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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren für Zweistoffmotoren, das beispielsweise beim kombinierten Betrieb eines Motors mit Gaskraftstoff und mit Dieselkraftstoff eingesetzt werden kann.
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Stand der Technik
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Um die Schadstoffemissionen von Dieselmotoren zu reduzieren und zugleich die Wirtschaftlichkeit ihres Betriebes zu verbessern, ist es vorteilhaft, die Motoren für den Betrieb mit Gaskraftstoffen, wie etwa komprimiertem Erdgas (CNG), verflüssigtem Erdgas (LNG) oder verflüssigtem Propangas (LPG), umzurüsten. Diese Umrüstung erfolgt vielfach für den Zweistoffbetrieb mit Gaskraftstoff einerseits und mit Dieselkraftstoff andererseits. Auf diese Weise kann beispielsweise durch das Zuführen einer kleinen Zündmenge an Dieselkraftstoff das Gemisch aus Gaskraftstoff und Verbrennungsluft selbstzündfähig gemacht werden, so dass keine zusätzlichen Zündvorrichtungen eingebaut werden müssen. Weiterhin kann der Motor auch allein mit Dieselkraftstoff betrieben werden, wenn der Gaskraftstoff ausgeht und keine Gastankstelle in Reichweite ist.
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Gaskraftstoffe haben einen anderen spezifischen Energieinhalt sowie auch andere Verbrennungseigenschaften als Dieselkraftstoff. Eine gegebene Menge an Gaskraftstoff ist daher in Bezug auf das vom Motor gelieferte Drehmoment nicht äquivalent zu der gleichen Menge an Dieselkraftstoff. Welche Menge an Dieselkraftstoff die gegebene Menge an Gaskraftstoff drehmomentneutral ersetzt, ist für mindestens einen Arbeitspunkt des Motors bekannt und in einer Substitutionsvorschrift hinterlegt. Aus der
JP 2008 189 069 A ist bekannt, im Betrieb eines Zweistoffmotors beim vollständigen oder teilweisen Wechseln zwischen den Kraftstoffen eine solche Substitutionsvorschrift zu nutzen, damit der Wechsel drehmomentneutral ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Diagnose eines Zweistoffmotors entwickelt. Das Verfahren geht davon aus, dass eine Substitutionsvorschrift bekannt ist, die für mindestens einen Arbeitspunkt des Zweistoffmotors angibt, welche zweite Menge eines zweiten Kraftstoffs dem Zweistoffmotor zuzuführen ist, um drehmomentneutral eine erste Menge eines ersten Kraftstoffs zu ersetzen.
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Erfindungsgemäß wird im Betrieb des Zweistoffmotors eine Testmenge des ersten Kraftstoffs entsprechend der Substitutionsvorschrift durch den zweiten Kraftstoff ersetzt. Aus einer Änderung des Drehmoments oder der Drehzahl des Zweistoffmotors, und/oder aus einer Änderung der Stellgröße eines mit dem Zweistoffmotor verbundenen Leerlauf-Drehzahlreglers, wird eine Abweichung vom Nominalzustand des Zweistoffmotors ausgewertet.
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Dabei dienen die Begriffe „erster Kraftstoff“ und „zweiter Kraftstoff“ lediglich der Unterscheidung der beiden Kraftstoffe voneinander, ohne dass hierdurch bereits eine Reihenfolge, in der die beiden Kraftstoffe eingespritzt werden, oder eine Wertung bezüglich der Mengenanteile der Kraftstoffe vorgegeben werden soll. So entfällt beispielsweise bei einem mit Gaskraftstoff und Dieselkraftstoff betriebenen Dual-Fuel-Fahrzeug typischerweise mehr als 90 % des Gesamtverbrauchs auf den Gaskraftstoff, während der Dieselkraftstoff typischerweise zeitlich vor dem Gaskraftstoff eingespritzt wird. Sowohl eine Substitution von Gaskraftstoff durch Dieselkraftstoff als auch umgekehrt eine Substitution von Dieselkraftstoff durch Gaskraftstoff können im Kontext der Erfindung sinnvoll sein.
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Es wurde erkannt, dass Gaskraftstoffe in ihrer Qualität deutlich stärker schwanken als Dieselkraftstoff. So ist beispielsweise Erdgas ein Naturprodukt, und LPG ist ein Nebenprodukt bei der Raffinierung von Erdölprodukten. Da bei der Raffinierung Priorität hat, dass besagte Erdölprodukte spezifikationskonform sind, werden im Gegenzug Schwankungen bei der Zusammensetzung von Nebenprodukten wie LPG in Kauf genommen.
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Die Unterschiede in der Gasqualität wiederum bewirken Unterschiede in der Verbrennung bezüglich der Menge der freigesetzten Energie, der Brenngeschwindigkeit und Dauer, des Zündverzugs und der Zündfähigkeit sowie der Abgaszusammensetzung. Weiterhin ergeben sich Unterschiede bei physikalischen Vorgängen wie der Kompression bzw. Entspannung, dem Durchtritt durch Düsen sowie der Verdampfung bzw. Kondensation. All diese Effekte wirken sich letztendlich auf das vom Motor abgegebene Drehmoment aus, das als zentrale Größe konstant gehalten werden soll. Es besteht daher ein Bedürfnis, Schwankungen in der Gasqualität zu detektieren und die Ansteuerung des Motors entsprechend anzupassen, damit das Drehmoment konstant bleibt. Entsprechende automotive-taugliche Sensoren sind jedoch für den Serienmarkt derzeit nicht verfügbar und würden die Komplexität und Kosten des Systems erhöhen.
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Das Drehmoment, die Drehzahl und die Stellgröße des Leerlauf-Drehzahlreglers sind hingegen Größen, die bereits mit der im Fahrzeug existierenden Sensorik erfasst werden. Wenn beim Ersetzen der Testmenge des ersten Kraftstoffs die Substitutionsvorschrift eingehalten wird und sich trotzdem eine Abweichung in einer oder mehrerer dieser Größen ergibt, so ist dies ein Hinweis, dass an irgendeiner Stelle eine Abweichung vom Nominalzustand vorliegt. Insbesondere dann, wenn die Abweichung nach einem Tankvorgang auftritt, kommt hier eine Änderung der Gasqualität in Betracht. Ist die Änderung der Gasqualität auf diesem Wege erst einmal erkannt, kann sie im nächsten Schritt beispielsweise durch eine Änderung der Gasmenge, des Einspritzzeitpunkts oder der Substitutionsvorschrift kompensiert werden, so dass die Einspritzmenge und/oder das erzeugte Drehmoment dem nominellen Betriebspunkt gleichgestellt werden.
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Im Leerlauf-Betrieb hat der Leerlauf-Drehzahlregler einen Eingriff auf die einzuspritzende Gesamt-Kraftstoffmenge und kompensiert damit Drehmoment-Abweichungen, die durch das Ersetzen der Testmenge des ersten Kraftstoffs, beispielsweise nur auf einem von mehreren Zylindern, entstehen. Durch die Analyse des Reglereingriffs, beispielsweise des integralen Anteils (I-Anteils) oder der der resultierenden Soll-Einspritzmenge („Leerlaufbedarf“), wird die Abweichung vom Nominalverhalten detektiert.
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Somit stellt das Verfahren erstmals eine Funktion zur Erkennung und Kompensation der Gasqualität bei einem dieselmotorischen Brennverfahren für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge mit Gas-Direkteinspritzung bereit.
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Dabei ist das Verfahren jedoch ausdrücklich nicht auf die Erkennung solcher Abweichungen vom Nominalzustand beschränkt, die von einer Änderung der Gasqualität herrühren. Vielmehr lassen sich auch solche Abweichungen erkennen, die durch Alterung, Verschleiß oder Defekte im Motor oder im zugehörigen Einspritzsystem verursacht worden sind. Diese Abweichungen lassen sich beispielsweise dadurch von kraftstoffbedingten Abweichungen unterscheiden, dass sie auf einer deutlich langsameren Zeitskala stattfinden und/oder nicht mit Tankvorgängen korreliert sind.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Ersetzen der Testmenge des ersten Kraftstoffs durch den zweiten Kraftstoff im stationären Betrieb, im Schubbetrieb, im Leerlauf oder nach einem Lastabwurf des Zweistoffmotors vorgenommen. In diesen Betriebszuständen sind die Auswirkungen eventueller Abweichungen vom Nominalzustand auf das Drehmoment, die Drehzahl bzw. die Stellgröße am wenigsten mit anderen Einflüssen vermischt.
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Insbesondere im Schubbetrieb können Testeinspritzungen von kleinen Mengen beider Kraftstoffe in ihrer Auswirkung auf Drehmoment und Drehzahl miteinander vergleichen werden, so dass beispielsweise bei einem mit Gaskraftstoff und Dieselkraftstoff betriebenen Zweistoffmotor die Gas-Einspritzmenge so korrigiert werden kann, dass ihre Wirkung an die des Dieselkraftstoffs angeglichen wird.
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Somit wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus der Änderung des Drehmoments, der Drehzahl oder der Stellgröße eine angepasste Menge des zweiten Kraftstoffs ermittelt, die die Testmenge des ersten Kraftstoffs dergestalt ersetzt, dass die Änderung des Drehmoments, der Drehzahl oder der Stellgröße minimiert wird. Alternativ oder auch in Kombination hierzu kann ein angepasster Einspritzzeitpunkt ermittelt werden, zu dem der zweite Kraftstoff zuzuführen ist, um die Änderung des Drehmoments, der Drehzahl oder der Stellgröße zu minimieren.
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Der Wegfall der Testmenge des ersten Kraftstoffs hat verschiedene Auswirkungen. So wirkt er sich beispielsweise hydraulisch aus, indem sich der Druckverlauf, die Einspritzrate und/oder die Einspritzmenge ändern. Weiterhin ergeben sich thermische Abweichungen bei der Verbrennung, beispielsweise durch eine Änderung der Verbrennungsgeschwindigkeit, des Verbrennungsschwerpunkts, des Zündverzugs und/oder der freigesetzten Energie. Im Endeffekt ergeben sich motorische Abweichungen des erzeugten Drehmoments. Beispielsweise können sich der Momentverlauf, die abgegebene Leistung und/oder die Amplitude und Phase von Schwingungen ändern.
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In einem mit nur einem Kraftstoff betriebenen Motor haben derartige Abweichungen immer messbare und/oder wahrnehmbare Auswirkungen, da das durch den Verbrennungsmotor freigesetzte Moment beeinflusst wird. Bei einem Zweistoffmotor (Dual-Fuel-System) hingegen lassen sich durch Einhalten der Substitutionsvorschrift die Veränderungen in der Ansteuerung (Test-Muster) so gestalten, dass sie im Nominalfall keine Auswirkungen auf das freigesetzte Moment haben und somit nicht wahrnehmbar sind. Dabei ist es von Vorteil, dass das gleiche Drehmoment abgegeben werden kann, wenn beispielsweise unterschiedliche Gas-Einspritzmengen durch passende Diesel-Einspritzmengen kompensiert werden (variable Substitutionsrate).
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Wenn sich im Zeitverlauf des Drehmoments systematische Abweichungen erkennen lassen, die im Zusammenhang mit dem Test-Muster stehen, ist davon auszugehen, dass das System sich nicht nominell verhält. Eine Ursache dafür kann die abweichende Kraftstoffqualität, insbesondere die Gasqualität, sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird somit eine Vielzahl von Testmengen des ersten Kraftstoffs nach einem Zeitprogramm durch den zweiten Kraftstoff ersetzt, und eine mit dem Zeitprogramm korrelierte Änderung des Drehmoments, der Drehzahl bzw. der Stellgröße wird registriert.
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Beispielsweise kann bei jedem n-ten Zylinder in Zündreihenfolge des Zweistoffmotors eine Testmenge des ersten Kraftstoffs durch den zweiten Kraftstoff ersetzt werden, wobei n ganzzahlig ist und mindestens 2 beträgt. Die Abweichungen bzw. „Störungen“ treten dann mit einer definierten Frequenz auf. Beispielsweise ergibt sich hieraus für n=2 in einem 6-Zylinder-Motor ein Test-Muster, das sich mit einer Frequenz auf den Motor auswirkt, die der dreifachen Nockenwellendrehzahl entspricht.
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Beispielsweise kann bei m in Zündreihenfolge aufeinanderfolgenden Zylindern des Zweistoffmotors eine Testmenge des ersten Kraftstoffs durch den zweiten Kraftstoff ersetzt werden, wobei m ganzzahlig ist und mindestens 2 beträgt. Die Abweichungen bzw. „Störungen“ treten dann mit bestimmter Ereignisanzahl im „Störungspaket“ auf. Beispielsweise ergibt sich hieraus für n=3 in einem 6-Zylinder-Motor ein Test-Muster, das sich mit einer Frequenz auf den Motor auswirkt, die der halben Nockenwellendrehzahl entspricht. Zugleich ist die Intensität der Auswirkung gegenüber der abweichenden Ansteuerung nur eines Zylinders verdreifacht.
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Ein Test-Muster kann auch über ein Vielfaches der Kurbel- oder Nockenwellen-Umdrehungen periodisch sein.
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Das Testmusterprogramm kann auch eine ständige (gleitende) Veränderung von einem Arbeitsspiel (oder Vielfachen) zum nächsten beinhalten. Beispielsweise kann bei einem 6-Zylinder-Motor in einem ersten Arbeitsspiel das Test-Muster nur auf die Zylinder 1 und 2 wirken, im zweiten Arbeitsspiel auf die Zylinder 2 und 3 und im dritten Arbeitsspiel auf die Zylinder 3 und 4 usw., während die übrigen Zylinder jeweils Kraftstoff entsprechend dem Zeitprogramm für den Normalbetrieb erhalten.
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Ein Test-Muster mit periodisch aufgeprägter Abweichung kann beispielsweise darin bestehen, dass bei bestimmten Einspritzungen ein momenterzeugender Anteil von der Gaseinspritzung abgezogen und als entsprechendes, durch die Substitutionsvorschrift vorgegebenes, Energieäquivalent auf die Dieseleinspritzung addiert wird.
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Ein Test-Muster kann beispielsweise auch darin bestehen, dass bei bestimmten Einspritzungen (etwa auf einem oder einigen von mehreren Zylindern) eine GasEinspritzung (z.B. Haupteinspritzung) vollständig abgeschaltet und, gegeben durch die Substitutionsvorschrift, energieäquivalent durch eine Diesel-Einspritzung (Haupteinspritzung) ersetzt wird.
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Das Test-Muster sollte für den nominellen Kraftstoff so kalibriert werden, dass es keine oder nur unterhalb der Detektionsschwelle liegende Anregungen bzw. Abweichungen im Drehmoment- bzw. Drehzahlsignal verursacht. Bei abweichendem Kraftstoff wird die Energieäquivalenz nicht mehr erreicht, so dass das Test-Muster zu detektierbaren Anregungen bzw. Abweichungen im Drehmoment- bzw. Drehzahlsignal, bzw. im Leerlaufbedarf, führt.
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Die Detektion kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden. Beispielsweise können die Amplitude der Anregungsfrequenz, die Phasenlage oder auch Filteranregungen ausgewertet werden, und/oder diskrete Messwerte in dem Zeitbereich können miteinander verglichen werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Tankfüllstand des ersten Kraftstoffs, und/oder des zweiten Kraftstoffs, überwacht, wobei die Änderung des Drehmoments, der Drehzahl bzw. der Stellgröße mit Änderungen des Tankfüllstands korreliert wird. Die Verarbeitung der erkannten Veränderungen ermöglicht im Zusammenhang mit Änderungen des Tankfüllstands beispielsweise bei einem mit Dieselkraftstoff und Gaskraftstoff betriebenen Zweistoffmotor die Schlussfolgerung auf die Gas-Eigenschaften bzw. auf die Gasqualität.
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Das Durchlaufen unterschiedlicher Test-Muster während des Motorbetriebes ist sinnvoll, um über Kombinatorik bzw. Differentialdiagnose unterschiedliche Einflüsse auf die Detektion zu eliminieren. Solche Einflüsse können sich auch außerhalb des Motors an anderer Stelle im Antriebsstrang befinden, beispielsweise in Form von Nebenabtriebsaggregaten, wie etwa Kompressoren.
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Weiterhin gibt es innerhalb des Motors verschiedene Einflüsse, die in das letztendliche Drehmoment eingehen, etwa Zylinder-zu-Zylinder-Abweichungen (verursacht etwa durch Abweichungen im Füllgrad oder durch konstruktionsbedingte Asymmetrien) oder toleranz- oder alterungsbedingte Einspritzmengen-Abweichungen.
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Hierbei kann insbesondere beispielsweise ausgenutzt werden, dass Veränderungen in der Gasqualität sich im Gegensatz zu drift- oder verschleißbedingten Effekten auf allen Zylindern und unter allen Betriebspunkten im gleichen bzw. selbstähnlichen Ausmaß auswirkt.
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Es können also langfristige Abweichungen, die nicht mit Betankungsvorgängen korrelieren, dem Driftverhalten im System, insbesondere einer Drift der Einspritzmengen einzelner Injektoren, zugeordnet werden. Längerfristige systematische Veränderungen an allen Zylindern bzw. Injektoren, die sich nach Neubetankung detektieren lassen, können hingegen eindeutig der Gasqualität zugeordnet und zur Korrektur herangezogen werden.
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Beispielsweise kann dies durch geeignete Filterung (oder Mittelwert-Bildung) der die Abweichungen repräsentierenden Messwerte erreicht werden. Diese „statistischen“ Daten werden analysiert. Unterschiedlich stark gefilterte statistische Datenbestände können miteinander verglichen werden:
- • Kurzfristige statistische Daten (Sekunden- bis Minutenbereich) können durch den aktuellen Betriebspunkt beeinflusst sein. Starke kurzfristige Abweichungen können z.B. durch momentan aktive Nebenabtriebe verursacht werden.
- • Mittelfristige statistische Daten (Minuten-Stundenbereich) eignen sich, die aktuelle Tankfüllung zu repräsentieren und können vorteilhaft bei Erhöhung des Tankfüllstandes zurückgesetzt werden. Die Höhe der Tankfüllstandsänderung (z.B. von 30% auf 100% getankt) kann beispielsweise zur Gewichtung der Filter(zeit)konstanten oder zur anteiligen Anrechnung des alten Datenbestandes verwendet werden.
- • Langfristige statistische Daten (über Tage und Monate) spiegeln die Toleranzen und Alterungserscheinungen / Driften des Systems wider. Insbesondere Einspritzmengen-Drift durch Ablagerungen und Verschleiß ist eine wesentliche Größe, wenn es um die Performance eines Motors über dessen Lebensdauer geht.
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Das Driften der Injektoren wirkt bei der Erkennung und Kompensation der Gasqualität als Störgröße. Wie schon erläutert, finden die driftbedingten Veränderungen jedoch langsam im Vergleich zur schnellen Veränderung der Gasqualität bei Neubetankung statt und sind unabhängig vom Zeitpunkt der Tankbefüllung. So kann zwischen Drifteffekten und Kraftstoff-Effekten unterschieden werden.
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Prinzipiell enthalten langfristige Daten ebenfalls die durch Neuteiltoleranzen begründeten Abweichungen zum vorkalibriertem Nominalverhalten.
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Somit wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Änderung des Drehmoments, der Drehzahl bzw. der Stellgröße über einen Zeitraum zwischen 10 Minuten und 10 Stunden gemittelt und als Indikator für eine Qualitätsabweichung des ersten Kraftstoffs, und/oder des zweiten Kraftstoffs, gewertet.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Änderung des Drehmoments, der Drehzahl bzw. der Stellgröße über einen Zeitraum zwischen 1 Tag und 3 Monaten gemittelt und als Indikator für Alterungserscheinungen oder Drifts im Zweistoffmotor, und/oder im zugehörigen Einspritzsystem, gewertet.
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Der „Wirksamkeitshorizont“ der Mittelung, Gewichtung, Speicherung bzw. Auswertung der Daten muss jedoch nicht unbedingt als Zeitraum vorgegeben bzw. definiert sein. Bei vielen Anwendungen derartiger Adaptions- und Lernalgorithmen lässt sich vorab nur grob abschätzen, nach welchem Zeitraum sich genügend relevante Information angehäuft hat. Der Horizont kann dann beispielsweise nicht als Zeitraum, sondern etwa über die Anzahl der Ereignisse, Messwerte bzw. Samples definiert werden.
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Unter Umständen läuft für jeden diskreten „Lern-Betriebspunkt“ ein eigener Messwert-Zähler. Eine andere Möglichkeit ist, dass beim Filtern/Mitteln über einen definierten Zeitraum nur die Zeit berücksichtigt wird, in der das System relevante Informationen sammelt, d.h., in der es sich beispielsweise im entsprechenden Lernpunkt befindet.
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Nach dem zuvor Gesagten wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung insbesondere ein Gaskraftstoff als erster Kraftstoff und Dieselkraftstoff als zweiter Kraftstoff gewählt.
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Die mit dem Verfahren gewonnene Information über die Gasqualität kann im Motorsteuergerät insbesondere bei der Berechnung der benötigten Einspritzmenge verwendet werden.
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Geht man von einem Berechnungspfad aus, bei dem aus dem geforderten Drehmoment zunächst eine benötigte Diesel-Menge pro Einspritzung und daraus die energetisch oder momentenbildend äquivalente Gasmenge bestimmt wird, so lässt sich die Information über die Gasqualität besonders vorteilhaft als Faktor darstellen, der zur Umrechnung von der Diesel-Menge oder vom Sollmoment auf die Gas-Menge verwendet wird.
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Die Korrektur kann additiv, multiplikativ oder über eine numerische Abbildung, etwa ein Kennfeld oder eine Kennlinie, erfolgen. Der zu korrigierende Basiswert wird typischerweise aus den im Steuergerät abgelegten Parametern bestimmt. Er kann darüber hinaus bereits mit weiteren vom System selbst erlernten oder manuell (Werkstatt, End-Of-Line, Applikation) vorgegebenen Korrekturen beaufschlagt sein. Auf diese Weise lassen sich mittelfristig und langfristig detektierte Abweichungen zu zunächst getrennten Korrekturwerten verarbeiten, die dann mit dem Basiswert verrechnet werden. Bei bestimmten Wirkzusammenhängen ist eine Verkettung der Korrekturen vorteilhafter als die Superposition. Dann dient der durch eine Korrektur modifizierte Basiswert als Grundlage für weitere Korrekturen.
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Die Korrektur kann im Sinne eines „langsamen“ Regelkreises erfolgen. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Regelkreises ist sinnvollerweise an die Streuung und Genauigkeit der Eingangsdaten (Erkennung) angepasst. Die Korrekturwerte werden dabei während der Erkennung (Test-Einspritzmuster sind aktiv) angepasst und angewendet - mit dem Ziel, die durch Anregung entstehenden Abweichungen zu kompensieren.
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Die „neuen“ Korrekturwerte können sowohl nach Ende der Erkennung (d.h. im Normalbetrieb ohne Test-Einspritzungen) übernommen und weiter angewendet werden, als auch mit einer Gewichtung in die bisherigen Korrekturen einfließen. Die Wahl der Gewichtung erfolgt sinnvollerweise in Abhängigkeit von der Lernhäufigkeit, der Streuung/Genauigkeit der Erkennung und der erwarteten Veränderungsrate der zu kompensierenden Effekte (z.B. kann sich die GasQualität im Gegensatz zum Injektor-Verschleiß bei jedem Tankvorgang verändern).
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Erfolgt die Detektion im Leerlauf oder ähnlichem Stationärbetrieb, wobei ein Drehzahlregler (Leer- bzw. Zwischendrehzahlregler) aktiv ist, so erfolgt die Kompensation der Abweichungen im abgegebenen Drehmoment direkt durch den Eingriff (Stellgröße) des Reglers. Stellgrößenveränderungen, die mit der Anregung durch Testmuster korrespondieren, können in Korrekturwerte umgerechnet werden. Diese können, wie oben beschrieben, wiederum instantan oder erst nach der Erkennung angewendet werden.
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Nach dem zuvor Gesagten ist es ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens, dass bestehende Sensorik weitergenutzt werden kann und der Einbau weiterer Hardware in den Zweistoffmotor, bzw. in das zugehörige Einspritzsystem, entbehrlich ist. Vielmehr kann das Verfahren teilweise oder vollständig in Software implementiert sein, die beispielsweise als Update auf ein bestehendes Motorsteuergerät aufgespielt werden kann und somit ein eigenständig verkaufbares Produkt darstellt.
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Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einem Steuergerät, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100;
- 2 beispielhaftes Rückspielen aus dem Verfahren 100 zur längerfristigen Optimierung des Betriebes des Zweistoffmotors;
- 3 beispielhafte Zeitprogramme zur Anwendung 120 der Substitutionsvorschrift 110.
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Nach 1 geht das Verfahren 100 davon aus, dass eine Substitionsvorschrift 110 bekannt ist, die besagt, welche Menge eines zweiten Kraftstoffs dem Zweistoffmotor zuzuführen ist, um drehmomentneutral eine erste Menge eines ersten Kraftstoffs zu ersetzen. In diese Substitutionsvorschrift 110 können ein oder mehrere Einflussgrößen 105 eingehen, wie beispielsweise Umwelt- und Umgebungsbedingungen oder auch ein Betriebspunkt oder Fahrerwunsch. In Schritt 120 wird gemäß dieser Substitutionsvorschrift 110 im Betrieb des Zweistoffmotors eine Testmenge des ersten Kraftstoffs durch die energetisch hierzu äquivalente Menge des zweiten Kraftstoffs ersetzt. Es wird also ein Test-Muster auf die Einspritzung aufgeprägt.
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Wenn sich der Zweistoffmotor nicht im Leerlauf befindet, so kann sich das Ersetzen 120 als Änderung 130 des Drehmoments oder der Drehzahl des Zweistoffmotors auswirken. Dann kann beispielsweise in Schritt 132 das Drehzahlsignal im Zeitbereich analysiert werden, ggfs. auch mit Filterung, Mittelwertbildung oder anderer Aufbereitung. Hierdurch kann beispielsweise die Auswirkung des Ersetzens 120 auf den Drehzahlverlauf analysiert werden. Es kann alternativ oder auch in Kombination beispielsweise in Schritt 134 das Drehzahlsignal im Frequenzbereich analysiert werden, um Auswirkungen und Anregungen im Drehzahlspektrum oder der Phase zu detektieren.
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Wenn sich der Zweistoffmotor im Leerlauf befindet, so kann sich das Ersetzen 120 als Änderung 140 des Leerlauf-Bedarfs auswirken. Diese Änderung 140 lässt sich in Schritt 142 über die Stellgröße des Leerlauf-Drehzahlreglers, also etwa über die Soll-Menge oder den Integral-Anteil, auswerten.
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In Schritt 150 werden Abweichungen vom Nominalzustand qualifiziert und quantifiziert. Hierzu kann beispielsweise in Schritt 152 eine mittelfristige Mittelung über 10 Minuten bis 10 Stunden erfolgen, um solche Abweichungen zu identifizieren, die auf eine Änderung der Kraftstoffqualität zurückgehen. Es kann auch beispielsweise in Schritt 154 eine längerfristige Mittelung über einen Zeitraum zwischen 1 Tag und 3 Monaten erfolgen, um solche Abweichungen zu identifizieren, die auf Alterungserscheinungen, Systemdrifts sowie Drifts oder Neu-Toleranzen von Injektoren zurückgehen.
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Hierzu werden die Abweichungen in Schritt 190 mit Änderungen des Tankfüllstands korreliert, der in Schritt 180 überwacht wird. Beispielsweise können diesbezügliche Ereignisse protokolliert werden, und eine hieraus erstellte Statistik oder Historie kann mit den in Schritt 150 erkannten Abweichungen vom Nominalzustand korreliert werden, ggfs. auch mit einer geeigneten Gewichtung. Auch Ölwechsel oder der Austausch von Injektoren können als Ereignisse protokolliert werden, so dass hieraus resultierende Abweichungen vom Nominalzustand zugeordnet werden können.
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Aus den in Schritt 150 analysierten Abweichungen kann in Schritt 160 die zur Testmenge des ersten Kraftstoffs energetisch äquivalente Menge des zweiten Kraftstoffs angepasst werden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann in Schritt 170 der Einspritzzeitpunkt dahingehend angepasst werden, dass die Ersetzung der Testmenge des ersten Kraftstoffs durch den zweiten Kraftstoff das vom Zweistoffmotor abgegebene Drehmoment möglichst wenig ändert.
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Letztendlich kann somit auch die Substitutionsvorschrift 110 angepasst und beispielsweise der Alterung von Injektoren oder anderen Komponenten nachgeführt werden, so dass der Zweistoffmotor insgesamt über lange Zeit gute Verbrauchs- und Emissionseigenschaften behält.
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2 zeigt, wie das Verfahren genutzt werden kann, um den Betrieb des Zweistoffmotors über längere Zeit zu optimieren. Die aus den Änderungen 130, 140 zu extrahierenden Effekte sind Neutoleranzen, die Kraftstoffqualität sowie Drifts des Systems bzw. einzelner Injektoren. Hingegen sind Störungen 125, die ebenfalls in die Änderungen 130, 140 eingehen, unberücksichtigt zu lassen. Die Störungen 125 können beispielsweise von Nebenabtrieben, Schlechtweg, Umwelteinflüssen, einem ungünstigen Betriebspunkt oder einer anderen Quelle im Antriebsstrang herrühren.
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Der im Rahmen der Auswertung 150 durchgeführte Vergleich 151 mit dem Nominalzustand verwendet als Referenz für den Nominalzustand eine Bezugsdatenbasis 202. Diese wurde mit einer Applikations-Datenbasis 201, die Ab-Werk-Einstellungen für das Nominalverhalten enthält, initialisiert und danach durch fortwährendes Lernen auf das konkrete System individualisiert. Die Bezugsdatenbasis dient auch nicht ausschließlich der Auswertung 150, sondern passt auch die betriebspunktabhängigen Sollwerte 210 für die Einspritzung der beiden Kraftstoffe einschließlich der Substitutionsvorschrift 110 fortwährend an, um die Verbrauchs- und Umwelteigenschaften des Zweistoffmotors optimal zu halten.
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Im Rahmen der Auswertung 150 wird neben der mittelfristigen Mittelung 152 und der langfristigen Mittelung 154 auch eine deutlich kürzerfristige Mittelung 156 durchgeführt. Das Ergebnis dieser kürzerfristigen Mittelung 156 wird in Block 158 verwendet, um in den Messdaten in Bezug auf die Änderungen 130, 140 Störungen zu erkennen sowie generell die Lernqualität und Verwendbarkeit dieser Daten zu beurteilen. In diese Bewertung 158 gehen auch der Tankfüllstand, Umwelt- und Fahrzeugbedingungen sowie der aktuelle Betriebspunkt des Zweistoffmotors ein, die in Block 180 überwacht werden. Als Ergebnis der Bewertung 180 wird über die Eingriffe 152a bzw. 154a justiert, welche der Messdaten in die Mittelungen 152 bzw. 154 eingehen und wie die Messdaten jeweils gewichtet werden.
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Die in Block 180 überwachten Einflussgrößen gehen weiterhin in die Bewertung 159 ein, die mit den Eingriffen 152b bzw. 154b darüber entscheidet, ob die Ergebnisse der Mittelungen 152 bzw. 154 eine Anpassung der in der Bezugsdatenbasis 202 enthaltenen Lernwerte erforderlich machen. Im Rahmen der Bewertung 159 wird eine Adaption und Gewichtung vorgenommen. Weiterhin werden im Rahmen der Bewertung 159 Lerngrenzen sowohl angewendet als auch überwacht. Gegebenenfalls werden durch unmittelbaren Eingriff in die Bezugsdatenbasis 202 Lernwerte zurückgesetzt.
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3a zeigt die Ansteuerung U der Injektoren eines Einspritzsystems über der Zeit t gemäß verschiedenen Zeitprogrammen 9-11. Der Zweistoffmotor verbrennt hauptsächlich Gaskraftstoff als ersten Kraftstoff, benötigt jedoch eine kleine Zündmenge von Dieselkraftstoff als zweiten Kraftstoff, damit das Gemisch aus Gaskraftstoff und Verbrennungsluft bei Komprimierung von selbst zündet. Die Diesel-Einspritzung ist in einer Phase A der in Phase B stattfindenden GasEinspritzung vorgelagert. Dieselkraftstoff und Gaskraftstoff werden mit verschiedenen Injektoren eingespritzt, jedoch sind beide Ansteuerungen der Übersichtlichkeit halber in das gleiche Diagramm eingezeichnet.
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Das Zeitprogramm 9 ist das normale Zeitprogramm. Die Zeitprogramme 10 und 11 sind aus dem Zeitprogramm 9 jeweils durch Anwenden der Substitutionsvorschrift 110 hervorgegangen. Gemäß Zeitprogramm 10 wird die eingespritzte Menge an Gaskraftstoff vermindert und im Gegenzug die energetisch äquivalente Menge an Dieselkraftstoff hinzugegeben. Gemäß Zeitprogramm 11 wird umgekehrt weniger Dieselkraftstoff eingespritzt und dafür mehr Gaskraftstoff.
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3b zeigt das Zeitprogramm 12 als weitere Abwandlung. Hier wird in beiden Phasen A und B ausschließlich Dieselkraftstoff eingespritzt. Der Gaskraftstoff wird also vollständig durch die energetisch äquivalente Menge Dieselkraftstoff ersetzt.
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3c zeigt beispielhaft, wie die Ersetzung 120 der Testmenge des einen Kraftstoffs durch die energieäquivalente Menge des anderen Kraftstoffs mit der Zylinder-Zündreihenfolge und dem Arbeitsspiel des Zweistoffmotors koordiniert werden kann. Für zwei Zeitprogramme 13 und 14 sind auf der Zeitachse jeweils zwei Arbeitsspiele 13a und 13b, bzw. 14a und 14b, aufgetragen, wobei die Zahlen auf der Zeitachse die Bezeichnungen der jeweils zündenden Zylinder angeben. „N“ bedeutet jeweils, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch gemäß dem normalen Zeitprogramm 9 zusammengesetzt ist. „M“ bedeutet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch gemäß einem modifizierten Zeitprogramm zusammengesetzt ist, dass also die Ersetzung 120 des einen Kraftstoffs durch den anderen stattgefunden hat.
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Gemäß dem Zeitprogramm 13 wird nur in dem ersten Arbeitsspiel 13a beim Zünden des dritten Zylinders das Gemisch modifiziert. Gemäß dem Zeitprogramm 14 wird hingegen in beiden Arbeitsspielen 14a und 14b jeweils das beim Zünden der ersten beiden Zylinder verwendete Gemisch modifiziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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