Titel

Verfahren zum Bestimmen einer Kraftstoffsorte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Kraftstoffsorte und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Stand der Technik

Die Einspritzmenge bei Common Rail-Systemen ist unter anderem von verschiedenen Kraftstoffeigenschaften abhängig, die wiederum von der Art des Kraftstoffs und den Umgebungsbedingungen abhängen. So ist bspw. die

Viskosität von der Kraftstoffsorte, bspw. Winterdiesel, Arcticdiesel, Biodiesel, Mischungen verschiedener Kraftstoffsorten, und zusätzlich auch von der Temperatur abhängig.

Mit steigender Temperatur sinkt die dynamische Viskosität eines Kraftstoffs, bei fallender Temperatur steigt die Viskosität. Ein Common Rail-Einspritzinjektor liefert somit bei verschiedenen Temperaturen aber gleicher Ansteuerdauer unterschiedliche Einspritzmengen. Dies macht eine kraftstoff- und

temperaturabhängige Ansteuerdauerkorrektur erforderlich, damit die

gewünschten Einspritzmengen im laufenden Motorbetrieb mit konstanter Genauigkeit erreicht werden können.

Zu beachten ist, dass beim gegenwärtigen Stand der Kraftstofferkennung nur der untere Temperaturbereich mit mäßiger Genauigkeit abgedeckt ist. Insbesondere bei Temperaturen von mehr als 0° C wird es schwierig, eine Kraftstoffsorte zuverlässig zu erkennen, da sich die Viskositäten der verschiedenen Kraftstoffe in diesem Temperaturbereich immer ähnlicher werden. Bekannte Verfahren können dies derzeit nicht leisten. Aus der Druckschrift DE 10 2011 005 141 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen mindestens einer Eigenschaft eines Kraftstoffs bekannt, bei dem eine

Schließdauer eines Ankers eines Magnetventils, welcher sich durch den Kraftstoff bewegt, bei mindestens einer Ansteuerdauer gemessen wird. Aufgrund der gemessenen Schließdauer wird ein Faktor ermittelt, der die mindestens eine Eigenschaft des Kraftstoffs repräsentiert.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgestellt. Weitere

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen

Patentansprüchen und der Beschreibung.

Das vorgestellte Verfahren dient zum Bestimmen einer Kraftstoffsorte und sieht vor, dass eine Schließdauer eines Ankers eines Magnetventils, der sich durch den Kraftstoff bewegt, bei mehreren Ansteuerdauern gemessen wird, um eine Kennlinie zu erhalten, die einen Verlauf der Schließdauer über der

Ansteuerdauer zeigt, wobei die Kennlinie mit abgelegten Kennlinien verglichen wird, um die Kraftstoffsorte zu bestimmen. Zwecks Erhöhung der

Erkennungsgüte sieht das Verfahren in Ausgestaltung zusätzlich vor, neben dem direkten Vergleich der Schließdauerkurven deren Ableitung nach der

Ansteuerdauer zu vergleichen, da insbesondere die Änderungsrate der

Schließdauer bei bestimmten Ansteuerdauerpunkten ein charakteristisches Unterscheidungsmerkmal für einen Kraftstoff darstellt.

Es wird somit ein Verfahren vorgestellt, das im laufenden Motorbetrieb eine zuverlässige Kraftstoff- und Viskositätserkennung über einen möglichst breiten Temperaturbereich, insbesondere von ca. - 30°C bis + 20°C, ermöglicht.

Die Kraftstofferkennung (FDV = Fuel Detection by Valve) erfolgt typischerweise vor dem Motorstart, insbesondere während der Glühphase, in der kein Raildruck aufgebaut ist, indem in einer Ansteuerdauerrampe des Injektors die

charakteristische Schließdauerkurve des Einspritzventils ermittelt wird. Es wird hierzu auf Figur 1 verwiesen. Gemessen wird dabei in Abhängigkeit der Ansteuerdauer die Zeit des Ventilschließens, d. h. die Zeit vom Ende der elektrischen Ansteuerung bis zum Schließen des Einspritzventils. Der Zeitpunkt des Ventilschließens kann im Motorsteuergerät anhand des gemessenen Stroms ermittelt werden. Beim Schließvorgang ist ein charakteristischer Peak im

Stromverlauf sichtbar, dessen Ursache ein Induktionsstrom ist. Dieser wiederum resultiert aus dem abrupten Abbremsen des Magnetankers beim Ventilschließen.

Die beschriebene Anordnung ist zum Durchführen des hierin vorgestellten Verfahrens eingerichtet und ist bspw. in einer Hardware und/oder Software implementiert. Die Anordnung kann in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs integriert oder als solches ausgebildet sein.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden 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 in drei Graphen ein Bedatungsbeispiel, wobei für drei Kraftstoffe Schließdauerkurven abgebildet sind. Der bedatungsrelevante Teil ist durch jeweils zwei senkrechte Linien abgebildet.

Figur 2 zeigt in drei Graphen ein Bedatungsbeispiel, wobei für drei Kraftstoffe normierten Schließdauerkurven im bedatungsrelevanten Teilstück abgebildet sind.

Figur 3 zeigt in drei Graphen ein Bedatungsbeispiel, wobei für drei Kraftstoffe im bedatungsrelevanten Teilstück die Verläufe der Ableitungen der normierten Schließdauer nach der Ansteuerdauer abgebildet sind. Figur 4 zeigt in einem Graphen ein Stromprofil während der Ansteuerung eines Injektors.

Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung der Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zu beachten ist, dass in den Zeichnungen und der Beschreibung genannte Werte und Wertebereiche lediglich beispielhaft angegeben sind.

Figur 1 zeigt in zwei Graphen die Schließdauermessung für drei Kraftstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen. Eine entscheidende physikalische Größe bei den Kraftstoffsorten ist die Viskosität. Insbesondere zeigt ein erster Graph 10, an dessen Abszisse 12 die Ansteuerdauer t _AD [ms] und an dessen Ordinate 14 die Schließdauer t _FDV [ms] aufgetragen ist, die Ergebnisse für einen Kraftstoff mit geringer Viskosität (hier Arctic-Diesel). Ein zweiter Graph 20, an dessen

Abszisse 22 die Ansteuerdauer t _AD [ms] und an dessen Ordinate die Schließdauer 24 t _FDV [ms] aufgetragen ist, zeigt die Ergebnisse für einen Kraftstoff mit mittlerer Viskosität (hier OMV-Diesel). Ein dritter Graph 30, an dessen Abszisse 32 die Ansteuerdauer t _AD [ms] und an dessen Ordinate 34 die Schließdauer t _FDV [ms] aufgetragen ist, zeigt die Ergebnisse für einen Kraftstoff mit hoher Viskosität (hier B0-Diesel). Es ist hiermit ein Bedatungsbeispiel mit K = 3 Kraftstoffsorten bei jeweils elf Temperaturen zwischen T ₁ = -30°C (Bezugsziffer 16, 26 und 36) und T ₁₁ = +40°C (Bezugsziffer 18, 28 und 38) gegeben.

Für K Kraftstoffsorten gibt es somit K Bedatungskennfelder, die die Schließdauer über die Ansteuerdauer anzeigen und damit eine Aussage zu den zugeordneten Viskositäten oder anderen zugeordneten physikalischen Größen ermöglichen. Zusätzlich gibt es K Bedatungskennfelder, die die Ableitung der Schließdauer nach der Ansteuerdauer anzeigen und damit eine Aussage zu den zugeordneten Viskositäten oder anderen zugeordneten physikalischen Größen ermöglichen.

Das Verfahren zur Kraftstofferkennung wird im Folgenden detailliert erläutert:

Bei der aktuellen Temperatur T werden n Schließdauerwerte , i = 1 ... n bei n

verschiedenen Ansteuerdauern , i = 1 ... n vom Motorsteuergerät gemessen.

Dies ergibt die Schließdauerkurve, siehe Figur 1.

Die Schließdauerkurve wird rechnerisch an den Rändern durch lineare

Extrapolation jeweils um bspw. drei Punkte erweitert, so dass eine um sechs Punkte erweiterte Schließdauerkurve resultiert:

, i =— 2 ... n + 3

Extrapolation nach links um 3 (x,y)- Kurvenpunkte: , i =— 2,— 1, 0

Extrapolation nach rechts um 3 (x,y)-Kurvenpunkte:

, i = n + 1, n + 2, n + 3

Die so definierten haben dabei äquidistante Abstände bzw.

voneinander.

Ein normierte Schließdauerkurve resultiert, indem jedes durch einen

Referenzwert geteilt wird, siehe Figur 2:

, i =— 2 ... n + 3

Der Referenzwert ergibt sich, indem die erweiterte Schließdauerkurve durch ein Polynom p 7-ten Grades approximiert wird. Das Maximum der Polynomkurve über die Punkte der nicht erweiterten Kurve ergibt :

, i = 1 ... n

Da bei Polynomfits oft größere Abweichungen an den Intervallgrenzen, hier bei und , auftreten und sich das Maximum der Schließdauerkurve meistens genau am Kurvenende befindet, wurde die Erweiterung der Schließdauerkurve an den Rändern vorgenommen. Damit wird der Polynomfit an den Punkten i = 1, n glatter und der resultierende Referenzwert somit präziser.

Das ganze Verfahren beruht darauf, dass die Schließdauerkurven für einen bestimmten Kraftstoff bei einer bestimmten Temperatur einen spezifischen, insbesondere reproduzierbar ähnlichen Verlauf aufweisen. Für verschiedenen Injektoren, insbesondere bei einem festen Kraftstoff und einer festen Temperatur, sind diese Verläufe zwar ähnlich, zeigen jedoch ein unterschiedliches hohes Niveau am Kurvenende. Normiert man also die Schließdauerkurven durch Division aller Kurvenpunkte durch den oben definierten Referenzwert der Kurve, ergibt sich im Idealfall für verschiedene Injektoren ein identisches, zumindest jedoch ausreichend ähnliches Steigungsverhalten . Die Nominalkurve

t dient also dazu, den Injektor-spezifischen Einfluss, also Abweichungen im Ventil-Öffnungsverhalten, zu minimieren.

Als Kraftstoffunterscheidungsmerkmal kann die normierte Schließdauerkurve t oder das Änderungsverhalten der normierten Schließdauerkurve über die Ansteuerdauer, also die Ableitungskurven, siehe Figur 3, oder eine Kombination von beiden verwendet werden.

Für beide Fälle wird zunächst ein Polynomfit (7-ten Grades, also n _POLY = 7) über die erweiterten Normkurvenpunkte t ⁱ , i =— 2 ... n + 3 erstellt. Dies kann mit Hilfe eines Savitzky-Golay-Filters geschehen, um Rechenzeit einzusparen, und erfordert dann die Umrechnung der Werte in ganzzahlige Werte und

Zentrierung um 0, außerdem muss die Anzahl n ungerade sein (Abszisse von Figur 3, wobei n = 21 ist). Die insbesondere konstanten Werte der Savitzky- Golay-Matrix zur Berechnung der Polynomkoeffizienten sind als

Applikationsparameter im Motorsteuergerät für die verschiedenen Temperaturen T _i des gewünschten Temperaturbereichs gespeichert. Somit erhält man die Polynomkoeffizienten a[0], a[1], ... a[n _POLY ] für die aktuelle Temperatur T, woraus t und deren Ableitungskurve resultiert:

Es wird darauf hingewiesen: Durch einen mathematischen Beweis kann man zeigen, dass die Kurveninterpolation zwischen zwei Polynomkurven der Interpolation der jeweiligen Polynomkoeffizienten entspricht. Das heißt, die Formeln (1), (2) können für beliebige Temperaturen T berechnet werden, indem die Polynomkoeffizienten zwischen den beiden applizierten Nachbarstützstellen Ti und Ti+1 interpoliert werden.

Die Steuergeräte-Applikation beinhaltet nun für K Kraftstoffklassen bei der Temperatur T ebenfalls die zugehörigen Polynomkoeffizienten, so dass für jede applizierte Kraftstoffklasse k auch die normierte Schließdauer bzw. deren Ableitung analog wie oben ermittelt werden kann:

Zur Klassifikation des Kraftstoffs werden K Fehlerquadrate der Differenzkurven bestimmt:

Die„wahrscheinlichste“ Kraftstoffklasse wird schließlich mit m ausgegeben, wobei

q _m = min{g ₁ · q _k + g ₂ · r _k } , k = 1 ... K .

Über die konstanten Faktoren g ₁ , g ₂ kann das Bewertungskriterium mehr zur normierten Kurve und/oder zur Ableitungskurve verschoben werden. Es kann bspw. mit g ₁ = 0.0 und g ₂ = 1.0 die Gewichtung zu 100% auf die Ableitungskurve gelegt werden. Das Steigungsverhalten der Kraftstoff kurve der Klasse m würde also die größte Ähnlichkeit zum Steigungsverhalten der Kurve des aktuell getankten Kraftstoffs zeigen.

Nachfolgend wird auf die Bestimmung der Viskosität und anderer kraftstoff- abhängiger physikalischer Größen eingegangen:

Die folgende Berechnungsvorschrift gilt analog für alle kraftstoff-abhängigen physikalischen Größen, soll aber beispielhaft anhand der Viskosität v erläutert werden.

Es kann nur eine begrenzte Anzahl K von Kraftstoffklassen im Steuergerät appliziert werden, z. B. K = 3. Im Realbetrieb kommt es nun vor, dass ein anderer Kraftstoff getankt ist. Als Beispiel wird der Fall benannt, bei dem ein Kraftstoff vorliegt, der aufgrund seiner Viskositätseigenschaften fast genau zwischen zwei applizierten Kraftstoffklassen liegt, aber etwas mehr zu einer Klasse m tendiert.

In der Viskositätsberechnung würde also ein maximaler Fehler von

err = 0.5 · ( v _m - v _m+1 )

auftreten, wobei m+1 die nächste Nachbarklasse bezeichnet. Minimieren kann man diesen Fehler, indem eine Gewichtung mit den K Wahrscheinlichkeiten w _k vorgenommen wird, die für die K Kraftstoffklassen folgendermaßen berechnet werden:

Der Normierungsfaktor f _N ergibt sich aus der Normierungsbedingung . Nun wird mit den beiden größten Wahrscheinlichkeiten w _m , w _m+1

eine Gewichtung für die Berechnung der Viskosität vorgenommen, da sich der aktuelle Kraftstoff ja mit großer Wahrscheinlichkeit zwischen den beiden Klassen m und m+1 befindet:

Hinsichtlich der Defaultbedatung ist auf Folgendes hinzuweisen:

Möchte man mehr Kraftstoff kl assen im Steuergerät applizieren als gemessen wurden, kann mit Hilfe bekannter Viskositätstabellen eine Bedatung per Modell erstellt werden. Dazu müssen lediglich die Schließdauerkurven für zwei Kraftstoffe gemessen werden, und zwar für einen mit möglichst niedriger und einen zweiten mit möglichst hoher Viskosität. Die Schließdauerkurven der dazwischen liegenden Kraftstoffe, gemessen anhand der Viskosität, findet man dann durch Interpolation zwischen den beiden Nachbarklassen.

Beispiel:

Es sollen K = 4 Kraftstoffe klassifiziert werden, vermessen wurden aber nur 2 Kraftstoffklassen über d Temperaturen:

Die Ersatz-Schließdauerwerte für die anderen beiden Kraftstoffe k = 2, 3 mit den bekannten (dazwischenliegenden) Viskositäten v ₂ (T), v ₃ (T) werden dann näherungsweise modelliert über die Interpolation

Zum FDV-Stromprofil wird auf Folgendes hingewiesen:

Ein optimales Stromprofil für die Ventilansteuerung ermöglicht eine möglichst präzise Klassifikation der verschiedenen Kraftstoffe, d.h. die normierten

Steigungskurven, siehe Figur 2, bei einer festen Temperatur T sollten sich für die verschiedenen Kraftstoffe dann maximal voneinander unterscheiden, damit eine optimale Klassifikation gewährleistet ist. Es müssen also

Schließdauermessungen mit diversen Stromprofilen gefahren werden, um das optimale Stromprofil zu finden. Insbesondere der Boost-Strom, die Stromstärke bei Beginn der Ansteuerung, hat entscheidenden Einfluss.

Figur 4 zeigt in einem Graphen 150, an dessen Abszisse 152 die Zeit und an dessen Ordinate der Strom aufgetragen ist, einen Verlauf 156 eines Stroms, mit dem ein Injektor angesteuert wird. Dabei sind eine Ansteuerdauer t _AD 160 und eine Schließdauer t _FDV 164 angezeigt.

Figur 5 zeigt eine Ausführung einer Anordnung zum Durchführen des Verfahrens, die insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Diese Anordnung 200, die bspw. als Steuergerät, insbesondere Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, überwacht eine CommonRail-Einspritzanlage 202, in der ein Anker 204 eines Magnetventils 206 sich bei der Ansteuerung durch einen Kraftstoff 208 bewegt.

Die Anordnung 200 umfasst eine Recheneinheit 210, die eine Messung der Schließdauern bei unterschiedlichen Ansteuerdauern koordiniert und auf diese Weise eine Kennlinie 212 erhält, die mit abgelegten Kennlinien 214 verglichen wird. Auf diese Weise wird eine wahrscheinlichste Kraftstoffsorte 216 ermittelt.