DE102018217759A1 - Procedure for the determination of water in fuel - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Wasser in Kraftstoff, wobei zumindest ein Kraftstoff-Injektor (2, 3) eingerichtet ist, den Kraftstoff in einen Brennraum (4) einer Brennkraftmaschine (1) einzuspritzen, und wobei im Kraftstoff enthaltenes Wasser basierend auf einem Schaltverhalten des Kraftstoff-Injektors (2, 3) ermittelt wird.The invention relates to a method for determining water in fuel, at least one fuel injector (2, 3) being set up to inject the fuel into a combustion chamber (4) of an internal combustion engine (1), and wherein water contained in the fuel is based on a Switching behavior of the fuel injector (2, 3) is determined.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Wasser in einem Kraftstoff und ein Verfahren zur Einspritzung eines Kraftstoff-Wasser-Gemischs in eine Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung und/oder eine Regelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Otto-Brennkraftmaschine, die die Steuervorrichtung und/oder Regelvorrichtung umfasst.The present invention relates to a method for determining water in a fuel and a method for injecting a fuel-water mixture into an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a control device and / or a control device for carrying out the method and an internal combustion engine, in particular an Otto engine, which comprises the control device and / or control device.
Aufgrund steigender Anforderungen an reduzierte Kohlenstoffdioxidemissionen werden Brennkraftmaschinen zunehmend hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs optimiert. Allerdings können bekannte Brennkraftmaschinen in Betriebspunkten mit hoher Last nicht optimal im Hinblick auf den Verbrauch betrieben werden, da der Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen begrenzt ist. Eine mögliche Maßnahme zur Reduzierung der Klopfneigung und zur Senkung der Abgastemperaturen ist die Einspritzung von Wasser. Hierbei sind üblicherweise separate Wassereinspritzsysteme vorhanden, um die Wassereinspritzung zu ermöglichen. So sind z.B. Wassereinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen bekannt, bei welchen eine Wassereinspritzung in das Saugrohr zur Gemischkühlung erfolgt. Alternativ ist auch eine direkte Wassereinspritzung möglich, wobei eine Zumischung von Wasser zum Kraftstoff vor der Hochdruckpumpe erfolgt. Die Kraftstoff-Wasser-Emulsion wird dabei direkt in den Brennraum eingespritzt.Due to increasing requirements for reduced carbon dioxide emissions, internal combustion engines are increasingly being optimized with regard to fuel consumption. However, known internal combustion engines cannot be operated optimally in terms of consumption at operating points with a high load, since the operation is limited by knocking tendency and high exhaust gas temperatures. A possible measure to reduce the tendency to knock and to lower the exhaust gas temperatures is the injection of water. Separate water injection systems are usually provided to enable water injection. For example, Water injection systems for internal combustion engines are known, in which water is injected into the intake manifold for cooling the mixture. Alternatively, direct water injection is also possible, water being added to the fuel upstream of the high-pressure pump. The fuel-water emulsion is injected directly into the combustion chamber.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Wasser in Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass auf einfache Art und Weise ein Vorhandensein von Wasser im Kraftstoff direkt an einer Einspritzstelle des Kraftstoffs ermittelt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zumindest ein Kraftstoff-Injektor vorgesehen ist, welcher eingerichtet ist, den Kraftstoff in einen Brennraum oder einen Saugbereich einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Im Kraftstoff enthaltenes Wasser wird dabei basierend auf einem Schaltverhalten des Kraftstoff-Injektors ermittelt. Als Kraftstoff wird nachfolgend sowohl reiner, wasserfreier Kraftstoff, als auch ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch, welches reinen Kraftstoff und Wasser jeweils in flüssiger Form enthält, angesehen. Da die Zusammensetzung des Kraftstoffes maßgeblich das Schaltverhalten des Kraftstoff-Injektors beeinflusst, kann durch Bestimmung des Schaltverhaltens des Kraftstoff-Injektors besonders günstig auf die Zusammensetzung geschlossen werden. Um das Schaltverhalten des Kraftstoff-Injektors zu ermitteln, werden vorzugsweise elektrische Größen des Kraftstoff-Injektors analysiert. Beispielsweise kann mittels einer Spannung und/oder eines Stromes an dem Kraftstoff-Injektor dessen Schaltverhalten ermittelt werden. Besonders günstig ist es dabei, wenn im Kraftstoff enthaltenes Wasser basierend auf einer Änderung des Schaltverhaltens des Kraftstoff-Injektors ermittelt wird. Eine solche Änderung ist besonders einfach festzustellen, beispielsweise durch Analyse von Änderungen der elektrischen Größen des Kraftstoff-Injektors während des Öffnens und/oder Schließens. Dabei kann die Ermittlung mit den bereits vorhandenen Komponenten der Brennkraftmaschine durchgeführt werden und es sind keine weiteren Bauteile, wie beispielsweise Sensoren, notwendig.The method according to the invention for determining water in fuel with the features of claim 1 is characterized in that the presence of water in the fuel is determined in a simple manner directly at an injection point of the fuel. This is achieved according to the invention in that at least one fuel injector is provided, which is set up to inject the fuel into a combustion chamber or a suction area of an internal combustion engine. Water contained in the fuel is determined based on a switching behavior of the fuel injector. In the following, both pure, water-free fuel and a fuel-water mixture, which contains pure fuel and water in liquid form, are regarded as fuel. Since the composition of the fuel significantly influences the switching behavior of the fuel injector, the composition can be determined particularly favorably by determining the switching behavior of the fuel injector. To determine the switching behavior of the fuel injector, electrical quantities of the fuel injector are preferably analyzed. For example, the switching behavior of the fuel injector can be determined by means of a voltage and / or a current. It is particularly advantageous if water contained in the fuel is determined based on a change in the switching behavior of the fuel injector. Such a change is particularly easy to determine, for example by analyzing changes in the electrical quantities of the fuel injector during opening and / or closing. The determination can be carried out with the already existing components of the internal combustion engine and no further components, such as sensors, are necessary.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf besonders einfache Art und Weise im Kraftstoff enthaltenes Wasser ermittelt werden. Dabei kann die Zusammensetzung des Kraftstoffs, welche maßgeblich eine optimale und schadstoffarme Verbrennung im Brennraum beeinflusst, unmittelbar an der Einspritzstelle sehr genau bestimmt werden.With the method according to the invention, water contained in the fuel can be determined in a particularly simple manner. The composition of the fuel, which significantly influences optimal and low-emission combustion in the combustion chamber, can be determined very precisely at the injection point.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims contain preferred developments of the invention.
Bevorzugt wird zur Ermittlung des Schaltverhaltens eine Öffnungsdauer und/oder eine Schließdauer des Kraftstoff-Injektors bei einem bestimmten Hub ermittelt. Besonders günstig ist es, wenn die Öffnungsdauer und/oder die Schließdauer bei einem Vollhub des Kraftstoff-Injektors ermittelt wird. Möglich wäre auch eine Ermittlung der Öffnungsdauer und/oder der Schließdauer bei einem Teilhub, beispielsweise bei 50% Hub, des Kraftstoff-Injektors. Da bei einem zunehmenden Wasseranteil im Kraftstoff das Wasser erhöhte Klebeeffekte an dem Kraftstoff-Injektor, beispielsweise an einer Nadel oder an unteren und oberen Anschlagflächen des Kraftstoff-Injektors, auftreten, resultiert daraus eine Erhöhung der Öffnungsdauer und/oder der Schließdauer. Bei einer Ermittlung der Öffnungsdauer und/oder Schließdauer kann somit in umgekehrter Weise besonders einfach Wasser, welches im Kraftstoff enthalten ist, ermittelt werden.To determine the switching behavior, an opening duration and / or a closing duration of the fuel injector is preferably determined at a certain stroke. It is particularly expedient if the opening duration and / or the closing duration is determined during a full stroke of the fuel injector. It would also be possible to determine the opening time and / or the closing time for a partial stroke, for example a 50% stroke, of the fuel injector. Since the water increases in the amount of water in the fuel, there are increased sticking effects on the fuel injector, for example on a needle or on the lower and upper stop surfaces of the fuel injector, this results in an increase in the opening time and / or the closing time. When the duration of the opening and / or the duration of the opening is determined, water which is contained in the fuel can thus be determined in a particularly simple manner in reverse.
Besonders bevorzugt wird zur Ermittlung des Schaltverhaltens eine Öffnungsverzugszeit und/oder eine Schließverzugszeit des Kraftstoff-Injektors ermittelt. Als Öffnungsverzugszeit und Schließverzugszeit wird diejenige Zeit angesehen, welche ab dem Eingang des Signals zum Öffnen bzw. Schließen am Kraftstoff-Injektor bis zum tatsächlichen Beginn des mechanischen Öffnungsvorgangs bzw. Schließvorgangs, beispielsweise dem Beging der Bewegung einer Nadel des Kraftstoff-Injektors, vergeht. Ähnlich der Beschreibung im vorhergehenden Abschnitt, beeinflusst im Kraftstoff enthaltenes Wasser vor allem aufgrund von Klebeeffekten am Kraftstoff-Injektor die Öffnungsverzugszeit und die Schließverzugszeit des Kraftstoff-Injektors. Daher kann aus einer Ermittlung der Öffnungsverzugszeit und/oder Schließverzugszeit ebenfalls sehr einfach auf im Kraftstoff enthaltenes Wasser geschlossen werden.An opening delay time and / or a closing delay time of the fuel injector is particularly preferably determined to determine the switching behavior. The opening delay time and the closing delay time are considered to be the time which elapses from the receipt of the signal for opening or closing on the fuel injector until the actual start of the mechanical opening or closing process, for example the commencement of the movement of a needle of the fuel injector. Similar to the description in the previous section, water contained in the fuel influences the fuel mainly due to adhesive effects on the fuel injector Opening delay time and the closing delay time of the fuel injector. It is therefore also very easy to infer water contained in the fuel from a determination of the opening delay time and / or closing delay time.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Viskosität des Kraftstoffs basierend auf dem Schaltverhalten des Kraftstoff-Injektors ermittelt wird. Ausgehend von der ermittelten Viskosität des Kraftstoffs kann anschließend ermittelt werden, ob im Kraftstoff Wasser enthalten ist. Da das Vorhandensein von Wasser im Kraftstoff einen besonders deutlichen Einfluss auf die Viskosität des Kraftstoffs hat, und die Viskosität des Kraftstoffs zudem maßgeblich das Schaltverhalten des Kraftstoff-Injektors beeinflusst, bietet die Bestimmung der Viskosität eine besonders einfache und vorteilhafte Möglichkeit zur Ermittlung des Wassers im Kraftstoff. It is particularly advantageous if a viscosity of the fuel is determined based on the switching behavior of the fuel injector. Based on the determined viscosity of the fuel, it can then be determined whether the fuel contains water. Since the presence of water in the fuel has a particularly significant influence on the viscosity of the fuel, and the viscosity of the fuel also significantly influences the switching behavior of the fuel injector, determining the viscosity offers a particularly simple and advantageous way of determining the water in the fuel .
Besonders bevorzugt wird basierend auf der Viskosität des Kraftstoffs ein Wert eines Wasseranteils im Kraftstoff ermittelt. Das heißt, nach der Ermittlung der Viskosität des Kraftstoffs, wird daraus der prozentuale Anteil an Wasser im Kraftstoff bestimmt. Dadurch kann die Kraftstoffzusammensetzung am Kraftstoff-Injektor besonders genau bestimmt werden.A value of a water content in the fuel is particularly preferably determined based on the viscosity of the fuel. This means that after determining the viscosity of the fuel, the percentage of water in the fuel is determined. As a result, the fuel composition on the fuel injector can be determined particularly precisely.
Weiterhin führt die Erfindung zu einem Verfahren zur Einspritzung eines Kraftstoff-Wasser-Gemischs in zumindest einen Brennraum oder zumindest einen Saugbereich einer Brennkraftmaschine. Wasser wird dabei dem Kraftstoff zugemischt, insbesondere bevor ein Einspritzen des Kraftstoff-Wasser-Gemischs in den Brennraum oder den Saugbereich erfolgt, um das Kraftstoff-Wasser-Gemisch zu bilden. Hierdurch kann Wasser zu einem gewünschten Wassereinspritzzeitpunkt auch sofort durch den Kraftstoff-Injektor eingespritzt werden. Im Kraftstoff-Wasser-Gemisch vorhandenes Wasser wird dabei mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt.Furthermore, the invention leads to a method for injecting a fuel-water mixture into at least one combustion chamber or at least one suction area of an internal combustion engine. Water is mixed into the fuel, in particular before the fuel-water mixture is injected into the combustion chamber or the suction area in order to form the fuel-water mixture. As a result, water can also be injected immediately through the fuel injector at a desired water injection time. Water present in the fuel-water mixture is determined using the method according to the invention.
Bevorzugt erfolgt die Ermittlung des im Kraftstoff-Wasser-Gemisch vorhandenen Wassers injektorspezifisch und insbesondere brennraumspezifisch, das heißt für jeden Kraftstoff-Injektor bzw. jeden Brennraum der Brennkraftmaschine separat. Das heißt, das Verfahren wird mehrmals und für jeden Kraftstoff-Injektor bzw. jeden Brennraum einzeln ausgeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine zumindest teilweise asymmetrische Zuführung des Kraftstoffs zu mehreren Kraftstoff-Injektoren, beispielsweise über ein zentrales Rail, erfolgt, und wenn eine zentrale Zumischung des Wassers an einer Stelle erfolgt. In diesem Fall liegen unterschiedlich lange Wege von der Zumischstelle bis zu den Kraftstoff-Injektoren vor. Dadurch kommt das Kraftstoff-Wasser-Gemisch nach einem Zuschalten der Wasser-Zumischung an unterschiedlichen Kraftstoff-Injektoren zu verschiedenen Zeitpunkten an. Dadurch dass die Ermittlung des im Kraftstoff-Wasser-Gemisch vorhandenen Wassers für jeden Kraftstoff-Injektor bzw. jeden Brennraum separat erfolgt, ist eine besonders präzise Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung für jeden einzelnen Brennraum möglich.The water present in the fuel-water mixture is preferably determined specifically for the injector and in particular for the combustion chamber, that is to say separately for each fuel injector or combustion chamber of the internal combustion engine. This means that the method is carried out several times and for each fuel injector or combustion chamber individually. This is particularly advantageous if the fuel is supplied at least partially asymmetrically to a plurality of fuel injectors, for example via a central rail, and if the water is added centrally at one point. In this case, there are routes of different lengths from the mixing point to the fuel injectors. As a result, the fuel-water mixture arrives at different fuel injectors at different times after the water admixture has been switched on. Because the water in the fuel-water mixture is determined separately for each fuel injector or combustion chamber, a particularly precise determination of the fuel composition for each individual combustion chamber is possible.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Zumischzeitpunkt und eine Einschalt-Zeitdauer ermittelt werden. Der Zumischzeitpunkt ist dabei derjenige Zeitpunkt, ab welchem die Zumischung von Wasser zum Kraftstoff erfolgt. Die Einschalt-Zeitdauer ist die Zeit, welche von dem Zumischzeitpunkt bis zu einem Wasserverfügbarkeits-Zeitpunkt, an welchem das Kraftstoff-Wasser-Gemisch am Kraftstoff-Injektor vorliegt, vergeht. Zusätzlich oder alternativ dazu werden analog ein Abschaltzeitpunkt und eine Abschalt-Zeitdauer ermittelt. Am Abschaltzeitpunkt wird die Zumischung von Wasser zum Kraftstoff abgeschaltet. Die Abschalt-Zeitdauer entspricht hier der Zeitdauer zwischen dem Abschaltzeitpunkt und einem Wasserabwesenheits-Zeitpunkt, an welchem nach dem Abschalten wasserfreier Kraftstoff am Kraftstoff-Injektor vorliegt. Weiterhin wird zusätzlich oder alternativ dazu eine Zumischdauer, während welcher am Kraftstoff-Injektor Wasser im Kraftstoff enthalten ist, ermittelt. Das heißt, es können sowohl Beginn und Ende der Wasserzumischung, als auch die effektive Dauer der Wasserzumischung bestimmt werden. Außerdem kann der tatsächliche Zeitpunkt, an dem das zugemischte Wasser am Kraftstoff-Injektor ankommt bzw. an dem kein Wasser mehr am Kraftstoff-Injektor ankommt, bestimmt werden. Dadurch wird eine besonders detaillierte Ermittlung der Kraftstoffzusammensetzung an jedem einzelnen Kraftstoff-Injektor ermöglicht und dementsprechend eine exakte Wassereinspritzung ermöglicht.It is particularly advantageous if a mixing time and a switch-on time are determined. The time of admixing is the time from which water is added to the fuel. The switch-on time period is the time which elapses from the mixing point in time to a water availability point in time at which the fuel-water mixture is present at the fuel injector. Additionally or alternatively, a switch-off time and a switch-off time period are determined analogously. At the time of switching off, the admixture of water and fuel is switched off. The switch-off time here corresponds to the time between the switch-off time and a water absence time, at which water-free fuel is present on the fuel injector after the switch-off. In addition or as an alternative to this, an admixing period during which water is contained in the fuel at the fuel injector is also determined. This means that both the start and end of the water addition and the effective duration of the water addition can be determined. In addition, the actual time at which the admixed water arrives at the fuel injector or at which no more water arrives at the fuel injector can be determined. This enables a particularly detailed determination of the fuel composition at each individual fuel injector and accordingly enables exact water injection.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn basierend auf dem Vorhandensein von Wasser im Kraftstoff eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine angepasst wird. Bevorzugterweise wird bei einer brennraumspezifischen Ermittlung des Wassers im Kraftstoff auch eine brennraumspezifische Anpassung der Motorsteuerung vorgenommen. Besonders günstig ist es dabei, wenn ein Zündwinkel, und/oder eine Steuerung eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils der Brennkraftmaschine angepasst wird. Durch eine entsprechende Anpassung der Motorsteuerung kann eine besonders hohe Effizienz der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.Furthermore, it is advantageous if an engine control of the internal combustion engine is adapted based on the presence of water in the fuel. When the water in the fuel is determined specifically for the combustion chamber, the engine control is also adapted to suit the combustion chamber. It is particularly favorable if an ignition angle and / or a control of an intake valve and / or an exhaust valve of the internal combustion engine is adapted. A particularly high efficiency of the internal combustion engine can be made possible by a corresponding adaptation of the engine control.
Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung und/oder eine Regelvorrichtung, welche eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The invention further relates to a control device and / or a regulating device which is set up to carry out the method according to the invention.
Bevorzugt ist die Steuervorrichtung und/oder Regelvorrichtung eingerichtet, basierend auf dem Vorhandensein von Wasser im Kraftstoff-Wasser-Gemisch eine Motorsteuerung, insbesondere einen Zündwinkel, und/oder eine Steuerung eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils, der Brennkraftmaschine, und/oder eine dem Kraftstoff zugemischte Wassermenge anzupassen. Somit kann die Motorsteuerung der Brennkraftmaschine je nach Bedarf und abhängig von der Kraftstoffzusammensetzung jeweils optimal angepasst werden, um einen möglichst effizienten Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.The control device and / or regulating device is preferably set up, based on the presence of water in the fuel-water system. Mixture to adapt an engine control, in particular an ignition angle, and / or a control of an intake valve and / or an exhaust valve, the internal combustion engine, and / or an amount of water mixed with the fuel. The engine control of the internal combustion engine can thus be optimally adapted as required and depending on the fuel composition in order to ensure the most efficient possible operation of the internal combustion engine.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, umfassend die Steuervorrichtung und/oder Regelvorrichtung. Bevorzugt ist die Brennkraftmaschine eine Otto-Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine, comprising the control device and / or regulating device. The internal combustion engine is preferably an Otto engine.
FigurenlisteFigure list
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
-
1 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Regelvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 einen Zusammenhang einer Schließzeit eines Kraftstoff-Injektors mit einer Viskosität des Kraftstoffs, -
3 eine Zusammenhang einer Öffnungsverzugszeit eines Kraftstoff-Injektors mit der Viskosität des Kraftstoffs, -
4 einen Zusammenhang eines Wasseranteils des Kraftstoffs mit der Viskosität des Kraftstoffs, und -
5 einen Vergleich von Schließzeiten zweier Kraftstoff-Injektoren der Brennkraftmaschine der1 .
-
1 2 shows a simplified schematic view of an internal combustion engine with a control device for carrying out a method according to a preferred exemplary embodiment of the invention, -
2nd a relationship between a closing time of a fuel injector and a viscosity of the fuel, -
3rd a relationship between an opening delay time of a fuel injector and the viscosity of the fuel, -
4th a relationship between the water content of the fuel and the viscosity of the fuel, and -
5 a comparison of the closing times of two fuel injectors of the internal combustion engine1 .
Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Die
Die Brennkraftmaschine
In die Brennräume
Die Zuleitung
Eine Regelung der Zumischung des Wassers und somit des Wasseranteils im Kraftstoff erfolgt mittels einer Regelvorrichtung
Zur Ermittlung des Wasseranteils des Kraftstoffs ist die Regelvorrichtung
Der genauere Zusammenhang zwischen dem Schaltverhalten der Kraftstoff-Injektoren
Die
Die
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Weiterhin ist in der
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Ab einem Zumischzeitpunkt
Wie außerdem in der
Aus der Differenz der Wasserabwesenheits-Zeitpunkte
Durch die Kenntnis des Wasseranteils
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