DE102018222158A1 - Method for operating a fuel system and fuel system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, bei dem der Kraftstoff in einem Tank (1) bevorratet, mittels einer Pumpe (2) einem Rail (3) zugeführt und mit Hilfe mindestens eines an das Rail (3) angeschlossenen, elektrisch ansteuerbaren Injektors (4) zugemessen wird und bei dem vor der Kraftstoffzumessung die folgenden Schritte durchgeführt werden:a) Ermitteln der Schallgeschwindigkeit (c) im Kraftstoff,b) Messen des Drucks (p) und der Temperatur (T) des Kraftstoffs,c) Bestimmen der Kraftstoffzusammensetzung mittels Abgleichen der ermittelten Schallgeschwindigkeit (c) mit der Schallgeschwindigkeit (c) bekannter Kraftstoffzusammensetzungen bei gegebenem Druck (p) und gegebener Temperatur (T),d) Ermitteln von Stoffdaten der Kraftstoffzusammensetzung, die für die Zumessung von Kraftstoff relevant sind,e) Verwenden der ermittelten Stoffdaten als Korrekturgrößen für die Kraftstoffzumessung.Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstoffsystem zu Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff.The invention relates to a method for operating a fuel system for supplying an internal combustion engine with fuel, in particular natural gas, in which the fuel is stored in a tank (1), fed to a rail (3) by means of a pump (2) and with the aid of at least one the rail (3) connected, electrically controllable injector (4) is metered and in which the following steps are carried out before the fuel metering: a) determining the speed of sound (c) in the fuel, b) measuring the pressure (p) and the temperature ( T) of the fuel, c) determining the fuel composition by comparing the determined speed of sound (c) with the speed of sound (c) of known fuel compositions at a given pressure (p) and a given temperature (T), d) determining material data of the fuel composition that is suitable for the For fuel metering are relevant, e) use the determined substance data as correction variables for the fuel add The invention further relates to a fuel system for supplying an internal combustion engine with fuel.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas. Das erfindungsgemäße Kraftstoffsystem ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.The invention relates to a method for operating a fuel system for supplying an internal combustion engine with fuel, in particular with natural gas. The invention further relates to a fuel system for supplying an internal combustion engine with fuel, in particular with natural gas. The fuel system according to the invention is particularly suitable for performing the method according to the invention.
Stand der TechnikState of the art
Erdgas ist ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung - je nach Quelle - erheblich schwanken kann. Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Darüber hinaus können höherkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Ethan und/oder Propan, enthalten sein. Ferner kann Erdgas leicht siedende Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff, enthalten.Natural gas is a gas mixture containing hydrocarbons, the chemical composition of which - depending on the source - can fluctuate considerably. The main component of natural gas is methane. In addition, higher-chain hydrocarbons such as ethane and / or propane can be included. Natural gas can also contain low-boiling substances, such as nitrogen.
Die Gesetzgebung fordert, dass Verbrennungsmotoren, die mit Erdgas betrieben werden, unabhängig von der jeweiligen Kraftstoffzusammensetzung in ihrem Einsatzgebiet die bestehenden Emissionsgrenzwerte einhalten müssen. Um dies bei sich ändernder Kraftstoffqualität zu gewährleisten, muss die Qualität zunächst ermittelt werden, beispielsweise mit Hilfe eines speziellen Sensors. Die ermittelte Qualität kann dann vom Fahrer händisch eingestellt oder einem Motorsteuergerät mitgeteilt werden, das den Betrieb des Verbrennungsmotors entsprechend anpasst. Alternativ oder ergänzend kann die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte durch eine Abgasnachbehandlungsanlage sichergestellt werden, die hierzu ausreichend groß dimensioniert werden muss.Legislation requires that internal combustion engines that run on natural gas, regardless of the fuel composition in their area of application, must comply with the existing emission limit values. To ensure this with changing fuel quality, the quality must first be determined, for example with the help of a special sensor. The determined quality can then be set manually by the driver or communicated to an engine control unit which adapts the operation of the internal combustion engine accordingly. As an alternative or in addition, compliance with the emission limit values can be ensured by an exhaust gas aftertreatment system, which must be dimensioned sufficiently large for this.
In einem Kraftstoffsystem der eingangs genannten Art erfolgt die Zumessung von Kraftstoff in der Regel mit Hilfe eines oder mehrerer Kraftstoffinjektoren. Bei der Zumessung des Kraftstoffs stellt die Kraftstoffqualität neben weiteren Parametern, insbesondere dem Druck und der Temperatur, eine den Durchfluss durch den Injektor beeinflussende Größe dar. Für eine genaue Zumessung ist daher die Kenntnis der qualitativen Zusammensetzung des Kraftstoffs erforderlich. Die Genauigkeit der Zumessung wiederum hat entscheidenden Einfluss auf die Sicherheit, die Laufruhe, den Verbrauch sowie die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors.In a fuel system of the type mentioned at the outset, fuel is generally metered using one or more fuel injectors. When metering the fuel, the fuel quality, in addition to other parameters, in particular the pressure and the temperature, represents a variable influencing the flow through the injector. For precise metering, it is therefore necessary to know the qualitative composition of the fuel. The accuracy of the metering in turn has a decisive influence on the safety, smooth running, consumption and pollutant emissions of the internal combustion engine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Zumessgenauigkeit eines Kraftstoffsystems bei der Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, zu erhöhen.The invention is therefore based on the object of increasing the metering accuracy of a fuel system when supplying an internal combustion engine with fuel, in particular with natural gas.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird das Kraftstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.To achieve the object, the method for operating a fuel system with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, wird der Kraftstoff in einem Tank bevorratet, mittels einer Pumpe einem Rail zugeführt und mit Hilfe mindestens eines an das Rail angeschlossenen, elektrisch ansteuerbaren Injektors zugemessen. Vor der Kraftstoffzumessung werden zudem die folgenden Schritte durchgeführt:
- a) Ermitteln der Schallgeschwindigkeit c im Kraftstoff,
- b) Messen des Drucks p und der Temperatur T des Kraftstoffs,
- c) Bestimmen der Kraftstoffzusammensetzung mittels Abgleichen der ermittelten Schallgeschwindigkeit c mit der Schallgeschwindigkeit c bekannter Kraftstoffzusammensetzungen bei gegebenem Druck p und gegebener Temperatur T,
- d) Ermitteln von Stoffdaten der Kraftstoffzusammensetzung, die für die Zumessung von Kraftstoff relevant sind,
- e) Verwenden der ermittelten Stoffdaten als Korrekturgrößen für die Kraftstoffzumessung.
- a) determining the speed of sound c in the fuel,
- b) measuring the pressure p and the temperature T of the fuel,
- c) determining the fuel composition by comparing the determined speed of sound c with the speed of sound c of known fuel compositions at a given pressure p and a given temperature T,
- d) determining substance data of the fuel composition that are relevant for the metering of fuel,
- e) Using the determined substance data as correction variables for the fuel metering.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst demnach Verfahrensschritte, in denen eine Kraftstoffzusammensetzung sowie konkrete Stoffdaten der Kraftstoffzusammensetzung ermittelt werden, um auf der Grundlage dieser Stoffdaten, wobei es sich um zumessungsrelevante Stoffdaten handelt, die Kraftstoffzumessung zu optimieren. Die Kraftstoffzusammensetzung und die Stoffdaten werden dabei auf der Grundlage der Schallgeschwindigkeit im Kraftstoff ermittelt. Aus der ermittelten Schallgeschwindigkeit in Verbindung mit dem gemessenen Druck und der gemessenen Temperatur lassen sich wiederum alle für die Zumessung relevanten Stoffdaten ermitteln, und zwar vorzugsweise rechnerisch.The method according to the invention accordingly comprises method steps in which a fuel composition and specific substance data of the fuel composition are determined in order to optimize the fuel metering on the basis of these substance data, which are substance data relevant to metering. The fuel composition and the substance data are determined on the basis of the speed of sound in the fuel. From the ascertained speed of sound in connection with the measured pressure and the measured temperature, in turn all material data relevant for the metering can be determined, and preferably arithmetically.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil, dass auf der Grundlage der zumessungsrelevanten Daten die Zumessung bzw. die Durchflussmenge durch den Injektor in der Weise gesteuert werden kann, dass der Verbrauch und die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden. Dies wiederum hat zur Folge, dass eine zur Nachbehandlung von Abgasen des Verbrennungsmotors vorgesehene Anlage kleiner dimensioniert werden kann. Ferner kann über die Durchflussmenge die Energiemenge bestimmt werden, die in den Verbrennungsmotor eingetragen wird. Insbesondere kann die eingetragene Energiemenge begrenzt werden, um Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und/oder den Verbrennungsmotor zu schützen.The method according to the invention has the advantage that the metering or the flow rate through the injector can be controlled on the basis of the data relevant to metering in such a way that the consumption and pollutant emissions of the internal combustion engine are minimized. This in turn has the consequence that a system provided for aftertreatment of exhaust gases from the internal combustion engine can be made smaller. Furthermore, about the Flow rate the amount of energy is determined, which is entered into the internal combustion engine. In particular, the amount of energy entered can be limited in order to meet safety requirements and / or to protect the internal combustion engine.
Bevorzugt wird zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in Schritt a) des vorgeschlagenen Verfahren mit Hilfe eines Sensors, vorzugsweise mit Hilfe eines Ultraschallsensors, eine Messung der Laufzeit t bei einer definierten Lauflänge L durchgeführt. Auf der Grundlage der gemessenen bzw. bekannten Daten kann dann die Schallgeschwindigkeit c nach der folgenden Formel berechnet werden:
Des Weiteren bevorzugt werden die Schritte a) und b) zeitgleich und/oder am gleichen Ort, vorzugsweise im Tank und/oder in einem dem Rail vorgelagerten Hochdruckspeicher, dem sogenannten Buffer-Speicher, durchgeführt. Der Tank und/oder der Hochdruckspeicher eignen sich besonders gut für Laufzeitmessungen zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit, da deren Abmessungen bekannt sind. Die Lauflänge L der Messstrecke kann somit einfach definiert werden. Zudem weist bzw. weisen der Tank und/oder der Hochdruckspeicher in der Regel bereits Sensoren zur Messung des Drucks p und/oder der Temperatur T auf, so dass diese zur Durchführung des Schritts b) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können. Auf den Einsatz zusätzlicher Sensoren zur Messung des Drucks p und/oder der Temperatur T kann somit verzichtet werden.
Vorteilhafterweise werden die Schritte a) und b) in einem Druck- und/oder Temperaturbereich durchgeführt, der für eine bestimmte Kraftstoffzusammensetzung die größten charakteristischen Unterschiede zeigt. Je größer die Unterschiede desto genauer kann in Schritt c) die Kraftstoffzusammensetzung mittels Abgleichen bestimmt werden. Das heißt, dass sich die Zuverlässigkeit der in Schritt c) getroffenen Aussage erhöht.Furthermore, steps a) and b) are preferably carried out at the same time and / or at the same location, preferably in the tank and / or in a high-pressure store, the so-called buffer store, upstream of the rail. The tank and / or the high-pressure accumulator are particularly well suited for transit time measurements to determine the speed of sound, since their dimensions are known. The run length L of the measuring section can thus be easily defined. In addition, the tank and / or the high-pressure accumulator generally already has sensors for measuring the pressure p and / or the temperature T, so that these can be used to carry out step b) of the method according to the invention. The use of additional sensors for measuring the pressure p and / or the temperature T can thus be dispensed with.
Steps a) and b) are advantageously carried out in a pressure and / or temperature range which shows the greatest characteristic differences for a specific fuel composition. The greater the differences, the more precisely the fuel composition can be determined in step c) by means of comparisons. This means that the reliability of the statement made in step c) increases.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Schritte a) und b) jeweils an mehreren Orten und/oder bei verschiedenen Zuständen durchgeführt werden. Die verschiedenen Messungen können zur Plausibilisierung herangezogen werden, so dass sich die Zuverlässigkeit weiter erhöht. Beispielsweise können Messungen im Tank und im Hochdruckspeicher vorgenommen werden. Da im Tank und im Hochdruckspeicher in der Regel unterschiedliche Drücke und Temperaturen herrschen, sind zugleich die Zustände an den beiden Messorten verschieden.As an alternative or in addition, it is proposed that steps a) and b) are each carried out at several locations and / or in different states. The various measurements can be used to check the plausibility, so that the reliability is further increased. For example, measurements can be carried out in the tank and in the high pressure accumulator. Since there are usually different pressures and temperatures in the tank and in the high-pressure accumulator, the conditions at the two measuring locations are different at the same time.
Bevorzugt werden die Schritte c) und d) mit Hilfe von Stoffdatenkennfeldern durchgeführt, die in einem Steuergerät hinterlegt sind. Die Bestimmung der exakten Stoffdaten erfolgt dabei durch Vergleich entsprechend der Formel:
In Schritt d) des vorgeschlagenen Verfahrens wird bzw. werden vorzugsweise die Kraftstoffdichte und/oder der Heizwert ermittelt. Die Kraftstoffdichte stellt neben der Schallgeschwindigkeit eine den Durchfluss durch den Injektor bestimmende Größe dar. Daher ist die Kenntnis der Kraftstoffdichte für die Ansteuerung der Injektors von Bedeutung. Der Heizwert der Kraftstoffzusammensetzung bestimmt den Energiegehalt bzw. die Energiemenge die mit der Zumessung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor eingetragen wird. Je nach Zusammensetzung des Kraftstoffs muss der Energiegehalt aus Sicherheitsgründen und/oder zum Schutz des Verbrennungsmotors begrenzt werden, so dass in Kenntnis des Heizwerts auch diese Größe als Korrekturwert bzw. Korrekturgröße bei der Kraftstoffzumessung verwendet werden kann.In step d) of the proposed method, the fuel density and / or the calorific value are preferably determined. In addition to the speed of sound, the fuel density represents a variable that determines the flow through the injector. Therefore, knowledge of the fuel density is important for controlling the injector. The calorific value of the fuel composition determines the energy content or the amount of energy that is entered into the internal combustion engine with the metering of fuel. Depending on the composition of the fuel, the energy content must be limited for safety reasons and / or to protect the internal combustion engine, so that, knowing the calorific value, this variable can also be used as a correction value or correction variable when metering the fuel.
Bevorzugt werden die in Schritt d) ermittelten Stoffdaten in Schritt e) zur Anpassung der Ansteuerparameter, insbesondere der elektrischen Ansteuerdauer, des mindestens einen Injektors verwendet. Über die elektrische Ansteuerdauer kann der Durchfluss durch den Injektor variiert werden, so dass die optimale elektrische Ansteuerdauer in Abhängigkeit von der jeweiligen Kraftstoffzusammensetzung gewählt werden kann. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch mit Hilfe des Steuergeräts, so dass manuell bzw. händisch keine Einstellungen mehr vorgenommen werden müssen.The substance data determined in step d) are preferably used in step e) to adapt the control parameters, in particular the electrical control duration, of the at least one injector. The flow through the injector can be varied via the electrical activation duration, so that the optimal electrical activation duration can be selected depending on the respective fuel composition. This is preferably done automatically with the aid of the control unit, so that no more settings have to be made manually or manually.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die in Schritt d) ermittelten Stoffdaten der Kraftstoffzusammensetzung weiteren Funktionen zur Verfügung gestellt werden. Die Stoffdaten werden dabei bevorzugt über das Steuergerät zur Verfügung gestellt, in dem vorzugsweise die Stoffdaten abgelegt sind.In a development of the invention, it is proposed that the substance data of the fuel composition determined in step d) be made available to further functions. The substance data are preferably made available via the control unit, in which the substance data are preferably stored.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Kraftstoffsystem zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere mit Erdgas, umfasst einen Tank zur Bevorratung des Kraftstoffs, eine Pumpe, mittels welcher der Kraftstoff aus dem Tank einem Rail zuführbar ist und mindestens einen an das Rail angeschlossenen, elektrisch ansteuerbaren Injektor für die Zumessung von Kraftstoff. Das Kraftstoffsystem umfasst ferner mindestens einen Sensor, insbesondere einen Ultraschallsensor, zum Ermitteln der Schallgeschwindigkeit c sowie mindestens ein Sensor zum Messen des Drucks p und der Temperatur T des Kraftstoffs, wobei die Sensoren im Bereich des Tanks und/oder im Bereich eines dem Rail vorgelagerten Hochdruckspeichers angeordnet und in datenübertragender Weise mit einem Steuergerät verbunden sind.The proposed fuel system to supply a Internal combustion engine with fuel, in particular with natural gas, comprises a tank for storing the fuel, a pump by means of which the fuel can be fed from the tank to a rail and at least one electrically controllable injector connected to the rail for metering fuel. The fuel system further comprises at least one sensor, in particular an ultrasonic sensor, for determining the speed of sound c and at least one sensor for measuring the pressure p and the temperature T of the fuel, the sensors in the area of the tank and / or in the area of a high-pressure accumulator upstream of the rail arranged and connected in a data-transmitting manner to a control device.
Das vorgeschlagene Kraftstoffsystem weist alle erforderlichen Komponenten zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auf, so dass das Kraftstoffsystem zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist. Das heißt, dass mit Hilfe des vorgeschlagenen Kraftstoffsystems die gleichen Vorteile erzielbar sind. Insoweit wird auf die entsprechenden Ausführungen in Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Darüber hinaus zeichnet sich das vorgeschlagene Kraftstoffsystem dadurch aus, dass es zur Abschätzung der qualitativen Kraftstoffzusammensetzung keine aufwendige Sensorik, insbesondere keinen teuren Qualitätssensor erfordert. Die erforderlichen Druck- und Temperaturmessungen können mit Hilfe der bereits vorhandenen Sensoren vorgenommen werden. Es ist lediglich ein zusätzlicher Sensor, vorzugsweise Ultraschallsensor, zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit vorzusehen. Dieser ist vorzugsweise im Bereich des Tanks oder des Hochdruckspeichers angeordnet. Es kann auch jeweils ein Sensor im Bereich des Tanks und im Bereich des Hochruckspeichers angeordnet sein, um beispielsweise eine Plausibilisierung der Messungen zu ermöglichen. „Im Bereich“ bedeutet in diesem Zusammenhang am oder im Tank bzw. Hochdruckspeicher, so dass jeweils der Druck und/oder die Temperatur und/oder die Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Behälter gemessen werden kann.The proposed fuel system has all the components required to carry out the method according to the invention described above, so that the fuel system is suitable for carrying out this method. This means that the same advantages can be achieved with the aid of the proposed fuel system. In this regard, reference is made to the corresponding statements in connection with the description of the method according to the invention. In addition, the proposed fuel system is characterized in that it does not require any complex sensors, in particular no expensive quality sensor, to estimate the qualitative fuel composition. The required pressure and temperature measurements can be carried out using the existing sensors. Only an additional sensor, preferably an ultrasonic sensor, is to be provided for determining the speed of sound. This is preferably arranged in the area of the tank or the high pressure accumulator. A sensor can also be arranged in the area of the tank and in the area of the high-pressure accumulator, for example, to enable the measurements to be checked for plausibility. In this context, “in the area” means on or in the tank or high-pressure accumulator, so that the pressure and / or the temperature and / or the speed of sound can be measured in the respective container.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Erdgas, -
2 ein Diagramm zur Darstellung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Erdgaszusammensetzungen in Abhängigkeit vom Druck, bei einemDruckbereich von 5bis 20 bar, und -
3 ein Diagramm zur Darstellung der Schallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Erdgaszusammensetzungen in Abhängigkeit vom Druck, bei einemDruckbereich von 200bis 500 bar.
-
1 1 shows a schematic illustration of a fuel system according to the invention for supplying an internal combustion engine with natural gas, -
2nd a diagram showing the speed of sound in different natural gas compositions depending on the pressure, at a pressure range of 5 to 20 bar, and -
3rd a diagram showing the speed of sound in different natural gas compositions depending on the pressure, at a pressure range of 200 to 500 bar.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das in der
Das Steuergerät
Im Tank
Anhand der ermittelten Schallgeschwindigkeit, die mit Stoffdatenkennfelder verglichen wird, die im Steuergerät
In den
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |