DE102016220023B4

DE102016220023B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Gasqualitätssensors für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016220023B4
Application number: DE102016220023.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ante; Stephan Heinrich; Markus Herrmann
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2036-10-14
Also published as: DE102016220023A1

Abstract

Verfahren zur Diagnose eines Gasqualitätssensors für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, welches die folgenden Schritte aufweist:
- Ermittlung eines ersten Brennwertes mittels des Gasqualitätssensors,
- Ermittlung einer ersten Methanzahl mittels des Gasqualitätssensors,
- Ermittlung eines zweiten Brennwertes mittels einer Steuereinrichtung,
- Ermittlung einer zweiten Methanzahl mittels der Steuereinrichtung,
- Vergleichen des ersten Brennwertes mit dem zweiten Brennwert,
- Vergleichen der ersten Methanzahl mit der zweiten Methanzahl und
- Verwendung der Vergleichsergebnisse zur Diagnose des Gasqualitätssensors, wobei
- auf einen fehlerfrei arbeitenden Gasqualitätssensor erkannt wird, wenn die Differenz zwischen dem ersten Brennwert und dem zweiten Brennwert einen vorgegebenen ersten Schwellenwert unterschreitet und die Differenz zwischen der ersten Methanzahl und der zweiten Methanzahl einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet,
- auf einen defekten Gasqualitätssensor erkannt wird, wenn die Differenz zwischen dem ersten Brennwert und dem zweiten Brennwert einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet und/oder die Differenz zwischen der ersten Methanzahl und der zweiten Methanzahl einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Gasqualitätssensors für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Gasqualitätssensors für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine.
Mit Gas betriebene Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge stellen aus wirtschaftlichen und umweltpolitischen Gründen eine Alternative zu herkömmlichen, mit Benzin oder Diesel betriebenen Brennkraftmaschinen dar. Von den im Handel erhältlichen Gasarten hat sich hierzu vor allem das Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG) durchgesetzt.
Bei Erdgas handelt es sich um ein Gasgemisch, das neben dem Hauptbestandteil Methan weitere Gaskomponenten wie Ethan, Propan, Butan, höhere Kohlenwasserstoffe und die inerten Komponenten Stickstoff und Kohlendioxid enthält. Je nach Fördergebiet/Fundstätte, Aufbereitung und Transportmethode ergeben sich erhebliche Unterschiede in der Erdgasqualität. Bedingt durch diese Unterschiede ist auch der Luftbedarf zum Verbrennen einer definierten Menge an Erdgas in den Zylindern einer Brennkraftmaschine unterschiedlich, je nachdem welches Erdgas im Kraftstoffbehälter des Fahrzeuges vorliegt.
Zum Betrieb eines Fahrzeugs mit komprimiertem Erdgas (CNG) wird üblicherweise ein modifizierter Ottomotor eingesetzt, der eine Erdgas-Luftmischung verbrennt. Für die korrekte Funktion des 3-Wege-Abgaskatalystors ist es notwendig, dass die Verbrennung stöchiometrisch erfolgt. Deshalb wird die Brennkraftmaschine mittels einer Lambdaregelung mit einem Lambdawert = 1 betrieben.
Bei einem Erdgasfahrzeug mit Benzin- und Erdgastank wird in der Regel mit Benzin gestartet und nach einer kurzen Aufwärmzeit, nach deren Ablauf die Lambdasonde und damit auch die Lambdaregelung arbeiten, auf Gasbetrieb umgeschaltet.
Für ein Fahrzeug, das auch mit Erdgas gestartet werden soll, muss für den Startvorgang die Zusammensetzung des Erdgases bekannt sein, damit die Brennkraftmaschine sicher anspringt und in den ersten Minuten nach dem Start nicht zu viele Schadstoffe ausgestoßen werden. Die ersten Minuten nach dem Start sind auch für einen ruhigen Lauf der Brennkraftmaschine wichtig, da hier noch keine Lambdawerte verfügbar sind und das Gas-Luftgemisch mittels einer relativ ungenauen Vorsteuerung eingestellt wird.
Nach einem Tankvorgang des Fahrzeugs kann sich die Erdgasqualität ändern, wenn das zugetankte Erdgas eine andere Qualität aufweist als die Restfüllung vor dem Tankvorgang. Somit ist die Zusammensetzung des Erdgases nach einem Tankvorgang nicht bekannt und eine korrekte Vorsteuerung ist nicht möglich, solange die Lambdaregelung noch nicht funktioniert.
Die im jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine angesaugte Luftmasse ist aus den Signalen des Luftmassenmessers oder Drucksensors oder Drosselklappensensors bekannt und die eingeblasene Gasmenge wird über die Einspritzzeiten variiert. Die Einspritzzeiten werden bei herkömmlichen Gas-Gemischbildungssystemen auf der Basis eines Gases mit 100% Methangehalt kalibriert. Bei einer schlechten Gasqualität mit beispielsweise nur 90 % Methananteil oder weniger ist eine längere Einspritzzeitdauer erforderlich, um den Wert Lambda = 1 zu erreichen. Die erforderliche Einspritzzeitdauer stellt sich aufgrund der Lambdaregelung sehr schnell ein. Aus dem Verhältnis von erwarteter zu realer Einspritzzeitdauer kann die Gasqualität berechnet werden.
Bei modernen Otto-Brennkraftmaschinen ist der Zündzeitpunkt in einem Drehmoment/Drehzahlkennfeld hinterlegt. Bei Verwendung eines spezifikationsgemäßen Kraftstoffs (siehe oben) sollte dann bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine kein Klopfen auftreten. Ein Klopfsensor erkennt beginnendes Klopfen und die Motorsteuerung verstellt den Zündzeitpunkt in Richtung „spät“. Dadurch sinkt zwar der Wirkungsgrad, aber das schädliche Klopfen wird beendet. Anhand der Daten der Klopfregelung im Vergleich zum hinterlegten Zündkennfeld kann die Methanzahl der Gasmischung abgeschätzt werden.
Aus der DE 10 2006 050 357 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Zusammensetzung eines Brenngases in einem Tank einer Brennkraftmaschine bekannt. Es wird ein erster Druck in dem Tank bestimmt zu Beginn eines vorbestimmten Zeitintervalls, dann wird Gasgemisch aus dem Tank entnommen und die Masse des Gasgemisches bestimmt, das in dem Zeitintervall entnommen wird. Es wird ein zweiter Druck in dem Tank bestimmt am Ende des vorbestimmten Zeitintervalls. Anschließend wird die Zusammensetzung des Gasgemisches in dem Tank bestimmt aus dem ersten Druck, dem zweiten Druck und der Masse des in dem Zeitintervall aus dem Tank entnommenen Gasgemisches.
In der DE 197 33 575 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur von Vorsteuerwerten bei einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine für deren Zündung und Einspritzanlage in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des verfeuerten Gases beschrieben. Mit Hilfe wenigstens eines Sensors, insbesondere eines Sensors auf Halbleiterbasis, wird wenigstens ein Leitbestandteil des verfeuerten Gases kontinuierlich quantitativ erfasst und entsprechend der Quantität wenigstens dieses Leitbestandteils die Vorsteuerwerte rechnerisch oder anhand abgespeicherter Kennfelder fortlaufend optimiert. Neben dem Methangasanteil können auch weitere Gasanteile wie Ethan und Propan erfasst werden.
In der EP 2 806 271 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung physikalischer Gaseigenschaften vorgestellt, bei dem das Gas oder Gasgemisch aus einem Gasreservoir unter Druck durch eine kritische Düse und über einen mikrothermischen Sensor fließt. Der Druckabfall im Gasreservoir wird als Funktion der Zeit gemessen und aus der Druckabfalländerung wird ein erster Gaseigenschaftsfaktor bestimmt. Aus dem Durchflusssignal des mikrothermischen Sensors wird ein zweiter Gaseigenschaftsfaktor bestimmt. Mit Hilfe des mikrothermischen Sensors wird die Wärmeleitfähigkeit des Gases oder Gasgemisches bestimmt. Aus dem ersten und zweiten Gaseigenschaftsfaktor und der Wärmeleitfähigkeit wird mittels Korrelation eine gesuchte Gaseigenschaft ermittelt. Unter physikalischen Gaseigenschaften werden dabei insbesondere die Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Viskosität und die daraus korrelierenden, brenntechnisch relevanten Größen wie Energieinhalt, Brennwert, Wobbe-Index, Methanzahl (Maß für Klopfneigung) und/oder der Luftbedarf des Gases oder Gasgemisches verstanden.
In der EP 2 015 056 B1 sind ein Verfahren und ein Sensor zur Bestimmung einer brenntechnisch relevanten Größe eines Gasgemisches, insbesondere eines Erdgasgemisches, beschrieben. Unter einer brenntechnisch relevanten Größe wird insbesondere der Energieinhalt des Gasgemisches, ausgedrückt durch den Brennwert oder den Wobbe-Index verstanden. Eine brenntechnisch relevante Größe ist auch die Methanzahl. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Energieinhaltsbestimmung basierend auf einer mikrothermischen Massenmessung bei konstantem Fluss, wobei die Konstanthaltung des Flussparameters (Massen- oder Volumenstrom) nicht über eine aufwändige Regelung, sondern unter Verwendung einer kritischen Düse in Kombination mit den der mikrothermischen Messmethode inhärenten Korrekturmöglichkeiten bezüglich Durchflussfehler erfolgt. Der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Sensor weist einen Sensorblock mit CMOS-Hitzdrahtanemometer auf, welcher an seinem Gaseinlass mit dem Gasauslass einer kritischen Düse und an seinem Gasauslass mit einem Absperrventil verbunden ist, wobei an den Gaseinlass der kritischen Düse eine zu einer Gashauptleitung führende Messleitung angeschlossen ist und wobei am Gasauslass des Absperrventils ein Aussendruck ansteht, der kleiner als die Hälfte des kritischen Drucks der kritischen Düse ist.
In der DE 10 2012 209 443 A1 sind ein Verfahren und ein System zum Durchführen einer Diagnose einer mit einem Steuergerät in einem Kraftfahrzeug verbundenen Funktionseinheit beschrieben.
Dabei wird mindestens einer von der Funktionseinheit ermittelter Messwert mit einem entsprechenden Modellwert unter Bildung eines Vergleichswertes verglichen, wobei der Modellwert auf Basis eines datenbasierten Modells in dem Steuergerät berechnet und zusammen mit einem Gültigkeitswert des Modells ausgegeben wird und wobei durch Abgleich des Gültigkeitswerts mit einem vorgegebenen Schwellwert die Diagnose aktiviert oder deaktiviert und nur bei aktivierter Diagnose der Vergleichswert ausgewertet wird.
Aus der DE 10 2005 030 535 A1 ist ein Verfahren zur Diagnose von Sensoren einer Luftzuführung bekannt, wobei die Sensoren Signale erzeugen, die von einer von der Brennkraftmaschine durch die Luftzuführung angesaugten Luftströmung abhängen. Mittels des Zuströmens und Abströmens in der Luftzuführung wird ein dynamisches Modell der Luftzuführung in der Luftzuführung gebildet. Bei der Diagnose der Sensoren werden die von den Sensoren gebildeten Signale und die durch das dynamische Modell erzeugten Signale berücksichtigt.
Die DE 10 2005 019 017 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fehlerdiagnose für Verbrennungsmotoren. Es wird dabei wenigstens ein Mess- oder Modellwert für eine Betriebsgröße der Verbrennungskraftmaschine erfasst und mit wenigstens einem weiteren Mess- oder Modellwert für diese Kenngröße verglichen. Die Abweichung zueinander wird nachfolgend zur Fehlerdiagnose betrachtet, wobei wenigstens an zwei Arbeitspunkten des Motors eine Aufnahme der Mess- und/oder Modellwerte und eine Bildung der Residuen erfolgt. Ausgehend von der Abweichung der Residuen an den einzelnen Arbeitspunkten wird eine weitere Information zur Fehlerdiagnose gebildet. Auf der Basis der Residuen und der weiteren Diagnoseinformation der arbeitspunktabhängigen Veränderung der Abweichung der Mess- und/oder Modellwerte zueinander wird mittels einer Gesamtbeurteilung (Fusion) eine Fehlerisolation vorgenommen. Nach der Identifikation des Fehlers kann mit dem Verfahren eine quantitative Fehlergrößenschätzung erfolgen.
Da die von einem Sensor zur Bestimmung der Gaszusammensetzung erhaltenen Signale zur Steuerung des Verbrennungsprozesses herangezogen werden, haben sie mittelbar oder unmittelbar Einfluss auf die Abgasemissionen. Die von den Gesetzgebern erlassenen Abgasnormen sehen vor, dass jede abgasrelevante Komponente auch während des Betriebes des Kraftfahrzeuges auf ihre korrekte Funktion hin im Rahmen einer sogenannten On-Board-Diagnose (OBD) überprüft werden muss.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der die Funktionstüchtigkeit eines Gasqualitätssensors für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine zuverlässig und genau überprüft werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Diagnose eines Gasqualitätssensors während des Betriebes eines gasbetriebenen Kraftfahrzeugs in einfacher Weise unter Verwendung eines Vergleiches von mittels des Gasqualitätssensors gemessenen Daten mit entsprechenden Daten, die von einer Steuereinrichtung ermittelt wurden, durchgeführt werden kann. Diese und weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt:

1 in schematischer Darstellung eine gasbetriebene Brennkraftmaschine mit zugehöriger Steuereinrichtung und
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Diagnose eines Gasqualitätssensors.

Die in 1 in schematischer Darstellung gezeigte gasbetriebene Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Ansaugtrakt 2, einen Motorblock 3 und einen Abgastrakt 4. Der Brennkraftmaschine 1 wird über den Ansaugtrakt 2 die zur Verbrennung des Gas-/Luftgemisches benötigte Frischluft zugeführt. Im Ansaugtrakt 2 sind in Strömungsrichtung der angesaugten Luft gesehen ein Luftfilter 21, ein als Lastsensor dienender Luftmassenmesser 22 und ein Drosselklappenblock 23 mit einer Drosselklappe 24 und einem Drosselklappensensor 25 zur Erfassung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 24 vorgesehen. Als Lastsensor für die Brennkraftmaschine 1 kann zusätzlich oder an Stelle des Luftmassenmessers 22 auch ein Saugrohrdrucksensor 26 verwendet werden. Der Ansaugtrakt 2 umfasst ferner einen Sammler 27 und Saugrohre 28, die hin zu Zylindern Z1 - Z4 über einen Einlasskanal in den Motorblock 3 geführt sind. Zur Vereinfachung ist in der 1 nur ein Saugrohr 28 dargestellt. Zur Erfassung des in den Zylindern Z1 - Z4 auftretenden Zylinderdruckes ist mindestens ein Zylinderdrucksensor 66 vorgesehen. Zur Erfassung von klopfenden Verbrennungen ist mindestens ein Klopfsensor 72 vorgesehen.
Der Abgastrakt 4 umfasst einen oder mehrere, nicht dargestellte Abgaskatalysatoren bekannter Bauart sowie einen Schalldämpfer, über den die gereinigten Abgase ins Freie strömen. Im Abgastrakt 4 ist weiterhin ein Sauerstoffsensor (Lambdasonde) 41 angeordnet.
Ferner ist der Brennkraftmaschine 1 eine Kraftstoffversorgungsanlage 5 zur Bereitstellung eines zur Verbrennung in den Zylindern Z1 -Z4 dienenden gasförmigen Kraftstoffes, insbesondere CNG (Compressed Natural Gas, komprimiertes Erdgas) zugeordnet. Der gasförmige Kraftstoff wird in einem Vorratstank 51 unter Druck gespeichert. Für Brennkraftmaschinen, die mit CNG betrieben werden, beträgt der Druck bei der Speicherung etwa 200 bar.
Mittels einer Hochdruckleitung 52 wird der gasförmige Kraftstoff über ein Absperrventil 53, einen Druckminderer oder Druckregler 54 einer Niederdruckleitung 55 zugeführt.
Mit Hilfe des Absperrventils 53 kann die Gaszufuhr aus dem Vorratstank 51 gesperrt werden, wie es beispielsweise bei einem Abstellen der Brennkraftmaschine 1 oder bei der Umschaltung auf eine andere Kraftstoffart bei bivalenten Brennkraftmaschinen erforderlich ist. Der Druckminderer oder Druckregler 54 dient zur Reduzierung des Gasdruckes auf die für die Niederdruckleitung 55 benötigten typischen Werte im Bereich von 2-8 bar. Die Niederdruckleitung 55 ist mit einer Gaseinblaseanlage 56 verbunden. Diese weist eine der Anzahl der Zylinder Z1-Z4 der Brennkraftmaschine 1 entsprechende Anzahl von Gasinjektoren, im nachfolgenden als Gaseinblaseventile bezeichnet, auf (nicht dargestellt). Die Gaseinblaseventile sind in der Regel als sogenannte Magnetventile ausgebildet, wobei als Aktuator eine Magnetspule und als Stellglied eine Düsennnadel vorgesehen sind und die abhängig von einer elektrischen Ansteuerung das Gas in die Saugrohre 28 oder direkt in die Brennräume der Zylinder Z1 - Z4 abgeben oder den Gasfluss verhindern.
Um eine Direkteinblasung des Gases in die Brennräume zu realisieren, muss der Druck des Gases an einem Rail bzw. an den Gaseinblaseventilen höher liegen als bei einer Saugrohreinspritzung des Gases. Typische Werte liegen dabei in einem Bereich von 5-20 bar, um die erforderliche Gasmenge in einem gegenüber einer Saugrohreinspritzung zur Verfügung stehenden kürzeren Zeitraum einbringen zu können.
Weiterhin enthält die Kraftstoffversorgungsanlage 5 der Brennkraftmaschine 1 einen Temperatursensor 57 und einen Drucksensor 58 zur Erfassung des Drucks und der Temperatur auf der Hochdruckseite sowie einen entsprechenden Temperatursensor 57' und Drucksensor 58' auf der Niederdruckseite.
Zum Bestimmen der Zusammensetzung und damit der Qualität des gasförmigen Kraftstoffes ist in der Niederdruckleitung 55 ein Gasqualitätssensor 59 vorgesehen. Dieser Gasqualitätssensor 59 kann auch an einer anderen, beliebigen Stelle innerhalb der Kraftstoffversorgungsanlage 5 angeordnet sein. Als Gasqualitätssensor kann beispielsweise ein Sensor verwendet werden, wie er in der EP 2 015 056 B1 beschrieben ist.
Zum Regeln und Steuern der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuereinrichtung 6 vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuereinrichtung 6 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Steuereinrichtung 6 wird in der Regel vereinfacht als Motorsteuergerät oder als Motorsteuerung bezeichnet.
Die Sensoren sind unter anderem der Pedalstellungsgeber 61, welcher die Stellung eines Fahrpedals 62 erfasst, der Luftmassenmesser 22, welcher einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 24 erfasst, der Temperatursensor 63, welcher die Ansauglufttemperatur erfasst, der Drucksensor 26, welcher den Saugrohrdruck erfasst, der Kurbelwellenwinkelsensor 64, welcher einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet wird, und der weitere Temperatursensor 65, welcher eine Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine 1 erfasst. Außerdem werden der Steuereinrichtung 6 die Signale der Temperatursensoren 57, 57', die Signale der Drucksensoren 58, 58', sowie die Ausgangssignale des Gasqualitätssensors 59, des mindestens einen Zylinderdrucksensors 66 und des mindestens einen Klopfsensors 72 zugeführt.
Je nach Ausführungsform der Erfindung können eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein, deren Signale in der Figur allgemein mit dem Bezugszeichen ES bezeichnet sind.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 24, die Gaseinblaseventile der Gaseinblaseanlage 56, Zündkerzen, das Absperrventil 53 und der Druckminderer oder Druckregler 54. Weitere Signale für weitere Stellglieder, die zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 nötig, aber nicht explizit dargestellt sind, sind in der 1 allgemein mit dem Bezugszeichen AS bezeichnet.
Mit Hilfe der Steuereinrichtung 6 werden insbesondere die Sollwerte des Drucks in der Gaseinblaseanlage 56 in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1 ermittelt, die Signale der Temperatursensoren 57, 57' und der Drucksensoren 58, 58' zur Regelung des Drucks in der Gaseinblaseanlage 56 ausgewertet sowie Stellsignale für das Absperrventil 53 und den Druckminderer oder Druckregler 54 generiert.
Weiterhin berechnet die Steuereinrichtung 6 aus Daten wie beispielsweise der Drehzahl, dem angeforderten Drehmoment und/oder der Last der Brennkraftmaschine 1 die erforderliche Einspritzmenge an gasförmigem Kraftstoff, die Einspritzzeitdauer und den Einspritzbeginnzeitpunkt und/oder den Einspritzendezeitpunkt. Davon abhängig werden Ansteuersignale an die Gaseinblaseventile der Gaseinblaseanlage 56 ausgegeben, so dass die korrekte Menge an Gas der Verbrennungsluft zugeführt wird.
Die Steuereinrichtung 6 umfasst bevorzugt eine Recheneinheit 67, die mit einem Programmspeicher 68, einem Werte- bzw. Datenspeicher 69 und einem Fehlerspeicher 70 gekoppelt ist. Der Fehlerspeicher 70 ist mit einer Fehleranzeigevorrichtung 71 verbunden. In dem Programmspeicher 68 und dem Wertespeicher 69 sind Programme bzw. Werte gespeichert, die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nötig sind. Neben der Berechnung der Kraftstoffeinspritzmenge, des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes bzw.-endes und/oder der Zündungsregelung der Brennkraftmaschine 1 ist in dem Programmspeicher 68 softwaremäßig eine an sich bekannte Lambdaregelfunktion FKT_LAM implementiert, mit deren Hilfe das Gas-/Luftgemisch derart geregelt wird, dass ein im Abgastrakt 4 der Brennkraftmaschine 1 angeordneter Abgaskatalysator optimale Konvertierungseigenschaften aufweist.
Gasförmige Brennstoffe müssen neben ausreichendem Energieinhalt auch über eine hohe Klopffestigkeit verfügen, da zu niedrige Klopffestigkeit des Gases zu einer klopfenden Verbrennung führt. Deshalb ist in dem Programmspeicher 68 softwaremäßig eine an sich bekannte Funktion zur Klopfregelung FKT_KLOPF implementiert, welche die Signale eines oder mehrerer Klopfsensoren 72 auswertet. Wird eine klopfende Verbrennung festgestellt, wobei die bestimmende Größe, ob Klopfen auftritt, bei Gasbetrieb die Methanzahl ist, so können verschiedene Maßnahmen eingeleitet werden, um diese irregulären Verbrennungen zu beenden. Neben einer Spätverstellung des Zündzeitpunktes, einer Verringerung der Motorbelastung und einer Erhöhung der Luftzahl kommt auch eine Abgasrückführung in Betracht.
Die unmittelbar vom Gasqualitätssensor 59 generierten Signale oder die durch Weiterverarbeitung dieser Signale erhaltenen Parameter werden direkt zur Steuerung des Verbrennungsprozesses herangezogen und haben somit Einfluss auf die Abgasemissionen. Da nach geltenden gesetzlichen Vorschriften alle abgasrelevanten Komponenten auch während des Betriebes der Brennkraftmaschine im Rahmen einer OBD-Diagnose überprüft werden müssen, ist in dem Programmspeicher 68 softwaremäßig eine Funktion FKT_DIAG zur Überprüfung des Gasqualitätssensors 59 implementiert, welche anhand der nachfolgenden Beschreibung der 2 näher erläutert wird.
Wird mit Hilfe dieser Funktion FKT_DIAG ein Fehler festgestellt, so wird dieser in den Fehlerspeicher 70 der Steuereinrichtung 6 nichtflüchtig eingetragen, so dass er beim nächsten Werkstattaufenthalt des Kraftfahrzeugs ausgelesen werden kann. Zusätzlich wird dem Führer des von der Brennkraftmaschine 1 angetriebenen Kraftfahrzeuges das Vorhandensein eines Fehlers mittels der Fehleranzeigevorrichtung 71 zur Kenntnis gebracht.
In dem Wertespeicher 69 sind unter anderem Schwellenwerte und weitere Parameter abgespeichert, deren Bedeutungen für die Diagnose des Gasqualitätssensors 59 ebenfalls anhand der Beschreibung der 2 näher erläutert werden.
Bei dem anhand der 1 erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen nicht turboaufgeladenen Motor. Die Erfindung ist jedoch auch bei turboaufgeladenen Motoren einsetzbar.
Die 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Diagnose eines Gasqualitätssensors, welches während des Betriebes eines gasbetriebenen Kraftfahrzeugs bei warmem Motor durchgeführt wird, d.h. bei bereits arbeitendem und Lambdasignale an die Steuereinheit lieferndem Lambdasensor.
Bei diesem Verfahren erfolgt in einem Schritt S1 eine Ermittlung eines ersten Brennwertes mittels des Gasqualitätssensors. Anschließend erfolgt in einem Schritt S2 eine Ermittlung einer ersten Methanzahl mittels des Qualitätssensors.
In einem nachfolgenden Schritt S3 erfolgt eine Ermittlung eines zweiten Brennwertes mittels der Steuereinrichtung 6. Dabei ermittelt die Steuereinrichtung 6 den genannten zweiten Brennwert unter Verwendung der Daten des Einspritztimings für einen Betrieb mit einem Lambdawert = 1. Bei dieser Ermittlung des zweiten Brennwertes werden des Weiteren auch eine Information über den herrschenden Umgebungsdruck, eine Luftmasseninformation, eine Information über den Raildruck bei der Gaseinspritzung und eine abgespeicherte Kennlinie des Einspritzventils verwendet.
Danach erfolgt in einem Schritt S4 eine Ermittlung einer zweiten Methanzahl mittels der Steuereinrichtung 6. Dabei ermittelt die Steuereinrichtung 6 die genannte zweite Methanzahl aus Daten des Klopfreglers. Zur Ermittlung dieser Daten werden insbesondere die Daten eines abgespeicherten Zündkennfeldes verwendet, in welchem Einspritzzeiten in Abhängigkeit von Luftmengen, Motordrehzahlen und Einspritzmengen derart abgespeichert sind, dass der Motor in einem klopffreien Betrieb arbeitet. Ausgehend von diesen im Zündkennfeld abgespeicherten Daten verlegt die Steuereinheit den Zündzeitpunkt schrittweise bis zur Klopfgrenze nach vorne, um den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern, und dann wieder geringfügig nach hinten, um einen klopffreien Betrieb des Motors bei erhöhtem Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. Aus den dann vorliegenden Daten des Klopfreglers ermittelt die Steuereinrichtung die genannte zweite Methanzahl.
In einem nachfolgenden Schritt S5 vergleicht die Steuereinheit 6 den mittels des Gasqualitätssensors ermittelten ersten Brennwert mit dem von der Steuereinheit ermittelten zweiten Brennwert.
Danach vergleicht die Steuereinheit 6 in einem Schritt S6 die mittels des Qualitätssensors ermittelte erste Methanzahl mit der von der Steuereinheit 6 ermittelten zweiten Methanzahl.
Anschließend erfolgt in einem Schritt S7 eine Verwendung der Vergleichsergebnisse zur Diagnose des Gasqualitätssensors.
Ergeben die in den Schritten S5 und S6 durchgeführten Vergleiche, dass die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Brennwert einen vorgegebenen ersten Schwellenwert unterschreitet und die Differenz zwischen der ersten Methanzahl und der zweiten Methanzahl einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreiten, dann wird der Gasqualitätssensor als fehlerfrei erkannt.
Ergeben die in den Schritten S5 und S6 durchgeführten Vergleiche hingegen, dass die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Brennwert den vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet und/oder die Differenz zwischen der ersten Methanzahl und der zweiten Methanzahl den vorgegebenen zweiten Schwellenwert überschreitet, dann wird der Gasqualitätssensor als defekt erkannt und es wird in einem nachfolgenden Schritt S8 eine Fehlermeldung ausgegeben, insbesondere in Form des Aufleuchtens eines zugehörigen Lämpchens auf dem Display des Armaturenbrettes.
Der erste Schwellenwert ist vorzugsweise kleiner oder gleich 10%. Auch der zweite Schwellenwert ist vorzugsweise kleiner oder gleich 10%. Die beiden Schwellenwerte können miteinander übereinstimmen oder unterschiedlich sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dann, wenn eine oder beide Differenzen kleiner sind als der jeweils zugehörige Schwellenwert, aber beispielsweise eine alterungsbedingte Langzeitdrift aufweist/aufweisen, eine Rekalibrierung des Qualitätssensors vorzunehmen.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Brennkraftmaschine erläutert, die für reinen Gasbetrieb (monovalenter Betrieb) ausgelegt ist. Sie ist aber auch bei Brennkraftmaschinen anwendbar, die für bivalenten Betrieb, d.h. für die Verbrennung von zwei verschiedenen Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin und Gas ausgelegt sind. In diesem Falle ist neben dem beschriebenen Kraftstoffversorgungssystem für den gasförmigen Kraftstoff zusätzlich ein herkömmliches Kraftstoffversorgungssystem für den Benzinbetrieb vorgesehen. Die Steuereinrichtung 6 für einen solchen Bi-Fuel-Betrieb der Brennkraftmaschine übernimmt dann die Steuerung und/oder Regelung der Einspritzung beider Kraftstoffarten.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugtrakt
21: Luftfilter
22: Luftmassenmesser
23: Drosselklappenblock
24: Drosselklappe
25: Drosselklappensensor
26: Saugrohrdrucksensor
27: Sammler
28: Saugrohr
3: Motorblock
4: Abgastrakt
41: Sauerstoffsensor
5: Kraftstoffversorgungsanlage
51: Vorratstank
52: Hochdruckleitung
53: Absperrventil
54: Druckminderer, Druckregler
55: Niederdruckleitung
56: Gaseinblaseanlage
57: Temperatursensor Hochdruckseite
57': Temperatursensor Niederdruckseite
58: Drucksensor Hochdruckseite
58': Drucksensor Niederdruckseite
59: Gasqualitätssensor
6: Steuereinrichtung
61: Pedalstellungsgeber
62: Fahrpedal
63: Temperatursensor für Ansauglufttemperatur
64: Kurbelwellenwinkelsensor
65: Kühlmitteltemperatursensor
66: Zylinderdrucksensor
67: Recheneinheit, Prozessor
68: Programmspeicher
69: Wertespeicher
70: Fehlerspeicher
71: Fehleranzeigevorrichtung
72: Klopfsensor
AS: Ausgangssignal
ES: Eingangssignal
FKT_LAM: Lambdaregelfunktion
FKT_KLOPF: Klopfregelfunktion
SW: Schwellenwerte
Z1-Z4: Zylinder

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Gasqualitätssensors für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine, welches die folgenden Schritte aufweist: - Ermittlung eines ersten Brennwertes mittels des Gasqualitätssensors, - Ermittlung einer ersten Methanzahl mittels des Gasqualitätssensors, - Ermittlung eines zweiten Brennwertes mittels einer Steuereinrichtung, - Ermittlung einer zweiten Methanzahl mittels der Steuereinrichtung, - Vergleichen des ersten Brennwertes mit dem zweiten Brennwert, - Vergleichen der ersten Methanzahl mit der zweiten Methanzahl und - Verwendung der Vergleichsergebnisse zur Diagnose des Gasqualitätssensors, wobei - auf einen fehlerfrei arbeitenden Gasqualitätssensor erkannt wird, wenn die Differenz zwischen dem ersten Brennwert und dem zweiten Brennwert einen vorgegebenen ersten Schwellenwert unterschreitet und die Differenz zwischen der ersten Methanzahl und der zweiten Methanzahl einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet, - auf einen defekten Gasqualitätssensor erkannt wird, wenn die Differenz zwischen dem ersten Brennwert und dem zweiten Brennwert einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet und/oder die Differenz zwischen der ersten Methanzahl und der zweiten Methanzahl einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwellenwert kleiner oder gleich 10% ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellenwert kleiner oder gleich 10% ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schwellenwerte übereinstimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schwellenwerte unterschiedlich sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn eine oder beide Differenzen kleiner sind als der jeweils zugehörige Schwellenwert, aber eine Langzeitdrift aufweisen, eine Rekalibrierung des Gasqualitätssensors vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erkennen des Vorliegens eines defekten Gasqualitätssensors eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Vorrichtung zur Diagnose eines Gasqualitätssensors (59) für eine gasbetriebene Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinrichtung (6) aufweist, die zur Steuerung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.