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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kraftstoffzusammensetzung
eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten
Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bei bekanntem Luft-Kraftstoff-Verhältnis
oder eines Lambdawertes bei bekanntem Kraftstoff, bei dem durch
gezielte Eingriffe die Laufruhe der Brennkraftmaschine zumindest
zeitweise negativ beeinflusst wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Motorsteuereinheit aufweist,
mit der durch gezielte Eingriffe die Laufruhe der Brennkraftmaschine
zumindest zeitweise negativ beeinflussbar ist.
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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. Auch die Eigendiagnose
der Brennkraftmaschine, die so genannte On-Board-Diagnose (OBD),
und hier speziell die Diagnose des Kraftstoffversorgungssystems (DKVS)
ist bei Flex-Fuel durch das andere stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis
betroffen.
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Die
DKVS wertet das Überschreiten von Diagnoseschwellen der
Gemischadaptionsfaktoren aus. Um eine Beeinflussung der DKVS zu
vermeiden, muss der Stöchiometrie-Anteil über
einem separaten Stöchiometrie ausgleichenden Faktor (ffuel) berücksichtigt werden. Dieser
Faktor wird beispielsweise nach Betankung in einer Kraftstoffadaption
ermittelt. Die Kenntnis des vorliegenden Kraftstoff-Mischungsverhältnisses
ist daher von grundlegender Bedeutung für den Betrieb der
Brennkraftmaschine.
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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.
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Die
Kraftstoffadaption ermöglicht es, Brennkraftmaschinen,
welche mit unterschiedlichen Kraftstoffen betrieben werden können,
störungsfrei zu betreiben. So muss beispielsweise 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.
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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.
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Aus
der Patentliteratur sind weitere Verfahren bekannt, die einen Rückschluss
auf unterschiedliche Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffes, unter
anderem auf Grund unterschiedlicher Mischungsverhältnisse
aus fossilen Brennstoffen und Alkoholen, und eine entsprechende
Anpassung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ermöglichen.
Insbesondere bei einer Fehlanpassung kann die Laufruhe der Brennkraftmaschine
erheblich gestört sein.
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Unter
der Laufruhe einer Brennkraftmaschine versteht man die Schwankungen
des bei den einzelnen Verbrennungen indizierten Moments des Motors.
Bei einem 1-Zylinder-Motor sind das die Schwankungen von Verbrennung
zu Verbrennung im gleichen Brennraum, z. B. infolge einer instabilen Luftströmung,
welche den Zeitpunkt der Energieumsetzung des Gemisches von Zyklus
zu Zyklus schwanken lässt. Bei einem mehrzylindrigen Motor können
dies auch systematische Unterschiede zwischen den einzelnen Zylindern
sein, wenn beispielsweise ein Zylinder fetter als der (die) andere(n)
betrieben wird.
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Die
Laufruhe wird in der Regel aus den Drehzahlschwankungen ermittelt,
die sich von Verbrennung zu Verbrennung ergeben. Ein Maß für
die Drehzahlschwankungen ist der so genannte Laufunruhewert. Die
Motordrehzahl wird in der Regel mit Hilfe eines auf der Kurbelwelle
angebrachten Drehzahlgeberrads ermittelt. Auch der Gradient der
Laufunruhe von Verbrennung zu Verbrennung kann mit der Bezeichnung „Zunahme
der Laufunruhe” als Kenngröße verwendet
werden.
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Bei
Motoren mit Druckindizierung können Schwankungen von Verbrennung
zu Verbrennung auch über die Auswertung des Brennraumdrucks
(indizierter Mitteldruck) gewonnen werden.
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Stand
der Technik ist eine Auswertung der Laufunruhe zur Erkennung von
Verbrennungsaussetzern. Insbesondere bei mager laufenden Motoren (Schichtbetrieb
beim Otto-Direkteinspritzer-Motor und generell beim Dieselmotor)
wird die Laufunruhe auch zur Zylinder-Momenten-Gleichstellung eingesetzt.
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Im
Motorsteuergerät eines Otto-Motors ist ein Momenten-Modell
hinterlegt, dass das vom Motor in seiner Hochdruckschleife erzeugte
Motormoment berechnet. Unter einer Hochdruckschleife versteht man
die 360° KW (KW = Kurbelwellenlage) der Kurbelwellendrehung
vom unteren Totpunkt (UT), bei dem in etwa das Einlassventil schließt über
den Zünd-OT (OT = oberer Totpunkt) bis zum unteren Totpunkt,
bei dem das Auslassventil öffnet. Für einen Dieselmotor
lässt sich ein ähnliches Momenten-Modell ableiten.
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Demnach
ergibt sich beim Otto-Motor ein in der Hochdruckphase erzeugtes
Modell für das Moment (Mihd) wie folgt: Mihd = Mioptll(rl,
nmot)·ETALAM(Lambda)·ETAdZW(dZW) (1) wobei „Mioptll”, „ETALAM” und „ETAdZW” für folgende Größen
stehen:
Mioptil” steht für
das Moment, dass bei bestmöglicher Zündung in
der Hochdruckschleife bei einem Luftkraftstoffverhältnis
von Lambda = 1,0 erzeugt wird. Dieser Wert hängt in erster
Linie von der Frischluftfüllung (rl), aber auch von der
Motor-Drehzahl (nmot) ab.
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„ETALAM” ist der Lambda-Wirkungsgrad.
Damit wird die Abhängigkeit des Motormoments vom Lambda-Wert
beschrieben. Beim Otto-Motor zeigt sich, dass bei etwa Lambda =
0,85 und optimaler Zündung ein Momenten-Maximum vorliegt.
Fettet man das Gemisch weiter an (→ Luftmangel), so fällt das
Moment. Magert man das Gemisch ab (→ Luftüberschuss),
fällt das Moment ebenfalls ab.
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„ETAdZW” steht für den Zündwinkelwirkungsgrad.
Das in der Hochdruckphase erzeugte Moment hängt insbesondere
vom Verbrennungsschwerpunkt ab. Bei einem Verbrennungsschwerpunkt
von etwa 8° KW nach dem oberen Totpunkt (OT) erreicht man das
höchste Moment (→ optimales Moment).
Bei früherem oder späteren Verbrennungsschwerpunkt,
d. h. bei einer Abweichung vom optimalen Zündwinkel (dZW ≠ 0°)
nimmt das Moment ab.
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Da
der Verbrennungsschwerpunkt unmittelbar mit dem Zündwinkel
gekoppelt ist, kann man beim Otto-Motor auch das Verhalten des in
der Hochdruckschleife erzeugten Moments (Mihd)
in Abhängigkeit vom Ist-Zündwinkel (ZWist) beschreiben. Zwischen Zündwinkel
und Verbrennungsschwerpunkt liegt die Zeit für den Zündverzug
(Vorentflammungszeit) und die Zeit bis der Brennverlauf einen Umsetzungsgrad
von 50% ergibt. Diese Größen hängen sowohl
vom eingesetzten Kraftstoff als auch vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis
ab. Beim Otto-Motor berechnet sich die Abweichung vom optimalen
Zündwinkel (dZW) zu: dZW
= ZWopt – ZWist
(2) mit ZWopt = KFZWOP(rl,
nmot) + dZWola +
dZWoagr
(3) wobei
„ZWopt” für den Zündwinkel
steht, bei dem das Moment maximal wird (→ optimaler Zündwinkel), „KFZWOP” für ein Kennfeld
für einen optimalen Zündwinkel, „dZWola” für einen Offset des
optimalen Zündwinkels in Abhängigkeit vom Lambdawert
und „dZWoagr” für einen
Offset des optimalen Zündwinkels in Abhängigkeit
von der Abgasrückführrate (AGR-Rate) stehen.
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Beim
Dieselmotor gibt es keinen Zündzeitpunkt. Jedoch kann man
den Verbrennungsschwerpunkt in Abhängigkeit vom Einspritzverlauf
gezielt variieren und z. B. mit Hilfe der Laufunruhe den Zündverzug
bzw. das Entflammungsverhalten ermitteln.
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So
ist in der
DE 29 52
073 A1 ein Verfahren zur Optimierung des Arbeitszyklus
einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine bekannt, bei dem
Antriebsdaten der Brennkraftmaschine, und zwar unter anderem die
momentane relative Winkellage der Kurbelwelle (Kurbelwinkel), gemessen,
einer elektronischen Steuereinheit zugeführt und dementsprechend
auf den Zündzeitpunkt und/oder auf die zugeführte
Kraftstoffmenge eingewirkt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass um
einen Näherungs-Sollwert des Zündzeitpunktes und/oder
der zugeführten Kraftstoffmenge herum wenigstens eine dieser
Regelgrößen von Arbeitszyklus zu Arbeitszyklus
variiert wird, dass außer dem Kurbelwinkel noch laufend
der momentane indizierte Druck oder eine sich mit ihm analog ändernde
Größe gemessen, daraus und aus der über den
Kurbelwinkel ermittelten Kolbenstellung für jeden Arbeitshub
jeweils der mittlere indizierte Druck bzw. eine analoge Größe
errechnet und die Folge der errechneten Werte des mittleren indizierten
Druckes selbsttätig registrierte und aufeinander folgende
Werte miteinander verglichen werden, wobei für jeden Betriebszustand
der Brennkraftmaschine die Variation der Regelgröße
abgebrochen und der vorliegende Wert der Regelgröße
festgehalten wird, sobald der mittlere indizierte Druck einen Maximalwert
erreicht. Das Verfahren ermöglicht es unter anderem auch, Abweichungen
von Steuerparametern in der Steuerung der Brennkraftmaschine, welche
durch die Verwendung unterschiedlicher Kraftstoffe, wie beispielsweise
Methanol, Ethanol und Benzin, entstehen, auszugleichen.
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Aus
der
DE 38 33 123 A1 ist
eine Vorrichtung zur Erfassung der Kraftstoffeigenschaften für
eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bekannt, wobei die
angesaugte Luftmenge und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
im Abgas gemessen werden, eine grundlegende Kraftstoffeinspritzmenge
auf der Grundlage der angesaugten Luftmenge berechnet und die Menge
einzuspritzenden Kraftstoffs entsprechend dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
geregelt wird. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Druckerfassungsmittel
zum Erfassen des Zylinderinnendrucks, Kurbelwinkelerfassungsmittel
zum Erfassen des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine und eine Überwachungseinrichtung,
welche Signale von den Druckerfassungsmitteln und den Kurbelwinkelerfassungsmitteln
empfängt und einen effektiven Heizwert Q des Kraftstoffs
in einem Zündzyklus auf der Grundlage des Zylinderinnendrucks
P (θ) bei einem Kurbelwinkel in den Kompressions- und Expansionshüben eines
Zündzyklus, des Kurbelwinkels θ und der Zylinderkapazität
V (θ) berechnet und einen effektiven Verbrennungswert K
oder einen unteren Heizwert Hu des Kraftstoffs ermittelt, wobei
die Eigenschaften des Kraftstoffs unter Verwendung wenigstens des
effektiven Verbrennungswertes K oder des unteren Heizwertes Hu oder
des Verhältnisses (Ti/Hu) der Dauer Ti eines Kraftstoffeinspritzimpulses
zu dem unteren Heizwert Hu erfasst wird.
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In
einer noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin
mit der internen Bezeichnung R.319607 wird ein Verfahren zur Bestimmung der
Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest
einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei
dem der Zündwinkel der Brennkraftmaschine verändert
wird und dass eine vom Zündwinkel abhängige nicht-periodische
Drehmomentschwankung und/oder eine nicht-periodische Drehungleichförmigkeit
und/oder eine davon abgeleitete Größe als Kenngröße
zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs verwendet
wird. Wird dabei der Zündwinkel vom optimalen Zündwinkel
in Richtung früh oder spät verstellt, nimmt die
Laufruhe der Brennkraftmaschine ab. Da der optimale Zündwinkel sowie
Klopfgrenzen von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängen,
kann damit auf die Kraftstoffzusammensetzung geschlossen werden. Eine
Variation des Luft-Kraftstoffverhältnisses ist bei diesem
Verfahren allerdings nicht vorgesehen. Der Aspekt einer Lambdaerkennung
mittels den Eingriffen bei der Zündung ist ebenfalls nicht
in dieser Schrift erwähnt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
welches durch Auswertung der Laufruhe bei gezielten Eingriffen bei
der Zündung und der Einspritzmenge Aussagen über
die verwendete Kraftstoffzusammensetzung einerseits oder über
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis andererseits ermöglicht.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung
des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Beeinflussung mittels einer Variation eines Zündwinkels
und/oder mittels einer Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
durchgeführt wird, wobei aus einer daraus resultierenden Laufunruhe
bzw. aus einem daraus resultierenden Gradienten für die
Laufunruhe eine Kenngröße für die Zusammensetzung
des aktuell vorliegenden Kraftstoffgemischs oder ein Lambdawert
für die Zylinder der Brennkraftmaschine abgeleitet werden.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Motorsteuereinheit Maßnahmenblöcke aufweist,
mit denen ein Zündwinkel und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
verstellbar sind und eine aus diesen Maßnahmen resultierende Laufunruhe
bzw. aus einem daraus resultierenden Gradienten für die
Laufunruhe eine Kenngröße für die Zusammensetzung
des aktuell vorliegenden Kraftstoffgemischs oder ein Lambdawert
für die Zylinder der Brennkraftmaschine ableitbar ist.
Die Funktionalität kann dabei als Software in der Motorsteuereinheit
implementiert sein.
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Mit
dem Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens können wahlweise Aussagen über die
verwendete Kraftstoffzusammensetzung einerseits oder über
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis andererseits ermöglicht
werden. Dabei können jeweils gleichartige Maßnahmen
und Auswertestrategien zur Anwendung kommen, was den Hardware-Aufwand
in einer entsprechenden Motorsteuereinheit reduzieren kann.
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Einerseits
wird dabei ausgenutzt, dass der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine
abhängig vom Zündwinkel ist. Ausgehend von einem
optimalen Zündwinkel mit maximalem Wirkungsgrad fällt
der Wirkungsgrad bei einer Änderung des Zündwinkels hin
zu einem früheren oder einem späteren Zündzeitpunkt
monoton ab. Hierdurch ändert sich bei sonst gleich bleibenden
Betriebsparametern der Brennkraftmaschine deren Drehmoment, wobei
bei maximalem Wirkungsgrad das maximale Drehmoment auftritt. Es
ist bekannt, dass beim maximalen Drehmoment die periodische Schwankung
des Drehmoments über einen Zyklus der Brennkraftmaschine ebenfalls
maximal ist. Es ist bekannt, dass der optimale Zündwinkel
von der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs abhängt.
Weiterhin weisen unterschiedlich zusammengesetzte Kraftstoffgemische eine
unterschiedliche Klopfgrenze auf. Die Klopfgrenze bezeichnet dabei
den Zündwinkel, bei dem ein vorbestimmtes Maß an
klopfender Verbrennung der Brennkraftmaschine auftritt. Bei einer
späten Zündung, d. h. deutlich nach dem oberen
Totpunkt (OT) sind Druck und Temperatur im Brennraum bereits wieder
gefallen, was den Zündverzug und die Entflammungsdauer
erhöht. Sowohl eine Lambda-Bestimmung als auch die Kraftstoff-Bestimmung können
daher in vorteilhafter Weise bei spätem Zündwinkel
besser durchgeführt werden.
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Andererseits
führt eine Abmagerung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, d.
h. eine Zunahme des Lambdawertes zu einer zunehmenden Laufunruhe. Verschiedene
Kraftstoffe haben dabei eine typische Magerlaufgrenze. Diese hängt
unter anderem vom Druck und der Temperatur ab. Magert man ab, so wird
sowohl der Zündverzug als auch die Entflammung stark verlangsamt
oder setzt gar nicht ein. Dies führt zu extrem verschleppten
Verbrennungen oder echten Verbrennungsaussetzern, die dann in einer deutlich
erhöhten Laufunruhe resultieren. Die Kenntnis der Magerlaufgrenze
ist ein Indiz für den eingesetzten Kraftstoff. Bei bekanntem
Kraftstoff kann man sich aber auch an die Magerlaufgrenze herantasten und
so alternativ das aktuelle Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder
den Lambdawert bestimmen.
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Bei
der Durchführung dieser Maßnahmen sollten allerdings
weitere Einflüsse nach Möglichkeit minimiert werden
oder zumindest möglichst genau bekannt sein, um obige Ergebnisse
nicht zu verfälschen.
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In
vorteilhafter Weise werden bei dem Eingriff, wie oben beschrieben,
gezielt die Kraftstoffeigenschaften Magerzündfähigkeit,
Zündverzug, Entflammungsverhalten und/oder Siedeverhalten
zur Bestimmung der Zusammensetzung des aktuell vorliegenden Kraftstoffgemischs
oder des Lambdawertes ausgenutzt. So kann die Laufruhe bei kaltem
Motor bei Reduktion der Einspritzmenge (Abmagern) bei dem niedrig
flüchtigeren Kraftstoff (z. B. E85) deutlich früher
begrenzt sein als bei einem Kraftstoff mit hohem Dampfdruck bzw.
einer hinsichtlich der Temperatur tiefer liegenden Siedekurve. In
diesem Fall ist es auch denkbar, zur Kraftstofferkennung sehr früh zu
zünden, so dass zum Zeitpunkt der Zündung die Kompressionswärme
sich noch nicht vollständig entwickelt hat und ein hoch
siedender Kraftstoff noch nicht ausreichend verdampft wurde, was
sich dann durch eine hohe Laufunruhe bemerkbar machen würde.
Außerdem zeigt sich, dass abhängig von z. B. dem
Ethanol-Gehalt des Kraftstoffes sich ein charakteristischer Verlauf
der Laufunruhe über die Motorerwärmung im Nachstart
und während des ersten Warmlaufens einstellen würde.
Dieser Verlauf kann zur Erkennung des Ethanol-Gehalts ausgewertet werden.
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In
bevorzugter Verfahrensvariante wird der Zündzeitpunkt während
des Eingriffs in Richtung Spätzündung verzögert
und/oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abgemagert.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Verstellung des Zündzeitpunktes
und/oder des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses stetig oder
in Stufen durchgeführt wird. So können beispielsweise
entsprechende Rampen durchfahren werden oder die Verstellung in
kleinen Schritten erfolgen.
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In
einer bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass nach erfolgter
Verstellung des Zündwinkels und/oder des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
die Laufunruhe bzw. der Gradient der Laufunruhe mittels mindestens
eines Komparators mit einem Grenzwert für die Laufunruhe
bzw. für den Gradienten der Laufunruhe verglichen und beim
Erreichen bzw. beim Überschreiten des entsprechenden Grenzwertes
eine Magerlaufgrenze oder eine Grenze für den Zündwinkel
bestimmt oder bei Unterschreiten des entsprechenden Grenzwertes
die Verstellung des Zündzeitpunktes und/oder des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
erneut durchgeführt wird. Damit kann erreicht werden, dass
man sich an die Magerlaufgrenze bzw. den maximal möglichen
Zündverzug herantasten kann.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass aus der Magerlaufgrenze ein Wert für
den Lambda-Mittelwert aller Zylinder oder ein Kennwert für
den aktuell verwendeten Kraftstoff ermittelt wird.
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In
einer bevorzugten Verfahrensvariante wird als Kennwert für
den aktuell verwendeten Kraftstoff ein Ethanol-Gehalt, ein Methanol-Gehalt
oder ein Ethanol/Methanol-Gehalt bestimmt. Das Verfahren lässt
sich damit bevorzugt zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Benzin/Ethanol-Kraftstoffgemischs
und/oder eines Benzin/Methanol-Kraftstoffgemischs und/oder eines
Benzin/Ethanol/Methanol-Kraftstoffgemischs einsetzen. Alle diese
Kraftstoffe und Kraftstoffgemische zeigen eine unterschiedliche
Abhängigkeit der Laufunruhe vom Zündwinkel, so
dass eine eindeutige Zuordnung des Kraftstoffes beziehungsweise
des Kraftstoffgemischs über das beschriebene Verfahren
möglich ist. Diese Zusammenhänge können
beispielsweise bei Flex-Fuel-Brennkraftmaschinen vorteilhaft eingesetzt
werden, wobei vorgesehen sein kann, dass damit auch das aktuelle
Luft-Kraftstoff-Verhältnis bestimmt werden kann, wenn eine
Abgassonde (Lambdasonde) nicht regelbereit sein sollte.
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Bei
einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder ist in vorteilhafter
Weise vorgesehen, dass nacheinander einzelne Verbrennungen mit verspätetem
Zündwinkel und/oder abgemagerten Luft-Kraftstoff-Verhältnissen
betrieben werden.
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Eine
besonders geringe Beeinträchtigung des Fahrkomforts kann
erreicht werden, indem nicht der Zündwinkel bzw. der Lambdawert
aller Zylinder der Brennkraftmaschine verstellt wird, sondern bei
einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern ein Zylinder oder
ein Teil der Zylinder mit gegenüber den verbleibenden Zylindern
verspäteten Zündwinkel und/oder abgemagerten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrieben
werden.
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Eine
Ungleichförmigkeit der Umdrehungsbewegung der Brennkraftmaschine
bzw. die Laufunruhe kann mit einem Drehzahlsensor oder einem Kurbelwellenwinkel-Sensor
aus der Drehzahl bestimmt werden, die im allgemeinen bereits an
der Brennkraftmaschine vorgesehen sind und daher keinen Zusatzaufwand
darstellen. Zur Bestimmung des Drehmoments und seiner periodischen
und nicht-periodischen Anteile kann ein Drehmomentsensor und/oder ein
Brennraumdrucksensor verwendet werden. Eine Verstellung des Zündwinkels
in Richtung früh führt zu klopfender Verbrennung,
die sich ebenfalls in einer verminderten Laufruhe und nicht-periodischer Schwankung
der Drehzahl und des Drehmoments auswirkt. Ein weiteres Indiz für
die Laufunruhe eine Brennkraftmaschine stellen Schwankungen eines
indizierten Mitteldrucks der Brennkraftmaschine dar, welche ebenfalls über
geeignete Sensoren auswertbar sind und somit Informationen über
die Brennwilligkeit des Kraftstoffes und damit über die
Art bzw. die Zusammensetzung des aktuell vorliegenden Kraftstoffes
liefern.
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Eine
bevorzugte Anwendung des Verfahrens, wie es mit seinen Merkmalen
oben beschrieben wurde, sieht den Einsatz bei einer Diesel-Brennkraftmaschine
vor, wobei anstelle des Zündwinkels der Einspritzverlauf
variiert wird. Damit können sowohl ein Lambdawert oder
Schwankungen bei der Dieselkraftstoff-Zusammensetzung (z. B. beim
Einsatz von Bio-Diesel, wie z. B. Rapsöl im Kraftstoff)
ermittelt werden.
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Eine
weitere Anwendung des Verfahrens, wie es zuvor beschrieben wurde,
kann zur Bestimmung weiterer motorischer Kenngrößen
genutzt werden, wobei in diesem Fall das Verfahren bei bekanntem
Luft-Kraftstoff-Verhältnis und bekanntem Lambdawert durchgeführt
wird.
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Ein
Anwendungsbeispiel des Verfahrens sieht dabei eine Diagnose einer
Abgasrückführrate (AGR) vor, wobei das Verfahren
bei bekanntem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und bekanntem
Lambdawert durchgeführt wird. Dabei macht man sich zu Nutze,
dass mit zunehmender Abgasrückführrate die Magerlauffähigkeit
abnimmt und somit die Laufunruhe zunimmt. Dies kann beispielsweise
bei der AGR-Adaption und Diagnose einer Ventilsteuerung für
eine Abgasrückführung vorteilhaft eingesetzt werden.
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Ein
weiteres Anwendungsbeispiel sieht eine Diagnose einer Ladungsbewegungsklappenstellung bei
bekanntem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und bekanntem Lambdawert
vor. Hier wird sich zu Nutze gemacht, dass mit zunehmender Ladungsbewegung die
Magerlauffähigkeit zunimmt und somit die Laufunruhe abnimmt.
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Die
Einflüsse der Inertgasrate und/oder von Ladungsbewegungsklappen
kann bei den genannten Beispielen durch eine gezielte Wahl des Betriebspunktes
minimiert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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2 beispielhaft
den Verlauf von Brennraumdruck, Brennverlauf und Moment in Abhängigkeit
des Kurbelwellenwinkels bei optimalem Verbrennungsschwerpunkt und
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3 beispielhaft
den Verlauf von Brennraumdruck, Brennverlauf und Moment bei einer
stark verschleppten Verbrennung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass
zur Bestimmung einer Kraftstoffzusammensetzung eines Kraftstoffgemischs
bei bekanntem Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder eines Lambdawertes
bei bekanntem Kraftstoff eine gezielte zeitweise Beeinflussung der
Laufruhe der Brennkraftmaschine mittels einer Variation eines Zündwinkels und/oder
mittels einer Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
durchgeführt wird. Aus der daraus resultierenden Laufunruhe
bzw. aus einem daraus resultierenden Gradienten für die
Laufunruhe werden eine Kenngröße für
die Zusammensetzung des aktuell vorliegenden Kraftstoffgemischs
oder ein Lambdawert für die Zylinder der Brennkraftmaschine
abgeleitet.
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1 zeigt
schematisch den Verfahrensablauf 1 zur Bestimmung eines
Lambdawertes als Mittelwert über alle Zylinder einer Otto-Brennkraftmaschine
oder wahlweise zur Bestimmung des aktuell verwendeten Kraftstoffes.
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Nach
dem Start 10 des Verfahrens erfolgt zunächst mittels
einer ersten Abfrage 20 eine Überprüfung,
ob ein stabiler Betriebszustand vorliegt. Ist dies der Fall, erfolgt
mittels einer zweiten Abfrage 30 eine Verzweigung, ob eine
Lambdabestimmung oder eine Bestimmung des aktuell vorliegenden Kraftstoffes
erfolgt.
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Im
Fall der Lambdabestimmung erfolgt in einem Maßnahmenblock
A 40 eine sukzessive Verschlechterung der Entflammungsbedingungen.
Dies wird beispielsweise mittels einer rampenförmigen Abmagerung
eines oder mehrerer Zylinder der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger
Anfettung der anderen Zylinder in derart durchgeführt,
dass der Lambdawert über alle Zylinder unverändert
bleibt. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass
gleichzeitig der Zündwinkel der abgemagerten Zylinder verstellt
wird, so dass die Empfindlichkeit der Laufunruhe bei einer Abmagerung
am höchsten ist.
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Mit
der Detektion der Ist-Laufruhe 60 wird die Laufunruhe,
beispielsweise durch Auswertung von Drehzahlschwankungen, bestimmt.
Die Laufunruhe bzw. der Gradient der Laufunruhe wird mittels mindestens
eines Komparators 70 mit einem Grenzwert für die
Laufunruhe bzw. für den Gradienten der Laufunruhe verglichen.
Beim Erreichen bzw. beim Überschreiten des entsprechenden
Grenzwertes wird eine Magerlaufgrenze oder eine Grenze für
den Zündwinkel bestimmt. Bei Unterschreiten des entsprechenden
Grenzwertes erfolgt eine weitere Verstellung des Zündzeitpunktes
und/oder des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bis die Laufunruhe
bzw. der Gradient der Laufunruhe den jeweiligen Grenzwert überschreitet.
Ist dies der Fall, wird im Funktionsblock Lambdawert-Bestimmung 80 aus
der Magerlaufgrenze ein Wert für den Lambda-Mittelwert
aller Zylinder ermittelt und das Auswerteverfahren zunächst
beendet (Ende 100).
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Soll
alternativ dazu eine Detektion des aktuell vorliegenden Kraftstoffes
erfolgen, was mit der oben genannten Abfrage 30 festgestellt
wird, erfolgt in einem Maßnahmenblock B 50 ebenfalls
eine sukzessive Verschlechterung der Entflammungsbedingungen. Dies
wird beispielsweise mittels einer rampenförmigen Abmagerung
eines oder mehrerer Zylinder der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger
Anfettung der anderen Zylinder in derart durchgeführt, dass
der Lambdawert über alle Zylinder λ = 1 ist. Auch
hierbei ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass
gleichzeitig der Zündwinkel der abgemagerten Zylinder verstellt
wird, so dass die Empfindlichkeit der Laufunruhe bei einer Abmagerung
am höchsten ist. Danach erfolgt, wie im anderen Strang des
Verfahrensablaufs 1 die Detektion der Ist-Laufruhe 60.
Die Laufunruhe bzw. der Gradient der Laufunruhe wird mittels mindestens
eines Komparators 70 mit einem Grenzwert für die Laufunruhe
bzw. für den Gradienten der Laufunruhe verglichen, wobei
bei Erreichen oder Überschreiten der Grenzwerte im Funktionsblock
Bestimmung Kraftstoffzusammensetzung 90 aus der Magerlaufgrenze
ein Kennwert für den aktuell verwendeten Kraftstoff ermittelt
und das Auswerteverfahren ebenfalls zunächst beendet wird
(Ende 100). Andernfalls erfolgt eine weitere Verschlechterung
der Entflammungsbedingungen.
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Als
Kennwert für den aktuell verwendeten Kraftstoff kann ein
Ethanol-Gehalt, ein Methanol-Gehalt oder ein Ethanol/Methanol-Gehalt
bestimmt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die ermittelte Zusammensetzung
des Kraftstoffgemischs mit einer von einem Kraftstoffartensensor
und/oder in einer Kraftstoffadaption bestimmten Zusammensetzung des
Kraftstoffgemischs verglichen wird und dass auf eine Fehlfunktion
geschlossen wird, wenn die Differenz zwischen den bestimmten Zusammensetzungen
des Kraftstoffgemischs einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet,
so kann im Rahmen einer Plausibilitätsbetrachtung die mit
Hilfe des Kraftstoffartensensors oder der Kraftstoffadaption ermittelte
Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs überwacht werden.
Es kann beispielhaft eine fehlerhafte Adaption eines Gemischfehlers
durch die Kraftstoffadaption rückgängig gemacht
werden.
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Die
Funktionalität des oben beschriebenen Verfahrensablaufs 1 in
beiden Strängen ist dabei in vorteilhafter Weise als Software
in einer Motorsteuereinheit implementiert.
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In
den 2 und 3 ist beispielhaft als Folge
der Anwendung des Verfahrens in Verlaufsdiagrammen 200 ein
Brennraumdruck 201, ein Brennverlauf 202 und ein
Moment 203 in Abhängigkeit einer Kurbelwellenlage
KW 204 dargestellt, wobei der Brennraumdruck 201 in
mbar und das Moment mit einem Offset und gespreizt (50.000 + 100·M)
in Nm dargestellt sind.
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In 2 ist
ein Verlauf des Brennraumdrucks 205, ein Verlauf der Verbrennung 206 sowie
ein Verlauf des Moments 207 einer Verbrennung dargestellt, die
einen optimalen Verbrennungsschwerpunkt aufweist. Die Hälfte
der Energie ist dabei zum Zeitpunkt entsprechend einer Kurbelwellenlage
KW 204 von 8° nach dem oberen Totpunkt (OT) umgesetzt.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 3 ein Beispiel für
die gleichen Größen bei einer stark verschleppten Verbrennung
durch Anwendung des Verfahrens, jedoch mit gleicher chemischer Gesamtenergie.
Der Verlauf des Moments 207 zeigt eine starke Abnahme gegenüber
dem Verlauf des Moments 207 in 2, die Umsetzung
der Energie zu einem späteren Kurbelwinkel stattfindet.
Eine späte Zündung erzeugt, abhängig
vom Lambdawert und von der Kraftstoffsorte einen größeren
Zündverzug und eine längere Entflammung. Dies
führt zu einer späten Wärmeumsetzung
zu einem Zeitpunkt, wo der Kolben schon weitgehend herunter gelaufen
ist, derart, dass die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische
Arbeit mit deutlich schlechterem thermodynamischen Wirkungsgrad
stattfindet, was zu einer deutlichen Abnahme des Motormoments führt.
Die Folge ist ein erhöhter Laufunruhewert, der sich beispielsweise über die
Auswertung der Drehzahl auswerten lässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4117440
C2 [0005, 0006]
- - DE 2952073 A1 [0019]
- - DE 3833123 A1 [0020]
