DE102004051287A1

DE102004051287A1 - Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart

Info

Publication number: DE102004051287A1
Application number: DE102004051287A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Liebsch
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2004-10-14
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart mittels eines elektronischen Steuergeräts beim Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart mittels eines elektronischen Steuergeräts beim Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten zu schaffen, mit dem die Wirkungsgradvorteile der unterschiedlichen Kraftstoffarten besser genutzt werden können. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung die Auswahl des am Besten einzusetzenden Kraftstoffes für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors in Abhängigkeit einer stufenlos vornehmbaren Priorisierung von Wirkungsgrad, Reichweite und/oder Emissionen. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass durch das Steuergerät anhand eines gewählten Fahrmodus und der dem Steuergerät zugeführten fahr- und motorspezifischen Daten die für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimal wirkende Kraftstoffart ausgewählt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
Der Einsatz von alternativen Energien zum Betrieb einer Brennkraftmaschine gewinnt in Hinblick auf die begrenzten Erdölreserven und auf die ständig niedriger werdenden zulässigen Werte hinsichtlich des Schadstoffausstoßes immer mehr an Bedeutung. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz von unterschiedlichen Kraftstoffarten zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es bekannt, eine Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge wahlweise mit einem flüssigen oder mit einem gasförmigen Brennstoff zu betreiben.

Eine automatische Auswahl der jeweilig eingesetzten Kraftstoffart zum Betrieb einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 199 22 748 C2 vorbekannt. Dabei werden einem elektronischen Steuergerät Informationen zur Bestimmung der momentanen Fahrzeugumgebung übermittelt. Im Falle einer Fahrzeugumgebung, die im besonderen Maß eine Emissionsreduzierung erfordert, erfolgt automatisch eine Umschaltung auf eine Kraftstoffart, die weniger Emissionen verursacht.

Aus der EP 0 718 484 B1 ist eine Brennkraftmaschine für einen abwechselnden Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen bekannt, bei der mittels eines Wahlschalters die Umschaltung zwischen Benzin- oder Gasbetrieb erfolgt. Eine automatische Umschaltung erfolgt nur, wenn einer der beiden Tanks einen minimalen zulässigen Füllstand erreicht hat.

Aus der DE 101 21 609 A1 ist eine Steuereinrichtung zur Umschaltung zwischen einer mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff betreibbaren Brennkraftmaschine vorbekannt. Dabei erfolgt aufgrund des Nichterreichens der maximalen Leistung der Brennkraftmaschine bei Einsatz von gasförmigen Kraftstoffen bei einer Volllast des Motors ein automatisches Umschalten des Betriebes von gasförmigem Kraftstoff auf flüssigen Kraftstoff. Weiterhin erfolgt bei einem niedrigen Füllstand der jeweiligen Kraftstoffart eine automatische Umschaltung auf die andere Kraftstoffart. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass der Fahrzeugführer manuell auf eine gewünschte Kraftstoffart umschalten kann.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass entweder nur eine manuelle Umschaltung auf eine andere Kraftstoffart oder dass eine automatische Umschaltung nur bei einem Volllastbetrieb oder bei einer gezielten Emissionsreduzierung erfolgt. Die Wirkungsgradvorteile der unterschiedlichen Kraftstoffarten können dabei nicht genutzt werden. Insbesondere der Wirkungsgradvorteil des Gasbetriebes bei hohen Lasten und des Benzinbetriebs bei geringen Lasten bei einer Motorauslegung für hauptsächlich mit Gas betriebene Motoren kann dabei nicht ausgeschöpft werden.

Aus der DE 101 46 789 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Routen von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt bekannt, bei dem das Fahren des Fahrzeuges innerhalb einer garantierten Reichweite mit einer Resttankfüllung bis zu einer Wiederbefüllung mit Kraftstoff an einer Tankstelle gewährleistet wird. Dabei wird der Energievorrat des Fortbewegungsmittels wie Kraftstoff und/oder Gas und/oder elektrische Energie gemessen und daraus eine Maximalreichweite des Fortbewegungsmittels bestimmt. Die Routenberechnung erfolgt anhand des gemessenen Energievorrates, wobei ein für das Wiederbefüllen geeigneter Zielpunkt mit den Bedingungen errechnet wird, dass er entsprechend des vorhandenen Energievorrats sicher erreicht werden kann. Ein automatisches Umschalten in eine andere Kraftstoffart, beispielsweise zur Emissionsreduzierung aufgrund von Stadtdurchfahrten, erfolgt mit diesem Verfahren nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart mittels eines elektronischen Steuergeräts beim Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten zu schaffen, mit dem die Wirkungsgradvorteile der unterschiedlichen Kraftstoffarten besser genutzt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart mittels eines elektronischen Steuergeräts beim Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten zeichnet sich dadurch aus, dass durch das Steuergerät anhand eines gewählten Fahrmodus und den dem Steuergerät zugeführten fahr- und motorspezifischen Daten die für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimal wirkende Kraftstoffart ausgewählt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die automatisch gesteuerte Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Kraftstoffarten in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebspunkt und dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine immer die Kraftstoffart eingesetzt wird, mit welcher der höchste Wirkungsgrad zu erzielen ist. Dadurch lässt sich das Fahrzeug insgesamt mit einem höheren Wirkungsgrad betreiben. Insbesondere für Brennkraftmaschinen, die hauptsächlich für einen Gasbetrieb ausgelegt sind, kann dabei der Wirkungsgradvorteil des Gasbetriebes bei hohen Lasten und des Benzinbetriebs bei geringen Lasten besser ausgeschöpft werden.

Entsprechend des durch den Fahrzeugführer eingestellten Fahrmodus kann beispielsweise die Brennkraftmaschine besonders umweltfreundlich oder Kraftstoff sparend betrieben werden. Der Fahrzeugführer hat dabei die Möglichkeit eines frei wählbaren Fahrmodus, der zwischen einer maximalen Fahrreichweite des Fahrzeuges und einem maximalen Wirkungsgrad des Motors liegt.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine Verbrennungsmaschine, die mit wenigstens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten betrieben wird, quasi monovalent mit einer relativ hohen Verdichtung ausgelegt werden kann, da ein Betrieb des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff mit höherer Klopfneigung im Volllastbetrieb weitestgehend vermieden wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass bei Verwendung eines Navigationssystems mit eingegebenem Fahrtziel durch das Steuergerät anhand des Streckenprofils eine Vorberechnung der einzusetzenden Kraftstoffe erfolgt, so dass über die gesamte Fahrstrecke eine gesteuerte Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Kraftstoffarten bei einem nahezu optimalen Kraftstoffeinsatz erfolgt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.

Nachfolgend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Die erfindungsgemäße Lösung wird beschrieben an einer Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, die durch mindestens zwei unterschiedliche Kraftstoffarten angetrieben werden kann. Dabei ist eine Kraftstoffart ein Kraftstoff mit einer hohen Zündwilligkeit, wie beispielsweise entsprechendes Benzin, Dieselkraftstoff oder Wasserstoff. Die andere Kraftstoffart ist ein Kraftstoff, der eine niedrige Zündwilligkeit aufweist, wie beispielsweise Erdgas oder ein Benzin hoher Klopffestigkeit.
Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung der automatischen Auswahl der einzusetzenden Kraftstoffart mittels eines elektronischen Steuergerätes anhand eines gewählten Fahrmodus und den dem Steuergerät zugeführten fahr- und motorspezifischen Daten derart, dass die für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimal wirkende Kraftstoffart ausgewählt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei sowohl für Brennkraftmaschinen, die hauptsächlich für einen Gasbetrieb ausgelegt als auch für Brennkraftmaschinen, die hauptsächlich für einen Benzinbetrieb ausgelegt sind, eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, dass Verbrennungsmotoren, die hauptsächlich durch Benzin betrieben werden, häufig mit einem geringeren Verdichtungsverhältnis ausgeführt werden. Im Volllastbetrieb kann deshalb bei Einsatz eines gasförmigen Brennstoffes der mit diesem Kraftstoff erzielbare Wirkungsgrad nicht erreicht werden. Bei Auslegung eines Motors, der vorwiegend mit Gas mit höherer Klopffestigkeit betrieben wird, werden üblicherweise höhere Verdichtungsgrade gewählt. Diese Motoren weisen im Benzinbetrieb bei hohen Lasten aufgrund der Klopfneigung des Kraftstoffes einen ungünstigeren Wirkungsgrad auf, als bei Verwendung von gasförmigem Kraftstoff mit höherer Klopffestigkeit. Bei niedrigen Lasten kann sich aufgrund der höheren Brenngeschwindigkeit eines Benzin-Luft-Gemisches ein höherer Wirkungsgrad als im Gas betrieb ergeben. Darum ist es besonders wichtig, entsprechend der Auslegung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebspunkt des Motors und dem gewählten Fahrmodus die Kraftstoffart einzusetzen, mit welcher der höchste Wirkungsgrad zu erzielen ist. Insbesondere für Brennkraftmaschinen, die hauptsächlich für einen Gasbetrieb ausgelegt sind, kann dabei der Wirkungsgradvorteil des Gasbetriebes bei hohen Lasten und des Benzinbetriebs bei geringen Lasten besser ausgeschöpft werden.
Zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart, mit der die Verbrennungskraftmaschine betrieben werden soll, wird neben den fahr- und motorspezifischen Daten, die über an sich bekannte Sensoren dem Steuergerät des Fahrzeuges zur Regelung und Steuerung der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden, auch der vom Fahrzeugführer gewählte Fahrmodus berücksichtigt. Dabei kann der Fahrzeugführer den Fahrmodus stufenlos zwischen einem Modus zur Erzielung maximaler Fahrreichweite des Fahrzeuges und der Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades frei wählen. Der Fahrzeugführer hat weiterhin die Möglichkeit, weitere Parameter, wie hinsichtlich eines vorgegebenen Fahrziels oder einer Fahrstrecke oder einer Mindestreichweite des Fahrzeuges oder einer gewünschten Ankunftszeit oder der Gesamtfahrkosten oder des Emissionsausstoßes oder eines beabsichtigten Nachtankens, dem Steuergerät als Grundlage für die Berechnung der Wahl der jeweilig eingesetzten Kraftstoffart einzugeben. Die entsprechenden Parameter des frei wählbaren Fahrmodus werden durch den Fahrzeugführer mittels einer Eingabevorrichtung eingegeben und im Steuergerät zur Errechnung des Einsatzes der für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimal wirkenden Kraftstoffart gespeichert. Die möglichen Parameter können auch im Steuergerät hinterlegt oder in das Steuergerät z. B. über Funk übertragen werden.
Die Wahl des eingesetzten Kraftstoffes erfolgt dann automatisch mittels des Steuergerätes abhängig von den Vorgaben des Fahrers und dem jeweiligen Betriebspunkt und Betriebszustand des Motors. Die Berechnung der einzusetzenden Kraftstoffart erfolgt dabei anhand von im Steuergerät gespeicherten Kennlinienfeldern, die für die jeweiligen Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine bei Einsatz von unterschiedlichen Kraftstoffarten erstellt wurden. Außerdem werden bei der Berechnung der einzusetzenden Kraftstoffart der jeweilige Füllungszustand der Vorratsbehälter der unterschiedlichen Kraftstoffarten berücksichtigt.
Zur Erzielung maximaler Fahrreichweiten wird der Motor so betrieben, dass mit dem verfügbaren Kraftstoff ausgehend vom zu erwartenden Verbrauch eine maximale Reichweite ermöglicht wird. Ist noch genügend flüssiger Kraftstoff verfügbar, so erfolgt der Motorbetrieb dann in einem entsprechend größeren Kennfeldbereich – auch zu höheren Lasten hin – mit flüssigem Kraftstoff. Bei der Einstellung des Fahrmodus zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades erfolgt der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit jeweils dem Kraftstoff, mit welchem unter den gegebenen fahr- und motorspezifischen Bedingungen der größtmögliche Wirkungsgrad zu erzielen ist.
Entsprechende Daten von Informationssystemen, wie GPS (Global Positioning System), TMC (Traffic Message Channel), Verkehrsfunk und ähnlichen, können für die Berechnung der günstigsten einzusetzenden Kraftstoffart hinsichtlich Zielentfernung, Straßenprofil, Fahrtroute, Staus, Umleitungen, Tankstellenverzeichnisse und dergleichen mit berücksichtigt werden. So kann zum Beispiel ermittelt werden, ob ein Tankstopp sinnvoll möglich ist. Dementsprechend können dann vom Steuergerät die Umschaltpunkte für den Einsatz der jeweiligen Kraftstoffart so gewählt werden, dass unter den gegebenen Umständen und unter Berücksichtigung der Vorgaben ein optimaler Kompromiss, z. B. hinsichtlich des Wirkungsgrades erzielt wird. Dabei wird gegebenenfalls vom Navigationsgerät die Fahrtroute so angepasst, dass ein Tankstopp enthalten ist. Ein möglicher Umweg zur Tankstelle kann bei der Ermittlung der optimalen Strategie berücksichtigt werden.
Basierend auf den vorgewählten Daten bezüglich Fahrziel, Ankunftszeit und möglicher zusätzlicher Vorgaben sowie auf relevanten Informationen zur Route und Verkehrslage können dem Fahrer zudem Hinweise hinsichtlich einer sinnvoll zu wählenden Geschwindigkeit gegeben werden, wobei auf Wunsch Aspekte wie Wirkungsgrad, Reichweite und Emissionen berücksichtigt werden. Somit kann insgesamt der Motorbetrieb besser auf den Fahrerwunsch hinsichtlich Reichweite, Wirkungsgrad und Emission abgestimmt werden. Damit erhöht sich der Nutzwert eines entsprechend ausgeführten Fahrzeuges erheblich.

Claims

Verfahren zur Steuerung der automatischen Auswahl einer Kraftstoffart mittels eines elektronischen Steuergeräts beim Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei unterschiedlichen Kraftstoffarten, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät anhand eines gewählten Fahrmodus und den dem Steuergerät zugeführten fahr- und motorspezifischen Daten die für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimal wirkende Kraftstoffart ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrmodus in den Bereichen zwischen maximaler Fahrreichweite des Fahrzeuges, maximalem Wirkungsgrad des Motors und minimalen Emissionen frei wählbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät die durch z. B. den Fahrzeugführer gemachten oder im Steuergerät hinterlegten oder in das Steuergerät z. B. über Funk übertragenen Angaben hinsichtlich eines vorgegebenen Fahrziels und/oder einer Fahrstrecke und/oder einer Mindestreichweite des Fahrzeuges und/oder einer gewünschten Ankunftszeit und/oder der Gesamtfahrkosten und/oder des Emissionsausstoßes und/oder eines beabsichtigten Nachtankens bei der Auswahl der jeweiligen Kraftstoffart berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Kraftstoffauswahl anhand von im Steuergerät gespeicherten für die unterschiedlichen Kraftstoffarten und für die jeweilige Betriebsweise erstellten Kennlinienfeldern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kraftstoffart eine höhere Zündwilligkeit und wenigstens eine andere Kraftstoffart eine niedrigere Zündwilligkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffart ein flüssiger Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff, und eine andere Kraftstoffart ein gasförmiger Kraftstoff, wie beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffauswahl entsprechend des jeweiligen Füllungszustands der Vorratsbehälter der unterschiedlichen Kraftstoffarten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kraftstoffauswahl die Angaben von Informationssystemen, wie GPS, TMC, Verkehrsfunk und ähnlichen, hinsichtlich Zielentfernung, Straßenprofil, Fahrtroute, Staus, Umleitungen, Tankstellenverzeichnisse und dergleichen, berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des vom Fahrzeugführer über eine Eingabevorrichtung eingegebenen frei wählbaren Fahrmodus dem Steuergerät übermittelt werden.