DE102019112181A1

DE102019112181A1 - Verbrennungsmotor mit Steuergerät zum Berechnen einer Ölverdünnung

Info

Publication number: DE102019112181A1
Application number: DE102019112181.7A
Authority: DE
Inventors: Joschka Schaub; Simon Keckstein; Markus Ehrly; Bucur Danut; Mehmet Basyigit
Original assignee: FEV Group GmbH
Current assignee: FEV Group GmbH
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2019-08-29
Also published as: DE102020002475A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Steuergerät zum Berechnen einer Ölverdünnung und ein Verfahren.
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (1), der zumindest einen Zylinder (2) mit einer Zylinderwand (3), einen Ölkreislauf (4) zur Schmierung des zumindest einen Zylinders (2) und ein Steuergerät (5) umfasst. Das Steuergerät (5) ist eingerichtet, die folgenden Schritte auszuführen:
- Berechnen eines Kraftstoffmassenstroms (S10), der einen Ölfilm an der Zylinderwand (3) erreicht,
- Aufteilen (S20) des berechneten Kraftstoffmassenstroms (S10) in volatile und nicht-volatile Komponenten des Kraftstoffs,
- Getrenntes Integrieren (S30) der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten,
- Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse (S40) in dem Ölfilm durch Aufsummieren der Massen von volatilen und nicht-volatilen Komponenten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Steuergerät zum Berechnen einer Ölverdünnung und ein Verfahren.
Aus der DE202015007222 ist ein Computerprogramm zum Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei das Computerprogramm einen Computercode umfasst, der die Schritte des Betreibens eines Kraftstoffinjektors, des Schätzens einer Ölverdünnungsrate mithilfe eines bestimmten Ölverdünnungskoeffizienten und eines bestimmten Ölverdünnungsfaktors und des Steuerns des Betriebs des Verbrennungsmotors auf Basis der Ölverdünnungsrate durchführt.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfasst zumindest einen Zylinder mit einer Zylinderwand, einen Ölkreislauf zur Schmierung des zumindest einen Zylinders und ein Steuergerät. Das Steuergerät ist eingerichtet, die folgenden Schritte auszuführen:

- Berechnen eines Kraftstoffmassenstroms, der einen Ölfilm an der Zylinderwand erreicht,
- Aufteilen des berechneten Kraftstoffmassenstroms in volatile und nicht-volatile Komponenten des Kraftstoffs,
- Getrenntes Integrieren der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten, und
- Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse in dem Ölfilm durch Aufsummieren der Massen von volatilen und nicht-volatilen Komponenten.

Eine Ölverdünnung beschreibt den Eintrag von Kraftstoff in den Ölkreislauf eines Verbrennungsmotors. Dadurch sinkt die Schmierfähigkeit des Öls und kann zu einem Motorschaden führen. Aus dem Kraftstoffeintrag kann auch ein Öllevelanstieg resultieren, der eine unkontrollierte Ölverbrennung verursachen kann und damit ein Sicherheitsrisiko darstellt. Für Dieselmotoren sind insbesondere Nacheinspritzungen von Kraftstoff für die Ölverdünnung maßgeblich. Dadurch, dass das Steuergerät die volatilen und nicht-volatilen Komponenten des Kraftstoffs getrennt berücksichtigt, kann eine vorteilhafte Genauigkeit beim Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse in dem Ölfilm erreicht werden. Bevorzugt wird neben der gesamten Kraftstoffmasse auch der Anteil an Kraftstoff in dem Öl bestimmt. Anhand der berechneten, gesamten Kraftstoffmasse kann die Ölverdünnung während des Motorbetriebs bestimmt werden. Die bestimmte Ölverdünnung kann genutzt werden, um einen notwendigen Ölwechsel zu erkennen und/oder um den Betrieb des Verbrennungsmotors so zu beeinflussen, dass eine weitere Ölverdünnung reduziert wird.
Vorzugsweise umfasst der Verbrennungsmotor einen Injektor. Der Injektor ist ausgebildet, zumindest eine Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder durchzuführen. Das Steuergerät ist eingerichtet, die Schritte des Berechnens eines Kraftstoffmassenstroms, des Aufteilens, des getrennten Integrierens und des Berechnens der gesamten Kraftstoffmasse für die zumindest eine Einspritzung durchzuführen. Dadurch, dass die Schritte für die zumindest eine Einspritzung durchgeführt werden, können Charakteristika der zumindest einen Einspritzung berücksichtigt werden. Bevorzugt ist der Injektor ausgebildet, zumindest zwei Einspritzungen pro Verbrennungszyklus des Verbrennungsmotors durchzuführen. Besonders bevorzugt wird zumindest eine Nacheinspritzung durchgeführt. Die zumindest eine Nacheinspritzung ist dadurch charakterisiert, dass sie zeitlich nach einer Haupteinspritzung, die den größten Anteil einer insgesamt pro Verbrennungszyklus einspritzten Kraftstoffmasse enthält, durchgeführt wird.
Vorzugsweise ist das Steuergerät eingerichtet, für die Berechnung des Kraftstoffmassenstroms die folgenden Schritte durchzuführen:

- Bestimmen einer Dichte eines Gases in dem Zylinder zum Zeitpunkt der zumindest einen Einspritzung,
- Bestimmen eines initialen Wertes für den Kraftstoffmassenstrom unter Berücksichtigung der eingespritzten Kraftstoffmasse und der bestimmten Dichte,
- Korrigieren des initialen Wertes für den Kraftstoffmassenstrom.

Dadurch, dass physikalische Eigenschaften wie die Dichte des Gases und die eingespritzte Kraftstoffmasse für das Bestimmen des initialen Wertes verwendet werden, können die Genauigkeit gegenüber tabellenbasierten Ansätzen erhöht und individuelle Charakteristika einer Einspritzung berücksichtigt werden. Durch das Korrigieren können Einflüsse weiterer physikalischer Eigenschaften und/oder anderer Störgrößen für das Berechnen des Kraftstoffmassenstroms verwendet werden.
Vorzugsweise ist das Steuergerät eingerichtet, zumindest einen der Schritte iterativ durchzuführen. Dadurch kann die Genauigkeit des zumindest einen Schritts erhöht werden. Bevorzugt werden alle Schritte iterativ durchgeführt, so dass die Schritte für zumindest zwei Einspritzungen durchgeführt werden können und/oder eine höhere Genauigkeit bei der Berechnung der gesamten Kraftstoffmasse in dem Ölfilm ermöglicht wird. Besonders bevorzugt wird alternativ oder zusätzlich zur iterativen Durchführung aller Schritte das getrennte Integrieren der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten iterativ durchgeführt. Dadurch kann die aktuelle Ölverdünnung berücksichtigt werden, die eine Ausdampfung von Kraftstoff aus dem Öl beeinflusst.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors und
2 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten, die von einem Steuergerät gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ausgeführt werden.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 umfassend zumindest einen Zylinder 2 mit einer Zylinderwand 3, einen Ölkreislauf 4 zur Schmierung des zumindest einen Zylinders 2 und ein Steuergerät 5. Das Steuergerät 5 ist eingerichtet, die folgenden Schritte auszuführen:

- Berechnen eines Kraftstoffmassenstroms S10, der einen Ölfilm an der Zylinderwand 3 erreicht,
- Aufteilen S20 des berechneten Kraftstoffmassenstroms S10 in volatile und nicht-volatile Komponenten des Kraftstoffs,
- Getrenntes Integrieren S30 der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten und
- Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse S40 in dem Ölfilm durch Aufsummieren der Massen von volatilen und nicht-volatilen Komponenten.

Der Verbrennungsmotor 1 umfasst einen Injektor 6. Der Injektor 6 ist ausgebildet, Einspritzungen von Kraftstoff in den Zylinder 2 durchzuführen. Hier werden 3 Nacheinspritzungen durchgeführt, für die das Steuergerät 5 eingerichtet ist, die Schritte S10, S20, S30 und S40 durchzuführen.
Für die Berechnung des Kraftstoffmassenstroms S10 werden die folgenden Schritte für jede Nacheinspritzung durchgeführt:

- Bestimmen einer Dichte S11 eines Gases in dem Zylinder 3 zum Zeitpunkt der jeweiligen Nacheinspritzung,
- Bestimmen eines initialen Wertes S12 für den Kraftstoffmassenstrom unter Berücksichtigung einer eingespritzten Kraftstoffmasse und der bestimmten Dichte S11 und
- Korrigieren S13 des bestimmten initialen Wertes S12 für den Kraftstoffmassenstrom.

Das Bestimmen der Dichte S11 erfolgt mit dem idealen Gasgesetz. Dafür werden ein Zylinderdruck, eine Gastemperatur im Zylinder 3 und eine spezifische, ideale Gaskonstante für das im Zylinder 3 befindliche Gas ermittelt. Das Ermitteln dieser Größen wird zu Beginn der jeweiligen Nacheinspritzung durchgeführt. Zusätzlich wird das zu Beginn der jeweiligen Nacheinspritzung vorliegende Volumen des Zylinders bestimmt. Hierbei werden auch Einflüsse durch Motordrehzahl und indizierten Mitteldruck durch einen Korrekturfaktor in der Volumenberechnung berücksichtigt.
Der initiale Wert S12 für den Kraftstoffmassenstrom einer Nacheinspritzung, der den Ölfilm an der Zylinderwand 3 erreicht, wird aus einem Kennfeld in Abhängigkeit der Einspritzmenge der Nacheinspritzung und der bestimmten Dichte zu Beginn der Nacheinspritzung bestimmt. Die Korrektur S13 des bestimmten initialen Wertes für den Kraftstoffmassenstrom berücksichtigt die Temperatur des Gases im Zylinder 3, einen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 1, ein Brennverfahren, einen Einspritzdruck, eine Kühlmitteltemperatur und ein Verhältnis zwischen Einspritzzeitpunkt und einem kritischen Einspritzzeitpunkt.
Beim getrennten Integrieren S30 der Massenströme für die volatilen Komponenten des Kraftstoffs wird eine Ausdampfung des Kraftstoffs aus dem Ölfilm durch eine Ausdampfungsrate berücksichtigt. Die Ausdampfungsrate wird in Abhängigkeit von Motordrehzahl, indiziertem Mitteldruck, einer Öltemperatur und der aktuellen, volatilen Kraftstoffmasse im Ölfilm aus einem Kennfeld ausgelesen.
Beim Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse S40 wird ein initialer Anteil an Kraftstoff im Öl berücksichtigt, wenn bei einem Ölwechsel ein Teil des verdünnten Öls im Ölkreislauf verbleibt.
Das Steuergerät 5 ist eingerichtet, die Schritte S10, S20, S30 und S40 iterativ durchzuführen. Insbesondere werden die Schritte für jede der drei Nacheinspritzungen durchgeführt, da diese für die Ölverdünnung relevant sind. Zusätzlich wird das getrennte Integrieren der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten S30 iterativ durchgeführt, so dass die aktuelle Ölverdünnung bei der Berechnung der Ausdampfung von Kraftstoff aus dem Öl berücksichtigt wird. Die Berechnung der gesamten Kraftstoffmasse S40 erfolgt so lange kumulativ, bis ein Ölwechsel durchgeführt wird. Dadurch wird die Berechnung der gesamten Kraftstoffmenge, die sich innerhalb eines Ölwechselintervalls in dem Öl ansammelt, ermöglicht.
Der Verbrennungsmotor ist hier ein direkteinspritzender Dieselmotor. Das Ausführungsbeispiel ist nicht auf einen direkteinspritzenden Dieselmotor beschränkt. Alternativ kann beispielsweise ein anderer direkteinspritzender Verbrennungsmotor verwendet werden. Die Durchführung der Schritte S10, S20, S30 und S40 ist nicht auf die drei Nacheinspritzungen beschränkt. So kann die Anzahl der Nacheinspritzungen größer oder kleiner sein. Zusätzlich können auch Voreinspritzungen und/oder die Haupteinspritzung beim Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse S40 berücksichtigt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202015007222 [0002]

Claims

Verbrennungsmotor (1), umfassend zumindest einen Zylinder (2) mit einer Zylinderwand (3), einen Ölkreislauf (4) zur Schmierung des zumindest einen Zylinders (2) und ein Steuergerät (5), wobei das Steuergerät (5) eingerichtet ist, die folgenden Schritte auszuführen: - Berechnen eines Kraftstoffmassenstroms (S10), der einen Ölfilm an der Zylinderwand (3) erreicht, - Aufteilen (S20) des berechneten Kraftstoffmassenstroms (S10) in volatile und nicht-volatile Komponenten des Kraftstoffs, - Getrenntes Integrieren (S30) der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten, - Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse (S40) in dem Ölfilm durch Aufsummieren der Massen von volatilen und nicht-volatilen Komponenten.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, umfassend einen Injektor (6), wobei der Injektor (6) ausgebildet ist, zumindest eine Einspritzung von Kraftstoff in den Zylinder (2) durchzuführen und wobei das Steuergerät (5) eingerichtet ist, die Schritte für die zumindest eine Einspritzung durchzuführen.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (5) eingerichtet ist, für die Berechnung des Kraftstoffmassenstroms (S10) die folgenden Schritte durchzuführen: - Bestimmen einer Dichte (S11) eines Gases in dem Zylinder (3) zum Zeitpunkt der zumindest einen Einspritzung, - Bestimmen eines initialen Wertes (S12) für den Kraftstoffmassenstrom unter Berücksichtigung einer eingespritzten Kraftstoffmasse und der bestimmten Dichte (S11), - Korrigieren (S13) des bestimmten initialen Wertes (S12) für den Kraftstoffmassenstrom.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Korrektur (S13) des bestimmten initialen Wertes für den Kraftstoffmassenstrom eine Temperatur des Gases im Zylinder (3), einen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors (1), ein Brennverfahren, einen Einspritzdruck, eine Kühlmitteltemperatur und/oder ein Verhältnis zwischen Einspritzzeitpunkt und einem kritischen Einspritzzeitpunkt berücksichtigt.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim getrennten Integrieren (S30) der Massenströme für die volatilen Komponenten des Kraftstoffs eine Ausdampfung des Kraftstoffs berücksichtigt wird.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse (S40) ein initialer Anteil an Kraftstoff im Öl berücksichtigt wird.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (5) eingerichtet ist, zumindest einen der Schritte iterativ durchzuführen.
Verfahren zum Berechnen einer Menge eines Kraftstoffs, die innerhalb eines Zeitintervalls in einen Ölkreislauf eines Verbrennungsmotors (1) gelangt, umfassend die folgenden Schritte: - Berechnen eines Kraftstoffmassenstroms (S10), der einen Ölfilm an einer Zylinderwand (2) des Verbrennungsmotors (1) erreicht, - Aufteilen (S20) des berechneten Kraftstoffmassenstroms (S10) in volatile und nicht-volatile Komponenten des Kraftstoffs, - Getrenntes Integrieren (S30) der Massenströme der volatilen und nicht-volatilen Komponenten, - Berechnen der gesamten Kraftstoffmasse (S40) in dem Ölfilm durch Aufsummieren der Massen von volatilen und nicht-volatilen Komponenten.