DE102005042224A1

DE102005042224A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005042224A1
Application number: DE200510042224
Authority: DE
Inventors: Agnes Loerincz
Original assignee: Lorincz Agnes
Current assignee: Lorincz Agnes
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Kraftstoffzuführungsvorrichtung für einen ersten Kraftstoff, insbesondere Benzin, sowie mit einer zweiten Kraftstoffzuführungsvorrichtung für einen zweiten, von dem ersten Kraftstoff verschiedenen zweiten Kraftstoff, beispielsweise Flüssiggas, wobei die erste Kraftstoffzuführungsvorrichtung ein Steuergerät mit einer Meßwertvorrichtung zur Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas versehen ist und ein Umschalter zum Wählen des Betriebes der Brennkraftmaschine mit dem ersten Kraftstoff oder dem zweiten Kraftstoff vorgesehen ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, daß der Kraftstoffzuführungsvorrichtung für den zweiten Kraftstoff ein Steuergerät zur Regelung der Zufuhr des weiteren Kraftstoffes zugeordnet ist, daß das Steuergerät für den zweiten Kraftstoff über eine Steuerleitung mit einer Meßwertvorrichtung zur Ermittlung des Restsauerstoffgehalts im Abgas beim Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff verbindbar ist, daß das Meßwertsignal der Meßwertvorrichtung mittels einer Meßwertverarbeitungseinrichtung in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebskennzahlen wie Drehzahl, Last, Zeit, lambda-Wert und dgl. bewertbar, für eine Optimierung des Restsauerstoffgehalts im Abgas korrigierbar in einem Steuergerätespeicher speicherbar und ein Korrekturwert für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Kraftstoff verwendbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine in einer Ausgestaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Des weiteren hat die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem ersten oder einem zweiten Kraftstoff in einer Ausgestaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5 zum Gegenstand.

Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt. Derartige Brennkraftmaschinen, die mit einem ersten oder wahlweise auch einem zweiten Kraftstoff nach Betätigung eines Umschalters betrieben werden können, sind allgemein als Autogasbrennkraftmaschinen bekannt, die in zunehmendem Maße auch in Fahrzeugen zur Anwendung kommen.

Dies trägt dem stetig steigenden Verkehrsaufkommen in dem Maße Rechnung, daß dadurch bedingte Umweltbelastungen berücksichtigt werden, da im Vergleich zu anderen Kraftstoffen beim Einsatz von Autogas deutlich weniger Abgasemissionen entstehen. Dies gilt auch für das klimaverändernde CO₂. Insgesamt zählen die von Autogasfahrzeugen verursachten Abgase zu den niedrigsten Werten, die zur Zeit in Brennkraftmaschinen realisiert werden können. Der Kraftstoff Autogas ist nahezu schwefelfrei und die Verbrennung erfolgt fast ohne Ausstoß von Ruß. Schadstoffe wie CO, HC, NOX und weitere gesundheits- und naturschädigende Abgaskomponenten treten in einem deutlich verminderten Umfang auf.

Das verwendete Flüssiggas ist in aller Regel Propan, Butan oder ein Gemisch daraus und mithin ein Kohlenwasserstoff, der unter relativ geringem Druck verflüssigt werden kann und dann nur ein sehr geringes Volumen gegenüber seinem gasförmigen Volumen einnimmt. Seine Energie zeichnet sich durch einen hohen Energiegehalt aus. Die Qualitätsanforderungen im Autogas sind europaweit einheitlich in der DIN EN589 geregelt, was einen problemlosen grenzüberschreitenden Einsatz ermöglicht. Zudem ist Autogas klopftest, was den Zusatz von Additiven in aller Regel unnötig macht.

Da auch die Zahl der zur Verfügung stehenden Tankstellen wächst, ist die Akzeptanz von Flüssigkeitsbrennkraftmaschinen in Fahrzeugen zunehmend größer geworden. Daher werden vielfach Umrüstungen von herkömmlichen, mit Benzin- oder Dieselkraftstoffen betriebenen Fahrzeugen auf eine zusätzliche Möglichkeit des Betriebes mit Autogas nachgefragt. Dies bedingt, daß der Betrieb der Brennkraftmaschine mit Flüssiggas auch unter guten Bedingungen erfolgen sollte. Insbesondere erfordert eine Umrüstung eine Anpassung des Verbrennungsmotors hinsichtlich seiner Kennfelddaten und eine Anpassung an die andere Kraftstoffart. Dies erfordert herkömmlicherweise eine Anpassung der Brennkraftmaschine in sehr aufwendigen Meß- und Testverfahren, wobei die Anpassung individuell an jeder Brennkraftmaschine vorzunehmen ist. Dies ist in normalen Werkstätten nicht möglich und im übri gen auch nur unter enormen finanziellen Belastungen machbar.

Mit Benzin betriebene Brennkraftmaschinen haben üblicherweise eine sogenannte Lambda-Regelung, der eine sogenannte Vorsteuerung vorzuschalten ist, um die gesetzlichen Abgasnormen einhalten zu können. Die Lambdaregelung erfolgt üblicherweise über eine Lambdasonde, die ständig den Sauerstoffanteil im Abgas, der nach der Verbrennung übrigbleibt, mißt. Die Lambda-Sonde ermittelt daher die Abgaskonzentration durch eine vergleichende Sauerstoffmessung, indem der Sauerstoffgehalt der Außenluft mit dem Restsauerstoffanteil im Abgas verglichen wird. Der Sauerstoff der Außenluft bildet somit den Referenzwert, der konstant bleibt. Befindet sich z.B. ein Restsauerstoffgehalt von 2 % (mager) im Abgas, so entsteht aufgrund der Differenz über die Lambda-Sonde ein Spannungssignal von 0,1 Volt. Sind weniger als 2 % Restsauerstoffanteil vorhanden (fett), so macht sich das durch eine erhöhte Differenz zum Außenluftsauerstoff und eine Lambdasondenspannung von ca. 0,9 % bemerkbar. Diese Unterschiede werden über ein Spannungssignal an ein Steuergerät weitergegeben. Das Steuergerät kann dann Zündung und Einspritzung entsprechend korrigieren.

Über die vorgenannte Vorsteuerung kann die richtige Schubkraft und Kraftstoffmenge für die kommende Verbrennung vorausberechnet werden und als Stellgröße an die Lambda-Regelung weitergegeben werden. Diese Vorsteuerung erhält von zahlreichen Sensoren den jeweiligen Betriebszustand des Motors und kann anhand von Tabellen (Kennfeldern), die als vorgegebene Bibliothek für den jeweiligen Motor vom Hersteller der Brennkraftmaschine vorgegeben sind, verarbeitet werden.

Nur wenn dieses Regelsystem, bestehend aus Vorsteuerung und Lambda-Regelkreis einwandfrei arbeiten, sind heutige Abgaskatalysatoren in der Lage, umweltbelastende Abgase umzuwandeln. Damit die notwendige Vorsteuergenauigkeit aufgrund der Füllungsberechnung eingehalten werden kann, müssen die Daten in den Kennfeldern des Motorsteuergerätes für jeden Motor und Fahrzeugtyp sorgfältig erarbeitet werden. Diese Daten werden von Fahrzeugherstellern in langwierigen Prüfstandsversuchen individuell erarbeitet und bestimmen maßgeblich das Abgas- und Verbrauchsverhalten unserer heutigen Fahrzeuge beim Betrieb mit Benzin- oder Dieselkraftstoffen.

Wird eine Brennkraftmaschine auf einen zusätzlichen Autogasbetrieb umgerüstet, wird über den Umschalter die Kraftstoffzuführvorrichtung, also in aller Regel die Benzineinspritzdüsen, abgeschaltet. Deren Aufgabe übernimmt eine Kraftstoffzuführvorrichtung, die ihre Stellgrößen für die benötigte Kraftstoffmenge – jetzt also Autogas – von einem Abgassteuergerät erhält. Da sich Autogas einerseits und Benzinkraftstoffe andererseits hinsichtlich ihrer Eigenschaften unterscheiden, ist beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Autogas eine andere Kennfeldsteuerung als im Betrieb mit Benzinkraftstoffen notwendig. Es kann also nicht ohne weiteres auf die von den Fahrzeugherstellern für den Benzinbetrieb hinterlegten Daten zurückgegriffen werden. Daten eines Kennfeldes bestimmen auch im Autogasbetrieb maßgeblich die Güte der Abgaszusammensetzung. Diese Daten müßten daher für jedes Fahrzeug nach einem Umbau auf einen Gasbetrieb individuell durch die Einbauwerkstatt ermittelt und eingegeben werden. Da die meisten Werkstätten aber weder über einen Motorprüfstand noch über die notwendigen Meßgeräte verfügen, unterbleiben derartige Arbeiten häufig, so daß vorliegende Daten von Kennfeldern vom Benzinbetrieb für einen Autogasbetrieb ungenau und fehlerhaft sind, was zu einem Abgasverhalten führt, das vielfach nicht befriedigen kann. Ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und schlechtere Emissionswerte sind zwangsläufig die Folge. Nach jeder Änderung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine läuft dieser dann mit einem erhöhten Schadstoffausstoß. Da Fahrzeuge, insbesondere solche, die häufig im Stadtverkehr eingesetzt werden, mit schnell wechselnden Luftmengen und Drehzahlen bewegt werden, ergibt sich zahlen bewegt werden, ergibt sich ständig ein erhöhter Schadstoffausstoß bei auf Gasbetrieb umgerüsteten Fahrzeugen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei einem Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff, also z.B. einem Autogas, ein verbessertes Abgasverhalten und damit ein optimierter Betrieb ermöglich ist, ohne daß es aufwändiger Meß- oder Prüfstandsarbeiten zwecks Einstellung eines Motors auf eine Umrüstung auf einen zweiten Kraftstoff bedarf. Des weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine Brennkraftmaschine sowohl mit einem ersten als auch mit einem zweiten Kraftstoff mit einem optimierten Abgasverhalten sowie einem optimierten Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine ist im Patentanspruch 6 angegeben. Hinsichtlich wesentlicher vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 5 verwiesen.

Damit ist eine Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt, bei der mit einem geringen Umrüstaufwand vor Umrüstung der Brennkraftmaschine von einem Kraftstoffbetrieb mit z.B. Benzin oder Diesel zusätzlich auf einen Gasbetrieb der Betrieb der Brennkraftmaschine mit Gas bzw. einem anderen zweiten Kraftstoff abgas- und verbrauchsoptimiert zu betreiben ist. Das Steuergerät für die Kraftstoffzuführeinrichtung für den zweiten Kraftstoff erhält danach ein zusätzliches Eingangssignal von der Meßvorrichtung zur Messung des Restsauerstoffgehaltes, also in aller Regel von der Lambda-Sonde. Bei dem Steuergerät handelt es sich mithin um ein lambdaad aptives Steuerungsgerät. Im Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Kraftstoff wird dieses Signal ständig ermittelt um mit Hilfe anderer Parameter bewertet. Solche Parameter sind beispielsweise Drehzahl, Last und Zeit. Danach wird dieses Signal für den zu bewertenden Betriebszustand der Maschine in dem Sinne weiterverarbeitet, daß ein Korrekturwert ermittelt wird, um beim nächsten Anfahren dieses konkreten Betriebszustandes ein optimierter Lambda-Wert vorliegen zu haben. Dies geschieht, indem das Steuergerät die Kraftstoffzuführvorrichtung entsprechend dem Korrekturwert ansteuert. Ist dieser Korrekturwert ermittelt, wird ein entsprechender Speicherplatz in der Bibliothek der Betriebszustände belegt und beim nächsten Erreichen dieses Betriebszustandes für die Steuerung der Kraftstoffzuführeinrichtung verwendet. Die Messung der Abgaskonzentration über die Lambda-Sonde erfolgt kontinuierlich, so daß auch dem Steuergerät kontinuierlich die entsprechenden Lambda-Signale zugeführt werden. Dies führt dazu, daß für sämtliche angefahrenen Betriebszustände der Brennkraftmaschine die noch unbelegten Betriebszustandskenngrößen ermittelt und in der Bibliothek fortgeschrieben werden.

Ist ein schon korrigierter Wert bei einem nachfolgenden Anfahren des kennwertspezifischen Betriebszustandes erneut zu verfeinern bzw. zu korrigieren, wird dieses vorgenommen und automatisch gespeichert. Da dieser Vorgang ständig abläuft, werden die für ein abgasoptimiertes Verhalten notwendigen Korrekturen im Steuergerät in allen Betriebszuständen durchgeführt. Bei diesem Lernprozeß paßt sich demnach das Steuergerät der Brennkraftmaschine für den Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff optimal an, so daß alle Ungenauigkeiten von vorliegenden Kennfeldern für den Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff korrigiert und gespeichert werden. Dies wird von der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine demzufolge mit Hilfe der Steuergeräte und Meßwertverarbeitungsvorrichtungen mit Hilfe z.B. einer Lambda-Sonde automatisiert vorgenommen, so daß dafür ein Nutzer z.B. eines Fahrzeugs dafür nicht zeitintensiv Umrüstarbeiten in Kauf nehmen und bezahlen muß. Die Brenn kraftmaschine nach der Erfindung kann demnach auch im Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff, also z.B. Autogas, auch bei schnell wechselnden Betriebsbedingungen mit einem optimalen Verbrauchs- und Abgasverhalten arbeiten.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die nachfolgenden Zeichnung verwiesen, in dem eine Übersichtskizze einer Brennkraftmaschine mit den zugeordneten Bauteilen der Kraftstoffzuführung dargestellt ist. Es handelt sich hierbei um ein Ausführungsbeispiel, worauf die vorliegenden Erfindung im einzelnen nicht beschränkt ist.
Allgemein mit 1 ist eine Brennkraftmaschine in Gestalt eines Verbrennungsmotors mit einem Kolben 2, einem Brennraum 3 sowie einer Einspritzdüse 4 für den Benzinbetrieb dargestellt.
Mit 5 ist ein Steuergerät für den Benzinbetrieb des Motors 1 beziffert. Über eine Steuerleitung 6 wird das Signal einer Lambda-Sonde 7 diesem Benzinsteuergerät 5 zugeführt als Ist-Wert. Dieser Ist-Wert wird nach Abgleich mit in dem Steuergerät vom Hersteller des Verbrennungsmotors hinterlegten Kennfelddaten des Motors für die verschiedenen Betriebszustände weiterverarbeitet und als Stellgröße über die Leitung 8 der Einspritzdüse 4 zugeführt.
Neben dem Steuergerät für den Betrieb mit dem ersten Kraftstoff Benzin ist ein zweites Steuergerät 9 vorgesehen, das mit einer Kraftstoffzuführung als Vorrichtung 10 für den Kraftstoff Autogas verbunden ist. Über eine Leitung 11 ist ein Umschalter 12 vorgesehen, der auch noch mit einer Umschaltvorrichtung 13 in der Kraftstoffzuführleitung 14 zur Einspritzdüse 4 verbunden ist, über den vom Benzinbetrieb auf Gasbetrieb und umgekehrt umgeschaltet werden kann. Die Lambda-Sonde 7 ist über eine Leitung 14 mit dem Steuergerät 9 verbunden. Über eine Leitung 15 ist das Steuergerät 9 mit dem Steuergerät 5 für den Benzinbetrieb verbunden, so daß Ein spritzbeginn und Einspritzende zunächst übernommen werden können. Entsprechend den Signalen, die auch im Gasbetrieb von der Lambda-Sonde 7 ermittelt und über die Leitung 14 an das Steuergerät 9 weitergegeben wird, werden entsprechende Korrekturwerte zu den Kennfelddaten, die aus dem Steuergerät 5 übermittelt bzw. aus diesem übernommen wurden, für den angefahrenen einzelnen Betriebszustand weiterverarbeitet und entsprechend bewertet, danach skaliert und als neuer Betriebszustandswert für den Gasbetrieb und den entsprechenden Betriebszustand abgespeichert werden, so daß dieser vorliegt, wenn zu einem späteren Zeitpunkt dieser Betriebszustand wieder angefahren wird. Über eine Leitung 16 wird im übrigen dem Verbrennungsmotor 1 Luft zugeführt.

Claims

Brennkraftmaschine mit einer ersten Kraftstoffzuführungsvorrichtung für einen ersten Kraftstoff, insbesondere Benzin, sowie mit einer zweiten Kraftstoffzuführungsvorrichtung für einen zweiten, von dem ersten Kraftstoff verschiedenen zweiten Kraftstoff, beispielsweise Flüssiggas, wobei die erste Kraftstoffzuführungsvorrichtung ein Steuergerät mit einer Meßwertvorrichtung zur Ermittlung der Abgaskonzentration versehen ist und ein Umschalter zum Wählen des Betriebes der Brennkraftmaschine mit dem ersten Kraftstoff oder dem zweiten Kraftstoff vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffzuführungsvorrichtung für den zweiten Kraftstoff ein Steuergerät zur Regelung der Zufuhr des weiteren Kraftstoffes zugeordnet ist, daß das Steuergerät für den zweiten Kraftstoff über eine Steuerleitung mit einer Meßwertvorrichtung zur Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas (λ-Wert) beim Betrieb mit dem zweiten Kraftstoff verbindbar ist, daß das Meßwertsignal (λ-Wert) der Meßwertvorrichtung mittels einer Meßwertverarbeitungseinrichtung in Abhängigkeit von vorgebbaren Betriebskennzahlen wie Drehzahl, Last, Zeit, (λ-Wert) und dgl. bewertbar, für eine Optimierung des Restsauerstoffgehaltes im Abgas korrigierbar in einem Steuergerätespeicher speicherbar und ein Korrekturwert für den weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Kraftstoff verwendbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertvorrichtung zur Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes sowohl dem Steuergerät für den ersten Kraftstoff als auch in dem Steuergerät für den zweiten Kraftstoff zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzuführvorrichtung für den zweiten Kraftstoff eine Einspritzvorrichtung ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät für den zweiten Kraftstoff mit dem Steuergerät für den ersten Kraftstoff steuertechnisch verbindbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät für den zweiten Kraftstoff derart mit dem Steuergerät für den ersten Kraftstoff verbindbar ist, daß das Steuergerät für den zweiten Kraftstoff auf in dem Steuergerät für den ersten Kraftstoff hinterlegte Daten zum Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem ersten Kraftstoff zurückgreift und diese für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Kraftstoff kalibrierbar sind und/oder in Abhängigkeit der Ergebnisse der Meßvorrichtung für den Restsauerstoffgehalt im Abgas korrigiert und in dem Steuergerät für die zweite Kraftstoffzuführvorrichtung für den zweiten Kraftstoff hinterlegt werden.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem ersten über eine erste Kraftstoffzuführungsvorrichtung zugeführten Kraftstoff und einem zweiten über eine zweite Kraftstoffzuführungsvorrichtung zugeführten Kraftstoff, wobei der Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem ersten oder dem zweiten Kraftstoff wählbar ist, und wobei der Restsauerstoffgehalt im Abgas durch eine vergleichende Sauerstoffmessung ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach Umschaltung des Betriebs der Brennkraftmaschine von dem ersten Kraftstoff auf den zweiten Kraftstoff Signale von einer Meßwertvorrichtung für den Restsauerstoffgehalt im Abgas an ein Steuergerät für die zweite Kraftstoffzuführvorrichtung weitergeleitet wird, daß das Steuergerät für den zweiten Kraftstoff den Ist-Wert des Restsauerstoffgehaltes im Abgas in verschiedenen Betriebszuständen fortlaufend bewertet, mit dem optimalen Restsauerstoffgehalt (λ-1) vergleicht und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses eine Korrektur für den jeweiligen Betriebszustand vornimmt und diesen korrigierten Wert in dem Steuergerät für den zweiten Kraftstoff für einen weiteren Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem zweiten Kraftstoff hinterlegt.