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Dokumentenidentifikation DE102005051923A1 03.05.2007
Titel Überwachung der Motorölverdünnung
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder Carberry, Brendan, 52074 Aachen, DE;
Yacoub, Yasser, 50858 Köln, DE;
Maertens, Steven, Toulouse, FR
Vertreter Drömer, H., Dipl.-Phys. Dr.-Ing., Pat.-Ass., 51429 Bergisch Gladbach
DE-Anmeldedatum 29.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051923
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse F01M 11/10(2006.01)A, F, I, 20051029, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Ölverdünnung eines Motoröls mit Kraftstoff eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor. Das Kraftfahrzeug weist einen Partikelfilter auf, der mittels zusätzlicher Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors regenerierbar ist. Das Motoröl ist in einer Ölwanne aufgenommen, die mit einem Motorölkreislauf verbunden ist. Dem Verbrennungsmotor ist eine Steuereinheit zugeordnet. In der Ölwanne wird zum einen eine Kraftstoffmasse und zum anderen eine Ölmasse bestimmt, wobei beide Massen in ein Gewichtsverhältnis zueinander gesetzt werden, so daß eine prozentuale Ölverdünnung in der Ölwanne bestimmbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Ölverdünnung eines Motoröls mit Kraftstoff eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor, wobei das Kraftfahrzeug einen Partikelfilter aufweist, der mittels zusätzlicher Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors regenerierbar ist, wobei das Motoröl in einer Ölwanne aufgenommen ist, die mit einem Motorölkreislauf verbunden ist, wobei dem Verbrennungsmotor eine Steuereinheit zugeordnet ist.

Bekannt ist, beispielsweise Dieselpartikelfilter (Rußabscheidung) und/oder NOx-Fallen (NOx Lagerung/Umwandlung) und/oder einer Kombination von beiden (DPNR) in Abgasanlagen zu verwenden, um die Abgase von schädlichen Bestandteilen weitestgehend zu befreien. Nachteiligerweise weisen diese Systeme eine begrenzte Lagerkapazität bezüglich des Rußes, des NOx (Stickstoff) und/oder von Sulfaten (Vergiftung) auf und erfordern daher eine periodische aktive Regenerierung. Eine passive Regenerierung wäre zwar auch denkbar, wobei dies aber nur in einem bestimmten Temperaturfenster möglich ist.

Üblicherweise muß ein Dieselpartikelfilter alle 500 bis 1.500 km regeneriert werden, wobei ein Volumen derart gewählt wird, daß eine Ölverdünnung unter ein bestimmtes Limit begrenzt wird. Nachteiligerweise weist diese Lösung aber einen unvorteilhaften Konflikt zwischen der Regenerationszeit (Kraftstoffverschwendung) und Kosten, Gewicht sowie den benötigten Bauraum der zugeordneten Komponenten auf. Von daher ist diese Möglichkeit nicht für alle Fahrzeuge geeignet.

Für eine NOx-Falle (oder jedes andere System, welches einen so genannten fetten Betriebszustand benötigt) ist als nachteilig anzusehen, daß die Regeneration üblicherweise alle 1 bis 5 km erforderlich ist. Von daher sind sehr drastische Maßnahmen zu treffen, um eine Ölverdünnung zu reduzieren.

Beide Systeme (Dieselpartikelfilter, NOx-Falle) verwenden zusätzliche Einspritzungen, insbesondere späte Nacheinspritzungen, in die Zylinder, also in den Brennraum des Verbrennungsmotors, um den Abgasen unverbrannte Hydrokarbonate zuzuführen. Eine solche späte Nacheinspritzung wird beispielsweise 60 bis 120° nach TDC (Top Dead Center, oberer Totpunkt) durchgeführt. Bei einem Dieselpartikelfilter wird beispielsweise Wärme erzeugt, um die Temperatur des Katalysators zu erhöhen. Für die NOx-Falle werden fette Betriebszustände in der Falle verwirklicht.

Nachteiligerweise hat sich gezeigt, daß sich diese späte Einspritzung von zusätzlichem Kraftstoff aufgrund des relativ geringen Zylinderdruckes an der Zylinderwand niederschlägt und sich mit dem an der Zylinderwand befindlichen Öl vermischt. Ein Teil dieses zusätzlichen Brennstoffes gelangt so in die Ölwanne und erhöht den Kraftstoffgehalt in dem Motoröl, so daß eine gesteigerte Ölverdünnung in der Ölwanne vorliegt. Dies bewirkt nicht nur einen gesteigerten Brennstoffverbrauch, sondern erfordert auch zusätzliche Maßnahmen, diesen Brennstoff aus dem Motoröl herauszufiltern. Derartige Vorrichtungen erhöhen aber nicht nur das Gewicht des Kraftfahrzeuges und beeinflussen damit den Kraftstoffverbrauch nachteilig, sondern sind auch sehr kompliziert auszugestalten. Durch den Kraftstoff in dem Motoröl wird dieses zudem derart nachteilig verdünnt, daß die Schmiereigenschaften des Motoröls nachteilig beeinflußt werden.

Erschwerend kommt hinzu, daß das Problem der Motorölverdünnung sehr stark von dem Betriebsmodus des Kraftfahrzeuges abhängt. So kann bei häufigen Kaltstarts und einem anschließenden Kurzstreckenbetrieb die entstehende Ölverdünnung fünfmal so stark sein als bei einem Betrieb, bei dem der Motor im Wesentlichen im aufgewärmten Zustand betrieben wird. Deshalb muß derartigen Worst-Case-Situationen, also beispielsweise häufige Kaltstarts mit Kurzstreckenbetrieb mit vorgegebenen Ölwechselintervallen (typischerweise alle 15.000 km oder jährlich) Rechnung getragen werden, wodurch die Betriebskosten erhöht und durch den Austausch von ansonsten noch verwendbaren Öls unnötige Ressourcen verbraucht werden, da ein Ölwechsel möglicherweise nicht erforderlich ist für einen Motor, der im Wesentlichen im aufgewärmten Zustand betrieben wird, also ein Kraftfahrzeug, das überwiegend auf Langstrecken eingesetzt ist.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das mit einfachen Mitteln eine Überwachung der Ölverdünnung durchführt, so daß Ölwechselintervalle an einen jeweiligen Fahrzyklus des jeweiligen Kraftfahrzeugs anpaßbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung einer Ölverdünnung eines Motoröls mit Kraftstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hierbei wird vorteilhafterweise zum einen eine in der Ölwanne vorhandene Kraftstoffmasse und zum anderen eine in der Ölwanne vorhandene Ölmasse aufgenommen, wobei beide Massen in ein Gewichtsverhältnis zueinander gesetzt werden, so daß eine prozentuale Ölverdünnung in der Ölwanne bestimmbar ist.

Damit wird ein einfaches Verfahren zur Verfügung gestellt, welches eingebunden in die Steuereinheit des Kraftfahrzeugs in dessen laufenden Betrieb über die gesamte Lebensdauer des Verbrennungsmotors einen jeweiligen Ölwechsel bzw. ein Ölwechselintervall abhängig vom Fahrstil des jeweiligen Fahrers des Kraftfahrzeugs bestimmt. Hierbei wird vorteilhaft ein minimales Ölwechselintervall für einen so genannten Worst-Case-Fahrer bzw. Fahrzyklus garantiert. Vorteilhafterweise legt das Verfahren bei einem Fahrer, der einen sehr vorteilhaften Fahrzyklus aufweist, längere Ölwechselintervalle fest, so daß ein solcher Fahrer von den längeren Ölwechselintervallen begünstigt wird. Denn ein längeres Ölwechselintervall wirkt sich unmittelbar vorteilhaft auf die Ölwechselkosten aus, so daß bei längeren Ölwechselintervallen natürlich auch geringere Ölwechselkosten auf den Fahrer zukommen. Dadurch, daß das Verfahren jeweils frühzeitig einen Ölwechsel bzw. einen erforderlichen Ölwechsel berechnet und dem Fahrzeugführer anzeigt, da die Ölverdünnung in der Ölwanne einen zu großen Betrag aufweist, wirkt sich dies auch vorteilhaft auf die Lebensdauer des Verbrennungsmotors aus. Denn durch die Ölverdünnung sinkt natürlich auch die Viskosität des Motoröls bzw. dessen Schmiereigenschaften, so daß mit einem frühzeitigen Ölwechsel die Schmiereigenschaften des Motoröls erhalten bleiben, wodurch der Verbrennungsmotor eine längere Lebensdauer aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Phänomen der Ölverdünnung in zwei fortlaufend wiederkehrende Effekte aufteilbar ist. Zum einen wird die Ölverdünnung während der Nacheinspritzung erhöht, wobei zum anderen die Ölverdünnung während normaler Betriebsbedingungen (Kraftstoffverdunstung) abgesenkt wird. Bei einem Fahrzyklus mit häufigen Kaltstarts und folgender Kurzstrecke kann sich das Motoröl natürlich nicht derartig erwärmen, daß die flüchtigen Bestandteile (Kraftstoff) aus diesem verdunsten, wie dies beispielsweise bei einem Fahrzeug mit häufigen Langstreckenzyklen möglich ist. Von daher beachtet das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft diese beiden Effekte. Das erfindungsgemäße Verfahren detektiert also einen erforderlichen Ölwechsel beispielsweise für die Worst-Case-Situation, und detektiert beispielsweise einen erforderlichen Ölwechsel bei einem Fahrzeug mit häufigen Langstreckeneinsatz, wobei hier der Ölwechsel nach einer längeren Fahrstrecke erfolgen kann. Natürlich ist es möglich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch einen erforderlichen Ölwechsel zwischen den beiden extremen zu detektieren. Dies wirkt sich insbesondere vorteilhaft auf die Unterhaltungskosten des Kraftfahrzeugs aus, da ein Ölwechsel nur dann angezeigt wird, wenn mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der erforderliche Ölwechsel detektiert wird. Damit werden aber auch Ölressourcen gesichert, da insbesondere bei einem Langstreckenfahrzeug noch den notwendigen Bedingungen entsprechendes Motoröl nicht ausgetauscht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Kalkulation von sowohl der Kraftstoffmasse als auch der Motorölmasse in der Ölwanne, wobei das Gewichtsverhältnis die Ölverdünnung in der Ölwanne angibt.

Günstig im Sinne der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß die Kraftstoffmasse in der Ölwanne als proportional zur Dauer der Einspritzzeit des zusätzlichen Kraftstoffs angenommen wird, wobei als zusätzliche Einspritzung die späte Nacheinspritzung gewählt werden kann.

Zweckmäßigerweise wird weiter angenommen, daß die Kraftstoffmasse in der Ölwanne sowohl exponentiell von der Kraftstoffmasse abhängt, die vor der zusätzlichen Einspritzung von Kraftstoff in der Ölwanne vorhanden ist, als auch gleichzeitig exponentiell von der Kraftstoffmasse abhängt, die von der zusätzlichen Einspritzung von Kraftstoff in die Ölwanne gelangt.

Üblicherweise verbraucht der Verbrennungsmotor während seines Betriebes etwas Motoröl, so daß günstigerweise angenommen wird, daß die Ölmasse in der Ölwanne von dem Ölverbrauch des Verbrennungsmotors abhängt.

Bei einem erforderlichen Ölwechsel verbleibt selbstverständlich etwas Öl bzw. nicht gewechseltes Öl mit dem vermischten Kraftstoff in der Ölwanne, so daß zweckmäßigerweise angenommen wird, daß nach einem Ölwechsel eine in der Ölwanne verbleibende Gesamtrestmasse aufgenommen wird. Diese Gesamtrestmasse kann in der Steuereinheit als Standardwert kalibriert vorgegeben sein, oder durch die Serviceperson in der Steuereinheit bei jedem Ölwechsel neu gesetzt werden. Mit diesem Wert oder Volumen und dem letzten Betrag der Ölverdünnung vor dem Ölwechsel kann eine Aufteilung zwischen Ölmasse und Kraftstoffmasse durchgeführt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in den folgenden beispielhaften Ausführungen genannt.

Das Phänomen der Ölverdünnung ist sehr kompliziert, wobei ein einfaches Modell beschrieben wird, mit dem die Ölverdünnungswerte ziemlich genau reproduziert werden können, die während eines 100.000 km Testprogramms mit einem katalytischen Dieselpartikelfilter gemessen wurden. Hierbei basiert das einfache Modell sowohl auf der Berechnung des Kraftstoffs in der Ölwanne als auch des Öls in der Ölwanne, wobei das Gewichtsverhältnis von beiden Werten die Ölverdünnung angibt.

Hierbei werden zur Berechnung folgende Annahmen getroffen:

Für die Kraftstoffmasse in der Ölwanne wird angenommen, daß die Ölverdünnung proportional zur Dauer der zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung bzw. zur Dauer der Nacheinspritzung ist. Hierbei wird die Nacheinspritzung bereits in der Steuereinheit des Verbrennungsmotors überwacht. Dieser Gradient kann für jedes einzelne Fahrzeug kalibriert werden, wobei der Gradient derzeit über einen beschleunigten Zyklus, d. i. 16 Paris Zyklen auf einem Fahrzeugprüfstand gemessen wird, was in wenigen Stunden durchgeführt werden kann. Die Kraftstoffmasse (Verdünnung) kann beispielsweise mittels folgender Formel F2i+1 = F2i + d·PTiGleichung 1 (Kraftstoffmasse linear ansteigend proportional zur effektiven Dauer der Nacheinspritzung)

berechnet werden.

Eine Rückgewinnung des Kraftstoffes, also ein Abfallen der Ölverdünnung während normaler Betriebsphasen des Verbrennungsmotors (Kraftstoffverdunstung) wird derart berechnet, daß angenommen wird, daß die Rückgewinnung aus zwei exponentiellen Teilen besteht, und zwar eine exponentielle Rückgewinnung von „schwerem" Kraftstoff, also Kraftstoff, welcher noch im Öl vermischt war, bevor eine Regeneration, also eine Nacheinspritzung begonnen wurde, und einer exponentiellen Rückgewinnung von „leichtem", frischem Kraftstoff aus der Regeneration bzw. aus der Nacheinspritzung.

Dies kann beispielhaft anhand der folgenden Formel (Kraftstoffmasse (Rückgewinnung))

berechnet werden, wobei der linke Teil von Gleichung 2 die „schwere" Kraftstoffmasse angibt, und der rechte Teil die „leichten" Kraftstoffmasse angibt.

Hierbei wurden die Exponentialfaktoren vorzugsweise derart angepaßt, um mit der Messung über 100.000 km zu korrelieren.

Für die Ölmasse in der Ölwanne wird angenommen, daß der Ölverbrauch real beachtet werden muß. Hierzu kann jeder Wert herangezogen werden, beispielsweise eine Kurve, die einen Wechsel des Ölverbrauchs während der Lebensdauer des Kraftfahrzeuges beinhaltet, was beispielsweise in der Steuereinheit kalibriert werden kann. Gleichzeitig wurden während des 100.000 km-Tests Ölproben genommen und analysiert und ebenfalls beachtet, was in Realität nicht unbedingt notwendig ist. Der Ölverbrauch kann beispielsweise mittels folgender Formel O2i = O2i–1 – c0·LDi – &Sgr;SjGleichung 3 (Ölverbrauch des Verbrennungsmotors; Ölproben zur Analyse)

berechnet werden. Hierbei betrachtet der rechte Teil von Gleichung 3 die Ölproben. Ohne diese ergäbe sich O2i+1 = O2i – c0·RDi (Ölverbrauch des Verbrennungsmotors)Gleichung 4

In den einzelnen Formeln bedeuten:

O:
Ölmasse in der Ölwanne [Liter]
F:
Kraftstoffmasse in der Ölwanne [Liter]
RD:
Regenerationsabstand
PT:
Dauer der Nacheinspritzung oder Menge der Nacheinspritzung
LD:
Fahrstrecke
i:
ith (= der i-te) Fahrzyklus (Fahrstrecke LD + Regenerationsabstand RD)
j:
jth (= die j-te) Ölprobe aus der Ölwanne
d:
Teil des nach eingespritzten Kraftstoffs, der in den Ölfilm gelangt (wobei die
Einheit
für PT Liter ist, und andererseits die Einheit für d Liter/Mikrosekunden ist, wenn PT in der Einheit Mikrosekunden angegeben wird)
c0:
Ölverbrauch [Liter/km]
S:
Volumen der Ölprobe [Liter]

Nach einem Ölwechsel ist selbstverständlich immer noch etwas Öl und natürlich auch Kraftstoff in der Ölwanne vorhanden, welches bei dem Ölwechsel nicht ausgetauscht wird, so daß dieser Wert ebenfalls beachtet werden muß. Dies kann natürlich auch in der Steuereinheit des Verbrennungsmotors als Standardwert festgelegt werden oder von der jeweiligen Serviceperson in der Steuereinheit neu gesetzt werden kann. Mit diesem Wert bzw. Volumen und dem letzten Ölverdünnungswert vor dem Ölwechsel kann eine Aufteilung zwischen Kraftstoff und Öl durchgeführt werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit ein sehr einfaches Modell zur Verfügung gestellt, welches das Potential hat, eine Ölverdünnung in der Ölwanne ziemlich genau vorherzusagen. Damit können erforderliche Ölwechselintervalle direkt in der Steuereinheit berechnet werden, so daß insbesondere bei unterschiedlichen Fahrtypen bzw. Fahrzyklen ein längeres oder kürzeres Ölwechselintervall detektierbar ist. Natürlich wird ein solcher erforderlicher Ölwechsel mittels bekannten Anzeigesystemen in dem Fahrzeug angezeigt werden können. Damit wird vorteilhaft ein sehr einfaches Verfahren zur Verfügung gestellt, welches auf einer einfachen Aufnahme von Zeit und Distanz (Fahrstrecke) basiert, wobei diese Werte einfach analytisch berechnet werden.

Das zuvor beschriebene einfache Verfahren ist beispielhaft in den Folgenden Graphen dargestellt: Selbstverständlich ist das Verfahren nicht auf die zuvor genannten Aufnahme- bzw. Annahme der genannten Werte beschränkt.

Beispielsweise könnten ein zweiter oder mehr Parameter aufgenommen werden, welche die Rückgewinnung signifikant (beispielsweise Öltemperatur) beeinflussen und könnten daher auch in Betracht gezogen werden. Hierbei könnten vorteilhaft die Aufwendungen für die Kalibrierung reduziert werden.

Die Abnahme der Ölverdünnung ist abhängig von dem Geschwindigkeits-/Belastungsbetriebspunkt des Motorkennfeldes. Von daher könnte anstelle der Verwendung des Wertes eines einzelnen beschleunigten Zyklus ein Kennfeld benutzt werden, von dem der kumulierte Wert kalkuliert werden könnte. Dies kann sehr einfach durchführbar sein, wobei das Verfahren angepaßt werden könnte.


Anspruch[de]
Verfahren zur Überwachung einer Ölverdünnung eines Motoröls mit Kraftstoff eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor, wobei das Kraftfahrzeug einen Partikelfilter aufweist, der mittels zusätzlicher Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors regenerierbar ist, wobei das Motoröl in einer Ölwanne aufgenommen ist, die mit einem Motorölkreislauf verbunden ist, wobei dem Verbrennungsmotor eine Steuereinheit zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ölwanne zum einen eine Kraftstoffmasse und zum anderen eine Ölmasse bestimmt wird, wobei beide Massen in ein Gewichtsverhältnis zueinander gesetzt werden, so daß eine prozentuale Ölverdünnung in der Ölwanne bestimmbar ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmasse als proportional zur Dauer der Einspritzzeit des zusätzlichen Kraftstoffs angenommen wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffmasse in der Ölwanne sowohl exponentiell von der Kraftstoffmasse abhängt, die vor der zusätzlichen Einspritzung von Kraftstoff in der Ölwanne vorhanden ist, als auch exponentiell von der Kraftstoffmasse abhängt, die von der zusätzlichen Einspritzung von Kraftstoff in die Ölwanne gelangt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölmasse in der Ölwanne von einem Ölverbrauch des Verbrennungsmotors abhängt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Ölwechsel eine in der Ölwanne verbleibende Gesamtrestmasse aufgenommen wird.






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