AT523775A1 - Verfahren und Regelungsanordnung zur Regelung eines gasbetriebenen Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelungsanordnung zur Regelung eines mit einem Gas betriebenen Verbrennungsmotors, insbesondere eines CNG-betriebenen Verbrennungsmotors, wobei basierend auf einer Drehmomentanforderung eine in den Verbrennungsmotor einzubringende Gasmenge (TotalGasDem) berechnet wird, und wobei die Drehmomentanforderung durch eine Drehmomentumwandlungsfunktion (1) in eine Brennstoffanforderung (FuelGasReq) für die Menge des reinen Brennstoffs umgerechnet wird.

Description

Verfahren und Regelungsanordnung zur Regelung eines gasbetriebenen
Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelungsanordnung zur Regelung eines mit einem Gas betriebenen Verbrennungsmotors, insbesondere zur Regelung der in
den Motor einzubringenden Gasmenge auf Basis einer Drehmomentanforderung.
Die stöchiometrische (Lambda = 1,0) Regelung der Gasinjektion bei gasbetriebenen Verbrennungsmotoren für Straßenfahrzeuge erfolgt gemäß Stand der Technik durch eine gezielte Mischung von Gas, insbesondere von gasförmigem Brennstoff wie Methan bzw. Erdgas, mit Frischluft. Dabei wird meist eine kombinierte Vorsteuerung für die Gasinjektionsanforderung verwendet, die die Lambdaanforderung, das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die tatsächlich verfügbare Frischluftmenge an der Gasmischposition berücksichtigt. Die Lambdaanforderung liegt bei Gasmotoren für Straßenkraftfahrzeuge aufgrund der strengen Abgasnormen und der dadurch erforderlichen Verwendung von Mehrwegekatalysatoren meist im Bereich von 0,97 bis 1,03. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist das Verhältnis der Luftmasse zur Gesamtgasmasse, die in den Gasmotor eingeblasen wird. Über die tatsächlich verfügbare Frischluftmenge wird eine Korrektur des Gasbedarfs unter Verwendung
einer Lambdasonde im Abgasbereich geregelt.
Unter Gasinjektion wird im Rahmen der Erfindung insbesondere auch eine Gaszumischung verstanden, bei welcher insbesondere nicht gezwungenermaßen ein Injektor oder Ähnliches verwendet werden muss. Grundsätzlich wird bei Gasmotoren bevorzugt gasförmiger Brennstoff verwendet, welcher eindosiert wird. Eine solche Eindosierung wird im Rahmen der Erfindung auch als Gasinjektion verstanden. Es ist allerdings auch möglich, dass ein flüssiger Kraftstoff wie LPG verwendet wird, welcher üblicherweise über einen Injektor eingespritzt wird. Auch dies wird im Rahmen der Erfindung als Gasinjektion verstanden.
Der Betriebspunkt wird bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren über eine Motordrehzahl und eine Drehmomentanforderung definiert. Diese Motordrehmomentanforderung wird gemäß Stand der Technik durch die
Motorsteuerung in eine Frischluftanforderung an der Mischerposition umgewandelt, da
bei herkömmlichen Regelungen die Luftmenge der drehmomentrelevante Parameter bzw. die Führungsgröße des Regelkkreises ist. Folglich basieren auch die meisten
herkömmlichen Kennfelder auf den Parametern Motordrehzahl und Frischluft.
Die Qualität und insbesondere die Zusammensetzung des gasförmigen Brennstoffs ist in vielen Fällen Schwankungen unterworfen. Die Gasqualität wird üblicherweise durch den Gehalt an brennbarem Gas, z.B. CH4, nicht brennbarem Gas, z.B. CO2, und dem Luftgehalt (79% 02 + 21% N2) im Gas definiert.
Wenn sich nun die Gasqualität ändert und z.B. ein Delta von +- 10% CH4-Gehalt bei Straßenmotoren mit CNG aufweist, müssen einerseits das stöchiometrische LuftKraftstoff-Verhältnis, auch AFR oder Air-Fuel-Ratio bezeichnet, und andererseits die Korrelation zwischen der Drehmomentanforderung und der Frischluftanforderung angepasst werden. Dazu werden in der Regel Korrekturkennfelder mit den Gasqualitätsabweichungen als Skalierungsfaktor verwendet, um das Drehmoment und die AFR-relevante Funktionalität anzupassen. Zudem müssen die Korrekturen für unterschiedliche Gasqualitäten kalibriert und überprüft werden. Diese durch schwankende Gasqualität verursachte Komplexität erschwert die exakte Regelung der
Gasinjektion.
Zudem sind gasbetriebene Verbrennungsmotoren bekannt, für die weniger strenge Abgasgrenzwerte gelten und die dadurch bei optimalem Wirkungsgrad im mageren Bereich (Lambda>1, insbesondere im Bereich 1,2 bis 1,6) betrieben werden können. Ein Beispiel hierfür wäre ein Verbrennungsmotor für den Stationärbetrieb, also beispielsweise für einen Antrieb eines Generators. Auch die Regelung der Gasinjektion von nicht-stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotoren erfolgt durch Mischen von brennbarem Gas wie Methan mit Frischluft. Es wird hier meist eine Kombination aus einer Vorregelung für die Gasinjektionsanforderung auf Grundlage des LambdaBedarfs, des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der verfügbaren Frischluft an der Gasmischerposition vorgenommen. Bei der Regelung wird nun gemäß Stand der Technik ebenfalls die Motordrehmomentanforderung unter Berücksichtigung der Motordrehzahl in eine Frischluftanforderung an der Mischerposition umgewandelt.
Die Lambdaanforderung ist typischerweise für jede Motordrehzahl und für jeden
Lastpunkt festgelegt. Daher korreliert auch die angeforderte Luftmenge für jeden Betriebspunkt mit dem Drehmoment und die Frischluftmenge kann als drehmomentrelevanter Parameter bzw. als Führungsgröße der Regelung verwendet werden. Folglich basieren die meisten Kennfelder herkömmlicher Regelungen auf den Parametern Motordrehzahl und Frischluft, und es kann auch dieselbe
Drehmomentregelstrategie wie bei stöchiometrischen Gasmotoren verwendet werden.
Alternativ gibt es insbesondere bei Motoren ohne Abgasrückführung (EGR) Regelungen, die auf dem Druck und der Temperatur im Ansaugkrümmer basieren, insbesondere weil diese die Luftdichte bestimmen und dadurch mit der dem Motor
zugeführten Frischluftmenge korrelieren.
Schwankt nun die Gasqualität zwischen 10% und 30% CH4-Gehalt, wie es bei Stationärmotoren, die mit Grubengas betrieben werden, vorkommen kann, so müssen das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Korrelation zwischen Drehmomentanforderung und Frischluftanforderung angepasst werden. Hierzu werden mehrere Korrekturkennfelder mit Gasqualitätsabweichungswerten als Skalierungsfaktor verwendet, um das Drehmoment und die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-relevante Funktionalität anzupassen. Die Korrekturen müssen für unterschiedliche Gasqualitäten kalibriert und überprüft werden. Diese durch schwankende Gasqualität verursachte
Komplexität erschwert die exakte Regelung der Gasinjektion.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dies umfasst insbesondere, dass eine verbesserte und/oder vereinfachte Regelung für gasbetriebene Verbrennungsmotoren bei schwankender Gasqualität zur
Verfügung gestellt wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der
unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines mit einem Gas betriebenen
Verbrennungsmotors, insbesondere eines CNG-betriebenen Verbrennungsmotors,
wobei basierend auf einer Drehmomentanforderung eine in den Verbrennungsmotor
einzubringende Gasmenge TotalGasDem berechnet wird. Die einzubringende Gasmenge TotalGasDem wird der Frischluft zugemischt und gemeinsam über das Ansaugsystem bevorzugt in den Brennraum oder in die Brennräume des
Verbrennungsmotors eingebracht.
Im Rahmen der Erfindung wird Brennstoff und Brenngas synonym verwendet. Dabei entspricht eine Brennstoffmasse oder eben auch Brennstoffmenge insbesondere 100% oder annähernd 100% CH4.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Drehmomentanforderung durch eine Drehmomentumwandlungsfunktion in eine Brennstoffanforderung FuelGasRegq für die
Menge des reinen Brennstoffs umgerechnet wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Brennstoffanforderung FuelGasRegq die Führungsgröße der Regelung ist. Dadurch ist es besonders gut möglich, die Anforderungen an einen Lambdawert einzuhalten. Es wird also vorteilhaft genau soviel Kraftstoff eingespritzt wie Luft verfügbar ist, um ein vorgegebenes Lambdafenster
einzuhalten.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass zuerst die Drehmomentanforderung in eine Brennstoffanforderung (FuelGasReqg) umgerechnet wird, und dass die benötigte Luftmenge auf Basis dieser Brennstoffanforderung berechnet wird. Dadurch ist es
weiter besonders gut möglich, die Anforderungen an einen Lambdawert einzuhalten.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Signal der Brennstoffanforderung FuelGasRegqg einer Lambdaregelung zugeführt wird. Hierdurch kann bevorzugt die
benötigte Luftmenge berechnet werden.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass bei der Berechnung der in den Verbrennungsmotor einzubringenden Gasmenge TotalGasDem, zur Berücksichtigung der Menge der real zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft und zur Berücksichtigung einer Lambdaanforderung, eine eigentlich abzugebende
Brennstoffmenge FuelGasDem berechnet wird, sodass die Verbrennung im
Verbrennungsmotor der Lambdaanforderung entspricht und insbesondere innerhalb
eines vorgegebenen Lambdafensters erfolgt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass bei der Berechnung der in den Verbrennungsmotor einzubringenden Gasmenge TotalGasDem, die Gaszusammensetzung und insbesondere der Brennstoffgehalt des Gases berücksichtigt wird, wobei insbesondere durch eine Gasbeschaffenheitsanpassungsfunktion ein Korrekturfaktor CorGas berechnet und mit der eigentlich abzugebenden Brennstoffmenge FuelGasDem multipliziert wird. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Gaszusammensetzung und insbesondere der Brennstoffgehalt des Gases über eine Klopfregelung, einen Klopfsensor, eine Lambdaregelung, einen Lambdasensor, einen Gasqualitätssensor und/oder eine Drehmomentmessung bestimmt wird. Besonders bevorzugt erfolgt die Gaszusammensetzung und insbesondere der Brennstoffgehalt des Gases über eine klopfsensorbasierte Klopfregelung, eine lambdasensorbasierte Lambdaregelung, einen Gasqualitätssensor und/oder eine Drehmomentmessung.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die für die Verbrennung notwendige Luftmenge über eine steuerbare Drosselklappe, einen steuerbaren Kompressor, einen steuerbaren Turbolader, über ein Abgasrückführungsventil und/oder über die Ventilsteuerung gesteuert oder geregelt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Regelungsanordnung zur Regelung eines gasbetriebenen Verbrennungsmotors, insbesondere eines mit CNG-betriebenen Verbrennungsmotors, der zur Umsetzung einer Drehmomentanforderung durch Berechnung einer in den Verbrennungsmotor einzubringenden Gasmenge
TotalGasDem eingerichtet ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Drehmomentumwandlungsfunktion zur Umrechnung der Drehmomentanforderung in eine Brennstoffanforderung FuelGasReq für die Menge des reinen Brennstoffs vorgesehen ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Brennstoffanforderung FuelGasRegq die
Führungsgröße der Regelungsanordnung ist. Dabei entspricht die
Brennstoffanforderung FuelGasReq insbesondere dem Brenngas (insbesondere 100 %
CH4). Diese ist insbesondere neben der Motordrehzahl eine Hauptführungsgröße.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Drehmomentumwandlungsfunktion eine Lambdaregelung nachgeschalten ist. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Regelungsanordnung zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Die Erfindung betrifft auch einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor, insbesondere einen CNG-betriebenen Verbrennungsmotor, der eine erfindungsgemäße
Regelungsanordnung umfasst.
Die Brennstoffanforderung bildet bevorzugt in allen Ausführungsformen die Führungsgröße der Regelung. Insbesondere wird in allen Ausführungsformen zuerst die Motordrehmomentanforderung in eine Brennstoffanforderung umgerechnet und dann
die benötigte Luftmenge an diese Brennstoffanforderung angepasst.
Die erfindungsgemäße brennstoffbasierte Regelung weist gegenüber einer luftbasierten
Regelung mehrere Vorteile auf.
Bei unterschiedlichen Gaszusammensetzungen aber gleicher Drehmomentanforderung kann bei der brennstoffbasierten Regelung die gleiche Brenngasmenge verwendet werden, wobei nur die Luftanforderung angepasst werden muss. Wenn sich die Gaszusammensetzung ändert, ist daher bevorzugt keine Korrektur der auf dem
Brenngas basierenden Lastpunkte erforderlich.
Eine Änderung der Gasqualität hat bei der brennstoffbasierten Regelung bevorzugt auch keinen Einfluss auf die drehmomentrelevante Funktionalität, da die Gasqualität in einer Berechnungsfunktion für die Gasparameter dadurch berücksichtigt wird, dass ein Basis-Gaskorrekturfaktor, auch BasCorGas bezeichnet, unter Berücksichtigung der Molverhältnisse von allen relevanten und bekannten Teilen der Gaszusammensetzung
berechnet wird.
Eine Änderung der Gasqualität erfordert bevorzugt auch keine Anpassungen der Lambda-Regelung, da die Gasqualität in einer Gasparameter-Berechnungsfunktion dadurch berücksichtigt wird, dass der Basis-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Wert, auch BasCorAFR bezeichnet, unter Berücksichtigung der Molverhältnisse der relevanten und bekannten Teile der Gaszusammensetzung berechnet wird.
Eine Änderung der Lambdaanforderung erfordert zudem auch keine Anpassung der Drehmomentregelung, da die Drehmomentregelung nicht auf Basis der Luftmasse,
sondern auf Basis der Brenngasmenge erfolgt.
Wenn sich die Gaszusammensetzung innerhalb vorgegebener Grenzen ändert, kann eine Änderung der Gaszusammensetzung durch unterschiedliche Funktionen der Regelung berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Diese Funktionen zur Anpassung der Regelung an die Änderung der Gaszusammensetzung können bevorzugt parallel zu
einer herkömmliche Lambdaregelung mit einem Lambdasensor eingesetzt werden.
Das Gas kann insbesondere Erdgas, beispielsweise in Form von CNG oder LNG sein.
Gegebenenfalls ist das Gas Grubengas. Gegebenenfalls ist das Gas LPG.
Die Brennstoffanforderung entspricht bevorzugt einem Signal, das der Menge,
insbesondere der Masse oder dem Massenstrom, des reinen Brennstoffs entspricht.
Die Erfindung wird nun anhand von exemplarischen, nicht einschränkenden
Ausführungsformen weiter beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht von Komponenten einer Regelung für einen
gasbetriebenen Verbrennungsmotor.
Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung von Komponenten einer Regelung,
insbesondere zur Anpassung an unterschiedliche Gaszusammensetzungen.
Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Darstellung von Komponenten einer Regelung, insbesondere
zur Anpassung an unterschiedliche Gaszusammensetzungen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von Komponenten eines
Verbrennungsmotors.
Wenn nicht anders angegeben, dann entsprechen die Bezugszeichen folgenden Komponenten. Drehmomentumwandlungsfunktion 1, Motorsteuerung mit Lambdaregelung 2, Gasbeschaffenheitsanpassungsfunktion 3, Gasdosierungsregelung 4, Lambda Feedforward Regler 5, Lambda Feedback Regler 6, Drehmomentabweichung 8, Klopfsensor 9, Gassensor 10, Lambda feedback Anpassung 11, Drehmomentkorrektur 12, Klopfkorrektur 13, Gasparameterberechnung 14, Gaszuführung 15, Luftzuführung 16, Durchflusssteuerung 17, Mischer 18, variables Bypassventil 19, Motor 20, Turbolader 21, steuerbare Drossel 22, Ladeluftkühler 23, Abgas 24, Abgassensor 25.
Fig. 1 zeigt ein Schema einer Regelung für einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor, insbesondere für die Regelung der Gasinjektion eines gasbetriebenen
Verbrennungsmotors.
Ausgangspunkt der Regelung und folglich bevorzugt auch Eingangsgröße der Regelung, ist die Wahl eines gewünschten Drehmoments, also eine Drehmomentanforderung. Diese Drehmomentanforderung bzw. deren Signal wird im Falle eines Straßenfahrzeugs in der Regel durch die Gaspedalstellung gewählt. Alternativ kann diese Drehmomentanforderung vom Fahrgeschwindigkeitsregler, der Schaltautomatik oder anderen übergeordneten Reglern des Fahrzeugs kommen. Die Motordrehmomentanforderung wird bevorzugt in allen Ausführungsformen in der Drehmomentumwandlungsfunktion 1 in eine Brennstoffanforderung, FuelGasReg, für reinen Brennstoff, also beispielsweise für im Wesentlichen reines Methangas für CNGoder für im Wesentlichen reines Propangas für LPG-betriebene Gasmotoren umgewandelt. Diese Brennstoffanforderung bildet bevorzugt die Führungsgröße der
Regelung. Der nächste Schritt wird dann von einer Lambda-Regelung durchgeführt, die eine der
Hauptregelfunktionen der Motorsteuerung 2 ist und die anhand der Fig. 2 beschrieben
wird. Die Lambda-Regelung umfasst einen Lambda-Feedforward-Regler 5 und einen
Lambdasonden basierten Lambda-Feedback-Regler 6. Der Lambda-FeedforwardRegler 5 fordert nun einen Wert zur erforderlichen Luftmenge an, die als AirDem bezeichnet wird. Hierbei werden die Werte FuelGasReg, Lambdaanforderung, auch LambdaDemand bezeichnet, und ein korrigiertes Luft-Brennstoff-Verhältnis, auch AFRcor bezeichnet, berücksichtigt. Darüber hinaus wird unter Berücksichtigung von LambdaDemand, AFRcor und der verfügbaren Luft, auch als AirAct bezeichnet, die eigentliche abgegebene oder abzugebende Brennstoffmenge, auch FuelGasDem bezeichnet, für die Gasdosieungsregelung 4 berechnet. Die erforderliche Luftmenge wird von der Luftregeleungsfunktion 12 eingestellt (mittels einem oder mehrerer Steller
des Luftsystems 19, 21 und 22). Als Rückführungswert wird AirAct ausgegeben.
Der angeforderte FuelGasDem wird dann als Haupt-Ist-Lastpunkt anstelle der tatsächlichen Frischluftmasse AirAct verwendet. Die eigentlich abzugebende Brennstoffmenge FuelGasDem wird dann mit dem Gaskompositions-Korrekturfaktor CorGas multipliziert, um die angeforderte Gasmenge zu bestimmen, die dann als
TotalGasDem in mit Hilfe der Gasdosierung g 4 eingeblasen wird.
Die Regelung umfasst eine Gasbeschaffenheitsanpassungsfunktion 3 zur Anpassung der Regelung an unterschiedliche Gasqualitäten und Gaszusammensetzungen. Eingänge der Gasbeschaffenheitsanpassungsfunktion 3 können beispielsweise ein
Klopfsensor, ein Lambdasensor, ein Gassensor oder Ähnliches sein.
In weiterer Folge werden zwei Beispiele für Anpassungen an unterschiedliche
Gasqualitäten angegeben:
Beispiel 1 betrifft eine Gaszusammensetzung von 50% reinem Gas und 50% Frischluft im Gas (z.B. Gas aus einem Kohlebergwerk). Für ein angefordertes Drehmoment von 100 NMR fordert die Drehmomentwandlungsfunktion 1 FuelGasReq = 100 an. Für AFRcorr = 15 wird vom Lambda-Regler in 2 ein Luftbedarf von 1500 (100 * 15) angefordert. Nach einiger Zeit wird durch die Luftwegsteuerung 12 ein AirAct = 1500 eingestellt. Nun fordert der Lambdaregler FuelGasDem = 100 an. Als nächstes wird FuelGasDem mit CorGas = 2.0 multipliziert und die Gesamtmenge des Gases
TotalGasDem von 200 wird der Gasdosierungssteuerung 4 zur Verfügung gestellt und
von den Gasventilen eingeblasen. Der Korrekturfaktor CorGas = 2,0 wird von der
Gasbeschaffenheitsanpassungs-Funktion 3 berechnet.
Beispiel 2 betrifft eine Gaszusammensetzung von 100% reinem Gas, also ohne Frischluftanteil im Gas. Für ein angefordertes Drehmoment von 100 Nm fordert die Drehmomentwandlungsfunktion 1 FuelGasReq = 100 an. Für AFRcorr = 16 (weil im Vergleich zu Beispiel 1 50% der Luft im Gas fehlen) wird von der Lambda-Regelung 2 ein Luftbedarf von 1600 (100 * 16) angefordert. Nach einiger Zeit wird durch die Luftwegregelung 12 ein AirAct = 1600 eingestellt. Nun fordert der Lambda-Regler FuelGasDem = 100 an. Als nächstes wird FuelGasDem mit CorGas = 1.0 multipliziert und die Gesamtmenge des Gases TotalGasDem von 100 wird der Gasdosierungssteuerung 4 zur Verfügung gestellt und eingeblasen. Der Korrekturfaktor CorGas = 1,0 wird in 3 durch die Funktion Gaszusammensetzungsanpassung 3 unter
Berücksichtigung des unterschiedlichen Gasgehalts von Beispiel 2 berechnet.
Die Gaszusammensetzungsanpassung über den Lambda-Feedback-Regler mit einer Lambda-Sonde läuft insbesondere wie folgt ab. Der Lambda-Feedback-Regler 6 wird bevorzugt dazu verwendet, die Genauigkeit des Lambda-Feedforward-Reglers 5 zu verbessern. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Luftmengenmessung und bei der Gaseinblasung und aufgrund von Schwankungen der Gaszusammensetzung kann der Lambda-Feedforward-Regler 5 den angeforderten Lambdawert LambdaDemand meist nicht in der gewünschten Genauigkeit erreichen. Folglich wird vom LambdaFeedforward-Regler 6 eine am Motorausgang angeordnete Lambda-Sonde verwendet, um die Abweichung der Lambdaanforderung zum Lambda-Sonden-Wert LambdaSensVal zu berechnen bzw. zu messen und um eine Korrektur für die Luftanforderung AirDem oder für die Gasanforderung TotalGasDem durchzuführen.
Auch eine Kombination der beiden Korrekturen kann verwendet werden.
Ein dem Stand der Technik entsprechender Ansatz der Lambdaregelung führt nur eine Korrektur der Kraftstoffeinspritzung über einen Gaskorrekturwert CorGas durch, der auf dem Ausgangswert LbdDev des Lambda-Feedback-Reglers 6 basiert. Es wird jedoch bei herkömmlichen Regelungen meist keine Korrektur der AFR oder des Gasgehalts durchgeführt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in der Gasbeschaffenheitsanpassung 3 der Korrekturwert LbdDev in drei Korrekturmöglichkeiten aufteilt, die in Fig. 3
beschrieben sind.
Zunächst wird eine direkte und kurzfristige Korrektur der geforderten Gaseinspritzung über den Wert LbdCorGas mit bevorzugt keiner oder nur geringer Filterung durchgeführt. Diese Korrektur berücksichtigt eine falsche Gasdosierung innerhalb einer typischen Genauigkeit des Dosiersystems von ca. +/-5 %, und wird daher nur in einem
begrenzten Bereich durchgeführt.
Reicht die Korrektur über die Anpassung LbdCorGas nicht aus, sodass der Ausgang des Lambda-Reglers LbdDev nicht gegen null konvergiert, wird eine mittel- oder langfristige Anpassung über eine Korrektur des Luft-Brennstoff-Verhältnisses AFR durchgeführt. Dazu wird LbdDev über einen Zeitraum von beispielsweise 1 bis 1000 Sekunden gefiltert und zur Berechnung eines Korrekturfaktors LDdCorAFR im Bereich von ca. 0,95 bis 1,05 verwendet. Dieser wird dann mit einem AFR-Basiswert BasCorAFR multipliziert. Der endgültige angepasste AFR-Wert CorAFR wird dann vom Lambda Feedforward Controller 5 verwendet. Dieser Korrekturwert LDAdCorAFR
kompensiert bevorzugt hauptsächlich eine falsche Luftmengenmessung.
Reicht auch die Korrektur über LbdCorGas und LbdCorAFR nicht aus und der Ausgang des Lambda-Feedforward-Reglers LbdDev konvergiert nicht gegen null, so wird eine Langzeitanpassung über eine Korrektur der Gaszusammensetzung durchgeführt. In diesem Fall wird mit Hilfe eines Korrekturfaktors LbdCorPar der prozentuale Anteil des brennbaren Gases (z.B. CH4-Gehalt) in einem begrenzten Bereich von beispielsweise 0,80 bis 1,20, je nach Anwendung, korrigiert, und der Anteil des nicht brennbaren Gases, z.B. Luft- oder CO2-Gehalt, wird in umgekehrter Richtung mit dem Faktor 1/LbdCorPar korrigiert.
Die alternative oder zusätzliche Anpassung der Gaszusammensetzung basierend auf einem Gassensor kann wie folgt erfolgen. Abhängig von der Gaszusammensetzung, insbesondere dem Anteil an CH4, C2H6, CO2, Luft, CO2, etc. Im Gas, werden die
Parameter BasCorAFR und der Faktor BasCorGas in der Gasparameterberechnungsfunktion 14 berechnet. Diese Gasparameterberechnungsfunktion 14 ist Teil der Gaszusammensetzungsanpassungsfunktion 3. Dabei werden die Mol-Verhältnisse der kalibrierten Gasinhalte berücksichtigt.
Die Basisgaszusammensetzung wird unter Verwendung der entsprechenden Werte aus der Basiskalibrierung berechnet. Änderungen des Brennstoffgehalts während des Betriebs werden bevorzugt durch mehrere Funktionen zur Anpassung der Gaszusammensetzung berücksichtigt. Diese können anwendungsspezifische Grenzen
für ihre maximalen Korrekturwerte aufweisen.
Weist eine Ausführungsform einen Gasqualitätssensor 10 auf, so können die Sensorwerte GasMeas für den Brennstoffgehalt anstelle der Werte aus der Kalibrierung verwendet werden. In diesem Fall können einige der GasbeschaffenheitsAnpassungsfunktionen eingeschränkt sein. Beispielsweise eine Begrenzung des Korrekturfaktors mit 0,98 bis 1,02 statt 0,8 bis 1,2, da die Anpassung auch auf
Grundlage der Sensorwerte GasMes erfolgt.
Eine Gasbeschaffenheitsadaption kann auch basierend auf einer Drehmomentabweichung erfolgen. Bei stationären Gasmotoren die z.B. mit Grubengas aus einem Kohlebergwerk betrieben werden, kann es, beispielsweise nach einer Gasnachfüllung oder nach einem Wechsel auf eine andere Gasversorgungsquelle, zu starken Änderungen des Brennstoffgehalts im Gas kommen. Ändert sich der Brennstoffgehalt im Gas während des Motorbetriebs stark, z.B. mehr als 10% in der relativen Konzentration, dann werden die Werte AFRcor und CorGas innerhalb ihrer anwendungsspezifisch kalibrierten Grenzen basierend auf den Signalen LDdCorAFR, LbdCorGas, LbdCorPar und GasMeas angepasst. Abhängig von den anwendungsspezifischen Grenzen und der Größe der Änderung des Brennstoffanteils im Gas verbleibt eine Abweichung des berechneten Drehmoments in der
Drehmomentwandlungsfunktion 1 und des gemessenen Motordrehmoments.
Steht bei der Regelung, beispielsweise aus einem Generatorleistungssignal einer
Aggregatanwendung, eine Information zum real erzeugten Drehmoment zur Verfügung,
so kann diese Drehmomentabweichung zur Berechnung des Brennstoffgehalts im Gaskorrekturfaktor GasTqCor in der Drehmomentkorrekturfunktion 12 verwendet werden. Dieser Gaskorrekturfaktor GasTqCor kann dann in der Gasparameterberechnungsfunktion 14 zur Aktualisierung der relevanten MolVerhältnisse verwendet werden, um angepasste Werte für BasCorAFR und BasCorGas
zu berechnen.
Da die Drehmomentabweichung auch durch eine Änderung der mechanischen Verluste, z.B. Reibung, verursacht werden kann, und dies eine relative Änderung des Kurbelwellendrehmoments insbesondere für niedrige Lastpunkte bewirkt, kann eine Deaktivierung oder Skalierung der maximalen Korrektur für CorGas in Abhängigkeit vom Motorlastpunkt vorgesehen sein, da in diesem Fall eine Änderung der
Gaszusammensetzung nicht die alleinige Ursache für die Drehmomentabweichung ist.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Anpassung der Gaszusammensetzung auch basierend auf einem Korrektursignal der Klopfregelung erfolgen. Ändert sich das Verhältnis von Kraftstoffgehalt zu Inertgasgehalt im Gas, so ändert sich auch das Klopfverhalten des Verbrennungsmotors. Diese Änderung der Klopfverhaltens tritt auch bei kleinen Änderungen der Zusammensetzung des Gases, z.B. bei einer Verwendung
von Biogas anstatt Erdgas für CNG-betriebenen Straßenfahrzeugen.
Es wird durch die Gaskorrekturfunktion also bevorzugt nicht das Klopfverhalten angepasst, sondern es wird die Korrektur des Zündwinkels durch die Klopfregelung
verwendet, um die Gaszusammensetzung anzupassen.
Die Änderung des Klopfverhaltens wird durch die Klopfregelung erkannt und über eine Korrektur des Zündwinkels kompensiert. Abgeleitet von dieser Korrektur wird dann ein weiteres Klopfabweichungssignal berechnet und als KnkDev-Signal bereitgestellt. Die Funktion Klopfkorrektur 13 berechnet nun einen Brennstoff-in-Gas-Korrekturfaktor GasKnkCor, der in der Gasparameterberechnungsfunktion 14 verwendet wird, um die relevanten Mol-Verhältnisse zu aktualisieren und aktualisierte Werte für BasCorAFR
und BasCorGas zu berechnen.
Da sowohl die Klopfkorrekturfunktion 13 als auch die Drehmomentkorrekturfunktion 12 einen Korrekturfaktor für den Brennstoffgehalt im Gas berechnen, sollte immer nur eine
dieser Funktionen gleichzeitig aktiv sein.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht von Komponenten eines Verbrennungsmotors. Dieser umfasst eine Gaszuführung 15 zur gesteuerten und/oder geregelten Zuführung
eines Gases, das den Brennstoff enthält und als Energiequelle für den Motor 20 dient.
Zur Zuführung von Frischluft für die Verbrennung ist eine Luftzuführung 16 mit einer Unterdrucksteuerung 17 zur Erhöhung des Differenzdruckes zwischen regelbarer Gaszuführung 15 und Gas Mischer 18. In einem Gas Mischer 18, welcher zur besseren Durchmischung von Frischluft und Gas als Venturi Rohr ausgeführt sein kann, werden die Luft und das Gas in einem bestimmten Verhältnis gemischt, um einerseits bestmöglich die Drehmomentanforderung zu erfüllen und um andererseits der
Lambdaanforderung zu entsprechen.
Den Luftdurchfluss bestimmt folglich die Drosselklappe 22. Mit der Unterdrucksteuerung 17 wird der Differenzdruck zwischen Gaszuführung 15 und Venturi-Gas-Mischer erhöht,
um bei voll geöffnetem Gasventil in 15 noch mehr Gas eindosieren zu können.
Zusätzlich umfasst der Verbrennungsmotor einen Turbolader 21 mit einem optionalem integriertem variablen Turbinenbypass (Wastegate) und einem optionalen variablen Kompressor-Bypassventil 19 und einem Ladeluftkühler 23. Unmittelbar vor dem Motor 20 ist eine steuerbare Drosselklappe 22 angeordnet, um den Luftmassenstrom des LuftGasgemisches in den Motor zu regeln. Dem Motor nachgeordnet entlang der Strömungsrichtung des Abgases 24 ist ein Abgassensor 25 vorgesehen. Dieser Abgassensor kann ein Lambdasensor sein. Zusätzlich kann auch ein Sensor zur Messung einer abgasrelevanten Größe wie beispielsweise ein NOx-Sensor vorgesehen
sein.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Mischung von Gas und Luft
auch vor oder nach der Drosselklappe erfolgen. Zusätzlich kann auch eine
Abgasrückführung vorgesehen sein. Im Verlauf der Abgasleitung 24 kann eine
Abgasnachbehandlungsanlage vorgesehen sein.

Claims (13)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines mit einem Gas betriebenen Verbrennungsmotors, insbesondere eines CNG-betriebenen Verbrennungsmotors, wobei basierend auf einer Drehmomentanforderung eine in den Verbrennungsmotor einzubringende Gasmenge (TotalGasDem) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentanforderung durch eine Drehmomentumwandlungsfunktion (1) in eine Brennstoffanforderung (FuelGasRegq) für die Menge des reinen Brennstoffs
umgerechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennstoffanforderung (FuelGasReg) die Führungsgröße der Regelung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass zuerst die Drehmomentanforderung in eine Brennstoffanforderung (FuelGasReq) umgerechnet wird, - und dass die benötigte Luftmenge auf Basis dieser Brennstoffanforderung
berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der Brennstoffanforderung (FuelGasReq) einer Lambdaregelung zugeführt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der in den Verbrennungsmotor einzubringenden Gasmenge (TotalGasDem), zur Berücksichtigung der Menge der real zur Verfügung stehenden Verbrennungsluft und einer Lambdaanforderung, eine eigentlich abzugebende Brennstoffmenge (FuelGasDem) berechnet wird, sodass die Verbrennung im Verbrennungsmotor der Lambdaanforderung entspricht und
insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Lambdafensters erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass bei der Berechnung der in den Verbrennungsmotor einzubringenden Gasmenge (TotalGasDem), die Gaszusammensetzung und insbesondere der
Brennstoffgehalt des Gases berücksichtigt wird,
- wobei insbesondere durch eine Gasbeschaffenheitsanpassungsfunktion (3) ein Korrekturfaktor (CorGas) berechnet und mit der eigentlich abzugebenden Brennstoffmenge (FuelGasDem) multipliziert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszusammensetzung und insbesondere der Brennstoffgehalt des Gases über eine Klopfregelung, einen Klopfsensor, eine Lambdaregelung, einen Lambdasensor, einen Gasqualitätssensor und/oder eine Drehmomentmessung bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die für die Verbrennung notwendige Luftmenge über eine steuerbare Drosselklappe, einen steuerbaren Kompressor, einen steuerbaren Turbolader, über ein Abgasrückführungsventil und/oder über die Ventilsteuerung gesteuert oder geregelt wird.
9. Regelungsanordnung zur Regelung eines gasbetriebenen Verbrennungsmotors, insbesondere eines mit CNG-betriebenen Verbrennungsmotors, eingerichtet zur Umsetzung einer Drehmomentanforderung durch Berechnung einer in den Verbrennungsmotor einzubringenden Gasmenge (TotalGasDem), dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentumwandlungsfunktion (1) zur Umrechnung der Drehmomentanforderung in eine Brennstoffanforderung
(FuelGasReq) für die Menge des reinen Brennstoffs vorgesehen ist.
10. Regelungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffanforderung (FuelGasReq) die Führungsgröße der
Regelungsanordnung ist.
11. Regelungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
der Drehmomentumwandlungsfunktion (1) eine Lambdaregelung nachgeschalten
ist.
12. Regelungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingerichtet ist.
13. Gasbetriebener Verbrennungsmotor, insbesondere CNG-betriebener
Verbrennungsmotor, umfassend eine Regelungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12.
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