DE102014209957A1 - Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs. Bei einem Ausfall der Lambdasonde (4) wird durch die Ermittlung einer aktuellen Abgastemperatur (Tist) auf die Qualität des Erdgases geschlossen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung wird nachfolgend in der Regel nur von einer Brennkraftmaschine gesprochen. Außerdem ist Teil der Erfindung eine Steuer- und Regeleinrichtung einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine, und eine mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
  • Stand der Technik
  • Bei Kraftfahrzeugen, die mit komprimiertem Gas, bspw. Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas), als Kraftstoff betrieben werden (so genannte Gasfahrzeuge), wird der Brennkraftmaschine über eine Einspritzvorrichtung Gas-Luft-Gemisch zur Verbrennung zugeführt wird. Da Gas bei Normaldruck im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen, wie Benzin oder Dieselkraftstoff, eine geringere Energiedichte aufweist, wird das Erdgas während des Betankens mit einem Druck von 200 bar bis 260 bar in den Gastank des Kraftfahrzeugs gefördert und gespeichert.
  • Die Qualität des Erdgases variiert je nach Förderstätte erheblich zwischen unterschiedlichen Anbietern. Deshalb wurde für Gasfahrzeuge eine Gasqualitäts-Anpassungsfunktion entwickelt. Sobald die Brennkraftmaschine in Betrieb genommen wird, wird über eine Lambdaregelung die Erdgasqualität ermittelt und die Steuerung der Brennkraftmaschine an die Erdgasqualität angepasst, wobei die Kraftstoffzufuhr bzw. das Gas-Luft-Gemisch entsprechend des geforderten Lambdawerts durch eine Lambdaregelung eingestellt wird. Dieses Verfahren erfordert eine Lambda-Sonde, die stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist. Die so ermittelten Parameter zur Gasqualitätsanpassung werden gespeichert und in einer Motorsteuereinrichtung zur Berechnung der Kraftstoffzufuhr bzw. des Gas-Luft-Gemischs verwendet. Mit jedem Tankvorgang muss dieser Vorgang wiederholt werden.
  • Bei einem Defekt dieser Lambdasonde, kann die Lambdaregelung nicht mehr durchgeführt werden, da das Signal der Lambdasonde fehlt. In Folge dessen kann auch die Gasqualitätsanpassung nicht mehr durchgeführt werden. Dies ist insbesondere für Magermotoren, die z.B. bei Lambda = 1,5 betrieben werden, besonders kritisch. Ist z.B. bei einem frisch betankten Fahrzeug die aktuelle Erdgasqualität schlechter (geringere Energiedichte) als die der vorherigen Tankfüllung, kann dies dazu führen, dass die Brennkraftmaschine ohne Gasqualitätsanpassung nicht reibungslos oder überhaupt nicht läuft. Ist z.B. bei einem frisch betankten Fahrzeug die aktuelle Erdgasqualität besser (höhere Energiedichte) als die der vorherigen Tankfüllung, kann die Brennkraftmaschine ohne Gasqualitätsanpassung heiß laufen und Schaden nehmen.
  • Um dies zu verhindern, sichert eine der Motorsteuerung vorgegebene "Magergrenze" im Abgas (mageres Gemisch) die Stabilität der Verbrennung in der Brennkraftmaschine. In entsprechender Weise sichert eine der Motorsteuerung vorgegebene "Fettgrenze" im Abgas (fettes Gemisch) die Brennkraftmaschine vor Überhitzung.
  • Das bedeutet, dass bei mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschinen über die Lambdasonde nicht nur Emissionen des Abgases ermittelt werden, sondern das Signal der Lambda-Sonde zusätzlich zur Überwachung der Erdgasqualität genutzt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Um die Qualität des Erdgases auch bei einem Ausfall der Lambdasonde bestimmen zu können, wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass bei einem Ausfall der Lambdasonde durch die Ermittlung einer aktuellen Abgastemperatur die Qualität des Erdgases bestimmt.
  • Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, trotz des Ausfalls der Lambdasonde durch ein erfindungsgemäßes Notlauf-Verfahren auf der Basis der Abgastemperatur quasi einen Lambdawert mit der dazugehörenden Lambdaregelung zu modellieren, wobei in dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Ermittlung der Abgastemperatur zumindest annähernd die gleichen Ergebnisse erzielt werden, wie mit einem ermittelten Sensorwert einer funktionsfähigen Lambdasonde. Anschließend können nach dem herkömmlichen Verfahren (mit funktionierender Lambdasonde) die Parameter zur Gasqualitätsanpassung zum ordnungsgemäßen Betrieb der mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise nach jedem Starten der mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine aktiviert.
  • Dazu muss in der Abgasnachbehandlungseinrichtung ein Temperatursensor vorgesehen sein, dessen Sensorsignale natürlich auch anderweitig, z.B. bei der Bearbeitung der Emissionen in der Abgasnachbehandlungseinrichtung, verwendet werden können. Solche Temperatursensoren sind bei modernen Brennkraftmaschinen ohnehin vorhanden, so dass keine zusätzlichen Kosten entstehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich eine physikalische Abhängigkeit zwischen einem Lambdawert im Abgas und einer dabei erreichbaren Abgastemperatur zunutze. Die erreichbare Abgastemperatur hängt neben der Qualität des Erdgases zusätzlich noch von dem Druck des Erdgases ab. Dieser Zusammenhang kann z.B. über Kennlinien dargestellt und im erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet werden. Das bedeutet, dass bei einem bekannten Erdgasdruck und einer durch den Temperatursensor ermittelten Ist-Abgastemperatur der entsprechende Lambdawert über die Kennlinien modelliert werden kann. Umgekehrt kann zu einem geforderten Lambdawert und einem bekannten Erdgasdruck eine entsprechende erreichbare Abgastemperatur ermittelt werden.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird über den zum ordnungsgemäßen Betrieb des mit Erdgas betriebenen Verbrennungsmotors s vorgegebenen Lambdawert über die Kennlinien eine Soll-Abgastemperatur ermittelt. Auf diese Soll-Abgastemperatur wird eine über den Temperatursensor gemessene Ist-Abgastemperatur ausgeregelt. Dazu wird die Einspritzmenge bzw. das Gas-Luft-Gemisch für die Brennkraftmaschine durch einen geschlossenen Regelkreis, vorzugsweise mit einem PI-Regler, so verändert, dass die Soll-Abgastemperatur erreicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren entspricht also prinzipiell der bekannten Lambdaregelung, jedoch mit dem Unterschied, dass anstatt des Lambdawerts die Abgastemperatur ausgeregelt wird. Aus der so eingestellten Einspritzmenge bzw. aus dem so eingestellten Gas-Luft-Gemisch können dann die Parameter zur Gasqualitätsanpassung zum ordnungsgemäßen Betreiben der mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine ausreichend genau ermittelt werden.
  • Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Mit Erdgas betriebenen Verbrennungsmotors s eines Kraftfahrzeugs;
  • 2 ein Diagramm mit Kennlinien, die eine Beziehung zwischen einem Lambdawert und einer erreichbaren Abgastemperatur darstellen; und
  • 3 einen Regelkreis zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Mit Erdgas betriebenen Verbrennungsmotors s.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt eine schematische und stark vereinfachte Darstellung einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 1 wird vorzugsweise mit Erdgas (CNG – Compressed Natural Gas) betrieben, das in einem in 1 nicht dargestellten Gastank unter hohem Druck (ca. 200 bis 260 bar) gespeichert ist. Auf einer Ansaugseite der Brennkraftmaschine 1 ist ein Saugrohr 7 mit einer für die Einspritzung von Erdgas ausgebildeten Einspritzeinrichtung 6 angeordnet.
  • Am Ausgang der Brennkraftmaschine 1 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 mit einer vor einem Katalysator 3 angeordneten Lambdasonde 4 angeordnet. Hinter dem Katalysator 3 ist eine weitere Lambdasonde 5 vorgesehen. Die Signale der Lambdasonden 4 und 5 werden einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung 2, z.B. einem Motorsteuergerät, zugeführt, die die Signale auswertet und die Einspritzeinrichtung 6 entsprechend ansteuert, um ein gewünschtes Gas-Luft-Gemisch für die mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschine 1 zu erzeugen. Die Steuer- und Regeleinrichtung 2 umfasst unter anderem vorzugsweise einen PI-Regler 10 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Außerdem ist in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 vor dem Katalysator 3 ein Temperatursensor 9 angeordnet. Der Temperatursensor 9 könnte auch hinter dem Katalysator 3 angeordnet sein.
  • Die Qualität des Erdgases variiert erheblich zwischen unterschiedlichen Anbietern, was beim Betreiben der Brennkraftmaschine 1 berücksichtigt werden muss. Deshalb wurde für mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschinen 1 eine Gasqualitäts-Anpassungsfunktion entwickelt. Sobald die Brennkraftmaschine 1 in Betrieb gegangen ist, wird über eine Lambdaregelung die Erdgasqualität ermittelt und der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 an die Erdgasqualität angepasst, wobei die Kraftstoffzufuhr bzw. das Gas-Luft-Gemisch entsprechend des geforderten Lambdawerts eingestellt wird. Hierzu wird vorzugsweise die vor dem Katalysator 3 angeordnete Lambdasonde 4 verwendet.
  • Dies ist deshalb notwendig, da bei einer guten Erdgasqualität (hoher Energiegehalt) die Brennkraftmaschine 1 ohne Gasqualitätsanpassung heiß laufen und Schaden nehmen kann. Bei einer relativ schlechten Erdgasqualität kann dies dazu führen, dass die Brennkraftmaschine 1 ohne Gasqualitätsanpassung nur schlecht oder überhaupt nicht läuft.
  • Bei einem Defekt der Lambdasonde 4, kann die Lambdaregelung und in Folge dessen auch die herkömmliche Gasqualitätsanpassung nicht mehr durchgeführt werden, da das Signal der Lambdasonde 4 fehlt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, die Funktionsfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 auch bei einem Defekt der Lambdasonde 4 zu gewährleisten. Dazu wird auf der Basis der durch den Temperatursensor 9 erfassten Abgastemperatur ein Lambdawert modelliert, wobei in dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Ermittlung der Abgastemperatur zumindest nahezu die gleichen Ergebnisse erzielt werden, wie mit einem ermittelten Sensorwert einer funktionsfähigen Lambdasonde 4. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise nach jedem Starten der Brennkraftmaschine 1 aktiviert.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird eine physikalische Abhängigkeit zwischen einem Lambdawert im Abgas und einer dabei erreichbaren Abgastemperatur ausgenutzt. 2 zeigt dazu entsprechende Kennlinien, insbesondere für den Betrieb von Magermotoren (mit Lambda > 1,0). Es ist ersichtlich, dass zunächst bei ansteigenden Lambdawerten auch die Abgastemperatur T ansteigt, bei einem Lambda von ca. 1,1 die höchste Abgastemperatur T erreicht wird und bei weiter steigenden Lambdawerten die Abgastemperatur T wieder abfällt.
  • Die Temperatur T ist dabei auch von einem Erdgasdruck abhängig (siehe die in 2 dargestellten beispielhaften Kennlinien für Erdgasdrücke von 2, 4, 7 und 10 bar). Diese Kennlinien werden dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Grunde gelegt. Das bedeutet, dass bei einem bekannten Erdgasdruck und einer durch den Temperatursensor 9 ermittelten Abgastemperatur T der entsprechende Lambdawert ermittelt werden kann. Umgekehrt kann zu einem geforderten Lambdawert eine entsprechende Abgastemperatur T ermittelt werden.
  • Erfindungsgemäß wird eine Regelung der Abgastemperatur T in einem geschlossenen Regelkreis 20 durchgeführt. 3 zeigt eine Funktionsblockdarstellung des geschlossenen Regelkreises 20.
  • Der PI-Regler 10, die Einspritzeinrichtung 6 und die Brennkraftmaschine 1 mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 stellen die Steuerstrecke des Regelkreises 20 dar. Der Block 22 stellt die Störgröße des Regelkreises 20 dar, nämlich die unterschiedliche Erdgasqualität, die den Betreib der mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine 1 beeinflusst.
  • Die Ausgangsgröße des Regelkreises 20 ist die Abgastemperatur Tist, so wie sie durch den Temperatursensor 9 erfasst wird. Der Temperatursensor 9 stellt also das Messglied des Regelkreises 20 dar, wobei die Ausgangsgröße Tist über eine Verknüpfung 24 an den PI-Regler 10 zurückgeführt wird.
  • In der Verknüpfung 24 wird der vom Temperatursensor 9 erfasste Istwert Tist von einem Sollwert Tsoll subtrahiert, der von einem Sollwertgeber 26 bereitgestellt wird.
  • In dem Sollwertgeber 26 ist zuvor die Abgas-Solltemperatur Tsoll ermittelt und gespeichert worden. Die Abgas-Solltemperatur Tsoll ist bspw. über die Kennlinien gemäß 2 ermittelt worden. Tsoll ist die Abgastemperatur, die dem ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Lambdawert (z.B. Lambda = 1,2) unter Berücksichtigung des entsprechenden Erdgasdrucks entspricht.
  • In der Verknüpfung 24 wird die resultierende Differenz zwischen Tsoll und Tist als Regelabweichung dem PI-Regler 10 zugeführt, der daraus unter Rückgriff auf einen vorbestimmten Regelalgorithmus eine Stellgröße zur Ansteuerung der Einspritzvorrichtung 6 bestimmt.
  • Ist Tist auf Tsoll ausgeregelt, können die Parameter zur Gasqualitätsanpassung nach dem bekannten Verfahren mit funktionsfähiger Lambdasonde ermittelt werden, womit die Kraftstoffzufuhr bzw. das Gas-Luft-Gemisch gemäß des geforderten Lambdawerts einstellbar sind.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Gastank, in dem komprimiertes Erdgas gespeichert wird, eine Einspritzvorrichtung (6), mit der das komprimierte Erdgas in ein Saugrohr (7) der Brennkraftmaschine (1) eingespritzt wird und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) mit einem Katalysator (3) und einer Lambdasonde (4), mit der eine Qualität des Erdgases ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall der Lambdasonde (4) durch die Ermittlung einer aktuellen Abgastemperatur (Tist) auf die Qualität des Erdgases geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein geforderter Lambdawert im Abgas zum ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine (1) in eine modellierte Abgastemperatur (Tsoll) umgesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (Tist) über einen Regelkreis (20) durch Verändern einer Einspritzmenge, die der Brennkraftmaschine (1) zugeführt wird, auf die modellierte Abgastemperatur (Tsoll) ausgeregelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der durch den Regelkreis (20) veränderten Einspritzmenge, bzw. veränderten Gas-Luft-Gemischs die Parameter zu einer Gasqualitätsanpassung für den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine (1) ermittelt werden.
  5. Steuer- und Regeleinrichtung (2) einer mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (2) zur Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 programmiert ist.
  6. Steuer- und Regeleinrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (2) einen PI-Regler (10) umfasst.
  7. Mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Gastank zum Speichern von komprimiertem Erdgas, eine Einspritzvorrichtung (6) zum Einspritzen des komprimierten Erdgases in ein Saugrohr (7) und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) mit einem Katalysator (3), wobei vor dem Katalysator (3) eine Lambdasonde (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine Steuer- und Regeleinrichtung (2) umfasst, welche zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 programmiert ist.
  8. Mit Erdgas betriebene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (8) einen Temperatursensor (9) umfasst.
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