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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffarten und/oder unterschiedlichen Kraftstoffgemischen und/oder Kraftstoffgemischen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen, wobei die Brennkraftmaschine von einer Motorsteuerung in Abhängigkeit von zumindest der erwarteten Kraftstoffart, des erwarteten Kraftstoffgemischs und/oder des erwarteten Mischungsverhältnisses des Kraftstoffgemischs gesteuert und/oder geregelt wird und wobei eine modellierte Abgastemperatur der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von zumindest der erwarteten Kraftstoffart, des erwarteten Kraftstoffgemischs und/oder des erwarteten Mischungsverhältnisses des Kraftstoffgemischs und in Abhängigkeit von den vorliegenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine modelliert wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
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Brennkraftmaschinen auf der Basis von Otto-Motoren werden allgemein mit einem Kraftstoff aus Kohlenwasserstoffen aus fossilen Brennstoffen auf Basis von raffiniertem Erdöl betrieben. Zu diesem Kraftstoff wird vermehrt aus nachwachsenden Rohstoffen (Pflanzen) erzeugter Alkohol, beispielsweise Ethanol oder Methanol, in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen beigemengt. In den USA und in Europa wird oft eine Mischung aus 75-85% Ethanol und 15-25% Benzin unter dem Markennamen E85 eingesetzt. Vorwiegend in Brasilien werden Ethanol-Kraftstoffe verwendet, die sich in ihrem Wasseranteil unterscheiden. AEAC (Anhydrous Ethanol Fuel) weist herstellungsbedingt einen maximalen Wasseranteil von 0,4 % und AEHC (Hydrous Ethanol Fuel) einen maximalen Wasseranteil von 4,9 % auf. Für den Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen vorgesehene Brennkraftmaschinen sind so ausgelegt, dass sie sowohl mit reinem Benzin als auch mit Mischungen betrieben werden können; dies wird mit „Flex-Fuel-Betrieb“ bezeichnet.
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Für einen sparsamen Betrieb mit einem geringen Schadstoffausstoß bei gleichzeitig hoher Motorleistung müssen die Betriebsparameter im Flex-Fuel-Betrieb an die jeweilig vorliegende Kraftstoff-Mischung angepasst werden. Beispielhaft liegt ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoff-Verhältnis bei 14,7 Gewichtsanteilen Luft pro Anteil Benzin vor, bei Verwendung von Ethanol muss jedoch ein Luftanteil von 9 Gewichtsanteilen eingestellt werden. Dazu ist es bekannt, mit Hilfe der so genannten Gemischadaption, basierend auf dem Signal einer Lambda- oder Sauerstoffsonde im Abgasstrang der Brennkraftmaschine, einen entsprechenden Adaption- oder Korrekturwert zu ermitteln und so das Luft-/Kraftstoffverhältnis an die Kraftstoffzusammensetzung anzupassen. Dies erfordert jedoch einen sehr großen Stellbereich der Gemischadaption. Für Lambda-Verschiebungen, bedingt durch Toleranzen im Kraftstoffpfad (Kraftstoffdruck-Fehler, Durchflussfehler der Einspritzventile) oder im Luftpfad (Luftmassenfehler durch Toleranzen des Heißfilmluftmassensensors HFM oder von Drucksensoren) stehen dann oft nur noch eingeschränkte Korrekturmöglichkeiten zur Verfügung.
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Auch muss beim Flex-Fuel-Betrieb aufgrund der unterschiedlichen temperaturabhängigen Verdampfungseigenschaften von Ethanol und Benzin beim Start der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis ein angepasster Anreicherungsfaktor vorgegeben werden. Der Zündzeitpunkt muss ebenfalls in Abhängigkeit von der Kraftstoff-Mischung angepasst werden. Die Kenntnis des vorliegenden Kraftstoff-Mischungsverhältnisses ist daher von grundlegender Bedeutung für den Betrieb der Brennkraftmaschine.
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Es ist daher bekannt, durch separate Sensoren die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs zu bestimmen und entsprechend in der Motorsteuerung zu berücksichtigen. Zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs können unterschiedliche Kraftstoffartensensoren, auch als „fuel composition sensors“ bezeichnet, eingesetzt werden. Diese nutzen die unterschiedlichen Eigenschaften der eingesetzten Kraftstoffe, beispielsweise von Alkohol und Benzin, zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung. So ist beispielsweise Ethanol ein protisches Lösemittel, welches Wasserstoffionen enthält und eine große, jedoch vom Wassergehalt abhängige, Dielektrizitätskonstante aufweist. Benzin hingegen ist ein aprotisches Lösemittel mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten. Darauf basierend gibt es Kraftstoffartensensoren, welche die Kraftstoffzusammensetzung anhand der dielektrischen Eigenschaften des Kraftstoffgemischs bestimmen. Andere Kraftstoffartensensoren nutzen die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit oder die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Kraftstoffe, wie beispielhaft die unterschiedlichen Brechungsindices. Nachteilig hierbei ist, dass durch den Einsatz von Kraftstoffartensensoren die Systemkosten erhöht werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass gemäß bestehender Vorschriften die korrekte Funktionsfähigkeit der Kraftstoffartensensoren überwacht werden muss, was einen zusätzlichen Aufwand erfordert.
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Es wurden daher softwarebasierte Systeme zur Bestimmung der Kraftstoffzusammensetzung entwickelt, die keine speziellen Kraftstoffartensensoren verwenden, sondern die die Signale der an der Brennkraftmaschine vorhandenen Sensoren auswerten. Diese Systeme können kostengünstiger verwirklicht werden als Systeme mit Kraftstoffartensensoren.
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Aus der
DE 3036107 C3 ist eine Regeleinrichtung bekannt für ein Kraftstoffzumesssystem bei einer Brennkraftmaschine bestehend aus einer Kraftstoffversorgungseinrichtung (Kraftstoffeinspritzventil), einer Lambdasonde, Mitteln (Zeitglied) zum Bilden eines Grundzumesssignals, das betriebskenngrößenabhängig korrigiert letztlich das Ansteuersignal (ti) der Kraftstoffversorgungsvorrichtung bestimmt, einem Lambda-Regler, der ausgehend von einem von der LambdaSonde gemessenen Signal (Ä) einen Korrekturfaktor ermittelt, der multiplikativ das Grundzumesssignal (tp) mit dem Korrekturfaktor beeinflusst. Dabei ist vorgesehen, dass die Lambda-Korrektur außer vom Korrekturfaktor (KR Ä) abhängig ist von einer additiven (KA λ) und/oder einer multiplikativen (KL λ) Korrekturgröße, die korrekturfaktor- und betriebskenngrößenabhängig bestimmt wird.
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Die Regeleinrichtung ermöglicht es, systematische Abweichungen der durch das Grundzumesssignal vorgegebenen Kraftstoffzumessungen, also der sogenannten Vorsteuerung, von dem durch die Lambda-Regelung ermittelten Wert durch einen Adaptionseingriff mit einer entsprechenden Langzeitkorrektur auszugleichen. Systematische Abweichungen können beispielsweise durch Alterungseinflüsse oder durch Fertigungseinflüsse bedingt sein. Im Mittel entspricht die durch die korrigierte Vorsteuerung definierte Menge an Kraftstoff der tatsächlich benötigten Menge. Kurzfristige Abweichungen können mit dem Lambda-Regler ausgeglichen werden, dem jetzt wieder der gesamte Regelbereich zur Verfügung steht. Das zugrunde liegende Verfahren ist auch unter der Bezeichnung Gemischadaption bekannt.
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Die Bestimmung des Kraftstoff-Mischungsverhältnisses kann ohne zusätzlichen Kraftstoffartensensor an Hand einer Kraftstoff-Adaption erfolgen. Die Kraftstoff-Adaption wird nach einer durch den Tankstandsgeber erkannten Betankung aktiviert. Eine durch den Tankvorgang geänderte Kraftstoffzusammensetzung führt zu einem geänderten stöchiometrischen Luft-/Kraftstoff-Verhältnis. Durch einen entsprechenden Eingriff der Lambda-Regelung auf die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere auf das eingestellte Luft-/Kraftstoff-Verhältnis und den Zündzeitpunkt, wird diese Änderung der Kraftstoffeigenschaften im Rahmen der Kraftstoff-Adaption berücksichtigt. Aus dem Eingriff der Lambda-Regelung beziehungsweise der Kraftstoff-Adaption kann so auf das stöchiometrische Verhältnis und daraus auf die Zusammensetzung des Kraftstoff-Gemischs geschlossen werden. Die Zusammensetzung des Kraftstoff-Gemischs kann entsprechend durch eine reine Softwarelösung kostengünstig bestimmt werden.
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Ein Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass bei einem Betankungsvorgang mit kleinen Kraftstoffmengen die Tankfüllstandssensoren dies nicht immer zuverlässig erkennen. Werden wiederholt solche Kleinstmengenbetankungen durchgeführt, so kann es, insbesondere bei geringem Füllstand des Kraftstofftanks, dazu kommen, dass sich die Kraftstoff-Zusammensetzung signifikant ändert, ohne dass dies durch die Kraftstoff-Adaption erkannt und ausgeregelt wird. Die Veränderung der Verbrennungseigenschaften wird dann fälschlich durch die GemischAdaption korrigiert.
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In der
DE 10 2007 0 34 189 B4 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses zweier Kraftstoffe beschrieben, die sich in ihrer Oktanzahl unterscheiden. Die Brennkraftmaschine weist zumindest einen Klopfsensor und eine Klopfregelung auf. Die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs wird mittels eines Ausgangssignals des Klopfsensors bestimmt. Ein aus einer Klopfregelung bestimmter Wert der Kraftstoffzusammensetzung wird zur Plausibilisierung eines zuvor in einer Motorsteuerung bestimmten Wertes der Kraftstoffzusammensetzung verwendet.
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Die
DE 10 2007 042 718 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs aus einem ersten und zumindest einem zweiten Kraftstoff zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoffgemische verschiedener Zusammensetzung eine unterschiedliche Klopffestigkeit aufweisen. Dabei ist es vorgesehen, dass die Zusammensetzung des Kraftstoffgemischs aus dem Zündwinkel bestimmt wird, bei dem gerade kein Motorklopfen auftritt.
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Es sind Brennkraftmaschinen bekannt, welche sowohl mit flüssigen wie auch mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden können, beispielsweise mit Benzin und Flüssiggas (LPG) oder mit Benzin und Erdgas. Die Umschaltung zwischen den Kraftstoffarten erfolgt zumeist automatisch, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Füllstand eines Kraftstofftanks. Die Regel- und Steuerparameter der Brennkraftmaschine werden beim Umschalten zwischen den Kraftstoffarten an den jeweiligen Kraftstoff angepasst.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches einen energiesparenden und umweltschonenden Betrieb einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffarten, Kraftstoffgemischen und unterschiedlichen Mischungsverhältnissen von Kraftstoffgemischen ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in einem Adaptionsschritt eines Kraftstoff-Adaptionszyklus eine gemessene Abgastemperatur im Abgassystem der Brennkraftmaschine gemessen wird, dass die gemessene Abgastemperatur mit der modellierten Abgastemperatur verglichen wird und dass bei einer einen Grenzwert überschreitenden Abweichung der gemessenen Abgastemperatur von der modellierten Abgastemperatur ein oder mehrere Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine derart angepasst werden, dass sich die Abweichung zwischen der modellierten und der gemessenen Abgastemperatur verringert. Die Abgastemperatur einer Brennkraftmaschine ist mit dem verwendeten Kraftstofftyp verknüpft. Bei unterschiedlichen verwendeten Kraftstoffarten, Kraftstoffgemischen oder Mischungsverhältnissen von Kraftstoffgemischen stellen sich bei gleicher Drehmomentanforderung an die Brennkraftmaschine unterschiedliche Abgastemperaturen ein. Dies hat im Wesentlichen zwei Ursachen: zum einen unterscheiden sich die Eigenschaften der Kraftstofftypen, zum anderen werden für die unterschiedlichen Kraftstofftypen unterschiedliche Parameter zur Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine verwendet. Diese Parameter sind für den jeweiligen Kraftstoff optimiert, um einen energiesparenden und umweltschonenden Betrieb der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Eine wichtige, die Abgastemperatur beeinflussende Eigenschaft eines Kraftstoffs ist sein Heizwert. Die während einer Verbrennung in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine freigesetzte Energie ist direkt mit dem Heizwert des verwendeten Kraftstoffs verbunden. Entsprechend dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik wird die durch die Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer freigesetzte Energie zu einem Anteil in mechanische Energie und zu einem weiteren Anteil in Wärmeenergie umgesetzt. Die bei der Verbrennung freigesetzte Energie beeinflusst daher wesentlich die Temperatur des bei der Verbrennung erzeugten Abgases.
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In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Heizwerte von für die Verwendung in Brennkraftmaschinen gängigen Kraftstoffarten und Kraftstoffgemischen angegeben:
Kraftstoff | Heizwert [kJ/kg] |
E25 | 40005 |
E50 | 38547 |
E75 | 34058 |
AEAC | 28242 |
AEHC | 26359 |
GNV | 42180 |
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E25 entspricht einem Kraftstoffgemisch mit 75% Benzin und 25% Ethanol. Bei E50 weist das Kraftstoffgemisch einen Benzinanteil und einen Ethanolanteil von jeweils 50% auf, während der Benzinanteil bei dem Kraftstoffgemisch mit der Bezeichnung E75 25% und der Ethanolanteil 75% beträgt. Bei dem Kraftstoff AEAC (Anhydrous Ethanol Fuel) handelt es sich, wie zuvor beschrieben, um einen Alkohol (Ethanol) mit einem maximalen Wasseranteil von 0,4 %. AEHC (Hydrous Ethanol Fuel) kennzeichnet einen Ethanol-Kraftstoff mit einem maximalen Wasseranteil von 4,9%. GNV (Compressed Natural Gas Vehicle) steht für Erdgas als Kraftstoff. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, steigt bei Gemischen aus Benzin und Ethanol der Heizwert des Kraftstoffgemischs mit ansteigendem Benzingehalt. Bei Ethanolkraftstoffen wird der Heizwert von dem in dem Kraftstoff vorliegenden Wasseranteil beeinflusst, wobei ein höherer Wasseranteil zu einem geringeren Heizwert führt. Der Heizwert von Erdgas liegt über dem der gezeigten Alkohole und Alkohol-Benzin-Gemische. Die unterschiedlichen Heizwert der Kraftstoffe führen bei gleicher Drehmomentanforderung der Brennkraftmaschine zu unterschiedlichen Abgastemperaturen.
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Abhängig von den Eigenschaften des verwendeten Kraftstoffs ist es üblich, Parameter zur Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine derart anzupassen, dass diese effizient und umweltschonend betrieben wird. Sind diese Parameter nicht optimal an den vorliegenden Kraftstoff angepasst, beeinflusst dies direkt die Temperatur des Abgases.
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Für mit unterschiedlichen Kraftstoffarten, Kraftstoffgemischen und Mischungsverhältnissen von Kraftstoffgemischen betriebene Brennkraftmaschinen wird die Abgastemperatur üblicherweise mit einem Abgastemperatur-Modell (ETM: Exhaust Gas Temperature Model) berechnet. Das Abgastemperatur-Modell berücksichtigt dabei den verwendeten Kraftstoff, die vorliegenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und die in Abhängigkeit von dem verwendeten Kraftstoff gewählten Parameter zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine. Dem Abgastemperatur-Modell werden dazu die vorliegende Kraftstoffart, das vorliegende Kraftstoffgemisch, das Mischungsverhältnis des vorliegenden Kraftstoffgemischs und/oder die Eigenschaften des Kraftstoffs angegeben. Liegt ein Fehler bei der dem Abgastemperatur-Modell angegebenen Kraftstoffart, dem angegebenen Kraftstoffgemisch bzw. dem angegebenen Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs vor, so weicht die von dem Abgastemperatur-Modell berechnete Abgastemperatur von der tatsächlichen Abgastemperatur ab. Dies ist begründet in der fehlerhaften Annahme des Heizwertes des Kraftstoffs und der fehlerhaften Annahme der Parameter zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine durch das Abgastemperatur-Modell. Durch Messung der Abgastemperatur, beispielsweise durch einen in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Temperatursensor, kann die Abweichung zwischen der mit Hilfe des Abgastemperatur-Modells modellierten Abgastemperatur und der gemessenen und damit tatsächlich vorliegenden Abgastemperatur bestimmt werden. Eine Abweichung zwischen der modellierten und der gemessenen Abgastemperatur gibt einen direkten Hinweis darauf, dass die Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine unter einer fehlerhaften Annahme der verwendeten Kraftstoffart, des verwendeten Kraftstoffgemischs bzw. des Mischungsverhältnis des verwendeten Kraftstoffgemischs erfolgt. Die Brennkraftmaschine wird somit bezüglich Energieverbrauch, Abgasemission und Leistung nicht im optimalen Betriebspunkt betrieben. Durch Anpassung eines oder mehrere Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine derart, dass sich die Abweichung zwischen der modellierten und der gemessenen Abgastemperatur verringert, werden die Parameter an den tatsächlich vorliegenden Kraftstoff angepasst. Dadurch können bei gegebener Drehmomentanforderung, beispielsweise durch einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs, der Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine optimiert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft sehr einfach und kostengünstig umsetzen, da geeignete Abgastemperatur-Modelle bekannt, als Softwarelösung einfach in eine bestehende Motorsteuerung zu implementieren und bei modernen, mit unterschiedlichen Kraftstoffen zu betreibenden Brennkraftmaschinen üblicherweise bereits vorgesehen sind. Die erforderliche Temperaturmessung im Abgaskanal der Brennkraftmaschine kann einfach und kostengünstig mit zumindest einem Temperatursensor durchgeführt werden.
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Durch die zyklische Wiederholung der Adaption können der oder die Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine in aufeinanderfolgenden Adaptionsschritten so lange angepasst werden, bis die gemessene Abgastemperatur der modellierten Abgastemperatur entspricht. Die Parameter sind dann an den verwendeten Kraftstoff angepasst. Durch die wiederholte Adaption werden Änderungen der Kraftstoffart, des Kraftstoffgemischs und/oder des Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs erkannt und können entsprechend korrigiert werden.
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Eine einfache und schnelle Anpassung der Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine an einen vorliegenden Kraftstoff kann dadurch erreicht werden, dass aus der Abweichung der gemessenen Abgastemperatur von der modellierten Abgastemperatur auf eine von der erwarteten Kraftstoffart abweichende vorliegende Kraftstoffart und/oder auf ein von dem erwarteten Kraftstoffgemisch abweichendes vorliegendes Kraftstoffgemisch und/oder auf ein von dem erwarteten Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs abweichendes vorliegendes Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs geschlossen wird und dass der oder die Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine für einen optimierten Betrieb der Brennkraftmaschine mit der vorliegenden Kraftstoffart und/oder dem vorliegenden Kraftstoffgemisch und/oder dem vorliegenden Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs angepasst werden. Bei Kenntnis der tatsächlich vorliegenden Kraftstoffart, des tatsächlich vorliegenden Kraftstoffgemischs bzw. des tatsächlich vorliegenden Mischungsverhältnisses des Kraftstoffgemischs können die Steuer- und Regelparameter verschiedener funktionaler Subsysteme der Motorsteuerung gezielt und vorzugsweise innerhalb eines Adaptionsschrittes verändert werden. Funktionale Subsysteme bilden logische Teilsysteme der Motorsteuerung, welche bestimmte Steuer- und Regelaufgaben, wie beispielsweise die Steuerung bzw. Regelung der Luftzuführung und der Kraftstoffzuführung, übernehmen. Die Adaption kann somit in wenigen Adaptionsschritten, vorzugsweise in einem Adaptionsschritt, erfolgen.
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Häufig werden regional nur zwei unterschiedliche Kraftstoffarten, beispielsweise E85 und Benzin, an den Tankstellen angeboten. Eine einfache Adaption der Regelparameter der Brennkraftmaschine kann dann dadurch erfolgen, dass die Brennkraftmaschine mit zwei in der Motorsteuerung hinterlegten Kraftstoffarten und in beliebigen Mischungsverhältnissen der Kraftstoffarten betrieben wird und dass aus der gemessenen Abgastemperatur oder aus der ermittelten Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur die vorliegende Kraftstoffart oder das vorliegende Mischungsverhältnis zwischen den beiden Kraftstoffarten bestimmt wird.
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Um zu erreichen, dass zulässige Toleranzen bei der Messung und der Modellierung der Abgastemperatur nicht zu einer unerwünschten Veränderung der Parameter zur Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine führen, kann es vorgesehen sein, dass der oder die Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine angepasst werden, wenn die gemessene Abgastemperatur um mehr als einen vorgegebenen Grenzwert bzw. Abstand von der modellierten Abgastemperatur abweicht.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die erwartete Kraftstoffart der in einem vorangegangenen Adaptionsschritt des Adaptionszyklus ermittelten oder bestätigten, vorliegenden Kraftstoffart entspricht oder dass das erwartete Kraftstoffgemisch dem in dem vorangegangenen Adaptionsschritt des Adaptionszyklus ermittelten oder bestätigten vorliegenden Kraftstoffgemisch entspricht oder dass das erwartete Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs dem in dem vorangegangenen Adaptionsschritt des Adaptionszyklus ermittelten oder bestätigten Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs entspricht. Wird während eines Adaptionsschrittes eine ggf. zu große Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur festgestellt und daraufhin die vorliegende Kraftstoffart, das vorliegende Kraftstoffgemisch und/oder das vorliegende Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs bestimmt, so werden die Parameter zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine an diesen neuen Kraftstoff angepasst. In einem nächsten Adaptionsschritt erfolgt dann die Modellierung der Abgastemperatur auf Basis der Eigenschaften und der Steuer- bzw. Regelparameter der Brennkraftmaschine für diesen neuen Kraftstoff. Wurde der neue Kraftstoff korrekt bestimmt, so reduziert sich die Abweichung zwischen der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur, so dass bis zum erneuten Auftreten einer ggf. erhöhten Temperaturdifferenz keine weitere Korrektur mehr vorgenommen werden muss.
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Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass nach einer erfolgten Anpassung des oder der Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine eine vorgegebene Wartezeit bis zu einer erneuten Bestimmung und Auswertung der Abweichung zwischen der modellierten und der gemessenen Abgastemperatur eingehalten wird. Die Wartezeit ist besonders bevorzugt derart vorgegeben, dass sich nach der Änderung von Parametern zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine unter Berücksichtigung von Wärmekapazitäten von mit dem Abgas in Berührung stehenden Bauteilen eine in vorgegebenen Grenzen stabile Abgastemperatur einstellen kann. Schwingungen des Systems durch zu schnelle Steuer- und Regeleingriffe können auf diese Weise vermieden werden.
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Um nach einem Start der Brennkraftmaschine oder nach einem Tankvorgang eine Adaption der Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine zu ermöglichen kann es vorgesehen sein, dass in einem ersten Adaptionsschritt nach einem Start der Brennkraftmaschine oder nach einem Tankvorgang die erwartete Kraftstoffart und/oder das erwartete Kraftstoffgemisch und/oder das erwartete Mischungsverhältniss des Kraftstoffgemischs der vorliegenden Kraftstoffart, dem vorliegenden Kraftstoffgemisch und/oder dem vorliegenden Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs vor dem letzten Start der Brennkraftmaschine oder vor dem Tankvorgang entspricht. Wurde die Kraftstoffart, das Kraftstoffgemisch und/oder das Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs während der Auszeit der Brennkraftmaschine oder durch den Tankvorgang nicht verändert, so ermöglichen die für den zuletzt bestimmten, vorliegenden Kraftstoff optimierten Parameter nach dem Start bzw. dem Tankvorgang einen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen optimierten Betrieb der Brennkraftmaschine. Wurde die Kraftstoffart, das Kraftstoffgemisch und/oder das Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs verändert, so kann, ausgehend von den letzten Steuer- und Regelparametern, in einem nächsten Adaptionsschritt eine Korrektur der Parameter auf Basis der dann vorliegenden und ermittelten Abweichung der gemessenen von der modellierten Abgastemperatur erfolgen.
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Eine überwachte Einstellung der Parameter zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine kann dadurch erreicht werden, dass die erwartete Kraftstoffart und/oder das erwartete Kraftstoffgemisch und/oder das erwartete Mischungsverhältniss des Kraftstoffgemischs mit Mitteln zur Bestimmung der Kraftstoffart und/oder des Kraftstoffgemischs und/oder des Mischungsverhältnisses des Kraftstoffgemischs, insbesondere mit einem Kraftstoffartensensor oder über eine Lambdaregelung oder mit einem Klopfsensor, bestimmt und über den Vergleich der gemessenen mit der modellierten Abgastemperatur überprüft und/oder korrigiert wird. Fehleinstellungen können so sicher vermieden werden.
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Um einen energiesparenden Betrieb der Brennkraftmaschine bei gleichzeitig geringen Schadstoffemissionen zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass Parameter einer Drehmomentfunktion und/oder eines Luftsystems und/oder eines Kraftstoffsystems und/oder eines Zündungs-Systems und/oder einer Klopfregelung und/oder einer Startfunktion und/oder eines Abgastemperatur-Modells und/oder eines Abgassystems und/oder eines Diagnosesystems und/oder weiterer Steuer- und Regelfunktionen der Brennkraftmaschine angepasst werden. Diese und weitere Funktionsblöcke (Subsysteme) sind in modernen Motorsteuerungen als Hardware und Software vorgesehen und können entsprechend einfach angepasst werden.
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Das Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft zur Anpassung der Steuerung und/oder Regelung einer mit unterschiedlichen Kraftstoffarten und/oder mit unterschiedlichen Kraftstoffgemischen und/oder mit Kraftstoffgemischen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen betreibbaren, als Ottomotor ausgeführten Brennkraftmaschine an eine vorliegende Kraftstoffart und/oder an ein vorliegendes Kraftstoffgemisch und/oder an ein Kraftstoffgemisch mit einem vorliegenden Mischungsverhältnis verwenden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Säulendiagramm zur Darstellung von Abgastemperaturen bei Betrieb einer in 2 gezeigten Brennkraftmaschine mit verschiedenen Kraftstoffen und
- 2 in einer schematischen Blockdarstellung eine Brennkraftmaschine mit einer ihr zugeordneten Motorsteuerung.
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1 zeigt ein Säulendiagramm 10 zur Darstellung von Abgastemperaturen bei Betrieb einer in 2 gezeigten Brennkraftmaschine 20 mit verschiedenen Kraftstoffen. Die Abszissenachse bildet eine Drehzahlachse 12 und die Ordinatenachse eine Temperaturachse 11. Die Drehzahlachse 12 ist in drei durch Doppelpfeile gekennzeichnete Drehzahlbereiche 13.1, 13.2, 13.3 unterteilt. Für jeden Drehzahlbereich 13.1, 13.2, 13.3 ist für sechs unterschiedliche Kraftstoffe eine in 2 gezeigte Temperatur 22 des Abgases als Säule dargestellt. Bei den Kraftstoffen handelt es sich um E25 14, um E 50 15, um E75 16, um AEAE 17, um AEHC 18 und um GNV. E25 14 entspricht einem Kraftstoffgemisch mit 75% Benzin und 25% Ethanol, E50 15 einem Kraftstoffgemisch mit einem Benzinanteil und einen Ethanolanteil von jeweils 50% und E75 16 einem Kraftstoffgemisch mit 25% Benzin und 75% Ethanol. AEAC 17 (Anhydrous Ethanol Fuel) steht für einen Alkohol (Ethanol) mit einem maximalen Wasseranteil von maximal 0,4 % und AEHC 18 (Hydrous Ethanol Fuel) für einen Ethanol-Kraftstoff mit einem maximalen Wasseranteil von 4,9%. GNV (Compressed Natural Gas Vehicle) steht für Erdgas als Kraftstoff. Der erste Drehzahlbereich 13.1 entspricht einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von 1500 U/min, der zweite Drehzahlbereich 13.2 einer Drehzahl von 2000 U/min und der dritte Drehzahlbereich 13.3 einer Drehzahl von 2500 U/min. Die Brennkraftmaschine 20 ist als Ottomotor ausgebildet. Die dargestellten Temperaturen 22 entsprechen einer in 2 gezeigten gemessenen Abgastemperatur 41 bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit für den jeweiligen Kraftstoff optimierten Parametern. Es zeigt sich, dass in den jeweiligen Drehzahlbereichen 13.1, 13.2, 13.3 unterschiedliche Kraftstoffe zu unterschiedlichen Temperaturen 22 des Abgases der Brennkraftmaschine 20 führen. Weiterhin führen gleiche Kraftstoffe bei unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 20 zu unterschiedlichen Temperaturen 22 des Abgases.
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Die Abgastemperaturen können bei Kenntnis des vorliegenden Kraftstoffs mit einem in 2 gezeigten Abgastemperatur-Modell 31 in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 20 berechnet werden. Die mit einem solchen Abgastemperatur-Modell 31 (ETM: Exhaust Gas Temperature Model) modellierten Abgastemperaturen 42, wie sie in 2 gezeigt und verwendet sind, entsprechen bei Kenntnis des vorliegenden Kraftstoffs im Rahmen zulässiger Toleranzen für die jeweiligen Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 20 den gemessenen Abgastemperaturen 41.
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2 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Brennkraftmaschine 20 mit einer ihr zugeordneten Motorsteuerung 30. Die Brennkraftmaschine 20 wird entsprechend vorliegender Betriebsbedingungen 21 betrieben. Dazu wird die Brennkraftmaschine 20 über die Motorsteuerung 30 und der Motorsteuerung 30 zugeordnete Aktoren derart angesteuert, dass sie eine beispielsweise von einem Fahrer eines Kraftfahrzeugs oder automatisiert vorgegebene Drehmomentanforderung erfüllt. Die Motorsteuerung umfasst in bekannter Weise verschiedene funktionale Subsysteme 38, wie eine Drehmomente-Funktion 32, eine Zündzeitpunkt Regelung 33, eine Klopfregelung 34, eine Startfunktion 35, eine Luft-Lade-Regelung 36 sowie weitere Motorsteuerfunktionen 37. Der Motorsteuerung 30 ist weiterhin ein Abgastemperatur-Modell 31 zugeordnet.
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Über ein Bestimmungsglied 58 erfolgt eine dynamische Einstellung eines oder mehrerer Parameter zumindest eines der funktionalen Subsysteme 38. Die Einstellung wird beispielsweise durch die Wahl eines adäquaten Faktors, mit dem das jeweilige Subsystem angesteuert wird, durchgeführt. In Abhängigkeit von diesem oder diesen Parametern bilden die funktionalen Subsysteme 38 Steuer- und Regelsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 20.
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Das Abgastemperatur-Modell 31 modelliert unter Berücksichtigung der von dem Bestimmungsglied 58 ausgegebenen Parameter eine modellierte Abgastemperatur 42. Die modellierte Abgastemperatur 42 bildet eine Eingangsgröße einer in der Motorsteuerung 30 integrierten Kraftstoffadaption 40. Erfindungsgemäß wird eine Temperatur 22 des Abgases mittels eines nicht dargestellten Temperatursensors gemessen, der beispielsweise ohnehin im Abgasstrang vorhanden ist. Die so erhaltene, gemessene Abgastemperatur 41 bildet eine weitere Eingangsgröße der Kraftstoffadaption 40. Ein Subtrahierer 50 berechnet eine Temperaturdifferenz 43 zwischen der gemessenen Abgastemperatur 41 und der modellierten Abgastemperatur 42. Aus der Temperaturdifferenz 43 wird in einem Rechenglied 51 ein Betrag 44 der Temperaturdifferenz 43 gebildet. Dieser Betrag 44 wird, zusammen mit einem von einem Grenzwertgeber 53 ausgegebenen Grenzwert 45, einem Vergleicher 52 zugeführt. Der Vergleicher 52 vergleicht den Betrag 44 mit dem Grenzwert 45 und gibt einen entsprechenden Vergleichswert 46 an eine Adaptions-Routine 54. Die Adaptions-Routine 54 wird aktiviert, wenn aufgrund des Vergleichsergebnisses eine Adaption erforderlich ist, wenn also der Betrag 44 der Temperaturdifferenz 43 zwischen der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur 41, 42 größer ist als der Grenzwert 45. Die Adaptions-Routine 54 bildet in Abhängigkeit von dem Vergleichswert 46 ein Steuersignal 47 aus, welches an ein Steuerglied 57 geleitet ist. Dem Steuerglied 57 sind Kraftstoffeigenschaften A 55 eines ersten Kraftstoffs und Kraftstoffeigenschaften B 56 eines zweiten Kraftstoffs zugeführt. Das Steuerglied 57 nimmt in Abhängigkeit von dem Steuersignal 47 Werte zwischen 0 und 1 ein. Der Wert 0 bedeutet, dass beispielsweise ausschließlich der erste Kraftstoff mit den Kraftstoffeigenschaften A 55 vorliegt. Dem Wert 1 ist der zweite Kraftstoff mit den Kraftstoffeigenschaften B 56 zugeordnet. Dazwischenliegende Werte des Steuersignals 47 stehen für Mischungen aus dem ersten und dem zweiten Kraftstoff. Dabei ist der Zahlenwert vorzugsweise proportional zu dem Anteil eines der Kraftstoffe, im beschriebenen Beispiel des zweiten Kraftstoffs. Ein Wert von 0,7 entspricht also einem Mischungsverhältnis von 70% des zweiten und damit 30% des ersten Kraftstoffs. Das von der Adaptions-Routine 54 an Hand des Vergleichswertes 46 ausgegebene Steuersignal 47 kennzeichnet somit den vorliegenden Kraftstoff bzw. das Mischungsverhältnis zwischen den Kraftstoffen. Die daraus resultierenden Kraftstoffeigenschaften werden durch das Steuerglied 57 an das Bestimmungsglied 58 geleitet, welches daran angepasste Parameter an einem oder an mehreren Subsystemen 38 sowie dem Abgas-Temperatur-Modell 31 einstellt.
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Vorzugsweise bezieht sich das Verfahren auf zwei Kraftstoffarten. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Steuerglied 57 dazu ausgelegt ist, die Kraftstoffeigenschaften von mehr als zwei Kraftstoffen zu kombinieren.
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Die Kraftstoffadaption 40 ermöglicht in sich zyklisch wiederholenden Adaptionsschritten die Anpassung eines oder mehrerer Parameter der funktionalen Subsysteme 38 zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 20. Dazu wird vor einem ersten Adaptionsschritt zunächst von einer erwarteten Kraftstoffart, einem erwarteten Kraftstoffgemisch und/oder einem erwarteten Mischungsverhältnis eines Kraftstoffgemischs ausgegangen. Das Steuerglied 57 gibt entsprechende Kraftstoffeigenschaften an das Bestimmungsglied 58, sodass die an die optionalen Subsysteme 38 und das Abgastemperatur-Modell 31 ausgegebenen Kraftstoffeigenschaften denen des erwarteten Kraftstoffs entsprechen. Die Motorsteuerung 30 steuert die Brennkraftmaschine 20 gemäß der Eigenschaften des erwarteten Kraftstoffs derart an, dass das gewünschte Drehmoment bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch und möglichst niedrigen Abgasemissionen zur Verfügung steht. Es ergibt sich eine Temperatur 22 des Abgases, welche als gemessene Abgastemperatur 41 Eingang in die Kraftstoffadaption 40 findet. Gleichzeitig modelliert das Abgastemperatur-Modell 31 auf Basis der Eigenschaften des erwarteten Kraftstoffs und der Betriebsbedingungen 21 der Brennkraftmaschine 20 die modellierte Abgastemperatur 42.
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Entspricht der erwartete Kraftstoff dem tatsächlich vorliegenden Kraftstoff, so sind die gemessene und die modellierte Abgastemperatur 41, 42 im Rahmen zulässiger Toleranzen gleich. Der aus der Temperaturdifferenz 43 zwischen der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur 41, 42 gebildete Betrag ist in diesem Fall kleiner als der von dem Grenzwertgeber 53 ausgegebenen Grenzwert 45. Die Adaptions-Routine 54 wird entsprechend nicht aktiviert. Entsprechend werden von dem Steuerglied 57 keine neuen Kraftstoffeigenschaften an das Bestimmungsglied 58 übermittelt und den funktionalen Subsystemen 38 und dem Abgastemperatur-Modell 31 werden weiterhin die gleichen Parameter zugeführt. Die erwartete Kraftstoffart, das erwartete Kraftstoffgemisch und/oder das erwartete Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs wurden durch den Vergleich der gemessenen und der modulierten Abgastemperatur 41, 42 bestätigt.
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Entspricht der erwartete Kraftstoff nicht dem tatsächlich vorliegenden Kraftstoff, so weichen die gemessene und die modellierte Abgastemperatur 41, 42 um mehr als eine zugelassene Toleranz voneinander ab. Dies ist begründet in den unterschiedlichen Heizwerten der Kraftstoffe und den unterschiedlichen Parametern, welche zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 20 für die verschiedenen Kraftstoffe in der Motorsteuerung hinterlegt sind. Der aus der Temperaturdifferenz 43 der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur 41, 42 gebildete Betrag 44 ist in diesem Fall größer als der vorgegebene Grenzwert 45. Der von dem Vergleicher 52 ausgegebene Vergleichswert 46 veranlasst den die Adaptions-Routine 54 zur Ausgabe eines neuen Steuersignals 47, welches dem tatsächlich vorliegenden Kraftstoff bzw. dem tatsächlich vorliegenden Mischungsverhältnis der Kraftstoffe entspricht. Den funktionalen Subsystemen 38 und dem Abgastemperatur-Modell 31 werden jetzt die Parameter des anderen Kraftstoffs bzw. eines anderen Mischungsverhältnisses zwischen den beiden Kraftstoffen zugeführt. Es ist somit möglich, anhand der ermittelten Temperaturdifferenz 43 bei Kenntnis der vorliegenden Betriebsbedingungen 21 der Brennkraftmaschine 20 und unter Berücksichtigung des fehlerhaft erwarteten Kraftstoffs die tatsächlich vorliegende Kraftstoffart, das tatsächlich vorliegende Kraftstoffgemisch bzw. das tatsächlich vorliegende Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs zu bestimmen. Den funktionalen Subsystemen 38 und dem Abgastemperatur-Modell 31 können so die den Kraftstoffeigenschaften des tatsächlich vorliegenden Kraftstoffs zugeordneten Parameter zugeführt werden. Die Steuer- und Regelparameter der Brennkraftmaschine 20 werden innerhalb der Motorsteuerung 30 auf den tatsächlich vorliegenden Kraftstoff angepasst, sodass die Brennkraftmaschine 20 unter bezüglich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission optimalen Betriebsbedingungen 21 betrieben wird. Die Temperatur 22 des Abgases der Brennkraftmaschine stellt sich entsprechend ein. Gleichzeitig passt das Abgastemperatur-Modell 31 die modellierte Abgastemperatur 42 an den ermittelten, tatsächlich vorliegenden Kraftstoff bzw. das tatsächlich vorliegende Mischungsverhältnis zwischen den Kraftstoffen an. Der aus der Temperaturdifferenz 43 zwischen der gemessenen und der modellierten Abgastemperatur 41, 42 gebildete Betrag 44 wird dadurch kleiner als der von dem Grenzwertgeber 53 ausgegebene Grenzwert 45. Die von dem Bestimmungsglied 58 an die funktionalen Subsysteme 38 und das Abgastemperatur-Modell 31 ausgegebenen Parameter bleiben daher in einem nachfolgenden Adaptionsschritt unverändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3036107 C3 [0008]
- DE 102007034189 B4 [0012]
- DE 102007042718 A1 [0013]