Verfahren zum Bestimmen von Kraftstoffeigenschaften

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Kraftstoffeigenschaften und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

In Kraftfahrzeugen werden unterschiedliche Arten bzw. Typen von Kraftstoffen verwendet, die verschiedene Eigenschaften aufweisen. Zudem kann der Kraftstoff eines Typs bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen verschiedene Eigenschaften aufweisen. Da sich diese auf den Betrieb des Verbrennungsmotors und insbesondere auch auf das dem Verbrennungsmotor zugeordnete Kraftstoffeinspritzsystems auswirken, kann es vorteilhaft sein, die Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffs zu bestimmen.

In Kraftstoffeinspritzsystemen werden Hochdruckpumpen zur Zufuhr von Kraftstoff verwendet. So werden in Common-Rail-Einspritzsystemen

Hochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff bis zu einem gewünschten Druckwert, dem Raildruck, zu verdichten und in das Rail, das einen

Druckspeicher darstellt, weiterzuleiten. Das Common- Rail- Einspritzsystem zeichnet sich durch eine Trennung von Druckerzeugung und eigentlichem Einspritzvorgang aus.

Bekannt ist eine Hochdruckpumpe mit kraftstoffgeschmiertem Triebwerk bzw. Verbrennungsmotor, bei der die Mengenzumessung der Fördermenge über ein Saugventil erfolgt. Saugventile wiederum werden in Pumpen zum Steuern eines Zuflusses einer Flüssigkeit eingesetzt. Wird das Saugventil mit einem elektrischen Signal angesteuert, so wird dieses als elektrisches Saugventil bezeichnet. In diesem wird üblicherweise ein Elektromagnet verwendet, der mit einer Spule zusammenwirkt, um einen Anker zu bewegen. Die Bewegung des Ankers betätigt das Saugventil, d. h. dieses ist je nach Ankerposition geöffnet bzw. offen oder geschlossen bzw. zu.

Bei Hochdruckpumpen erfolgt die Kraftstoffzufuhr regemäßig über komplexe Durchflusskanäle im Pumpengehäuse. Der Kraftstoff wird zunächst durch das Pumpengehäuse geführt, bevor er über das Saugventil in einen

Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe gelangt.

Aus der Druckschrift DE 10 2013 201 974 AI ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftstoffeinspritzsystem eines Verbrennungsmotors bekannt. Das

Kraftstoffeinspritzsystem umfasst eine Hochdruckpumpe und ein Schaltventil, das wiederum eine Spule aufweist. Dabei wird eine Kraftstofffördermenge durch Ansteuern der Spule mit einem Ansteuersignal gesteuert. Dabei wird zu einem zweiten Zeitpunkt das Ansteuersignal auf Grundlage einer zu einem ersten Zeitpunkt ermittelten Schaltzeit bestimmt, wobei der erste Zeitpunkt vor dem zweiten Zeitpunkt liegt.

Die Kraftstoff eigenschaften, die temperaturabhängig sind, beeinflussen das Verschleißverhalten des Triebwerks. Für das kraftstoffgeschmierte Triebwerk kritische Kraftstoffeigenschaften können derzeit nicht erkannt werden, da außer der Kraftstofftemperatur keine weiteren Kraftstoffeigenschaften im

Einspritzsystem bzw. FI E-System (FI E: Fuel Injection Equipment) erfasst werden. Physikalische Eigenschaften des Kraftstoffs, wie bspw. die Viskosität und das Siedeverhalten, werden nicht erkannt. Dabei ist zu beachten, dass durch

Verwendung von unzulässigen Kraftstoffen die Hochdruckpumpe bleibend beschädigt werden kann.

Es ist festzuhalten, dass derzeit Kraftstoffeigenschaften im Fahrzeug nicht erkannt werden. Zu beachten ist, dass es durch fehlerhaftes Betanken mit nicht normgerechten oder gar "gepantschten" Kraftstoffen in vielen

kraftstoffgeschmierte Komponenten, insbesondere in der Hochdruckpumpe, zu Fehlfunktionen, erhöhtem Verschleiß oder Zerstörung kommen kann. So sind die richtige Viskosität und Schmierfähigkeit des Kraftstoffs wichtige Einflussgrößen, die die Funktion und die Lebensdauer der Komponente sicherstellen.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.

Bei dem vorgestellten Verfahren ist vorgesehen, durch Analyse des

Schaltverhaltens des insbesondere elektrischen Saugventils Rückschlüsse auf die Kraftstoffeigenschaften zu ziehen. Bei Erkennung von für das Triebwerk kritischen Kraftstoffeigenschaften kann im Steuergerät ein Fehlerantrag gesetzt werden und ein Systemeingriff über das Steuergerät mit dem Ziel erfolgen, die betroffenen Komponenten zu schützen. Das Analysieren umfasst hierbei ein Erfassen und Auswerten.

Unter Schaltverhalten kann dabei verstanden werden, wie schnell oder wie langsam das Saugventil öffnet und/oder schließt, was durch den Zeitraum, der zum Öffnen bzw. Schließen erforderlich ist, gekennzeichnet ist. Weiterhin kann die Bewegung des Ankers des Saugventils über der Zeit beim Schließen und Öffnen und somit beim Betätigen des Saugventils betrachtet werden.

Die Schaltelemente des typischerweise elektrischen Saugventils zur Zumessung der Fördermenge einer Hochdruckpumpe befinden sich im Kraftstoff. Dieser Kraftstoff wird direkt aus dem Triebwerksraum angesaugt. Dadurch hat der Kraftstoff im Saugventil dieselben Eigenschaften, bspw. die Temperatur, wie im Triebwerksraum. Das Schaltverhalten des Saugventils ändert sich anhand des hydraulischen Wiederstands des umgebenden Kraftstoffs. Wenn nun das Schaltverhalten bspw. schneller wird, dann deutet dies auf eine geringere Viskosität des Kraftstoffs hin.

Für den Fall, dass Kraftstoff verdampft, d. h. der Umgebungsdruck und die Temperatur unterhalb des Siedepunkts fallen, bewegt sich das Saugventil so schnell, wie wenn es trocken betrieben wird. Durch die Abhängigkeit der Schaltzeit zur Kraftstofftemperatur, wobei diese durch Kennfelder im Steuergerät abgelegt werden kann, kann auf die reale Viskosität und, falls es zu

Verdampfungen kommt, auf den Siedepunkt des Kraftstoffs geschlossen werden. Weiterhin kann die Schmierfähigkeit des Kraftstoffs abgeleitet oder bestimmt werden. Da das Triebwerk aufgrund der Hydrodynamik zwischen Laufrolle und

Rollenschuh sehr kritisch auf niedrige Viskosität und Dampfbildung reagiert, kann durch diese Erkennungsmöglichkeit das Steuergerät diese kritische Situation erkennen und das FI E-System auf eine Schutzfunktion umschalten. So kann bspw. auf einen Notfahrbetrieb oder eine Leistungsreduktion umgeschaltet werden.

Gemäß einer Ausführung des beschriebenen Verfahrens kann durch eine Anschlagserkennung des Ventilkolbens anhand des Spannungsverlaufs während einer Ansteuerung des elektrischen Einlassventils und einer Funktion, die die Ausschaltzeit des elektrischen Einlassventils misst, auf das Auftreten einer spontanen Viskositätsänderung und damit auf einen Betrieb mit unzulässigem Kraftstoff geschlossen werden. Daraufhin kann ein Schutzprogramm, bspw. ein Notfahrprogramm "Limp Home" (Notfahrlage) mit reduzierter Leistung oder Drehzahl, was eine Schädigung der Komponente verhindern, aktiviert werden, bis der Kraftstoff entweder verbraucht oder ausgetauscht wurde.

Bei dem Verfahren kann somit eine Anschlagserkennung des elektrischen Einlassventilankers, die sich aus dem charakteristischen Spannungs- oder Stromverlauf während einer Ansteuerung des Ventils detektieren lässt, vorgenommen werden. Durch Messung der Zeit zwischen Bestromungsanfang, der Einschaltzeit, oder Bestromungsende, der Ausschaltzeit, und dem jeweils nachfolgenden Ankeranschlag lässt sich die Ein- oder Ausschaltzeit ermitteln.

Die möglicherweise von Hub zu Hub streuende Schaltzeit kann mithilfe eines Mittelungsverfahrens stabilisiert werden. Weiterhin können durch Vergleich der ermittelten Schaltzeitwerte mit in einer Software hinterlegten typischen Werten und Toleranzen ungewöhnliche Veränderungen detektiert werden. So wird bspw. in den meisten Fällen durch Tanken eines Kraftstoffs mit unzulässig niedriger Viskosität die Schaltzeit zu kleineren Werten springen, da die

Verdrängungskräfte geringer werden. Abhängig von der erforderlichen Genauigkeit und Trennschärfe können typische Mittelwerte und Toleranzen von unterschiedlichen Parametern, wie bspw. der Temperatur, der Drehzahl, dem Druck, der Batteriespannung, dem Ansteuerbeginn usw., abhängen.

Über eine Bewertung des Änderungsgradienten kann ferner zwischen spontanen Änderungen und schleichenden Verschleißvorgängen unterschieden werden. So tritt z. B. der Schaltzeitsprung nach einer Fehlbetankung schlagartig zwischen zwei Startvorgängen bzw. innerhalb einer sehr kurzen Betriebsdauer auf, während Veränderungen aufgrund von sich ändernder Reibung nahezu immer über sehr viel längere Betriebsdauern auftreten. Damit kann ein singuläres Ereignis, wie eine fehlerhafte Betankung, sicher erkannt werden.

Eine weitere Genauigkeitssteigerung kann erzielt werden, wenn der laufend ermittelte Schaltzeitwert zusätzlich gelernt und gespeichert wird. Damit lassen sich Exemplarstreuungen, Initialwärme sowie langsam verlaufende

Veränderungen kompensieren, so dass die Erkennungsschwellen enger toleriert und unzulässige Kraftstoffe präzise erkannt werden können. Die Häufigkeit der Erkennung von unzulässigen Kraftstoffen, deren Betriebsdauer und Schweregrad bzw. die Differenz der Abweichung können in einem Fehlerspeicher eingetragen und für spätere Auswertungen in einem Server gespeichert werden.

Das Verfahren bietet, insbesondere in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. So können unzulässige Kraftstoffe, insbesondere Kraftstoffe mit zu geringer Viskosität, erkannt und durch Einschränkung und Betriebsbedingungen, wie bspw. Vermeiden von hohen Lasten, hohen Drehzahlen, hohen

Temperaturen usw., die Schädigung der kraftstoffgeschmierten Komponenten, insbesondere einer Hochdruckpumpe, vermieden werden. Dem Fahrer kann der fehlerhafte Kraftstoff über eine Warnlampe oder eine Mitteilung angezeigt werden. Er kann dann überlegen, zukünftig bei einer anderen Tankstelle zu tanken. Aufgrund der Einträge im Fehlerspeicher, die belegen, wie häufig und mit welcher Abweichung unzulässige Kraftstoffe getankt wurden, lassen sich

Garantieansprüche einschränken oder sogar ausschließen und damit viele ungerechtfertigte Fehlerkosten einsparen. Das Verfahren kann grundsätzlich bei allen Hochdruckpumpen mit elektrischen Saugventilen eingesetzt werden. Insbesondere kann das Verfahren bei

Dieselhochdruckpumpen, aber auch bei Benzinhochdruckpumpen und

Hydraulikpumpen mit einem elektrischen Schaltventil eingesetzt werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine Ausführung einer Hochdruckpumpe.

Figur 2 zeigt in einem Graphen das Schließen eines Saugventils.

Figur 3 zeigt in einem Graphen den Einfluss der Viskosität des Kraftstoffs auf die Schaltzeit.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

In Figur 1 ist in zwei Perspektiven eine Hochdruckpumpe dargestellt, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Feder 12, und einen Elektromagneten 14, der mit einer Spule 16 zusammenwirkt und einen Magnetkreis eines Saugventils 18 bildet.

Dieses Saugventil 18, das bei dieser Ausführung als elektrisches Saugventil ausgebildet ist, umfasst die Feder 12, den Elektromagneten 14, die Spule 16, einen Anker 20 und ein Einlassventil 22, das hier als hydraulisches Einlassventil ausgebildet ist. Durch Ansteuern des Elektromagneten 14 wird über die Spule 16 der Anker 20 bewegt, in dieser Darstellung nach oben und unten. Dadurch wird das Einlassventil 22 betätigt, d. h. geöffnet oder geschlossen.

Weiterhin zeigt die Darstellung der Figur 1 ein Auslassventil 24, das als

Rückschlagventil wirkt und als hydraulisches Auslassventil ausgebildet ist, einen Pumpraum 26, einen Pumpenkolben 27 und einen Pumpnocken 28 mit oberem Totpunkt. Die dargestellte Hochdruckpumpe 10 umfasst somit das Saugventil 18, das Auslassventil 24, den Pumpraum 26, der Pumpenkolben 27 und den

Pumpnocken 28.

Figur 2 zeigt in einem Graphen eine erste Kurve 50, die den zeitlichen Verlauf des Ansteuerstroms wiedergibt, und eine zweite Kurve 52, die den Schaltverlauf eines Saugventils wiedergibt.

Zu erkennen ist, dass das Saugventil zeitlich verzögert zu der Ansteuerung mit dem Ansteuerstrom öffnet und nach Beendigung der Ansteuerung zeitlich verzögert schließt. Die Zeit von der Beendigung der Ansteuerung bis zu einem vollständigen Schließen ist mit einem Doppelpfeil 54 verdeutlicht und wird als Schaltzeit bzw. EIP (End of Injection Period) bezeichnet. Dabei ist die Schaltzeit 54 abhängig von Kraftstoffeigenschaften, nämlich der Viskosität und der

Temperatur, sowie von der Geschwindigkeit der Hochdruckpumpe, Toleranzen, der Abnutzung der Bauteile usw.

Ziel ist es nunmehr, aus der Größe Schaltzeit 54 eine Information zu den

Kraftstoffeigenschaften, bspw. der Viskosität, zu gewinnen. Insbesondere wird über den Zusammenhang der Schaltzeitänderung zu Kraftstoffeigenschaften es möglich, eine Aussage zu den Kraftstoffeigenschaften bzw. Änderungen der Kraftstoffeigenschaften, bspw. eine Aussage zur Viskosität des Kraftstoffs, zu treffen.

Es kann bspw. eine Änderung der Schaltzeit von etwa 2% bei einer Änderung der Viskosität um lcSt beobachtet werden. Figur 3 zeigt mit einem Graphen, an dessen Abszisse 150 die Betriebszeit [s] und an dessen Ordinate 152 die Schaltzeit [ms] aufgetragen ist, anhand einer Kurve 154 die Änderung der Schaltzeit. Ein Bereich 156 zeigt einen

Schaltzeitsprung, der bspw. auf eine unzulässig niedrige Viskosität schließen lässt. Dies kann einem Steuergerät, bspw. dem Motorsteuergerät, angezeigt werden, das dann ein Schutzfahrprogramm, wie bspw. Limp Home, veranlassen kann. Alternativ oder ergänzend kann dies auch dem Fahrer, bspw. mittels einer Warnleuchte, angezeigt werden.

Weiterhin ist in der Darstellung mit einem Doppelpfeil 160 ein Toleranzbereich verdeutlicht, der Toleranzen bspw. durch Verschleiß, Änderungen der

Batteriespannung, Abhängigkeiten von Temperatur und Drehzahl usw.

berücksichtigt. Dieser Toleranzbereich 160 kann auch mittels einer

selbstlernenden Funktion bestimmt werden.