DE102015220327A1 - Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Kraftstoffeigenschaft - Google Patents

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    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs in einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotor, wobei die Einspritzanlage einen ersten Injektor (10) und mindestens einen zweiten Injektor (10) aufweist, wobei ein Druckverlauf im Bereich einer Hochdruckzulaufleitung (15) des ersten Injektors (10) aufgenommen und ausgewertet wird, um eine Betätigung wenigstens eines von dem mindestens einen zweiten Injektor (10) zu erkennen und so über Berücksichtigung einer Laufzeit die mindestens eine Eigenschaft des Kraftstoffs zu bestimmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Stand der Technik
  • Einspritzanlagen in Verbrennungsmotoren werden dazu verwendet, Kraftstoff aus einem Tank in die Brennräume des Verbrennungsmotors, die Zylinder, zu befördern bzw. in diese einzuspritzen. Bei einem Common-Rail-Einspritzsystem wird der Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe auf ein hohes Druckniveau gebracht. Der unter Druck stehende Kraftstoff wird in ein Rohrleitungssystem, das Rail, eingebracht, aus dem wiederum der unter Druck stehende Kraftstoff Injektoren zur Einspritzung zugeführt wird. Das Common-Rail-Einspritzprinzip zeichnet sich durch eine vollständige Trennung von Druckerzeugung und eigentlichem Einspritzvorgang aus. Die eigentliche Einspritzung erfolgt über Ansteuerung eines Injektors, der auch als Einspritzventil bezeichnet wird, bspw. durch Ansteuerung mit einem elektrischen Signal, dem Ansteuersignal. Man unterscheidet in Abhängigkeit des Funktionsprinzips zwischen Magnetventilen und Piezo-Einspritzventilen, die über einen Piezo-Aktor verfügen.
  • Injektoren, die auch als Einspritzventil bezeichnet werden, umfassen grundsätzlich einen Düsenkörper und eine Düsennadel. Im nicht angesteuert Zustand wird die Düsennadel in ihren Sitz gedrückt, es wird kein Kraftstoff eingespritzt. Wird die Düsennadel mittels einer Ansteuerung bewegt, so öffnet sich das Einspritzventil und Kraftstoff wird eingespritzt. Die Düsennadel bewegt sich bei einer Einspritzung von einer geschlossenen Position zum Nadelöffnungszeitpunkt zu einem Nadelumkehrpunkt, in dem die Düsennadel am weitesten aus ihrer Ruheposition bewegt ist, wieder zurück zu ihrer Ruheposition zum Nadelschließzeitpunkt. Die Ansteuerdauer wirkt sich dabei unmittelbar auf die Einspritzmenge aus.
  • Die Einspritzmenge bei Common-Rail-Systemen (CRS) ist weiterhin von verschiedenen Kraftstoffeigenschaften abhängig, die wiederum von der Art des Kraftstoffs und den Umgebungsbedingungen abhängen. Beispielsweise ist die Viskosität der Kraftstoffsorte, bspw. Winterdiesel, Arctic-Diesel, Biodiesel, Mischungen verschiedener Kraftstoffsorten, und zusätzlich auch von der Temperatur abhängig. Solange im CRS keine Möglichkeit besteht, wichtige Kraftstoffeigenschaften, z. B. über einen Sensor, zu bestimmen, können Mengeneinflüsse dieser Eigenschaften nur ungenügend oder überhaupt nicht korrigiert werden.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2011 005 141 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs bekannt. Bei diesem wird eine Schließdauer eines Ankers eines Magnetventils, der sich durch den Kraftstoff bewegt, bei zumindest einer Ansteuerdauer gemessen. Aufgrund der gemessenen Schließdauer wird ein Faktor ermittelt, der die mindestens eine Eigenschaft repräsentiert. Das Verfahren dient insbesondere zur Bestimmung der Viskosität des Kraftstoffs.
  • Ein Common-Rail-Injektor mit Piezo-Aktor ist ein Injektor bei dem durch das Schalten eines servohydraulischen Ventils der Druck im Steuerraum verändert wird. Der Steuerraum befindet sich direkt über der Düsennadel. Zum Öffnen des Injektors wird aufgrund des Durchflusses der Ablauf- und der Zulauf-Drossel der Druck im Steuerraum soweit abgesenkt bis das Kräftegleichgewicht an der Düsennadel erreicht ist und die Nadel öffnet. Dabei gibt das Schaltventil den Raum hinter der Ablauf-Drossel zum Niederduckbereich frei, so dass funktionsbedingt die Steuermenge aus dem Steuerraum über die Ablauf-Drossel in den Niederdruck abfließen kann. So lange das Schaltventil geöffnet ist fließt die Steuermenge ab. Es wird auf 1 verwiesen.
  • Um immer höher werdende Emissions- und Performance-Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Einspritzmengen sowie die Injektorfunktion der Injektoren gerade auch über Lebensdauer möglichst konstant gehalten werden.
  • Ein wichtiger Faktor zum Erreichen dieser Anforderung ist dabei die Genauigkeit der Menge und des Zeitpunkts des über die CR-Injektoren eingespritzten Kraftstoffs und die Bestimmung der Eigenschaft des Kraftstoffes. Um den Zeitpunkt und die Kraftstoffmenge der Einspritzung über Lebensdauer ermitteln zu können ist es geplant, zukünftige Common Rail Injektoren mit einem Sensor auszustatten, mit dem der Zeitpunkt des "Nadel Öffnens" und des "Nadel Schließens" einer Einspritzung detektiert werden kann.
  • Die Druckschrift DE 10 2014 204 746 A1 beschreibt einen Common-Rail-Injektor mit einem Injektorgehäuse, in dem ein Hochdruckraum ausgebildet ist, der über eine im Injektorgehäuse ausgebildete Zulauf- bzw. Hochdruckbohrung mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar ist. An der Außenfläche des Injektors ist ein Sensor vorgesehen, mit dem ein Druckeinbruch in der Hochdruckbohrung infolge einer Einspritzung detektiert werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
  • Das vorgestellte Verfahren nutzt die elastische Verformung am Halteköper im Bereich der Hochdruckbohrung aufgrund der Druckwelle in der Hochdruckbohrung, um die Eigenschaften des zum Zeitpunkt der Bestimmung verwendeten Kraftstoffes im Betrieb über der Laufzeit zu bestimmen.
  • Dabei wird insbesondere der Druckverlauf in der Hochdruckbohrung oder Hochdruckzulaufleitung eines Injektors zur Erkennung des Nadel-Öffnens und des Nadel-Schließens anderer im System befindlichen Injektoren im Verbrennungsmotor verwendet, um hieraus auf die Kraftstoffeigenschaften zu schließen. Die Verformung des Haltekörpers bzw. der Leitung wird als zu erfassende Größe genutzt. Der dafür benötigte Sensor kann am Haltekörper oder Zulaufleitung angebracht werden und muss weder im Hochdruck noch im Niederdruck des Injektors verbaut sein. es wird somit mit einem Sensor an einem ersten Injektor eine Betätigung eines anderen zweiten Injektors detektiert und über die erkannte Laufzeit, die eine Verzögerung bewirkt, auf die mindestens eine Eigenschaft geschlossen. Da bekannt ist, wann der andere zweite Injektor betätigt wird ergibt sich die Verzögerung bzw. Laufzeit aus diesem Zeitpunkt und dem Zeitpunkt, zu dem die Betätigung bei dem ersten Injektor erkannt wurde.
  • Durch die Detektion und anschließender Analyse der Zeitpunkte des Nadel-Öffnens, insbesondere durch die auf diese Weise zu ermittelnde Laufzeit, können Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Kraftstoffes im Betrieb über Laufzeit gemacht werden. Emissions- und Performance-Anforderungen können somit gehalten werden. Auch kann eine Betankung mit einem nicht geeigneten Kraftstoff erkannt werden.
  • Die Erfindung schlägt vor, das Nadel-Öffnen und/oder das Nadel-Schließen mehrerer benachbarter Injektoren am Motor, zu bestimmen bzw. zu messen um mit diesen Informationen auf die Kraftstoffeigenschaften schließen zu können. Momentan ist es vorgesehen, bei kommenden CR-Injektoren mit Piezo-Ansteuerung für jeden Injektor einen separaten Sensor zu verbauen der das Nadel-Öffnen und das Nadel Schließen des Injektors detektiert. Eine vergleichbare Funktionalität kann auch durch Verwendung von mindestens einem mit Sensor ausgestattetem Injektor umgesetzt werden.
  • Das Verfahren eignet sich auch dazu, die Funktionsweise eines am Hochdruckspeicher bzw. Rail der Einspritzanlage vorgesehenen Sensor, dem sogenannten Raildruck-Sensor, zu überprüfen bzw. dessen Ergebnisse zu plausibilisieren. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Druck einen sehr großen Einfluss auf die Laufzeit hat. Eine erfasst Laufzeit ist somit stark von dem Druck abhängig. Weiterhin kann das Verfahren bei einem Ausfall des Raildruck-Sensors eingesetzt werden, da mit dem Verfahren über Auswerten der Laufzeit auch der Druck und damit der Raildruck mittelbar bestimmt werden kann.
  • Die vorgestellte Anordnung dient zur Durchführung des Verfahrens und ist bspw. in einem Steuergerät integriert.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines Injektors zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
  • 2 zeigt in vier Graphen Verläufe von Größen.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch einen Haltekörper eines Injektors.
  • 4 zeigt Verläufe von gemessenen Größen.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt eine Ausführung eines Injektors, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Schaltventil 12, einen Schaltventilraum 14, eine Drosselplatte 16, eine Ablauf-Drossel 18, eine Zulauf-Drossel 20, ein Steuerraum 22, eine Steuerraumhülse 24 und eine Düsennadel 26.
  • Weiterhin zeigt die Darstellung eine Hochdruckzulaufleitung 15, die zu einer Hochdruckbohrung 17 führt, in deren Bereich ein Haltekörper 19 angeordnet ist. An diesem Haltekörper 19 ist ein Piezoelement 21 angeordnet, das als Sensor dient und eine Verformung des Haltekörpers 19, insbesondere auch den Verlauf einer Verformung des Haltekörpers 19, aufnimmt.
  • Bei dem dargestellten Injektor 10 wird durch das Schalten des servohydraulischen Schaltventils 12 der Druck im Steuerraum 22 verändert. Der Steuerraum 22 befindet sich direkt über der Düsennadel 26. Zum Öffnen des Injektors 10 wird aufgrund des Durchflusses der Ablauf-Drossel 18 und der Zulauf-Drossel 20 der Druck im Steuerraum 22 soweit abgesenkt, bis das Kräftegleichgewicht an der Düsennadel 26 erreicht ist und diese öffnet. Dabei gibt das Schaltventil 12 den Raum hinter der Ablauf-Drossel 18 zum Niederdruckbereich frei, so dass funktionsbedingt die Steuermenge aus dem Steuerraum 22 über die Ablauf-Drossel 18 in den Niederdruckbereich abfließen kann. Solange das Schaltventil 12 geöffnet ist, fließt die Steuermenge ab.
  • Das Öffnen des Schaltventils 12 führt zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckzulaufleitung 15 und der Hochdruckbohrung 17. Der Druckeinbruch in der Hochdruckbohrung 17 führt zu einer elastischen Verformung der Hochdruckbohrung 17 und auch zu einer elastischen Verformung des Haltekörpers 19, die über das Piezoelement 21, das als Piezo-Sensorelement dient, gemessen und einem Steuergerät 23 über elektrische Leitungen 25 übermittelt wird.
  • Bei dem vorgestellten Verfahren wird nunmehr die elastische Verformung der Hochdruckbohrung 17 und auch die elastische Verformung des Haltekörpers 19, die durch das Betätigen eines anderen Injektors bewirkt wird, aufgenommen und ausgewertet. Da die Injektoren hydraulisch miteinander verbunden sind, wirkt sich die Betätigung eines der weiteren Injektoren auch auf den Druckverlauf in der Hochdruckzulaufleitung 15 der anderen Injektoren aus. Es kommt hierbei zwar zu einer Verzögerung aufgrund der Laufzeit. Diese wird ausgewertet, um die mindestens eine Eigenschaft, bspw. die Viskosität, zu ermitteln.
  • Alternativ oder ergänzend kann ein Sensor, bspw. ein Piezoelement, an der Hochdruckzulaufleitung 15 angeordnet sein.
  • 2 zeigt in drei Graphen jeweils Signalverläufe über einen entsprechenden Zeitraum. Ein erster Graph 30 zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung 32 über der Zeit. Ein zweiter Graph 40 zeigt den Druckverlauf 42 in der Hochdruckzulaufleitung über der Zeit. Ein dritter Graph 50 zeigt ein gefiltertes Spannungssignal 52 am Steuergeräteeingang des Piezoelements, das am Haltekörper im Bereich der Hochdruckzulaufleitung angeordnet ist.
  • Im ersten Graphen 30 ist eine Ansteuerdauer 34 kenntlich gemacht, beginnend zu einem ersten Zeitpunkt 35 bis zu einem zweiten Zeitpunkt 36, an dem die Ansteuerung des Injektors endet. Ein Punkt 38 auf dem Verlauf 32 kennzeichnet den Wert der Ansteuerspannung, die mit einer Ausführung des beschriebenen Verfahrens zu regeln ist.
  • Beim Öffnen des Schaltventils und der dadurch abgeführten Steuermenge kommt es zu einem Druckeinbruch in der Hochdruckzulaufleitung zu einem dritten Zeitpunkt 44. Dieser Druckeinbruch führt zu einer mechanischen Entlastung des Haltekörpers am Umfang der Hochdruckbohrung, d. h. am Anschliff, auf dem der Sensor sitzt. Diese Entlastung führt, falls bspw. ein Piezoelement als Sensor verwendet wird, zu einer Entlastung des vorgespannten Piezoelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden.
  • Beim Öffnen der Düsennadel kommt es zu einem weiteren Druckeinbruch in der Hochdruckleitung zu einem vierten Zeitpunkt 46. Dieser Druckeinbruch führt zu einer weiteren mechanischen Entlastung des Haltekörpers am Umfang der Hochdruckbohrung bzw. am Anschliff, auf dem der Sensor sitzt.
  • Diese Entlastung führt zu einer weiteren Entlastung des vorgespannten Piezoelements und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden. Der vierte Zeitpunkt 46 kann hierbei durch eine Gradientenänderung der Spannungsänderung des Sensors definiert bzw. erkannt werden.
  • Beim Nadelschließen wird eine Druckwelle bzw. ein Druckanstieg in der Hochdruckbohrung zu einem fünften Zeitpunkt 48 ausgelöst. Dieser Druckanstieg führt zu einer weiteren Vorspannung des Sensorelementes und kann als Spannungsänderung an diesem gemessen werden.
  • Beim Nadel-Öffnen eines Injektors führt es des Weiteren zu einem Druckeinbruch in den Hochdruckbohrungen der anderen Injektoren in einer Common-Rail-Einspritzanlage, da die Injektoren hydraulisch über das Rail und die HD-Leitungen gekoppelt sind. Dieser Druckeinbruch trifft aufgrund der längeren, hydraulischen Strecke zeitlich versetzt, bezogen auf den oberen Totpunkt des einspritzenden Injektors, bei den anderen Injektoren an. Durch die vorgegebene Geometrie der Injektoren, der Hochdruck-Leitung und des Rails sowie durch den Versatz des Zeitpunkts des durch das Nadelöffnen des angesteuerten Injektors hervorgerufenen Signals kann eine Recheneinheit, die bspw. in der vorgestellten Anordnung aufgenommen ist, des CR-Systems mit Zuhilfenahme dieser Informationen der verschiedenen Sensoren und dem Quervergleich zu der Information aus dem Sensor des einspritzenden Injektors die aktuellen Kraftstoffeigenschaften ermitteln.
  • Durch die vorgegebene Geometrie der Injektoren, der Hochdruck-Leitung und des Rails sowie durch den Versatz des Zeitpunkts des durch das Nadelschließen des angesteuerten Injektors hervorgerufenen Signals, kann die Recheneinheit des CR-Systems mit Zuhilfenahme dieser Informationen der verschiedenen Sensoren und dem Quervergleich zu der Information aus dem Sensor des einspritzenden Injektors die aktuellen Kraftstoffeigenschaften ermitteln.
  • Anzumerken ist hierbei, dass Parameter wie z.B. Temperatur, Druck und Kraftstoffart (z.B. Sommerdiesel, Winterdiesel) einen Einfluss auf die Schallgeschwindigkeit haben. Durch diese zeitlichen Versätze und deren Änderungen im Betrieb können diese Kraftstoffeigenschaften bestimmt werden.
  • Dieser Druckanstieg kann somit auch von den anderen Injektoren, welche einen Sensor auf der Hochdruckbohrung haben und die Verformung des Haltekörpers aufgrund des Druckanstiegs in eine elektrische Größe umwandeln und dieses Signal der Recheneinheit der Common-Rail-Einspritzanlage weiterleiten, detektiert und bestimmt werden.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch einen Haltekörper, der mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Hochdruckbohrung 72, ein Piezoelement 74, das als Piezo-Sensorelement dient, ein Verspannungsring 76, der möglichst steif ausgebildet ist, und einen Dehnungsbereich 78 am Anschliff des Haltekörpers 70.
  • Eine Verformung der Hochdruckbohrung 72 aufgrund einer Druckwelle bewirkt eine Verformung des Haltekörpers 70, die wiederum mit dem Piezoelement 74 aufgenommen wird. Dabei wird insbesondere der zeitliche Verlauf der Verformung aufgenommen und ausgewertet.
  • 4 zeigt Signale von Sensoren auf Zylindern durch die Bestromung der Injektoren anderer Zylinder. Es handelt sich hierbei um einen 4-Zylinder Vollmotor.
  • Die Darstellung zeigt mit Bezugsziffer 100 die Bestromung Zylinder 1, mit Bezugsziffer 102 die Bestromung Zylinder 3, mit Bezugsziffer 104 die Bestromung Zylinder 4 und mit Bezugsziffer 106 die Bestromung Zylinder 2. Mit Bezugsziffer 110 ist die Entstromung Zylinder 1, mit Bezugsziffer 112 die Entstromung Zylinder 3, mit Bezugsziffer 114 die Entstromung Zylinder 4 und mit Bezugsziffer 116 die Entstromung Zylinder 2 angezeigt.
  • Die Auswirkungen des Nadel-Öffnens und Nadel-Schließens aufgrund der Bestromung und Entstromung sind in den weiteren Verläufen gezeigt. So zeigen diese den Druckverlauf 130 am ersten Zylinder, den Druckverlauf 132 am zweiten Zylinder, den Druckverlauf 134 am dritten Zylinder und den Druckverlauf 136 am vierten Zylinder.
  • Die zeitlich verzögerten Auswirkungen auf die Druckverläufe 130, 132, 134 und 136 sind deutlich zu erkennen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011005141 A1 [0005]
    • DE 102014204746 A1 [0009]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs in einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotor, wobei die Einspritzanlage einen ersten Injektor (10) und mindestens einen zweiten Injektor (10) aufweist, wobei ein Druckverlauf im Bereich einer Hochdruckzulaufleitung (15) des ersten Injektors (10) aufgenommen und ausgewertet wird, um eine Betätigung wenigstens eines von dem mindestens einen zweiten Injektor (10) zu erkennen und so über Berücksichtigung einer Laufzeit die mindestens eine Eigenschaft des Kraftstoffs zu bestimmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Verformung der Hochdruckzulaufleitung (15) des ersten Injektors (10) erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Verformung eines Haltekörpers (19, 70) im Bereich einer Hochdruckbohrung (17, 72) des ersten Injektors (10) erfasst wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem eine Verformung eines Piezoelements (21, 74) erfasst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Druckverlauf im Bereich einer Hochdruckzulaufleitung eines ersten Injektors (10) über einen Sensor, der einen Druckverlauf in einem Hochdruckspeicher (15) der Einspritzanlage erfasst wird, aufgenommen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Eigenschaft die Viskosität des Kraftstoffs bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das vor einem Kaltstart durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf Grundlage der bestimmten mindestens einen Eigenschaft Korrekturwerte für die Ansteuerdauer ermittelt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das dazu verwendet wird, die Funktionsweise eines an einem Hochdruckspeicher der Einspritzanlage vorgesehenen Drucksensor zu überprüfen.
  10. Anordnung zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs in einer Einspritzanlage eines Verbrennungsmotor, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Einspritzanlage einen ersten Injektor (10) und mindestens einen zweiten Injektor (10) aufweist, wobei die Anordnung dazu eingerichtet ist, einen Druckverlauf im Bereich einer Hochdruckzulaufleitung (15) des ersten Injektors (10) aufzunehmen und auszuwerten, um eine Betätigung wenigstens eines von dem mindestens einen zweiten Injektor (10) zu erkennen und so unter Berücksichtigung einer Laufzeit die mindestens eine Eigenschaft des Kraftstoffs zu bestimmen.
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