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EP1468182B1 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturbestimmung des kraftstoffs in einem speicher-einspritzsystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur temperaturbestimmung des kraftstoffs in einem speicher-einspritzsystem Download PDF

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Publication number
EP1468182B1
EP1468182B1 EP03767691A EP03767691A EP1468182B1 EP 1468182 B1 EP1468182 B1 EP 1468182B1 EP 03767691 A EP03767691 A EP 03767691A EP 03767691 A EP03767691 A EP 03767691A EP 1468182 B1 EP1468182 B1 EP 1468182B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
temperature
pressure
determined
sound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP03767691A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1468182A1 (de
Inventor
Jürgen FRITSCH
Rainer Hirn
Diego Valero-Bertrand
Michael Wirkowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1468182A1 publication Critical patent/EP1468182A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1468182B1 publication Critical patent/EP1468182B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/3809—Common rail control systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/0602—Fuel pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/0606—Fuel temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/04—Fuel pressure pulsation in common rails

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the temperature of fuel in a storage injection system, in particular in a common rail injection system of a motor vehicle, wherein the fuel via a high-pressure vessel (common rail) flows to connected injection valves (injectors) of the injection system, which are controllable by corresponding actuators, and wherein the pressure of the fuel in the high pressure vessel is detected by a pressure sensor, according to the preamble of independent claims 1 and 10.
  • a high-pressure vessel common rail
  • injectors injectors of the injection system
  • the pressure is usually measured with a pressure sensor which is arranged at a suitable location on the high-pressure vessel (rail).
  • a pressure sensor which is arranged at a suitable location on the high-pressure vessel (rail).
  • the detection of the temperature is more difficult to perform.
  • To arrange a temperature sensor in the high pressure area is technically difficult to implement.
  • Such a temperature sensor which also requires a corresponding control device, relatively expensive and therefore undesirable. In practice, therefore, one has either waived an installation of the temperature sensor or one has tried to roughly estimate the fuel temperature in the high pressure range by other system components.
  • the document EP 0 828 070 A2 describes an apparatus and a method which determine a pressure signal and control the fuel metering as a function of this pressure signal.
  • the pressure signal depends on the course of the fuel pressure over time and / or on the angular position of a shaft. Based on the pressure signal, a signal is provided which characterizes the fuel properties.
  • an injection period is derived from a map, which is based on a corrected static pressure in the high-pressure accumulator.
  • the correction value takes into account inter alia the vibration behavior of the fuel as a function of its compressibility, the amount of fuel removed or the activation duration from a preceding injection process. Furthermore, it is provided to take into account differences in the pressure curve, in particular as a function of the temperature of the fuel. It is also proposed to observe the compressibility of the fuel, which also has an influence on the vibration behavior. The compressibility can be detected by the speed of sound.
  • the patent however, can not be deduced, by which method in particular the temperature of the fuel is determined.
  • the invention has for its object to determine the temperature of the fuel without a temperature sensor in a storage injection system. This object is achieved with the features of claims 1 and 10.
  • the inventive method or the device for determining the temperature of the fuel in a storage injection system with the characterizing features of independent claims 1 and 10 has the advantage that not only the pressure in the high pressure vessel can be measured with the existing pressure sensor, but also the pressure wave of the fuel is detected, which is triggered during the injection process to an injector.
  • a particular advantage is considered that this can be used initially to determine the speed of sound of the fuel. Since the speed of sound is a function of pressure and temperature, it can therefore be concluded that the temperature of the fuel is known under known pressure.
  • a separate temperature sensor is not needed because the already existing pressure sensor provides all the information needed to determine the temperature.
  • the temperature of the fuel can be easily determined at a known pressure in the high-pressure vessel and a known speed of sound, without a separate temperature sensor is required.
  • the temperature of the fuel can be determined in a simple manner, for example with a diagram in which temperature curves are plotted as a function of the pressure and the speed of sound.
  • the temperature of the fuel may be determined using an algorithm that includes the dependence of the three parameters pressure, temperature and speed of sound on function. Such functions can be easily programmed and then solved by a computer unit.
  • the properties of the fuel are physically linked with each other, other parameters of the fuel can be determined with known pressure and temperature dependence of the speed of sound.
  • the density and / or the viscosity of the fuel can be determined, for example by comparison, without additional sensors being required.
  • a predetermined amount of fuel can advantageously be metered precisely metered, since the opening duration of the nozzle needle of the injector can be corrected or reliably and precisely controlled with the known and determined values.
  • a computer unit In the device for detecting the temperature of the fuel, a computer unit is advantageously provided which can be controlled by a corresponding software program.
  • a software program is easier to adapt to given conditions than for example a specially tuned hardware solution. This allows the injection system not only work with high precision, but is also flexible and universally usable.
  • a storage injection system (common rail injection system) 1 can be seen in a schematic representation, as can be used, for example, in a four-cylinder diesel engine.
  • a high-pressure vessel 2 the so-called common rail, in which fuel (in this case, diesel oil) is under very high pressure.
  • the high pressure is generated by a fuel pump and a control loop, which have been omitted for clarity in Figure 1.
  • Essential is that the pressure in the rail 2 is detected by a pressure sensor 4.
  • the pressure sensor 4 supplies a signal to a control circuit which adjusts the pressure in the rail 2 according to the predetermined conditions.
  • injectors 5 On the output side, four injection valves or injectors 5 are connected, which each have a nozzle needle at its end, via which the fuel can escape when the injector 5 is actuated and is thereby injected into the combustion chamber of the engine.
  • the injectors 5 are actuated by actuators 3, which operate, for example, according to the piezoelectric principle and when applying an electrical voltage pulses extend reversibly in the longitudinal axis of the injector 5.
  • the basic curve of the pressure P of a pressure wave over the transit time t is shown in the lower curve.
  • the upper curve shows a curve with a drive current pulse, as it typically does is used to drive the piezoelectric actuator 3.
  • the drive pulse for the actuator 3 is turned on, which can be seen by the positive half-wave of the current pulse.
  • the drive pulse has already been switched off.
  • the nozzle needle of the injector 5 has been opened and the fuel injected, so that has formed the pressure wave shown in the lower curve.
  • the pressure wave is detected by the pressure sensor 4 by the incipient pressure drop. From the transit time dt and the known traveled distance s from the injector 5 to the pressure sensor 4 according to FIG. 1, the speed of sound can be determined as a function of the pressure P and the temperature T of the fuel.
  • a standing wave is formed in the right part, at which the frequency can be measured.
  • This standing wave can alternatively be used to determine the speed of sound.
  • FIG. 3 again shows the drive current curve for the actuator 3, as has already been explained with reference to FIG.
  • a drive cycle usually consists of a sequence of injection pulses, which are switched in a short time interval.
  • the curve T rail2 has a longer transit time t2 than the curve T rail1.
  • a simple evaluation for the temperature determination can for example be made so that starting from a pressure value P1 the duration of the pressure wave at a lower pressure value P2 is detected by the measuring device. The difference between the two transit times t2-t1 is then a measure of the temperature of the fuel, based on a reference value.
  • the velocity of sound V is plotted on the Y-axis and the pressure P on the X-axis.
  • the curves a ... h are temperature curves, as they can be measured, for example, by empirical measurements as a function of the speed of sound V and the pressure P.
  • the temperature curves a ... h were determined with 20 ° C temperature difference in the temperature range -20 ° C ... + 120 ° C. Curve a became at -20 ° C, curve b became at 0 ° C, curve c became at + 20 ° C etc. and curve h was determined at + 120 ° C. These temperature curves are used as reference curves to determine the temperature of the fuel.
  • Figure 6 shows a schematic representation of a circuit diagram for a device with a computer-controlled measuring device 11, with the transit time measurement dt and also the speed of sound V of the fuel can be determined.
  • the measuring device 11 is connected to the pressure sensor 4, from which it receives the signal of the pressure wave.
  • the measuring device 11 is connected to a computer unit 10, which is formed with a memory 12 and all necessary units.
  • the computer unit 10 is controlled by a software program stored in the memory 12. It is advantageous to use an already existing computer unit 10 and memory 12 for this task, in order to reduce the effort.
  • At the output T of the computer unit 10 is then the result of the temperature for the fuel for further use, in particular for the control of the injection duration available.
  • FIG. 7 shows a flow chart for a software program for controlling the computer unit 10.
  • the program After the program has been started in position 20, first of all the static pressure value P1 is stored in the memory 12 (item 21). In position 22, the transit time measurement t or the determination of the difference dt takes place. In position 23, the determined values are converted into the speed of sound V or the speed difference dV. Thereafter, in position 24, the temperature determination T and its result output in position 25. If necessary, the program can jump back to position 20 and start a new cycle.

Landscapes

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Abstract

Bei Speicher-Einspritzsystemen (1) für Kraftfahrzeuge besteht das Problem, dass für eine definierte einzuspritzende Kraftstoffmenge nicht nur der vorherrschende Druck, sondern auch die Temperatur des Kraftstoffs berücksichtigt werden müssen. Mit einem installierten Temperatursensor kann die Kraftstofftemperatur nur schwer erfasst werden. Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung vorgeschlagen, die Temperatur (T) aus dem vom Drucksensor (4) gemessenen Druck (P) und der Schallgeschwindigkeit (V) einer beim Einspritzen entstehenden Druckwelle zu bestimmen.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren beziehungsweise von einer Vorrichtung zur Temperaturbestimmung von Kraftstoff in einem Speicher-Einspritzsystem, insbesondere in einem Common Rail Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kraftstoff über einen Hochdruckbehälter (Common Rail) zu angeschlossenen Einspritzventilen (Injektoren) des Einspritzsystems fließt, die von entsprechenden Aktoren steuerbar sind, und wobei der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbehälter von einem Drucksensor erfasst wird, nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10. Es ist schon bekannt, dass bei einem Speicher-Einspritzsystem, das üblicherweise bei Kraftfahrzeugmotoren auch als Common Rail Einspritzsystem bezeichnet wird, ein Einspritzzyklus mittels der Einspritzdauer, d.h. durch die Öffnungszeit der Düsennadel des Injektors gesteuert wird, wobei auch der im Injektor oder dem Rail vorherrschende Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs berücksichtigt wird.
  • Insbesondere im Hinblick auf strenge Emissionsforderungen und um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, sind dabei auch wesentliche Eigenschaften des Kraftstoffs, beispielsweise seine Dichte, Viskosität, Schwingverhalten usw. zu berücksichtigen. Da diese Eigenschaften nicht nur vom vorherrschenden Druck im System, sondern auch von der Temperatur des Kraftstoffs abhängen, wird angestrebt, auch die Temperatur zu erfassen.
  • Der Druck wird üblicherweise mit einem Drucksensor gemessen, der an geeigneter Stelle am Hochdruckbehälter (Rail) angeordnet ist. Die Erfassung der Temperatur ist jedoch schwieriger durchzuführen. Einen Temperatursensor im Hochdruckbereich anzuordnen, ist technisch schwierig zu realisieren. Zudem ist ein solcher Temperatursensor, der auch eine entsprechende Steuereinrichtung benötigt, relativ teuer und daher unerwünscht. In der Praxis hat man daher auf eine Installation des Temperatursensors entweder verzichtet oder man hat versucht, die Kraftstofftemperatur im Hochdruckbereich durch andere Systemkomponenten grob abzuschätzen. Diese Lösungen werden ebenfalls als nicht befriedigend angesehen, da das Timing für den Verlauf und die Form jeder Einspritzung auf diesem Wege nicht optimal angepasst werden kann.
  • In der Druckschrift EP 0 828 070 A2 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, die ein Drucksignal bestimmen und die Kraftstoffzumessung abhängig von diesem Drucksignal steuern. Das Drucksignal hängt vom Verlauf des Kraftstoffdrucks über der Zeit und/oder über der Winkelstellung einer Welle ab. Ausgehend von dem Drucksignal wird ein Signal bereitgestellt, das die Kraftstoffeigenschaften charakterisiert.
  • Aus der Patentschrift DE 197 20 378 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Öffnungszeit eines Einspritzventils einer Hochdruckspeicher-Einspritzanlage bekannt. Bei diesem Verfahren wird aus einem Kennfeld eine Einspritzdauer abgeleitet, die auf einen korrigierten statischen Druck im Hochdruckspeicher basiert. Der Korrekturwert berücksichtigt u.a. das Schwingungsverhalten des Kraftstoffs in Abhängigkeit seiner Kompressibilität, die entnommene Kraftstoffmenge oder die Ansteuerdauer aus einem vorhergehenden Einspritzvorgang. Des weiteren ist vorgesehen, Unterschiede im Druckverlauf, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur des Kraftstoffs zu berücksichtigen. Auch wird vorgeschlagen, die Kompressibilität des Kraftstoffs zu beachten, die auf das Schwingungsverhalten ebenfalls einen Einfluss ausübt. Die Kompressibilität kann dabei u.a. durch die Schallgeschwindigkeit erfasst werden. Der Patentschrift ist jedoch nicht entnehmbar, nach welchem Verfahren insbesondere die Temperatur des Kraftstoffs bestimmt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Speicher-Einspritzsystem die Temperatur des Kraftstoffs ohne einen Temperatursensor zu ermitteln. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die Vorrichtung zur Temperaturbestimmung des Kraftstoffs in einem Speicher-Einspritzsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 hat den Vorteil, dass mit dem vorhandenen Drucksensor nicht nur der Druck im Hochdruckbehälter gemessen werden kann, sondern auch die Druckwelle des Kraftstoffs erfasst wird, die beim Einspritzvorgang an einem Injektor ausgelöst wird. Als besonderer Vorteil wird angesehen, dass diese zunächst zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs herangezogen werden kann. Da die Schallgeschwindigkeit eine Funktion von Druck und Temperatur ist, kann somit bei bekanntem Druck auf die Temperatur des Kraftstoffs geschlossen werden. Ein separater Temperatursensor wird nicht benötigt, da der ohnehin vorhandene Drucksensor alle notwendigen Informationen zur Temperaturbestimmung liefert.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 angeführten Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung angegeben. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die Schallgeschwindigkeit aus der Laufzeit der Druckwelle vom Injektor bis zum Drucksensor und dem dabei zurückgelegten Weg berechnet werden kann. Die Messung der Laufzeit der Druckwelle kann mit einfachen Mitteln durchgeführt werden, so dass diese Lösung günstiger ist als ein separater Temperatursensor.
  • Eine vorteilhafte alternative Lösung wird darin gesehen, die Schallgeschwindigkeit aus der Frequenz der Welligkeit der Druckwelle zu bestimmen. Die Welligkeit ergibt sich durch Reflexionen einer stehenden Welle, aus der sich ebenfalls die Schallgeschwindigkeit ermitteln lässt.
  • Da die Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffs eine Funktion des vorherrschenden Drucks und der Temperatur ist, lässt sich bei bekanntem Druck im Hochdruckbehälter und bekannter Schallgeschwindigkeit auf einfache Weise die Temperatur des Kraftstoffs ermitteln, ohne dass ein separater Temperatursensor benötigt wird.
  • Die Temperatur des Kraftstoffs kann auf einfache Art beispielsweise mit einem Diagramm ermittelt werden, bei dem Temperaturkurven in Abhängigkeit vom Druck und der Schallgeschwindigkeit aufgetragen sind.
  • Eine günstige alternative Lösung für die Temperaturermittlung wird auch in einer Tabelle gesehen, in der Temperaturwerte in Abhängigkeit vom Druck eingetragen sind.
  • Die Temperatur des Kraftstoffs kann alternativ auch mit einem Algorithmus bestimmt werden, der die Abhängigkeit der drei Parameter Druck, Temperatur und Schallgeschwindigkeit als Funktion enthält. Solche Funktionen lassen sich leicht programmieren und dann von einer Rechnereinheit lösen.
  • Da die Eigenschaften des Kraftstoffs physikalisch miteinander verknüpft sind, lassen sich bei bekannter Druck- und Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit auch weitere Parameter des Kraftstoffs bestimmen. Insbesondere kann die Dichte und/oder die Viskosität des Kraftstoffs beispielsweise durch Vergleich bestimmt werden, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich sind.
  • Mit Hilfe der ermittelten Temperatur des Kraftstoffs kann eine vorgegebene Kraftstoffmenge in vorteilhafter Weise genau dosiert eingespritzt werden, da mit den bekannten und ermittelten Werten die Öffnungsdauer der Düsennadel des Injektors korrigiert beziehungsweise zuverlässig und exakt gesteuert werden kann.
  • Bei der Vorrichtung zur Erfassung der Temperatur des Kraftstoffs ist in vorteilhafter Weise eine Rechnereinheit vorgesehen, die von einem entsprechenden Softwareprogramm steuerbar ist. Ein Softwareprogramm ist leichter adaptierbar an vorgegebene Bedingungen als beispielsweise eine speziell abgestimmte Hardware-Lösung. Dadurch kann das Einspritzsystem nicht nur mit hoher Präzision arbeiten, sondern ist auch flexibel und universal verwendbar.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • Figur 1
    zeigt in schematischer Darstellung ein Speicher-Einspritzsystem mit vier Injektoren,
    Figur 2
    zeigt ein Diagramm, an dem das Prinzip der Entstehung einer Druckwelle erkennbar ist,
    Figur 3
    zeigt ein Diagramm mit einer Stromkurve zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors,
    Figur 4
    zeigt ein der Figur 3 zugeordnetes Diagramm mit zwei Temperaturkurven,
    Figur 5
    zeigt ein weiteres Diagramm, bei dem Temperaturkurven in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit und dem Druck aufgetragen sind,
    Figur 6
    zeigt eine Schaltungsanordnung für die Temperaturermittlung und
    Figur 7
    zeigt ein Flussdiagramm für ein Softwareprogramm.
  • Bezüglich der Figur 1 ist in schematischer Darstellung ein Speicher-Einspritzsystem (Common Rail Einspritzsystem) 1 erkennbar, wie es beispielsweise bei einem Vierzylinder-Dieselmotor verwendet werden kann. Im wesentlichen weist es einen Hochdruckbehälter 2, das sogenannte Common Rail auf, in dem sich Kraftstoff (in diesem Fall Dieselöl) unter sehr hohem Druck befindet. Der hohe Druck wird von einer Kraftstoffpumpe und einem Regelkreis erzeugt, die jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen in Figur 1 weggelassen wurden. Wesentlich ist, dass der Druck im Rail 2 von einem Drucksensor 4 erfasst wird. Der Drucksensor 4 liefert ein Signal an eine Steuerschaltung, die den Druck im Rail 2 entsprechend den vorgegebenen Bedingungen nachregelt.
  • Ausgangsseitig sind vier Einspritzventile oder Injektoren 5 angeschlossen, die an ihrem Ende jeweils eine Düsennadel aufweisen, über die bei Ansteuerung des Injektors 5 der Kraftstoff austreten kann und dabei in den Verbrennungsraum des Motors eingespritzt wird. Die Injektoren 5 werden von Aktoren 3 betätigt, die beispielsweise nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeiten und beim Anlegen eines elektrischen Spannungsimpulse sich in der Längsachse des Injektors 5 reversibel ausdehnen.
  • Durch den Blitzpfeil am linken Injektor 5 von Figur 1 soll angezeigt werden, dass bei diesem Injektor 5 der Aktor 3 angesteuert wird. Dabei entsteht im Innern des Injektors 5 ein Druckabfall des Kraftstoffs, der eine (oder mehrere) Druckwelle(n) auslöst, die in Richtung des Drucksensor 4 läuft. Die Druckwelle durchläuft die Wegstrecke s vom Injektor 5 bis zum Drucksensor 4, deren Länge bekannt ist und trifft mit einer gewissen Verzögerung (Laufzeit) beim Drucksensor 4 ein. Die Laufzeit der Druckwelle ist neben anderen Parametern im wesentlichen abhängig vom Druck im Einspritzsystem 1 und der Temperatur des Kraftstoffs. Die Druckwelle wird vom Drucksensor 4 erfasst, der seinen Messwert an eine entsprechende Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung weiterleitet (siehe Pfeil). Des weiteren erfasst eine Messeinrichtung die Laufzeit der Druckwelle, wie später noch näher erläutert wird. Dieser Vorgang wird zunächst in dem Diagramm zu Figur 2 näher erläutert.
  • Im Diagramm von Figur 2 ist in der unteren Kurve der prinzipielle Verlauf des Druckes P einer Druckwelle über der Laufzeit t wiedergegeben. Die obere Kurve zeigt im Vergleich hierzu eine Kurve mit einem Ansteuerstromimpuls, wie er typischerweise zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 3 verwendet wird. Im nicht angesteuerten Zustand liegt im Rail 2 der statische Druckwert P1 an. Zum Zeitpunkt t0 wird der Ansteuerimpuls für den Aktor 3 eingeschaltet, was durch die positive Halbwelle des Stromimpulses erkennbar ist. Zum Zeitpunkt t1 ist der Ansteuerimpuls bereits abgeschaltet worden. In der Zwischenzeit wurde die Düsennadel des Injektors 5 geöffnet und der Kraftstoff eingespritzt, so dass sich die in der unteren Kurve dargestellte Druckwelle ausgebildet hat. Nach einer Laufzeit der Druckwelle dt = t2-t0 wird die Druckwelle vom Drucksensor 4 durch den beginnenden Druckabfall erkannt. Aus der Laufzeit dt und der bekannten zurückgelegten Wegstrecke s vom Injektor 5 bis zum Drucksensor 4 gemäß Figur 1 lässt sich daraus die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Druck P und der Temperatur T des Kraftstoffs bestimmen.
  • Wie der Druckkurve weiter entnehmbar ist, bildet sich im rechten Teil eine stehende Welle aus, an der die Frequenz gemessen werden kann. Diese stehende Welle kann alternativ zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit verwendet werden kann.
  • In den Figuren 3 und 4 wird die Temperaturabhängigkeit der Druckwelle an Hand der beiden Temperaturen 40°C und 60°C genauer erläutert. Figur 3 zeigt noch einmal die Ansteuerstromkurve für den Aktor 3, wie sie bereits zu Figur 2 erläutert wurde. Hier wurde wiederum nur ein Einspritzimpuls dargestellt. In der Praxis besteht in der Regel ein Ansteuerzyklus aus einer Sequenz von Einspritzimpulsen, die in kurzem Zeitabstand geschaltet werden.
  • Figur 4 zeigt die beiden Druckwellen für die beiden Temperaturen Trail1 = 40°C (durchgezogenen Kurve) beziehungsweise Trail2 = 60°C (gepunktete Kurve), wie sie von dem Drucksensor 4 gemessen werden. Wie in Figur 4 erkennbar ist, weist die Kurve Trail2 eine längere Laufzeit t2 auf als die Kurve Trail1. Eine einfache Auswertung für die Temperaturbestimmung kann beispielsweise so erfolgen, dass ausgehend von einem Druckwert P1 die Laufzeit der Druckwelle bei einem niedrigeren Druckwert P2 von der Messeinrichtung erfasst wird. Die Differenz der beiden Laufzeiten t2-t1 ist dann ein Maß für die Temperatur des Kraftstoffs, bezogen auf einen Referenzwert. Wie zuvor schon erläutert wurde, lässt sich aus der Laufzeit t der Druckwelle und der bekannten zurückgelegten Wegstrecke s die Schallgeschwindigkeit V des Kraftstoffs nach der Formel V = s/t berechnen.
  • Eine alternative Berechnung für die Schallgeschwindigkeit V ergibt sich auch aus der Welligkeit der stehenden Welle, wie den beiden Kurven in Figur 4 entnehmbar ist. Beide Kurven Trail1 beziehungsweise Trail2 weisen bei genauer Betrachtung eine etwas unterschiedliche Periodendauer auf. Die Periodendauer ist rechnerisch umgekehrt proportional zur Frequenz und somit ebenfalls ein Maß für die Schallgeschwindigkeit V des Kraftstoffs.
  • An Hand von Figur 5 wird nun erläutert, wie aus der Schallgeschwindigkeit auf die Temperatur des Kraftstoffs geschlossen werden kann.
  • In dem Diagramm von Figur 5 ist auf der Y-Achse die Schallgeschwindigkeit V und auf der X-Achse der Druck P aufgetragen. Die Kurven a...h sind Temperaturkurven, wie sie beispielsweise durch empirische Messungen in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit V und dem Druck P gemessen werden können.
  • Diese Kurven drücken physikalische Zusammenhänge von Parametern des Kraftstoffs aus, aus denen auch weitere temperaturabhängige Parameter wie die Dichte und/oder die Viskosität des Kraftstoffs bestimmt werden können. So können unterschiedliche Kraftstoffsorten, bei denen bei vergleichbarem Druck und Temperatur, aber unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten gemessen wurden, durch einfachen Vergleich leicht unterschieden werden.
  • Die Temperaturkurven a...h wurden mit jeweils 20°C Temperaturdifferenz im Temperaturbereich -20°C ...+120°C ermittelt. Kurve a wurde bei -20°C, Kurve b wurde bei 0°C, Kurve c wurde bei +20°C usw. und Kurve h wurde bei +120°C ermittelt. Diese Temperaturkurven werden als Referenzkurven verwendet, um die Temperatur des Kraftstoffs zu bestimmen.
  • Wie am Beispiel von Figur 4 erläutert wurde, erhält man eine Laufzeitdifferenz t2-t1, die in eine Differenz dV der Schallgeschwindigkeit V umgerechnet wird. Es wird angenommen, dass die Kurve Trail2 = 60°C (Figur 4) als Referenzkurve gilt und daraus die Laufzeitdifferenz t2-t1 zur Kurve Trail1 beziehungsweise daraus die Differenz dV der Schallgeschwindigkeit V berechnet wurden. Man sucht sich jetzt in Figur 5 zu dem gegebenen Druckwert P1 den Schnittpunkt S1 mit der Temperaturkurve e, die als Referenzkurve bei 60°C bekannt ist, um bei dem vorgegebenen Beispiel zu bleiben. Auf diesen Schnittpunkt S1 wird der aus Figur 4 ermittelte Wert für die Differenz dV der Schallgeschwindigkeit V vertikal aufgetragen. Als Ergebnis erhält man die Kurve d, die der 40°C-Kurve entspricht. Die Temperatur des Kraftstoffs beträgt somit in unserem Beispiel 40°C. Zwischenwerte können natürlich entsprechend interpoliert werden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass es nicht sinnvoll ist, direkt aus Figur 4 die Temperatur des Kraftstoffs zu ermitteln, da hier Einflüsse weiterer Parameter (Dichte, Viskosität usw.) die Temperaturermittlung verfälschen könnten.
  • In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Diagramme in Form entsprechender Tabellen oder als Algorithmus auszubilden.
  • Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung einen Stromlaufplan für eine Vorrichtung mit einer rechnergesteuerten Messeinrichtung 11, mit der die Laufzeitmessung dt und auch die Schallgeschwindigkeit V des Kraftstoffs bestimmt werden können. Die Messeinrichtung 11 ist mit dem Drucksensor 4 verbunden, von dem sie das Signal der Druckwelle erhält. Ausgangsseitig ist die Messeinrichtung 11 mit einer Rechnereinheit 10 verbunden, die mit einem Speicher 12 und allen erforderlichen Einheiten ausgebildet ist. Die Rechnereinheit 10 wird von einem Softwareprogramm gesteuert, das in dem Speicher 12 abgelegt ist. Vorteilhaft ist, eine bereits vorhandene Rechnereinheit 10 und Speicher 12 für diese Aufgabe mitzubenutzen, um den Aufwand zu reduzieren. Am Ausgang T der Rechnereinheit 10 steht dann das Ergebnis der Temperatur für den Kraftstoff für eine weitere Nutzung, insbesondere für die Steuerung der Einspritzdauer zur Verfügung.
  • Figur 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Softwareprogramm zur Steuerung der Rechnereinheit 10. Nach dem Start des Programms in Position 20 wird zunächst der statische Druckwert P1 im Speicher 12 gespeichert (Pos. 21). In Position 22 erfolgt die Laufzeitmessung t beziehungsweise die Ermittlung der Differenz dt. In Position 23 werden die ermittelten Werte in die Schallgeschwindigkeit V beziehungsweise Geschwindigkeitsdifferenz dV umgerechnet. Danach erfolgt in Position 24 die Temperaturbestimmung T und dessen Ergebnisausgabe in Position 25. Je nach Bedarf kann das Programm wieder auf Position 20 springen und einen neuen Zyklus starten.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Temperaturbestimmung von Kraftstoff in einem Speicher-Einspritzsystem, wobei der Kraftstoff über einen Hochdruckbehälter (Common Rail) (2) zu angeschlossenen Injektoren (5) des Einspritzsystems (1) fließt, die von entsprechenden Aktoren (3) steuerbar sind, und wobei der Druck des Kraftstoffs im Hochdruckbehälter (2) von einem Drucksensor (4) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit (V) einer Druckwelle des Kraftstoffs ermittelt wird, die beim Einspritzen von Kraftstoff an einem der Injektoren (5) ausgelöst und von dem Drucksensor (4) erfasst wird, und dass die Temperatur (T) des Kraftstoffs mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit (V) der Druckwelle bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit (V) aus der Laufzeit (dt) der Druckwelle vom Injektor (5) bis zum Drucksensor (4) und dem dabei zurückgelegten Weg (s) bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit (V) aus der Frequenz der Welligkeit der Druckwelle bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Kraftstoffs aus der Schallgeschwindigkeit (V) unter Berücksichtigung des Drucks (P) im Hochdruckbehälter (2) bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Kraftstoffs mit Hilfe eines Diagramms bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Kraftstoffs mit Hilfe einer Tabelle bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Kraftstoffs mit Hilfe eines Algorithmus bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der bekannten Druck- und Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit (V) wenigstens ein weiterer Parameter, vorzugsweise die Dichte und/oder die Viskosität des Kraftstoffs abgeleitet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Kraftstoffs zur Ermittlung der Einspritzdauer des Injektors (5) verwendet wird.
  10. Vorrichtung zur Temperaturbestimmung des Kraftstoffs in einem Speicher-Einspritzsystem (1), an dem ein Drucksensor (4) zur Erfassung des Druckes (P) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Messeinrichtung (11) zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und/oder der Laufzeitmessung einer Druckwelle und eine Rechnereinheit (10) aufweist, und dass die Rechnereinheit (10) ausgebildet ist, um aus der Schallgeschwindigkeit (V) die Temperatur (T) des Kraftstoffs zu ermitteln.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (10) von einem Softwareprogramm steuerbar ist.
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