DE102006029970A1 - Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration von der Verbrennung zuführbarem Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration von der Verbrennung zuführbarem Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes nach dem Betanken mit E85 Kraftstoff oder EO Kraftstoff werden in Abhängigkeit von den Volumina des Tank-Kraftstoffes vor und nach dem Betanken zwei Korridore möglicher Lambda-Werte für das Betanken mit E0 Kraftstoff und E85 festgelegt und bei der Auswertung der Lambda-Werte berücksichtigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration von der Verbrennung zuführbarem Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug nach dem Betanken.
  • In den kommenden Jahren wird der Anteil an Fahrzeugen, die mit Alkohol betrieben werden, immer mehr steigen. Hierbei kann Alkohol, z. B. Ethanol im Kraftstoff in unterschiedlichen Konzentrationen zwischen 0 und 100 % vorhanden sein. Solche Kraftstoffe bezeichnet man auch als „FlexFuel" oder „Fexible Fuel" (FF).
  • Der prinzipielle Betrieb von Fahrzeugen mit Alkohol ist schon seit langem erprobt, und vor allem in Südamerika und Nordamerika sind viele Fahrzeuge für den Betrieb mit Alkohol ausgestattet. Die Konzentration des Alkohols im Tank-Kraftstoff kann sich je nach dem getankten Kraftstoff von einer Tankfüllung zur anderen Tankfüllung ändern. Hierbei können sich beliebige Konzentrationen des Alkohols in Kraftstoff ergeben. Für einen einwandfreien Betrieb des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, dass das Betriebssteuergerät des Verbrennungsmotors die neue Kraftstoffzusammensetzung sobald wie möglich erkennt und in ihren Regelungsstrategien berücksichtigt.
  • In dem Dokument US 6 257 174 B1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem über die Verhältnisse der Volumina der Füllstandsmengen vor und nach dem Tanken sowie die Tatsache, dass nur reines Benzin oder Flexfuel einer Alkoholkonzentration von 85 % getankt worden sein kann, die Alkoholkonzentration der neuen Kraftstoffmischung abgeschätzt wird. Das bedeutet, dass beim Tanken von reinem Benzin die Alkoholkonzentration sinken wird und beim Betanken von E 85 Kraftstoff die Alkoholkonzentration gleich bleiben oder steigen wird. Das vorbekannte Ver fahren macht sich die Tatsache zunutze, dass sich der vom Lambda-Sensor gemessene Lambda-Wert (Luft/Kraftstoffverhältnis) ändert, wenn sich die Alkoholkonzentration des der Verbrennung zugeführten Kraftstoffes ändert. Bei dem vorbekannten Verfahren werden daher, ausgehend von dem im Tank befindlichen Kraftstoff, eine obere und eine untere Schwelle für den Lambda-Wert vorgegeben, so dass beim Über- bzw. Unterschreiten der jeweiligen Schwelle auf die getankte Kraftstoff– sorte geschlossen werden kann. Die Motorsteuerung wird dann unter Berücksichtigung der neuen Alkoholkonzentration des Kraftstoffes betrieben.
  • Bei diesem Verfahren stellt sich allerdings das Problem, dass unmittelbar nach dem Betanken die neue Kraftstoffzusammensetzung nicht sofort an der Einspritzstelle verfügbar ist, weil sich im Allgemeinen „alter" Kraftstoff mit der vorherigen Alkoholkonzentration in der Kraftstoffleitung und im Kraftstofffilter befindet. Auch hier wird es zu einer Vermischung des „neuen" und „alten" Kraftstoffes kommen, wobei diese Zusammensetzung zunächst wegen anderer Volumenverhältnisse unterschiedlich zu der Zusammensetzung des Kraftstoffs im Tank sein kann. Aus diesem Grunde wird es solange „Übergangsmischungsverhältnisse" geben, bis der neue Kraftstoff den alten Kraftstoff vollständig verdrängt hat.
  • Wie bereits erwähnt, ist die Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung möglichst bald nach dem Tanken äußerst wichtig, insbesondere deshalb, weil bestimmte Systemdiagnosen wie zum Beispiel die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Diagnose des Kraftstoffsystems auf verlässliche Lambda-Werte angewiesen sind.
  • Bei der Bestimmung der Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes nach dem Betanken muss ferner berücksichtigt werden, dass die gemessenen Lambda-Werte nicht nur durch den Alkoholanteil, sondern auch durch Alterung von Bauteilen des Kraftstoffsystems geändert werden können. Zum Beispiel können sich die Durchflussraten der Einspritzventile über der Lebensdauer ändern. Es ist im Stand der Technik bereits bekannt, dass das Betriebssteuergerät des Verbrennungsmotors entsprechende Alterungseffekte durch Adaptionsverfahren berücksichtigt, wobei Abweichungen der Lambda-Werte von zum Beispiel ± 25 % von den Standardwerten zugelassen werden.
  • Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Kraftstoff unterschiedlicher Alkoholkonzentration stellt sich allerdings das Problem, dass das Betriebssteuergerät nicht mehr unterscheiden kann, ob Änderungen des Lambda-Wertes durch Bauteilalterung oder durch Änderung der Alkoholkonzentration hervorgerufen wurden.
  • Durch die vorliegende Erfindung sollen die beschriebenen Nachteile vermieden oder zumindest verringert werden. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration von der Verbrennung zuführbarem Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug nach dem Betanken mit entweder einer ersten Kraftstoffsorte einer vorgegebenen Alkoholkonzentration oder einer zweiten Kraftstoffsorte einer anderen Alkoholkonzentration anzugeben, bei dem die sich beim Betanken ergebende neue Kraftstoffzusammensetzung möglichst rasch nach dem Betanken und möglichst genau berücksichtigt werden kann.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Lösen dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 definiert.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für die Zeit nach dem Betanken in Abhängigkeit von den Volumina des Tank-Kraftstoffes vor und nach dem Betanken ein erster Korridor möglicher Lambda-Werte für das Betanken mit der ersten Kraftstoffsorte und ein zweiter Korridor möglicher Lambda-Werte für das Betanken mit der zweiten Kraftstoffsorte festgelegt und bei der Auswertung der gemessenen Lambda-Werte berücksichtigt.
  • Zweckmäßigerweise werden die Schwellen jedes Korridors in Abhängigkeit der Zeit und des Kraftstoffverbrauchs so adaptiert, dass eine zunächst große Breite jedes Korridors zunehmend kleiner wird. Sobald Änderungen des gemessenen Lambda-Werte erkennen lassen, mit welcher Kraftstoffsorte das Kraftfahrzeug betankt wurde, kann einer der beiden Korridore ausgeschlossen werden, so dass dann nur noch der andere Korridor berücksichtigt werden muss.
  • Außerhalb der Korridore können bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine keine Lambda-Werte auftreten. Wenn dennoch gemessene Lambda-Werte nicht innerhalb mindestens eines der Korridore liegen, wird ein Fehler des Kraftstoffsystems erkannt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den wichtigen Vorteil, dass „plausibilisierte" Lambda-Werte sehr schnell nach dem Betanken vorliegen. Systemdiagnosen wie zum Beispiel eine Diagnose des Kraftstoffsystems, bei denen die gemessenen Lambda-Werte als Eingangsgrößen verwendet werden, können immer dann, wenn die gemessenen Lambda-Werte innerhalb mindestens einem der Korridore liegen, betrieben werden. Sie können daher auch sofort nach dem Betanken in Betrieb genommen werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch Alterung von Bauteilen des Kraftstoffsystems bedingte Änderungen der Lambda-Werte ermittelt und bei der Bestimmung der Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes berücksichtigt werden.
  • Die Ermittlung alterungsbedingter Änderungen des Lambda-Wertes ermöglicht es, die Schwellen der Korridore genauer festzulegen und die Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes nach dem Betanken mit höherer Präzision bestimmen zu können.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei den beiden Kraftstoffsorten um einen E0 Kraftstoff (Alkoholkonzentration 0 %) und einem E85 Kraftstoff (Alkoholkonzentration 85 %). Es versteht sich jedoch, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Kraftstoffsorten anderer Alkoholkonzentrationen verwendet werden kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Anhand des in der einzigen Figur gezeigten Diagramms, in dem die Alkoholkonzentration bzw. Lambda über der Zeit aufgetragen ist, wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
  • Wie eingangs erläutert, dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration von der Verbrennung zuführbarem Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug nach dem Betanken mit einer von zwei möglichen Kraftstoffsorten unterschiedlicher Alkoholkonzentration, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die eine Kraftstoffsorte E0 Kraftstoff und die andere Kraftstoffsorte E85 Kraftstoff ist.
  • In dem Diagramm der Figur ist die Alkoholkonzentration des der Verbrennung zuführbaren Kraftstoffs über der Zeit, und zwar vor und nach einem Betankungsvorgang, dargestellt. Bei dem „der Verbrennung zuführbaren Kraftstoff" handelt es sich um den Kraftstoff, der im Tank und den Kraftstoffleitungen, dem Kraftstofffilter, etc. vorhanden ist und an den Einspritzventilen zu Verfügung steht. Dieser Kraftstoff wird in der Beschreibung und in den Patentansprüchen kurz als „Tank-Kraftstoff" bezeichnet.
  • Statt der Alkoholkonzentration kann auch der von einem Lambda-Sensor (nicht gezeigt) gemessene Lambda-Wert über der Zeit aufgetragen sein, wobei sich dann ein ähnliches Schaubild ergibt.
  • Der Betankungsvorgang erfolgt zum Zeitpunkt t1. Die Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes vor dem Betankungsvorgang ist aus dem vorhergehenden Betankungsvorgang näherungsweise und den sich anschließenden, im Folgenden zu beschreibenden „Lernvorgang" bekannt. Sie ist durch die gestrichelte Linie AT vor dem Zeitpunkt t1 angedeutet.
  • Zum Zeitpunkt t1 wird das Kraftfahrzeug mit entweder E 85 Kraftstoff oder E0 Kraftstoff betankt. Die verwendete Kraftstoffsorte ist dem Betriebssteuergerät (nicht gezeigt) zunächst nicht bekannt. Mit Hilfe herkömmlich verwendeter Kraftstoffniveaufühler im Tank (nicht gezeigt) können jedoch die Volumina des Tank-Kraftstoffes vor und nach dem Betanken ermittelt werden. Wenn dann das Betriebssteuergerät die getankte Kraftstoffsorte erkannt hat, kann es aus diesen Daten die neue Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes ermitteln, unter der Voraussetzung, dass sich der „alte" und „neue" Kraftstoff vollständig gemischt haben.
  • Unmittelbar nach dem Betankungsvorgang zum Zeitpunkt T1 ist dies jedoch im Allgemeinen nicht der Fall. Normalerweise befindet sich in den Kraftstoffleitungen und im Kraftstofffilter noch alter Kraftstoff einer Alkoholkonzentration, wie sie vor dem Betanken vorlag. Dies ist durch die gestrichelte Linie AL(E85) angedeutet.
  • In dem Diagramm ist t2 der Zeitpunkt, zu dem der Verbrennungsmotor nach dem Betanken gestartet wird, und t3 der Zeitpunkt, zu dem der im Betriebssteuergerät vorgesehene Lambda-Regler aktiv wird.
  • Es sei angenommen, dass das Fahrzeug mit E85 Kraftstoff betankt wurde. Die Alkoholkonzentration des den Einspritzventilen zugeführten Kraftstoffes wird dann bei normalem Betrieb näherungsweise der gestrichelten Linie AL(E85) folgen. Das bedeutet, dass sich die Alkoholkonzentration des Kraftstoffes zunächst nicht ändert, da die Kraftstoffleitungen und der Kraftstofffilter zunächst noch mit altem Kraftstoff gefüllt sind.
  • Hätte dagegen von Anfang an eine vollständige Durchmischung von altem und neuem Kraftstoff auch in den Kraftstoffleitungen und im Kraftstofffilter stattgefunden, so würde die Alkoholkonzentration der oberen gestrichelten Linie AT(E85) folgen. In der Praxis kann also die Alkoholkonzentration des Kraftstoffes nach dem Betanken nur zwischen diesen beiden gestrichelten Linien liegen.
  • Ausgehend von dieser Erkenntnis werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren – in Abhängigkeit von den Volumina des Tank-Kraftstoffes vor und nach dem Betanken – ein erster Korridor 2 möglicher Lambda-Werte für das Betanken mit der einen Kraftstoffsorte (E85) und einem zweiten Korridor 4 mögliche Lambda-Werte für das Betanken mit der anderen Kraftstoffsorte (E0) festgelegt. Der Korridor 2 wird von einer oberen Schwelle 6 und einer unteren Schwelle 8 begrenzt, die somit einen Bereich festlegen, innerhalb dessen die Alkoholkonzentration sowie die Lambda-Werte beim Betanken mit E85 liegen müssen, sofern kein Systemfehler vorliegt. In entsprechender Weise begrenzen die obere und untere Schwelle 10 bzw. 12 des Korridors 4 einen Bereich, in dem die Alkoholkonzentration bzw. die Lambda-Werte bei Betanken mit E0 Kraftstoff liegen müssen. Die strichpunktierte Linie AT(E0) stellt die berechnete Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes nach dem Tanken von E0 Kraftstoff dar, sofern sich der alte und neue Kraftstoff vollständig gemischt haben.
  • Wie in dem Diagramm erkennbar ist, hat der Korridor 2 nach dem Betanken zum Zeitpunkt T1 eine relativ große Breite. Die Schwellen 6, 8 werden in Abhängigkeit der Zeit und des Kraftstoffverbrauchs – entsprechend dem Verlauf der gestrichelten Linien AT(E85) und AL(E85) – zunehmend enger gesetzt. Zweckmäßigerweise erfolgt dies in Form eines Adaptionsverfahrens, das die Schwellen 6 und 8 des Korridors 2 in Abhängigkeit der Zeit und des Kraftstoffverbrauchs hin zu einem schmalen Korridor für die Zeit verengt, in der den Einspritzdüsen ausschließlich „neuer" Kraftstoff zugeführt wird.
  • Wie die gestrichelte Linie AL(E85) des Diagramms veranschaulicht, verändert sich die Alkoholkonzentration und damit der gemessene Lambda-Wert nach dem Zeitpunkt t3 allmählich hin zu höheren Werten, wenn das Fahrzeug mit E85 Kraftstoff betankt wurde. Anhand dieser Änderung der Lambda-Werte erkennt das Betriebssteuergerät, dass das Fahrzeug mit E85 Kraftstoff (und nicht mit E0 Kraftstoff) betankt wurde. Das Betriebssteuergerät wählt dann den Korridor 2 als maßgeblich aus, während der Korridor 4 ausgeschlossen wird.
  • Die Korridore 2 und 4 werden zweckmäßigerweise als Prozentbereiche, ausgehend von der Alkoholkonzentration vor dem Betanken, festgelegt. Die Festlegung erfolgt z. B. mit Hilfe von Testreihen, kann jedoch auch auf rechnerischem Weg erfolgen.
  • Die Korridore 2 und 4 werden zur „Plausibilisierung" der gemessenen Lambda-Werte nach dem Betanken herangezogen. Liegen die gemessenen Lambda-Werte außerhalb der Korridore 2, 4, so muss ein Systemfehler wie zum Beispiel eine Störung der Einspritzventile, der Kraftstoffpumpe, etc. vorliegen. Liegen die gemessenen Lambda-Werte jedoch innerhalb mindestens eines der Korridore 2, 4, so handelt es sich um verlässliche Lambda-Werte. Systemdiagnosen, die die gemessenen Lambda-Werte als Eingangsgröße verwenden, können daher auch unmittelbar nach dem Betankungsvorgang betrieben werden. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Diagnose des Kraftstoffsystems, bei der die Komponenten des Kraftstoffsystems wie zum Beispiel Kraftstoffpumpe, Einspritzventile, etc. auf ihre Funktionalität hin überprüft werden. Die Kraftstoffsystemdiagnose braucht daher nicht abgeschaltet zu werden.
  • Vorzugsweise wird bei dem beschriebenen Verfahren berücksichtigt, in wieweit Änderungen des gemessenen Lambda-Wertes nicht durch eine Änderung der Alkoholkonzentration, sondern durch Alterungen (Toleranzen) von Bauteilen des Kraftstoffsystems bedingt sind. Hierzu wird die Tatsache herangezogen, dass sich der Zustand der Bauteile des Kraftstoffsystems bei einem Betankungsvorgang normalerweise nicht ändert. Die Änderung des Lambda-Wertes, bedingt einerseits durch eine Änderung des Alkoholgehaltes und andererseits durch eine Änderung des Zustandes der Bauteile des Kraftstoffsystems, lässt sich durch folgende Gleichung darstellen: ΔLam = ΔBT + ΔA
  • Hierin bedeutet ΔLAM die Differenz zwischen einem gemessenen Lambda-Wert für eine beliebige Alkoholkonzentration und dem theoretischen Lambda-Wert für alkoholfreien Kraftstoff, und ΔBT sowie ΔA sind dann die alterungsbedingten bzw. alkoholbedingten Anteile der Differenz ΔLAM.
  • Diese Gleichung mit den beiden Unbekannten ΔBT und ΔA kann mit Werten für einen Betriebspunkt vor und einem Betriebspunkt nach dem Betanken wie folgt aufgelöst werden: ΔLam,vor = ΔBT + ΔA,vor ΔLam,nach = ΔBT + ΔA,nach
  • Durch Subtraktion der zweiten Gleichung von der ersten Gleichung erhält man: ΔLam,vor – ΔLam,nach = ΔA,vor – ΔA,nach
  • Hieraus folgt: ΔA,nach = ΔA,vor /(ΔLam,vor – ΔLam,nach) und ABT = ALam,nach – AA,nach.
  • Auf diese Weise lassen sich Änderungen der gemessenen Lambda-Werte, die durch Alterung von Bauteilen des Kraftstoffsystems herrühren, ermitteln. Die ermittelten Werte ΔBT erlauben eine genauere Bestimmung der Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes. Vorteilhafterweise werden die Werte ΔBT bei der Festlegung der Schwellen 6, 8 und 10, 12 der Korridore 2, 4 berücksichtigt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Alkoholkonzentration von der Verbrennung zuführbarem Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug nach dem Betanken mit entweder einer ersten Kraftstoffsorte einer vorgegebenen Alkoholkonzentration oder einer zweiten Kraftstoffsorte einer anderen Alkoholkonzentration, bei dem aus Änderungen des von einem Lambda-Sensor gemessenen Lambda-Wertes auf die jeweils getankte Kraftstoffsorte geschlossen wird, um in Abhängigkeit von der Alkoholkonzentration der getankten Kraftstoffsorte, der Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes vor dem Betanken und den Volumina des Tank-Kraftstoffes vor und nach dem Betanken die Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes nach dem Betanken ermitteln zu können, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zeit nach dem Betanken in Abhängigkeit von den Volumina des Tank-Kraftstoffs vor und nach dem Betanken ein von einer oberen und unteren Schwelle (6, 8) begrenzter erster Korridor (2) möglicher Lambda-Werte für das Betanken mit der ersten Kraftstoffsorte und ein von einer oberen und unteren Schwelle (10, 12) begrenzter zweiter Korridor (4) möglicher Lambda-Werte für das Betanken mit der zweiten Kraftstoffsorte festgelegt und bei der Auswertung der gemessenen Lambda-Werte berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere und untere Schwelle (6, 8; 10, 12) jedes Korridors (2, 4) in Abhängigkeit der Zeit und des Kraftstoffverbrauchs so adaptiert werden, dass die zunächst große Breite jedes Korridors (2, 4) zunehmend kleiner wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nur einer der beiden Korridore (2, 4) bei der Auswertung der Lambda-Werte berücksichtigt wird, sobald Änderungen des gemessenen Lambda-Wertes erkennen lassen, mit welcher Kraftstoffsorte das Kraftfahrzeug betankt wurde.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Fehler des Kraftstoffsystems erkannt wird, wenn die gemessenen Lambda-Werte nicht in mindestens einem der Korridore (2, 4) liegen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Systemdiagnosen, die die gemessenen Lambda-Werte als Eingangsgrößen verwenden, betrieben werden, wenn die gemessenen Lambda-Werte innerhalb mindestens eines der Korridore (2, 4) liegen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Alterung von Bauteilen des Kraftstoffsystems bedingte Änderungen der Lambda-Werte ermittelt und bei der Bestimmung der Alkoholkonzentration des Tank-Kraftstoffes berücksichtigt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Alterung von Bauteilen des Kraftstoffsystems bedingte Änderungen der Lambda-Werte mit Hilfe der Gleichung ΔLam = ΔBT + ΔA für einen Betriebspunkt vor und einen Betriebspunkt nach dem Betanken errechnet werden, in welcher Gleichung ΔLam die Differenz zwischen einem gemessenen Lambda-Wert und dem Lambda-Wert für Kraftstoff einer Alkoholkonzentration von 0 % ist und ΔBT und ΔA die alterungs- und alkoholbedingten Anteile der besagten Differenz sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten alterungsbedingten Änderungen der Lambda-Werte beim Festlegen der Schwellen (6, 8, 10, 12) der Korridore (2, 4) berücksichtigt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kraftstoffsorte Kraftstoff ei ner Alkoholkonzentration von 85 % (E85 Kraftstoff) und die zweite Kraftstoffsorte Kraftstoff einer Alkoholkonzentration von 0 % (E0 Kraftstoff) ist.
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