DE102015014076A1

DE102015014076A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102015014076A1
Application number: DE102015014076.0A
Authority: DE
Inventors: Torsten EGGERS; Thomas Niemann
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei dem die Temperatur des Kraftstoffs gemessen wird, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass eine kapazitive Füllstandsmessung durchgeführt wird, dass die kapazitive Füllstandsmessung auf das Rauschen der Messsignale untersucht wird, dass das Rauschen der Messsignale als Maß für die Rate der Blasenbildung verwendet wird, und dass anhand der Rate der Blasenbildung die Verdampfungstemperatur der Kraftstoff-Flüssigkeit bestimmt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen mit einer Temperaturmesseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei dem die Temperatur des Kraftstoffs gemessen wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen mit einer Temperaturmesseinrichtung.
Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung sind aus der EP1610125B1 bekannt. Dort wird mit einem Heizelement die Flüssigkeit erhitzt und die Temperatur gemessen. Weiterhin werden Dampfblasen zur Bestimmung der Siedetemperatur detektiert. Zur Detektion der Dampfblasen wird der Einfluss des dampfblaseninduzierten konvektiven Wärmetransports zwischen Heizelement und Kraftstoff auf den Temperaturverlauf ermittelt.
In anderen Ansätzen werden die Stoffzusammensetzungen von Kraftstoffen über spektroskopische Verfahren analysiert. Ein Beispiel eines solchen Ansatzes ist in der DE 199 55 796 A1 beschrieben.
In heutigen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren werden Kraftstoffpumpen verwendet, die bedarfsgerecht betrieben werden. D. h. die Förderrate wird an den tatsächlichen Bedarf des Motors dynamisch angepasst. Dies gilt insbesondere für mit Benzin angetriebene direkteinspritzende Motoren. Wenn der Kraftstoff über die Kraftstoffleitung in Richtung der Kraftstoffpumpe, insbesondere einer Common Rail Hochdruckpumpe, gepumpt wird, muss dabei ein ausreichend hoher Vordruck sichergestellt sein, um eine Blasenbildung des Kraftstoffs zu verhindern. Wenn es aufgrund höherer Motortemperaturen oder niedrigerer Drücke zur einer Dampfblasenbildung in der Kraftstoffleitung kommt, so ist ein sicherer Start nicht mehr möglich. Dies ist gerade in Verbindung mit modernen Start-Stopp-Systemen problematisch. Der Kraftstoffdruck darf daher den temperaturabhängigen Dampfdruck nicht unterschreiten. Wenn der Motor heißgefahren ist, kann es dabei zu Startproblemen des Motors, z. B. in einer Stopp-Start-Situation kommen, da der notwendige Vordruck maßgeblich vom Verdampfungsdruck des Kraftstoffs abhängt. Dieser ist wiederum maßgeblich von dem Anteil niedrigsiedender Kraftstoffanteile abhängig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders einfach durchführbar und realisierbar sind.
Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei dem die Temperatur des Kraftstoffs gemessen wird, wird erfindungswesentlich eine kapazitive Füllstandsmessung durchgeführt, die kapazitive Füllstandsmessung auf das Rauschen der Messsignale untersucht, das Rauschen der Messsignal als Maß für die Rate der Blasenbildung verwendet und anhand der Rate der Blasenbildung die Verdampfungstemperatur der Kraftstoff-Flüssigkeit bestimmt. Bei einem solchen Verfahren wird kein separater Sensor mehr in der Kraftstoffleitung benötigt. Es wird eine kapazitive Füllstandsmesseinrichtung verwendet. Mit dieser wird sonst typischerweise der Füllstand gemessen. Bei der Erfindung kann diese kapazitive Füllstandsmesseinrichtung eine weitere Funktion übernehmen und die Verwendung eines zusätzlichen Sensors zur Bestimmung des Verdampfungsdrucks oder der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten entfällt. Die Messung erfolgt daher bevorzugt im Tank des Kraftfahrzeugs.
Bevorzugt wird die kapazitive Füllstandsmessung an einer Mehrzahl einzelner Messflächen durchgeführt. Dabei bildet sich zwischen zwei Elektroden ein elektrisches Feld aus, dessen Stärke auch davon abhängt, ob zwischen den Elektroden Luft oder Kraftstoff vorhanden ist. Auf diese Weise kann eine Füllstandsmessung durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird die kapazitive Füllstandsmessung mit einem schnellen und einem langsamen Erfassungsmodus durchgeführt. Dabei dient der langsame Erfassungsmodus insbesondere der Messung des Füllstands und der schnelle Erfassungsmodus der Untersuchung des Rauschens der Messsignale. Zwischen diesen beiden Erfassungsmodi kann umgeschaltet werden. Besonders bevorzugt wird ab einer vorbestimmten Temperatur in den schnellen Erfassungsmodus umgeschaltet. Diese vorbestimmte Temperatur liegt bevorzugt etwa 5°K unterhalb einer Temperatur, bei der eine Blasenbildung vermutet werden kann. Typischerweise kann dies eine Temperatur im Bereich von etwa 50°C sein.
In dem langsamen Erfassungsmodus wird bevorzugt mit einer Abfragerate von 30 bis 100 Abfragen pro Sekunde, bevorzugt mit 40 bis 60 Abfragen pro Sekunde, gemessen. Demgegenüber wird in dem schnellen Erfassungsmodus bevorzugt mit einer Abfragerate von 200 bis 600 Abfragen pro Sekunde, insbesondere 300 bis 500 Abfragen pro Sekunde, gemessen.
Bei Vorrichtungen zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, mit einer Temperaturmesseinrichtung, die insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens verwendet wird, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass diese eine kapazitive Füllstandsmesseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung zur Untersuchung des Rauschens der Messsignale der Füllstandsmesseinrichtung aufweist. Die Auswerteeinrichtung kann auch räumlich getrennt mit Datenverbindung zu der Vorrichtung positioniert sein. Mit den so gewonnenen Daten wird die Verdampfungstemperatur der Kraftstoff-Flüssigkeit bestimmt. Mit einer solchen Vorrichtung kann besonders einfach und günstig der Verdampfungsdruck bestimmt werden, da die Vorrichtung in die kapazitive Füllstandsmesseinrichtung integriert werden kann. Die Vorrichtung ist bevorzugt in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Erfindung betrifft also auch einen Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges in dem die beschriebene Vorrichtung angeordnet ist.
Die Temperaturmessung kann über ein Thermoelement oder durch optische Temperaturmessverfahren oder auf andere Weise durchgeführt werden. Die entsprechende Temperaturmesseinrichtung kann in die Füllstandsmesseinrichtung integriert sein oder als Wert aus einer anderen, schon an anderer Stelle für andere Zwecke verbauten Temperaturmesseinrichtung gewonnen werden. In diesem Fall muss natürlich eine entsprechende Datenverbindung bestehen. Die kapazitive Füllstandsmesseinrichtung weist bevorzugt eine vertikal ausgerichtete Leiterplatte auf, auf der zwei Elektroden aufgebracht sind, wobei die Elektroden durch eine Passivierungsschicht voneinander getrennt sind und von dieser abgedeckt sind. In einer derartigen Füllstandsmesseinrichtung kann besonders gut der Füllstand gemessen werden und ein Wert für den Dampfdruck der Kraftstoff-Flüssigkeit und der Verdampfungseigenschaften gewonnen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden als parallel zueinander verlaufende flächige Streifen ausgebildet, die die Vertikale unter einem Winkel zwischen 10° und 70°, insbesondere zwischen 20° und 40° schneiden. Insbesondere sind die Breite der Streifen und die Winkel der Streifen so zueinander ausgebildet und ausgelegt, dass jede gedachte Horizontale über die Füllstandsmesseinrichtung mindestens zwei Elektroden schneidet. Auf diese Weise kann bei jedem Füllstand ein Feldlinienverlauf zwischen zwei Elektroden erzeugt werden. Die beiden Elektroden sind dabei bevorzugt durch die Passivierungsschicht voneinander getrennt.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind die Elektroden als zwei parallele, vertikal ausgerichtete Streifen ausgebildet, wobei mindestens einer der Streifen in seiner vertikalen Erstreckung mehrfach unterbrochen ist. Dort sind also mehrere Einzelelektroden übereinander angeordnet, so dass in Abhängigkeit von dem Füllstand sich Feldlinien unterschiedlicher Stärke zwischen den einzelnen ”unterbrochenen” Elektroden und der durchgängigen Elektrode ausbilden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
1: eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: einen Querschnitt durch den Aufbau der Vorrichtung gemäß 1;
3: eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4: einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 3; und
5: ein Diagramm einer Beispielmessung.
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Diese weist eine Leiterplatte 8 auf, auf der am Fußpunkt eine Temperaturmesseinrichtung 2, insbesondere ein Thermoelement angeordnet ist. Alternativ kann auch ein NTC-Element zur Temperaturmessung verwendet werden. Es kann auch eine Kombination mit anderen Temperaturmesseinrichtungen verwendet werden. Insbesondere können auf der Leiterplatte angeordnete Controller verwendet werden, die ihrerseits über eine Temperaturmesseinrichtung verfügen. Weiterhin ist auf der Leiterplatte 8 eine kapazitive Füllstandsmesseinrichtung 3 vorgesehen. Diese besteht aus sensierenden Elektroden, die parallel zueinander ausgerichtet sind und unter einem Winkel α zur Vertikalen ausgerichtet sind, so dass diese insgesamt so ausgerichtet sind, dass bei jeder gedachten Horizontalen 13, also bei jedem möglichen Füllstand, dieser mindestens zwei schräg übereinander angeordnete Elektroden 11 erfasst. Die Elektroden 11 sind hier elektrisch voneinander durch eine Passivierungsschicht zwischen den Elektroden 11 voneinander getrennt. Die Elektroden 11 haben einen Abstand zueinander von etwa 1 mm. In dem vergrößerten Teilausschnitt sind die Elektroden 11 und der zwischen den Elektroden 11 vorhandene Abstand, der durch die Passivierungsschicht 7 ausgefüllt ist, dargestellt. Die Füllstandsmessung erfolgt bei diesen Elektroden auch dadurch, dass aus den jeweiligen Feldstärkemessungen festgestellt wird, wenn Elektroden 11 vollständig von der Flüssigkeit überdeckt sind oder auch ob Elektroden 11 teilweise von Flüssigkeit überdeckt sind. Der Flüssigkeitsspiegel setzt sich also aus den addierten Signalen der vollständig von Flüssigkeit bedeckten Elektroden 11 und einem entsprechen modifizierten Signal der obersten Elektrode 11 oder der beiden obersten Elektroden 11, die teilweise von Flüssigkeit bedeckt sind, zusammen. Durch die veränderte Signalstärke kann daraus auch erkannt werden, ob diese obersten Elektroden teilweise und/oder zu welchem Teil von Flüssigkeit überdeckt sind.
In 2 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung 1 gemäß 1 dargestellt. In die Leiterplatte 8 ist unterhalb von deren Oberfläche ein Groundleiter 6 gelegt. Dieser führt den Spannungsbezugspegel. Dies ist meist 0 Volt. Auf der Leiterplatte 8 sind die Elektroden 11 angeordnet. Diese sind durch die Passivierungsschicht 7 abgedeckt und voneinander getrennt. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Abstand von etwa 1 mm. Zwischen den Elektroden bildet sich bei Anlegen der Spannungen eine Feldlinie 9 aus. Diese verläuft auch durch das Medium 10, in dem die Vorrichtung angeordnet ist. Dies ist entweder Kraftstoff oder die über dem Kraftstoff stehende Luft. In Abhängigkeit von dem Medium ändert sich die Feldstärke. Dies kann über die Elektroden gemessen werden. Wenn bei steigender Temperatur Blasen entstehen und es zu einem Kochen kommt, so ist das Medium nicht homogen und in dem Messergebnis bildet sich ein Rauschverhalten aus. Dieses wird erfindungsgemäß ausgewertet und damit auf die Verdampfungstemperatur geschlossen.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Auf der Leiterplatte 8 ist hier ebenfalls am Fußpunkt die Temperaturmesseinrichtung 2 angeordnet und darüber befindet sich die sich vertikal nach oben erstreckende kapazitive Füllstandsmesseinrichtung 3. Diese besteht hier aus einer durchgehenden empfangenden Elektrode 4 und parallel dazu übereinander angeordneten aussendenden Elektroden 5. Die Elektroden 4 und 5 sind durch ein Groundelement und dazwischen angeordnete Passivierungsbereiche getrennt. In Abhängigkeit von einer gedachten Horizontalen 13, die einem Füllstand entspricht, sind also eine bestimmte Anzahl Elektroden 5 von sendenden Elektroden 5 innerhalb des Kraftstoffs und eine bestimmte Anzahl außerhalb des Kraftstoffs, also von Luft umgeben. In Abhängigkeit dazu wird die Feldstärke zwischen der empfangenden Elektrode 4 und den sendenden Elektroden 5 ausgewertet. Daraus kann die Füllstandshöhe ermittelt werden. Die sendenden Elektroden 5 sind durch horizontale Unterbrechungen, die mit der Passivierungsschicht gefüllt sind und auf diese Weise die Elektroden 5 voneinander isolieren, getrennt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Füllstandsmessung über die Auswertung der von Flüssigkeit abgedeckten sendenden Elektroden 5. Aus der Anzahl der abgedeckten Elektroden 5 ergibt sich die Füllstandshöhe. Bei dieser Art der Messung wird die Füllstandshöhe nach Art einer Treppenfunktion detektiert.
In 4 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 3 dargestellt. Innerhalb der Leiterplatte 8 ist ein Groundleiter 6 eingezogen. Auf der Leiterplatte 8 sind die empfangende Elektrode 4 und die sendenden Elektroden 5 aufgebracht. Diese sind durch einen auf der Leiterplatte 8 angeordneten Groundleiter 6 getrennt.
Zwischen der sendenden Elektrode 5 und dem Groundleiter 6 ist ein Abstand vorgesehen, der mit der isolierenden Passivierungsschicht 7 gefüllt ist. Ebenso ist zwischen dem Goundleiter 6 und der empfangenden Elektrode 4 ein isolierender Abstand vorhanden, der ebenfalls mit der Passivierungsschicht 7 gefüllt ist. Die Elektroden 4 und 5 und der Groundleiter 6 sind insgesamt mit der Passivierungsschicht 7 abgedeckt. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt hier etwa 1,5 mm. Die Dicke der Passivierungsschicht 7 oberhalb der Elektroden betragt etwa 0,3 mm.
In 5 ist auf der X-Achse 20 die Temperatur und auf der Y-Achse 21 der Füllstand aufgetragen. Die Kurve 22 gibt den Verlauf des Füllstands gegenüber der Temperatur wieder. Der Temperaturbereich ist hier ausgehend von etwa 20°C bis zu etwa 60°C am Ende der Füllstandskurve 22 aufgetragen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Füllstand mit Hilfe der kapazitiven Füllstandsmesseinrichtung kontinuierlich hinsichtlich des Füllstands überwacht. Die Kraftstofftemperatur wird dabei kontinuierlich mit Hilfe der Temperaturmesseinrichtung 2 am Fuß der Vorrichtung 1 kontinuierlich überwacht. Wenn die Kraftstofftemperatur sich einem kritischen Wert annähert, wird die kapazitive Messung der Elektroden 4, 5 oder 11 periodisch auf einen schnellen Erfassungsmodus umgeschaltet, um charakteristische Fluktuationen der kapazitiven Rohwerte erfassen zu können. Damit lassen sich aufsteigende Blasen und damit das beginnende Kochen des Kraftstoffs erkennen, so dass das Kennfeld der Kraftstoffpumpe in Richtung höherer Vordrucke angepasst werden kann. Dies ist hier in dem Bereich 23 der X-Achse zu erkennen. Dort zeigt sich ein charakteristisches Rauschen oder charakteristische Fluktuationen bei einem gleichzeitigen Sprung des Füllstands nach unten.
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1610125 B1 [0002]
DE 19955796 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei dem die Temperatur des Kraftstoffs gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapazitive Füllstandsmessung durchgeführt wird, dass die kapazitive Füllstandsmessung auf das Rauschen der Messsignale untersucht wird, dass das Rauschen der Messsignale als Maß für die Rate der Blasenbildung verwendet wird, und dass anhand der Rate der Blasenbildung die Verdampfungstemperatur der Kraftstoff-Flüssigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Füllstandsmessung an einer Mehrzahl einzelner Messflächen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Füllstandsmessung mit einem schnellen und einem langsamen Erfassungsmodus durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer vorbestimmten Temperatur in den schnellen Erfassungsmodus umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem langsamen Erfassungsmodus mit einer Abfragerate von 30 bis 100 Abfragen pro Sekunde, insbesondere 40 bis 60 Abfragen pro Sekunde gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem schnellen Erfassungsmodus mit einer Abfragerate von 200 bis 600 Abfragen pro Sekunde, insbesondere 300 bis 500 Abfragen pro Sekunde gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Temperatur etwa 5° Kelvin unterhalb einer Temperatur liegt, bei der eine Blasenbildung vermutet werden kann.
Vorrichtung zur Bestimmung der Verdampfungseigenschaften von Kraftstoff-Flüssigkeiten für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen mit einer Temperaturmesseinrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen kapazitive Füllstandmesseinrichtung (3) aufweist und dass der Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zur Untersuchung des Rauschens der Messsignale der kapazitiven Füllstandmesseinrichtung (3) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Füllstandsmesseinrichtung (3) eine vertikal ausgerichtete Leiterplatte (8) aufweist, auf der zwei Elektroden (4, 5, 11) aufgebracht sind, wobei die Elektroden (4, 5, 11) durch eine Passivierungsschicht (7) voneinander getrennt sind und von dieser abgedeckt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (11) als parallel zueinander verlaufende flächige Streifen ausgebildet sind, die die Vertikale unter einem Winkel α (12) zwischen 10° und 17° schneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5) als parallele vertikal ausgerichtete Streifen ausgebildet sind, wobei mindestens einer der Streifen in seiner vertikalen Erstreckung mehrfach unterbrochen ist und auf diese Weise eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Elektroden (5) aufweist.
Kraftstofftank für Kraftfahrzeuge dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftstofftank eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 angeordnet ist.