DE102009044946A1

DE102009044946A1 - Virtueller Flex-Fuel-Sensor für Vergasermotoren mit Verwendung eines Ionisationssignals

Info

Publication number: DE102009044946A1
Application number: DE102009044946A
Authority: DE
Inventors: Chao Fu Ypsilanti Daniels; Guoming George Novi Zhu; William Charles Jr. White Lake Mammen; Mengyang Troy Zhang
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: DE102009044946B4; US20100077834A1; US7921704B2

Abstract

Der Alkoholkonzentrationsgehalt eines flexiblen Kraftstoffs wird auf innermotorischen Ionisationssignalen basierend geschätzt. Die innermotorischen Ionisationssignale werden integriert und der Drehbeendungspunkt eines gewählten Prozentsatzes des Integrationsergebnisses wird als Integrationsposition für die betreffenden Betriebszustände identifiziert. Die berechnete Integrationsposition korreliert mit dem Alkoholkonzentrationsgehalt des flexiblen Kraftstoffs und die Integrationsberechnungen stellen eine Grundlage für einen virtuellen Flex-Fuel-Sensor bereit, der berechnete Schätzungen der Alkoholkonzentration statt einer direkten Erkennung unter Verwendung eines kostspieligen physikalischen Flex-Fuel-Sensors bereitstellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kraftstoff anpassungsfähige Fahrzeuge und insbesondere die dynamische Bestimmung des relativen Gemischs der Kraftstoffarten, die einem Kraftstoff anpassungsfähigen Motor zugeführt werden.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Kraftstoff anpassungsfähiges Fahrzeug (FFV) verfügt über einen einzigen Kraftstofftank, eine Kraftstoffanlage und einen Motor. Das Fahrzeug ist dazu ausgelegt, um mit bleifreiem Benzin und einem Alkoholkraftstoff (normalerweise Ethanol) in beliebiger Mischung zu fahren. Der Motor und die Kraftstoffanlage in einem FFV benötigen eine geringfügige Anpassung, um mit Alkoholkraftstoffen zu fahren, weil diese korrosiv sind. Ein spezieller Sensor (ein so genannter Flex-Fuel-Sensor) in der Kraftstoffleitung des FFV analysiert die Kraftstoffmischung und steuert die Kraftstoffeinspritzung und den Zeitpunkt, um sich verschiedenen Kraftstoffzusammensetzungen anzupassen. Das FFV bietet seinem Besitzer eine umweltfreundliche Möglichkeit, immer wenn ein alternativer (d. h. gemischter) Kraftstoff verfügbar ist.
Das Antriebsstrang-Steuerungsmodul (PCM) eines FFV ist in der Lage, die Motorkraftstoffsteuerung und den Zündzeitpunkt derart einzustellen, dass sie dem Prozentgehalt an Ethanol/Methanol (Alkohol) im Kraftstoff entsprechen. Geläufige Bezeichnungen für diese handelsüblichen Kraftstoffe sind E-22 für Methanolkraftstoff und E-85, was für bis zu 85 Prozent Ethanol steht. Der Flex-Fuel-(FF)Sensor misst den Alkoholprozentsatz und sendet ein Signal an das PCM. Da die Energiedichte von Alkohol viel geringer ist als von Benzin und die Massenfraktion-Verbrennungsrate viel schneller ist als von Benzin, stellt das PCM die Kraftstoff/Luft-Mischung und den Vorzündzeitpunkt ein, um sicherzustellen, dass die Leistungsabgabe derjenigen eines mit normalem Kraftstoff versorgten Motors nahe kommt.
Bei einem herkömmlichen FF-Sensor erhöht sich die Ausgangsfrequenz, wenn sich der Prozentsatz an Ethanol/Methanol in der Kraftstoffmischung erhöht. Z. B. hat eine Kraftstoffmischung aus 30 Prozent Methanol eine FF-Sensorsignal-Ausgangsfrequenz zwischen 60 und 100 Hz, und eine 60-prozentige Methanolmischung hat eine FF-Sensorfrequenz zwischen 90 und 130 Hz. Das PCM verwendet diese Frequenzeingabe, um das richtige Luft-/Kraftstoff-Verhältnis und den Vorzündzeitpunkt für das Fahrzeug zu berechnen. Normales 87-Oktan- oder 88-Oktan-Benzin erbringt eine FF-Sensor-Ausgangsfrequenz von 40 bis 60 HZ.
Ein Nachteil dieser herkömmlichen FF-Sensoren ist, dass sie kostspielig sind und somit die Herstellungskosten eines FFV im Vergleich mit einem ähnlichen benzinbetriebenen Fahrzeug um mehrere Hundert Dollar in die Höhe treiben. Somit ist es wünschenswert, eine kostengünstigere Möglichkeit zu finden, um den Alkoholgehalt der Alkohol-/Benzin-Mischung in dem Kraftstoff, der dem Motor eines FFV zugeführt wird, zu erkennen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das Ionisationssignal eines Vergasermotors, das während des Verbrennungsvorgangs erfasst wird, stellt sowohl Diagnose- als auch Verbrennungsinformationen für ein geschlossenes Regelsystem bereit. Das Gemisch aus Kraftstoffen, die in einer Verbrennungskammer verbrannt werden, wird basierend auf einem Ionisationssignal, das in der Verbrennungskammer erkannt wird, dynamisch erfasst. Die Ionisationssignalerfassung wird unter Verwendung der Zündkerze als Erkennungselement durchgeführt. Ein geschätzter Alkoholprozentsatz im Kraftstoff wird aus dem erfassten Ionisationssignal berechnet und die Schätzung wird im PCM des Motors verwendet, um die Kraftstoffeinspritzmenge und den Zündzeitpunkt einzustellen.
Das Antriebsstrang-Steuerungsmodul (PCM) eines FFV ist in der Lage, die Motorkraftstoffsteuerung und den Zündzeitpunkt derart einzustellen, dass sie für den Prozentgehalt an Ethanol/Methanol (Alkohol) im Kraftstoff geeignet sind. Statt einen herkömmlichen Flex-Fuel-Sensor in der Kraftstoffleitung zu verwenden, um die Kraftstoffmischung zu analysieren, stellen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffgehalt-Rückkopplungssignal für das PCM bereit, das auf einer innermotorischen Ionisation basiert.
Gemäß einer Ausführungsform erzielt ein Algorithmus zur Schätzung der Flex-Fuel-Mischung eine Schätzung, die auf der Form des innermotorischen Ionisationssignals basiert.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden ein innermotorisches Ionisationssignal, um eine geschätzte Flex-Fuel-Mischung (Prozentgehalt an Alkohol) für ein PCM bereitzustellen, um das Kraftstoff-/Luft-Gemisch und den Zündzeitpunkt für verschiedene Kraftstoffzusammensetzungen zu regulieren.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform besser hervorgehen. Die Zeichnungen, welche der ausführlichen Beschreibung beiliegen, werden nachstehend beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Diagramm eines typischen Ionisationssignals in einem Vergaserverbrennungsmodus.
2 ein Diagramm von Ionisationssignalen mit verschiedenen Ethanolgehalten.
3 ein Diagramm der Integration eines Ionisationssignals in einem Vergasermotor über den Kurbelwinkel.
4 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Integrationsposition und dem Ethanolgehalt für ein erstes Beispiel.
5 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Integrationsposition und dem Ethanolgehalt für ein zweites Beispiel.
6 ein Funktionsschema eines virtuellen Systems zur Flex-Fuel-Erkennung durch Ionisation.
7 ein Flussdiagramm eines virtuellen Flex-Fuel-Sensor-Algorithmus gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ein Flussdiagramm eines virtuellen Flex-Fuel-Sensor-Algorithmus gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die auf der Form des Ionisationssignals basierende Schätzung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs sorgt für einen robusten Lösungsansatz, der nicht durch Ionisationssignalvariationen beeinflusst wird, die durch Zündkerzenalterung, Elektrodenabstandsgröße, Zündkerzenwiderstand, Zündspulenvariationen usw. hervorgerufen werden.
Bei einem Verbrennungsmotor mit homogener Fremdzündung (HCSI) (herkömmlicherweise als Ottomotor bezeichnet) beginnt die Verbrennung an einem (oder wahlweise an mehreren) elektrischen Entladungspunkt(en) und verbreitet sich durch eine vorgemischte homogene Ladung aus Luft und Kraftstoff aus. Die Parameter der Verbrennung können durch Erkennen der Ionisation festgestellt werden, die in dem Zylinder während der Verbrennung erfolgt.
Ein Ionisationserfassungssystem verwendet eine Zündkerze als Sensor, um einen innermotorischen Verbrennungsvorgang zu beobachten, wenn eine Vorspannung zwischen dem Mittelpunkt der Zündkerze und den Masseelektroden angelegt wird. Wenn der Motor eine Fremdzündung verwendet, beginnt die Flamme am Elektrodenabstand und entfernt sich nach und nach, und das Ionisationssignal kann ausführlichere Informationen über die innermotorische Verbrennung bereitstellen als ein innermotorisches Drucksignal. Wenn nämlich die Motorlast groß genug ist, kann das Ionisationssignal verwendet werden, um den Zeitpunkt der innermotorischen Druckspitze zu identifizieren.
Mit Bezug auf 1 werden ein Ionisationssignal 110 und das entsprechende innermotorische Drucksignal 120 für einen Zwei-Liter-Vier-Zylinder-Motor gezeigt, der bei 1500 U/min mit einem effektiven Mitteldruck (BMEP) von 2,62 bar läuft. Wie es für ein Ionisationssignal für einen Motor, der im Fremdzündungs-Verbrennungsmodus läuft, typisch ist, hat das abgebildete Ionisationssignal 110 zwei Spitzen 112, 114. Die erste Spitze 112 ist auf die ursprüngliche Flammenkernentwicklung direkt nach dem Zündfunken zurückzuführen. Wenn die Flammenfront die Zündkerze verlässt, reduziert sich die Amplitude des Ionisationssignals. Da der Druck 120 in dem Zylinder schnell ansteigt, wird die verbrannte Mischung um den Elektrodenabstand herum wegen der hohen Temperatur, die sich aus der Verbrennung ergibt, wieder ionisiert, was die zweite Spitze 114 erzeugt.
Für einen feststehenden Betriebszustand (feststehende Umdrehungszahl, Last und Zündzeitpunkt) ändern sich die Ionisationssignale je nach Kraftstoffart. Mit Bezug auf 2 sind die innermotorischen Ionisationssignale 210, 212, 214, 216, 218 mit verschiedenen Ethanol-(Alkohol-)Konzentrationen (0, 20, 40, 60 und 85 Prozent) zusammen eingezeichnet, um ihre Unterschiede zu erläutern. Angesichts der Tatsache, dass die Flammentemperatur ansteigt, wenn sich der Alkoholgehalt des Kraftstoffs erhöht, steigt die Amplitude der zweiten Spitze der Ionisationssignale dem Alkoholgehalt des Kraftstoffes entsprechend an.
Somit ändert sich das Ionisationssignal in Abhängigkeit von der Alkoholkonzentration des Kraftstoffes. Das Ionisationssignal ändert sich jedoch auch in Abhängigkeit von anderen Elementen, einschließlich Motoralterung, Zündkerzenalterung, usw. Um eine robuste Schätzung des Alkoholgehalts des zugeführten Kraftstoffs bereitzustellen, die nicht von Variationen beeinflusst wird, die auf Motoralterung, Zündkerzenalterung und andere Faktoren zurückzuführen sind, wird ein Algorithmus benötigt, der aus den Ionisationssignalen eine Schätzung entnimmt, die sich ständig mit dem Alkoholgehalt und mit nichts anderem ändert.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Feststellung, dass, obwohl sich das Ionisationssignal aufgrund der Motoralterung, der Zündkerzenalterung usw. ändert, diese Variablen die Form des Ionisationssignals nicht ändern. Andererseits ändert sich die Form des Ionisationssignals wohl mit dem Kraftstoffinhalt. Es hat sich herausgestellt, dass ein auf der Form basierendes Kriterium zur Schätzung der Alkoholkonzentration eine mit Bezug auf Motoralterung, Zündkerzenalterung und andere Faktoren robuste Schätzung bereitstellt.
Mit Bezug auf 3 wird ein nützliches Kriterium, nämlich die Integrationsposition/-dauer des Ionisationssignals, gezeigt. Die Integrationsposition wird als der Kurbelwinkel definiert, bei dem ein gewisser Prozentsatz (etwa 90%) des integrierten Ionisationssignals erreicht wird. (Dies kann man auch als eine „Dauer” ansehen, da die Zeit während des Zyklus einem Drehkurbelwinkel entspricht.) Wichtig ist, dass diese Messung von der Amplitude des Ionisationssignals unabhängig ist und nur mit der Form des Ionisationssignals zusammenhängt, wodurch diese Messung gegenüber der Amplitude des Ionisationssignals robust ist. 3 zeigt auch ein Ionisationssignal mit einer normalen Verbrennung, und seine Integrationsdauer liegt bei 45 Kurbelgrad vom Kurbelwinkel, bei dem die (Fremd-)Zündung endet.
Mit Bezug auf 4 wird die Korrelation zwischen der berechneten Ionisations-Integrationsposition und dem Alkoholkonzentrationsgehalt des Kraftstoffs für ein erstes Beispiel gezeigt. Die Daten wurden von einem 5,4-L-V8-Motor erzielt, der bei 2000 U/min mit einer IMEP-Last von 5,0 bar lief, bei einem feststehenden Zündzeitpunkt von 22 Grad vor OT. Die Beziehung zwischen der Integrationsposition und der Alkoholkonzentration des Kraftstoffs ist nahezu linear.
Mit Bezug auf 5 wird die Korrelation zwischen der berechneten Ionisations-Integrationsposition und dem Alkoholkonzentrationsgehalt des Kraftstoffs für ein zweites Beispiel gezeigt. Die in 5 gezeigte Korrelation zeigt eine nahezu lineare Beziehung, ähnlich wie die des ersten Beispiels. Die Daten für das zweite Beispiel wurden von dem Motor entnommen, der in einem anderen Betriebszustand betrieben wurde (1500 U/min mit einer IMEP-Last von 2,62 bar und einem Zündzeitpunkt von 32 Grad vor OT). Diese Beispiele erläutern, dass das Kriterium der Integrationsposition nützlich ist, um die Alkoholkonzentration des Kraftstoffs zu schätzen, und somit auch als virtueller Flex-Fuel-Sensor nützlich ist.
Gemäß den diversen Ausführungsformen wird der Alkoholkonzentrationsgehalt des flexiblen Kraftstoffs unter Verwendung der Integrationsposition der innermotorischen Ionisationssignale geschätzt. Mit Bezug auf 6 wird eine Systemarchitektur einer Ionisation gezeigt, die auf einem virtuellen Flex-Fuel-Sensor basiert. Das Ionisationserfassungselement wird in die Zündspule 610 eines Motors eingebaut, und es werden einzelne Ionisationssignale von einem Antriebsstrang-Steuerungsmodul (PCM) 622 abgetastet und aufbereitet 620. Ein Algorithmus 624 zur virtuellen Flex-Fuel-Erkennung, von dem eine Instanz in dem PCM 622 erstellt wird, berechnet eine Schätzung 626 des Alkoholkonzentrationsgehalts des flexiblen Kraftstoffs basierend auf den Integrationspositionen der Ionisation. Der geschätzte Wert 626 wird der Steuerungsstrategie 628 der Motorkraftstoffversorgung zugeführt (die ebenfalls in dem PCM 622 funktioniert), die für den Motor einen Kraftstoffversorgungsbefehl (Menge und Zeitpunkt) bereitstellt.
In 7 und 8 sind zwei Algorithmen zur virtuellen Flex-Fuel-Erkennung abgebildet. 7 zeigt einen Algorithmus 700, der einen einzigen gleitenden Mittelwert 710 des Flex-Fuel-Index (Integrationsposition) für alle Zylinder berechnet und den gleitenden Mittelwert verwendet, um den in dem Kraftstoff enthaltenen Prozentsatz an Alkohol zu bestimmen 720. 8 zeigt einen Algorithmus 800, der die gleitenden Mittelwerte 810, 812, 814, 816 des Flex-Fuel-Index (Integrationsposition) für einzelne Zylinder berechnet und den Durchschnitt 820 der gleitenden Mittelwerte verwendet, um den in dem Kraftstoff enthaltenen Alkoholprozentsatz zu bestimmen 830.
Die oben stehende Erfindung wurde in Übereinstimmung mit den betreffenden gesetzlichen Normen beschrieben, so dass die Beschreibung beispielhafter statt einschränkender Art ist. Änderungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsform können für den Fachmann ersichtlich werden und zum Umfang der Erfindung gehören. Entsprechend kann der durch diese Erfindung gebotene gesetzliche Schutzumfang nur durch das Durchlesen der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Alkoholprozentsatzes des Kraftstoffs in einem Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Erzielen von Integrationspositionswerten für jedes Zündungsereignis für alle Zylinder des Motors, wobei jeder Integrationspositionswert durch folgende Schritte erzielt wird: Erzielen eines innermotorischen Ionisationssignals, Integrieren des erzielten innermotorischen Ionisationssignals im Verhältnis zum Kurbelwinkel, und Identifizieren eines Kurbelwinkelwertes als Integrationspositionswert, der im Verhältnis zu einem Zündungskurbelwinkel für ein jeweiliges Zündungsereignis gemessen wird, bei dem ein vorherbestimmter Prozentsatz einer Einheitsintegration des erzielten Ionisationssignals erreicht wird; Berechnen eines einzigen gleitenden Mittelwertes der erzielten Integrationspositionswerte; und Bestimmen einer Schätzung des Alkoholprozentsatzes, der in dem Kraftstoff enthalten ist, basierend auf dem gleitenden Mittelwert.
Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffgemischs nach Anspruch 1, wobei der vorherbestimmte Prozentsatz der Einheitsintegration 90 Prozent beträgt.
Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffgemischs in einem Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzielen von ersten Integrationspositionswerten für jedes Zündungsereignis für einen ersten Zylinder des Motors, wobei jeder Integrationspositionswert des ersten Zylinders durch folgende Schritte erzielt wird: Erzielen eines innermotorischen Ionisationssignals von dem ersten Zylinder, Integrieren des erzielten innermotorischen Ionisationssignals des ersten Zylinders im Verhältnis zum Kurbelwinkel, und Identifizieren eines Kurbelwinkelwertes als ersten Integrationspositionswert, der im Verhältnis zu einem Zündungskurbelwinkel für ein jeweiliges Zündungsereignis gemessen wird, bei dem ein vorherbestimmter Prozentsatz einer Einheitsintegration des erzielten Ionisationssignals des ersten Zylinders erreicht wird; Berechnen eines gleitenden Mittelwertes des ersten Zylinders der erzielten Integrationspositionswerte des ersten Zylinders; Erzielen von zweiten Integrationspositionswerten für jedes Zündungsereignis für einen zweiten Zylinder des Motors, wobei jeder Integrationspositionswert des zweiten Zylinders durch folgende Schritte erzielt wird: Erzielen eines innermotorischen Ionisationssignals von dem zweiten Zylinder, Integrieren des erzielten innermotorischen Ionisationssignals des zweiten Zylinders im Verhältnis zum Kurbelwinkel, und Identifizieren eines Kurbelwinkelwertes als Integrationspositionswert des zweiten Zylinders, der im Verhältnis zu einem Zündungskurbelwinkel für ein jeweiliges Zündungsereignis gemessen wird, bei dem ein vorherbestimmter Prozentsatz einer Einheitsintegration des erzielten Ionisationssignals des zweiten Zylinders erreicht wird; Berechnen eines gleitenden Mittelwertes des zweiten Zylinders der erzielten Integrationspositionswerte des zweiten Zylinders; Berechnen des Durchschnitts der ersten und zweiten gleitenden Mittelwerte als durchschnittlichen Index; und Bestimmen einer Schätzung des Alkoholprozentsatzes, der in dem Kraftstoff enthalten ist, basierend auf dem durchschnittlichen Index.
Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffgemischs nach Anspruch 3, wobei der vorherbestimmte Prozentsatz der Einheitsintegration 90 Prozent beträgt.