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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines physikalischen Parameters von Kraftstoff im Rahmen eines Betriebs eines Kraftstoffversorgungssystems sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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In Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen können Kraftstoffversorgungssysteme mit einer Hochdruckpumpe eingesetzt werden, um eine möglichst optimale Kraftstoffversorgung, insbesondere für einen Hochdruckspeicher bzw. ein sog. Rail, aus dem der Kraftstoff dann mittels Kraftstoffinjektoren in die Brennkraftmaschine bzw. deren Brennräume eingebracht wird, zu erreichen.
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Um Kraftstoff aus einem Kraftstofftank effizient zur Hochdruckpumpe zu bringen, werden in einem solchen Kraftstoffversorgungssystem typischerweise eine oder ggf. auch mehrere Niederdruckpumpen, insbesondere sog. elektrische bzw. elektronische Kraftstoffpumpen, auch als Vorförderpumpen bezeichnet, eingesetzt.
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Während der Förderung des Kraftstoffs von einem Kraftstofftank bis hin zum Hochdruckspeicher wird der Kraftstoff typischerweise durch einen oder mehrere Kraftstofffilter hindurch gefördert, die in der Regel dafür vorgesehen sind, Verschmutzungen aus dem Kraftstoff zu entfernen bzw. herauszufiltern.
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Aus der
DE 10 2016 212 439 A1 ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, mit dem der Verschmutzungsgrad eines solchen Kraftstofffilters ermittelt werden kann, um so gezielt einen Zeitpunkt zum Wechsel des Kraftstofffilters bestimmen zu können. Methoden zur Viskositätsbestimmung von Kraftstoff gehen beispielsweise aus der
DE 10 2015 223 848 A1 oder der
DE 10 2010 038 840 A1 hervor.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines physikalischen Parameters von Kraftstoff sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln eines Wertes wenigstens eines physikalischen Parameters von Kraftstoff im Rahmen eines Betriebs eines Kraftstoffversorgungssystems für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, bei dem Kraftstoff durch einen Kraftstofffilter hindurch gefördert wird. Bei einem solchen Kraftstofffilter kann es sich um einen von mehreren Kraftstofffiltern im Kraftstoffversorgungssystem, beispielsweise einen Vorfilter oder einen Hauptfilter handeln. Als der wenigstens eine physikalische Parameter des Kraftstoffs kommen dabei insbesondere eine Dichte und/oder eine Viskosität des Kraftstoffs in Betracht, ggf. auch damit korrelierte Größen.
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Physikalische Parameter des Kraftstoffs wie Dichte und/oder Viskosität können bisher beispielsweise aufgrund veränderten Schaltverhaltens von Magnetventilen oder aufgrund veränderter Ansteuerparameter von Komponenten zur Kompensation veränderter Leckage, z.B. einer veränderten Drehzahl einer Vorförderpumpe, ermittelt werden. Eine geringere Viskosität erfordert beispielsweise eine höhere Drehzahl der Vorförderpumpe, um einen bestimmten Volumenstrom aufrechtzuerhalten bzw. bereitzustellen. Ein solches Vorgehen ist typischerweise jedoch aufwändig, nicht zuletzt aufgrund der vielen, insgesamt benötigten Größen und deren Messung, wozu teils auch geeignete Sensoren nötig sind.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden nun ein Wert einer Größe, die eine über den Kraftstofffilter abfallende Druckdifferenz charakterisiert, im Folgenden als eine eine über den Kraftstofffilter abfallende Druckdifferenz charakterisierende Größe bezeichnet, insbesondere die Druckdifferenz selbst, und ein Wert einer Temperatur des Kraftstoffs ermittelt. Hierzu sind typischerweise ein Differenzdrucksensor bzw. zwei Drucksensoren, einer vor und einer nach dem Kraftstofffilter, sowie ein Temperatursensor nötig. Wenn der Wert der die über den Kraftstofffilter abfallende Druckdifferenz charakterisierenden Größe zumindest einem vorgegebenen Schwellwert, insbesondere einem Druckdifferenzschwellwert, entspricht, wird basierend auf dem Wert der Temperatur des Kraftstoffs ein Wert wenigstens eines eine Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, charakterisierenden Parameters ermittelt.
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Darauf, ob der Wert der über den Kraftstofffilter abfallenden Druckdifferenz zumindest dem vorgegebenen Druckdifferenzschwellwert entspricht, kann aber anstatt über Messung des Drucks beispielsweise auch dadurch geschlossen werden, dass ein zum Betrieb einer Vorförderpumpe nötiger Strom, um einen bestimmten Volumenstrom zu erzeugen bzw. aufrechtzuerhalten, ansteigt, insbesondere über einen gewissen Schwellwert. Insofern kann als eine die über den Kraftstofffilter abfallende Druckdifferenz charakterisierende Größe auch ein zum Betrieb der Vorförderpumpe nötiger Strom verwendet werden.
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Generell verursacht ein Kraftstofffilter einen gewissen Druckabfall, d.h. einen Unterschied im Druck des Kraftstoffs vor und nach dem Kraftstofffilter. Insbesondere bei Dieselkraftstoff besteht bei niedrigen Temperaturen die Gefahr, dass ein solcher Kraftstofffilter versulzt, d.h. der Kraftstofffilter verstopft und ist nicht mehr oder nicht mehr hinreichend durchlässig für den Kraftstoff. Dies hat dabei nichts mit Verschmutzung oder Verunreinigung des Kraftstoffs zu tun, sondern beruht auf bestimmten Eigenschaften von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.
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Eine beginnende Versulzung ist daher an einer erhöhten Druckdifferenz am Kraftstofffilter zu erkennen. Mit anderen Worten deutet eine Druckdifferenz, die höher als eine bei regulärem Betrieb auftretende Druckdifferenz ist, auf eine beginnende Versulzung hin. Der erwähnte, vorgegebene Schwellwert, insbesondere Druckdifferenzschwellwert, kann also geeignet gewählt werden, beispielsweise etwas höher als die bei regulärem Betrieb auftretende Druckdifferenz (bzw. ein bei regulärem Betrieb nötiger Strom für die Vorförderpumpe). Die momentane Temperatur kann dann als Versulzungstemperatur bestimmt werden.
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Dabei kommen als der wenigstens eine, die Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, charakterisierende Parameter insbesondere ein Cloudpoint und/oder eine Filtrierbarkeitsgrenze des Kraftstoffs in Betracht, die insbesondere die Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, in Abhängigkeit von der Temperatur des Kraftstoffs angeben.
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Der Begriff Cloudpoint (CP; englisch: cloud point) bezeichnet dabei eine Kälteeigenschaft von Kraftstoff, insbesondere von Dieselkraftstoff (und auch Heizöl). Er bezeichnet die Temperatur in Grad Celsius, bei der ein blankes, flüssiges Produkt unter definierten Prüfbedingungen durch die Bildung von Paraffinkristallen trüb oder wolkig wird (sog. Tyndall-Effekt). Bei Dieselkraftstoff ist der Cloudpoint laut EN 590 nicht spezifiziert. Hersteller von Dieselkraftstoff haben jedoch oftmals eine interne Spezifikation, die -je nach Jahreszeit - beispielsweise von +5°C bis -9°C reichen kann.
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Der Begriff Filtrierbarkeitsgrenze bzw. „Cold Filter Plugging Point“ (CFPP; offiziell laut DIN: Temperaturgrenzwert der Filtrierbarkeit) bezeichnet ebenfalls eine Kälteeigenschaft von Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoffen (und auch von bestimmtem Heizöl)). Es ist die Temperatur in Grad Celsius, bei der ein Prüffilter unter definierten Bedingungen durch ausgefallene (n-)Paraffine verstopft. Bei dieser Methode wird die Probe insbesondere mit einer konstanten Rate abgekühlt und dabei in definierten Abständen durch einen Prüffilter befördert. Vor Erreichen der Filtrierbarkeitsgrenze bilden sich beim vorstehend erläuterten Cloudpoint bereits Kristalle, die jedoch noch durch den Filter passen. Nur wenn die Kristalle zu groß werden, verstopft der Filter.
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Anhand dieser Parameter kann also an sich gezielt für den aktuell verwendeten bzw. im Kraftstofftank und Kraftstoffversorgungssystem befindlichen Kraftstoff beurteilt werden, wann in etwa mit einem Versulzen des Kraftstofffilters zu rechnen ist bzw. wann das Risiko dafür steigt. Umgekehrt kann aber eben auch vom Beginn des Versulzens bzw. der dann vorherrschenden Temperatur des Kraftstoffs (Versulzungstemperatur) auf die entsprechenden Parameter geschlossen werden.
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Bevorzugt ist es, wenn der Wert des wenigstens einen die Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, charakterisierenden Parameters weiterhin basierend auf wenigstens einem, ein Versulzungsverhalten des Kraftstofffilters charakterisierenden Parameters oder einer entsprechenden Eigenschaft ermittelt wird. Wenngleich die Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, von der Temperatur abhängig ist und mit sinkender Temperatur steigt, kann das Risiko, dass der Kraftstofffilter versulzt bzw. dessen Beginn auch von Eigenschaften des Kraftstofffilters selbst abhängen. Beispielswiese führt ein Kraftstofffilter mit größeren Poren dazu, dass das Versulzen erst bei niedrigeren Temperaturen beginnt. Solche, das Versulzungsverhalten des Kraftstofffilters charakterisierende Parameter können beispielsweise anhand von Testmessungen für einen bestimmten Typ von Kraftstofffilter ermittelt werden. Beispielsweise kann für einen bestimmten Typ von Kraftstofffilter gelten, dass bei einer Temperatur von 5K unterhalb des Werts des Cloudpoints bei dem betreffenden Differenzdruck das Versulzen beginnt.
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Anhand des Wertes des wenigstens einen die Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, charakterisierenden Parameters wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren dann ein Wert des physikalischen Parameters des Kraftstoffs ermittelt.
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Hierbei wurde erkannt, dass es einen Zusammenhang zwischen den Parametern bzw. Größen Dichte und/oder Viskosität des Kraftstoffs (in Abhängigkeit von der Temperatur) einerseits und den Parametern bzw. Größen Cloudpoint und/oder Filtrierbarkeitsgrenze andererseits gibt. Es kann also anhand von einfach zu ermittelnden Größen, insbesondere nur zwei Größen, nämlich Druckdifferenz und der Temperatur, des Kraftstoffs, auf Parameter wie die Dichte und/oder die Viskosität geschlossen werden. Dieses Vorgehen ist dabei auch unabhängig von einer konkreten Ausführung eines Einspritzsystems für die Brennkraftmaschine. Insbesondere kann aus dem Cloudpoint und/oder der Filtrierbarkeitsgrenze auf die Dichte und/oder die Viskosität des Kraftstoffs für eine bestimmte Temperatur bzw. die Temperaturabhängigkeit der Dichte und/oder der Viskosität geschlossen werden. Hierfür können beispielsweise entsprechende mathematische Datenmodelle verwendet werden, die mithilfe von maschinellem Lernen auf der Basis von Kraftstoffmessdaten erstellt werden. Alternativ können auch im Motorsteuergerät hinterlegte Korrelationen (z.B. Korrelation von Cloud Point und Viskosität) in Form von Kennfeldern verwendet werden.
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Basierend auf dem Wert des wenigstens einen physikalischen Parameters des Kraftstoffs können dann weiterhin auch einer oder mehrere Ansteuerparameter des Einspritzsystems der Brennkraftmaschine angepasst werden, beispielsweise eine Ansteuerdauer der Kraftstoffinjektoren, um bei veränderter Viskosität weiterhin die gleiche Menge an Kraftstoff einbringen zu können.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Wert des wenigstens einen physikalischen Parameters des Kraftstoffs nur dann ermittelt wird (und damit das vorgeschlagene Vorgehen nur dann angewendet bzw. durchgeführt wird), wenn der Wert der Temperatur des Kraftstoffs unterhalb eines vorgegebenen Temperaturschwellwertes liegt. Hierbei wird berücksichtigt, dass das Risiko einer Versulzung typischerweise nur bei niedrigen Temperaturen auftritt. So ist bei Temperaturen des Kraftstoffs von über +10°C beispielsweise das Risiko einer Versulzung nicht vorhanden. Somit wird das Verfahren nicht unnötig angewendet.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Kraftstoffversorgungssystem für eine Brennkraftmaschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein beispielhaftes Kraftstoffversorgungssystem 10 für eine Brennkraftmaschine 40 gezeigt. Dieses umfasst beispielhaft eine als elektrische Kraftstoffpumpe ausgebildete Niederdruckpumpe 14, mittels welcher Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 12 entnommen und über ein Rückschlagventil 23 und einen Kraftstofffilter 13 zu einer Hochdruckpumpe 15 und dort insbesondere einen Förderraum 17, gefördert werden kann.
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Der Bereich vor der Hochdruckpumpe 15 stellt somit einen Niederdruckbereich dar. Mittels eines Sensors bzw. Drucksensors 21 kann ein Druck des Kraftstoffs nach dem Kraftstofffilter 13 ermittelt werden, mittels eines Sensors bzw. Drucksensors 22 kann entsprechend ein Druck des Kraftstoffs vor dem Kraftstofffilter 13 ermittelt werden, jeweils in Richtung der Kraftstoffdurchströmung betrachtet. Mit den beiden Drucksensoren 21, 22 zusammen kann somit eine über den Kraftstofffilter 13 abfallende Druckdifferenz ermittelt werden.
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Die Hochdruckpumpe 15 ist in der Regel mit der Brennkraftmaschine 40 bzw. deren Nocken- oder Kurbelwelle in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis verbunden und kann damit angetrieben werden. Die Hochdruckpumpe 15 weist beispielhaft ein Steuerventil 16 auf, mittels welchem Kraftstoff in den Förderraum eingelassen werden kann. Der Ausgang der Hochdruckpumpe 15 ist mit einem Hochdruckspeicher 18, dem sog. Rail, verbunden, an dem eine Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren 19 als Teil eines Einspritzsystems angeschlossen ist.
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Über die Kraftstoffinjektoren 19 wiederum kann Kraftstoff in die Brennkraftmaschine 40 eingebracht werden. Weiterhin können am Hochdruckspeicher 18 ein Druckregelventil (nicht gezeigt) und ein Drucksensor 20 vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, einen Druck im Hochdruckspeicher 18 zu erfassen.
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Eine etwaige Rücklaufmenge von Kraftstoff an den Kraftstoffinjektoren kann über eine Rücklaufleitung 30 in den Kraftstofftank 12 zurückgeführt werden. In der Rücklaufleitung 30 kann dabei nach den Kraftstoffinjektoren 19 ein Rückschlagventil 28 vorgesehen sein. An einem Anschlusspunkt zwischen der Niederdruckpumpe 14 und der Hochdruckpumpe 15 zweigt eine Bypass-Leitung 31 zur Rücklaufleitung 30 ab, in der eine Drossel 25, stellvertretend für die Drosselwirkung der Bypass-Leitung 31 oder eines anderen drosselnden Elements 25, eingezeichnet ist.
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Weiterhin ist eine als Steuergerät ausgebildete Recheneinheit 80 gezeigt, die beispielhaft dazu eingerichtet ist, die Brennkraftmaschine 40 bzw. die Kraftstoffinjektoren 19, die Hochdruckpumpe 15 mit dem Steuerventil 16 und die Niederdruckpumpe 14 anzusteuern.
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Weiterhin kann das Steuergerät 80 beispielsweise Signale der Drucksensoren 20, 21 und 22 einlesen und so den Druck im Hochdruckspeicher 18 bzw. die Drücke vor und nach dem Kraftstofffilter erfassen und verarbeiten. Weiterhin kann das Steuergerät 80 beispielsweise Signale eines Drehzahlsensors 34 zum Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und einen Temperatursensor 35 zum Erfassen der Temperatur des Kraftstoffs einlesen.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind beispielhaft in einem Ablaufdiagramm eine über den Kraftstofffilter abfallende Druckdifferenz Δp und eine Temperatur T des Kraftstoffs dargestellt. Zu diesen beiden Größen werden entsprechende, aktuelle Werte, wie vorstehend erläutert, ermittelt.
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Um unnötige Durchläufe des Verfahrens zu vermeiden, ist vorgesehen, dass das Verfahren nur durchgeführt wird, wenn die Temperatur T des Kraftstoffs unterhalb eines Temperaturschwellwertes Ts liegt.
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Wenn dann die Druckdifferenz Δp größer als ein Druckdifferenzschwellwert Δps ist, werden basierend auf der Druckdifferenz Δp und der Temperatur T des Kraftstoffs Werte für einen Cloudpoint CP und eine Filtrierbarkeitsgrenze F des Kraftstoffs als eine Neigung des Kraftstoffs, Paraffin auszuscheiden, charakterisierende Parameter ermittelt. Beispielsweise kann sich in früheren Testreihen gezeigt haben, dass für den verwendeten Typ von Kraftstofffilter der Cloudpoint CP 5K über der Versulzungstemperatur liegt. Vergleichbare Zusammenhänge lassen sich auch für die Filtrierbarkeitsgrenze F (oftmals auch als CFPP abgekürzt) ermitteln. Aus diesen Werten CP und/oder F wiederum werden dann Werte für eine Dichte p und/oder eine Viskosität η des Kraftstoffs als physikalische Parameter beispielsweise unter Verwendung entsprechender Modelle ermittelt.
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Basierend auf diesen Werten für die physikalischen Parameter können dann weiterhin Ansteuerparameter A des Einspritzsystems der Brennkraftmaschine angepasst werden.
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Die Ermittlung von Dichte und/oder Viskosität und auch die darauf basierende Anpassung der Ansteuerparameter kann dabei wiederholt, ggf. auch kontinuierlich vorgenommen werden. Denkbar und bevorzugt ist es auch, zumindest nach einem Betankungsvorgang eine solche Ermittlung der Versulzungstemperatur vorzunehmen, sodass möglichst immer für den aktuell verwendeten Kraftstoff Werte für Dichte und/oder Viskosität vorliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016212439 A1 [0005]
- DE 102015223848 A1 [0005]
- DE 102010038840 A1 [0005]
