieselkraftstoff schließen.
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Aus dem Betrag der Differenz Vdiff(t) kann zudem quantitativ auf den Anteil an schweren Dieselbestandteilen im Öl und damit quantitativ auf die Zusammensetzung des verwendeten Dieselkraftstoffes aus leichten Bestandteilen und schweren Bestandteilen geschlossen werden. Ausgehend von der ermittelten Zusammensetzung kann dann im optionalen Schritt S5 quantitativ auf die Abweichung des Anteils an Biodiesel im Dieselkraftstoff bezogen auf einen der Sollzusammensetzung entsprechenden Dieselkraftstoff geschlossen werden.
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Der ermittelte Biodieselanteil kann dann in einem weiteren optionalen Schritt an die Motorsteuerung übermittelt werden, wo es bspw. Berücksichtigung finden kann, um eine auf den Kraftstoff optimierte Motorsteuerung auszuführen und dadurch Kraftstoffersparnisse und/oder eine Schadstoff-Emissionsreduzierung zu erreichen.
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Der Schritt S7 schließt den erfindungsgemäßen Vorgang ab.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Rahmen eines elektronischen Einheit implementiert werden, in der das Verfahren fest einprogrammiert ist (ASIC, Application Specific Integrated Circuit), oder im Rahmen einer frei programmierbaren elektronischen Einheit (CPU, Central Processor Unit). Eine das erfindungsgemäße Verfahren implementierende Einheit 15 ist in 3 dargestellt. Sie ist zum Empfang des Pegelstands 12a des Motoröls 12 in der Ölwanne 7 mit der Sensoranordnung 11 verbunden. Außerdem enthält sie ein Modellmodul 16 in dem das berechnete Ölvolumen Vmodel(t) anhand eines Modells ermittelt wird, bspw. anhand des oben erläuterten Modells. Ein Differenzbildungsmodul 17 ist zum Empfang des berechnete Ölvolumens Vmodel(t) mit dem Modellmodul 16 verbunden. Darüber hinaus ist das Differenzbildungsmodul 17 auch zum Empfang des gemessenen Ölvolumens Vsensor(t) mit der Sensoranordnung 11 verbunden. Es ist dazu ausgebildet, die Differenz Vdiff(t) zwischen dem gemessenen Ölvolumen Vsensor(t) und dem berechneten Ölvolumen Vmodel(t) zu Bilden. Ein zum Empfang dieser Differenz mit dem Differenzbildungsmodul verbundenes Auswertemodul 18 ermittelt die Ölzusammensetzung des Motoröls. Optional kann, wie in 3 dargestellt, eine Kraftstoffanalysemodul 19 vorhanden sein, das zum Empfang der Ölzusammensetzung des Motoröls mit dem Auswertemodul 18 verbunden ist und aus der empfangenen Ölzusammensetzung den Anteil an Biodiesel am Dieselkraftstoff ermittelt. Der ermittelte Anteil kann dann an ein mit dem Kraftstoffanalysemodul 19 verbundenes Sendemodul 20 weitergegeben werden, welche den ermittelten Anteil an Biodiesel an die Motorsteuerung sendet. Die elektronische Einheit kann, wie mit Bezug auf 3 beschrieben, als selbständige Einheit eines Dieselmotors ausgebildet sein oder als Untereinheit einer Motorsteuerungsvorrichtung.
des Dieselmotors berücksichtigt werden.
