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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln wenigstens eines physikalischen Parameters eines Fluids oder eines Fluidgemisches wie z.B. Kraftstoff sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Moderne Brennkraftmaschinen verfügen über Kraftstoffinjektoren, mit denen Kraftstoff gezielt in Brennräume eingebracht werden kann. Für eine genaue Steuerung der Brennkraftmaschine müssen charakteristische Zeitpunkte der Einspritzvorgänge, insbesondere ein Öffnen und Schließen der Einspritzventile der Kraftstoffinjektoren, möglichst genau erfasst werden.
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Bei Kraftstoffinjektoren, bei denen das Öffnen und Schließen direkt durch Magnetventile, Piezo-Aktoren oder dergleichen erfolgt, können zum Erfassen solcher charakteristischer Zeitpunkte oft die elektrischen Ansteuergrößen verwendet werden.
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Bei Kraftstoffinjektoren hingegen, bei denen zunächst ein Servo-Ventil angesteuert wird, besteht kein direkter Zusammenhang zwischen den elektrischen Ansteuergrößen des Kraftstoffinjektors und den Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkten des Einspritzventils. Daher werden bei solchen Kraftstoffinjektoren zusätzliche Sensoren, die beispielsweise den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum oder an einer Hochdruckbohrung des Kraftstoffinjektors erfassen, verwendet.
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Systeme mit einem Sensor zum Erfassen von charakteristischen Zeitpunkten bei einem Einspritzvorgang bei den letztgenannten Kraftstoffinjektoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2015 201 512 A1 bekannt.
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Auch wenn auf diese Weise Einspritzdauern sehr genau bestimmt werden können, ist das Einbringen der richtigen bzw. gewünschten Kraftstoffmenge auch von der Kraftstoffsorte bzw. verschiedenen physikalischen Parametern von Kraftstoff abhängig.
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Aus der
DD 297 239 A5 ist ein Verfahren bekannt, bei dem unter Verwendung von Ultraschallsensoren eine Schallgeschwindigkeit in einem Fluid ermittelt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln wenigstens eines physikalischen Parameters eines Fluids oder eines Fluidgemisches 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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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Ermitteln wenigstens eines physikalischen Parameters eines Fluids oder eines Fluidgemisches, insbesondere von mechanischen und akustischen Eigenschaften. Unter einem Fluidgemisch kann sowohl ein Gemisch von zwei oder mehr verschiedenen Fluiden als auch ein Gemisch aus einem oder mehreren Fluiden mit einem oder mehreren verschiedenen Feststoffen (bzw. Partikeln) verstanden werden. Wenngleich die Erfindung vorwiegend in Bezug auf Kraftstoff als Fluid beschrieben wird, so eignet sich das vorgeschlagene Verfahren auch für jegliche anderen Fluide bzw. Fluidgemische.
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Bei dem Verfahren werden zwei örtlich voneinander getrennt angeordnete Drucksensoren verwendet. Es wird dann zunächst an einem Erzeugungspunkt, der in Bezug auf eine örtliche Ausbreitung der Druckänderung in dem Fluid oder in dem Fluidgemisch unterschiedlich weit von den zwei Drucksensoren entfernt gelegen ist, eine Druckänderung in dem Fluid oder in dem Fluidgemisch erzeugt. Eine solche Druckänderung breitet sich im Sinne einer Druckwelle in dem Fluid bzw. Fluidgemisch in der Regel in alle Richtungen aus, soweit sie nicht durch Begrenzungen wie Behälterwände oder Schläuche, in denen das Fluid vorgehalten ist, begrenzt werden. Durch die erwähnte Anordnung der zwei Drucksensoren erreicht diese Druckwelle die zwei Drucksensoren also zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Mittels jedes der zwei Drucksensoren wird dabei jeweils ein Signal der Druckänderung erfasst. Dann wird basierend auf einem Vergleich der zwei Signale, der zumindest einen Vergleich der Amplituden der zwei Signale umfasst, der wenigstens eine physikalische Parameter ermittelt.
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Bevorzugt umfasst der wenigstens eine physikalische Parameter eine Schallgeschwindigkeit in dem Fluid oder in dem Fluidgemisch. Diese Schallgeschwindigkeit wird dann basierend auf einer Differenz der Abstände der zwei Drucksensoren, in Bezug auf die örtliche Ausbreitung der Druckänderung in dem Fluid oder in dem Fluidgemisch, zu dem Erzeugungspunkt und basierend auf einem Laufzeitunterschied der Druckänderung vom Erzeugungspunkt zu den zwei Drucksensoren ermittelt.
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Ebenso ist es bevorzugt, wenn der wenigstens eine physikalische Parameter eine Viskosität des Fluids oder des Fluidgemischs oder eine für die Viskosität charakteristische Größe umfasst. Die Viskosität bzw. die dafür charakteristische Größe wird dann basierend auf einem Unterschied einer Amplitude der zwei mittels der Drucksensoren erfassten Signale ermittelt. Hierbei wird zweckmäßigerweise auch eine Temperatur des Fluids bzw. Fluidgemischs mit berücksichtigt.
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Vorzugsweise werden die gesamten Vorgänge bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt. Auch kann es zweckmäßig sein, diese Vorgänge mehrmals für jeweils unterschiedliche Temperaturen durchzuführen, um Werte der Parameter für verschiedene Temperaturen zu erhalten.
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Wie schon erwähnt, ist es bevorzugt, wenn als Fluid Kraftstoff in einem Kraftstoffversorgungssystem einer Brennkraftmaschine verwendet wird, wobei als Drucksensoren zwei verschiedenen Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine zugeordnete Sensoren verwendet werden, die insbesondere dafür vorgesehen sind, ein Schließen und/oder ein Öffnen des jeweiligen Kraftstoffinjektors zu erfassen (z.B. sog. NCS-Sensoren), und wobei die Druckänderung in dem Kraftstoff mittels einer Einspritzung von Kraftstoff durch einen der zwei Kraftstoffinjektoren oder einen weiteren Kraftstoffinjektor erzeugt wird. Basierend auf dem wenigstens einen Parameter des Kraftstoffs können dann Ansteuerparameter für die Kraftstoffinjektoren bestimmt werden, insbesondere ausgewählt aus: Ansteuerdauer, Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt. Grundsätzlich sind die Schallgeschwindigkeit und die Viskosität auch Parameter, die für eine Kraftstoffsorte charakteristisch sind, die auf diese Weise also ebenfalls bestimmt werden kann.
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Die von einem Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine abgegebene Kraftstoff- bzw. Einspritzmenge ist u.a. abhängig von der Kraftstoffsorte und der Temperatur des Kraftstoffs. Selbst bei idealer Vorgabe bzw. Einregelung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte bzw. der aus den Signalen der NCS-Sensoren ermittelten Werte kann es zu Fehlern bei der von den Kraftstoffinjektoren abgegebenen Kraftstoffmengen kommen, da die Druckverläufe (im Kraftstoffversorgungssystem) abhängig von der Schallgeschwindigkeit, der Dichte und der Viskosität sind. Die Temperatur im Hochdruckpfad des Kraftstoffversorgungssystems kann zwar über Temperaturmodelle und/oder Temperatursensoren relativ genau bestimmt werden, allerdings ist das Erkennen einer anderen Kraftstoffsorte nach Betankung bisher nicht möglich.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann genau dies aber nun ermöglicht werden, indem die Schallgeschwindigkeit und die Viskosität unabhängig voneinander aus dem Signal zweier räumlich bzw. örtlich getrennter Drucksensoren bestimmt werden und durch die Kombination dieser Stoffwerte mit der gemessenen Temperatur die getankte Kraftstoffsorte bzw. deren für die Einspritzung relevanten Eigenschaften bzw. physikalischen Parameter erkannt bzw. bestimmt werden können.
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Das Messverfahren ist nicht auf Common-Rail-Injektoren oder auch nur allgemein auf Kraftstoffinjektoren beschränkt, sondern kann allgemein zur Charakterisierung bzw. Identifikation von Fluiden bzw. Fluidmischungen angewendet werden, wie vorstehend schon erwähnt. Es können somit beispielsweise die Anteile von Einzelfluiden in einer Fluidmischung ermittelt werden, da die Zusammenhänge von Schallgeschwindigkeit und Viskosität über der Temperatur eine Art physikalischen Fingerabdruck darstellen.
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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 einer Brennkraftmaschine, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch Signalverläufe bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein Kraftstoffversorgungssystem 100 einer Brennkraftmaschine 110 dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Das Kraftstoffversorgungssystem weist (u.a.) beispielhaft einen Hochdruckspeicher 130 (auch also sog. Rail bezeichnet) sowie vier Kraftstoffinjektoren 131, 132, 133 und 134 auf, die von dem Hochdruckspeicher 130 über entsprechende Kraftstoffleitungen 135 mit Kraftstoff 140 (als ein Fluid) versorgt werden.
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Den Kraftstoffinjektoren sind jeweils Drucksensoren zugeordnet, mittels welcher Druckänderungen im Kraftstoff (soweit dieser sich in der Nähe der Drucksensoren befindet) erfasst werden können. Solche Drucksensoren werden auch als sog. NCS oder Needle-Closing-Sensoren bezeichnet und sind an sich bekannt. Beispielhaft ist nur an den Kraftstoffinjektoren 131 und 133 jeweils ein solcher Drucksensor 150 gezeigt, es versteht sich jedoch, dass typischerweise an jedem Kraftstoffinjektor ein solcher Drucksensor vorhanden ist. Außerdem ist mit 160 eine Düse des Kraftstoffinjektors 131 bezeichnet.
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Weiterhin ist eine als Steuergerät bzw. Motorsteuergerät ausgebildete Recheneinheit 190 vorgesehen, mittels welcher nicht nur die Kraftstoffinjektoren angesteuert werden können, sondern auf der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar bzw. ausführbar ist.
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In 2 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Zunächst wird in einem Schritt 200 eine Druckänderung in dem Kraftstoff erzeugt, und zwar z.B. durch eine Einspritzung mittels eines der Kraftstoffinjektoren. Hierbei handelt es sich dann um einen sog. Joukowsky-Druckstoß bzw. Wasserschlageffekt. Damit wird diese Änderung z.B. an der Düse 160 des Kraftstoffinjektors 131 gemäß 1 erzeugt.
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Diese Druckänderung breitet sich (als Druckwelle) im Kraftstoff dann aus und erreicht sowohl den Drucksensor im Kraftstoffinjektor 131 gemäß 1 als auch - aber zeitlich später - den Drucksensor im Kraftstoffinjektor 133 (sowie die Drucksensoren in den Kraftstoffinjektoren 132 und 134). Die zugehörigen, von den Drucksensoren erfassten Signale, hier beispielsweise nur S1 und S2 , werden in einem Schritt 210 erfasst bzw. aufgezeichnet.
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In einem Schritt 220 werden dann basierend auf einem Vergleich der beiden Signale S1 und S2 sowie unter Berücksichtigung einer aktuellen Temperatur T des Kraftstoffs eine Viskosität η sowie eine Schallgeschwindigkeit v im Kraftstoff als Parameter ermittelt bzw. bestimmt.
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In 3 sind schematisch Signalverläufe bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist jeweils eine Amplitude A über einer Zeit t aufgetragen.
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Im oberen Diagramm ist hierzu das Signal S1 des dem Kraftstoffinjektor 131 gemäß 1 zugeordneten Drucksensors zu sehen. Eine (maximale) Amplitude des Signals S1 ist hier mit A1 bezeichnet. In dem mittleren und dem unteren Diagramm sind jeweils Signale S2 des dem Kraftstoffinjektor 133 gemäß 1 zugeordneten Drucksensors zu sehen, wobei jeweils mehrere Signale für unterschiedliche Laufzeit (Mitte) bzw. unterschiedliche Amplitude (unten) gezeigt bzw. angedeutet sind. Dabei nimmt die Laufzeit mit sinkender Schallgeschwindigkeit zu; die Amplitude mit steigender Viskosität ab. Eine beispielhafte (maximale) Amplitude des Signals S2 ist hier mit A2 bezeichnet.
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Zunächst ist - wie insbesondere im mittleren Diagramm zu sehen - das Signal S2 bzw. das Erreichen der maximalen Amplitude gegenüber dem Signal S1 zeitlich verzögert, und zwar um Δt. Der Grund hierfür liegt in der längeren Laufzeit der Druckänderung bzw. der Druckwelle bis zum weiter entfernen Drucksensor. Außerdem ist mit dem Verlauf des Signals S2 im mittleren Diagramm angedeutet, dass das Signal umso mehr zeitlich verzögert ist, je höher die Dichte des Kraftstoffs ist. Eine höhere Dichte führt nämlich zu einer geringeren Schallgeschwindigkeit.
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Die Schallgeschwindigkeit c(T), die auch von der Temperatur T des Kraftstoffs bzw. allgemein des Fluids oder Fluidgemischs abhängt, ergibt sich dann gemäß:
wobei x
1 und x
2 die (örtlichen bzw. geometrischen) Abstände der beiden Drucksensoren vom Erzeugungspunkt (in
1 bei 160) angeben. Die Zeitdifferenz Δt ist dabei typischerweise auch von der Temperatur T abhängig.
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Im unteren Diagramm ist angedeutet, dass sich die (maximale) Amplitude mit zunehmender Viskosität reduziert. Der Druckstoß wird somit also stärker gedämpft, je höher die Viskosität ist. Aus dem Vergleich der Amplituden A1 und A2 zueinander lässt sich die Viskosität bzw. eine Ersatzgröße hierzu ermitteln. Je stärker sich die (maximalen) Amplituden der beiden Signale (bei bekannten Abständen x1, x2) sowie bekannter Temperatur T voneinander unterscheiden, umso höher ist die Viskosität.
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Durch Auswertung von Zeit- und Amplitudenänderung bei bekannter Temperatur und Vergleich der Werte mit z.B. im ausführenden Steuergerät abgelegten Referenzwerten kann somit die Kraftstoffsorte bestimmt werden. Denkbar ist, dass daraus auch andere im Steuergerät hinterlegte Ansteuerkennfelder oder Diagnosefunktionen abgeleitet bzw. angepasst werden.
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Dieser Zusammenhang kann vor allem in Ländern mit schlechter Kraftstoffqualität von Bedeutung sein, da dadurch Schäden am Einspritzsystem sowie Funktionsabweichungen verhindert bzw. reduziert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201512 A1 [0005]
- DD 297239 A5 [0007]
