DE102009028327A1

DE102009028327A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009028327A1
Application number: DE102009028327A
Authority: DE
Inventors: Martin Klenk; Stephan Uhl; Jens Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-10
Also published as: BRPI1003164A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kraftstoffzusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei einer Steuereinheit ein Ausgangssignal einer in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Breitband-Lambdasonde zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Verlauf einer Pumpstromkennlinie der Breitband-Lambdasonde in Abhängigkeit von dem Lambdawert des Abgases bestimmt wird. Abgas aus einer Verbrennung eines äthanolhaltigen Kraftstoffgemischs weist ein größeres Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid auf als Abgas aus einer Verbrennung von reinem Benzin. Eine Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs ist möglich, da bei Lambda = 1 der Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde nur sehr geringfügig von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängt, bei kleineren Lambdawerten, die Abhängigkeit jedoch wesentlich größer ist und vom Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid abhängt. Vorteilhaft ist, dass zur Bestimmung des Zusammensetzungswerts auf eine bestehende Breitband-Lambdasonde zurückgegriffen werden kann und keine weiteren Bauteile benötigt werden, so dass lediglich eine entsprechende Softwareanpassung in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine notwendig ist. Die Kosten für einen separaten Kraftstoffartensensor können damit entfallen und auch dessen Überwachung auf korrekte ...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kraftstoffzusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei einer Steuereinheit ein Ausgangssignal einer in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Breitband-Lambdasonde zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine wobei der Brennkraftmaschine eine Steuereinheit zugeordnet ist und wobei in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine eine Breitband-Lambdasonde angeordnet ist.
Brennkraftmaschinen auf der Basis von Otto-Motoren werden allgemein mit Kraftstoff aus Kohlenwasserstoffen aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus nachwachsenden Rohstoffen (Pflanzen) erzeugtes Äthanol oder ein anderer Alkohol in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen beigemengt. In den USA und Europa wird oft eine Mischung aus 70–85% Äthanol und 15–30% Benzin mit der Bezeichnung E85 eingesetzt. Die Brennkraftmaschinen sind so ausgelegt, dass sie sowohl mit reinem Benzin als auch mit Mischungen bis hin zu E85 betrieben werden können; dies wird mit „Flex-Fuel-Betrieb” bezeichnet. Für einen sparsamen Betrieb mit einem geringen Schadstoffausstoß bei gleichzeitig hoher Motorleistung und gutem Startverhalten müssen die Betriebsparameter im Flex-Fuel-Betrieb an die jeweilig vorliegende Kraftstoff-Mischung angepasst werden. Beispielhaft liegt ein stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Verhältnis bei 14,7 Gewichtsanteilen Luft pro Anteil Benzin vor, bei Verwendung von reinem Äthanol muss jedoch ein Luftanteil von 9 Gewichtsanteilen eingestellt werden. Des weiteren ist für eine optimale Verbrennung der Zündwinkel der Brennkraftmaschine an das Mischungsverhältnis anzupassen. Aufgrund der unterschiedlichen Verdampfungseigenschaften von Äthanol und Benzin müssen beim Start der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Mischungsverhältnis unterschiedliche Anreicherungsfaktoren vorgegeben werden. Die für die Eigendiagnose der Brennkraftmaschine, die so genannte On Board Diagnose (OBD) anzuwendenden Diagnoseschwellen hängen ebenfalls von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs ab. Die Kenntnis des vorliegenden Kraftstoff-Mischungsverhältnisses ist daher von grundlegender Bedeutung für den Betrieb der Brennkraftmaschine.
Zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs können unterschiedliche Kraftstoffartensensoren, auch als „fuel composition sensors” bezeichnet, eingesetzt werden. Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedlichen Eigenschaften der eingesetzten Kraftstoffe, beispielsweise von Alkohol und Benzin, zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung. So ist beispielsweise Äthanol ein protisches Lösemittel, welches Wasserstoffionen enthält und eine große, jedoch vom Wassergehalt abhängige, Dielektrizitätskonstante aufweist. Benzin hingegen ist ein aprotisches Lösemittel mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten. Darauf basierend gibt es Kraftstoffartensensoren, welche die Kraftstoffzusammensetzung anhand der dielektrischen Eigenschaften des Kraftstoffgemischs bestimmen. Andere Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit oder die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Kraftstoffe wie beispielhaft die unterschiedlichen Brechungsindices. Nachteilig hierbei ist, dass durch den Einsatz von Kraftstoffartensensoren die Systemkosten erhöht werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass gemäß bestehender Vorschriften die korrekte Funktionsfähigkeit der Kraftstoffartensensoren überwacht werden muss, was einen zusätzlichen Aufwand erfordert.
Aus der DE 41 17 440 C2 ist ein Verfahren zum adaptiven Einstellen eines Kraftstoff-Luftgemisches zum Berücksichtigen von Kraftstoffeigenschaften im Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, die einen Lambdaregler aufweist, der einen Regelfaktor RF ausgibt, und die einen Adaptionsintegrator aufweist, der einen Adaptionsfaktor AF mit variabler Adaptionsgeschwindigkeit ausgibt, der neben dem Regelfaktor FR die Einstellung des Kraftstoff-Luftgemischs beeinflusst. Dabei ist vorgesehen, dass überprüft wird, ob die Lambda-Regelungsabweichungsamplitude einen ersten Schwellenwert übersteigt, und, wenn dies der Fall ist, die Adaptionsgeschwindigkeit so lange auf einen erhöhten Wert gesetzt wird, bis eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wonach auf eine niedrige Adaptionsgeschwindigkeit zurückgeschaltet wird. Das zugrunde liegende Verfahren ist als Kraftstoffadaption bekannt.
Die Kraftstoffadaption ermöglicht es, Brennkraftmaschinen, welche mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden können, störungsfrei zu betreiben. So muss beispielhaft die Einspritzzeit bei einem Wechsel von einem Kraftstoff Benzin auf ein Kraftstoffgemisch aus 85% Äthanol und 15% Benzin um mehr als 40% verlängert werden, um die gleichen Lambdawerte im Abgas zu erhalten. Dies ist begründet in dem unterschiedlichen Luftbedarf für eine stöchiometrische Verbrennung. Nach dem in der Schrift DE 41 17 440 C2 beschriebenen Verfahren wird dazu ein entsprechender Adaptionseingriff vorgenommen. Da bei einem Kraftstoffwechsel eine im Vergleich zum Ausgleich von Alterungseinflüssen oder Fertigungseinflüssen sehr starke Korrektur der Einspritzzeiten und somit des Adaptionseingriffes vorgenommen werden muss, wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren die Adaptionsgeschwindigkeit bei einem erkannten Kraftstoffwechsel deutlich erhöht.
Wiederholtes Nachtanken kleiner Kraftstoffmengen oder eine Beeinflussung der Füllstandsbestimmung durch ein schräg stehendes Fahrzeug können jedoch zu einer fehlerhaften Adaption des Äthanolwerts führen und damit auch eine korrekte Anpassung der Diagnoseschwellen für die On Board Diagnose erschweren. Auch kann eine mangelhafte Durchmischung der Kraftstoffkomponenten einen störenden Einfluss auf die Adaption haben.
Breitband-Lambdasonden, wie sie zur Bestimmung des Lambdawerts von Abgas im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine verwendet werden, sind beispielhaft aus der DE 102 16 724 C1 bekannt. Ein Pumpstrom einer solchen Breitband-Lambdasonde weist eine Abhängigkeit vom Lambdawert des Abgase auf, die zur Bestimmung dieses Lambdawerts benutzt wird; die Abhängigkeit wird in einer Pumpstromkennlinie der Breitband-Lambdasonde erfasst. Breitband-Lambdasonden weisen ein Diffusionselement auf, durch das unterschiedliche Gasarten unterschiedlich schnell diffundieren; es tritt eine so genannte Diffusionsverschiebung auf. Diese Diffusionsverschiebung führt, abhängig von der Abgasmischung, zu einer merklichen Verschiebung der Pumpstromkennline der Breitband-Lambdasonde von einer Nominal-Kennlinie wie sie auf einem Gasprüfstand bestimmt wird. Für eine präzise Bestimmung des Lambdawerts müssen diese Abweichungen berücksichtigt werden.
Aus der DE 10 2005 050 269 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Lambda-Werts mit einer Breitband-Lambdasonde einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem aus dem gemessenen Pumpstrom und den Empfindlichkeiten der Breitband-Lambda-Sonde gegenüber zu detektierenden Gasen sowie den Gaskonzentrationsverhältnissen im Magerbetrieb eine Sauerstoffkonzentration und im Fettbetrieb ein Sauerstoffdefizit bestimmt werden und hieraus jeweils auf den Lambda-Wert geschlossen wird. Das Verfahren nach DE 10 2005 050 269 A1 vermag allerdings nicht auf die Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs zu schließen; diese wird als bekannt vorausgesetzt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs ohne den Einsatz eines Kraftstoffartensensors ermöglicht.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Verlauf einer Pumpstromkennlinie der Breitband-Lambdasonde in Abhängigkeit von dem Lambdawert des Abgases bestimmt wird. Abgas aus einer Verbrennung eines äthanolhaltigen Kraftstoffgemischs weist ein größeres Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid auf als Abgas aus einer Verbrennung von reinem Benzin. Eine Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs ist möglich, da bei Lambda = 1 der Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde nur sehr geringfügig von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängt, bei kleineren Lambdawerten, die Abhängigkeit jedoch wesentlich größer ist und vom Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid abhängt. Vorteilhaft ist, dass zu Bestimmung des Zusammensetzungswerts auf eine bestehende Breitband-Lambdasonde zurückgegriffen werden kann und keine weiteren Bauteile benötigt werden, so dass lediglich eine entsprechende Softwareanpassung in dem Steuergerät der Brennkraftmaschine notwendig ist. Die Kosten für einen separaten Kraftstoffartensensor können damit entfallen und auch dessen Überwachung auf korrekte Funktion kann entfallen. Der Wert aus der erfindungsgemäßen Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs kann mit Werten aus anderen Bestimmungsmethoden abgeglichen werden, so dass die Zuverlässigkeit des Verfahrens zusätzlich verbessert werden kann.
Eine Verbesserung der Genauigkeit des Verfahrens wird erreicht, indem bei der Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Verlauf der Pumpstromkennlinie der Breitband-Lambdasonde der Betriebszustand der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird.
Wird der Lambdawert des Abgases der Brennkraftmaschine von Lambda = 1 auf einen Wert kleiner als 1 verändert, kann aus dem Verlauf eines Pumpstroms der Breitband-Lambdasonde in Abhängigkeit von dem Lambdawert des Abgases die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs bestimmt werden, da bei Lambda = 1 der Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde nur sehr geringfügig von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängt, bei kleineren Lambdawerten, die Abhängigkeit jedoch wesentlich größer ist.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Steuereinheit der Brennkraftmaschine ein erster Programmablauf vorgesehen ist, der den Lambdawert des Abgases von Lambda = 1 auf einen Wert kleiner als Lambda = 1 verändert und dass in der Steuereinheit ein zweiter Programmablauf zur Ableitung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus einer Auswertung eines Pumpstroms der Breitband-Lambdasonde vorgesehen ist. Eine Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs ist möglich, da bei Lambda = 1 der Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde nur sehr geringfügig von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängt, bei kleineren Lambdawerten, die Abhängigkeit jedoch wesentlich größer ist. Der erste Programmablauf verwirklicht einen so genannten „Einspritzzeit-Ausflug” zu längeren Einspritzzeiten und damit einem niedrigeren Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von beispielhaft 0,8 sind die durch die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs hervorgerufenen Unterschiede im Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde bereits so groß, dass sie zur Bestimmung der Zusammensetzung herangezogen werden können. In dem zweiten Programmablauf wird, beispielhaft auf Basis eines in der Steuereinheit hinterlegten Kennfelds, auf Basis des Pumpstroms unter Berücksichtigung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs, insbesondere dessen Äthanolgehalt, bestimmt.
Vorteilhaft werden das Verfahren oder die Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Alkohol, vorzugsweise eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Äthanol angewendet, da hiermit ohne Einsatz eines Kraftstoffartensensors und ohne die damit verbundenen Kosten die Zusammensetzung bestimmt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Diagramm mit Pumpstromkennlinien einer Breitband-Lambdasonde.
1 zeigt in einem Diagramm 10 den Verlauf eines Pumpstroms einer Breitband-Lambdasonde in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine bei Veränderung eines Lambdawerts des Abgases in dem Abgaskanal. Entlang einer ersten Achse 11 ist ein Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde in Mikroampere aufgetragen, entlang einer zweiten Achse 14 ist der Lambdawert des Abgases in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine aufgetragen. Wird die Brennkraftmaschine mit Benzin betrieben, stellt sich eine erste Pumpstromkennlinie 12 ein, die den Zusammenhang zwischen dem Lambdawert und dem Pumpstrom beschreibt. Wird die Brennkraftmaschine mit Äthanol betrieben, stellt sich eine zweite Pumpstromkennlinie 13 ein, bei der bei gleichem Lambdawert ein stärker negativer Pumpstrom benötigt wird als beim Betrieb mit Benzin. Bei einem Lambdawert von 1 zeigen die erste Pumpstromkennlinie 12 und die zweite Pumpstromkennlinie 13 einen annähernd gleichen. Pumpstrom an. Bei niedrigerem Lambda ist der Wert des Pumpstroms nach der ersten Pumpstromkennlinie 12 dagegen erheblich höher als Wert des Pumpstroms nach der zweiten Pumpstromkennlinie 13. Wird die Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffgemisch aus Benzin und Äthanol betrieben, liegen die Werte des Pumpstroms zwischen beiden Kennlinien. Der Pumpstrom der Breitband-Lambdasonde zeigt neben seiner Abhängigkeit vom Lambdawert des Abgases weiterhin auch eine Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Diese Abhängigkeit, beispielhaft von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, kann in einer veränderten Lage der Pumpstromkennlinien 12, 13 berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird, ausgehend von einem Lambdawert von 1, mit Hilfe einer Steuerung der Brennkraftmaschine ein so genannter „Einspritzzeit-Ausflug” verwirklicht, bei dem gezielt ein Lambdawert kleiner 1 angefahren wird, und hierbei der Pumpstrom gemessen. Aus dem Wert des Pumpstroms kann, unter Berücksichtigung des Betriebszustands der Brennkraftmaschine, auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs geschlossen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4117440 C2 [0005, 0006]
- DE 10216724 C1 [0008]
- DE 102005050269 A1 [0009, 0009]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Kraftstoffzusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei einer Steuereinheit ein Ausgangssignal einer in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Breitband-Lambdasonde zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Verlauf einer Pumpstromkennlinie (12, 13) der Breitband-Lambdasonde in Abhängigkeit von dem Lambdawert des Abgases bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Verlauf der Pumpstromkennlinie (12, 13) der Breitband-Lambdasonde der Betriebszustand der Brennkraftmaschine berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lambdawert des Abgases der Brennkraftmaschine von Lambda = 1 auf einen Wert kleiner als 1 verändert wird und dass aus dem Verlauf eines Pumpstroms der Breitband-Lambdasonde in Abhängigkeit von dem Lambdawert des Abgases die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine wobei der Brennkraftmaschine eine Steuereinheit zugeordnet ist und wobei in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine eine Breitband-Lambdasonde angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit der Brennkraftmaschine ein erster Programmablauf vorgesehen ist, der den Lambdawert des Abgases von Lambda = 1 auf einen Wert kleiner als Lambda = 1 verändert und dass in der Steuereinheit ein zweiter Programmablauf zur Ableitung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus einer Auswertung eines Pumpstroms der Breitband-Lambdasonde vorgesehen ist.
Anwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Alkohol, vorzugsweise eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Äthanol.