DE102010034133A1

DE102010034133A1 - Verfahren zum Detektieren eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffzuführungssystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010034133A1
Application number: DE102010034133A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schmerbeck; Dipl.-Ing. Klüting Christian; Dr. Jeschke Jens; Dipl.-Ing. Klingemann Timo
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: DE102010034133B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffzuführungssystem einer Brennkraftmaschine. Hierbei wird nach einem Druckstoß im Kraftstoffzuführungssystem von einer gedämpften Druckschwingung im Kraftstoffzuführungssystem eine Amplitude über die Zeit sowie eine Laufzeit des Druckstoßes über eine vorbestimmte Weglänge in dem Kraftstoffzuführungssystem bestimmt, wobei aus der Amplitude über die Zeit eine Dämpfung der gedämpften Druckschwingung und aus der Laufzeit eine Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die bestimmten Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit mit vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit von erwarteten Kraftstoffen verglichen werden und derjenige erwartete Kraftstoff als im Kraftstoffzuführungssystem der Brennkraftmaschine vorhandener Kraftstoff bestimmt wird, welcher die geringste Abweichung zwischen den bestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit und den für diesen erwarteten Kraftstoff vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kraftstoffes bzw. einer Kraftstoffqualität in einem Kraftstoffzuführungssystem einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Einsatz anderer flüssiger Kraftstoffe bzw. derer Gemische als der typischen Kraftstoffe, wie beispielsweise Diesel- und Ottokraftstoff-Mischungen, erfordert im entsprechenden Motor Regelstrategien zur Beherrschung und Optimierung der Verbrennung. Für die Anwendung der Regelstrategien ist die Erkennung des jeweils in dem Kraftstoffzuführungssystem vorhandenen Kraftstoffs bzw. des Kraftstoffgemisches notwendig.
Bei dem Betrieb einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffarten bzw. Kraftstoffsorten ist für die gleichzeitige Erfüllung der Ziele Komfort, Emissionen und Verbrauch eine Ermittlung der für die Verbrennung entscheidenden Kraftstoffkennwerte (z. B. Cetanzahl und Siedelage) des jeweils gerade in einem Kraftstoffzuführungssystem vorhandenen Kraftstoffes. notwendig. Dieser jeweils gerade in dem Kraftstoffzuführungssystem vorhandene Kraftstoff ist beispielsweise ein Reinkraftstoff, wie beispielsweise Diesel, Benzin, Naphtha, Kerosin, Alkohol, insbesondere Methanol oder Ethanol, GTL (gas to Liquid) oder BTL (biomass to liquid), HVO (hydriertes Pflanzenöl; Hydro treated Vegetable Oil), Butanol oder ein Gemisch aus mindestens zwei Reinkraftstoffen.
Aus der DE 10 2007 052 096 B4 ist ein Verfahren zur Erkennung einer Kraftstoffsorte, die über eine Einspritzanlage in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird, bekannt. Hierbei wird in einem Hochdruckbereich der Einspritzanlage ein Druck über die Zeit gemessen und in Phasen, während derer die Hochdruckpumpe keinen Kraftstoff fördert, die Bilanzgleichung des hydraulischen Systems über einen betrachteten Zeitraum integriert. Aus für jeden Kraftstoff 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. Dasjenige Paar von Kompressibilitätsmodul und Dichte, welches am besten die über den betrachteten Zeitbereich gemessene Druckdifferenz reproduziert, wird zur Erkennung des Kraftstoffs herangezogen. Mit anderen Worten wird innerhalb einer Förderpause einer Kraftstoffpumpe eine definierte Einspritzung mit einer aus einem Kennfeld bekannten Menge ausgelöst. Da nicht nachgefördert wird, bedingt die Kompressibilität des Kraftstoffes die Menge bei bekanntem Druck und bekannter Temperatur. Die unterschiedlichen Kompressibilitäten und Dichten der unterschiedlichen, zu erwartenden Kraftstoffe sind in Tabellen abgelegt. Dadurch kann mittels des bekannten Volumens des Hochdruckbereiches der Einspritzanlage auf den vorhandenen Kraftstoff geschlossen werden.
Aus der DE 10 2008 026 009 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Viskosität und Elastizität von viskoelastischen Medien mittels akustoelektrischen Resonatoren bekannt. Hierbei wird eine Funktion, welche die elektrische Admittanz des akustoelektrischen Resonators beschreibt optimiert, indem diese Funktion iterativ an einen gemessenen Admittanzverlauf des akustoelektrischen Resonators mit auf diesem aufgebrachtem Messmedium angepasst wird. Der angepassten Funktion kann dann die Viskosität und Elastizität des Messmediums als Parameter entnommen werden.
Aus der DE 10 2004 008 150 A1 ist eine On-Board-Messung von Kraftstoffeigenschaften zum Motormanagement bekannt. Hierbei wird mittels einer Heizung ein definiertes Volumen von Kraftstoff verdampft. Die Zeit und die Heizungsenergie, die hierfür nötig ist. wird gemessen und daraus ein Kraftstoffdestillations-Betriebsverhaltensindex (DI) bestimmt. Der DI-Wert ist ein Maß für die Kraftstoffflüchtigkeit wird dann dazu verwendet, den Betrieb des Motors zu steuern, um Schadstoffe zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.
Aus der DE 40 19 187 C2 ist es bekannt. eine Treibstoffzusammensetzung mittels eines kapazitiven, dielektrischen Sensors zu bestimmten, welcher die Dielektrizitätskonstante des Treibstoffs misst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich des Aufwandes zu vereinfachen und hinsichtlich der Genauigkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass nach einem Druckstoß, wie beispielsweise einem Förderhub der Kraftstoffpumpe, im Kraftstoffzuführungssystem von einer gedämpften Druckschwingung im Kraftstoffzuführungssystem eine Amplitude über die Zeit sowie eine Laufzeit des Druckstoßes über eine vorbestimmte Weglänge in dem Kraftstoffzuführungssystem bestimmt wird, wobei aus der Amplitude über die Zeit eine Dämpfung der gedämpften Druckschwingung und aus der Laufzeit eine Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die bestimmten Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit mit vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit von erwarteten Kraftstoffen verglichen werden und derjenige erwartete Kraftstoff als im Kraftstoffzuführungssystem der Brennkraftmaschine vorhandener Kraftstoff bestimmt wird, welcher die geringste Abweichung zwischen den bestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit und den für diesen erwarteten Kraftstoff vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit aufweist, wobei ggf. eine Abhängigkeit von Temperatur und Druck berücksichtigt wird.
Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise und mit in der Brennkraftmaschine bereits vorhandener Sensorik ein Kraftstoff bzw. eine Kraftstoffsorte, bzw. eine Kraftstoffart bzw. eine Kraftstoffzusammensetzung bzw. ein Gemisch aus verschiedenen Kraftstoffen. Kraftstoffarten oder Kraftstoffsorten anhand von physikalischen Eigenschaften bestimmt wird. Die Kraftstoffkennwerte werden anhand der physikalischen Eigenschaften Viskosität und Kompressibilität abgeleitet, wobei hierzu vorhandene, Kraftstoff führende Komponenten, wie beispielsweise Hochdruckleitung (Rail) und Drucksensor, genutzt werden.
Eine besonders einfache Detektion des Kraftstoffes erzielt man dadurch, dass der erwartete Kraftstoff mindestens einen Kraftstoff in Form eines einzigen Reinkraftstoffes, insbesondere Diesel, Benzin, Naphtha, Kerosin, Alkohol, insbesondere Methanol oder Ethanol, GTL (gas to Liquid) oder BTL (biomass to liquid), HVO oder Butanol, umfasst, wobei für jeden Reinkraftstoff jeweilige Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit, insbesondere in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, vorbestimmt sind.
Eine Detektion auch von Gemischen aus unterschiedlichen Kraftstoffsorten erzielt man dadurch. dass der erwartete Kraftstoff mindestens einen Kraftstoff in Form eines Gemisches aus mindestens zwei Reinkraftstoffen, insbesondere Diesel, Benzin, Naphtha, Kerosin, Alkohol. insbesondere Methanol oder Ethanol, GTL (gas to Liquid) oder BTL (biomass to liquid), HVO oder Butanol, umfasst, wobei für jedes Gemisch aus mindestens zwei Reinkraftstoffen Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit, insbesondere in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, vorbestimmt sind.
Eine besonders einfache und kostengünstig umsetzbare Vorbestimmung der Dämpfung und Schallgeschwindigkeit für Gemische erzielt man dadurch, dass die Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit für das Gemisch aus vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit der im Gemisch vorhandenen Reinkraftstoffe ermittelt, insbesondere mittels linearer Interpolation berechnet werden.
Eine entsprechende Anpassung der Verbrennungsparameter an den detektierten Kraftstoff erzielt man dadurch, dass für den bestimmten, vorhandenen Kraftstoff mindestens ein verbrennungsrelevanter Parameter, insbesondere eine Cetanzahl und/oder eine Siedetemperatur, aus einer vorbestimmten Liste von mindestens einem verbrennungsrelevanten Parameter für diesen erwarteten Kraftstoff entnommen wird.
Eine besonders schnelle und mit vorhandenen Sensoren realisierbare Bestimmung der zeitabhängigen Amplitude der gedämpften Schwingung erzielt man dadurch, dass als Parameter für die Zeit ein Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verwendet wird. Anschließend wird der Kurbelwinkel in eine Zeit umgerechnet, da die Schwingungen eine Funktion der Zeit und nicht des Kurbelwinkels sind.
Eine besonders einfache Bestimmung der Dämpfung erzielt man dadurch, dass zum Bestimmen der Dämpfung der gedämpften Druckschwingung eine Amplitudendifferenz von maximaler oder minimaler Schwingungsamplitude von mindestens zwei verschiedenen, insbesondere aufeinander folgenden, Schwingungsperioden oder eine Amplitudendifferenz von maximaler und minimaler Schwingungsamplitude innerhalb einer Schwingungsperiode oder eine Amplitudendifferenz von einer maximalen oder minimalen Schwingungsamplitude einer ersten Schwingungsperiode und einer minimalen oder maximalen Schwingungsamplitude einer nachfolgenden zweiten Schwingungsperiode bestimmt wird und als Dämpfungsmaß ein logarithmisches Dekrement aus der Amplitudendifferenz berechnet wird.
Eine besonders hoch auflösende Bestimmung der Dämpfung erzielt man dadurch, dass zum Bestimmen der Dämpfung der gedämpften Druckschwingung ein Amplitudenverhältnis von maximaler oder minimaler Schwingungsamplitude von zwei aufeinander folgenden Schwingungsperioden oder ein Amplitudenverhältnis von maximaler und minimaler Schwingungsamplitude innerhalb einer Schwingungsperiode oder ein Amplitudenverhältnis von maximaler oder minimaler Schwingungsamplitude in einer ersten Schwingungsperiode und einer minimalen oder maximalen Schwingungsamplitude einer nachfolgenden zweiten Schwingungsperiode bestimmt wird.
Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Dämpfung erzielt man dadurch, dass für eine gedämpfte Druckschwingung mehrere Amplitudenverhältnisse bestimmt werden und aus diesen ein Mittelwert berechnet wird.
Eine besonders einfache Ausführung des Verfahrens ohne zusätzliche Druckerzeugungsmittel erzielt man dadurch, dass der Druckstoß durch eine Kraftstoffförderpumpe oder ein Schließen einer Düsennadel in einem Kraftstoffeinspritzventil des Kraftstoffzuführungssystems erzeugt wird. Es können sowohl Über- als auch Unterdruckwellen als Anregende ausgewertet werden.
Eine bessere Kontrolle der Randbedingungen mit weiter verbesserter Genauigkeit der Bestimmung von Dämpfung bzw. Schallgeschwindigkeit erzielt man dadurch, dass der Druckstoß von einem zusätzlich in der Kraftstoffzuführungsanlage angeordneten Druckgeber, insbesondere einem Piezoaktor, erzeugt wird.
Eine weiter differenzierte Detektion von unterschiedlichen Kraftstoffen oder Kraftstoffgemischen erzielt man dadurch, dass zusätzlich ein Druck und/oder eine Temperatur des Kraftstoffes in dem Kraftstoffzuführungssystem bestimmt wird, wobei die vorbestimmten Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit von den erwarteten Kraftstoffen in Abhängigkeit von dem Wert für Druck und Temperatur gewählt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine graphische Darstellung eines Amplitudenverlaufes über einen Kurbelwinkel für eine gedämpfte Druckschwingung in einem Kraftstoff in einem Kraftstoffzuführungssystem einer Brennkraftmaschine,
2 eine graphische Darstellung eines Amplitudenverlaufes von einem Sender der Druckschwingung zu einem Empfänger der Druckschwingung zur Laufzeitmessung und Bestimmung der Schallgeschwindigkeit,
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung von einem Druckgeber und einem Drucksensor in einer Hockdruckleitung (common rail) des Kraftstoffzuführungssystems der Brennkraftmaschine für eine Laufzeitmessung.
4 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffzuführungssystems der Brennkraftmaschine mit einem Drucksensor in einer Hockdruckleitung (common rail) und
5 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffzuführungssystems der Brennkraftmaschine mit einem Drucksensor in einer Zuführungsleitung von einer Hockdruckleitung (common rail) zu einem Injektor.
In 1 ist auf einer horizontalen Achse 10 ein Kurbelwinkel [°KW] und auf einer vertikalen Achse 12 eine Amplitude eines Druckes [bar] in einer Hochdruckleitung (common rail) eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine aufgetragen. Ein erster Graph 14 veranschaulicht beispielhaft einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgenommenen Amplitudenverlauf des Druckes 12 über den Kurbelwinkel 10 einer gedämpften Druckschwingung in der Hochdruckleitung (common rail) des Kraftstoffzuführungssystems der Brennkraftmaschine. Mit 16 ist eine Amplitudendifferenz zwischen zwei Maximalamplituden innerhalb von zwei aufeinander folgenden Schwingungsperioden der gedämpften Druckschwingung und mit 18 ist eine Dauer einer Schwingungsperiode der gedämpften Druckschwingung bezeichnet. Mit jeder aufeinander folgenden Schwingungsperiode nimmt die Amplitude bzw. Schwingungsamplitude aufgrund der Dämpfung ab. Die Dauer einer Schwingungsperiode 18 entspricht der Frequenz der Schwingung und ist konstant. Die erste Anregungs-Schwingungsperiode 20 entspricht der Anregung der Druckschwingung, weist eine wesentlich höhere Amplitude als die gedämpft abklingende Druckschwingung auf und ist noch nicht Teil der gedämpften Druckschwingung. Diese beginnt erst mit der ersten Schwingungsperiode nach der Anregungs-Schwingungsperiode 20.
In 2 ist auf einer horizontalen Achse 22 die Zeit t und auf einer vertikalen Achse 24 eine Amplitude der Druckschwingung y(t) aufgetragen. Eine Druckamplitude 26 breitet sich von einem Sender 28 zu einem Empfänger 30 über eine bekannte Weglänge während einer mittels Messung bestimmbaren Zeit aus. 3 veranschaulicht schematisch, wie sich diese Druckamplitude 26 in der Hochdruckleitung (common rail) 32 von dem Sender 28 zum Empfänger 30 bewegt. Mittels Bestimmung der Zeit wird die Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff in der Hochdruckleitung 32 bestimmt, so dass ein erster, den Kraftstoff in der Hochdruckleitung 32 charakterisierender Parameter bestimmt ist.
Ein weiterer, den Kraftstoff in der Hochdruckleitung 32 charakterisierender Parameter ist die Dämpfung der Druckschwingung in der Hochdruckleitung 32, die sich aus dem Abklingen der in 1 dargestellten gedämpften Druckschwingung ergibt. Dies wird erfindungsgemäß zusätzlich zur Schallgeschwindigkeit in dem Kraftstoff in der Hochdruckleitung 32 bestimmt. Die beiden Werte der Schallgeschwindigkeit und der Dämpfung werden mit Werten für diese Parameter für verschiedenen Kraftstoffe in einer Datenbank verglichen. Derjenige Kraftstoff in der Datenbank, dessen Werte für Schallgeschwindigkeit und Dämpfung den gemessenen bzw. bestimmten Werten am nächsten kommen, wird als in der Hochdruckleitung 32 momentan vorhandener Kraftstoff identifiziert und die Parameter der Brennkraftmaschine für die Verbrennung. wie beispielsweise Einspritzzeitpunkt, Raildruck, Voreinspritzmenge etc. werden entsprechend eingestellt, so dass mit dem identifizierten Kraftstoff eine optimale Verbrennung erzielt wird. Der Ausdruck ”optimale Verbrennung” bezeichnet hierbei eine Verbrennung, bei der mindestens ein vorbestimmter Parameter optimiert wird, wie beispielsweise ein Wirkungsgrad, eine Leistungsabgabe und/oder eine Schadstoffabgabe der Brennkraftmaschine.
Der Druckstoß, der zu der gedämpften Druckschwingung in der Hochdruckleitung 32 führt, muss nicht notwendigerweise von einem separaten Sender 28 erzeugt werden. Zur Aufnahme des Amplitudenverlaufes gemäß 1 können auch Druckstöße verwendet werden, die eine Kraftstoffpumpe beim Fördern von Kraftstoff unter hohem Druck in die Hochdruckleitung 32 oder die ein Kraftstoffeinspritzventil oder Injektor am zeitlichen Ende einer Kraftstoffeinspritzung beim Schließen eines Nadelventils erzeugt.
Der Kraftstoff kann hierbei ein Reinkraftstoff, d. h. nur eine Kraftstoffsorte bzw. Kraftstoffart enthaltend, sein, oder ein Gemisch aus mindestens zwei, drei oder mehr Reinkraftstoffen sein. Reinkraftstoffe sind beispielsweise Diesel, Methanol oder Benzin.
4 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Empfängers 30 an dem Hochdruckspeicher 32 mit einer Kraftstoffpumpe 34, die Kraftstoff unter hohem Druck in den Hochdruckspeicher 32 fördert, und einem Injektor 36, welcher Kraftstoff unter hohem Druck aus dem Hochdruckspeicher 32 über eine Zuleitung 38 erhält und in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) unter hohem Druck einspritzt. Der Hochdruckspeicher 32 weist eine Gesamtlänge L 40 auf und der Empfänger 30 ist von einem Ende des Hochdruckspeichers 32 um die Länge y 42 und von dem gegenüberliegenden anderen Ende des Hochdruckspeichers 32 um die Länge x 44 entfernt. Falls x < y ist es für eine korrekte Messung vorteilhaft, dass gilt x < 1/3·L. Falls x > y ist es für eine korrekte Messung vorteilhaft, dass gilt y < 1/3·L.
5 veranschaulicht eine alternative Anordnung des Empfängers in der Zuleitung 38 von dem Hochdruckspeicher 32 zum Injektor 36. Die Zuleitung 38 weist eine Gesamtlänge L_Z 46 auf und der Empfängers 30 ist von einem Ende der Zuleitung 38 um die Länge y_Z 48 und von dem gegenüberliegenden anderen Ende der Zuleitung 38 um die Länge x_Z 50 entfernt. Falls x_Z < y_Z ist es für eine korrekte Messung erforderlich, dass gilt x_Z < 1/3·L_Z. Falls x_Z > y_Z ist es für eine korrekte Messung erforderlich, dass gilt y_Z < 1/3·L_Z. Weiterhin ist ein Zusatzsensor 52 am stromabseitigen Ende des Hochdruckspeichers 32 vorgesehen.
Die unterschiedlichen Viskositäten und Kompressibilitäten des Kraftstoffes in dem Hockdruckspeicher 32 (Flüssigkeit) lassen sich direkt in dem Hockdruckspeicher 32 (Kraftstoffrail) mit einem Serien-Kraftstoffdrucksensor 30 (”Raildrucksensor”) oder einen piezoelektrischen Sensor über die Amplitude und/oder Frequenz der Druckwellenausbreitung nach Einspritzbeginn und/oder Einspritzende ermitteln. Eine Temperaturkompensation erfolgt über einen serienmäßig vorhandenen Kraftstofftemperaturgeber, der idealerweise in der Hockdruckleitung 32 (Rail) positioniert ist. Die Frequenz der Druckwellen ist abhängig vom verwendeten Kraftstoff. Hierbei gilt, dass die Frequenz mit steigender C-Zahl (Kohlenstoffatomanzahl im Molekül) des Kraftstoffs zunimmt. Die Schallgeschwindigkeit verhält sich analog.
Der Seriensensor 30 liefert zwei erforderliche Kenngrößen, nämlich Druck und Temperatur. Die Messung des Druckverlaufs erfolgt in der Hochdruckleitung (Rail) 32 in einem Abstand kleiner als ein Drittel der Länge L 40 der Hochdruckleitung 32 von einem der Enden der Hochdruckleitung 32 aus gesehen. Besonders geeignete Stellen sind die Stirnseiten. Gleiches gilt bei der Sensorpositionierung innerhalb der Einspritzleitung 38, wie in 5 dargestellt, wobei hier der zusätzliche Drucksensor 52 notwendig ist. Es ist jedoch möglich, den Serien-Raildrucksensor 30 an der definierten Stelle (5) in der Einspritzleitung 38 zu verbauen. Hierbei entfällt der Zusatzsensor 52. Bevorzugt ausgewertet werden Einspritzereignisse des Injektors 36, in dessen Zuleitung 38 der Sensor 30 verbaut ist. Die zur Detektion erforderliche Schwingung wird bei jedem Einspritzereignis ausgelöst, beispielsweise durch Öffnen und Schließen einer Düsennadel im Injektor 36. Die Dauer der Druckstörung bzw. der Anregung muss grundsätzlich kleiner sein, als die Laufzeit der Welle im System. Bevorzugt wird daher beispielsweise eine Voreinspritzung genutzt, um diese Bedingung zu erfüllen. In besonders bevorzugter Weise wird das Schließen der Düsennadel für die Bestimmung der kraftstoffabhängigen Dämpfung verwendet. Alternativ werden die Förderstöße der Förderpumpe 34 (Hochdruck-Common-Rail-Pumpe) zur Auswertung herangezogen.
Zur Auswertung des Amplitudenverlaufs gemäß 1 wird beispielsweise die Amplitudendifferenz 16 ermittelt. Daraus wird weiter als Dämpfungsmaß das logarithmische Dekrement ermittelt bzw. berechnet. Das Dämpfungsmaß ist hauptsächlich von der Viskosität und auch von der Dichte des Kraftstoffs abhängig und wird erfindungsgemäß zusammen mit der Schallgeschwindigkeit eindeutig zur Kraftstoffbestimmung genutzt. Sowohl das Dämpfungsmaß, als auch die Schallgeschwindigkeit hängen in eindeutiger Weise von Druck und Temperatur des Kraftstoffs ab. Im Gegensatz zur Schallgeschwindigkeit hängt das Dämpfungsmaß zusätzlich von der Geometrie des Einspritzsystems ab. Daher müssen die Werte für das jeweilige System bekannt sein, so dass eine Messung und entsprechende Umrechung möglich ist. Diese Werte werden als Kennfeld oder als Gleichung aufbereitet und zur Auswertung hinterlegt.
Zur Bestimmung des Dämpfungsmaßes bzw. der Dämpfung wird ein hochaufgelöstes Signal des Serien-Rail-Drucksensors 30 nach Auslösung einer Einspritzung verwendet und der Amplitudendruckverlauf gemäß 1 aufgenommen. Nicht zur Auswertung genutzt werden kann die erste Schwingung 20, also die Anregung. Mindestens zwei der nachfolgenden abklingenden Schwingungen bzw. Schwingungsperioden werden zur Bestimmung des Dämpfungsmaßes herangezogen. Die Bestimmung erfolgt beispielsweise nach Hering, Martin, Stohrer, "Physik für Ingenieure", dritte Auflage, VDI Verlag, S. 360f. Dazu wird das Verhältnis der Amplituden der Schwingungen n + 2 zu n + 1 bestimmt. Bei mehr als zwei auswertbaren Amplituden wird ein Mittelwert von zwei oder mehr aufeinander folgenden Verhältnissen genutzt, um eine stabilere Auswertung zu erlangen. Die Amplitudendifferenzauswertung kann alternativ auch so erfolgen, dass die Differenz zwischen einer positiven und negativen Halbwelle genutzt wird. Dies erzielte eine Verdopplung der auswertbaren Ereignisse, aber es ist zu berücksichtigen, dass nur die halbe Zeit zum Abklingen zur Verfügung steht und somit korrigiert werden muss.
Zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit werden Flanken, Nulldurchgänge und/oder der Punkt der halben maximalen Amplitude und/oder Wendestellen und Maxima oder Minima des Amplitudenverlaufs gemäß 1 ausgewertet. Eine Bestimmungsgleichung der Schallgeschwindigkeit lautet a = Weg/Zeit. Systembedingt wird der Weg über eine Reflexion ermittelt, so dass der in dieser Gleichung einzusetzende Weg das Doppelte des Abstands bis zur Reflexionsstelle darstellt. Bei Auswertung der ersten Flanke spielt der Betrag keine Rolle.
Zur Auswertung stehen zwei nicht vollkommen korrelierte Größen zur Verfügung, nämlich die Schallgeschwindigkeit und das Dämpfungsverhalten. Bei bekannter Temperatur und bekanntem Druck ist für jedes in der Datenbank hinterlegte Fluid bzw. für jeden in der Datenbank hinterlegten Kraftstoff, insbesondere Reinkraftstoff oder Gemisch aus mindestens zwei Reinkraftstoffen, ein Wert ermittelt bzw. interpoliert bzw. extrapoliert.
Erfindungsgemäß werden die Messwerte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit mit den Werten aus der Datenbank verglichen. Für den Fall der Unterscheidung mehrerer bekannter Reinkraftstoffe wird beispielsweise das Verfahren der minimalen quadratischen Abweichung (ggf. prozentuale Abweichungen) verwendet und somit das Fluid bzw. der in der Hockdruckleitung 32 vorhandene Kraftstoff bestimmt. Das Fluid bzw. der Kraftstoff mit der geringsten Abweichung wird als das bzw. der im System bzw. in dem Kraftstoffzuführungssystem bzw. in der Hockdruckleitung 32 vorhandene erkannt. Bei Mischungen bzw. Gemischen von zwei oder mehr Reinkraftstoffen werden für unterschiedliche Mischungsverhältnisse in Abhängigkeit von diesem die Werte für Schallgeschwindigkeit und Dämpfungsverhalten beispielsweise mittels linearer Interpolation bestimmt. Diese Werte (Kennlinie bzw. Kennfeld) werden bevorzugt analog zum Fall der Reinkraftstoffe ausgewertet. Für Drei- und Mehrstoffsysteme ist das Verfahren auf die entsprechende Werteschar anzupassen.
Als Alternative zum oben aufgeführten Verfahren wird über die Ansteuerung eines Piezoquarzes eine Druckwelle erzeugt und die Laufzeit und damit die Schallgeschwindigkeit mithilfe eines weiteren oder desselben Piezoquarzes ermittelt. Von weniger Randbedingungen abhängig ist die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit, wenn ein bestimmter Sender eingesetzt wird. Als Sender eignet sich beispielsweise ein mit der Flüssigkeit in Kontakt stehender Piezoaktor oder eine Kombination aus Spule und Anker. Gemessen wird für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit die Laufzeit einer ausgelösten Druckwelle vom Sender 28 zum Empfänger 30: a = Weg/Zeit, wobei der Weg bekannt ist.
Besonders geeignet sind Phasen, in denen das Railsystem bzw. das Kraftstoffzuführungssystem in Ruhe ist, d. h. es findet keine Einspritzung statt. Analog zur Nutzung der Einspritzung als Sender bzw. Anregung, wie zuvor beschrieben, wird mit Hilfe des Sensors 30 das Dämpfungsmaß bestimmt. Beim Sensor 30 kann es sich um den bereits vorhandenen Raildrucksensor handeln. Sender 28 und Sensor 30 sind in einem leitungsartigen Gebilde (Rail 32 oder Einspritzleitung 38) derart angeordnet, dass sie jeweils im gegenüberliegenden, vom jeweiligen Ende gemessenen Drittel, des Gebildes 32, 38 angeordnet sind.
Im Unterschied zu bekannten Kraftstoffsensoren zeichnet sich die hier beschriebene Kraftstoffdetektierung durch ihre geringe Komplexität aus. Die Detektierung des jeweiligen Kraftstoffes bzw. des Kraftstoffgemisches erfolgt mit in der Serie verfügbaren Sensoren. Alternativ erfolgt der Einsatz eines kostengünstigen Zusatzsensors.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Kenntnis der Einspritzmenge nicht notwendig. Für die Detektion des Kraftstoffs ist eine Auslösung einer Einspritzung nicht zwingend erforderlich. Statt dessen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kraftstoff „online” im Motorbetrieb erkannt. Dies reduziert die Komplexität der Kraftstoffdetektion bzw. der Detektion der für die Verbrennung charakteristischen Parameter erheblich und erlaubt eine Messung vor allem mit Zusatzsensor bereits in der Motorstartphase vor der ersten Einspritzung. Dadurch steht die Information bereits zum Beginn des Betriebs der Brennkraftmaschine zur Verfügung und kann ab dem Start des Betriebs der Brennkraftmaschine für eine Grenzwerteinhaltung zur (Abgas-)Emissionsoptimierung genutzt werden.
Bezugszeichenliste

10: horizontale Achse: Kurbelwinkel [°KW]
12: vertikale Achse: Amplitude eines Druckes [bar] in einer Hochdruckleitung (common rail) eines Kraftstoffzuführungssystems einer Brennkraftmaschine
14: erster Graph: Amplitudenverlauf des Druckes 12 über den Kurbelwinkel 10 einer gedämpften Druckschwingung in der Hochdruckleitung (common rail)
16: Amplitudendifferenz
18: Schwingungsperiode
20: Anregungs-Schwingungsperiode
22: horizontale Achse: Zeit t
24: vertikale Achse: Amplitude der Druckschwingung y(t)
26: Druckamplitude
28: Sender
30: Empfänger
32: Hochdruckspeicher
34: Kraftstoffpumpe
36: Injektor
38: Zuleitung
40: Gesamtlänge L der Hochdruckleitung 32
42: Länge y der Hochdruckleitung 32
44: Länge x der Hochdruckleitung 32
46: Gesamtlänge L_Z der Zuleitung 38
48: Länge y_Z der Zuleitung 38
50: Länge x_Z der Zuleitung 38
52: Zusatzsensor

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 102007052096 B4 [0004]
DE 102008026009 A1 [0005]
DE 102004008150 A1 [0006]
DE 4019187 C2 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hering, Martin, Stohrer, ”Physik für Ingenieure”, dritte Auflage, VDI Verlag, S. 360f [0039]

Claims

Verfahren zum Detektieren eines Kraftstoffes in einem Kraftstoffzuführungssystem einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Druckstoß im Kraftstoffzuführungssystem von einer gedämpften Druckschwingung im Kraftstoffzuführungssystem eine Amplitude über die Zeit sowie eine Laufzeit des Druckstoßes über eine vorbestimmte Weglänge in dem Kraftstoffzuführungssystem bestimmt wird, wobei aus der Amplitude über die Zeit eine Dämpfung der gedämpften Druckschwingung und aus der Laufzeit eine Schallgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die bestimmten Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit mit vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit von erwarteten Kraftstoffen verglichen werden und derjenige erwartete Kraftstoff als im Kraftstoffzuführungssystem der Brennkraftmaschine vorhandener Kraftstoff bestimmt wird, welcher die geringste Abweichung zwischen den bestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit und den für diesen erwarteten Kraftstoff vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Kraftstoff mindestens einen Kraftstoff in Form eines einzigen Reinkraftstoffes, insbesondere Diesel, Benzin, Naphtha, Kerosin, Alkohol, insbesondere Methanol oder Ethanol, GTL (gas to Liquid) oder BTL (biomass to liquid), HVO (hydriertes Pflanzenöl; Hydro treated Vegetable Oil) oder Butanol, umfasst, wobei für jeden Reinkraftstoff jeweilige Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit, insbesondere in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, vorbestimmt sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erwartete Kraftstoff mindestens einen Kraftstoff in Form eines Gemisches aus mindestens zwei Reinkraftstoffen, insbesondere Diesel, Benzin, Naphtha, Kerosin, Alkohol. insbesondere Methanol oder Ethanol, GTL (gas to Liquid) oder BTL (biomass to liquid), HVO (hydriertes Pflanzenöl) oder Butanol, umfasst, wobei für jedes Gemisch aus mindestens zwei Reinkraftstoffen Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit, insbesondere in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, vorbestimmt sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit für das Gemisch aus vorbestimmten Werten für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit der im Gemisch vorhandenen Reinkraftstoffe ermittelt, insbesondere mittels linearer Interpolation berechnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den bestimmten, vorhandenen Kraftstoff mindestens ein verbrennungsrelevanter Parameter aus einer vorbestimmten Liste von mindestens einem verbrennungsrelevanten Parameter für diesen erwarteten Kraftstoff entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine verbrennungsrelevante Parameter eine Cetanzahl und oder eine Siedetemperatur umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter für die Zeit ein Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Dämpfung der gedämpften Druckschwingung eine Amplitudendifferenz von maximaler oder minimaler Schwingungsamplitude von mindestens zwei verschiedenen, insbesondere aufeinander folgenden, Schwingungsperioden oder eine Amplitudendifferenz von maximaler und minimaler Schwingungsamplitude innerhalb einer Schwingungsperiode oder eine Amplitudendifferenz von einer maximalen oder minimalen Schwingungsamplitude einer ersten Schwingungsperiode und einer minimalen oder maximalen Schwingungsamplitude einer nachfolgenden zweiten Schwingungsperiode bestimmt wird und als Dämpfungsmaß ein logarithmisches Dekrement aus der Amplitudendifferenz berechnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Dämpfung der gedämpften Druckschwingung ein Amplitudenverhältnis von maximaler oder minimaler Schwingungsamplitude von zwei aufeinander folgenden Schwingungsperioden oder ein Amplitudenverhältnis von maximaler und minimaler Schwingungsamplitude innerhalb einer Schwingungsperiode oder ein Amplitudenverhältnis von maximaler oder minimaler Schwingungsamplitude in einer ersten Schwingungsperiode und einer minimalen oder maximalen Schwingungsamplitude einer nachfolgenden zweiten Schwingungsperiode bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gedämpfte Druckschwingung mehrere Amplitudenverhältnisse bestimmt werden und aus diesen ein Mittelwert berechnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstoß durch eine Kraftstoffförderpumpe oder ein Schließen einer Düsennadel in einem Kraftstoffeinspritzventil des Kraftstoffzuführungssystems erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstoß von einem zusätzlich in der Kraftstoffzuführungsanlage angeordneten Druckgeber, insbesondere einem Piezoaktor, erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Druck und/oder eine Temperatur des Kraftstoffes in dem Kraftstoffzuführungssystem bestimmt wird, wobei die vorbestimmten Werte für Dämpfung und Schallgeschwindigkeit von den erwarteten Kraftstoffen in Abhängigkeit von den bestimmten Werten für Druck und Temperatur gewählt werden.