DE19849115C2 - Verfahren zur Erkennung der Qualität von Kraftstoff für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur Erkennung der Qualität von Kraftstoff für Brennkraftmaschinen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Qualität von Kraftstoffen für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 195 13 307 C2 bekannt, wonach zur Erkennung der Charakteristik von Kraftstoffen die insgesamt zugeführte Kraftstoffmenge von einem Anlaßvorgang der Brennkraftmaschine bis zum erkannten Beginn eines Zündvorganges ermittelt wird. Weiterhin wird die Zeitdauer ermittelt vom erkannten Beginn eines Zündvorganges bis zum erkannten Ende des Zündvorganges. Die Charakteristik des Kraftstoffes soll dann ermittelt werden anhand der ermittelten insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge sowie der ermittelten Zeit.
Problematisch dürfte bei diesem Verfahren sein, daß die Kraftstoffmenge, die bei diesem Verfahren ermittelt und der Auswertung zugrunde gelegt wird, entscheidend von der Betriebszeit der Brennkraftmaschine seit dem letzten Anlaßvorgang abhängt. Die ermittelte Kraftstoffmenge wird gleichsam aufintegriert, während die Zeitdauer der Verbrennungsvorgänge zumindest nach Beendigung der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine unter sonst gleichen Bedingungen (Last, Drehzahl) konstant sein dürfte. Bei der Vorgehensweise nach diesem Verfahren ändert sich also die erkannte Charakteristik des Kraftstoffes abhängig von der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Erkennung der Qualität von Kraftstoffen für Brennkraftmaschinen vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst, wonach während Verbrennungsvorgängen das Ionenstromsignal hinsichtlich seines Energieinhaltes ausgewertet wird, um wenigstens einen im Kraftstoff vorhandenen Bestandteil seiner Art nach zu erkennen.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß einzelne Bestandteile von Kraftstoffen bei Verbrennungsvorgängen in einer Brennkraftmaschine zu einem signifikanten Anstieg des Energieinhaltes des Ionenstromsignales führen. Indem also der Energieinhalt des Ionenstromsignals ausgewertet wird, können diese Bestandteile also zumindest ihrer Art nach erkannt werden.
Vorteilhaft zeigt sich dabei in Kenntnis der Erfindung, daß die Auswertungsmöglichkeiten eines gemessenen Ionenstromsignals gegenüber dem Stand der Technik erweitert werden können. Aus der DE 34 45 539 C2 sowie der DE 196 14 338 C1 ist es jeweils bekannt, durch eine Auswertung des Ionenstromsignals eine Einstellung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses sowie eine Einstellung des Zündzeitpunktes vorzunehmen. Insbesondere in Verbindung mit dieser Vorgehensweise ist eine Messung des Ionenstromsignals hinreichend, um erfindungsgemäß die weitere Auswertung des Ionenstromsignals vornehmen zu können.
Aus der WO 97/13978 ist eine Schaltungsanordnung zur Durchführung einer Ionenstrommessung bekannt. Dabei wird über eine Variation des Stromflusses das in der Zündspule induzierte Magnetfeld variiert. Diese Änderung des Magnetfeldes führt zu Änderungen des Stromes, der als Ionenstrom messbar ist. Nach der WO 97/13978 soll der Verbrennungsprozess untersucht werden. Parameter des Verbrennungsprozesses sind beispielsweise der Zündzeitpunkt oder die Frage ob und inwieweit der Kraftstoff vollständig verbrannt ist.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 2 wird der wenigstens eine im Kraftstoff vorhandene Bestandteil durch die Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignales seinem Anteil nach erkannt.
Dadurch kann vorteilhaft erkannt werden, ob der Anteil dieses Bestandteiles innerhalb eines Toleranzbandes liegt. Es ist also möglich, die Qualität des Kraftstoffes vergleichsweise genau zu bestimmen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 kann wenigstens ein zu erkennender Bestandteil ein Alkalimetall sein.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 4 kann wenigstens ein zu erkennender Bestandteil Blei sein.
Nach diesen beiden Ansprüchen können also insbesondere schädliche Bestandteile erkannt werden.
Die Ansprüche 5 und 6 betreffen Vorgehensweisen zur Bestimmung des Energieinhaltes des Ionenstromsignals.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 5 wird dabei die Amplitude des Ionenstromsignals ausgewertet.
Zur Bestimmung der Amplitude des Ionenstromsignals kann dieses beispielsweise hinsichtlich seiner Schwingungsbestandteile zerlegt werden, indem eine Frequenzanalyse vorgenommen wird. Die Amplitude ist dann die Amplitude der Grundschwingung.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 6 wird der Integralwert des Ionenstromsignals ausgewertet.
Dadurch wird vorteilhaft der Energieinhalt über eine größere Zeitspanne ausgewertet.
Alternativ ist es auch möglich, zur Bestimmung des Energieinhalts des Ionenstromsignals beispielsweise das Leistungsdichtespektrum des Signals auszuwerten, indem die Leistungsdichten bestimmter Frequenzbereiche ausgewertet werden. Der Energieinhalt des Ionenstromsignals kann auch bestimmt werden, indem der Maximalbetrag des Ionenstromsignals im Verlaufe eines Arbeitstaktes der Brennkraftmaschine ausgewertet wird.
Bezüglich dieser Vorgehensweisen kann jeweils ein einzelner Verbrennungsvorgang bewertet werden. Es ist aber auch möglich, die gemessenen Ionenstromsignale mehrerer Verbrennungsvorgänge bei der Auswertung zu mitteln. Die genannten Größen sind vergleichsweise einfach zu ermitteln und sind geeignet, den Energieinhalt des Ionenstromsignals zu repräsentieren.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 7 erfolgt eine Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignales, indem eine den Energieinhalt des Ionenstromsignals charakterisierende Größe bei einer bestimmten Drehzahl und bei einem bestimmten Lastzustand der Brennkraftmaschine mit einem dieser Drehzahl und dem bestimmten Lastzustand entsprechenden Referenzwert verglichen wird.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, den Vergleich mit lediglich einem Referenzwert durchzuführen. Es ist dann nicht notwendig, für die Durchführung des Verfahrens eine Kennlinie oder ein Kennfeld für die Referenzgröße vorzusehen und den Referenzwert jeweils entsprechend den Betriebsbedingungen aus einer Kennlinie oder aus einem Kennfeld zu entnehmen.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 8 erfolgt eine Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignals, indem eine den Energieinhalt des Ionenstromsignals charakterisierende Größe in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird, wobei aus einer Referenzkennlinie bzw. einem Referenzkennfeld ein zugehöriger Referenzwert in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Lastzustand ermittelt wird, wobei die ermittelte Größe mit dem ermittelten Referenzwert verglichen wird.
Im Unterschied zu dem Verfahren nach Anspruch 7 ergibt sich bei dem Verfahren nach Anspruch 8 zwar die Notwendigkeit, eine Kennlinie bzw. ein Kennfeld abzuspeichern und bei der Auswertung zu berücksichtigen. Es erweist sich dabei aber als vorteilhaft, daß die Auswertung nicht daran gebunden ist, daß bestimmte definierte Betriebsbedingungen hinsichtlich der Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder hinsichtlich dem Lastzustand vorliegen müssen.
Wenn eine Kennlinie verwendet wird, werden beispielsweise Referenzwerte Drehzahlwerten unter bestimmten Lastbedingungen zugeordnet. Es ist dann möglich, bei Vorliegen der bestimmten Lastbedingungen durch eine Auswertung der Drehzahl den entsprechenden Referenzwert zu ermitteln und eine Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignals vorzunehmen. Ebenso ist es möglich, bei einer bestimmten Drehzahl Referenzwerte abhängig von dem Lastzustand festzulegen. Bei einer bestimmten Drehzahl kann dann durch Auswertung des Lastzustandes der Referenzwert ermittelt und so eine Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignals vorgenommen werden. Bei einem Kennfeld werden Referenzwerte entsprechend Werten der Drehzahl und des Lastzustandes der Brennkraftmaschine so zugeordnet, daß sich eine Referenzfläche über der Fläche der Drehzahlen und der Lastzustände ergibt. Der aktuelle Referenzwert kann durch Interpolation zwischen Werten der Drehzahl und des Lastzustandes ermittelt werden, zu denen Referenzwerte gespeichert sind.
Ein fehlerhafter Bestandteil führt insbesondere dazu, daß die den Energieinhalt des Ionenstromsignals repräsentierende Größe größer ist als der Referenzwert. Je nachdem, um wieviel diese Größe den Referenzwert übersteigt, kann ein bestimmter Bestandteil sowie dessen Anteil im Kraftstoff erkannt werden.
Bei den nachfolgenden Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11 kann die entsprechende Maßnahme einerseits bereits dann vorgesehen werden, wenn ein bestimmter Bestandteil als vorhanden erkannt wird. Es kann aber die entsprechende Maßnahme auch erst dann vorgesehen sein, wenn der erkannte Bestandteil einen Anteil aufweist, der größer ist als ein bestimmter Schwellwert.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 9 wird bei einem bestimmten erkannten Bestandteil zumindest dann eine Warneinrichtung angesteuert, wenn dieser Bestandteil einen bestimmten Schwellwert des Anteils übersteigt.
Bei dieser Vorgehensweise wird dem Fahrzeugführer angezeigt, daß die Qualität des Kraftstoffes problematisch ist. Weitere Maßnahmen sind dann in die Verantwortung des Fahrzeugführers gestellt.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 10 erfolgt bei einem bestimmten erkannten Bestandteil zumindest dann ein Eintrag in einen Fehlerspeicher, wenn dieser Bestandteil einen bestimmten Schwellwert des Anteils übersteigt.
Der Fehlerspeicher kann beispielsweise bei einer Inspektion des Fahrzeuges ausgelesen werden. Entsprechend dem Fehlereintrag können dann Wartungsarbeiten vorgenommen werden an Bauteilen, die aufgrund des erkannten Bestandteiles des Kraftstoffes zu einer übermäßigen Schädigung dieser Bauteile fuhren.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 11 erfolgt bei einem bestimmten erkannten Bestandteil zumindest dann ein Eingriff in die Motorsteuerung bzw. Motorregelung, wenn dieser Bestandteil einen bestimmten Schwellwert des Anteils übersteigt.
Diese Maßnahme erweist sich besonders dann als vorteilhaft, wenn der erkannte Bestandteil Blei ist und das Fahrzeug mit einem Katalysator ausgestattet ist. Es kann ein Eingriff in die Motorsteuerung bzw. Motorregelung erfolgen, so daß das Fahrzeug stillgelegt wird, um eine Beschädigung des vergleichsweise teuren Katalysators zu vermeiden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:
Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiels eines Verfahrens,
Fig. 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens,
Fig. 3: einen gemessenen Verlauf eines Ionenstromsignals,
Fig. 4: eine Darstellung eines Integralwertes des Ionenstromsignals und
Fig. 5: eine Darstellung eines Kennfeldes eines Referenzwerts.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wonach im Schritt 101 ein Integralwert des Ionenstromsignals als eine den Energieinhalt des Ionenstromsignals repräsentierende Größe gebildet wird. Dieser Integralwert kann aufgrund des gemessenen Zeitverlaufes des Ionenstromsignals während eines Arbeitsspiels gebildet werden. Ebenso ist es auch möglich, einen Integralwert des Ionenstromsignals über mehrere Arbeitsspiele gemittelt zu bilden. Dies erfolgt, indem der Integralwert über den Zeitverlauf des Ionenstromsignals mehrerer Arbeitsspiele ermittelt und anschließend durch die Zahl der Arbeitsspiele geteilt wird, über die der Zeitverlauf des Ionenstromsignals integriert wurde. Eine solche Mittelwertbildung erweist sich insofern als vorteilhaft, weil dadurch Zyklusschwankungen des Ionenstromsignals ausgeglichen werden, die auch bei einem konstanten Motorbetriebspunkt zu Schwankungen des Energieinhaltes des Ionenstromsignals fuhren können.
Weiterhin wird in dem Schritt 102 die Drehzahl und der momentane Lastzustand der Brennkraftmaschine berücksichtigt, indem ein Referenzwert aus einem Kennfeld bestimmt wird. Dabei werden Referenzwerte Wertepaaren von Drehzahlen und Lastzuständen so zugeordnet, daß sich eine Referenzfläche über der Fläche der Drehzahl und des Lastzustandes ergibt. Diese Referenzfläche wird in Form von Stützstellen abgespeichert. Der momentane Referenzwert läßt sich durch Interpolation bestimmen.
In dem Schritt 103 wird überprüft, ob der im Schritt 101 ermittelte Integralwert um mehr als einen bestimmten Faktor a größer ist als der im Schritt 102 ermittelte Referenzwert. Dieser Faktor kann beispielsweise in der Größenordnung von 2 bis 3 liegen.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß ein Anteil von Alkalimetallen oder Blei im Kraftstoff zu einer erheblichen Steigerung des Energieinhalts des Ionenstromsignals führt. Indem also der Energieinhalt des Ionenstromsignals untersucht wird, können beispielsweise solche Bestandteile erkannt werden und ggf. ihrem mengenmäßigen Anteil (in Gewichts- oder Volumen %) nach bestimmt werden.
Wird in dem Schritt 103 festgestellt, daß der in dem Schritt 101 bestimmte Integralwert nicht um wenigstens einen Faktor 2 bis 3 größer ist als der im Schritt 102 bestimmte Referenzwert, wird geschlossen, daß sich keiner der ggf. zu erkennenden Bestandteile im Kraftstoff befindet. Der Durchlauf des Verfahrens wird dann beendet.
Wird in dem Schritt 103 festgestellt, daß der in dem Schritt 101 bestimmte Integralwert um wenigstens einen Faktor 2 bis 3 größer ist als der im Schritt 102 bestimmte Referenzwert, erfolgt ein Übergang zu dem Schritt 104.
In diesem Schritt 104 wird überprüft, ob der im Schritt 101 bestimmte Integralwert um wenigstens einen Faktor 20 größer ist als der im Schritt 102 bestimmte Referenzwert.
Ist dies nicht der Fall, erfolgt ein Übergang zu dem Schritt 105. Der Integralwert liegt dann also innerhalb eines Bandes, das durch das etwa 2-3-fache des Referenzwerts als untere Grenze und das etwa 20-fache des Referenzwerts als obere Grenze definiert ist. Aufgrund dieses Integralwertes kann geschlossen werden, daß sich Blei im Kraftstoff befindet. Im Schritt 105 können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen, eine Warneinrichtung zu betätigen, um dem Fahrzeugführer die Situation mitzuteilen. Ebenso kann ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgen, der bei der nächsten Inspektion des Fahrzeuges ausgelesen wird und aufgrund dessen bestimmte Wartungsschritte unternommen werden können. Ebenso ist es auch möglich, in die Motorsteuerung bzw. Motorregelung einzugreifen. Im Falle, daß Blei im Kraftstoff erkannt wurde, erweist es sich also zweckmäßig, die weitere Zufuhr von Kraftstoff zur Brennkraftmaschine zu unterbinden. Bleizusätze im Kraftstoff führen bei Fahrzeugen mit Lambda-Sonde und Katalysator zum Ausfall dieser Bauteile und damit zu schweren Schäden an der Abgasreinigungsanlage, deren Reparatur vergleichsweise teuer ist. Es ist daher vorteilhaft, bei einem erkannten Bleizusatz im Kraftstoff die entsprechenden Maßnahmen zu treffen, um eine Schädigung der Abgasreinigungsanlage zu vermeiden.
Wenn in dem Schritt 104 erkannt wurde, daß der Integralwert um einen Faktor größer als 20 größer ist als der Referenzwert, kann erkannt werden, daß der Zusatz im Kraftstoff kein Blei ist sondern beispielsweise ein Alkalimetall wie Kalium.
Es können dann weitere Überprüfungen folgen, was durch den Schritt 106 angedeutet ist, um näher einzugrenzen, um welchen Bestandteil und ggf. in welcher Menge es sich handelt.
In jedem Fall erfolgt ein Übergang zu dem Schritt 107, in dem eine Warnanzeige für den Fahrzeugführer erfolgt sowie ein Eintrag in einen Fehlerspeicher, um bei der nächsten Inspektion entsprechende Wartungsarbeiten durchführen zu können.
Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Verfahrens nach Fig. 1, wobei der Schritt 102 abgewandelt wurde. Bei dem Verfahren nach Fig. 2 steht kein Kennfeld für die Referenzwerte zur Verfügung. Der Integralwert wird also lediglich mit einem Referenzwert verglichen. In dem Schritt 102 muß daher überprüft werden, ob die momentanen Bedingungen hinsichtlich Drehzahl und Lastzustand zumindest in etwa dem Zustand entsprechen, bei dem der Referenzwert als Integralwert des Ionenstromsignals erwartet werden kann. Wenn dies der Fall ist, erfolgt ein Übergang zu dem Schritt 203, anderenfalls wird der Durchlauf des Verfahrens beendet.
Die übrigen Verfahrensschritte entsprechen denen der Fig. 1. So entspricht der Schritt 201 dem Schritt 101, der Schritt 203 dem Schritt 103, der Schritt 204 dem Schritt 104, der Schritt 205 dem Schritt 105, der Schritt 206 dem Schritt 106 und der Schritt 207 dem Schritt 107.
Bei den beiden erläuterten Ausführungsbeispielen kann außer der Bestimmung des Integralwertes eine andere Größe Verwendung finden, die den Energieinhalt des Ionenstromsignals repräsentiert. Es ist beispielsweise möglich, eine Bestimmung des Maximalwertes der Amplitude vorzusehen anstatt der Bestimmung des Integralwertes. Ebenso kann auch eine Größe gebildet werden, durch eine gewichtete Betrachtung des Integralwerts und des Maximalwertes der Amplitude.
Fig. 3 zeigt einen gemessenen zeitlichen Verlauf eines Ionenstromsignals ab dem Zündzeitpunkt ZZP. Fig. 4 zeigt eine Darstellung eines Integralwertes des Ionenstromsignals über der Zeit ab dem Zündzeitpunkt ZZP.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung eines Kennfeldes eines Referenzwerts R, wobei die Kennfläche aufgetragen ist über einer Fläche, die durch den Lastzustand L der Brennkraftmaschine sowie die Drehzahl D der Brennkraftmaschine definiert ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erkennung der Qualität von Kraftstoffen für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß während Verbrennungsvorgängen das Ionenstromsignal hinsichtlich seines Energieinhaltes ausgewertet wird (101, 201, 103, 203, 104, 204), um wenigstens einen im Kraftstoff vorhandenen Bestandteil seiner Art nach zu erkennen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine im Kraftstoff vorhandene Bestandteil seinem Anteil nach erkannt wird (104, 204, 107, 207).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zu erkennender Bestandteil ein Alkalimetall ist (104, 204).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zu erkennender Bestandteil Blei ist (103, 203, 104, 204).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ionenstromsignals ausgewertet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß der Integralwert des Ionenstromsignals ausgewertet wird (101, 201).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignales erfolgt, indem eine den Energieinhalt des Ionenstromsignals charakterisierende Größe bei einer bestimmten Drehzahl und bei einem bestimmten Lastzustand der Brennkraftmaschine (201, 202) mit einem dieser Drehzahl und dem bestimmten Lastzustand entsprechenden Referenzwert verglichen wird (203, 204).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung des Energieinhaltes des Ionenstromsignals erfolgt, indem eine den Energieinhalt des Ionenstromsignals charakterisierende Größe in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem momentanen Lastzustand der Brennkraftmaschine ermittelt wird (101), wobei aus einer Referenzkennlinie bzw. einem Referenzkennfeld ein zugehöriger Referenzwert in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Lastzustand ermittelt wird (102), wobei die ermittelte Größe mit dem ermittelten Referenzwert verglichen wird (103, 104).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bestimmten erkannten Bestandteil zumindest dann eine Warneinrichtung angesteuert wird, wenn dieser Bestandteil einen bestimmten Schwellwert des Anteils übersteigt (104, 204, 107, 207).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bestimmten erkannten Bestandteil zumindest dann ein Eintrag in einen Fehlerspeicher erfolgt, wenn dieser Bestandteil einen bestimmten Schwellwert des Anteils übersteigt (104, 204, 107, 207).
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem bestimmten erkannten Bestandteil zumindest dann ein Eingriff in die Motorsteuerung bzw. Motorregelung erfolgt, wenn dieser Bestandteil einen bestimmten Schwellwert des Anteils übersteigt (104, 204, 107, 207).
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