DE102009028877A1

DE102009028877A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009028877A1
Application number: DE102009028877A
Authority: DE
Inventors: Martin Klenk; Stephan Uhl; Kai Jakobs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten Kraftstoff und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Kraftstoffe in ihrem Heizwert unterscheiden und wobei sich die Kraftstoffe in ihrer Klopffestigkeit unterscheiden. Dabei ist vorgesehen, dass aus dem Verbrauch von Kraftstoffgemisch im Leerlauf der Brennkraftmaschine ein erster Zusammensetzungswert des Kraftstoffgemischs bestimmt wird, dass aus einem Ausgangssignal eines Klopfsensors oder aus einer Klopfregelung der Brennkraftmaschine ein zweiter Zusammensetzungswert bestimmt wird und dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus einer Kombination des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts ermittelt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine kostengünstige und zuverlässige Bestimmung der Zusammensetzung von Kraftstoffgemischen für Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten Kraftstoff und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Kraftstoffe in ihrem Heizwert unterscheiden und wobei sich die Kraftstoffe in ihrer Klopffestigkeit unterscheiden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten Kraftstoff und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Kraftstoffe in ihrem Heizwert unterscheiden und wobei sich die Kraftstoffe in ihrer Klopffestigkeit unterscheiden und wobei der Brennkraftmaschine eine Steuereinheit zugeordnet ist.
Stand der Technik
Brennkraftmaschinen auf der Basis von Otto-Motoren werden allgemein mit einem Kraftstoff aus Kohlenwasserstoffen aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus nachwachsenden Rohstoffen (Pflanzen) erzeugter Alkohol, beispielsweise Äthanol oder Methanol, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen beigemengt. In den USA und in Europa wird oft eine Mischung aus 75–85% Äthanol und 15–25% Benzin unter dem Markennamen 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 müssen die Betriebsparameter im Flex-Fuel-Betrieb an die jeweilig vorliegende Kraftstoff-Mischung angepasst werden. Beispielhaft liegt ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoff-Verhältnis bei 14,7 Gewichtsanteilen Luft pro Anteil Benzin vor, bei Verwendung von Äthanol muss jedoch ein Luftanteil von 9 Gewichtsanteilen eingestellt werden.
Beim Flex-Fuel-Betrieb muss aufgrund der unterschiedlichen temperaturabhängigen Verdampfungseigenschaften von Äthanol und Benzin beim Start der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis ein angepasster Anreicherungsfaktor vorgegeben werden. Der Zündzeitpunkt muss ebenfalls in Abhängigkeit von der Kraftstoff-Mischung angepasst werden. 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.
Es wurden daher softwarebasierte Systeme zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung entwickelt, die keine speziellen Kraftstoffartensensoren verwenden, sondern die die Signale der an der Brennkraftmaschine vorhandenen Sensoren auswerten. Diese Systeme können kostengünstiger verwirklicht werden als Systeme mit Kraftstoffartensensoren.
Aus der DE 3036107 C3 ist eine Regeleinrichtung bekannt für ein Kraftstoffzumesssystem bei einer Brennkraftmaschine bestehend aus einer Kraftstoffversorgungseinrichtung (Kraftstoffeinspritzventil), einer Lambdasonde, Mitteln (Zeitglied) zum Bilden eines Grundzumesssignals, das betriebskenngrößenabhängig korrigiert letztlich das Ansteuersignal (ti) der Kraftstoffversorgungsvorrichtung bestimmt, einem Lambda-Regler, der ausgehend von einem von der Lambda-Sonde gemessenen Signal (λ) einen Korrekturfaktor ermittelt, der multiplikativ das Grundzumesssignal (tp) mit dem Korrekturfaktor beeinflusst. Dabei ist vorgesehen, dass die Lambda-Korrektur außer vom Korrekturfaktor (KR λ) abhängig ist von einer additiven (KA λ) und/oder einer multiplikativen (KL λ) Korrekturgröße, die korrekturfaktor- und betriebskenngrößenabhängig bestimmt wird.
Die Regeleinrichtung ermöglicht es, systematische Abweichungen der durch das Grundzumesssignal vorgegebenen Kraftstoffzumessungen, also der so genannten Vorsteuerung, von dem durch die Lambda-Regelung ermittelten Wert durch einen Adaptionseingriff mit einer entsprechenden Langzeitkorrektur auszugleichen. Systematische Abweichungen können beispielsweise durch Alterungseinflüsse oder durch Fertigungseinflüsse bedingt sein. Im Mittel entspricht die durch die korrigierte Vorsteuerung definierte Menge an Kraftstoff der tatsächlich benötigten Menge. Kurzfristige Abweichungen können mit dem Lambda-Regler ausgeglichen werden, dem jetzt wieder der gesamte Regelbereich zur Verfügung steht. Das zugrunde liegende Verfahren ist auch unter der Bezeichnung Gemischadaption bekannt.
Die Bestimmung des Kraftstoff-Mischungsverhältnisses kann ohne zusätzlichen Kraftstoff-Artensensor an Hand einer Kraftstoff-Adaption erfolgen. Die Kraftstoff-Adaption wird nach einer durch den Tankstandsgeber erkannten Betankung aktiviert. Eine durch den Tankvorgang geänderte Kraftstoffzusammensetzung führt zu einem geänderten stöchiometrischen Luft-/Kraftstoff-Verhältnis. Durch einen entsprechenden Eingriff der Lambda-Regelung auf die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere auf das eingestellte Luft-/Kraftstoff-Verhältnis und den Zündzeitpunkt, wird diese Änderung der Kraftstoffeigenschaften im Rahmen der Kraftstoff-Adaption berücksichtigt. Aus dem Eingriff der Lambda-Regelung beziehungsweise der Kraftstoff-Adaption kann so auf das stöchiometrische Verhältnis und daraus auf die Zusammensetzung des Kraftstoff-Gemischs geschlossen werden. Die Zusammensetzung des Kraftstoff-Gemischs kann entsprechend durch eine reine Softwarelösung kostengünstig bestimmt werden.
Nachteilig hierbei ist, dass nach einem Tankvorgang während der Kraftstoff-Adaption die Gemisch-Adaption vorübergehend deaktiviert werden muss, damit geänderte Verbrennungseigenschaften des Kraftstoff-Gemischs nicht fälschlich durch die Langzeitkorrektur der Gemischadaption ausgeregelt werden. Die Deaktivierung der Gemisch-Adaption ist unerwünscht und widerspricht den Anforderungen insbesondere der CARB in den USA nach einer kontinuierlichen Überwachung und Diagnose des Kraftstoff-Versorgungssystems.
Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass bei einem Betankungsvorgang mit kleinen Kraftstoffmengen die Tankfüllstandssensoren dies nicht immer zuverlässig erkennen. Werden wiederholt solche Kleinstmengenbetankungen durchgeführt, so kann es, insbesondere bei geringem Füllstand des Kraftstofftanks, dazu kommen, dass sich die Kraftstoff-Zusammensetzung signifikant ändert, ohne dass dies durch die Kraftstoff-Adaption erkannt und ausgeregelt wird. Die Veränderung der Verbrennungseigenschaften wird dann fälschlich durch die Gemisch-Adaption korrigiert.
Ein weiteres System zur Bestimmung des Kraftstoff-Mischungsverhältnisses ohne Verwendung eines speziellen Kraftstoffartensensors wird in der noch nicht veröffentlichten Schrift R.312407 der Anmelderin beschrieben. Die Schrift beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses (z) von Bestandteilen eines Kraftstoffgemischs, welches mit einer Kraftstoffpumpe gefördert wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Maß (p_KP) für die Leistungsaufnahme der Kraftstoffpumpe erfasst wird und dass anhand des erfassten Maßes (p_KP) das Verhältnis (z) von Bestandteilen des Kraftstoffgemischs bestimmt wird.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Kraftstoff-Mischungsverhältnisses ohne Verwendung eines speziellen Kraftstoffartensensors wird in der noch nicht veröffentlichten Schrift R.318835 der Anmelderin beschrieben. Die Schrift beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten Kraftstoff und einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei der erste und der zweite Kraftstoff verschiedene Oktanzahlen aufweisen und wobei die Brennkraftmaschine zumindest einen Klopfsensor und eine Klopfregelung aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs mittels eines Ausgangssignals des Klopfsensors bestimmt wird.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoffgemische verschiedener Zusammensetzung eine unterschiedliche Klopffestigkeit aufweisen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Zündwinkel bestimmt wird, bei dem gerade kein Motorklopfen auftritt. Das Verfahren wird in der noch nicht veröffentlichten Schrift R.320246 der Anmelderin beschrieben.
Die genannten Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs auf Basis verschiedener, der Brennkraftmaschine beziehungsweise deren Steuereinheit bereits vorliegender Kenngrößen und Signale zeigen den Nachteil, dass die erreichbare Aussageunschärfe bei der Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung zum Teil deutlich größer ist als die zur Steuerung der Brennkraftmaschine benötigte Genauigkeit.
In der noch nicht veröffentlichten Schrift R.322094 der Anmelderin wird ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben, welche mit einem Kraftstoffgemisch aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff betrieben wird, wobei die Brennkraftmaschine eine Kraftstoff-Dosiereinrichtung, einen Tankfüllstandsmesser zur Bestimmung des Tankinhaltes und einer Änderung des Tankinhalts, einen Sensor zur Erfassung der Zylinderfüllung zur Bestimmung einer der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse und zumindest eine Abgassonde zur Bestimmung und Regelung des Sauerstoffgehaltes im Abgas aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein erster Wert für die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus der zugeführten Luftmasse und der gemessenen Änderung des Tankinhaltes unter Berücksichtung des Sauerstoffgehalts im Abgas bestimmt wird, dass in einem zweiten Verfahrensschritt ein zweiter Wert für die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus der im Leerlauf der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse und der mittels der Kraftstoff-Dosiereinrichtung zugeführten Kraftstoffmenge ermittelt wird, dass der erste und der zweite Wert auf Übereinstimmung innerhalb einer vorgegebenen Grenze verglichen werden und dass bei voneinander abweichenden Werten auf einen Fehler in der Kraftstoff-Dosiereinrichtung, in der Bestimmung der zugeführten Luftmasse oder des Tankfüllstandsmessers geschlossen wird. Das Verfahren dient demnach der Überwachung der Kraftstoff-Dosiereinrichtung, der Überwachung der zugeführten Luftmasse oder der Überwachung des Tankfüllstandsmessers; die Genauigkeit bei der Bestimmung der beiden Werte für die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs ist auf die Genauigkeit der einzelnen zu Grunde liegenden Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung begrenzt und damit großen Aussageunschärfen unterworfen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine zuverlässige und kostengünstige Erkennung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus zumindest zwei Kraftstoffen mit einer ausreichend geringen Aussageunschärfe ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass aus dem Verbrauch von Kraftstoffgemisch im Leerlauf der Brennkraftmaschine ein erster Zusammensetzungswert des Kraftstoffgemischs bestimmt wird, dass aus einem Ausgangssignal eines Klopfsensors oder aus einer Klopfregelung der Brennkraftmaschine ein zweiter Zusammensetzungswert bestimmt wird und dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus einer Kombination des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts ermittelt wird.
Die Zusammensetzungswerte beschreiben dabei die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs, wie sie aus den jeweiligen einzelnen Kenngrößen bestimmt wird.
Kraftstoffe unterscheiden sich in ihrer Energiedichte. Entsprechend hängt die Energiedichte eines Kraftstoffgemischs von dem Mischungsverhältnis und den jeweiligen Energiedichten der eingesetzten Kraftstoffe ab. Der Leistungsbedarf einer Brennkraftmaschine im Leerlauf ist in Abhängigkeit von Kühlmitteltemperatur, Wirkungsgrad, Zündwinkel und Nebenverbrauchern wie Klimakompressor, Generator, Kühlmittelpumpe, Ölpumpe und Drehzahl bekannt beziehungsweise bestimmbar. Bei einem Kraftstoff mit geringer Energiedichte muss im Leerlauf im Vergleich zu einem Kraftstoff mit hoher Energiedichte der Brennkraftmaschine mehr Kraftstoff zugeführt werden. Die der Brennkraftmaschine im Leerlauf zugeführte Kraftstoffmenge steht demnach in direktem Zusammenhang mit dem Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs und kann als Kenngröße zur Bestimmung des ersten Zusammensetzungswertes verwendet werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass der der Brennkraftmaschine im Leerlauf zugeführte Kraftstoffvolumenstrom über die Einspritzdauer dem Steuergerät als Kenngröße vorliegt.
Moderne Brennkraftmaschinen verfügen häufig über Klopfsensoren, deren Ausgangssignal für eine Klopfregelung verwendet wird. Unterscheiden sich Kraftstoffe in ihrer Oktanzahl beziehungsweise in ihrer Klopffestigkeit, so wird die Oktanzahl und die Klopffestigkeit eines daraus gewonnenen Kraftstoffgemischs durch das Mischungsverhältnis der beteiligten Kraftstoffe bestimmt. Aus dem Ausgangssignal des Klopfsensors oder einem Regelvorgang der Klopfregelung, zum Beispiel der Zündwinkelausgabe, kann so auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs geschlossen und der zweite Zusammensetzungswert gebildet werden.
Zur Steuerung der Brennkraftmaschine muss die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs mit einer ausreichenden Genauigkeit bekannt sein. Diese Genauigkeit kann für sich betrachtet weder durch die Bestimmung der ersten Zusammensetzung aus dem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine im Leerlauf noch durch Bestimmung der zweiten Zusammensetzung aus dem Ausgangssignal des Klopfsensors oder der Klopfregelung sicher erreicht werden. Erst durch die erfindungsgemäße Kombination der aus dem Kraftstoffverbrauch und der aus dem Ausgangssignal des Klopfsensors oder der Klopfregelung abgeleiteten Zusammensetzungswerte kann die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs mit einer für die Steuerung der Brennkraftmaschine ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Zusammensetzungswerte aus voneinander unabhängigen Kenngrößen ermittelt werden und entsprechend stochastisch um die tatsächliche Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs verteilt sind.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass zur Durchführung des Verfahrens keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise zusätzliche Kraftstoffarten-Sensoren, vorgesehen werden müssen, was eine kostengünstige Umsetzung des Verfahrens als reine Softwarelösung ermöglicht.
Liegt zur Steuerung der Brennkraftmaschine ein Klopfsensor beziehungsweise eine Klopfregelung bereits vor, so müssen zur Durchführung des Verfahrens keine zusätzlichen Bauteile, wie beispielsweise zusätzliche Kraftstoffarten-Sensoren, vorgesehen werden, was eine kostengünstige Umsetzung des Verfahrens als reine Softwarelösung ermöglicht.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen vom Gesetzgeber geforderten Diagnosefunktionen, wie beispielsweise die Gemischadaption, nicht deaktiviert werden, wodurch sich die Akzeptanz für das Verfahren gegenüber bestehenden Software-Lösungen deutlich erhöht.
Ein weiterer Vorteil gegenüber bestehenden Lösungen ist, dass die Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung nicht an das Erkennen eines Tankvorgangs gebunden ist. Werden bei bestehenden softwarebasierten Verfahren zur Bestimmung von Kraftstoffzusammensetzungen, welche das Erkennen eines Tankvorgangs voraussetzen, häufig von dem Tankfüllstandsensierungssystem nicht mehr zu erkennende Kleinstmengen getankt, so kann dies – insbesondere bei niedrigem Füllstand des Tanks – zu einer merklichen Änderung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs führen, ohne dass dies von dem Verfahren erkannt wird. Dieser Nachteil wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden.
Eine durch eine einfache Rechenoperation durchführbare Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus den beiden Zusammensetzungswerten kann dadurch erreicht werden, dass die Kombination des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts durch Mittelwertbildung des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts erfolgt.
Eine genauere Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs kann dadurch erhalten werden, dass zumindest ein erster Wichtungsfaktor für den ersten Zusammensetzungswert in Abhängigkeit von der Aussagegenauigkeit des ersten Zusammensetzungswerts vorgegeben wird, dass zumindest ein zweiter Wichtungsfaktor für den zweiten Zusammensetzungswert in Abhängigkeit von der Aussagegenauigkeit des zweiten Zusammensetzungswerts vorgegeben wird und dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus einer mit den zugehörigen Wichtungsfaktoren gewichteten Kombination des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts ermittelt wird. Die Wichtungsfaktoren geben an, wie groß die Genauigkeit bei der Bestimmung des jeweiligen Zusammensetzungswerts ist. Der genauere Zusammensetzungswert wird bei der Kombination der Zusammensetzungswerte zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs entsprechend dem Wichtungsfaktor stärker gewichtet als der ungenauere Zusammensetzungswert.
Die Wichtungsfaktoren können aus dem Kehrwert der prozentualen Aussagegenauigkeit des Zusammensetzungswerts bestimmt werden und mit der Methode der Gaußschen Fehlerfortpflanzung kann die wahrscheinlichste Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs und die mittlere Abweichung vom wahren Wert berechnet werden. Ist die Aussaggenauigkeit für einen Zusammensetzungswert beispielhaft 20%, ist der Wichtungsfaktor 1/0,2 = 5 anzuwenden. Im Fall zweier Zusammensetzungswerte Z1 und Z2 und zweier Wichtungsfaktoren W1 und W2 ist die wahrscheinlichste Zusammensetzung wZ wZ = (W1²·Z1 + W2²·Z2)/(W1² + W2²)
Die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs kann demnach aus der Summe der mit den Quadraten der zugehörigen Wichtungsfaktoren multiplizierten Zusammensetzungswerte dividiert durch die Summe der Quadrate der Wichtungsfaktoren bestimmt werden. Nach dieser Berechnung nach der Methode der Gaußschen Fehlerfortpflanzung wird der wahrscheinlichste Wert für die Zusammensetzung wZ bestimmt.
Die Genauigkeit m für die wahrscheinlichste Zusammensetzung wZ für einen maximalen Äthanolgehalt von 85% berechnet sich zu
Die so erreichte Genauigkeit m bei der Ermittlung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs ist deutlich besser, als dies durch die einzelnen Zusammensetzungswerte zu erreichen ist.
Die Genauigkeit der Bestimmung der Zusammensetzungswerte aus dem Kraftstoffverbrauch im Leerlauf der Brennkraftmaschine und dem Pumpstromverhalten der Breitband-Lambdasonde ist jeweils abhängig von dem Betriebsbereich, in dem die Brennkraftmaschine gerade betrieben wird. Daher kann es vorgesehen sein, dass die Wichtungsfaktoren der einzelnen Zusammensetzungswerte in Abhängigkeit von dem vorliegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine vorgegeben werden, um so über alle Betriebsbereiche eine hohe Genauigkeit in der Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs zu erhalten.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Bestimmung eines ersten Zusammensetzungswerts aus dem Verbrauch von Kraftstoffgemisch im Leerlauf der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass ein Programmablauf zur Bestimmung eines zweiten Zusammensetzungswerts aus einem Ausgangssignal eines Klopfsensors oder aus einer Klopfregelung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und dass ein Programmablauf zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus einer Kombination des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts vorgesehen ist.
Bei vorhandenem Klopfsensor und vorhandener Kopfregelung der Brennkraftmaschine lässt sich die Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs somit durch eine reine Softwarelösung ohne zusätzliche Bauteile bestimmen, ohne dass vom Gesetzgeber vorgegebene Diagnosefunktionen vorübergehend deaktiviert werden müssen. Dabei korrelieren der Leerlauf-Verbrauch der Brennkraftmaschine sowie das Ausgangssignal des Klopfsensors und damit die Klopfregelung direkt mit der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs, so dass daraus durch entsprechende Programmabläufe die einzelnen Zusammensetzungswerte bestimmt werden können. Durch die Kombination der Zusammensetzungswerte kann die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs deutlich genauer bestimmt werden, als dies durch die einzelnen Zusammensetzungswerte möglich ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Programmablauf zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs eine Programmroutine zur Bestimmung des Mittelwerts des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts enthält. Der Mittelwert der Zusammensetzungswerte kann einfach und ohne großen Speicher- und Rechenbedarf ermittelt werden und führt im Ergebnis zu einer Genauigkeit bei der Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs, die deutlich besser ist als die Genauigkeit in der Bestimmung der einzelnen zu Grunde liegenden Zusammensetzungswerte.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass Wichtungsfaktoren in Abhängigkeit von der Aussagegenauigkeit der Zusammensetzungswerte in den jeweiligen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine vorgegeben sind, dass in der Steuereinheit ein Speicherbereich zur Speicherung der Wichtungsfaktoren des ersten Zusammensetzungswerts und des zweiten Zusammensetzungswerts in Abhängigkeit von den Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und dass der Programmablauf zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs eine Programmroutine zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus den mit den jeweiligen Wichtungsfaktoren gewichteten Zusammensetzungswerten enthält. Die Wichtungsfaktoren ermöglichen es, bei der Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs die unterschiedlichen Aussagegenauigkeiten der beiden Zusammensetzungswerte zu berücksichtigen. Da die Aussagegenauigkeiten der beiden Zusammensetzungswerte von dem jeweiligen Betriebsbereich abhängen, in dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, können die Wichtungsfaktoren in Abhängigkeit von dem Betriebsbereich gespeichert und entsprechend bei der Kombination der Zusammensetzungswerte berücksichtigt werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich bevorzugt zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Alkohol, vorzugsweise eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Äthanol, anwenden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1 ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine,
2 ein Diagramm zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Bestimmung einer in 2 gezeigten Zusammensetzung 30 eines Kraftstoffgemischs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine am Beispiel eines Benzin-Äthanol-Kraftstoffgemischs. In einem ersten Zweig des Ablaufdiagramms sind ein Block ZW1 10 und ein Block WF 12 und in einem zweiten Zweig ein Block ZW2 11 und ein Block WF2 13 vorgesehen.
Dem Block ZW1 10 ist als Eingangsgröße ein Kraftstoffverbrauch Leerlauf 20, dem Block ZW2 11 ist als Eingangsgröße Signal 21 einer Klopfregelung zugeführt. Den Blöcken WF1 12 und WF2 13 ist der Betriebsbereich 22, in dem die Brennkraftmaschine gerade betrieben wird, zugeführt.
Den Blöcken WF1 und WF2 ist ein Block Z 14 nachgeschaltet. Bei einem Kraftstoffgemisch aus Äthanol und Benzin ändert sich in Folge des geringeren Heizwertes von Äthanol gegenüber Benzin der Kraftstoffvolumenstrom im Leerlauf der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Mischungsverhältnis der eingesetzten Kraftstoffe. Über eine Auswertung des Kraftstoffverbrauchs im Leerlauf durch Auswertung der Einspritzzeit kann mit Hilfe der bekannten Energiedichten von Äthanol und Benzin der Äthanolgehalt des Kraftstoffgemischs bestimmt werden, in dem der momentane Energieverbrauch bestimmt wird. Da der Leistungsbedarf im Leerlauf in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, dem Wirkungsgrad beziehungsweise des Zündwinkels und von Nebenverbrauchern wie Klimakompressor, Generator, Kühlmittelpumpe, Ölpumpe und Drehzahl bekannt oder bestimmbar ist, lässt sich durch Vergleich von einem angenommenen Leerlauf-Leistungsbedarf und einem aus dem Kraftstoffverbrauch ermittelten Leerlauf-Leistungsbedarf der Äthanolgehalt in dem Kraftstoffgemisch und somit die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs bestimmen. In dem Block ZW1 10 kann daher aus dem Kraftstoffverbrauch Leerlauf 20 ein in 2 gezeigter erster Zusammensetzungswert 32 für das Kraftstoffgemisch bestimmt werden.
Durch die höhere Oktanzahl von Äthanol gegenüber Benzin kann durch Auswertung des Verhaltens der Klopfregelung auf verschiedene Zündwinkelausgaben ein Indiz für den Äthanolgehalt in dem Kraftstoffgemisch erhalten werden. In dem Block ZW2 11 kann daher aus dem Signal 21 der Klopfregelung ein in 2 gezeigter zweiter Zusammensetzungswert 33 für das Kraftstoffgemisch bestimmt werden.
Der aus dem Kraftstoffverbrauch Leerlauf 20 abgeleitete erste Zusammensetzungswert 32 und der aus dem Signal 21 der Klopfregelung abgeleitete zweite Zusammensetzungswert 33 sind mit einer Aussageunschärfe behaftet, die größer ist als die für die Steuerung der Brennkraftmaschine benötigte maximale Gesamtabweichung 34 bei der Bestimmung der Zusammensetzung 30 des Kraftstoffgemischs. Dabei ist die jeweils erzielbare Genauigkeit von dem Betriebsbereich 22, in dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, abhängig. In dem Block WF1 12 wird daher dem ersten Zusammensetzungswert 32 ein in 2 gezeigter erster Wichtungsfaktor 36a und in dem Block WF2 13 wird dem zweiten Zusammensetzungswert 33 ein ebenfalls in 2 gezeigter zweiter Wichtungsfaktor 36b in Abhängigkeit von dem Betriebsbereich 22 der Brennkraftmaschine zugeordnet.
In dem Block Z 14 erfolgt dann die Bestimmung der Zusammensetzung 30 des Kraftstoffgemischs durch eine mit den jeweiligen Wichtungsfaktoren 36a, 36b gewichtete Kombination des ersten Zusammensetzungswerts 32 und des zweiten Zusammensetzungswerts 33. Je geringer dabei die Aussageungenauigkeit eines Zusammensetzungswerts 32, 33 ist, desto größer ist der zugehörige Wichtungsfaktor 36a, 36b festgelegt und entsprechend stärker wird der genauere Zusammensetzungswert 32, 33 bei der Kombination zur Bestimmung der Zusammensetzung 30 des Kraftstoffgemischs berücksichtigt.
2 zeigt ein Diagramm zur Bestimmung einer Zusammensetzung 30 eines Kraftstoffgemischs zum Betrieb einer Brennkraftmaschine am Beispiel eines Benzin-Äthanol-Kraftstoffgemischs.
Entlang einer ersten Achse 31 ist der prozentuale Anteil von Äthanol in einem Benzin-Äthanol-Kraftstoffgemisch aufgetragen. Um eine angestrebte Gesamtabweichung 34 bei der Bestimmung der Zusammensetzung 30 zu erreichen, werden aus dem Kraftstoffverbrauch Leerlauf 20 ein erster Zusammensetzungswert 32 und aus dem Signal 21 der Klopfregelung ein zweite Zusammensetzungswert 33 bestimmt. Die Zusammensetzungswerte 32, 33, sind als Erwartungswert mit Standardabweichung gezeigt und entlang einer zweiten Achse 17 nebeneinander angeordnet. Die Standardabweichung der Zusammensetzungswerte 32, 33 sind dabei größer als die angestrebte maximale Gesamtabweichung 34 zur Bestimmung der Zusammensetzung 30 des Kraftstoffgemischs.
Erfindungsgemäß wird die Zusammensetzung 30 des Kraftstoffgemischs durch eine Kombination der Zusammensetzungswerte 32, 33 bestimmt. Dabei erfolgt die Kombination durch Bildung eines gewichteten Mittelwerts über die Zusammensetzungswerte 32, 33. Den Zusammensetzungswerten 32, 33 sind Wichtungsfaktoren 36 zugeordnet, die ein Maß für die Aussagegenauigkeit des jeweiligen Zusammensetzungswerts 32, 33 sind. Beispielhaft drückt der erste Wichtungsfaktor 36a mit dem Wert 5 eine Aussagegenauigkeit von 1/5 = 20% aus; der Wichtungsfaktor 36b mit dem Wert 3 bedeutet eine Aussagegenauigkeit von 1/3 = 33,3%.
Da die Zusammensetzungswerte 32, 33 unabhängig voneinander ermittelt wurden und somit von einer stochastischen Verteilung der Zusammensetzungswerte 32, 33 um die Zusammensetzung 30 ausgegangen werden kann, kann durch geeignete Kombination der Zusammensetzungswerte 32, 33 die geforderte und durch die Gesamtabweichung 34 dargestellte Genauigkeit bei der Bestimmung der Zusammensetzung 30 des Kraftstoffgemischs erreicht werden, auch wenn die Aussageunschärfen der zu Grunde liegenden Zusammensetzungswerte 32, 33 deutlich größer sind.
Die Verbesserung der Aussagegenauigkeit durch Verwendung der gewichteten Mittelung wird im Folgenden an einem Rechenbeispiel erläutert:
Der erste Zusammensetzungswert 32 betrage 40%, der zweite Zusammensetzungswert 33 betrage 20% Äthanolanteil in einem Benzin-Äthanol-Kraftstoffgemisch. Die Wichtungsfaktoren 36, die die Messabweichung bei der Bestimmung der jeweiligen Kenngröße wiedergeben, betragen 5 für den ersten Wichtungsfaktor 36a beziehungsweise 3 für den zweiten Wichtungsfaktor 36b. Nach der an sich bekannten Methode der Gaußschen Fehlerbetrachtung beträgt die auf Basis der obigen zwei Wertepaare bestimmte Zusammensetzung 30:
Zusammensetzung 30 = (40%·5² + 20%·3²)/(5² + 3²) = 34,7%
Ebenfalls nach der Methode der Gaußschen Fehlerbetrachtung läßt sich die Genauigkeit bei der Bestimmung der Zusammensetzung 10 bei den zwei Wichtungsfakoren 18 mit den Werten 5 und 3 und einem maximalen Äthanolgehalt von 85% bestimmen:
Die Kombination der zwei Zusammensetzungswerte 12, 13 mit Wichtungsfaktoren 18 mit den Werten 5 und 3, die Genaugkeiten von 85%/5 = 17% beziehungsweise 85%/3 = 28,3% entsprechen, ergibt somit eine Aussage mit einer verbesserten Genauigkeit von 14,6%.
Erfindungsgemäß können die Wichtungsfaktoren 36 von dem Betriebsbereich 22 der Brennkraftmaschine abhängig festgelegt werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Verfahrens und dessen Genauigkeit, da in manchen Betriebszuständen Kenngrößen, aus denen die Zusammensetzungswerte 32, 33 bestimmt werden, besonders genau bestimmt werden können und daher die daraus gewonnenen Zusammensetzungswerte 32, 33 höher gewichtet werden können als in anderen Betriebsbereichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3036107 C3 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten Kraftstoff und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Kraftstoffe in ihrem Heizwert unterscheiden und wobei sich die Kraftstoffe in ihrer Klopffestigkeit unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verbrauch von Kraftstoffgemisch im Leerlauf der Brennkraftmaschine ein erster Zusammensetzungswert (32) des Kraftstoffgemischs bestimmt wird, dass aus einem Ausgangssignal eines Klopfsensors oder aus einer Klopfregelung der Brennkraftmaschine ein zweiter Zusammensetzungswert (33) bestimmt wird und dass die Zusammensetzung (30) des Kraftstoffgemischs aus einer Kombination des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) durch Mittelwertbildung des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Wichtungsfaktor (36a) für den ersten Zusammensetzungswert (32) in Abhängigkeit von der Aussagegenauigkeit des ersten Zusammensetzungswerts (32) vorgegeben wird, dass zumindest ein zweiter Wichtungsfaktor (36b) für den zweiten Zusammensetzungswert (33) in Abhängigkeit von der Aussagegenauigkeit des zweiten Zusammensetzungswerts (33) vorgegeben wird und dass die Zusammensetzung (30) des Kraftstoffgemischs aus einer mit den zugehörigen Wichtungsfaktoren (36) gewichteten Kombination des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wichtungsfaktoren (36) der einzelnen Zusammensetzungswerte (32, 33) in Abhängigkeit von dem vorliegenden Betriebsbereich (22) der Brennkraftmaschine vorgegeben werden.
Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten Kraftstoff und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei sich die Kraftstoffe in ihrem Heizwert unterscheiden, wobei sich die Kraftstoffe in ihrer Klopffestigkeit unterscheiden und wobei der Brennkraftmaschine eine Steuereinheit zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit ein Programmablauf zur Bestimmung eines ersten Zusammensetzungswerts (32) aus dem Verbrauch von Kraftstoffgemisch im Leerlauf der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass ein Programmablauf zur Bestimmung eines zweiten Zusammensetzungswerts (33) aus einem Ausgangssignal eines Klopfsensors oder aus einer Klopfregelung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und dass ein Programmablauf zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) des Kraftstoffgemischs aus einer Kombination des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmablauf zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) des Kraftstoffgemischs eine Programmroutine zur Bestimmung des Mittelwerts des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wichtungsfaktoren (36) in Abhängigkeit von der Aussagegenauigkeit der Zusammensetzungswerte (32, 33) in den jeweiligen Betriebsbereichen (22) der Brennkraftmaschine vorgegeben sind, dass in der Steuereinheit ein Speicherbereich zur Speicherung der Wichtungsfaktoren (36) des ersten Zusammensetzungswerts (32) und des zweiten Zusammensetzungswerts (33) in Abhängigkeit von den Betriebsbereichen (22) der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und dass der Programmablauf zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) des Kraftstoffgemischs eine Programmroutine zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) des Kraftstoffgemischs aus den mit den jeweiligen Wichtungsfaktoren (36) gewichteten Zusammensetzungswerten (32, 33) enthält.
Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung der Zusammensetzung (30) eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Alkohol, vorzugsweise eines Kraftstoffgemischs aus Benzin und Äthanol.