DE102007029801B4

DE102007029801B4 - Verfahren zur Steuerung eines für ein Kraftfahrzeug bestimmten Antriebes

Info

Publication number: DE102007029801B4
Application number: DE102007029801.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Kirschke; Jörg Worm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: DE102007029801A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines für ein Kraftfahrzeug bestimmten Antriebes mittels einer Steuereinheit, durch die im Betrieb die Kraftstoffzufuhr eines gasförmigen Kraftstoffes gesteuert wird, welchem im Betrieb Erdgas, insbesondere Compressed Natural Gas (CNG) als gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, wobei die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes auf der Basis erfasster Messwerte des Kraftfahrzeuges oder des Gasantriebes modelliert wird und die Steuerung des Antriebes, insbesondere die Steuerung des Luft-Kraftstoffgemisches, auf der Basis dieser Modellierung erfolgt, wobei die Modellierung in Abhängigkeit der Motoraufwärmphase, des gefeuerten Betriebes oder des Schubbetriebes durchgeführt sowie die daraus jeweils zweckmäßige Modellbildungsvariante ausgewählt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines für ein Kraftfahrzeug bestimmten Antriebes, welchem im Betrieb insbesondere Erdgas oder Compressed Natural Gas (CNG) als gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird.
Erdgas hat aufgrund seiner Eigenschaften als Alternativkraftstoff in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Als Kraftstoff eignet sich insbesondere Erdgas vor allem wegen seiner hohen Oktanzahl und der vergleichsweise hohen Energiedichte. Ein weiterer Vorteil ist der im Vergleich zu Benzin niedrige Gehalt an Schadstoffen und der im Vergleich zu Benzin oder Diesel geringe Kohlenstoffanteil. Erdgas hat somit gute Verbrennungseigenschaften bei geringem Schadstoffausstoß und verminderter CO₂-Emission.
Als Kraftstoff wird Erdgas in hochverdichteter Form unter der Bezeichnung CNG (Compressed Natural Gas) verwendet. Das komprimierte Gas wird unter einem Druck von ca. 200 bar in den Tank gefüllt und dabei auf ein zweihundertstel seines Volumens reduziert.
Erdgasbetriebene. Kraftfahrzeuge werden derzeit in zwei verschiedenen Versionen angeboten, mit bivalenter oder monovalenter Brennkraftmaschine. Bivalente Brennkraftmaschinen können sowohl mit Erdgas als auch mit Benzin betrieben werden.
Monovalente Fahrzeuge werden nur mit Erdgas betrieben oder haben einen Nottank mit bis zu 15 Litern Benzin. Die Brennkraftmaschine ist in diesem Fall auf den Erdgasantrieb optimiert.
Erdgasbetriebene Brennkraftmaschinen wurden in der Vergangenheit vor allem unter dem Gesichtspunkt niedriger Schadstoffemission konzipiert. Um auch im dynamischen Betrieb eine optimale Schadstoffumwandlung im Katalysator zu gewährleisten, ist eine präzise stöchiometrische Zusammensetzung des Erdgas-Luft-Gemisches erforderlich. Die Gaszumischung erfolgt deshalb in einigen Anwendungsfällen mit elektronisch geregelter Gaszufuhr, beispielsweise durch eine Lambda-Regelung mittels Sauerstoffsensor.
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zu Benzin-Brennkraftmaschinen ist die gasförmige Einblasung des Kraftstoffes in das Saugrohr. Dabei wird ein merklicher Anteil der Ansaugluft durch das Erdgas verdrängt. Dadurch nimmt die Ladung und damit auch die Leistung der Brennkraftmaschine ab. Bekanntlich liegt die Leistung eines üblichen Saugmotors bei Betrieb mit Erdgas ca. 15 % unter derjenigen bei Betrieb mit Benzin und unter derjenigen von aufgeladenen Dieselmotoren.
Darüber hinaus sind auch bereits Lösungsansätze bekannt, um durch Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum den Wirkungsgrad erdgasbetriebener Brennkraftmaschinen weiter zu erhöhen. Der gasförmige Kraftstoff wird hierbei gegen Ende des Verdichtungstaktes unter hohem Druck direkt in den im Kolben angeordneten Brennraum eines ungedrosselten, hochverdichtenden Motors eingeblasen. Dadurch bildet sich, ähnlich wie beim Dieselmotor, ein inhomogenes Gas-Luftgemisch.
Eine derartige Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der US 5 329 908 A bekannt. Bei Absinken des Gasdrucks unter einen vorgegebenen Wert, müssen jedoch der Einblasungsbeginn und die Einblasungsdauer umgestellt werden, um das Einströmen des Gases sicherzustellen
Die DE 699 26 036 T2 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Kraftstoffsteuermenge für ein Kraftstoffsystem und beschreibt bereits eine Instabilität der Motordrehzahl eines Erdgas-Motorsystems. Zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr werden Motorparameter, insbesondere die Drehzahl, der Einlasssammelleitungsdruck und die Sammelleitungstemperatur, bestimmt. Zur Erfassung werden dabei Fühler-eingesetzt.
Die DE 600 05 721 T2 beschreibt bereits ein Verfahren zum Umschalten einer Brennstoffzelle in einer mit Benzin oder Gas betriebenen Brennkraftmaschine. Hierzu führt die elektronische Steuereinheit des Systems eine Abschätzung des thermischen Zustandes von einer oder mehreren gegebenen Komponenten auf der Basis der Kenntnis des anfänglichen thermischen Zustandes und eines mathematischen Modells durch, um so Nachteile zu vermeiden, die beim Umschalten von der Benzinversorgung auf die Gasversorgung oder umgekehrt auftreten können. Beispielsweise wird der Betrieb gehemmt, wenn die Steuereinheit einen Wert für die Temperatur des Druckregulierers auf der Basis eines thermodynamischen Modells bestimmt.
Weiterhin wird auch bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff, beispielsweise Methan, gemäß der EP ( 872 634 A1 die Temperatur der angesaugten Luft mittels eines Sensors gemessen.
Außerdem bezieht sich die DE 101 40 954 A1 auf die Überwachung der Emission von in Kraftfahrzeugen eingesetzten Kraftstofftankanlagen. Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik besteht die Notwendigkeit, an dort eingesetzten Kraftstofftanks oder -tankanlagen regelmäßig Dichtheitsprüfungen durchzuführen. Bei der Erfassung von Kleinstleckagen hat die Temperatur des flüchtigen Mediums einen erheblichen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Zum einen sollten die genannten Funktionsprüfungen, insbesondere bei Tankanlagen, nur innerhalb bestimmter Temperaturbereiche durchgeführt werden, da mit steigender Kraftstofftemperatur die Ausgasung des Mediums zunimmt. Zum anderen ist insbesondere bei aus Kunststoff gefertigten Behältnissen die thermische Expansion des Materials zu berücksichtigen. Aufgrund des bei steigender Temperatur auftretenden Dehnverhaltens des Kunststoffes kommt es zu unkontrollierbaren Volumenänderungen des Behältnis-Innenraums und damit wiederum zu verfälschten Annahmen hinsichtlich der vorliegenden Innendruckverhältnisse. Dabei wird die Temperatur des flüchtigen Mediums bei der Funktionsprüfung als Korrekturgröße einbezogen und anhand von weiteren Kenngrößen, wie der Umgebungstemperatur, dem Füllstand des Vorratsbehälters oder, im Falle eines Kraftfahrzeuges, zusätzlich anhand von Betriebsdaten des Fahrzeuges oder des Fahrzeugmotors modelliert, nämlich anhand einer Modellrechnung ermittelt. Die reale Temperatur des Mediums kann so aus diesen Kenngrößen rechnerisch ermittelt werden.
Ferner beschreibt die DE 10 2004 037 135 A1 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren durch das der Druck und synchron hierzu auch die Temperatur, die innerhalb eines Hochdruckbehälters vorhanden ist, durch eine Messeinrichtung, die außerhalb des Hochdruckbehälters angeordnet ist, bestimmt wird. Eine solche Druckbestimmung von Flüssigkeiten in Hochdruckbehältern ist vor allen Dingen notwendig bei der Messung des Dieseldrucks in Common-Rail-Systemen oder in der Benzineinspritztechnik. Zur Druckbestimmungen wird durch den von einem Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallimpuls ein weiteres Element angeregt und die Zeit gemessen, die der Ultraschallpuls zurücklegt, wobei diese Zeit wiederum bestimmt wird, um die tatsächliche, innerhalb des Hochdruckbehälters herrschende Temperatur zu berechnen. Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung liegt darin, dass synchron sowohl die Temperatur als auch der Druck gemessen werden können. Damit ist ein Abgleich des Temperaturganges bezüglich der Laufzeit des Ultraschallimpulses möglich.
Als nachteilig erweist sich der mit der Erfassung der Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes verbundene Aufwand. Insbesondere führen die in der Praxis zu diesem Zweck verwendeten Sensoren zu erheblichen Zusatzkosten. Demgegenüber kann es bei fehlenden Informationen über die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes betriebspunktabhängig zu Fehlern in der Lambdavorsteuerung oder auch in der Gemischadaption kommen, die das Fahrverhalten beeinflussen können.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Bestimmung der Temperatur des zugeführten gasförmigen Kraftstoffes mit einem wesentlich reduzierten Aufwand zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Steuerung eines für ein Kraftfahrzeug bestimmten Gasantriebes vorgesehen bei dem die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes auf der Basis erfasster Messwerte des Kraftfahrzeuges oder des Gasantriebes modelliert wird und die Steuerung des Antriebes, insbesondere die Steuerung des Luft-Kraftstoffgemisches, auf der Basis dieser Modellierung erfolgt. Hierdurch wird in besonders einfacher Weise die Temperatur aus vorhandenen Messwerten abgeleitet, ohne dass die Temperatur des zugeführten gasförmigen Kraftstoffes mittels eines speziellen Sensors gemessen werden muss. Der Erfindung liegt dabei die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Temperatur mit einer in der Praxis vollkommen ausreichenden Genauigkeit aus den an sich vorhandenen oder auch mit geringem Aufwand bestimmbaren Messwerten abgeleitet werden kann. Hierzu ist lediglich eine Modellbildung auf der Basis mathematischer Modelle, gegebenenfalls unter Hinzuziehung von Erfahrungswerten, erforderlich. Dabei wird auf diese Weise bevorzugt die Temperatur innerhalb einer Kraftstoffleiste modelliert, welche ein antriebsnahes Zwischenvolumen bildet, aus dem die Steuerung alle Zylinder des Antriebes mit dem Kraftstoff versorgt. Die Kraftstoffeinblasung erfolgt in der Regel in das Saugrohr des Antriebes. Die Kraftstoffleiste wird dabei so dicht wie möglich an die Kraftstoffeinblasstellen positioniert, um möglichst kurze Laufzeiten zu den jeweiligen Zylindern zu gewährleisten. Der gasförmige Kraftstoff ist dabei nicht auf Erdgas und Compressed Natural Gas beschränkt sondern umfasst beispielsweise auch Autogas (LPG).
Dabei erweist sich eine Ausgestaltung des Verfahrens als besonders erfolg versprechend, bei welcher die Temperatur aufgrund erfasster Messwerte der Motorsteuerung modelliert wird. Hierdurch können in einfacher Weise nicht nur die bereits nach dem Stand der Technik messbaren, aussagekräftigen Daten erfasst und für die Modellierung in optimaler Weise herangezogen werden, sondern darüber hinaus kann auf diese Weise die Vorsteuerung verbessert werden, welche auch die Kraftstoffzufuhr umfasst.
Außerdem wird eine besonders praxisorientierte Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, dass zusätzlich Korrekturwerte für die Modellierung einbezogen werden. Diese können beispielsweise aus theoretischen, insbesondere wissenschaftlichen Erkenntnissen abgeleitet und bei der Modellbildung berücksichtigt werden. Ebenso können selbstverständlich auch Erfahrungswerte aus der Erprobung ebenso wie aus dem Betrieb des individuellen Kraftfahrzeuges gewonnen werden.
Dabei erweist es sich als besonders erfolgversprechend, wenn die Korrekturwerte auf der Basis von Fahr- oder Umgebungszuständen gebildet werden, sodass die Korrekturwerte den jeweiligen individuellen Anforderungen des Betriebszustandes ebenso wie des Fahrzeugführers angepasst und jederzeit überprüft werden können. Das Fahrverhalten kann auf diese Weise wesentlich verbessert werden.
Selbstverständlich könnten nahezu alle erfassten Messwerte des Kraftfahrzeuges in die Modellierung einbezogen werden. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn für die Modellierung zumindest einzelne der Messwerte Massenstrom, Kraftstoffzufuhr, Druck in einem Kraftstoffbehälter, Ansauglufttemperatur, Motortemperatur, Umgebungstemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Kühlluftdurchströmung erfasst werden, sodass einerseits der erforderliche Aufwand für die Signalverarbeitung begrenzt, andererseits die daraus ableitbaren Daten für die Modellbildung optimiert werden können. Die von dem Antrieb angesaugte Luft bzw. bei Turbomotoren die verdichtete Luft ist näherungsweise den gleichen Wärmeströmen ausgesetzt wie der gasförmige Kraftstoff. Daher bietet insbesondere die Ansauglufttemperatur eine geeignete Basis für die Modellierung der Temperatur.
Darüber hinaus ist es zudem erfindungsgemäß möglich, dass die Modellierung in Abhängigkeit der Betriebsphase des Antriebes, insbesondere der Motoraufwärmphase, dem gefeuerten Betrieb oder dem Schubbetrieb durchgeführt wird, um so die jeweils zweckmäßige Modellbildungsvariante auswählen zu können. Selbstverständlich können die der jeweiligen Phase zugeordneten Modellierungen einen stetigen Übergang oder Übergangsbereich aufweisen, in welchem die jeweilige Phase zu gleichen oder unterschiedlichen Gewichtungen in die Modellbildung einfließt. Beispielsweise können dabei auch die Betriebsdauer, Motorabstellzeit, Motortemperatur oder dergleichen Berücksichtigung finden.
Als besonders praxisgereicht erweist sich auch eine Weiterbildung, bei welcher auf der Basis der modellierten Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes die Steuerung des Luft-Kraftstoffgemisches abgeleitet wird und so unerwünschten fehlerhaften Einflüssen bei der Lambdaregelung ebenso wie bei der Gemischadaption entgegenwirkt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Steuerung eines Antriebes;
2 eine Prinzipdarstellung des bestimmten Antriebes.

1 zeigt in einem Ablaufdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung eines für ein Kraftfahrzeug bestimmten Antriebes 2 mittels einer Steuereinheit 1, durch die im Betrieb die Kraftstoffzufuhr eines gasförmigen Kraftstoffes 3 gesteuert wird. Um die erforderlichen Temperaturdaten des zugeführten gasförmigen Kraftstoffes mit geringem Aufwand zu bestimmen, wird die Temperatur des Kraftstoffes auf der Basis einer Messwerterfassung 4 des Kraftfahrzeuges, beispielsweise der Motorsteuerung oder mittels Korrekturwerte 5 insbesondere Erfahrungswerten oder erfassten Werten von Fahr- und/oder Umgebungszuständen modelliert. Die Messwerte können dabei insbesondere Daten wie den Massenstrom der Kraftstoffzufuhr, Druck in einem Kraftstoffbehälter oder Ansauglufttemperatur umfassen.
In der 2 ist in einer Prinzipdarstellung der für ein Kraftfahrzeug bestimmte Antrieb 2 dargestellt, dem im Betrieb ein Luft-Kraftstoffgemisch des gasförmigen Kraftstoffes 3 und angesaugter Luft 6 zugeführt wird. Da die von dem Antrieb 2 angesaugte Luft 6 näherungsweise den gleichen Wärmeströmen ausgesetzt ist wie der gasförmige Kraftstoff 3, ermöglicht die gemessene Temperatur der angesaugten Luft eine geeignete Basis für die Modellierung der Temperatur des Kraftstoffes 3, indem auf dieser Basis die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes 3 innerhalb einer Kraftstoffleiste 7 modelliert wird und die Steuerung eines Druckreglers 8 auf der Basis dieser Modellierung erfolgt, mit dem im Betrieb beispielsweise ein konstanter Kraftstoffdruck bei veränderlichen Einspritz- und Einblaszeiten einstellbar sein kann. Ergänzend wird insbesondere auch der Druck des Kraftstoffes 3 innerhalb, eines nicht gezeigten Kraftstoffbehälters gemessen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines für ein Kraftfahrzeug bestimmten Antriebes mittels einer Steuereinheit, durch die im Betrieb die Kraftstoffzufuhr eines gasförmigen Kraftstoffes gesteuert wird, welchem im Betrieb Erdgas, insbesondere Compressed Natural Gas (CNG) als gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, wobei die Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes auf der Basis erfasster Messwerte des Kraftfahrzeuges oder des Gasantriebes modelliert wird und die Steuerung des Antriebes, insbesondere die Steuerung des Luft-Kraftstoffgemisches, auf der Basis dieser Modellierung erfolgt, wobei die Modellierung in Abhängigkeit der Motoraufwärmphase, des gefeuerten Betriebes oder des Schubbetriebes durchgeführt sowie die daraus jeweils zweckmäßige Modellbildungsvariante ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur aufgrund erfasster Messwerte der Motorsteuerung modelliert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Korrekturwerte für die Modellierung einbezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte auf der Basis von Erfahrungswerten gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte auf der Basis von Fahr- und/oder Umgebungszuständen gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte unter Berücksichtigung des Joule-Thomson-Effekts der Abkühlung des Kraftstoffes aufgrund seiner Expansion gebildet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellierung in Abhängigkeit zumindest einzelner der Messwerte Massenstrom der Kraftstoffzufuhr, Druck in einem Kraftstoffbehälter, Ansauglufttemperatur, Motortemperatur, Umgebungstemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Kühlluftdurchströmung durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis der modellierten Temperatur des gasförmigen Kraftstoffes die Steuerung des Luft-Kraftstoffgemisches abgeleitet wird.